祝　烽

（廣東潤星科技股份有限公司，東莞 523598）

數(shù)控立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計

祝烽

（廣東潤星科技股份有限公司，東莞 523598）

對數(shù)控立式加工中心的X向進(jìn)給系統(tǒng)的主要部分進(jìn)行設(shè)計，并做出說明。主要內(nèi)容包括X向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計的整體方案、滾珠絲杠的選擇、滾珠絲杠支撐的選擇、進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇等。其中，重點介紹滾珠絲杠和伺服電機(jī)的選擇，介紹如何在已知機(jī)床設(shè)計目標(biāo)參數(shù)的條件下，結(jié)合機(jī)床實際使用情況和絲杠及電機(jī)廠家的產(chǎn)品資料。

數(shù)控立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)

引言

數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)是機(jī)床的關(guān)鍵部件，它的設(shè)計要求根據(jù)機(jī)床的各項指標(biāo)、參數(shù)要求以及機(jī)床的工作情況來選擇進(jìn)給伺服系統(tǒng)的各種元件。隨著數(shù)控機(jī)床對精度和快速進(jìn)給越來越高的要求，對機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)提出了更高的要求。本文介紹了數(shù)控立式加工中心X向進(jìn)給系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計方案、計算結(jié)果，以便同行參考和改進(jìn)發(fā)展。

1　X向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計

1.1相關(guān)機(jī)床參數(shù)

X向行程：1100mm；快速進(jìn)給速度：60m/min；定位精度：0.01mm/300；重復(fù)定位精度：0.005mm；X向移動件質(zhì)量：1000kg；加減速時間常數(shù)：0.1s。

1.2整體方案設(shè)計

數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令經(jīng)伺服系統(tǒng)、伺服電機(jī)、同步齒形帶帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)X向溜板的橫向移動。伺服系統(tǒng)選擇開環(huán)控制。相對于閉環(huán)系統(tǒng)，開環(huán)系統(tǒng)的安裝及調(diào)整比較簡單，而且價格便宜。本臺機(jī)床設(shè)計進(jìn)給系統(tǒng)傳動鏈短，選擇精度等級合適的滾珠絲杠即可保證機(jī)床的精度。在本臺機(jī)床結(jié)構(gòu)中，為了減小機(jī)床的整體長度，方便安裝，采用同步帶傳動。同步齒形帶具有以下的優(yōu)點：無滑動，能保證正確傳動比；初拉力小，軸承和絲杠所受載荷??；帶厚度小，柔性好，線速度高；可進(jìn)行變速傳動，可以增大扭矩或者提高轉(zhuǎn)速。這種連接方式避免了使用減速箱，加工和裝配都非常方便，而且可以使機(jī)床結(jié)構(gòu)更加緊湊。

1.3滾珠絲杠的選擇計算

對于數(shù)控機(jī)床的直線運(yùn)動，在行程不太長的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇滾珠絲杠。因為滾珠絲杠具有以下優(yōu)點：傳動效率高，可達(dá)85%～90%；滾珠絲杠的靜、動摩擦系數(shù)幾乎無差別，可避免低速爬行；滾珠絲杠可以進(jìn)行預(yù)拉伸，以消除溫度變化對精度的影響；有眾多專業(yè)的滾珠絲杠生產(chǎn)廠家，選擇范圍廣，可以選擇制造精度適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品；滾珠絲杠裝配、調(diào)整簡單，可縮短裝配周期并增加可靠性。

與X軸有關(guān)的已知條件與要求。X向絲杠采用兩端固定，兩端軸承均采用NSK公司絲杠支撐軸承：40TAC72B DB C10PN7B和 40TAC72B DF C10PN7B，規(guī)格 72×40× 15，使用一組DB型和DF型，采用油脂潤滑方式。已知條件：兩固定點間距為L=1450mm；X向行程1100mm；快速進(jìn)給速度 60m/min；定位精度 0.01mm/300；重復(fù)定位精度0.005mm；X向移動件質(zhì)量1000kg；加減速時間常數(shù)0.1s。

絲杠直徑與導(dǎo)程確定。根據(jù)縱向快速移動速度、移動部件質(zhì)量、伺服控制的特點等條件，并參考其他同類機(jī)床，初步確定絲杠直徑D=50mm。因為絲杠是兩端固定，所以其產(chǎn)生共振的允許轉(zhuǎn)速可以提高，可以不用計算，只計算DN值的允許速度即可。當(dāng)DN=130000時，Φ50mm的滾珠絲杠允許轉(zhuǎn)速為N=2600rpm，導(dǎo)程P=V/N=60000/2600=23mm，根據(jù)滾珠絲杠的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)程選擇P=30mm。此時，絲杠的最高轉(zhuǎn)速Nmax=60000/30=2000rpm。

絲杠螺母副型號的選擇。根據(jù)THK公司的綜合樣本，選擇絲杠螺母副的型號為SBK5030-7.6RRG0+1600LC3，預(yù)壓載荷為 3330N。有關(guān)計算的主要參數(shù)：絲杠外徑d=Φ50mm；導(dǎo)程 p=30mm；基本額定動載荷 Ca=66500N；基本額定靜載荷Cao=135000N。

1.4伺服電機(jī)的選擇

伺服電機(jī)分為直流和交流。交流伺服電機(jī)沒有電刷，壽命長，允許轉(zhuǎn)速高，適用于易燃易爆的環(huán)境，因此目前數(shù)控機(jī)床大都采用交流伺服電機(jī)。該類電機(jī)的工作區(qū)域主要分為三個：連續(xù)工作區(qū)、斷續(xù)工作區(qū)和加減速區(qū)。在連續(xù)工作區(qū)內(nèi)，伺服電機(jī)基本上是恒扭矩輸出，轉(zhuǎn)速對扭矩的影響不大。因此，連續(xù)工作區(qū)的最大輸出扭矩就是伺服電機(jī)的額定扭矩。在這個區(qū)域里，伺服電機(jī)可以連續(xù)長時間工作而不過熱。斷續(xù)加工區(qū)域和加減速區(qū)域則用于短期工作，這時伺服電機(jī)在低速下所能提供的扭矩遠(yuǎn)大于額定扭矩，是伺服電機(jī)的最大扭矩。這時電機(jī)發(fā)熱很多，如為斷續(xù)工作或短時工作，則工作時間不太長，停止時電機(jī)冷卻，則可保證伺服電機(jī)不至于過熱。本臺機(jī)床選擇FANUC交流伺服電機(jī)，可根據(jù)下列3個指標(biāo)來進(jìn)行選擇。

（1）電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量JM應(yīng)與負(fù)載慣量JL相匹配。X向進(jìn)給電機(jī)選擇：傳動比i=1.5；電機(jī)的負(fù)載慣量JL=J1+J2+J3，其中J1為移動部件總質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2），J1=mZ×P2×10-6，這里mZ為移動部件總質(zhì)量，為1000kg；P為絲杠導(dǎo)程，所以J1=0.011kg·m2；而J2為絲杠本身及安裝在絲杠上一起轉(zhuǎn)動的小零件質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；J2=（d14×L1+d14×L1+d14×L1+……dn4×Ln）×1/i2×10-12，這里d1…dn為絲杠各軸頸部的直徑（mm），L1…Ln為絲杠各軸頸部對應(yīng)的長度（mm），所以J2= （354×50+404×100+424×8+454×17+504×1350+404×95）× 1/1.52×10-12=0.003kg·m2；J3為同步齒形帶的轉(zhuǎn)動慣量。J3很小，可忽略不計。所以，JL=J1+J2+J3=0.011+0.003=0.014kg· m2。

按照FANUC樣本資料，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量JL與電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量JM比值在JL/JM=1～3時，均能正常工作。因此，選擇22/4000交流伺服電機(jī)，主要參數(shù)：額定扭矩為22Nm；最高轉(zhuǎn)速為4000rpm；轉(zhuǎn)動慣量為0.0053kg·m2。由以上的計算可知，所選伺服電機(jī)滿足JL/JM=0.014/0.0053=2.64≤3的要求。所以，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可以滿足絲杠最高轉(zhuǎn)速的要求。

（2）最大切削負(fù)載扭矩不得超過伺服電機(jī)的額定扭矩。伺服電機(jī)工作時的最大切削負(fù)載扭矩T=TP+TD。式中，TP為外部負(fù)載產(chǎn)生的摩擦扭矩；Fa為軸向負(fù)載，F(xiàn)a=F+W；F為切削力，此處F取3000N；W為移動件總重量；摩擦因數(shù)取0.003；絲杠導(dǎo)程取P=30mm；η為滾珠絲杠的機(jī)械效率，取η=0.9。所以，TP=16.09Nm。TD為預(yù)壓產(chǎn)生的摩擦扭矩TP=k；Fo為絲杠預(yù)緊力，為3330N；K為預(yù)緊螺帽內(nèi)摩擦系數(shù)，為0.2。于是，TD=3.15Nm。所以

T=TP+TD=16.09+3.15=19.24Nm≤22Nm

（3）伺服電機(jī)的加速性能。按照FANUC樣本資料可以查到，22/4000交流伺服電機(jī)的最大輸出扭矩 Tmax=76Nm，機(jī)械時間常數(shù)tm=0.1s，加速度時間ta=0.09s。

當(dāng)交流伺服電機(jī)以階躍指令加速時，轉(zhuǎn)速是按指數(shù)曲線上升的。當(dāng)時間達(dá)到交流伺服電機(jī)機(jī)械時間常數(shù)的3倍時（ta=3tm），交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高轉(zhuǎn)速的 95%；當(dāng)時間達(dá)到交流伺服電機(jī)機(jī)械時間常數(shù)的4倍時（ta=4tm），達(dá)到交流伺服電機(jī)的98.2%。本系統(tǒng)中，ta≤（3～4）tm，說明交流伺服電機(jī)有足夠的加速能力。

2　總結(jié)

數(shù)控立式加工中心的X向進(jìn)給系統(tǒng)使用交流伺服電機(jī)，經(jīng)同步齒形帶與絲杠連接，采用半閉環(huán)系統(tǒng)在產(chǎn)品制造和檢驗后證明是能成功的，伺服系統(tǒng)的各項指標(biāo)完全能夠達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

Design of Feed System of CNC Vertical Machining Center

ZHU Feng
（Guangdong run Polytron Technologies Inc，Dongguan 523598）

The main part of the X to the feed system of CNC vertical machining center is designed，and the description is made.The main contents include the X to the feed system design of the overall program，the choice of ball screw，ball screw support selection，feed servo motor selection，etc..Among them，the selection of ball screw and servo motor is introduced，and how to combine the actual use of the machine and the product information of the screw and the electric machine is introduced.

CNC vertical，machining center，feed system