數(shù)控鉆孔機(jī)拖板自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

侯柏林

（惠州城市職業(yè)學(xué)院，廣東惠州 516025）

0 引言

文獻(xiàn)[1]通過(guò)導(dǎo)入液壓進(jìn)給系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)將鉆床改造為自動(dòng)鉆床，并且對(duì)由大連某機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的Z4116型臺(tái)式自動(dòng)鉆床進(jìn)行整體改造來(lái)說(shuō)明鉆床的自動(dòng)化改造和進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性。文獻(xiàn)[2]對(duì)X5325C數(shù)控銑床改造設(shè)計(jì)，主要涉及X5325C數(shù)控銑床機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、絲杠螺母副、主傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算，主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改造后應(yīng)用效果較好。文獻(xiàn)[3]針對(duì)普車(chē)加工問(wèn)題設(shè)計(jì)了一套小拖板自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，小拖板自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)利用車(chē)床自身的動(dòng)力，把光杠的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給小拖板，從而使小拖板勻速進(jìn)給。

基于客戶(hù)大量鉆床加工零件的需求，以及生產(chǎn)訂單次品率較高、生產(chǎn)效率低的特點(diǎn)，本課題組組成科技攻關(guān)技術(shù)人員隊(duì)伍進(jìn)行一系列技術(shù)改造設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一套拖板自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，利用伺服電機(jī)、滾珠絲桿、減速機(jī)構(gòu)將電機(jī)軸輸出，以一個(gè)恒定的傳動(dòng)比傳遞給拖板，從而實(shí)現(xiàn)小拖板自動(dòng)進(jìn)給要求。

1 拖板自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案

圖1為改進(jìn)后設(shè)計(jì)的自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)計(jì)各軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)時(shí)，X軸移動(dòng)部件在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，利用絲桿螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)X方向左右自動(dòng)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X軸方向自動(dòng)進(jìn)給，X軸方向左右各設(shè)置一個(gè)限位開(kāi)關(guān)；Y軸部件實(shí)現(xiàn)相對(duì)于工件的Y軸方向自動(dòng)進(jìn)給，Y軸方向左右各設(shè)置一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)X、Y正負(fù)方向的自動(dòng)位移。此外，拖板還可以以手柄手動(dòng)動(dòng)作完成位移功能，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)兩用功能。其機(jī)構(gòu)也可在旋轉(zhuǎn)工作過(guò)程中帶動(dòng)托板手柄轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)拖板軸向位移間隙的補(bǔ)償功能，實(shí)現(xiàn)提高精度、達(dá)到加工要求。

圖1 自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)總裝配圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 脈沖當(dāng)量的選擇及減速齒輪副的設(shè)計(jì)

2.1.1 脈沖當(dāng)量的選擇

根據(jù)原鉆床的加工精度，并參照同類(lèi)數(shù)控鉆床的精度參數(shù)，設(shè)定優(yōu)化設(shè)計(jì)改造后鉆床的定位精度為±0.01 mm，重復(fù)定位精度為±0.006 mm，則可選脈沖當(dāng)量為：σP=0.006 mm/step，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為：θb=0.75°，那么每個(gè)脈沖（0.75°）絲杠螺母移動(dòng)的距離為：

要實(shí)現(xiàn)σP=0.006 mm/step，基于以上不同步的問(wèn)題，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠之間要安裝一對(duì)降速齒輪實(shí)現(xiàn)以上不同步問(wèn)題，此對(duì)減速齒輪的減速比為：

2.1.2 減速齒輪副的選擇

基于進(jìn)給伺服系統(tǒng)的功率較小，故減速齒輪的模數(shù)一般取m=2 mm；壓力角取α=20°（標(biāo)準(zhǔn)）；初選齒輪齒數(shù)Z1=20；故大齒輪為Z2=Z1×i=20×2.8=56。初選減速齒輪副的參數(shù)如表1所示。

表1 減速齒輪副參數(shù)

2.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[4]得知，滾珠絲杠承受的軸向載荷為：

式中：K為實(shí)驗(yàn)系數(shù)，取K=1.15；f為導(dǎo)軌摩擦因數(shù)，取f=0.15；W為工作臺(tái)重量；設(shè)Fx=1 400 N，F(xiàn)z=2 500 N，W=600 N。則：

2.2.1 滾珠絲杠強(qiáng)度計(jì)算

鉆孔切削速度v=60 m/min，進(jìn)給量f=0.2 mm/r，工件直徑D=50 mm，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為：

絲杠的壽命值為：

絲杠承受的最大動(dòng)載荷為：

基于最大動(dòng)載荷查閱滾珠絲杠參數(shù)，選擇滾珠絲杠型號(hào)為FFZD4008-3，其絲杠的公稱(chēng)直徑為40 mm，導(dǎo)程為8 mm，額定動(dòng)載荷是19 800 N，超過(guò)以上計(jì)算最大動(dòng)載荷，因此確定該款絲杠強(qiáng)度足夠。

2.2.2 滾珠絲杠傳動(dòng)效率計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為：

η=其中γ為絲桿螺紋的螺旋升角，該型號(hào)絲桿為5°06′；φ為摩擦角，取10′。

2.2.3 滾珠絲杠穩(wěn)定性驗(yàn)算

目前數(shù)控銑床的縱向和橫向多采用伺服電機(jī)，進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無(wú)間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。本文設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)擬采用的是滾珠絲杠副傳動(dòng)，以減少摩擦因數(shù)，提高進(jìn)給機(jī)構(gòu)的整體剛度。滾珠絲杠與電機(jī)采用聯(lián)軸器直接連接，以消除間隙。選用的滾珠絲杠型號(hào)及支承方式是基于實(shí)際安裝調(diào)試及穩(wěn)定性，驗(yàn)證結(jié)果顯示穩(wěn)定性較好。

2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇

2.3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

式中：D為絲杠的直徑，cm；L為絲杠的總長(zhǎng)，cm。

齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（因伺服電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量極小，忽略不計(jì)）為：

2.3.2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算

快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩：M1=Mamax+Mf+M0

最大切削負(fù)載時(shí)所需轉(zhuǎn)矩：M2=Mat+Mf+M0+Mt

快速進(jìn)給時(shí)所需轉(zhuǎn)矩：M3=Mf+M0

式中：Mamax為空載最大加速轉(zhuǎn)矩；Mf為摩擦轉(zhuǎn)矩；M0為絲杠預(yù)緊附加轉(zhuǎn)矩；Mat為切削加速轉(zhuǎn)矩；Mt為切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)代入后，得出最大切削負(fù)載時(shí)所需轉(zhuǎn)矩M2=4.235 N·m。

2.3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高工作頻率及最大靜力矩計(jì)算

根據(jù)由式計(jì)算所得的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)在切削狀態(tài)下的負(fù)載力矩Mt，采用下式計(jì)算系統(tǒng)在切削狀態(tài)下，所需的步進(jìn)電機(jī)的最大靜力矩Ms為：

基于以上計(jì)算結(jié)果及步進(jìn)電機(jī)參數(shù)選用110BYG250C-0402型2相步進(jìn)電機(jī)，該型電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩達(dá)到12 N·m，大于要求的最大切削負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)矩4.235 N·m及最大靜力矩10.59 N·m，其各項(xiàng)性能完全滿足要求。

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算包括步進(jìn)電機(jī)選型、減速齒輪副的設(shè)計(jì)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱(chēng)為“步距角”），其旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？赏ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差（精度為100%）的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制[5-6]。

圖2 限位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.1 縱向、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)和減速齒輪安裝在原進(jìn)給箱的位置，滾珠絲杠安裝在原絲杠的位置。滾珠絲杠副的螺母固定到溜板箱上，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲杠，從而帶動(dòng)溜板箱左右、前后方向移動(dòng)[7]。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 縱向、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3.2 托板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

托板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 托板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.3 自動(dòng)進(jìn)給操縱手柄

通過(guò)選取國(guó)標(biāo)公制圓錐，可以使末端齒輪與小錐度心軸達(dá)到配合要求，并可在到達(dá)選定位置時(shí)推動(dòng)手柄3，使手柄與齒輪4脫離，達(dá)到停止傳動(dòng)的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了數(shù)控鉆床自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)、相關(guān)的數(shù)據(jù)及要求，完成了數(shù)控鉆孔機(jī)拖板自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了機(jī)械設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)包括對(duì)伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、絲杠等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、選型和校核，并通過(guò)選擇一些重要部件對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性校核。通過(guò)以上多方面的創(chuàng)新及實(shí)際的試生產(chǎn)，能滿足許多鉆孔零件加工的實(shí)際工程要求，在小型零件加工中具有重要實(shí)用價(jià)值。

圖5 操縱手柄圖

圖6 總體結(jié)構(gòu)布局示意圖