1、课程设计说明书题目：CA6140 车床横向进给轴的数控化改造院、 系： 机电工程学院学科专业： 机械设计制造及其自动化 学 生： 蒋葳 学 号： 110210106 指导教师： 王沁 2014 年 7 月机电系统设计课程设计任务书（2013 2014 学年 第 2 学期）课 题 名 称 CA6140 车床横向进给轴的数控化改造适用专业 机械设计制造及自动化 班级 110209课程设计时间 2014 年 6 月 23 日起 2014 年 7 月 4 日止1 课题内容简介及要求本课程设计要求学生在熟悉典型车床（CA6140）进给机构的基础上，对其进行数控化改造。使机床适应小批量、多品种、复杂零件的
2、加工，由此不但可以提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短。具体要求如下：（1）在综合考虑资金投入、车床性能的基础上，将普通车床的横向进给轴进行数控改造，确定系统改造方案； （2）按照系统改造方案，应用提供的设计参数，选择、校核驱动电机、滚珠丝杠和传动齿轮，并对其他相关机械结构进行设计，设计完成时要求绘制出横轴的装配图，并撰写设计说明书。注意：横轴结构设计要考虑与 CA6140主体的安装问题。2. 主要设计参数滑架重量 300N;直线脉冲当量 0.01mm /p;最大工进速度：0.3m/min ；最快移动速度 1.0m/min;工作载荷 1000N;摩檫系数：0.1;横向最大行程：300mm.
3、驱动元件采用步进电机，运动转换元件采用滚珠丝杠副。3 进度安排 设计准备 0.5 天 (包括题目讲解说明 2 小时) 总体方案设计 2 天(包括资料搜集、系统分析与方案设计 ) 伺服系统设计 5.5 天(包括伺服机械传动系统计算，选型，校核、装配图绘制) 编写设计说明书 1 天、答辩 1 天 4. 工作量要求 说明书字数：1.2 万字 图纸工作量：1 张 A1图纸指导教师 王沁 2014 年 6 月 23 日摘要 .1第一章 课题研究背景及其意义 .1第二章、总体方案设计 .42.1 功能分析法 .42.1.1总功能的抽象化 .42.1.2 功能元 .52.1.3形态学矩阵 .62.1.4方案
4、选择与评价 .62.2改造方案 .11第三章 机械传动部件的计算与选型 .123.1切削力的计算 .123.2直线贴塑滑动导轨选型 .133.3滚珠丝杆副的计算与选型 .143.3.1最大工作载荷 Fm的计算 .143.3.2 最大动工作载荷 FQ的计算 .143.3.3 初选型号 .153.3.5 刚度验算 .163.3.6 稳定性校核 .193.3.7滚珠丝杠支撑及预紧方式选用 .203.3.8轴承选用 .223.3.9 轴承寿命计算 .223.4步进电动机减速箱选用 .233.5步进电动机的计算与选用 .273.5.1计算加在步进电机转轴上的总转动惯量 .273.5.2计算加在步进电动机
5、转轴上的等效负载转矩 .293.5.3 步进电动机最大静转矩的选定 .323.6联轴器 .37结束语 .38致谢 .391摘要应用成熟的数控技术理论和成功经验，以低廉的成本对普通旧机床进行数控化改造，可恢复甚至提高原机床的精度，适应工业高速跨越式发展的要求，为此机床数控化改造在国际国内作为新的经济增长方式行业获得了很大的发展。本文以 CA6140机床为研究对象，对该机床进行了数控化改造，主要研究内容如下：对数控伺服系统的工作原理进行分析研究，简单了解了数控化改造过程中数控系统的选型，分析研究了 CA6140机床的数控化改造方案，根据进给系统的要求，对切削力和滚珠丝杠进行了计算，并选配了合适的齿
6、轮减速器和步进电机。对改造以后的机床精度进行了恢复，并给出伺服系统典型部件改造方案。此次研究，为企业技术人员实现传统 CA6140型车床数控化改造提供了行之有效的科学方法，对于企业其他传统设备的技术改在也有借鉴和参考价值。关键词：数控改造;伺服系统;CA6140 车床第一章 课题研究背景及其意义1.1课题背景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。2我国目前机
7、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0.60.8 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
8、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
9、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。1.2机床改造的内容及意义1.2.1研究意义3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
10、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 CW6140车床改造后加工零件的精度要求。1.2.
11、2主要研究内容及技术路线(1)纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核。(2)纵向和横向步进电机的选择。(3)主轴交流伺服电机的选择与校核。(4)其他元件的选择。1.3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题4(1) 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。(2) 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。(3) 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。(4) 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
12、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。第二章、总体方案设计机电一体化系统是机电一体化设备与产品的总称，它表示将这些设备与产品视为一个系统。机电一体化系统设计的第一个环节是总体设计，就是在具体设计之前对所要设计的机电一体化系统的各个方面，本着简单、实用、经济、安全、美观等基本原则所进行的综合性设计。其主要内容有：系统原理方案的构想，结构方案设计、总体布局与环境设计，主要参数及技术指标的确定，总体方案的评价与决策。总体设计给具体设计规定了总的基本原理、原则和布局，指导具体设计的进行而具体设计则是在总体设计基础上进行的具体化，它还不断丰富和修改总体设计。两者相辅相成，有机结合，
13、常交错进行，不可能断然分开。2 数控系统的选择 52.1 功能分析法2.1.1总功能的抽象化抽象化的目的是，设计人员无需设计具体解决方案，就能清晰地掌握所设计的基本功能和主要约束条件，从而抓住了设计中的主要矛盾，这样就可以把思维注意力集中到关键问题上来，容易有突破和创新。工程设计中常用的抽象方法是“黑箱”法。对于所设计的机电一体化系统化系统来说，在求解之前，犹如一个看不清其内部结构的“黑箱” 。通过“黑箱”可以明确所设计的系统与摄入输出量及外界环境的关系，这就便于拜托具体的东西而进行分析和思考。CA6140数控化改造“黑箱”法毛胚件 成型件电能 机械能、摩擦能加工要求 工作状态显示 将待求系统看作“黑箱”分析和比较系统的输入和输出物料流、能量流、信号流的差别和关系，继而反映出系统的总功能加工。总功能是系统整个过程的反映，将总功能分解就是将系统分解成分功能，便可画出如下功能树模型。CA6140 普通数控车床（黑箱）
