CA6150車床機械結構的數控化改造設計

王金剛，劉文波

（1.撫順市技師學院 機電科，遼寧 撫順 113123；2.沈陽理工大學應用技術學院，遼寧 撫順113123）

對現有CA1650 普通臥式車床進行了數控化改造，主要工作包括拆除進給箱、光杠、絲杠、手工控制的刀架轉位進給部件等，換上了滾珠絲杠螺母副和由數控系統控制的刀架自動轉位部件，安裝行程開關以及滾珠絲杠螺母副潤滑系統等。改造后的車床，機械結構能滿足數控化的要求。

1 改造的內容

1.1 主傳動系統

主軸脈沖編碼器的加裝。將型號是PIE8-1024-C05D的主軸脈沖編碼器用兩個Φ150 mm、傳動比為1:1的尼龍齒輪與主軸聯接，實現對伺服電動機的控制。

1.2 縱向滾珠絲杠的安裝

利用機床原來走刀箱上的絲杠軸承及軸承座，作為滾珠絲杠的左端支承，利用雙螺母進行左端軸向預緊，利用走刀箱端的軸承座端面進行軸向定位。支承短軸與滾珠絲杠采用直徑為Φ 6 mm，錐度為1:5的圓柱銷與聯軸套連接起來。在滾珠絲杠的右端，在絲杠托架上布置一個軸套式滑動軸承作為徑向支承，利用傳動比為1:2的減速箱左端面作為軸向定位，通過雙螺母預緊，將減速箱固定在絲杠托架上。減速箱輸出軸與滾珠絲杠仍然采用圓柱銷連接。

1.3 橫向滾珠絲杠的安裝

伺服電動機安裝在床鞍的后部，靠近操作者一端布置一個支承短軸，通過一個聯軸套與滾珠絲杠連接，利用車床原橫向進給絲杠的滑動軸套作徑向支承，在原支承處布置一對推力球軸承。遠離操作者一端，用一個聯軸套和一根連接短軸，把滾珠絲杠與減速箱輸出軸連接起來，將絲母座固定在中滑板上，帶動中滑板運動，從而實現刀具的橫向進給運動。

1.4 自動回轉刀架的安裝

將原刀架拆下，去掉車床的小滑板，加裝一塊方鐵，安在中滑板上，以調節刀架與機床主軸間的高度。刀架放在方鐵上，卸掉電動機的風罩，逆時針轉動電動機，或用內六角扳手轉動軸承蓋上的內六角，使刀架轉動定位后，裝上螺釘，然后將刀架固定。

1.5 滾珠絲杠副的防護

采用毛氈圈對螺母進行密封，毛氈圈的厚度為螺距的2到3倍，而且內孔作成螺紋的形狀，使之緊密地包住絲杠，并安裝于螺母或套筒兩端的槽孔內。對于暴露在外的絲杠，采用折疊式塑料防護罩，以防止塵埃和磨粒粘附到絲杠表面。

2 改造的設計計算

2.1 滾珠絲杠的設計計算

滾珠絲杠副已經標準化，在選用滾珠絲杠副時，首先要確定螺距Ph、名義直徑D0、和滾珠直徑d0這3個主要參數。在確定后兩個參數時，采用驗算的方法，即在規定最大軸向載荷Q的作用下，滾珠絲杠能以n=33.35 r/min的轉速運轉500 h 而不出現點蝕。

2.2 縱向進給系統的設計計算

已知條件：

工作臺自身的重力W=800 N；

加速時間常數t=25 ms；

快速進給速度Vmax=4 m/min。

根據《機床設計手冊》可知，切削功率

查機床說明書可知，

P=7.5 kW，η 取0.8，k 取0.96，則

Pc=Pηk=7.5×0.8×0.96=5.76 kW。

切削功率應按最大切削力（或傳矩）及最大切削速度計算取ν=200 m/min，則主切削力為

FZ=60 Pc×103/ν=1 728 N

由《機床設計手冊》可知，在外圓切削時，

（1）確定滾珠絲杠副的導程Ph。工作臺最高移動速度νmax= 4 m/min，伺服電動機最高轉速nmax=2 000 r/min，傳動比i=2 等，確定Ph。

（2）滾珠絲杠副的載荷及轉速計算。最小載荷Fmin為機床空載時滾珠絲杠副的傳動力。

最大載荷Fmax為機床承受最大負荷時滾珠絲杠副的傳動力。在機床切削時，切削力沿滾珠絲杠軸向的分力與導軌摩擦力的和即為Fmax。

式中，

Fx、FZ為切削分力；

W為移動部件的重力；

k為考慮顛覆力矩影響的系數，取1.15；

f '為導軌的摩擦因數，取0.15～0.18，確定取0.16，則

滾珠絲杠副的當量轉速nm及當量載荷Fm：當負載與轉速接近正比變化，各種轉速使用的機會均等時，

（3）確定預期額定動載荷。按滾珠絲杠副的預期工作時間Lh計算

式中，

Cam為滾珠絲杠副預期額定動載荷；

Lh為預期工作時間，h；

fa為精度系數，取0.8；

fc為可靠性系數；

fw為負荷系數。

數控機床

Lh=250（d）×16（h）×10（a）×0.5（開機率）

=20 000（h）

fa根據初定的精度等級選，取0.8，

fc取1，

fw無沖擊或輕微沖擊時取1.2。

（4）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2m。估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量δm。

滾珠絲杠副傳動系統的剛度K 可按下式計算

式中，

K為滾珠絲杠副傳動系統的剛度；

Ks為滾珠絲杠拉壓剛度；

Kb為支承軸承的軸向剛度；

Kc為滾珠絲杠副中的滾珠與滾道的接觸剛度。

機械裝置中，移動部件處在不同位置時，系統剛度是不同的。剛度最小處用Kmin表示。當滾珠絲杠副軸向有工作載荷作用時，傳動系統中便產生彈性變形δ，且δ=F/K。從而影響了系統的傳動精度，而Kmin處系統受影響最大。

機床和機械裝置的伺服系統精度，多在空載下檢驗。空載時的最大軸向工作載荷，是靜摩擦力F0。移動部件在Kmin處啟動和返回時，由于F0方向變化，將產生誤差2 F0/Kmin。它是影響重復定位精度的最主要因素。一般占重復定位精度的（1/2～1/3）。所以規定滾珠絲杠副允許的最大軸向變形

式中，

δm為滾珠絲杠副最大軸向變形；

F0為作用在滾珠絲杠副上靜摩擦力；

Kmin為系統剛度最小值。

影響定位精度最主要的因素，是滾珠絲杠副的精度，一般估算為

比較δ=F/K 與δm取小值，此處取δm=（1/2～1/3），

重復定位精度=（1/2～1/3）×0.01=0.005～0.003 mm。

估算滾珠絲杠副的底徑d2m。

當滾珠絲杠副的安裝方式為兩端支承或兩端固定時，滾珠絲杠副的底徑d2m滿足

式中，

L為兩個固定支承間的距離mm；

F0為導軌靜摩擦力，N；

E為揚氏彈性模量2.1×105N/mm2。

代入數值后得

（5）確定滾珠絲杠副規格代號。根據估算的Ph，Cam在樣本查出對應的絲杠底徑d2，額定動載荷Ca，使d2≥d2m。Ca≥Cam但不宜過大。南京工藝裝備制造廠生產的FFZL4006-3 型滾珠絲杠作為縱向傳動絲杠，可以滿足使用要求。

2.3 橫向進給系統的設計計算

設計計算同縱向進給系統。

3 結束語

通過對CA6150車床的機械傳動機構的研究設計、機械傳動系統的更換，使改造后的車床具有了準確定位、直線插補、圓弧插補、暫停等數控功能，能夠加工出符合要求的復雜零件，大幅提高了生產效率，減輕了工人勞動強度，提高了機床的加工精度。隨著電子技術、計算機技術和管理技術的不斷發展，對現有舊設備進行數控化改造以提高設備的數控化率，將大有所為。

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