第3章 机械部分的改造设计与计算
故，1m长的丝杠导程的总误差为15um/m，所以刚度足够。
。查表可知3级精度滚珠丝杠的螺距误差
3.1.4 齿轮的相关计算
由于要满足精度匹配，即满足脉冲当量匹配，故要在电机与丝杠之间加一级传动。用两个齿轮作为普通减速器，没有特殊要求，再应降低成本和易于取材，选用45钢。 （1）传动比
（3-11）
式中错误！未找到引用源。--步距角，为0.75°
错误！未找到引用源。—脉冲当量，为0.01mm 由式（3-11）得，
取齿数错误！未找到引用源。=32 错误！未找到引用源。=40，模数m=2mm，啮合角错误！未找到引用源。=20°，宽度b=20mm 分度圆直径齿顶圆直径中心距
3.1.5 步进电机的计算和选型
（1）转动惯量的计算
工作台折算到电机轴上的转动惯量错误！未找到引用源。
（3-12）
式中m—纵向溜板箱及刀架运动部件的总重，1000N为102Kg。 由式（3-12）得，
（3-13）
式中D—丝杠的公称直径，D=40mm L—丝杠的长度，L=1269mm 由式（3-13）得，
丝杠折算到电机轴上的转动惯量错误！未找到引用源。：
10
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齿轮折算到电机轴上的转动惯量错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。：（公式同丝杠）
总的转动惯量为：
（3-14）
由式（3-14）得， （2）所需转动力矩的计算
（3-15） （3-16） （3-17） （3-18）
式中错误！未找到引用源。—摩擦系数，取错误！未找到引用源。=0.15 错误！未找到引用源。—转动总效率，取错误！未找到引用源。=0.8 错误！未找到引用源。--折算到电机轴上的切削负载力矩
错误！未找到引用源。--最大切削负载时所需的旋转力矩 错误！未找到引用源。--进给放心最大切削力，由式（3-15）得，
由式（3-16）得，由式（3-17）得，由式（3-18）得， （1）确定步进电机型号
表3-2 纵向步进电机参数
型号 相数 步距角 °
电压V 相电流A 最大静转矩N·m 空载启动频率Hz 转动惯量kg·错误！11
第3章 机械部分的改造设计与计算
未找到引用源。 110BF004 3 0.75/1.5 80 4 4.9 500 34.3 3.1.6 纵向轴的设计
轴是组机器的主要零件之一，根据承受的载荷不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。在本设计中，纵向丝杠通过联轴器和轴相连，再通过轴上齿轮和和电动机的轴上齿轮相连，实现传动。故本设计所用转轴类型为转轴的阶梯轴。
轴的结构设计主要是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。
轴的结构设计包括给出轴的合理外形和全部结构尺寸。拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓装配方案，就是预定轴上主要零件的装配方向，顺序和相互关系。
如图3-1所示，轴上零件转配与轴的结构装配方式：从右向左联轴器、轴承、齿轮和轴承安装。
图3-1 纵向轴上零件装配与轴的结构
（1）轴上零件的定位
本轴上的零件轴上定位均为轴间定位。 （2）各轴段直径和长度的确定
零件在轴上的定位和拆装方案确定后，轴的形状便大体确定了。在和轴承与套筒连接的轴段，因为有配合要求且都是外购此类零件，应尽量采用标准直径。 故，纵向传动轴的尺寸如下表所示：
表3-3 纵向轴的尺寸
轴段（左至右） 长度
1 15 2 80 3 50 4 44 12
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直径 25 36 32 28 3.2 横向进给系统的设计与计算
作为经济性数控改造，其横向进给的数控化改造比较简单，即时步进电机经过一级减速后驱动滚珠丝杠，使刀架得以横向运动。步进电机安装固定在大拖板上，保证其同轴度和传动精度。
3.2.1 横向进给系统数控化所需的参数
横向快速移动速度：2m/min 横向工作台重量：300N 步距角：0.75°/1.5° 脉冲当量：0.05mm
3.2.2 切削力计算
横向进给量和快速移动速度约为纵向的二分之一，故横向切削力也取纵向切削力的二分之一。
主切削力力
错误！未找到引用源。、进给抗力
错误！未找到引用源。、切深抗
错误！未找到引用源。的比值在很大范围内会根据切削条件的不同而变化。
由式（3-2）得错误！未找到引用源。=0.4错误！未找到引用源。=598N 由式（3-3）得错误！未找到引用源。=0.5错误！未找到引用源。=747N
3.2.3 滚珠丝杠副的计算和选型
（1）计算轴向力
错误！未找到引用源。
（3-19）
式中K--颠覆力矩影响的实验系数，取K=1.4
—导轨上的摩擦系数，取0.15
错误！未找到引用源。--主切削力，错误！未找到引用源。=1949N
错误！未找到引用源。--切深抗力，错误！未找到引用源。=598N
=747N
=300N
13
错误！未找到引用源。--进给抗力，
—横向溜板箱以及刀架等运动部件的总重,
第3章 机械部分的改造设计与计算
由式（3-19）
=1.4x747+0.15（1494+2x598+300）=1494N （2）计算最大动载荷
错误！未找到引用源。
必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万次后滚道不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即被称为该滚珠丝杠能承受的最大动载荷。
（3-20） （3-21）
（3-22）
式中错误！未找到引用源。--滚珠丝杠的导程，取4mm
错误！未找到引用源。--最大切削力下的进给速度，取错误！未找到引用源。=0.5m/min T--寿命时间，取15000小时
L--寿命值，取错误！未找到引用源。转为1单位
错误！未找到引用源。--运转系数，取错误！未找到引用源。=1.2 错误！未找到引用源。--硬度系数，取错误！未找到引用源。=1
错误！未找到引用源。—横向轴向力，取错误！未找到引用源。=1494N
由式（3-20）得，由式（3-21）得，由式（3-22）得 （3）滚珠丝杠的选型
根据确定的导程值错误！未找到引用源。，计算出的最大动载荷Q，选定为GD系列滚珠丝杠副，规格代号为3204-3，选用3级精度。
表3-4 横向滚珠丝杠参数
规格代号 公称直径mm 3204-3 32 基本导程mm 4 钢球直径mm 3 丝杠底径mm 28.9 丝杠外径mm 31.1 额定静载荷N 额定动载刚度Kc 螺旋升角 ° 2°58′ 500 600 行程 mm 长度 mm 荷N N/um 823 27900 9600 （4）计算传动效率
14
四川理工学院毕业设计（论文）
CA6140进给系统数控改造
学 生：丁张文谦 学 号：12011034302
专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机电2012.1 指导教师：刘康
四川理工学院机械工程学院
二O一六年六月
1
四 川 理 工 学 院 毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目： C6140进给系统数控改造
学院： 机械工程学院 专业： 机械设计制造及自动化 班级： 20121 学号： 12011024302 学生： 丁张文谦 指导教师： 刘康 接受任务时间 2016年3月8日
系主任 （签名） 院长 （签名）
1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 数控改造总体方案设计
纵向、横向进给系统数控改造设计及计算
纵向进给系统部件图1张，横向进给系统部件图1张，零件图2张 设计说明书一份
2．指定查阅的主要参考文献及说明 《数控机床设计》，化学工业出版社 《机床数控化改造》，机械工业出版社 CA6140机床图册
3．进度安排 1 2 3 4 5 设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期 3月 8日~3月16日 3月17日~4月25日 4月26日~5月24日 5月25日~6月 1日 6月 2日~6月15日 收集准备参考资料，查阅文献，完成开题报告 总体方案设计，设计计算，分析 完成所有图纸的绘制并检查修改 完成设计说明书的撰写 答辩准备和毕业答辩 2
摘 要
随着工业的不断发展，机械加工技术也逐渐趋于高精度、高稳定性和人性化。就许多工厂现有机床而言，大量普通机床存在加工精度较低、不能进行大批量的生产、自动化程度不高等问题，但其使用寿命较长，一次性淘汰将会给工厂造成较大损失。因此结合工厂实际情况，考虑将一部分普通机床进行数控化改造，以满足生产需要。
本次设计是针对CA6140普通车床的数控化改造。详尽得介绍了设计的总体方案；纵横向进给的计算，包括丝杠轴承齿轮的选型和效验；以及电气控制部分的设计与选择与数控部分的设计与选择。
本次设计完成了对CA6140机床的数控化改造，在一定程度上满足了机床的多功能化和精度的提高。
关键词： 普通机床 数控化 改造设计
I
ABSTRACT
With the continuous development of industry, mechanical manufacturing technology gradually tends to be more and more highly precise, stabilized and humanized. In terms of existing machine tools in many plants, there are many disadvantages in a large number of general-purpose machine tools, such as lower processing accuracy, being incapable of mass production, lower automation degree. However, its useful life is much longer so that it will cause a greater loss to the plant from an entire elimination of them. Combined with practical situation in the plant, a part of general-purpose machine tools is thus considered to be conducted with NC transformation in order to meet production needs.
This design aims at the NC transformation of CA6140 center lathe. Also, the overall design program is introduced in detail. The calculation of vertical and horizontal feed includes the selection and verification of lead screw bearing gear, as well as the design and selection of electronic control and numerical control.
The NC transformation of CA6140 machine tool is completed in this design, which to a certain extent meets its requirements of multifunction and also achieves the improvement of precision.
Key words: General-purpose machine tool; Numerical control; Transformation design
目 录
II
摘 要 ................................................................. I ABSTRACT ............................................................................................................................. II 第1章 绪论 ............................................................................................................................ 1
1.1数控以及数控化车床的发展与趋势 ............................................................................................... 1
1.1.1国内外数控以及数控化车床发展的概况 ............................................................................ 1 1.1.2 数控化的发展趋势 ............................................................................................................... 1 1.2 普通机床数控化的可行性与必要性 .............................................................................................. 2
1.2.1 普通机床数控化的可行性 ................................................................................................... 2 1.2.2普通机床数控化的必要性 .................................................................................................... 2
第2章 普通车床数控化改造的总体方案 ............................................................................ 4
2.1总体方案设计................................................................................................................................... 4 2.2主轴脉冲发生器............................................................................................................................... 5 2.3机械部分的改造............................................................................................................................... 5 2.4 电气部分的改造.............................................................................................................................. 5 2.5刀架的改造 ...................................................................................................................................... 5 2.6 数控系统的选择.............................................................................................................................. 6
第3章 机械部分的改造设计与计算 .................................................................................... 7
3.1 纵向进给系统的设计与计算 .......................................................................................................... 7
3.1.1 纵向进给系统数控化所需的参数 ....................................................................................... 7 3.1.2 纵车外圆切削力计算 ........................................................................................................... 7 3.1.3 滚珠丝杠副的计算和选型 ................................................................................................... 8 3.1.4 齿轮的相关计算 ................................................................................................................. 10 3.1.5 步进电机的计算和选型 ..................................................................................................... 10 3.1.6 纵向轴的设计 ..................................................................................................................... 12 3.2 横向进给系统的设计与计算 ........................................................................................................ 13
3.2.1 横向进给系统数控化所需的参数 ..................................................................................... 13 3.2.2 切削力计算 ......................................................................................................................... 13 3.2.3 滚珠丝杠副的计算和选型 ................................................................................................. 13 3.2.4 齿轮的相关计算 ................................................................................................................. 15 3.2.5 步进电机的计算和选型 ..................................................................................................... 16
第4章 轴承的选用与配置 .................................................................................................. 19
III
4.1滚动轴承的概述............................................................................................................................. 19 4.2备选滚动轴承的类型 ..................................................................................................................... 19 4.3轴承的配置 .................................................................................................................................... 20
第5章 数控车床电气控制设计 .......................................................................................... 23
5.1数控机床电气控制系统的特点 ..................................................................................................... 23 5.2电气控制方案分析 ......................................................................................................................... 23 5.3 CA6140主电路的设计 .................................................................................................................. 24
5.3.1 原机床电路图 ..................................................................................................................... 24 5.3.2改造后的主电路图 .............................................................................................................. 24
第6章 自动转位刀架的选型 .............................................................................................. 26
6.1选用自动转位刀架的概述 ............................................................................................................. 26 6.2数控车床刀架需要的基本要求 ..................................................................................................... 26 6.3 数控车床刀架结构及选型 ............................................................................................................ 26 6.4 自动回转刀架的工作原理 ............................................................................................................ 27
第7章 CA6140车床数控化改造的数控系统 ................................................................... 29
7.1车床数控化选择数控系统概述 ..................................................................................................... 29 7.2数控机床的构成............................................................................................................................. 29 7.3伺服系统的类型分类 ..................................................................................................................... 30 7.4 数控系统选型................................................................................................................................ 30 7.4 驱动器的设计与选择 .................................................................................................................... 31
7.4.1驱动器的概述 ...................................................................................................................... 31 7.4.2驱动器的选型 ...................................................................................................................... 31 7.5 主轴脉冲编码器的概述 ................................................................................................................ 32
6.5.1编码器的选型 ...................................................................................................................... 33 6.5.2光电编码器工作原理 .......................................................................................................... 33
第8章 结论 .......................................................................................................................... 34 参考文献 .................................................................................................................................. 35 致谢 .......................................................................................................................................... 36
IV
四川理工学院毕业设计
第1章 绪论
1.1数控以及数控化车床的发展与趋势 1.1.1国内外数控以及数控化车床发展的概况
机床是机械制造行业必不可少的基础，所以它的发展一直和机械制造行业密不可分。在计算机技术高速发展下，传统的制造变得不太景气，各个国家以及各大企业都争相投入资金，对全新的现代制造行业进行技术研发，他们认为老旧的制造已经不能满足时代变化的需要，新的制造模式正在慢慢改变着。新的制造行业最核心的是什么，当然是数控系数，是数控技术，是集电子技术、信息自动化检测技术等为一体的新的生产模式。数控系统所代表的新型生产技术相对于传统生产来讲，高精度高效率以及柔性化，是最大的特点，也是新制造模式的亮点。
数控车床作为最基础的生产器械，也是最不可或缺的加工设备。它在供给生产中不仅质量稳定，生产效率也高于传统车床。并且能加工普通车床难以加工的复杂零件。并且在只需要改变程序，便可以加工其他零件。能满足各种单件小批量或者小范围变动的零件，方便快捷省时省力。
企业要在激烈的竞争中生存下来，想要发展，就必须在最短的时间内，以优异质量的产品、低廉的价格满足市场的需求，而性能、质量以及制造周期往往又与工厂的加工设备有密不可分的影响。
大量的普通车床的使用寿命还很长，但是由于加工精度较低，不能大批量的生产，自动化程度不高，严重阻碍的企业的发展。但是如果一次性的全部淘汰换新，是很大一部分企业无法承受的投资成本。
所以，如果能将一部分普通机床数控化，改造以满足生产需要，不失为一条节约成本，提升企业竞争力，也能顺应时代发展的捷径。
1.1.2 数控化的发展趋势
（1）高速高精度高效化
在机械制造行业中，衡量的标准稍有差异，但是最核心的是加工速度、加工精度以
及加工的效率高低。然而在数控化机床的特点却正好是加工速度快，加工精度高以及技工效率高。因为数控机床是电脑控制，没有了繁琐的计算以及检测过程，全部都由电脑
1
第1章 绪论
处理完成。然后数控系统控制伺服系统，特别在有反馈的闭环伺服系统中，加工精度大大提高。 （2）柔性化
数控机床的柔性化表现在两个方面，其一是数控系统本身的柔性化，数控系统分为
很多个模块，每个模块有自己的控制功能，功能强大可以满足不同用户提出的各自特性化需求；柔性化之二是群控系统的柔性化，在不同的生产流程过程中，在群控系统的控制下，可以进行自动的调整，这样的作用是能最大限度的发挥群控系统对生产流程调整的效能。
（3）工艺复合性和多轴化
数控系统最大的特点是高速高精度高效率，而这些特点大多依赖于数控机床的工艺
复合性和多轴化。在普通机床加工时，势必会因为工序的改变多次装夹，所以精度和效率必将下降。在数控化机床上，通过多轴控制和减少工序来达到提高加工效率以及加工精度的目的。 （4）实时智能化
在智能化的最初，其实只是作为一个调度任务的功能，以确保在一定的时间内能够完成任务。而人工智能技术则是尝试去用计算机模拟人类。当科学发展到了如今，我们以及可以让人工智能和实时相结合，从而产生了实时智能这一个新的领域。
1.2 普通机床数控化的可行性与必要性 1.2.1 普通机床数控化的可行性
根据对市场的调研，目前新的经济数控车床，8.5万/台。普通新车床C16140，售价3.8万/台，使用寿命8~10年，而已使用了6~8年的旧车床CA6140，估价0.5万/台，通过改造还可以使用4~6年。普通车床CA6140每台数控化改造所需价格大约3万，数控加工的生产率可提高20%~30%。因此需要对普通车床的数控化改造从经济性来讲是可行的。
1.2.2普通机床数控化的必要性
数控机床的改造从两个方面来说，首先从微观上来讲，由于计算机技术的发达，数
控化机床相对于老式机床拥有众多的优越性能，那么为了这些性能有数控化也就是无可厚非的了，那么其优越性能主要表现为以下几个方面：
2
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（1）计算机异于人类的计算能力，以及精准的定位能力，使数控机床能够在加工过程中计算瞬时的变化量，让每个坐标达到精准的位置，以加工出人类手工无法或者说很难加工出的零件。
（2）数控系统由于是计算机控制，其数控程序可以储存在计算机中，然后自动化生产，这样不仅省时更加省力，从而提高生产效率。这样的好处在于更改数控程序便可以实现更替加工零件。从而实现了单件小批量的自动化生产。
（3）由于计算机的精度高，加工出来的零件相对于传统机床误差较小，装配的时候更容易，基本不再需要修配研磨。
（4）多道工序能够集中，少了繁琐的定位与测量，也减少了零件在多个机床之间来回搬运。
总的来讲从微观来讲，数控化的优点已经显而易见了。大致是降低了工人的劳动强度，节约了劳动力成本，缩短了产品的生产周期以及能够迅速对市场做出反应等等。
从宏观上来讲，在工业发达的国家在军、民机械工业，在上个世纪七八十年代初就已经开始大规模的使用数控机床了。而这并不是简简单单的提高生产效率，使用新研发的技术对老旧制造行业的改造，其中附着的，是使他们的产品而上升到其他行业以及国际地位都有大大提高。而我国却在信息技术的发展中以及落后了二十年之久，每年都会有大量的产品依靠进口，这是不利于我国制造行业，必须从根本，从自身发展，才会有所建树，这也从宏观上表面，机床数控化的必要性。
3
第2章 普通车床数控化改造的总体方案
第2章 普通车床数控化改造的总体方案
2.1总体方案设计
本设计的定位是对普通车床进行经济型改造，所以在具体方案中，在能满足使用要求的情况下尽量少改动，可以极大地降低成本，缩短改造的周期。
本文对CA6140普通车床进行数控化的改造，目的是为了使过时的普通车床能够再次投入生产使用，根据CA6140有关资料数据，以及查阅数控化车床的资料，确定CA6140普通车床数控化的总体方案为：
通过计算机对数据进行储存与处理，然后通过I/O接口与步进电机进行连接输出脉冲，然后再通过一对直齿轮进行减速以后，带动丝杠转动，然后带动与丝杠螺母座连接的小拖板/转位刀架，从而进行纵、横向进给运动。
（总体方案示意图如图2-1所示。）
本次对数控机床是进行经济型改造，能保留的将保留以节约成本与不必要的难度改造，具体而言电机是需要保留下来的，由于变频器对原电机并不能达到满意的调速效果，所以保留原有的手动调速机构。而冷却装置与照明灯装置完全可以保留原有的手动开关，节约成本降低改造难度。
图2-1 普通车床CA6140数控化改造总体方案示意图
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2.2主轴脉冲发生器
要保证CA6140在改造之后能够满足所需精度要求，但是又需要控制成本，所以在原机床上能够使用的我们继续使用。具体下来，我们需要保留原有的电动机以及主传动系统，此包括主轴的手动调速。然后拆去传动链系统，这样一样变不能实现螺纹的切削，为了保留螺纹的切削，便需要在原主轴上安装一个脉冲发生器，用来反馈主轴的转速，再通过数控系统调节纵横向进给的速度，让纵横向进给的速度配合主轴转一转进给一个螺距的要求，从而完成螺纹切削。
2.3机械部分的改造
首先要拆去进给箱、溜板箱，还要对车床的床鞍部分进给改造，拆去纵向小托板、横向拖板，为了保证有满足要求的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，将丝杠换成滚珠丝杠，然后步进电机经过一级减速后将一端驱动进行控制。为了使改装简便以及控制成本，纵向进给使用原来丝杠的位置，然后将步进电机和转动轴部分放在左侧的进给箱位置。横向进给使用原来小拖板进给手动丝杠的位置，将步进电机安装在原来人操作的一侧。
2.4 电气部分的改造
因为加入了数控部分，原电气部分也需要改造。改造的方案大致是保留原有电动机与变速系统，照明灯和冷却液也不作更改，保留原来的。然后用数控系统控制纵横向进给的步进电机，如数控系统输出的电压不够驱动步进电机还需要在步进电机前加驱动器。
2.5刀架的改造
由于CA6140普通车床的刀架满足不了数控化改造后车床所需要的性能和精度的要求。所以要讲普通刀架改成数控自动刀架。而电动刀架的安装也十分方便，产品出厂的时候已备有连接孔，改造时将卧式车床上原有的刀架拆下，将电动刀架装上即可。在选择刀架的时候，应根据原有的刀架进行相似选择，这样省去安装的麻烦和以免产生性能过剩或者不能满足要求的情况。
5
第2章 普通车床数控化改造的总体方案
2.6 数控系统的选择
数控系统的选择主要依据是数控化改造后机床所要达到的精度、性能等，选择性价比高的合适的数控系统，也要考虑原车床的精度与改造的成本、周期、难以程度等各方面因素。切不可选择的数控系统性能大量过剩，也不可为了最求价格低廉选择达不到要求的系统。再一次由于数控化为经济型数控化，在改造中，数控系统只需控制纵横向步进电机以及刀架的电机。
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第3章 机械部分的改造设计与计算
3.1 纵向进给系统的设计与计算 3.1.1 纵向进给系统数控化所需的参数
主电机功率、转速：7.5KW 1450r/min 床鞍纵向快速移动速度：4m/min 纵向工作台重量：1000N 步距角：0.75°/1.5° 脉冲当量：0.01mm
3.1.2 纵车外圆切削力计算
按原车床主电机的功率计算主切削力
（3-1）
式中
--主电机功率，7.5kw --切削功率 kw
--主传动系统总功率，取0.7 K—进给系统系数,取0.95
--线切削速度，取100m/min=1.67m/s 由式（3-1）得
错
主切削力错误！未找到引用源。、进给抗力错误！未找到引用源。、切深抗力误！未找到引用源。的比值在很大范围内会根据切削条件的不同而变化。
错误！未找到引用源。=（0.1~0.55）错误！未找到引用源。 （3-2） 错误！未找到引用源。=（0.15~0.65）错误！未找到引用源。 （3-3） 由式（3-2）得错误！未找到引用源。=0.4错误！未找到引用源。=1195N 由式（3-3）得
错误！未找到引用源。=0.5错误！未找到引用源。=1494N
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第3章 机械部分的改造设计与计算
3.1.3 滚珠丝杠副的计算和选型
（1）计算轴向力错误！未找到引用源。
（3-4）
式中K--颠覆力矩影响的实验系数，取K=1.15
错误！未找到引用源。--进给抗力，由上一节算得错误！未找到引用源。=1195N
错误！未找到引用源。—导轨上的摩擦系数，取0.15
错误！未找到引用源。--主切削力，错误！未找到引用源。=2987N W—纵向溜板箱以及刀架等运动部件的总重W=1000N 由式（3-4）
=1.15x1195+0.15（2987+1000）=1972N
（2）计算最大动载荷Q
必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万次后滚道不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即被称为该滚珠丝杠能承受的最大动载荷。
（3-5） （3-6）
（3-7）
式中错误！未找到引用源。--滚珠丝杠的导程，取6mm
错误！未找到引用源。--最大切削力下的进给速度，取错误！未找到引用源。=1m/min T--寿命时间，取15000小时
L--寿命值，取错误！未找到引用源。转为1单位
错误！未找到引用源。--运转系数，取错误！未找到引用源。=1.2 错误！未找到引用源。--硬度系数，取错误！未找到引用源。=1 错误！未找到引用源。--纵向轴向力，取错误！未找到引用源。=7 由式（3-5）得，由式（3-6）得，由式（3-7）得， （3）滚珠丝杠的选型
=167r/min =150
8
四川理工学院毕业设计
根据确定的导程值错误！未找到引用源。，计算出的最大动载荷Q，选定为GD系列滚珠丝杠副，规格代号为4006-3，选用3级精度。
表3-1 纵向滚珠丝杠参数
规格代号 公称直径mm 4006-3 40 基本导程mm 6 钢球直径mm 3.969 丝杠底径mm 35.2 丝杠外径mm 39 额定静载荷N 额定动载荷N 刚度Kc N/um 731 螺旋升角 ° 2°44′ 750 1269 行程 mm 长度 mm 50907 17299 （4）计算传动效率
（3-8）
式中错误！未找到引用源。--滚珠丝杠的螺旋升角，为2°44′ 错误！未找到引用源。--为摩擦角，取错误！未找到引用源。=10′ 由式（3-8）得,
错误！未找到引用源。
其传动效率大于90%，满足使用要求，故合格。 （5）刚度校核
滚珠丝杠在工作是要受到轴向力和扭矩的作用，轴向力和扭矩将会引起导程错误！未找到引用源。发生变化，然而因为受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略不计，故在此只计算由工作时所受的轴向力引起的导程变化错误！未找到引用源。。 工作负载引起导程的变化量为：错误！未找到引用源。
（3-9） （3-10）
式中E--弹性模量，此处钢材为 A--丝杠的横截面积
--丝杠的螺纹底径
由式（3-9）得，
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（3-23）
式中
错误！未找到引用源。-横向滚珠丝杠的螺旋升角，为2°58′
错误！未找到引用源。--为摩擦角，取错误！未找到引用源。=10′ 由式（3-23）得， （5）刚度校核 滚珠丝杠受轴向力
引起的导程变化量
其传动效率大于90%，满足使用要求，故合格。
（3-24） （3-25）
式中E--弹性模量，此处钢材为
错误！未找到引用源。--丝杠的横截面积 错误！未找到引用源。--丝杠的螺纹底径 由式（3-24）得，
故，1m长的丝杠导程的总误差误差为15um/m，所以刚度足够。
。查表可知3级精度滚珠丝杠的螺距
3.2.4 齿轮的相关计算
由于要满足精度匹配，即满足脉冲当量匹配，故要在电机与丝杠之间加一级传动。用两个齿轮作为普通减速器，没有特殊要求，再应降低成本和易于取材，选用45钢。 （1）传动比
（3-25）
式中--步距角，为0.75°
—脉冲当量，为0.005mm
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第3章 机械部分的改造设计与计算
由式（3-25）得， 取齿数
=18
=32，模数m=2mm，啮合角错误！未找到引用源。=20°，宽度b=20mm
分度圆直径齿顶圆直径中心距
3.2.5 步进电机的计算和选型
（1）转动惯量的计算
工作台折算到电机轴上的转动惯量
（3-26）
式中错误！未找到引用源。—纵向溜板箱及刀架运动部件的总重，300N为30.6Kg。 由式（3-26）得，
（3-27）
丝杠折算到电机轴上的转动惯量错误！未找到引用源。：
式中错误！未找到引用源。—丝杠的公称直径，D=32mm 错误！未找到引用源。—丝杠的长度，L=600mm 由式（3-27）得，
齿轮折算到电机轴上的转动惯量错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。：（公式同丝杠）
总的转动惯量为：
（3-28）
由式（3-28）得，
（2）所需转动力矩的计算
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（3-29） （3-30） （3-31） （3-32）
式中错误！未找到引用源。—摩擦系数，取错误！未找到引用源。=0.15 错误！未找到引用源。—转动总效率，取=0.8
--折算到电机轴上的切削负载力矩 --最大切削负载时所需的旋转力矩
错误！未找到引用源。--进给放心最大切削力，
由式（3-29）得，由式（3-30）得，由式（3-31）得，由式（3-32）得 （1）确定步进电机型号
表3-5 横向步进电机参数
型号 相数 步距角 ° 电压V 相电流A 最大静转矩N·m 空载启动频率Hz 转动惯量kg·错误！未找到引用源。 75BC380 3 0.75/1.5 30 3 0.88 2000 3.218 3.2.6 横向轴的设计
轴是组机器的主要零件之一，根据承受的载荷不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。在本设计中，纵向丝杠通过联轴器和轴相连，再通过轴上齿轮和和电动机的轴上齿轮相连，实现传动。故本设计所用转轴类型为转轴的阶梯轴。
轴的结构设计主要是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。
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第3章 机械部分的改造设计与计算
轴的结构设计包括给出轴的合理外形和全部结构尺寸。拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓装配方案，就是预定轴上主要零件的装配方向，顺序和相互关系。
如图3-2所示，轴上零件转配与轴的结构装配方式：从右向左联轴器、轴承、齿轮和轴承安装。
图3-2 横向向轴上零件装配与轴的结构 （1）轴上零件的定位
本轴上的零件轴上有轴间定位和轴套定位。 （2）各轴段直径和长度的确定
零件在轴上的定位和拆装方案确定后，轴的形状便大体确定了。在和轴承与套筒连接的轴段，因为有配合要求且都是外购此类零件，应尽量采用标准直径。 故，纵向传动轴的尺寸如下表所示：
表3-6 横向轴的尺寸
轴段（左至右） 长度 直径 1 16 15 2 36 20 3 25 15 4 20 9 18
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第4章 轴承的选用与配置
4.1滚动轴承的概述
在元件需要滚动的时候，主要依靠滚动轴承的转动和支承。滚动轴承具有启动所需力矩小、旋转精度高、选用方便等优点。如今滚动轴承已经标准化，只需要选择合适的轴承与配置即可。
4.2备选滚动轴承的类型
（1）深沟球轴承
图4-1 深沟球轴承
主要承受径向载荷，也可同时承受小的轴向载荷。当量摩擦系数最小。在高转速且有轻量化要求的场合，可用来承受单向或双向的轴向载荷。深沟球轴承结构的简单，制造成本也低，所以使用最为广泛。 （2）推力球轴承
图4-2 推力球轴承
只能承受轴向载荷。高速时离心力大，钢球与保持架磨损，发热严重，寿命降低，故极限转速很低。为了防止钢球与滚道之间的滑动。 （3）角接触球轴承
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第4章 轴承的选用与配置
图4-3 角接触球轴承
可以同时承受径向载荷及轴向载荷。能在较高转速下正常工作。由于一个轴承只能承受单向的轴向力。因此一般成对使用。承受轴向载荷的能力与接触角有关。接触角大的，承受轴向载荷的能力也高。
4.3轴承的配置
（1）纵向丝杠轴承的配置
图4-4 纵向丝杠轴承配置
根据轴承配置的方案，最后确定使用如图所示的一端固定，另一端游动支承方案。这种一支点双向固定，另一端支点游动适合跨距较大且工作温度较高的轴。一端由一对正装的角接触球轴承承受轴向力，可以通过调节螺母和垫圈达到理想的游隙或所要求的预紧程度。另一端用一个深沟球轴承游动支承。 （2）纵向转动轴轴承的配置
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图4-5 纵向转动轴轴承配置
由于纵向丝杠已用角接触球轴承消除轴向力，通过套筒联轴器传递到转动轴时，用深沟球轴承已可以满足使用要求。最后选择两端使用各自单向固定的深沟球轴承的支承方式。
（3）横向丝杠轴承的配置
图4-6 横向丝杠轴承配置
配置方式和纵向丝杠的配置类似。依然是一端由一对正装的角接触球轴承承受轴向力，可以通过调节螺母和垫圈达到理想的游隙或所要求的预紧程度。另一端用一个深沟球轴承游动支承。
（4）横向转动轴轴承的配置
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第4章 轴承的选用与配置
图4-7横向转动轴配置
因为是直齿轮不传递轴向力，所以横向转动轴也不需要考虑轴向问题，故也使用两端使用各自单向固定的深沟球轴承的支承方式。
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第5章 数控车床电气控制设计
5.1数控机床电气控制系统的特点
现代化的数控机床主要是用数控系统CNC和PLC集成作为电气控制部分，将PLC作为机床侧信号和CNC一侧信号的中转站，实现外部信号的输入和逻辑控制信号的输出，代替原来的硬件逻辑电路。在实现控制要求时，不仅可以省去大量繁冗的控制电器元件和线路连接，而且可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，当系统改变控制要求和参数时，只需对储存程序加以修改便能改变生产工艺的控制，使系统的效率更高，操作更加简单。另外，针对现代数控机床安全可靠性要求提高的特点，利用PLC的I/O点可扩展性，可自行设计增加若干监测功能，满足数控加工的功能要求。
5.2电气控制方案分析
电气控制部分采用数控系统控制主要的功能和运动，改造设计内容主要包括： （1）由于考虑经济性，不更换原有的电动机，况且使用原电动机与变频器相连并不能得到较好的变速效果，所以保留原来的变速箱。 （2）纵向进给由数控系统控制步进电机实现。 （3）横向进给由数控系统控制步进电机实现。 （4）刀架的转动由数控系统控制刀架的电机实现。
（5）照明灯开关和冷却液的开关由于经济性，使用原电路不作改变，依然使用手动开关。
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第5章 数控车床电气控制设计
5.3 CA6140主电路的设计 5.3.1 原机床电路图
图5-1 CA6140主电路图
由图5-1可知C6140车床主电路共有三台电动机。M1是主轴电动机，带动主轴转动；M2是冷却泵电动机，用来输送切削液；M3是刀架快速移动电动机。主轴正反转是由触电KM1和KM2的闭合与断开实现的。
5.3.2改造后的主电路图
图5-2 改造后的主电路图
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改造后的数控机床主轴保留原来的变速系统，触电KM1和KM2实现电动机M1正反转；冷却泵电动机M2保留原来的电气路线；纵横进给移动分别由步进电机M3、M4控制；刀架转动电机M5由数控系统直接控制。
从图5-2可知，改造后的主电路的工作原理是扳动断路器QF以及空气开关，将三相电源引入。KM1和KM2两个触点控制主轴电动机M1正反转。紧接着也是不改动的冷却泵。然后三相电路连接至数控系统，再由数控系统连接M3、M4、M5，由于数控系统输出的电压不足以驱动步进电机，所所以要在数控系统与步进电机之间加上驱动器，数控系统输出弱点信号控制驱动器，驱动器再外接电源，使其可以有足够的电压驱动步进电机。
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第6章 自动转位刀架的选型
第6章 自动转位刀架的选型
6.1选用自动转位刀架的概述
CA6140数控化改造需要将原来的手动转动刀架换成自动转位刀架。自动转位刀架有数控系统控制，保证了转位的速度与精确度。在选择自动刀架的时候要根据刀位数与加工方式。
6.2数控车床刀架需要的基本要求
数控车床的刀架是车床的不可或缺的组成部分，刀架是用来夹持切削刀具的，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了车床的设计与制作技术水平，对面本设计，需要满足如下要求：
(1) 转位准确可靠，工作平稳安全； (2) 按最短路线转位，转位时间段； (3) 重复定位精度高； (4) 防水防屑，密封性好； (5) 加紧刚性高，适宜重负荷切削； (6) 能在原刀架处不加工安装。
6.3 数控车床刀架结构及选型
图6-1 自动转位刀架结构
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最终选择信号LD4-CK6140立式转位刀架，它与CA6140机床原刀架刀位相同，安装也较方便，只需将原车床的刀架拆下将电动刀架装上即可。在安装时，应将电动机一侧放在远离人站的一面，以免妨碍操作。
表6-1 LD4-CK6140尺寸参数
型号 LD4-CK6140 192 F 12 81 C 168 40 13 A 192 375 E 20 242 20 162 D 152 23 152 90 B 192 表6-2 LD4-CK6140自动转位刀架其他参数
型号 电机功电机转锁紧力重复定换刀时间 率W 速n/min KN 位精度mm 90° 180° 270° LD4-CK6140 120 1400 12 错误！未找到引用源。0.004 2 2.5 3 6.4 自动回转刀架的工作原理
自动回转刀架工作原理如图6-2所示，自动刀架有上下两个端齿盘，在需要换刀的时候，有数控系统发出信号，然后经过弹簧安全离合器带动涡轮副转动，然后螺母抬起上段齿盘，使刀架转动旋转到位，然后自动检测发出信号带动电动机反转锁紧，然后便可以进行加工。
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第6章 自动转位刀架的选型
图6-2 自动刀架原理图
其具体的过程是：当数控系统发出换刀信号后，刀架控制器中继电器动作，电动机正转驱动蜗轮蜗杆减速机构转动，驱动螺杆升降机构旋转使上刀架上升，当刀架上升到一定程度的时候，离合转盘起作用，带动上刀体旋转。刀架上端的发信盘中对应每个刀位都安装一个霍尔传感器元件，当上刀体旋转到某一刀位时，该刀架上霍尔元件输出高电平。在上刀体旋转过程中，发信盘不断的向数控系统反馈刀位信号，说明上刀体已旋转到所选刀位。此时，数控系统立即控制刀架控制继电器使电动机反转，活动销反靠作用下，螺杆带动上刀体下降，直至齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。向数控系统发出转位完成信号，切断电源，电动机停转，完成选刀过程。
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第7章 CA6140车床数控化改造的数控系统
7.1车床数控化选择数控系统概述
数控机床的主要特点是它有一个数控系统，这个系统可以存储程序，运行程序。而具体的数控系统其实就是一个控制系统，事先输入的程序是人类可以读懂的，然后数控系统将它翻译成自己的控制信号，然后自动逐条执行事先输出的程序，也就是执行事先的数值，然后控制机床动作进行零件加工。
7.2数控机床的构成
如图7-1所示，数控机床的数控系统一般是由输入/输出装置、数控装置、驱动控制装置、辅助控制装置四部分组成，机床本体为被控对象。
图7-1 数控机床的主要结构
（1）输入/输出装置：输入装置的作用是将信息载体上的数控加工程序输入数控装置。输入的内容和数控系统的工作状态可以通过输出装置观察。比较常用的输入/输出装置为操作键盘和CRT显示器。
（2）数控装置：数控装置是数控系统的核心。他的主要功能是处理由输入装置输入的各种信息，然后再向驱动装置和辅助控制装置发出指令。其形式是由数字逻辑电路构成的计算机数字控制系统，称谓CNC。由计算机判断而输送两种控制量，一种是送往驱动装置的连续控制量，另一种是送往辅助控制装置的离散性开关量控制。
(3)驱动装置：驱动装置位于数控系统和机床本体之间，是通过数控系统发出的指令，经过功率放大，按照严格的指令对被驱动部分进行驱动。
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参考文献
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致谢
致谢
从拿着题目无从下笔到对题目有了突破口到最后完成设计，最需要感谢的便是我的指导老师--刘康老师。
虽然说做过很多次课程设计了，但是和毕业设计还是有很大的区别。第一天去刘康老师那刘康老师问了一个问题：大学四年你们学的每一科都有什么作用？以前做课程设计的时候基本是都是围绕着一科，比如PLC啊减速器设计啊。但是做到毕业设计的尾声，终于知道毕业设计和课程设计的区别了，那就是毕业设计是讲大学四年大部分课程综合使用。那些没有搞懂的和曾经学会但是忘记的，如今都在实战中一一使用，最大的收获便是在对着陌生的知识一无可知的时候如何克服初期的焦躁静下心去学习新的知识。
其次很感谢帮助我的同学们，因为在互帮互助的过程中，其实我们也对自己的课题更加深刻，因为和同学交流的时候不可能让他将自己的前面所做的设计统统了解，那么必将你的问题归纳总结，提出需要解决的问题，其实这也是毕业设计无形中的锻炼。
还要感谢学校，让我在进入社会之前有一个完整的锻炼机会，因为进入社会不可能老板给你拿这钱还让你学习怎么做。所以能有导师带着做一个陌生的但是又和大学四年学习课程紧接的课题，是多么难能可贵。
最后再次感谢刘康老师的耐心讲解。
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