數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

陳林江 鄭 雷 董香龍 李證凱 仇 剛 佘金海 張 晨 韋文東

（1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，鹽城 224051；2.南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南京 211167）

機(jī)床進(jìn)給一般是指機(jī)床工作時(shí)工件移向刀具或刀具移向工件的過程，并且通過各個(gè)方向自由度的組合，覆蓋所需的加工坐標(biāo)系，影響著被加工件的位置精度和形狀精度[1]。為了保證進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度，首先需要提高傳動(dòng)零部件的定位精度及精度保持性。其次，改善支承部件的動(dòng)、靜剛度，以獲得高速穩(wěn)定、低速不爬行的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。最后，針對(duì)不同的加工環(huán)境，選擇合適的控制方式，實(shí)現(xiàn)慣量匹配等，這對(duì)提高進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)性能都有顯著的效果。

目前，在國內(nèi)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，類比和經(jīng)驗(yàn)依舊是主要設(shè)計(jì)手段，較為明確的設(shè)計(jì)實(shí)例也很少見，因此我國在機(jī)床系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)、應(yīng)用推廣、參數(shù)性能等方面都與國外先進(jìn)水平存在著很大的差距。因此，規(guī)范的設(shè)計(jì)選型不僅能提供可靠的零部件參數(shù)尺寸，還有利于搭建正確的裝配順序。

1 方案設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)代進(jìn)給系統(tǒng)的精度高、剛度好、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的發(fā)展趨勢(shì)，完成對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將設(shè)計(jì)方案劃分為對(duì)控制、執(zhí)行、支承等子系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)。相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 各切削方式下切削力、速度和時(shí)間比例

1.1 控制系統(tǒng)

圖1是半閉環(huán)系統(tǒng)，CNC裝置1發(fā)出指令經(jīng)伺服系統(tǒng)5、電機(jī)6帶動(dòng)執(zhí)行部件4按照程序運(yùn)動(dòng)。信號(hào)采集器7采集電機(jī)的輸出數(shù)據(jù)并將信號(hào)送至伺服系統(tǒng)，與CNC裝置發(fā)出的指令比較并檢查程序是否被正確執(zhí)行，并糾正誤差。

1.2 執(zhí)行系統(tǒng)

1.2.1 滾珠絲杠螺母副

滾珠絲杠副是機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中常見的運(yùn)動(dòng)變換機(jī)構(gòu)，摩擦損失較小、效率高。還能通過預(yù)緊來消除軸向間隙，而且低速不爬行，高速較穩(wěn)定。

1.2.2 滾滑復(fù)合導(dǎo)軌

對(duì)于重型負(fù)載的執(zhí)行部件來說，導(dǎo)軌的承載、振動(dòng)等都將面臨極大的挑戰(zhàn)。而滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌由于各自的局限性不能夠適應(yīng)越來越高的傳動(dòng)要求。新型滾滑復(fù)合導(dǎo)軌綜合了這些導(dǎo)軌的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)中設(shè)置了滾動(dòng)和滑動(dòng)兩種結(jié)合面，如圖2所示。摩擦因素極小，比貼塑導(dǎo)軌還小得多，且動(dòng)、靜摩擦因數(shù)很接近，使得該系統(tǒng)具有高速響應(yīng)、低慣性的性能，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，精度足夠[2]。

圖1 半閉環(huán)控制

圖2 新型滾滑復(fù)合導(dǎo)軌

1.3 支承系統(tǒng)

支承大件對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)的整體性能也有著非常重要的影響。在空間容量上，工作臺(tái)要能容納加工零件的最大輪廓尺寸，而床身要能容納傳動(dòng)、執(zhí)行系統(tǒng)部件；在性能要求上，保證工作應(yīng)力、變形和撓度在規(guī)定的范圍內(nèi)，并且靜剛度要高，動(dòng)剛度要好。

1.4 整體方案

本文采用半閉環(huán)控制方式，檢測(cè)并糾正電機(jī)的輸出值，維護(hù)成本相對(duì)較低且保證了一定的輸出精度，并選用性能良好的交流伺服電機(jī)及撓性較好的膜片聯(lián)軸器，確保進(jìn)入執(zhí)行系統(tǒng)的輸入值較為精確。同時(shí)，選用滾珠絲杠螺母副、固定—固定支承、60°角接觸球軸承及其背靠背雙列組合，并設(shè)計(jì)了滾滑復(fù)合導(dǎo)軌，確保系統(tǒng)的剛度、抗振性、定位精度等得到極大的改善，實(shí)現(xiàn)了低速穩(wěn)定、高速響應(yīng)的工作穩(wěn)態(tài)。進(jìn)給系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 進(jìn)給系統(tǒng)原理

2 選型設(shè)計(jì)

搭建好由三大子系統(tǒng)組成的整體設(shè)計(jì)方案之后，著手從核心零部件出發(fā)，依次完成對(duì)滾珠絲杠副、軸承、滾滑復(fù)合導(dǎo)軌、伺服電機(jī)等關(guān)鍵部件的計(jì)算選型。

2.1 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)

2.1.1 滾珠絲杠副的導(dǎo)程Ph

該進(jìn)給系統(tǒng)為直連型，i取1。選取導(dǎo)程Ph=10mm，能提高承載能力。

2.1.2 估算絲杠的有效長度、總長度

2.1.3 導(dǎo)程精度

查閱THK滾珠絲杠的產(chǎn)品目錄，由定位精度為12μm，重復(fù)定位精度為5μm，Lu為500mm，查表選取C2級(jí)精度。

2.1.4 絲杠軸徑和型號(hào)

在C2精度下，絲杠軸最大制造長度應(yīng)大于860mm，因此公稱直徑范圍應(yīng)≥16mm。又根據(jù)絲杠軸外徑與導(dǎo)程的標(biāo)準(zhǔn)組合表，初選符合條件的有：BNFN 4510-3、BNFN 4510-5、BNFN 5010-3以及BNFN 5010-5。

2.1.5 軸向載荷計(jì)算

（1）最大軸向載荷為：

（2）軸向當(dāng)量負(fù)荷Fm、當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm為：

求得Ca≈11800.1N。

選用的絲杠副的額定動(dòng)負(fù)荷應(yīng)大于或者等于該值，查產(chǎn)品目錄，并考慮安全性，選擇數(shù)值較大的BNFN 4510-5。

2.1.6 容許軸向負(fù)載校核

容許挫曲載荷P1計(jì)算：

查表可知，BNFN 4510-5的軸螺紋小徑d1=39.5mm，由于采用固定-固定的支撐方式，查得η1和η2分別取4和20。由最大行程以及螺母長度，安裝間距l(xiāng)1取695mm。代入求得P1=1007972.7N，比較可知：

2.1.7 滾珠絲杠副容許轉(zhuǎn)速N1

滾珠絲杠副容許轉(zhuǎn)速N1校核：

nmax=3000r/min＜N1，合格。

2.1.8 容許轉(zhuǎn)速校核

由DN值所決定的容許轉(zhuǎn)速校核：DN=46.75×3000=140250≤[DN]，合格。

2.2 軸承選型設(shè)計(jì)

2.2.1 載荷分析

絲杠軸承主要承受軸向載荷，徑向載荷主要施加在導(dǎo)軌上，受力簡圖如圖4所示。

圖4 X向受力簡圖

當(dāng)量軸向載荷為：

2.2.2 型號(hào)初選

根據(jù)滾珠絲杠選型中軸端形狀，查閱《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇日本NsK公司35TAC 72A型號(hào)的60°角接觸球軸承，并且采用了二列組合DF。

2.2.3 預(yù)負(fù)荷驗(yàn)算

因此，所選DF組合軸承的預(yù)加負(fù)荷3.5kN≥FBP，合格。

2.2.4 軸承壽命驗(yàn)算

（1）當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷為：

（2）基本額定壽命Lh為：

因此Lh≤15000h，合格。

2.3 滾滑復(fù)合導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

2.3.1 受力分析

圖5 系統(tǒng)受力簡化圖

由受力簡圖5可得，計(jì)算當(dāng)量切削力：

由于工作臺(tái)尺寸為620mm×500mm×110mm，x=395mm，z=290mm，則估算 y=250mm，z1=200mm，y1=200mm。

取矩得各當(dāng)量切削力和承重對(duì)滑塊的作用力，再累計(jì)滑塊受力得計(jì)算負(fù)荷Rc，如表3所示。

2.3.2 額定動(dòng)載荷Ca

滾柱導(dǎo)軌塊的壽命計(jì)算：

因此，代入可得Ca=26846N。

2.3.3 型號(hào)選擇

查閱手冊(cè)，需選擇額定動(dòng)載荷大于26846N的滾柱導(dǎo)軌塊，GZD20×68的額定動(dòng)載荷為27.5kN，合格。

表3 各當(dāng)量切削力和重力在各滑塊上的作用力

注：各當(dāng)量切削力和重力在各滑塊上的作用力單位均為N（牛）。

2.4 伺服電機(jī)設(shè)計(jì)

2.4.1 最大轉(zhuǎn)速計(jì)算

2.4.2 慣量計(jì)算

（1）圓柱體慣量為：

（2）軸向移動(dòng)物體的慣量為：

進(jìn)給系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

2.4.3 轉(zhuǎn)矩計(jì)算

（1）切削轉(zhuǎn)矩Tt為：

初選1FT5076-0AF01型號(hào)的交流伺服電動(dòng)機(jī)，ΔTw=100K。額定轉(zhuǎn)矩為22N·m，大于切削轉(zhuǎn)矩，合格。

（2）加速轉(zhuǎn)矩Tamax為：

（3）最大轉(zhuǎn)矩Tmax為：

最大轉(zhuǎn)矩為33N·m，大于加速轉(zhuǎn)矩25.077N·m，合格。

2.4.4 慣量匹配

交流伺服電機(jī)匹配關(guān)系：

因此0.88（2/3，2），滿足伺服電機(jī)的匹配關(guān)系。

2.5 選型結(jié)果

零部件選型設(shè)計(jì)過程包括依次對(duì)滾珠絲杠副、軸承、滾滑復(fù)合導(dǎo)軌、伺服電機(jī)等的參數(shù)計(jì)算。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算選型流程，所選的零部件均符合設(shè)計(jì)要求。選型結(jié)果如表4所示。

表4 選型結(jié)果

3 結(jié)語

采用半閉環(huán)控制解決因負(fù)荷突變及頻率變化劇烈造成的運(yùn)動(dòng)誤差，并采用高精度的滾珠絲杠副以及固定—固定的支承形式，提高了軸向剛度，保證定位精度和精度保持性。

結(jié)合滾動(dòng)導(dǎo)軌和滑動(dòng)導(dǎo)軌各自的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)滾滑復(fù)合導(dǎo)軌。滑動(dòng)結(jié)合面與滾動(dòng)結(jié)合面的相輔相成使得靜、動(dòng)摩擦系數(shù)差值很小，使其達(dá)到高速響應(yīng)、低速無爬行的要求，提高了運(yùn)動(dòng)的抗振性和穩(wěn)定性。