探究动台龙门式数控铣钻床的驱动设计

李 健 ，潘 骁

（1沈阳机床集团中捷机床有限公司 辽宁 沈阳 110142）

（2沈阳机床集团航空航天行业事业部 辽宁 沈阳 110142）

1 引言

随着我国各行各业的发展，对机械产品的需要也越来越大，并且与传统的机械零件相比，企业对机械结构、零件精度、材料性能等方面，都有着越来越高的要求。因此，为了满足各行各业的要求，对动台龙门式数控铣钻床设计方案中的一些相关内容，进行了研究，通过利用有效的机械加工方式，来保证机械加工零件的精度，这样不仅满足了我国各行各业对机械零件的需求，对机械加工行业的发展也是非常有利的。

2 总体方案的明确

在动台龙门式数控铣钻床驱动结构设计的过程中，主要是以电机驱动丝杠结构带动负载运行为主，并且利用数控系统对动台龙门式数控铣钻床的加工进行过程控制。

3 驱动系统的设计

其实，在动台龙门式数控铣钻床设计的过程中，驱动系统是整个设计方案的核心，其中主要包括有：传动方案的确定，伺服电机的选择两个方面，下面就对这两个方面，进行简要的分析和阐述：

3.1 传动方案的确定

动台龙门式数控铣钻床总体布局主要是以龙门框架为主，龙门顶部设置横梁，两端连接立柱支撑，滑鞍固定在横梁直线导轨副滑块上，主轴箱应当安装在横梁的滑鞍上，滑鞍在横梁上做横向进给运动（Y轴）。同时，主轴箱在滑鞍上做竖直方向的进给运动（Z轴）。同时立柱下方两端连接床身，工作台在床身上做纵向进给运动（X轴）。

在传动方案确定的过程中，执行元件一定要选用AC同步伺服电机，并且在运行的过程中，主要是利用滚珠丝杠副机构来实现运动模式的转化。如图1所示，伺服电机和滚珠丝杠机构之间，主要是利用联轴器+减速机装置进行两者的连接，这样的连接方式安装简单，但精度却是相对较高的，加工运行的可靠性和稳定性也有着很大程度上的提升。

图1 驱动结构示意图

3.2 伺服电机的选择

以上述的滑鞍横向进给运动（Y轴）为例进行计算校核，假设已知的工作条件（按照西门子电机为例进行选择）：

拖动重量：W=13t

快移速度：Vmax=10mm/min

进给速度：V进给=5mm/min

切削抗力：F=17000N；丝杠直径：d=80mm；丝杠导程：s=20mm；丝杠长度：L=8000mm；加速时间：T=0.2s

导轨形式：滑动导轨（摩擦系数0.03～0.05）；假设减速机的减速比i=4。

对于进给电机而言，其速度低、受力小，在电机样本中只有扭矩曲线，进给电机所消耗的功率也很小，可以不做计算。所以只需对该电机的惯量和扭矩进行匹配即可。

3.2.1 惯量的匹配

丝杠自身的惯量：

式中 D：丝杠的直径（cm）；L：丝杠的长度（cm）

负载折算到丝杠上的惯量

式中 S：丝杠的导程（cm）；W：拖动重量（kg）

折算到电机上的负载惯量

对于龙门类机床的经验值为1～3之间，所以根据西门子电机样本可知1FT7102，1FT7105，1FT7108型电机的惯量匹配都符合。

3.2.2 扭矩的匹配

丝杠的转速

式中 V：快移速度(m/min)；S：滚珠丝杠导程(cm)电机的额定转速：

（1）按照空载启动力矩选择电机

空载时电机的加速力矩：

式中T：加速时间0.2s

负载的摩擦力矩：

式中 W：拖动重量（kg）；f：导轨的摩擦系数，取f=0.05；η：传动链的总效率，取η=0.8。

丝杠预紧引起的附加摩擦力矩：

式中 PO：滚珠丝杠预加载荷（kgf）；PO为轴向最大载荷的1/3；ηO：滚珠丝杠未预紧时的效率，取 。

其中，轴向最大载荷P=ma，m为拖动重量，即13000kg；a为加速度。

由于进给时，切削抗力17000N大于轴向最大载荷10833N，所以

对数控机床而言，因为动态性能要求较高，所以电机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩占的比重较小，一般都小于马达力矩的10～30%。因此按空载启动扭矩选择电机，要使空载启动力矩小于电机的最大扭矩，即。

注：一般空载启动力矩需小于电机最高扭矩的50%～60%。

电机的最大扭矩一般符合：

Mr：电机额定转矩；λ：电机转矩的瞬间过载指数，对交流伺服电机而言，λ=1.5-2这里取λ=2。

故选取电机应满足：。

对于传动比i=4来说，所选电机Mr应大于15.9Nm，故可选取的西门子电机型号有：核心型1FT7102，24Nm，2000rpm； 核 心 型 1FT7105，38Nm，2000rpm； 核 心 型1FT7108，50Nm，2000rpm。

（2）按照切削时额定力矩选电机

切削时折算到电机轴上的加速力矩

式中nt切削时电机转速，取1000r/min，一般切削速度为3m/min，这里为5m/min

折算到电机轴上的切削负载力矩

式中：Pt：进给方向的最大切削力，已知Pt=1700kgt

切削时额定力矩

一般情况下，负载力矩都小于启动力矩，但此次选型负载力矩较大，故通过负载力矩选择电机。当电机切削时，转速为1000r/min，所选电机应满足1000r/min时的额定扭矩大于负载力矩，即Mrt≥M。对于传动比i=4来说，所选电机转速为1000r/min时，Mr应大于36.1Nm。根据扭矩图可选择西门子电机型号有：核心型1FT7105，38Nm，2000rpm和核心型 1FT7108，50Nm，2000rpm。

由于快速进给力矩M=Mf+M0，数值相对比较小，所以选择电机时可以不考虑这项。

综上所述，能满足机床Y轴的驱动电机应该为核心型1FT7105，38Nm，2000rpm和核心型1FT7108，50Nm，2000rpm；减速比i=4。

4 结语

综上所述，本文对动台龙门式数控铣钻床驱动设计的一些相关内容，进行了简要的分析和阐述，通过对各个方面的了解和明确，以此保证动台龙门式数控铣钻床加工的准确性，提升了机械零件加工的质量，这样对机械加工行业的发展，也给予了重要的技术支持。

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