1. 背景意义。
数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品，而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前，采用先进的数控机床，已成为我国制造技术发展的总趋势。
购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径，但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地！
2. 改造对象。
经过本小组的讨论，我们一致同意改造ca6140车床，ca6140车床是我国制造业使用比较普遍的机床，该机床加工范围宽，能适应较大的切削力，加工工件的精度也较高。但是该类机床在我国使用时间大多数已经超过十年，一些机床的精度及性能已远远达不到需要，有些甚至被闲置。重新大修后也达不到使用要求，而且操作者劳动强度比较大，生产效率低，不适合现代化生产的要求。
根据我们小组的资料收集，目前新的经济数控车床，售价8.5万/台，普通新车床ca6140，售价3.8万/台，使用寿命8-10年，而已使用了6-8年的旧车床ca6140，估价0.
5万/台，通过改造还可使用4-6年。普通车床ca6140每台数控化改造所需**大约3万，数控加工的生产率可提高20-30%。其实物图见图1，装配图见图2 ，参数见表1。
图1 ca6140实物图。
图2 ca6140装配图。
表1 ca6140的参数
3. 改造方案。
3.1 方案一。
具体改造见图3.
图3 普通车床数控化改造方案一。
3.1.1 主要配置。
该方案采用广州数控csk928—tc系统，主轴电机为5-200hz的5.5kw变频电机，并配台湾台达vfd055a43b型变频器（日本技术），主轴传动直接实现无级变速；纵向、横向采用混合式步进电机驱动，由滚珠丝杠螺母传动实现自动进给；配置4工位电动刀架，可实现自动换刀控制；带螺纹加工方式；整机采用半防护设计，外形美观大方、操作方便。
3.1.2 改装要点。
主传动甩掉现有车床主轴箱（包括主轴）、进给箱、溜板箱、刀架等，只保留床身导轨、溜板、尾座等，从新设计制造主轴（高转速）及箱体。进给传动采用半闭环伺服系统。这一类系统的位置检测元件从机械传动链的中间取得信号，检测元件大多是装在伺服电动机后端或滚珠丝杠驱动端。
由于位置反馈信号不包括滚珠丝杠—螺母副及工作台等执行部件误差因素影响，能获得比闭环伺服系统稳定性好的控制特性，而且也较经济。当采用高分辨率的检测元件，且半闭环外的传动部件(滚珠丝杠副、导轨以及工作台等工作部件)又有足够高的工作精度时，即使在半闭环数控机床上也可以获得较满意的精度和运动速度。但在加工使用中，环境温度变化和滚珠丝柱工作温度变化引起的热变形，机械原点漂移等未消除时，常成为高精密加工的主要误差因素。
进给箱变为纵向步进电机支撑箱，需重新设计制造；两台步进电机支撑件、联接件，两丝杠支撑与溜板联接件，电动刀架联接件、电气柜、防护罩等主要件需设计制作；各主要部件需装配、安装与调整。
3.2 方案二。
具体改造见图4.
3.2.1 主要配置。
该方案采用广州数控csk928—tc系统，主轴传动不变，实现的有限级变速；纵向、横向采用混合式步进电机驱动，由滚珠螺母丝杠传动实现自动进给；配置4工位电动刀架，可实现自动换刀控制；带螺纹加工方式；整机采用床身前后半防护设计，外形较美观大方、操作较方便。
3.2.2 改装要点。
技改要点主传动保留主轴箱、床身导轨、溜板、尾座，而甩掉现有车床进给箱、溜板箱、刀架等。进给传动采用开环伺服系统，开环伺服系统没有检查机械运动的检测元件，即没有来自位置传感器的反馈信号。由步进电动机或电液脉冲马达驱动，运动速度和精度较低，运动中容易产生振荡、丢步等现象，因此主要用于经济型或简易型数控机床，其精度和速度的提高受到限制。
进给箱变为纵向步进电机支撑，需重新设计制造；两台步进电机支撑件、联接件，两丝杠支撑与溜板联接件，电动刀架联接件、电气柜、防护等主要件需设计制作；各主要部件需装配、安装与调整。
3.3 方案的综合比较和选择。
利用模糊层次分析法，以主轴变速，螺纹加工，纵向、横向溜板采用步进电机驱动，操作，防护，项目难度，所需时间，费用8个要素为评价因子，采用8标度，综合比较，对ca6140普通普通机床采用方案二。
图4 普通车床数控化改造方案二
4. 进给系统的改造设计。
ca6140普通机床传动系统见图5. 经过方案二的改造后，其传动系统见图6.
图5 ca6140传动系统。
图6 ca6140改造后传动系统。
4.1 纵向进给方向的设计计算
按照选定方案的标准要求进行改造，采用开环控制系统，无位置和速度检测系统，其精度主要取决于步进电机的步距角和传动链的精度。根据设计参数，初选z向步进电动机为：型号为110byg 350c，永磁感应式步进电动机（三相），其主要参数如下：
步距角静转矩：
线电阻：1.5w线电感：20mh
重量：g=10.7 kg最大空载转速：1200r/min
4.1.1 纵向进给方向的组成和设计。
纵向进给系统的组成及设计普通车床的经济型数控改造方案一般是步进电机经减速后驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。
4.1.2 确定传动比。
本系统z向步进电机与滚珠丝杠采用直连接方式，因此。
4.1.3 确定脉冲当量。
由传动比计算公式（公式中，为步进电机的步距角，s为丝杠螺距，为脉冲当量），有。
4.1.4 滚珠丝杠的选择。
4.1.4.1 切削力的计算。
切削时车削时总切削力分解为：切削力、进给力、背向力，如图7所示。
图7 车削时总切削力的分解。
切削力： 进给力：
背向力： 以上式中：为背吃刀量，为进给量，为切削速度。
根据厂家提供ca6140的参数，然后以q235钢为加工材料，进行设计计算。加工零件的最大直径d=400mm，主轴最大转速n=1600r/min，刀具选择yt5和yt15硬质合金焊接式车刀。
1）粗车。刀具选择yt5，对于长径比<200：1，背吃刀量，进给量，切削速度。
查《机械工程手册》第二版“机械制造工艺设备（二）表1.2-2得： =2650，， 0.75,，，1.
机床主轴转速：
取工件毛呸直径d=410mm，切削速度=75m/min,则主轴转速n
查ca6140机床主轴转速系列，可知主轴转速n选为63r/min
则可就计算出切削力、进给力、背向力的值。
切削力： 进给力：
背向力： 2）精车。
由于精车时的切削力小于粗车时的切削力，故不做分析。
4.1.4.2 纵向滚珠丝杠设计计算。
滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。
1）计算z向滚珠丝杠轴向力q
综合车床导轨对滚珠丝杠的作用可计算z向滚珠丝杠轴向力q
式中：为当量摩擦系数，k为填覆力矩影响系数。
2）确定基本额定载荷。
式中，为载荷系数，为硬度系数，为短行程系数，都可从从《机械传。
动装置设计手册》上册表—28查得。
3）选择滚珠丝杠的型号。
4）根据计算的基本额定载荷6.31kn，查表《机械传动装置设计手册》上册表10-22，选择滚珠丝杠的型号gd4006 -3-p4950/880。规格见图8.
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