普通CA6140车床的经济型数控改造
前 言 1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。 我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6％。我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备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。 在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个"永恒"的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工 程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。 机床改造的必要性： 企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。 普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。 数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达±0.01至0.02mm，已能满足CA6140车床改造后加工零件的精度要求。 经济型数控机床的特点： 一．价格便宜。仅数控系统与国外同类型数控系统比，前者只需1～2万元，而国外系统需十几至几十万元。因此，它特别适合对国内企业现有普通机床进行改造。 二．解决复杂零件的加工精度控制，提高生产率。对经济型数控车床，一般可提高工效3—7倍。 三．适合于多品种、中小批量产品的自动化加工，对产品的适应性强，对于不同零件的加工，可以通过改变不同的加工程序和更换不同的刀具来实现。 四．提高产品质量，降低废品率。尤其是加工的产品尺寸一致性好，合格率高。 五．节约工装费用，降低成本。经济型数控车床可以不用工装或少用工装，尤其对于复杂零件，不用靠模或成型刀具，不仅节约了费用，而且还可以缩短生产周期。 六．减轻工人的劳动强度。 七．提高工人素质，促进技术进步和科技成果的普及应用。为由“体力型”向“智能型”转变创造了条件。 机床的数控化改造主要内容有以下几点： 其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复； 其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床； 其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新； 其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。 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装成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改装成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进行调节和更换，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。
正 文 一 机 械 部 分 数控机床进给伺服系统运动及动力计算如下： 1.1技术参数： 规格 （型号）
最大加 工直径 （mm） 最大加 工长度 （mm） 留板及刀 架重力（N） 刀架快移 速度（m/min） 最大进给速度（m/min） 定位精度（mm） 主电机功率（KW） 启动加速时间（ms） 面上 鞍上 纵向 横向 纵向 横向 纵向 横向 φ400mm CA6140 C620 400 210 750 1000 1000 600 2.4 1.2 0.6 0.3 ±0.015 7.5 30
1.2 选择脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向 0.01mm/步 横向 0.005mm/步 1.3 计算切削力 1.3.1 纵车外圆 主切削力Fz=0.67Dmax1.5=0.67×4001.5=5360(N) 按切削力各分比例 Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 则 Fx=5360×0.25=1340(N) Fy=5360×0.4=2144(N) 1.3.2 横切端面 主切削力Fzˊ可取纵切的1/2，为2680N.此时走刀抗力为Fyˊ,吃刀抗力为Fxˊ. Fzˊ:Fxˊ:Fyˊ=1:0.25:0.4 Fxˊ=2680×0.25=670 Fyˊ=2680×0.4=1072N 1.4滚珠丝杠螺母副的计算和选择 1.4.1横向进给丝杠 1.计算进给牵引力 Fmˊ=kFxˊ+fˊ(Fz+2Fyˊ+Gˊ)h横向进给为燕尾形贴塑导轨。 k=1.4 fˊ=0.03 Fm=1.4×670+0.03×(2680+2×1072+600)=1100.7(N) 2计算载荷Fc(N) 有已知条件查得 kF=1.2, kH=1.0,kA=1.1 则Fc=kFkHkAFm=1.2×1.0×1.1×1100.7=1453(N) 3计算额定动载荷计算值Ca’(N) 初选L0=5mm Ca’=Fc(nzLh’/1.67*104)1/3=[1453×(30×14400/1.67×104)]1/3=4297.2(N) 4确定丝杠型号以及有关数据 由于Ca>=Ca’,选FYC1D2505-2.5型,Ca=9610N 丝杠副的有关数据：公称直径 D0=25mm 导程 P=5mm 螺旋角 λ =3o38’ 滚珠直径 do=3.175mm
按表2-1(郑堤，唐可洪主编，《机电一体化设计基础》，机械工业出版社出版,第17页)中尺寸公式计算：滚道半径 R=0.52do=0.5×3.175=1.651mm 偏心距 e=0.707(R-do/2)=0.707(1.651-3.125/2)=0.0449mm 丝杠内径d1=D+2e-2R=25+2×1.61=21.7878 5稳定性验算 (采用F-S) 1)由于一端轴向固定的长丝杠在工作是可能发生失稳，所以设计是应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]，丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr(N)。 Fcr=Π2EIa/(ul)2 (E=206GPa) 因为Ia=Πd14/64=3.14×(0.021788)4/64=1.1×10-8m4 取u=2/3时 Fcr=Π2×206×109×1.1×10-8/{[(2/3)×0.5]2}=2.01×105(N) 安全系数S=Fcr/Fm=2.01×105/1100.7=182.68> >[S]=1.5～3.3. 2)高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速——临界转速ncr,需求丝杠的最大转速nmax ncr=9910×[fc2d1/(ul)2] 见表2-10（郑堤，唐可洪主编，《机电一体化设计基础》，第25页）取fc=3.927， μ=2/3时 ncr=9910×{(3.927)2×0.021788/[(2/3)×0.5]2}=29968r/min>1600r/min 所以丝杠工作时不会发生共振。 3)此外滚珠丝杠副还受D0n值的限制，通常要求D0n<7×104mm.r/min 即D0n=25×30=750mm.r/min<<7×104mm.r/min 所以丝杠副工作稳定。 6刚度验算 滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(N.m)共同作用下引起每个导程的变形量 Δl0(m)为 Δl0=(+PF/EA)+(+P2T/2 GJc)或 Δl0=(-PF/EA)+(-P2T/2 GJc) 其中A为丝杠截面积A=1/4 d12,Jc为丝杠极惯性矩。Jc=(∏/32)×d14,G为丝杠切变模量，对钢G=83.3Gpa,T(N.m)为转矩。 T=Fm×(D0/2)×tg(ρ+λ), λ为摩擦角，其正切值为摩擦系数，Fm为平均工作负载，取摩擦系数为tgρ=0.003，则 ρ=0.172o=10’19’’ T=1100.7×(25/2)×10-3×tg(3o38’+10’19’)=0.9139(N.m) 按最不利的情况(F=Fm)时 Δl0=PF/EA+P2T/2 GJc=4PF/ Ed12+16P2T/ 2Gd14 =4×5×10-3×1100.7/3.14×206×109×(0.021788)2+16×(5×10-3)2×