铣床工作台纵向伺服进给单元设计_徐忠四

第1期(总第152期)2009年2月机械工程与自动化M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G &　AU T O M A T IO N N o.1F eb.文章编号:1672-6413(2009)01-0173-03铣床工作台纵向伺服进给单元设计徐忠四,朱学裕(中北大学机电工程学院,山西　太原　030051)摘要:根据某种型号铣床工作台的工作要求,确定了铣床工作台纵向进给单元的总体方案,设计了3个关键的机械传动部件:膜片弹性联轴器、滚珠丝杠副、伺服电机,进而确定了装配箱体的尺寸和技术要求,并用So lidW or ks 软件绘制了铣床工作台纵向进给机构装配立体图,为进一步对铣床工作台进行优化设计奠定了基础。

关键词:铣床工作台;进给单元;膜片弹性联轴器;滚珠丝杠副;伺服电机中图分类号:T G 547 文献标识码:B收稿日期:2008-05-08;修回稿日期:2008-09-27作者简介:徐忠四(1977-),男,湖北咸宁人,助教,硕士,主要从事数控机床总体设计、精密测试等方面的研究工作。

0　引言数控铣床的伺服进给单元是铣床的重要组成部分,它的进给传动是由伺服电机经过进给传动系统将动力传递给工作台等运动部件,机械传动部件的设计好坏对进给伺服单元的伺服性能影响很大。

在设计过程中,常常由于在设计阶段机械传动部件没有得到足够的重视,结果使位置调节难度增加,所以对数控铣床的纵向伺服进给机构进行理论设计具有重要意义。

1　铣床工作台的工作要求某型号经济型数控铣床的纵向步进脉冲当量为0.01mm /脉冲;垂直切削力F z =370N ,进给切削力F x =320N ;步进电机的步距角1.5o;铣床工作台的总重量G =2400N ,最大切削力下的进给速度V s =0.7m /min,机床的使用寿命按照15000h 计算。

2　铣床工作台纵向进给单元的总体方案现代数控机床常见的两种伺服进给系统传动的结构形式是静压蜗杆蜗母条副传动和滚珠丝杠螺母副传动。

静压蜗杆蜗母条副传动能满足加工中心进给元件没有间隙、磨损小、刚度高、阻尼性好、传动效率高的要求,它是丝杠螺母机构的一种特殊形式,适用于龙门镗铣床、数控落地铣镗床。

其优点表现在摩擦阻力小、使用寿命长、抗振性能好,且有足够的轴向刚度,蜗母条能无限接长。

滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动相互转换的新型传动装置,一般应用于机械加工的高速加工中心和经济型高速数控机床,它具有以下特点:¹传动效率高,摩擦损失小;º给予适当的预紧,可消除丝杠和螺母螺纹间隙;»运动平稳,无爬行现象,传动精度高;¼有可逆性;½磨损小,使用寿命长。

根据铣床工作台纵向伺服进给单元的工作要求,并且为了保证经济型铣床具有一定的传动精度和平稳性,尽量减小摩擦,故选用滚珠丝杠螺母副。

铣床工作台的两种传动结构形式见图1。

由于滚珠丝杠、伺服电机及其控制单元性能的提高,因此很多加工中心的进给系统中已去掉减速机构,而采用伺服电机直接与滚珠丝杠连接,因而使整个系统结构简单,减少了产生误差的环节;同时,由于转动惯量减小,使伺服特性也有所改善,能保证运动的精度和动作的灵敏度,所以,经济铣床工作台伺服进给单元采用如图1(b)所示的结构形式,相对于图1(a)所示的结构形式,不但可简化结构,保证运动精度,而且还大大减少了生产成本。

3　几个关键元件的结构与型号选择3.1　膜片弹性联轴器膜片弹性联轴器用于把伺服电机所产生的转矩直接传递到滚珠丝杠上。

数控机床上常用无键弹性环联轴节和套筒式联轴节,其中弹性环联轴节具有定心好、承载能力强、没有集中源、装拆方便、密封和保护性好等优点,因此得到了广泛应用。

用得最普遍的是如图2所示的直联式,它是通过挠性联轴节把伺服电机和滚珠丝杠联接起来,图中所示“锥环”是无隙直联方式的关键元件。

选择联轴器的主要依据是传递的最大扭矩,它应小于或等于许用扭矩值,最大扭矩的确定应考虑机器制动所需加减速扭矩和过载扭矩。

最大扭矩不易确定的,可按计算扭矩T C 选用。

由已知数据可知理论扭矩T (N ・m )为:T =9550P wn。

则:T c =K T 。

其中:K 为工作情况系数,通常1<K <5,由于电动机带动,故取K =1.2;P w 为驱动功率,kW;n 为转速,r /min 。

代入已知数据,计算得T c =4.776N ・m 。

由《实用机床设计手册》可查出膜片弹性联轴器JB/T 9147-200015X35JM I1符合要求。

(a)齿轮传动结构方案(b )联轴器传动结构方案图1　铣床工作台总体传动结构方案图1—压圈;2—联轴器;3,5—球面垫圈;4—柔性片;6—锥环;7—电动机;8—滚珠丝杠图2　膜片弹性联轴器3.2　滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是能进行直线运动与回转运动相互转换的新型传动装置,滚珠丝杠螺母副的结构原理示意图见图3。

在丝杠3和螺母1上部有半圆弧形的螺旋槽,当将它们套装在—起时便构成滚珠的螺旋滚道。

螺母上有滚珠回路管道b,a 与c 为滚珠在螺母上的进出口,将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道,并在滚道内装满滚珠2。

当丝杠旋转时,滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动,因而迫使螺母(或丝杠)轴向移动。

1—螺母;2—滚珠;3—丝杠图3　滚珠丝杠原理示意图滚珠丝杠副类型的选择主要是根据导程和动载荷两个参数,其选择的原则为:¹滚珠丝杠的动载荷C a 不能大于额定动载荷C am ,即C a ≤C am ;º滚珠丝杠的静载荷C oa 不能大于额定静载荷C oam ,即C oa ≤C oam 。

C a (N)和C oa (N )由下式确定:C a =(60nL h )1/3Ff w100。

C oa =f d F max 。

其中:L h 为预期工作时间,本设计取15000h;f w 为负载性质系数,本设计采用1.2;f d 为静态安全系数,本设计采用1.0;F max 为最大轴向力(N )。

代入已知参数,计算得C a =5691N,C oa =1419N 。

查《实用机床设计手册》可知,FF 型内循环浮动返向器单螺母无预紧滚珠丝杠副的FF2005型号符合上述要求。

3.3　伺服电机伺服电机主要用于接收数控系统发出的进给指令信号,并将其转变为角位移或直线位移,从而驱动执行部件实现所要求的运动。

随着超高速切削、超精密加工等先进制造技术的发展,对机床各项性能指标提出了越来越高的要求,特别是对机床进给系统的伺服性能提出了更高的要求,即要有很高的驱动推力、快速进给速度和极高的快速定位精度。

对此,国内外有关专家也先后提出了用直线电动机直接驱动机床工作・174・　机械工程与自动化 2009年第1期　台的有关方案。

从直线电动机的工作原理来讲,它与旋转电动机一样也有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种类型;而从其结构来讲,它又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。

由此,直线电动机可派生出比旋转电动机更多的种类。

因此,在实际应用中应采用当前已成熟的相关技术,通过扬长避短、综合分析,选择更合理的设计方案。

伺服电动机的选择主要根据最大切削负载T f 、设计中最大转速n max 及惯量匹配J L 3个参数进行,选择原则为:额定转矩大于最大切削负载,即T >T f ;额定转速大于最大转速,即n >n max ;电动机转子惯量J m 与折算到电机轴上的总惯量J L 比值必须在1～4之间,即1<J mJ L<4。

综合上述计算结果,可知电机需要满足0.00119<J m <0.00476,T > 1.3315N ・m ,n >140r /min ,根据北京数控设备厂生产的FANU C -BESK 的电机参数,可知B 8符合要求。

4　纵向进给机构装配立体图由上述计算结果根据《实用机床设计手册》选择出滚珠丝杠副、伺服电机、膜片弹性联轴器,根据这些标准尺寸采用计算机软件SolidWorks 绘制出纵向进给机构装配立体图,见图4。

5　结论本文系统地研究了数控铣床进给传动系统的设计方法,以SolidW orks 为软件开发平台,完成了针对数控铣床进给传动系统机械传动部件的设计,有效地提高了机构设计的质量和效率。

1—伺服电机;2—箱体;3—膜片弹性联轴器;4—滚珠丝杠副;5—工作台图4　纵向进给机构装配立体图参考文献:[1]　王爱玲.现代数控机床结构与设计[M ].北京:兵器工业出版社,1999.[2]　戴向云.X 502铣床机械部分数控改造设计[J ].机械工程师,2006(9):69-70.[3]　谢红,高键.加工中心的工作台和伺服进给系统设计[J ].现代机械,2002(2):3-5.[4]　杨祖孝.数控机床进给滚珠丝杠的选择与计算[J ].机床与液压,1999(3):50-54.[5]　胡秋.数控机床伺服进给系统的设计[J].机床与液压,2004(6):55-57.[6]　张春良.直线电机伺服进给系统及其关键技术问题[J].组合机床与自动化加工技术,2001(11):37-39.Design on Portrait Servo Feeding Cell of Milling Machine WorktableXU Zhong -si ,ZHU Xue -yu(S ch ool of M echatronic E ngineering ,North Un ivers ity of Ch ina,T aiyuan 030051,China)Abstract :A cco rding to the w or king co ndit ion of a certain ty pe milling machine w or kt able ,the to tal scheme of por tra it serv o feeding cell of milling machine wo rktable is det ermined.T hree key mechanical tr ansmission pa rts have been desig ned,which ar e membrane shaft co upling ,ball -scr ew pair s a nd serv o mot or s .T hen assembly bo x's dimensions and technical specificat ions are deter mined .Finally,the thr ee-dimensional a ssembly dr awing of po rt rait ser vo feeding cell o f milling machine w o rktable is plo tted o n SolidWo rkssoftw ar e ,w hich has laid a cert ain foundat ion fo r deepening the study on the optimizatio n desig n o f milling machine w or ktable .Key words :milling machine w or ktable;feeding cell;membr ane shaft co upling ;ball bearing and scr ew pair s;serv o m oto rs(上接第172页)USB Interface Improvement on EconomicallyNumerical Control Machine ToolHAO Jiang -bo 1,LIU Yong -j iang 2,WANG Biao 2(1.Electrical Engineering Department,S chool of Information an d Commun ication Engineerin g,North U nivers ity of Ch ina,T aiyuan 030051,China;2.Advan ced M an ufactur ing T ech nology Key L aboratory,College of M echan ical Engin eering &Autom atization,North U nivers ity of Ch ina,Taiyuan 030051,China)Abstract :Data t ransmissio n speed is slow in co mplex surfa ces'N C machining ,w hich leads to co mmunicat ion competit ion defect ,the paper br ings up a new interface bet ween t he host co mputer o f numerical co ntro l system and t he numer ical contr ol m achine too l,w hich is U SB interface .Wit h the use of U SB inter face w hich makes data tr ansmission fast ,the co nfigur atio n flexible of eco no mically numer ical co ntro l machine to ol and PC is impr o ved,and the net wo rk function of it is ex tended,w hich also solv es the data communication competition pro blem .Key words :eco nomically numerica l contr ol machine to ol;U SB inter face ;impr ov ement・175・　2009年第1期 机械工程与自动化　。