立式加工中心進給傳動系統的分析與設計研究

于云成

（匯通機械廠，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

1 引言

數控加工中心是一種功能較全的數控加工機床。它把銑削、鉆削、鏜削、攻螺紋和切削螺紋等功能集中在一臺機械設備上，使其具有多種加工工藝手段。數控加工中心的綜合加工能力較強、加工精度較高。工件通過一次裝夾就可以完成多項加工任務。數控加工中心能夠實現許多普通機械加工設備不能完成的加工，因此更加適應于工件形狀較復雜、加工精度要求較高的單件產品加工或中小批量多品種生產。數控加工中心按其主軸在空間所處的狀態，可以將其分為立式結構和臥式結構，把數控加工中心的主軸在空間處于垂直狀態的稱為立式數控加工中心，主軸在空間處于水平狀態的稱為臥式數控加工中心。

進給傳動系統是立式加工中心伺服系統的重要組成部分。進給傳動系統用于傳遞轉速和轉矩，同時需要保證工作負載和伺服電機之間的轉速、轉矩匹配適當。本文以VMC1240 立式加工中心為例，對其進給傳動系統進行相關分析與設計，在設計進給傳動系統時，要綜合考慮精度、慣量、摩擦等因素。

2 VMC1240 立式加工中心伺服進給傳動系統設計

數控加工中心的進給系統承擔加工中心各直線坐標軸的定位和切削進給,它的性能直接影響整個加工中心的運行狀態和精度指標。

2.1 技術參數

VMC1240 立式加工中心的進給伺服系統采用半閉環的工作方式，把電機與絲桿直接連接起來，工作臺導軌采用貼塑導軌，其材料為聚四氟乙烯為基加入抗磨青銅粉末。在設計過程中，要使傳動系統響應快、穩定性好，使其剛度好、慣量小、傳動效率高并且具有高的安全性和可靠性。進給系統的相關參數設置如下所示：（1）行程選擇X 軸為1200mm，Y 軸為400mm，Z 軸為510mm；（2）定位精度X 軸為0.025mm，Z 軸為0.025mm，Y 軸為0.022mm；（3）重復定位精度X 軸為0.015mm，Z 軸為0.015mm，Y 軸為0.012mm；（4）快速移動速度X、Y、Z 軸均為15m/min；（5）進給速度X、Y、Z 軸均為1～5000mm/min；（6）工作臺承重800kg；（7）工作臺尺寸900mm×400mm；（8）主電機功率7.5kW。

2.2 軸向進給力的計算

在進行銑削運動時，假設作用在刀齒上的切削抗力的合力為Fr，現把它分解為徑向、切向和軸向受力，用字母分別表示為Fx、Fy和Fz，其中主要消耗電機功率的為切向切削力Fy。

式中：Pz為主電機最大功率，取值為Pz=10kW；η為機床傳動效率，取值η=0.85；vmin為主軸傳遞全部功率時的最低切削速度，其計算公式為vmin=πdmaxnmin/1000

在上式中：dmax=100mm，為最大盤銑刀直徑，nmin=1500r/min，為主軸最低轉速。最后帶入上式中得出主軸傳遞全部功率時的最低切削速度為vmin=471m/min，將其帶入切削力的計算公式，最終可以計算得出Fy=1.083×103N。

在設計進給系統時，工作載荷即為作用在進給工作臺的合力，這里用字母Fr′來表示，它與Fr大小相同，方向相反。將Fr′在機床工作臺的X、Y、Z 進給方向分別分解為Fx′、Fy′和Fz′。根據經驗：Fx′=（0.6～0.9）Fy，Fy′=（0.45～0.7）Fy，Fz′=（0.5～0.55）Fy，不對稱逆銑Fx′/Fy=1.0～1.2，這里取值為1.1。通過計算最終可得X、Y、Z 軸工作臺最大進給力，這是選擇相應絲杠和軸承的依據。X、Y、Z 軸工作臺最大進給力為：Fx′=1072N，Fy′=834N，Fz′=5100N。

總體分析以上數據，對于傳動絲杠，X 軸和Y 軸的絲杠選用型號為FFZD-3206-3的雙螺母預緊絲杠，Z 軸的絲杠選用型號為FFZD3206-5的雙螺母預緊絲杠。對于軸承的選用，一端采用德國INA 組合軸承ZARN3062，另一端采用型號為6004/p5的深溝球軸承。

2.3 伺服電機選型

（1）對傳動系統所需伺服電機的扭矩進行計算。伺服電機的額定轉矩應大于機床工作時的最大切削負載轉矩。最大切削負載轉矩的計算公式如下所示：

式中：Fmax等于最大軸向進給力加上導軌摩擦力，稱為絲杠的最大軸向載荷；Ph取值為6mm，它是絲杠導程；η=0.9～0.95，它是滾珠絲杠的機械效率；Tf1為由滾珠絲杠螺母預加載荷所帶來的附加摩擦轉矩；Tf2為滾珠絲杠軸承的摩擦轉矩；i為傳動比，這里取值為1。

最終通過計算，可以求得在X、Y、Z 軸向最大切削負載轉矩分別為：Tx=1.87N·m，Ty=1.16N·m，Tz=6.30N·m。

所以根據計算值，對于X、Y 軸可以選擇SIEMENS 1FK7080 永磁式同步交流伺服電機；對于Z 軸則可以選用SIEMENS 1FK7100 電機。

（2）按慣量匹配計算，即電機的轉子慣量JM應與負載慣量JL匹配。為了使伺服進給系統的執行部件具有快速響應的能力，應在選用加速能力大的電機的基礎上綜合考慮電機轉動慣量與負載慣量之間的匹配關系。通過最終計算和查樣本，計算后可知對于X、Y、Z 軸，其JM/JL值分別為0.802、0.578、2.000，根據相關公式判斷其匹配關系可知所選擇的電機符合慣量匹配要求。

3 機械傳動裝置校驗

軸向固定的絲杠如果工作過程中需要承受壓縮負載，就必須進行壓桿穩定性校驗。首先根據公式計算臨界載荷，然后根據驗算公式來確定其是否滿足穩定性要求。

在半閉環伺服進給系統中，由機械傳動裝置剛度的變化引起的誤差對加工中心傳動系統的設計有一定影響，因此應該對其進行驗算，以滿足加工中心的設計要求。除此之外死區誤差是影響定位進度的一個重要因素，還要考慮由于伺服剛度引起的死區誤差。

4 結論

VMC1240 立式數控加工中心伺服進給系統的可靠性高、精度好，并且穩定性好，其設計方法比通常的中小型加工中心更加嚴格。工作臺的伺服進給傳動系統是整個設計過程的核心，它會對產品的加工質量和加工精度產生重要影響。伺服進給系統中比較重要的機械部件是滾珠絲杠，在設計計算時應根據實際情況全面考慮分析。本文簡要介紹了VMC1240 伺服進給系統的設計方法，包括滾珠絲杠的計算和選取、伺服電機的計算和選取以及校驗方式，闡述了立式數控加工中心設計過程中應解決的關鍵問題和設計要點。

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