数控立式加工中心进给系统设计

祝　烽

（广东润星科技股份有限公司，东莞 523598）

数控立式加工中心进给系统设计

祝烽

（广东润星科技股份有限公司，东莞 523598）

对数控立式加工中心的X向进给系统的主要部分进行设计，并做出说明。主要内容包括X向进给系统设计的整体方案、滚珠丝杠的选择、滚珠丝杠支撑的选择、进给伺服电机的选择等。其中，重点介绍滚珠丝杠和伺服电机的选择，介绍如何在已知机床设计目标参数的条件下，结合机床实际使用情况和丝杠及电机厂家的产品资料。

数控立式加工中心进给系统

引言

数控机床的进给系统是机床的关键部件，它的设计要求根据机床的各项指标、参数要求以及机床的工作情况来选择进给伺服系统的各种元件。随着数控机床对精度和快速进给越来越高的要求，对机床的进给系统提出了更高的要求。本文介绍了数控立式加工中心X向进给系统的系统设计方案、计算结果，以便同行参考和改进发展。

1　X向进给系统设计

1.1相关机床参数

X向行程：1100mm；快速进给速度：60m/min；定位精度：0.01mm/300；重复定位精度：0.005mm；X向移动件质量：1000kg；加减速时间常数：0.1s。

1.2整体方案设计

数控系统发出的指令经伺服系统、伺服电机、同步齿形带带动丝杠旋转，实现X向溜板的横向移动。伺服系统选择开环控制。相对于闭环系统，开环系统的安装及调整比较简单，而且价格便宜。本台机床设计进给系统传动链短，选择精度等级合适的滚珠丝杠即可保证机床的精度。在本台机床结构中，为了减小机床的整体长度，方便安装，采用同步带传动。同步齿形带具有以下的优点：无滑动，能保证正确传动比；初拉力小，轴承和丝杠所受载荷小；带厚度小，柔性好，线速度高；可进行变速传动，可以增大扭矩或者提高转速。这种连接方式避免了使用减速箱，加工和装配都非常方便，而且可以使机床结构更加紧凑。

1.3滚珠丝杠的选择计算

对于数控机床的直线运动，在行程不太长的情况下，应优先选择滚珠丝杠。因为滚珠丝杠具有以下优点：传动效率高，可达85%～90%；滚珠丝杠的静、动摩擦系数几乎无差别，可避免低速爬行；滚珠丝杠可以进行预拉伸，以消除温度变化对精度的影响；有众多专业的滚珠丝杠生产厂家，选择范围广，可以选择制造精度适当的产品；滚珠丝杠装配、调整简单，可缩短装配周期并增加可靠性。

与X轴有关的已知条件与要求。X向丝杠采用两端固定，两端轴承均采用NSK公司丝杠支撑轴承：40TAC72B DB C10PN7B和 40TAC72B DF C10PN7B，规格 72×40× 15，使用一组DB型和DF型，采用油脂润滑方式。已知条件：两固定点间距为L=1450mm；X向行程1100mm；快速进给速度 60m/min；定位精度 0.01mm/300；重复定位精度0.005mm；X向移动件质量1000kg；加减速时间常数0.1s。

丝杠直径与导程确定。根据纵向快速移动速度、移动部件质量、伺服控制的特点等条件，并参考其他同类机床，初步确定丝杠直径D=50mm。因为丝杠是两端固定，所以其产生共振的允许转速可以提高，可以不用计算，只计算DN值的允许速度即可。当DN=130000时，Φ50mm的滚珠丝杠允许转速为N=2600rpm，导程P=V/N=60000/2600=23mm，根据滚珠丝杠的标准导程选择P=30mm。此时，丝杠的最高转速Nmax=60000/30=2000rpm。

丝杠螺母副型号的选择。根据THK公司的综合样本，选择丝杠螺母副的型号为SBK5030-7.6RRG0+1600LC3，预压载荷为 3330N。有关计算的主要参数：丝杠外径d=Φ50mm；导程 p=30mm；基本额定动载荷 Ca=66500N；基本额定静载荷Cao=135000N。

1.4伺服电机的选择

伺服电机分为直流和交流。交流伺服电机没有电刷，寿命长，允许转速高，适用于易燃易爆的环境，因此目前数控机床大都采用交流伺服电机。该类电机的工作区域主要分为三个：连续工作区、断续工作区和加减速区。在连续工作区内，伺服电机基本上是恒扭矩输出，转速对扭矩的影响不大。因此，连续工作区的最大输出扭矩就是伺服电机的额定扭矩。在这个区域里，伺服电机可以连续长时间工作而不过热。断续加工区域和加减速区域则用于短期工作，这时伺服电机在低速下所能提供的扭矩远大于额定扭矩，是伺服电机的最大扭矩。这时电机发热很多，如为断续工作或短时工作，则工作时间不太长，停止时电机冷却，则可保证伺服电机不至于过热。本台机床选择FANUC交流伺服电机，可根据下列3个指标来进行选择。

（1）电机的转动惯量JM应与负载惯量JL相匹配。X向进给电机选择：传动比i=1.5；电机的负载惯量JL=J1+J2+J3，其中J1为移动部件总质量折算到电机轴上的转动惯量（kg·m2），J1=mZ×P2×10-6，这里mZ为移动部件总质量，为1000kg；P为丝杠导程，所以J1=0.011kg·m2；而J2为丝杠本身及安装在丝杠上一起转动的小零件质量折算到电机轴上的转动惯量（kg·m2）；J2=（d14×L1+d14×L1+d14×L1+……dn4×Ln）×1/i2×10-12，这里d1…dn为丝杠各轴颈部的直径（mm），L1…Ln为丝杠各轴颈部对应的长度（mm），所以J2= （354×50+404×100+424×8+454×17+504×1350+404×95）× 1/1.52×10-12=0.003kg·m2；J3为同步齿形带的转动惯量。J3很小，可忽略不计。所以，JL=J1+J2+J3=0.011+0.003=0.014kg· m2。

按照FANUC样本资料，当负载转动惯量JL与电机转动惯量JM比值在JL/JM=1～3时，均能正常工作。因此，选择22/4000交流伺服电机，主要参数：额定扭矩为22Nm；最高转速为4000rpm；转动惯量为0.0053kg·m2。由以上的计算可知，所选伺服电机满足JL/JM=0.014/0.0053=2.64≤3的要求。所以，电机最高转速可以满足丝杠最高转速的要求。

（2）最大切削负载扭矩不得超过伺服电机的额定扭矩。伺服电机工作时的最大切削负载扭矩T=TP+TD。式中，TP为外部负载产生的摩擦扭矩；Fa为轴向负载，Fa=F+W；F为切削力，此处F取3000N；W为移动件总重量；摩擦因数取0.003；丝杠导程取P=30mm；η为滚珠丝杠的机械效率，取η=0.9。所以，TP=16.09Nm。TD为预压产生的摩擦扭矩TP=k；Fo为丝杠预紧力，为3330N；K为预紧螺帽内摩擦系数，为0.2。于是，TD=3.15Nm。所以

T=TP+TD=16.09+3.15=19.24Nm≤22Nm

（3）伺服电机的加速性能。按照FANUC样本资料可以查到，22/4000交流伺服电机的最大输出扭矩 Tmax=76Nm，机械时间常数tm=0.1s，加速度时间ta=0.09s。

当交流伺服电机以阶跃指令加速时，转速是按指数曲线上升的。当时间达到交流伺服电机机械时间常数的3倍时（ta=3tm），交流伺服电机转速达到最高转速的 95%；当时间达到交流伺服电机机械时间常数的4倍时（ta=4tm），达到交流伺服电机的98.2%。本系统中，ta≤（3～4）tm，说明交流伺服电机有足够的加速能力。

2　总结

数控立式加工中心的X向进给系统使用交流伺服电机，经同步齿形带与丝杠连接，采用半闭环系统在产品制造和检验后证明是能成功的，伺服系统的各项指标完全能够达到设计目标。

Design of Feed System of CNC Vertical Machining Center

ZHU Feng
（Guangdong run Polytron Technologies Inc，Dongguan 523598）

The main part of the X to the feed system of CNC vertical machining center is designed，and the description is made.The main contents include the X to the feed system design of the overall program，the choice of ball screw，ball screw support selection，feed servo motor selection，etc..Among them，the selection of ball screw and servo motor is introduced，and how to combine the actual use of the machine and the product information of the screw and the electric machine is introduced.

CNC vertical，machining center，feed system