于云成

（匯通機(jī)械廠，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

1 引言

數(shù)控加工中心是一種功能較全的數(shù)控加工機(jī)床。它把銑削、鉆削、鏜削、攻螺紋和切削螺紋等功能集中在一臺機(jī)械設(shè)備上，使其具有多種加工工藝手段。數(shù)控加工中心的綜合加工能力較強(qiáng)、加工精度較高。工件通過一次裝夾就可以完成多項加工任務(wù)。數(shù)控加工中心能夠?qū)崿F(xiàn)許多普通機(jī)械加工設(shè)備不能完成的加工，因此更加適應(yīng)于工件形狀較復(fù)雜、加工精度要求較高的單件產(chǎn)品加工或中小批量多品種生產(chǎn)。數(shù)控加工中心按其主軸在空間所處的狀態(tài)，可以將其分為立式結(jié)構(gòu)和臥式結(jié)構(gòu)，把數(shù)控加工中心的主軸在空間處于垂直狀態(tài)的稱為立式數(shù)控加工中心，主軸在空間處于水平狀態(tài)的稱為臥式數(shù)控加工中心。

進(jìn)給傳動系統(tǒng)是立式加工中心伺服系統(tǒng)的重要組成部分。進(jìn)給傳動系統(tǒng)用于傳遞轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，同時需要保證工作負(fù)載和伺服電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩匹配適當(dāng)。本文以VMC1240 立式加工中心為例，對其進(jìn)給傳動系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)分析與設(shè)計，在設(shè)計進(jìn)給傳動系統(tǒng)時，要綜合考慮精度、慣量、摩擦等因素。

2 VMC1240 立式加工中心伺服進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)控加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)承擔(dān)加工中心各直線坐標(biāo)軸的定位和切削進(jìn)給,它的性能直接影響整個加工中心的運(yùn)行狀態(tài)和精度指標(biāo)。

2.1 技術(shù)參數(shù)

VMC1240 立式加工中心的進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用半閉環(huán)的工作方式，把電機(jī)與絲桿直接連接起來，工作臺導(dǎo)軌采用貼塑導(dǎo)軌，其材料為聚四氟乙烯為基加入抗磨青銅粉末。在設(shè)計過程中，要使傳動系統(tǒng)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好，使其剛度好、慣量小、傳動效率高并且具有高的安全性和可靠性。進(jìn)給系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下所示：（1）行程選擇X 軸為1200mm，Y 軸為400mm，Z 軸為510mm；（2）定位精度X 軸為0.025mm，Z 軸為0.025mm，Y 軸為0.022mm；（3）重復(fù)定位精度X 軸為0.015mm，Z 軸為0.015mm，Y 軸為0.012mm；（4）快速移動速度X、Y、Z 軸均為15m/min；（5）進(jìn)給速度X、Y、Z 軸均為1～5000mm/min；（6）工作臺承重800kg；（7）工作臺尺寸900mm×400mm；（8）主電機(jī)功率7.5kW。

2.2 軸向進(jìn)給力的計算

在進(jìn)行銑削運(yùn)動時，假設(shè)作用在刀齒上的切削抗力的合力為Fr，現(xiàn)把它分解為徑向、切向和軸向受力，用字母分別表示為Fx、Fy和Fz，其中主要消耗電機(jī)功率的為切向切削力Fy。

式中：Pz為主電機(jī)最大功率，取值為Pz=10kW；η為機(jī)床傳動效率，取值η=0.85；vmin為主軸傳遞全部功率時的最低切削速度，其計算公式為vmin=πdmaxnmin/1000

在上式中：dmax=100mm，為最大盤銑刀直徑，nmin=1500r/min，為主軸最低轉(zhuǎn)速。最后帶入上式中得出主軸傳遞全部功率時的最低切削速度為vmin=471m/min，將其帶入切削力的計算公式，最終可以計算得出Fy=1.083×103N。

在設(shè)計進(jìn)給系統(tǒng)時，工作載荷即為作用在進(jìn)給工作臺的合力，這里用字母Fr′來表示，它與Fr大小相同，方向相反。將Fr′在機(jī)床工作臺的X、Y、Z 進(jìn)給方向分別分解為Fx′、Fy′和Fz′。根據(jù)經(jīng)驗：Fx′=（0.6～0.9）Fy，F(xiàn)y′=（0.45～0.7）Fy，F(xiàn)z′=（0.5～0.55）Fy，不對稱逆銑Fx′/Fy=1.0～1.2，這里取值為1.1。通過計算最終可得X、Y、Z 軸工作臺最大進(jìn)給力，這是選擇相應(yīng)絲杠和軸承的依據(jù)。X、Y、Z 軸工作臺最大進(jìn)給力為：Fx′=1072N，F(xiàn)y′=834N，F(xiàn)z′=5100N。

總體分析以上數(shù)據(jù)，對于傳動絲杠，X 軸和Y 軸的絲杠選用型號為FFZD-3206-3的雙螺母預(yù)緊絲杠，Z 軸的絲杠選用型號為FFZD3206-5的雙螺母預(yù)緊絲杠。對于軸承的選用，一端采用德國INA 組合軸承ZARN3062，另一端采用型號為6004/p5的深溝球軸承。

2.3 伺服電機(jī)選型

（1）對傳動系統(tǒng)所需伺服電機(jī)的扭矩進(jìn)行計算。伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于機(jī)床工作時的最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算公式如下所示：

式中：Fmax等于最大軸向進(jìn)給力加上導(dǎo)軌摩擦力，稱為絲杠的最大軸向載荷；Ph取值為6mm，它是絲杠導(dǎo)程；η=0.9～0.95，它是滾珠絲杠的機(jī)械效率；Tf1為由滾珠絲杠螺母預(yù)加載荷所帶來的附加摩擦轉(zhuǎn)矩；Tf2為滾珠絲杠軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩；i為傳動比，這里取值為1。

最終通過計算，可以求得在X、Y、Z 軸向最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為：Tx=1.87N·m，Ty=1.16N·m，Tz=6.30N·m。

所以根據(jù)計算值，對于X、Y 軸可以選擇SIEMENS 1FK7080 永磁式同步交流伺服電機(jī)；對于Z 軸則可以選用SIEMENS 1FK7100 電機(jī)。

（2）按慣量匹配計算，即電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量JM應(yīng)與負(fù)載慣量JL匹配。為了使伺服進(jìn)給系統(tǒng)的執(zhí)行部件具有快速響應(yīng)的能力，應(yīng)在選用加速能力大的電機(jī)的基礎(chǔ)上綜合考慮電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量與負(fù)載慣量之間的匹配關(guān)系。通過最終計算和查樣本，計算后可知對于X、Y、Z 軸，其JM/JL值分別為0.802、0.578、2.000，根據(jù)相關(guān)公式判斷其匹配關(guān)系可知所選擇的電機(jī)符合慣量匹配要求。

3 機(jī)械傳動裝置校驗

軸向固定的絲杠如果工作過程中需要承受壓縮負(fù)載，就必須進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校驗。首先根據(jù)公式計算臨界載荷，然后根據(jù)驗算公式來確定其是否滿足穩(wěn)定性要求。

在半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)中，由機(jī)械傳動裝置剛度的變化引起的誤差對加工中心傳動系統(tǒng)的設(shè)計有一定影響，因此應(yīng)該對其進(jìn)行驗算，以滿足加工中心的設(shè)計要求。除此之外死區(qū)誤差是影響定位進(jìn)度的一個重要因素，還要考慮由于伺服剛度引起的死區(qū)誤差。

4 結(jié)論

VMC1240 立式數(shù)控加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)的可靠性高、精度好，并且穩(wěn)定性好，其設(shè)計方法比通常的中小型加工中心更加嚴(yán)格。工作臺的伺服進(jìn)給傳動系統(tǒng)是整個設(shè)計過程的核心，它會對產(chǎn)品的加工質(zhì)量和加工精度產(chǎn)生重要影響。伺服進(jìn)給系統(tǒng)中比較重要的機(jī)械部件是滾珠絲杠，在設(shè)計計算時應(yīng)根據(jù)實際情況全面考慮分析。本文簡要介紹了VMC1240 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計方法，包括滾珠絲杠的計算和選取、伺服電機(jī)的計算和選取以及校驗方式，闡述了立式數(shù)控加工中心設(shè)計過程中應(yīng)解決的關(guān)鍵問題和設(shè)計要點(diǎn)。

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