数控卧式车床机械部分改造及设计

摘 要：普通车床应用微机控制系统进行改造，可以提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。本文以卧式车床改造为例，对卧式数控车床的机械部件（包括主传动系统、进给传动系统、自动回转刀架等）进行改造过程中方案的确定。

关键词：数控车床；机械部分；改造

引言

数控车床通常由数控装置、床身、主轴箱、刀架进给系统、尾座、液压系统、冷却系统、系统、排屑器等部分组成。

1. 数控车床的机械部件

1.1主传动系统

主轴部件是车床实现旋转运动的执行件，结构如图1.1所示，其工作原理如下：

交流主轴电动机通过带轮15把运动传给主轴7。主轴有前后两个支承。前支承由一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承11和一对角接触球轴承10组成，轴承11用来承受径向载荷，两个角接触球轴承一个大口向外（朝向主轴前端），另一个大口向里（朝向主轴后端），用来承受双向的轴向载荷和径向载荷。主轴的后支承为圆锥孔双列圆柱滚子轴承14，轴承间隙由螺母l和6来调整。螺钉17和13是防止螺母1和6回松的。主轴的运动经过同步带轮16和3以及同步带2带动脉冲编码器4，使其与主轴同速运转。脉冲编码器用螺钉5固定在主轴箱体9上。

1.2进给传动系统

数控车床的进给传动系统多采用伺服电机直接或通过同步齿形带带动滚珠丝杠旋转。其横向进给传动系统是带动刀架作横向（X轴）移动的装置，它控制工件的径向尺寸；纵向进给装置是带动刀架作轴向（Z轴）运动的装置，它控制工件的轴向尺寸。

1.3自动回转刀架

数控车床的刀架是车床的重要组成部分，其结构直接影响车床的切削性能和工作效率。回转式刀架上回转头各刀座用于安装或支持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转，分度和定位，实现车床的自动换刀。

1.4液压动力卡盘

液压动力卡盘用于夹持加工零件，它主要由固定在主轴后端的液压缸和固定在主轴前端的卡盘两部分组成，其夹紧力的大小通过调整液压系统的压力进行控制，具有结构紧凑、动作灵敏、能够实现较大夹紧力的特点。

1.5车床尾座

加工长轴类零件时需要使用尾座，一般有手动尾座和可编程尾座两种。尾座套筒的动作与主轴互锁，即在主轴转动时，按动尾座套筒退出按钮，套筒不动作，只有在主轴停止状态下，尾座套筒才能退出，以保证安全。根据需要，数控车床上也可以配置诸如机内对刀仪、自动排屑器、工件接收器等，以增加其功能。

2. 数控卧式车床改造及设计

数控车床在设计上要达到：高的静动态刚度：运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙：功率大：便于操作和维修。车床数控改造时应尽量达到上述要求。

2.1数控系统的选择

数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择：

（1）步进电机拖动的开环系统

该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。该系统的位移精度较低。但该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。

（2）异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统

该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。

（3）交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统

半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。系统精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。

（4）直线伺服系统

直线伺服系统与传统的旋转传动方式相比，特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把车床进给传动链的长度缩短为零。目前应用到数控车床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。

2.2数控改造中主要机械部件改造及设计

2.2.1进给轴的改造

普通车床数控化改造时一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用进给伺服（或步进）传动链。具体体现为：Z轴：纵向电机减速箱（或联轴器）纵向滚珠丝杠大拖板，纵向按数控指令获得不同的走刀量和螺距。X轴：横向电机减速箱（或联轴器） 横向滚珠丝杠横滑板，横向按数控指令获得不同的走刀量。改造后整个传动链的传动精度在保证车床刚性的前提下，与滚珠丝杠副的选择和布置结构形式、车床导轨的精度情况等有很大的关系。

1） 滚珠丝杠副的选择和布置结构形式

在进行普通车床数控化改造时往往都将滑动丝杠更换为滚珠丝杠副。若使用的丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；磨损小、寿命长、精度保持性好。改造时各轴滚珠丝杠的直径一般都是与原T型丝杠直径相近，对有特殊要求的车床还应根据杆系的稳定性计算其临界转速，最终确定滚珠丝杠的直径。丝杠导程在满足车床改造后性能的前提下越小，对车床的传动精度越有利。车床的传动精度在保证车床刚性的情况下，与丝杠副本身的精度和轴承布置形式有很大的关系，一般在普通车床改造中丝杠副选P4级即可满足要求，特殊精密车床选P3级甚至更高。

2.2.2车床导轨

在对普通车床进行数控化改造的同时必须针对车床导轨状况进行必要的检修处理，对于磨损较严重的更要进行大修。对车床的导轨修复其精度，主要方法有：

①塑料导轨重新粘塑并精加工修复导轨精度

②使用环氧型耐磨导轨涂层修复导轨精度

③铸铁导轨重新精加工修复导轨精度

④静压导轨重新调整导轨各处的压力，恢复导轨精度。

2.2.3 电机与丝杠的联接

在满足车床要求的前提下，为减少中间环节带来的传动误差，通常将电机与丝杠副通过联轴器直接联接，但对于大型车床，由于丝杠较长，直径较大，通常电机都要通过几级减速来实现传动。无论是采用齿轮还是同步带轮来传动，其传动间隙的消除是比较关键的。齿轮传动中常用的方法有错齿消隙法、偏心轴调整法等，同步带轮传动中多采用调整中心距或张紧轮消隙法。

2.3主轴部分的改造

电主轴为一台高速电动机，其既可使用异步交流感应电动机，也可使用永磁同步电动机。电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术，通常内置一脉冲编码器，来实现厢位控制及与进给的准确配合。

车床主轴带动工件以不同转速旋转是车削加工中的主运动，消耗车床大部分动力。普通车床由主电动机经皮带传动，经主轴变速箱带动主轴旋转，主轴箱经手动或自动变速获得（9～24）级转速，通过电磁或液压离合器操纵主轴的变速和正反转；而数控车床主轴箱由电主轴或传统机械主轴单元加变频电机和变频器组成。普通车床在数控化改造时大部分情况下保留原主轴箱，不做改动或少做改动。

2.4刀架部分的改造

目前数控车床刀架基本为电动刀架，其特点是定位更准确、迅速。电动刀架可分卧式转塔刀架（一般安装8-2把刀）和立式电动刀架，立式电动刀架有四工位（或六工位）。卧式转塔刀架价格相对较贵，改造中常用立式四工位电动刀架。

2.5 部分的改造

在对这些车床改造时一般都要对其部分进行相应的改动，采用稀油集中定量、定时供油的方式，可分为手控和编程自动润化两种，在车床导轨、丝杠。

2.6 车床的安全防护

必须以安全为前提。在车床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。

滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。车床改造后整个防护分局部防护、半防护和全防护三种。

结论：通过改造恢复了车床的精度和所有功能，车床状况明显改善，提高了设备运行的稳定性、可靠性，大大降低了设备的维修费用，节省了大量的资金。

参考文献

[1]吴祖育，秦鹏飞.数控机床（第三版）[M].上海科学技术出版社，2000：253.257页

[2]李宏胜.机床数控技术及应用[M].高等教育出版社，200l