CA6140車床改造設計TOC\o"1-3"\h\u270881緒論 1307271.1課題研究背景與意義 1222181.2數控機床的發展及國內外研究現狀 119121.2.1數控技術及其發展 148581.2.2機床數控化改造的國內外研究現狀 2190691.3CA6140車床數控化改造經濟性評價 3158171.4課題研究的主要內容 4242182數控化改造設計的方法論證 4295662.1數控改造的性能要求 4226522.2數控改造的方法選擇 5249422.2.1改造方法的設定 5302122.2.2改造方法的比較與選擇 8257102.3本章小結 995653機械部分的改造 9194553.1對車床進行精度恢復 9127933.1.1導軌的修磨 9286353.1.2主軸箱和拖板箱的改造 10118983.2主傳動系統的改造 10293713.2.1主傳動系統改造 10109543.2.2主軸箱改造 1193703.3縱向（Z向）進給系統的改造設計 13327423.3.1Z向進給系統的組成 13183663.3.2切削力的計算 1418443.3.3Z向滾珠絲杠計算與選型 16223433.3.4伺服電機選型與計算 193473.4橫向(X向)進給系統的改造設計 2289963.4.1X向進給系統的組成 22207183.4.2切削力計算 22298353.4.3X向滾珠絲杠的計算與選型 2339553.4.4橫向交流伺服電機的選擇計算 26182893.5刀架與導軌的改造設計 28305953.5.1刀架的性能要求 28185873.5.2LD4-CA6140刀架 29135953.6安全保護 3013293.7本章小結 3030046結論 316469參考文獻 331緒論1.1課題研究背景與意義經濟水平提升和工業化的推進，促進了我國科技水平的大幅提升。在數字化控制方面，技術也日益成熟，擁有了更為廣闊的市場，為很多企業帶來了非常高的的經濟收益，數控加工能夠縮短零件加工周期，降低勞動者的勞動強度，在降低生產成本的同事還能保證零件的加工精度處于高水平[1]。中國的機床生產量和擁有量都居于世界前列，但是大部分的機床已超過使用年限，陳舊老化，難以滿足市場需要。然而，若想在短時期內大量地實現現有設備的更新，無論是從資金消耗還是從國內機床制造廠的生產能力而言，都很難完成[2]。為了解決這一難題，需要社會各界的幫助。實現車床控制數字化，可以加工出傳統機床難以加工出的復雜零件外形，并且能夠提高加工的自動化程度以及柔性，從而提高零件的加工效率，降低了工人的勞動力強度。機床數控化改造在發達國家正處于黃金發展期。由于計算機技術的不斷發展，對機床的數控化程度也在不斷進步，機床的數控化改造將會是一個經久不衰的課題[3]。1.2數控機床的發展及國內外研究現狀1.2.1數控技術及其發展數控技術(NCNumericalControl)是指用數控信號構成的控制程序對某一對象進行控制的一門技術[4]。數控機床是現代數控設備的典型代表，它具有加工精度高、自動化程度高以及柔性高等優點，數控機床的使用，使得零件的加工質量趨于穩定，便于生產管理實現現代化。數控技術的廣泛應用是大勢所趨。第一臺電子計算機誕生于1946年，具有劃時代的意義，這拉開了解放人類勞動的帷幕。隨即在六年后，第一臺數控機床也應勢而生。由此揭開了傳統機床新的篇章。從1970年開始，通用小型計算機的出現與逐步批量生產，使得將其移植過來作為數控系統的控制核心成為了可能[5]，1974年微處理器被應用到數控系統中，從此便步入了計算機數控時代。1.2.2機床數控化改造的國內外研究現狀我國對數控機床的研制始于1958年，當時的主要工作為學習國外數控機床的技術，由于電子元件質量以及制造工藝水平相對較差，致使國產數控機床的工作穩定性、可靠性不高，因而在當時未能得到有效地推廣[6]。80年代，隨著科技水平和制造工藝的提升，我國重新展開了數控機床的研制與生產工作，此后，本土數控設備逐漸發展成批量生產，先后成立了多家工廠，如北京機床研究所，以及多家數控系統制造商，如武漢華中數控有限公司。大型和經濟型是國產數控系統未來的發展趨勢，以此來適應我國當前國情[8]。隨著電子技術的發展，機械工程行業進入數字化制造時代，數控機床就是這一時代的顯著標志[9]。特別是在2011年到2015年期間，國內的制造業突飛猛進，吸引了越來越多的外商投資，對機床的需求依舊十分旺盛。然而，我國目前擁有的機床很多都是普通機床，而且大多數服役年齡較長，其中數控機床總數只有11.34萬臺，機床數字化控制率極地。近10年來，我國數控機床年產量在7000臺左右，數控車床是主要的生產產品，數控率超過了百分之五。改革開放以來，許多企業從國外引進先進技術，對設備和生產線進行改造[10]。但是，也有一些改造項目，由于部分設備、制造工藝和對技術的消化吸收能力差，并且維護不當，致使設備無法正常運行，生產線斷鏈，給公司造成巨大損失。國外的機床改造行業起步早，經驗多，特別是在工業方面非常發達的國家，已形成了一套完整的生產體系，行業建設已初具規模。在這一個方面，國內還處于起步階段，有些企業敢于嘗試，取得了不小的成就，但是也有部分企業由于經驗不足，經營失敗。比如我國的常柴有限公司改裝仿形鏡床時，只花費了不到五十萬的成本，節約了五倍的投資。后續數據統計顯示，新增產值接近四千萬人民幣，經濟效益大幅提升。再舉一個失敗的例子，航空航天部國營507廠曾在牡丹江工廠改裝一臺常規C620-1車床，由于受制于當時的理論限制和系統穩定性，最終導致了改造的失敗[11]。盡管近年來我國數控機床在產品數量、技術水平、生產數量和質量以及多項關鍵技術方面取得了明顯進步，但仍低于世界先進水平[12]。在日本、德國、美國、英國等國家，數控機床的年產量非常高，達到了世界總產量的47%，一些發達國家的機床廠甚至只生產數控機床，普通機床逐步轉移到第三世界的國家生產[13]，發達國家的數控機床占有率比我國還要高出很多。在國外一些發達國家，將機床改造業作為新的經濟增長行業，已形成了機床與生產線聯合數控化改造的新興行業。世界著名的行業先鋒有美國的Bertsche工程公司、Ayton機床公司等[14]。日本的大限工程集團、崗三機械公司等[15]。作為以精密的制造業而出名的德國，可以將改造后普通車床的質量與性能做得和新車床相差無二也不足為奇了，而且，即使是二手車，服務并沒有降級[16]，在德國具有代表性機床改造公司——Schiiess公司曾于1981年將一臺最大加工直徑為19m的超重型立式車床改造成了數控機床，這臺機床的整體改造費用僅為相同規格新機床價格的29%[17]。可見，對現有普通機床的數控化改造無論在降低設備更新成本還是在舊機床資源合理利用等方面都具有十分明顯的優勢，從當前完成改造的機床設備運行情形來看，改造后的機床完全能夠滿足現代生產加工的需求。1.3CA6140車床數控化改造經濟性評價經過市場調研，每臺CA6140數控車床市場價格大約為8.6萬元，而使用了五十年左右的舊CA6140普通車床均價為5000元，而改造成本卻是售價的4倍，由此可得，使用數控技術可以提升一半的生產率[18]，依照當前的數控化改造技術，改造后車床壽命可達到五年及以上。常規的數控改造是指應用數控技術和改裝經驗，在保留基本框架的基礎上，使其達到先進的數控化水平。數控車床要求加工靈活，靈活性強，能經常適應產品規格。加工質量較穩定，生產效率高，工人勞動強度較低等優點，在制造業中發揮著舉足輕重的作用[19]。對制造業而言，機床數控化的改造是設備更新的一種方法，與其相似的設備改裝方法還有其他選擇，例如可以繼續對舊機床進行利用，對舊機床進行修整，以及購買全新的機床等。那么哪種方法更好呢？這要對使用設備進行經濟評價，主要任務就是在上述各種方法中選取投資成本最低，并且可以獲得最佳經濟收益的方法。1.4課題研究的主要內容數控加工的應用越來越廣泛，先進制造技術發展也越來越成熟，數控加工在我國已進入普及時期。車床的數控改造，是指在原有車床上配備所要求的數控加工系統，并針對數控加工系統，對車床的某些結構，如機械部分、控制部分等結構域做出一定的改造，使改裝后的車床具備數控加工能力[20]。本次畢業設計主要是對普通車床CA6140進行研究，并完成對其的數控化改造，使CA6140車床具備數控加工的能力，能夠繼續適應現代生產加工的需求，如此一來，不僅降低了資本的投入也提高了產品的生產效率。本次改造設計主要研究的內容包含以下幾個方面：（1）根據的車床的數控化改造的基本要求，綜合地去考慮機床性能和應有的經濟性價值，對具備可行性的改造方法進行綜合評估，從而選擇出最優的經濟收益和最低的投入費用的方法，從而對車床進行最有效的數控化改造。（2）對車床的機械部分進行改造，主要研究內容如下：1）對車床的主傳動系統進行精度的恢復。對存在老化缺陷的零部件進行修復或者更換，以保證車床的數控化改造能夠順利地進行；2）對車床的進給系統進行設計和改造。經過設計校核計算，對滾珠絲杠、軸承、聯軸器以及電機的型號進行選型，并根據原有車床選擇相應的支承方式以及連接方式，以保證改造后車床的承載能力和加工精度；3）對床頭箱、刀架、導軌等關鍵部分進行改造。為了適應數控化改造的要求，對床頭箱結構進行相應的調整，選擇合適的自動回轉刀架，并對導軌進行修磨，以提高定位精度。2數控化改造設計的方法論證2.1數控改造的性能要求完成對普通臥式車床CA6140的數控化的改造，自動化是最基本的要求，比如自動換刀，自動潤滑等。假設現有的加工項目在改裝后能夠完成，其尺寸加工誤差應≤50μm，機床加工質量，生產效率以及加工安全性可以達到甚至超過同一水平。2.2數控改造的方法選擇2.2.1改造方法的設定經過對擁有大量普通舊車床生產企業所進行的市場調查，大致確定了車床數控化改造所涉及的基本方面，主要包括整體方法所牽連的各種技術，零件的生產和使用性能的評估，以及需要遵守的相關技術規定，數控系統和各種零部件的型號選擇，以估算進行各部分改造所需投入的費用，從而整個項目所需要的成本，初步擬定以下兩種方法：方法一：（1）機床的主要配置。車床是主要用車刀對旋轉的工件進行車削加工的機床，在車床上還可用鉆頭、擴孔鉆、鉸刀、絲錐、板牙和滾花工具等進行相應的加工。車床技術的應用不但給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的象征，而且隨著技術的不斷發展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(IT、汽車、輕工、醫療等)的發展起著越來越重要的作用。車床通常由以下幾部分主要部件組成:主軸箱、交換齒輪箱、進給箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、絲杠、床身、床腳和冷卻裝置。（2）數控改造的重點拆除舊車床上的軸箱、進給箱、輪架、原工具箱和標準車削滑塊，為了節約成本，可以將損壞程度較低的的導軌存放起來再利用。原本的車床尾座結構也可以保存下來。還可以基于需求量，結合制造條件，設計所需的轉速調節裝置。對車床的進給軸進行改造，采用半閉環伺服控制[22]。位置檢測元件決定安裝在伺服電機末端，工作臺的位移量主要通過檢測電機和絲杠的旋轉角度而間接檢測，由于半閉環控制環路內只包括較少的機械環節，因此可以使機床獲得更為穩定的控制性能。另外，由于工作溫度的變化、機械原點的漂移以及滾珠絲杠的熱變形等也是引起加工誤差的主要因素，設計改造時都需要加以注意。（3）數控改造的難點由于車床對于主軸箱等部分要求較高，其相關的設計改造具有較高的難度，技術實力較低的企業難以完成；X向、Z向的絲杠兩端支撐以及聯接件需要鑄造之后再加工，進給系統對于改造之后的加工精度影響非常大，所以需要進行全面的設計、改造，并選擇合適的型號，力求在有限的費用和技術條件范圍內，能夠達到較為理想的效果；另外，導軌與溜板之間的間隙調整技術也有較高的要求。（4）改造費用核算。在對車床的數控化改造中，改造費用的核算是一個重要的評估標準[23]。因為現實生產當中，數控化改造的過程，需要綜合每一個方面的影響因素。廠家追求利益最大化的目的，一般都會把費用核算放在第一位。因此，合理的控制投入的總費用，得到較好的性價比，應該是車床數控化改造的直接目的。當然，如果數控化方法選擇不當，即使是高質量的車床，也容易陷入成本危機，過高的成本會影響企業的短期利潤。對于中小企業來說，更不利于其在市場競爭中站穩跟腳。因此，改造費用的核算非常有必要，方法一的改造費用核算結果如表2-1所示。表2-1方法一費用列表編號改造部分名稱數量成本(元)備注1數控系統114000訂購2主軸變頻器18200訂購3主軸電機(伺服電機)23400訂購4滾珠絲杠22400訂購5刀架12700訂購6編碼器1600訂購7主軸與主軸箱18100外協加工8配電柜1800外協加工9防護罩11700外協加工10非標準附屬零件1800外協加工11電器配件以及標準件1200訂購12導軌磨削330013其它費用280014合計50900方法二：（1）機床的主要配置采用GSK928-TE的數控系統，其中主軸箱的傳動方式按照原來CA6140的傳動方式保持不變，即保留原有車床的有級變速；Z向、X向也采用伺服電機對工作臺進行驅動，選用滾珠絲杠作為進給結構；采用聯軸器連接的方式，降低絲杠工作臺在系統中所占的比重，提高進給系統的快速性，并可利用伺服電機高速底轉矩的特性，在開環系統中還起到機械和電器的匹配作用；把原有刀架改為電動刀架，使得改裝完畢后，機床能實現自動換刀；選用DEEGS主軸編碼器檢測車床主軸的轉速；床身安裝半防護罩，操作安全，外形比較美觀。（2）數控改造的重點拆掉原來CA6140車床上的掛輪架、刀架、進給箱以及溜板箱，保留主軸箱的傳動系統，對主軸箱進行修整，對導軌進行修磨，對車床零部件進行修整或更換；方法二的進給軸采用開環伺服系統，開環伺服系統由于沒有位置測量反饋裝置，信號流是單向的，因此系統穩定性好，但其精度則由伺服驅動系統和機械傳動機構的性能和精度所決定。Z向絲杠由電機支撐座和軸承座支撐，X向絲杠僅由電機支撐箱支撐，電機支撐座和軸承座要重新設計改造，同樣的，絲杠屜也需要重新設計改造，對于車床防護罩、電氣柜等部分，需要在考慮工作安全與車床性能的前提下，重新進行改造，最后再把各部件裝配起來進行調試。（3）數控改造的難點X向、Z向的絲杠兩端支撐以及聯接件需要鑄造之后再加工，進給系統對于改造之后的加工精度影響非常大，所以需要進行全面的設計、改造，并選擇合適的型號，力求在有限的費用和技術條件范圍內，能夠達到較為理想的效果；另外，導軌與溜板之間的間隙調整技術也有較高的要求。（4）改造費用核算。方法二的改造費用核算結果如表2-2所示。表2-2方法二費用列表編號改造部分名稱數量費用(元)備注1數控系統19000訂購2主軸電機(伺服電機)23600訂購3滾珠絲杠23100訂購4刀架12100訂購5編碼器(主軸編碼器)1800訂購6配電柜1600外協加工7防護罩1800外協加工8非標準附屬零件1200外協加工9電器配件以及標準件600外協加工10導軌修磨320011其它費用50012總計245002.2.2改造方法的比較與選擇（1）方法比較對兩種方法進行比較，將其項目的對比綜合與表2-3中：表2-3兩個候選方法的對比編號改造內容方法一方法二1變速方式無級變速有級變速2X向、Z向主軸電機伺服電機伺服電機3操作難易度容易較為容易4車床防護整機半防護床身半防護5執行難易程度困難相對簡單6改造消耗時長較長較短7投入費用預算50900元24500元通過表2-3的比較，我們可以看出，相對比方法一而言，方法二改造周期短，執行難度低，并且投入成本也較低，而且由于CA6140車床屬于中小型車床，控制系統宜采用半閉環控制，因此，為了提高車床精度以及更加節約成本，方法二更加適合改造要求。2.3本章小結本章在認真分析了CA6140車床數控化改造基本要求的基礎上，提出了兩種較為全面的并且具有可行性的數控化改造方案，并且針對這兩種改造方案，從驅動方式、操作難易程度、改造周期時長以及投入的改造費用等各個方面進行了詳盡的比較。最后，綜合考慮成本和改造后的車床加工精度，選取方法二作為本文對CA6140普通車床進行數控化改造的方法指南，為下一步進行CA6140車床的數控化改造奠定了方法基礎。3機械部分的改造3.1對車床進行精度恢復使用年限過長，車床難免會出現一些問題，不適應新的加工要求。根據磨損程度更換主軸的齒輪和軸承。根據當前國內外成品數控車床的導軌采用淬硬的合金鋼材料更換導軌，其耐磨性能夠比普通鑄鐵導軌高5至10倍[24]。3.1.1導軌的修磨在CA6140標準車床的數控化改造過程中，由于車床本身已被多次反復使用，有些零件可能會脫落或松動，導軌與托板之間出現較大的偏差的情況是比較常見的。導軌表面受到損害后會變得凹凸不平，形成爬行現象[24]。而爬行現象會導致車床在移動過程中滑動，對定位精準度造成影響，從而降低了車床的加工精度。所以有必要在改造前修整原有的導軌，并調整壓板鑲條。經過導軌修磨之后，需要使車床導軌水平面內的導軌直線度至少能達到0.03mm/1000mm，垂直面內的直線至少能達到0.04mm/1000mm，平行度達到0.03mm，如此才能滿足改造要求，CA6140車床導軌如圖2-1所示。圖2-12車床導軌示意圖3.1.2主軸箱和拖板箱的改造由于數控機床的需要，在這里我們拆掉原有的拖板箱，并在此位置上安裝新的拖板箱。在主軸箱的第二軸上安裝17位位置編碼器，將原來CA6140車床上的主軸正反離合器手動剎車裝置拆除，并在主軸伺服電機上安裝自動的剎車離合器裝置，利用電器系統控制電機的正反轉。另外，還需要將原來車床上的操縱桿，變向杠、立軸等杠桿等零件拆除。3.2主傳動系統的改造3.2.1主傳動系統改造在對普通車床CA6140的數控化改造中，按照方法二的要求，應該保留原有車床比較成熟的主傳動系統，但是，在車床改造前，應該首先對主軸的徑向跳動量、軸向竄動量以及噪音分貝進行測量，并驗證其換擋是否靈活；一般而言，與新車床相比，數字控制的舊操作系統相較于新的操作系統，精度下降在所難免。這種情況下，修理主操作系統的必要性就顯現出來了。并且要調整幾個關鍵的部件，如果修整難度較大，可以放棄修整，直接更換一個新的部件。除此之外，增加主軸脈沖編碼器和齒輪附件。3.2.2主軸箱改造根據方法二，保留主體部分，如圖2-1所示，改造過程如下所示：（1）如圖2-1所示，更換箱內III軸和VI軸上的圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承，型號分別為32907和NU2215E，更換原有軸承，使得車床的噪聲平均水平低于70分貝，提高了車床的加工性能。并能夠提高主軸的徑向跳動量和軸向竄動量，從而滿足數控車床的加工技術指標；（2）更換箱蓋上的老化密封圈，避免舊車床在運轉時出現向外泄油的情況。而且，降低泄油，還能辦證主軸轉動時，使主軸箱內的齒輪以及軸承等零部件得到更為充分的潤滑；圖2-1CA6140主軸箱裝配圖（3）更換撥叉和內部拉桿上的元寶銷，從而使改造后的車床選檔更加方便靈活；（4）安裝主軸編碼器，使得主軸的實際轉速能夠實時測量，及時反饋，安裝位置如圖2-2所示。1—編碼器2—編碼器支架3—附加齒輪4—軸承套5—箱體6—X軸7—齒輪8—軸承圖2-2編碼器安裝位置圖3.3縱向（Z向）進給系統的改造設計數控車床的主要組成部分就是進給傳動系統，它能夠將主軸電機的旋轉運動轉化為刀架的直線進給，按照方法二的要求，本次改造采用滾珠絲杠作為傳動機構，從而可以有效地提高進給系統的靈敏度與定位精度，而且可以有效的防止爬行[26]。改造后的車床的進給系統精度、靈敏度和穩定性，將會直接影響到零件加工的精度，因此，進給傳動系統必須滿足以下要求。（1）能夠提高機床的傳動精度以及剛度，能夠有效消除傳動間隙。（2）能夠減小傳動的摩擦阻力。（3）能夠有效降低運動部件轉動慣量。（4）能夠對系統添加適度阻尼，從而減輕振動影響。3.3.1Z向進給系統的組成機床傳動主要由以下五部分組成：主傳動和X、Y、Z、W軸的四向進給運動。主傳動系統位于主軸箱后上部的空腔內，通過花鍵軸與方滑枕內的主齒輪聯接。主傳動由交流伺服主軸電機驅動，首先通過聯軸器將動力傳到Ⅰ軸的齒輪軸上，然后通過齒輪嚙合，再傳到Ⅱ或Ⅲ軸的滑移齒輪上，通過滑移齒輪移動到左端、中間（三檔結構）和右端，來實現Ⅰ檔、Ⅱ檔和Ⅲ檔（三檔結構）的從低到高的速度檔位轉換，最后再通過齒輪嚙合將動力傳到Ⅶ軸（銑軸）的主齒輪上，從而驅動銑軸和鏜軸一起回轉，其中Ⅴ軸中的花鍵軸固定在滑枕的上端，并隨滑枕左右移動，同時還在Ⅴ軸右端的花鍵齒輪內左右滑移。這樣主傳動系統經電氣無級調速，在檔位內可實現主軸無級變速。其機械換擋由油缸帶動撥叉推動滑移齒輪來實現，并由檢測開關檢測滑移齒輪的位置，來反饋主傳動的檔位狀態。如圖2-3所示。圖2-3進給系統示意圖3.3.2切削力的計算(1)——主軸切削功率(2-1)式中：——切削功率(KW)；一一切削力(N)；一一速度(m/s)。(2)——主軸電機功率(2-2)式中：——電機的傳動效率，通常取＝0.75~0.85；(3)——主切削力(2-3)(4)——進給力(2-5)(5)——背向力(2-6)式中：——背吃刀量(mm)；一一切削進給量(mm/r)；一一速度(m/min)。圖2-4切削力示意圖本次車床數控化改造用Q235鋼作為實驗材料，車床刀具選用材料為YT15的焊接式硬質合金車刀進行切削試驗，由常識可知，粗車比精車時車刀所受的各種切削力要大。因此，在改造過程中的其它部件都依據粗車時的切削參數進行設計計算。選定進給量f=0.35~0.65mm/r，背吃刀量=3.5mm，切削速度＝6075m/min。通過查閱《機械工程手冊》可得：＝2650，=1，=0.75，=0.15，=1，=2880，=1，=0.5，=0.4，=1。取切削直徑d=300mm，切削速度=75m/min，計算出主軸轉速n為：(2-7)對比CA6140車床主軸轉速表，在本次改造設計中，實際轉速n定為83r/min。(1)——主切削力(2-8)(2)——進給力(2-9)(2)——背向力(2-10)(4)——切削功率(2-11)(5)——主軸電機功率(＝0.75)(2-12)3.3.3Z向滾珠絲杠計算與選型（1）參數計算1）Q——Z向滾珠絲杠軸向力(2-13)式中：K一一力矩影響系數，K=1.11~1.16；——當量摩擦系數，=0.14~0.19。(2-14)2）——主軸壽命系數(2-15)式中：——滾動螺旋副的壽命，=15000h。3）——主軸轉速系數(2-16)4）——基本額定載荷(2-17)式中：——硬度系數；——載荷系數；——短行程系數。（2）滾珠絲杠的選型改造后車床滾珠絲杠的基本額定載荷要求為，通過查閱《機械傳動設計手冊》可得，選用的滾珠絲杠型號應為FD4006-3-P4950/880，即浮動式雙螺母預緊內循環式滾珠絲杠，其公稱直徑=40mm，公稱導程=6mm，精度等級為4級，負荷鋼球圈數為3圈，額定動載荷約為15.1KN。詳細參數見表2-4所示。表2-4縱向滾珠絲杠參數表公稱直徑基本導程鋼球直徑絲杠外徑d螺紋底徑動載荷靜載荷剛度(N/mm)4063.96939.535.915.143.81017螺母安裝連接尺寸DBhMAC7111090159159M637421141）——螺旋角(2-18)2）——滾道半徑(2-19)3）e——偏心距(2-20)（3）強度校核在進行切削加工時，滾珠絲杠主要承受的力為軸向力Q和轉矩T，但是作用在滾珠絲杠上的彎矩反而較小。根據第三強度理論：(2-21)而，由于，即滾珠絲杠滿足改造設計的強度要求。（4）剛度校核1）——滾珠絲杠受到軸向力Q后，引起導程的變形量(2-22)式中：A——絲杠的橫截面積()。=6mm，E=200GPa滾珠絲杠橫截面積：(2-23)則，。2）——滾珠絲杠受到轉矩T后，引起導程的變形量(2-24)式中：一一極慣性矩()；G一一切變模量(GPa)；T一一轉矩()；(2-25)式中：一一絲杠的當量摩擦角(°)；，即(2-26)3）——滾珠與軌道產生的軸向變形(2-27)式中：一一載荷分布不均與系數，取=1.2~1.3；一一螺母預緊力，通常取。4）——滾珠絲杠導程的總變形量(2-28)5）——縱向滾珠絲杠剛度(2-29)綜上可以看出，滾珠絲杠的剛度滿足改造設計要求。（5）穩定性校核按照方法二的要求，滾珠絲杠通過聯軸器與主軸電機相連，其總長度為l525mm，采用一端固定，另一端鉸支的結構。1）——滾珠絲杠柔度(2-30)2）——臨界載荷(2-31)由于，可見，滾珠絲杠穩定性滿足數控化改造設計的要求。綜上，可以看出本次設計所選用的FD4006-3-P4950/880滾珠絲杠的各項指標均滿足設計要求，型號選擇較為合理。3.3.4伺服電機選型與計算交流伺服電機比直流伺服電機具有更加優越的特性，在現代生產使用中，得到越來越多的應用。在機床數控化改造中選擇主軸電機需要注意以下幾個要求，以便交流伺服電機能夠充分發揮其工作性能。（1）伺服電機型號的確定1）電機軸上的等效轉動慣量在進行計算時，應該選取最不利于車床啟動時的速度，這里選用快速定位速度。，，則，絲杠的轉動慣量為：(2-32)電機轉子的轉動慣量取為，則等效到電機軸上的轉動慣量為：(2-33)2）絲杠的摩擦阻力矩因為絲杠需要承受軸向載荷，而且在改造設計過程中采用了一定的預緊措施，因而滾珠絲杠也會產生一定的摩擦阻力矩，但是滾珠絲杠的效率很高，其摩擦阻力矩相對于負載力矩要小的多，因此，在本次改造設計中不予考慮。3）——等效負載轉矩(2-34)4）T——機床啟動慣性阻力矩在進行計算時，應該選取最不利于車床啟動時的速度，這里選用快速定位速度，并取機床制動時間=0.3s，電機轉速，取加速度曲線為等加(減)速曲線，故角加速度為：(2-35)(2-36)(2-37)(2-37)5）輸出軸上的總負載轉矩(2-38)由于上述計算均沒有考慮道機械系統的傳動效率，并且在車床進行加工時，由于材料的不均勻性等的影響，有時還會引起負載轉矩突然增大的情況，為了避免這些情況，在本次設計改造中選用了一個適當的安全系數，安全系數一般在1.2到2之間選取，本次將安全系數取為K=1.5，而機械傳動總效率取為。(2-39)經過計算，Z向主軸電機選擇三菱公司生產的HC-UFS系列交流伺服電機152(BG)型號(與之相配的伺服放大器型號MR-J2S-40A/B)其額定轉矩為1.3，剛好大于，所以滿足改造設計的要求。（2）最高轉速校核為了運行安全以及電機的壽命，快速行程的電機轉速必須嚴格限制在電機的最高轉速之內。(2-40)式中：——電機最高轉速(r/min)，根據電機型號取；N——快速行程中電機轉速(r/min)；——工作臺快速行程速度(m/min)，這里取；i——系統傳動比,根據本次改造設計，取P——絲杠螺距(mm)，根據絲杠型號，選擇。由于，所以最高轉速滿足改造要求。（3）負載慣量校核轉換到電機軸上的負載慣量應該限制在2.5倍電機慣量之內，Z向HC-UFS系列交流伺服電機152(BG)型號的轉動慣量為，則等效到電機軸上的轉動慣量為：。由于，因此所選交流伺服電機的滿足設計要求。改造后車床Z向的最終裝配如圖2-5所示。3.4橫向(X向)進給系統的改造設計3.4.1X向進給系統的組成X向進給系統有電機支撐座、主軸電機、聯軸器、絲杠軸承、齒輪等零部件組成。絲杠通過螺母屜與橫向托板相連，經驅動器控制后，主軸電機帶動絲杠轉動，從而帶動橫向托板進行前后移動。X向和Z向進給機構的設計步驟與內容是基本相似的，因此，在這里不再贅述相同的公式。在本次改造設計中，設定橫向托板以及刀架的總重量為W=490N。3.4.2切削力計算在本次設計計算中，切削力計算所選擇工況為切斷或者切槽加工，根據《機械工程于冊》可以查得：＝3600，=0.72，=0.8，=0，=1390，=0.73，=0.67，=0，=1。圖2-5Z向裝配圖（1）一一切削力(2-41)（2）——進給力(2-42)（3）——背向力(2-43)3.4.3X向滾珠絲杠的計算與選型（1）參數計算1）Q——X向滾珠絲杠軸向力(2-44)在本次改造設計中，選取K=1.15，=0.18，則：(2-45)2）——基本額定載荷(2-46)（2）滾珠絲杠的選型改造后車床滾珠絲杠的基本額定載荷要求為，通過查閱《機械傳動設計手冊》可得，選用的滾珠絲杠型號為FW2004-3-P4410/330，即浮動式雙螺母預緊內循環式滾珠絲杠，其公稱直徑=20mm，公稱導程=4mm，負荷鋼球圈數為3圈，精度等級為4級，額定動載荷為7.3KN。詳細參數見表2-5所示。表2-5橫向滾珠絲杠參數表公稱直徑基本導程鋼球直徑絲杠外徑d螺紋底徑動載荷靜載荷剛度(N/mm)2042.3813619.37.315.4259螺母安裝連接尺寸DBhML6248115.8156M6381）——螺旋角(2-47)2）——滾道半徑(2-48)3）e——偏心距(2-49)（3）強度校核在進行切削加工時，滾珠絲杠主要承受的力為軸向力Q和轉矩T，但是作用在滾珠絲杠上的彎矩反而較小。根據第三強度理論：(2-50)而，由于，即滾珠絲杠滿足改造設計的強度要求。（4）剛度校核1）——滾珠絲杠受到軸向力Q后，會引起螺旋面的變形量(2-51)其中，=4mm，E=200GPa滾珠絲杠橫截面積：(2-52)則：(2-53)2）——滾珠絲杠受到轉矩T后，引起導程的變形量(2-54)式中：一一絲杠的極慣性矩()；G一一鋼的切變模量(GPa)；T一一轉矩()；(2-55)式中：一一當量摩擦角(°)；，即(2-56)3）——滾珠絲杠導程的總變形量(2-57)4）——Z向滾珠絲杠剛度(2-58)綜上可以看出，滾珠絲杠的剛度滿足改造設計要求。（5）穩定性校核按照方法二的要求，滾珠絲杠通過聯軸器與主軸電機相連，其總長度為600mm，采用一端固定，另一端浮動的結構。1）——滾珠絲杠柔度(2-59)2）——臨界載荷(2-60)由于，可見，滾珠絲杠穩定性滿足數控化改造設計的要求。綜上，可以看出本次設計所選用的FW2004-3-P4410/330滾珠絲杠的各項指標均滿足設計要求，型號選擇較為合理。3.4.4橫向交流伺服電機的選擇計算交流伺服電機比直流伺服電機具有更加優越的特性，在現代生產使用中，得到越來越多的應用。在機床數控化改造中選擇主軸電機需要注意以下幾個要求，以便交流伺服電機能夠充分發揮其工作性能。（1）伺服電機型號的確定1）電機軸上的等效轉動慣量在進行計算時，應該選取最不利于車床啟動時的速度，這里選用快速定位速度。，，則，絲杠的轉動慣量為：(2-61)電機轉子的轉動慣量取為，則等效到電機軸上的轉動慣量為：(2-62)2）絲杠的摩擦阻力矩因為絲杠需要承受軸向載荷，而且在改造設計過程中采用了一定的預緊措施，因而滾珠絲杠也會產生一定的摩擦阻力矩，但是滾珠絲杠的效率很高，其摩擦阻力矩相對于負載力矩要小的多，因此，在本次改造設計中不予考慮。3）——等效負載轉矩(2-63)4）T——機床啟動慣性阻力矩在進行計算時，應該選取最不利于車床啟動時的速度，這里選用快速定位速度，并取機床制動時間=0.3s，電機轉速，取加速度曲線為等加(減)速曲線，故角加速度為：(2-64)(2-65)(2-66)(2-67)5）輸出軸上的總負載轉矩(2-68)由于上述計算均沒有考慮道機械系統的傳動效率，并且在車床進行加工時，由于材料的不均勻性等的影響，有時還會引起負載轉矩突然增大的情況，為了避免這些情況，在本次設計改造中選用了一個適當的安全系數，安全系數一般在1.2到2之間選取，本次將安全系數取為K=1.5，而機械傳動總效率取為。(2-69)經過計算，Z向主軸電機選擇三菱公司生產的HC-KFS系列交流伺服電機43(BG)型號(與之相配的伺服放大器型號MR-J2S-40A/B)其額定轉矩為1.3，大于，所以滿足改造設計的要求。（2）最高轉速校核為了運行安全以及電機的壽命，快速行程的電機轉速必須嚴格限制在電機的最高轉速之內。(2-70)式中：——電機最高轉速(r/min)，根據電機型號取；N——快速行程中電機轉速(r/min)；——工作臺快速行程速度(m/min)，這里取；i——系統傳動比,根據本次改造設計，取P——絲杠螺距(mm)，根據絲杠型號，選擇。圖2-6X向裝配圖由于，所以最高轉速滿足改造要求。（3）負載慣量校核轉換到電機軸上的負載慣量應該限制在2.5倍電機慣量之內，Z向HC-UFS系列交流伺服電機152(BG)型號的轉動慣量為，則等效到電機軸上的轉動慣量為：。由于，因此所選交流伺服電機的滿足設計要求。橫向進給系統的最終裝配如圖2-6所示。3.5刀架與導軌的改造設計3.5.1刀架的性能要求刀架是車床不可或缺的一部分，而數控車床需要使用回轉刀架，用來緊固刀具和旋轉刀具[27]。基于數字化控制的相關改造標準。自動回轉刀架的性能和結構必須滿足以下要求：(1)轉位精度要準確，并且換刀過程需要平穩；(2)刀架轉位的路線應該盡量短，鎖緊時間要快；(3)結構需要盡量合理，強度應該足夠大；(4)其密封性要好，能夠防冷卻液、防加工碎屑等。3.5.2LD4-CA6140刀架根據原有CA6140車床的結構和數控車床刀架的基本要求，在本次改造設計中選用常州宏達數控車床有限公司生產的立式數控刀架，其型號系列選擇為：LD4-CA6140。該刀架的具體技術參數如表2-13所示。表2-13LD4-CA6140系列刀架技術參數表型號系列功率(W)電機轉速(r/min)夾緊力(N)重復定位精度(mm)壽命(次)換刀時間(S)90。180。270°LD4-CA06256014000.6<0.005>3000002.533.5LD4-CA61256014000.6<0.005>3000002.533.5LD4-CA61329014001.2<0.005>3000002.533.5LD4-CA61409014001.2<0.005>3000002.533.5LD4-CA61409014001.2<0.005>3000002.533.5LD4-CA6140刀架是經濟型數控車床上經常采用的一種刀架，四工位回轉，結構緊湊，外表美觀。該類型刀架主要能夠用于加工盤類、軸類等零件的內外表面以及圓弧、錐面、螺紋等的加工。LD4-CA6140保證較高回轉定位精度進行換刀，而且在切削時能夠保證較好的剛度，其運動主要是采用渦輪蝸桿傳動，上、下齒盤嚙合，螺桿夾緊等工作原理，該電動刀架的控制部分由發訊盤、磁鋼、信號線組成，發訊盤應用霍爾效應原理，主要由盤體、置于盤體內的線路板和固定在線路板上的霍爾元件組成。LD4-CA6140刀架的主要換刀過程為：當數控系統發出換刀信號時，控制刀庫轉動的刀具動作，繼電器帶動電動機轉動，從而帶動渦輪機構的轉動。渦輪轉動可以帶動自動刀架向上移動。當刀架移動到指定位置時，當到達該位置時，離合器轉盤將被壓轉，刀架隨之轉動。當設備支架旋轉成直角時，發射極板和霍爾元件的磁鋼將依次排列，發射極板將響應低或高電平將反饋信號與控制信號進行比較并進行比較，并作出反饋。比較結果作為數字控制系統識別和驗證的依據。如果兩個標記的比例相同，則表明系統中指定的刀架位置發生了偏移。通過使移動銷在轉盤上返回來旋轉框架電機以完成原始位置。同時，螺釘也將刀架向下推。當上、下齒盤鎖緊后，就完成了正確定位。在此期間，電機電源被切斷，電機停止轉動，完成換刀。3.6安全保護改造后的車床能夠高效運轉必須要以安全為前提。在數控化改造中要根據車床的實際情況積極采取措施，決不容忽視。要在縱向絲杠上加整體鐵板防護罩，滾珠絲杠是一種較為精密的傳動元件，因此，在工作過程中，要謹防灰塵特別是切屑進入滾道。拖板與滑動導軌的接觸兩端面也需要密封好，謹防硬質異物進入滑動面而導致導軌損傷。滾珠絲杠在使用過程中，還要防止螺母脫離絲杠表面，這會造成滾珠絲杠無法正常工作，嚴重時會甚至會引起事故，因此在車床上必須安裝防止螺母脫出的超程保護裝置，為了保障車床的運行安全，在車床的X向和Z向運動分別設置軟限位和硬限位，軟限位由所選擇的數控系統參數進行設定限位，而硬限位則是在X向和Z向分別裝一對行程開關。3.7本章小結本章根據第二章中所選擇出來的方法二的改造要求，基于原來CA6140車床的主軸傳動系統，加裝了脈沖編碼器和主軸制動器；對一些老舊的零件進行更換和系統重裝；為了進行精度恢復還對導軌進行了修磨，提高了原來機床的傳動精度，從而完成機械的自動化改造，達到普通車床的數字化控制改造。結論本次畢業設計主要是對普通車床CA6140進行研究，并完成對其的數控化改造，使CA6140車床具備數控加工的能力，能夠繼續適應現代生產加工的需求，如此一來，不僅降低了資本的投入也提高了產品的生產效率。本次改造設計完成的主要包含以下幾個方面：（1）根據的車床的數控化改造的基本要求，綜合考慮機床性能和價值，對具備可行性的改造方法進行綜合