ＣＫＳ６ １ ３２数控车床的改型设计 Ｒｅｔｒｏｆｉｔ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆ ＣＫＳ６１ ３２ ｃｎｃ ｌａｔｈｅ 石晓波 ＳＨＩ Ｘｉａｏ．ｂｏ （黑龙江林业职业技术学院，牡丹江１５７Ｏｌ１） 摘要：本文阐述了ＣＫＳ６１ ３２车床的设计依据、主传动系统采用变频器的可行性、总体方案的确定；详 细描述了ＣＫＳ６１ ３２车床主要部件的选型和设计过程。 关键词：设计依据；变频器；总体方案；主传动系统；主轴组件 中图分类号：ＴＧ６５９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００９－０１ ３４（２０１ ０）０８－０１ ２２－０３ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ０．０８．４０ １ ＣＫＳ６１ ３２车床的设计依据 １．１市场状况 目前数控车床的应用日趋普遍，用户对数控 车床的要求也越来越高。我国所生产的数控车床 主要分为两类。一类是经济型数控车床，另一类 架，使机床可进行强力切削； ４）具备扩展功能的增加Ｃ轴、对刀仪、机械 手、上料器等： ５）机床的售价比较高，因而这类机床的需求 是巨大的。 是全功能型数控车床。 １．１．１经济型数控车床 它一般是由各机床生产厂家在自己普通车床 的基础上改进完成的。它有以下几个特点： １）相对价格比较便宜 ２）进给轴Ｘ、Ｚ采用步进电动机驱动滚珠丝杠 本ＣＫＳ６１３２数控车床的改型设计就是由经济 性数控机床改型为全功能型数控车床． １．２主传动系统采用变频器的可行性分析 数控系统（包括主轴单元及主电机）昂贵是 影响国内加工中心发展的主要原因。如何在满足 机床使用要求和保证机床可靠性的基础上降低 成本是摆在我们面前的课题。变频器是近几年发 展起来的，它具有变速范围宽（变频可达０．５～ ４００ＨＺ），与ＰＬＣ连接可方便地控制电机的正、反 螺母副，配置电动刀架。有些机床还配有液压夹 盘、液压尾座及自动润滑。因而机床的加工性能 和精度都比普通车床要高； ３）普遍采用分段的无极变速，即需要手动换 转，停止和变速；具有多种保护、故障显示等功 能。特别是采用磁通矢量控制的变频器，低频扭 挡，机床的适用性有一定的限制（采用无级自动 变速）。 矩提升好并可外接制动电阻及制动单元，升降频 性更趋完善。几乎可与主轴伺服单元相媲美。而 价格仅是主轴伺服单元的１／２—１／３、因此采用变频 器替代原伺服主轴的方案是可行的。 由于基础件与普通机床基本通用性，因而机 床整体刚性及防水、防尘性能等很难做得完善。 １．１．２全功能型数控车床 这类车床一般采用机电一体化布局，完全根 据实际需求设计。它具有如下特点： １．３ ＣＫＳ６１ ３２车床的总体方案初步确定 １）总体布局借鉴于ＣＡ６１３２系列数控车床， 采用模块化设计。布局基本相同，大部分基础件 也相同，这样便于生产管理和加工。 １）主传动系统采用主轴伺服单元，无级调 速，可实现恒线速切削； ２）采用全封闭造型、机电一体化布局，具 ２）主传动系统采用变频调速系统，考虑到主 轴的高低速性能在变频电机和主轴之间增加一具 有两档变速的变速箱，变速箱液压缸变速。 ３）主轴部件为降低成本和便于安装，采用前 有动力卡盘，动力尾体，ｘ、ｚ轴采用交流伺服驱 动，并配有自动润滑，外形美观及良好的防水防 尘性能； ３）高刚性的斜（或立式）床身，高刚性的刀 端双列短圆柱滚子轴承加角止推力轴承，后端采 收稿日期：２０１０—０４—２１ 作者简介：石晓波（］９６４一），男，副教授，主要从事数控机床加工、设计及研究工作。 ［１２２］ 第３２卷第８期２０１０—８ 务Ｉ泣 匐秒似 用双列短圆柱滚子轴承。 ４）刀架采用牡丹江迈克机床厂自主研发的刀 架，该刀架具有刚性好、换位快、噪音低、精度 高等特点。 ５）Ｘ、Ｚ轴分别选用ＦＡＮＵＣ公司ａ系列１２、 ２２型电机，该电机属于数字化伺服电机，因此性能 可靠，输出扭矩大，能够满足强力切削的要求。 ６）液压部分采用叠加阀设计，它共分３组， 一组控制卡盘，一组控制尾座套筒，还有一种控 制主轴变速油缸。 主传动如图１Ｎ示： 【●Ｉ’６ ＝【ｆ＝【ｌ】＝ 主轴电动机 图１主传动路线图 ２ ＣＫＳ６１ ３２车床主要部件的设计 １）ＣＫＳ６１３２车床系统选用ＦＡＮＵＣ一０ＴＤ系 统，该是根据中国用户设计制造的具有内置式ＰＣ 性能，稳定性可靠，功能也能满足我们机床的需 要，具有很好的功能价格比。 ２）主传动系统的设计 （１）根据调查此类车床国内用户使用主轴转 速一般在１８００ｒｐｍ以下，某些用户如轴承行业、 矿山机械由于加工件加工余量较大，使用转速 在８００ｒｐｍ以下。因此我们确定最高主轴转速为 ２４００ｒｐｍ，最低转速为３０ｒｐｍ。参照同类车床，主 电机选用１５千伏变频电机，因而变频器必须选用 １８．５ＫＷ容量的。 （２）目前市场上进口的变频器主要有三垦、 富士及三菱等几种牌号。从其它用户使用效果 来看，三垦ＳＶＦ型变频器的低频扭矩提升好（达 ３０％）如再接上作为选件的外接制动电阻及制动单 元，升降频性能更好。因而我们选用ＦＲ—Ａ２４０— １８．５型变频器并选用外接制动电阻及制动单元并选 用电源再生功能。变频电机有两种；一种是标准 型调频范围５—１２０Ｈｚ；另一种数控主轴电机调频 范围２－－２００ＨＺ。考虑到本机和转速范围及电机价 格我们选用标准型。 （３）通过电位器或参数设定控制电压，变频 器将根据输入控制电压值成比例输出对应频率的 电流，使变频器电机在限定频率范围内调速。 在增大主轴扭矩上，从扭矩图上来看低速档 计算转速ｎ＝３００ｒｐｍ ｎ＝７２０ｒｐｍ基本能满足轴承行业 的需求（一般工作转速在８００ｒｐｍ以下）。高速段 达２４００ｒｐｍ基本上也满足汽车、摩托车行业高效、 高精度的要求。现在样机已经完成，从调试及运 行效果来看，效果还是很好的。 ３）机床主轴组件的设计 ７７ ，７ 图２主轴轴承布置图 １．主轴２．主轴齿轮３．过度轴４．滑移小齿轮５．滑移大齿轮６．电 机轴７．电机轴齿轮８．主轴电动机９．轴承 第３２卷第８期２０１０－８ ［１２３１ 务ｌ 訇 似 图３主轴液压换挡结构图 厚度的油膜，把两者分开。滚动体与滚道的接 ＣＫＳ６１３２的最高转速２４００ｒｐｍ，径向刚度要 触面积很小，所以滚动体所需的润滑剂是很小 求比较高，因而我们把ＣＫＳ６１３２主轴结构改为前 的。由于轴承内径最大不超过１３０ｍｍ转速不超过 支承采用双列短圆柱滚子轴外加角止推力轴承， ２４００ｒｐｍ，因而我们采用脂润滑。采用脂润滑的优点 后轴承采用双列短圆柱子轴承，根据ＣＫＦ的主轴 之一不需要供油管路和系统没有漏油问题，如果 单元径向刚度线图来看，选用此种结构，完全能 脂的选择合适，洁净，密封良好不使灰尘、油、 满足机床的使用要求。从样机的使用效果来看， 切削液等进入，寿命是很长的。一次充填可以一 该结构刚性较好，温升也在要求范围内，一般 直用到大修，不需补充，也不要加脂孔。由于轴 １５℃－２０℃。 承为滚子轴承因此我们采用钡基脂Ｋｌｏｂｅｒ Ｉｓｏｆｌｅｘ ４）主轴轴承的润滑 ＮＢＵ１５作润滑剂。充填量不超过轴承内部空问的 滚动轴承润滑的理论基础，与滑动轴承是不 ３０％具体量按以下值估算： 同的。滑动轴承由于接触区的强度不高，可以作 Ｑ＝ｑ×ｄｍ×Ｂ１０ＣＭ 两点假设：（１）油是不可压缩的，油的精度与压 ｑ＝１．５ 强无关；（２）轴颈和轴瓦可作为刚性处理。这两 Ｄｍ一轴承中径 点假设，对滚动轴承全不成立。滚动轴承在接触 Ｂ一轴承宽度 区的压强很高。在这样高压强下，接触区产生变 按以上设计思路完成样机，并考虑其效果是 形，是一小块面积的接触而不是一条线或一个点 良好的，无论从它的使用状况还是市场销路都是 的接触；润滑剂在高压下被压缩，粘度升高了， 比较好的。它有良好的功能价格比，它将有良好 因此，才能在滚动体与滚道的接触区，形成一定 的市场前景。 ｛岛‘｛量‘ 岛‘｛出｝｛是‘｛翕 ｛是 ｛出 ｛南‘ 南‘毒品‘． ｝． ．｛而‘专 ‘专岛‘｛戋 出‘ 出‘｛禹‘ 岛Ｉ妇妇 【上接第４９页】 勾画曲线，其计算量仅与所选型值点个数有关， 术，且由Ｂ样条的局部性，每次修改曲线，仅有少 与三角网格模型的顶点数无关，易操作、交互性 部分采样点需要更新，具有较好的交互性和实时 好，实时性强，能够满足帮样设计ＣＡＤ或服装立 性，能够满足工程应用的要求。 体裁剪ＣＡＤ等系统的要求。 所获三角网格模型上的勾画曲线虽然是一种 参考文献： 线性表示，但当采样点足够多时，其将逼近于三 ［１】张怀．限制在光滑曲面上的Ｃ 曲线插值方法【ＪＪ．计算机辅 助设计与图形学学报，１９９７，９（５）：３８５—３９０． 次Ｂ样条曲线。实验证明，当采样步长等于三角网 【２］蔺宏伟，王国瑾．光滑曲面上的Ｇ 插值曲线【Ｊ】．计算机辅助 格模型平均边长的五分之一时，就既能满足工程 设计与图形学学报，２００３，１５（５）：５４１—５４６： 应用的实际要求，也具有良好的视觉效果。 【３］李晓武，郝大功，闫光荣，等．一种实用的自由曲面上曲线插 受到ＯｐｅｎＧＬ选择机制的限制，进行屏幕坐标 值算法ＩＪ１．工程图学学报，２００５，６：１２２—１２６． 向三维坐标的转换，需在渲染模式下使用，有一 ［４］ＨＯＦＥＲ Ｍ，ＰＯＴＴＭＡＮＮ Ｈ．Ｅｎｅｒｇｙ—Ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ Ｓｐｌｉｎｅｓ ｉｎ Ｍａｎｉｆｏｌｄｓ［Ｊ】．ＡＣＭ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｇｒａｐｈｉｃｓ，２００４，２３ 定局限性，有待于进一步改进算法。 （３）：２８４—２９３． ４结论 【５】朱文明，邓建松，陈发来．应用保角映射构造流形上的细分 本文以三角网格模型为对象，提出了一种交 曲线【Ｊ１＿计算机辅助设计与图形学学报，２００９，１９（１）：４８—５３． 互生成与编辑曲面上的勾画曲线的方法，并将其 ［６】彭威，翟建军，陈文亮．曲面上曲线的精确及近似求解法［Ｊ】． 中国制造业信息化，２００７，３６（３），６５—６７，７６． 应用于帮样设计ＣＡＤ系统中。该方法以建立屏幕 【７】王青，李江雄，柯映林，等．曲面上曲线约束变形及光顺技术 坐标与三维模型坐标之间的映射为基础，所生成 研究［Ｊ１．浙江大学学报（３２学版），２００８，４２（９）：１５７３－１５７９． 勾画曲线线性逼近于３次Ｂ样条曲线。 ［８］王清辉，王彪．Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ＣＡＤ应用程序开发技术【Ｍ］．北 勾画曲线的生成与三角网格模型的大小无 京：机械工业出版社，２００３． 关，而仅与产生曲线的型值点个数有关。对曲线 ［９］施法中．计算机辅助几何设与非均匀有理Ｂ样条［ＭＩ．北 的修改可以利用现有的成熟的Ｂ样条曲线编辑技 京：高等教育出版社，２００１． ［１２４］ 第３２卷第８期２０１０—８
