CA6140机床的数控化改造一、市场研究与需求分析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比较低。

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。

机床数控改造的意义：1）节省资金。

机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。

一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。

即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。

2）性能稳定可靠。

因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。

3）提高生产效率。

机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。

对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。

且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。

二、CA6140车床数控系统总体设计方案数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。

数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。

机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。

一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。

1、设计任务对CA6140普通车床进行数控化改造的车床能进行生产加工，其加工质量和精度(误差万≤o．03ram)达到或超过改造前车床出厂时的水平，接近同档次数控车床的水平，数控改造的车床其生产效率、安全性超过改造前普通车床出厂时的水平。

2.2总体方案确定2.2.1系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控铣床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对于工件沿加工路径运动，所以不能选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中不进行切削。

因此，应选用连续控制系统。

1.确定伺服系统1）小型机床都采用步进电机驱动系统。

这种系统价格低，结构简单，安装调试和维修都非常方便，但控制精度和速度较低。

2）大、中型机床则都采用可控硅直流伺服系统和PWM直流伺服系统。

这两种系统控制精度高、调速范围宽、快速性好，容易实现半闭环控制，但价格较高，维修较困难。

2.数控系统数控系统的控制方式有三种：开环、闭环和半闭环方式。

选择哪种控制方式，需根据具情况确定。

1）一般小型机床的数控化改造多半采用开环控制方式。

数控系统多数为以单板机为主控制单元的简易数控系统。

因该类机床本身价格低廉，而该控制方式投资少，安装调试方便，但控制精度和速度较低。

2）大、小型机床的数控化改造多半采用半闭环控制方式。

数控系统有北京数控设备厂研究生产得BS03经济型数控系统，如FANUC System3、DYNAPATH System10等中档数控系统。

该控制方式虽然改造费用较大但该类机床本身价格较贵，特别是大型、重型机床，价格更昂贵，且该控制方式多以直流伺服电机为驱动元件，控制精度和速度比开环控制方式高，安装调试也比较方便。

3）闭环控制由于需直接测出移动部件的实际位置，因此要在机床的相应部位安装直线测量元件，工作量大，费时多而且闭环控制的调试相当麻烦，它的稳定性与机械部分的各种非线性因素有很大关系。

在机床数控化改造中一般不采用这种控制方式。

CA6140型车床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机控制系统，因闭环控制系统适用于精度要求较高的机床设计，且闭环控制系统的造价昂贵。

2.2.2机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机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以及滚动导轨。

同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。

齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。

三、CA6140车床进给系统的改造设计本章主要完成纵向和横向进给系统的设计与计算、滚珠丝杠螺母副的选型、步进电机的型号选择计算等，该部分设计的总体方案见图3-1纵向和横向进给系统图所示。

要使进给系统的部分改造与数控装置系统的配合达到好的效果，在后面的章节中还将涉及到步进电动机相关的驱动电源、功率放大电路、辅助电路；与滚珠丝杠副相关的机床导轨的贴塑等内容的设计。

图3-1 纵向和横向进给系统图3.1脉冲当量的选择一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。

脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。

经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.01～0.005mm/脉冲。

根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲。

3.2切削力的计算在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，下面介绍数控车床中的切削力的计算。

3.2.1纵车外圆主切削力F z (N)按经验公式估算:Z F =0.67D 5.1max=0.67³4005.1=5360按切削力各分力比例：4.0:25.0:1::=Y X Z F F FX F =5360³0.25=1340 Y F =5360³0.4=2144 3.2.2横切端面主切削力)('N F Z 可取纵切的1/2.268021'==Z Z F F 此时走刀抗力为'Y F (N),吃刀抗力为'Z F (N).仍按上述比例粗略计算:'Z F :'Y F :'X F =1:0.25:0.4 'Y F =2680³0.25=670 'X F =2680³0.4=10723.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。

结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d 0（丝杠外径d ）、导程L 0、滚珠的工作圈数j 、列数K 、精度等级等。

滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。

我们在此选用螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。

为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。

在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。

挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。

它的优点是：工艺简单，螺母外径尺寸较小。

缺点是：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。

滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。

本设计采用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。

其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。

3.3.1纵向进给丝杠1.计算进给率引力m F (N)作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动部件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。

因而其数值大小和导轨的型式有关。

纵向进给为综合型导轨 由前所知：X F =1340 NZ F =5360 NG =1000 N K =1.15'f =0.16得：m F (N)=()G F f KF Z X ++'=1.15³1340+0.16³(5360+1000)=2559 N式中 K —考虑颠复力矩影响的实验系数,综合导轨取K=1.15；'f --滑动导轨摩擦系数:0.15～0.18；G --溜板及刀架重力: G =1000 N.2.计算最大动负载c利用滚珠丝杠副的直径d 0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后在它的滚道上不产生点蚀现象。

这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C ，可以用下式计算：c =m w F f L 3 L =61060Tn ⨯⨯1000L u n s⨯=式中 0L --滚珠丝杠导程,初选0L =6㎜;s u --最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(21～31),此处s u =0.6m/minT --使用寿命,按15000h;w f --运转系数，按一般运转取w f =1.2～1.5；L --寿命，以106转为1个单位。

将数据分别带入上式得： 01000L u n s ⨯==65.06.01000⨯⨯=50r/minL =61060T n ⨯⨯=610150005060⨯⨯=45=c m w F f L 3=345³1.2³2559=10799 N3.滚珠丝杠螺母副的选型查阅附录A 表3,可采用W 1L3506外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,1列2.5圈,其额定动负载为16400 N,精确等级按表4-15选为3级(大致相当于老标准E 级).4.传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为：η=)(ϕγγ+tg tg式中 γ—螺旋升角, W 1L3506 γ=3°39′ϕ--摩擦角取10′滚动摩擦系数0.003～0.004将各数据带入上式得：η=)(ϕγγ+tg tg =949.0)'10'73('730=+tg tg o5.刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性因此应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量；滚珠与螺纹滚道间的接触变形；支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形；滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量；和螺母座及轴承支座的变形。

最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。

因此滚珠丝杠副刚度的验算，主要是前三种变形量，他们的和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。

先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图3-2所示。

最大牵引力为2559 N.轴承支撑间距L =1500㎜，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的31。

图3-2（1）丝杠的拉伸或压缩变形量1δ查图4-6，根据m P =2559 N ，O D =35㎜，*查出L L /δ=5102.1-⨯，可算出： LLδδ=1³1500=1.6³105-³1500=2.4³102-（㎜）.由于两断均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸,故其刚度可以提高4倍。