主軸驅動器的設計

□ 喬 凱

上海維宏自動化技術有限公司 201401

1 設計背景

伺服主軸提供各類工件加工所需的切削功率,一般只需具有調速及正反轉功能,就能夠使用。但是,當加工機床需要進行螺紋加工,以及準停和恒速加工時,對伺服主軸提出了新的要求,需要伺服主軸輸出功率大,具有恒轉矩段、恒功率段、準?？刂?、主軸與進給聯動等功能[1]。隨著技術的進步,伺服主軸經歷了從普通三相異步電動機傳動到直流主軸傳動的發展。隨著微處理器和大功率晶體管技術的成熟,目前已進入了交流伺服主軸的時代[2]。

在現有單軸伺服驅動器軟硬件功能的基礎上,支持進給軸的永磁同步電機控制,并增加主軸的異步電機控制功能,由此設計了主軸驅動器。考慮市場上亦有大功率伺服驅動器的需求,在硬件設計時,實現大功率伺服驅動器與主軸驅動器的兼容,以節省開發費用,縮短開發周期。

所設計的主軸驅動器主要適用于數控機床。根據前期市場調研,主軸驅動器采用鈑金型右殼蓋作為外殼及接地設備,具有鋁擠型散熱器,采用阻燃級塑殼面板作為高壓接線區的防護,保障人身安全。右殼蓋、散熱器、塑殼面板之間使用螺釘連接,保證連接強度。

2 右殼蓋

2.1 材料

目前,工程中常用的鈑金材料包括SPCC、SGCC、SECC、SUS304四種[3]。SPCC表面無鍍層,不耐腐蝕,而主軸驅動器主要應用于數控車床、鏜銑床、立式車床、加工中心、龍門銑床等腐蝕環境,因此無法選用這一材料。SUS304耐腐蝕性好,但價格昂貴,也只能排除。SGCC和SECC從成型工藝、價格方面相比差異不大,基于供應商提供的SGCC、SECC樣品進行鹽霧試驗,結果顯示SGCC相比SECC在不烤漆的情況下更耐腐蝕,因此選用SGCC作為右殼蓋材料。

2.2 結構

右殼蓋材料選用1.5 mm厚SGCC,通過折彎機折彎后采用噴漆工藝。折彎后零件無支撐,強度不足,一般需要將零件通過鉚接、焊接等方式連接?？紤]硬件設計需求,底面需接地,無法噴漆,而焊接會導致底部的鋅層起皮、發黑,破壞表面外觀[4],因此將零件通過自身鉚釘進行連接,提高連接強度。右殼蓋外形尺寸如圖 1所示。

鈑金右殼蓋下側和右側開孔,進行有效散熱。根據經驗,開孔最大尺寸小于電磁波長的1/20,加之筆者公司工業產品屏蔽效能一般為20 db/1 GHz,得出開孔直徑不得大于15 mm。

緊固點結構形式如圖2所示,緊固點間距推薦值見表1,L為縫隙深度。右殼蓋和散熱器通過螺釘連接,在連接重疊部分小于10 mm的情況下[5],屏蔽效能20 db/1 GHz對應的緊固點間距推薦值為90 mm。

根據文獻[3],孔與折彎邊的最小距離不得小于1.5倍板厚加折彎半徑,根據1.5 mm板厚,取孔與折彎邊的距離為3.5 mm。

右殼蓋除導通和接地區域外,整體進行烤漆處理,美化外觀。為了保證零件的耐用性,切割后表面的割孔及切邊均進行防銹處理。

▲圖1 右殼蓋外形尺寸

▲圖2 緊固點結構形式

▲圖3 右殼蓋變形云量

表1 緊固點間距推薦值

2.3 仿真

將已有結構數字模型導入仿真軟件,在自然重力情況下進行分析,右殼蓋變形云圖如圖3所示。

由圖3可知,右殼蓋在自然重力的情況下,最大變形量為0.24 mm,滿足設計強度要求。

3 散熱器

3.1 材料

目前,工程中常用的鋁擠材料牌號有6061、6063。6061為鎂硅系列鋁合金,具有一定的強度、可焊性,以及高抗蝕性,主要用于工程機械中,如航天固定裝置、自動化零件等。6063是鎂系列鋁合金,具有良好的可擠壓性,加工性能極佳,可用于制作各種復雜截面,強度中等,內部組織致密,具有良好的導電、導熱性能,主要適用于散熱器[6]。

3.2 結構

根據散熱器的工藝特點,將散熱器設計為肋片式。由于需要進行強制風冷,因此預留風扇安裝位置?？紤]散熱器的加工經濟性,肋片厚度確定為2.5 mm,拔模角為1°。散熱器外形尺寸如圖4所示。

散熱器設計為U形結構,為方便高功耗電容及鋁殼電阻的安裝,設計為內嵌式。在散熱器底部及對應右殼蓋的區域開孔,滿足散熱需求。

在項目初期,根據元器件散熱量、整體結構尺寸,以及不同冷卻條件、流向長度下散熱器肋片齒距,初步確定肋片齒距為7.5 mm。不同冷卻條件、流向長度下散熱器肋片齒距見表2。

▲圖4 散熱器外形尺寸

表2 不同冷卻條件與流向長度下散熱器肋片齒距

為保證良好的導電性,兼顧制造成本,散熱器的外表面不進行任何處理,在型材出廠時對外表面進行貼膜保護。

3.3 仿真

根據實際情況,關注熱損耗大的元器件,熱損耗小的元器件則忽略不計,強制對流散熱的風扇及風道進行相應簡化。在進口處給定環境邊界條件及風速,在出口處給定環境邊界條件。散熱器簡化模型如圖5所示,散熱器溫度云圖如圖6所示。

由圖6可知,在環境溫度55 ℃條件下,散熱器的最高溫度為90.63 ℃,滿足散熱要求。緊貼塑殼面板處的溫度約為84 ℃,塑殼面板的最高耐溫為105 ℃,因此滿足塑殼面板的使用條件。

4 塑殼面板

4.1 材料

根據主軸驅動器的油污、腐蝕,以及高溫使用環境要求,與競品廠家使用的材料對比,暫定塑殼面板材料為阻燃級PPO(聚苯醚)和PC(聚碳酸酯)/ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)。PC/ABS流動性相對較好,而PPO更耐高溫[3],因此首選PPO。但是后續根據模流分析、散熱分析及試模實際情況,最終確定塑殼面板材料為阻燃級PC/ABS。

▲圖5 散熱器簡化模型

▲圖6 散熱器溫度云圖

4.2 結構

根據主軸驅動器的實際使用情況,兼顧考慮成本,塑殼面板上下兩側為滑塊,左右兩側直接由凸模、凹模成型,降低模具成本。根據澆口設計需要,將左側斜面一分為二,分為上、下拔模,使澆口隱藏在內部,達到美化外觀的作用。

皮紋不僅可以美化外觀,而且能夠遮蓋外觀的缺陷[7]。根據塑殼面板成型情況,側面皮紋等級較正面低一級。接線端子防護區深度較大,為了能夠順利脫模,在加大拔模角的同時,使接線端子防護區的皮紋等級較正面低兩級。預留接線端子蓋孔位,受模具結構限制,只能夠使用側滑塊進行貫穿?？紤]表面會產生0.05 mm以內的斷差,對應皮紋等級也較正面低兩級。

為保證零件的通用性,塑殼面板窗口蓋區借用現有零件,減少物料,降低成本。窗口蓋區采用卡槽結構設計,脫模順序為上滑塊、凹模、凸模,不增加獨立的滑塊,降低了模具成本。在窗口蓋開合方向上設計限位機構,保證使用過程中不會松動,不影響操作。

考慮產品的衍生,塑殼面板視頻圖形陣列接口區增加郵票口結構,方便后續選裝數據口及無限局域網接口。視頻圖形陣列接頭呈90°時,經常插拔可能導致接頭焊接區脫焊,對此在設計中采用限位支撐機構,防止接頭過度彎曲。塑殼面板外形尺寸如圖7所示。

▲圖7 塑殼面板外形尺寸

傳統單軸伺服驅動器懸臂卡扣的背部無加強筋,壁厚較薄,易卡合,但容易斷裂。鈑金因成型結構限制,無法制作為卡扣,只能制作為卡槽。借鑒筆者公司已有驅動器及競品結構,設計出背部有三條加強筋,壁厚較厚的全新卡扣。卡扣最前端拔模角設計為30°～50°,在提高卡扣強度的同時也可實現卡扣的組裝和拆卸,延長卡扣的壽命。

4.3 仿真

分別基于PPO和PC/ABS兩種材料對塑殼面板進行模流仿真,仿真結果如圖8、圖9所示。

由仿真可知,采用PPO材料,卡扣位置填充不滿;采用PC/ABS材料則無此問題,但存在熔接線。針對熔接線,可以采用增加改善產品流動的材料,延長保壓時間等措施,進而保證產品順利成型。

5 結束語

筆者針對機床加工需求,設計了主軸驅動器。這一主軸驅動器主要由鈑金型右殼蓋、鋁擠型散熱器、阻燃級塑殼面板組成,選用SGCC、6063鋁合金、PC/ABS材料,通過仿真確認,滿足使用要求。

▲圖8 PPO材料塑殼面板模流仿真結果

▲圖9 PC/ABS材料塑殼面板模流仿真結果