宋亞林，張正祥

（鄂州職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 鄂州 436099)

1 前言

在社會(huì)服務(wù)的過程中，需要為某企業(yè)設(shè)計(jì)一種小型數(shù)控立式銑床，滿足該企業(yè)的生產(chǎn)需要。其生產(chǎn)任務(wù)是專門給30mm×50mm×8mm尺寸范圍以內(nèi)的零件表面加工齒槽，正反兩面需要加工，加工精度為±0.05mm，生產(chǎn)速度每分鐘5件產(chǎn)品，大批量生產(chǎn)。要求銑床重量不超過1500kg，外形尺寸不超過1700mm×1300mm×1850mm，采用380V或220V交流電源。經(jīng)過分析，決定設(shè)計(jì)一款專用的數(shù)控立式銑床滿足其要求。

2 銑床的總體結(jié)構(gòu)布局

銑床設(shè)計(jì)由床身、底座、立柱、主軸加工部分、工作臺(tái)進(jìn)給、電氣控制、工件氣動(dòng)輸送、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和安全防護(hù)罩等部分組成。

如圖1所示，床身用來固定和支承銑床上的立柱、安全防護(hù)罩和安裝工作臺(tái)進(jìn)給等組成部分。其內(nèi)部裝有電氣控制設(shè)備及潤(rùn)滑油泵、冷卻泵等設(shè)備。

主軸加工部分主要包括電主軸和垂直方向的絲桿傳動(dòng)進(jìn)給兩大部分。垂直方向的絲桿傳動(dòng)進(jìn)給裝置，通過立柱來支撐，并帶動(dòng)主電軸在垂直方向運(yùn)動(dòng)。通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)垂直方向的絲桿傳動(dòng)，依靠絲桿螺母副，帶動(dòng)電主軸沿著垂直方向上下運(yùn)動(dòng)，完成電主軸與銑刀的垂直進(jìn)給，改變銑刀與工件的垂直距離，控制切削深度。

工作臺(tái)進(jìn)給部分包括縱橫兩個(gè)方向的進(jìn)給。通過十字滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向和縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)功能。本銑床的十字滑臺(tái)主要包括滑臺(tái)底座、上下滑臺(tái)、伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、軸承、導(dǎo)軌、滑鞍等部件。橫向和縱向進(jìn)給都是由安裝在工作臺(tái)一端（右端和后端）的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。通過聯(lián)軸器帶動(dòng)精密滾珠絲杠副，從而使工作臺(tái)獲得縱橫向進(jìn)給。為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，工作臺(tái)采用了滾珠絲杠螺母副和滾珠滾動(dòng)導(dǎo)軌，以便盡量消除齒側(cè)間隙，提高運(yùn)動(dòng)精度。[1]

工件的送料與卸料部分主要包括推料、取料、送料、卸料和儲(chǔ)件部分。其工作過程全部由氣壓機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成。通過推料氣缸，實(shí)現(xiàn)工件毛坯從儲(chǔ)料箱中推出，通過手指氣缸實(shí)現(xiàn)工件的夾持，通過移動(dòng)氣缸，實(shí)現(xiàn)工件的輸送。工件加工完成后，由手指氣缸和移動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)工件的卸料、輸送和儲(chǔ)件，最終將工件放置在儲(chǔ)件箱中，實(shí)現(xiàn)工件的存放。[2]

圖1 數(shù)控立式銑床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 銑床主要部分的設(shè)計(jì)

3.1 主軸及垂直進(jìn)給設(shè)備選擇

主軸加工部分設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到加工零件較小，切削量不大，所需功率小等因素，故而選擇了高速電主軸。由于高速電主軸用了內(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，特別是齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)環(huán)節(jié)，不僅使得銑床的機(jī)械傳動(dòng)部分的傳動(dòng)誤差減小，而且結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)捷和緊湊。由于高速電主軸采用了交流變頻調(diào)速和矢量控制技術(shù)，輸出功率滿足加工要求，調(diào)速范圍寬，無級(jí)調(diào)速，能適應(yīng)各種負(fù)載和工況變化的需要。電主軸選擇后，根據(jù)電主軸的規(guī)格和安裝尺寸，如前蓋螺孔的形位尺寸、軸心高等尺寸，配套設(shè)計(jì)了一套垂直方向的絲桿傳動(dòng)進(jìn)給裝置。該裝置由下固定支座，伺服電機(jī)支座（上）、滾珠螺母座等組成。其中，伺服電機(jī)支座和下固定支座中還包含有軸承、軸承壓蓋、軸承襯套、鎖緊螺母等組件。

電主軸與垂直方向進(jìn)給裝置中的滾珠螺母座、左右直線滑軌有效連接。在銑床加工時(shí)，垂直方向的伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)垂直方向的直線進(jìn)給。[3]

3.2 垂直進(jìn)給電機(jī)的選擇

電主軸的重量M1＝4kg，用于固定電主軸的夾具重量M2＝1 kg，垂直方向的絲桿長(zhǎng)度為500mm，導(dǎo)程P＝10mm，絲桿直徑D=20mm，通過計(jì)算得絲桿和聯(lián)軸器重量m=1.50 kg，摩擦系數(shù)μ＝0.2，機(jī)械效率η＝0.9，負(fù)載移動(dòng)速度v＝0.5m/min，全程移動(dòng)時(shí)間tc=2s,加減速時(shí)間ta＝td＝0.2秒，靜止時(shí)間tj＝0.3s。電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器聯(lián)接。

（選擇滿足負(fù)載需求的最小功率伺服電機(jī)。）

1）計(jì)算折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量

電主軸和夾具折算到伺服電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

螺桿聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

總負(fù)載等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL＝J1+J2，代入數(shù)據(jù)算得JL＝87.678kg.mm2。

這里，JM＝118kg.mm2，按照負(fù)載慣量＜3倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量JM的原則，電機(jī)合適。

2)計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的扭矩計(jì)算

勻速移動(dòng)克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩：

進(jìn)給加速所需轉(zhuǎn)矩：

加速時(shí)轉(zhuǎn)矩Ta=TA+Tf；減速時(shí)轉(zhuǎn)矩Td=TA-Tf。

同理根據(jù)公式可求有效轉(zhuǎn)矩：

這里，Ta、Tf、Td分別是加速轉(zhuǎn)矩、勻速移動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩、減速時(shí)轉(zhuǎn)矩。ta、tb、tc分別是加速時(shí)間、勻速時(shí)間、全程移動(dòng)時(shí)間。最后求得：

伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩T=1.6×103N.mm，最大轉(zhuǎn)矩Tmax=4.8×103N.mm。滿足條件T＞Tf，且T＞Trms,最大扭矩Tmax＞Tf+TA。

3)最后選定某公司80ENA-016A伺服電機(jī)作為垂直方向的絲桿傳動(dòng)動(dòng)力，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，最大轉(zhuǎn)速為4500速度r/min。配套選用驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為ZSD-K1AS08AA。另外選配了左直線滑軌和右直線滑軌。再選擇某公司型號(hào)為XY1－20－25高精度梅花聯(lián)軸器與伺服電機(jī)輸出軸聯(lián)接，其外徑為20mm，長(zhǎng)度為25mm。

最后，將絲桿導(dǎo)程改成P＝12mm，使速度更加可靠，此時(shí)，最低電機(jī)速度要求N≥2500r/min，更符合轉(zhuǎn)速要求。

經(jīng)驗(yàn)算，此時(shí)電主軸和夾具折算到伺服電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J1＝18.24kg.mm2，總負(fù)載等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL＝68.24kg.mm2。

滿足負(fù)載慣量JL＜3倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量JM的條件。

此時(shí)，Tf=20.18N.mm；TA=2.65N.mm；Trms＝19.22N.mm。

滿足轉(zhuǎn)矩T＞Tf，且T＞Trms,最大扭矩Tmax＞Tf+TA的工作條件。[4]

3.3 工作臺(tái)進(jìn)給部分選型設(shè)計(jì)

為了保證加工精度，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，如圖1所示，工作臺(tái)進(jìn)給部分直接采用高精度伺服直線電機(jī)滑臺(tái)，該部分主要包括滑臺(tái)底座2、直線導(dǎo)軌3、下滑臺(tái)4、上滑臺(tái)6和伺服電機(jī)5、7等?；_(tái)底座2、上滑臺(tái)6和下滑臺(tái)4均采用高性能鑄鐵鑄造成型，具有較好的吸振性和結(jié)構(gòu)剛性，保證了運(yùn)動(dòng)部件的平穩(wěn)性?；_(tái)由伺服直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精密直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，伺服直線電機(jī)5的定子固定在滑臺(tái)底座2上，驅(qū)動(dòng)下滑臺(tái)4在X軸方向直線導(dǎo)軌3上作直線滑動(dòng)，伺服電機(jī)7驅(qū)動(dòng)上滑臺(tái)6作Y軸方向直線滑動(dòng)。即上滑臺(tái)6和下滑臺(tái)4分別在成90°的Y軸和X軸方向上進(jìn)行滑動(dòng)。完成直線、斜線、圓弧、曲線的進(jìn)給和插補(bǔ)。通過計(jì)算，選擇某公司htA-3W-10-10-10型十字滑臺(tái)。重復(fù)定位精度±0.02mm，能滿足加工零件的精度要求。

控制系統(tǒng)以小型PLC和觸摸屏為控制核心，通過程序儲(chǔ)存器和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，完成指令的儲(chǔ)存和譯碼后數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，再通過I/O接口，完成對(duì)數(shù)控銑床整體的監(jiān)控。伺服進(jìn)給系統(tǒng)作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后,經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置(直流、交流伺服電動(dòng)機(jī)、功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電液脈沖電動(dòng)機(jī)等)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸頭架等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)。[5]

4 結(jié)論

在銑床設(shè)計(jì)過程中，采用了數(shù)控銑床模塊化的設(shè)計(jì)方法。在總體設(shè)計(jì)中采用了單立柱布置方案，加工精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。機(jī)床主軸采用了高速電主軸，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)方案。機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用了伺服電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制，定位精度滿足要求，成本較低，調(diào)試維修方便。經(jīng)實(shí)踐中試用表明，該銑床滿足生產(chǎn)要求。