VDL850 數控加工中心Z 向伺服機構設計

建恩德

（北京建筑大學，北京 100044）

1 VDL 850 數控加工中心Z 向伺服機構設計

1.1 Z 向伺服機構方案論證

在知網、萬方查閱大量資料和設計案例后，將總體設計方案確定如下：本設計采用數控系統進行控制，采用步進電機進行驅動，可以實現連續式進給，做到了結構尺寸小，可靠性好，傳動平穩，精度高，噪音小，傳動動力大，滿足生產實際要求。

1.2 機床數控系統控制類型的選擇

數控控制系統可分為：點位控制和連續控制兩類，前者刀架在移動過程中不受力，后者刀架在移動過程中進行切削加工。本設計要求加工平面內連續加工，精度要求較高，刀具沿X軸、Y 軸、Z 軸坐標移動，精度直接決定了工件加工精度，又因Z向切割動作過程受力，因此選擇連續控制方式。

確定傳動方式時一般考慮兩點要求：平穩、精度。因此本設計采用滾珠絲杠、斜齒輪等機構來保證傳動過程的平穩性和高精度。另外，為了提高傳動系統整體剛度，盡可能提高精度，對滾珠絲杠軸端設置緊固裝置。考慮到進給量與步進電機分辨率不一致的問題，搭配一級減速機構。

本設計的數控銑床選用FANUC 數控系統，因本設計的側重點為機械結構設計，故控制系統僅做選配。VDL 850 數控加工中心總體設計示意圖如圖1 所示。

圖1 總體設計示意圖

液壓與氣動的傳動方式主要用在傳動力大，控制精度要求不高的場合，如夾持機械手等。本設計項目為工程樣機或精細零件的制作，精度要求極高，但執行機構作用力不大，因此為了盡量減小設備體積，降低機床制造成本，選用步進電機進行驅動。根據同類產品設計經驗，其功率完全滿足設計要求。

2 VDL850 數控加工中心Z 向伺服機構詳細設計計算

2.1 傳動比i 的確定

只有在傳動比為1 時，滾珠絲杠才能直接與電機連接，省去減速機構，這樣做可以降低生產成本，大大減輕銑床的體積和重量，且減少尺寸鏈環節，從而盡可能降低誤差。

2.2 步進電機的選定

電機選用時，首先計算系統的負荷扭矩。確定功率步進電機型號時，還需要估計機械系統負載慣量和機床所需的啟動頻率，并且具有與步進電機的慣性頻率特性一致的恒定余量，此外還要考慮刀架快速移動的設計要求。

2.3 脈沖當量δ 的確定

脈沖信號每發生一次相應的機床執行機構的移動量稱為脈沖當量。在本設計中，每格誤差控制在±0.05mm 以內，因此脈沖當量選定為0.05。

2.4 Z 向進給電機參數的確定

因結構限制該處空間不足以布置減速機構，因此傳動比取1。查機械設計手冊，確定型號為110BF003。

2.5 Z 向進給絲杠參數的確定

刀具的Z 向進給系統的設計包括絲杠螺母參數的確定，電機參數的確定，斜齒輪參數的確定。首先計算最大動載，因對滾珠螺桿副將實施預緊，估算允許的滾珠螺桿副的最小螺紋底徑為7.1mm,最終確定滾珠絲杠的型號為FFZD2004-3。

3 關鍵部件的校核計算

3.1 電機參數的校核

根據手冊查的電機起動轉矩要求如下：Mkq ≤Mmq=λMjmax

根據吳振彪主編的機電綜合設計指導[1]表2-11，

110BF003 質量為6kg，JD=46.125×10-5 kg·cm2

根據吳振彪主編的機電綜合設計指導[1] 表2-12，查得=0.087521

故Mkq=0.2337 N·m≤Mmq =λMjmax=0.678944 N·m，滿足設計要求。

3.2 滾珠絲杠的校核

d0=20mm L0=4mm Ca=7300N>4091N d2=16.9>7.1mm

其精度等級是4 級,因此轉速最高值約2000rpm，遠小于手冊規定的最大允許轉速，因此滿足設計要求。

一般來說在微小型機床中絲杠的設計壽命只要大于1 萬小時就能滿足使用要求，本設計中該處滾珠絲杠的壽命為10750h，因此，滿足設計使用要求。

4 設計工作與達到的預期效果（圖2）

圖2 Z 向進給傳動系統部件裝配圖

本次設計通過分析VDL850 數控加工中心Z 向伺服機構的傳動機構和執行機構特性，設計了步進電機替代方案；根據數控機床工作受力情況，選擇連續控制方式；考慮到傳動的平穩性和設備較高的精度要求，選用滾珠絲杠的傳動方式；在總體設計環節，根據設計的功能參數和精度參數，以及受力較小而精度較高的特點，選擇了步進電機的驅動方式。

首先，選定步進電機的脈沖當量，脈沖量的選定應該按照銑床的精度來確定，又因機構有一定誤差，脈沖當量應低于定位公差；然后根據電機脈沖當量和電機步距角計算大致傳動比，考慮電機轉矩和轉速等因素傳動比可進一步調整；進給系統的設計包括滾珠絲杠參數的確定與校核，電機參數的確定與校核。

Z 向進給系統為單絲杠單電機傳動系統，首先在滾珠絲杠參數計算中，根據最大動載荷要小于絲杠需用載荷的原則，進行計算，并根據設計手冊，確定滾珠絲杠的型號為FFZD2004-3，然后再用定位精度的要求進行校核。

選用電機時選擇電機要考慮的主要問題是功率，其次是啟動所需要的轉矩，再次是θb要與脈沖當量匹配。根據手冊計算電機啟起動轉矩的要求，查機械設計手冊，確定型號，然后根據Mkq Mmq =Mjmax 的要求進行校核。

最后是聯軸器、軸承和主軸電機等零部件的設計。確定聯軸器型號時，要先根據使用環境選擇類型，然后根據傳遞的扭矩從標準序列表中查找合適的型號，最后在根據手冊提供的公式進行校核。在確定電機參數時，已經明確轉矩為169.94×10-4N·m，但本設計中的電機輸出軸和傳動軸直徑不一致，因此只能選擇GB5843-2003 凸緣聯軸器。經過校核扭矩和轉速的校核，滿足設計要求。根據設計手冊[2]軸承預載荷的三倍要大于極限載荷的要求，查機電一體化系統設計手冊[2]表3.8-3，確定軸承代號7602020-TVP。

5 未來發展的趨勢

在當今高速加工機床迅猛發展的進程中，工程人員仍認可這一點：提高進給系統的速度是實現高速的主要途徑。

人們為實現高速進給而探索研究出直線電機、并聯虛擬軸機床等技術，但由于直線電機高速進給相較于滾珠絲杠成本較高，對一般的加工企業來說承擔不起這一項高額支出，而基于并聯結構的高速進給系統技術發展還不完善。因此，高速滾珠絲杠螺母副傳動系統在高速進給驅動系統中仍然占主導地位發展高速滾珠絲杠螺母副是實現高速切削的關鍵技術之一。

綜合考慮來看，要實現精密滾珠絲杠的高速化的基礎主要是進行結構方面的創新，同時也要提高工藝水平和制造質量。

采用滾珠絲杠副傳動實現的高速進給系統與采用直線電機驅動的進給系統相比，可以大幅度降低成本日本精工已經研制出了進給速度高達100m/min 的滾珠絲杠，采取的改進措施主要有采用16～32mm 大導程，提高滾珠循環部分零件質量，采用多頭螺紋以增加有效圈數，改進滾道形狀等。從而實現了進給系統的高速、高剛度以及高承載能力。