王立春，李佳，劉明陽

哈爾濱電動機廠有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150040

1 序言

C1563立式車床于1959年引進，已使用60余年，機床在使用過程中只進行過常規(guī)大修，機床主體結(jié)構(gòu)件性能穩(wěn)定，但X軸（滑座橫向移動）和Z軸（滑枕縱向移動）傳動系統(tǒng)老化，齒輪磨損嚴重，精度差，噪聲大，備件無法采購。為恢復(fù)機床的正常使用性能，決定對其傳動系統(tǒng)進行改造，重新設(shè)計X軸及Z軸傳動系統(tǒng)。

2 原傳動系統(tǒng)簡述

C1563立式車床原傳動系統(tǒng)較為復(fù)雜，如圖1所示。

圖1 C1563立式車床傳動系統(tǒng)示意

從圖1中可以看出，在原傳動系統(tǒng)中刀架滑座橫向運動（X軸）和刀架滑枕縱向運動（Z軸）由于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(jīng)由共同的齒輪箱，實現(xiàn)直線進給運動，所以X軸和Z軸直線運動的進給速度范圍和最大速度參數(shù)相同。具體如下：X/Z軸進給傳動速度為0.0282～275mm/min，X/Z軸快速傳動最大速度為2400mm/min。

根據(jù)機床說明書描述和實際測繪，現(xiàn)X軸傳動系統(tǒng)參數(shù)如下：右刀架質(zhì)量m1=6100kg，右滑板質(zhì)量m2=3700kg，X軸絲杠長度LB=4982mm，X軸絲杠直徑DB=100mm，X軸絲杠導(dǎo)程PB=10mm，X軸絲杠質(zhì)量MB=168kg，絲杠材質(zhì)密度ρ=7.9×103kg/m3。

現(xiàn)Z軸傳動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如下：滑枕質(zhì)量m3≈2000kg，Z軸絲杠長度LB1=3720mm，Z軸絲杠直徑DB=100mm，Z軸絲杠導(dǎo)程PB=10mm，Z軸絲杠質(zhì)量MB1=126kg，絲杠材質(zhì)密度ρ=7.9×103kg/m3。

3 X軸傳動系統(tǒng)改造設(shè)計

X軸傳動系統(tǒng)擬改造為伺服電動機通過減速箱直接驅(qū)動傳動絲杠，通過電動機轉(zhuǎn)速變化實現(xiàn)進給運動和快速運動。

X軸絲杠擬選用原參數(shù)，則相關(guān)設(shè)計參數(shù)如下：X軸快速進給速度V=2400mm/min，切削力FA=50000N，X軸絲杠傾斜角θ=0°，梯形絲杠效率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=240r/min。

X軸改造擬選用電動機轉(zhuǎn)速n為2000r/min，則轉(zhuǎn)速比為

根據(jù)計算結(jié)果，考慮到適當放大轉(zhuǎn)矩，故選擇減速比i=10，將X軸快速進給速度V由2400mm/min修正為2000mm/min。

式中，NM是輸出軸轉(zhuǎn)速，NM=n/i；J0為選定電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，計算中忽略。

式中，Sf是安全系數(shù)，取值為2。

式中，ηG是損耗系數(shù)。

4 X軸改造方案確定

根據(jù)計算，電動機額定轉(zhuǎn)矩已超過100N?m，電動機選型過大，減速箱傳動比為10不能滿足設(shè)計要求。原設(shè)計傳動比為25，按照此數(shù)值重新計算，所需電動機轉(zhuǎn)矩為45N?m，選用轉(zhuǎn)矩50N?m電動機即可實現(xiàn)。

若將原絲杠更換為導(dǎo)程為20mm的滾珠絲杠，與傳動比為25的行星減速器配合使用，可以滿足轉(zhuǎn)矩要求。絲杠導(dǎo)程增加雖然增大了轉(zhuǎn)矩，但是滾珠絲杠工作效率η=0.9，比原梯形絲杠高出3倍，實際上電動機通過減速箱后所需轉(zhuǎn)矩會大大降低，滿足使用要求。既然X軸傳動系統(tǒng)選用滾珠絲杠，那么決定對機床進行數(shù)控改造，雖然增加改造成本，但會極大地提高機床的精度和效率。

根據(jù)以上分析和計算，確定了X軸傳動系統(tǒng)改造方式，即通過伺服電動機驅(qū)動行星減速器帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)刀架滑座橫向直線運動，通過參照圖樣及實際空間測繪，最后確定的主要部件選型見表1。

表1 C1563立式車床X軸傳動系統(tǒng)改造主要部件選型

5 Z軸傳動系統(tǒng)改造設(shè)計及方案確定

Z軸（滑枕縱向移動）傳動系統(tǒng)與X軸是通過共同的快速電動機和進給電動機，并經(jīng)由共同的齒輪箱實現(xiàn)直線傳動的，由于Z軸絲杠與X軸絲杠直徑和導(dǎo)程參數(shù)完全一致，所以Z軸傳動系統(tǒng)設(shè)計可以參考X軸，將此傳動系統(tǒng)擬改造為伺服電動機通過減速箱（電動機與減速箱放置在刀架上部）直接驅(qū)動滾珠絲杠，通過電動機的轉(zhuǎn)速變化實現(xiàn)進給運動和快速運動。

Z軸絲杠選用參數(shù)同樣參照X軸，根據(jù)X軸計算結(jié)果，將Z軸絲杠選用滾珠絲杠進行計算，軸擬選用參數(shù)如下：Z軸快速進給速度V=2000mm/min，外力（切削力）FA=50000N，Z軸絲杠導(dǎo)程PB=20mm，Z軸絲杠直徑DB=100mm，Z軸絲杠傾斜角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，螺母摩擦因數(shù)μ=0.01。

通過計算，Z軸電動機需要轉(zhuǎn)矩為TM=55.99N?m。

根據(jù)計算結(jié)果，Z軸（滑枕縱向移動）傳動系統(tǒng)數(shù)控化改造后主要部件主要參數(shù)基本可以確定，即伺服電動機額定轉(zhuǎn)矩需大于55N?m；減速箱減速比為25；滾珠絲杠直徑100mm，導(dǎo)程為20mm。通過參照圖樣及實際空間位置測繪，最后確定具體選型見表2。

表2 C1563立式車床Z軸傳動系統(tǒng)改造主要部件選型

6 結(jié)束語

實踐證明，C1563立式車床采用此方案改造后，X軸和Z軸傳動系統(tǒng)恢復(fù)正常使用功能，運行平穩(wěn)可靠，加工精度和加工效率都得到大幅提升，60年的老舊機床通過再制造變成了全新的設(shè)備，此次改造獲得了成功。