建恩德

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

1 VDL 850 數(shù)控加工中心Z 向伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 Z 向伺服機(jī)構(gòu)方案論證

在知網(wǎng)、萬(wàn)方查閱大量資料和設(shè)計(jì)案例后，將總體設(shè)計(jì)方案確定如下：本設(shè)計(jì)采用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)式進(jìn)給，做到了結(jié)構(gòu)尺寸小，可靠性好，傳動(dòng)平穩(wěn)，精度高，噪音小，傳動(dòng)動(dòng)力大，滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。

1.2 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制類型的選擇

數(shù)控控制系統(tǒng)可分為：點(diǎn)位控制和連續(xù)控制兩類，前者刀架在移動(dòng)過(guò)程中不受力，后者刀架在移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行切削加工。本設(shè)計(jì)要求加工平面內(nèi)連續(xù)加工，精度要求較高，刀具沿X軸、Y 軸、Z 軸坐標(biāo)移動(dòng)，精度直接決定了工件加工精度，又因Z向切割動(dòng)作過(guò)程受力，因此選擇連續(xù)控制方式。

確定傳動(dòng)方式時(shí)一般考慮兩點(diǎn)要求：平穩(wěn)、精度。因此本設(shè)計(jì)采用滾珠絲杠、斜齒輪等機(jī)構(gòu)來(lái)保證傳動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)性和高精度。另外，為了提高傳動(dòng)系統(tǒng)整體剛度，盡可能提高精度，對(duì)滾珠絲杠軸端設(shè)置緊固裝置?？紤]到進(jìn)給量與步進(jìn)電機(jī)分辨率不一致的問(wèn)題，搭配一級(jí)減速機(jī)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)的數(shù)控銑床選用FANUC 數(shù)控系統(tǒng)，因本設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故控制系統(tǒng)僅做選配。VDL 850 數(shù)控加工中心總體設(shè)計(jì)示意圖如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)示意圖

液壓與氣動(dòng)的傳動(dòng)方式主要用在傳動(dòng)力大，控制精度要求不高的場(chǎng)合，如夾持機(jī)械手等。本設(shè)計(jì)項(xiàng)目為工程樣機(jī)或精細(xì)零件的制作，精度要求極高，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用力不大，因此為了盡量減小設(shè)備體積，降低機(jī)床制造成本，選用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。根據(jù)同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其功率完全滿足設(shè)計(jì)要求。

2 VDL850 數(shù)控加工中心Z 向伺服機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 傳動(dòng)比i 的確定

只有在傳動(dòng)比為1 時(shí)，滾珠絲杠才能直接與電機(jī)連接，省去減速機(jī)構(gòu)，這樣做可以降低生產(chǎn)成本，大大減輕銑床的體積和重量，且減少尺寸鏈環(huán)節(jié)，從而盡可能降低誤差。

2.2 步進(jìn)電機(jī)的選定

電機(jī)選用時(shí)，首先計(jì)算系統(tǒng)的負(fù)荷扭矩。確定功率步進(jìn)電機(jī)型號(hào)時(shí)，還需要估計(jì)機(jī)械系統(tǒng)負(fù)載慣量和機(jī)床所需的啟動(dòng)頻率，并且具有與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性一致的恒定余量，此外還要考慮刀架快速移動(dòng)的設(shè)計(jì)要求。

2.3 脈沖當(dāng)量δ 的確定

脈沖信號(hào)每發(fā)生一次相應(yīng)的機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動(dòng)量稱為脈沖當(dāng)量。在本設(shè)計(jì)中，每格誤差控制在±0.05mm 以內(nèi)，因此脈沖當(dāng)量選定為0.05。

2.4 Z 向進(jìn)給電機(jī)參數(shù)的確定

因結(jié)構(gòu)限制該處空間不足以布置減速機(jī)構(gòu)，因此傳動(dòng)比取1。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，確定型號(hào)為110BF003。

2.5 Z 向進(jìn)給絲杠參數(shù)的確定

刀具的Z 向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括絲杠螺母參數(shù)的確定，電機(jī)參數(shù)的確定，斜齒輪參數(shù)的確定。首先計(jì)算最大動(dòng)載，因?qū)L珠螺桿副將實(shí)施預(yù)緊，估算允許的滾珠螺桿副的最小螺紋底徑為7.1mm,最終確定滾珠絲杠的型號(hào)為FFZD2004-3。

3 關(guān)鍵部件的校核計(jì)算

3.1 電機(jī)參數(shù)的校核

根據(jù)手冊(cè)查的電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求如下：Mkq ≤Mmq=λMjmax

根據(jù)吳振彪主編的機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)[1]表2-11，

110BF003 質(zhì)量為6kg，JD=46.125×10-5 kg·cm2

根據(jù)吳振彪主編的機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)[1] 表2-12，查得=0.087521

故Mkq=0.2337 N·m≤Mmq =λMjmax=0.678944 N·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 滾珠絲杠的校核

d0=20mm L0=4mm Ca=7300N>4091N d2=16.9>7.1mm

其精度等級(jí)是4 級(jí),因此轉(zhuǎn)速最高值約2000rpm，遠(yuǎn)小于手冊(cè)規(guī)定的最大允許轉(zhuǎn)速，因此滿足設(shè)計(jì)要求。

一般來(lái)說(shuō)在微小型機(jī)床中絲杠的設(shè)計(jì)壽命只要大于1 萬(wàn)小時(shí)就能滿足使用要求，本設(shè)計(jì)中該處滾珠絲杠的壽命為10750h，因此，滿足設(shè)計(jì)使用要求。

4 設(shè)計(jì)工作與達(dá)到的預(yù)期效果（圖2）

圖2 Z 向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)部件裝配圖

本次設(shè)計(jì)通過(guò)分析VDL850 數(shù)控加工中心Z 向伺服機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)替代方案；根據(jù)數(shù)控機(jī)床工作受力情況，選擇連續(xù)控制方式；考慮到傳動(dòng)的平穩(wěn)性和設(shè)備較高的精度要求，選用滾珠絲杠的傳動(dòng)方式；在總體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，根據(jù)設(shè)計(jì)的功能參數(shù)和精度參數(shù)，以及受力較小而精度較高的特點(diǎn)，選擇了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式。

首先，選定步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量，脈沖量的選定應(yīng)該按照銑床的精度來(lái)確定，又因機(jī)構(gòu)有一定誤差，脈沖當(dāng)量應(yīng)低于定位公差；然后根據(jù)電機(jī)脈沖當(dāng)量和電機(jī)步距角計(jì)算大致傳動(dòng)比，考慮電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等因素傳動(dòng)比可進(jìn)一步調(diào)整；進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括滾珠絲杠參數(shù)的確定與校核，電機(jī)參數(shù)的確定與校核。

Z 向進(jìn)給系統(tǒng)為單絲杠單電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，首先在滾珠絲杠參數(shù)計(jì)算中，根據(jù)最大動(dòng)載荷要小于絲杠需用載荷的原則，進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，確定滾珠絲杠的型號(hào)為FFZD2004-3，然后再用定位精度的要求進(jìn)行校核。

選用電機(jī)時(shí)選擇電機(jī)要考慮的主要問(wèn)題是功率，其次是啟動(dòng)所需要的轉(zhuǎn)矩，再次是θb要與脈沖當(dāng)量匹配。根據(jù)手冊(cè)計(jì)算電機(jī)啟起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，確定型號(hào)，然后根據(jù)Mkq Mmq =Mjmax 的要求進(jìn)行校核。

最后是聯(lián)軸器、軸承和主軸電機(jī)等零部件的設(shè)計(jì)。確定聯(lián)軸器型號(hào)時(shí)，要先根據(jù)使用環(huán)境選擇類型，然后根據(jù)傳遞的扭矩從標(biāo)準(zhǔn)序列表中查找合適的型號(hào)，最后在根據(jù)手冊(cè)提供的公式進(jìn)行校核。在確定電機(jī)參數(shù)時(shí)，已經(jīng)明確轉(zhuǎn)矩為169.94×10-4N·m，但本設(shè)計(jì)中的電機(jī)輸出軸和傳動(dòng)軸直徑不一致，因此只能選擇GB5843-2003 凸緣聯(lián)軸器。經(jīng)過(guò)校核扭矩和轉(zhuǎn)速的校核，滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[2]軸承預(yù)載荷的三倍要大于極限載荷的要求，查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[2]表3.8-3，確定軸承代號(hào)7602020-TVP。

5 未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)

在當(dāng)今高速加工機(jī)床迅猛發(fā)展的進(jìn)程中，工程人員仍認(rèn)可這一點(diǎn)：提高進(jìn)給系統(tǒng)的速度是實(shí)現(xiàn)高速的主要途徑。

人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)高速進(jìn)給而探索研究出直線電機(jī)、并聯(lián)虛擬軸機(jī)床等技術(shù)，但由于直線電機(jī)高速進(jìn)給相較于滾珠絲杠成本較高，對(duì)一般的加工企業(yè)來(lái)說(shuō)承擔(dān)不起這一項(xiàng)高額支出，而基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高速進(jìn)給系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展還不完善。因此，高速滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)系統(tǒng)在高速進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中仍然占主導(dǎo)地位發(fā)展高速滾珠絲杠螺母副是實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵技術(shù)之一。

綜合考慮來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)精密滾珠絲杠的高速化的基礎(chǔ)主要是進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新，同時(shí)也要提高工藝水平和制造質(zhì)量。

采用滾珠絲杠副傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的高速進(jìn)給系統(tǒng)與采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)相比，可以大幅度降低成本日本精工已經(jīng)研制出了進(jìn)給速度高達(dá)100m/min 的滾珠絲杠，采取的改進(jìn)措施主要有采用16～32mm 大導(dǎo)程，提高滾珠循環(huán)部分零件質(zhì)量，采用多頭螺紋以增加有效圈數(shù)，改進(jìn)滾道形狀等。從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給系統(tǒng)的高速、高剛度以及高承載能力。