CA6140普通車床的數(shù)控化改造

1、摘 要針對大多數(shù)企業(yè),具有數(shù)量眾多和較長使用壽命的普通機床，其加工精度較低、不能批量生產，自動化程度不高，自適應性差，但考慮投資成本，產業(yè)的連續(xù)性，又不能馬上被淘汰。數(shù)控機床作為機電液氣一體化的典型產品，能解決機械制造中結構復雜、精密、批量、零件多變的問題，加工質量穩(wěn)定，生產效率較高。購買新的數(shù)控機床是提高產品質量和效率的重要途徑,但是成本高，許多企業(yè)在短時間內無法實現(xiàn)，這嚴重阻礙企業(yè)設備更新的步伐。為此把普通機床數(shù)控化改造，不失為一條投資少、提升產品質量及生產效率的捷徑，提升企業(yè)競爭力，在我國成為制造強國的進程中，占有一席之地。本文的主要內容有：1對普通車床數(shù)控化改造經濟性評價詳細論證，確定

2、普通車床數(shù)控化改造方案；2對進給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號選擇與裝配設計，支承方式的設計與軸承型號選擇，步進電機選擇等進行了詳細研究；3對常用進口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國產數(shù)控裝置系統(tǒng)進行仔細比較，根據(jù)所改造的性能和精度指標來選配數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動刀架型號，提出選擇方法；4根據(jù)普通車床 CA6140 電氣控制系統(tǒng)和原理圖與普通車床數(shù)控化改造CJK6140-A 的數(shù)控系統(tǒng)對比分析，形成普通車床數(shù)控化改造完整的電氣控制技術圖；5.為保持切削螺紋的功能，仔細研究了在主軸上安裝脈沖發(fā)生器的選型，脈沖發(fā)生器直接與主軸間連接方法，并形成了相應的技術圖；6.拆卸普通機床，甩掉原有進給箱等，對主傳動系統(tǒng)的進行大修，滑板貼塑與

3、鏟刮調試，對機床相關部件和參數(shù)進行測繪、測量；7.繪出相應的零件圖和裝備圖；8給出普通車床數(shù)控化改造的安裝、調試方法。關鍵詞：普通車床、數(shù)控、改造ABSTRACTMost enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production, low automatization and adaptability, but can not be washed out be

4、cause of its low cost and continuity of enterprises production.As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high preci

5、sion, mass production, part variety in machining.Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equipment updating step are counteracted severly. So Gene

6、ral lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is:1. The economical efficiency of th

7、e reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle.2. The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed.3. The import and domestic NC systems were compared carefully,

8、brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming.4. The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140s electricity control system and principle with the reforming C

9、JK6140-As NC system.5. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a techniquediagram.6. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered p

10、lastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe.7. Draw out parts diagrams and assemble diagram.8 .Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward.Key words: General purpose lathe、

11、 Numerical control(NC)、Reform 目目 錄錄 第一章 前言 -61.1 問題的提出 -61.1.1 國內外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 -61.1.2 國內外數(shù)控技術發(fā)展趨勢 -71.1.3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) -71.2 普通機床數(shù)控改造的經濟性評價 -81.2.1 微觀看改造的必要性 -81.2.2 宏觀看改造的必要性 -91.3 普通機床數(shù)控化改造市場 -91.3.1 改造的市場 -91.3.2 進口設備和生產線的數(shù)控化改造市場 -10第二章 CA6140 普通車床數(shù)控改造總體方案的設計要求 -102.1 設計要求 -102.2 主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造 -

12、112.3 主軸脈沖發(fā)生器 -12第三章 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計與計算 -143.1 進給系統(tǒng)機械結構改造設計 -143.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 -143.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量 -153.2.2 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇與校核步驟 -153.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 -193.3.1 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 -193.3.2 滾珠絲杠設計計算 -203.3.3 齒輪及轉矩有關計算 -223.4 滾珠絲杠螺母副的精度等級 -233.5 滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預緊 -233.6 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 -253.6.1 采用減速箱的目的及注意

13、事項 -253.6.2 減少或消除空程的必要性和方法 -25第四章 CA6140 數(shù)控改造步進電機的設計 -264.1 步進電機的工作方式 -264.2 步進電機的選擇 -264.2.1 步進電機選用的基本原則 -264.2.2 CA6140 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 -274.2.3 CA6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 -28第五章 自動回轉刀架的選型 -285.1 數(shù)控車床刀架的基本要求 -285.2 自動回轉刀架的工作原理 -29第六章 CA6140 普通車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng) -296.1 數(shù)控車床及數(shù)控系統(tǒng)概述 -296.1.1 機床主機 -304.1.2 驅動裝置 -30

14、4.1.3 輔助裝置 -304.1.4 數(shù)控裝置系統(tǒng) -314.1.5 編程裝置 -316.2 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計 -316.2.1 控制系統(tǒng)的功能要求 -316.2.2 硬件電路的組成 -316.3 單板控制系統(tǒng)的設計 -326.3.1 硬件配置 -326.3.2 貯存器空間分配 -326.3.3 I/O 口地址分配 -326.3.4 光電隔離電路 -336.4 8031 單片機簡介 -336.5 存儲器擴展電路設計 -346.5.1 程序存儲器的擴展 -346.5.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 -346.6 譯碼電路設計 -386.7 其他輔助電路設計設計 -386.7.1 8031 的時鐘

15、電路單片機的時鐘的產生方式 -386.7.2 復位電路 -406.7.3 越界報警電路 -406.7.4 掉電保護電路 -41第七章 安裝調整中應注意的問題 -427.1 滾珠絲杠螺母副的選擇 -427.2 滾珠絲杠螺母副的調整 -427.3 聯(lián)軸器的安裝 -427.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 -42第八章 結束語 -42致謝 -43參考文獻-44第一章 前言1.11.1 問題提出問題提出數(shù)控車床作為機電液氣一體化的典型產品，是現(xiàn)代機械制造業(yè)中不可缺少的加工設備，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，能解決機械制造中結構復雜、精密、批量小、零件多變的加工問題，且產品加工質量穩(wěn)定，生產效率較高。企業(yè)要在

16、激烈的市場競爭中獲得生存、求得發(fā)展,就必須在最短的時間內以優(yōu)異的質量、低廉的成本,制造出合乎市場需要的、性能合適的產品,而產品質量的優(yōu)劣,制造周期的快慢,生產成本的高低,又往往受工廠現(xiàn)有加工設備的直接影響。購買新的數(shù)控機床是提高數(shù)控化率的主要途徑,但是成本太高，很多工廠在短時間內都無法有那么多的資金，這嚴重阻礙企業(yè)的設備更新和設備改造的步伐；同時目前大多數(shù)企業(yè)還有數(shù)量眾多，而且還具有較長使用壽命的普通機床，由于普通機床加工精度相對較低、不能批量生產，生產的自動化程度不高，生產自適應性差，但考慮投資成本，產業(yè)的連續(xù)性和轉型周期，又不能馬上淘汰。而改造現(xiàn)有舊機床、配備與之相適應的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機

17、床改裝成數(shù)控機床，是當前許多企業(yè)對現(xiàn)有設備改造換代的首選辦法，也是提高機床數(shù)控化率的一條有效途徑，不失為一條投資少、提升產品加工精度及質量，提高生產效率的捷徑，使企業(yè)提升競爭力，在我國成為世界制造業(yè)中心及制造強國的進程中，占有一席之地。1.1.1 國內外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 機床作為機械制造業(yè)的重要基礎裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關注，由于計算機技術的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了質的突破，導致了應用數(shù)字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。隨著計算機技術的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制

18、造系統(tǒng)中，數(shù)控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網(wǎng)絡等多學科技術，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡化基礎上，CAD/CAM 與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集

19、中控制的群控加工。長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結構，CNC 只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經驗以固定參數(shù)形式事先設定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過 CAD/CAM 及自動編程系統(tǒng)進行編制。CAD/CAM 和CNC 之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中 CNC 只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構。在復雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正CAD/CAM 中的設定量，因而影響 CNC 的工作效率和產品加

20、工質量。由此可見，傳統(tǒng) CNC 系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結構，限制了 CNC 向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應日益復雜的制造過程，因此，對數(shù)控技術實行變革勢在必行。1.1.2 數(shù)控技術發(fā)展趨勢 1 性能發(fā)展方向 (1) 高速高精高效化 速度、精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。 (2) 柔性化 包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用

21、戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。 (3) 工藝復合性和多軸化 以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。數(shù)控技術軸，西門子 880 系統(tǒng)控制軸數(shù)可達 24 軸。 (4) 實時智能化 早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調度任務，以確保任務在規(guī)定期限內完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為?？茖W技術發(fā)展到今

22、天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結合，人工智能正向著具有實時響應的、更現(xiàn)實的領域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復雜的應用發(fā)展，由此產生了實時智能控制這一新的領域。在數(shù)控技術領域，實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應控制、模糊控制、神經網(wǎng)絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應調節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預測和預算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達到最佳控制的目的。1.1.3 智能化新一代 PC

23、NC 數(shù)控系統(tǒng) 當前開發(fā)研究適應于復雜制造過程的、具有閉環(huán)控制體系結構的、智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)將計算機智能技術、網(wǎng)絡技術、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術融于一體，形成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系。1.2 普通機床數(shù)控化改造經濟性評價根據(jù)對市場的調研，目前新的經濟數(shù)控車床，8.5 萬/臺，普通新車床 CA6140，售價 3.8 萬/臺，使用壽命 8-10 年，而已使用了 6-8 年的舊車床 CA6140，估價 0.5萬/臺，通過改造還可使用 4-6 年。普通車床 CA6140 每臺數(shù)控化

24、改造所需價格大約3 萬，數(shù)控加工的生產率可提高 20-30%。因此需要對普通車床的數(shù)控化改造進行經濟性評價。設備現(xiàn)代化改造是指應用現(xiàn)代技術成就和先進經驗，適應生產的需要，改變現(xiàn)有設備的結構（包括更換新部件、新裝置、新附件等） ，改善現(xiàn)有設備的技術性能，使之全部或局部達到新設備的性能。1.2.1 微觀看改造的必要性從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 (1) 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 (2)

25、可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高37 倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了柔性自動化。 (3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要修配。 (4 ) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 (5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。由以上五條派生的優(yōu)點：(1)降低了工人的勞動強度；(2)節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺

26、機床） ；(3)減少了工裝；縮短了新產品試制周期和生產周期；(4)可對市場需求作出快速反應等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行 FMC（柔性制造單元） 、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。1.2.2 宏觀看改造的必要性從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在 70 年代末、80 年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS 外，還包括在產品開發(fā)中推行

27、 CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)） 、CIMS 等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化） ，最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后 20 年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已達 20.8，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。1.3 普通機床數(shù)控化改造市場1.3.1 改造的市場我國目前機床總量 3

28、80 余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11.34 萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到 3。近 10 年來，我國數(shù)控機床年產量約為 0.60.8 萬臺，年產值約為 18 億元。機床的年產量數(shù)控化率為 6。我國機床役齡 10 年以上的占60以上；10 年以下的機床中，自動/半自動機床不到 20，F(xiàn)MC/FMS 等自動化生產線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占 60以上） ?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10 年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個

29、企業(yè)的產品、市場、效益。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。1.3.2 進口設備和生產線的數(shù)控化改造市場我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從 19791988 年 10 年間，全國引進技術改造項目就有 18446 項，大約 165.8 億美元。這些項目中，大部分項目為我國的經濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產線，忽視軟件、工藝、管理

30、等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產線的產品銷路很好，但是因為設備故障不能達產達標；有的因為能耗高、產品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。這些不能使用的設備、生產線是個包袱，也是一批很大的存量資產，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產，爭取到最大的經濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。第二章 CA6140 普通車床數(shù)控改造總體方案的設計要求2.1 總體方案總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇

31、，以及傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。（1）普通車床數(shù)控化改造后應具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）車床數(shù)控化改裝后屬于經濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下應簡化結構、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經濟性要求，經濟型數(shù)控機床一般采用 8 位微機。在 8 位微機中，MCS51 系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS51 系列單片機擴展系統(tǒng)。 （4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要

32、求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器、I/O 接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅動電路，此外，系統(tǒng)中還應包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。 （5）設計自動回轉刀架及其控制電路。 （6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應滿足機床所要求的分辨率。 （7）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應有預緊機構，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應有消除齒側間隙的機構。 （8）采用貼塑導

33、軌，以減小導軌的摩擦力。 （9） 原機床的主要結構布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本縮短改造周期。 （10）機械結構改裝部分應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調試、拆卸方便，需經常調整的部位調整應方便?？傮w方案設計圖如 2.1 圖所示2.2 設計要求將 CA6140 普通車床改造成經濟型數(shù)控車床。要求該車床具有切削螺紋的功能，縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能。系統(tǒng)分辨率縱向：0.01mm，橫向：0.005mm。設計參數(shù)如下：最大加工直徑：在床面上400mm在床鞍上210mm最大加工長度：1000mm快進速度縱向2.4m/min橫行1.2m/min最大切削進給速度縱向0.

34、5m/min橫行0.25m/min代碼制ISO脈沖分配方式逐點比較法輸入方式增量值、絕對值通用控制坐標數(shù)2最小指令值縱向0.01mm/pulse橫行0.005mm/pulse刀具補償量099.99mm進給傳動鏈間隙補償量縱向0.15mm橫行0.075mm自動升降速性能有2.3 主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造CA6140 型普通車床的主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)都由主軸電機控制，而改造后的車床則把主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的運動分離開。分別由各自的步進電機來控制，但是為保證車床在車螺紋時主傳動運動與進給運動之間的聯(lián)系，所以在拆掉進給系統(tǒng)的同時，必須在主軸上安裝一個脈沖發(fā)生器，來實現(xiàn)主軸傳動和進給運動之間的聯(lián)系。同

35、時，為了提高機床的精度和效率，用滾珠絲杠來代替原機床的光杠，并且采用單獨的步進電機來控制。這樣不僅提高了機床的性能和精度，還提高了機床的使用性能。1. 機械部分的改造首先拆去進給箱、溜板箱；還要對車床的床鞍進行部分的改造，拆去縱向小拖板、 橫向拖板，將絲杠換成滾珠絲杠，并且由一端驅動的步進電機來控制。2. 刀架的改造CA6140 普通車床的刀架不能滿足數(shù)改后的車床的性能和精度的要求。所以，必須要換成數(shù)控自動刀架。2.4 主軸脈沖發(fā)生器為保持切削螺紋的功能，必須在主軸上安裝脈沖發(fā)生器，采用脈沖發(fā)生器直接與主軸由無間隙傳動聯(lián)軸器連接，達到傳動系統(tǒng)結構簡化，傳動鏈短，傳動剛度提高。主軸與脈沖發(fā)生器同

36、步旋轉，發(fā)出兩路信號：每轉發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經隔離電路以及 I/O 接口送給數(shù)控裝置（CNC） ，脈沖發(fā)生器及光柵編碼器安裝位置如圖光柵編碼器安裝位置主軸脈沖發(fā)生器的結構及原理:脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈、聚光鏡、光柵盤、光闌板、光敏管及其光電整形放大電路組成。光柵盤和光闌板都是玻璃材料制成，玻璃表面經過研磨拋光后用鍍膜法鍍上一層不透光的鉻層，透光條及用照相腐蝕法制成。在光柵盤上刻有明暗條紋，有單條和 1024 個條兩組。當平行光束經過光柵盤時，在光柵盤的另一面就產生明暗光帶，這光帶通過一個光闌狹縫，照在對應的光敏管上，從而產生光電脈沖信號，經斯密特電路整形后輸出。單條紋的一組

37、產生同步脈沖，每轉發(fā)一個脈沖；1024 條紋的一組通過光欄上兩個相位差 /4 間距的狹縫，產生兩組每轉 1024個脈沖組相差為 /4 的脈沖序列，供給微機處理，借以判斷主軸正、反轉，且可以從 1024 個脈沖中均勻地取出 F 個脈沖，作為中斷信號控制插補速度，實現(xiàn) F 進給控制的目的。脈沖發(fā)生器的結構原理圖第三章 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計與計算3.1 進給系統(tǒng)機械結構改造設計進給系統(tǒng)改造設計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案：掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與

38、齒輪減速箱總成絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲杠螺母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉四方刀架總成。3.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內容包括：確定脈沖當量、計算切削力滾珠絲杠螺母副的設計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。計算簡圖如下圖所示：圖 2.1 縱向進給圖 2.2

39、 進給系統(tǒng)計算簡圖3.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產生的進給量,它是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本參數(shù)。因此,脈沖當量應根據(jù)機床精度的要求來確定。對經濟型數(shù)控機床來說，常采用的脈沖當量為 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在 CA6140 的技術參數(shù)中，要求縱向脈沖當量為 0.01mm/step。橫向脈沖當量為pf=0.005mm/step。pf3.2.2 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇與校核步驟（1）滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動元件。滾珠絲杠副的結構原理示意圖如圖所示，它可將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，

40、或者將直線運動轉變?yōu)樾D運動。因此，滾珠絲杠副既是傳動元件，也是直線運動與旋轉運動相互轉換的元件。滾珠絲杠螺母副的結構原理圖組成：主要由絲桿、螺母、滾珠和滾道（回珠器） 、螺母座等組成。 工作原理：在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當它們套裝在一起時便形成螺旋滾道，并在滾道內裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動，并經回珠管作周而復始的循環(huán)運動。回珠管兩端還起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。 特點：傳動效率高：機械效率可高達 92%98%。 摩擦力小：主要是用滾珠的滾動代替了普通絲桿螺母副的滑動。 軸向間隙可消除：也是由于滾珠的作用，提高了系統(tǒng)的剛性。經預緊后可消除間隙。 使用壽命長、制造成本高：主要采用

41、優(yōu)質合金材料，表面經熱處理后獲得高的硬度。1）最大工作荷載計算滾珠絲杠的工作載荷（N）是指滾珠絲杠副的在驅動工作臺時滾珠絲杠所承mF受的軸向力，也叫做進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走到抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。由于原普通 CA6140 車床的縱向導軌是三角形導軌，則用公式 2-1 計算工作載荷的大小。 （3-1） ()mvFKFLfFG車削抗力分析車削外圓時的切削抗力有，主切削力與主切削速度方向一致xFyFzFzF垂直向下，是計算機床主軸電機切削功率的主要依據(jù)。切深抗力與縱向進給垂直，yF影響加工精度或已加工表面質量。進給抗力與進給方向平行且相反指向，設計或xF

42、校核進給系統(tǒng)是要用它。切削時總切削力的分解縱切外圓時，車床的主切削力可以用下式計算：zF （3-2） zzzzzxFyFnFzFpFFC afVK =5360(N) 由金屬切削原理知：=1:0.25:0.4 （3-3） :zxyFFF 得 =1340(N)xF =2144(N)yF因為車刀裝夾在拖板上的刀架內，車刀受到的車削抗力將傳遞到進給拖板和導軌上，車削作業(yè)時作用在進給托板的載荷和與車刀所受到的車削抗力有對應關系。1FvFcF因此，作用在進給托板上的載荷可以按下式求出： 托板上的進給方向載荷 = =1340(N)1FxF 托板上的垂直方向載荷 = =5360(N)vFzF 托板上的橫向載荷

43、 = =2144(N) cFyF因此，最大工作載荷 ()mvFKFLfFG =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N) 對于三角形導軌 K=1.15, =0.030.05,選=0.04(因為是貼塑導軌)，G 是f f 縱向橫向溜板箱和刀架的重量，選縱向橫向溜板箱的重量為 75kg,刀架重量為15kg.最大動載荷 C 的計算滾珠絲杠應根據(jù)額定動載荷 Ca 選用，可用式 3-4 計算： （3-4） 3mmCL f FL 為工作壽命，單位為 10r，L=60nt10;n 為絲杠轉速（rmin）,n=1000vL0;v為 最大切削力條件下的進給速度（mmin）,可取最

44、高進給速度的 1/21/3;L0 為絲杠的基本導程，查資料得 L0=12mm; 為運轉狀態(tài)系數(shù)，因為此時有沖擊振動，mf所以取=1.5.mfV 縱向=1.59mm/r1400r/min=2226mm/minn 縱向=v 縱向1/2/L0=22261/2/12=92.75r/min L=60nt/106=6092.7515000/106=83.5則 =1.51790.68=11740（N）3mmCL f F383.5 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應的額定動載荷 Ca 不得小于最大載荷 C;因此有CaC=11740N另外例如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運轉下工作并受載，那么還需考慮其另一種失效形式

45、-滾珠接觸面上的塑性變形。即要考慮滾珠絲杠的額定靜載荷是oaC否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷 Fm,一般使=23.oamCF初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因為內循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝。考慮到簡易經濟改裝，所以采用外循環(huán)。因此初選滾珠絲杠的型號為型 CD638-3.5-E 型，主要參數(shù)為=4.763mm, =8mm, =63mm, =2o19 ，圈數(shù)列數(shù) 3.51 wD0Lmd縱向滾珠絲杠的校核 1）傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 92% （3-5）tantan2 19tan()tan(2 1910 )oo2）剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起導程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和

46、運動平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠和螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。1 絲杠的拉壓變形量1 （3-6）1mF lEA =1790.682280/20.610(31.5)2 =0.0064mm2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2采用有預緊的方式，因此用公式 =0.0013 （3-7）223mwyjFD F Z =0.0028mm在這里 =1/3=1/31790.68=597NyjFmF 3.1463/4.763=41.53mwdZD 41.533.51=145.36 Z 絲杠的總變形量= + =0.0064+0

47、.0028=0.0092mm3V 時，存儲器就能可靠的保持信息。2DBV第七章 安裝調整中應注意的問題7.1 滾珠絲杠螺母副的選擇滾珠絲杠螺母副的制造精度要求高，加工工藝比較復雜。都是由專業(yè)工廠按系列化進行生產。因此在進行設備改造時，要按廠家生產標準進行選擇。選擇合適以后再決定被改造設備的 其他相關部分的結構和尺寸。7.2 滾珠絲杠螺母副的調整利用螺母的 間隙調整裝置調整絲杠副間隙時，應使調整后產生的 預緊力為絲杠副最大負載的 1 / 3 為宜。在 實際調整中，可以把車床處于最大工作負載，使絲杠內部仍不產生間隙或者間隙量小于 0.01mm，而且運轉靈活，并以此作為螺母間隙調整裝置預緊的判斷標準。7.3 聯(lián)軸器的