老機床新改造，省錢又好用

C1563立式車床已使用60餘年，主體結構件穩定，傳動係（xì）統老化，對機床X軸、Z軸傳動係統進行改造設計，確定合理的改造方（fāng）案，對機床再製造係統設計（jì）具有（yǒu）一定（dìng）的參考價值和現實意義。

1  序言（yán）

C1563立式車（chē）床於1959年引進，已使用60餘年（nián），機床在使用（yòng）過（guò）程中隻進行過常規大修，機床主體結構（gòu）件性能穩定，但X軸（滑座橫向移動）和Z軸（滑枕縱向（xiàng）移動）傳動係（xì）統老化，齒輪磨損嚴重（chóng），精度差，噪（zào）聲大，備（bèi）件無法（fǎ）采購。為恢複機床的正常（cháng）使用性能，決定對其傳動（dòng）係統進行改造（zào），重新設計（jì）X軸及Z軸傳動係統。

2  原傳動係統簡述

C1563立式車床原傳（chuán）動係統較為複雜，如圖1所示。

圖1 C1563立式車床（chuáng）傳動（dòng）係統示意

1、12—進給（gěi）電動機（jī）　2、9—橫梁夾緊電動（dòng）機　3、8—滑枕夾緊電動機　4、10—快速電動（dòng）　5、7—滑座夾緊電動機　6—橫梁升降（jiàng）電動機　11—主傳動電動（dòng）機

從圖1中可以看出（chū），在原（yuán）傳動係統中刀架滑座橫向運動（X軸）和刀（dāo）架滑枕縱向運動（Z軸）由於都是通過共同的快速電動機（7kW，1335r/min）和進給電動機（6.6kW，27～2700r/min）經由共同的齒輪箱，實現直線進給運（yùn）動，所以X軸和Z軸直（zhí）線運動的（de）進給速度範圍和最大速度參（cān）數相同。具體如下：X/Z軸（zhóu）進給傳動速度為0.0282～275mm/min，X/Z軸快速傳（chuán）動最大速度為（wéi）2400mm/min。

根據機床說明書（shū）描述和實際測繪，現X軸傳（chuán）動係統參數（shù）如（rú）下：右刀架質量m1=6100kg，右滑板質量m2=3700kg，X軸絲杠長度LB=4982mm，X軸絲杠（gàng）直（zhí）徑DB=100mm，X軸絲杠（gàng）導程PB=10mm，X軸絲杠質量MB=168kg，絲杠材質密度ρ=7.9×103 kg/m3。

現Z軸傳動係統相關參數如下：滑枕質量m3≈2000kg，Z軸絲杠長度LB1=3720mm，Z軸絲杠直徑（jìng）DB=100mm，Z軸絲杠導程PB=10mm，Z軸絲杠質量MB1=126kg，絲杠（gàng）材（cái）質密度ρ=7.9×103 kg/m3。

3  X軸傳動（dòng）係統改造設計（jì）

X軸傳動係統擬改造為伺服（fú）電動（dòng）機通過減速箱直接驅動傳動絲杠，通過電動機轉速變（biàn）化實現進給運動（dòng）和快速運動。

X軸絲杠擬選用原參數，則相關設計參數如下：X軸快速（sù）進（jìn）給速度V=2400mm/min，切削力FA=50000N，X軸（zhóu）絲（sī）杠傾斜（xié）角θ=0°，梯（tī）形絲杠效率η=0.3，加減速時間t=0.2s，螺母摩擦因數（shù）μ=0.3。則減速箱輸出軸速度N=V/PB=2400/10=240（r/min）。

X軸改造擬選用電動機轉速n為2000r/min，則（zé）轉（zhuǎn）速比為

根據計算結果，考慮到適當放大轉矩，故選擇減速比i=10，將X軸快（kuài）速進給速度（dù）V由2400mm/min修正為2000mm/min。

X軸運行負載力為

絲杠預負載為

負載轉矩為

絲杠轉動慣量為

負載轉動慣量（liàng）為

加速轉矩（jǔ）為

式中，NM是輸（shū）出軸轉速，NM =n/i；J0為選定電動機轉子轉動（dòng）慣量，計算中忽（hū）略。

可知必要轉（zhuǎn）矩為

式中，Sf是安全（quán）係數，取值為2。

則電動機需要轉矩為

式中，ηG是損耗係數。

4  X軸改造方案確定

根據計算，電動機額定轉矩已（yǐ）超過100N·m，電動機選型過（guò）大，減速箱傳動比為10不能滿足設計要求。原設（shè）計（jì）傳動比為25，按照此數值重新計算，所需電動機轉矩為45N·m，選用轉矩50N·m電動機即可（kě）實現。

若將原絲（sī）杠更換為（wéi）導程為20mm的滾珠絲杠，與傳動（dòng）比為25的行星減速器（qì）配合使用，可以滿足轉矩要求。絲杠（gàng）導程增加雖然增大了（le）轉矩，但是滾珠絲杠工作（zuò）效率η=0.9，比原梯形（xíng）絲杠高出3倍，實際上電動機通過減速箱後所需轉矩會大大降（jiàng）低，滿足使用要求。既然X軸傳動係統選用滾珠絲杠（gàng），那麽決定對機床進行數控改造，雖然（rán）增（zēng）加改造成本，但會極大地提高（gāo）機床的精度和（hé）效率。

根據（jù）以上分析和計算，確定了X軸傳動係統改造方式，即通過伺服電動機驅動行星（xīng）減速器（qì）帶動絲（sī）杠旋轉（zhuǎn），實現刀架滑座橫向直線（xiàn）運動，通過（guò）參照圖樣及實際空間測繪，最後確定（dìng）的（de）主要部件選型見表1。

表1　C1563立式車床X軸傳動係統改（gǎi）造主要部件選型

5  Z軸傳動係統改造設計及方案確定

Z軸（滑枕縱向移動）傳動係統與X軸是通過共同的快速（sù）電動機和進給電動機，並經由共同的齒輪箱實現直線傳動（dòng）的，由於Z軸絲杠與（yǔ）X軸絲杠直徑和導程參（cān）數完全一致，所以Z軸傳動係統設計可以參考X軸，將此傳動（dòng）係統擬改造為伺（sì）服電動機通過減速（sù）箱（電動機與減速箱放置在（zài）刀架上部）直（zhí）接驅動滾珠絲杠，通過電動機的轉速變化實現進給運動和快速（sù）運動（dòng）。

Z軸絲杠選用參數同樣參照X軸，根據X軸（zhóu）計算結果，將Z軸絲（sī）杠選（xuǎn）用滾珠絲杠進（jìn）行計算，軸擬選用參（cān）數如下：Z軸快速進給速度V=2000mm/min，外（wài）力（切削力）FA=50000N，Z軸絲杠導程PB=20mm，Z軸絲杠直（zhí）徑DB=100mm，Z軸（zhóu）絲杠傾（qīng）斜角θ=90°，滾珠絲杠效率η=0.9，減速箱減速比i=25，加減速時間t=0.2s，螺母摩擦（cā）因數μ=0.01。

通過計算，Z軸電（diàn）動機需要轉矩為TM =55.99N·m。

根據計算結果，Z軸（滑枕縱向移動）傳動係統數控化改造後主要部件主要參數基本可以確定，即伺服電動機額定轉（zhuǎn）矩需大於55N·m；減速箱減速比為25；滾珠絲杠直徑100mm，導程為20mm。通過參照圖樣及（jí）實際空（kōng）間位置測繪，最後確定具體選型見表2。

表2 C1563立式車床Z軸傳動係統改造主要部件選（xuǎn）型

6  結束（shù）語

實踐證明，C1563立式車床采用此（cǐ）方案改造後，X軸和Z軸傳動係統（tǒng）恢複正常（cháng）使用（yòng）功能，運行平穩可靠，加工精度和加工效（xiào）率都得到大幅提升，60年（nián）的老舊機床通過再製造變成了全新的設備，此次改造獲得了成（chéng）功。