數控立式銑床工作臺的結構設計與研究

摘 要：本課題主要對XKA5750數控立式銑床升降臺橫向進給、垂直進給系統進行了結構設計、原理分析、零件尺寸計算及強度較核，基本上實現了升降臺的正常運行，主要工作包括橫向進給、垂直進給系統內部傳動系統的設計，進給系統驅動電機的選擇，滾珠絲杠的選擇計算，傳動齒輪的選取計算，以及相應的重點部件如軸、軸承的強度校核，確保可靠性設計。

關鍵詞：數控；銑床；結構設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.040

0 緒論

數控技術和數控機床的誕生標志著生產和控制領域的一個嶄新時代的到來。數控銑床作為初加工設備，主要用于材料切割下料。從適用行業及企業來看，數控銑床重點發展高速、精密數控銑床和高速、高精度數控銑床及高速、高精度立臥式加工中心等。

1 方案確定

本文以XKA5750數控立式銑床為例，工作臺的垂直方向進給傳動系統，是由交流伺服電動機通過速比為1：2的一對梯形齒形同步帶輪，將運動傳到軸，再將運動傳動至導程為6mm的滾珠絲杠，帶動升降臺運動。垂直方向通過制動器帶動軸上的錐齒輪從而實現滾珠絲杠的減速和停止。橫向進給是由交流伺服電動機通過速比為1：2的一對梯形齒形同步帶輪，將運動傳動至導程為5mm的滾珠絲杠從而帶動工作臺運動。根據XKA5750數控立式銑床的技術參數，機床外形尺寸（長×寬×高）、工作臺面積（寬×長） 、工作臺縱向行程、滑枕橫向行程、工作臺垂直行程、主軸端面到工作臺面距離、主軸中心線到床身立導軌面距離、主軸轉速、工作臺的最大行程、進給速度、快速移動速度和電動機功率，確定了垂直進給的系統傳動方案和橫向進給的系統傳動方案。

2 垂直進給傳動系統的設計

根據伺服電機最大切削負載轉矩，不得超過電機的額定轉矩等選用要求，選擇垂直方向伺服電機為1FT5-102-0AA01，重量為31kg，慣性矩J=131*10-4kg.m2額定轉速nN=1200r/min，靜扭矩M0=27N.m。

根據選用的電機參數，對銑床垂直進給系統進行了傳動比的分配、滾珠絲杠的設計和安裝設計，垂直進給絲杠所受軸向載荷分析、滾珠絲杠尺寸計算、切削力計算、最大載荷Fmax計算、垂直方向導軌摩擦力計算、滾珠絲杠螺母副的軸向負載力計算和垂直方向導軌摩擦力計算，設計出絲杠的安裝及裝配圖。

通過對傳動系統的運動和運動參數計算、傳動系統的運動和運動參數計算，梯形同步帶參數計算，進行了梯形同步帶的設計。通過錐齒輪的參數選擇，按齒面接觸強度設計、幾何尺寸計算、按齒面接觸強度校核，按齒根抗彎強度校核進行了錐齒輪的設計，并對交流伺服電機進行了校核和傳動軸的設計。最后，進行軸承的校核和制動器的設計之后，將所有零件裝配，設計得到垂直進給系統三維傳動裝配圖，如圖1所示。

本節主要內容是垂直進給系統中各個零部件基本結構、基本尺寸進行了詳細的設計、計算，并利用Pro/E對數控銑床的結構進行三維建模。

此設計實現了XKA5750銑床升降臺垂直進給系統的傳動路線，使用高效率的梯形同步帶和錐齒輪傳動，但是方案還是有待改善，可以使用聯軸器將傳動軸與交流伺服電機相連，實現更準確更有效的傳動。

3 橫向進給傳動系統的設計

通過對橫向進給系統主切削力計算、各切削分力計算、導軌摩擦力計算、滾珠絲桿螺母副的軸向負載力計算、絲杠導程及長度計算、作用在絲杠上的最大動負荷Ca計算、滾珠絲杠的穩壓校核、剛度的驗算和效率計算等參數計算，設計出滾珠絲桿螺母副的軸向載荷圖。

最后進行了伺服驅動電機的選擇和梯形同步帶的設計，設計出如圖2所示橫向進給傳動系統絲杠的三維裝配圖。本節主要內容是橫向進給系統中各個零部件的參數設計和校核，最后使用CAD與Pro/E制圖軟件畫出了零件圖和裝配圖，并對圖形進行了分析。缺點在于使用了梯形同步帶進行過渡傳動，可以直接將滾珠絲杠與交流伺服電機軸相連，提高傳動效率，同時降低成本，也使XKA5750的橫向進給的傳動更合理。

4 結論

本次設計實現了XKA5750銑床升降臺的垂直進給和橫向進給傳動。創新之處是使用了滾珠絲杠副，摒棄了以往的滑動絲杠副的傳動，具有軸向剛度高、運動平穩、傳動精度高、不易磨損、使用壽命長等優點，但是由于滾珠絲杠不能自鎖，具有傳動的可逆性，所以在垂直傳動系統的設計中使用了制動器。垂直進給方向中可以不使用梯形同步帶，而使用聯軸器將傳動軸與交流伺服電機相連，這個方案更經濟，效率更高。橫向進給方向中也可以去掉梯形同步帶部分，直接將滾珠絲杠與交流伺服電機相連，同樣可以將交流伺服電機改為步進電機，更經濟，更合理，效率更高。

參考文獻：

[1]王文斌.機械設計手冊[S].機械工業出版社，2006（08）.

[2]紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2010（09）.

[3]周志紅，文懷興，楊東生.滾珠絲杠安裝方式的研究[J].制造技術與機床，2007（08）.

[4]胡秋.數控機床伺服進給系統的設計[A].中國工程物理研究所機械制造工藝研究所.1001-3881（2006）6-055-2.

[5]胡占齊，楊莉.機床數控技術[M].第2版.北京：機械工業出版社，2007.

作者簡介：李應弟（1988-），女，廣西陽朔人，碩士研究生，主要研究方向：機械工程。