普通机床数控化改造的实例

时间：2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：3）拟定技术措施，制订改造方案。4）选用数控装置。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制对象。·横向进给机构改造。

普通机床数控化改造的实例

1.普通机床数控化改造的设计步骤

将普通机床改造为数控机床，是一项技术性很强的工作，其改造设计的一般过程如下：

1）对加工对象进行工艺分析，确定工艺方案。

2）分析被改造机床，确定被改造机床类型。

3）拟定技术措施，制订改造方案。

4）选用数控装置。

5）进行机床改造的技术设计。

6）绘制机床改造的工作图。

7）整机安装调试。

以上各步，可根据实际情况，相互穿插，有时要反复进行，直至达到改造要求为止。

2.车床的数控改造实例

（1）设计任务本设计任务是利用数控装置对C616型普通车床进行数控改造。对纵、横进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.005mm/脉冲，横向脉冲当量为0.001mm/脉冲，驱动元件采用步进电动机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。

（2）被改造机床分析 C616型车床主要用于加工中小型轴类、盘类以及螺纹零件，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有控制主轴正反转、通过主轴变速，实现不同切削速度；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变刀位，完成刀具的选择；控制冷却泵的起停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制对象。

（3）总体设计方案确定在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。根据C616型车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案如下：

1）机械部分改造。

·纵向进给机构的改造。拆除原机床的进给箱，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装步进电动机减速齿轮箱。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可减少改造工作量，由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，所以纵向进给机构整体刚性优于以前。

·横向进给机构改造。保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，步进电动机、齿轮箱体安装在中滑板的后则。

·纵向进给机构采用一级齿轮减速，纵向齿轮箱和丝杠全部加防护罩。

·刀架改造。拆除原刀架和小滑板，替换为一个四工位电动刀架。

·光电编码器与车床主轴之间用波纹管连接。

2）数控系统选用西门子公司生产的SINUMERIK802S。

3）驱动系统设计。车床改造方案如图10-40所示。

图10-40 车床改造方案示意图

（4）纵向进给系统的设计计算

已知条件：

工作台重量： W=80kg（根据图样粗略计算）

时间常数： t=25ms

滚珠丝杠基本导程： P_h=6mm

行程： s=640mm

脉冲当量： δ_p=0.005mm/脉冲

步距角： ϕ=0.36°/脉冲

快速进给速度：v_max=2m/min

1）切削力计算。

切削功率

P_m=P_EηK

式中，P_E为电动机功率，查机床说明书，P_E=4kW；η为主传动系统总效率，一般为0.75～0.85，取η=0.75（新机床取0.85，旧机床取0.75）；K为进给系统功率系数，取为K=0.96。则

P_m=4×0.75×0.96kW=2.88kW

又因为

所以

式中，v为切削线速度，取v=100m/min。

主切削力

查表10-64得（加工材料为结构钢及铸钢，刀具材料为高速钢，加工型式为外圆纵车、横车及镗孔）

C_Fz=1766 x_Fz=1 y_Fz=0.75 n_Fz=0 K_Fz=1

设实际加工条件与公式的条件相符，取K_Fz=1，则可计算F_z如表10-65所示。

表10-64 车削力计算公式中的系数和指数

（续）

表10-65 F_z计算结果

当F_z=1777N时，切削深度a_p=2mm，进给量f=0.4mm，以此参数做为下面计算的依据。

在一般外圆车削时（K_r=45°，λ_s=0°，r₀≈15°）：

F_x=（0.3～0.4）F_zF_y=（0.4～0.5）F_z

取

F_x=0.4F_z=0.4×1728N=691.2N

F_y=0.5F_z=0.5×1728N=864N

2）滚珠丝杠设计计算。

实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，可用下列进给牵引力实验公式计算：

对于矩形导轨的机床

F=KF_x+f′（F_z+F_y+W）

对于燕尾形导轨的机床

F=KF_x+f′（F_z+2F_y+W）

对于三角形或综合导轨机床

F=KF_x+f′（F_z+W）

对于钻镗主轴圆导轨的机床

式中，F_x、F_y、F_z分别为X、Y、Z方向上的切削分力，单位为N；W为移动部件的重量，单位为N；M为主轴上的转矩，单位为N·cm；d_z为主轴直径，单位为cm；f′为导轨上的摩擦系数；f为轴套和轴架以及主轴的键上的摩擦系数；K为考虑颠覆力矩影响的实验系数。

在正常情况下，K、f及f′可取下列数值：

对于矩形导轨K=1.1 f′=0.15；

对于燕尾形导轨K=1.4 f′=0.2；

对于三角形或综合导轨K=1.15，f′=0.15～0.18；

对于钻镗主轴圆导轨f=0.15。

F_m=KF_x+f′（F_z+W）

式中，K=1.15；f′=0.15～0.18，取为0.16。

则F_m=[1.15×691.2+0.16（1728+800）]N=1199.36N

额定动载荷计算，按预期工作时间L_n计算，取n_m=420r/min，查表10-57得：L_n=20000h；查表10-60得：载荷系数f_w=1.3；查表10-58得：精度系数f_a=0.9；查表10-59得：可靠性系数f_c=1。

按预期运行距离L_s计算，取L_s=250km，则

滚珠丝杠副直径d_2m计算：

式中，F₀为导轨静摩擦力，单位为N；L为滚珠螺母到滚珠丝杠固定端支承的最大距离，单位为mm，L=（1.05～1.1）行程+（10～14）P_h；δ_m为估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量，单位为μm，δ_m≤定位精度的。

根据预期运行距离计算额定动载荷C_am、导程P_h、直径d_2m可选择滚珠丝杠的型号，例如：参照表10-63选取规格代号为3206，滚珠丝杠公称直径为32mm，额定动载荷为14000N。

刚度，稳定性验算略。

3）齿轮及转矩的有关计算。

传动比

故取齿轮齿数：z₁=32；z₂=40。

模数：m=2mm；齿宽：b=20mm；齿形角：α=20°。(www.xing528.com)

分度圆直径：d₁=mz₁=2×32mm=64mm；d₂=mz₂=2×40mm=80mm。

齿顶圆直径：d_a1=d₁+2mh_a∗mm=68mm；d_a2=d₂+2mh_a∗mm=84mm。

中心距：。转动惯量计算：工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量为

丝杠的转动惯量为

J_S=7.8×10^-4D⁴L=7.8×10^-4×3.2⁴×140.3kg·cm²=11.475kg·cm²

齿轮的转动惯量为

J_Z1=7.8×10^-4×6.4⁴×2kg·cm²=2.617kg·cm²

J_Z2=7.8×10^-4×8⁴×2kg·cm²=6.39kg·cm²电动机转动惯量很小可忽略。

因此，总的转动惯量为

所需转矩计算：快速空载起动时所需转矩为

M=M_amax+M_f+M₀

最大切削负载时所需转矩为

M=M_at+M_f+M₀+M_t

快速进给时所需转矩为

M=M_f+M₀

式中，M_amax为空载起动时折算到电动机轴上的加速度转矩；M_f为折算到电动机轴上的摩擦转矩；M₀为由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦转矩；M_at为切削时折算到电动机轴上的加速度转矩；M_t为折算到电动机轴上的切削负载转矩。

当n=n_max时，M_amax=Ma

当n=n_t时 M_a=Mat

当η₀=0.8，f′=0.16时

当η₀=0.9时，预加载荷，则

所以，快速空载起动所需转矩为

M=M_amax+M_f+M₀=（243+12.69+4.27）N·cm=295.96N·cm

切削时所需转矩为

M=M_at+M_f+M₀+M_t=（15+12.96+4.27+68.5）N·cm=100.83N·cm

快速进给时所需转矩为

M=M_f+M₀=（12.96+4.27）N·cm=17.23N·cm

所需最大力矩M_max发生在快速起动时，由以上分析计算可知：

M_max=259.96N·cm

（5）横向进给系统的设计计算由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。

已知条件：

工作台重： W=30kg（根据图样粗略计算）

时间常数： t=25ms

滚珠丝杠基本导程： P_h=4mm左旋

行程： s=190mm

脉冲当量： δ_P=0.001mm/脉冲

步距角： φ=0.36°/脉冲

快速进给速度： v_max=1m/min

1）切削力计算。横向进给量为纵向的1/2～1/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2

在切断工件时：

F_y=0.5F_z=0.5×864N=432N

2）滚珠丝杠设计计算。强度计算：对于燕尾型导轨，有

F_m=KF_y+f′（F_z+W）

取K=1.4，f′=0.2，则

F_m=[1.4×432+0.2（864+300）]N=837.6N额定动载荷计算：按预期工作时间L_h计算，取n_m=15r/min，查表10-57得：L_n=20000h；查表10-60得：载荷系数f_w=1.3；查表10-58得：精度系数f_a=0.9；查表10-59得：可靠性系数f_c=1。