王金剛，劉文波

（1.撫順市技師學(xué)院 機(jī)電科，遼寧 撫順 113123；2.沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 撫順113123）

對(duì)現(xiàn)有CA1650 普通臥式車(chē)床進(jìn)行了數(shù)控化改造，主要工作包括拆除進(jìn)給箱、光杠、絲杠、手工控制的刀架轉(zhuǎn)位進(jìn)給部件等，換上了滾珠絲杠螺母副和由數(shù)控系統(tǒng)控制的刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位部件，安裝行程開(kāi)關(guān)以及滾珠絲杠螺母副潤(rùn)滑系統(tǒng)等。改造后的車(chē)床，機(jī)械結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足數(shù)控化的要求。

1 改造的內(nèi)容

1.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)

主軸脈沖編碼器的加裝。將型號(hào)是PIE8-1024-C05D的主軸脈沖編碼器用兩個(gè)Φ150 mm、傳動(dòng)比為1:1的尼龍齒輪與主軸聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的控制。

1.2 縱向滾珠絲杠的安裝

利用機(jī)床原來(lái)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(jìn)行左端軸向預(yù)緊，利用走刀箱端的軸承座端面進(jìn)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(xiāo)與聯(lián)軸套連接起來(lái)。在滾珠絲杠的右端，在絲杠托架上布置一個(gè)軸套式滑動(dòng)軸承作為徑向支承，利用傳動(dòng)比為1:2的減速箱左端面作為軸向定位，通過(guò)雙螺母預(yù)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(xiāo)連接。

1.3 橫向滾珠絲杠的安裝

伺服電動(dòng)機(jī)安裝在床鞍的后部，靠近操作者一端布置一個(gè)支承短軸，通過(guò)一個(gè)聯(lián)軸套與滾珠絲杠連接，利用車(chē)床原橫向進(jìn)給絲杠的滑動(dòng)軸套作徑向支承，在原支承處布置一對(duì)推力球軸承。遠(yuǎn)離操作者一端，用一個(gè)聯(lián)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(lái)，將絲母座固定在中滑板上，帶動(dòng)中滑板運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)刀具的橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

1.4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的安裝

將原刀架拆下，去掉車(chē)床的小滑板，加裝一塊方鐵，安在中滑板上，以調(diào)節(jié)刀架與機(jī)床主軸間的高度。刀架放在方鐵上，卸掉電動(dòng)機(jī)的風(fēng)罩，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，或用內(nèi)六角扳手轉(zhuǎn)動(dòng)軸承蓋上的內(nèi)六角，使刀架轉(zhuǎn)動(dòng)定位后，裝上螺釘，然后將刀架固定。

1.5 滾珠絲杠副的防護(hù)

采用毛氈圈對(duì)螺母進(jìn)行密封，毛氈圈的厚度為螺距的2到3倍，而且內(nèi)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(nèi)。對(duì)于暴露在外的絲杠，采用折疊式塑料防護(hù)罩，以防止塵埃和磨粒粘附到絲杠表面。

2 改造的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算

滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，在選用滾珠絲杠副時(shí)，首先要確定螺距Ph、名義直徑D0、和滾珠直徑d0這3個(gè)主要參數(shù)。在確定后兩個(gè)參數(shù)時(shí)，采用驗(yàn)算的方法，即在規(guī)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(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)500 h 而不出現(xiàn)點(diǎn)蝕。

2.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

已知條件：

工作臺(tái)自身的重力W=800 N；

加速時(shí)間常數(shù)t=25 ms；

快速進(jìn)給速度Vmax=4 m/min。

根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，切削功率

查機(jī)床說(shuō)明書(shū)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(yīng)按最大切削力（或傳矩）及最大切削速度計(jì)算取ν=200 m/min，則主切削力為

FZ=60 Pc×103/ν=1 728 N

由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，在外圓切削時(shí)，

（1）確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程Ph。工作臺(tái)最高移動(dòng)速度νmax= 4 m/min，伺服電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax=2 000 r/min，傳動(dòng)比i=2 等，確定Ph。

（2）滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算。最小載荷Fmin為機(jī)床空載時(shí)滾珠絲杠副的傳動(dòng)力。

最大載荷Fmax為機(jī)床承受最大負(fù)荷時(shí)滾珠絲杠副的傳動(dòng)力。在機(jī)床切削時(shí)，切削力沿滾珠絲杠軸向的分力與導(dǎo)軌摩擦力的和即為Fmax。

式中，

Fx、FZ為切削分力；

W為移動(dòng)部件的重力；

k為考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，取1.15；

f '為導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，取0.15～0.18，確定取0.16，則

滾珠絲杠副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm及當(dāng)量載荷Fm：當(dāng)負(fù)載與轉(zhuǎn)速接近正比變化，各種轉(zhuǎn)速使用的機(jī)會(huì)均等時(shí)，

（3）確定預(yù)期額定動(dòng)載荷。按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時(shí)間Lh計(jì)算

式中，

Cam為滾珠絲杠副預(yù)期額定動(dòng)載荷；

Lh為預(yù)期工作時(shí)間，h；

fa為精度系數(shù)，取0.8；

fc為可靠性系數(shù)；

fw為負(fù)荷系數(shù)。

數(shù)控機(jī)床

Lh=250（d）×16（h）×10（a）×0.5（開(kāi)機(jī)率）

=20 000（h）

fa根據(jù)初定的精度等級(jí)選，取0.8，

fc取1，

fw無(wú)沖擊或輕微沖擊時(shí)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(dòng)系統(tǒng)的剛度K 可按下式計(jì)算

式中，

K為滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)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(jī)械裝置中，移動(dòng)部件處在不同位置時(shí)，系統(tǒng)剛度是不同的。剛度最小處用Kmin表示。當(dāng)滾珠絲杠副軸向有工作載荷作用時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)中便產(chǎn)生彈性變形δ，且δ=F/K。從而影響了系統(tǒng)的傳動(dòng)精度，而Kmin處系統(tǒng)受影響最大。

機(jī)床和機(jī)械裝置的伺服系統(tǒng)精度，多在空載下檢驗(yàn)。空載時(shí)的最大軸向工作載荷，是靜摩擦力F0。移動(dòng)部件在Kmin處啟動(dòng)和返回時(shí)，由于F0方向變化，將產(chǎn)生誤差2 F0/Kmin。它是影響重復(fù)定位精度的最主要因素。一般占重復(fù)定位精度的（1/2～1/3）。所以規(guī)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(tǒng)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(fù)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(dāng)滾珠絲杠副的安裝方式為兩端支承或兩端固定時(shí)，滾珠絲杠副的底徑d2m滿(mǎn)足

式中，

L為兩個(gè)固定支承間的距離mm；

F0為導(dǎo)軌靜摩擦力，N；

E為揚(yáng)氏彈性模量2.1×105N/mm2。

代入數(shù)值后得

（5）確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào)。根據(jù)估算的Ph，Cam在樣本查出對(duì)應(yīng)的絲杠底徑d2，額定動(dòng)載荷Ca，使d2≥d2m。Ca≥Cam但不宜過(guò)大。南京工藝裝備制造廠(chǎng)生產(chǎn)的FFZL4006-3 型滾珠絲杠作為縱向傳動(dòng)絲杠，可以滿(mǎn)足使用要求。

2.3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)計(jì)算同縱向進(jìn)給系統(tǒng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CA6150車(chē)床的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的更換，使改造后的車(chē)床具有了準(zhǔn)確定位、直線(xiàn)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停等數(shù)控功能，能夠加工出符合要求的復(fù)雜零件，大幅提高了生產(chǎn)效率，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了機(jī)床的加工精度。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和管理技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有舊設(shè)備進(jìn)行數(shù)控化改造以提高設(shè)備的數(shù)控化率，將大有所為。

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