經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆的改進(jìn)設(shè)計(jì)

楊旭東

（徐州市廣播電視大學(xué) 機(jī)電工程系，江蘇 徐州 221006）

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆的改進(jìn)設(shè)計(jì)

楊旭東

（徐州市廣播電視大學(xué) 機(jī)電工程系，江蘇 徐州 221006）

以Z4120為機(jī)械本體，X、Y軸加裝十字滑臺(tái)，Z軸采用行星減速步進(jìn)，詳細(xì)計(jì)算了各坐標(biāo)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并通過多軸控制器實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì).

數(shù)控鉆床；等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；步進(jìn)電機(jī)

目前市場上數(shù)控機(jī)床種類繁多，但是大多廠家生產(chǎn)的數(shù)控鉆銑床對(duì)于銑削加工都能滿足，但對(duì)于鉆孔都有些捉襟見肘.以在中碳鋼上鉆?16 mm的孔為例，正常進(jìn)給情況下其軸向力大于3 000 N，為了能夠滿足要求其機(jī)床的滾珠絲杠的直徑要大于25 mm，并且滾珠圈數(shù)要大于3圈，要滿足這些條件數(shù)控銑床的售價(jià)至少要在5萬元以上.即使如此，對(duì)于滾珠絲杠來講如果長期處于這種大切削力的情況下工作也難免會(huì)遭到破壞［1］.對(duì)于一般批量加工的零件，鉆孔位置精度大約都在±0.1 mm左右，深度精度在±0.5 mm左右，精度要求都很低，若能開發(fā)一款針對(duì)鉆孔的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，X、Y軸用滾珠絲杠控制運(yùn)動(dòng)，Z軸采用齒輪傳動(dòng)，即可保證鉆孔的位置精度，又能保證Z軸的大切削力.

1 機(jī)械本體的選擇

本設(shè)計(jì)主要依托Z4120重型臺(tái)鉆為基礎(chǔ)，通過加入數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)、86步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制器由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制.Z4120臺(tái)鉆多為普通手動(dòng)式的，本設(shè)計(jì)主要對(duì)20臺(tái)鉆進(jìn)行數(shù)控改造和設(shè)計(jì)，改造中主要用到一個(gè)十字滑臺(tái)、三個(gè)步進(jìn)電機(jī)、三個(gè)法蘭、一個(gè)減速器、一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)、及控制電路連接等，將兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別通過兩個(gè)法蘭連接到X，Y軸上，然后通過對(duì)控制器和驅(qū)動(dòng)電源等的連接，使其能夠進(jìn)行數(shù)控化自動(dòng)控制，Z軸采用1:15的行星減速器連接在Z軸的進(jìn)給手柄上.

20臺(tái)鉆數(shù)控改造主要分4個(gè)步驟進(jìn)行，第一步，根據(jù)Z4120鉆床的底座尺寸大小確定需要的十字滑臺(tái)的大小，十字滑臺(tái)訂做730 mm×210 mm；第二步，由鉆床的參數(shù)性能十字滑臺(tái)的絲杠推算出所選的步進(jìn)電機(jī)；第三步，設(shè)計(jì)三個(gè)步進(jìn)電機(jī)和絲杠鉆床的連接，X，Y軸連接中要設(shè)計(jì)法蘭通過聯(lián)軸器使步進(jìn)電機(jī)和絲杠連接，Z軸要使用與所用步進(jìn)電機(jī)安裝孔相符合的減速器；第四步，確定步進(jìn)電機(jī)和控制器，驅(qū)動(dòng)電源等的連接，中間要用到匯接板等器件.改造后的數(shù)控鉆機(jī)械體如圖1所示.

圖1 改進(jìn)的數(shù)控鉆機(jī)械體

十字滑臺(tái)X軸寬度730 mm，行程490 mm，這樣可以保證工作時(shí)左右可以安裝兩個(gè)工件，加工一個(gè)工件的同時(shí)可以裝卸另外一個(gè)工件.Y軸方向?qū)挾?10 mm，行程200 mm.滾珠絲桿選用2004-3型絲桿，在銑削加工時(shí)可以承受較重載荷［2］.

2 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選擇

2.1 三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的初選

步進(jìn)電機(jī)的選用首先要確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量.脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量，它是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)重要參數(shù)，因此.脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度的要求來確定.對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來說，常采用脈沖當(dāng)量為0.01～0.005 mm.在Z4120的主要技術(shù)參數(shù)中要求橫向、縱向脈沖當(dāng)量為0.01 mm.

在進(jìn)行進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)計(jì)算，選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，都要用到切削力(機(jī)床的主要負(fù)載)，本文所設(shè)計(jì)的是數(shù)控鉆床，因此在設(shè)計(jì)中要分析和計(jì)算銑削和鉆削.

2.1.1 鉆削載荷的計(jì)算

普通的麻花鉆每一切削刃都會(huì)產(chǎn)生切向方向的切削抗力，徑向切削抗力與軸向方向的軸向抗力，當(dāng)左右切削刃對(duì)稱時(shí)，徑向的抗力就會(huì)平衡.切向的抗力形成鉆削力矩，他消耗了切削功率，所用切削刃上軸向抗力之和就形成了鉆頭上的軸向應(yīng)力.

鉆頭切削力的計(jì)算包括鉆頭主軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算和主軸軸向切削力的計(jì)算.由于加工材料為中碳鋼，其屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，因此：

鉆削轉(zhuǎn)矩的計(jì)算：

軸向切削力的計(jì)算：

式中，F(xiàn)f：軸向切削力（N）.

已知被加工材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼取δb=736 MPa，D=20 mm，f=0.1 mm，所以可分別計(jì)算出切削轉(zhuǎn)矩和軸向切削為：

2.1.2 銑削抗力分析

銑削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶動(dòng)工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給（鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)給）.銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端面銑刀為基本形線［3］.圓柱銑和端面銑刀的切削部分都可看作車刀刀頭的演變，銑刀的每一個(gè)齒相當(dāng)于一把車刀，它的切削基本規(guī)律與車削相似.

設(shè)銑削抗力的合力為FZ，將FZ沿銑刀軸線徑向和切向進(jìn)給分解，則分別為軸向銑削力FX和FY徑向銑削力.切向銑削力FZ是沿銑刀主運(yùn)動(dòng)方向的分力，它消耗的銑床主電機(jī)功率最多.因此，切向銑削力可以按切削功率Pm（kW）或主電機(jī)功率PE（kW）計(jì)算，也可以按切削用量進(jìn)行計(jì)算.

2.1.3 進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷的計(jì)算

作用在進(jìn)給工作臺(tái)上的合力F′與銑刀刀齒的銑削抗力的余力F大小相同方向相反，如圖2所示，合力F′就是設(shè)計(jì)和校核工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的時(shí)要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為三個(gè)力：工作臺(tái)的縱向進(jìn)給方向載荷Fx工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷Fy和工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷Fz工作臺(tái)工作載荷Fx、Fy和Fz與銑刀的切向銑削力Fz之間有一定的經(jīng)驗(yàn)比值，因此，求出Fz后，即可計(jì)算出工作臺(tái)工作載荷Fx、Fy和Fz.即 ：

則：Fx=207.36 N，F(xiàn)y=207.36 N，F(xiàn)z=172.8 N.

式中：V是主軸傳遞全部功率時(shí)的最低切削速度，這里取100 m/s；是機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，這里按電機(jī)功率進(jìn)行計(jì)算.

圖2 進(jìn)給工作臺(tái)作用力分析

2.2 Z軸傳動(dòng)比的計(jì)算及步進(jìn)電機(jī)的確定

2.2.1 按扭矩求傳動(dòng)比

為滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了是傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載慣量盡可能小，傳動(dòng)鏈中采用行星減速器減速傳動(dòng).

2.2.2傳動(dòng)比的校驗(yàn)

以主軸鉆孔時(shí)最大轉(zhuǎn)速為800r/min,主軸進(jìn)給速度為0.1mm/r，則要求步進(jìn)電機(jī)的工作輸出轉(zhuǎn)速約為9.6r/min，很顯然86HS11460A4步進(jìn)電機(jī)滿足此要求.

2.3 X、Y軸進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的確定

2.3.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm

根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算可知，縱向應(yīng)用燕尾型導(dǎo)軌，其牽引力為：

按照預(yù)選步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)，顛覆力矩影響系數(shù)K=1.15；滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦因數(shù)f=0.16；工作臺(tái)及夾具和工件最大重力G=800 N.代入工作臺(tái)工作載荷Fx、Fy和Fz可得：

2.3.2 系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算

傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載，在電機(jī)的選用的時(shí)候必須加以考慮.由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳動(dòng)部件并不是與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算的問題.最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量，即是傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.

工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JG為：

軸、軸承、聯(lián)軸器、絲杠等圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

本文設(shè)計(jì)的機(jī)床是采用的是齒輪傳動(dòng)的減速傳動(dòng)，因此，傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J∑：

2.3.3 步進(jìn)電機(jī)的確定

（1）步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm：

式中：Fm為進(jìn)給牽引力（N）；η0為絲杠的傳動(dòng)效率；ηi為齒輪副的傳動(dòng)效率，i是齒輪副的傳動(dòng)比；η1為燕尾型導(dǎo)軌副的傳動(dòng)效率.

因?yàn)镕f>Fm，則：

（2）步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq為：

式中：0.3為安全系數(shù).

（3）計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax

查表取兩相步進(jìn)電機(jī)λ=0.7，則Tjmax為：

（4）計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率f和最高起動(dòng)頻率fmax

式中：Vmax為最大快移速度（m/min），這里取2 m/min；V為最大切削進(jìn)給速度（m/min）；這里取0.1 m/min；脈沖當(dāng)量δ取0.01 mm/step.

（5）步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的選擇

考慮到鉆孔精度不是太高，且經(jīng)濟(jì)性為本設(shè)計(jì)的基本原則，選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制.因此可以選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比.

根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)距Tjmax查得86HS11460A4最大靜轉(zhuǎn)距為8.6>N·m>Tjmax，可以滿足要求，考慮到此經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床有可能使用較大的切削用量，應(yīng)選稍大轉(zhuǎn)距的步進(jìn)電機(jī)，以便留有一定的余量，另一方面，86HS11460A4步進(jìn)電機(jī)最高空載起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率滿足要求（若該機(jī)床在設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮為鉆孔使用也可以考慮X、Y軸選用86HS9860A4步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為6.5N·m）.

2.3.4 步進(jìn)電機(jī)的校驗(yàn)

機(jī)床在不同的工作情況下，其所需要的轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算.

（1）快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)距T

在快速空載起動(dòng)階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下：

式中：T為快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(N·cm)；Tamax為空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速轉(zhuǎn)矩(N·cm)；Tf為折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩(N·cm)；To為由于絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上附加摩擦轉(zhuǎn)矩(N·cm).

其中，摩擦轉(zhuǎn)矩為：

空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速轉(zhuǎn)矩：

式中：Tamax為折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ε為電機(jī)最大角加速度；nmax為電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；vmax為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度；t為運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)到加速到最大快進(jìn)速度所需要的時(shí)間.

因此，快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)距T為：

快速移動(dòng)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩T快為：

最大切削負(fù)載時(shí)所需轉(zhuǎn)矩T切：

T，T快和T切三種工作情況下，以快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大，即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù).

而86HS11460A4型步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為8.6N·m，大于所需要的最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足此項(xiàng)要求.減速器選用行星減速器，傳動(dòng)效率80%，傳動(dòng)比1:15.Z軸步進(jìn)電機(jī)及減速器安裝法蘭，X、Y軸步進(jìn)電機(jī)安裝法蘭本文不再詳述.

3 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)選用的是四軸驅(qū)動(dòng)控制器，這種控制器采用高性能32位CPU，驅(qū)動(dòng)裝置采用細(xì)分步進(jìn)電機(jī)或交流伺服電機(jī)，配備液晶顯示器，全封閉觸摸式操作鍵盤.該系統(tǒng)具有可靠性高、精度高、噪音小、操作方便等特點(diǎn).本控制器可控制四個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位、直線、圓弧插補(bǔ)的操作.具有循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、子程序、中斷、隨動(dòng)、測位等功能.支持中文、英文，文字指令、GM 代碼等［4］.將控制器與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器連接實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)坐標(biāo)軸的數(shù)字式控制，且預(yù)留1個(gè)回轉(zhuǎn)軸控制，為以后安裝回旋工作臺(tái)留有冗余.

4 結(jié)語

此類設(shè)計(jì)在最終組裝成數(shù)控式鉆床后，Z軸由于是齒輪傳動(dòng)具有大切削力輸出能力，整個(gè)機(jī)床兼有簡單的數(shù)控銑床的功能.數(shù)控鉆床能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、改善產(chǎn)品的加工質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率.一般每臺(tái)機(jī)床安裝2套相同夾具，工人可以同時(shí)操作2～3臺(tái)同類型機(jī)床，每名工人日產(chǎn)量可提高至原來的3～5倍，單件生產(chǎn)人工成本降為原來的30%.該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單整體生產(chǎn)成本在12 000元以內(nèi)，一般機(jī)械加工廠均能制造或改造，1年內(nèi)可以收回成本，市場前景較好便于大規(guī)模推廣.

：

［1］劉林.大型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控鉆床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究［J］.機(jī)械工程師,2013(4):143-144.

［2］劉博,徐慶華.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工中誤差來源分析及其對(duì)策［J］.中國科技信息,2006（4）:112-113，117.

［3］何炳奇.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床加裝電磨頭實(shí)現(xiàn)車、磨一體的精密加工［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2013（8）:38-39，41.

［4］尹成湖,吳書迎,張英.用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通車床的設(shè)計(jì)［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),1999,20（3）:27-32.

Design for economical NC drilling machine

YANG Xu-dong
（Department of Mechanical&Electrical Engineering,Xuzhou Radio&TV University,Xuzhou 221006,Jiangsu,China）

The paper exhaustively calculates the equivalent moment of inertia of all axis with Z4120 mechanical noumenon as the sample,X,Y axis with cross sliding table,the Z-axis with stepper planetary,and design the economical NC drilling machine by multi-axis controller.

NC drilling machine；the equivalent moment of inertia；stepper motor

TG519.1

1007-5348（2013）08-0035-07

2013-07-02

楊旭東（1977-），男，江蘇徐州人，徐州市廣播電視大學(xué)機(jī)電工程系講師，碩士，主要從事機(jī)電設(shè)計(jì)方面的研究.

（E D.:X， J）