C6240B 卧式车床数控化改造设计(一)任务：将一台C6240B 卧式车床数改造成经济型数控车床。
主要技术指标如下：1） 床身最大加工直径400mm ；2）最大加工长度1800mm3）X 方向（横向）的脉冲当量脉冲/002.0mm x =δ，Z 方向（纵向）脉冲/05.0mm z =δ。
4）X 方向最快移动速度m in /2000max mm v x =，Z 方向为m i n /5000m a x mm v z =； 5）X 方向最快工进速度m in /300max mm v x =，Z 方向最快工进速度m in /600max mm v z =。
6）X 方向定位精度mm 02.0±，Z 方向定位精度mm 05.0±。
（二）总体方案的确定1）卧式车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补，圆弧插补以及螺纹插补的功能。
因此，数控系统应设计成连续控制型。
2）卧式车床数控化改造后属于经济型数控车床，在保证一定的加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。
因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统。
3）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。
4）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应具有消息机构。
（三）机械系统的改造设计方案1）对卧式车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样可以减少机械改造的工作量。
主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。
若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可由2～4速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，若工作频率低于70Hz,原来的电动机可以不换，但所选变频器的功率应比电动机大），当采用有级变速时，可以选用浙江超力电机有限公司生产的YD 系列7.5kw 变极多速三相异步电动机，实现2～4档变速，当采用无级变速时，应加装交流变频器，荐用烟台惠丰电子有限公司生产的F1000-G0075T3B 型号，适配7.5kw 电动机。
2） 进给系统的改造与设计方案a ） 拆除挂轮架所有齿轮，以便寻找主轴的同步轴b ）拆除机给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机和与同步带减速箱总成。
c ） 拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。
d ）拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘的一段锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。
e ） 将横向进给步进电动机通过法兰座安装到中溜板后部的床鞍上，并于滚珠丝的轴头相联。
f ） 拆去三杠（丝杠、光杠和操纵杠），更换丝杠的右支撑。
（四）进给部件的计算和选型纵、横向进给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。
以纵向进给为例。
1.脉冲当量的确定根据设计的要求，X 方向（横向）的脉冲当量脉冲/002.0mm x =δ，Z 方向（纵向）脉冲/05.0mm z =δ。
2.切削力的计算设工件的材料为碳素结构钢，650bM Pa σ=;选用的刀具材料为硬质合金15YT ;刀具几何参数：主偏角60rk=，前角010γ= ，刃倾角5s λ=-；切削用量为：背吃刀量3p a m m =，进给量0.6/f mm r =，切削速度105/m in c v m =。
查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-1，得：2795Fc C =, 1.0Fc x =,0.75Fc y =,0.15Fc n =-。
表3-3，得：主偏角r k 的修正系数0.94krFc K =；刃倾角，前角和刀尖圆弧半径的修正系数的数值均为1.0。
由公式F cF cF cx ync F c p cF cF C a fV K =算的主切削力2673.4c F N =,由经验公式::1:0.35:C fP F FF =,算的纵向进给切削力935.69f F N =背向力1069.36p F N =。
3.滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向） （1）工作载荷m F 的计算已移动部件总重量G=1300N,；车削力2673.4c F N =，1069.36p F N =，935.69,f F N =如机电一体化系统设计课程设计指导书图3-20所示，根据z cF F =，y pF F =，x fF F =的对应关系，可得：2673.4z F N = ,1069.36y F N =,935.69x F N = 。
选用矩形—三角形组合滑动导轨，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-29，取K=1.15，0.16μ=，代入公式()m x z F K F F G μ=++，得工作载荷1712m F N ≈。
（2）最大动载荷Q F 的计算 设本机床在Z 向在承受最大切削力的条件下的最快进给速度0.6/m in m υ=，初选丝杠基本导程6h P m m =，则此时丝杠的转速1000/100/m in h n P r υ==。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h ，代入6060/10L nT =，得丝杠寿命系数090L =（单位为：610r ）。
查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-30，取载荷系数 1.15w f =，再取硬度系数1h f =，代入公式8824Q w h m F f F N =≈。
（3）初选型号根据计算出的最打动载荷，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-33，选择启动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级精度，额定动载荷为13200N ，满足要求。
（4）传动效率η的计算将公称直径为0d =40mm ，基本导程6h P m m =，代入()0arc t a n /h Pd λπ=⎡⎤⎣⎦，得丝杠螺旋升角'244λ= ，将摩擦角'10ϕ=，代入公式tan /tan()ηλλϕ=+，得传动效率η=94.2% 。
（5）刚度的验算1）纵向滚珠丝杆副的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，如附图固定段采取一对推力角接触球轴承，面对面组配，丝杠加上两端连杆后，左右支承的中心距离约为2390a m m =；钢的弹性模量52.110E MPa =⨯，查表3-33，得滚珠直径3.9688W D m m =，算得丝杠底径2d =公称直径0d —滚珠直径w D =36.0312mm ，则丝杠截面积222/41019.64S d m m π==。
忽略转矩变形，算得丝杠在工作载荷m F 作用下产生的拉或压变形量()1/0.0191653m F a ES mm δ=≈。
2）根据公式()0/3w Z d D π=-，求的单圈滚珠数目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296174Z ∑=⨯=。
滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力/357Y JF F N =≈,由公式20.001m F δ=÷求得滚珠与螺纹滚道间接触变形量20.00117δ≈。
因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取20.000858δ=。
3） 将以上算出的1δ和2δ代入公式12=+δδδ总，求的丝杠总变形量（对应跨度2390mm ）=0.01975m m δ总。
由表3-27知，4级精度滚珠丝杆任意300mm 轴向行程内的行程变动量允许16m μ，而对于跨度为2390mm 的滚珠丝杆，总的变形量δ总只有19.75m μ，可见丝杠刚度足够。
（6）压杆稳定性校核 根据公式()22k k mF f EI KaFπ=÷≥计算失稳是的临界载荷k F ，查表3-34，取支承系数2k f =，由丝杠底径236.0312d m m =，求得截面惯性矩442/6482734.15I d m m π=≈；压杆稳定安全系数K 取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a 取最大值2390mm ，代入公式()22k k mF f EI KaFπ=÷≥，得临界载荷k F =19992.9N,远大于工作载荷m F （1712N ），故丝杠不会失稳。
综上所述，初选的滚珠丝杠螺母副满足使用要求。
4.同步带减速箱的设计（纵向）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负载惯量尽可能的减小，传动链中常采用减速传动，设计同步减速箱需要的原始数据有：带传动的功率P ；主动轮的转速1n 和传动比i ；传动系统的位置和工作条件等。
现根据改造经验， C6240B 车床纵向步进电动机的最大静转矩通常在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 。
该电机的详细参数如机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5所示，（1） 传动比的确定 一直电动机的步距角为0.72α︒=,脉冲当量脉冲/05.0mm z =δ，滚珠丝杠导程6h P m m =，根据公式(360)h z i p αδ︒=÷得传动比i= 0.24<1。
（2） 主动轮最高转速n 由纵向床鞍的最快移动速度m in /5000max mm v z =，可以算出主动轮的最高转速1m a x()(360)200m i n zz n r νδα=÷⨯÷= ，由于主动轮的转速不高，可以直接驱动丝杠螺母副， 因此不需要减速机构，故此时的实际传动比为i= 1。
预选的步进电动机的转速为200min r 时，对应步进脉冲频率为max 200360(600.72)1667f H z =⨯÷⨯=。
5 步进电动机的计算与选型（纵向）（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eq J ，已知：滚珠丝杠的公称直径040dm m =，总长（带接杆）2400l m m =，导程6h P m m =，材料密度337.8510/kg cm ρ-=⨯纵向移动部件的总重量1300G N =，传动比i= 1。
参照机电一体化系统设计课程设计指导书表4-1，可以算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量246.17/s J kg cm =，床鞍折算到丝杠上的转动惯量21.21/W J kg cm =，初选的纵向步进电动机型号为130BYG5501，从表4-5查得该电动机的转子的转动惯量233/m J kg cm =。
