【正文】 有一定的先進(jìn)性，為我國現(xiàn)有舊機(jī)床的改造提供了有利條 8 件。適應(yīng)目前技術(shù)革新與技術(shù)改造中量大面廣的需要。目前國內(nèi)發(fā)展了許多品種的簡(jiǎn)易型數(shù)控機(jī)床，其中以簡(jiǎn)易型數(shù)控車床為最多。 二、設(shè)計(jì)任務(wù)與總體方案確定 1．設(shè)計(jì)任務(wù) （ 1） 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì) CA6140 普通車床進(jìn)行數(shù) 控改造， 利用微機(jī)對(duì)縱、橫進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制?？v向脈沖當(dāng)量為 ／脈沖，橫向脈沖當(dāng)量為 0． 005mm／脈沖。驅(qū)動(dòng)元件采用直流步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠。 （ 2）實(shí)現(xiàn)要求：車削外圓、端面、圓弧、圓錐及螺紋加工。 （ 3）操作要求：起動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、單步運(yùn)行、自動(dòng)循環(huán)、暫停、停止。 2．總體方案的確定 （ 1）確定改造對(duì)象 本方案所選改造車床為應(yīng)用范圍較廣的 CA6140 普通車床 ,該車床是我國自行設(shè)計(jì)、制造的機(jī)床。該機(jī)床萬能性大，適用于加工各種軸類、套筒類、輪盤類零件上的回轉(zhuǎn)表面。 CA6140 型車床因加 工范圍廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自動(dòng)化程度不高，所以，一般用于單件、小批生產(chǎn)。其主要技術(shù)規(guī)格如下 : （ 2） CA6140主要技術(shù)參數(shù) 9 型號(hào) 技術(shù)參數(shù) CA6140 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑（主參數(shù)） 400mm 工件最大長度（第二主參數(shù)） 750、 1000、 1500、 2020mm 刀架溜板上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 210mm 主軸孔前端錐度 莫氏 6 號(hào) 主軸孔徑 48mm 主軸轉(zhuǎn)速 正轉(zhuǎn) 24 級(jí) 10～ 1400r/min 反轉(zhuǎn) 12 級(jí) 14～ 1580 r/min 進(jìn) 給量 縱向 64 級(jí) ～ 橫向 64 級(jí) ～ mm/r 縱向快速 4m/min 橫向快速 2m/min 車削螺紋 公制 44 種 1～ 192mm 英制 20 種 2～ 24 牙／英寸 模數(shù) 39 種 ～ 48mm 徑節(jié) 37 種 1～ 96 牙／英寸 刀架行程 最大縱向行程 4 種 650、 900、 1400、 1900mm 最大橫向形成 2 種 260、 295mm 10 小刀架最大行程 2 種 13 165mm 主軸中心線至刀桿支面 距離 25mm 刀桿截面尺寸 25mm2 5mm 尾座套筒頂尖空錐度 莫氏 5 號(hào) 主電機(jī) 功率 轉(zhuǎn)速 1400r/min 溜板快速移動(dòng)電機(jī) 功率 250kw 轉(zhuǎn)速 1360r/min 外形尺寸 長度 2668mm 寬度 100mm 高度 1267mm 察看了 CA6140 車床及有關(guān)資料，并且參照數(shù)控車床的改造經(jīng)驗(yàn)，確定總體方案為：采用微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。如圖 1 所示。 縱向工作臺(tái) 11 由于設(shè)計(jì)的是簡(jiǎn)易型經(jīng)濟(jì)數(shù)控 ,所以考慮具體方案時(shí) ,基本原則是在滿足需要的前提下 ,對(duì)于機(jī)床盡可能減小改動(dòng)量 ,以降低成本。采用開環(huán)控制改造后保留原機(jī)床的主傳動(dòng)部分，去掉進(jìn)給箱、溜板箱，拆下機(jī)床三杠。 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造： 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)利用原車床進(jìn)給箱的按裝孔和銷釘孔按裝齒輪箱體。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)有滾珠絲框完成他置于原絲框的位置，兩端采用原有固定方式。用步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)帶動(dòng)絲框控制縱向工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。 光電隔離 功率放大 光電隔離 功率放大 步進(jìn)電機(jī) 微 機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 橫向工作臺(tái) 12 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造： 保留 原手動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于微進(jìn)給和機(jī)床刀具對(duì)零操作，原有的支承結(jié)構(gòu)也保留。 縱、橫進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用了一級(jí)齒輪減速，并用雙齒輪錯(cuò)齒法消除間隙。改造后的機(jī)床上安裝有縱橫快速進(jìn)給和急停按鈕以適應(yīng)機(jī)床調(diào)整時(shí)的操作和意外事故的緊急處理。 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床上加工螺紋和絲杠，需配置脈沖發(fā)生器作為車床主軸位置信號(hào)的反饋元件，它與車床主軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)出車床主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號(hào)，輸送到計(jì)算機(jī)。為延長主軸脈沖發(fā)生器的使用壽命，減少磨損。可安裝電磁離合器不使用時(shí)將其斷開。 數(shù)控系統(tǒng)采用 MCS51系列的單片機(jī)控制，經(jīng)比較采用具有價(jià)格低，功能強(qiáng)， 使用靈活等優(yōu)點(diǎn)的 8031 有擴(kuò)展系統(tǒng)的單片機(jī)，即用 8031 外接2764（ EPROM） 、 6264(RAM)及 8155（擴(kuò)展 I/O） 等芯片擴(kuò)展一個(gè)較簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)。 CA6140 車床數(shù)控改造總布置圖（如圖 2） 13 三、機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 (裝配圖 ) (1)切削力的計(jì)算 機(jī)床切削力的大小取決于刀具的材料、被加工工件的材料、切削用量等因素。而機(jī)床設(shè)計(jì)首先是由切削力的大小來估算電機(jī)的功率。本系統(tǒng)為對(duì)現(xiàn)有 CA6140 型普通車床的改造，所以可以由該機(jī)床的電動(dòng) 機(jī)功率和主軸上傳動(dòng)的功率反推出工作臺(tái)進(jìn)給時(shí)的切削力，由金屬切削原理得出機(jī)床的縱向切削力： 機(jī)床縱向切削力 Fx＝ Fx＝ 。 － 0。 4 切削用量 : aP=4mm ,f=,v=100m/min 14 FX 式中： CFX＝ 29 xFx=、 YFx=、 zFx= 將已知數(shù)據(jù)代入上式縱向切削力： FX＝ FZ＝ (2)滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 ① 工作負(fù)荷 P 的計(jì)算 工作負(fù)荷 P 是指數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力。其數(shù)值可由下式計(jì)算： 縱向工作負(fù)載： P＝ kFX+f＇（ FZ＋ G） 式中： k—— 考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)。 f＇ —— 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)。 G—— 移動(dòng)部件的重量。 取 k= f＇＝ 計(jì)算結(jié)果：縱向工作負(fù)載 P= ② 壽命 L 的計(jì)算 式中： n—— 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（ r/min） FZ ＝＝＝＝＝＝ 106 60nT L＝ 15 T—— 使用壽命時(shí)間（ h）本系統(tǒng) T 取 1500h 計(jì)算結(jié)果： L＝ ③ 最 大動(dòng)負(fù)荷 Q 的計(jì)算 Q＝ L3 fw fH P 式中： fw—— 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)：取 fH—— 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)：取 計(jì)算結(jié)果 :縱向最大負(fù)載： Q＝ 由以上計(jì)算結(jié)果選取滾珠絲杠： 縱向選?。?dD2=40mm,選用 FB40 63E2 ④ 傳動(dòng)效率 γ —— 螺紋的螺旋升角 φ —— 摩擦角 滾珠絲杠滾動(dòng)摩擦系數(shù) f＝ ～ 其摩擦角φ約等于 10＇ γ＝ 2044＇ 所以縱向傳動(dòng)效率η＝ ⑤ 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載 FX引起的導(dǎo)程 L0的變化量 tg(γ +φ ) tgγ η＝ 16 104 6 L0 100 L2 FZπ 2EI 式中： L0=6mm 彈性模量 E＝ 104MPa 縱向 : A1= π R2 = 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量△ L2很小可忽略 所以 查表知 E 級(jí)精度絲杠允差 15181。m。故剛度足夠。 ⑥ 穩(wěn)定驗(yàn)算 取彈性模量 E＝ 104MPa I=π d4/64=π 支承方式 由表 2－ 7 得 fz= 將數(shù)據(jù)代入上式得 FK＝ 672822 η K=FK/Fm=263 △ ＝ △ L1 EA PL0 △ L1＝177。 A2＝177。 =177。 105mm = 106 100/= FK＝ 17 η K[nk]=254 2634 故絲杠不會(huì)失穩(wěn)是安全的 （ 3） 齒輪及步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 ① 傳動(dòng)比的計(jì)算 設(shè)計(jì)計(jì)算公式均來自 《 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 》 傳動(dòng)比 步距角 :φ＝ : S＝ 6mm 脈沖當(dāng)量 δ p= ② 主要幾何尺寸的計(jì)算 故?。? Z1=40 Z2=50 m=2mm ha*＝ 1 B1=25mm B2=20mm α =20176。 齒輪主要幾何尺寸計(jì)算 d1=mZ1= 2 40=80mm d2=mZ2= 2 50=100mm da1= d1+2ha*=84mm da2= d2+2ha*=104mm df1= d12hf*=75mm df2= d22hf*=95mm a= 2 d1+ d2 =90mm = 360δ p i = φ S 360 6 = 18 ③ 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jz1= 104 Jz2= 104 Jz1= 104=(kgcm2) Jz2= 104=(kgcm2) 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js= 104D4L= 104 104 100＝ (kgcm2) 工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略?？偟霓D(zhuǎn)動(dòng)慣量 ④ 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動(dòng)力矩的計(jì)算 縱向啟動(dòng)力矩 π φ J=( 180δ p 180 )2M=( )2 80= kgcm2 1 i2 ( Js + Jz2 ) + Jz1+ JI J＝ 1 ( + ) + + =( kgcm2) J＝ 2 π θb2 η Tq＝ 36δ p2［ P + μ ( P+ G ) ］ 19 式中： Px——— 運(yùn)動(dòng)方向的切削抗力（ N）； μ——— 摩擦系數(shù)； P1 ——— 垂直方向的切削力（ N）； G——— 工作臺(tái)重量（包括工件夾具在內(nèi)）（ N）； η——— 總機(jī)械效率。 得出縱向啟動(dòng)力矩 ⑤ 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率計(jì)算： 式中： Vmaxx=。 Vm