普通車床數控改造設計

周大勇，權建洲，焦盼德，李 冉

（中國人民解放軍空軍預警學院雷達士官學校，湖北武漢 430345）

0 引言

隨著時代的改變，社會生產力不斷提高，工業設備對精密程度的要求也越高，對加工設備的加工程度也越高。我國是制造大國，國內數控車床市場很大。隨著中國的研發制造能力的不斷提高，不斷向高精度、高質量發展。數控車床在制造業中是不可缺少的角色，起到越來越大的作用。

普通車床的數控改造，是通過對車床的機械結構和控制系統加以改造來實現設計目的。數控車床與傳統車床在機械結構上有許多相同之處，但不是簡單在傳統車床上安裝數控系統就叫數控車床。普通車床有很多缺點，已經不能勝任如今的制造加工的任務。因此，對傳統車床進行改造設計，應考慮全面，使傳統車床盡可能達到數控車床的性能指標。

1 設計要求

1.1 總體方案

因為是經濟型的傳統車床改造，所以總體設計方案應考慮機床數控類型、執行機構的選擇等要求，對機床小改動，來降低成本。經認真考慮，本設計將采用步進電機帶動滾珠絲杠滾動，總體方案如圖1 所示。

圖1 數控車床改造總體方案

（1）改造后的車床應具有定位功能。

（2）車床要有縱向和橫向的直線、圓弧插補功能。

（3）改造要經濟節約，進給系統采用步進電機開環控制系統。

（4）控制系統采用MSC-51 系列單片機控制。

（5）單片機8031 作為控制系統的CPU，輔以其他硬件。

（6）設計了自動旋轉刀架及其控制電路。

（7）傳動比應滿足機床要求的分辨率。

（8）滾珠絲杠螺母副和齒輪副需預緊還應消除側隙。

（9）采用貼塑導軌，為了減少導軌摩擦因數。

（10）應選擇合理的裝配順序，保證在安裝、調試及日后經常維修、調整時方便。

1.2 設計參數

以C6150 普通車床為例，將其改造成數控車床。設計參數如下：

（1）最大加工直徑：在床面上：500 mm；在床鞍上：280 mm。

（2）最大加工長度：1000 mm。

（3）刀架快移速度：縱向：2.4 m/min；橫向：1.2 m/min。

（4）最大切削進給速度：縱向：0.5 m/min；橫向：0.25 m/min。

（5）代碼制：ISO。

（6）脈沖分配方式：逐點比較法。

（7）輸入方式：增值量、絕對值通用。

（8）控制坐標數：2。

（9）最小指令數：縱向：0.01 mm/step；橫向：0.005 mm/step。

（10）刀具補償量：0～99.99 mm。

（11）進給傳動鏈間隙補償量：縱向：0.15 mm；橫向：0.075mm。

（12）系統分辨率：縱向：0.01 mm；橫向：0.005 mm。

2 滾珠絲杠的設計與選用

2.1 縱向滾珠絲杠的設計與計算

2.1.1 最大工作載荷計算

滾珠絲杠的工作載荷Fm：

車削外圓時的切削抗力有Fx、Fy、Fz，力的分解如圖2 所示。

圖2 切削時總切削力的分解

式中 Fz——車床的主切削力，N

ap——切削深度，mm

f——進給量，mm/r

V——進給速度，mm/s

K——修正系數

查《現代機床設計手冊》得Fz=7491 N。

由《金屬切削原理》知：Fz∶Fx∶Fy=1∶0.25∶0.4，代入數據計算可得Fx=1873 N，Fy=2996 N。

由于車刀裝夾在托板上的刀架內，因此作用在進給拖板上的載荷可求出：拖板上的進給方向載荷F1=Fx=1873 N；拖板上的垂直方向載荷Fv=Fz=7491 N；拖板上的橫向載荷Fc=Fy=2996 N。

式中 K——系數，對于三角導軌K=1.15

G——移動件重量，據設計任務書G=1500 N

f′——導軌上的摩擦因數，綜合導軌通常取0.16

代入數據計算可得Fm=3593 N。

2.1.2 最大動載荷C 計算

式中 L——工作壽命，h

N——絲杠轉速，r/min

詞典的種類繁多，分類體系也相當復雜繁瑣，這里僅作簡單分類。按其語言的種類可以分為兩大類：單一語種的詞典(如：郎曼英英詞典)和雙語詞典(如：牛津英漢雙解詞典)；按其性質可以分為：各個領域的知識型詞典(如：大不列顛百科全書)、專業的詞典(如：語言與語言學詞典、英漢建筑學詞典)和詞語釋義型詞典(如：牛津當代英語高級詞典)；就詞典使用的材質而言，可以分為紙質詞典和電子詞典。

V——最大切削進給速度，m/min，可取最高進給速度的1/3～1/2 這里取縱向V=0.6 m/min

L0——絲杠的基本導程，查資料可得L0=6 mm

fm——運轉狀態系數，因為有沖擊，所以取1.2

T——使用壽命，取15 000 h

代入數據計算可得：縱向n縱向=50 r/min；L=45 h；C=15 336 N。

根據《綜合作業指導書》中附錄選取滾珠絲杠，選取標準為額定動載荷Ca不得小于最大動載荷C，因此有Ca＞C=15 336 N。還需考慮其他失效形式，即額定靜載荷Coa是否超過工作載荷Fm，因此有Coa/Fm=2～3。

2.1.3 校核

滾珠絲杠螺母副的傳動效率η 為：

式中 Φ——摩擦角，由于摩擦因數f=0.003～0.004 時，摩擦角約為10′，代入數據計算可得η=92%。

剛度驗算：絲杠的拉壓型變量δ1

代入數據計算可以得出δ1=0.012 4 mm。

滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2

代入數據計算可得δ2=0.002 2。

絲杠的總變形量δ=δ1+δ2=0.012 4+0.002 2=0.014 7 mm＜0.015 mm

已知絲杠為E 級精度，則允許螺距誤差為0.015 mm，故初選合格。

失穩時的臨界載荷Fk

式中 E——絲杠彈性模量，對于鋼來說E=20.6×106N/cm2

L——絲杠的最長工作長度，mm

fz——支撐方式系數，取值見表1

表1 fz 取值

代入數據計算可得：I=11 060 mm4；Fk=222 089 N

其中［Nk］=2.5～4，所以絲杠穩定。

2.2 橫向滾珠絲杠螺母副設計與計算

橫向滾珠絲杠螺母副的設計簡單，與縱向的設計過程相同。

2.2.1 進給系統設計

電機初選轉速為1500 r/min，進給速度為Vmax=0.25 m/min。

已知：工作臺重量：W=800 N；脈沖當量：δ=0.005 mm/step；步距角：a=0.75°/step；進給速度：Vmax=2 m/min；基本導程：Ph=5 mm；行程：S=950 mm。

2.2.2 滾珠絲杠設計

強度計算：

式中 K——系數，燕尾型導軌，取1.4

f′——摩擦因數，燕尾型導軌，取0.2

代入數據計算可得Fm′=2219 N。

查資料知，當量轉速在最大與最小轉速之間變化時：

取nmin=1 r/min 時，nm=361 r/min，取nm=361 r/min，因此L′=324.9。

效率：

其中λ′=2°30′，Φ=10′，代入數據計算可得η′=0.937。

由于負載導致導程的變化量：

代入數據計算，得：ΔPh′=±2.8×10-6mm。扭矩引起導程的變化量很小，所以ΔPh=ΔPh′，則總誤差為：Δ=×2.8×10-6=7 μm/m。

E 級精度的絲杠允許螺距誤差為15 μm/m，故剛度合格。由于絲杠為一端固定，一端徑向固定，故一定穩定，不在校核。

3 電機與滾珠絲杠連接用的一級減速器的設計與校核

3.1 齒輪傳動

齒輪傳動是現代最常見的一種機械傳動方式，它的傳動比準確，效率高，結構緊湊等優點。齒輪副間的間隙將導致指令的滯后，進而影響加工精度，必須消除間隙，提高進給系統性能，這就要求在設計時利用各種消除間隙及預緊措施的方法見表2。

表2 消除間隙方法

3.2 縱向減速齒輪的設計與計算

已知：傳遞功率P=1.8 kW，步進電機驅動，小齒輪轉速n1=1500 r/min，傳動比i=4，使用壽命為10 000 h。

（1）材料選擇。選擇小齒輪材料為40Cr（調質），齒面硬度280 HBS，大齒輪材料為45 鋼（調質），齒面硬度240 HBS。

（2）選小齒輪z1=20，大齒輪z2=i×z1=4×20=80。查《機械設計（第九冊）》可知，選取齒寬系數Φd=1。

（3）轉矩T1=9.55×106×=9.55×106×1.8/1500=1.15×104N·mm。

（4）載荷系數K，查表可知K=1.1。

（5）許用接觸應力［σH］。σHlim1=600 MPa，σHlim2=550 MPa，安全系數S=1，N1=60n1jLh=60×1500×1×10000=9×108，N2==2.25×108。

取最小者，即［σH］=［σH］2=523 MPa。

試選KHt=1.3，取區域系數ZH=2.5 查得材料的彈性影響系數ZE=。

計算接觸疲勞強度影響用重合度系數：

代入數據可得：∝a1=31.321°，∝a2=23.541°，εa=1.691，Zε=0.877。

（6）小齒輪分度圓直徑：

代入數據計算可得d1t=47.679 mm，經調整后，小齒輪的分度圓直徑d1=57.101 mm。

（7）彎曲疲勞強度用重合度系數Yε==0.694。

（9）計算齒輪模數

代入數據計算可得mt=0.948 mm。

（10）調整齒輪模數m=0.865 mm，則小齒輪模數取m=2 mm，算出小齒輪齒數z1==28.55。取z1=29，則大齒輪齒數z2=iz1=116，z1與z2互為質數。

（11）主要尺寸。分度圓直徑：d1=z1m=29×2=58 mm，d2=z2m=116×2=232 mm；中心距：a==145 mm；齒輪齒寬：b=Φdd1=1×58=58 mm。為了避免誤差，節約材料，即小齒輪為b1=63 mm，大齒輪為b=58 mm。

3.3 橫向減速齒輪的設計與計算

已知：傳遞功率P=1.8 kW，電機驅動，小齒輪轉速n1=1500 r/min，傳動比i=4，使用壽命為10 000 h。

（1）材料選擇。選擇小齒輪材料為40Cr（調質），齒面硬度280 HBS，大齒輪材料為45 鋼（調質），齒面硬度240 HBS。

（2）選小齒輪z1=20，大齒輪z2=i×z1=4×20=80。查資料可知，選取齒寬系數Φd=1。

（3）轉矩T1=9.55×106×=9.55×106×1.8/1500=1.15×104N·mm。

（4）載荷系數K，查表可知K=1.1。

（5）許用接觸應力［σH］。σHlim1=600 MPa，σHlim2=550 MPa，安全系數S=1，N1=60n1jLh=60×1500×1×10000=9×108，N2==2.25×108。

取最小者，即［σH］=［σH］2=523 MPa。

試選KHt=1.3，取區域系數ZH=2.5 查得材料的彈性影響系數ZE=。

計算接觸疲勞強度影響用重合度系數：

代入數據計算可得：∝a1=31.321°，∝a2=23.541°，εa=1.691，Zε=0.877。

（6）小齒輪分度圓直徑：

代入數據計算可得d1t=47.679 mm，經調整后，小齒輪的分度圓直徑d1=57.101 mm。

（9）計算齒輪模數

代入數據計算可得mt=0.948 mm。

（10）調整齒輪模數m=0.865 mm，則小齒輪模數取m=2 mm，算出小齒輪齒數z1==28.55。取z1=29，則大齒輪齒數z2=iz1=116，z1與z2互為質數。

（11）主要尺寸。分度圓直徑：d1=z1m=29×2=58 mm，d2=z2m=116×2=232 mm；中心距：a==145 mm；齒輪齒寬：b=Φdd1=1×58=58 mm。為了避免誤差，節約材料，即小齒輪為b1=63 mm，大齒輪為b=58 mm。

4 進給系統中步進電機的設計與選擇

4.1 步進電機

步進電機是驅動元件，在機器中起到關鍵作用，應用在很多控制系統中。隨著科技的不斷發展進步，很多工廠把它應用到很多方面，需求量也與日俱增。步進電機是將電脈沖信號轉換成相應的線性位移或角位移的離散值控制電機。

步進電動機的基本參數：①電機固有步距角：表示每發一個脈沖信號，電機都會轉動一個角度；②電機固有步進角：實際的步進角與驅動器有關；③步進電機相數：指電機中線圈組的個數；④保持轉矩：指步進電機通電但不轉動時，定子鎖定轉子的轉矩；⑤止動力矩：步進電機未通電時，定子鎖緊轉子的力矩；⑥DETENT TORQUE：是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。

步進電動機的特點特性：①步進電機無累積誤差；②額定電壓和額定電流僅為參考值；③步進電機的轉矩隨著轉速的增加而減小；④低速運行正常，較高速無法啟動，并伴有噪音。

4.2 縱向及橫向步進電機的設計與選擇

4.2.1 等效轉動慣量

由上式可知傳動比i=4，脈沖當量δ=0.005 mm/pulse；縱向進給速度4 m/min；步進電機的步距角預選為θ=1.8°/step。故z1=29、z2=116；m=2 mm，a=20°；d1=mz1=58 mm，d2=mz2=232 mm。da1=d1+2ha=61 mm、da2=d2+2ha=235 mm（齒輪取45 鋼，且近似看成圓柱體），則齒輪的轉動慣量：

選用的滾珠絲杠副型號規格為CD63×8-3.5-E，長600 mm，直徑32 mm，則：

假設步進電機轉子的轉動慣量為Jm=7.5×0-4kg/m2，現預選步進電機為110BYG450。

其中：最快進給速度vi=v=0.5 m/min；nk=nm（電機）==4000 r/min；mi=100 kg；n1=nm；n2==1000 r/min。則：

4.2.2 絲杠摩擦阻力力矩

由于絲杠受軸向載荷，并采取了一些預緊措施，故其摩擦阻力力矩很小，一般不用考慮。

4.2.3 等效負載轉矩

4.2.4 啟動慣性阻轉矩

啟動加速度時間為Δt=0.03 s，步進電機轉速Nm==418.7 s-1，故角加速度εm==1395 s-2，則T慣=×εm=1.0×10-3×1.395=1.395 N·m。

4.2.5 輸出軸上總負載轉矩

4.2.6 步進電機的匹配選擇

當考慮機械的總傳動效率η=0.7 時，此時輸出軸上總負載轉矩TΣ==1.575/0.7=2.25 N·m。加工工件時，由于原料的不均勻性等因素的影響，會引起負載轉矩猛的增大，為避免此類問題導致的加工誤差，選擇安全系數K=1.5，則此時的總負載轉矩為TΣ=KTΣ=1.5×2.25=3.375 N·m。若選用上述預選的步進電機110BYG450，最大靜轉矩Tjmax=7.1 N·m，步距角為θ=。為保證能夠帶負載正常加速和定位停止，電機的啟動轉矩必須滿足Tq≥TΣ。查資料可知：Tq/Tjmax=0.87，則Tq=0.87×7.1=6.17 N·m，故選用合格。

5 結語

全功能的數控機床雖然功能強大、加工精度較高，但其造價高昂。一些小企業由于資金問題，購買新的數控車床相對困難，但其擁有很大數量面臨淘汰報廢的普通車床。通過普通車床的數控改造，提高了零件的加工精度與生產效率，同時避免了資源浪費。綜合我國國情，在滿足系統的基礎上，盡可能降低資金投入，普通車床的數控改造研發將會發展迅速，有力促進我國數控事業的發展。