一種小型數控立式銑床的結構與選型設計

宋亞林，張正祥

（鄂州職業大學 機械工程學院，湖北 鄂州 436099)

1 前言

在社會服務的過程中，需要為某企業設計一種小型數控立式銑床，滿足該企業的生產需要。其生產任務是專門給30mm×50mm×8mm尺寸范圍以內的零件表面加工齒槽，正反兩面需要加工，加工精度為±0.05mm，生產速度每分鐘5件產品，大批量生產。要求銑床重量不超過1500kg，外形尺寸不超過1700mm×1300mm×1850mm，采用380V或220V交流電源。經過分析，決定設計一款專用的數控立式銑床滿足其要求。

2 銑床的總體結構布局

銑床設計由床身、底座、立柱、主軸加工部分、工作臺進給、電氣控制、工件氣動輸送、冷卻系統、潤滑系統和安全防護罩等部分組成。

如圖1所示，床身用來固定和支承銑床上的立柱、安全防護罩和安裝工作臺進給等組成部分。其內部裝有電氣控制設備及潤滑油泵、冷卻泵等設備。

主軸加工部分主要包括電主軸和垂直方向的絲桿傳動進給兩大部分。垂直方向的絲桿傳動進給裝置，通過立柱來支撐，并帶動主電軸在垂直方向運動。通過伺服電機驅動垂直方向的絲桿傳動，依靠絲桿螺母副，帶動電主軸沿著垂直方向上下運動，完成電主軸與銑刀的垂直進給，改變銑刀與工件的垂直距離，控制切削深度。

工作臺進給部分包括縱橫兩個方向的進給。通過十字滑臺的運動實現橫向和縱向進給運動功能。本銑床的十字滑臺主要包括滑臺底座、上下滑臺、伺服電機、聯軸器、滾珠絲杠、軸承、導軌、滑鞍等部件。橫向和縱向進給都是由安裝在工作臺一端（右端和后端）的伺服電機驅動的。通過聯軸器帶動精密滾珠絲杠副，從而使工作臺獲得縱橫向進給。為確保數控系統的傳動精度和工作平穩性，工作臺采用了滾珠絲杠螺母副和滾珠滾動導軌，以便盡量消除齒側間隙，提高運動精度。[1]

工件的送料與卸料部分主要包括推料、取料、送料、卸料和儲件部分。其工作過程全部由氣壓機構自動完成。通過推料氣缸，實現工件毛坯從儲料箱中推出，通過手指氣缸實現工件的夾持，通過移動氣缸，實現工件的輸送。工件加工完成后，由手指氣缸和移動氣缸實現工件的卸料、輸送和儲件，最終將工件放置在儲件箱中，實現工件的存放。[2]

圖1 數控立式銑床結構簡圖

3 銑床主要部分的設計

3.1 主軸及垂直進給設備選擇

主軸加工部分設計時，考慮到加工零件較小，切削量不大，所需功率小等因素，故而選擇了高速電主軸。由于高速電主軸用了內裝式電機直接驅動，省去了中間傳動環節，特別是齒輪傳動和帶傳動環節，不僅使得銑床的機械傳動部分的傳動誤差減小，而且結構上更加簡捷和緊湊。由于高速電主軸采用了交流變頻調速和矢量控制技術，輸出功率滿足加工要求，調速范圍寬，無級調速，能適應各種負載和工況變化的需要。電主軸選擇后，根據電主軸的規格和安裝尺寸，如前蓋螺孔的形位尺寸、軸心高等尺寸，配套設計了一套垂直方向的絲桿傳動進給裝置。該裝置由下固定支座，伺服電機支座（上）、滾珠螺母座等組成。其中，伺服電機支座和下固定支座中還包含有軸承、軸承壓蓋、軸承襯套、鎖緊螺母等組件。

電主軸與垂直方向進給裝置中的滾珠螺母座、左右直線滑軌有效連接。在銑床加工時，垂直方向的伺服電機帶動絲桿傳動，實現垂直方向的直線進給。[3]

3.2 垂直進給電機的選擇

電主軸的重量M1＝4kg，用于固定電主軸的夾具重量M2＝1 kg，垂直方向的絲桿長度為500mm，導程P＝10mm，絲桿直徑D=20mm，通過計算得絲桿和聯軸器重量m=1.50 kg，摩擦系數μ＝0.2，機械效率η＝0.9，負載移動速度v＝0.5m/min，全程移動時間tc=2s,加減速時間ta＝td＝0.2秒，靜止時間tj＝0.3s。電機與絲桿通過聯軸器聯接。

（選擇滿足負載需求的最小功率伺服電機。）

1）計算折算到電機軸上的負載慣量

電主軸和夾具折算到伺服電機軸上的轉動慣量為：

螺桿聯軸器的轉動慣量為：

總負載等效轉動慣量JL＝J1+J2，代入數據算得JL＝87.678kg.mm2。

這里，JM＝118kg.mm2，按照負載慣量＜3倍電機轉子慣量JM的原則，電機合適。

2)計算電機驅動負載所需的扭矩計算

勻速移動克服摩擦力所需轉矩：

進給加速所需轉矩：

加速時轉矩Ta=TA+Tf；減速時轉矩Td=TA-Tf。

同理根據公式可求有效轉矩：

這里，Ta、Tf、Td分別是加速轉矩、勻速移動時轉矩、減速時轉矩。ta、tb、tc分別是加速時間、勻速時間、全程移動時間。最后求得：

伺服電機額定轉矩T=1.6×103N.mm，最大轉矩Tmax=4.8×103N.mm。滿足條件T＞Tf，且T＞Trms,最大扭矩Tmax＞Tf+TA。

3)最后選定某公司80ENA-016A伺服電機作為垂直方向的絲桿傳動動力，額定轉速為3000r/min，最大轉速為4500速度r/min。配套選用驅動器型號為ZSD-K1AS08AA。另外選配了左直線滑軌和右直線滑軌。再選擇某公司型號為XY1－20－25高精度梅花聯軸器與伺服電機輸出軸聯接，其外徑為20mm，長度為25mm。

最后，將絲桿導程改成P＝12mm，使速度更加可靠，此時，最低電機速度要求N≥2500r/min，更符合轉速要求。

經驗算，此時電主軸和夾具折算到伺服電機軸上的轉動慣量為：J1＝18.24kg.mm2，總負載等效轉動慣量JL＝68.24kg.mm2。

滿足負載慣量JL＜3倍電機轉子慣量JM的條件。

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

滿足轉矩T＞Tf，且T＞Trms,最大扭矩Tmax＞Tf+TA的工作條件。[4]

3.3 工作臺進給部分選型設計

為了保證加工精度，簡化設計，如圖1所示，工作臺進給部分直接采用高精度伺服直線電機滑臺，該部分主要包括滑臺底座2、直線導軌3、下滑臺4、上滑臺6和伺服電機5、7等。滑臺底座2、上滑臺6和下滑臺4均采用高性能鑄鐵鑄造成型，具有較好的吸振性和結構剛性，保證了運動部件的平穩性。滑臺由伺服直線電機驅動，精密直線導軌導向，伺服直線電機5的定子固定在滑臺底座2上，驅動下滑臺4在X軸方向直線導軌3上作直線滑動，伺服電機7驅動上滑臺6作Y軸方向直線滑動。即上滑臺6和下滑臺4分別在成90°的Y軸和X軸方向上進行滑動。完成直線、斜線、圓弧、曲線的進給和插補。通過計算，選擇某公司htA-3W-10-10-10型十字滑臺。重復定位精度±0.02mm，能滿足加工零件的精度要求。

控制系統以小型PLC和觸摸屏為控制核心，通過程序儲存器和數據儲存器，完成指令的儲存和譯碼后數據之間的轉換，再通過I/O接口，完成對數控銑床整體的監控。伺服進給系統作用是接收數控系統發出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅動電路作轉換和放大后,經伺服驅動裝置(直流、交流伺服電動機、功率步進電動機、電液脈沖電動機等)和機械傳動機構，驅動機床的工作臺、主軸頭架等執行部件實現工作進給和快速運動。[5]

4 結論

在銑床設計過程中，采用了數控銑床模塊化的設計方法。在總體設計中采用了單立柱布置方案，加工精度高、結構簡單緊湊。機床主軸采用了高速電主軸，簡化了傳動方案。機床進給系統采用了伺服電動機的開環控制，定位精度滿足要求，成本較低，調試維修方便。經實踐中試用表明，該銑床滿足生產要求。