(完整版)CA6140 普通车床的数控改造毕业设计论文

河南工业职业技术学院Henan Polytechnic Institute

毕业设计（论文）

题目： CA6140普通车床的数控改造

班级：机电设备维修与管理0902 班

姓名：刘东风

指导教师：季祥

CA6140车床数控化改造

摘要

数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造大有可为。

针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装方案设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6140各个改造部分的设计。

通过对CA6140普通车床的数控改造，实现了加工精度明显提高，定位准确可靠，操作方便，大大提高了工作效率，稳定了零件的加工质量，并保留了原机床的基本结构和部分工作性能，能节约资金，缩短生产周期，是工厂进行机械设备技术化改造的趋势。

关键词：车床，数控，改造，精度，进给系统

目录

一绪论 (1)

1.1数控机床的发展史 (1)

1.2机床数控化改造的意义 (1)

1.3数控化改造后机床的优越性 (2)

1.4机床数控化改造的内容 (2)

二设计要求及系统的选型 (4)

2.1总体方案设计要求 (4)

2.2设计参数 (4)

2.3其他要求 (5)

2.4系统的确定 (5)

2.5系统的特点 (6)

2.6GSK980TA的参数 (6)

三车床丝杠的改造与伺服系统的改造设计 (9)

3.1滚珠丝杠的优点 (9)

3.2换用滚珠丝杠的设计 (9)

3.3纵向滚珠丝杠选型与设计 (10)

3.4横向滚珠丝杠的选用与设计 (16)

3.5滚珠丝杠的支撑与轴承的选用 (20)

3.6步进电机的选用原则 (21)

3.7步进电机的选用 (23)

3.8驱动器的选择 (31)

四 CA6140其他部分的改造特点 (33)

4.1电气控制系统的改造设计 (33)

4.2主轴脉冲发生器的选用与安装 (36)

4.3导轨副的改装 (37)

4.4联轴器的安装 (37)

五总结 (39)

致谢 (40)

参考文献 (41)

附录 (33)

一绪论

1.1数控机床的发展史

1946年诞生了世界上第一台电子计算机。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。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。（注：两个阶段：数控NC阶段和计算机数控CNC阶段。六代：即电子管时代、晶体管时代、小规模集成电路时代、小型计算机时代、微处理器时代和基于PC时代）。必须指出，数控系统发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。因此，数控技术经过了近30年的发展才走向普及应用。

1.2机床数控化改造的意义

机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。

众所周知，企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出满足市场需求、性能合适的产品。目前,采用先进的数控机床已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的另一条有效途径。机床数控化改造的市场目前在我国有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。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、成本高等不良因素，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。

近年来，美国、日本、德国、英国等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。机床改造业正逐步从机床制造业中分化出来，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。

1.3数控化改造后机床的优越性

（1）机床数控化改造可以提高零件的加工精度和生产效率。

（2）机床数控化改造可以提高机床的性能和质量，加工出普通机床难以加工或者不能加工的复杂型面零件。

（3）机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高3~7倍。

（4）可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运，降低工件的定位误差。

（5）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床加工状态，还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。

（6）数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期很生产周期，并可对市场需求做出快速反应。

1.4机床数控化改造的内容

（1）精度恢复和机械传动部分的改进。随着机床使用的役龄的增加，机床的机械传动部件，如导轨、丝杠、轴承等都有不用程度的磨损。因此，机床改造过程中的首要任务是对旧机床进行类似于通常的机床大修，以恢复机床精度，达到新机床的制造标准。

（2）选定数控系统和伺服系统。根据要求进行数控化改造机床的控制功能要求，选择合适的数控系统是至关重要的。选择是，除了考虑各项功能满足要求外，还一定要确保系统工作可靠性。伺服驱动系统的选取，也按改造数控机床的性能要求决定。

（3）数控机床辅助装置的选取。辅助装置指的是数控机床的一些必须的配套部件。如冷却系统、自动换刀装置等

（4）在进行机床数控化改造时，原机床的电器控制部分要做改造，重新按数控化改造要求进行设计制作。数控机床的强电控制部分设计中要特别注意的是，数控系统各接口信号的特点和形式要相配，并且在设计过程中应尽量简化强电控制线路。还要在设计时考虑电磁干扰的问题。

（5）整机联接调试。旧机床上述各个部件的改造过程完成后，就可对组装后改造机床各个部件进行调试。一般先对电气控制部分进行调试，看单个动作是否正常，然后再进行联机调试。

经数控化改造的机床就成为了数控机床，具有数控机床的特点，如数控机床本身具有的高速、高效和高精度，工序集中，可靠性高等特点。但是改造后的机床也具有一定的局限性，主要有机床原有结构精度限制了改造后机床的加工精度和加工性能；机床原有的结构形式限制了改造后机床的加工范围和数控化程度。这些不利条件最终影响了改造后机床的速度和精度。

随着数控产业整体水平的提高，数控系统的性能、伺服电动机及其驱动装置等配套产品的性能也提高很多，对数控化改造中机床速度和精度的提高都非常有利。

二设计要求及系统的选型

2.1总体方案设计要求

（1）改造前要求机床的状况良好，各种基础构件有足够的刚性，机械性能良好，符合数控改造的要求。

（2）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，控制精度Z轴为0.01mm，X轴为0.005mm因此，数控系统选连续控制系统。

3）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。

（4）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床的系统一般采用国产机床系统，如广州数控设备厂的GSK980TA数控系统，其为两轴联动，功能比较齐全，价格便宜。

（5）设计自动回转刀架及其控制电路。

（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。

（7）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。

（8）为了减少改造的复杂性，主轴要求不改造。

2.2设计参数

设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。

改造CA6140机床设计参数如下：

最大加工直径：在床面上400mm 在横刀架以上210mm

最大加工长度：1000mm

快进速度：纵向2.4mmin 横向1.2mmin

最大切削进给速度：纵向0.5mmin 横向0.25mmin

溜板及刀架重力：纵向800N 横向600N

主电机功率：7.5KW

控制坐标数： 2

最小指令值（脉冲当量）：纵向 0.01mm脉冲横向0.005mm脉冲

进给传动链间隙补偿量：纵向0.15mm 横向0.075mm

2.3其他要求

（1）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。

（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。

2.4系统的确定

在选择数控系统的型号时，要考虑CA6140机床的加工精度，加工精度可达IT7级，要求6140能加工复杂的零件，所以数控系统选择连续型控制的，开环控制系统。以满足数控化改造后的定位，插补，循环加工，和螺纹加工等功能。根据经济性，实用性的比较，确定使用国产数控系统，广州数控厂的GSK980TA数控系统，此系统功能齐全，价格便宜，操作方便，性能稳定，比较适合与经济型的数控机床。选择数控系统时，应尽量向一个厂家靠拢，这样有利于维修和管理，也有利于备件的购买。在改造中应考虑有类似的数控装置。

2.5系统的特点

GSK980TA的特点如下：

（1）该系统采用16bit高速微处理器（CPU）和超大规模可编程门阵列（CPLD）进行硬件插补，实现高速微米级控制。

（2）全封闭式装置，集成高度，整机工艺结构合理，抗干扰能力强，可靠性强。

（3）直线型、指数型加减速方式，可配套步进电机、伺服电机，应用灵活。

（4）可变电子齿轮比，应用方便。

（5）320*240点阵列式液晶显示。

（6）中文、英文（选配）菜单，界面友好，操作方便。

2.6GSK980TA的参数

运动控制功能控制轴：X、Z两轴最小指令单位：0.001mm 插补方式：X、Z两轴直线、圆弧插补

位置指令范围：-9999.999mm—+9999.999mm

最高速度：7600mmmin

3000mmmin（选配）

最高进给速度：直线7600mmmin（电子齿轮为1 ：1）

没转进给：0.001~500mmr（需安装1024pr主轴编码器）

进给倍率：0%~150%十六级实时调节

快速倍率：F0、25%、50%、100%四级

加减速方式：直线型快速加减速，指数型进给加减速，参数可调

电子齿轮比：（1~127）（1~127）

显示界面显示器类型：320*240点阵式蓝底液晶（LCD），CCFL背光显示方式：中文菜单图形显示功能：有

G功能共有23种G指令，包括3种单一固定循环指令和7种复合循环指令，8种用户宏指令可读写，最多16点输入，6点输出，二重子程序调用。

螺纹功能米制英制单头直螺纹、锥螺纹及米制英制端面螺纹，螺纹退尾长度可定。螺纹螺距：0.001~500mm

主轴编码器：1024pr增量式编码器

补偿功能反向间隙补偿：X、Z轴

螺距误差补偿：X、Z轴

刀具半径补偿：X、Z轴

刀具补偿：16组刀具长度补偿

刀具功能适配刀架：最大设定8工位电动刀架（可选配12工位刀架功能，就进选刀，无卡盘，尾座控制功能）

刀位信号输入方式：直接输入

换刀方式：MDI自动换刀，正转选刀，反转锁紧

对刀方式：定点对刀，试切对刀

刀补执行方式：移动刀具，坐标偏移

主轴功能控制方式：可设置为四档位控制或模拟控制

档位控制：S1、S2、S3、S4直接输出

模拟控制：可设置四档主轴自动控制或手动换挡，输出0~100V电压控制主轴转速

恒线速切削功能：有

辅助功能手动MDI自动方式控制主轴正转、反转、停止;切削液启停，卡盘夹紧松开，尾座进退，MDI自动方式可控制主轴变频自动换挡

程序编辑程序容量：40kb，63个程序子程序：可编程

通信RS232通信接口为标准配置，可选配通信功能，提供通信软件及通信电缆，与PC机双向传送程序

抗干

扰能

力

符合GBT 17626.2—2006的要求

适配部件开关电源：GSK PB（配套使用，已安装连线）

驱动装置：DF3A系列三相反应式，DY3B系列混合式，DA98系列交流伺服

刀架控制器：GSK TB

装配形式标准面板，大面板，箱式

一体化下出线，一体化后出线

外形

尺寸

（420*260*136mm）（420*320*136mm）（小大）

质量 6.0kg（含开关电源）

本章节主要介绍了此次改造的数控系统的选型，对系统的要求，以及一些系统参数的列举。通过对该系统的了解，进一步明白该系统的优越性。

三车床丝杠的改造与伺服系统的改造设计

3.1滚珠丝杠的优点

（1）传动效率高。一般可达95%以上，是滑动丝杠的2~4倍。

（2）运动平稳，摩擦小，灵敏度高，低速无爬行。

（3）可以预紧、消除丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度。

（4）定位精度和重复精度高。

（5）使用寿命为普通滑动丝杠的4~10倍，甚至更高。

（6）同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件装置时，可获得较好的同步性。

（7）不自锁，可逆向传动，即螺母为主动，丝杠为被动。旋转运动变为直线运动。

（8）有专厂生产，选用配套方便。

3.2换用滚珠丝杠的设计

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

挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。

进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成

丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。

溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操

作按钮。

横溜板箱部分：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。

3.3纵向滚珠丝杠选型与设计

（1）切削力的计算。由《机床设计手册》可知，切削功率

Pc = PK η （3-1）

式中 P ——主轴电动机功率，P =7.5KW ；

η——主传动系统总效率，一般为0.75~0.85，一般取η=0.8:； K ——进给系统功率系数，取K=0.96;

则

PC =7.50.80.96kw =5.76kw

切削功率应该在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削转速来计算，即

PC = （3-2）

式中 Fz ——主切削力（N ）

V ——切削速度（mmin ）

按最大切削速度计算，取v=100mmin ，则主切削力 Fz=N V PC 3456103

10076.56010360=××=× （3-3） 由《机床设计手册》可知，在外圆车削时：

Fx =（0.1~0.55）Fz ，Fy =（0.15~0.65）Fz （3-4）

取纵向切削分力Fx =0.5Fz ，横向切削分力Fy =0.6Fz ，则

Fx =0.5Fz=0.53456N =1728N

Fy =0.6Fz =0.63456N =2073.6N

（2）滚珠丝杠设计计算

①螺纹滚道型面的选型：单圆弧型面、双圆弧型面。

要求：经济、易调试、稳定。

方案：选用双弧形面。

原因：双圆弧型面接触角不变，双圆弧交接处尚有小空隙可容纳一些脏污，这对滚珠丝杠有利而不至于堵塞。

②滚珠循环方式：内循环、外循环。

方案：选用外循环。

原因：结构简单、工艺性优良、适合成批生产、经济适用，适用于重载荷传动、高速驱动及精密定位系统，是目前应用最广泛的结构。

③轴向间隙的调整和预紧力的选择：垫片式、螺纹式、齿差式。

要求：经济可靠、易拆装、刚度好。

方案：选用双螺母垫片式预紧。

原因：结构简单、装卸方便、刚度好。

（3）计算进给牵引力Fm（N）。可根据《机床设计手册》中进给牵引力的试验公式计算，纵向为三角形导轨，则

Fm = KFx + f（Fz + G）（3-5）

式中 Fx——切削分力（N）;

K——颠覆力矩影响的试验系数，K =1.15；

f——滑动导轨摩擦因数， f =0.15~0.18，取f =0.16

G——溜板及刀架重力， G =1000N

则

Fm =1.151728N +0.16 (3456 +1000)N =2700.16N

(4)计算最大动载荷C(N)

C = fwfh Fm （3-6）

其中

t =

n =

式中 t——寿命，以106为1单位；

n——丝杠转速；

P0——滚珠丝杠导程，初选P0=6mm

Vs——最大切削力下得进给速度，可取最高进给速度的13~12，本机床取12；

fw——运转系数，按一般运转fw ＝１．２～１．５，取fw =1.3；

fh——硬度系数，为60HRC时，fh =1，小于60HRC时，fh >1，本机床取1；

T——使用寿命，按15000H计算。

则

n == rmin =50rmin（3-7）

t = =万r =45万r （3-8）

C = fw fhFm = 1.3 1 2700.16N =12485.8N （3-9）

（5）选择滚珠丝杠螺母副。查《机械设计手册》，根据C 12485.8N,故强度足够。CDM4006—5型滚珠丝杠具体参数见表3-1.

表3-1 CDM4006—5型滚珠丝杠具体参数

公称直径mm 导程

mm

钢球

直径

mm

螺纹

底径

mm

丝杠

外径

mm

额定负载N 接触刚度

（Nμm）

d0P0D w d1 d 2 Ca C0a

40 6 3.969 35.1 39.5 28770 95970 2191

表3-2螺母安装连接尺寸mm

D D1 D3 D4 B D5 D6 h L L1 C A M

71 —11

0 90 15 9 15 9 13

8

54 7 3 M6

（6）滚珠丝杠的验证

1）传动效率计算。根据《机械原理》，丝杠螺母副的传动效率η0为

（3-10）

式中φ——摩擦角，φ =10，；

γ——螺旋升角，根据tanγ=螺距（3.14 公称直径），可得则

==0.966

2）刚度验算。滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程P0的变化，因滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小，可以忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量ΔP0为：

ΔP0 =±（3-11）

式中 E——材料弹性模量，对于刚，E =20.6 104MPa

A——滚珠丝杠的截面积，按丝杠螺纹底径确定d，即 d

=3.51cm，则

A =d2 =9.67cm2 （3-12）

P0——滚珠丝杠导程，P0 =6mm =0.6cm。

其中，“+”用于拉伸时，“—”用于压缩时。

ΔP0 = ±= ±8.133 10-6cm

滚珠丝杠受转矩引起的导程变化量ΔP1很小，可以忽略不计，即ΔP1 =ΔP0，所以导程变形总量误差ΔP总 =式中ΔP总——纵向最大行程，由《机床说明书》可知，P总=900mm=90cm。

则

ΔP总 =8.133 106μm = 12. 2μm （3-13）由《机床说明书》可知，丝杠纵向有效行程为900mm，且丝杠精度等级为3级，查《机械零件设计说明说手册》电子版，纵向行程允许的行程变动量为17μm，CDM40006—5的ΔP总为12.2μm < 17μm,故刚度足够。

3）稳定性校核。要使滚珠丝杠不失稳的条件是：临界负载荷Fk≥Fmax。

根据公式

Fk = （3-14）式中——丝杠的支撑方式系数，查《机械零件设计手册》可知， =0.2（双推支撑）

E——材料弹性模量，对于钢，E=20.6104 MPa

L——丝杠两支撑端距离，查《机械零件设计手册》可知，CDM4006—5丝杠两支撑端距离为1600mm =160cm；

K——滚珠丝杠的静安全系数，取 K = 14;

I——截面惯性矩。

I =，其中d =（d0 – 1.2Dw）（3-15）

式中 d0——滚珠丝杠的公称直径，d0 = 40mm=4 cm；

Dw ——滚珠丝杠的滚珠直径，Dw =3.969mm=0.3969cm 。 则

I = (4 – 1.20.3969)4CM4 =7.532 CM4 （3-16）

Fk = N N 2987941160

532.7106.2014.30.2262=××××× （3-17） 3.3.1纵向齿轮传动比的确定

传动比计算公式：

i= （3-18） 其中，δp =0.01mm 步；参考《实用微电机手册》，初选=

Po =6 mm ，则

i= （3-19）

可初选齿轮的齿数比为

i=

齿轮材料采用40Cr ，调质处理，精度等级取7级，前后轴承选用8024型流动轴承，齿轮传动时效率为。

由于进给运动时齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，取模数m=2mm ，由经验公式可知，齿宽b =20mm ，则分度圆直径分别为：

mm mm m Z d 6423211=×== （3-20） mm mm m Z d 8024022=×== （3-21） 中心距为：

()()72240322221=+?=+=mm Z Z m a （3-22）

3.4横向滚珠丝杠的选用与设计

（1）切削力的计算。 因为横向进给量为纵向的13~12，取12，则横向主轴切削力约为纵向的12.

由《机床设计手册》可知，其经验公式为：

式中 Fx ——横切端面时的进给力；

Fy ——背向力。

N N F F Z X 86417285.05.0=×

== （3-23） N N F F Z Y 8.103617286.06.0=×

== （3-24） (2)滚珠丝杠设计计算

滚珠丝杠的选型的方案可以参考纵向滚珠丝杠的设计选型，方案来设计。即：

①螺纹滚道型面的选型：单圆弧型面、双圆弧型面。

②滚珠循环方式：内循环、外循环。

③轴向间隙的调整和预紧力的选择：垫片式、螺纹式、齿差式。

（3）计算进给牵引力Fm （N ）。可根据《机床设计手册》中进给牵引力的试验公式计算，

横向为燕尾槽导轨，则

()G F F f F F X Z Y m +++=24.1 （3-25） 则

()[]N N F m 48.21006008642172816.08.10364.1=+?+?+?=