大型經濟型數控鉆床結構設計與研究

劉林

（寧波海天精工股份有限公司沈陽研發中心，沈陽110002）

1 引 言

搖臂鉆床作為孔加工機床主導產品已經有幾十年了，多年來一直處于銷售的旺盛期，但是隨著自動化技術的發展，特別是數控技術在機床上的發展，搖臂鉆床的低生產率、低精度、低柔性的缺點日益突出。據調查研究目前市場上越來越多的管板類零件尺寸都達到3～4m 甚至更大，大的零件上往往需要加工上千個孔，而且孔的尺寸大小不同，有的孔還需要攻螺紋，如果在普通鉆床加工孔顯然效率非常低，只能用龍門加工中心加工，但又極不經濟，因為較大的龍門加工中心價格都在幾百萬甚至上千萬。目前在熱交換器等行業中，應用于中小型管板類、盤類和鋼梁結構連接件、以鉆孔為主要加工工序的、而且具有較高孔位加工精度的經濟型數控鉆床，受到用戶青睞，市場需求量多，適應性廣，所以就需要一種經濟型的數控鉆床來滿足市場的要求。

面對市場發生的變化、面對用戶對技術進步要求日益迫切的形勢，分析中國市場，高檔的數控產品因其價格昂貴，目前對于相當多的鄉鎮企業、私人企業、以及不十分景氣的國有企業也是可望而不可及的。而對比國外市場，由于我們的技術相對落后、生產經驗、生產能力、制造水平都存在較大差距，現在要開發高檔產品與國外廠家競爭顯然時機很不成熟。而中大規格的經濟型數控機床盡管有關性能指標不及高檔機床，但功能類似、價格低廉、操作方便、使用可靠，因而受到廣大中國用戶歡迎。

本文以GD2000×4000 經濟型數控鉆床為例，闡述了設計過程中難點的解決方法。

根據市場需求、成本和結構可行性等因素設定產品主要技術參數如表1。

2 結構設計

采用模塊化設計，框架采用立式龍門結構，其中工作臺在床身上前后移動為X 軸，主軸箱在滑鞍上沿橫梁左右移動為Y 軸，主軸箱在滑鞍上上下移動為Z 軸。從機床正面看，數控機床主軸傳動系統由主伺服電機驅動，通過齒形帶傳遞給主軸，使主軸實現無級變速，這種結構使主軸能夠達到8000r/min，采用這種結構很好地解決了主軸在高速時噪音問題，因傳統齒輪箱采用齒輪降速，撥叉換檔，這種結構使主軸在高速時容易產生噪音，齒輪長時間工作磨損后，維修不方便。齒形帶傳動不但能很好地避免這些問題，而且維修和維護方便，結構簡單，成本低。主軸組采用臺灣旭泰主軸組，它具有高精度、高性能。主軸抓刀是靠主軸上的碟形彈簧以拉緊力通過四瓣爪式拉刀機構作用在刀柄上的拉釘上，使刀具與主軸錐孔緊密配合來實現抓刀。卸刀油缸活塞推動主軸內的實心軸并壓縮蝶形彈簧實現自動卸刀。機床具有主軸定向功能，機床可實現剛性攻絲。傳統機床主軸的轉速和Z 軸的進給是獨立控制，在加工到孔的底部時，主軸和Z 軸的轉速降低并停止，然后它們反轉，而且轉速增加。由于各自獨立執行加、減速，可能存在配合不同步的情況，為此，安裝在攻絲夾頭內部的彈簧對送給量進行補償以改善攻螺紋的精度。本機床因為具有主軸定向功能，可以控制主軸的旋轉和Z 軸的進給的同步，使攻絲的精度得到保證。本機床還具有主軸吹氣功能，用于自動換刀時清潔刀具。

表1 GD2000×4000 主要參數表

圖1 機床外觀圖

床身采用焊接結構，以適應用戶對不同X 軸行程和Y 軸工作寬度的變化，而且采用焊接件交貨期可縮短。立柱和橫梁為高強度灰鑄鐵鑄造，采用箱形結構，壁厚多筋，截面形狀為矩形，因而具有良好的剛性和抗彎性。床身、橫梁的導軌均采用國外直線導軌；主軸箱采用鑄鐵導軌；滑鞍與主軸箱導軌接觸面貼附有高耐磨且低摩擦系數的環氧樹脂，經精密刮研，保證了良好的運動精度。切削吸振性好。

X 軸拖動是伺服電機通過聯軸器傳遞給床身絲杠，帶動工作臺在床身上前后移動，實現X 軸進給運動。

Y 軸拖動是伺服電機通過聯軸器傳遞給滑鞍絲杠，帶動滑鞍在橫梁上左右移動，移動，實現Y 軸進給運動。

Z 軸拖動是伺服電機通過同步帶傳遞給滾珠絲杠帶動主軸箱在滑鞍上上下移動實現Z 軸進給。Z 軸電機帶有自動抱閘功能，在斷電的情況下，自動抱閘將電機軸抱緊，使之不能轉動。

3 三軸電機計算

工作臺拖動電機扭矩為30N·m，被移動件的質量M=10000kg，快移速度v=15m·min-1，加速時間t=0.250s，加速度a=1m·s-2，切削進給抗力FC=0m·min-1（孔加工工作臺方向不受力），切削時的最大速度vmax=0.000m·min-1（孔加工工作臺不移動），摩擦系數u=0.005，絲杠直徑D=0.080m，絲杠導程h=0.012m，絲杠有效長度L=5m，絲杠傳動效率η1=0.9，加速力Fa=M×a=10000×1=10000N，摩擦力f=umg=0.005×1000×9.8=490N，合力Fε=Fa+f=10000+490=10490N。

絲杠輸出給負載的加速力矩Ta=Fε×h/2π×η=10490×0.012/2×3.14×0.9=21.939N·m

絲杠自身轉動慣量Js=πρD4L/32=3.14×7850×（0.063）4×5/32=0.061kg·m-2

式中，工件的密度ρ=7850，絲杠的直徑D=0.063mm，絲杠的最高轉速n1=V/h=15/0.012=1250r/min，絲杠角加速度bs=n1×2×π/60×t=1250×2×3.14/60×0.25=523rad·s-2

絲杠克服自身慣量加速的加速力矩Ts=Js×bs=0.061×523=31.751N·m

減速機輸出端的加速力矩T1=Ta+Ts=21.939+31.751=53.69N·m，減速比i=2，減速機效率η2=0.9，減速機輸入端的加速力矩T2=T1/i×η2=53.69/2×（0.9）2=29.828N·m，電機自身轉動慣量Jm=0.017kg·m-2，電機的最大轉速n2=n1×i=1250×2=2500r/min，電機角加速度bm=bs×i=523.333×2=1046.667rad·s-2

電機克服自身慣量加速的力矩Tm=Jm×bm=0.017×1046.667=17.793N·m；電機在加速時總的輸出最大力矩Tm1=T2+Tm=47.621N·m

因此，對數控機床而言，快速空載啟動力矩一般符合Mmax=λMr。Mr為馬達額定轉矩，λ 為瞬間過載指數，對交流伺服電機而言，λ=1.5～2，前面計算所得的47.621/25=1.88＜2，可見，啟動是完全在安全系數范圍之內的。

另外，關于主軸箱進給電機的選擇，以及滑鞍（Y 坐標）拖動電機的選擇與計算工作臺拖動電機的方法完全一致。

4 結 語

該機床樣機試制完成后，經鑒定各項技術指標和精度符合設計要求，經鑒定后現已投入批量生產，并進行了規格的擴大和系列化設計。