經濟型數控鉆的改進設計

楊旭東

（徐州市廣播電視大學 機電工程系，江蘇 徐州 221006）

經濟型數控鉆的改進設計

楊旭東

（徐州市廣播電視大學 機電工程系，江蘇 徐州 221006）

以Z4120為機械本體，X、Y軸加裝十字滑臺，Z軸采用行星減速步進，詳細計算了各坐標軸的等效轉動慣量，并通過多軸控制器實現經濟型數控鉆床的設計.

數控鉆床；等效轉動慣量；步進電機

目前市場上數控機床種類繁多，但是大多廠家生產的數控鉆銑床對于銑削加工都能滿足，但對于鉆孔都有些捉襟見肘.以在中碳鋼上鉆?16 mm的孔為例，正常進給情況下其軸向力大于3 000 N，為了能夠滿足要求其機床的滾珠絲杠的直徑要大于25 mm，并且滾珠圈數要大于3圈，要滿足這些條件數控銑床的售價至少要在5萬元以上.即使如此，對于滾珠絲杠來講如果長期處于這種大切削力的情況下工作也難免會遭到破壞［1］.對于一般批量加工的零件，鉆孔位置精度大約都在±0.1 mm左右，深度精度在±0.5 mm左右，精度要求都很低，若能開發一款針對鉆孔的經濟型數控機床，X、Y軸用滾珠絲杠控制運動，Z軸采用齒輪傳動，即可保證鉆孔的位置精度，又能保證Z軸的大切削力.

1 機械本體的選擇

本設計主要依托Z4120重型臺鉆為基礎，通過加入數控進給系統、86步進電機、驅動器和控制器由數控系統實現自動控制.Z4120臺鉆多為普通手動式的，本設計主要對20臺鉆進行數控改造和設計，改造中主要用到一個十字滑臺、三個步進電機、三個法蘭、一個減速器、一個數控系統、及控制電路連接等，將兩個步進電機分別通過兩個法蘭連接到X，Y軸上，然后通過對控制器和驅動電源等的連接，使其能夠進行數控化自動控制，Z軸采用1:15的行星減速器連接在Z軸的進給手柄上.

20臺鉆數控改造主要分4個步驟進行，第一步，根據Z4120鉆床的底座尺寸大小確定需要的十字滑臺的大小，十字滑臺訂做730 mm×210 mm；第二步，由鉆床的參數性能十字滑臺的絲杠推算出所選的步進電機；第三步，設計三個步進電機和絲杠鉆床的連接，X，Y軸連接中要設計法蘭通過聯軸器使步進電機和絲杠連接，Z軸要使用與所用步進電機安裝孔相符合的減速器；第四步，確定步進電機和控制器，驅動電源等的連接，中間要用到匯接板等器件.改造后的數控鉆機械體如圖1所示.

圖1 改進的數控鉆機械體

十字滑臺X軸寬度730 mm，行程490 mm，這樣可以保證工作時左右可以安裝兩個工件，加工一個工件的同時可以裝卸另外一個工件.Y軸方向寬度210 mm，行程200 mm.滾珠絲桿選用2004-3型絲桿，在銑削加工時可以承受較重載荷［2］.

2 機械傳動部件的計算與選擇

2.1 三臺步進電機的初選

步進電機的選用首先要確定系統的脈沖當量.脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執行部件產生的進給量，它是衡量數控機床加工精度的一個重要參數，因此.脈沖當量應根據機床精度的要求來確定.對經濟型數控機床來說，常采用脈沖當量為0.01～0.005 mm.在Z4120的主要技術參數中要求橫向、縱向脈沖當量為0.01 mm.

在進行進給系統的傳動計算，選用步進電機時，都要用到切削力(機床的主要負載)，本文所設計的是數控鉆床，因此在設計中要分析和計算銑削和鉆削.

2.1.1 鉆削載荷的計算

普通的麻花鉆每一切削刃都會產生切向方向的切削抗力，徑向切削抗力與軸向方向的軸向抗力，當左右切削刃對稱時，徑向的抗力就會平衡.切向的抗力形成鉆削力矩，他消耗了切削功率，所用切削刃上軸向抗力之和就形成了鉆頭上的軸向應力.

鉆頭切削力的計算包括鉆頭主軸轉矩計算和主軸軸向切削力的計算.由于加工材料為中碳鋼，其屬于碳素結構鋼，鉆頭為高速鋼麻花鉆，加工方式為鉆孔，因此：

鉆削轉矩的計算：

軸向切削力的計算：

式中，Ff：軸向切削力（N）.

已知被加工材料為Q235結構鋼，結構鋼和鑄鋼取δb=736 MPa，D=20 mm，f=0.1 mm，所以可分別計算出切削轉矩和軸向切削為：

2.1.2 銑削抗力分析

銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉，進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給（鍵槽銑刀可沿軸線進給）.銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端面銑刀為基本形線［3］.圓柱銑和端面銑刀的切削部分都可看作車刀刀頭的演變，銑刀的每一個齒相當于一把車刀，它的切削基本規律與車削相似.

設銑削抗力的合力為FZ，將FZ沿銑刀軸線徑向和切向進給分解，則分別為軸向銑削力FX和FY徑向銑削力.切向銑削力FZ是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗的銑床主電機功率最多.因此，切向銑削力可以按切削功率Pm（kW）或主電機功率PE（kW）計算，也可以按切削用量進行計算.

2.1.3 進給工作臺工作載荷的計算

作用在進給工作臺上的合力F′與銑刀刀齒的銑削抗力的余力F大小相同方向相反，如圖2所示，合力F′就是設計和校核工作臺進給系統的時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺的縱向進給方向載荷Fx工作臺橫向進給方向載荷Fy和工作臺垂直進給方向載荷Fz工作臺工作載荷Fx、Fy和Fz與銑刀的切向銑削力Fz之間有一定的經驗比值，因此，求出Fz后，即可計算出工作臺工作載荷Fx、Fy和Fz.即 ：

則：Fx=207.36 N，Fy=207.36 N，Fz=172.8 N.

式中：V是主軸傳遞全部功率時的最低切削速度，這里取100 m/s；是機床主傳動系統的效率，這里按電機功率進行計算.

圖2 進給工作臺作用力分析

2.2 Z軸傳動比的計算及步進電機的確定

2.2.1 按扭矩求傳動比

為滿足脈沖當量的設計要求和增大轉矩，同時也為了是傳動系統負載慣量盡可能小，傳動鏈中采用行星減速器減速傳動.

2.2.2傳動比的校驗

以主軸鉆孔時最大轉速為800r/min,主軸進給速度為0.1mm/r，則要求步進電機的工作輸出轉速約為9.6r/min，很顯然86HS11460A4步進電機滿足此要求.

2.3 X、Y軸進給步進電機的確定

2.3.1 計算進給牽引力Fm

根據《機床設計手冊》進給牽引力的實驗公式計算可知，縱向應用燕尾型導軌，其牽引力為：

按照預選步進電機的參數，顛覆力矩影響系數K=1.15；滑動導軌摩擦因數f=0.16；工作臺及夾具和工件最大重力G=800 N.代入工作臺工作載荷Fx、Fy和Fz可得：

2.3.2 系統等效轉動慣量的計算

傳動系統的轉動慣量是一種慣性負載，在電機的選用的時候必須加以考慮.由于傳動系統的各傳動部件并不是與電機軸同軸線，還存在各傳動部件轉動慣量向電機軸折算的問題.最后，要計算整個傳動系統折算到電機軸上的總傳動慣量，即是傳動系統等效轉動慣量.

工作臺是移動部件，其移動質量折算到絲杠軸上的轉動慣量JG為：

軸、軸承、聯軸器、絲杠等圓柱體的轉動慣量為：

本文設計的機床是采用的是齒輪傳動的減速傳動，因此，傳動系統等效轉動慣量為J∑：

2.3.3 步進電機的確定

（1）步進電機的負載轉矩Tm：

式中：Fm為進給牽引力（N）；η0為絲杠的傳動效率；ηi為齒輪副的傳動效率，i是齒輪副的傳動比；η1為燕尾型導軌副的傳動效率.

因為Ff>Fm，則：

（2）步進電機的起動轉矩Tq為：

式中：0.3為安全系數.

（3）計算最大靜轉矩Tjmax

查表取兩相步進電機λ=0.7，則Tjmax為：

（4）計算步進電機運行頻率f和最高起動頻率fmax

式中：Vmax為最大快移速度（m/min），這里取2 m/min；V為最大切削進給速度（m/min）；這里取0.1 m/min；脈沖當量δ取0.01 mm/step.

（5）步進電機型號的選擇

考慮到鉆孔精度不是太高，且經濟性為本設計的基本原則，選用步進電動機開環控制.因此可以選用兩相混合式步進電機，以降低成本，提高性價比.

根據估算出的最大靜轉距Tjmax查得86HS11460A4最大靜轉距為8.6>N·m>Tjmax，可以滿足要求，考慮到此經濟型數控銑床有可能使用較大的切削用量，應選稍大轉距的步進電機，以便留有一定的余量，另一方面，86HS11460A4步進電機最高空載起動頻率和運行頻率滿足要求（若該機床在設計時僅考慮為鉆孔使用也可以考慮X、Y軸選用86HS9860A4步進電機最大靜轉距為6.5N·m）.

2.3.4 步進電機的校驗

機床在不同的工作情況下，其所需要的轉矩不同，下面分別按各階段計算.

（1）快速空載起動轉距T

在快速空載起動階段，加速轉矩占的比例較大，具體計算公式如下：

式中：T為快速空載起動轉矩(N·cm)；Tamax為空載起動時折算到電機軸上的加速轉矩(N·cm)；Tf為折算到電機軸上的摩擦轉矩(N·cm)；To為由于絲杠預緊時折算到電機軸上附加摩擦轉矩(N·cm).

其中，摩擦轉矩為：

空載起動時折算到電機軸上的加速轉矩：

式中：Tamax為折算到電機軸上的總等效轉動慣量；ε為電機最大角加速度；nmax為電機最大轉速；vmax為運動部件最大快進速度；t為運動部件從停止起動到加速到最大快進速度所需要的時間.

因此，快速空載起動轉距T為：

快速移動時所需的轉矩T快為：

最大切削負載時所需轉矩T切：

T，T快和T切三種工作情況下，以快速空載起動轉矩最大，即以此項作為校核步進電機轉矩的依據.

而86HS11460A4型步進電機最大轉矩為8.6N·m，大于所需要的最大靜轉矩，可以滿足此項要求.減速器選用行星減速器，傳動效率80%，傳動比1:15.Z軸步進電機及減速器安裝法蘭，X、Y軸步進電機安裝法蘭本文不再詳述.

3 數控系統

數控系統選用的是四軸驅動控制器，這種控制器采用高性能32位CPU，驅動裝置采用細分步進電機或交流伺服電機，配備液晶顯示器，全封閉觸摸式操作鍵盤.該系統具有可靠性高、精度高、噪音小、操作方便等特點.本控制器可控制四個電機運動，可實現點位、直線、圓弧插補的操作.具有循環、跳轉、子程序、中斷、隨動、測位等功能.支持中文、英文，文字指令、GM 代碼等［4］.將控制器與相應的驅動器連接實現對3個坐標軸的數字式控制，且預留1個回轉軸控制，為以后安裝回旋工作臺留有冗余.

4 結語

此類設計在最終組裝成數控式鉆床后，Z軸由于是齒輪傳動具有大切削力輸出能力，整個機床兼有簡單的數控銑床的功能.數控鉆床能實現自動化生產、改善產品的加工質量、提高勞動生產效率.一般每臺機床安裝2套相同夾具，工人可以同時操作2～3臺同類型機床，每名工人日產量可提高至原來的3～5倍，單件生產人工成本降為原來的30%.該設備結構簡單整體生產成本在12 000元以內，一般機械加工廠均能制造或改造，1年內可以收回成本，市場前景較好便于大規模推廣.

：

［1］劉林.大型經濟型數控鉆床結構設計與研究［J］.機械工程師,2013(4):143-144.

［2］劉博,徐慶華.經濟型數控機床加工中誤差來源分析及其對策［J］.中國科技信息,2006（4）:112-113，117.

［3］何炳奇.經濟型數控車床加裝電磨頭實現車、磨一體的精密加工［J］.科技創新導報,2013（8）:38-39，41.

［4］尹成湖,吳書迎,張英.用經濟型數控系統改造普通車床的設計［J］.河北科技大學學報,1999,20（3）:27-32.

Design for economical NC drilling machine

YANG Xu-dong
（Department of Mechanical&Electrical Engineering,Xuzhou Radio&TV University,Xuzhou 221006,Jiangsu,China）

The paper exhaustively calculates the equivalent moment of inertia of all axis with Z4120 mechanical noumenon as the sample,X,Y axis with cross sliding table,the Z-axis with stepper planetary,and design the economical NC drilling machine by multi-axis controller.

NC drilling machine；the equivalent moment of inertia；stepper motor

TG519.1

1007-5348（2013）08-0035-07

2013-07-02

楊旭東（1977-），男，江蘇徐州人，徐州市廣播電視大學機電工程系講師，碩士，主要從事機電設計方面的研究.

（E D.:X， J）