基于CA6150普通车床的数控化改造
二、CA6150机床系统的总体设计
（一）总体方案设计内容
接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。
机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。
一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。 1.CA6150系统运动方式的确定
数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。 2.CA6150控制方式的选择
系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。
经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。
（二）总体方案确定
1.CA6150系统的运动方式的选择
由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。
2.CA6150数控系统的确定
根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。
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3.CA6150机械传动方式的确定
为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。
系统总体方案框图如下：
图2.1系统总体方案框图
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三、CA6150进给系统设计计算
（一）脉冲当量的选择
脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/step[15]。
根据机床精度要求确定脉冲当量：
纵向：0.01mm/step ；横向：0.005mm/step(半径)
（二）切削力的计算
.5用车床经验公式Fz=0.67D1max来计算主切削力。
式中Dmax指车床身上最大加工直径（mm），横切端面时主切削力Fz?可取纵切时Fz的1/2。
求出主切削力Fz以后再按以下比例分别求出分力Fz和Fy。
Fz：Fx：Fy=1 ：0.25 ：0.5
式中 Fx：指走刀方向的切削力（N）； Fy：指垂直走刀方向的切削力（N）。
下图为纵切和横切时切削力的示意图。
图3.1纵切和横切时切削力的示意图
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1.纵车外圆的切削力计算
主切削力Fz(N)按经验公式估计算：
.5 Fz=0.67D1max=0.67?5001.5?7491.751 （N）
按切削力各分力比例：
Fz：Fx：Fy=1 ：0.25 ：0.4 Fx?7491.751?0.25?1872.711（N）
Fy?7491.751?0.4?2996.335（N）
2.横切端面的切削力计算
主切削力Fz?（N）可取纵切的1/2。
1N） Fz?? Fs?3745.42（
21 Fx??3745.421?0.25?936.34 0（N）
.421?0.4?1498.165N） Fy??3745（
（三）CA6150机床滚珠丝杠螺母副的计算和选型
图3.2总体传动简图
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1.纵向进给丝杠的选择和计算 （1）滚珠丝杠副支撑方式的选择
由于固定---支承适用于中等转速、高精度。所以Z向选择固定---支承式。如图3.3。
1--电动机 2--弹性联轴器 3--轴承 4--滚珠丝杠 5--滚珠丝杠螺母
图3.3滚珠丝杠副支撑方式
Z向的固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。Z向支撑端选择一个深沟球轴承。 （2）计算进给轴向力Fm（N）
纵向进给这里为三角形导轨：Fm?kFx?f?(Fz?G)， 式中K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；
f?：指滑动导轨摩擦系数取0.15~0.18
之间的值；
G：指流板及刀架重力，G=1100N。
则 Fm=1.15?1872.707?0.17(7490.816?1101)?3614.052（N）。
（3）计算最大动负载Q
考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载Q的计算公式为：
Q? L? n?3LfwFm
660?n?T10
1000vsL0
式中 L0：指滚珠丝杠导程，初选L0=8；
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