探究動臺龍門式數控銑鉆床的驅動設計

李 健 ，潘 驍

（1沈陽機床集團中捷機床有限公司 遼寧 沈陽 110142）

（2沈陽機床集團航空航天行業事業部 遼寧 沈陽 110142）

1 引言

隨著我國各行各業的發展，對機械產品的需要也越來越大，并且與傳統的機械零件相比，企業對機械結構、零件精度、材料性能等方面，都有著越來越高的要求。因此，為了滿足各行各業的要求，對動臺龍門式數控銑鉆床設計方案中的一些相關內容，進行了研究，通過利用有效的機械加工方式，來保證機械加工零件的精度，這樣不僅滿足了我國各行各業對機械零件的需求，對機械加工行業的發展也是非常有利的。

2 總體方案的明確

在動臺龍門式數控銑鉆床驅動結構設計的過程中，主要是以電機驅動絲杠結構帶動負載運行為主，并且利用數控系統對動臺龍門式數控銑鉆床的加工進行過程控制。

3 驅動系統的設計

其實，在動臺龍門式數控銑鉆床設計的過程中，驅動系統是整個設計方案的核心，其中主要包括有：傳動方案的確定，伺服電機的選擇兩個方面，下面就對這兩個方面，進行簡要的分析和闡述：

3.1 傳動方案的確定

動臺龍門式數控銑鉆床總體布局主要是以龍門框架為主，龍門頂部設置橫梁，兩端連接立柱支撐，滑鞍固定在橫梁直線導軌副滑塊上，主軸箱應當安裝在橫梁的滑鞍上，滑鞍在橫梁上做橫向進給運動（Y軸）。同時，主軸箱在滑鞍上做豎直方向的進給運動（Z軸）。同時立柱下方兩端連接床身，工作臺在床身上做縱向進給運動（X軸）。

在傳動方案確定的過程中，執行元件一定要選用AC同步伺服電機，并且在運行的過程中，主要是利用滾珠絲杠副機構來實現運動模式的轉化。如圖1所示，伺服電機和滾珠絲杠機構之間，主要是利用聯軸器+減速機裝置進行兩者的連接，這樣的連接方式安裝簡單，但精度卻是相對較高的，加工運行的可靠性和穩定性也有著很大程度上的提升。

圖1 驅動結構示意圖

3.2 伺服電機的選擇

以上述的滑鞍橫向進給運動（Y軸）為例進行計算校核，假設已知的工作條件（按照西門子電機為例進行選擇）：

拖動重量：W=13t

快移速度：Vmax=10mm/min

進給速度：V進給=5mm/min

切削抗力：F=17000N；絲杠直徑：d=80mm；絲杠導程：s=20mm；絲杠長度：L=8000mm；加速時間：T=0.2s

導軌形式：滑動導軌（摩擦系數0.03～0.05）；假設減速機的減速比i=4。

對于進給電機而言，其速度低、受力小，在電機樣本中只有扭矩曲線，進給電機所消耗的功率也很小，可以不做計算。所以只需對該電機的慣量和扭矩進行匹配即可。

3.2.1 慣量的匹配

絲杠自身的慣量：

式中 D：絲杠的直徑（cm）；L：絲杠的長度（cm）

負載折算到絲杠上的慣量

式中 S：絲杠的導程（cm）；W：拖動重量（kg）

折算到電機上的負載慣量

對于龍門類機床的經驗值為1～3之間，所以根據西門子電機樣本可知1FT7102，1FT7105，1FT7108型電機的慣量匹配都符合。

3.2.2 扭矩的匹配

絲杠的轉速

式中 V：快移速度(m/min)；S：滾珠絲杠導程(cm)電機的額定轉速：

（1）按照空載啟動力矩選擇電機

空載時電機的加速力矩：

式中T：加速時間0.2s

負載的摩擦力矩：

式中 W：拖動重量（kg）；f：導軌的摩擦系數，取f=0.05；η：傳動鏈的總效率，取η=0.8。

絲杠預緊引起的附加摩擦力矩：

式中 PO：滾珠絲杠預加載荷（kgf）；PO為軸向最大載荷的1/3；ηO：滾珠絲杠未預緊時的效率，取 。

其中，軸向最大載荷P=ma，m為拖動重量，即13000kg；a為加速度。

由于進給時，切削抗力17000N大于軸向最大載荷10833N，所以

對數控機床而言，因為動態性能要求較高，所以電機力矩主要是用來產生加速度的，而負載力矩占的比重較小，一般都小于馬達力矩的10～30%。因此按空載啟動扭矩選擇電機，要使空載啟動力矩小于電機的最大扭矩，即。

注：一般空載啟動力矩需小于電機最高扭矩的50%～60%。

電機的最大扭矩一般符合：

Mr：電機額定轉矩；λ：電機轉矩的瞬間過載指數，對交流伺服電機而言，λ=1.5-2這里取λ=2。

故選取電機應滿足：。

對于傳動比i=4來說，所選電機Mr應大于15.9Nm，故可選取的西門子電機型號有：核心型1FT7102，24Nm，2000rpm； 核 心 型 1FT7105，38Nm，2000rpm； 核 心 型1FT7108，50Nm，2000rpm。

（2）按照切削時額定力矩選電機

切削時折算到電機軸上的加速力矩

式中nt切削時電機轉速，取1000r/min，一般切削速度為3m/min，這里為5m/min

折算到電機軸上的切削負載力矩

式中：Pt：進給方向的最大切削力，已知Pt=1700kgt

切削時額定力矩

一般情況下，負載力矩都小于啟動力矩，但此次選型負載力矩較大，故通過負載力矩選擇電機。當電機切削時，轉速為1000r/min，所選電機應滿足1000r/min時的額定扭矩大于負載力矩，即Mrt≥M。對于傳動比i=4來說，所選電機轉速為1000r/min時，Mr應大于36.1Nm。根據扭矩圖可選擇西門子電機型號有：核心型1FT7105，38Nm，2000rpm和核心型 1FT7108，50Nm，2000rpm。

由于快速進給力矩M=Mf+M0，數值相對比較小，所以選擇電機時可以不考慮這項。

綜上所述，能滿足機床Y軸的驅動電機應該為核心型1FT7105，38Nm，2000rpm和核心型1FT7108，50Nm，2000rpm；減速比i=4。

4 結語

綜上所述，本文對動臺龍門式數控銑鉆床驅動設計的一些相關內容，進行了簡要的分析和闡述，通過對各個方面的了解和明確，以此保證動臺龍門式數控銑鉆床加工的準確性，提升了機械零件加工的質量，這樣對機械加工行業的發展，也給予了重要的技術支持。

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