移動(dòng)式數(shù)控龍門銑床的總體設(shè)計(jì)

本文所述的移動(dòng)式數(shù)控龍門銑床是指龍門框架作縱向移動(dòng)的龍門銑床。移動(dòng)式龍門銑床的最大優(yōu)點(diǎn)是：（1）機(jī)床占地面積小。工作臺移動(dòng)式龍門銑床，整機(jī)長度必須兩倍于縱向行程長度，而移動(dòng)式龍門銑床的整機(jī)長度只需縱向行程加上龍門架側(cè)面寬度即可。（2）機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。移動(dòng)式龍門銑床采用的是固定工作臺，一般與床身整體鑄出，龍門框架縱向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩等值不變，不會(huì)因工件的承載重量的改變而變化，從而保證了加工精度和機(jī)床的響應(yīng)性能。

    筆者獨(dú)立設(shè)計(jì)的移動(dòng)式數(shù)控龍門銑床（圖1），現(xiàn)已作為專機(jī)投入生產(chǎn)應(yīng)用，能滿足大型鑄件、鋼件的鏜、銑、鉆等多工序加工；配上直角銑頭，還可對工件的4個(gè)側(cè)面進(jìn)行加工。由于設(shè)計(jì)思想正確，配套零部件質(zhì)量過關(guān)，該機(jī)床各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到數(shù)控龍門銑床相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。該龍門銑床的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：工作臺面積為1800mm×4000mm，X軸行程為4000mm，Y軸行程為2000mm，Z軸行程為750mm，主軸功率18.5kW，各軸快速進(jìn)給為10m/min。

    一、機(jī)械部分設(shè)計(jì)

    整機(jī)分為床身、龍門架、滑臺、主軸箱、三軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械部分及相關(guān)數(shù)控伺服部分。現(xiàn)把設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)闡述如下。

    床身是本次設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)，床身的尺寸設(shè)計(jì)影響著對整機(jī)的設(shè)計(jì)，而且設(shè)計(jì)的合理性直接影響到整機(jī)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(jì)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(jì)有一個(gè)狹長平面，用來安放滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。筆者把導(dǎo)軌面設(shè)計(jì)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(huì)受到龍門框架的重力、切削力和工件的重力，這樣的設(shè)計(jì)可使龍門框架的重力直接傳入到機(jī)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(jì)，其抗扭抗彎能力更強(qiáng)。主軸變速箱采用兩檔滑移齒輪變速機(jī)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(gè)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(jì)概念，即把橫梁與左右立柱設(shè)計(jì)成一體，雖然使鑄造和裝配調(diào)整時(shí)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(zhǔn)。

    滑臺的設(shè)計(jì)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(dòng)安裝位置設(shè)計(jì)在滑臺上，有效地減輕了滑臺的重量。

    設(shè)計(jì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)思如下：X軸的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙邊齒輪齒條副加重預(yù)壓滾動(dòng)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(dòng)部分貼有工程塑料，避免低速時(shí)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，而且導(dǎo)軌部分設(shè)計(jì)有斜鑲條可調(diào)裝置。這樣設(shè)計(jì)使機(jī)床的整體進(jìn)給性能得以協(xié)調(diào)，各軸的進(jìn)給速度和進(jìn)給力得到了最佳匹配。

    由于機(jī)床的縱向運(yùn)動(dòng)X軸是龍門框架移動(dòng)，而龍門框架重達(dá)10t，所以導(dǎo)軌必須選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。因?yàn)闈L動(dòng)導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)小，非常適合龍門框架移動(dòng)的動(dòng)靜剛度要求。導(dǎo)軌的滑塊選用加長加寬型，每個(gè)滑塊的動(dòng)載荷可達(dá)到10t。考慮到安全系數(shù)，每根導(dǎo)軌安裝3個(gè)滑塊。龍門框架的驅(qū)動(dòng)源為雙邊齒輪齒條副（見圖3），進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由軸2 輸入，通過兩對斜齒輪將運(yùn)動(dòng)傳給軸1和軸3，然后由兩個(gè)直齒輪4和5去傳動(dòng)齒條，從而帶動(dòng)龍門框架移動(dòng)。軸2上兩個(gè)斜齒輪的螺旋線的方向相反。通過彈簧在軸2上作用一個(gè)軸向力F，使斜齒輪產(chǎn)生微量的軸向移動(dòng)，這時(shí)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(yùn)動(dòng)Z軸采用滾珠絲杠副傳動(dòng)。由于本機(jī)床不是高速銑床，Z軸的進(jìn)給系統(tǒng)為伺服電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)比為4的平行軸定比齒輪箱帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)。筆者在設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)，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(jī)械式下垂。當(dāng)然，為了保護(hù)Z軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)的精度，還在滑臺上裝有兩個(gè)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(dòng)為Y軸，為了保證Y軸的傳動(dòng)精度，并使絲杠只受水平軸向力，故采用伺服電動(dòng)機(jī)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(hù)裝置，在過載時(shí)聯(lián)軸器會(huì)自動(dòng)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?yàn)榇讼到y(tǒng)提供了龍門軸的同步功能。使用此功能，本機(jī)床可以對龍門框架進(jìn)給軸（X1,X2）實(shí)現(xiàn)無機(jī)械偏差的位移。運(yùn)動(dòng)的實(shí)際值可進(jìn)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(yùn)動(dòng)精度。

    三、結(jié)語

    筆者最后要說明的是，根據(jù)專業(yè)機(jī)床零部件廠商提供的設(shè)計(jì)樣本進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。在此次設(shè)計(jì)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(yàn)公式得出，不僅大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)使設(shè)計(jì)的可靠性更高。同時(shí)在設(shè)計(jì)機(jī)床中要注重適時(shí)應(yīng)用三維軟件，如在部件草圖確立后就應(yīng)立即進(jìn)行三維模型裝配，通過進(jìn)行裝配干涉檢查，避免機(jī)床在裝配時(shí)出現(xiàn)的碰撞干涉返工現(xiàn)象。