CA6140普通车床数控化改造设计

CA6140普通车床数控化改造设计

摘 要

应用成熟的数控技术理论和成功经验，以低廉的成本对普通旧机床进行数控化改造，可以恢复甚至提高原机床的精度，适应工业高速跨越式发展的要求，为此机床数控化改造在国际国内作为新的经济增长行业获得了很大的发展。本文以CA6140机床为研究对象，对该机床进行了数控化改造，主要研究内容如下：

对数控伺服系统的工作原理进行分析研究，简单了解了数控化改造过程中数控系统的选型，分析研究了CA6140机床的数控化改造方案，重点介绍了本课题采用的GSK980TD系统。根据机械、动力学及电气设计原理，采用交流变频电机变频调速，对数控机床的主传动系统进行了设计和校核。根据进给系统的要求，对切削力和滚珠丝杠进行了计算，并选配了合适的齿轮和进给电机。对CA6140车床电气控制部分进行了PLC设计，绘制了主轴及伺服系统的梯形图，编制了PLC可编程控制器工作程序；给出整机电气线路改造方案。对改造后的机床精度进行了恢复，并给出伺服系统典型部件改造方案。数控化改造后的机床实际应用效果良好，取得了良好的加工质量和经济效益。

此次研究，为企业技术人员实现传统CA6140型车床数控化改造提供了行之有效的科学方法，对于企业其他传统设备的技术改造也有借鉴和参考价值。

关键词：数控改造；伺服系统；PLC；CA6140车床

Numerical contral innovation of CA6140 common lathe

Computer Numerical Control(CNC) machine tools’ innocation was conducted

by application sophisticated CNC technology theory, successful experience and low cost. The accuracy of the original machine can be restored or even improved, so that it can be adapted to industrial requirements of high-speed development by leaps and bounds. CNC machine tools’ innovation was greatly developed as a new intemational and domestic economic growth industry. In this paper, CNC machine tools’ innovation programs, technical route and so on was analyzed taking CA6140 common machine as research object. All the contents are included as follows:

The motion principle of CA6140 lathe was analyzed; It was briefly introduced the selection of numerical control system during CNC machine tools’ innovation and emphatically introduces GSK-CTL Series CNC Sliding Units. According to the principles of Mechanice, Dynamics and Electronics, the main drive system of NC machine tool has been designed using AC motor speed control by variable frequency. The spindle drive system has been designed and checked. In accordance with the requirements of feeding system, the cutting force and the ball screw is calculated, and equipped with appropriate gear and feed motor. The electrical-control parts of the CA6140 lathe is designed by using PLC. The trapezoidal figures of the spindle and the servo-system are given. The programs of the PLC are programmed. A reforming project of the typical parts of the servo-system si given. After CNC machine tools’ innovation, the lathe has a good application effect, and achieved good processing quality and economic benefit.

The research offer facility technicians in enterprises not only a scientific efficient way of realizing NC reform of traditional equipments, but also some references and lessons of other kinds of traditional facilities.

Keywords: NC reform; Servo system; PLC; CA6140 lathe

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目录

绪论 ....................................................................................................................................... 1.1数控机床改造的背景和意义 .........................................................................................

1.1.1数控机床在我国发展的现状 ................................................................................ 1.1.2车床数控化改造的意义 ........................................................................................

1.1.3普通车床数控化的优点...........................................................

1.2 车床数控化改造的内容 .......................................................... 错误！未定义书签。 1.3机床数控化改造的必要性..........................................................

2.车床数控改造的构思与方案 ...................................................................................... - 7 -

2.1改造的任务 ......................................................................................................... - 7 - 2.2 改造方案的论证 ................................................................................................ - 8 - 2.3 改造方案的确定 ................................................................................................ - 8 - 3主要结构的数控改造方法 .......................................................................................... - 9 -

3.1 数控系统的改造 ................................................................................................ - 9 - 3.2 纵向进给系统的改造 ...................................................................................... - 11 - 3.3 横向进给系统的改造 ...................................................................................... - 18 - 3.4 刀架的选择 ...................................................................................................... - 19 - 3.5 主轴传动系统 .................................................................................................. - 19 - 3.6滑动导轨副的改造................................................................................................. 3.7编码器...............................................................................................................- 20 -

4 光栅尺安装与调试 ................................................................................................... - 20 -

4.1 光栅尺的安装 .................................................................................................. - 20 - 4.2 光栅尺的校正 .................................................................................................. - 21 - 5 参考点的建立 ........................................................................................................... - 21 - 6.安全防护….................................................................................................................... - 21 -

7普车数控改造的经济评估 ............................................................ 错误！未定义书签。

8 总结 ........................................................................................................................... - 22 -

绪论

随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高。产品的更新换代也不断加快。因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且应能迅速地适应产品零件的变换，生产的需要促使了数控机床的产生。

数控机床是指机床的操作命令以数值数字的形式描述工作过程按规定的程序自动进行的机床。随着微电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速地发展起来。

尽管数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量多品种零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率。但是目Ｉｊ｛『我国在役机床总量约３８０万台，其中数控机床总数只有１１万多台，数控机床占有率不足３％，而一些工业发达国家早已达到２０％以上（¨。我国是制造大国，但不是制造强国。机械制造业水平与发达国家相比相对落后，设备陈旧，技术水平差距大，国际竞争力弱，影响了生产力的发展。逐步提高数控机床的占有率已经成为我国制造技术发展的总趋势。提高机床数控率有两个途径：一是增加新的数控机床，价格昂贵，一次性投资大，目前各企业均有大量的普通机床，完全用数控机床替代是根本不可能的；二是对旧机床进行数控化改造。我国是一个机床拥有量极大的国家，但大部分机床服役龄较长，采取对旧机床进行改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个极其有效和实用的途径，是企业必走之路。

制造技术和自动化水平的高低己成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而 其中最具代表性的就是数控机床。我国现正处于从以劳动密集型产业为主向以技术密集型产业为主的发展阶段，对自动化设备的需求会越来越大、越来越积极。利用现有普通车床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控车床，是一种盘活资金的有效途径，也是低成本实现自动化的行之有效的方法。因为一方面我国普通车床保有量大，要将普通车床淘汰掉是不经济、也不现实的做法；另一方面，从我国目前生产状况来看，仍然以生产普通车床为主，普通车床的数控化改造将会长期存在，并会不断的发展。

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1.1 数控机床改造的背景和意义 1.1.1数控机床在我国的发展现状

我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右,而95年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。 这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说,这个问题反映在下列五个方面:

(1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为15～18个月,其中设计时间约为5～8个月,占总周期的40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为6～9个月,其中设计约1.5～2个月,只占25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。

(2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等),自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计,使设计一次成功的把握性降低,往往需要反复试制才能定型,从而可能错过新产品推向市场的良机。 (3) 用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周,而在我国机床厂用手工操作就至少需1～2个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门,常会出现漏改和失误的现象,影响了产品的质量和交货期。

(4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数,他们的专业知识和实际经验不足, 又担负着开发的重任。

(5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立,缺乏有效的协同开发的模式,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改,延长了开发的周期。 为解决这些问题,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术,发展优化和仿真技术,提高产品结构性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面,使企业取得良好的经济效益。

1.1.2车床数控化改造的意义

我国现在拥有数量多达300多万台的通用机床，其中大部分机床的加工精度、生产率和自动化程度与先进设备相比不高，要想在几年内大量地用数控机床来更新，无论在资金上还

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是技术力量上都是难以实现的。但如果利用数控技术根据需要对现有机床加以改造，不仅能实现机床的自动化，提高机床的加工精度，而且投资少、见效快，适合我国的生产力水平。因此，利用数控技术改造旧设备已成为我国推广全功能数控机床的过渡手段。

1.1.3普通车床数控化改造的优点

机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。

数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：

(1) 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。

(2) 加工精度高，具有稳定的加工质量；

(3) 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；

(4) 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；

(5)机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产效率高（一般为普通机床的3~5倍）；

(6) 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度改善劳动条件；

(7) 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。数控机床一般由下列几个部分组成：

(8) 主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。

(9) 数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

(10) 驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

(11)辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和

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数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

(12) 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

还具有良好的经济效益；有利于生产管理的现代化；数控改造费用低；机械性能稳定可靠，结构受限；可充分利用现有的条件；可以采用最新的控制技术；交货期短，可满足生产急需等优点。

数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。

我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。

随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。

1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。

1.2数控化改造的内容

车床数控化改造的主要内容和主要结构形式如下： 1、进给轴的改造

普通车床的X轴和Z轴均由同一电机驱动，走刀运动经走刀箱传动丝杠及溜板箱，获得不同的工件螺距即Z轴运动；走刀运动经走刀箱传动光杆及溜板箱，获得不同的进刀量即X轴运动。普通车床数控化改造时一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用进给伺服（或步进）传动链分别代替，具体体现为：

Z轴：纵向电机→减速箱（或联轴器）→纵向滚珠丝杠→大拖板，纵向按数控指令获得不同的走刀量和螺距。

X轴：横向电机→减速箱（或联轴器）→横向滚珠丝杠→横滑板，横向按数控指令获得不同的走刀量。

改造后整个传动链的传动精度在保证机床刚性的前提下，与滚珠丝杠副的选择和布置结构形式、机床导轨的精度情况等有很大的关系。 (1) 滚珠丝杠副的选择和布置结构形式

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普通车床大多采用的是T型丝杠等滑动丝杠副，与滚珠丝杠副相比摩擦阻力大、传动效率低，不能适应于高速运动。另外由于磨损快，造成其精度保持性和寿命低等等，在进行普通机床数控化改造时往往都将其更换为滚珠丝杠副。滚珠丝杠副有以下一些特点：摩擦损失小，传动效率高，可达0.90～0.96；若使用的丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；磨损小、寿命长、精度保持性好。但应注意，由于滚珠丝杠副不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动，因此丝杠立式和倾斜使用时，应增加制动装置或平衡装置。

滚珠丝杠副根据其滚珠的回转方式可以分为外循环和内循环两种，根据螺母的结构形式又可以分为双螺母和单螺母。在进行改造时应根据具体情况和结构形式来定，由于外循环式丝杠副螺母回珠器在螺母外边，所以很容易损坏而出现卡死现象，而内循环式的回珠器在螺母副内部，不存在卡死和脱落现象。由于双螺母不仅装配、预紧调整等比单螺母方便，而且其传动刚性比单螺母也好，所以只要结构和机床空间满足要求，在普通机床数控化改造中多选内循环式双螺母结构。

改造时各轴滚珠丝杠的直径一般都是与原T型丝杠直径相近，对有特殊要求的机床还应根据杆系的稳定性计算其临界转速，最终确定滚珠丝杠的直径。丝杠导程在满足机床改造后性能的前提下越小，对机床的传动精度越有利。机床的传动精度在保证机床刚性的情况下，与丝杠副本身的精度和轴承布置形式有很大的关系，一般在普通机床改造中丝杠副选P4级即可满足要求，特殊精密机床选P3级甚至更高。丝杠副轴承常见的布置形式根据不同的需要可以分为以下几种，如图1。

(a) (b)

(c)

图1 丝杠副轴承的布置

(d)

①.图1－a中为一端固定，一端悬空的布置方式。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。 ②.图1－b中为一端固定，一端支承的布置方式。这种安装方式多在丝杠较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承得数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。

1－d中为两端固定的布置方式。这种布置方式丝杠副得支承刚性最好，通过轴承的预紧力预拉伸丝杠，以减少丝杠热变形的影响。这种方式多用在丝杠长度不大得情况，但设计时要注意提高平面球轴承的承载能力、支承刚度以及丝杠装配时的预拉伸量，否则会影响轴承寿命，同时也会因为预加负载得不易控制而增加电机的附加扭矩。

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(2）机床导轨

普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床传动精度和其保持性带来很大的影响。因此在对其进行数控化改造的同时必须针对机床导轨状况进行必要的检修处理，对于磨损较严重的更要进行大修，即进行磨削、淬火、贴塑、配刮等处理，同时采用合理的润滑，充分保证其精度。 (3）电机与丝杠的联接

在满足机床要求的前提下，为减少中间环节带来的传动误差，我们多将电机与丝杠副通过联轴器直接联接，这要根据改造中实际情况来定。一般对于小型车床如C6116型，由于空间尺寸有限，特别是X轴，电机与丝杠副不能直联，多采用齿轮副或同步带论来传动；对于大型车床如C6150，床身长5米的车床，由于丝杠较长，直径较大，除了要考虑传动力的问题，还要考虑其低速性能及加减速惯量匹配的问题，往往电机都要通过几级减速来传动。无论是采用齿轮还是同步带论来传动，其传动间隙的消除是比较关键的。齿轮传动中常用的方法有错齿消隙法、偏心轴调整法等等，同步带论传动中多采用调整中心距或张紧轮消隙法。 2、主轴部分的改造

车床主轴带动工件以不同转速旋转是车削加工中的主运动，消耗机床大部分动力。普通车床由主电动机经皮带传动，经主轴变速箱带动主轴旋转，主轴箱经手动或自动变速获得（9～24）级转速，通过电磁或液压离合器操纵主轴的变速和正反转；而数控车床主轴箱由电主轴或传统机械主轴单元加变频电机和变频器组成。普通车床在数控化改造时大部分情况下保留原主轴箱，不做改动或少做改动。如需改动则要注意以下几点：

如原主轴含液压操纵主轴的变速、正反转和润滑功能，则需对其增装单独普通电机加以驱动，避免液压系统受到主电机正反转或转速变换而失灵。

如不需要原有机械变速换挡时，则需将主轴箱内齿轮组固定在一恒定的速度链上，摩擦片也应焊死以免因为误操作出现事故。

机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的另一重要部分，传统车床加工螺纹时往往是通过挂轮组来完成，加工不同的螺纹则需不同的挂轮组，操作起来十分麻烦。改造时如图2，我们通常在主轴末端或挂轮架处增装一光电编码器，其转速与主轴转速一致，主轴转一周，光电码盘转一转，通过反馈给系统控制进给轴与主轴的同步性，从而加工出理想螺距的螺纹。根据其编码方式的不同，光电码盘可分为增量式光电码盘和绝对式光电码盘，目前国内常用的为增量式光电码盘。根据光电码盘上刻线条数可分为1024线、2048线等，我们常用的为1024线即可满足要求。 3、刀架部分的改造

目前数控车床刀架基本为电动刀架，其特点是定位更准确、迅速。老式传统车床刀架多为手动、液压驱动或少部分的电动，改造时可以根据需要对其加以更换。

电动刀架可分为卧式转塔刀架（一般安装8～12把刀）和立式电动刀架，立式电动刀架有四工位（或六工位），其中每一种刀架又有抬刀刀架（两端齿盘）和免抬刀刀架（三端齿盘）之分。卧式转塔刀架价格相对较贵，改造中常用立式四工位电动刀架。 4、润滑部分的改造

老式传统车床除主轴箱外，导轨、丝杠副、光杆等多用油枪定期注油润滑和油脂润滑，

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这对机床的导轨、丝杠副等的精度保持很不利，在同等驱动下机床运动的稳定性、灵活性也差一些。

在对这些机床改造时一般都要对其润滑部分进行相应的改动，采用稀油集中定量、定时供油润滑的方式，可分为手控润滑和编程自动润化两种，在机床导轨、丝杠副布置好油路后可根据需要任选一种。

丝杠支承轴承一般采用油脂润滑，如特殊需要和供油充分的条件下也可采用稀油润滑。 5、机床防护

机床改造后整个防护分局部防护、半防护和全防护三种。

局部防护只对丝杠副、电机、走线等采取防护措施。半防护是在局部防护的基础上增加切削的保护，即增加挡屑装置。全防护即在局部防护的基础上对整个机床加以封闭，此种防护最难处理，考虑的因素也很多如安装位、防水、美观等。实际操作起来以前两种最多，也最易操作。 1.3

机床数控化改造的必要性

我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60%以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60%以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。

经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。

2. 车床数控改造的构思与方案

本次改造的普通车床型号为CA6140，长度750毫米。数控改造主要包括传动系统的机械改造和数控装置的设计。由于对经济型数控机床的加工精度要求不高，为简化结构、降低成本，拟采用步进电机开环控制系统。通过控制纵、横进给系统，保证改造后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。

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2.1 改造任务

本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X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。

2.2 改造方案的论证

对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。

① 控系统运动方式的确定

数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。

②伺服进给系统的改造设计

数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。

③数控系统的硬件电路设计

任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。

在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素： (1) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； (2) 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； (3) I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。

除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更便宜，51系列中，是无ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。

2.3改造方案的确定

CA6140A车床主要用于对中小型轴类、盘类及螺纹零件的加工，加工这些零件工艺上要求机床应完成的工作内容有：能够控制主轴正反转，实现不同切削速度的主轴变速；刀架能

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够实现纵向和横向的进给运动，并具有在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具的功能；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个加工螺纹的螺距或导程。这些内容就是数控化改造后数控系统需要控制的对象。

数控机床由机床、数控系统和外围技术三部分组成。普通车床改造的目的是利用数控系统控制车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产效率。在考虑经济型数控机床改造具体方案时，所遵循的原则是在满足需要的前提下，对原有车床尽可能减少改动，以降低改成本。改造中需要解决的问题是：将机械传动的进给和手动控制的转位刀架改造成数控装置控制的自动转位刀架和自动进给的数控加工车床。根据CA6140A车床的有关资料，确定总体方案为：

利用数控系统对输入的加工程序进行运算处理，发出的进给指令通过I/O接口输出给X轴和Z轴步进电机，经齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，由螺母带动刀架直线移动，从而实现纵向和横向的自动进给运动。换刀指令通过刀架控制器控制三相电动机实现刀架自动转位功能，由脉冲编码器协调完成螺纹车削功功能。

3主要结构的数控改造方法 3.1 数控系统的改造

数控系统是数控机床的灵魂，其性能的稳定性直接影响零件的加工的尺寸精度、位置精度及操作工人的人身安全。一般的，普通车床数控改造时，由于需要加工圆锥、圆弧等曲面，需要选择两轴联动控制的数控系统。

3.1.1 数控系统的选择

机床数控系统(CNC系统)是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的不断发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高得更为显著，现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。

目前市场上流行的数控系统，如FANUC、西门子、GSK980TD等都配置有车床数控系统，能够胜任车、削加工的大部分工作，并具有价格低廉、可靠性强、功能强大等特点。在对多家数控系统进行比较后!我们选择了GSK980TD型数控系统。数控机床应能长期连续加工，其数控系统必须能够长期无故降连续运行。为保证机床长期可靠地运行，数控系统必须有抵抗恶劣环境的高可靠运行特性。

常年的工作考脸证明GSK980TD系统是最可靠的数控系统之一，它能在一般车间环境下运行。其工作场地的室温为0-45℃，相对湿度75%短时可达95%,抗震为0.5g ，电网电压波动为10%-15%,经对使用中系统的实际统计，GSK980TD系统的故障率为0.008，比较好地满足了我国市场的要求。

GSK980TD系统之所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素： (1)可靠的高质量的元器件及良好的老化筛选工艺。

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(2)大规模及超大规模的专用集成电路芯片：GSK980TD系统采用了许多由富士通公司制造的高度集成的专用功能芯片。

(3)全自动化工厂生产制造：多层印刷板的制板、元件的插装、焊接、印刷板的检查、系统的组装、电机投料、冲片、精铸、机械加工、装配、成品的包装出厂全部为自动化，这就使得在生产过程中避免了外界(人)的不稳定因素的干预。所以产品的一致性好，增加了可靠性。

(4)良好的控制软件设计：GSK980TD系统经过在国内各地数年的运行，积累了丰富的数据，因此在软件设计时考虑了可能出现的各种故障情况，加入了许多保护和提高可靠性的措施，如开机和状态切换时的层层检侧、过压、过流、反馈断线等报警，使得机床运行中出现故障时，系统能及时处理，从而进免了元部件的损坏。

(5)数字式进给伺服和数字式主轴驱动：数字控制、数据的串行传输大大提高了运行的可靠性。主轴控制信号的传送使用光缆，使信号免受外界干扰。

3.1.3电气控制原理

1、主轴控制系统：

主轴采用三相异步电机驱动由西门子440变频器US控制，其动力由U、V、W三相电源经变频器US提供，主轴电机的正反转由指令控制经PLC输出再经变频器US控制主轴电机的正反转，主轴电机转速由数控系统经XS9口直接连到变频器US控制电机转速，若出现故障，则由变频器US发出信号经PLC输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 控制原理图如下：

图2.1 主轴控制系统原理图

2、Z轴进给伺服控制系统：

Z轴采用松下伺服电机驱动由松下伺服模块控制，其动力由R、S、T三相电源经伺服模块提供，伺服电机控制刀架的Z（纵向）进给与后退（正反转）及进给速度与进给量指令由

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数控系统发出，它们与数控系统的接口为XS30-XS33，若出现故障，则由伺服模块发出信号经PLC输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 3、 X轴进给伺服控制系统：

X轴电机采用雷赛步进电机驱动，由雷赛伺服模块控制，其动力由+V1电源经伺服模块提供，步进电机控制刀架的X（横向）进给与后退（正反转）及进给速度与进给量指令由数控系统发出，它与数控系统的接口为XS30，若出现故障，则由伺服模块发出信号经PLC输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 4、刀架控制电路：

刀架电机采用三相异步电机驱动由继电器模块控制，刀架电机控制刀架的换刀（正反转）及转动角度指令由数控系统发出，若出现故障，则由PLC发出信号输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 5、 光栅尺控制电路：

光栅尺通过测量反馈控制刀架进给与后退量的实际尺寸与指令尺寸的误差大小反馈给数控系统，若误差太大超出允许误差范围，数控系统可根据加工情况进行时时调整，若出现故障，由系统判断故障类型并在显示器上报警显示报警号。

3.2 纵向（Z向）进给系统的改造

3.2.1 改造思路

丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。纵向进给系统由伺服电动机经减速后驱动滚珠丝杠螺母机构运动，带动大拖板左右纵向移动。伺服电动机安装在纵向丝杠的右端。

3.2.2 纵向进给系统的设计计算

已知条件：

工作台重量 W=80(kg)(根据图样粗略估计) 时间常数 t=25（ms）

滚珠丝杠基本导程 P =6（mm） 行程 s=1000（mm） 脉冲当量 δp=0.01/脉冲

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步距角 ψ=0.75（mm/脉冲） 快速进给速度 V =4（m/min） (1) 切削力计算

纵切外圆时，车床的切削力Fz可以用下式计算： F =0.67 （2-1）

式中： 为在车床床面上加工的最大直径(mm)， =21（mm） 则 F =0.67×210 =2039(N)

进给抗力Fx和切深抗力可按下列比例分别求出 F ： F ： F = 1 ： 0.25 ： 0.4

则 F =0.25×2039=510(N) F = 0.4 × 2039 = 815.6(N) (2) 滚珠丝杠设计计算

① 实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力

可用下列进给牵引力实际公式计算，对于三角形或综合导轨机床： f = K F + f′(F + W) （2-2）

式中： F 、F — X（横） 、Z（纵）方向上的切削分力，单位为（N） W—移动部件的重量，单位为（N） f ′—导轨上的摩檫系数 K—考虑颠覆力矩影响的实验系数 对于三角形或综合性导轨机床： K = 1.15 f′= 0.15-0.18 取f′= 0.16 = 1.15 ×510 + 0.16 (2039 + 800) = 1040.7(N) ② 最大动负载C的计算及主要尺寸初选

滚珠丝杠应根据额定动载荷C 选用，最大动载荷计算原理与滚珠轴承相似，滚珠丝杠最大C可用下式计算： C = f F （2-3）

式中： L—工作寿命，单位为10 r ， L= ； n —丝杠转速(r/min)，n = ；

V—最大切削力条件下的进给速度(m/min)，可取最高进给速度的 ～ ； L —丝杠基本导程(mm) ；

f —运转状态系数，一般情况取1.2-1.5；

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F —为滚珠丝杠工作载荷(N)。

计算时，可根据快进速度V 和丝杠最大转速 ，初选一个数值L ≥1000 ，待刚度验算后再确定t为额定使用寿命(h)可取t =1500h； V = V = ×4 = 2 （m/min） n = 1440 ×1.129 = 1625.8（r/min） L ≥1000 = =2.46（mm） 取L =6（mm） 则 n= = = 333r/min L= = = 300 (10 r)

C= f F = ×1.3×1040.7= 9056.8 (N)

初选滚珠丝杆副的尺寸，相应的额定动载荷C 不得小于最大动载荷C：C >C ，选用内循环滚动螺旋副：

D =3.696， d =40mm， C =16300， C =47100，λ=2?44'， L =6， (3) 传动效率计算：

滚动丝杠螺纹的传动效率η为： η= （2-4）

式中： λ—丝杠螺纹升角，可根据初选型号查出，λ=2.44°； —摩檫丝杠副的滚动摩檫系数f=0.003-0.004，其摩檫角约等于10′ 则 η= =0.97603 (4) 刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响其定位精和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠与螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形.滚珠丝杠的扭矩变形较小，对纵向变形的影响更 小，可忽略不计，螺母座只要设计合理，其变形量也可忽略不计.丝杠轴承的轴向接触变形计算方法可参考机械设计手册.可供滚珠丝杠支承使用的滚动轴承种类很多，目前占优势的有：接触角为60的推力角接触球轴承，可以背靠背或面对面组配，还可以三联组配，四联组配等，为提高刚度和承载能力。因此，只要滚珠丝杠的刚度设计得好，轴承的轴夏管内接触变形在此可以不予考虑。 1 丝杠的拉压变形量

滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量： δ = （2-5）

式中： δ —在工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量(mm)； F —为丝杠的工作载荷(N);

L—滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm);

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E—材料弹性模量，对钢E=20.6×10Mpa;

A—滚珠丝杠按内径确定的截面 (mm)， + 号用于拉伸， - 号用于压缩. F = 1040.7 (N) L = 1600 mm E =20.6×10 Mpa A= (d -D ) 则δ = = =0.0079（mm）

2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ

该变形量与滚珠列.圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠的长度无关，有预紧力时： δ = （2-6）

式中： D ——滚珠直径(mm);

Z ——滚珠总数量， Z=Z ×圆数×列数; Z ——圈的滚珠数，Z=(π )-3(内循环); D ——滚珠丝杠的公称直径(mm); F ——为预紧力(N);

F ——为滚珠丝杠工作载荷(K ); D = 3.969 （mm） Z = = 58 F = 1040.7 (N) F = F = ×510 = 170 (N) 所以， δ =0.0013 =0.0022（mm）

丝杠的总变形量δ=δ +δ =0.0079+0.0101<0.015 由此可得滚珠丝杠副刚度满足条件

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地减小，传动链中常采用减速传动。本例中，Z向减速箱选用同步带传动，同步带与带轮的计算和选型参见第三章第三节相关内容。

设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传递的功率 ；主动轮转速 和传动比i；传动系统的位置和工作条件等。

根据改造经验，C6140车床Z向步进电动机的最大静转矩通常在15-25 N·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20 N·m，十拍驱动时步距角为0.72o。该电动机的详细技术参数见表4-5，运行矩频特性曲线见图6-4。

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（1）传动比i的确定 已知电动机的步距角 α = 0.72o，脉冲当量δz= 0.01 mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph= 6 mm。根据公式（3-12）算得传动比i = 1.2。

（2）主动轮最高转速 由Z向拖板的最快移动速度vzmax=6000mm/min，可以算出主动轮最高转速

=（vzmax /δz ）×α/ 360 =1200（r/min）。

（3）确定带的设计功率Pd 预选的步进电动机在转速为1200 r/min时，对应的步进脉冲频率为：

fmax= 1200 × 360 / ( 60 × α ) = 10000（Hz）。

从图6-4查得，当脉冲频率为10000 Hz时，电动机的输出转矩约为3.8 N·m，对应的输出功率为POUT = n × T / 9.55 = 1200 × 3.8 / 9.55 ≈ 477.5（W）。同步带传递的负载功率应该小于477.5 W，今取P = 0.32 kW，从表3-18中取工作情况系数KA = 1.2，则由式（3-14），求得带的设计功率Pd = KA P =1.2×0.32 kW= 0.384 kW。

（4）选择带型和节距 根据带的设计功率Pd=0.384 kW和主动轮最高转速 =1200 r/min，从图3-14中选择同步带，型号为 XL型，节距 =5.08 mm。

（5）确定小带轮齿数 和小带轮节圆直径 取 =25，则小带轮节圆直径 = =40.43 mm。当 达最高转速1200 r/min时，同步带的速度为 =2.54（m/s），没有超过XL型带的极限速 度40 m/s。

（6）确定大带轮齿数 和大带轮节圆直径 大带轮齿数 = =30,节圆直径 =48.51 mm。

（7）初选中心距 、带的节线长度 、带的齿数 初选中心距 =1.3（ + ）=115.622 mm，圆整后取

=120mm.则带的节线长度为

（8）计算实际中心距 实际中心距

（9）校验带与小带轮的啮合齿数啮合齿数比6大，满足要求。 （10）计算基准额定功率

式中 ——带宽为 的许用工作拉力，由表3-21查得 =50.17N； ——带宽为 的单位长度的质量，由表3-21查得 =0.022 ——同步带的带速，由上述（5）可知 =2.54 m/s。 算得 = 0.127 kW。 （11）确定实际所需同步带宽度 ≥ 式中 —选定型号的基准宽度，由表3-21查得= 9.5 mm；—小带轮啮合齿数系数，由表3-22查得 =1。由上式算得 ≥25.07 mm，再根据表3-11选定最接近的带宽 =25.4 mm。 （12）带的工作能力验算 根据式（3-22），计算同步带额定功率P的精确值： 式中， 为齿宽系数 = 3.068；经计算得

P = 0.390 kW，而Pd = 0.384 kW，满足P≥Pd .因此，带的工作能力合格。

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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 已知：滚珠丝杠的公称直径 =40 mm，总长（带接杆)l=1560 mm，导程 ＝6 mm，材料密度 ;纵向移动部件总重量G = 1300 N；同步带减速箱大带轮宽度28 mm，节径48.51 mm，孔径30 mm，轮毂外径42 mm，宽度14 mm；小带轮宽度28 mm，节径40.43 mm，孔径19mm，轮毂外径29 mm，宽度12 mm；传动比i =1.2。

参照表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 =30.78 ；拖板折算到丝杠上的转动惯量 =1.21 ；小带轮的转动惯量 =0.60;大带轮的转动惯量 =1.27。在设计减速箱时，初选的Z向步进电动机型号为130BYG5501，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量 。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

= + +（ + + ）/ ＝56.7

（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行 计算。

1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 ，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 ，滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据（4-12）式可知， 相对于 和 很小，可以忽略不计。则有：

= + （6-1） 根据式（4-9），考虑Z向传动链的总效率η，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：

（6-2）

式中 nm ——对应Z向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； ——步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。 其中：

（6-3）

式中 ——Z向空载最快移动速度，任务书指定为 6000 mm/min；

α ——Z向步进电动机步距角，为0.72o； δ ——Z向脉冲当量，本例δ=0.01 mm/脉冲。 将以上各值代入式（6-3），算得nm=1200 r/min。

设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间 =0.4 s，Z向传动链总效率η = 0.7。则由式（6-2）求得：2.54（N·m）由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：（6-4）

式中 ——导轨的摩擦系数，滑动导轨取0.16； ——垂直方向的工作负载，空载时取0； η ——Z向传动链总效率，取0.7。则由式（6-4），得：0.24（N·m）最后由

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式（6-1），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：

= + = 2.78 N·m （6-5） 2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 ，

包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt ，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf ，滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有： = Tt + Tf （6-6）

其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷Ff = 935.69 N，则有：1.06（N·m）再计算承受最大工作负载（ =2673.4N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：（N·m） 最后由式（6-6），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 = Tt + Tf = 1.78 N·m 经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩 =max{ ， }= 2.78 N·m

（3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K = 4，则步进电动机的最大静转矩应满足：

Tjmax ≥ 4 × = 4 × 2.78 N·m = 11.12 N·m （6-8） 对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，由表4-5可知，其最大静转矩Tjmax= 20 N·m，可见完全满足（6-8）式的要求。 （4）步进电动机的性能校核

1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定Z向最快工进速度 =800mm/min，脉冲当量δ=0.01 mm/脉冲，求出电动机对应的运行频率 = 800/（60×0.01）≈1333(Hz)。从130BYG5501的运行矩频特性图6-4可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩 ≈17 N·m，远远大于最大工作负载转矩

=1.78 N·m，满足要求。 2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定Z向最快空载移动速度 =6000mm/min，求出电动机对应的运行频率 =6000/（60×0.01） =10000(Hz)。从图6-4查得，在此频率下，电动机的输出转矩 =3.8 N·m，大于快速空载起动时的负载转矩 = 2.78 N·m，满足要求。

3）最快空载移动时电动机运行频率校核

最快空载移动速度 = 6000 mm/min对应的电动机运行频率 = 10000 Hz。查表4-5可知130BYG5501的极限运行频率为20000 Hz，可见没有超出上限。

4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq= 56.7 ，电动机转子自身的转动惯量 ，

查表4-5可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率 =1800Hz 。则由式（4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：

=1092Hz

上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1092Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。 综上所述，本例中Z向进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以满足设计要求。6．同

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步带传递功率的校核

分两种工作情况，分别进行校核。

（1）快速空载起动 电动机从静止到加速至nm=1200 r/min，由（6-5）式可知，同步带传递的负载转矩Teq1=2.78 N·m，传递的功率为P = nm × Teq1 / 9.55 =1200×2.78/9.55≈349.3W

（2）最大工作负载、最快工进速度 由（6-7）式可知，带需要传递的最大工作负载转矩Teq2 = 1.78 N·m，任务书给定最快工进速度vmaxf = 800mm/min，对应电动机转速nmaxf nmaxf =（vmaxf /δz）×α/360=160（r/min） 传递的功率为 P

P = nmaxf × Teq2 / 9.55 =160×1.78/9.55 ≈ 29.8W

可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率0.39kW。因此，选择的同步带功率合格。

3.2.3 实施步骤

（1）拆下普通滑动丝杠与溜板箱，取消丝杠与主轴箱齿轮的传动联系，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置，两端采用原固定方式这样可减小改装现场，并且由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性优于以前。滚珠丝杠选用单圆弧滚道截面，外循环方式精度选6级。为了在齿轮传动中消除间隙，实现微量自动补偿以提高传动精度，选用双片薄齿轮调隙，可调拉弹簧式结构； （2）拆下丝杠右端的支撑座，在坐标镗床上将其孔径镗至40mm，便与伺服电动机的支撑轴相配合；

（3）车削两个轴套（分别为一长一短），长套用于连接丝杠左端和左支撑座，短套用于连接丝杠右端与伺服电机转轴；

（4）对安装螺母的配件进行刨、磨、钻、铰和攻丝等加工，使其符合安装条件； （5）总装后，进行局部调整（如滚珠丝杠与道轨的平行度、螺母间隙和螺母上下前后位置等），力求使滚珠丝杠受力均匀，传动平稳，无传动间隙。

3.3 横向（X向）进给系统的改造

3.3.1 改造思路

横向进给系统改造应保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，由步进电机经减速器后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电动机安装在大拖板后端，用法兰盘将步进电动机与大拖板连接起来，一保证其同轴度和提高传动精度。

纵、横向进给机构都采用了一级齿轮减速，并用双片薄齿轮错齿法消除调隙，双片齿轮间没有家弹簧自动消除间隙，因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载较大时，弹簧弹力显很小，起不到自动消除间隙的作用；当负载较小时，弹簧弹力又明显很大，则更容易加速齿轮的磨损。为此采用人工定期调整螺钉紧固的办法来消除间隙。

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3.3.2 实施步骤

（1）拆下刀架、小拖板及滑动丝杠；

（2）车削一根定位芯轴，保证法兰盘孔与大拖板后孔的同轴度。定位后，配钻四个螺钉孔，并攻螺纹；

（3）车削一根手轮轴，代替原丝杠手轮轴，用于与滚珠丝杠连接； （4）车削两个连接套，用于丝杠连接电机旋转和手轮轴； （5）铣去大拖板上与螺母发生干涉的部位；

（6）利用车床主轴和尾座将螺母安装到丝杠上，在利用锁紧螺母进行预紧，消除间隙； （7）总装后，用垫片调整螺母上下位置，使其传动平稳。

3.4 刀架

3.4.1 选用选用LD4-6132型电动刀架

因为设计要求刀架的最大回转直径为400mm，而最小的三角刀架的设计高度大大超过60mm，故选用LD4-6132刀架型号，因刀架为外购件，其尺寸已成定值，故选用四方刀架。即LD4-6132。该刀架可以夹持4把刀，采用鼠牙盘为分度定位，利用步进电机实现自动转位。

3.4.2实施步骤

（1）拆下原手动刀架；

（2）在小拖板上钻四个安装孔，并攻丝； （3）手动抬起电动刀架，将刀架安装在小拖板上； （4）安装后，试用MDI功能换刀，观察三相电源有无接反。

3.5 主轴传动系统的改造

3.5.1改造思路

为提高机床自动化程度，实现在加工过程中自动变速，对原CA6140A主轴传动系统进行一定的改装。

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3.5.2 实施步骤

（1）取消原变速箱，将主轴电机换成四速异步电机； （2）保留原主轴箱内的背齿轮机构。

3.6 滑动导轨副的改造

对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。

普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床传动精度和其保持性带来很大的影响。因此在对其进行 数控化改造的同时必须针对机床导轨状况进行必要的检修处理，对于磨损较严重的更要进行大修，即进行磨削、淬火、贴塑、配刮等处理，同时采用合理的润滑，充分保证其精度。

3.7编码器

3.7.1 改造思路

车螺纹时，主轴转一圈，车刀移动一个螺距（单头），主轴与丝杠应同步动作，为保证每次吃刀都不乱扣，必须安装一个光电编码器。

按要求编码器与主轴的传动比应为1：1，由两个齿数均为50的塑料齿轮来实现，但由于车床结构不符合安装要求，只能通过自制挂轮间接实现1：1的传动比要求。

3.7.2实施步骤

（1）拆下原有的挂轮，加工两只67齿与90齿挂轮； （2）增加一只中间继电器，有电门锁开关来控制机床的电源；

（3）在电动刀架三相电源进线处加装快速熔断器和热继电器（2.5A），保证电动刀架安全工作。

4 光栅尺安装与调试 4.1 光栅尺的安装

在光栅尺的安装时应尽量与运动方向的元件保持一致性；大多数机床的运动系统一般部

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是运用精密滚珠丝杠副，理论上要求光栅尺安装在进给丝杠副的轴线上。但由于实际受结构的限制以及空间的影响，光栅尺都安装在导轨外侧，如果光栅尺装配不当，特别导轨误差，对位置测量有巨大影响。为了将由此产生的阿贝误差降到很小，定尺和定尺外壳应尽可能地固定于机床的固定结合面上，安装面一定要与机床导轨平行。这就要求安装面与丝杠轴线的正侧(即安装基面与运动导向基面)保持平行≤0.10mm。在加工安装基面时可以加工一个2～5mm的凸台作为光栅尺的定位基准，要求与导轨正侧≤0.01。在安装光栅尺时可以靠在定位基准上，这样也便于光栅尺的装配，光栅尺安装在导轨外侧，也便于调试和将来的维修。 光栅尺在安装时，要避免各种加速度，抗振的最高值在55～2000Hz，对振击和冲击负荷(平正弦型)允许加速度最高值在llns；在装配调整时应避免使用钢件或相近材质的部件；不要固定在热源附近，机床在使用一年以后，应对光栅尺进行校正，同时应检验光栅尺的运行情况；如需清洗时应该用棉球沾无水酒精擦拭，如果光栅尺污物太多，应让技术人员拆下光栅尺的一头用无水酒精冲洗，不允许用其他可以产生结膜的物质清洗。

4.2 光栅尺的校正

首先将扫描头输出接头与数字显示器相连，把扫描头移至测量起点，将激光干涉仪置于工作台上并将其清零；然后将扫描头全程移动，转动校正螺钉，使其在任意位置上时数字显示器上读数与激光干涉仪上的读数相等。

光栅尺的定尺与动尺的相对移动代表机床的位移，定尺安装在固定结合面上，而动尺则需要用支架与运动部件连接，这就要求支架有足够的刚性。在动尺运行时，要消除支架也各部件间的共振。

5 参考点的建立

数控机床的加工是由程序控制完成的，所以坐标系的确定与使用非常重要。根据ISO841标准，数控机床坐标系用右手笛卡儿坐标系作为标准确定。数控车床平行与主轴方向即纵向为Z轴，垂直与主轴的方向即横向为X轴，刀具远离工件的方向为正向。

CA6140A车床的坐标原点定在卡盘基座与主轴中心的交点上，如图4.1所示；数控系统是通过检测参考点的具体位置来确定机床坐标系的，选用两个限位开关，X轴反向和Z轴反向安装在机床上，用于建立参考点，当移动刀架两个都有信号输出时，刀架的当前位置就为参考点R，测量X 和Z ，并将它们写入机床数据库，即可在数控系统中建立坐标系。利用手动对刀，设定机床的原点O（x=0，z=0），位于卡盘前端面中心，设定机床软极限C（x=200，z=200）;

6.安全防护

6.1 硬防护

改造效果必须以安全为前提。在车床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切削及硬粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。 6.2 软防护

为了避免刀架纵向或横向冲出工作台需对其进行超程保护控制，其控制原理为：

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1. 当向X轴正向移动时刀架撞到+M-SQX1限位开关电路切断电源，使其断电停车；当向X轴负向移动时刀架撞到+M-SQX2限位开关电路切断电源，使其断电停车；

2. 当向Z轴正向移动时刀架撞到+M-SQZ1限位开关电路切断电源，使其断电停车；当向Z轴正向移动时刀架撞到+M-SQZ2限位开关电路切断电源，使其断电停车。

如果刀架超程要在超程按扭的配合下使其回到工作行程范围内，一旦操作不当或机床误动作急停按扭可以使其在任何位置停止，这样大大提高了系统的稳定性和减小了费品率，且可以大幅度的提高工人的人身安全 。

7.数控化改造的经济评估

7.1 改造所需的费用

因为本次改造是采用，自己购买零配件，自己改造，所以费用主要是改造中所需零配件的费用为主以及一些相关的运输费用。下面以列表的形式罗列相关各项所需费用，详见表

编码 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 配件名称 数控系统GSK980TD 主电机Y132M-4 纵向进给步进电机 横向进给步进电机 纵向进给丝杠 横向进给丝杠 电动刀架 手轮 光电编码器 螺母座×2 连接杆×2 法兰盘 价格/元 12000 1200 2000 1500 3000 1000 3000 2000 260 500×2 200×2 200 27560 改造所需总费用 从上面的表中可以看出改造一台CA6140只需要不到3万元的费用，而购买一台新的CK6140则需要11万多，由此比较，我们可以知道改造一台比新买一台要远远减少很多费用。当然，改造的机床也有优缺点。

(1) 减少投资额、交货期短

同购置新机床相比，一般可以节省60％～80％的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高2～

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3倍，与购置新机床相比，只能节省投资50％左右。

(2) 机械性能稳定可靠，结构受限

所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。

(3) 熟悉了解设备、便于操作维修

购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。

(4) 可充分利用现有的条件

可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 (5) 可以采用最新的控制技术

可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。

综上所述，从经济性方面考虑改造一台旧的车床要比新买一台节省很多费用，但也不是所有车床都适合数控化改造，在改造之前我们应该做一个经济性的评估，如果改造所需费用高于新购买一台，那么我么则无需花大量时间精力去改造，可以直接从厂家购买，这样会更加省事。当然有些情况则是改造要有优势，比如厂家有若干台旧的车床，而又需数控车床，这种情况下，厂家就可以考虑一下是否改造成数控车床。总之，普通车床数控化改造有很多优势，但也要根据情况而定

8 总结

进过十五天的努力终于完成了对CA6140普车的数控化改造的设计。本课题的主要任务是完成对普通车床的数控化改造，当然，数控化改造并不是简单的装上数控装置就行了，它是一项繁琐的工作。我们的设计和改造任务主要包括主运动和进给运动的改造设计，通过改造使其具有数控机床的一般特性。

应该来说，对普通车床的数控化改造具有一定的经济性和可行性。目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。

在设计过程中，我们也学到了很多东西，我们通过查阅大量的资料，把所学的知识应用到设计中，这样既温故了我们在大学期间所学的专业知识，又培养了我们一种独立思考问题、解决问题的能力，对今后的工作必将产生深远的影响 8 参考文献 :

1. 朱晓春主编，数控技术(第一版)，机械工业出版社，1999.

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2. 徐赢.机械设计手则[M].北京：机械工业出版社.1991.9.

3．寥效果，朱启逑.数字控制机床[M].武汉：华中理工大学出版社，1992. 4．中国机械工业教育协会. 数控技术[M].北京：机械工业出版社，2001. 5．李宏胜主编，机床数控技术及应用，高等教育出版社，2001.

6．朱文伯，笪文俊.西门子数控系统在机床改造中的应用[J].航空制造技术，1999，5：30-32 7.余英良著，机床数控改造设计与实例（第一版），机械工业出版社，2001.

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