數控立式加工中心進給系統設計

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（廣東潤星科技股份有限公司，東莞 523598）

數控立式加工中心進給系統設計

祝烽

（廣東潤星科技股份有限公司，東莞 523598）

對數控立式加工中心的X向進給系統的主要部分進行設計，并做出說明。主要內容包括X向進給系統設計的整體方案、滾珠絲杠的選擇、滾珠絲杠支撐的選擇、進給伺服電機的選擇等。其中，重點介紹滾珠絲杠和伺服電機的選擇，介紹如何在已知機床設計目標參數的條件下，結合機床實際使用情況和絲杠及電機廠家的產品資料。

數控立式加工中心進給系統

引言

數控機床的進給系統是機床的關鍵部件，它的設計要求根據機床的各項指標、參數要求以及機床的工作情況來選擇進給伺服系統的各種元件。隨著數控機床對精度和快速進給越來越高的要求，對機床的進給系統提出了更高的要求。本文介紹了數控立式加工中心X向進給系統的系統設計方案、計算結果，以便同行參考和改進發展。

1　X向進給系統設計

1.1相關機床參數

X向行程：1100mm；快速進給速度：60m/min；定位精度：0.01mm/300；重復定位精度：0.005mm；X向移動件質量：1000kg；加減速時間常數：0.1s。

1.2整體方案設計

數控系統發出的指令經伺服系統、伺服電機、同步齒形帶帶動絲杠旋轉，實現X向溜板的橫向移動。伺服系統選擇開環控制。相對于閉環系統，開環系統的安裝及調整比較簡單，而且價格便宜。本臺機床設計進給系統傳動鏈短，選擇精度等級合適的滾珠絲杠即可保證機床的精度。在本臺機床結構中，為了減小機床的整體長度，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；可進行變速傳動，可以增大扭矩或者提高轉速。這種連接方式避免了使用減速箱，加工和裝配都非常方便，而且可以使機床結構更加緊湊。

1.3滾珠絲杠的選擇計算

對于數控機床的直線運動，在行程不太長的情況下，應優先選擇滾珠絲杠。因為滾珠絲杠具有以下優點：傳動效率高，可達85%～90%；滾珠絲杠的靜、動摩擦系數幾乎無差別，可避免低速爬行；滾珠絲杠可以進行預拉伸，以消除溫度變化對精度的影響；有眾多專業的滾珠絲杠生產廠家，選擇范圍廣，可以選擇制造精度適當的產品；滾珠絲杠裝配、調整簡單，可縮短裝配周期并增加可靠性。

與X軸有關的已知條件與要求。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；快速進給速度 60m/min；定位精度 0.01mm/300；重復定位精度0.005mm；X向移動件質量1000kg；加減速時間常數0.1s。

絲杠直徑與導程確定。根據縱向快速移動速度、移動部件質量、伺服控制的特點等條件，并參考其他同類機床，初步確定絲杠直徑D=50mm。因為絲杠是兩端固定，所以其產生共振的允許轉速可以提高，可以不用計算，只計算DN值的允許速度即可。當DN=130000時，Φ50mm的滾珠絲杠允許轉速為N=2600rpm，導程P=V/N=60000/2600=23mm，根據滾珠絲杠的標準導程選擇P=30mm。此時，絲杠的最高轉速Nmax=60000/30=2000rpm。

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

1.4伺服電機的選擇

伺服電機分為直流和交流。交流伺服電機沒有電刷，壽命長，允許轉速高，適用于易燃易爆的環境，因此目前數控機床大都采用交流伺服電機。該類電機的工作區域主要分為三個：連續工作區、斷續工作區和加減速區。在連續工作區內，伺服電機基本上是恒扭矩輸出，轉速對扭矩的影響不大。因此，連續工作區的最大輸出扭矩就是伺服電機的額定扭矩。在這個區域里，伺服電機可以連續長時間工作而不過熱。斷續加工區域和加減速區域則用于短期工作，這時伺服電機在低速下所能提供的扭矩遠大于額定扭矩，是伺服電機的最大扭矩。這時電機發熱很多，如為斷續工作或短時工作，則工作時間不太長，停止時電機冷卻，則可保證伺服電機不至于過熱。本臺機床選擇FANUC交流伺服電機，可根據下列3個指標來進行選擇。

（1）電機的轉動慣量JM應與負載慣量JL相匹配。X向進給電機選擇：傳動比i=1.5；電機的負載慣量JL=J1+J2+J3，其中J1為移動部件總質量折算到電機軸上的轉動慣量（kg·m2），J1=mZ×P2×10-6，這里mZ為移動部件總質量，為1000kg；P為絲杠導程，所以J1=0.011kg·m2；而J2為絲杠本身及安裝在絲杠上一起轉動的小零件質量折算到電機軸上的轉動慣量（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，當負載轉動慣量JL與電機轉動慣量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，主要參數：額定扭矩為22Nm；最高轉速為4000rpm；轉動慣量為0.0053kg·m2。由以上的計算可知，所選伺服電機滿足JL/JM=0.014/0.0053=2.64≤3的要求。所以，電機最高轉速可以滿足絲杠最高轉速的要求。

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

T=TP+TD=16.09+3.15=19.24Nm≤22Nm

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

當交流伺服電機以階躍指令加速時，轉速是按指數曲線上升的。當時間達到交流伺服電機機械時間常數的3倍時（ta=3tm），交流伺服電機轉速達到最高轉速的 95%；當時間達到交流伺服電機機械時間常數的4倍時（ta=4tm），達到交流伺服電機的98.2%。本系統中，ta≤（3～4）tm，說明交流伺服電機有足夠的加速能力。

2　總結

數控立式加工中心的X向進給系統使用交流伺服電機，經同步齒形帶與絲杠連接，采用半閉環系統在產品制造和檢驗后證明是能成功的，伺服系統的各項指標完全能夠達到設計目標。

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