铣削头主轴电动机采用伺服电动缸驱动控制设计应用

作者：辛百灵

摘 要: 针对组合机床通用部件滑套式铣削头主轴伸出缩回运动的不足，设计了一种采用伺服电动缸驱动的主轴伸出缩回运动的结构方案。将铣削头主轴伸出缩回直线往复运动由液压缸驱动转换成伺服电动缸推杆驱动，主轴伸出位置实现无级精确控制，具备自动粗铣、半精铣、精铣、让刀功能。在数控组合铣床上实现柔性化加工，得到广泛应用。

     组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具组成的半自动或自动专用机床。随着科学技术不断发展，数控机床
的发展也越来越快，正朝着高复合、高精度、高速度化和模块化方向发展。在这样的背景下，数控组合机床应运而生，这就要求作为组合机床的通用部件必须数控化。目前，系列机械滑台已升级改造为系列数控滑台，由交流伺服电动机驱动滚珠丝杠副旋转带动滑台体移动，实现了数控化; 钻削头、镗削头、铣削头等动力部件通过采用变频电动机或主轴伺服电动机也实现了主轴转速的数控化。但是铣削头主轴伸缩运动仍然是采用手动或液压驱动，不能够实现主轴多次数控化伸缩运动，不能够自动实现粗铣、半精铣、精铣及让刀功能。为此，对铣削头主轴伸缩运动进行了数控化改造设计，采用伺服电动缸代替液压缸，实现了主轴自动化伸缩功能。

1 铣削头主轴液压驱动伸缩原理及存在问题

      铣削头是组合机床、专用机床上普遍应用的通用部件之一，主要完成平面铣削、铣槽、铣边等工序。目前铣削头应用最多的是滑套式主轴结构，有两种结
构形式，Ⅰ型: 手动移动滑套，手动锁紧滑套，用于对刀调整。其工作原理: 手动转动螺杆，螺杆在固定的螺母中移动，通过法兰盘，带动滑套移动，实现对刀调整。然后旋转锁紧螺杆，通过楔块将滑套锁紧。Ⅱ型: 液压自动移动滑套，液压自动锁紧滑套。其工作原理: 让刀油缸后退，带动法兰盘、主轴滑套一起后退，使端铣刀离开已加工工件表面，起到让刀作用。工件退至装卸工位后，让刀油缸再带动滑套前进，使刀盘复位，锁紧油缸使楔块锁紧滑套，准备加工下一个工件。

1．1 液压自动让刀机构

     主轴滑套液压自动让刀机构如图 1 所示。主轴 1通过轴承等安装在主轴滑套 3 内，主轴滑套 3 安装在箱体孔内，法兰盘 5 与主轴滑套 3、让刀油缸 4 活塞杆固定连接。让刀油缸通过法兰盘带动主轴滑套在箱体主轴孔内运动。主轴滑套运动至加工位置后由前后两套锁紧油缸锁死，保证主轴加工时刚性。

1．2 液压锁紧机构

      主轴滑套液压锁紧机构如图 2 所示。主轴滑套 3轴向位置两端分别布置一套锁紧缸，当主轴滑套 3 运动至加工位置，左右锁紧缸向主轴中心运动，锁紧主轴滑套; 左右锁紧缸向远离主轴中心运动，松开主轴滑套，主轴滑套可在箱体孔内运动。

铣削头存在的不足主要表现为:

( 1) 铣削头主轴伸缩位置在加工时不能实现准确定位。

( 2) 铣削头主轴伸缩在加工时不能实现数控化自动进给控制。

2 铣削头主轴伺服电动缸驱动伸缩原理及结构设计

2．1 伺服电动缸工作原理及特点

       电动缸主要由伺服电动机、减速器和缸体三部分组成，如图 3 所示。其中缸体由活塞( 杆) 、滚珠丝杠、丝杠螺母等组成。

       电动缸工作时，伺服电动机依照要求的转速旋转，通过减速机，按照配好的减速比传递给滚珠丝杠，滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动，带动活塞杆伸出和缩回，从而实现电动缸的往复运动。利用伺服电机的闭环控制特性，可以很方便地实现对推力、速度和位置的精密控制;利用现代运动控制技术、数控技术和总线( 网络) 技术，实现程序化、总线( 网络) 化控制。由于其控制、使用的方便性，实现液压缸传动不能实现的精密运动控制。

2．2 铣削头主轴伸缩结构改进设计

      鉴于铣削头主轴液压伸缩机构的不足，采用伺服电动缸代替液压缸，如图 4 所示。采用折反式伺服电动缸代替液压缸，伺服电动机通过减速机、滚柱丝杠副将旋转运动转变为电动缸推杆的直线运动，电动缸的推杆相当于液压缸的活塞杆，通过主轴滑套的法兰盘带动主轴沿轴向移动，从而实现对主轴滑套伸出速度、位置的准确控制。当主轴到达要求位置，前后锁紧液压缸通过锁紧块锁紧主轴滑套。

2．3 电动缸选型设计

     铣削头 是 通 用 部 件，是一个系列产品，本 文 以1TX50Ⅱ型为例。

( 1) 原让刀缸推拉力计算
原让刀缸参数: 缸径 D= 63 mm; 活塞杆直径 d = 25 mm; 系统压强 P = 4 MPa; 负荷率 β = 0．8。
推力 F1 = 0．8 PS1

= 0．8×3．14 ×P×( D/2) 2

= 0．8×3．14×4×( 63 /2) 2

= 9970 N

拉力 F2 = 0．8 PS2

= 0．8×3．14P( D/ 2－d / 2) 2

= 0．8×3．14×4×( 63 /2－25 /2) 2

= 3630 N
式中: S1 为无杆腔活塞作用面积，S1 = π( D/2) 2，mm2 ; S2 为有杆腔活塞作用面积，S2 = π（ D/2 － d/2  ) 2，mm2。由上述计算得知: 选择的电动缸推力必须≥3 360 N。

( 2) 电动缸推拉力计算电动缸参数: 伺服电动机输出扭矩 T = 1．27 N· m; 丝杆导程 L = 4 mm = 0. 004 mm ; 减速比 Ｒ = 3; 效率η = 0．85。

推拉力 F = 6．28TηＲ /L

= 1．27×0．85×2×3．14×3 /0. 004

= 5. 08 kN。这样选择的电动缸经用户使用，可靠稳定。

3 结语

     本文通过对通用部件铣削头采用伺服电动缸的改进设计，实现了主轴伸缩运动的速度、位置自动化精确控制，扩展了铣削头的加工工艺范围。在数控组合机床上通过数控系统伺服控制主轴铣刀能够完成粗铣、半精铣、精铣及台阶铣等工艺。铣削头主轴电动机采用变频电动机或主轴伺服电动机，主轴伸缩运动采用伺服电动缸驱动，使得铣削头达到了数控化升级改造的要求，适应了市场需要。

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