VDL850 數(shù)控加工中心Z 向伺服機構(gòu)設(shè)計

建恩德

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

1 VDL 850 數(shù)控加工中心Z 向伺服機構(gòu)設(shè)計

1.1 Z 向伺服機構(gòu)方案論證

在知網(wǎng)、萬方查閱大量資料和設(shè)計案例后，將總體設(shè)計方案確定如下：本設(shè)計采用數(shù)控系統(tǒng)進行控制，采用步進電機進行驅(qū)動，可以實現(xiàn)連續(xù)式進給，做到了結(jié)構(gòu)尺寸小，可靠性好，傳動平穩(wěn)，精度高，噪音小，傳動動力大，滿足生產(chǎn)實際要求。

1.2 機床數(shù)控系統(tǒng)控制類型的選擇

數(shù)控控制系統(tǒng)可分為：點位控制和連續(xù)控制兩類，前者刀架在移動過程中不受力，后者刀架在移動過程中進行切削加工。本設(shè)計要求加工平面內(nèi)連續(xù)加工，精度要求較高，刀具沿X軸、Y 軸、Z 軸坐標(biāo)移動，精度直接決定了工件加工精度，又因Z向切割動作過程受力，因此選擇連續(xù)控制方式。

確定傳動方式時一般考慮兩點要求：平穩(wěn)、精度。因此本設(shè)計采用滾珠絲杠、斜齒輪等機構(gòu)來保證傳動過程的平穩(wěn)性和高精度。另外，為了提高傳動系統(tǒng)整體剛度，盡可能提高精度，對滾珠絲杠軸端設(shè)置緊固裝置。考慮到進給量與步進電機分辨率不一致的問題，搭配一級減速機構(gòu)。

本設(shè)計的數(shù)控銑床選用FANUC 數(shù)控系統(tǒng)，因本設(shè)計的側(cè)重點為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，故控制系統(tǒng)僅做選配。VDL 850 數(shù)控加工中心總體設(shè)計示意圖如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計示意圖

液壓與氣動的傳動方式主要用在傳動力大，控制精度要求不高的場合，如夾持機械手等。本設(shè)計項目為工程樣機或精細(xì)零件的制作，精度要求極高，但執(zhí)行機構(gòu)作用力不大，因此為了盡量減小設(shè)備體積，降低機床制造成本，選用步進電機進行驅(qū)動。根據(jù)同類產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，其功率完全滿足設(shè)計要求。

2 VDL850 數(shù)控加工中心Z 向伺服機構(gòu)詳細(xì)設(shè)計計算

2.1 傳動比i 的確定

只有在傳動比為1 時，滾珠絲杠才能直接與電機連接，省去減速機構(gòu)，這樣做可以降低生產(chǎn)成本，大大減輕銑床的體積和重量，且減少尺寸鏈環(huán)節(jié)，從而盡可能降低誤差。

2.2 步進電機的選定

電機選用時，首先計算系統(tǒng)的負(fù)荷扭矩。確定功率步進電機型號時，還需要估計機械系統(tǒng)負(fù)載慣量和機床所需的啟動頻率，并且具有與步進電機的慣性頻率特性一致的恒定余量，此外還要考慮刀架快速移動的設(shè)計要求。

2.3 脈沖當(dāng)量δ 的確定

脈沖信號每發(fā)生一次相應(yīng)的機床執(zhí)行機構(gòu)的移動量稱為脈沖當(dāng)量。在本設(shè)計中，每格誤差控制在±0.05mm 以內(nèi)，因此脈沖當(dāng)量選定為0.05。

2.4 Z 向進給電機參數(shù)的確定

因結(jié)構(gòu)限制該處空間不足以布置減速機構(gòu)，因此傳動比取1。查機械設(shè)計手冊，確定型號為110BF003。

2.5 Z 向進給絲杠參數(shù)的確定

刀具的Z 向進給系統(tǒng)的設(shè)計包括絲杠螺母參數(shù)的確定，電機參數(shù)的確定，斜齒輪參數(shù)的確定。首先計算最大動載，因?qū)L珠螺桿副將實施預(yù)緊，估算允許的滾珠螺桿副的最小螺紋底徑為7.1mm,最終確定滾珠絲杠的型號為FFZD2004-3。

3 關(guān)鍵部件的校核計算

3.1 電機參數(shù)的校核

根據(jù)手冊查的電機起動轉(zhuǎn)矩要求如下：Mkq ≤Mmq=λMjmax

根據(jù)吳振彪主編的機電綜合設(shè)計指導(dǎo)[1]表2-11，

110BF003 質(zhì)量為6kg，JD=46.125×10-5 kg·cm2

根據(jù)吳振彪主編的機電綜合設(shè)計指導(dǎo)[1] 表2-12，查得=0.087521

故Mkq=0.2337 N·m≤Mmq =λMjmax=0.678944 N·m，滿足設(shè)計要求。

3.2 滾珠絲杠的校核

d0=20mm L0=4mm Ca=7300N>4091N d2=16.9>7.1mm

其精度等級是4 級,因此轉(zhuǎn)速最高值約2000rpm，遠小于手冊規(guī)定的最大允許轉(zhuǎn)速，因此滿足設(shè)計要求。

一般來說在微小型機床中絲杠的設(shè)計壽命只要大于1 萬小時就能滿足使用要求，本設(shè)計中該處滾珠絲杠的壽命為10750h，因此，滿足設(shè)計使用要求。

4 設(shè)計工作與達到的預(yù)期效果（圖2）

圖2 Z 向進給傳動系統(tǒng)部件裝配圖

本次設(shè)計通過分析VDL850 數(shù)控加工中心Z 向伺服機構(gòu)的傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)特性，設(shè)計了步進電機替代方案；根據(jù)數(shù)控機床工作受力情況，選擇連續(xù)控制方式；考慮到傳動的平穩(wěn)性和設(shè)備較高的精度要求，選用滾珠絲杠的傳動方式；在總體設(shè)計環(huán)節(jié)，根據(jù)設(shè)計的功能參數(shù)和精度參數(shù)，以及受力較小而精度較高的特點，選擇了步進電機的驅(qū)動方式。

首先，選定步進電機的脈沖當(dāng)量，脈沖量的選定應(yīng)該按照銑床的精度來確定，又因機構(gòu)有一定誤差，脈沖當(dāng)量應(yīng)低于定位公差；然后根據(jù)電機脈沖當(dāng)量和電機步距角計算大致傳動比，考慮電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等因素傳動比可進一步調(diào)整；進給系統(tǒng)的設(shè)計包括滾珠絲杠參數(shù)的確定與校核，電機參數(shù)的確定與校核。

Z 向進給系統(tǒng)為單絲杠單電機傳動系統(tǒng)，首先在滾珠絲杠參數(shù)計算中，根據(jù)最大動載荷要小于絲杠需用載荷的原則，進行計算，并根據(jù)設(shè)計手冊，確定滾珠絲杠的型號為FFZD2004-3，然后再用定位精度的要求進行校核。

選用電機時選擇電機要考慮的主要問題是功率，其次是啟動所需要的轉(zhuǎn)矩，再次是θb要與脈沖當(dāng)量匹配。根據(jù)手冊計算電機啟起動轉(zhuǎn)矩的要求，查機械設(shè)計手冊，確定型號，然后根據(jù)Mkq Mmq =Mjmax 的要求進行校核。

最后是聯(lián)軸器、軸承和主軸電機等零部件的設(shè)計。確定聯(lián)軸器型號時，要先根據(jù)使用環(huán)境選擇類型，然后根據(jù)傳遞的扭矩從標(biāo)準(zhǔn)序列表中查找合適的型號，最后在根據(jù)手冊提供的公式進行校核。在確定電機參數(shù)時，已經(jīng)明確轉(zhuǎn)矩為169.94×10-4N·m，但本設(shè)計中的電機輸出軸和傳動軸直徑不一致，因此只能選擇GB5843-2003 凸緣聯(lián)軸器。經(jīng)過校核扭矩和轉(zhuǎn)速的校核，滿足設(shè)計要求。根據(jù)設(shè)計手冊[2]軸承預(yù)載荷的三倍要大于極限載荷的要求，查機電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊[2]表3.8-3，確定軸承代號7602020-TVP。

5 未來發(fā)展的趨勢

在當(dāng)今高速加工機床迅猛發(fā)展的進程中，工程人員仍認(rèn)可這一點：提高進給系統(tǒng)的速度是實現(xiàn)高速的主要途徑。

人們?yōu)閷崿F(xiàn)高速進給而探索研究出直線電機、并聯(lián)虛擬軸機床等技術(shù)，但由于直線電機高速進給相較于滾珠絲杠成本較高，對一般的加工企業(yè)來說承擔(dān)不起這一項高額支出，而基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高速進給系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展還不完善。因此，高速滾珠絲杠螺母副傳動系統(tǒng)在高速進給驅(qū)動系統(tǒng)中仍然占主導(dǎo)地位發(fā)展高速滾珠絲杠螺母副是實現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵技術(shù)之一。

綜合考慮來看，要實現(xiàn)精密滾珠絲杠的高速化的基礎(chǔ)主要是進行結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新，同時也要提高工藝水平和制造質(zhì)量。

采用滾珠絲杠副傳動實現(xiàn)的高速進給系統(tǒng)與采用直線電機驅(qū)動的進給系統(tǒng)相比，可以大幅度降低成本日本精工已經(jīng)研制出了進給速度高達100m/min 的滾珠絲杠，采取的改進措施主要有采用16～32mm 大導(dǎo)程，提高滾珠循環(huán)部分零件質(zhì)量，采用多頭螺紋以增加有效圈數(shù)，改進滾道形狀等。從而實現(xiàn)了進給系統(tǒng)的高速、高剛度以及高承載能力。