一种小型数控立式铣床的结构与选型设计

2020-07-07宋亚林张正祥

鄂州大学学报 2020年2期

宋亚林，张正祥

（鄂州职业大学机械工程学院，湖北鄂州 436099)

1 前言

在社会服务的过程中，需要为某企业设计一种小型数控立式铣床，满足该企业的生产需要。其生产任务是专门给30mm×50mm×8mm尺寸范围以内的零件表面加工齿槽，正反两面需要加工，加工精度为±0.05mm，生产速度每分钟5件产品，大批量生产。要求铣床重量不超过1500kg，外形尺寸不超过1700mm×1300mm×1850mm，采用380V或220V交流电源。经过分析，决定设计一款专用的数控立式铣床满足其要求。

2 铣床的总体结构布局

铣床设计由床身、底座、立柱、主轴加工部分、工作台进给、电气控制、工件气动输送、冷却系统、润滑系统和安全防护罩等部分组成。

如图1所示，床身用来固定和支承铣床上的立柱、安全防护罩和安装工作台进给等组成部分。其内部装有电气控制设备及润滑油泵、冷却泵等设备。

主轴加工部分主要包括电主轴和垂直方向的丝杆传动进给两大部分。垂直方向的丝杆传动进给装置，通过立柱来支撑，并带动主电轴在垂直方向运动。通过伺服电机驱动垂直方向的丝杆传动，依靠丝杆螺母副，带动电主轴沿着垂直方向上下运动，完成电主轴与铣刀的垂直进给，改变铣刀与工件的垂直距离，控制切削深度。

工作台进给部分包括纵横两个方向的进给。通过十字滑台的运动实现横向和纵向进给运动功能。本铣床的十字滑台主要包括滑台底座、上下滑台、伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、轴承、导轨、滑鞍等部件。横向和纵向进给都是由安装在工作台一端（右端和后端）的伺服电机驱动的。通过联轴器带动精密滚珠丝杠副，从而使工作台获得纵横向进给。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，工作台采用了滚珠丝杠螺母副和滚珠滚动导轨，以便尽量消除齿侧间隙，提高运动精度。[1]

工件的送料与卸料部分主要包括推料、取料、送料、卸料和储件部分。其工作过程全部由气压机构自动完成。通过推料气缸，实现工件毛坯从储料箱中推出，通过手指气缸实现工件的夹持，通过移动气缸，实现工件的输送。工件加工完成后，由手指气缸和移动气缸实现工件的卸料、输送和储件，最终将工件放置在储件箱中，实现工件的存放。[2]

图1 数控立式铣床结构简图

3 铣床主要部分的设计

3.1 主轴及垂直进给设备选择

主轴加工部分设计时，考虑到加工零件较小，切削量不大，所需功率小等因素，故而选择了高速电主轴。由于高速电主轴用了内装式电机直接驱动，省去了中间传动环节，特别是齿轮传动和带传动环节，不仅使得铣床的机械传动部分的传动误差减小，而且结构上更加简捷和紧凑。由于高速电主轴采用了交流变频调速和矢量控制技术，输出功率满足加工要求，调速范围宽，无级调速，能适应各种负载和工况变化的需要。电主轴选择后，根据电主轴的规格和安装尺寸，如前盖螺孔的形位尺寸、轴心高等尺寸，配套设计了一套垂直方向的丝杆传动进给装置。该装置由下固定支座，伺服电机支座（上）、滚珠螺母座等组成。其中，伺服电机支座和下固定支座中还包含有轴承、轴承压盖、轴承衬套、锁紧螺母等组件。

电主轴与垂直方向进给装置中的滚珠螺母座、左右直线滑轨有效连接。在铣床加工时，垂直方向的伺服电机带动丝杆传动，实现垂直方向的直线进给。[3]

3.2 垂直进给电机的选择

电主轴的重量M1＝4kg，用于固定电主轴的夹具重量M2＝1 kg，垂直方向的丝杆长度为500mm，导程P＝10mm，丝杆直径D=20mm，通过计算得丝杆和联轴器重量m=1.50 kg，摩擦系数μ＝0.2，机械效率η＝0.9，负载移动速度v＝0.5m/min，全程移动时间tc=2s,加减速时间ta＝td＝0.2秒，静止时间tj＝0.3s。电机与丝杆通过联轴器联接。

（选择满足负载需求的最小功率伺服电机。）

1）计算折算到电机轴上的负载惯量

电主轴和夹具折算到伺服电机轴上的转动惯量为：

螺杆联轴器的转动惯量为：

总负载等效转动惯量JL＝J1+J2，代入数据算得JL＝87.678kg.mm2。

这里，JM＝118kg.mm2，按照负载惯量＜3倍电机转子惯量JM的原则，电机合适。

2)计算电机驱动负载所需的扭矩计算

匀速移动克服摩擦力所需转矩：

进给加速所需转矩：

加速时转矩Ta=TA+Tf；减速时转矩Td=TA-Tf。

同理根据公式可求有效转矩：

这里，Ta、Tf、Td分别是加速转矩、匀速移动时转矩、减速时转矩。ta、tb、tc分别是加速时间、匀速时间、全程移动时间。最后求得：

伺服电机额定转矩T=1.6×103N.mm，最大转矩Tmax=4.8×103N.mm。满足条件T＞Tf，且T＞Trms,最大扭矩Tmax＞Tf+TA。

3)最后选定某公司80ENA-016A伺服电机作为垂直方向的丝杆传动动力，额定转速为3000r/min，最大转速为4500速度r/min。配套选用驱动器型号为ZSD-K1AS08AA。另外选配了左直线滑轨和右直线滑轨。再选择某公司型号为XY1－20－25高精度梅花联轴器与伺服电机输出轴联接，其外径为20mm，长度为25mm。

最后，将丝杆导程改成P＝12mm，使速度更加可靠，此时，最低电机速度要求N≥2500r/min，更符合转速要求。

经验算，此时电主轴和夹具折算到伺服电机轴上的转动惯量为：J1＝18.24kg.mm2，总负载等效转动惯量JL＝68.24kg.mm2。

满足负载惯量JL＜3倍电机转子惯量JM的条件。

此时，Tf=20.18N.mm；TA=2.65N.mm；Trms＝19.22N.mm。

满足转矩T＞Tf，且T＞Trms,最大扭矩Tmax＞Tf+TA的工作条件。[4]

3.3 工作台进给部分选型设计

为了保证加工精度，简化设计，如图1所示，工作台进给部分直接采用高精度伺服直线电机滑台，该部分主要包括滑台底座2、直线导轨3、下滑台4、上滑台6和伺服电机5、7等。滑台底座2、上滑台6和下滑台4均采用高性能铸铁铸造成型，具有较好的吸振性和结构刚性，保证了运动部件的平稳性。滑台由伺服直线电机驱动，精密直线导轨导向，伺服直线电机5的定子固定在滑台底座2上，驱动下滑台4在X轴方向直线导轨3上作直线滑动，伺服电机7驱动上滑台6作Y轴方向直线滑动。即上滑台6和下滑台4分别在成90°的Y轴和X轴方向上进行滑动。完成直线、斜线、圆弧、曲线的进给和插补。通过计算，选择某公司htA-3W-10-10-10型十字滑台。重复定位精度±0.02mm，能满足加工零件的精度要求。

控制系统以小型PLC和触摸屏为控制核心，通过程序储存器和数据储存器，完成指令的储存和译码后数据之间的转换，再通过I/O接口，完成对数控铣床整体的监控。伺服进给系统作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后,经伺服驱动装置(直流、交流伺服电动机、功率步进电动机、电液脉冲电动机等)和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。[5]