數(shù)控機床進給系統(tǒng)選型設計

陳林江 鄭 雷 董香龍 李證凱 仇 剛 佘金海 張 晨 韋文東

（1.鹽城工學院 機械工程學院，鹽城 224051；2.南京工程學院 機械工程學院，南京 211167）

機床進給一般是指機床工作時工件移向刀具或刀具移向工件的過程，并且通過各個方向自由度的組合，覆蓋所需的加工坐標系，影響著被加工件的位置精度和形狀精度[1]。為了保證進給系統(tǒng)的傳動精度，首先需要提高傳動零部件的定位精度及精度保持性。其次，改善支承部件的動、靜剛度，以獲得高速穩(wěn)定、低速不爬行的動態(tài)穩(wěn)定性。最后，針對不同的加工環(huán)境，選擇合適的控制方式，實現(xiàn)慣量匹配等，這對提高進給系統(tǒng)的傳動性能都有顯著的效果。

目前，在國內(nèi)機床進給系統(tǒng)的設計過程中，類比和經(jīng)驗依舊是主要設計手段，較為明確的設計實例也很少見，因此我國在機床系統(tǒng)的開發(fā)設計、應用推廣、參數(shù)性能等方面都與國外先進水平存在著很大的差距。因此，規(guī)范的設計選型不僅能提供可靠的零部件參數(shù)尺寸，還有利于搭建正確的裝配順序。

1 方案設計

結合現(xiàn)代進給系統(tǒng)的精度高、剛度好、動態(tài)穩(wěn)定的發(fā)展趨勢，完成對進給系統(tǒng)的結構設計。將設計方案劃分為對控制、執(zhí)行、支承等子系統(tǒng)的相關設計。相關設計參數(shù)如表1、表2所示。

表1 設計參數(shù)

表2 各切削方式下切削力、速度和時間比例

1.1 控制系統(tǒng)

圖1是半閉環(huán)系統(tǒng)，CNC裝置1發(fā)出指令經(jīng)伺服系統(tǒng)5、電機6帶動執(zhí)行部件4按照程序運動。信號采集器7采集電機的輸出數(shù)據(jù)并將信號送至伺服系統(tǒng)，與CNC裝置發(fā)出的指令比較并檢查程序是否被正確執(zhí)行，并糾正誤差。

1.2 執(zhí)行系統(tǒng)

1.2.1 滾珠絲杠螺母副

滾珠絲杠副是機床進給系統(tǒng)中常見的運動變換機構，摩擦損失較小、效率高。還能通過預緊來消除軸向間隙，而且低速不爬行，高速較穩(wěn)定。

1.2.2 滾滑復合導軌

對于重型負載的執(zhí)行部件來說，導軌的承載、振動等都將面臨極大的挑戰(zhàn)。而滑動導軌和滾動導軌由于各自的局限性不能夠適應越來越高的傳動要求。新型滾滑復合導軌綜合了這些導軌的特點，在結構中設置了滾動和滑動兩種結合面，如圖2所示。摩擦因素極小，比貼塑導軌還小得多，且動、靜摩擦因數(shù)很接近，使得該系統(tǒng)具有高速響應、低慣性的性能，運動較平穩(wěn)，精度足夠[2]。

圖1 半閉環(huán)控制

圖2 新型滾滑復合導軌

1.3 支承系統(tǒng)

支承大件對于進給系統(tǒng)的整體性能也有著非常重要的影響。在空間容量上，工作臺要能容納加工零件的最大輪廓尺寸，而床身要能容納傳動、執(zhí)行系統(tǒng)部件；在性能要求上，保證工作應力、變形和撓度在規(guī)定的范圍內(nèi)，并且靜剛度要高，動剛度要好。

1.4 整體方案

本文采用半閉環(huán)控制方式，檢測并糾正電機的輸出值，維護成本相對較低且保證了一定的輸出精度，并選用性能良好的交流伺服電機及撓性較好的膜片聯(lián)軸器，確保進入執(zhí)行系統(tǒng)的輸入值較為精確。同時，選用滾珠絲杠螺母副、固定—固定支承、60°角接觸球軸承及其背靠背雙列組合，并設計了滾滑復合導軌，確保系統(tǒng)的剛度、抗振性、定位精度等得到極大的改善，實現(xiàn)了低速穩(wěn)定、高速響應的工作穩(wěn)態(tài)。進給系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 進給系統(tǒng)原理

2 選型設計

搭建好由三大子系統(tǒng)組成的整體設計方案之后，著手從核心零部件出發(fā)，依次完成對滾珠絲杠副、軸承、滾滑復合導軌、伺服電機等關鍵部件的計算選型。

2.1 滾珠絲杠副設計

2.1.1 滾珠絲杠副的導程Ph

該進給系統(tǒng)為直連型，i取1。選取導程Ph=10mm，能提高承載能力。

2.1.2 估算絲杠的有效長度、總長度

2.1.3 導程精度

查閱THK滾珠絲杠的產(chǎn)品目錄，由定位精度為12μm，重復定位精度為5μm，Lu為500mm，查表選取C2級精度。

2.1.4 絲杠軸徑和型號

在C2精度下，絲杠軸最大制造長度應大于860mm，因此公稱直徑范圍應≥16mm。又根據(jù)絲杠軸外徑與導程的標準組合表，初選符合條件的有：BNFN 4510-3、BNFN 4510-5、BNFN 5010-3以及BNFN 5010-5。

2.1.5 軸向載荷計算

（1）最大軸向載荷為：

（2）軸向當量負荷Fm、當量轉速nm為：

求得Ca≈11800.1N。

選用的絲杠副的額定動負荷應大于或者等于該值，查產(chǎn)品目錄，并考慮安全性，選擇數(shù)值較大的BNFN 4510-5。

2.1.6 容許軸向負載校核

容許挫曲載荷P1計算：

查表可知，BNFN 4510-5的軸螺紋小徑d1=39.5mm，由于采用固定-固定的支撐方式，查得η1和η2分別取4和20。由最大行程以及螺母長度，安裝間距l(xiāng)1取695mm。代入求得P1=1007972.7N，比較可知：

2.1.7 滾珠絲杠副容許轉速N1

滾珠絲杠副容許轉速N1校核：

nmax=3000r/min＜N1，合格。

2.1.8 容許轉速校核

由DN值所決定的容許轉速校核：DN=46.75×3000=140250≤[DN]，合格。

2.2 軸承選型設計

2.2.1 載荷分析

絲杠軸承主要承受軸向載荷，徑向載荷主要施加在導軌上，受力簡圖如圖4所示。

圖4 X向受力簡圖

當量軸向載荷為：

2.2.2 型號初選

根據(jù)滾珠絲杠選型中軸端形狀，查閱《機床設計手冊》，選擇日本NsK公司35TAC 72A型號的60°角接觸球軸承，并且采用了二列組合DF。

2.2.3 預負荷驗算

因此，所選DF組合軸承的預加負荷3.5kN≥FBP，合格。

2.2.4 軸承壽命驗算

（1）當量動負荷為：

（2）基本額定壽命Lh為：

因此Lh≤15000h，合格。

2.3 滾滑復合導軌設計

2.3.1 受力分析

圖5 系統(tǒng)受力簡化圖

由受力簡圖5可得，計算當量切削力：

由于工作臺尺寸為620mm×500mm×110mm，x=395mm，z=290mm，則估算 y=250mm，z1=200mm，y1=200mm。

取矩得各當量切削力和承重對滑塊的作用力，再累計滑塊受力得計算負荷Rc，如表3所示。

2.3.2 額定動載荷Ca

滾柱導軌塊的壽命計算：

因此，代入可得Ca=26846N。

2.3.3 型號選擇

查閱手冊，需選擇額定動載荷大于26846N的滾柱導軌塊，GZD20×68的額定動載荷為27.5kN，合格。

表3 各當量切削力和重力在各滑塊上的作用力

注：各當量切削力和重力在各滑塊上的作用力單位均為N（牛）。

2.4 伺服電機設計

2.4.1 最大轉速計算

2.4.2 慣量計算

（1）圓柱體慣量為：

（2）軸向移動物體的慣量為：

進給系統(tǒng)總的轉動慣量為：

2.4.3 轉矩計算

（1）切削轉矩Tt為：

初選1FT5076-0AF01型號的交流伺服電動機，ΔTw=100K。額定轉矩為22N·m，大于切削轉矩，合格。

（2）加速轉矩Tamax為：

（3）最大轉矩Tmax為：

最大轉矩為33N·m，大于加速轉矩25.077N·m，合格。

2.4.4 慣量匹配

交流伺服電機匹配關系：

因此0.88（2/3，2），滿足伺服電機的匹配關系。

2.5 選型結果

零部件選型設計過程包括依次對滾珠絲杠副、軸承、滾滑復合導軌、伺服電機等的參數(shù)計算。通過嚴謹?shù)挠嬎氵x型流程，所選的零部件均符合設計要求。選型結果如表4所示。

表4 選型結果

3 結語

采用半閉環(huán)控制解決因負荷突變及頻率變化劇烈造成的運動誤差，并采用高精度的滾珠絲杠副以及固定—固定的支承形式，提高了軸向剛度，保證定位精度和精度保持性。

結合滾動導軌和滑動導軌各自的特點，設計滾滑復合導軌?；瑒咏Y合面與滾動結合面的相輔相成使得靜、動摩擦系數(shù)差值很小，使其達到高速響應、低速無爬行的要求，提高了運動的抗振性和穩(wěn)定性。