C6140卧式车床纵向进给系统数控化改造设计设计说明书一、绪论31.机床数控改造的意义32.数控改造的主要内容33.车床数控改造的必要性与可行性4二、课题任务及要求41.题目:C6140卧式车床纵向进给系统数控化改造设计4 2．主要技术要求4三、进给系统的改造与设计方案5四、纵向进给系统的设计计算51.脉冲当量的确定52.切削力的计算53.滚珠丝杆螺母副的计算和选型64.同步带减速箱的设计75.步进电机的计算与选型96.同步带传递功率的校核13五、绘制进给系统的装配图13六、控制系统的硬件电路设计14七、步进电机驱动电源选用17八、总结19一、绪论1.机床数控改造的意义普通卧式车床应用广泛，约占车床类总数的65%。
卧式车床主轴转速和进给量的调整范围大，工艺范围广，能进行多种表面的加工。
但其结构也有不足之处，如刚度低，抗震性差，传动件间存在间隙，精度不足，且受操作人员技能的限制较大。
而数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、尺寸多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。
但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大而使中小型企业心有余而力不足。
而机床的数控化改造由于其投资少、周期短，改造后能满足企业生产的需要，并且能有效地利用机床的剩余价值，成为中小型企业的首选。
a.节省资金机床的数控改造同购置新机床费相比，一般可节省40% ～ 60% 的费用，大型及特殊设备尤为明显。
一般机床改造只需花新机床购置费的1/3，即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60% 的费用，并可以利用车间现有的基础。
b.性能稳定可靠因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。
c.提高生产效率机床经数控改造后,即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3～7 倍。
对复杂零件而言，难度越高，功效提高得越多。
且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。
2.数控改造的主要内容对卧式车床进行改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动的刀架换成能自动换刀的电动刀架。
这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。
由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都可以按程序自动进行调节和更换，再加上纵、横向的联动进给功能，所以，改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的的回转零件，并能实现多工序集中车削，从而提高生产效率和加工精度。
3.车床数控改造的必要性与可行性数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业现代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。
目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。
由于我国企业大部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。
因此目前我国企业机床数控化比例极低，不到5%，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。
为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。
二、课题任务及要求1.题目:C6140卧式车床纵向进给系统数控化改造设计2．主要技术要求：⑴床身最大加工直径为400mm⑵最大加工长度1000mm⑶Z向脉冲当量 z=0.01mm/脉冲；⑷Z方向最快移动速度νzmax=6000mm/min；⑸Z方向最快工作速度νzmaxf=800mm/min；⑹Z方向定位精度+-0.02mm；⑺可以车削柱面、平面、锥面与球面等；⑻安装螺纹编码器，可以车削米/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24mm；⑼安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；⑽自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信号；⑾自动控制冷却泵的起/停；⑿安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；⒀纵、横向安装限位开关；⒁数控系统可与PC机串行通信；⒂显示界面采用LED数码管，。
三、进给系统的改造与设计方案1．拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器。
2．拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速总成。
3．拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮条，在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杆的螺母座与螺母座托架。
4．拆除四方刀架与小滑板总成，在中滑板上方安装四工位立式电动刀架。
5．拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杆副。
6．将横向进给步进电机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚珠丝杠的轴头相联。
7．拆去三杠（丝杠、光杠与操纵杠），列换丝杠的右支承。
四、纵向进给系统的设计计算纵向传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。
1.脉冲当量的确定根据设计任务的要求，Z方向（纵向）为δz=0.01mm/脉冲。
2.切削力的计算设工件为碳素结构钢，σb=650MPa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角κr=60°,前角γ0=10°,刃倾角λ=-5°；切削用量为：背吃刀量ap =3mm，进给量f=0.6mm/r,切削速度vc=105m/min。
查表得：Cfc =2795,xfc=1.0,yFc=0.75,nfc=-0.15.查表得：主偏角修正系数kr的修正系数k krFc =0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。
由经验公式，算得主切削力Fc =5673.4N。
由经验公式Fc:Ff:Fp=1:0.35:0.4,算得纵向进给切削力Ff =935.69N，背向力Fp=1069.36。
3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型⑴工作载荷Fm的计算已知移动部件总重G=1300N；车削力Fc=2673.4N，Fp=1069.36N，根据F z=F c,F y=F p,F x=F f的对应关系，可得：F z=2673.4N,F y=1069.36N,F x=935.69N。
选用矩形——三角形组合滑动导轨，查表得，取K=1.15,μ=0.16，代入F m=KF x+μ(F x+G),得工作载荷Fm≈1712N。
⑵最大载荷FQ的计算设本机床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度v=0.8m/min,初选丝杆基本导程P h=6mm，则此时丝杆转速n=1000v/P h≈133r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杆寿命系数L=119.7（单位为：106r）。
查表知，取载荷系数f w=1.15，再取硬度系数，f H=1，求得最大动载荷为F Q=3L0f W f H F m≈9730N。
⑶初选型号根据计算出的最大动载荷，查表知，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杆副。
其公称直径为40mm，基本导程为6mm，双螺母滚珠总圈数为3×2圈=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N，满足要求。
⑷传动效率η的计算将公称直径d0=40mm，基本导程P H=6mm，代入λ=arctan[Ph/(πd0)]，得丝杆螺旋升角λ=2°44′。
将摩擦角ϕ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ϕ),得传动效率η=94.2%。
⑸刚度的验算①纵向滚珠丝杆的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一对推力角接触球轴承，面对面组配。
丝杠加上两端固定后，左、右支承的中心距离约为a=1479mm；钢的弹性模量为E=2.1×105MPa；查表知，滚珠直径D w=3.9688mm，算得丝杆底径d2=公称直径d0-滚珠直径D w=36.0312mm，则丝杆载面积S=πd22/4=1019.64mm2。
算得丝杆在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量δ1=F ma/(ES) ≈0.01197mm ②根据公式Z=（πd0/D w）-3，求得单圈滚珠数目Z=29；该型号丝杠为双螺母,滚珠总圈数为3×2=6，则滚珠总数量为Zξ=29×6=174。
滚珠丝杆预紧时，取轴=F m/3≈571N,由相关公式计算，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量向预紧力FYJδ2≈0.00117mm。
因为丝杆有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形是可减小一产，=取δ2=0.000585mm。
③将以上计算出的δ1和δ2代入δ总=δ1+δ2，求得丝杆总变形量（对应跨度1497mm）δ总=0.012555mm=12.555μm。
查表知，4级精度滚珠丝杆任意300mm轴向行程内的变动量允许16μm，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杠，总的变形量δ总只有12.555μm，可见丝杆刚度足够。
⑹压杆稳定性的校核根据相关公式计算失稳时的临界载荷F k。
查表知，取支撑系数f k=2；由丝杠底径d2=36.0312mm，求得载面惯性矩I=πd24/64≈82734.15mm4；压杆稳定安全系数取K=3（丝杆卧式水平安装）：滚动螺母轴向固定处的距离a取最大值1497mm。
代入相关公式，得临界载荷F k≈51012N，远大于在工作载荷F m（1712N），故丝杆不会失稳。
综上述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
4.同步带减速箱的设计为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的转动惯量尽可能的减小，传动链中常采用减速传动。
设计同步带减速箱需要的数据有：带输送的功率P；主动轮转速n1和传动比i；传动系统位置和工作条件等。
根据改造经验，CA6140车床纵向步进电动机的最大静转矩约在15-25N·m之间选择。
今初选电动机型号为130BYG5501，五相混合式，最大静转矩为20N·m，十拍驱动时步距角为0.72°。
⑴传动比i的确定已知电动机的步距角为α=0.72°,脉冲当量δz=0.01mm/脉冲，滚珠丝杆导程P h=6mm。
据相关公式算得传动比为i=1.2。
⑵主动轮最高转速n1由纵向床鞍的最快移动速度v zmax=6000mm/min，可以算出主动轮最高转速n1=(v zmax/δz)×α/360=1200r/min。
⑶确定带的设计功率P d预选的步进电动机在转速为1200r/min时，对应的步进脉冲频率为f max=1200×360/（60×α）=1200×360/（60×0.72）Hz=10000Hz。
