CA6140 普通车床数控化改造设计中的横向进给传动系统设计1141010130060007

成人高等教育 课程设计

题 目 CA6140 普通车床数控化改造设

计中的横向进给传动系统设计

学 院 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2014 姓 名 黎洪周（学号：141010130060007） 指导教师 梁健

（2016年01月）

广东工业大学继续教育学院制

1

目录

0、CA6140普通车床概述·····················3 1、 技术要求··························4 2、 实施方案··························5 3、 横向进给传动链的设计计算·················5-8 4、滚珠丝杠螺母副的承载能力校验················9-10 5、 计算机械传动系统的刚度··················10-11 6、驱动电动机的选型与计算···················11-15 7、总结·····························15 8、【参考文献】·························15

2

0 CA6140普通车床概述

普通车床是金属切削加工中最常用的一类机床，图1所示为CA6140型普通车床的布局图。当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向移动和横向移动，车床能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等。借助成形刀具，车床还能加工各种成形回转表面。

图1 CA6410型普通车床的结构布局

普通车床刀架纵向（横向）的进给运动由主轴的回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜板（横溜板）移动。进给参数要靠手工预先调整好，如果要改变参数，则要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序由人工控制。

对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改造成为CNC装置控制的、能独立运动的进给伺服系统；将刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用CNC装置，车床就可以按预先输入的加工程序进行切削加工。由于切削参数、切削次序和刀具选择都可以由程序控制和调整，再加上纵向进给和横向进给联动的功能，数控化改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动切削，从而提高生产效率和加工精度，还能适应小批量、多

3

品种复杂零件的加工。

1 技术要求

1.1 总体方案

总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式、伺服系统的类型、计算机(CNC装置)以及传动方式的选择等。 1.1.1数控系统的选择

普通车床数控化改造后应具有定位、快速进给、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工和螺纹加工等功能，因此普通车床数控化改造所选用的数控系统应为连续控制系统。目前，市场上适用于普通车床数控化改造的数控系统较多，如西门子公司的SIEMENS802S型系统、华中数控公司的“世纪星”21/22型系统、广州数控公司的980T型系统等等。 1.1.2 伺服系统的选择

普通车床数控化改造后一般为经济型数控机床。在保证具有一定加工精度的前提下，从改造的成本考虑，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用以步进电动机为驱动装置的开环系统为宜。当然，也可以采用以伺服电动机为驱动装置的半闭环系统。这主要取决于加工精度的要求。 1.1.3功能部件的选择

这主要是滚珠丝杠及其支承方式的选择、电动回转刀架的选择等等。 1.1.4结构设计与电气设计

这主要是纵向进给传动系统、横向进给传动系统的设计和机床导轨的维护，一般采用贴塑导轨以减小摩擦力。机床电气设计包括机床原理图设计和PLC梯形图设计等等。

在上述方案的基础上，若条件允许，可以进一步对普通车床的主传动系统进行改造，以实现车床主传动系统的自动调速与控制，使加工过程实现全自动化。 1.2 设计参数

设计参数包括车床的部分技术参数和车床拟实施数控化改造所需要的参数。以CA6140型车床的改造为例，设计参数如下。

最大加工直径：在床面上，400mm；在床鞍上，210mm。 最大加工长度：1000mm。

4

行程：纵向，1000mm；横向，200mm。

快速进给：纵向，2400mm/min；横向，1200mm/min。 最大切削进给速度：纵向，500mm/min；横向，250mm/min。 溜板及刀架质量：纵向，81.63kg；横向，250mm/min。 主电机功率：7.5KW。 定位精度：0.04mm/全行程。 重复定位精度：0.016mm/全行程。 程序输入方式:增量值、绝对值通用。 控制坐标数：2。

脉冲当量：纵向，0.01mm/脉冲；横向，0.005mm/脉冲。

2 实施方案

进给系统数控化改造的主要部位有：挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板、刀架等。现拟定以下改造方案。

2.1挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲编码器。 2.2进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电动机与齿轮减速 箱总成。丝杠、光杠和操纵杠（“三杠”）拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠。滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部位。

2.3溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杠的螺母制座，丝杠螺母固定在其上。在该处还可以安装部分操作按钮。

2.4横溜板部分：将原横溜板中的滚珠丝杠、螺母拆除，在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副，横向进给步进电动机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。

2.5刀架部分：拆除原刀架，在该处安装自动回转四方刀架总成。

3 横向进给传动链的设计计算

3.1主切削力及其切削分力计算 3.1.1 计算主切削力Fz。

已知机床主电动机的额定功率Pm为7.5kW,最大工件直径D=400mm，主轴计算转速n?85r/min。在此转速下，主轴具有最大扭矩和功率，刀具的切削速度为

5

πDn3.14×400×10-3×85?m/s?1.78m/s v?6060取机床的机械效率??0.8，则由式（2-6）[1]得

Fz???m0.8?75×103??103??3370.79? v1.783.1.2 计算各削切分力。

走刀方向的切削力Fx和垂直走刀方向的切削力Fy可由式（2-4）[1]求出：

Fx?0.25Fz?0.25?3370.79N?842.7N

Fy?0.4Fz?0.4?3370.79N?1348.32N

主切削力Fz、走刀方向的切削分力Fx和垂直走刀方向的切削分力Fy如图2-1[1]所示。

3.2导轨摩擦力的计算

3.2.1 由式（2-8a）[1]计算在切削状态下的导轨摩擦力Fu。此时，导轨受到垂直切削分力Fv?Fz?3370.79?，横向切削分力Fc?Fx?842.7?，移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量）m?61.22kg（所受重力W?600?），查表2-3[1]得镶条紧固力fg?2000?，取导轨动摩擦系数??0.15，则

F????W?fg?Fv?Fc??0.15??600?2000?3370.79?842.7??1022.02? 3.2.2 按式（2-9a）[1]计算在不切削状态下的导轨摩擦力F??和F?。 F?????W?fg??0.15??600?2000???390? F?????W?fg??0.2??600?2000???520? 3.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力

3.3.1 按式（2-10a）[1]计算最大轴向负载力Famax。

Famax?Fy?F???1348.32?1022.02???2370.31?

3.3.2 按式（2-10b）[1]计算最小轴向负载力Famix。

Famix?F???390?

6

3.4 确定进给传动链的传动比i和传动级数

取步进电动机的步距角a?1.5?，滚珠丝杠的基本导程L??6mm，进给传动链的脉冲当量???0.005mm/脉冲，则由式（2-69）[1]得 i??L01.5×6??5 360??360×0.005按最小惯量条件，从图2-42[1]和图2-43[1]中查得该减速器应采用2级传动，传动比可以分别取i1?2,i2?2.5。根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为

z1?20、z2?40、z3?20、z4?50，模数m?2，齿宽b?20mm。 3.5 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算

3.5.1 按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定载荷Cam

已知数控机床的预期工作时间Lh?1500h0，滚珠丝杠的当量载荷

[1][1]Fm?Famax?2370.34N，查表2-28得，载荷系数fw?1.3；查表2-29，初步

选择滚珠丝杠的当量转为3级精度，取精度系数为fa?1；查表2-30[1]得，可靠性系数fc?1。取滚珠丝杠的当量转数nm?nmax(该转速为最大切削进给速度vmax 时的转速)，已知vmax?0.25m/min，滚珠丝杠的基本导程L0?6mm，则

nmax?由（2-19）[1]得

1000vmax1000×0.25?r/min?41.67r/min L?6Fmfw2370.34?1.3?360?41.67?15000???10314.37?

100fafc100?1?1 Cam?360nmLh3.5.2 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m

（1）根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝的最大轴向变形。 已知本车床横向进给系统的定位精度为40?m，重量定位精度为16?m，则由式（2-23）[1]、式（2-24）[1]得

7

?max1??～??16?m?5.33~8?m ?max2??～??40?m?8~10?m

取上述计算结果的较小值，即?max?5.33?m。 (2)估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m。

滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为

?1?51?4??1?31?2?L?行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承长度 ≈（1.2-1.4）行程+（25-30）L?

取

L?1.4?行程+30L?

=（1.4×200+30×6）mm?460mm 由式（2-25）[1]得 d2m?0.078F?L?max?0.078?520?460mm?16.52mm 5.333.5.3 初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号

根据以上计算所得的L?、Cam、d2m和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FFZL型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副，型号为FFZI2506-3（见本书附录A表A-3[1]），其公称直径d?、基本导程L?、额定动载荷Ca和螺纹底径d2如下：

d??25mm，L??6mm .37? Ca?11300?＞Cam?10314 d2?21.9mm＞d2m?16.52mm 故满足要求。

8

4滚珠丝杠螺母副的承载能力校验

4.1滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷Fc的校验

已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径D2?21.9mm，由图4-5[1]可知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度L1?313mm，丝杠水平安装时，取K1?1，查表2-44得

3[1]

K2?2，则由式（2-35）得

4d2121.9455 Fc?K1K22?10??2??10??156529.62? 23L1313本车床横向进给系统珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为Famax?2370.34N,远小于其临界压缩载荷Fc值，故满足要求。 4.2滚珠丝杠螺母副临界转速nc的校验

由图4-5[1]得滚丝杠螺母临界转速的计算长度L2?337mm，其弹性模量

E?2.1?105MPa,密度??1?7.8?10?5?/mm3，重力加速度gg?9.8?103mm/s2。

滚珠丝杠的最小惯性矩为

?43.14I?d2??21.94mm4?11285.64mm4

6464滚珠丝的最小截面积为

?23.14??21.92mm2?376.49mm2 A?d244取K1?0.8，由表2-44[1]得??3.927，则由式（2-36）[1]得

60?2n?K1 c2?L22?29188r/minEI60?3.9272?0.8??A2?3.14?33722.1?105?11285.64?9.8?103r/min 7.8?10?5?376.49本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为41.67 r/min,远小于其临界转速，故满足要求。

4.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验

查附录表A表A-3[1]得滚珠丝杠的额定动载荷Ca?11300?，已知其轴向载荷

9

Fa?Famax?2370.34N,滚珠丝杠的转速n?nmax?41.67r/min运转条件系数

[1][1]

fw?1.2，则由（2-37）、式（2-38）得

?Ca?11300??667??10??10r?6.27?10r L?????Ff?.34?1.2??2370?aw?33L6.27?107?h?25078h Lh?60n60?41.67本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命Lh?25078h?15000h，故满足要求。

5 计算机械传动系统的刚度

5.1计算机械传动系统的刚度

5.1.1 计算滚珠丝杠的拉压刚度K8。

本机床横向进给传动链的丝杆支承方式为一端固定、一端游动。丝杠的拉压刚度K8可按式（2-42）[1]计算。

已知滚珠丝的弹性模量E?2.1?105MPa，滚珠丝杠的底径d2?21.9mm。当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离a?LY?313mm时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度Ksmin，根据式（2-43a）[1]得 Ksmin2d221.922??10?1.65?10?1.65?10??/?m?252.83?/?m 4LYLY313?322?d2E当a?LJ?113mm时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度Ksmax，根据式（2-43b）

[1]

得

22d2221.9??10?1.65?10?1.65?10?/?m?700.32?/?m

4LJLJ113?322?d2E Ksmax5.1.2 计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度Kb。

已知滚动体直径dQ?5.953mm，滚动体个数Z?15，轴承的最大轴向工作载荷

[1][1]

FBmax?Famax?2370.34?,则由表2-45、2-46得

10

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7uo2.html