CA6140车床的数控改造

济南大学毕业设计

1前言

1.1数控技术与数控机床

数控技术简称数控(Numerical Control——NC)，是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（Computer Numerical Control ——CNC)[1]。

采用数控技术控制的机床，或者说装备了数控系统的机床即可被称为数控机床。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术等技术的典型的机电一体化产品。它是现代制造技术的基础，不但可以很好地解决了形状结构复杂、高精度、小批量、多变形状零件的加工问题，而且还能稳定产品的加工质量和提高生产效率。与普通机床相比，数控机床具有自动换刀、自动变更切削参数的功能，还可以完成平面、回旋面、平面曲线的加工，且加工精度和生产效率都较高等优点，因而数控机床在出现的短期内就得到了广泛的应用。

1.2机床数控改造的历史背景

（1）国际背景：在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造业作为新的经济增长行业，已经发展成熟。由于机床以及数控技术的不断发展进步，机床改造成了一个“永恒\的课题。

（2）国内背景：在中国，目前机床数控化改造的市场有非常大的发展空间，现在我国机床数控化率（数控机床数目占机床总数量的比例）还不到百分之三。因此，我国的数控化改造在国际，甚至在国内市场上都缺乏竞争力。这些直接影响一个我国数控改造也的发展，甚至影响一些企业的生存和发展。本文以CA6140车床的数控改造为例，简单介绍一些机床数控改造的方法，也包括一些结构的改造设计，机床零部件的选用以及确定改造的具体方案。

1.3我国机床数控改造的必要性

利用现有闲置废弃的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台高效的、多功能的数控机床。因此，机床数控化改造是一种废弃机床合理利用的最佳方式，也是低成本实现自动化的最有效的方法，而且还是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径。

另外，普通机床进行数控化改造的优点还有: （1）可节省资金；

- 1 -

济南大学毕业设计

（2）可提高机床性能稳定性； （3）可提高生产效率； （4）可实现多工序的集中；

（5）可缩短新产品试制周期和生产周期；

（6）可实现自动报警、自动监控、自动补偿等多种智能作用[1]。

1.4 本文所研究的主要内容

（1）对普通车床数控化改造方案详细论证，应用模糊优化设计中的综合评判原理来评价本设计的改造方案；

（2）选择进给系统的滚珠丝杠型号、自动刀架型号、支承方式、与轴承型号、以及步进电机的型号等；

（3）根据普通车床CA6140电气控制系统和原理图，设计普通车床数控化改造的完整的电气控制图；

（4）设计机床的传动结构，并绘出相应的零件图和装备图；

- 2 -

济南大学毕业设计

2 普通车床数控化改造总体方案的确定

CA6140车床，主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工。这些零件的加工工艺要求机床具有的功能：可控制主轴的正反转和实现主轴的无级调速；刀架要能实现纵向和横向的进给运动，并还应具有自动换刀功能；自动控制冷却液和润滑液的启停；在加工螺纹时，应保证主轴每转一转，刀架就移动一个被加工螺纹的螺距或者导程。这些就是数控化改造的数控系统控制的对象。本设计通过查阅CA6140车床及相关的资料，并且借鉴一些车床数控化改造的经验，才确定总体的改造方案。

2.1主传动系统的设计与改造

本设计保留了原有的主传动系统和变速机构，这样可以更多的减少改造量，节省改造费用。但是，车床数控化改造的主要目的是提高车床的数控化程度，便于在机械加工过程中实现自动控制。

在本设计中，主轴部分的编码器选用的是长春禹衡光学有限公司生产的增量式实心轴编码器ZGD-44-3000BM-G05L-10m，用于解决螺纹加工起点定位和分度等问题；简化机床原有的传动系统，达到多当调速范围的确定。

2.2数控系统的设计

数控系统是机床数控化改造的中心环节，它通过对加工程序处理，发出控制信号，实现对教工过程的自动化控制。

数控系统采用闭环控制方式，核心采用C8051F020单片机作为主控芯片，进行数控系统的设计。

2.3自动转位刀架的选择

数控机床的刀架是机床的主要组成部分，它的结构和性能将直接影响到机床数控化改造质量，甚至决定了改造的成败。本设计CA6140车床的数控化改造中，将机床原来带有的手动转位刀架换成了自动转位刀架，刀架选用的是常州武进数控设备厂生产的LDB4-6140四工位螺旋转位刀架。

2.4驱动系统改造设计

由于改造设计的是经济型的CA6140车床，所以考虑具体方案时，在满足工作使用性能要求的前提下，对车床的改动应尽可能的小，从而降低成本。 2.4.1控制方式类型的选择

数控车床的伺服进给系统控制方式有开环控制、闭环控制和半闭环控制三种。

- 3 -

济南大学毕业设计

开环控制系统：没有反馈的控制系统。优点：结构简单、造价低。缺点：精度和灵敏性较差。开环控制精度一般为?0.01～?0.02mm，因此不能满足普通数控车床横向最小运动单位0.005mm/脉冲的基本要求。

闭环控制系统：把控制的结果与希望值比较，并根据它们的偏差来调整的控制系统。优点：控制精度高、灵敏性好等。缺点：价格较高。

由于改造后的数控机床对加工精度要求较高，故主轴采用闭环控制。 2.4.2伺服进给机构的改造

（1）纵向进给机构的改造

拆除机床原来的溜板箱、光杠、丝杠以及安装座的部件，装上滚珠丝杠与相应的安装装置。纵向驱动的伺服电机以及减速箱安装在丝杠的右端。用滚珠丝杠的目的是是因为它可以高机床的精度和纵向进给整体的刚度。

（2）横向进给机构的改造

拆除原来横向进给的丝杠，换上滚珠丝杠；保留原来车床带有的横向手柄，伺服电机及其减速箱安装在机床后侧。 2.4.3伺服电机的选择

综合考虑机床的精度和经济性能本方案选用松下公司的伺服电机以及伺服驱动器。

2.4.4丝杠的螺母副的选用

CA6140进给丝杠是滑动丝杠，就是说丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。滑动丝杠螺母副具有摩擦大和转动效率较低，故在精度要求较高的情况下，不能采用原来的螺母副。本方案采用滚珠丝杠螺母副代替机床原有的滑动丝杠螺母副。 2.4.5车床导轨的改造

CA6140上的运动部分，如刀架、工作台都是沿着导轨面运动的。导轨起支撑和导向的作用，并且可以保证部件在一定外力作用下沿规定的方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床加工精度的要求、支撑能力和使用性能。数控改造时根据机床导轨的磨损情况和加工精度的要求，来确定导轨的结构形式。滑动导轨，它具有结构简单，制造方便，接触刚度大等优点。但是传统的滑动导轨具有摩擦系数大，磨损较快，而且动静摩擦系数差别过大，低速时还会产生爬行现象等缺点。在数控机床上常用的导轨主要有贴有耐磨黏贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有的优点是：具有良好的摩擦性能，寿命长等[1]。

本设计综合考虑经济性和可靠性，采用贴有耐磨黏贴带覆盖层的滑动导轨。将机床原有的导轨修整以后贴塑，使其成为贴塑导轨。本设计采用南京瓦市机械设备有限公司进行贴塑，厚度为1.6mm，TSF软带材料。

- 4 -

济南大学毕业设计

2.5总体设计方案确定

由于本设计是经济性数控改造，因此在选择具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床改造部分越少越好，尽量降低改造成本。通过查阅CA6140车床相关资料和借鉴别人机床数控改造的经验，确定总体 ：以C8051F020为控制器；主轴采用闭环控制，X轴、Z轴均采用开环控制；主轴采用交流变频电动机，X轴、Z轴均采用松下公司生产的伺服电动机；为了能够加工螺纹，在主轴上安置主轴脉冲编码器，编码器采用东芝公司生产的TLP621系列的编码器；横向和纵向进给的丝杠均为滚珠丝杠[2]。

经过总体设计方案的论证，确定CA6140车床数控化改造的总体方案示意图如图2.1

光电耦合器光电耦合器X轴驱动电路X轴伺服电机X轴进给机构Z轴驱动电路电机驱动Z轴伺服电机主轴电机Z轴进给机构主轴C8051LF020电机驱动刀架电机四工位电动刀架刀架应答信号光电耦合器主轴编码器行程开关急停键盘接口电路电平转换电路键盘显示控制面板机床本体外部RAM及其接口电路路电口接信通行串

图2.1 CA6140车床数控化改造的总体方案示意图

- 5 -

济南大学毕业设计

3 CA6140车床数控改造的设计与计算

本设计重点对主轴驱动、横向与纵向驱动以及电动刀架的改造。本章简单介绍对主轴电动机的选择，横向、纵向电机的选用以及丝杠的选择和校核等。

（1）查与CA6140相关资料知CA6140改造前的主要参数： 加工最大直径：在床面上 φ400㎜ 在床鞍上 φ210㎜ 加工最大长度： 1000㎜ 溜板及刀架重力： 纵向 950N 横向 500N 刀架快速速度： 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 起动加速时间 30ms 机床定位精度： ±0.015mm （2）改造后机床的主要参数： 加工最大直径：在床面上 φ400㎜ 在床鞍上 φ210㎜ 加工最大长度： 1000㎜ 溜板及刀架重力： 纵向 1000N 横向 600N 最大进给速度： 纵向 2.0m/min 横向 1.0m/min 起动加速时间 30ms 机床定位精度： ±0.015mm

3.1主轴计算与电机的选择

根据通常情况对数控改造车床的要求，粗选车床主轴变速范围：

r/miRa?100mm nmax=2500r/ m i n nmin?20 n初步估算电动机的功率 根据经验公式知：

P=0.67Dmax1.54/1000(kw) （3.1.1）

D取400mm（D-机床的最大加工直径）故：

P?0.67?4001.541000?6.8（kw） （3.1.2）

- 6 -

济南大学毕业设计

（1）切削力参数的确定

F=9.81CFZ?apFZ?fXYFZ?vcFZ?KFZ （3.1.3）

Z查《实用机床设计手册》P497页表2.2-4，知选取工件材料为结构铸钢，刀具材料为高速钢，在外圆纵车、横车、镗孔时，主切削力的系数为：

XFZ=1

YFZ=0.75ZFZ=0KFZ=1CFZ=180kgf2/mm

有《金属切削原理》知表3.1：

表3.1切削力系数取值

量的名称 切削深度ap 进给量f 发光强度

粗加工 4-6 0.4-0.8 80-101

精加工 1.0-2.0 0.2-0.4 120-150

（2）初步估算最大切削力Fzmax和最小切削力Fzmin

Fzmax?9.81CFZ?apFZ?fXXYFZ?vcFZ?KFZ?9.81?180?6?0.80.75?1010?1?8962.11(N)ZZ

（3.1.4）

Fzmin?9.81CFZ?apFZ?fYFZ?vcFZ?KFZ?9.81?180?1?0.20.75?1200?1?528.10(N)

（3.1.5）

切削力的切削功率：

Pm?FZ?v （3.1.6） 46?10因此：

最大切削功率：

Pmmax?FZmax?v6?104max?8962.11?101=15.09(kw)?? （3.1.7）

6?104最小切削功率：

Pmmin?FZmin?vmin528.10?80??0.71(kw) （3.1.8）

6?1046?104主轴电机的功率：

Pz=

p?m(kw) （3.1.9） η其中：η--为主轴传动链的总效率，取η=0.85 因此：

主轴电机的最大功率：

- 7 -

济南大学毕业设计

Pzmax ?主轴电机的最小功率：

Pmmax15.09

= =16.77（kw） （3.1.10）

0.90ηPzmin=

Pmmin0.71==0.79(kw) （3.1.11） 0.90η（3）电动机的选择

查《机械设计课程设计手册》P167选用Y系列型号为Y180M-2电动机，其参数如表3-2

表3-2Y180M-2电动机的相关参数

电动机型号 Y160L-2

额定功率/kw

18.5

满载转速r/min

2930

额定转矩 2.0

最大转矩 2.2

质量/kg 147

3.2进给伺服系统机械部分设计计算

在进给伺服系统中，本方案采用的是伺服电机通过减速器减速以后，带动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架运动。其伺服传动结构示意图如图3.1

图3.1 伺服传动结构示意图

3.2.1 系统脉冲当量及切削力的确定

脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本的技术参数。经济型数控车床一般采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/脉冲；横向：0.005mm/脉冲。

- 8 -

济南大学毕业设计

3.2.2切削力的计算

(1) 纵车外圆

主轴切削力Fz（N）按照经验公式初步估计：

Fz=P=0.67Dmax1.54/1000=0.67?4001.54/1000=6.81(kw) （3.2.1）

按切削力各分力的比例得：

Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （3.2.2） Fx=0.25Fz=0.25?6.81=1.70（kN） （3.2.3）

Fy=0.4Fz=0.4?6.81=2.72（kN） （3.2.4）

(2)横切端面

在横切端面时候，主切削力F（N）可取纵切外圆时候的1/2。 即：

11?Fz= ?6.81=3.405（kw） （3.2.5） 22Fz'=

此时走刀抗力Fy' (N),吃刀抗力Fx'（N）.与Fz'（N）关系为：

Fz'：Fx'：Fy'=1:0.25:0.4 （3.2.6）

故：

Fx'=0.25?3.405=0.851（kw） （3.2.7）

Fy'=0.4?3.405=1.362（kw） （3.2.8）

3.2.3滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型

滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择滚珠丝杠的结构类型和滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径、导程、滚珠的工作圈数和列数。滚珠丝杠的循环方式可为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。可参照表3-1选用。

滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧和单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等方法[1]。 本设计采用WL1型外循环螺纹调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍[1]。其特点如表3.2:

- 9 -

济南大学毕业设计

表3.2 滚珠丝杠副双螺母螺纹式预紧

调整 方式

简 图

调 整 方 法

特 点

螺 纹 式

结构较紧紧凑，工作

调整端部的圆螺母，使螺母产生可可靠，滚道磨损时，可随

轴向位移

时调整预紧量不很准确应

用较普便。

（1）纵向进给丝杠

滚珠丝杠的基本导程：L0=8mm 行程：S=600mm,

最大进给速度：Vmax=2.0m/min. 1）计算进给率引力：Fm（N） 纵向进给选用矩形滑动贴塑导轨，故:

Fm=KFx?f'(Fx?Fy?G) （3.2.9）

G——为移动部件的重量（N），根据草图估计工作台重量G?1.2kN

M——为主轴上的扭矩（N?cm）

f'——为导轨上的摩擦系数，取f'=0.04

f——为轴套和轴架以及主轴的键上的摩擦系数

K——为考虑颠覆力矩影响的实验系数，取K=1.1 故：

Fm=KFx?f'(Fx?Fy?G)

=1.1?1.70?0.04?(1.70?2.72?1.2)

=2.09kN （3.2.10）

2）计算最大动载荷C

C=3LfwFm （3.2.11）

L=60?n?T （3.2.12）

106L0 n=1000?vs （3.2.13）

L0——滚珠丝杠导程，初选为L0=8mm

- 10 -

济南大学毕业设计

，此处为：vs——最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（12?13）

vs=0.8m/min

T——使用寿命，按16000h；

fw——运转系数，查表3.3知，一般取fw=1.2?1.5，本设计取fw=1.3 L——寿命，以106转为一个单位

表3.3 运转系数表

运转状态 无冲击运转 一般运转 有冲击运转

运转系数 1.0 ?1.2 1.2?1.5 1.5?2.5

n=

1000?vs1000?0.8==100(r/min) （3.2.14）

8L060?n?T60?100?16000==96 （3.2.15）

1061063L=

C=3L?fw?Fm=396?1.3?2.09?10=26621(N ) （3.2.16）

3）滚珠丝杠螺母副的选型

查阅《滚珠丝杠选型手册》，本设计的纵向滚珠丝杠可选用W1L型型号为

W1L4508外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，3.5圈1列其额定负载为2770kg?f,精度等级选4级。其具体参数值，见表3.4

表3.4 W1L4508型滚珠丝杠的具体参数

名义直径/mm

45

螺距 /mm

8

3?14'

螺纹升角 滚道半径

/mm 2.477

丝杠外径/mm

44

额定动载2770

滚珠直径4.763

荷/kg?f /mm

4)传动效率的计算

η?tanλ （3.2.17） tan(λ?φ)式中:

λ——螺纹升角，W1L4508的螺纹升角λ=3?14'

- 11 -

济南大学毕业设计

'''φ——摩擦角取2.4，贴塑滑动导轨的摩擦系数为f=0.03?0.05，取f=0.04

η?tanλtan3?4'=98.71% （3.2.18） ?tan(λ?φ)tan(3?4'?2.4')5)刚度校验

纵向进给丝杠支撑方式草图如图3.2所示。最大牵引力为2.09kN,,支撑间距为1500mm丝杠螺母及轴承，滚珠丝杠采用一固定一端支撑的安装方式。

图3.2纵向进给丝杠支撑方式草图

a..丝杠拉伸或压缩变形量为δ1，查《机电专业课程设计指导书》P29图3-6，根据

δFm=2.09kN，D0=45mm，查得1δ=2.9?10?5mm

0δ δ1=1δ?L=2.9?10?5?1500=4.35?10?2 （3.2.19）

0b.滚珠丝杠与螺纹滚道间接触变形δ2

查《机电专业课程设计指导书》P30图3-8W系列3.5圈1列丝杠副滚珠和螺纹滚道的接触变形图得，3.5圈1列丝杠副滚珠和螺纹滚道的接触变形量δQc：δQ=6.5μm

根据以上计算：

?2?3?3 δ=δ1+δQ=4.35?10+6.5?10=5.0?10mm<定位精度 （3.2.20）

（1） 横向进给丝杠

滚珠丝杠的基本导程L0=4mm；行程S=200mm；最大进给速度Vmax=1.0m/min. 1）计算进给率引力Fm（N）

横向进给量为纵向进给量的1?1，本设计取1，即，横向的切削力为纵向

322切削力的1。

2- 12 -

济南大学毕业设计

1' Fm ?Fm=2.09/2=1.045(kN) （3.2.21）

2

2）计算最大动载荷C

C=3LfwFm （3.2.22）

L=60?n?T106 （3.2.23）

n=1000?vs （3.2.24）

L0L0——滚珠丝杠导程，初选为L0=4mm

，此处为：vs——最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（12?13）

vs=0.4m/min

T——使用寿命，按16000h；

fw——运转系数，查表3.3知，一般取fw=1.2?1.5，本设计取fw=1.3 L——寿命，以106转为一个单位

表3.5 运转系数表

运转状态 无冲击运转 一般运转 有冲击运转

运转系数 1.0 ?1.2 1.2?1.5 1.5?2.5

n=

1000?vs1000?0.4==66.67(r/min) （3.2.25）

6L060?n?T60?66.67?16000==64 （3.2.26） 6610101C=3L?fw?Fm=364?1.3?2.09?103?=15434(N) （3.2.27）

23）滚珠丝杠螺母副的选型

L=

查阅《滚珠丝杠选型手册》，本设计的横向滚珠丝杠可选用W1L型型号为

W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列其额定负载为2770kg?f,精度等级选4级。其具体参数值，见表3.4

- 13 -

济南大学毕业设计

表3.4W1L4508型滚珠丝杠的具体参数

名义直径/mm

40 螺距 /mm

6 螺纹升角 滚道半径

/mm

丝杠外径/mm

39 额定动载1640 滚珠直径

荷/kg?f /mm

3.969 2?44'

2.064

4)传动效率的计算

η?tanλ （3.2.28）

tan(λ?φ)式中:

λ——螺纹升角，W1L4508的螺纹升角λ=3?39'

'''φ——摩擦角取2.4，贴塑滑动导轨的摩擦系数为f=0.03?0.05，取f=0.04

tanλtan3?39'η??=98.91%tan(λ?φ)tan(3?39'?2.4') （3.2.29）

5)刚度校验

纵向进给丝杠支撑方式草图如图3.3所示。最大牵引力为2.09kN,,支撑间距为500mm丝杠螺母及轴承，滚珠丝杠采用一端固定一端支撑的安装方式。

图3.3横向进给丝杠支撑方式草图

a..丝杠拉伸或压缩变形量为δ1

查《机电专业课程设计指导书》P29图3-6，根据Fm=1.045kN，D0=20mm，查得

δ1δ0=1.1?10mm

?6δ1=

δl

?L=1.1?10?6?500=5.5?10?3 （3.2.30） L0

- 14 -

济南大学毕业设计

b.滚珠丝杠与螺纹滚道间接触变形δ2

查《机电专业课程设计指导书》P30图3-8W系列3.5圈1列丝杠副滚珠和螺纹滚道的接触变形图得，3.5圈1列丝杠副滚珠和螺纹滚道的接触变形量δQc：δQ=3.2μm

根据以上计算：

δ=δ1+δQ=5.5?10?3+3.2?10?3=8.7?10?3mm<定位精度 （3.2.31）

3.2.4伺服电机的计算与选型以及减速传动比的选择

（1）纵向伺服电机的计算与选型以及减速传动比的选择

a）电机的最高转速

电动机首先应根据机床的快速行程速度来确定，快速行程时，电动机的转速应严格控制在电机的额定转速之内。

n?Vmax?u ?103?nnom （3.2.32）

ph式中：nnom——是伺服电机的额定转速（r/min）； n——为快速行程时的电机转速（r/min）； Vmax——为直线运行的速度（m/min）； u——为系统的传动比，即u= Ph——是丝杠的导程（mm）

n?n机n杠

2?uVmax?u ?103?3000r/min （3.2.32）?103=8ph因此：u?12 所以，取u=10

b）计算纵向输出轴受的最大扭矩Mmax：

Mmax?Fm/2?Dm/2?1.045?0.4?2?0.209=0.508(kN?m) （3.2.33）

因：

u=

n机n杠 （3.2.34）

故，伺服电机最大扭矩：

Mm?0.508?1000?20?20.45N?m （3.2.35）

- 15 -

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