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1、數(shù)控銑床的進給傳動系統(tǒng) 摘要： 在國際貿(mào)易中，很多發(fā)達國家把數(shù)控機床視為具有高技術(shù)附加值、高利潤主要電機出口產(chǎn)品。世界貿(mào)易強國在進行國內(nèi)機電產(chǎn)品貿(mào)易的同時，把高技術(shù)的機電產(chǎn)品出口打入國際市場，作為發(fā)展出口經(jīng)濟的重要戰(zhàn)略措施，數(shù)控機床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。數(shù)控銑床是數(shù)控機床的主要品種之一，它在數(shù)控機床中占有非常重要的位置。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控銑床 發(fā)展趨勢 智能化 柔性化 英文： In international trade,many centuries view digital

2、lathesare as hi-techvalue-adds and profitable exports.Digital lathesare expensive mechanical and electrical products.The powerful trade nations export hi-texh mechanical snd electrical products to the world market whiledoing such business at home ,Which is now an important strategy of develop-ing th

3、eir export economy Key words digital lathe ; development tendency; intelligence; tenderness 1.引言： 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及世界先進制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服性能、主軸驅(qū)動、機床結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標；FMS的迅速發(fā)展和CIMS的不斷成熟，又將對數(shù)控機的可靠性、通信功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出更高的要求。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能日益完蓋，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用頷域日益擴大。

4、 數(shù)控銑床是在數(shù)控加工中心領(lǐng)域中最具代表性的一種典型機床，在數(shù)控機床中所占的比率最大，數(shù)控加工中心、柔性制造單元等都是數(shù)控銑床基礎(chǔ)上派生或發(fā)展起來的。它具有功能性強、加工范圍廣、工藝較復(fù)雜等點，主要用于各種復(fù)習(xí)的平面、輪廓、曲面等零件的銑削加工，同時還可以進行鉆、擴、鏜、攻螺紋等加工，在航空航天、汽車制造、機械加工和模具制造業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。 2.數(shù)控銑床的組成 數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、機床基礎(chǔ)部件、主軸箱、進給伺服系統(tǒng)及輔助裝置等幾大部分組成。 （1）數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)是機床運動控制的中心，通常數(shù)控銑床都配有高性能、高精度、集成軟件的微機數(shù)控系統(tǒng)，具有直線插補、圓弧插補、刀具補

5、償、固定循環(huán)、用戶宏程序等功能，能完成絕大多數(shù)的基本銑削以及鏜削、鉆削、攻螺紋等循環(huán)加工。 （2）機床基礎(chǔ)部件 通常是指底坐、立柱、工作臺、橫梁等，是整個機床的基礎(chǔ)和框架。 （3）主軸箱 包括主軸箱和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝刀具并帶動刀具旋轉(zhuǎn)、主傳動大多采用專用的無級調(diào)速電動機驅(qū)動。 （4）進給伺服系統(tǒng) 由進給電動機和進給執(zhí)行機構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進給速度實現(xiàn)刀具和工件之間的相對運動，其主軸垂直方向進給運動及工作臺的橫向和縱向進給運動均由各自的交流伺服電機來驅(qū)動。 （5）輔助裝置 包括液壓、氣動、潤滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護等裝置。 2數(shù)控銑床的分類 數(shù)控銑床品種繁多，規(guī)格不

6、一，可按通用銑床的分類方法分為以下3類： (1)數(shù)控立式銑床：數(shù)控立式銑床主軸軸線垂直于水平面，這種銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，應(yīng)用范圍也最廣。目前三坐標數(shù)控立式銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，一般可進行三軸聯(lián)動加工。 (2)臥式數(shù)控銑床：臥式數(shù)控銑床的主軸軸線平行于水平面。為了擴大加工范圍和擴充功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)臺或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)臺的方式來實現(xiàn)四軸和五軸聯(lián)動加工。這樣既可以加工工件側(cè)面的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓，又可以實現(xiàn)在一次裝夾中通過轉(zhuǎn)臺改變零件的加工位置也就是通常所說的工位，進行多個位置或工作面的加工。 (3)立臥兩用轉(zhuǎn)換銑床：這類銑床的主軸可以進行轉(zhuǎn)換，可在同一臺數(shù)控銑床上進行立式加工和

7、臥式加工，同時具備立、臥式銑床的功能。 3.數(shù)控銑床的用途和工藝特點 銑床是用銑刀進行切削加的機床,銑床的加工情況如圖1-1所示。在銑床上，用不同銑刀可以對平面、斜面、溝槽、臺階、T形槽、燕尾槽等表面進行加工，另外配上分度頭或回轉(zhuǎn)臺還可以加工齒輪、螺旋面、花鍵軸、凸輪等各種成型表面。故銑床的萬能性強，應(yīng)用范圍很廣。銑床的主參數(shù)是工作臺面寬度及長度。 銑床的工藝特點如下： (1)銑床的主軸帶動銑刀作旋轉(zhuǎn)主運動； (2)銑刀是多齒、多刃連續(xù)進行切削； (3)多數(shù)銑床由工作臺帶動工件作直線進給運動； (4)銑刀在切削時，每個刀齒的切削過程是斷續(xù)的，同時參加切削的齒數(shù)

8、是變化的，每個刀齒的切削厚度也是變化的，因此容易引起機床振動； (5)銑削時，銑刀同時參加切削的齒數(shù)較多，便于采用較大的銑削速度和進給給量，因而生產(chǎn)效率高。 4.數(shù)控銑床進給傳動裝置要求 數(shù)控機床伺機服進給系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動電路、伺服驅(qū)動裝置。機械傳動機構(gòu)及執(zhí)行部件組成。從位置控制的角度看，伺服系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)之分。開環(huán)控制不需要位置檢測與反饋；閉環(huán)和半閉環(huán)制需要有位置位檢測與反饋環(huán)節(jié)。 4.1伺服系統(tǒng)機械傳動結(jié)構(gòu)特點 為確定伺服系統(tǒng)的定位精度和工作穩(wěn)定性，在機構(gòu)傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計上都要求無間隙、低摩擦、高剛度、高諧振以及適宜的阻尼比。為了達到這些要求，機械傳動結(jié)

9、構(gòu)的設(shè)計中應(yīng)盡量采用低摩擦傳動副，如滾動導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌、滾珠絲杠等，以減小摩擦力；通過選區(qū)用最佳降速比來降低慣量；采用預(yù)緊的辦法提高傳動剛度；用消隙的辦法減小反向死區(qū)誤差等，其中最重要的是提高傳動剛度和降低慣量。采用預(yù)緊消除間隙提高傳動剛度，不僅不需要增大尺寸和慣量，而且也使傳動剛度接近常數(shù)，這是伺機服進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中最突出的特點。 4.2縱向伺服進給系統(tǒng)的基本要求 數(shù)控銑床進給系統(tǒng)必須保證由數(shù)控裝置發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)換成速度符合要求的相應(yīng)位移或直線位移，帶動運動部件運動。根據(jù)工件加工的需要，在機床上各運動坐標的數(shù)字控制可以是相互獨立的，也可以是聯(lián)動的。總之，數(shù)控機對進給系統(tǒng)

10、的要求集中在精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)三個方面。為滿足這些要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動電機，同時也需要高質(zhì)量的機械結(jié)構(gòu)與之匹配。為提高進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)性能主要采取以下措施： （1）提高系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的傳動剛度：主要是從傳動元件的剛度、消除傳動元件之間的間隙、盡可能縮短進給傳動鏈的長度、采用預(yù)緊措施這幾方面為出發(fā)點考慮。 （2）采用低而穩(wěn)定的摩擦傳動副：因為數(shù)控銑床進給系統(tǒng)多采用剛度高、摩擦因數(shù)小而穩(wěn)定的滾動摩擦副，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動導(dǎo)軌等。 （3）慣量匹配：最佳慣量匹配目的是為保證伺服驅(qū)動電機的工作性能和滿足傳動系統(tǒng)對控制指令的快速響應(yīng)的要求。由于在通常情況下傳動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的慣量總

11、是大于要求的數(shù)值，故而在設(shè)計時為得到最佳的慣量匹配，總是希望傳動系統(tǒng)中元件的質(zhì)量和慣量要小一些，降速比則要大一些。 （4）提高傳動件精度：高質(zhì)量的機械傳動配合與高性能的伺服電動機使現(xiàn)代數(shù)控機床進給系統(tǒng)性能有了大幅度提高。 4.3伺服進給系統(tǒng)對伺服電機的要求 （1）從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。 （2）電機應(yīng)具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4-6倍而不損壞。 （3）為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間

12、常數(shù)和啟動電壓。電機應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機可在0.2s以內(nèi)從靜止啟動到額定轉(zhuǎn)速。 （4）電機應(yīng)能隨頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)。 隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高。 交流伺服已占據(jù)了機床進給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動裝

13、置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺技術(shù)的成熟，將促進先進控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。 圖2－1 X502型立式銑床外形及進給傳動系統(tǒng) 4.4縱向進給系統(tǒng)的改動 （1）縱向進給系統(tǒng)需作以下改動：將帶輪去掉，將帶輪的軸通過聯(lián)軸器與伺服電機相連，絲杠傳動副改用滾珠絲杠螺母副，其余部分不動，仍保留機床縱向進給的機構(gòu)部分，這種改造成本最低。 （2）撤除原機床的進給箱，溜板箱,光杠與絲杠以及安裝座，配上滾珠絲杠及其相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動的伺服電機安裝在車床的床

14、尾，并不占據(jù)絲杠空間。; （3）滾珠絲桿仍安置在原絲桿的位置,采用一端軸向固定,一端浮動的結(jié)構(gòu)形式為便于安裝滾珠絲桿螺母副,絲桿不是整體的,而是采用分體式,即用連接套筒剛性連接。由于采用了滾珠絲杠可提高系統(tǒng)的精度和縱向進給整體剛度。 （4）縱向進給機構(gòu)和橫向進給機構(gòu)均由伺服電動機、滾珠絲桿螺母副通過ML-02型彈性膜片式聯(lián)軸器組成。 圖3－1 滾珠絲杠用軸承 上述2類軸承中，角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進行組合，但剛度較后者低，目前在一般中，小型數(shù)控機床中被廣泛應(yīng)用。滾針—圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。經(jīng)過分析在此設(shè)計中本傳動系統(tǒng)的絲杠采用一

15、端軸向固定，一端浮動的結(jié)構(gòu)形式如圖4－3所示。固定端采用1對接觸球軸承面對面組配，以容易實現(xiàn)自動調(diào)整。簡支端支承采用深溝球軸承，只承受絲杠的重力。同時滾珠絲杠工作時要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。 4.5滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊 珠絲杠螺母機構(gòu)是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置，是數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動裝置。 滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會產(chǎn)生嚴重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預(yù)緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較??；當(dāng)滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)時，螺母

16、不會立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動精度。因此，滾珠絲杠螺母副必須消除間隙，并施加預(yù)緊力，以保證絲杠、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高滾珠絲杠螺母副的接觸剛度。 滾珠絲杠螺母副通常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，如圖4－4所示 1－滾珠螺母；2－緊定螺釘；3－支座；4－滾珠絲杠；5－調(diào)整墊片 圖4－4 雙螺母滾珠絲杠 圖中1代表滾珠螺母，3代表支座，螺母與支座之間有調(diào)整墊片，通過調(diào)整墊片來調(diào)節(jié)滾珠螺母與滾珠絲杠螺紋之間的間隙。 通過調(diào)整兩個螺母之間的軸向位置，使兩個螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個不同的側(cè)面接觸，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，以達到提高軸向剛度的目的。調(diào)整預(yù)緊有多種方式，上

17、圖所示的為墊片調(diào)整式，通過改變墊片的厚薄來改變兩個螺母之間的軸向距離，實現(xiàn)軸向間隙消除和預(yù)緊。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、可靠性好。 4.6選擇伺服電機 伺服電機的選擇用，應(yīng)考慮三個要求：最大切削負載轉(zhuǎn)矩，不得超過電機的額定轉(zhuǎn)矩；電機的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負載慣量相匹配（匹配條件可根據(jù)伺服電機樣本提供的匹配條件，也可以按照一般的匹配規(guī)律）；快速移動時，轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電機的最大轉(zhuǎn)矩。 結(jié)束語 通過對X502經(jīng)濟型中檔精度數(shù)控銑床縱向進給機構(gòu)及導(dǎo)軌潤滑系統(tǒng)的設(shè)計與改造，使其尤其適合我國機床擁有量大,生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。數(shù)控機床以伺服電機直接驅(qū)動滾珠絲杠進行位置控制,減少了

18、中間傳動環(huán)節(jié),改善了傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性,避免了多級傳動帶來的累積誤差。經(jīng)改造后的機床完全能進行加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動控制, 加工的零件精度高,尺寸一致性好,自動化程度高,提高了原機床的生產(chǎn)效率,降低了勞動強度.而且使用方便,改造費用低，采用數(shù)控技術(shù)對企業(yè)原有機床進行改造,即發(fā)展經(jīng)濟型的數(shù)控機床是當(dāng)前工礦企業(yè)機床技術(shù)改造的有效途徑。 參考文獻 [1] 文懷興，數(shù)控銑床設(shè)計，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.11 [2] 杜君文，機械制造技術(shù)裝備及設(shè)計，天津：天津大學(xué)出版社，2007.10 [3] 李斌，數(shù)控加工技術(shù)，北京：高等教育出版社，2001.8 [4] 王彪，現(xiàn)代數(shù)控機床實用操作技術(shù)，北京：國防工業(yè)出版社，2009.3 [5] 王愛玲，數(shù)控機床結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，北京：機械工業(yè)出版社，2006.1 [6] 劉治平，機電傳動控制，天津：天津大學(xué)出版社，2007.9 [7] 林宋，現(xiàn)代數(shù)控機床，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.11 [8] 王愛玲，數(shù)控編程擇術(shù)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2