普通车床数控化改造中机械结构的设计

普通车床数控化改造中机械结构的设计
发表时间：2019-05-13T10:35:33.893Z 来源：《防护工程》2019年第2期作者：曾玉成唐良军
[导读] 车床在机械加工中是重要的基础设备，车床的性能是影响生产的关键。

广东科达洁能股份有限公司广东省佛山市 528313
摘要：车床在机械加工中是重要的基础设备，车床的性能是影响生产的关键。

随着社会的发展，新型的数控车床具有精度高、效率高等特点，可以实现自动化控制，普通的车床无法满足当前企业的生产现状，因此对一些普通车床进行数控改造，既达到了使用要求，还为企业节约了成本。

关键词：数控；机械；车床；改造
随着数控机床的普及，各加工企业都在更改机械加工工艺，将原来普通车床加工的流程都尽可能地安排到数控机床上来进行。

普通车床具有操作简单、精度保持性好、故障率低等特点，在机械加工企业中一般都大量使用。

通过改造可以使普通车床达到数据化生产的要求，提高企业的生产效能。

1普通车床改造总体方案设计
普通车床的数控化改造是一项技术性很强的工作，首先根据车床的规格与技术性能指标，设计基于该车床的整体改造方案，并给出详细的改造流程；然后进行任务分解，确定各部分的实施方案。

普通车床数据化改造一般按如下步骤进行。

1.1对被加工对象进行工艺分析
普通车床主要用于回转类（轴类、盘类）以及螺纹零件加工，这些零件具有不同形状、不同技术要求，因而加工方法也不同，对车床改造后的要求也不相同。

故应在工艺分析的基础上计算切削力及切削功率，计算进给系统和主轴所需的参数。

1.2被改造车床的现状分析
一定要掌握原始数据。

车床改造时，一些零部件被拆掉同时还要增添一些新的机构，这就必须要确定相关的尺寸和连接方式。

了解被改造车床当前的主要缺陷，如外圆车削产生锥度、端面车削平面度超差等，通过分析，在改造中采取措施予以解决。

充分估计实际载荷，保证整机及各组成件的刚度，才能使数控改造后的车床加工精度和工作性能满足要求。

1.3制定总体设计方案
在充分进行技术分析并确定改造后，首先需要确定车床的现状及参数；根据机床现有的规格参数，再确定改造所需的硬件的型号和数量，机械部分主要有丝杠、丝母、轴承、轴承座、刀架等，电气部分主要有伺服驱动电机、变频器、强电元器件等。

以普通车床数控改造为例，在查阅其主要技术参数及对现状分析后，对滚珠丝杠副、步进电动机的选用进行梳理，给出较为实用的设计计算及应用方案。

2车床数控改造传动部件滚珠丝杠副的设计
2.1切削力的计算
总切削力沿X、Y、Z方向分解为互相垂直的Fc、Ff和Fp三个分力。

主切削力Fc用于计算机床主运动机构及刀具强度，是选择切削用量的主要依据，是消耗功率最多的；进给力Ff是校验进给机构强度和确定进给功率的主要依据；背向力Fp是使工件在切削过程中产生振动的力，用来计算工艺系统刚度。

切削力可按下列经验公式计算：
Fc=0.67D1.5max.（1）
Ff=（0.1~0.6）Fc.（2）
Fp=（0.15~0.7）Fc.（3）
其中：Dmax为车床床身的最大加工直径，mm。

横切端面时主切削力可取纵切时Fc的1/2。

为简便起见，也可按照以下比例分别计算出另外两个切削分力。

Fc∶Ff∶Fp=1∶0.25∶0.4.（4）
2.2滚珠丝杠螺母副的计算与选型
滚珠丝杠螺母副已经标准化，其主要作用是将旋转运动转换为直线运动，从而使机床能够加工出所需零件。

滚珠丝杠螺母副的型号可通过导程、动负载、螺纹底径等参数确定。

2.2.1滚珠丝杠上的牵引力计算
作用在滚珠丝杠上的牵引力Fm是根据切削分力和运动部件的重力引起的进给抗力来计算的，其数值大小与导轨形状有关。

对于矩形导轨：
Fm=kFf+f′（Fc+Fp+G）.（5）
对于燕尾形导轨：
Fm=kFp+f′（Fc+Ff+G）.（6）
对于三角形或综合导轨：
Fm=kFf+f′（Fc+G）.（7）
其中：G为移动部件的重量，N；f′为导轨上的摩擦因数；k为考虑颠覆力矩影响的试验系数。

正常情况下，矩形导轨k=1.1，f′=0.15；燕尾形导轨k=1.4，f′=0.2；三角形或综合导轨k=1.15，f′=0.15~0.18。

2.2.2计算滚珠丝杠副的动负载、静负载
动负载C即滚珠丝杠承受的轴向负载的最大值，通过牵引力和要求的寿命值进行如下计算：
其中：fh为硬度系数，硬度为60HRC时，取fh=1，小于60HRC时，fh>1；fw为运转系数，一般情况下fw取1.2~1.5，有冲击时fw取
1.5~
2.5；L为寿命，以100万转为一单位，L=60nT/106，T为使用寿命，n为丝杠转速，r/min，n=1000vs/L0，vs为最大切削条件下的进给速度，m/min，L0为丝杠导程，mm。

滚珠丝杠在静态或低速（n≤10r/min）情况下工作，其破坏形式主要为滚珠接触面上产生的塑性变形，塑性变形超出规定范围就会影响滚珠丝杠副的正常工作，要求其塑性变形量不得超过滚珠直径的万分之一。

产生这样的大塑性变形量时的负载即最大静负载C0：
C0=fsFmax.（9）
其中：Fmax为滚珠丝杠最大轴向负荷，N；fs为静态安全系数，一般运转时取fs=1~2，有冲击或振动时取fs=2~3。

2.2.3滚珠丝杠副的选型
选用滚珠丝杠副的方法较多，采用经验或类比法容易出现结构尺寸过大、驱动装置负荷增加等不合理问题。

合理的方法是根据计算的动负荷（n>10r/min）和静负荷（n≤10r/min）传动比的要求，从《机床设计手册》滚珠丝杠产品样本中选择丝杠的型号，确定滚珠丝杠副的结构尺寸规格和结构类型。

3进给齿轮箱传动比的计算
齿轮减速箱能够降低输出轴的转速，提高输出轴的扭矩，有减速增扭的作用。

由于电动机的工作转速较高，工作台速度较低，因此需要齿轮传动来带动工作台运动，以满足工作部件对转速和工作扭矩的要求。

传动比i通过脉冲当量δp、步距角θb、滚珠丝杠导程L0确定： i=360δp/θb·L0.（10）
4步进电动机的选择
以经济型数控改造车床为例，一般选择步进电动机作为驱动。

步进电动机在选用时，应从计算传动装置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量入手，分别计算各种工况下所需的等效力矩，考虑系统的精度和速度要求，根据负载力矩查出启动频率，只要启动频率小于查出值，步进电动机就可直接带负载启动。

因步进电动机对转矩和进给速度都有不同要求，需要通过工作频率的计算在步进电动机工作频矩特性曲线找到相应的转矩值看步进电动机是否能达到要求。

4.1负载转动惯量的估算
折算到步进电动机轴上的转动惯量JF（kg·cm2）可按下式估算：
JF=J1+(J2+J3)/i2+GI/i2g(180δ/πθ)2.（11）
其中：J1、J2为齿轮Z1、Z2的转动惯量，kg·cm2；J3为丝杠的转动惯量，kg·cm2；GI为工作台重量，N；δ为估算系数；θ为工作台转过的角度。

4.2电动机负载力矩的计算
对数控车床来说，电动机力矩主要用来产生加速度，而负载力矩往往小于加速力矩。

为了保证其动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又比较大，故常采用空载启动力矩作为选择步进电动机的依据。

快速空载启动所需力矩M启（N·cm）为： M启=Ma max+Mf+M0.（12）
其中：Ma max为空载启动时折算到电机轴上的加速力矩，N·cm；Mf为折算到电机轴上的摩擦力矩，N·cm；M0为丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩，N·cm。

Ma max=JΣε=JΣ2πnmax/60ta×10-2.（13）
其中：JΣ为传动电动机折算到电机轴上的总等效转动惯量，kg·cm2；ε为电动机的最大角速度，rad/min；nmax为电动机最高转速，r/min；ta为运动部件从停止启动加速到最大快进速度所需时间，s。

Mf=(F0L0/2πη)i.（14）
其中：F0为导轨的摩擦力，N；η为传动链总效率，一般η=0.7~0.85。

M0=(Fp0L0/2πη)i(1-η20）.（15）
其中：Fp0为滚珠丝杠预加载，N；η0为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取η0≥0.9。

4.3步进电动机的最高工作频率计算
由于根据快速空载启动所需力矩初选的步进电动机不一定能满足实际工作的需要，因此还须计算步进电动机的最高工作频率fmax： fmax=1000vmax/60δ.（16）
其中：vmax为步进电动机最高线速度，m/s。

5结语
根据普通车床数控改造的总体设计方案，重点对滚珠丝杠副、步进电动机的选用进行了必要的分析计算，从而对其做出合理的选择，使改造的机床可靠、成本降低，从而保证了重要部件在设备上运行良好，并实现了设备所要求的运动特性与精度。

参考文献：
[1]张勇，朱朝宽.车床数控化改造实例[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2]罗永顺.机床数控化改造技术[M].北京：机械工业出版社，2013.
[3]黄莜调，丁文政，洪荣晶.机床数控化改造理论、方法及应用[M].北京：科学出版社，2012.
[4]魏效玲，张宝刚.数控化改造中滚珠丝杠副的选型计算及误差分析[J].煤矿机械，2015，36（4）：151-153.。