C616数控改造设计

目录摘要 ----------------------------------------------------------------------1一、CA6140机床参数---------------------------------------------------1二、车床数控改造总体方案的确定---------------------------------------------2三、机械部分改造设计与计算-------------------------------------------------5 （一）纵向进给系统的设计与计算---------------------------------------------5 （二）横向进给系统的设计与计算---------------------------------------------11 （三）滚珠丝杠螺母副的预紧调整---------------------------------------------14 四、步进电机---------------------------------------------------------------15 （一）步进电机的工作原理---------------------------------------------------15 （二）步进电机选用的基本原则-----------------------------------------------16 （三）步进电机的选择-------------------------------------------------------17五、自动转位刀架的选用-----------------------------------------------------18六、主轴脉冲发生器---------------------------------------------------------19七、立轴的工艺设计及应用程序的编制-----------------------------------------21 （一）工艺分析-------------------------------------------------------------21 （二）数控机床参数及相关约定-----------------------------------------------22 （三）编程参数-------------------------------------------------------------23 （四）刀具走刀路线---------------------------------------------------------24 （五）编程-----------------------------------------------------------------25 （六）仿真------------------------------------------------------30 小结-----------------------------------------------------------------------31 参考文献-------------------------------------------------------------------32CA6140型车床数控改造说明书本课题是围绕将C6140普通机床改造成经济型数控机床展开设计的，改造的目的是为了实现对一典型零件——立轴（详见附图）的加工。

改造现有的普遍车床，主要考虑的问题是，如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，改造成由数控装置控制的自动进给加工以及刀架自动转位的车床，即经济型数控车床。

本设计选用JWK—15T 数控装置，这是一个开环控制系统，配套的伺服装置分别是JWF—7、JWF—8减速步进电机。

自动转位刀架选用LD4-Ⅰ型刀架，该刀架具有同类产品最先进的产品。

车床机械部分的改造包括X向、Z向进给系统的设计，包括滚珠丝杠的选型及相关机械结构的设计。

进给系统的设计特别注意到滚珠丝杠安装的位置必须保证原机床相关参数的实现，即改造后车床的最大加工范围与原机床相一致。

从立轴的结构形状来看，车加工采用数控加工较为合理，本设计在对立轴进行工艺分析的基础上，结合数控加工的特点，合理安排了刀具的走刀路线和加工余量，并编制了相应的应用程序，经仿真得到滿意的效果。

为保证立轴批量生产时轴向定位的一致性，专门设计了端面齿拔动顶尖，同时也提高了生产效率。

由于立轴的结构尺寸较小（最大外径为φ90，最大长度为224），故本课题选用CA6140普通车床进行数控改造。

一、C6140机床参数CA6140型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。

CA6140机床参数详见下表1：表1二、车床数控改造总体方案的确定本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。

利用经济型数控系统对纵、横进给系统进行开环控制。

图1 开环控制系统框图纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。

由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能减少，以降低成本。

根据CA6140车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为：采用JWK —15T 经济型数控系统分别控制X 向、Z 向的歩进电机，歩进电机经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现刀架的纵向、横向进给运动。

CA6140普通车床改造总体方案详见图2。

机 床 刀 架图2 CA6140普通车床改造总体方案示意图JWK—15T数控系统由高性能、高可靠性的8031单片机和步进电机伺服驱动所组成，采用ISO国际标准数控代码编程，能自动完成车削端面、内外圆、倒角、任意锥面、球面及公英制单、多头圆柱、圆锥螺纹加工，并配有完备的S、T、M功能，该系统采用模快化设计，内部设有计算机、电源、接口、驱动等四种模快，更换维修方便快速。

该系统性能参数列表如下：表2JWK—15T系统面板布置详见图3。

图3 JWK—15T系统面板图从JWK—15T系统所具备的功能来看，CA6140车床采用该系统进行数控化改造后，机床的性能得到了显著的提高。

具体表现为：（1）能控制刀具的位移方向、位移长度及走刀速度。

加工程序中的位移长度以十进制数。

（2）单片机数控系统走刀速度有用户任意选用，其范围伪0～6m/min，可根据具体情况进行调整。

（3）可控制车削端面、内外圆柱面、任意锥面、球面及用圆弧逼近的任意曲面。

（4）可控制加工右旋或左旋的各种内外圆柱、圆锥螺纹及多头螺纹。

（5）程序中可给出一定延时。

在加工执行到延时程序时，刀具在相应时间内停止运动。

（6）有程序暂停功能。

当程序执行到暂停时，刀具停止运行，再按下启动键，可继续执行程序。

（7）接口可发出和接收多种信号作为机械手动作、刀架转位、主轴变速等装置的控制信号，它与程序的自动循环功能相结合，可实现加工的全自动化。

（8）为方便调试和校对原点，设有点动功能。

（9）具有自诊断功能。

当加工程序编制或操作有误时，程序停止运行，并显示相应的出错信息，以便修改。

（10）加工过程中，为应付特殊情况，设有开关暂停键急停和回零功能。

（11）具有自动循环加工功能，并可进行计数。

（12）为简化加工程序，设有局部循环功能。

（13）为提高加工精度，设有间隙补偿功能。

三、机械部分改造设计与计算（一）纵向进给系统的设计与计算1.纵向进给系统的设计经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。

步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。

对车床改造来说，外观不必象产品设计要求那么高，而从改造方便、实用方面来考虑，一般把步进电机放在纵向丝杠的右端。

2.纵向进给系统的相关计算已知条件：工作台重量： W=80kgf=80N（根据图纸粗略计算）时间常数： T=25ms=6mm滚珠丝杠基本导程：L行程： S=640mm=0.01mm/step脉冲当量：δp步距角：α=0.75°/step=2mm/min快速进给速度： Vmax(1)切削计算由〈〈机床设计手册〉〉可知，切削功率N=NηK式中 N——电机功率，查机床说明书，N=4KW；η——主传动系统总效率，一般为0.6～0.7取η=0.65； K——进给系统功率系数，取为K=0.96。

则：Nc=4³0.65³0.96=2.496KW又因为NC = 6120v FZFZ =vNC 6120所以式中 v——切削线速度，取v=100m/min。

主切削力FZ=152.76(kgf)=1527.6(N) 由〈〈金属切削原理〉〉可知，主切削力FZ =CFzapXFzf YFzKFz查表得： CFz=188kgf/mm21880MpaXFz =1 YFz=0.75 KFz=1则可计算FZ如表3所示：表3 FZ计算结果当FZ=1520N 时，切削深度ap=2mm, 走刀量f=0.3mm，以此参数做为下面计算的依据。

从〈〈机床设计手册〉〉中可知，在一般外圆车削时：FX =（0.1～0.6）FZFZ=(0.15～0.7) FZ取：FX =0.5 FZ=0.5³1527.6=763.8NFY =0.6 FZ=0.6³1527.6=916.5N(2)滚珠丝杠设计计算综合导轨车床丝杠的轴向力： P=KF X +f ′(F Z +W)式中 K=1.15，f ′=0.15～0.18，取为0.16。

则P=1.15³763.8+0.16³(1527.6+800)=1250.8N1)强度计算： 寿命值 L i =611060i T nn 1=L f n 主=1000DL vfπ 取工件直径 D=80 mm,查表得T i =15000h 则：n 1=68014.33.01001000⨯⨯⨯⨯=20r/minL i =610150002060⨯⨯=18 最大动负载 Q=H w f Pf L 31查表得： 运转系数 f w =1.2 硬度系数 f H =1 则Q=318³1.2³1³1250.8=39933.6N根据最大动负载Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。

例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC 1B 系列，滚珠丝杠直径为φ32mm,型号为FC 1B32³6—5—E 2，其额定动载荷是10689N ，所以强度足够用。