【正文】 CA6140車床的數(shù)控改裝緒論數(shù)控機(jī)床的發(fā)展史1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國(guó)誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。（注：兩個(gè)階段：數(shù)控NC階段和計(jì)算機(jī)數(shù)控CNC階段。六代：即電子管時(shí)代、晶體管時(shí)代、小規(guī)模集成電路時(shí)代、小型計(jì)算機(jī)時(shí)代、微處理器時(shí)代和基于PC時(shí)代）。必須指出，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到了第五代以后，才從根本上解決了可靠性低、價(jià)格極為昂貴、應(yīng)用很不方便（主要是編程困難）等極為關(guān)鍵的問(wèn)題。因此，數(shù)控技術(shù)經(jīng)過(guò)了近30年的發(fā)展才走向普及應(yīng)用。機(jī)床數(shù)控化改造的意義機(jī)床數(shù)控化改造，顧名思義就是在機(jī)床上增加微型計(jì)算機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。眾所周知，企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得生存、得到發(fā)展,就必須在最短的時(shí)間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本,制造出滿足市場(chǎng)需求、性能合適的產(chǎn)品。目前,采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床已成為我國(guó)制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。購(gòu)買新的數(shù)控機(jī)床是提高數(shù)控化率的主要途徑,而改造舊機(jī)床、配備數(shù)控系統(tǒng)把普通機(jī)床改裝成數(shù)控機(jī)床也是提高機(jī)床數(shù)控化率的另一條有效途徑。機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng)目前在我國(guó)有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3％。用普通機(jī)床加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高等不良因素，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。近年來(lái)，美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，在制造大量數(shù)控機(jī)床的同時(shí)，也非常重視對(duì)普通機(jī)床的數(shù)控化改造，機(jī)床的技術(shù)改造市場(chǎng)十分活躍。機(jī)床改造業(yè)正逐步從機(jī)床制造業(yè)中分化出來(lái)，形成了用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線的新的行業(yè)和領(lǐng)域。數(shù)控化改造后機(jī)床的優(yōu)越性1)機(jī)床數(shù)控化改造可以提高零件的加工精度和生產(chǎn)效率。2)機(jī)床數(shù)控化改造可以提高機(jī)床的性能和質(zhì)量，加工出普通機(jī)床難以加工或者不能加工的復(fù)雜型面零件。3)機(jī)床數(shù)控化改造后可以實(shí)現(xiàn)加工的柔性自動(dòng)化，效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3~7倍。4)可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)，降低工件的定位誤差。5)擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自檢功能，更好的調(diào)節(jié)了機(jī)床加工狀態(tài)。還可以提示操作者機(jī)床故障或編程錯(cuò)誤等機(jī)床運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題。6)數(shù)控加工降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期很生產(chǎn)周期，并可對(duì)市場(chǎng)需求做出快速反應(yīng)。經(jīng)數(shù)控化改造的機(jī)床就成為了數(shù)控機(jī)床，具有數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，如數(shù)控機(jī)床本身具有的高速、高效和高精度，工序集中，可靠性高等特點(diǎn)。但是改造后的機(jī)床也具有一定的局限性，主要有機(jī)床原有結(jié)構(gòu)精度限制了改造后機(jī)床的加工精度和加工性能；機(jī)床原有的結(jié)構(gòu)形式限制了改造后機(jī)床的加工范圍和數(shù)控化程度。這些不利條件最終影響了改造后機(jī)床的速度和精度。隨著數(shù)控產(chǎn)業(yè)整體水平的提高，數(shù)控系統(tǒng)的性能、伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置等配套產(chǎn)品的性能也提高很多，對(duì)數(shù)控化改造中機(jī)床速度和精度的提高都非常有利:：將CA6140普通車床改造成用MCS51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。要求該車床具有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，具有切削螺紋的功能。設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。（1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能，還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。（2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性價(jià)比，因此，可選 MCS—51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。（5）設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。（6）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。（7）為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦 小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。（8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。: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；溜板及刀架重力（縱向/橫向）：1000/600N；刀架快移速度（縱向橫向）： m/min；最大進(jìn)給速度（縱向橫向）：；定位數(shù)度： ；主電機(jī)功率：；啟動(dòng)加速時(shí)間：30ms。．設(shè)計(jì)要求:．系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方試與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)機(jī)床要求，采用8位機(jī)。由于MCS—51系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，MCS—51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片8031外擴(kuò)一片EPROM就能滿足功能的要求，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，可以利用MCS—51的擴(kuò)展功能，構(gòu)成功能強(qiáng)、規(guī)模較大的系統(tǒng)。所以應(yīng)選用8031單片機(jī)。其次，《設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)》也給出了選用8031。由此可見(jiàn)選用8031是符合經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床電路設(shè)計(jì)的。．機(jī)械傳動(dòng)方式為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠。為了保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載荷的結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體方案見(jiàn)如下如下二．進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算2．1．進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)需要改動(dòng)的主要部分有掛輪架、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案：掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動(dòng)軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。進(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來(lái)裝軸承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原來(lái)安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副、橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀架：拆除原刀架，改裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)四方刀架總成。2．2．系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力矩機(jī)計(jì)算，確定伺服電機(jī)，繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖等。2．3．橫向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核步驟橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖如下：少圖（圖21 橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖）2．3．1．系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及切削力的確定 脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、~,根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量,縱向:2．3．2．切削力的計(jì)算縱車外圓時(shí)主切削力Fz(N)按經(jīng)驗(yàn)公式估算：主切削力:Fz= = （式21）橫切端面時(shí)主切削力Fz可取縱向主切削力的1/2：Fz= Fz=2680N按切削力各分力比例：Fz：F ：F =1：： （式22）所以F =26802．3．3．滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算、和選型滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。珠絲杠滾副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊，雙螺母螺紋式預(yù)緊，雙螺母齒差式預(yù)緊，單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過(guò)盈滾珠預(yù)緊等幾種。2．3．3．1．計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm(N)橫向?qū)к墳檠辔残?，?jì)算：F （式23）其中F為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：，G為溜板及刀架重力GF2．3．3．2．計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 CC= （式24）以上式中：Lo為滾珠絲杠導(dǎo)程，初選Lo=5mm。Vs為最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/21/3，取1/2，即Vs= ；fw為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw=；L為壽命，以10 轉(zhuǎn)為1單位,T為額定壽命，可取T=15000hn L= C=2．3．3．3． 滾珠絲杠螺母副的選型根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，可滿足要求，選定精度為3級(jí)。2．3．3．4． 傳動(dòng)效率計(jì)算 η=tan /tan( +φ) （式25）式中. 為螺旋升角,根據(jù)初選型號(hào)查出 ， 滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=~,φ—摩擦角取10′。 η=tan /tan( +φ)=tan4176。33′/tan(4176。33′+10′)=2．3．3．5．剛度驗(yàn)算最大牽引力為2425N，支承間距L=450mm，因絲杠長(zhǎng)度較短，不需預(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊。計(jì)算如下：絲杠的拉壓變形量根據(jù)Fm=1806N，Do=20mm，從工廠的滾珠絲杠樣本的圖表中查出 /L=4因此， =4 mm滾珠與螺紋滾道接觸變形查資料： 因進(jìn)行了預(yù)緊，所以 。支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形采用8102單向推力軸承（GB30184），d =，Z=12，d=15mm；考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，所以： = ；綜合合以上幾項(xiàng)變形量之和：顯然，此變形量已大于定位精度的要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改設(shè)計(jì)，因橫向溜板限制，不宜再加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力，~，在此取F=，從而減小最大牽引。重新計(jì)算如下：Fm=從資料中查出，當(dāng)Fm=1155N時(shí)， ，因此， = ， 不變。所以綜合幾項(xiàng)變形量之和：。此變形量仍不能滿足要求，如果將滾珠絲杠再經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸，剛度還可以提高四倍，則：，此變形量可以滿足設(shè)計(jì)要求。2．3．3．6．穩(wěn)定校核：計(jì)算臨界負(fù)載：F （式26）其中：E絲杠材料彈性模量，鋼材：E= N/cm ；I為截面慣性矩，絲杠： ，為絲杠的內(nèi)徑，L為絲杠最大工作長(zhǎng)度（mm），f 為絲杠支承方式系數(shù)，因?yàn)榻z杠是一端固定一端簡(jiǎn)支，查表（27）得f = 所以：圖框：簽： 雜談表（二1）方式兩端端自由一端固定一端自由兩端固定兩端簡(jiǎn)支Fz，所以滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。2．3．3．7．滾珠絲杠副的幾何參數(shù)：滾珠絲杠副型號(hào)：；公稱直徑d =20；螺紋底徑 ；導(dǎo)程 ；鋼球直徑 ；絲杠外徑 ；