论普通机床数控化改造的刚度要求egmj.docx

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1、普通机床床数控化化改造的的刚度要要求中国南车车襄樊牵牵引电机机有限公公司罗隆满满摘要：当当前，我我国有许许多企业业在考虑虑把旧设设备改造造成数控控机床，但但并不是是所有的的旧机床床都能进进行数控控化改造造。本文文主要从从机床传传动精度度的问题题，来阐阐述普通通机床数数控化改改造对机机床进给给传动链链的刚度度要求，及及其设计计计算。关键词：普通机机床数控化化改造传动链刚度设计计计算Requuiree of thee Riigiddty forr Reeforrmedd thhe CCommmon Macchinne TTooll too Nuumerricaal CConttrollled ab

2、sttracct: Toodayy, mmanyy ennterrpriisess arre pplannninng tto rrefoorm thee olld ccommmon macchinne ttooll too nuumerricaal cconttrollledd inn ouur ccounntryy, bbut it is impposssiblle tthatt alll oof tthe oldd maachiine toool ccan be refformmed.Thiis ppapeer iis mmainnly illlusttratted thee reequi

3、ire of thee drrivee systtems rrigiidtyy foor rrefoormeed tthe commmonn maachiine tooll too nuumerricaal cconttrollled in thee reespeect aboout thee prreciisioon oof tthe macchinne ttoolls ffeeddingg drrivee syysteem, andd thhe ccalcculaatioon oof iits dessignn.Keywwordds:CCommmon macchinne ttooll NN

4、umeericcal conntroolleed rrefoormeed Driive sysstemm thhe RRigiid Callcullatiion of dessignn1. 普普通机床床数控化化改造的的条件当前，我我国的机机械行业业正处于于技术改改造和设设备更新新时期，有有许多企企业在考考虑如何何把旧设设备改造造成数控控机床，但但并不是是所有的的旧机床床都能进进行数控控化改造造，也不不是把原原有的旧旧机床配配上数控控系统，换换上伺服服电机就就成为数数控机床床。旧机机床进行行数控化化改造须须具备以以下三个个条件：（1）机机床必须须是分离离传动；（2）机机床原有有的刚度度要好，几几

5、何精度度要基本本符合数数控机床床的要求求；（3）导导轨具有有改为低低摩擦导导轨的可可能性。2.普通通机床数数控化改改造的重重点对旧机床床进行数数控化改改造的重重点是进进给运动动，具体体就是机机床导轨轨和传动动链的改改造。导导轨改造造就是把把原来普普通滑动动导轨改改为低摩摩擦导轨轨，如滚滚动导轨轨、静压压导轨、氟氟带导轨轨以及滚滚滑复合合低摩擦擦导轨等等；导轨轨以外的的传动链链部分改改造，首首先要选选择传动动链的形形式，如如丝杆、蜗蜗轮蜗杆杆或齿轮轮齿条传传动，依依据原机机床的结结构、行行程大小小、加工工能力等等因素来来全面衡衡量决定定。确定定传动链链的形式式后，就就要根据据数控机机床的动动静特

6、性性的要求求，具体体计算传传动链的的结构参参数。3.伺服服进给传传动链的的刚度设设计计算算由于是旧旧机床改改造，所所以这里里着重介介绍传动动链的最最后环节节（输出出端）的的计算方方法，采采用工程程计算方方法的刚刚度分配配法进行行设计计计算。3.1刚刚度分配配法的分分配原理理在传动系系统中各各个环节节的刚度度有高有有低，对对于按强强度设计计的传动动系统，其其总刚度度会因系系统的最最薄弱环环节而大大大降低低。因此此，我们们须找出出各环节节受力变变形所占占的比例例，并按按这种变变形比例例关系来来相应分分配各环环节的刚刚度值，从从而使传传动链的的结构合合理，即即符合强强度设计计的要求求，又满满足刚度度

7、设计的的要求，这这就是刚刚度分配配的主要要原理。据资料1介介绍，过过去按强强度设计计的传动动系统，一一般扭曲曲变形占占60%80%；齿轮轮接触变变形和支支承的弯弯曲变形形引起齿齿隙产生生的扭角角占1020%；键与与键槽的的接触变变形占10%25%，我们们可以把把这种变变形的比比例关系系参考运运用到刚刚度分配配上。3.2传传动各环环节的刚刚度与总总刚度的的关系设传动链链的传传传动关系系如图一一所示，由由n对齿轮轮和n+1根轴组组成，并并假定机机械间隙隙已消除除，则每每个齿轮轮的弹性性转角具具有如下下关系：图一 传动链的刚度传递关系根据传动动关系可可得：1、2 (nn+1)第1、2 (nn+1)根

8、轴的的弹性转转角12、23 n（n+1）第1、2n根轴的的弹性转转角通过过传动传传递至第第2、3 (nn+1)根轴的的转角22、33 (n +1)(n+1)第2、3 (nn+1)根轴的的总弹性性转角i1、ii2i n每对齿齿轮的传传动比故末端丝丝杆轴上上的总变变形量为为：i、MMi、Ki各轴的的转角、传传动扭矩矩、扭曲曲刚度假定各轴轴的传动动效率=1，以简简化推导导：；M1、MM2、 Mn第1、2n轴的传传动扭矩矩Ms丝杆轴轴输出扭扭矩代入后得得：+（式1）K传动链链在末端端总扭曲曲刚度 KK1、K2Kn第1、2n根轴的的扭曲刚刚度 KKts丝杆的的扭曲刚刚度从式1中中可以看看出，各各轴的刚刚

9、度折算算到输出出端时，其其刚度减减低i2倍（i为输出出端到各各轴的升升速比）。因因此，我我们只要要使输出出端的刚刚度满足足要求即即可。其其他轴因因对输出出轴的刚刚度影响响较小，只只要满足足强度要要求，并并消除间间隙即可可。3.3输输出端丝丝杆的刚刚度组成成多数旧机机床数控控改造的的主要对对象是中中、小型型机床，行行程一般般不会太太大，且且大都为为丝杆传传动，下下面就以以输出端端为丝杆杆传动的的计算做做一介绍绍。丝杆传动动的总刚刚度包括5个元件件的刚度度，即：（1）丝丝杆的拉拉压刚度度。由于于拉压变变形是丝丝杆轴向向变形的的主要部部分，故故取拉压压刚度分分配系数数=0.660.88。a为丝杆杆强

10、度修修正系数数，由丝丝杆支承承形式决决定，支支承刚度度较好时时取a=4，反之之取a=1或2；Km为所需需的传动动刚度。（2）螺螺母传动动刚度Kn。一般般当丝杆杆的拉压压刚度确确定后，丝丝杆的几几何参数数如直径径ds、珠珠子直径径dZ以及珠珠子数Z即可决决定，螺螺母刚度度Kn也可求求出。再再按求出螺螺母的刚刚度分配配系数。（3）螺螺母座轴轴向刚度度。因支支座的刚刚度可以以设计的的高一些些，故取取刚度分分配系数数cn0.05。（4）轴轴承支座座轴向刚刚度。同同理可把把支座的的刚度设设计得比比螺母座座更高，故故取刚度度分配系系数cb0.022；b为轴承承支座数数量。（5）推推力轴承承轴向刚刚度。因因

11、此类轴轴承的刚刚度较高高，故取取刚度分分配系数数b0.1；c为推力力轴承的的数量。（6）各各类刚度度的分配配系数i之和须须满足：1 （式2）3.4丝丝杆各环环节刚度度的计算算公式（1）丝丝杆的拉拉压刚度度Ks（N/mmm）（式3）ds丝杆底底径Ls丝杆支支承间长长度 Es丝杆杆的弹性性模量（2）滚滚动螺母母传动刚刚度Kn（N/mmm）（式4）P丝丝杆允许许的最大大轴向负负荷dz滚珠直直径承载区区内有效效滚珠总总数（3）推推力滚子子轴承的的轴向刚刚度Kb(N/mmm)（式5）La滚子长长度Z0滚子数Pa轴承允允许的轴轴向载荷荷（4）螺螺母座或或轴承座座的轴向向刚度Kcn及Kcb（N/mmm）（式

12、6）kt接触角角柔度切切线系数数=100 B支承座座宽度L支座长长度C宽宽度方向向中间的的空刀宽宽3.5 计算算步骤3.5.1设定定参数设定参数数就是机机床改造造所要达达到的一一些性能能要求，如如主轴允允许最大大扭矩、转转速范围围n、最大大刀具直直径Ddmaxx、数控控加工要要达到的的轮廓精精度、脉冲冲当量m、点动动灵敏度度和死区区、进给给速度范范围VTmaxx和VTminn、允许许加工的的最小曲曲率半径Rgminn、最小小刀具半半径、运运动部件件重量W、导轨轨摩擦系系数f以及采采用什么么控制系系统（即即开环、半半闭环、闭闭环）等等。3.5.2计算算刀齿接接触频率率范围n转速上限限取决于于精切

13、，转转速下限限取决于于粗切，计计算刀齿齿接触频频率范围围为：（raad/ssec）Zc粗切刀刀具刀齿齿数 ZZj精切刀刀具刀齿齿数nc粗切主主轴转速速nj精切主轴轴转速可取传动动链的谐谐振频率率n0.7z或n1.4z若要改造造的机床床即能切切削钢，又又能切削削有色金金属，则则：1.4z钢n0.7z有色3.5.3坐标标最大进进给力Qs Qs =丝杆允允许的最最大轴向向负荷P3.5.4要求求位置环环开环的的最低放放大倍数数kvkv(1/seec)VT进给速速度刀具或或工件的的中心移移动曲率率半径 RRg工件半半径设定定的轮廓廓加工误误差，取=（1/31/5）（为加工工要达到到的轮廓廓精度）3.5.

14、5运动动部件的的加速度度a与加速速度力FFa=VQQ kv (mm/seec2)（N）VQ启动速速度W运动部部件的重重量g重力系系数=9.81NN/g3.5.6要求求的低速速性能与与速度控控制范围围（1）最最小位移移角minn刀具或或工件的的中心最最小移动动曲率半半径（2）最最小启动动速度VQminn (mmm/mmin)VTmiin最小进进给速度度（3）坐坐标的速速度控制制范围RsVTmaax最大进进给速度度3.5.7要求求传动链链的谐振振值n（1）由由齿频要要求n1z（2）由由c=kv要求n212c=122kv（3）比比较n1、n2取大大的作为为n，但如如果按n10.7z取，则则要校核核是

15、否与与之有矛矛盾。若若有矛盾盾，则改改取n21.44z再比较较确定n1。3.5.8所需需的传动动刚度Km（1）由由死区0要求的的刚度Km1 (N/mm)取0=（1/21/33）dd定位误误差Pf、ff导轨的的摩擦力力、摩擦擦系数W运动部部件重量量在计算垂垂向时，如如果运动动部件的的重量在在平衡后后还比最最大的切切削力大大得多，则则死区无无意义，不不必计算算此要求求。（2）由由谐振要要求Km2（3）比比较Km1、Km2取其其大值作作为Km。3.5.9计算滚滚珠丝杆杆直径dds根据已设设定的丝丝杆长度度Ls、刚刚度分配配系数s和强度修修正系数数a计算出Ks：由式3得得出： (mmm)计算后dds取

16、标准准值。3.5.10计计算速比比i（1）若若丝杆直直接连接接在电机机上，则则按i=1确定定螺距S：（mm）Jm电机的的转动惯惯量 Js丝杆的的转动惯惯量如果需减减速，则则(mm)J1小齿轮轮转动惯惯量 nnmaxx主轴最最高转速速计算出SS后按标标准取值值。（2）折折算到电电机轴上上的总惯惯量Jr（3）校校验转速速匹配：（4）校校验惯量量匹配：0.50.88（5）校校验电机机转矩：Mmaxx电机最大大扭矩若校验结结果合适适，则ii、S有效。若若校验结结果不适适，则重重选电机机，再代代入运算算，直至至合适为为止。若确定的的总速比比i33，则应应分解为为分速比比，按式式：分解，若若、中仍有有大于

17、3速度，则则按上两两式再分分解，直直至小于于3。3.5.11校核螺螺母刚度度Kn和分配配系数n按式4计计算螺母母刚度Kn，并按按下式校校核螺母母刚度的的分配系系数n3.5.12选择轴轴承，并并校核轴轴承的刚刚度分配配系数b按强度要要求选择择轴承，按按式5计算轴轴承刚度度Kb再校核核分配系系数b。3.5.13校校核螺母母座和轴轴承座刚刚度分配配系数cn、cb按式6校校核螺母母座和轴轴承座刚刚度Kcn和Kcb，并并分别计计算cn、cb：3.5.14校核刚刚度系数数之和i1 4.结语语在我国多多数企业业的旧机机床数控控化改造造中，多多是采用用开环或或半闭环环控制系系统，这这两种控控制系统统均不能能反

18、馈机机床的传传动误差差，故机机床传动动装置的的误差不不能得到到自动补补偿。因因此，采采用开环环或半闭闭环数控控控制系系统对机机床进行行改造时时，有必必要对机机床传动动链的刚刚度进行行设计计计算或校校验。即即使采用用闭环数数控系统统对机床床进行改改造，我我们更应应对机床床传动链链的刚度度进行设设计计算算，这样样才能更更好地发发挥设备备的效能能。5参考考资料1 机床床设计手手册（2）机械工工业出版版社 19779年2 林初东数控控机床进进给传动动链的刚刚度与谐谐振，机机床 119799年第5、6期3 机械械设计手手册（上上册）化学工工业出版版社 119811年投稿人：中国南南车襄樊樊牵引电电机有限限公司罗隆满满邮政编码码：44110477E-maail：luhhailluohottmaiil.ccom