第八章_卧式车床数控化改造设计

机电一体化系统设计
四、进给传动部件的计算和选型
纵、横向进给传动部件的计算和选型主 要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选 择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步 进电动机等。以下详细介绍纵向进给机构， 横向进给机构与纵向类似，在此从略。
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四、进给传动部件的计算和选型 1．脉冲当量的确定
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二、总体方案的确定 总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给 伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给 传动方式和执行机构的选择等。 （1）普通车床数 控化改造后应具有 单坐标定位，两坐 标直线插补、圆弧 插补以及螺纹插补 的功能。 因此，数控系统 应设计成连续控制 型。
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三、机械系统的改造设计方案
（5）拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副， 将滑动丝杆靠刻度盘一段（长216 mm） 锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻 度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠 副。 （6）将横向进给步进电动机通过法兰座 安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠 丝杠的轴头相联。 （7）拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆）， 更换丝杆的右支承。
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三、机械系统的改造设计方案
需要注意的是：编码器的轴头与安装轴之间必须 采用无间隙柔性联接，且车床主轴的最高转速不允许 超过编码器的最高许用转速。
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三、机械系统的改造设计方案
5．进给系统的改造与设计方案 （1）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴 的同步轴，安装螺纹编码器。 （2）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向 进给步进电动机与同步带减速箱总成。 （3）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条 ，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺 母座与螺母座托架。 （4）拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜 板上方安装四工位立式电动刀架。
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四、进给传动部件的计算和选型 3．滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向） （1）工作载荷Fm的计算 已知移动部件总重量G=1300 N； 车削力 Fc =2673.4 N， Fp =1069.36 N， F f =935.69 N。
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四、进给传动部件的计算和选型
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图 C6140普通车床的结构布局 1-床脚 2-挂轮 3-进给箱 4-Байду номын сангаас轴箱 5-纵溜板 6-溜板箱 7-横溜板 8-刀架 9-上溜板 10-尾座 11-丝杠 12-光杠 13-床身
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卧式车床数控化改造设计 普通车床刀架的纵向和横向进给运动，是由主 轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由 光杆或丝杆带动溜板箱、纵溜板以及横溜板产生移动。 进给参数依靠手工调整，改变参数时需要停车。刀架 的纵向进给和横向进给不能联动，切削次序需要人工 控制。
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二、总体方案的确定
（4）根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、 数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A 转 换电路、串行接口电路等；还要选择步进电动机的驱 动电源以及主轴电动机的交流变频器等。
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二、总体方案的确定 （5）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、 横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠 丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠 丝杠的螺母应有预紧机构等。
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三、机械系统的改造设计方案
采用有级变速时，可选用浙江超力电机有限公 司生产的YD系列7.5kW变极多速三相异步电动机，实 现2～４档变速； 采用无级变速时，应 加装交流变频器，推荐型 号为：F1000-G0075T3B， 适配7.5kW电动机，生产厂 家为烟台惠丰电子有限公 司。
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二、总体方案的确定
（2）普通车床经数控化 改造后属于经济型数控 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 常采用步进电动机的开 环控制系统。
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二、总体方案的确定 （3）根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控 制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用 MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。 MCS-51系列 8位机具有功能多、速度快、抗 干扰能力强、性/价比高等优点。
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卧式车床数控化改造设计
对普通车床 进行数控化改造， 主要是将纵向和 横向进给系统改 成用微机控制的、 能独立运动的进 给伺服系统；将 手动刀架换成能 自动换刀的电动 刀架。
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一、设计任务
题目：C6140普通车床数控化改造设计
任务：将一台C6140普通车床改造成经济型数控车床。
根据设计任务的要求，X方向（横向） 的脉冲当量为δx = 0.005 mm/脉冲，Z方 向（纵向）为δz = 0.01 mm/脉冲。
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四、进给传动部件的计算和选型 2．切削力的计算 ——纵向车削力的计算 设工件材料为碳素结构钢，σb＝650 Mpa； 选用刀具材料为硬质合金YT15； 刀具几何参数为：主偏角kr＝60°，前角γ0＝ 10°，刃倾角λs＝－5°； 切削用量为：背吃刀量ap＝3 mm，进给量f =0.6 mm/r，切削速度vc＝105 m/min。
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一、设计任务
主要技术指标如下：
（1）床身上最大加工直径400 mm； （2）最大加工长度1000 mm； （3）X方向(横向)的脉冲当量δx = 0.005 mm/脉冲, Z方向(纵向)δz = 0.01 mm/脉冲； （4）X方向最快移动速度vxmax = 3000 mm/min，Z方向 为vzmax = 6000 mm/min； （5）X方向最快工进速度vxmaxf = 400 mm/min，Z方向 为vzmaxf = 800 mm/min； （6）X方向定位精度± 0.01 mm，Z方向± 0.02 mm
第八章
卧式车床数控化改造设计
杭州电子科技大学机械工程学院
第八章 卧式车床数控化改造设计

引言 1 设计任务 2 总体方案的确定 3 具体设计



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一、引言 普通车床（如C616/C6132、C618/C6136、C620/C6140、 C630等）是金属切削加工最常用的一类机床。当工件 随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工 出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等，借助成型 刀具，还能加工各种成形回转表面。
F 根据 Fz = Fc ， Fy= Fp ， x = F f 的对应关系，可得：
Fz =2673.4 N， y =1069.36 N， x=935.69 N。 F F 选用矩形－三角形组合滑动导轨，查表，取 K = 1.15， = 0.16， 代入Fm＝ K Fx ( Fz G) , 得工作载荷 +
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三、机械系统的改造设计方案
提高车床的自动化程度，需要在加工中自动 变换转速，用2～４速的多速电动机代替原有的单 速主电动机； 当多速电动机仍不能满足要求时，用交流变频 器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使 用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于 70Hz，原来的电动机可以不更换，但所选变频器 的功率应比电动机大）。
Fm ≈ 1712 N。
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四、进给传动部件的计算和选型 （2）最大动载荷FQ的计算 设车床Z向在承受最大切削力条件下最快的 进给速度V=0.8 m/min，初选丝杠基本导程 Ph = 6 mm，则此时丝杠转速 n = 1000V/Ph ≈ 133 （ r/min）。 取滚珠丝杠的使用寿命T=15000 h，代入L0 = 60 n T / 106，得丝杠寿命系数 L0 = 119.7（单位为： 106 r）。 查表3-30，取载荷系数fW = 1.15，硬度系数fH = 1 ，代入下式，得到最大动载荷：
螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异 轴安装。 同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与 主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通 孔。 异轴安装是指将编码器安装在床头箱的后端，一 般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同 步轴，可将编码器通过一对传动比为1：1的同步齿形 带与主轴联接起来。
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三、机械系统的改造设计方案
2．安装电动卡盘 为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动 卡盘，选用呼和浩特机床附件总厂生产的KD11250型 电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系 统发信控制。
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三、机械系统的改造设计方案
3．换装自动回转刀架 为了提高加工精度， 实现一次装夹完成多 道工序，将车床原有 的手动刀架换成自动 回转刀架，选用常州 市宏达机床数控设备 有限公司生产的 LD4B-CK6140型四工 位立式电动刀架。实 现自动换刀需要配置 相应的电路，由数控 系统完成。
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四、进给传动部件的计算和选型
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四、进给传动部件的计算和选型
y C 查表3-1，得： Fc ＝2795，xFc ＝1.0，Fc ＝0.75，nFc ＝ －0.15。 查表，得：主偏角Кr的修正系 kk F＝0.94；刃倾角、 前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。 由经验公式，算得主切削力Fc ＝2673.4 N。由经验 公式 Fc:F f : Fp＝1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力 F f ＝935.69 N，背向力 Fp =1069.36 N。
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三、机械系统的改造设计方案 4．螺纹编码器的安装方案
螺纹编码器又称主 轴脉冲发生器或圆光 栅。数控车床加工螺 纹时，需要配置主轴 脉冲发生器，作为车 床主轴位置信号的反 馈元件，它与车床主 轴同步转动。
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三、机械系统的改造设计方案
改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是24 mm， Z向的进给脉冲当量是0.01 mm/脉冲，所以螺纹编码 器每转一转输出的脉冲数应不少于24 mm /（0.01 mm/脉冲）=2400脉冲。 考虑到编码器的输出有相位差为90º 的A、B相信 号，可用A、B异或后获得2400个脉冲（一转内）， 这样编码器的线数可降到1200线（A、B信号）。另 外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还 需要输出每转一个的零位脉冲Z。