数控立式铣床工作台的结构设计与研究

摘 要：本课题主要对XKA5750数控立式铣床升降台横向进给、垂直进给系统进行了结构设计、原理分析、零件尺寸计算及强度较核，基本上实现了升降台的正常运行，主要工作包括横向进给、垂直进给系统内部传动系统的设计，进给系统驱动电机的选择，滚珠丝杠的选择计算，传动齿轮的选取计算，以及相应的重点部件如轴、轴承的强度校核，确保可靠性设计。

关键词：数控；铣床；结构设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.040

0 绪论

数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域的一个崭新时代的到来。数控铣床作为初加工设备，主要用于材料切割下料。从适用行业及企业来看，数控铣床重点发展高速、精密数控铣床和高速、高精度数控铣床及高速、高精度立卧式加工中心等。

1 方案确定

本文以XKA5750数控立式铣床为例，工作台的垂直方向进给传动系统，是由交流伺服电动机通过速比为1：2的一对梯形齿形同步带轮，将运动传到轴，再将运动传动至导程为6mm的滚珠丝杠，带动升降台运动。垂直方向通过制动器带动轴上的锥齿轮从而实现滚珠丝杠的减速和停止。横向进给是由交流伺服电动机通过速比为1：2的一对梯形齿形同步带轮，将运动传动至导程为5mm的滚珠丝杠从而带动工作台运动。根据XKA5750数控立式铣床的技术参数，机床外形尺寸（长×宽×高）、工作台面积（宽×长） 、工作台纵向行程、滑枕横向行程、工作台垂直行程、主轴端面到工作台面距离、主轴中心线到床身立导轨面距离、主轴转速、工作台的最大行程、进给速度、快速移动速度和电动机功率，确定了垂直进给的系统传动方案和横向进给的系统传动方案。

2 垂直进给传动系统的设计

根据伺服电机最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩等选用要求，选择垂直方向伺服电机为1FT5-102-0AA01，重量为31kg，惯性矩J=131*10-4kg.m2额定转速nN=1200r/min，静扭矩M0=27N.m。

根据选用的电机参数，对铣床垂直进给系统进行了传动比的分配、滚珠丝杠的设计和安装设计，垂直进给丝杠所受轴向载荷分析、滚珠丝杠尺寸计算、切削力计算、最大载荷Fmax计算、垂直方向导轨摩擦力计算、滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算和垂直方向导轨摩擦力计算，设计出丝杠的安装及装配图。

通过对传动系统的运动和运动参数计算、传动系统的运动和运动参数计算，梯形同步带参数计算，进行了梯形同步带的设计。通过锥齿轮的参数选择，按齿面接触强度设计、几何尺寸计算、按齿面接触强度校核，按齿根抗弯强度校核进行了锥齿轮的设计，并对交流伺服电机进行了校核和传动轴的设计。最后，进行轴承的校核和制动器的设计之后，将所有零件装配，设计得到垂直进给系统三维传动装配图，如图1所示。

本节主要内容是垂直进给系统中各个零部件基本结构、基本尺寸进行了详细的设计、计算，并利用Pro/E对数控铣床的结构进行三维建模。

此设计实现了XKA5750铣床升降台垂直进给系统的传动路线，使用高效率的梯形同步带和锥齿轮传动，但是方案还是有待改善，可以使用联轴器将传动轴与交流伺服电机相连，实现更准确更有效的传动。

3 横向进给传动系统的设计

通过对横向进给系统主切削力计算、各切削分力计算、导轨摩擦力计算、滚珠丝杆螺母副的轴向负载力计算、丝杠导程及长度计算、作用在丝杠上的最大动负荷Ca计算、滚珠丝杠的稳压校核、刚度的验算和效率计算等参数计算，设计出滚珠丝杆螺母副的轴向载荷图。

最后進行了伺服驱动电机的选择和梯形同步带的设计，设计出如图2所示横向进给传动系统丝杠的三维装配图。本节主要内容是横向进给系统中各个零部件的参数设计和校核，最后使用CAD与Pro/E制图软件画出了零件图和装配图，并对图形进行了分析。缺点在于使用了梯形同步带进行过渡传动，可以直接将滚珠丝杠与交流伺服电机轴相连，提高传动效率，同时降低成本，也使XKA5750的横向进给的传动更合理。

4 结论

本次设计实现了XKA5750铣床升降台的垂直进给和横向进给传动。创新之处是使用了滚珠丝杠副，摒弃了以往的滑动丝杠副的传动，具有轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点，但是由于滚珠丝杠不能自锁，具有传动的可逆性，所以在垂直传动系统的设计中使用了制动器。垂直进给方向中可以不使用梯形同步带，而使用联轴器将传动轴与交流伺服电机相连，这个方案更经济，效率更高。横向进给方向中也可以去掉梯形同步带部分，直接将滚珠丝杠与交流伺服电机相连，同样可以将交流伺服电机改为步进电机，更经济，更合理，效率更高。

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作者简介：李应弟（1988-），女，广西阳朔人，硕士研究生，主要研究方向：机械工程。