数控立式铣床机械结构设计--结构设计

数控立式铣床机械结构设计数控机床作为一种高自动化、高柔性、高精度、高效率的机械加工设备，决定了它在现代制造业中占有越来越重要的作用。近年来，我国在中高档数控机床关键技术上有了较大突破，创造出一批具有自主知识产权的研究成果。目前，在实际应用中有部分工件在加工微型孑L或铣削平面时，加工精度不高。如果我们用传统的数控铣床对其加工，将导致加工效率低且加大设备和电力的损耗。根据这种情况，我们设计了一种小型数控立式铣床。该铣床造价大大低于传统数控机床，还能够满足教学上的使用，提高学生对数控铣床的理解与认识。下文就对它的机械结构设计作一介绍。1机床的总体布局本机床是一台采用立式布置的小型数控铣床，机床床身尺寸(长×宽×高)为600mm×8OOmm×14051Tim，主要由(如图1机床的结构简图所示)机床底座，横向溜板，X、y、Z方向进给步进电动机，工作台，机床床身，三相异步电动机，主轴箱以及相关的电气系统等部分组成。机床的加工过程为：被加工零件固定于工作台4上，能够实现横向、纵向的进给运动；铣刀装夹在主轴箱8上，能够沿立柱的上下移动，进行铣削加工。整个加工过程由PC进行控制，实现工件的自动加工。该数控铣床的主要技术参数为：最大钻孔直径：28mm；最大铣削能力：平面2．6×10mm。；主轴箱上下移动最大行程：345mm；工作台工作面积：730n'ln3×350n3n3；工作台最大纵向行程：450mm；工作台最大横向行程：250n3m；机床底座面积：400ITlm×680n3n3；主轴变速范围：8O～1650r／min2机床主传动系统及主轴组件设计2．1机床主传动系统数控铣床主传动系统由主轴电动机、传动系统和主轴部件等部分组成，它与普通机床主传动系统相比结构较简单，这是由于变速功能主要由无级变速电动机来承担。机床主传动为主轴的旋转运动，负载为恒功率型，选用Y802—4型号的三相异步电动机即可满足要求。由于主轴要求的恒功率变速范围R坤远大于电动机的恒功率变速范围R却，在电动机与主轴之间串联了一个分级变速箱，以扩大其恒功率变速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率要求。通过计算，变速箱的变速级数确定为2级传动。对于降速传动，为防止从动齿轮的直径过大而使变速机构的径向尺寸太大，常限制传动副的最大传动比i≤4，并且采用“前慢后快”的原则，即前面传动组的传动比小些，后面的传动组的传动比大些。由此可确定第1级的传动比如一2．65，第2级高速档的传动比i。一1，第2级低速档i一0o3。小齿轮齿数分别为22、40、20，即i=0.38,i=1,i=0.33，如图2所示。2．2主轴组件主轴组件由主轴、轴承、传动件和固定件等部分组成，如图2所示。机床工作时，由主轴夹持着刀具直接进行表面成形运动。所以主轴组件的工作性能，对加工零件的质量和机床生产率都有重要的影响。机床主轴承受的轴向载荷较大，径向载荷稍小，精度要求不高。通过分析，机床的主轴支撑方案确定为：前轴承选用3个推力角接触球轴承7015AC，其中前面2个轴承开口向主轴前端，接触角为25。用以承受轴向载荷；第3个轴承开口朝里，接触角为14。。3个轴承的内外圈轴向由轴肩和箱体孔的台阶固定，以承受轴向载荷。后轴承由一对背对背的推力角接触球轴承7010AC组成，只承受径向载荷。3机床伺服进给系统设计数控机床的伺服进给系统作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流伺服电动机，功率步进电动机，电液脉冲电动机等)和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。机床的纵向进给系统结构简图如图3所示，它的基本参数为：工作台及夹具总重力为1000N，工作台纵向行程为450mm，进给速度为1O～400mm／min，快速进给速度为V⋯7--15m／min，定位精度为±0．02／300mm。机床选择NL2505型内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，直径为25mm，导程为5mm，滚珠直径为3．969mm，每个螺母滚珠有4列，经计算符合设计要求。机床的滚珠丝杠采用两端轴向固定，用一对接触角为25的7001AC型角接触球轴承面对面组配。此种固定方法能对丝杠施加预紧力，又能通过轴承端盖来补偿丝杠的热变形，保持预紧力几乎不变。步进电动机轴的力矩经计算，选用90BF003型步进电动机可满足设计要求。机床主轴箱的进给系统结构简图如图4所示，工作台上下运动最大行程为345mm，进给速度为1O到——2OOmm／min，快速进给速度为=10m／min主传动系统是铣床传动系统的核心环节。传统的铣床主传动系统采用有级传动方式，其计算和设计方法早已有详细论述。随着机床技术的发展，数控铣床和加工中心的主传动系统已普遍采用无级传动方式。尽管一些大型的机床设计手册对无级传动方式的分析计算和设计方法已有论述，也已形成一些设计原则，但机械加工对主轴无级传动系统的要求多种多样，随着机床技术的发展，随着机床产品设计越来越理性化，在进行主传动系统设计时需要对各主要技术参数和特性参数如高、低档减速比、主轴额定转速、功率损失等进行计算，对这些参数的相互关系和相互影响以及对结构性能的影响进行分析。而以往的技术文献对这方面的介绍、论述较为笼统和简单，有关结论也显得简单，已不能满足分析和设计要求，因此有必要不断地深入研究，完善主传动计算与设计方法。笔者多年来主管多项数控铣床和加工中心产品的设计，对各种主传动系统设计进行了较深入的分析，积累了较多的分析和设计经验，对主传动系统各主要设计参数和特性参数进行了推导计算和相互关系分析，得出了一些较为适用的结论，现介绍如下。1主轴无级传动系统的特点主轴无级传动系统主要由无级调速电机及驱动单元和机械传动机构组成。1．1无级调速电机及驱动主要机械特性无级调速电机具有转速拐点，即额定转速。其特点为：小于额定转速的为恒扭矩范围，大于额定转速的为恒功率范围，如图1所示。额定转速一般有500r／min、750r／min、lO00r／min、1500r／min、2000r／min等几种，按照成本原则，通常使用较多的为1500r／min。如果直接使用额定转速为1500r／min以上的电机而不经过机械减速，则输出的恒功率范围和低速扭矩较小，不能满足很多场合下的正常使用要求。1．2主轴无级传动系统中的机械传动机构种类及特点(1)直接1：1传动可采用电机与主轴组件直联方式或通过同步带传动方式，结构简单，易获得高转速，但低速扭矩小，一般只适用于高速和轻切削场合。(2)直接减速或升速传动常采用同步带传动方式，也可采用齿轮传动方式，结构简单。对于减速传动，可扩大恒功率范围和提高主轴扭矩，但扩大和提高程度有限，或最高转速受到限制。对于升速传动，可获得高转速，但缩小了恒功率范围，降低了低速扭矩。(3)高低档两段变速传动一般采用齿轮两档变速机构，可配合较为经济的额定转速较大的无级调速电机，既可获得较高转速，又可较大地拓宽恒功率范围，提高低速扭矩，适合于要求达到较高转速且可进行较大切削量加工的场合。(4)高、中、低档三段变速传动采用齿轮三档变速机构，配合较为经济的额定转速较大的无级调速电机，既可获得较高转速，又可大大拓宽恒功率范围，大大提高低速扭矩，适合于要求达到较高转速且可进行大切削量加工的场合，其机械性能几乎与齿轮有级变速方式相同。但结构复杂，且由于采用齿轮多级传动方式，最高转速受限更大。目前这种传动方式很少采用。从以上介绍可知，各种传动方式各有优缺点，关键是根据不同的使用要求选择不同的传动方式。1．3关于高低档两段变速传动方式从以上分析可以看出，采用高低档两段变速传动方式，既可获得较高转速，又可较大的拓宽恒功率范围，较大的提高低速扭矩，且结构要比三段变速简单，因此是较为理想的传动方式。特别是，出于对电控系统价格的考虑，我们经常采用额定转速为1500r／min主轴电机。当选用额定转速大于或等于1000r／rain的主轴电机，且又要求具有较大的输出恒功率范围、较大的主轴低速扭矩和较高的主轴转速，则必须采用高低档两段变速传动方式。同时可以看出，高低档两段变速传动方式的计算和设计要比直接传动方式复杂得多。不同的参数选择可导致机械性能的不同，并适应于不同的使用要求。因此，导出各设计参数的计算公式，分析各参数选择对机械性能的影响，分析参数选择与结构设计的关系，这对于主轴无级调速系统的设计，对于如何通过计算和设计达到数控机床的预定的技术要求，实现较好的制造工艺性和性能价格比，将具有重要的意义。2高低档两段变速传动系统的计算和分析高低档两段变速传动机构具有多种形式，但其分析计算是一样的。在进行机床产品设计时，一般情况下，是根据产品定位、用途、技术要求等因素，确定主电机功率及其额定转速、主轴最高转速、主轴最大扭矩等主要参数，再根据这些主要参数和结构要求特点，计算和确定主传动高档和低档减速比，及确定其它参数和结构参数，进行结构设计。由于采用两档传动方式。可能会产生在一定速度范围内功率损失的现象，这就是所谓的功率缺口。尽可能降低功率缺口也是确定主传动高档和低档减速比的主要依据之一。2．1高低档减速比计算a)低档减速比计算：1=m(1)‘Mdo其中：jl——低档减速比M——主轴最大扭矩Mm——主电机额定扭矩——传动机构机械效率b)高档减速比计算：，=旦(2)11m其中：2——高档减速比／1——电机使用最高转速／1——主轴最高转速2．2主轴额定转速计算主轴额定转速n：n=(3)J1其中：n——主轴额定转速／10d——电机额定转速2．3功率损失或功率缺口计算高低档的分界点转速nn(4)J1在高档转速范围内，主轴最大扭矩M以：Mm2=i2M故对应于分界点转速，主轴输出功率处于最低状态，最低功率Pj：经高低档变速后，主轴机械特性如图2所示。我们称为功率缺口，显然≥1，P越小，则越大，即功率缺口越大。2．4功率缺口转速范围计算以上算式反映了各主要技术参数的关系，对设计参数选择、技术特性分析、结构设计和分析具有重要作用。(1)低档减速比对机械特性的影响和减速比选择根据式(1)，低档减速比由主轴最大扭矩和电机最大扭矩决定。主轴最大扭矩越大，则低档减速比越大；反过来，低档减速比越大，则主轴最大扭矩越大。同时，根据式(3)，低档减速比越大，则主轴额定转速越小，即恒功率范围就越扩大。但根据式(5)、(6)、(7)，低档减速比越大，则功率损失或功率缺口越大。所以必须综合考虑和分析，选择较大的低档减速比，以保证得到较大的主轴最大扭矩和恒功率范围，但低档减速比又不能太大，否则功率损失太大，影响机床机械特性的程度大，达不到正常使用要求。一般选择低档减速比为3．5～5较为合适，具体选择要综合根据具体技术要求和使用要求而定。(2)高档减速比对机械特性的影响和减速比选择以往的技术文献对高档减速比的分析极少，只简单指出高档减速比一般为1。根据式(5)、(6)、(7)，高档减速比越大，则功率损失越小；同时根据式(3)和式(1O)，高档减速比越大，则功率缺口转速范围越小。所以，高档减速比大对机械特性是好的。但也是根据式(2)，在主轴最高转速一定的情况下，高档减速比越大，则电机使用最高转速也越大。我们知道，在进行设计选择时，不一定选择到电机真正的最高转速，至于选择多大，要进行综合分析。从以上分析可知，电机使用最高转速越大，则对机械特性越好，但电机使用最高转速越大，对机械结构稳定性和机械加工精度要求也越高，成本增加，经济性降低，在一定程度上成为矛盾。所以，一般选择高档减速比为1～1．5，而不必限制为1。(3)功率缺口的分析根据式(5)，在电机特性和主轴最高转速确定后，最低功率与高、低档减速比有关。选择大的高档减速比和小的低档减速比，则最低功率就越大，即功率损失就越小。但从以上的分析也已知道，高档减速比大则对机械结构稳定性和机械加工精度要求就高；低档减速比小，则会导致主轴最大扭矩小和恒功率范围小，影响机械特性。这是一个矛盾。我们可以加大主电机额定功率来弥补功率损失的影响，这样又会加大成本。所以，在一般情况下，是允许功率缺口存在的，允