论文部分内容阅读
摘 要：机械结构部分是数控机床的本体，与普通机床相同，主要由主传动系统、进给传动系统、工作台、床身及立柱等组成。机械结构的改造主要是改造主传动系统和进给传动系统；为满足改造后的机床适应数控的定位精度要求，对机床立柱、横纵轴及横梁轨道、变速箱、横梁和工作台、液压系统、润滑系统进行功能恢复，以保证机床关键零部件的精度。根据本文对C5126数控立式车床的主传动系统和进给传动系统进行了改造和设计。
关键词：数控立式车床；机械结构；改造
1 主传动系统的改造
主传动系统是用来实现机床主运动的传动装置，它具有一定的速度和变速范围，通过主传动系统驱动车床主轴，提供主切削力，完成加工任务。可以加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的启停、变速、换向和制动等。
1.1主传动系统的设计要求
除应满足普通机床的主传动要求外，还应具有如下要求：
（1）有较宽的调速范围，并能实现无级调速。
（2）有足够的功率和扭矩。
（3）有足够的传动精度。
（4）动态响应性强，变速迅速可靠。
（5）温升低、热变形小。
1.2 主传动系统的改造设计
如图1.1所示为C5126的主传动系统原理图，原主传动系统通过4轴齿轮传动实现16级变速。由于传动齿轮多，使得变速箱的体积较大，且变档时比较费时繁琐，生产效率低，加工出来的零件精度不高。因此，需要对该主传动系统进行结构改造。
图1.1普通车床传动图
为了缩短改造工期，降低改造成本，并且实现无级调速，将主传动系统改造为如图1.2所示结构。电动机仍采用原主轴交流电动机，并配合相应的变频器实现转速调控。通过一对锥齿轮实现换向，应用一对圆柱斜齿轮实现机构的减速。为了实现每转同步进给切削，在主轴上安装编码器，构成半闭环检测结构。通过改造，大大简化了主轴箱结构，传动链缩短，且调速较方便。
图1.2数控车床主轴传统图
1.3 驱动控制及驱动电机的改造设计
在车床加工过程中，根據加工目标的材料和尺寸的不同，刀具的切削性能，加工质量的需求，在设计机床主轴驱动控制系统时，可以较为方便的调整主轴转速。在进行主轴驱动控制和驱动电机改造设计时，充分考虑使用需求，在确保调速范围和调速精度的前提下，提出利用变频器和多圈旋转电位器相结合实现主轴的无级调速和即时调速。有效的提升了机床的可操作性，提高了车床的加工能力，降低了刀具损耗，提升加工表面质量。
1.4 主传动斜齿轮设计
根据技术方案要求：主轴最高转速：160 r/min、最低转速2 r/min，总切削力39200N，工作台最大扭矩3 1360N·m，对应的主轴驱动电动机功率N=37kw。
保留原车床主传动系统中的大型主传动圆柱斜齿轮。原有主传动齿轮齿数Z1=17，Z2=153，mn=5mm。为了确定其满足工作要求对斜齿轮强度进行校核。
1）根据电动机功率Ⅳ计算主传动斜齿轮的功率N0。
2）计算主传动斜齿轮转矩
2 横轴（X轴）机械结构改造设计
原立式车床采用齿轮箱带动T型丝杠实现X轴的进给运动。改造后采用蜗轮蜗杆驱动丝杠，这种设计方案减小了传动距离，效率大幅度提高，并使改造后的传动机构简单实用。
X轴丝杠的选择，根据加工零件的特点和精度要求，换掉已经磨损的丝杠，采用一根同等规格的新丝杠。改造后的X轴实物及机械结构简图如图2.1所示。
图2.1改造后的X轴
改造后的蜗轮蜗杆机构，要完成X轴的进给传动，传动中需要克服纵向切削力，并要完成切削任务，需要对蜗轮蜗杆进行校核设计，并校核丝杠的强度才能确定机构改造的性能。
3 纵轴（Z轴）机械结构改造设计
Z轴的结构设置和X轴基本相似。本文采用同轴减速机对Z轴的机械结构进行改造。同轴减速机的主动轴和从动轴为同轴线布置，优点是可实现多种安装方式，能使设备结构布置较为紧凑。采用同轴减速机就可以拆除原机床的进给箱和溜板箱，在原丝杠位置安装新的同规格丝杠。传动系统采用交流伺服电机通过同轴减速机与丝杠相连接，节省了空间。改造后的Z轴实物图及机械结构简图如图3.1所示。
图3.1改造后的Z轴
Z轴的减速机构采用减速机来实现，减速机的传动比、输出转速矩n2与输出转矩M2是确定的，参考X轴设计出数据选择减速机。
4 横梁提升机构改造设计
普通立式车床横梁工作情况：横梁由梯形螺纹丝杠拖动，其升降箱置于立柱上面，动力由交流电动机经蜗杆副传至丝杠。横梁位置确定后，在前后左右方向上夹紧，首先左右夹紧，然后前后夹紧。横梁的夹紧力来自于横梁两端的液压缸，夹紧装置类似于齿轮齿条的机构，齿轮齿条运动实现横梁的上下移动，运动到需要的位置时利用一个压板来加紧固定。液压驱动虽然有不少优点但是长时间使用液压机构漏油现象无法避免，因此国内大多数立式车床的横梁提升机构进行机械改造时，一般都是把原机床的的丝杠拆掉换成滚珠丝杠，把原机床的旧电动机更换成步进电机，然后更换对应的丝杠螺母滑块和轴承，这样的结构设计还必须要另外增加一个自锁装置，使用滚珠丝杠的费用就比较高，改造的总花费也会更高。
我们从实际的工作需要出发，通过实践探索可直接采用蜗轮蜗杆传动机构，这样设计不仅能满足所有动作，还简化了设备控制。根据对横梁本身自重以及相关零件自重的计算校核。蜗轮蜗杆自锁功能能够满足强度方面的需要，这样设计结构简单且费用低。改造后的横梁机械结构简图如图4.1所示。
在进行横梁的传动机构设计和校核过程中，要充分考虑横梁的受力情况，如横梁自身的重力、滑座的自重、刀架的重力、运动中的摩擦力等等，横梁的受力情况复杂，要考虑充分，才能合理的计算蜗轮蜗杆的受力，设计出合适的蜗轮蜗杆。
结论
本文对C5126的主传动系统和进给传动系统进行了改造和设计计算。拆除了原主传动系统中的多级变速减速机构，改造为一对锥齿轮实现换向，应用一对圆柱斜齿轮实现的两级减速机构；拆除了原有的进给机构和溜板箱等传动系统，Z轴采用同轴减速机和轴联伺服电机驱动形式，X轴采用蜗轮蜗杆减速机构；横梁提升装置采用蜗轮蜗杆机构实现自锁。改造后的主传动系统和进给系统满足设计要求，具有结构简单、成本低、维修方便等优点。
参考文献
[1]张勇，朱朝宽.车床数控化改造实例[M].北京.机械工业出版社，2012.4
[2]罗永顺.机床数控化改造实例[M].北京.机械工业出版社，2010.10
关键词：数控立式车床；机械结构；改造
1 主传动系统的改造
主传动系统是用来实现机床主运动的传动装置，它具有一定的速度和变速范围，通过主传动系统驱动车床主轴，提供主切削力，完成加工任务。可以加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的启停、变速、换向和制动等。
1.1主传动系统的设计要求
除应满足普通机床的主传动要求外，还应具有如下要求：
（1）有较宽的调速范围，并能实现无级调速。
（2）有足够的功率和扭矩。
（3）有足够的传动精度。
（4）动态响应性强，变速迅速可靠。
（5）温升低、热变形小。
1.2 主传动系统的改造设计
如图1.1所示为C5126的主传动系统原理图，原主传动系统通过4轴齿轮传动实现16级变速。由于传动齿轮多，使得变速箱的体积较大，且变档时比较费时繁琐，生产效率低，加工出来的零件精度不高。因此，需要对该主传动系统进行结构改造。
图1.1普通车床传动图
为了缩短改造工期，降低改造成本，并且实现无级调速，将主传动系统改造为如图1.2所示结构。电动机仍采用原主轴交流电动机，并配合相应的变频器实现转速调控。通过一对锥齿轮实现换向，应用一对圆柱斜齿轮实现机构的减速。为了实现每转同步进给切削，在主轴上安装编码器，构成半闭环检测结构。通过改造，大大简化了主轴箱结构，传动链缩短，且调速较方便。
图1.2数控车床主轴传统图
1.3 驱动控制及驱动电机的改造设计
在车床加工过程中，根據加工目标的材料和尺寸的不同，刀具的切削性能，加工质量的需求，在设计机床主轴驱动控制系统时，可以较为方便的调整主轴转速。在进行主轴驱动控制和驱动电机改造设计时，充分考虑使用需求，在确保调速范围和调速精度的前提下，提出利用变频器和多圈旋转电位器相结合实现主轴的无级调速和即时调速。有效的提升了机床的可操作性，提高了车床的加工能力，降低了刀具损耗，提升加工表面质量。
1.4 主传动斜齿轮设计
根据技术方案要求：主轴最高转速：160 r/min、最低转速2 r/min，总切削力39200N，工作台最大扭矩3 1360N·m，对应的主轴驱动电动机功率N=37kw。
保留原车床主传动系统中的大型主传动圆柱斜齿轮。原有主传动齿轮齿数Z1=17，Z2=153，mn=5mm。为了确定其满足工作要求对斜齿轮强度进行校核。
1）根据电动机功率Ⅳ计算主传动斜齿轮的功率N0。
2）计算主传动斜齿轮转矩
2 横轴（X轴）机械结构改造设计
原立式车床采用齿轮箱带动T型丝杠实现X轴的进给运动。改造后采用蜗轮蜗杆驱动丝杠，这种设计方案减小了传动距离，效率大幅度提高，并使改造后的传动机构简单实用。
X轴丝杠的选择，根据加工零件的特点和精度要求，换掉已经磨损的丝杠，采用一根同等规格的新丝杠。改造后的X轴实物及机械结构简图如图2.1所示。
图2.1改造后的X轴
改造后的蜗轮蜗杆机构，要完成X轴的进给传动，传动中需要克服纵向切削力，并要完成切削任务，需要对蜗轮蜗杆进行校核设计，并校核丝杠的强度才能确定机构改造的性能。
3 纵轴（Z轴）机械结构改造设计
Z轴的结构设置和X轴基本相似。本文采用同轴减速机对Z轴的机械结构进行改造。同轴减速机的主动轴和从动轴为同轴线布置，优点是可实现多种安装方式，能使设备结构布置较为紧凑。采用同轴减速机就可以拆除原机床的进给箱和溜板箱，在原丝杠位置安装新的同规格丝杠。传动系统采用交流伺服电机通过同轴减速机与丝杠相连接，节省了空间。改造后的Z轴实物图及机械结构简图如图3.1所示。
图3.1改造后的Z轴
Z轴的减速机构采用减速机来实现，减速机的传动比、输出转速矩n2与输出转矩M2是确定的，参考X轴设计出数据选择减速机。
4 横梁提升机构改造设计
普通立式车床横梁工作情况：横梁由梯形螺纹丝杠拖动，其升降箱置于立柱上面，动力由交流电动机经蜗杆副传至丝杠。横梁位置确定后，在前后左右方向上夹紧，首先左右夹紧，然后前后夹紧。横梁的夹紧力来自于横梁两端的液压缸，夹紧装置类似于齿轮齿条的机构，齿轮齿条运动实现横梁的上下移动，运动到需要的位置时利用一个压板来加紧固定。液压驱动虽然有不少优点但是长时间使用液压机构漏油现象无法避免，因此国内大多数立式车床的横梁提升机构进行机械改造时，一般都是把原机床的的丝杠拆掉换成滚珠丝杠，把原机床的旧电动机更换成步进电机，然后更换对应的丝杠螺母滑块和轴承，这样的结构设计还必须要另外增加一个自锁装置，使用滚珠丝杠的费用就比较高，改造的总花费也会更高。
我们从实际的工作需要出发，通过实践探索可直接采用蜗轮蜗杆传动机构，这样设计不仅能满足所有动作，还简化了设备控制。根据对横梁本身自重以及相关零件自重的计算校核。蜗轮蜗杆自锁功能能够满足强度方面的需要，这样设计结构简单且费用低。改造后的横梁机械结构简图如图4.1所示。
在进行横梁的传动机构设计和校核过程中，要充分考虑横梁的受力情况，如横梁自身的重力、滑座的自重、刀架的重力、运动中的摩擦力等等，横梁的受力情况复杂，要考虑充分，才能合理的计算蜗轮蜗杆的受力，设计出合适的蜗轮蜗杆。
结论
本文对C5126的主传动系统和进给传动系统进行了改造和设计计算。拆除了原主传动系统中的多级变速减速机构，改造为一对锥齿轮实现换向，应用一对圆柱斜齿轮实现的两级减速机构；拆除了原有的进给机构和溜板箱等传动系统，Z轴采用同轴减速机和轴联伺服电机驱动形式，X轴采用蜗轮蜗杆减速机构；横梁提升装置采用蜗轮蜗杆机构实现自锁。改造后的主传动系统和进给系统满足设计要求，具有结构简单、成本低、维修方便等优点。
参考文献
[1]张勇，朱朝宽.车床数控化改造实例[M].北京.机械工业出版社，2012.4
[2]罗永顺.机床数控化改造实例[M].北京.机械工业出版社，2010.10