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1、摘 要CA6140车床改造总体设计方案的内容包括：系统运动方式的确定，主要是用滚珠丝杠代替原有丝杠。伺服系统的选择，主要是用伺服电机带动工作台运动。执行机构及传动方式的确定、数控系统的选择等内容，应仔细考虑各种高性能、自动化等要求，也要考虑被改造机床的具备条件，是技术的先进性与经济性的合理性较好的统一。设计任务：利用单片机控制技术对CA6140型车床的横向系统进行控制。其横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用伺服电机。软件方面，设计采用模块化结构，以便于系统功能的扩展。分为三块：手动操作、加工、编辑。改造后的车床能够完成机床主轴的启动，停止和变速，纵向和横向进给运动的行程和变速，刀具
2、的变速和冷却，都可以自动控制，并具有车削螺纹和锥螺纹等自动循环机能。在该机床中采用液压尾座快换刀架和机床外对刀装置。该机床适用于加工形状复杂，中小批量的零件。对一般车削加工任意锥面、球面、螺纹端面、回转面等加工工序，能控制主轴的开停变速及一些辅助功能，使加工实现自动化。自动转位刀架的设计是普通机床改造机械方面的关键。由微型控制的自动转位具重复定位精度高、工作刚性好、性能可靠、使用寿命长以及工艺性能好等特点。关键词：CA6140；伺服电机；滚珠丝杠ABSTRACTThe overall design scheme of CA6140 lathe includes: determining sys
3、tem modes of motion, is mainly used to replace the original screw of ball screw. The selection of servo system, mainly with servo motor to drive the table movement. Sure, actuators and transmission mode of CNC system choice, should carefully consider all kinds of high performance, automation and oth
4、er requirements, also want to consider the conditions by reconstruction of machine tools, advanced and economic technology rationality better unity. The design task: to control the lateral system using single-chip microcomputer control technology of CA6140 lathe. The transverse pulse equivalent to 0
5、.005mm/ pulse, the driving element adopts servo motor. In terms of software, design uses the modular structure, in order to expand for the system. Divided into three blocks: manual operation, processing, editing. After the transformation of the lathe can complete machine tool spindle start, stop and
6、 speed, distance of longitudinal and transverse feed motion of the tool and gear, gear and cooling, can automatic control, and has the cutting thread and taper thread automatic circulation function. Hydraulic tailstock quick change tool and machine tool setting device in the machine tool. This machi
7、ne is suitable for machining of complex shape, medium and small quantities of parts. Processing of general lathe machining arbitrary cone, sphere, thread end, rotary surface processes, can control the start stop transmission shaft and some assistant functions, so that the processing automation. Desi
8、gn of automatic turret is the key of ordinary machine tools mechanical aspects. The automatic indexing of micro control with the characteristics of high accuracy, good rigidity, reliable performance, long service life and good technological performance etc. Key word: CA6140；servo motor；ball screw 目
9、录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1 国内外数控系统发展概况11.2 数控机床优势概述21.2.1 数控车床改造的意义21.2.2 普通车床数控化改造的优点21.3 改造的可行性论证31.4 机床改造的必要性32 CA6140型普通车床数控化改造方案的设计与确定52.1 分析CA6140型普通车床的加工特点52.2 总体方案设计52.3 总体方案的确定53 CA6140数控车床横向传动结构设计73.1 CA6140数控车床的主要技术参数73.2 数控机床的改造要求与伺服电机的选用73.2.1 数控机床的改造要求73.2.2 伺服电机的工作原理83.2.3 伺服电动机的选用93.3
10、丝杠螺母副103.3.1 滚珠丝杠副传动部件103.3.2 滚珠丝杠副的原理、特点及有关应用中的问题113.3.3 滚珠丝杠副的支撑113.3.4 安装调整中应注意的问题133.4 主传动系统的设计143.4.1 主传动系统的改造143.4.2 主运动系统转速图的设计153.4.3 主轴的变速反转和制动153.4.4 主轴脉冲发生器的安装方式153.4.5 控制类型的确定163.4.6 传动方面改造设计164 进给系统的改造194.1 纵向进给系统的设计194.1.1 切削力计算194.1.2 纵向滚珠丝杠设计计算204.1.2 步进电动机的选择224.2 横向进给系统的计算234.2.1 横
11、向滚珠丝杠设计计算244.2.2 步进电动机的选择264.3 进给伺服系统274.4 进给系统机械传动部分改造285 CA6140车床数控化改造电气部分改造设计305.1 数控系统操作及参数说明305.2 系统参数305.3 NIM-9702数控系统接口325.4 系统电源325.5 系统的接地335.6 开关量I/O信号的电特性335.7 系统信号I/O的连接336 数控机床的安装调试及验收366.1 机床的地基和对环境的要求366.2 各控制单元间的电缆连接366.3 通电试车前的检查366.3.1 检查直流电源输出端是否正常366.3.2 检查各熔断器376.3.3 短接棒的设定376.
12、3.4 检查油和气376.3.5 确认各部件机器位置376.4 通电试车376.4.1 确认试车376.4.2 确认电源电压相序376.4.3 接通强电柜交流电源386.4.4 接通直流电源386.4.5 向数控装置供电386.4.6 数控系统参数核对386.4.7 手动操作386.4.8 主轴与辅助装置通电396.4.9 空运行及有关性能试验39总 结40致 谢41参考文献421 绪 论1.1 国内外数控系统发展概况机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直吸引着人们的关注。计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞
13、生和发展。随着计算机技术的高速发展，传统制造业发生了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过
14、程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下
15、根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。1.2 数控机床优势概述1.2.1 数控车床改造的意义我国现在拥有数量多达300多万台的通用机床，其中大部分机床的加工精度、生产率和自动化程度与先进设备相比不高，要想在几年内大量地用数控机床来更新，无论在资金上还是技术力量上都是难以实现的。但如果利用数控技术根据需要对现有机床加以改造，不仅能实现机床的自动
16、化，提高机床的加工精度，而且投资少、见效快，适合我国的生产力水平。因此，利用数控技术改造旧设备已成为我国推广全功能数控机床的过渡手段。1.2.2 普通车床数控化改造的优点(1)有利于企业技术的提高，节约成本数控机床与普通机床相比，有很大的优势，数控机床具有高度柔性，加工精度高，加工质量稳定、可靠，生产率高，改善劳动条件，利于生产管理现代化；而普通机床精度低，效率低，适合批量较小，精度要求不高，零活类零件。它投资较数控低，但对工人的操作技能要求较高，因此工人工资水平高。这样会大大的加大企业的支出，对企业的收入也是有所影响的。(2)有利于数控化市场的扩大订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能
17、满足用户的需要，而改造的数控机床能够适应市场对产品多样化和高精度的要求。因此得到了用户广泛的应用，机床的数控化改造已成为满足市场需求的主要补充手段，对中、小型企业来说是十分理想的选择。(3)有利于企业生产的扩大在现代机械制造工业中，中小批量甚至单件生产，个性化的产品占有相当大的比重，尤其是我国加入世贸组织后,成为世界性的加工基地，产品出口的增长迅速，从低附加值、劳动密集型产品逐步过度到高附加值的精密型零件的出口，高精度的数控机床起了重要的作用。数控机床是最能适应这种生产需要的。(4)有利于企业的工业化水平的提高以数控机床为代表的现代基础机械是制造实现生产现代化的重要设备，数控技术水平的高低和机
18、床的数控化率，数控设备的拥有量已成为衡量一个国家现代工业化水平的重要标志。(5)有利于企业的多方面发展数控技术用于机床的改造是建立在微电子技术与传统技术相结合的基础上，具有高可靠性、柔性强，易于实现机电一体化、经济性可观等特点。为此，在旧机床上进行数控化改造可以提高机床的使用性能、降低生产成本、用较少的资金投入而得到较大的经济效益。1.3 改造的可行性论证根据自动化制造系统，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部分审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行公道的、科学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法，普通车床的经济
19、型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的题目分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造车床的实施计划，结论等。1、目标：数控机床要有较高的质量、较高的效率、较低的成本、较低的劳动强度；2、对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是：在满足设计要求的前途下，对机床的改动应尽可能的少，以降低本钱；3、机床的CNC改造要能带来经济效益于此同时降低成本。符合我国的基本国情和需要；4、结论：对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。从
20、以下几个方面的说明：1.4 机床改造的必要性数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量和多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率，但是应用数控机床还受到其他条件的限制。（1）数控机床价格昂贵，一次性投资大，对中小型企业是心有余而力不足；（2）目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替换下来的普通机床闲置下来又会造成浪费；（3）在国内订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不可能满足生产的需要；（4）通用数控机床对具体生产有多余功能。要较好地解决上述问题，应走普通机床的数控化改造之路，从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造必不可少。因此，普通机床的数
21、控化改造不但有存在必要，而且大有可为，对一些中小型企业更是如此。2 CA6140型普通车床数控化改造方案的设计与确定2.1 分析CA6140型普通车床的加工特点(1) 加工范围较大。(2) 加工时，主运动是工件的旋转运动，进给运动是刀具的纵向和横向移动。(3) 正情况常下，在车削加工过程中，切削力比较稳定，加工比较平稳。(4) 在车削加工过程中切屑和刀具之间的剧烈挤压和摩擦，以及刀具与工件之间的摩擦，产生了大量的切削热，但大部分热量被切屑带走，所以CA6140在加工过程中一般可以不使用切削液。2.2 总体方案设计设计任务：利用单片机控制技术对CA6140型车床的横向系统进行控制。其横向脉冲当量
22、为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机。改造后的车床能够完成机床主轴的启动，停止和变速，纵向和横向进给运动的行程和变速，刀具的变速和冷却，都可以自动控制，并具有车削螺纹和锥螺纹等自动循环机能。在该机床中采用液压尾座快换刀架和机床外对刀装置。该机床适用于加工形状复杂，中小批量的零件。对一般车削加工任意锥面、球面、螺纹端面、回转面等加工工序，能控制主轴的开停变速及一些辅助功能，使加工实现自动化。自动转位刀架的设计是普通机床改造机械方面的关键。由微型控制的自动转位具重复定位精度高、工作刚性好、性能可靠、使用寿命长以及工艺性能好等特点。2.3 总体方案的确定CA6140车床改造总体设计方案的内容
23、包括：系统运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构及传动方式的确定、数控系统的选择等内容，应仔细考虑各种高性能、自动化等要求，也要考虑被改造机床的具备条件，是技术的先进性与经济性的合理性较好的统一。对于横向进给机构，保留原手动于调刀，原支承结构。和纵向进给一样步进电机与纵向滚珠丝杠间需一级齿轮减速，丝杠螺母与横向拖板任用一螺母座连接。拖板后部开轴承孔以便滚珠丝杠的连通与支承，后接减速箱与步进电机。纵、横向进给机构减速齿轮采用双片齿轮，靠错位消除啮合间隙。丝杠外加防尘罩，溜板箱上安装急停按钮，以适应意外情况的急停。图2-1 机床的操作模式图硬件方面控制系统的硬件配置是，基本系统包括单片机AT89
24、C51、锁存器、EPROM和RAM存储器。并行接口8255用作连接开关量的输入输出和对伺服电机进行控制。8279为键盘显示器接口。软件方面，软包装件设计采用模块化结构，以便于系统功能的扩展。分为三块：手动操作、加工、编辑，如图2-1所示。根据设计任务，系统采用轮廓控制形式，控制系统硬件由微机控制部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离器、步进电机、功率放大器等组成。在其纵横向均采用步进电机减速齿轮滚珠丝杠螺母副溜板的传动方式，刀架更换为四刀位回转刀架。改造前的机床传动系统图如图2-2所示。图2-2 改造后车床传动系统图3 CA6140数控车床横向传动结构设计3.1 CA6140数控车床的主要技
25、术参数车床横向进给机构主要由其相应的步进电动机，齿轮变速箱，滚珠丝杠副及一些连杆，密封，支撑等组成。在设计时主要考虑和选择步进电动机的相数，拍数，步距角，最大静转矩及外形和配合尺寸，齿轮的模数，齿数，主要尺寸及和轴的配合，滚珠丝杠副的承载能力，支撑，润滑，配合要求，间隙的调整和有关结构设计，传动轴的结构和零件的安装，连接和密封。主要设计参数（1）机械部分：工件最大回转直径；在床面上400mm；在床鞍上175mm；工件最大长度750mm；主轴孔径35mm；主轴前端孔锥度：莫氏5号；主轴转速范围（18级）192000；刀架纵进给量和螺纹的螺距范围0.0120.48mm；刀架横进给量范围0.0111
26、0.24mm；刀架纵向与横向进给的脉冲当量0.01mm；刀架快速移动速度：纵向3.6m/min ；横向1.8 m/min（2）数控部分：数控部分坐标数：2；插补运算原理：逐点比较法3.2 数控机床的改造要求与伺服电机的选用3.2.1 数控机床的改造要求在数控机床的进给系统机械部分改造设计中，机械传动是数控机床进给系统的重要组成部分，其作用是将伺服电动机的旋转运动转换为执行部件的直线运动和回转运动。为了确保进给系统的定位精度，快速响应特性和稳定性要求，机械传动装置必须具有高刚度、无传动间隙、低摩擦、高灵敏度、长寿命等要求。对数控机床进给系统机械部分的要求有以下几点：（1）高的传动精度和定位精度数
27、控机床的进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性作用，其中应采取的措施是通过在进给系统中加入减速齿轮，以减小脉冲当量，预紧传动滚珠丝杠。（2）减小运动件的摩擦力尤其是减小丝杠传动和工作台运动导轨的摩擦，以消除爬行，提高系统的稳定性。（3）减小运动部件的惯量进给系统中每个零件的惯量对进给系统的启动，制动特性有直接的影响。因此，在满足传动强度和刚度的前提下，应尽可能减小零件的惯性。（4）阻尼适当一方面，阻尼可降低进给伺服系统的快速响应性，另一方面，阻尼有增加系统的稳定性，因此，传动机构的阻尼要选择适当。（5）稳定性好，寿命长稳定性是进给伺服系统能够正常工作最基本的条件，在低速进给
28、情况下不产生爬行，并能够适应外加系统的变化而不发生共振，采取适当的润滑方式和防护措施延长其寿命。3.2.2 伺服电机的工作原理伺服电机的工作原理是：当某相定子励磁后，它吸引转子，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐。所以，伺服电机的工作原理实际上是电磁铁的工作原理。（1）伺服电机的定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子就转过一定角度，即电动机的步距角；（2）改变伺服电机定子的绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变；（3）伺服电机定子绕组的通电状态的改变速度越快，即通电状态的频率越高，转子的转速就越高；（4）伺服电机的步角距与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k可以用下式表示： （3-1）
29、3.2.3 伺服电动机的选用伺服电动机是一种用脉冲信号控制的电动机，在动载能力及动态特性范围内电动机的角位移与控制脉冲数成正比，转速与控制脉冲频率成反比。在通常情况下，用伺服电动机作执行元件的数控系统中不需进行A/D或D/A转换，且可以采用较为简单的开环控制系统进行工作。因此，在数控的进给系统中广泛采用。选用伺服电动机时，通常希望伺服电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率大，步距误差小。但是，增大转矩和快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此，在选用伺服电动机时，需要考虑各方面的因素。首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响到机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机
30、床的快速进给速度就越小。为了兼顾精度与速度的要求，在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选择伺服电动机的步矩角和传动机械的传动比。伺服电动机有两条重要的特性曲线，一条是反映启动频率和负载转矩关系的启动频矩特性曲线；一条是反映转矩与连续运行频率之间关系的工作矩频特性曲线。这两条曲线是选用伺服电动机的重要依据。数控机床的进给分为快速进给和切削进给，快速进给速度远远大于切削进给的速度。在这两种情况下，对转矩和进给速度有不同的要求，选择伺服电动机时应使这两种情况都能满足要求。假设在切削进给时转矩为Me,其最大切削速度为Vmax；在快速进给时间的转矩为Mk，其最大快速进给
31、速度为Vmaxl,将Vmax,Vmaxl分别带入下式中的V，可以分别求到切削进给时的最大工作频率fe和快速进给时的最大工作频率fk。 （3-2）公式（3-2）中V进给速度，m/min； 脉冲当量，mm/脉； F伺服电动机工作频率，Hz。根据fe、fk从工作矩频特性曲线中查出对应的极限转矩值Mmde。若有MeMmde和MkMdmk，表明伺服电动机满足要求，否则不满足要求，需重新选择电动机。3.3 丝杠螺母副3.3.1 滚珠丝杠副传动部件滚珠丝杠副是在具有螺旋槽的丝杠和螺旋母之间装有滚珠，是螺旋传动机构的一种，其作用是将旋转运动变为直线运动或将直线运动转换为旋转运动。卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠
32、，即丝杠与螺母之间的滑动摩擦。因此，滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率低。在精度要求不高的情况下，可以采用原机床的滑动丝杠。但是，螺母要适当预紧，同时配合数控系统软件间隙补偿消除丝杠与螺母之间的间隙。若要求机床精度和被加工工件精度较高的情况应将原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠丝杠螺母副，其工作原理图如图3-1所示。图3-1 滚珠丝杠螺母机构工作原理图 1-丝杠 2-反向器 3-滚珠 4-螺母 由于丝杠和螺母之间为滚动摩擦，所以滚珠丝杠螺母副的摩擦小，滚珠丝杠螺母副是在丝杠和螺母之间放入适当数量的滚珠，靠滚珠的滚动将丝杠的回转运动转化转动速度和转动精度都远远高于滑动丝杠螺母副。特别要求机械机构的传
33、动间隙小，摩擦阻力小。为此，设计和选用机械动机构时，必须考虑以下几个方面的问题：（1）减小摩擦阻力：为了提高数控机床的进给系统的快速响应特性，除了对伺服元件做出要求外，还必须减小运动件的摩擦阻力和动静摩擦力之差。机械传动结构的摩擦阻力，主要来自丝杠螺母副的导轨。在数控机床进给系统中，为了减少摩擦阻力，普遍采用滚珠丝杠螺母副。（2）提高传动精度和刚度，消除传动间隙。进给传动系统的传动精度和刚度，主要取决于丝杠螺母副及其支撑机构的刚度。（3）减小运动惯量，传动元件的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有影响，尤其是处于运转的零件，其惯性的影响更大。因此，在满足部件强度和刚度的前提下，尽可能减小执行部件
34、的重量，减小旋转部件的直径和重量，以减小运动部件的惯量。3.3.2 滚珠丝杠副的原理、特点及有关应用中的问题在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，将螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时，滚珠在轨道内既有自转又沿轨道循环转动，迫使螺母(或丝杠)轴向移动。滚珠丝杠螺母副是滚动摩擦，它有以下特点：（1）摩擦损失小，传动效率高，可达9096；（2）采用双螺母预紧后，可以很好地消除间隙，提高了传动刚度；（3）摩擦阻力小，动摩擦力之差极小，能保证运动平稳，易产生低速现象，磨损小，寿命长，精度保持性好。不能自
35、锁，有可逆性，既能将旋转运动转变为直线运动，又能将直线运动转换为旋转运动，因此丝杠立式使用时，应增加制动装置；（4）运动速度受一定的限制，传动速度过高时，滚珠在其回路管道内易产生卡住现象；（5）给适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚性好；（6）运动不平稳，无爬行现象，传动精度高；（7）有可逆性，可以旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即螺母和丝杠都可以作为主运动件。3.3.3 滚珠丝杠副的支撑螺母座，丝杠的轴承及其支架等刚度不足将严重影响滚珠丝杠副的传动刚度，因此螺母座应有加强筋，以减少受力后的变形；螺母与床身的接触面积应大一些，其
36、连接螺钉的刚度也应高。滚珠丝杠常用推力轴承支撑，以提高刚度（当滚珠丝杠的轴向负载很小时，也可以用角接触轴承支撑）。在机床上的安装支撑方式有：一端装推力球轴承，另一端装向心球轴承；两端装推力轴承；两端装推力轴承及向心球轴承。（1）滚珠丝杠副的轴向间隙调整常用的双螺母丝杠消除间隙方法有：垫片调隙式，螺纹调隙式，齿差调隙式。螺纹调隙式，螺母一端有凸缘，而另一端是螺纹结构，用两个圆螺母连接，使螺母在螺母座内可以轴向滑移而不能相对转动。调整时，只要拧紧圆螺母 把垫片压在螺母 座上，左右螺母和螺母座上加工有键槽，采用平键使向一边滑动，就可以改变两螺母的间距，即可消除间隙并产生预紧力。另一螺母为锁紧螺母，调
37、整完毕后将两个螺母并紧，可以防止在工作中螺母松动。这种调整方式具有结构简单、工作可靠、调整方便的优点，但调整预紧量不能控制。（2）滚珠丝杠的循环方式常用的循环方式有两种：滚珠在滚动过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。（3）滚珠丝杠副的选用目前我国滚珠丝杠螺母副的精度标准为四级：普通级A、标准级B、精密度级J和超精度级C。一般的数控机床可选用标准级B。滚珠丝杠副的支撑和制动方式为提高传动刚度，不仅应合理确定滚珠丝杠螺母副的参数，而且螺母座的结构、丝杠两端的支撑形式以及它们与机床的连接刚度也有很大影响。因此螺母座的孔与螺母之间必须有良好的配合，保证孔与端面的垂直度
38、，螺母座应增添钢筋，加大螺母座和机床结合面的接触面积，来提高螺母座的局部刚度。为了提高螺母支撑的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及其支承方式是十分重要的。滚珠丝杠副的传动效率很高，但不能自锁，用在垂直传动和水平放置的高速大惯量传动中，必须有制动装置。常用的制动方法有超越离合器、电磁离合器或者使用具有制动装置的伺服电动机。滚珠丝杠必须采用润滑油或锂基油脂进行润滑，同时要采用防尘密封装置。（4）滚珠丝杠副的润滑与防护使用润滑剂可以提高滚珠丝杠的耐磨性和传动效率。润滑剂可用20号或30号机械油，90180号透平油或140号主轴油，可从螺母壳体的油孔注入螺母内的空间。丝杠预紧后，轴向间隙减小，当硬质灰或切
39、削等污物落入螺纹轨道内，就会妨碍滚珠的运转，并加快磨损，因此必须有防护装置。常用的防护装置有：密封圈和防护罩。防护罩的形式有锥形套管，伸缩套管和折叠式的塑料或人造革防护罩等。对防护材料的性能要求：耐油，耐腐蚀，耐高温和耐用等。纵向滚珠丝杠图3-2车床横向支撑轴承示意图横向滚珠丝杠横向滚珠丝杠也采用三点支承形式，步进电动机一般都安装在床鞍的后部，靠近操作者一端，布置一根短轴，通过一个联轴套与滚珠丝杠联接起来。利用车床原横向进给丝杠的滑动轴套作为径向支承，并对原支承处进行适当改装，布置一对推力球轴承，以实现轴向支承。在远离操作者一端，用一个联接轴和一根联接短轴把滚珠丝杠与减速箱输出轴联接起来。滚珠
40、螺母直接固定在中滑板上。采用的是一端装角接触球轴承，另一端法兰盘示意图如图3-2所示：3.3.4 安装调整中应注意的问题利用螺母的间隙调整装置调整丝杠副间隙时，应使调整后产生的预紧力为丝杠副最大负载的1/3为宜。在实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝杠内部仍不产生间隙，或者间隙量小于0.01mm，而且运转灵活，并以此作为螺母间隙调整预紧量的判断标准。传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔应按十字分布方式进行配作。这是因为同一联轴套上分布的锥销孔都由同一方向加工时，往往会引起轴心线的直线度误差增大，从而使安装在传动丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。消除齿轮
41、间隙的方法很多，用调整中心距的方法是最简单的一种。安装时将大齿轮所在支承架转动中心与丝杠对中，首先固定，然后把电动机小齿轮按无间隙啮合，调整好中心距，再固定。滚珠丝杠副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂，都是由专业化工厂按系列化进行生产。因此，在进行设备改造时，要按厂家生产标准进行选择。选择合适以后，在决定被改造设备的其它相关部分的结构和尺寸。主轴脉冲发生器的引出轴与车床主轴按1：1无间隙柔性连接传动，连接后应保证两者有很好的同步性。安装中要注意主轴脉冲发生器是玻璃器件，不能随意敲打碰撞。使用中车床主轴转速不能超过主轴脉冲发生器的最高转速。3.4 主传动系统的设计3.4.1 主传动系统的改造图
42、3-3 齿轮二级变速主传动系统图为了适应不同的加工要求，目前主传动系统的改造大致分为二类：（1）二级以上变速的主传动系统变速装置多采用齿轮变速机构。如图3-3所示是使用滑移齿轮要实现二级变速的主传动系统图。这种改造能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。图3-4 齿轮一级变速主传动系统（2）一级变速的主传动系统目前多采用带（同步齿形带）传动装置，如图3-4所示，这种主传动系统能够满足转速与转矩的输出要求，可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声。3.4.2 主运动系统转速图的设计鉴于设计任务，在主运动传动链中，基本借鉴原机床传动系统的结构和数据。该机床的运动采用分离式传动，即变速
43、箱与床头箱相分离，采用皮带轮联系，变速箱实现四级变速，床头箱实现四级变速，主运动传动系统的动力源是笼型异步电动机，即Y系列电动机，其额定功率为8千瓦，满载转速为1450r/min；变速系统采用2个滑移齿轮和2个双向离合器实现18级变速。3.4.3 主轴的变速反转和制动床头箱主要由主轴部件和背轮机构组成。运动从变速箱经三角胶带传至床头箱，若脱开内齿离合器，接通背轮机构，则主轴得到9级低速；若使背轮机构脱开，合上内齿离合器，直接传至主轴则获得9级高速，主轴的正反转只有用改变主电机转向的方法才可以实现。停车时为克服旋转件的惯性采用液压摩擦制动器使主轴迅速停转。3.4.4 主轴脉冲发生器的安装方式改造
44、后的数控车床要实现螺纹加工，还需要配置主轴脉冲发生器作为车床主轴信号的反馈元件。它与车床主轴同步运行，把主轴转角位移的变化，输入到数控系统的内部，由系统通过软件控制，以保证主轴每转一转时，螺纹车刀也同步进给一个螺纹导程，并保证螺纹加工中分几次加工时不发生乱扣，即每次螺纹加工时进刀位置保持一致。主轴脉冲发生器的安装如图3-5所示：图3-5 主轴脉冲器发生器安装图为了可以加工穿出主轴的零件采用异轴安装。主轴脉冲发生器一般采用增量式光电编码器传动连接。为了避免主轴脉冲发生器光栅的破坏，在不加工螺纹时将其与传动轴脱离，柔性连接即车床主轴与主轴脉冲发生器间用弹性元件连接。采用柔性连接，在实现角位移传递的
45、同时，有能吸收车床主轴的部分振动，从而使得车床主轴脉冲发生器转动平稳，传递信号准确。车床的主轴转速必须小于主轴脉冲发生器的最高允许转速，以免损坏脉冲发生器。3.4.5 控制类型的确定目前直接制造的数控机床大多采用闭环系统，此系统有检测反馈装置，定位精度高，可以达到0.005mm以上，但结构复杂，集成化要求高，成本高，调整和维修困难。采用开环系统，其加工精度有执行元件和传动机构精度保证，定位精度可以达到0.01mm,少数可以达到0.005mm，结构简单，维修方便。3.4.6 传动方面改造设计为了适应各种不同材料的加工及各种不同加工方法，要求改造后的CA6140机床的主传动系统要有较宽的转速范围及
46、相应的输出力矩。此外，由于主轴部件将直接装夹刀具对工件进行切削，因而对加工质量及刀具寿命有很大的影响。所以对主传动系统的要求很高。为了能高效地加工出高精度、低粗糙度的工件，必须要有一个具有良好性能的主传动系统和一个具有高精度、高刚度、振动小、热变形和噪声均能满足需要的主轴部件。（1）伺服系统的选择以及数控机床对伺服驱动系统的要求数控机床的性能在很大的程度上取决于伺服驱动系统的性能，对伺服驱动系统的主要要求如下：进给调速范围要宽调速范围Rn是指机床要求伺服电动机提供的最高转速Nmax和最低转速Nmin之比，即 (3-3)在各种数控机床中，由于加工选用刀具、被加工的材料及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。脉冲当量为l的情况下，最先进的数控机床的进给速度从024m/s连续可调。但对于一般的数控机床，要求进给驱动系统在024m/s进给速度下工作就足够了。位置精度要高使用数控机床主要是为了解决：1）保证加工质量的稳定性，一致性，减少废品率；2）解决复杂曲面零件的加工问题；3）解决复杂零件的加工精度问题，缩短制造周期等。为了满足这些要求，关键之一是保证数控机床的定位精度和加工精度，数控机床在加工免除了操作者的人为误差，他是按规定的程序自动进行加工，不可能应付事先没有预料到的情况。就是说，数控机床不能像
