普通CA6140机床的经济型数控改造的设计(说明书+CAD图纸)
摘要
了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺
序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的
优点很多,可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的
价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床
需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床
经济型数控改造。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座,
配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾,不占
据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,由步进电机带动。总体
设计方案:CA6140车床主轴转速部分保留圆机床的手动变速功能。车床的纵向和横向进给
运动采用步进电机驱动。最后,根据已知条件对纵向横向伺服进给机构进行设计与计算。
关键词: 数控； 车床； 改造
前言
1.1 课题相关现况
科学技术和社会的不断发展，机械制造技术发生了深刻的变_________化，机械产品的结构越
来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品的生产设备提出了三高（高
性能、高精度和高自动化）的要求。一种新型的数字程序控制机床应运而生。数控机床的
研制始于20世纪40年代末。1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作研制
了第一台三坐标立式数控铣床。
由于计算机的发展，特别是计算机控制在机床上的应用，使机床本身产生了革命性
的变化。数控机床加工的全部运动都由电脑控制，不但提高了加工精度和生产率，还可以
完成手工操作无法完成的工作。数控机床作为一种精密加工设备，不但应用广泛，也是一
种高科技、高精度、高度机电一体化产品，对国民经济发展起到了非常重要的作用。
我国目前机床总量380 余万台，而其中数控机床总数只有11.34 万台，即我国机床
数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18
亿元。机床的年产量数控化率为6％。我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下
的机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日
本自动和半自动机床占60％以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备
绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来
的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上
缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须
大力提高机床的数控化率。
在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，
正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个"永恒"的课题。我国的机
床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数
控技术改造机床和生产线具有广___________阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。
在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：
Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司
等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）
业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工
程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。
1.2 机床改造的内容及意义
1.2.1 研究意义
数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加
工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。
本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵
向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减
徐州工程学院毕业设计(论文) 第 7 页
少,从而提高机床的精度。
设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了
很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作
原理，扩大了我们的知识面。
随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加
工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新
换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着
更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。
1.2.2 主要研究内容及技术路线
(1)纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核。
(2)纵向和横向步进电机的选择。
(3)主轴交流伺服电机的选择与校核。
(4)其他元件的选择。
1.3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题
(1) 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。
(2) 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。
(3) 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。
(4) 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。
目 录
1 前言…………………………………………………………………………………………6
1.1 课题相关现况……………………………………………………………………………6
1.2 机床改造的内容和意义……………………………………………………………7
1.3 改造主要解决的问题…………………………………………………………………7
2 数字系统的选择……………………………………………………………………8
2.1 步进电机拖动的开环系统……………………………………………………………8
2.2 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………………8
2.3 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统……………………………8
2.4 进给传动系统的改造……………………………………………………………………8
2.5 齿轮副间隙消除机构……………………………………………………………………9
2.6 主轴脉冲发生器的安装 ………………………………………………………………10
2.7自动回转刀架……………………………………………………………………………10
3 进给系统的改造与计算……………………………………………………………………12
3.1 滚珠丝杠的选择…………………………………………………………………………13
3.1.1 滚珠丝杠副的特点……………………………………………………………………13
3.1.2 纵向进给系统设计……………………………………………………………………13
3.1.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤…………………………………16
3.2 减速器箱体的设计………………………………………………………………………17
3.2.1 轴的计算：（纵向输入轴）………………………………………………………17
3.2.2 减速器箱体尺寸…………………………………………………………………18
3.2.3 减速齿轮………………………………………………………………………………18
3.3 轴承的选择…………………………………………………………………………22
3.3.1 选型………………………………………………………………………………22
3.3.2 校核………………………………………………………………………………22
3.4轴承盖的选择……………………………………………………………………………22
3.4.1 闷盖……………………………………………………………………………………22
3.4.2 通盖……………………………………………………………………………………23
3.5 丝轴承的选型与校核……………………………………………………………………24
3.5.1 滚珠丝杠用轴承的选型………………………………………………………………24
3.5.2 校核……………………………………………………………………………………25
4 步进电机的选择……………………………………………………………………………29
4.1 纵向步进电机的选择……………………………………………………………………29
4.1.1 确定系统的脉冲当量……………………………………………………………29
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4.1.2 步距角的选择…………………………………………………………………29
4.1.3 距频特性………………………………………………………………………29
4.1.4 据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性……………………………32
4.2 横向步进电机的选择………………………………………………………………33
4.2.1 步距角的确定………………………………………………………………………33
4.2.2 距频特性………………………………………………v……………………………33
5 主轴交流伺服电机………………………………………………………………………36
5.1 主轴的变速范围…………………………………………………………………………36
5.2 初选主轴电机的型号……………………………………………………………………36
5.3 主轴电机的校核 ………………………………………………………………………36
6 元件的选择……………………………………………………………………………37
6.1SZGDBM01 光电编码器………………………………………………………………37
6.1.1 概述………………………………………………………………………………37
6.1.2 主要技术性能…………………………………………………………………………37
6.2 数控刀架/AK21 系列刀架………………………………………………………………37
结论……………………………………………………………………………………………40
参考文献………………………………………………………………………………………41
附表……………………………………………………………………………………………42
翻译部分
英文原文…………………………………………………………………………………43
中文译文…………………………………………………………………………………53
致谢……………………………………………………………………………………………61
参考文献
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