CW6163型卧式车床数控化改造的总体设计及尾座设计 - 6 -
第三章、CW6163型卧式车床数化改造的总体设计
3.1 设计方案的确定
利用数控装置对纵横进给系统进行开环控制，以步进电机为驱动元件，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，对C6163普通车床进行技术改造就可以组成一个经济型数控车床，实现微机控制下的自动加工。改造后的车床把车床的主运动和进给运动分离开来。主电机的作用仅仅是带动工件旋转，而刀架的进给运动则是由步进电机直接带动车床的纵横丝杠来实现。其改造后结构原理示意图如图3-1所示
功率放大器 纵向步进电机 变速箱 滚珠丝杠 单片微型机 接口 光电耦合横向步进电机 变速箱 滚珠丝杠 接口 光电耦合功率放大 交流控制 电动机 电动刀架 接口 主轴脉冲发生器
图3-1 CW6163型车床的数控化改造结构原理图
操作时，根据零件的加工工艺，按数控系统的规定的方式编制零件的加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机对加工程序处理后发出一系列脉冲信号，经过功率放大器放大后驱动2台步进电机，按规定的方向、速度和位移量，完成刀架纵横两个方向的进给，使车刀实现直线或圆弧的切削。在加工螺纹时，通过主轴脉冲发生器发生进给运动，从而加工出各种标准螺纹。换刀时，微机发出换刀信号，刀架控制箱继电器动作，电机正转，通过减速机构和升降机构，将上刀体上升至一定位置，带动刀体旋转到所选刀位，然后定位，完成换刀动作。
3.2 机械部分改造的设计
3.2.1 纵向进给系统的计算与设计
纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说，外观不必像产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方面来考虑。一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端，如图3-2所示。
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图3-2数控改造的总体方案示意图
2. 纵向进给系统的设计计算 已知条件： 工作台重量： W=750N 时间常数： T=28ms 滚珠丝杠基本导程：
L0=8mm
?0.01mm/step 行程： S =700mm 脉冲当量： ?p
步距角： ?=0.75o/step 快速进给速度：
Vmax=2.5m/min
(一) 切削力计算 由《机床设计手册》可知，切削功率
Nc?N?K
式中 N——电机功率，查机床说明书，N=4kW； ?——主传动系统总效率，一般为0.6～0.7取??0.65 K——进给系统功率系数，取为K=0.96。 则：
Nc=4×0.65×0.96=2.496 kW
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又因为 Nc?Fzv/6120 所以 Fz?6120Nc/v 式中 v——切削线速度，取v=100m/min。
主切削力 Fz=6120×2.496/100=152.76（kg f）=1527.6（N） 由《金属切削原理》可知，主切削力 查表得：
Fz?CFZ?pXFZYFZfKFZ
CFZ=188kgf/㎡=1880MPa =1
YFZ
XFZ=0.75
KFZ=1
则可计算FZ如表3-1所示：
表3-1 FZ计算结果
?p（mm） f（mm） F（ ZN）2 0.2 1125 2 0.3 1524 2 0.4 1891 3 0.2 1687 3 0.3 2287 3 0.4 2837
当FZ=1520N时，切削深度
?p=2mm，走刀量f=0.3mm，以此参数作为下面计算的
依据。
从《机床设计手册》中可得知，在一般外圆车削时：
FX=（0.1～0.6）FZ FY=（0.15～0.7）FZ 取： FX=0.5Fz=0.5×1520=760N FY=0.6Fz=0.6×1520=912N (二) 滚珠丝杠设计计算 A.滚珠丝杠副传动的特点：
1)传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副传动的效率为?=0.92～0.96，比常规的丝杠螺母副提高3～4倍（滑动丝杠效率为0.2～0.4）。因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/4～1/3。
2)给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。
3) 启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。
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4) 有可逆性，可以从旋转运动换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主传动。
5)磨损小，使用寿命长，精度保持好。
6) 不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于重力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。
7）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等原件的加工精度要求高，表面粗糙度之特别小，故制造成本高。
B.滚珠丝杠副的精度与代号
根据机械工业部标准《滚珠丝杠副精度》的规定，滚珠丝杠副按其使用范围及要求分为六个等级，即C,D,E,F,G,H级，C级精度最高，其余一次逐级降低
各种类型数控机床对滚珠丝杠副精度的要求如表3-2
表3-2 滚珠丝杠 副精度要求表 机 床 种 类 坐 标 方 向 X Y Z W 开 数控压力机 标准级 标准级 数控绘图机 标准级 标准级 环 数控车床 标准级 标准级 精密级 系 数控磨机 精密级 精密级 数控线切割精密级 精密级 统 机 数控钻床 标准级 普通级 标准级 数控铣床 标准级 标准级 标准级 数控镗床 精密级 精密级 精密级 标准级 数控坐标镗精密级 精密级 精密级 精密级 床 超精密级 超精密级 超精密级 自动换刀数精密级 精密级 精密级 标准级 控机床 超精密级 超精密级 超精密级 坐标镗床、螺纹磨床 精密级 精密级 精密级 精密级 超精密级 超精密级 超精密级 仪表机床 普通机床、通用机床 滚珠丝杠副的精度包括各元件的精度和装配后的综合精度，其中包括导程误差，丝杠大径对螺纹轴线的径向圆跳动，丝杠和螺母表面粗糙度，由预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的圆跳动，有预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的径向圆跳动以及滚珠丝杠公称直径尺寸变动量等。
在开环数控机床和其他精度机床中，滚珠丝杠的精度直接影响定位精度和随动精度。对于闭环系统的数控机床，丝杠的制造误差使得它在工作时负载分布不均匀，从而降低承载能力和接触刚度，并使预紧力和驱动力矩不稳定，因此传动精度始终是滚珠丝
精密级 超精密级 普通级 精密级 超精密级 普通级 精密级 超精密级 普通级 CW6163型卧式车床数控化改造的总体设计及尾座设计 - 10 -
杠的最重要的质量指标。
C.综合导轨车床丝杠的轴向力：
（FZ?W） P?KFX?f? 式中 K=1.15， f?=0.15～0.18，取为0.16。 则 P=1.15×763.8+0.16（1527.6+800）
=1250.8N 1) 强度计算：
寿命值
6L?60nT/10iii
ni?n主f/Lo?1000vf/?DLo 取工件直径 D=80mm，查表得 则：
ni
Ti=15000h
=1000×100×0.3/3.14×80×6=20r/min
Li
=60×20×15000/10=18
6最大动负载 Q=
3LiPfWfH =1.2 硬度系数 fH =1
查表得： 运转系数
3fW则 Q=18×1.2×1×1250.8=3933.6N
根据最大动负载Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠直径选为Φ32mm，型号为FC1B32x6?5?E2其额定动载荷是10689N，所以强度足够用。
2) 效率计算： 根据《机械原理》的公式，丝杠螺母副的传动效率?为：
（???） ??tg?/tg
式中 摩擦角?=10ˊ 螺旋升角?=3o25ˊ
?????tg325/tg（325??10?）则 =0.953
3) 刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量 ?L1??PL0/EF
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