數(shù)控鉆孔機拖板自動進給機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計*

侯柏林

（惠州城市職業(yè)學(xué)院，廣東惠州 516025）

0 引言

文獻[1]通過導(dǎo)入液壓進給系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)將鉆床改造為自動鉆床，并且對由大連某機械制造有限公司生產(chǎn)的Z4116型臺式自動鉆床進行整體改造來說明鉆床的自動化改造和進給系統(tǒng)設(shè)計的重要性。文獻[2]對X5325C數(shù)控銑床改造設(shè)計，主要涉及X5325C數(shù)控銑床機械系統(tǒng)設(shè)計，包括伺服驅(qū)動系統(tǒng)、絲杠螺母副、主傳動系統(tǒng)參數(shù)計算，主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，改造后應(yīng)用效果較好。文獻[3]針對普車加工問題設(shè)計了一套小拖板自動進給機構(gòu)，小拖板自動進給機構(gòu)利用車床自身的動力，把光杠的轉(zhuǎn)動傳遞給小拖板，從而使小拖板勻速進給。

基于客戶大量鉆床加工零件的需求，以及生產(chǎn)訂單次品率較高、生產(chǎn)效率低的特點，本課題組組成科技攻關(guān)技術(shù)人員隊伍進行一系列技術(shù)改造設(shè)計，設(shè)計一套拖板自動進給機構(gòu)，利用伺服電機、滾珠絲桿、減速機構(gòu)將電機軸輸出，以一個恒定的傳動比傳遞給拖板，從而實現(xiàn)小拖板自動進給要求。

1 拖板自動進給機構(gòu)總體設(shè)計方案

圖1為改進后設(shè)計的自動進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)計各軸驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)時，X軸移動部件在步進電機的驅(qū)動下，利用絲桿螺母機構(gòu)驅(qū)動X方向左右自動移動，實現(xiàn)X軸方向自動進給，X軸方向左右各設(shè)置一個限位開關(guān)；Y軸部件實現(xiàn)相對于工件的Y軸方向自動進給，Y軸方向左右各設(shè)置一個限位開關(guān)，實現(xiàn)X、Y正負方向的自動位移。此外，拖板還可以以手柄手動動作完成位移功能，實現(xiàn)手動自動兩用功能。其機構(gòu)也可在旋轉(zhuǎn)工作過程中帶動托板手柄轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)拖板軸向位移間隙的補償功能，實現(xiàn)提高精度、達到加工要求。

圖1 自動進給機構(gòu)總裝配圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計計算

2.1 脈沖當(dāng)量的選擇及減速齒輪副的設(shè)計

2.1.1 脈沖當(dāng)量的選擇

根據(jù)原鉆床的加工精度，并參照同類數(shù)控鉆床的精度參數(shù)，設(shè)定優(yōu)化設(shè)計改造后鉆床的定位精度為±0.01 mm，重復(fù)定位精度為±0.006 mm，則可選脈沖當(dāng)量為：σP=0.006 mm/step，初選步進電動機的步距角為：θb=0.75°，那么每個脈沖（0.75°）絲杠螺母移動的距離為：

要實現(xiàn)σP=0.006 mm/step，基于以上不同步的問題，步進電動機和滾珠絲杠之間要安裝一對降速齒輪實現(xiàn)以上不同步問題，此對減速齒輪的減速比為：

2.1.2 減速齒輪副的選擇

基于進給伺服系統(tǒng)的功率較小，故減速齒輪的模數(shù)一般取m=2 mm；壓力角取α=20°（標(biāo)準(zhǔn)）；初選齒輪齒數(shù)Z1=20；故大齒輪為Z2=Z1×i=20×2.8=56。初選減速齒輪副的參數(shù)如表1所示。

表1 減速齒輪副參數(shù)

2.2 滾珠絲杠設(shè)計計算

根據(jù)文獻[4]得知，滾珠絲杠承受的軸向載荷為：

式中：K為實驗系數(shù)，取K=1.15；f為導(dǎo)軌摩擦因數(shù)，取f=0.15；W為工作臺重量；設(shè)Fx=1 400 N，F(xiàn)z=2 500 N，W=600 N。則：

2.2.1 滾珠絲杠強度計算

鉆孔切削速度v=60 m/min，進給量f=0.2 mm/r，工件直徑D=50 mm，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為：

絲杠的壽命值為：

絲杠承受的最大動載荷為：

基于最大動載荷查閱滾珠絲杠參數(shù)，選擇滾珠絲杠型號為FFZD4008-3，其絲杠的公稱直徑為40 mm，導(dǎo)程為8 mm，額定動載荷是19 800 N，超過以上計算最大動載荷，因此確定該款絲杠強度足夠。

2.2.2 滾珠絲杠傳動效率計算

根據(jù)文獻[4]可知滾珠絲杠副的傳動效率為：

η=其中γ為絲桿螺紋的螺旋升角，該型號絲桿為5°06′；φ為摩擦角，取10′。

2.2.3 滾珠絲杠穩(wěn)定性驗算

目前數(shù)控銑床的縱向和橫向多采用伺服電機，進給系統(tǒng)的機械傳動鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。本文設(shè)計機構(gòu)擬采用的是滾珠絲杠副傳動，以減少摩擦因數(shù)，提高進給機構(gòu)的整體剛度。滾珠絲杠與電機采用聯(lián)軸器直接連接，以消除間隙。選用的滾珠絲杠型號及支承方式是基于實際安裝調(diào)試及穩(wěn)定性，驗證結(jié)果顯示穩(wěn)定性較好。

2.3 步進電機的選擇

2.3.1 轉(zhuǎn)動慣量計算

工作臺的轉(zhuǎn)動慣量為：

絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為：

式中：D為絲杠的直徑，cm；L為絲杠的總長，cm。

齒輪的轉(zhuǎn)動慣量為：

總的轉(zhuǎn)動慣量（因伺服電機本身的轉(zhuǎn)動慣量極小，忽略不計）為：

2.3.2 所需轉(zhuǎn)動力矩計算

快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩：M1=Mamax+Mf+M0

最大切削負載時所需轉(zhuǎn)矩：M2=Mat+Mf+M0+Mt

快速進給時所需轉(zhuǎn)矩：M3=Mf+M0

式中：Mamax為空載最大加速轉(zhuǎn)矩；Mf為摩擦轉(zhuǎn)矩；M0為絲杠預(yù)緊附加轉(zhuǎn)矩；Mat為切削加速轉(zhuǎn)矩；Mt為切削負載轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)代入后，得出最大切削負載時所需轉(zhuǎn)矩M2=4.235 N·m。

2.3.3 步進電動機最高工作頻率及最大靜力矩計算

根據(jù)由式計算所得的進給傳動系統(tǒng)在切削狀態(tài)下的負載力矩Mt，采用下式計算系統(tǒng)在切削狀態(tài)下，所需的步進電機的最大靜力矩Ms為：

基于以上計算結(jié)果及步進電機參數(shù)選用110BYG250C-0402型2相步進電機，該型電機的保持轉(zhuǎn)矩達到12 N·m，大于要求的最大切削負載時轉(zhuǎn)矩4.235 N·m及最大靜力矩10.59 N·m，其各項性能完全滿足要求。

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計計算包括步進電機選型、減速齒輪副的設(shè)計。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），其旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制[5-6]。

圖2 限位開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3.1 縱向、橫向進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

步進電機和減速齒輪安裝在原進給箱的位置，滾珠絲杠安裝在原絲杠的位置。滾珠絲杠副的螺母固定到溜板箱上，步進電機經(jīng)齒輪傳動驅(qū)動絲杠，從而帶動溜板箱左右、前后方向移動[7]。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 縱向、橫向進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3.2 托板結(jié)構(gòu)設(shè)計

托板結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖4所示。

圖4 托板結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3.3 自動進給操縱手柄

通過選取國標(biāo)公制圓錐，可以使末端齒輪與小錐度心軸達到配合要求，并可在到達選定位置時推動手柄3，使手柄與齒輪4脫離，達到停止傳動的目的。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了數(shù)控鉆床自動進給系統(tǒng)設(shè)計的總體設(shè)計、相關(guān)的數(shù)據(jù)及要求，完成了數(shù)控鉆孔機拖板自動進給系統(tǒng)的設(shè)計，并對其進行了機械設(shè)計。機械設(shè)計包括對伺服電機、減速機構(gòu)、絲杠等關(guān)鍵部件進行設(shè)計計算、選型和校核，并通過選擇一些重要部件對其進行穩(wěn)定性校核。通過以上多方面的創(chuàng)新及實際的試生產(chǎn)，能滿足許多鉆孔零件加工的實際工程要求，在小型零件加工中具有重要實用價值。

圖5 操縱手柄圖

圖6 總體結(jié)構(gòu)布局示意圖