數(shù)控移動龍門銑床的總體設(shè)計
2010-04-02 09:36:12
一、機械部分設(shè)計
整機分為床身、龍門架、滑臺、主軸箱、三軸進給驅(qū)動機構(gòu)機械部分及相關(guān)數(shù)控伺服部分。現(xiàn)把設(shè)計過程中的重點闡述如下。
床身是本次設(shè)計工作的基礎(chǔ)，床身的尺寸設(shè)計影響著對整機的設(shè)計，而且設(shè)計的合理性直接影響到整機的剛度。床身的截面形狀為Π形（圖2）。床身的上平面即工作臺面設(shè)計有9 條T 形槽，為方便床身工作臺面和# 形槽的精刨加工，槽完全貫通。床身的左、右兩下腳各設(shè)計有一個狹長平面，用來安放滾動直線導(dǎo)軌副。筆者把導(dǎo)軌面設(shè)計在床身的兩下側(cè)，主要是考慮力的傳遞方向與卸荷問題。因床身會受到龍門框架的重力、切削力和工件的重力，這樣的設(shè)計可使龍門框架的重力直接傳入到機床的基礎(chǔ)上，而床身只受到工件的重力。床身的基本壁厚由以下公式初定。
式中：L、B、H分別為床身的長、寬、高尺寸，單位為m。
根據(jù)當(dāng)量尺寸C，查閱相關(guān)表格（略），取基本壁厚為38mm
主軸箱采300mm×300mm截面設(shè)計，其抗扭抗彎能力更強。主軸變速箱采用兩檔滑移齒輪變速機構(gòu)，可適應(yīng)粗精加工需求。主軸單元采用4支承結(jié)構(gòu)，前面三組角接觸球軸承用來承受切削力，主軸尾部一個深溝球軸承用來卸荷，使主軸不受到滑移齒輪產(chǎn)生的附加力矩的影響。
龍門框架采用的是整體龍門架的設(shè)計概念，即把橫梁與左右立柱設(shè)計成一體，雖然使鑄造和裝配調(diào)整時的難度加大，但整體龍門框架的剛性更好，更重要的是使主軸箱、滑臺等部件有了裝配基準。
滑臺的設(shè)計是在龍門架和主軸箱的幾何尺寸確定后，按照主軸的中心盡量貼近橫梁上的導(dǎo)軌面為原則，并把Z軸驅(qū)動安裝位置設(shè)計在滑臺上，有效地減輕了滑臺的重量。
設(shè)計進給驅(qū)動機構(gòu)的構(gòu)思如下：X軸的進給驅(qū)動機構(gòu)采用雙邊齒輪齒條副加重預(yù)壓滾動直線導(dǎo)軌副，X軸與Y軸采用大直徑預(yù)壓滾珠絲杠副加硬導(dǎo)軌副，且導(dǎo)軌滑動部分貼有工程塑料，避免低速時產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，而且導(dǎo)軌部分設(shè)計有斜鑲條可調(diào)裝置。這樣設(shè)計使機床的整體進給性能得以協(xié)調(diào)，各軸的進給速度和進給力得到了最佳匹配。
由于機床的縱向運動X軸是龍門框架移動，而龍門框架重達10t，所以導(dǎo)軌必須選用直線滾動導(dǎo)軌。因為滾動導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)小，非常適合龍門框架移動的動靜剛度要求。導(dǎo)軌的滑塊選用加長加寬型，每個滑塊的動載荷可達到10t?？紤]到安全系數(shù)，每根導(dǎo)軌安裝3個滑塊。龍門框架的驅(qū)動源為雙邊齒輪齒條副（見圖3），進給運動由軸2 輸入，通過兩對斜齒輪將運動傳給軸1和軸3，然后由兩個直齒輪4和5去傳動齒條，從而帶動龍門框架移動。軸2上兩個斜齒輪的螺旋線的方向相反。通過彈簧在軸2上作用一個軸向力F，使斜齒輪產(chǎn)生微量的軸向移動，這時軸1和軸3便以相反的方向轉(zhuǎn)過微小的角度，使齒輪4和5分別與齒條的兩齒面貼緊，消除了間隙。
主軸箱的上下垂直運動Z軸采用滾珠絲杠副傳動。由于本機床不是高速銑床，Z軸的進給系統(tǒng)為伺服電動機通過傳動比為4的平行軸定比齒輪箱帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)。筆者在設(shè)計中特別注意Z軸的安全問題。首先選用帶電磁剎車的伺服電動機，其次在滾珠絲杠上裝有一雙向超越離合器，防止?jié)L珠螺母自轉(zhuǎn)引起主軸箱機械式下垂。當(dāng)然，為了保護Z軸進給機構(gòu)的精度，還在滑臺上裝有兩個平衡油缸。平衡力Q等于主軸箱部件質(zhì)量的85%
主軸箱的左右移動為Y軸，為了保證Y軸的傳動精度，并使絲杠只受水平軸向力，故采用伺服電動機與滾珠絲杠直聯(lián)方式。筆者選用的聯(lián)軸器帶有過載保護裝置，在過載時聯(lián)軸器會自動脫開。
二、數(shù)控系統(tǒng)選型
數(shù)控系統(tǒng)采用的是西門子840D，因為此系統(tǒng)提供了龍門軸的同步功能。使用此功能，本機床可以對龍門框架進給軸（X1,X2）實現(xiàn)無機械偏差的位移。運動的實際值可進行連續(xù)比較，即使最小的偏差也可以得到糾正，因此提高了X軸的運動精度。
三、結(jié)語
筆者最后要說明的是，根據(jù)專業(yè)機床零部件廠商提供的設(shè)計樣本進行設(shè)計會達到事半功倍的效果。在此次設(shè)計過程中，筆者對數(shù)控系統(tǒng)、主軸單元、變速箱、齒輪齒條副和絲杠導(dǎo)軌等都按照樣本上的經(jīng)驗公式得出，不僅大大縮短了設(shè)計時間，同時使設(shè)計的可靠性更高。同時在設(shè)計機床中要注重適時應(yīng)用三維軟件，如在部件草圖確立后就應(yīng)立即進行三維模型裝配，通過進行裝配干涉檢查，避免機床在裝配時出現(xiàn)的碰撞干涉返工現(xiàn)象。
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