普通车床C6136A的数控化改造设计

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　　摘要
　　 普通机床的数控化改造已成为企业提高自动化程度的一种重要手段，以C6136A普通车床的数控化改造为例，分析了数控化改造的特点和优势。在机械传动部分，拆掉原先的普通丝杆、光杆，进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副，并对其进行了分析、计算、选型及校核。
　　关键词：进给系统；滚珠丝杠；伺服电机；数控化改造
　　Abstract: The general transformation of CNC machine tools has become the is a kind of important means to improve the degree of automation in enterprises, this paper using C6136A numerical control modification of the engine lathe as an example, analyzes the characteristics and the advantages of numerical control transformation.
　　Key words: feed system; ball screws; servo motor; numerical control transformation
　　 中图分类号：TG519.1 文献标识码： A 文章编号：
　　
　　1.引言
　　 机床数控化改造花费少、改造时间短、针对性强，是符合我国可持续发展战略的一项绿色系统工程。
　　2．进给传动机构
　　2.1进给传动机构要求
　　 数控机床对传动机构的要求如下：
　　 (1) 适当加大滚珠丝杠的直径，对丝杠螺母副、支撑部件进行预拉伸等，可以提高传动系统刚度。
　　 (2) 在满足系统强度和刚度的前提下，尽可能减小部件的重量、直径，可以降低惯量，提高快速性。
　　 (3) 在允许范围内，消除传动机构的间隙。
　　 (4) 采用高效传动部件，减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行。
　　2.2滚珠丝杠螺母副的选型和验算
　　 滚珠丝杠的选择包括其精度选择、尺寸规格（包括导程与公称直径）、支承方式等几个方面的内容。滚珠丝杠副的承载能力用额定动载荷或额定静载荷来表示，在设计中一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规格，只有当n小于等于10r/min时，按额定静负荷选用。对细长而有承受压缩载荷的滚珠丝杠应进行压杆稳定性核算；对转速高、支承距离大的滚珠丝杠副应进行临界转速校核；对精度要求高的滚珠丝杠应进行刚度校核、转动惯量校核；对数控机床，需核算其转动惯量；对闭环控制系统还要进行谐振频率的验算。
　　 纵向进给系统为例的设计计算：
　　 (1)切削力计算
　　 最大切削功率
　　 ==6 kW（2-1）
　　 式中――主电动机功率，车床 =7.5kW ；
　　 ―― 主传动系统的总效率，一般为0.7~0.85，取=0.8。
　　 切削功率应在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转矩)和最大切削速(或转速)来计算，即
　　 （2-2）
　　 式中 Fc― 主切削力
　　 （2-3）
　　 V ― 最大切削速度，按用硬质合金刀具半精车钢件时的速度取 V=100 m／min。
　　 在一般外圆车削时
　　 取 （2-4）
　　 取 （2-5）
　　 (2)丝杠选型
　　 滚珠丝杠的选用设计，需要已知下列条件：
　　 丝杠的最大轴向载荷 (或平均工作载荷)、使用寿命T 、丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)、丝杠的转速n(或平均转速)、丝杠的运转状态等。
　　 滚珠丝杠轴向进给切削力的计算:
　　 （2-6）
　　 式中 W―移动部件的重量，W=800N；
　　 ―导轨上的摩擦因数，取 =0.16；
　　 K―考虑颠覆力矩影响系数，K=1.15。
　　 滚珠丝杠平均转速的计算:
　　 （2-7）
　　 ―最大切削力下的进给速度 (r／min)，可取最高进给速度的1/2-1/3(取为1/2)，纵向最大进给速度为0.6 m/min，丝杠导程=6 mm。
　　 ③滚珠丝杠寿命的计算
　　 丝杠使用寿命取 20000 h(2班工作制10a)，则丝杠的计算寿命
　　 （2-8）
　　 ④滚珠丝杠副承受的最大当量动载荷的计算,根据工作负载、寿命L ，滚珠丝杠副承受的最大当量动载荷:
　　 （2-9）
　　 式中 ―运转系数，取 =1.2；
　　 ― 精度系数，滚珠丝杠副精度取为3级，则取 =1。
　　 ⑤ 考虑到机床的精度，滚珠丝杠的支承形式采用两端固定。
　　 ⑥从滚珠丝杠尺寸系列表(或产品样本)中找出额定动载荷略大于当量动载荷，同时考虑刚度要求，初选滚珠丝杠副的型号及有关参数。
　　 C6316A 纵向进给滚珠丝杠副的型号选为：FFZD4006-5-P3/2124×1730，是内循环浮动反向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，其额定动载荷=23500N>，强度足够。
　　 其具体参数如下：
　　
　　
　　
　　 (2)考虑丝杠的安装形式
　　 数控机床的进给系统要求获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽略的因素。滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及支承刚度不足，会导致滚珠丝杠的使用寿命下降。
　　 对于高精度、高转速的滚珠丝杠应采用两端固定方式。这种支承形式的特点是：刚度最高，只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍。丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率高；可以预拉伸，可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀。
　　 (3)刚度验算
　　 滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算丝杠的拉伸或压缩变形量 、滚珠与螺纹滚道接触变形量和支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 ，之和应不大于机床精度所允许变形量的1/2。否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。滚珠丝杠的变形量计算步骤如下：
　　杠的拉伸或压缩变形量
　　 （2-10）
　　 式中――工作负载引起导程的变化量
　　 （2-11）
　　 由于丝杠两端固定，且又进行了预紧，故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高4倍。其实际变形量为：
　　 （2-12）
　　 ②滚珠与螺纹滚道间接触变形
　　 滚珠丝杠副及轴承均进行预紧，滚珠与螺纹滚道接触变形
　　 （2-13）
　　 式中――滚珠数量， （2-14）
　　 j― 圈数；
　　 k― 列数；
　　 z― 每圈螺纹滚道内的滚子数。
　　 对于FFZD4006―5一P3/2124×1730型滚珠丝杠

　　
　　 因丝杠加有预紧力,实际变形量:
　　 （2-15）
　　 支承滚珠丝杠的轴承轴向接触变形
　　 支承滚珠丝杠的轴承为51107型推力球轴承，几何参数为d。=35 mm，滚动体直径=6.35 mm，滚动体数量 =18
　　 （2-16）
　　 因丝杠加有预紧力,实际变形量：
　　 （2-17）
　　 总变形量为：
　　 （2-18）
　　 三级精度滚珠丝杠允许的螺距误差为15μm/m ，故刚度足够。
　　3.伺服系统的选型和计算
　　3.1伺服电机的选型
　　 在选用伺服系统时，首先要确定是采用直流调速还是交流调速系统，其次要保证所选用的驱动器功率和电动机的功率、速度符合要求。目前，全数字化的交流伺服调速系统技术成熟、控制性能好、可靠性高。
　　 本设计以纵向伺服轴为例，详细说明伺服电机选择步骤。
　　 已知参数：系统传动比：i=3；滚珠丝杠螺距：p=6mm；快速行程速度N=4000mm/min；最大切削时转换到电机轴上扭矩7.22N・m；快速行程时转换到电机轴上的扭矩0.62 N・m；最大切削负载比40%；刀架重量67kg；转换到电机轴上的负载惯量 19129×10 kg・m2。
　　
　　 1.最高转速：快速行程的电机转速必须严格限制在电机的最高转速之内。
　　
　　 式中 ―电机最高转速 r/min
　　 N―快速行程中电机转速 r/min
　　 Vm―工作台或刀架快速行程速度 mm/min
　　 i―系统传动比i=N电机/N丝杠
　　 p―丝杠螺距
　　 由上式可算出电机最高转速为
　　 =4××3×=2000r/min
　　 2.转换到电机轴上的负载惯量
　　 负载惯量应限制在3倍电机惯量之内 (如果超过3倍也可以使用, 但调整范围将会减小, 时间常数将会增加)。
　　
　　
　　 式中 ―电机惯量 Kg・m
　　 ―转换到电机轴上的负载惯量 kg・m
　　 ―各旋转件转动惯量 kg・m
　　 ―各旋转件角速度 rad/s
　　 ―各直线运动件的质量 kg
　　 ―各直线运动件的速度 m/s
　　 ―伺服电机的角速度 rad/s
　　 电机惯量必须满足下列条件
　　
　　 由此可以选择GK6064-6AC31型交流电动机
　　
　　 3.加减速时扭矩
　　 加减速扭矩应限定在变频驱动系统最大输出扭矩的 80% 以内。不管是线性加速还是角加速, 都可以参考下列公式计算：
　　
　　 ―与电机匹配的变频驱动系统的最大输出扭矩 kg・m
　　 ―加减速最大扭矩 N・m
　　 ―快速行程时加减速时间常数 ms
　　 ―快速行程时转换到电机轴上的载荷扭矩 N・m
　　 加、减速最大扭矩为
　　
　　 与电机对应的驱动器为HSV-16-020, 其最大输出扭矩为 411944N・m
　　
　　 ≥18.10ms 加减时间常数取20ms
　　 通过上述的计算系统与电机相配，满足使用要求。
　　 4.数控系统的选型
　　 4.1数控系统选用的原则
　　 数控系统是数控机床的中枢，是其中最关键的环节。在选择数控系统方面必须要充分考虑改造中各方面的因素。
　　 首先，要考虑被改造机床的功能要求。根据机床的功能要求选择数控系统，以使数控系统所具有的功能要与准备改造的机床所能达到的功能相匹配。
　　 其次，要考虑数控系统的制造厂商。老牌著名跨国公司主要有德国的西门子、日本的FANUC和三菱、法国的NVM等。，国内公司主要有中华数控、中国珠峰、北京航天等，国内系统功能也越来越完善。
　　 第三，要考虑数控系统与其它配件的匹配。如果数控系统、电机及驱动器的品种、牌号太杂，在连接各部件时，就可能会出现输入与输出信号的不匹配及在传送中信号产生滞后等现象。因此，选择时要优先考虑能提供进给伺服系统和主轴驱动的厂家的数控系统。
　　 根据以上原则，国内常见数控系统的特点及数控系统的类型，本台改造的数控车床选用华中数控系统，即HNC-21TD数控装置。采用交流伺服电动机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。
　　 4.2选用数控系统的性能特点
　　 “世纪星”HNC-21系列数控装置（HNC-21T、HNC-21M）采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC机、高性能32位中央处理器，配置7.5”彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O板接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，主要适用于数控车、铣床和加工中心的控制。具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高、低价格的特点.
　　 5.恢复机床精度的设计
　　 要使数控化再制造后的车床达到同类新数控车床的精度水平，可采取以下措施：
　　 1．对车床主轴、导轨等进行仔细维修，对主轴而言，换主轴轴承；导轨则采用传统的磨削、刮研的方法，还可采用电刷镀或热喷涂等表面技术来修复。
　　 修复机床导轨精度时要达到如下两个要求：
　　 （1）修复导轨的直线性精度。
　　 （2）恢复导轨作为机床的支承和导向的基准作用。
　　 在修理车床床身导轨面时，由于导轨面磨损，已经不能保证它和其它传动部件之间的位置精度。为了保证在修复导轨面精度的同时恢复它和传动部件之间的相互位置，并且在以后的修理工艺中，不需要再去重新校正，移置其它部件在床身上原来的装配位置。因此，修复导轨面时，必须利用床身上那些没有磨损的安装表面（即保持车床床身原来制造精度的表面）作为测量、修理的基准面。
　　 2．采用由聚四氟乙烯制成的贴塑导轨。即在原机床导轨修整后，将聚四氟乙烯软带粘贴在滑动导轨上成为贴塑导轨。
　　 它可使导轨的摩擦系数降低，稳定性、吸振性更好。根据绿色环保的可拆卸性设计思想，在数控车床中采用贴塑导轨，其耐磨性好，能有效地防止爬行，具有自润滑性，提高了导轨寿命，机床报废后贴塑层易分离，并且导轨和床身可重复使用，明显降低了制造和维护成本，具有良好的经济和生态效益。据验证，贴塑导轨的使用寿命为普通铸铁导轨的8倍―10倍，同时刮研修配容易、更换方便。
　　 3．将普通滑动丝杠换成滚珠丝杠，并适当预紧。预紧的目的在于消除轴向传动间隙，预紧的方法主要是双螺母调整法。
　　 4．伺服电机与滚珠丝杠利用联轴器直接联接，减少了零件的数目与中间环节的影响，精度高，效率高。
　　 结语：改造后的机床大多能够克服原机床的精度低、效率低、噪声多、稳定性差等缺点；提高了加工精度、生产效率，降低了劳动强度，资源消耗和废物排放，从而延长了原设备的利用率和使用寿命。
　　 参考文献
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　　[2] 杨莉.车床进给系统数控改造.机床与液压.2006(9)：247-249．
　　[3] 刘晓宇，刘德平.普通机床数控化改造关键技术的设计及计算.机械设计与制造.2007(9):42-44．
　　[4] 李亚飞，吴康雄等.普通车床数控化再制造技术.机械设计与制造.2006(9)：77．
　　
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