FBC160型落地式銑鏜加工中心Y軸雙驅(qū)設(shè)計(jì)

趙旭靖 張 錚

（中捷機(jī)床有限公司 110142）

0 前言

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)于機(jī)床性能的要求與日俱進(jìn)，尤其是近年來國(guó)外機(jī)床企業(yè)對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的不斷投入，使得機(jī)床市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈，機(jī)床市場(chǎng)已逐漸從賣方市場(chǎng)轉(zhuǎn)向了買方市場(chǎng)，用戶對(duì)于機(jī)床精度、效率、可靠性要求愈加理性，原有的機(jī)床結(jié)構(gòu)已不能滿足要求。本文主要闡述新型高速落地銑鏜加工中心的Y軸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算。為提高機(jī)床的整體性能，Y軸采用了雙絲杠雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。通過此結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，取消了原有的主軸箱平衡重錘，有效減輕了X軸移動(dòng)部件的重量，充分提高了X軸的動(dòng)態(tài)特性。于此同時(shí)，Y軸雙驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的使用，可通過對(duì)前后兩根絲杠驅(qū)動(dòng)力的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)由于滑枕移動(dòng)造成的主軸箱重心偏移而產(chǎn)生的Z軸移動(dòng)幾何精度偏差的補(bǔ)償。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在移動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)的過程中，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)越趨近于質(zhì)心其驅(qū)動(dòng)效果越佳，否則，在驅(qū)動(dòng)過程中將產(chǎn)生有害分力，尤其在機(jī)床快速移動(dòng)的過程中極易產(chǎn)生振動(dòng)，并對(duì)機(jī)床精度產(chǎn)生負(fù)面影響，因此，在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)遵循質(zhì)心驅(qū)動(dòng)原則，但在由于此機(jī)床帶有可移動(dòng)的滑枕，因此，滑枕在運(yùn)動(dòng)到不同位置時(shí)，其Y軸的拖動(dòng)質(zhì)心隨之偏移。為提高機(jī)床的運(yùn)行精度及穩(wěn)定性，因此，采用雙驅(qū)結(jié)構(gòu)。在滑枕移動(dòng)的過程中通過對(duì)前后絲杠驅(qū)動(dòng)力的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)模擬質(zhì)心驅(qū)動(dòng)，以提高驅(qū)動(dòng)效率及精度。

1.1 總體布局設(shè)計(jì)

Y軸雙絲杠的使用不僅僅是為提高Y軸的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)另一個(gè)重要的原因是為解決主軸箱由于滑枕的移動(dòng)產(chǎn)生的重心偏移，對(duì)滑枕移動(dòng)精度的影響，為充分發(fā)揮前后絲杠對(duì)主軸箱重心的調(diào)整作用，將絲杠布置于立柱兩導(dǎo)軌的外側(cè)，同時(shí)前后絲杠各配以光柵尺，實(shí)現(xiàn)對(duì)Y軸位置的檢測(cè)。

1.2 單側(cè)絲杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

絲杠的上下端通過滾動(dòng)軸承經(jīng)由絲杠座與立柱固定，絲母通過與主軸箱分體式的絲母座與其連接，絲杠的上端通過減速機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)高速連接；為提高絲杠驅(qū)動(dòng)是的精度，絲杠的上端軸承采用的是INA的ZARF60150LTN型號(hào)的滾針/推力圓柱滾子軸承組合軸承，該軸承起到對(duì)整個(gè)絲桿及驅(qū)動(dòng)部件的支撐作用，而絲杠下端采用的是INA ZKLN60110.2Z型號(hào)的推力角接觸球軸承，其主要作用是起到對(duì)絲桿實(shí)現(xiàn)預(yù)拉伸的作用，以提高絲杠的運(yùn)行精度。

2 傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 根據(jù)加工需求，擬定主要參數(shù)：

2.2 絲杠及減速機(jī)預(yù)選

Y軸由兩個(gè)伺服電機(jī)提供進(jìn)給動(dòng)力，并通過減速機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)。Y軸電機(jī)和絲杠固定在立柱上，絲杠帶動(dòng)托板上下運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)部分主要由托板、滑枕、鏜桿組成，在此形成的摩擦沒有給出,只做粗略估計(jì)。

2.3 確定Y軸絲杠承受負(fù)載的最大值

絲杠負(fù)載可能出現(xiàn)極大值的工況：

2.3.1 托板勻速或靜止，滑枕和鏜桿伸出，并承受進(jìn)給力10000N

系統(tǒng)受力如上圖1所示，根據(jù)系統(tǒng)受力平衡條件ΣF = 0及力矩平衡條件ΣMA = 0

式中：

FA——左側(cè)絲杠受力

FB——右側(cè)絲杠受力

FF——進(jìn)給力

m滑枕——滑枕質(zhì)量

m托板——托板質(zhì)量

g——重力加速度9.81m/s2

考慮到FF的方向可能跟FA相同，也可能相反

2.3.1.1 取 FF= 10000N、m滑枕= 3900kg、m托板= 1750kg，代入（1）、（2）式得

FA=63689.1N

FB= 1737.4N

2.3.1.2 取 FF=–10000N、m滑枕=3900kg、m托板= 1750kg，代入（1）、（2）式得

FA= 8731 N

FB= 36743.5 N

2.3.2 托板勻速或靜止，滑枕伸出，鏜桿縮回，并承受最大的進(jìn)給力25000N

系統(tǒng)受力如圖2所示（忽略鏜桿縮回對(duì)滑枕重心的影響）

根據(jù)系統(tǒng)受力平衡條件ΣF=0及力矩平衡條件ΣMA= 0

2.3.2.1 取 FF= 25000N、m滑枕= 3900kg、m托板= 1750kg，代入（3）、（4）式得

FA= 88241.1 N

FB= –7814.6 N

2.3.2.2 取 FF=–25000N、m滑枕=3900kg、m托板= 1750kg，代入（3）、（4）式得

FA=–15821.3N

FB=46247.8N

2.3.3 托板勻速或靜止，滑枕和鏜桿縮回，并承受最大的進(jìn)給力25000N

系統(tǒng)受力如圖3所示，根據(jù)系統(tǒng)受力平衡條件ΣF =0及力矩平衡條件ΣMA=0

2.3.3.1 取 FF= 25000N、m滑枕= 3900kg、m托板= 1750kg，代入（5）、（6）式得

FA=36322 N

FB= 44104 N

2.3.3.2 取 FF=–25000N、m滑枕= 3900kg、m托板= 1750kg，代入（5）、（6）式得

2.3.4 滑枕伸出，托板及滑枕加速啟動(dòng)

系統(tǒng)受力如圖4所示，根據(jù)系統(tǒng)受力平衡條件ΣF = 0 及力矩平衡條件ΣMA=0

2.3.5 滑枕縮回，托板及滑枕加速啟動(dòng)

系統(tǒng)受力如圖5所示，根據(jù)系統(tǒng)受力平衡條件ΣF=0及力矩平衡條件ΣMA= 0

將 m滑枕= 3900kg、m托板= 1750kg，代入（9）、（10）式得

根據(jù)上述各個(gè)工況下絲杠的受力情況，以F=88241.1 N作為絲杠負(fù)載的最大值來選擇絲杠及電機(jī).

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

2.4 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

絲杠慣量JZ= 0.15296 kg m2

托板、滑枕等移動(dòng)部件折算到絲杠上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

J1=F×(s/2π)2/a=88241.1×(0.02/2π)2/2=0.4475kg m2

移動(dòng)部件和絲杠的慣量折算到電機(jī)端的慣量JT

JT=(JZ+J1)/i2=(0.15296+0.4475)/42=0.03753kg m2

2.5 預(yù)選電機(jī)

電機(jī)型號(hào)：1FT61326SF71

額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min

額定扭矩：M = 90 Nm

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：JM= 0.0430 kgm2

負(fù)載慣量 JT=0.03753kgm2＜電機(jī)慣量JM=0.0430 kgm2

2.6 扭矩計(jì)算

根據(jù)4.1計(jì)算可以確定，在Y軸正向重切時(shí)電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力矩最大，以F=88241.1 N作為絲杠負(fù)載的最大值來選擇進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算，絲杠負(fù)載扭矩取安全系數(shù)1.1，因此折算到電機(jī)端的驅(qū)動(dòng)力矩

所以電機(jī)滿足要求。

2.7 快速移動(dòng)計(jì)算

達(dá)到快速移動(dòng)時(shí)所需電機(jī)轉(zhuǎn)速

2.8 滾珠絲杠的校核

選用SHUTON公司的精密滾珠絲杠，標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)5級(jí)精度，導(dǎo)程dp=20mm，總長(zhǎng)L=4848mm

2.8.1 熱抗位移的計(jì)數(shù)測(cè)量(確定螺紋軸的預(yù)壓力)

絲杠受熱膨脹的長(zhǎng)度變化△LT=lap×α×△t

式中：△LT-絲杠軸向伸縮量(mm)

2.8.2 臨界轉(zhuǎn)速的校核

臨界轉(zhuǎn)速定義為：絲杠自開始轉(zhuǎn)動(dòng)，到因振動(dòng)頻率與絲杠本身頻率相互產(chǎn)生共振狀態(tài)時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度。

Ccr：為避免進(jìn)入共振頻率影響區(qū)的安全系數(shù)。Ccr≤0.8

LNcr：極限速度的計(jì)算長(zhǎng)度。LNcr=4600mm

λ：兩端支撐類型的功能系數(shù)。按兩端固定的支撐條件，取λ=4.73

絲杠最快轉(zhuǎn)速為N=v/dp=15000/20=750rpm＜Ncr

所以可以滿足要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

Y軸雙驅(qū)結(jié)構(gòu)的成功應(yīng)用，有效提升了Y軸的驅(qū)動(dòng)能力，使重錘平衡裝置得以取消，使X軸的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量大大降低，充分提高了Y軸及X軸的動(dòng)態(tài)特性。于此同時(shí)，由于滑枕的移動(dòng)產(chǎn)生的重型偏移問題得到了有效的解決，使機(jī)床Z軸的運(yùn)動(dòng)精度顯著提升。通過電氣系統(tǒng)的雙驅(qū)調(diào)試，使得此機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)得到了充分的發(fā)揮，樣機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均超過了原有的單驅(qū)結(jié)構(gòu)，該機(jī)床于2008年參加了北京CCMT，并獲得了春燕獎(jiǎng)。而且，此技術(shù)已成功應(yīng)用于多款同類機(jī)床，并取得了顯著效果，對(duì)機(jī)床驅(qū)動(dòng)技術(shù)的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 李洪主編.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1999.1

[2] 戴曙主編.金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981

[3] 成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.1