普通车床数控改造设计

周大勇，权建洲，焦盼德，李 冉

（中国人民解放军空军预警学院雷达士官学校，湖北武汉 430345）

0 引言

随着时代的改变，社会生产力不断提高，工业设备对精密程度的要求也越高，对加工设备的加工程度也越高。我国是制造大国，国内数控车床市场很大。随着中国的研发制造能力的不断提高，不断向高精度、高质量发展。数控车床在制造业中是不可缺少的角色，起到越来越大的作用。

普通车床的数控改造，是通过对车床的机械结构和控制系统加以改造来实现设计目的。数控车床与传统车床在机械结构上有许多相同之处，但不是简单在传统车床上安装数控系统就叫数控车床。普通车床有很多缺点，已经不能胜任如今的制造加工的任务。因此，对传统车床进行改造设计，应考虑全面，使传统车床尽可能达到数控车床的性能指标。

1 设计要求

1.1 总体方案

因为是经济型的传统车床改造，所以总体设计方案应考虑机床数控类型、执行机构的选择等要求，对机床小改动，来降低成本。经认真考虑，本设计将采用步进电机带动滚珠丝杠滚动，总体方案如图1 所示。

图1 数控车床改造总体方案

（1）改造后的车床应具有定位功能。

（2）车床要有纵向和横向的直线、圆弧插补功能。

（3）改造要经济节约，进给系统采用步进电机开环控制系统。

（4）控制系统采用MSC-51 系列单片机控制。

（5）单片机8031 作为控制系统的CPU，辅以其他硬件。

（6）设计了自动旋转刀架及其控制电路。

（7）传动比应满足机床要求的分辨率。

（8）滚珠丝杠螺母副和齿轮副需预紧还应消除侧隙。

（9）采用贴塑导轨，为了减少导轨摩擦因数。

（10）应选择合理的装配顺序，保证在安装、调试及日后经常维修、调整时方便。

1.2 设计参数

以C6150 普通车床为例，将其改造成数控车床。设计参数如下：

（1）最大加工直径：在床面上：500 mm；在床鞍上：280 mm。

（2）最大加工长度：1000 mm。

（3）刀架快移速度：纵向：2.4 m/min；横向：1.2 m/min。

（4）最大切削进给速度：纵向：0.5 m/min；横向：0.25 m/min。

（5）代码制：ISO。

（6）脉冲分配方式：逐点比较法。

（7）输入方式：增值量、绝对值通用。

（8）控制坐标数：2。

（9）最小指令数：纵向：0.01 mm/step；横向：0.005 mm/step。

（10）刀具补偿量：0～99.99 mm。

（11）进给传动链间隙补偿量：纵向：0.15 mm；横向：0.075mm。

（12）系统分辨率：纵向：0.01 mm；横向：0.005 mm。

2 滚珠丝杠的设计与选用

2.1 纵向滚珠丝杠的设计与计算

2.1.1 最大工作载荷计算

滚珠丝杠的工作载荷Fm：

车削外圆时的切削抗力有Fx、Fy、Fz，力的分解如图2 所示。

图2 切削时总切削力的分解

式中 Fz——车床的主切削力，N

ap——切削深度，mm

f——进给量，mm/r

V——进给速度，mm/s

K——修正系数

查《现代机床设计手册》得Fz=7491 N。

由《金属切削原理》知：Fz∶Fx∶Fy=1∶0.25∶0.4，代入数据计算可得Fx=1873 N，Fy=2996 N。

由于车刀装夹在托板上的刀架内，因此作用在进给拖板上的载荷可求出：拖板上的进给方向载荷F1=Fx=1873 N；拖板上的垂直方向载荷Fv=Fz=7491 N；拖板上的横向载荷Fc=Fy=2996 N。

式中 K——系数，对于三角导轨K=1.15

G——移动件重量，据设计任务书G=1500 N

f′——导轨上的摩擦因数，综合导轨通常取0.16

代入数据计算可得Fm=3593 N。

2.1.2 最大动载荷C 计算

式中 L——工作寿命，h

N——丝杠转速，r/min

词典的种类繁多，分类体系也相当复杂繁琐，这里仅作简单分类。按其语言的种类可以分为两大类：单一语种的词典(如：郎曼英英词典)和双语词典(如：牛津英汉双解词典)；按其性质可以分为：各个领域的知识型词典(如：大不列颠百科全书)、专业的词典(如：语言与语言学词典、英汉建筑学词典)和词语释义型词典(如：牛津当代英语高级词典)；就词典使用的材质而言，可以分为纸质词典和电子词典。

V——最大切削进给速度，m/min，可取最高进给速度的1/3～1/2 这里取纵向V=0.6 m/min

L0——丝杠的基本导程，查资料可得L0=6 mm

fm——运转状态系数，因为有冲击，所以取1.2

T——使用寿命，取15 000 h

代入数据计算可得：纵向n纵向=50 r/min；L=45 h；C=15 336 N。

根据《综合作业指导书》中附录选取滚珠丝杠，选取标准为额定动载荷Ca不得小于最大动载荷C，因此有Ca＞C=15 336 N。还需考虑其他失效形式，即额定静载荷Coa是否超过工作载荷Fm，因此有Coa/Fm=2～3。

2.1.3 校核

滚珠丝杠螺母副的传动效率η 为：

式中 Φ——摩擦角，由于摩擦因数f=0.003～0.004 时，摩擦角约为10′，代入数据计算可得η=92%。

刚度验算：丝杠的拉压型变量δ1

代入数据计算可以得出δ1=0.012 4 mm。

滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2

代入数据计算可得δ2=0.002 2。

丝杠的总变形量δ=δ1+δ2=0.012 4+0.002 2=0.014 7 mm＜0.015 mm

已知丝杠为E 级精度，则允许螺距误差为0.015 mm，故初选合格。

失稳时的临界载荷Fk

式中 E——丝杠弹性模量，对于钢来说E=20.6×106N/cm2

L——丝杠的最长工作长度，mm

fz——支撑方式系数，取值见表1

表1 fz 取值

代入数据计算可得：I=11 060 mm4；Fk=222 089 N

其中［Nk］=2.5～4，所以丝杠稳定。

2.2 横向滚珠丝杠螺母副设计与计算

横向滚珠丝杠螺母副的设计简单，与纵向的设计过程相同。

2.2.1 进给系统设计

电机初选转速为1500 r/min，进给速度为Vmax=0.25 m/min。

已知：工作台重量：W=800 N；脉冲当量：δ=0.005 mm/step；步距角：a=0.75°/step；进给速度：Vmax=2 m/min；基本导程：Ph=5 mm；行程：S=950 mm。

2.2.2 滚珠丝杠设计

强度计算：

式中 K——系数，燕尾型导轨，取1.4

f′——摩擦因数，燕尾型导轨，取0.2

代入数据计算可得Fm′=2219 N。

查资料知，当量转速在最大与最小转速之间变化时：

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

效率：

其中λ′=2°30′，Φ=10′，代入数据计算可得η′=0.937。

由于负载导致导程的变化量：

代入数据计算，得：ΔPh′=±2.8×10-6mm。扭矩引起导程的变化量很小，所以ΔPh=ΔPh′，则总误差为：Δ=×2.8×10-6=7 μm/m。

E 级精度的丝杠允许螺距误差为15 μm/m，故刚度合格。由于丝杠为一端固定，一端径向固定，故一定稳定，不在校核。

3 电机与滚珠丝杠连接用的一级减速器的设计与校核

3.1 齿轮传动

齿轮传动是现代最常见的一种机械传动方式，它的传动比准确，效率高，结构紧凑等优点。齿轮副间的间隙将导致指令的滞后，进而影响加工精度，必须消除间隙，提高进给系统性能，这就要求在设计时利用各种消除间隙及预紧措施的方法见表2。

表2 消除间隙方法

3.2 纵向减速齿轮的设计与计算

已知：传递功率P=1.8 kW，步进电机驱动，小齿轮转速n1=1500 r/min，传动比i=4，使用寿命为10 000 h。

（1）材料选择。选择小齿轮材料为40Cr（调质），齿面硬度280 HBS，大齿轮材料为45 钢（调质），齿面硬度240 HBS。

（2）选小齿轮z1=20，大齿轮z2=i×z1=4×20=80。查《机械设计（第九册）》可知，选取齿宽系数Φd=1。

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

（4）载荷系数K，查表可知K=1.1。

（5）许用接触应力［σH］。σHlim1=600 MPa，σHlim2=550 MPa，安全系数S=1，N1=60n1jLh=60×1500×1×10000=9×108，N2==2.25×108。

取最小者，即［σH］=［σH］2=523 MPa。

试选KHt=1.3，取区域系数ZH=2.5 查得材料的弹性影响系数ZE=。

计算接触疲劳强度影响用重合度系数：

代入数据可得：∝a1=31.321°，∝a2=23.541°，εa=1.691，Zε=0.877。

（6）小齿轮分度圆直径：

代入数据计算可得d1t=47.679 mm，经调整后，小齿轮的分度圆直径d1=57.101 mm。

（7）弯曲疲劳强度用重合度系数Yε==0.694。

（9）计算齿轮模数

代入数据计算可得mt=0.948 mm。

（10）调整齿轮模数m=0.865 mm，则小齿轮模数取m=2 mm，算出小齿轮齿数z1==28.55。取z1=29，则大齿轮齿数z2=iz1=116，z1与z2互为质数。

（11）主要尺寸。分度圆直径：d1=z1m=29×2=58 mm，d2=z2m=116×2=232 mm；中心距：a==145 mm；齿轮齿宽：b=Φdd1=1×58=58 mm。为了避免误差，节约材料，即小齿轮为b1=63 mm，大齿轮为b=58 mm。

3.3 横向减速齿轮的设计与计算

已知：传递功率P=1.8 kW，电机驱动，小齿轮转速n1=1500 r/min，传动比i=4，使用寿命为10 000 h。

（1）材料选择。选择小齿轮材料为40Cr（调质），齿面硬度280 HBS，大齿轮材料为45 钢（调质），齿面硬度240 HBS。

（2）选小齿轮z1=20，大齿轮z2=i×z1=4×20=80。查资料可知，选取齿宽系数Φd=1。

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

（4）载荷系数K，查表可知K=1.1。

（5）许用接触应力［σH］。σHlim1=600 MPa，σHlim2=550 MPa，安全系数S=1，N1=60n1jLh=60×1500×1×10000=9×108，N2==2.25×108。

取最小者，即［σH］=［σH］2=523 MPa。

试选KHt=1.3，取区域系数ZH=2.5 查得材料的弹性影响系数ZE=。

计算接触疲劳强度影响用重合度系数：

代入数据计算可得：∝a1=31.321°，∝a2=23.541°，εa=1.691，Zε=0.877。

（6）小齿轮分度圆直径：

代入数据计算可得d1t=47.679 mm，经调整后，小齿轮的分度圆直径d1=57.101 mm。

（9）计算齿轮模数

代入数据计算可得mt=0.948 mm。

（10）调整齿轮模数m=0.865 mm，则小齿轮模数取m=2 mm，算出小齿轮齿数z1==28.55。取z1=29，则大齿轮齿数z2=iz1=116，z1与z2互为质数。

（11）主要尺寸。分度圆直径：d1=z1m=29×2=58 mm，d2=z2m=116×2=232 mm；中心距：a==145 mm；齿轮齿宽：b=Φdd1=1×58=58 mm。为了避免误差，节约材料，即小齿轮为b1=63 mm，大齿轮为b=58 mm。

4 进给系统中步进电机的设计与选择

4.1 步进电机

步进电机是驱动元件，在机器中起到关键作用，应用在很多控制系统中。随着科技的不断发展进步，很多工厂把它应用到很多方面，需求量也与日俱增。步进电机是将电脉冲信号转换成相应的线性位移或角位移的离散值控制电机。

步进电动机的基本参数：①电机固有步距角：表示每发一个脉冲信号，电机都会转动一个角度；②电机固有步进角：实际的步进角与驱动器有关；③步进电机相数：指电机中线圈组的个数；④保持转矩：指步进电机通电但不转动时，定子锁定转子的转矩；⑤止动力矩：步进电机未通电时，定子锁紧转子的力矩；⑥DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。

步进电动机的特点特性：①步进电机无累积误差；②额定电压和额定电流仅为参考值；③步进电机的转矩随着转速的增加而减小；④低速运行正常，较高速无法启动，并伴有噪音。

4.2 纵向及横向步进电机的设计与选择

4.2.1 等效转动惯量

由上式可知传动比i=4，脉冲当量δ=0.005 mm/pulse；纵向进给速度4 m/min；步进电机的步距角预选为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（齿轮取45 钢，且近似看成圆柱体），则齿轮的转动惯量：

选用的滚珠丝杠副型号规格为CD63×8-3.5-E，长600 mm，直径32 mm，则：

假设步进电机转子的转动惯量为Jm=7.5×0-4kg/m2，现预选步进电机为110BYG450。

其中：最快进给速度vi=v=0.5 m/min；nk=nm（电机）==4000 r/min；mi=100 kg；n1=nm；n2==1000 r/min。则：

4.2.2 丝杠摩擦阻力力矩

由于丝杠受轴向载荷，并采取了一些预紧措施，故其摩擦阻力力矩很小，一般不用考虑。

4.2.3 等效负载转矩

4.2.4 启动惯性阻转矩

启动加速度时间为Δt=0.03 s，步进电机转速Nm==418.7 s-1，故角加速度εm==1395 s-2，则T惯=×εm=1.0×10-3×1.395=1.395 N·m。

4.2.5 输出轴上总负载转矩

4.2.6 步进电机的匹配选择

当考虑机械的总传动效率η=0.7 时，此时输出轴上总负载转矩TΣ==1.575/0.7=2.25 N·m。加工工件时，由于原料的不均匀性等因素的影响，会引起负载转矩猛的增大，为避免此类问题导致的加工误差，选择安全系数K=1.5，则此时的总负载转矩为TΣ=KTΣ=1.5×2.25=3.375 N·m。若选用上述预选的步进电机110BYG450，最大静转矩Tjmax=7.1 N·m，步距角为θ=。为保证能够带负载正常加速和定位停止，电机的启动转矩必须满足Tq≥TΣ。查资料可知：Tq/Tjmax=0.87，则Tq=0.87×7.1=6.17 N·m，故选用合格。

5 结语

全功能的数控机床虽然功能强大、加工精度较高，但其造价高昂。一些小企业由于资金问题，购买新的数控车床相对困难，但其拥有很大数量面临淘汰报废的普通车床。通过普通车床的数控改造，提高了零件的加工精度与生产效率，同时避免了资源浪费。综合我国国情，在满足系统的基础上，尽可能降低资金投入，普通车床的数控改造研发将会发展迅速，有力促进我国数控事业的发展。