探究動(dòng)臺(tái)龍門式數(shù)控銑鉆床的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

李 健 ，潘 驍

（1沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)中捷機(jī)床有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 110142）

（2沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)航空航天行業(yè)事業(yè)部 遼寧 沈陽(yáng) 110142）

1 引言

隨著我國(guó)各行各業(yè)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的需要也越來(lái)越大，并且與傳統(tǒng)的機(jī)械零件相比，企業(yè)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、零件精度、材料性能等方面，都有著越來(lái)越高的要求。因此，為了滿足各行各業(yè)的要求，對(duì)動(dòng)臺(tái)龍門式數(shù)控銑鉆床設(shè)計(jì)方案中的一些相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行了研究，通過(guò)利用有效的機(jī)械加工方式，來(lái)保證機(jī)械加工零件的精度，這樣不僅滿足了我國(guó)各行各業(yè)對(duì)機(jī)械零件的需求，對(duì)機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展也是非常有利的。

2 總體方案的明確

在動(dòng)臺(tái)龍門式數(shù)控銑鉆床驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要是以電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠結(jié)構(gòu)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行為主，并且利用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)動(dòng)臺(tái)龍門式數(shù)控銑鉆床的加工進(jìn)行過(guò)程控制。

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

其實(shí)，在動(dòng)臺(tái)龍門式數(shù)控銑鉆床設(shè)計(jì)的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)計(jì)方案的核心，其中主要包括有：傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)的選擇兩個(gè)方面，下面就對(duì)這兩個(gè)方面，進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析和闡述：

3.1 傳動(dòng)方案的確定

動(dòng)臺(tái)龍門式數(shù)控銑鉆床總體布局主要是以龍門框架為主，龍門頂部設(shè)置橫梁，兩端連接立柱支撐，滑鞍固定在橫梁直線導(dǎo)軌副滑塊上，主軸箱應(yīng)當(dāng)安裝在橫梁的滑鞍上，滑鞍在橫梁上做橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（Y軸）。同時(shí)，主軸箱在滑鞍上做豎直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（Z軸）。同時(shí)立柱下方兩端連接床身，工作臺(tái)在床身上做縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（X軸）。

在傳動(dòng)方案確定的過(guò)程中，執(zhí)行元件一定要選用AC同步伺服電機(jī)，并且在運(yùn)行的過(guò)程中，主要是利用滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模式的轉(zhuǎn)化。如圖1所示，伺服電機(jī)和滾珠絲杠機(jī)構(gòu)之間，主要是利用聯(lián)軸器+減速機(jī)裝置進(jìn)行兩者的連接，這樣的連接方式安裝簡(jiǎn)單，但精度卻是相對(duì)較高的，加工運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性也有著很大程度上的提升。

圖1 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 伺服電機(jī)的選擇

以上述的滑鞍橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（Y軸）為例進(jìn)行計(jì)算校核，假設(shè)已知的工作條件（按照西門子電機(jī)為例進(jìn)行選擇）：

拖動(dòng)重量：W=13t

快移速度：Vmax=10mm/min

進(jìn)給速度：V進(jìn)給=5mm/min

切削抗力：F=17000N；絲杠直徑：d=80mm；絲杠導(dǎo)程：s=20mm；絲杠長(zhǎng)度：L=8000mm；加速時(shí)間：T=0.2s

導(dǎo)軌形式：滑動(dòng)導(dǎo)軌（摩擦系數(shù)0.03～0.05）；假設(shè)減速機(jī)的減速比i=4。

對(duì)于進(jìn)給電機(jī)而言，其速度低、受力小，在電機(jī)樣本中只有扭矩曲線，進(jìn)給電機(jī)所消耗的功率也很小，可以不做計(jì)算。所以只需對(duì)該電機(jī)的慣量和扭矩進(jìn)行匹配即可。

3.2.1 慣量的匹配

絲杠自身的慣量：

式中 D：絲杠的直徑（cm）；L：絲杠的長(zhǎng)度（cm）

負(fù)載折算到絲杠上的慣量

式中 S：絲杠的導(dǎo)程（cm）；W：拖動(dòng)重量（kg）

折算到電機(jī)上的負(fù)載慣量

對(duì)于龍門類機(jī)床的經(jīng)驗(yàn)值為1～3之間，所以根據(jù)西門子電機(jī)樣本可知1FT7102，1FT7105，1FT7108型電機(jī)的慣量匹配都符合。

3.2.2 扭矩的匹配

絲杠的轉(zhuǎn)速

式中 V：快移速度(m/min)；S：滾珠絲杠導(dǎo)程(cm)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速：

（1）按照空載啟動(dòng)力矩選擇電機(jī)

空載時(shí)電機(jī)的加速力矩：

式中T：加速時(shí)間0.2s

負(fù)載的摩擦力矩：

式中 W：拖動(dòng)重量（kg）；f：導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，取f=0.05；η：傳動(dòng)鏈的總效率，取η=0.8。

絲杠預(yù)緊引起的附加摩擦力矩：

式中 PO：滾珠絲杠預(yù)加載荷（kgf）；PO為軸向最大載荷的1/3；ηO：滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率，取 。

其中，軸向最大載荷P=ma，m為拖動(dòng)重量，即13000kg；a為加速度。

由于進(jìn)給時(shí)，切削抗力17000N大于軸向最大載荷10833N，所以

對(duì)數(shù)控機(jī)床而言，因?yàn)閯?dòng)態(tài)性能要求較高，所以電機(jī)力矩主要是用來(lái)產(chǎn)生加速度的，而負(fù)載力矩占的比重較小，一般都小于馬達(dá)力矩的10～30%。因此按空載啟動(dòng)扭矩選擇電機(jī)，要使空載啟動(dòng)力矩小于電機(jī)的最大扭矩，即。

注：一般空載啟動(dòng)力矩需小于電機(jī)最高扭矩的50%～60%。

電機(jī)的最大扭矩一般符合：

Mr：電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；λ：電機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬間過(guò)載指數(shù)，對(duì)交流伺服電機(jī)而言，λ=1.5-2這里取λ=2。

故選取電機(jī)應(yīng)滿足：。

對(duì)于傳動(dòng)比i=4來(lái)說(shuō)，所選電機(jī)Mr應(yīng)大于15.9Nm，故可選取的西門子電機(jī)型號(hào)有：核心型1FT7102，24Nm，2000rpm； 核 心 型 1FT7105，38Nm，2000rpm； 核 心 型1FT7108，50Nm，2000rpm。

（2）按照切削時(shí)額定力矩選電機(jī)

切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩

式中nt切削時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速，取1000r/min，一般切削速度為3m/min，這里為5m/min

折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩

式中：Pt：進(jìn)給方向的最大切削力，已知Pt=1700kgt

切削時(shí)額定力矩

一般情況下，負(fù)載力矩都小于啟動(dòng)力矩，但此次選型負(fù)載力矩較大，故通過(guò)負(fù)載力矩選擇電機(jī)。當(dāng)電機(jī)切削時(shí)，轉(zhuǎn)速為1000r/min，所選電機(jī)應(yīng)滿足1000r/min時(shí)的額定扭矩大于負(fù)載力矩，即Mrt≥M。對(duì)于傳動(dòng)比i=4來(lái)說(shuō)，所選電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，Mr應(yīng)大于36.1Nm。根據(jù)扭矩圖可選擇西門子電機(jī)型號(hào)有：核心型1FT7105，38Nm，2000rpm和核心型 1FT7108，50Nm，2000rpm。

由于快速進(jìn)給力矩M=Mf+M0，數(shù)值相對(duì)比較小，所以選擇電機(jī)時(shí)可以不考慮這項(xiàng)。

綜上所述，能滿足機(jī)床Y軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該為核心型1FT7105，38Nm，2000rpm和核心型1FT7108，50Nm，2000rpm；減速比i=4。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)動(dòng)臺(tái)龍門式數(shù)控銑鉆床驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的一些相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析和闡述，通過(guò)對(duì)各個(gè)方面的了解和明確，以此保證動(dòng)臺(tái)龍門式數(shù)控銑鉆床加工的準(zhǔn)確性，提升了機(jī)械零件加工的質(zhì)量，這樣對(duì)機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展，也給予了重要的技術(shù)支持。

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