【正文】 動(dòng)交換裝置、托盤自動(dòng)交換裝置的制作與安裝往往會(huì)使改造成本提高 2 ~ 3倍，與購置新機(jī)床相比，只能節(jié)省投資50%左右。 熟悉設(shè)備，便于操作維修。購買全新的數(shù)控機(jī)床， 企業(yè)勞動(dòng)者 不熟悉設(shè)備，需要經(jīng)過專門培訓(xùn)才能熟練操作和維修機(jī)床，耗費(fèi)時(shí) 間。而通過對(duì)現(xiàn)有舊機(jī)床的數(shù)控化改造，是企業(yè)針對(duì)自身現(xiàn)有的機(jī)床提出的對(duì)機(jī)床性能、操作與維修的改進(jìn) ，企業(yè) 技術(shù)人員與操作者參與了改造過程，熟悉改造后的機(jī)床性能和操作維修特點(diǎn)，因此在操作維修培訓(xùn)上花費(fèi)時(shí)間短，見效快。機(jī)床一經(jīng)改造安裝好后，就能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。 。普通機(jī)床與數(shù)控機(jī)床相比，形狀復(fù)雜的、噸位重的基礎(chǔ)零件，如底座、工作臺(tái)、床身、立柱、頂梁和滑枕等都是必不可少的。用舊機(jī)床進(jìn)行改造，重負(fù)使用這些基礎(chǔ)零件，必然縮短了制造周期并降低生產(chǎn)成本。再加上企業(yè)原有舊機(jī)床役齡長(zhǎng)，相應(yīng)的這些基礎(chǔ)件的自然時(shí)效也 長(zhǎng)，內(nèi)應(yīng)力的消除使得機(jī)床主要基礎(chǔ)零件的精度穩(wěn)定性好。 綜上所 述 ，企業(yè)尤其我國的民營制造業(yè)企業(yè)，通過對(duì)現(xiàn)有舊機(jī)床的數(shù)控化改造是達(dá)到擁有數(shù)控機(jī)床，提高企業(yè)的生產(chǎn)率，適應(yīng)現(xiàn)在小批量多品種生產(chǎn)格局是一個(gè)很好的途徑。 XX 學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 2 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造總體方案的確定 設(shè)計(jì)任務(wù) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì) CA6140 普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要對(duì) CA6140 普通車床 的機(jī)械部分進(jìn)行數(shù)控化改造。 利用微機(jī)對(duì)橫、縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向 脈沖當(dāng)量為 ，橫向脈沖當(dāng)量為 ， 驅(qū)動(dòng)元件為步 進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺旋副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。 總體 方案的論證 與確定 CA6140 型 普通車床為 臥式車床 ， 主要加工軸類和直徑不太大的盤、套類零件，主軸水平安裝，刀具在水平面內(nèi)做縱、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng) ，其 通用性較大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且自動(dòng)化程度低，加工過程中的輔助時(shí)間較多，適用于單件、小批生產(chǎn)及修理車間等。本設(shè)計(jì)對(duì) CA6140 車床的數(shù)控化改造是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，因此在對(duì) CA6140 車床進(jìn)行改造時(shí)盡可能地減少改動(dòng)，以節(jié)約改造成本。 數(shù)控 系統(tǒng)的選擇 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件， 更具不同 分類特點(diǎn)有不同分類方法，下面就其中兩種分類特點(diǎn)選擇數(shù)控系統(tǒng)。 （ 1） 按被控制對(duì)象運(yùn)動(dòng)軌跡可以分為：點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng) 、連續(xù)控制系統(tǒng)。 ① 點(diǎn)位控制系統(tǒng)，控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的精確位置，保證點(diǎn)與點(diǎn)之間準(zhǔn)確位置 ，此類控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控鉆床、鏜床、沖床、測(cè)量機(jī)及某些加工中心。 ② 直線控制系統(tǒng)，控制運(yùn)動(dòng)部件除了點(diǎn)與點(diǎn)之間準(zhǔn)確位置外，還要保證 其移動(dòng)軌跡為一條直線，而且對(duì)位移速度也必須進(jìn)行控制 ， 此類控制系統(tǒng) 用于簡(jiǎn)單的數(shù)控車床、鏜銑床及加工中心。 ③ 連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)，采用該控制系統(tǒng)的機(jī)床能加工曲面、凸輪、錐度等復(fù)雜形狀的零件，多用于銑床、能加工曲面的車床、繪圖機(jī)。因?yàn)?CA6140普通車床主要用于對(duì) 中小型軸類、盤類及螺紋零件的加工 ， 所以在本次設(shè)計(jì)中 選擇 連續(xù)控制系統(tǒng) 。 （ 2）按伺服系統(tǒng)的類型分類可以分為：閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)。 ① 閉環(huán)控制系統(tǒng)， 其控制信號(hào)是數(shù)控裝置送來的指令與機(jī)床移動(dòng)部件實(shí)際位置反饋信號(hào) 進(jìn)行比較所得的差值，此差值經(jīng)轉(zhuǎn)換、放大，通過控制坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行XX 學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 誤差修正，直 至誤差消除。此系統(tǒng)精密加工中心、鏜銑床、超精密車床、超精密磨床等。 ② 半閉環(huán)控制系統(tǒng)，其檢測(cè)元件安裝在電動(dòng)機(jī)或絲杠的軸端，對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際位置不進(jìn)行檢測(cè) ，由于絲杠、螺母到工作臺(tái)不在控制環(huán)類，比較容易獲得穩(wěn)定的控制特性。半閉環(huán)控制系統(tǒng)介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度雖沒有閉環(huán)高，調(diào)試卻比閉環(huán)方便，因此廣泛用于各類連續(xù)控制的數(shù)控系統(tǒng)中。 ③ 開環(huán)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際動(dòng)作情況是不進(jìn)行檢查的，沒有被控制對(duì)象的反饋值。指令發(fā)出后不再反饋回來。該控制系統(tǒng)的精度完 全取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 的步距精度以及齒輪、絲杠的傳動(dòng)精度，因此，對(duì)傳動(dòng)元件的制造精度和裝配質(zhì)量要求較高。開環(huán)控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，維護(hù)容易，因此在數(shù)控機(jī)床發(fā)展過程中占有重要的地位，特別是舊機(jī)床改造中所占地位更為突出。由于本設(shè)計(jì)對(duì) CA6140 普通車床的改造是經(jīng)濟(jì)型改造， 因此采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 由 上述 所選擇的數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn) 可以采用 8 位微機(jī)，因?yàn)?MCS15 系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，所以采用 MCS15 系列的 8031 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。該系統(tǒng) 由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功率放大電路 、 I/O 接口及光電隔離電路 等組成。系統(tǒng)的加工程序與控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用兩排數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 機(jī)械部分的 數(shù)控化設(shè)計(jì) 改造 與 選擇 （ 1） 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造 由于前面在數(shù)控系統(tǒng)選擇中 選擇了 連續(xù)控制、開環(huán)控制系統(tǒng) ， 因此對(duì) CA6140 的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)改造采用 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)過一級(jí)減速器驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副最后帶動(dòng)工作臺(tái)加工零件。在改造中需要拆除原有的掛輪、進(jìn)給箱、溜板箱、光杠，在原縱、橫向絲杠處安裝滾珠絲杠 。 （ 2）主傳動(dòng)系統(tǒng) 、 刀架 以及導(dǎo)軌的 數(shù)控化改造 本設(shè)計(jì)為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，主傳動(dòng)系統(tǒng) 改造中 保留原有的傳動(dòng)系統(tǒng)和變速機(jī)構(gòu) ，可以節(jié)約成本、減少改造量。拆除原有刀架換裝電動(dòng)刀架以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀功能，降低輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。通過對(duì)原車床導(dǎo)軌貼聚四氟乙烯軟帶可以大大減少摩擦阻力，提高了防爬行、耐磨、消振吸聲的能力。 由以上數(shù)控系統(tǒng)的選擇和機(jī)械部分的數(shù)控化設(shè)計(jì)改造與選擇，可以確定本次對(duì)XX 學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 CA6140 型普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的總體結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖 圖 CA6140 數(shù)控化改造 成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的總體結(jié)構(gòu)圖 XX 學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 3 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造 機(jī)床主傳動(dòng)的作用是把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過變速箱傳遞給主軸，使工件或刀具以各種不同的速度 ，其 CA6140 的主傳動(dòng)鏈見傳動(dòng)圖如 。主傳動(dòng)性能的好壞，直接影響零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)廣泛采用交直流主軸電動(dòng)機(jī)，這就是的主傳動(dòng)的功率和調(diào)速范圍 較普通機(jī)床大為增加。同時(shí)為了進(jìn)一步滿足對(duì)主傳動(dòng)調(diào)速和扭矩輸出的要求，在數(shù)控機(jī)床上常采用機(jī)電相結(jié)合 的方法，即同時(shí)采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速和機(jī)械齒輪變速這兩種方法。盡管如此，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu)仍 較以往的普通機(jī)床有了極大的簡(jiǎn)化，主軸箱內(nèi)各種零件如軸、齒輪、軸承等的數(shù)量都大大減少，這使得可能出現(xiàn)機(jī)械故障的部位也大為的減少。 CA6140 車床為中小型車床， 因本身價(jià)格較低，若對(duì)其進(jìn)行數(shù)控化改造采用交直流主軸電動(dòng)機(jī)，會(huì)使改造費(fèi)用過高、改造周期過長(zhǎng)而降低機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此在對(duì) CA6140 車床進(jìn)行數(shù)控改造時(shí)，應(yīng)保留原有的主傳動(dòng)系統(tǒng)和變速機(jī)構(gòu)，這樣既保留了機(jī)床原有的功能，又降低了改造的工作量。 圖 CA6140 傳動(dòng)圖 XX 學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 4 主軸編碼器 主軸編碼器常用于數(shù)控車床加工螺紋或絲杠 中。它與主軸相連 時(shí)，主軸每轉(zhuǎn)中發(fā)出固定數(shù)目的脈沖，數(shù)控裝置將這些脈沖按傳動(dòng)要求加以分頻和倍頻后分配給步進(jìn)電機(jī)，由此可以得到所要求的主軸每轉(zhuǎn)的走刀量。若這個(gè)走刀量等于所要加工的螺紋導(dǎo)程，則可以進(jìn)行螺紋加工。在對(duì) CA6140 進(jìn)行數(shù)控改造時(shí)，保留原有主傳動(dòng)系統(tǒng)，而用主軸編碼器隨之轉(zhuǎn)動(dòng)作為反饋元件，構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng)，用于螺紋或絲杠的加工。 主軸編碼器根據(jù)編碼方式的不同，可以分為增量光電式和絕對(duì)光電式，目前 國內(nèi)常用的為增量式主軸編碼器。根據(jù)主軸編碼器光電碼盤上的刻線條數(shù)分為 1024 線、2048 線等，在本次設(shè)計(jì)改造中選擇 1024 線 就足夠了。 主軸編碼器的安裝通常采用兩種方式：一是同軸安裝；二是異軸安裝。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，聯(lián)接方便。但缺點(diǎn)是安裝后不能加工主軸孔的零件。而異軸安裝 則沒有這個(gè)缺陷。目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造臥式車床，多采用同軸安裝，橡膠管柔性聯(lián)接，可以達(dá)到在實(shí)現(xiàn)角位移信號(hào)傳遞的同時(shí)，又能吸收車床主軸的部分振動(dòng)，從而使主軸編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，傳遞信號(hào)準(zhǔn)確。 主軸編碼器的安裝見圖 圖 主軸編碼器的安裝 XX 學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 5 機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌的改造 導(dǎo)軌在機(jī)床中的功能是導(dǎo)向和承載。對(duì)于數(shù) 控機(jī)床，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同事要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對(duì)加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。 迄今大多數(shù)普通車床導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，其材料為鑄鐵。此類材料若不采取措施，在使用過程中會(huì)出現(xiàn)摩擦系數(shù)大，自潤滑性與耐摩擦性差，且導(dǎo)軌易于磨損、 研傷、不易修理等缺陷。 在對(duì) CA6140 車床進(jìn)行數(shù)控化改造中采用在機(jī)床滑板導(dǎo)軌上貼聚四氟乙烯軟帶具有以下優(yōu)點(diǎn)： 部件運(yùn)行平穩(wěn)，無爬行，定位精度高；沒有振動(dòng)，可提高工件表面質(zhì)量和延長(zhǎng)刀具的壽命，減少噪音 ；磨損小，且嵌入性好，與其配合的金屬導(dǎo)軌不會(huì)拉傷，提高機(jī)床精度保持性和延長(zhǎng)機(jī)床維修周期 ；摩擦系數(shù)小，與純金屬導(dǎo)軌相比，可減少驅(qū)動(dòng)功率，節(jié)約能源；有自潤滑性，當(dāng)機(jī)械潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)導(dǎo)軌不會(huì)拉傷；當(dāng)負(fù)載和溫度變化時(shí)，不需要補(bǔ)償。 XX 學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 6 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 在本次設(shè)計(jì)中，對(duì) CA6140 型普通車床數(shù)控化改造主要集中在其進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)上。CA6140 普通車床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 改造無論是針對(duì)縱向還是橫向均是將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)力矩經(jīng)一級(jí)齒輪減速器傳遞到滾珠絲杠上，然后又滾珠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn) 動(dòng)。 CA6140 機(jī)床原技術(shù)參數(shù)如下： 工件最大回轉(zhuǎn)直徑：在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 工件長(zhǎng)度： 100mm 主軸孔徑： 48mm 主軸前端孔錐度： 莫氏 6號(hào) 主軸轉(zhuǎn)速： 正轉(zhuǎn) （ 24 級(jí)） 10~1400r/min 反轉(zhuǎn)（ 12 級(jí)） 14~1580r/min 加工螺紋范圍： 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 徑節(jié) 進(jìn)給量范圍： 縱向： 細(xì)化 ~~ mm/r 加大 ~ 橫向： 細(xì)化 ~~ mm/r 加大 ~刀架快速移動(dòng)速度： 縱向 4m/min 橫向 2 m/min 主電機(jī)： 功率 轉(zhuǎn)速 1450r/min 快速電機(jī)： 功率 370w 轉(zhuǎn)速 2600r/min L 冷卻泵： 功率 90w 流量 25l/min CA6140 機(jī)床設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 最大加工直徑： 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 最大加工長(zhǎng)度： 1000mm 快進(jìn)速度： 縱向 最大進(jìn)給速度： 縱向 溜板及刀架重力： 縱向 1000 N 橫向 600 N 主軸電動(dòng)機(jī)功率： XX 學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 啟動(dòng)加速時(shí)間： 30ms 控制坐標(biāo)軸數(shù)： 2 最小脈沖當(dāng)量： 縱向 進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙補(bǔ)償量： mm 縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 切削力的確定 主 切削力 ZF （ N） 用經(jīng)驗(yàn)公式估算， 縱車外圓時(shí)車床的主切削力 ZF = 式中 maxD —— 車床床身上加工最大直徑（ mm） 此處 maxD =400mm 則 ZF = =5360N 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，在外圓車削時(shí) XF =(～ ) ZF YF =(～ ) ZF 取其比例 XF ： YF ： ZF =1： ： 則 XF = 5360N=1340N YF = 5360N=2630N 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型 ⑴ 滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)的選型 ① 螺旋滾道型面的選擇 螺旋滾道型面的形狀：?jiǎn)螆A弧型面 、雙圓弧型面 選擇方案：雙圓弧型面 選擇原因：?jiǎn)螆A弧型面接觸角 α隨負(fù)載的大小而變化，因而軸承剛度和承載能力也隨之變化。而雙圓弧型面 有較高接觸剛度，軸向間隙和徑向間隙理論上 為零，接觸角穩(wěn)定，其交接處有一小空隙可容納一些臟物，對(duì)滾珠滾動(dòng)有利。 ② 滾珠絲杠副的鋼球的循環(huán)方式選擇 XX 學(xué)校 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 鋼球的循環(huán)方式：螺旋槽式外循環(huán)、插管式外循環(huán)、鑲塊式內(nèi)循環(huán) 選擇方案：插管式外循環(huán) 選擇原因：插管式外循環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，彎管可制成鋼球流暢性好的通道，經(jīng)濟(jì)性好，應(yīng)用范圍廣泛 ③