1、1重庆大学网络教育学院毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目 CA6140 车床经济型数控改造设计 学生所在校外学习中心 福建福州校外学习中心批次 层次 专业 201402、本科机械设计制造及自动化学 号 W12116150 学 生 汤清杰 指 导 教 师 董小闵 起 止 日 期 20140828 起至 20141031 止2目 录摘 要 .31.引言 42.设计总体要求及相关已知条件 42.1 设计总体要求 42.2 相关已知条件 53.切削力的计算与分析 64.机床主电机功率计算 74.1 主轴的变速范围 74.2 主轴电机的校核 85. 进给伺服系统传动方案 .86.滚珠丝杠螺母副的设计、计
2、算及选型 96.1 型号选择 .96.2 横向滚珠丝杠的校核 97.导轨的计算及选型 .107.导轨的计算及选型 .117.1 纵向步进电机的选择 .117.1.1 确定系统的脉冲当量 .117.1.2 步距角的选择 .117.1.3 矩频特性 .127.1.4 据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性 .157.2 横向步进电机的选择 .157.2.1 步距角的确定 .157.2.2 距频特性 .16设计小结 .18参考文献： .193摘 要数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好
3、地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造大有可为。 针对现有常规 CA6140 普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了 CA6140 机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以 8031 为 CPU 的控制系统对信号进行处理，由 I/O
4、 接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。通过对 CA6140A 普通车床的数控改造，使其加工精度明显提高，定位准确可靠，操作方便，性能价格比高。这种方法对中小企业设备的数控改造有一定的借鉴与推广作用。本次改造主要针对车床的主轴系统、刀架系统、进给系统、反馈环节、电器控制柜及数控系统进行了改造，改造方法简单、改造操作步骤便于实施。而且掌握了一些 CAM、CAD 等制图软件的应用和论文的撰写格式，这篇论文对我两年半的大学学习的一次全面总结。关键词：CA6140 数控改造 进给系统 传动系统 41.引言数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量
5、一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造大有可为。 金属切削机床是加工机器零件的一个主要设备。它担负的工作量，约占机器总制造量的 40-60%。机床的计术水平直接影响机械制造工业和劳动生产率。 金属切削机床是人类在改造自然的长起生产实践中，不断改进生产工具
6、的基础上发展起来的。近些年来我国机床工业已取得很大成就。但和世界先进水平相比，还有较大的差距。主要表现在大部分高精度和超密机床的性能还不能满足要求。精度保持性也很差。特别是高效自动化和数控机床的产量，技术水平和质量等方面都明显落后。我国的技术人员素质还跟不上现代机床技术飞速发展的需要。2.设计总体要求及相关已知条件 2.1 设计总体要求 1988 年采用开环伺服进给系统，进行纵向进给机构的改造，横向进给机构的改造。具体要求：5（1）计算切削力（2）机床主电机功率计算（3）进给伺服系统传动方案的设计主要有三种方案：其一是由步进电机通过联轴器方式传递给滚珠丝杠；其二是由步进电机通过一对齿轮啮合方式
7、传递给滚珠丝杠；其三是由步进电机通过同步齿形带的方式传递给滚珠丝杠。可对上述三种方式比较后选择其一。（3）滚珠丝杠螺母副的设计、计算及选型（4）导轨的计算及选型（5）步进电机的计算及选用2.2 相关已知条件我将 CA6140 普通车床改造成经济型数控车床，要求车床有切削螺纹功能，纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm，横向:0.005mm。设计参数：1）最大加工直径 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm2）最大加工长度 1000mm3）快进速度 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min4）最大切削进给速度 纵向 0.5m/min 横向 0.25m/min5）
8、最小指令值纵向 0.01mm/pulse横向 0.005mm/pulse6）进给传动链间隙补偿量纵向 0.15mm 横向 0.075mm67）电机功率 7.5kw3.切削力的计算与分析车削外圆时的切削抗力有 ，主切削力 Fz 与切削速度ZyXF、方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电机切削功率的主要依据。且深抗力 Fy 与纵向进给方向垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力 Fx 与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。纵切外圆时，车床的主切削力 Fz 可以用下式计算：)(5360NKVfCFZzFzZyXpz (1)由知:Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4得 Fx=134
9、0(N) Fy=2144(N)因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给拖板上的载荷 Fl、Fv 和 Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系，因此，作用在进给拖板上的载荷可以按下式求出： 拖板上的进给方向载荷 Fl=Fx=1340(N) 拖板上的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N) 拖板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作载荷 NGFvfKlm8.17908.905364.35对于三角形导轨 ， ，选 (因为f 4.f7是贴塑导轨)，G 是纵向、横向溜板箱和刀架的重量，选纵向、横向溜板箱的重量为 75kg，刀架重量为 1
10、5kg。4.机床主电机功率计算4.1 主轴的变速范围主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围 ，即nR，数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化minaxR很大，所以主轴变速范围很宽。则 min132480rj 其中， 为电动机的额定转速jn该机床主轴要求的恒功率调速范围 Rn 为：9.15380minaxR主轴电机的功率是 7.5kw初选主轴电机的型号：SIMODRIVE 系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4,，连续负载 PH/KW=14.5，间歇负载（60%）/kw=17.5kw，短时负载（20min）/kw=19.25kw，额定负载，最大转速 ，额定转矩 2
11、77NM，惯50min./1r 80min/axr性矩 。2/6kg84.2 主轴电机的校核电动机恒定调速范围： 16508minaxR所以所选电动机型号的调速范围满足主轴要求的调速范围。5.进给伺服系统传动方案减速器箱体的设计：一般机床数控改造后，经济型数控车床的脉冲当量是一不可改变的值，为了实现多脉冲当量的任意选择，我们可在步进电机与滚珠丝杠间加一个减速机构，下面即是对减速机构的设计过程。 由任务书中可知纵向和横向的脉冲当量分别为： 纵向 0.01 0.008 0.005 横向 0.005 0.004 0.0025 为减少减速机构的体积设定中心距 A=(z1+z2)m/2=67.5其中 m
12、=1.5 z1+z2=90(齿) 则以横向脉冲计算为例 i=z1/z2=45/45 时，则脉冲当量为 0.005mmi=z1/z2=40/50 时，则脉冲当量为 0.004mm i=z1/z2=30/60 时，则脉冲当量为 0.0025mm 因纵向与横向的减速机构可以相同，为了降低成本将横纵减速器结构设置为一样。96.滚珠丝杠螺母副的设计、计算及选型 6.1 型号选择 （1）最大工作载荷计算 由于导向为贴塑导轨，则： ， ，Fl 为工作1.4k05.f台进给方向载荷，Fl=2144N，Fv=5360N，Fc=1340N，G=60kg，t=15000h，最大工作载荷： G)2F(kFcvlmf7
13、5)9.813400.56214. 3.6N（2）最大动负载的计算 v 横= =1106mm/min 0.79m/r14r/inn 横丝=v 横 。纵= =110.6r/min 2L1256L=60nt/106=1106110.615000 /106=99.54 C= 38.N9543 mFf初选滚珠丝杠型号为:CD506-3.5-E 其基本参数为 Dw =3.969mm，=211，L。=6mm，dm=50mm，圈数 列数13.56.2 横向滚珠丝杠的校核（1）传动效率 计算：%3)012(/1)(/ tgttg（2）刚度验算101）丝杠的拉压变形量mEALFm 026.5106.2/3.56
14、/ 241 2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量32201.ZFDyjwm3 248.136.59 m0.其中，dm/Dw=3.14 50/3.969=39.56，Z=39.56 3.5 1=138.48Z丝杠的总变形量： =0.0026+0.0099=0.0125mm0.015mm21查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差为 0.015mm,故所选丝杠合格。7.导轨的计算及选型导轨除应具有卧式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及润滑。一般机床导轨材料多为 200 灰口铸铁，机床改造时
15、可在原床鞍下滑面经机械加工后加一层聚四氟乙烯软带，聚四氟乙烯软带与铸铁配合时，有良好的减磨性能，课有效的防止机床爬行。此外，床鞍与床身，中滑板与小滑板应接触均匀，接触面不少于 70%，接触点数不少于 10 点/11，应严格按标准检查。运行时不应有爬行现象，这是保证加工精度2cm和一致性的关键因素之一。7.导轨的计算及选型7.1 纵向步进电机的选择7.1.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。因此，脉冲当量应根据机床精度的要求来确定，CA6140 的定位精度为0.015mm，因此选用的脉冲当量为 0.01mm/脉冲
16、0.005mm/脉冲。7.1.2 步距角的选择根据步距角初步选步进电机型号，并从步进电机技术参数表中查到步距角 b ，三种不同脉冲分配方式对应有两种步距角。步距角b 及减速比 i 与脉冲当量 p 和丝杠导程 L0 有关。初选电机型号时应合理选择 b 及 i, 并满足： b (p i 360)/L0 （4-1）由上式可知：b p i 360/L0=360 0.01 1/10=0.36初选电机型号为:90BYG5502 具体参数如表 4.1 所示：表 4.1：纵向电机 步距角 相数 驱动电压 电流90BYG5502 0.36 5 50V 3A静转矩 空载起动频率 空载运行频率 转动惯量 重量125
17、N.m 2200 30000 40 kg.cm 24.5kg13图 4-1 电机简图7.1.3 矩频特性=JkaM=J 10 (N.cm) tn60max22由于：nmax= (r/min)3pbv则： Mka=J (N.cm)21060ax2t式中：J 为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg.cm） ; 为电机最大角加速度（rad/s ）;nmax 为与运动部件最大快进速度对应的2 2电机最大转速（r/min）;t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间（s）;vmax 为运动部件最大快进速度（mm/min）; p 为脉冲当量（mm/脉冲） ；b 为初选步进电机的
18、步距角（）步，对于轴、轴承、齿轮、联轴器，丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式为 J= (kg.cm ),对于钢材，材料密度为82McD27.8 10 (kg.cm ),则上式转化为 J=0.78D L 10 (kg.cm ),式中：Mc 为圆柱体33 432质量（kg）;D 为圆柱体直径（cm） ，JD 为电动机转子转动惯量，可由资料查出。(1)丝杠的转动惯量 Js Js=Js/i ，i 为丝杠与电机轴之间的总传动比2由于 i=1则: Js=0.78D L 1043=0.78(6.3) 170 10=208.9( kg.cm )2(2)工作台质量折算14工作台是移动部件，其移动质量惯量折算到滚珠丝
19、杠轴上的转动量JG:JG=（ ） M( kg.cm ),式中：L。为丝杠导程（cm）;M 为工作台质量（kg）.由2。L2于 L。=1cm,M=90kg则 ： JG=（ ） M。 2= 90)14.3(=2.28( kg.cm )21）一对齿轮传动小齿轮装置在电机轴上转动惯量不用折算，为 J1.大齿轮转动惯量 J2 折算到电机轴上为 =J2( )2iJ1z22）两对齿轮传动传动总速比 i=i1 i2,二级分速比为 i1=z2/z1 和 i2=z4/z3.于是，齿轮 1 的转动惯量为 J1,齿轮 2 和 3 装在中间轴上，其转动惯量要分别折算到电机轴上，分别为 J2( ) 和 J3( ) .齿轮
20、 4 的转动惯量要进行二次折算或以总速比折算为：1z1z=J4( ) ( ) （4-2）2iJz232因此，可以得到这样的结论：在电机轴上的传动部件转动惯量不必折算，在其他轴上的传动部件转动惯量折算时除以该轴与电机轴之间的总传动比平方。由于减速机构为一对齿轮传动，且第一级 i=1,则可分别求出各齿轮与轴的转动惯量如下：n=45,m=1.5 的转动惯量 J45,其分度圆直径 d=45 1.5=67.5mmS=27mm 则:J45=0.78 6.75 10 =4.371 kg.cm432n=40,m=1.5 的转动惯量 J40,其分度圆直径 d=40 1.5=60mmS=27mm 则:J40=0.
21、78 6 10 =2.73kg.cmn=30,m=1.5 的转动惯量 J30,其分度圆直径 d=30 1.5=45mmS=27mm 则:J30=0.78 4.5 10 =0.964 kg.cm432n=45,m=1.5 的转动惯量 J45,其分度圆直径 d=45 1.5=67.5mmS=30mm 则:J45=0.78 6.75 10 =4.9538 kg.cmn=50,m=1.5 的转动惯量 J50,其分度圆直径 d=50 1.5=75mmS=30mm 则:J50=0.78 7.5 10 =7.548 kg.cm432n=60,m=1.5 的转动惯量 J60,其分度圆直径 d=60 1.5=9
22、0mmS=30mm 则:J60=0.78 9 10 =15.66 kg.cm两输入输出轴的转动惯量为:J 输入=0.78 1.8 13 10 =0.106 kg.cm ; L=130mm432J 输出=0.78 2.5 13 10 =0.396 kg.cm ; L=130mm查表得：JD=4 kg.cm 215综上可知：J =JD+Js+JG+J30+J40+J60+J50+2J45 （4-3）=252.302 kg.cm 2又由于 V =1.46 1600=2236mm/min则：Mka=252.302 10 =41.1N.cm01.56303614.2(3)力矩的折算：1）Mkf 空载摩擦
23、力矩Mkf= （4-4）i2。LfG式中：G 为运动部件的总重力（N） ； f为导轨摩擦系数；i 为齿轮传动降速比； 为传动系统总效率，一般取 =0.70.85；L。为滚珠丝杠的基本导程（cm） 。由于 G=90 10=900N, f=0.05, i=1, =0.85则 Mkf = 185.04329=8.4N.cm2）M。附加摩擦力矩MO= (1-。 ) （4-5）i。FyjL2式中：Fyj 为滚珠丝杠预加负载，即预紧力，一般取 1/3Fm;Fm 为进给牵引力（N）, 。为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 。0.9得 Fyj=1/3Fm=1/3 1728.8=576.3N又 L。=10mm
24、 ， =0.95则 M。= 195.043276=96.6 N.cm 则 = + +M。=41.1+8.4+96.6=140 N.cmkqakf由于 =mjax则所选步进电机为五相十拍的经表查得 ：=0.951则 =1.67N.mkqMjmax=0.95 5=4.75N.m所以所选步进电机合乎要求167.1.4 据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性T= (fn-f0) （4-6）)(3.57TlcpJr式中：T 为加减速时间，Jr 和 Jl 分别为转子，负载的转动惯量（kg.m ）2 为电机得步距角（） ，Tcp,Tl 为电机最大平均转矩，负载转矩（N.m）f。,fn 为起始加速时，
25、加速终了时的频率（Hz）由于 Jr=0.4 10 kg.m 32Jl=0.0252 kg.m =0.36Tcp=5 N.m Tl=1.67 N.m f0=2200Hz fn=30000Hz则 T= (30000-2200)4.15(3.736.0204.(=1.2s1.5s所以选此步进电机能满足要求。矩频特性曲线7.2 横向步进电机的选择7.2.1 步距角的确定b p i 360/L。 (4-7）L。=6mm , i=1 , p=0.005b 0.3 初选电机型号为:110BYG5602横向电机 步距角 相数 驱动电压 电流17110BYG5602 0.3 5 80V 3A静转矩 空载起动频率
26、 空载运行频率 转动惯量 重量16 N.m 2500 35000 15kg.cm 216kg图 4-2 电机简图7.2.2 距频特性(1)力矩的折算1)空载摩擦力矩 Mkf =GfL。/2i kfMG=60 10=600N f=0.05L。=6mm =0.8=kf 18.02665=3.5(N.cm)2)附加摩擦力矩 M。= (1-。 )(N.cm) 0iFyjL22Fyj=1/3Fm=1/3 3433.6=1144.5N L。=6 mM。=195.02864=115 N.cm(2)转动惯量的折算1)滚珠丝杠的转动惯量Js=0.78D L 10 43D=4cm L=26cmJs=0.78D L
27、 1018=0.78(4) 26 1043=5.19 N.cm 22)工作台转动惯量JG= M （4-8） 2(）。LL。=0.6cm M=60kgJG= M 2(）。= 6014.3）（ =0.54( kg.cm )2(3)多脉冲减速装置的转动惯量折算Z=30 d=mz=1.5 30=45mm J=0.78 D L 10 =0.78 4.5 1.8 10 =0.58kg.cm2Z=40 d=mz=1.5 40=60mm J=0.78 D L 10 =0.78 6 1.8 10 =1.82kg.cmZ=45 d=mz=1.5 45=67.5mm J=0.78 D L 10 =0.78 6.75
28、 1.8 10 =2.92kg.cm2Z=50 d=mz=1.5 50=75mm J=0.78 D L 10 =0.78 7.5 1.8 10 =4.44kg.cmZ=60 d=mz=1.5 60=90mm J=0.78 D L 10 =0.78 9 1.8 10 =9.2kg.cm2又由于 J 输入=0.106 kg.cm 2J 输出=0.396 kg.cmJD=15.8 kg.cm则 J =Js+JG+JJ=58 kg.cm 2Mka= J 10ptbV360max2vmax=0.78 1600=1248mm/mint=1.5sp=0.005b=0.3Mka=505.10.36248.2=
29、7.257N.cmMkq=Mka+Mkf+M019=7.527+3.5+115=125.7N.cm又 MkqMjmax步进电机为五相十拍 =0.95 Mjmax=16N.mMkq=1.257N.m0.95 16=15.2N.m所以此步进电机符合条件(4)上升时间校核t= (fn-f0)(3.57TlcpJrJr=1.58 10 kg.m32Jl=5.8 10 kg.m=0.3 Tcp=16N.m Tl=1.257N.m f0=2500Hz fn=35000Hzt= (35000-2500)257.16(3.573.0801(=0.086s1.5s合乎要求设计小结刚刚接受到这个题目的时候，感觉很
30、难，不知从何下手，后来在老师的指导下查阅大量的相关资料书籍，才有了一些眉目，搞清楚了什么是脉冲当量，什么是滚珠丝杠等等，还有我们为什么要改造那些这些机构。经过几个星期资料搜集，包括车床的说明书等等，设计并进入了正式的轨道。通过这次毕业设计，了解了自己以前的基础知识掌握得不牢固，所知道的专业相关知识也还是太少了，在这次设计中确实是遇到了很多的问题，但在这过程中，我们又学会了很多东西，在以前的小设计中，有些能马马虎虎过去的问题，就糊里糊涂过去了，可这次是一切正规化，不能有半点含糊，因此压力又大了很多，但是只要有一个明确的目标，乐在其中，特别是把以前学过的知识又温习了一下，而且把很多门课程都串联在一起，形成一个大的框架，这样确实是有一种豁然开朗、焕然一新的感觉。20参考文献：1倪森寿.机电一体化工程专业课程实践教程M.合肥：合肥工业大学出版社.20072吴振彪主编.机电综合设计.中国人民大学出版社.20003明兴祖主编.数控加工技术.化学工业出版社.20014尹志强.机电一体化系统课程设计指导书M.北京：机械工业出版社.20075张建民.机电一体化系统设计M.北京：高等教育出版社.20016杨有君主编.数字控制技术与数控机床.机械工业出版社.1999
