典型数控铣床的设计

数控铣床的主传动系统设计1. 主传动系统变速方式交流变频无级调速主轴电机使数控机床主传动实现了无级调速，解决了直流电机长期运转产生整流火花和电刷磨损的难题。

数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

为了适应各种工件和各种工件材料的要求，数控铣床调速范围应进一步扩大。

为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。

对于通用型数控铣床，要求主轴变速范围200~100≥np R ，恒功率区的变速范围尽量大，当主轴最低转速拟定后，主轴的计算转速应较低，以满足低速大转矩的切削加工要求。

实现这些功能应在交流无级调速主轴电机后串联分级变速机构，以扩大电机的恒功率区变速范围。

如果分级变速机构设计得不合适，则须选用较大功率的电机。

原因是电机在恒转矩区运行时，应保证主轴在最低转速切削时有足够大的功率；主轴在恒功率区工作时，有些系统会出现功率缺口，为了在缺口低谷处功率能保证传递全部功率，只有选择额定功率较大的电机给予补偿。

2. 串联分级变速机构的主传动系统设计 （1）分级变速机构设计分级变速机构级数Z 主要取决于主轴要求的恒功率变速范围np R 、电机的恒功率变速范围dp R 和分级变速机构的变速范围f R ，同时还和机构的复杂程度和主轴是否允许有功率缺口有关，常用的级数Z ＝2、3、4。

① 假设Z ＝2，传动比为1i 、2i ，且21i i >，则级数比f R i i ==21/ϕ，要使主轴转速连续，功率无缺口的条件是dp R ≤ϕ (即dp f R R <)，这与要求主轴的恒功率区变速范围np R 尽量大，相矛盾，使得主轴转速不连续，功率有缺口，如图8-15（a ）所示。

由图8-15（a ）可以看出，采用一个Z ＝2的变速机构(即Ⅱ轴为主轴)时，只有级数比dp R ≤ϕ时，主轴的恒功率区转速连续，但主轴np R 很小，不能满足机床要求。

若再增加一个Z ＝2的传动组，(如图8-15（a ）中Ⅱ—Ⅲ轴)，主轴为第Ⅲ轴，则 np R 扩大范围很宽，但要经常换档且操纵机构复杂，主轴转速不连续，功率有缺口，因此不可取。

② 假设Z ＝4，如图8-15（ b ）所示，四联滑移齿轮或两个双联滑移齿轮，使变速机构轴向尺寸增大，也不可取。

① 假设Z ＝3，传动比为1i 、2i 、3i ，且321i i i >>，则级数比211/i i =ϕ，f i i 322/=ϕ，21ϕϕ⋅=f R ，令21ϕϕϕ⋅=，则ϕ=f R 。

如图8-16所示。

当dp R ＝3，ϕ≤3时，主轴无功率缺口，采用一级带轮(或齿轮)和一个三联滑移齿轮传动，较为理想。

由图8-16看出，采用图中所示的变速组来实现分级变速机构较为理想，主轴的恒功率区范围较宽，功率无缺口，转速连续。

上述理论分析及其设计计算步骤方法，举例说明如下：（2）实例计算假设本例数控铣床，其主轴变速范围，最高转速min /2500max r n =，最低转速min /25min r n =，最大切削功率kW P n 10m ax =，在最低转速工作时的功率kW P n 3m in =，主传动机械总效率系数η＝0.9。

①初选电机功率根据机床要求来初选电机功率，并要考虑主传动的机械总效率系数，电机功率选得适当，则主轴的恒功率区无缺口或有微小缺口；当电机功率选得较大时，主轴的恒功率区允许有略大的缺口。

在本例中，初选电机功率D P ＞10kW ，根据电机规格，可选用11kW 或15kW 的电机。

② 确定最小输出功率计算主轴在最低转速(min /25min r n =)达到最小功率(kW P n 3m in =)时，电机应输出的功率min D P ：min D P =kW P n 3.39.0/3/m in ==η③计算电机实用的最低转速min D n若D P 选为11kW ，则：min /4501500113.3min min r n P P n d D D D =⨯=⨯=若D P 选为15kW ，则：min /3301500153.3min min r n P P n d D D D =⨯=⨯=式中：d n —电机的基本转速，取d n ＝1500r/min 。

④计算电机额定转矩D T ：)(9550m N n P T dDD ⋅= 当D P 分别取11kW 、15kW 时，D T 约为m N ⋅70和m N ⋅5.95。

⑤计算电机的最小转矩min D T)(9550maxmin m N n PT d D D ⋅=式中：max d n —电机的最高转速，取min /4500max r n d =。

当D P 分别取11kW 、15kW 时，min D T 分别为m N ⋅3.23和m N ⋅8.31。

⑥计算电机实用的恒转矩变速范围DT RminD d DT n n R =当D P 分别取11 kW 、15 kW 时，DT R 分别为3.3和4.5。

电机实用的恒转矩区的变速范围DT R 也是主轴的恒转矩区变速范围的对应值nT R ，即：DT nT R R =。

⑦根据上述计算画出电机实用转速范围的功率转矩特性图，如图8-17（a ）、（b ）所示。

⑧主轴变速系统其它参数的计算 主轴计算转速j n ：min)/(min r R n n nT j ⨯=主轴恒动功率变速范围np R ：j np n n R /max =分级变速机构的变速范围f R ：dp np f R R R /=式中：dp R —电机的恒功率区变速范围。

min max /d d dp n n R =其中： max d n 、min d n 分别为电机的最高和最低转速。

主传动系统总降速比∑i ：d j n n i /=∑以上各参数计算结果如表8-5所示，由表可知：如果选用不同电机功率，而要求主轴在最低转速(min /25min r n =)达到最小功率(kW P n 3m in =)相同 ，则会导致两种方案的主要技术参数有较大差别。

表8-5 主传动两种方案有关数据对照表⑨串联分级变速机构的转速图和功率转矩特性曲线图根据表8-5中的各个参数，可画出两种方案的转速图和对应的功率转矩特性曲线图，如图8-18(a)、(b)为11 kW的电机串联分级变速机构的转速图和功率转矩特性曲线图。

图8 -19 (a)、(b)为15 kW的电机串联分级变速机构的转速图和功率特性曲线图。

从图8-18（b）中可以看出：主轴的恒功率区对应有小缺口，在换档时降低功率约0.5 kW，影响不大，能满足要求。

从图8-19（b）中可以看出：主轴的恒功率区无缺口，但电机功率大，有些浪费，因此，选用11kW的交流调频电机较理想。

⑩结论（a ）带有分级变速机构的变速范围f R 取决于交流调速电机恒功率调速范围dp R 和级数Z 。

当电机确定后，要使主轴转速连续的条件是级数比dp R ≤ϕ，否则，主轴转速不连续，产生功率缺口。

（b ）分级变速机构的级数Z 的选择应根据设计数控机床的具体要求确定。

通常Z ＝3时，若dp R ＝3 时，分级变速机构的恒功率区变速范围可扩大到9左右，主轴转速连续。

（c ）选择电机功率时，在满足机床要求的前提下，若无特殊要求，就不必选择较大功率的电机，以免造成浪费。

数控铣床的伺服进给系统设计下面以数控铣床工作台的纵向（X轴）进给系统为例，来说明其特点和结构设计方法。

数控铣床对进给系统的要求集中在精度、稳定性和快速响应三个方面。

1. 传动系统设计伺服电机一般最高转速为1500r/min 或2000r/min。

如果伺服电机通过联轴器与丝杠直接连接，即＝1。

假设工作台快速进给的最高速度要求达到＝15，取电机的最高转速＝1500r/min，则丝杠的最高转速也为1500r/min。

基本丝杠导程为假设定位精度要求为±0.012/300，重复定位精度为±0.006。

则根据精度要求，数控铣床的脉冲当量可定为脉冲。

伺服电机每转应发出的脉冲数达到伺服系统中常用的位置反馈器有旋转变压器和脉冲编码器。

旋转变压器的分解精度为每转2000个脉冲，如果采用旋转变压器方案，则在伺服电机和旋转变压器之间安装5：1的升速齿轮。

采用编码器方案时，因脉冲编码器有每转2000个、2500个、5000个脉冲等数种产品，故编码器后面应加倍频器。

速度反馈装置中，与旋转变压器配套的，可采用测速发电机。

其性能为电机按1000r/mi n输出一定的电压量。

如采用脉冲编码器方案，则可在倍频器后加频率/电压转换器（F/ V）。

其转换比例为每分钟个脉冲，输出电压为（如6V）。

本例中，通过上面的计算知：伺服电机每转发出的脉冲个数为个，故其转换比例仍为6（V）/1000（r/min）。

图8-20为上述两种方案的传动系统图。

这两种方案都可采用，各配不同的数控系统即可。

2. 滚珠丝杠的选择（1）滚珠丝杠精度假设本系统要达到±0.012/300的定位精度，根据要求查阅滚珠丝杠样本，对于1级（）精度丝杠，任意300内导程允许误差为0.006，2级（）精度丝杠的导程允许误差为0.008。

初步设丝杠的任意300行程内的行程变动量为定位精度的1/3～1/2，即0.004～0.006，因此，可取滚珠丝杠精度为级，即1级精度丝杠。

（2）滚珠丝杠选择滚珠丝杠的名义直径、滚珠的列数和工作圈数，应按当量动载荷选择。

丝杠的最大载荷为切削时的最大进给力加上摩擦力；而最小载荷为摩擦力。

假设最大纵向进给力＝5000N，工作台质量300，工件与夹具的最大质量为500，采用贴塑导轨，则：工作台加上工件与夹具的质量为：300＋500＝800因为贴塑导轨的摩擦因数为0.04，故丝杠的最小载荷（即摩擦力）（N）丝杠最大工作载荷（N）轴向工作载荷（平均载荷）为：（N）其中，、分别为丝杠最大、最小轴向载荷；当载荷按照单调连续或周期性单调连续变化时，则：（2＋）/3。

从（1）的计算分析中知：丝杠最高转速为1500r/min，假定工作台最小进给速度为1/min，则丝杠的最低速度为：0.1(r/min)可取为0，则丝杠的平均转速为：(1500+0)/2=750(r/min)故丝杠工作寿命为：式中L—工作寿命，以为一个单位；—丝杠平均转速，r/min；T—丝杠使用寿命，对数控铣床可取T＝15000。

当量动载荷为：式中—载荷性质系数，无冲击取1～1.2，一般情况取1.2～1.5，有较大冲击振动时取1.5～2.5，本例中取＝1.5；—精度影响系数，对于1、2、3级精度的滚珠丝杠取＝1，对于4、5级滚珠丝杠取＝0.9，本例中取＝1。

根据以上计算，查滚珠丝杠样本中与相近的额定动载荷，使得﹤，然后由此确定滚珠丝杠副的型号和尺寸。