摘要普通机床的经济型数控改造主要是在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通车床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括：(1) 床身的改造，为使改造后的机床有较好的精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨。

(2) 拖板的改造，拖板是数控系统直接控制的对象，所以对其改造尤显重要。

这中间最突出一点就是选用滚珠丝杠代替滚动丝杠，提高了传动的灵敏性和降低功率步进电机力矩损失。

(3) 变速箱体的改造，由于采用数控系统控制，所以要对输入和输出轴以及减速齿轮进行设计，从而再对箱体进行改造。

(4) 刀架的改造，采用数控刀架，这样可以用数控系统直接控制，而且刀架体积小，重复定位精度高，安全可靠。

通过对机床的改造并根据要求选用步进电机作为驱动元件，这样改造后的机床就能基本满足现代化的加工要求。

关键字：普通车床数控改造步进电机经济型数控系统数控刀架一绪论我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。

由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。

如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。

如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。

机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。

因此，我们必须走数控改造之路。

普通车床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。

普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。

进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。

刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。

对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。

这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。

由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。

二总体方案设计2.1 总体方案设计要求本课题来源于生产实践。

将CA6140型普通车床改造成经济型数控车床，应能实现CA6140车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。

在整个设计过程中满足以下几点要求：X轴（横向）、Z轴（纵向）改为微机控制，采用步进电机或直流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动。

X轴（横向）脉冲当量：0.005mm/脉冲Z轴（纵向）脉冲当量：0.010mm/脉冲实现功能：车削外圆、端面、圆弧、圆锥及螺纹加工操作要求：起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止。

2.2 CA6140车床改造的总体方案由于是经济性数控改造,所以在考虑具体方案时,基本原则是在满足使用要求前提下,对机床改动尽可能少,以降低成本。

根据CA6140 车床有关资料以及数控机床的改造经验,确定总体方案为：采用以8031单片机为核心的数控装置控制加工过程。

微机通过I/O接口发出步进脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。

步进电机的转子带动滚珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。

为加工螺纹,在主轴上加装主轴脉冲编码器。

由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将I/O输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的损坏，所以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离。

其总体改造方案结构示意图见图2-1所示。

进给伺服系统总体方案框图如图2-2所示：图2-1 数控车床的总体改造方案结构示意图图2-2 进给伺服系统总体方案框图总体框架说明：微机：可采用8031单片机，可满足该系统的控制要求。

光电隔离：作用是能够隔离外部干扰信号对微机的信号冲击，提高系统的稳定性。

主轴脉冲编码器：作用是实现螺纹加工。

横（纵）向工作台：是由CA6140改造而来，拆除原来的丝杆，溜板箱，变速箱等。

步进电机及其驱动器要能够达到0.005mm的加工精度要求。

三车床进给伺服系统机械部分改造设计与计算3.1 车床进给伺服系统机械部分改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等。

改造的方案不是唯一的，以下是其中的一种方案：(1) 主传动系统保留原机床的主轴手动变速。

改造后使其主运动和进给运动分离，主电机的作用仅为带动主轴旋。

增加一只电磁离合器，用以接收数控系统的停机制动信号以控制原制动装置制动停车。

加工螺纹或丝杠时，为保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程，需拆除挂轮架系统，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲编码器，作为主轴位置信号的反馈元件。

脉冲编码器采用异轴安装，意在实现角位移信号传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使主轴脉冲编码器转动平稳，传递信号准确。

(2) 进给系统原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠和操作杠全部拆除，纵向进给系统以步进电机作为驱动元件，经一级齿轮减速转矩增大后，由滚珠丝杠传动。

滚珠丝杠仍利用原丝杠位置，其螺母副通过托架安装在床鞍底部，滚珠丝杠两端加装接套、接杆及支承。

与床身尾部步进电机相联接。

步进电机经减速后和滚珠丝杠用套筒联轴器连接。

横向进给系统中保留原手动构，将原横溜板的丝杠的螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。

3.2 横向进给系统改造设计3.2.1 横向进给系统的设计经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架横向运动。

步进电机安装在大拖板后端，用法兰盘将步进电机与车床大拖板连接起来，以保证同轴度，提高传动精度。

其结构示意图见图3-1所示。

图3-1 横向结构示意图3.2.2 横向进给系统的设计计算已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算） W=30kgf=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程L=4mm左旋行程 S=230mm脉冲当量pδ=0.005mm/step步距角α=0.75 °/step快速进给速度νmax=1mm/min（1）切削力计算查参考文献[1]可得知，横向进给量为纵向的1/2～1/3,取1/2,则切削力约为纵向的1/2，Fz=(1/2)³152.76=76.38kgf=763.8N （3-1）在切断工件时：Fz =0.5Fz=0.50³76.38=38.19kgf=381.9N （3-2）（2）滚珠丝杠设计计算对于燕尾型导轨：P=KFy+f ＇(Fz+W) （3-3） 取K=1.4 f ＇=0.2,则 P=1.4³38.19+0.2³（76.38+30）=74.74kgf=747.4N （3-4）寿命值 L i =61060Ti n i =610150001560⨯⨯=13.5 （3-5） 最大动负载Q=i L 3=35.13³1.2³1³74.74=213.55kgf=2135.5N （3-6）根据最大动负荷Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。

查参考文献[2]可知，选用型号为WL2004-2.5X1B 左，其额定动负荷为6100N ，所以强度足够用。

② 效率计算螺旋升角γ=3°39′，摩擦角ψ=10′ 则传动效率 η=)(ϕγγ+tg tg =)10383(383'+'︒'︒tg tg =0.956 （3-7）③ 刚度验算滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程的变化量 ΔL 1=EFPL 0±=267619.1106.2014.344.01074.74⨯⨯⨯⨯⨯⨯±=±5.96³10-6cm （3-8） 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量ΔL 2很小，可忽略，即：ΔL=ΔL 1。

所以，导程变形总误差为 Δ=o L 100ΔL=4.0100³5.96³10-6=14.9μm/m （3-9） 查表知E 级精度丝杠允许的螺距误差1m 长为15μm/m ，故刚度足够。

由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不用验算。

(3) 齿轮及转矩有关计算 a.有关齿轮计算 传动比 i=p o L δϕ360=67.135005.0360475.0==⨯⨯ （3-10） 故取Z 1=18 Z 2=30 m=2mm b=20mm α=20° d 1=36mm d 2=60mmd 1a =40mm d 2a =64mm a=48mm b.转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 J I =（πϕδp180）2W=（75.014.3005.0180⨯⨯）2³30³0.01=0.0439kgf ·cm 2（3-11）丝杠转动惯量J S =7.8³10-4³24³50=0.624kgf ·cm 2 （3-12）齿轮的转动惯量J 1z =7.8³10-4³3.64³2=0.262kgf ·cm 2 （3-13） J 2z =7.8³10-4³64³2=2.022kgf ·cm 2 （3-14） 电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量J=()()0439.0262.0022.2624.05312122+++⨯⎪⎭⎫⎝⎛=+++I Z Z S J J J J i =1.258kgf ·cm 2 （3-15） c ．所需转动力矩计算n max =oL imax υ=4351000⨯=41607r/min （3-16）M max a =2184.010025.06.97.416258.1106.944max =⨯⨯⨯=⨯--T i Jn N ·m=2.23kgf ·cm （3-17）min /17.33346014.3515.0100100010001r DL fi L f n n o o t =⨯⨯⨯⨯⨯⨯===πυ主 （3-18）N M at 0174.010025.06.917.33258.14=⨯⨯⨯=-m=0.1775kgf ·cm （3-19）i L F M oo f πη2==m N cm kgf i fWL ·028.0·287.058.014.3234.0302.02==⨯⨯⨯⨯⨯⨯=πη （3-20）()()m ·N 011.0cm ·kgf 116.09.0158.014.3634.019.381i 6L F M 22o o Y o ==-⨯⨯⨯⨯⨯=η-πη=(3-21)m N cm kgf i L F M o Y t ·179.0·824.158.014.3234.019.382==⨯⨯⨯⨯⨯==πη (3-22) 所以，快速空载启动所需转矩cmN cm kgf M M M M o f a ·33.26·633.2116.0287.023.2max ==++=++=(3-23)切削时所需力矩：cm·N 04.24cm ·kgf 404.2824.1116.0287.01774.0M M M M M t o f at ==+++=+++= (3-24)快速进给时所需力矩：cm N cm kgf M M M o f ·03.4·403.0116.0287.0==+=+= （3-25） 从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，max M =2.633kgf ·cm=26.33N ·cm3.2.3 步进电机的选择CA6140横向进给系统步进电机的确定 cm N M M Lo q ·285.654.010633.24.0=⨯==（3-26） 电动机选用三相六拍工作方式，可知：866.0=imqM M （3-27）所以，步进电机最大静转矩im M 为：cm N M M q im ·01.76866.0825.65866.0===（3-28） 步进电机最高工作频率 Hz f p 3.3333005.060100060max max =⨯==δυ （3-29） 为了便于设计和计算，选用110BF003型三相六拍步进电机，能满足使用要求。