CA6140车床的数控改造设计

CA6140车床的数控改造——进给系统的改造【摘要】企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。

而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。

当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。

如果将机床设备全部更新换代，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。

所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。

采用数控改造技术，不但可以使改造后的机床满足了技术发展的需要，提高了生产率和产品精度，增大了设备适应能力和型面加工范围，还可以弥补定购新的数控机床交货周期长的不足。

所以采用此方法对中、小型企业来说是十分理想的选择。

ＣＡ6140型车床具有性能良好、结构先进、操作轻便等特点 ,在我国机械制造行业中使用非常广泛。

本设计就取其为例，主要介绍其数控化改造的方案、以及改造部位的选型与设计计算。

【关键词】CA6140车床数控化改造进给系统刀架目录前言 (1)一 CA6140卧式车床的简介 (2)1．机床的特点与用途 (2)2. 机床的主要结构 (2)3．传动系统的分析 (3)二总体改造方案 (5)三进给系统的主要设计计算 (7)1.纵向进给运动的负载分析 (7)2．步进电机的匹配选择 (9)3．滚珠丝杠的校核 (10)四刀架的选型 (11)结束语 (13)谢辞 (14)参考文献 (15)前言机械制造业在国民经济中具有十分重要的地位和作用。

机械制造业提供的装备水平对国民经济各部门的技术进步有着很大的和直接的影响。

机械制造业的规模的水平是反映国民经济实力和科学技术水平的重要标志。

因而，世界各地都把发展机械制造业作为振兴和发展本国经济的战略重点之一。

20世纪70年代以后，由于微电子技术、控制技术、传感器技术、机电一体化技术的迅速发展，特别是计算机的广泛应用，不仅给机械制造领域带来了许多新工艺、新技术、新观念，而且使机械制造技术产生了质的飞跃，走上了一个新的台阶。

我国是制造业大国，但不是强国。

虽然机械制造业取得了很大的成绩，但与国家经济发展需要和世界先进水平相比还是存在着较大的差距，必须迎头赶上。

机械制造生产能力和制造水平，主要取决于机械制造装备的先进程度。

机械制造装备的核心为金属加工机床。

一个国家的机床工业水平在很大程度上代表着这个国家的工业生产能力和技术水平。

改革开放后，我国的机械制造装备业获得迅速发展，目前我国已能生产出多种精密、自动化、高效率的机床及自动生产线，例如已能生产100多种数控机床和加工中心等，并达到一定的技术水平，但与世界先进水平相比还有很大的差距，并且在我国企业中，大多真正投入生产中的还是普通机床。

随着计算机技术的飞速发展,机床的数控化已经成为现实。

以数控机床为代表的现代基础机械是制造业实现生产现代化的重要设备,数控技术的水平高低和机床的数控化率是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。

我国是一个发展中国家,无论从数控技术水平和机床的数控化率都落后于先进的西方发达国家,特别是从上个世纪后期,国家采取了积极的财政政策和扩大内需的方针后,作为现代基础机械的数控机床就满足不了工厂逐年增加的生产需求。

根据我国机床拥有量大、生产规模小的具体国情,采用经济型数控系统对普通机床进行数控化改造,对提高我国机械加工的数控化率,提升拥有大量普通机床的国有企业的加工能力,具有重要的意义。

本文便以CA6140 型车床进行为例，利用经济型数控系统对其进行数控化改造。

一、 CA6140卧式车床简介（一）机床的特点与用途CA6140型卧式车床，其结构具有典型的卧式车床布局，它的通用性程度较高。

加工范围较广，适合于中小型的各种轴类和盘套类零件的加工；能车削内外圆柱面、圆锥面、各种环槽、成形面及端面；能车削常用的米制、英制、模数制及径节制四种标准螺纹，也可以车削加大螺距螺纹、非标准螺距及较精密的螺纹；还可以进行钻孔、扩孔、铰孔、滚花和压光等工作。

（二）机床的主要结构CA6140型普通车床的主要组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。

图1-1 CA6140外形结构图1．床腿 2.进给箱 3.主轴箱 4.床鞍 5.中滑板 6.刀架7．回转盘 8.小滑板 9.尾座 10.床身 12.光杠 13.丝杠 14.溜板箱主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。

进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。

丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。

丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。

溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。

（三）传动系统的分析该机床的传动系统可以分解为主运动传动链和进给运动传动链。

进给运动传动链又可分解为螺纹进给传动链、纵向机动相横向机动进给传动链，同时还有刀架的快速移动传动链。

1.主运动传动链（1）传动路线 CA6140型卧式车床主运动，是由主电动机经三角皮带传至主轴箱中的轴I，轴I上装有一个双向多片式摩擦离合器M1，用以控制主轴的启动停止和换向。

轴I的运动经离合器M1和轴II--III间变速齿轮传至轴III，然后分两路传递给主轴。

①高速传动路线主轴VI上的滑移齿轮Z50处于左边位置，运动经齿轮副直接传给主轴。

②中低速传动路线主轴VI上的滑移齿轮Z50处于右边位置，且使齿式离合器M2接合，运动经轴III-IV-V间的背轮机构和齿轮副传给主轴。

③主轴的转速级数与转速计算根据传动系统图和传动路线表达式，主轴正转可获得2⨯3⨯(2⨯2-1)+2⨯3=24级不同转速。

同理，主轴反转12级。

2.螺纹进给运动传动链CA6140型卧式车床螺纹进给运动传动链，可以保证机床车削公制、英制、模数制和径节制四种标准螺纹。

此外，还可以车削大导程、非标准和较精密的螺纹。

不同标准的螺纹用不同的参数表示其螺距。

无论车削哪一种螺纹，都必须在加工中保证主轴每转一转，刀具准确地移动被加工螺纹一个导程的距离。

3.机动进给传动链实现一般车削时刀架机动进给的纵向和横向进给传动链，由主轴至进给箱中轴XVII的传动路线与车公制或英制常用螺纹的传动路线相同，其后运动经齿轮副传至光杠XIX（此时离合器M5脱开，齿轮Z28与轴XIX 齿轮Z56啮合)，再由光杠经溜板箱中的传动机构，分别传至光杠齿轮齿条机构和横向进给丝杠XXVII。

溜板箱中的双向牙嵌式离合器M 8、M 9和齿轮传副组成的两个换向机构，分别用于变换纵向和横向进给运动的方向。

利用进给箱中的基本螺距机构和增倍机构，以及进给传动链的不同传动路线，可获得纵向和横向进给量各64种。

4.刀架的快速移动传动路线刀架的快速移动是使刀具机动地快速退离或接近加工部位，以减轻工人的劳动强度和缩短辅助时间。

当需要快速移动时，可按下快速移动按钮，装在溜板箱中的快速电动机（0.25kW ，2800r/min ）的运动便经齿轮副传至轴XX ，然后再经溜板箱中与机动进给相同的传动路线传至刀架，实现纵向和横向的快速移动。

图1-2 CA6140传动结构图二、总体改造方案根据实际工况，CA6140型车床的数控化改造方案如下：（一）数控系统选用南京产J WK - 15T 型数控系统一般小型机床的数控化改造多半采用开环控制方式。

数控系统多数为以单板机为主控制单元的简易数控系统。

因为该控制方式投资少，安装调试方便。

这里我们选用南京产J WK -15T 型机床数控系统安装到CA6140车床上。

经过改装后的数控机床工作原理框图如图1 所示。

图2-1 数控机床工作原理图本系统由数控单元双 8031机、步进驱动单元、专用控制程序、功率驱动、步进电机、步进电机减速装置或转位机构和丝杠等组成。

在加工零件时, 编制的数控程序数据输入 RAM(62256)中,专用控制程序 EPRAM (27256 .2764) 在中央处理单元的支持下,按照所输入的加工程序数据, 经过计算处理 , 发出一系列的组合脉冲,经过驱动功放,驱动步进电动机,拖动机械负载分别控制纵、横两个方向的运动方向、运动速度、位移长度,实现车床的微机控制。

当程序执行到换刀指令时,指令只给四个霍尔元件中的一个提供电源, 并同时接通电机电源使电机正转;当转位完成,霍尔元件反馈, 控制电机反转,夹紧完成;然后执行下面的加工程序。

我们选用的J WK - 15T型机床数控系统,采用ISO国际标准数控代码编程,能自动完成车削端面、内外圆柱面、倒角、任意锥面、球面、圆弧逼近的任意曲面以及公英制的螺纹加工,并配有完备的S、M、T功能。

系统采用模块化设计,内部设有计算机、电源、接口、驱动等模块,具有体积小、重量轻、功耗低、功能多、速度高、操作维修方便等特点。

（二）保留原机床的主轴旋转运动，在主轴安装一个脉冲发生器图2-2 主轴箱改造图在改造时，一般不改造主轴箱。

因为若改造主轴箱，必然使机床改造的总费用加大，改造周期也将延长，这样会降低中、小型普通机床的改造的经济价值。

在主轴加脉冲发生器，是为了保证车螺纹时严格的运动关系，在主抽上安装GD7072光电脉冲发生器，通过主轴—脉冲发生器—数控系统—步进电机的信息交换系统，实现主轴转一圈，刀架纵向进给一个螺纹导程的车螺纹运动。

（三）进给系统的改造取消原进给箱，将原丝杠换成滚珠丝杠，并在其尾端联结一对齿轮进行减速, 然后与步进电机相联。

普通车床的进给传动多半为齿轮传动，随着进给变换级数的增多，齿轮对数和操纵机构显著增加。

传动链的增长，不仅使进给箱结构复杂，还因齿轮间隙的多个累积，反向间隙增大，急骤地降低了反向定位精度。

进给系统的改造主要是减少进给箱内的齿轮对数，缩短进给传动链。

所以一般改造时，是去掉进给箱。

用滚珠丝杠副代替普通丝杠副是因为滚珠丝杠副具有传动精度高、效率高、运动平稳、寿命长以及可以预紧以消除间隙并提高系统刚度，反向定位精度高等特点。

（四）导轨副设计在导轨上粘接软带。

滑动导轨的静摩擦因数大，动摩擦因数随速度变化而变化，摩擦损失大，在低速时易出现爬行现象，直接影响运动部件的定位精度。