CA6140车床的数控改造

摘 要我国数控机床产量持续高速增长，数控机床在加工精度、自动化程度、生产效率、劳动强度等诸方面都有普通机床无法比拟的优势，但购买新的数控机床特别是大型数控机床费用很高，常使许多用户望而怯步，对普通机床实施数控化改造，不仅实用性能良好、周期短，而且可以节约大量资金。本文主要论述了普通车床改造的项目、步骤和需要进行改造的主要部件。重点讨论了 CA6140 机床的主轴系统、进给系统、丝杠、刀架以及导轨的改造。通过对老机床实施数控化的改造，可以节约成本，提高工作效率。关键词： 普通机床 数控化改造 目 录第一章 数控车床的简介 .1第二章 数控机床的改造概述 .5第三章 数控机床的改造 .11第四章 机床数控系统的选择 .32结论 .34致谢 .35参考文献 .36附录 A .37第一章 数控车床简介1.1 数控机床概述数控机床及由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目。它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。通过持续的开发研究以及对信息技术的深化应用，促进了数控机床性能和质量的进一步提升，使数控机床成为国民经济和国防建设发展的重要制造装备。我国数控机床产量持续高速增长，根据市场需求和技术发展趋势，应重点推进高效、精密为核心的数控机床“m”级工程，加强发展高性能、高可靠性数控功能部件，积极开展复合加工机床、超精密数控机床和可重构制造系统的工程化研究等相应的关键技术。近 6 年来，我国数控金切机床（简称数控机床）产量一直以年均增长超过 30%速度发展。据初步统计，2004 年数控机床的产量为 51860 台，同比增长 40.8%,数控机床的消费量约 74000 台，同比增长 32%。数控机床需求的旺盛也促进了 2004 年内新建的三资和民营机床厂以及数控机床品种的明显增加。1.2 数控机床的工作原理数控机床由：程序、输人/输出装置、CNC 单元、伺服系统、位置反馈系统、机床本体组成。1.程序的存储介质，又称程序载体。主要有以下类型： 软盘、磁盘、U 盘等。2.输人/输出装置1)对于软磁盘 2)配用软盘驱动器和驱动卡3) 现代数控机床 4)还可以通过手动方式(MDI 方式)5)DNC 网络通讯、RS232 串口通讯。3.CNC 单元CNC 单元是数控机床的核心，CNC 单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。CNC 单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件作进给运动。其它的还有主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号，冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度台转位等辅助指令信号等。准备功能：G00,G01,G02,G03,辅助功能：M03，M04刀具、进给速度、主轴：T，F，S4位置反馈系统（检测反馈系统）伺服电动机的转角位移的反馈、数控机床执行机构(工作台)的位移反馈。包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。反馈装置把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较，计算实际位置与指令位置之间的偏差，并发出偏差指令控制执行部件的进给运动。反馈系统包括半闭环、闭环两种系统。1.3 数控机床的发展趋势以数字化为特征数控机床是柔性化制造系统和敏捷化制造系统的基础装备，它的总的发展趋势是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺适用性和经济性。具体可归纳为下列八个方面：1.持续地提高经济加工精度 从 1950 年至 2000 年的 50 年内加工精度提升 100 倍左右，即加工精度平均每 8 年提高 1 倍，当前的普通加工精度已达到上世纪 50 年代的精密加工水平。 以加工中心加工典型件的尺寸精度和形位精度为例对比国内外的水平，国内大致为0.0080.010mm，而国际先进水平为 0.0020.003mm，按上述统计规律分析差距约为 15年左右。 2.推进全面高速化实现高效制造 在刀具材料和刀具结构不断发展的支持下，切削速度不断地提高。在实际生产中，车、铣 45 号钢由 1950 年的 80100m/min，至 2000 年普遍达到 500600m/min，50 年内切削速度提高了 5 倍。高速化加工另一个特点是大多从单一的高速切削发展至全面高速化，不仅要缩短切削时间，也要力求降低辅助时间和技术准备时间。 3.复合加工机床促进新一代高效机床的形成 复合机床的含义是在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。复合机床根据其结构特点，可以分为工艺复合型和工序复合型两类。 工艺复合型为跨加工类别的复合机床，包括不同加工方法和工艺的复合，如车铣中心、铣车中心、激光铣削加工机床、冲压与激光切割复合、金属烧结与镜面切削复合等。 工序复合型应用刀具（铣头）自动交换装置、主轴立卧转换头、双摆铣头、多主轴头和多回转刀架等配置，增加工件在一次安装下的加工工序数，如多面多轴联动加工的复合机床和主副双主轴车削中心等。 复合数控机床具有良好的工艺适用性，避免了在制品的储存和传输等环节，有力地支持了准时制造（JIT） ，因此对它的研发已被给予了极大的关注。 4.工艺适用性的专门化数控机床正不断涌现 通过对机床布局和结构的创新，使对不同类型的零件加工具有最佳的适用,避免一方面出现不能发挥最佳性能,另一方面又存在功能冗余的现象。 要解决品种多样化与经济性的矛盾，这就要对机床的模块化设计提出更高的要求。以及对可重构机床（Reconfigurable Machine Tools，简称 RMT）技术的探索，反映了对制造装备能更方便地实现个性化、多样化发展的一个追求。5.智能化和集成化成为数字化制造的重要支撑技术 信息技术的发展及其与传统机床的相融合，使机床朝着数字化、集成化和智能化的方向发展。数字化制造装备、数字化生产线、数字化工厂的应用空间将越来越大；而采用智能技术来实现多信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、复杂曲面加工运动轨迹优化控制、故障自诊断和智能维护以及信息集成等功能，将大大提升成形和加工精度、提高制造效率。 6.发展适应敏捷制造和网络化分布式的制造系统 回顾近 10 年来制造系统的发展历程，基本上遵循以下两个方向：增强制造系统的智能化和自治管理功能，以提高 FMC/FMS 的快速响应能力；发展兼顾柔性、高效、低成本和高质量且便于重构的新型制造系统以适应不确定性的市场环境 。这类制造系统称为快速重组制造系统（RRMS）或可重构制造系统（RMS） 。其原理为通过对制造系统中的设备配置的调整或更换设备上的功能模块来迅速构成适应新产品生产的制造系统。这就要求设备和系统不仅软件具有开放性，而且硬件也要有开放性成为功能可重构的机床，即如前面提到的可重构机床（RMT） 。 7.向大型化和微小化两极发展 能源装备的大型化及航空航天事业等的发展，需要重型立式卧式加工中心和铣车中心。 超精密加工技术和微纳米技术是 21 世纪的战略高技术，正在形成一个产业。需发展能适应微小型尺寸结构和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备。 航空航天、IT 和国防高新技术的需求推进了超精加工技术及设备的发展。上世纪 60年代，美国开发出第一台商品化超精密机床，其加工尺寸精度为0.8m；70 年代英国克兰菲尔德精密工程研究所批量生产的超精密车床加工的面形精度优于 0.1m；80 年代美国 LLL 实验室和 Y-12 工厂合作生产的大型超精密金刚石车床的加工平面形度达0.0125m，最大加工直径为 2100mm。加工技术总的发展趋势是：加工精度不断提高，加工尺寸不断增加，加工方法多样化。由于晶片和光学镜片等硬脆材料加工的需要，超精密磨削和研抛以及非机械能的特种加工方法使加工精度可优于 0.005m。 8.配套装置和功能部件的品种质量日臻完善 不仅数控系统（含数控装置和伺服驱动装置）有专业化生产厂，凡关键的通用性功能部件如电主轴、刀具自动交换系统、滚动导轨副、直线滚动丝杠驱动副、双摆主轴头、双摆回转台和自动转位刀塔等在国外均有一些著名的专业化生产厂，这对保证产品质量，增长整机的可靠性和降低成本起着重要的作用。 完善的高集成度的专用电路系统的研发，仍是数控系统可靠性继续增长和结构小型化的一项重要措施。 第二章 数控机床的改造概述2.1.数控机床改造的必要性(1)微观看改造的必要性 微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化” 。 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配” 。可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床） ，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC（柔性制造单元） 、FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。(2 )宏观看改造的必要性 宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、80 年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS 外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS（管理信息系统） 、CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化） ，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在1994 年已达 20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。2.2.数控改造的步骤(1) 改造方案的确定改造的可行性分析通过以后，就可以针对某台或某几台机床的现况确定改造方案，一般包括： a.机械修理与电气改造相结合一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。要确定修理的要求、范围、内容；也要确定因电气改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。机械性能的完好是电气改造成功的基础。b.先易后难、先局部后全局确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如数控系统、测量系统、主轴、进给系统、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。这样可使改造工作减少遗漏和差错。在每个子系统工作中，应先做技术性较低的、工作量较大的工作，然后做技术性高的、要求精细的工作，使人的注意力能集中到关键地方。c.根据使用条件选择系统针对某台或某几台机床，确定它的环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线，甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电气系统有了可靠的使用保证。当然，电气系统的选择必须考虑成熟产品，性能合理、实用，有备件及维修支持，功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。d.改造范围与周期的确定有时数控机床电气系统改造，并不一定包含该机床全部电气系统，应根据科学的测定和分析决定其改造范围。停机改造的周期，根据各企业的实际情况确定，考虑因素有生产紧张程度、人员技术水平、准备工作充分程度、新系统大小与复杂程度，甚至还包括天气情况等。切忌好大喜功，急于求成，匆忙上阵，但也要合理安排，防止拖拖拉拉。(2) 改造的实施 准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。实施阶段内容按时间顺序分为：a.原机床的全面保养 机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。b.保留的电气部分最佳化调整 若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换，电机的保养，变压器的烘干绝缘，污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新，连接件的紧固等等。只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调整工作，才能保证改造后的机床有较低的故障率。c.原系统拆除 原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆(局部改造情况下)。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。切忌大手大脚，乱扔乱放。 d.合理安排新系统位置及布线 根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装饰等。连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。e.调试 调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生。调试现场必须清理干净，无多余物品；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。2.3.数控机床改造的重要内容a、数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是 NC 化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 NC 机床、CNC 机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。b、数控化改造的优缺点 (1) 减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省 6080 的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的 1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高 23 倍，与购置新机床相比，只能节省投资 50左右。(2) 机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 (3) 熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。(4) 可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 (5) 可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。2.4.数控系统的选择数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。 (1) 步进电机拖动的开环系统该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。(2) 异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。 (3) 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国 SIEMENS 公司、日本 FANUC 公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。2.5.数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。 (1) 滑动导轨副对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。(2) 齿轮副一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。 (3) 滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于 6 级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在 90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。车床经改造后不但保持了原机床主轴传动部分变速范围广的特点，在机床运动控制上可以利用编程语言编程控制，还可以在系统示教状态下将操作者手动加工过程自动生成 ISO 代码，以便下一零件的自动加工。实践证明该机床操作方便，降低了操作者劳动强度，提高了产品质量，为下一道工序生产创造了良好条件。而改造所需费用仅是购买简易数控车床价格的一半。第三章 数控机床的改造3.1 CA6140 的基本情况（1）传动路线CA6140 型卧式车床的主运动传动链可使主轴获得 24 级正转转速（101400r/min ）及 12 级反转转速（141580r/min）。其传动路线是，运动由主电动机（7.5kw，1440r/min）经 v 形带传至主轴箱中的轴 ，轴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。离合器 M1 向左接合时，主轴正转；向右接合时，主轴反转；左右都不接合时，主轴停转（电动机仍然空转）。轴上的运动经离合器 M1 传递到轴，然后又传递到轴，故轴 上可获得 6 种转速。运动由轴传往主轴有 2 条线路。高速传动路线 主轴上的滑动齿轮移至左端（图示位置），运动经齿轮副 63/50 直接传给主轴，得到 4601400r/min 的 6 种高转速。电 动 机 （ 右 ）（ 反 转 ）（ 左 ）（ 正 转 ） （ 7.5）140 （ 主 轴 ）中低速传动路线 主轴上的滑动齿轮移至右端，使内齿轮式离合器 M2 接合时，则运动轴轴间的背轮机构和齿轮副 26/58 传给主轴，使主轴获得 10500r/min 的中、低转速。主运动传动链的传动路线表达如上图：(2)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，主轴可获得 30 级转速，但由于轴 III-IV-V 间的传动比为：u1=50/50 X 51/501 u2=50/50 X 20/80 =1/4u3=20/80 X 51/50 1/4 u4=20/80 X 20/80=1/16其中 u2 和 u3 近似相等，所以运动经背轮机构这条路线传动时，主轴实际上只能得到 2X3X（2X21）=18 级不同的转速，加上经齿轮副 63/50 直接传动时的 6级转速，主轴实际上只能获得 24 级不同的转速。（1） 1450X130/230X51/43X22/58X20/80X20/80X26/58=10 r/min（2） 1450X130/230X56/38X22/58X20/80X20/80X26/58=12.5 r/min（3） 1450X130/230X51/43X30/50X20/80X20/80X26/58=16 r/min（4） 1450X130/230X56/38X30/50X20/80X20/80X26/58=20 r/min（5） 1450X130/230X51/43X39/41X20/80X20/80X26/58=25 r/min（6） 1450X130/230X56/38X39/41X50/80X20/80X26/58=32 r/min（7） 1450X130/230X51/43X22/58X50/50X20/80X26/58=40 r/min（8） 1450X130/230X56/38X22/58X50/50X20/80X26/58=50 r/min（9） 1450X130/230X51/43X30/50X50/50X20/80X26/58=63 r/min（10） 1450X130/230X56/38X30/50X50/50X20/80X26/58=80 r/min（11） 1450X130/230X51/43X39/41X50/50X20/80X26/58=100 r/min（12） 1450X130/230X56/38X39/41X50/50X20/80X26/58=125 r/min（13） 1450X130/230X51/43X22/58X50/50X51/50X26/58=160 r/min（14） 1450X130/230X56/38X22/58X50/50X51/50X26/58=200 r/min（15） 1450X130/230X51/43X30/50X50/50X51/50X26/58=250 r/min（16） 1450X130/230X56/38X30/50X50/50X51/50X26/58=320 r/min（17） 1450X130/230X51/43X39/41X50/50X51/50X26/58=400 r/min（18） 1450X130/230X51/43X22/58X63/50=450 r/min（19） 1450X130/230X56/38X39/41X50/50X51/50X26/58=500 r/min（20） 1450X130/230X56/38X22/58X63/50=560 r/min（21） 1450X130/230X51/43X30/50X63/50=710 r/min（22） 1450X130/230X56/38X30/50X63/50=900 r/min（23） 1450X130/230X51/43X39/41X63/50=1120 r/min（24） 1450X130/230X56/35X39/41X63/50=1400 r/min反转时，各级转速为（r/min）12，15，19，24，30，38，48，60，75 ，96 ，120 ，150，190，240，300，385，480，540，600，670，850，1080 ，1345，1680。同理，主轴反转时也只能获得 3+3X（2X21）=12 级不同的转速。主轴的各级转速，可根据各滑移齿轮的啮合状态求得，主轴正转时的 24 级转速为101400r/min；反转时的 12 级转速为 141580r/min。主轴反转通常不用切削，而是用于车削螺纹时，在不断开主轴和刀架间内联系传动的情况下，切削完一刀后使车刀沿螺纹线退至起始位置，节省辅助时间。(一) 纵横向进给传动链 主 轴 （ ） 米 制 螺 纹 传 动 路 线英 制 螺 纹 传 动 路 线 （ 光 杠 ）（ 超 越 离 合 器 ） （ 安 全 离 合 器 ） 丝 杠 ） 刀 架 （ 横 向 进 给 ）齿 条 刀 架 （ 纵 向 进 给 ）实现一般车削时刀架机动进给的纵向和横向进给传动链，由主轴至进给箱轴 XVII 的传动路线与车米制或英制常用螺纹时的传动路线相同，其后运动经齿轮副 28/56 及联轴节传至光杠 XIX（此时离合器 M2 脱开），再由光杠经溜板箱中的传动机构，分别传至齿轮齿条机构和横向进给丝杠 XXVII，使刀架作纵向或横向机动进给，其传动路线表达式如上图所示。溜板箱中由双向牙嵌式离合器 M8、M9 和齿轮副 40/48、（40/30 ）X（30/48）组成的两个换向机构，分别由于变换纵向或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，可获得纵向或横向进给量各 64 种。纵向进给量的变换范围为 0.0286.33mm/r，横向进给量的变换范围为0.0143.165mm/r。3.2 改造后的技术要求车床型号：CA6140（数控改造）；系统：DTM 5T；刀架工位数：4；刀架的最大 X 行程：230MM；刀架最大行程：850MM；主轴转速：32r/min2000r/min，12 级； 进给速度：X 向 3mm/min1500mm/min，Z 向6mm/min3000mm/min；脉冲当量：X 向 0.005， Z 向 0.01。改造后的检验项目包括：a. 主轴高、中、低转速变换试验。转速的指令值与显示值允差为5%。 b. 任选一种进给量，在 XZ 轴全部行程上，连续做工作进给和快速进给试验。快速行程应大于 1/2 全行程。正反方和连续操作不少于 7 次。 c. 主轴做正转、反转、停止及变换主轴转速试验。 d. 转塔刀架进行正反方向转位试验。 e. 试验进给坐标超程、手动数据输入、位置显示，回基准点，程序序号批示和检索、程序暂停、程序删除、址线插补、直线切削徨、锥度切削循环、螺纹切削循环、圆弧切削循环、刀具位置补偿、螺距补偿、间隙补偿等功能的可靠性、动作灵活性等。3.3 CA6140 数控改造3.3.1 主传动系统为了适应数控机床加工范围广、工艺性强、加工精度高和自动化程度高等特点，数控机床的主传动变速主要是无极变速、分段无级变速、内置电动机变速的 3 种方式。目前，数控机床的主传动变速系统又采用齿轮分级变速的，也有采用直流和交流调速电动机的无级变速的，但随着新型直流和交流主轴调速电动机的日趋完善，齿轮分级变速变速传动在逐渐减少，采用交流或直流调速电动机，不仅可以大大地简化机械机构，而且可以很方便地实现范围很宽的无级调速，还可以按照指令连续地进行变速，实现恒线速切削，进一步提高机床的工作能力。采用调速电动机的主传动变速系统，通常有以下 3 种配置方式（见图 2.1） (1)主轴电动机直接驱动见图 2.1(a)所示，电动机与主轴用联轴器同轴连接，这种方式大大简化了主轴箱和主轴结构，有效地提高了主轴部件的的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴精度影响较大。近年来多采用交流私服电动机，它的功率一般都很大，而且其输出功率与实际消耗的功率有保持同步，效率很高。(2)电动机经同步齿形带传动主轴如图 2.1(b)所示，主轴电动机将其运动经齿形同步带以定比传动传递给主轴。由于输出扭矩较小，这种传动方式主要用于小型数控机床扭矩特性要求的主轴，可以减少传动中的振动和噪音。(3)电动机经齿轮变速传动主轴如图 2.1(c)所示，主轴电动机经二级齿轮变速，使主轴获得低速和高速系列，使之成为分段无级变速，这种配置方式在大中型数控机床种采用较多，通过齿轮传动降速后，输出转距可以扩大，以满足时输出扭矩特征的要求。一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩，滑动齿轮的位移大都采用液压或电磁离合器两种方式来实现。 主 轴电 动 机 主 轴电 动 机主 轴电 动 机图 2.1数 控 机 床 传 动 的 配 置 方 式(a)(b)cd(4)电主轴如图 2.1(d)所示，将调速电动机与主轴合成一体（电动机转子轴即为机床主轴），是近年来新出现的一种结构，其优点是主轴部件结构更紧凑、刚度强、重量轻、惯量小、可提高调速电动机的启动、停止的响应特点。其缺点同样是电动机的发热引起的热变形的问题。主轴组件的设计图3是主轴结构图。主轴为三支承，前、中轴承在主轴箱内，是主要支承，后轴承在变速箱中，是辅助支承。前轴承是NN3024SKM-SP及234424MA-SP，中间轴承为NN3022SKM-CP。这种轴承排列具有很高的刚性，轴向力及径向力分别由不同的轴承负担，轴向热膨胀可由圆柱滚子轴承吸收。后轴承是向心球轴承D220。由于三个轴承孔的同轴度很难保证，所以后轴承与箱体孔的配合较松，前、中轴承用长效润滑脂润滑，并用主轴中间的两个背帽调节。主轴前端的两个半圆垫在装配时配磨，用来调整前轴承的预负荷。主轴孔径为70。图 33.3.2 电动机的选择步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的执行元件，可在宽广的范围内调速。在负载能力范围内，其输出转角定位精度无积累误差，特别适合于开环数控系统。 混合式步进电机是一种兼有反应式和永磁式两种步进电机优点的新型电机，国外主流品种，国内也已大面积取代反应式步进电机成为市场热点。步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为 3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为 0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为 0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR ）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为 360/10000=0.036。对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360/131072=9.89 秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的 1/655。二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300600RPM 。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可。六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA 400W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。七、马达与步进马达的不同1.伺服是多用在闭环的，而步进多用在开环系统中。2.伺服马达可高速运行，而步进则没有伺服那样的高速：步进马达一 般在 1500 转以下，伺服可达 3000 转以上；还有就是，步进马达不能高速启动。3.精度不一样。综上所述，交流伺服电机在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。南京华兴数控有限责任公司目前拥有 39、42、57、75、85、86、90、110、130 机座号内二相、三相、四相、五相几十个规格的产品，品种齐全，系列完整，质量上乘，可满足各种使用场合，已广泛应用于车床、铣床、磨床、切割机、雕刻机，轻工、包装、纺织、医疗、环保机械，机器人，电脑绣花机，广告设备等自动控制领域。 常州华尊铁路电气机械有限公司（常州市常华电机有限公司）是步进电机的专业生产厂，本产品主要使用于数控机床及工业自动化设备，电机分为 5 相、3 相、2/4 相。主要生产圆形和方型的步进电机系列。杭州时代自动化有限公司是步进电机的专业生产厂，本产品主要使用于数控机床及工业自动化设备，电机分为 2/4 相、3 相、5 相系列产品。本公司承诺质保 1 年，系列完整，质量上乘，可满足各种使用场合，已广泛应用于车床、铣床、磨床、切割机、雕刻机，轻工等自动化控制领域。我们选择杭州时代自动化有限公司的 XDL-15 型步进电动机和配套驱动器，主要原因：其公司的价格便宜，产品有质量保证。1.特 点： 高性能、低价格 静止时，线圈减流自 动减半。 输入电信号 TTL 兼容 单电源输入 DC12V-DC40V 精度可选 6.32.64 细分 驱动电流可达 1.5A/相 输入电信号 TTL 兼容 4 线，6 线，8 线两相步进电机都可以驱动2.驱动器接线：3.电源供给：电源电压在 DC12VDC40V 之间都可以正常工作，本驱动器采用非稳压型直流电源供电，电压波峰值不超过 40V，如超过 40V 有可能损坏驱动器。我们使用+24V 直流供电，可以避免电网波动超过驱动器电压工作范围。4.步进电机接线：步进电机 A 相接于 P2 口的 3.4 脚之间，B 相接于 P2 口的 5.6 脚之间；以下是 4 线，6 线，8 线步进电机的详细接法：5.电气特性：XDL-15供电范围 +12V-40VDC峰值输出电流 0.1A-1.5A（可调）典型供电电压 +24VDC细分精度 2 细分（400 步/圈） 4 细分（800 步/圈） 16 细分（3200 步/圈）64细分（12800 步/圈）6.使用环境及参数:冷却方式 自然冷却或强制风冷温度 0+50湿度 4090 RH震动 6.0m/s2 Max使用环境场合 尽量避免粉尘、油雾及腐蚀性气体保存温度 -20+65重量 约 200 克7. 机械安装尺寸：L=92mm W=62mm H=28mm3.3.3 进给系统的改造进给运动是指由机床提供的使刀具与工件之间产生的附加相对运动。进给运动与主运动相配合，可以形成完整的切削加工。在普通车床上，进给运动是机床刀架（溜板）的直线移动。它可以是纵向的移动（与机床主轴轴线平行），也可以是横向的移动（与机床主轴轴线垂直），但只能是一个方向的移动。例如车削外圆时，车刀沿平行工件轴线（也就是主轴轴线的方向）做纵向运动；而车削端面时，车刀沿垂直于机床主轴轴线的方向做横向移动。在数控车床上，虽然进给运动的形式可能有所不同，但基本原理是一致的。与普通车床不同的是，数控车床可以同时实现两个方向的进给，从而加工出各种具有复杂母线的回转体工件。从上述分析中，可以知道：在车削加工中，主运动消耗的能量较大，进给运动所消耗的能量要小点。在普通车床中，主运动和进给运动的动力都来源于同一台电动机。通过一系列的机械传动，把能量分配给主运动和进给运动，进而实现车削加工。在数控车床中，主运动和进给运动是由不同的电动机来驱动的，分别称为主轴电动机和坐标轴私服电机。它们由机床的控制系统进行控制，自动完成切削加工。因此，我对这个的改造的进行步骤是：先拆除原机床上的进给箱内的所有传动齿轮，然后进行电动机的安装（XDL-15 步进电动机）。3.3.4 丝杠的选择上海导全自动化设备有限公司是集研发、生产、贸易为一体的综合型企业，公司与台湾、韩国、美国及日本等著名品牌厂家建立了良好的合作关系。企业凭借雄厚的经济实力，齐全库存，合理价格，交货迅速，深受国内外用户的欢迎与信赖，并使导全公司得到了稳健的发展，业务蒸蒸日上。同时，为了回报并更好地为用户提供更高品质的系列产品，公司将不断引进的自动化专用制造设备和完备的质量检测系统。并遵循 ISO9001 质量管理体系，使企业的质量管理走上了规范化、程序化，文件化的轨道。公司秉承“质量第、客户至上”的宗旨，深受客户的好评。经营产品介绍 1.直线导轨：主营品牌包括 ABBA 、SBC、 HIWIN、AMT、THK；产品特性:高精度、高刚度、低噪音、装配容易，大陆长期备库存，交货期短。 2.微型导轨：主营品牌包括 CPC、SBC 、HIWIN、THK；产品特性：高负荷、高扭矩功能、装配容易，大陆备库存交货期短。 3.滚珠丝杠：主营品牌包括 NEEF、ABBA、TBI、 PMI、THK、NSK、DQN 等；产品特性：高精度、高刚性、低噪音、长寿命，轧制丝杠备有现货，交货期极短。4.支撑单元：主营品牌包括 THK、NSK、SYN、COMTOP、HSK 等各种规格支撑单元(固定侧 BK、EK 与支持侧)。5.直线光轴：主营品牌包括 SAMICK、WON、 TAC、DKN、DQN 等；规格包括：标准型、镀铬型、不锈钢型、空心轴及各种特殊加工轴6.直线轴承：主营品牌包括 SAMICK、KBS 、WON、TAC、THOMSON 、THK 等；产品特性：可分为标准型、可调型、开口型等，且可以按整机设备工作环境不同配备：不锈钢直线轴承 、超级直线轴承、自润线性轴承。7.圆棒导轨：主营品牌包括 SAMICK、TAC、WON 、HSK 等各种单轴心和双轴心滑轨系列，与其组合有线性轴承、连座线性轴承及轴心系8.模组滑台：主营品牌包括 HIWIN、SBC、DQN该公司的产品齐全，质量有保证，也适合我组进行数控改造。因此，我选择该公司的产品进行丝杠的改造。电动机与丝杠的连接数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特征、调速范围等有较高的要求。电机与丝杠间的连接主要有三种形式：1.带有齿轮传动的进给运动数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求。由于齿轮在制造中不可能达到理想的齿面要求，总存在着一定的误差，一对啮合齿轮，必有一定的齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。