1、 绪 论 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强 、 加工精度高 、 加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机 、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。 一、问题的提出 数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复 杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展 ,就必须在最短
2、的时间内以优异的质量、低廉的成本 ,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品 ,而产品质量的优劣 ,制造周期的快慢 ,生产成本的高低 ,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。 购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径 ,但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精 度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业
3、对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。 二、数控车床改造的意义 数控车床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在 60 年代已经开始迅速发展，其 发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有 300 多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用
4、数控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一 套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的 1/3 至 1/5，用户承担的起。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它还可以作
5、为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要 内容之一。 三、数控化改造的优点 普通车床数控化改造一般是指对现有普通车床的某些部位做一定的改造，配上经济数控装置或标准型数控系统，从而是原机床具有数控加工能力。其改造有如下的优点： 1、资本效率出发，改造闲置的普通机床 ,能发挥旧机床的原有能和改造后的新增功能 ,提高机床的使用价值。 2、适应多品种，小批量零件生产。 3、数控改造费用低 ,减少了投资额 ,经济性好 .数控车床改造费用仅为新购一台数控车床费用的 15% 20%,同购置新机床相比
6、，一般可以节省75% 80%的费用 ,如果再结合机床大修理，几乎就是一台新的数 控车床 ,甚至会更好，因为普通车床不会再变形。 4、机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的普通机床基础件是重而坚固的铸造构件，而不是焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以做为新设备继续使用多年。数控化改造后使原有的机械结构更为简单，原有得手扶进给机构全部消失。这样一方面，可以提高精度 ,减少传动链对精度的影响；另一方面，可以减少机械故障率，提高运行的可靠性 .但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 5、操作者熟悉了解机床、便于操作维修 ,降低了操作者的技术要求，更易于提高管理水平 .购买新机床时，不了解
7、新 机床是否满足起加工要求。改造则不然 ,可以精确计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用 ,操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短、见效快。改造的积储一旦安装好，就可以全负荷运转。操作者只需要对工件进行装夹和操作开关，而零件的加工全部则由数控系统控制完成，即使比较复杂的工件也能迅速完成，省去了对技术要求的烦恼。 6、可充分利用现有的条件，可以充分利用现有基地 ,不许要重新构筑地基。 7、可以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度 ,及时提提高生产设备自动化水平和效率，提高机床质量和档次 ,将旧 机床改造成当今水平的机床。自动化程度高、专业性强、加工精度高、生产效率高
8、。 8、增强了功能，如圆弧、锥度加工，这是传统加工方法难以完成的。 第一章 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。 CA6140 车窗结构示意图 1 1 总体方案的确定 1.1.1 系统的运动方式与伺服系统的选择 由于
9、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。 X52K 型铣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，采用步进电机开环控制系统，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。 1.1.2 计算机系统 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 MCS-51 系列单片机具有集成度高、可靠性
10、好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高 的性能价格比等特点，因此采用 MCS-51 系列的 8031 单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 1.1.3 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。 1 2 设计
11、 X-Y 数控工作台及其控制系统 计算任务及参数在任务书中已经给出。系统总体方案见图 1-1 根据设计任务的要求，采用连续控制系统和步进电机开环控制系统。这样可使控制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。计算机系统仍采用高性能价格比的 MCS-51 系列单片机扩展系统 图 1-1 车床数控化改造总体方案框图 输入 输出 数控装置 PLC 主 轴 控 制 单元 主轴 机床 速度控制单元 伺服电机 位置检测反馈装置 工 作
12、 台 第二章 CA6140 车床进给伺服系统机械部分设计 一台 CA6140 普通车床改造成微机数控车床，采用 MCS-51 系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下： 加工最大直径：在床面上 400 在床鞍上 210 加工最大长度： 1000 溜板及刀架重力： 纵向 1000N 横向 600N 刀架快速速度 : 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大进给速度 : 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 主电机功率 7.5Kw 起动加速时间 30ms 机床定位精度 : 0.015mm 伺服系统机械部分设计计算内容
13、包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确 定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下： 2 1 系统脉冲当量的选择 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。 2 2 切的计算削力 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
14、的切削 力的计算。 2.2.1 纵车外圆 主切削力 Fz (N)按经验公式估算 : 4.0:25.0:1: YXZ FFF 按切削力各分力比例： 4.0:25.0:1: YXZ FFF 1 3 4 025.05 3 6 0 XF 2 1 4 44.05 3 6 0 YF 2.2.2 横切端面 主切削力 )( NFZ 可取纵切的 1/2. 268021 ZZ FF 此时走刀抗力为 YF (N),吃刀抗力为 )( NFZ .仍按上述比例粗略计算 : 4.0:25.0:1: XYZ FFF 67025.02 6 8 0 YF 10724.02680 XF 2 3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠
15、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 d0（丝杠外径 d）、导程 L0、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。如参考书 1中的图 4-4 所示。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
16、：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。 2.3.1 纵向进给丝杠 1.计算进给率引力 mF (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： NFX 1340 NFZ 5360 NG
17、 1000 15.1K 16.0 f 得： NNGFfKF ZFNm X 2 5 5 91 0 0 05 3 6 016.01 3 4 015.1 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 d0 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： mwFfLc 3 61060 TnL 01000L
18、un s式中 0L -滚珠丝杠导程 ,初选 0L =6 ; su -最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的 ( 3121 ),此处 min6.0 mus T -使用寿命 ,按 15000h; wf -运转系数，按一般运转取 wf =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： m i n506 5.06.01 0 0 01 0 0 0 0 rL un s 4510 1 5 0 0 0506010 760 56 nL NFfLc mw 1 0 7 9 92 5 5 92.14533 3.滚珠丝杠螺母副的选型 查阅附录 A 表 3,可采用 W 1 L35
19、06 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： )( tg tg 式中 螺旋升角 , W1 L3506 393 -摩擦角取 10滚动摩擦系数 0.003 0.004 将各数据带入上式得： 9 4 9.0)1073( 730 tg tgtg tgo 5.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
20、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 2-1 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 1/3 图 2-1 （ 1）丝杠的拉伸或压缩变形量 1 查图 4-6，根据 NPm 2559 ， mmDO 35
21、，查出 5102.1/ LL ，可算出： mmLL 21 104.21 5 0 06.11 5 0 0 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。其实际变形量 1 ( )为 : 211 106.021 (2)滚珠与螺纹滚道接触变形 2 查图 4-7, W 系列 1列 2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 umQQ 1.7: 因进行了预紧 , umQ 35.31.721212 (3)支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 2 采用 8107 型推力球轴承， 1d =35 ,滚珠体直径 Qd =6.35 ,滚动体数量 z =18, mmZd Fd Q mc 0 0 7 5.01835.6 2 5 60 0 2 4.00 0 2 4.0 3 223 22 注意 ,此公式中 mF 单位应为 kgf 因施加预紧力 ,故 mmc 0 0 3 8.00 0 7 6.021213
