立式加工中心Z軸進(jìn)給傳動設(shè)計

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CNC technology widely used for manufacturing countries in the world today, in order to improve the high manufacturing capacity and level, improve the ability to adapt to the dynamic changeable market and competition ability. In addition, all industrial countries in the world will also list and CNC numerical control technology and equipment for the strategic materials of the country, not only to take significant measures to develop their own numerical control technology and industry, and in "sophisticated" key technology and equipment of numerical control of our country to implement policy of closures and restrictions. The development of CNC machine tool technology since 1953 the United States developed the first three coordinate lifting mode of CNC milling machine, so far has 53 years history of 20 century 90 years, the rapid development of computer technology and the microelectronic industrial base, to the development of CNC machine tool provides a good platform, the CNC machine tool industry has been rapid development. CNC technology research in our country started in 1958, domestic the first CNC machine tools is Beijing first machine tool plant production of three axis NC milling machine. Although from time to time to see only later than abroad for a few years, but due to various reasons, CNC machine tool technology in the development of our country is a Straight after on the international level, in 1980, China's output of CNC machine tools is not to 700 sets. In the 1990s, China's CNC machine tool technology development got a larger speed. At present, with foreign advanced level compared to still exist large gap. In short, vigorously develop the CNC technology as the core of advanced manufacturing technology has become the world's developed countries to accelerate economic development, improve the comprehensive national strength and the national status of an important way. Machining center: with a knife library and automatically change the knife device is a highly automated multi function CNC machine tools. In Hong Kong, China, Taiwan and Guangdong generation also many people call it the computer gongs. Workpiece in machining center by a clamping, the digital control system can control the machine tool according to not the same process, automatic selection and replacement of cutting tools, automatically change spindle speed, feed rate and tool relative workpiece trajectory and other auxiliary functions, in order to complete the process of the workpiece surface processing. And there are a variety of change knife or knife selection function, so that the production efficiency is greatly improved. Machining center equipped with because of the knife and can automatically replace the tool and the workpiece in a fixture can complete the processing of multi process. Processing centers do not require human intervention, when the machine tool to start the program, it will have to run to the end of the process. Key words: CNC machine tool; feed drive system; ball screw；simulation 目 錄 第1章概述 1 1.1課題的背景 1 1．2國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品及研發(fā)現(xiàn)狀 4 1．3主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 6 第2章滾珠絲杠螺母副 7 2.1滾珠絲桿副及其支承的選取 7 2.2計算 7 第3 章伺服電機(jī) 19 3.1伺服電機(jī)的選型 19 3.1.1電機(jī)負(fù)載扭矩計算 19 3.1.2 慣量匹配計算 20 3.2伺服定位精度的驗證 21 3.2.1 機(jī)械傳動裝置剛度計算 21 3.2.2 伺服剛度計算 22 第4章仿真分析 23 4.1　機(jī)電進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖 23 4.2仿真分析 23 4.2.1　理想線性狀態(tài)的仿真分析 23 4. 2. 2　具有摩擦非線性因素的仿真分析 24 參考文獻(xiàn) 26 致謝 29 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第1章 概述 第1章 概述 1.1課題的背景 制造業(yè)直接體現(xiàn)了一個國家的生產(chǎn)力水平，是區(qū)別發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家的重要因素。制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，是我國經(jīng)濟(jì)增長的主導(dǎo)部門和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，是我國城鎮(zhèn)就業(yè)的主要渠道和國際競爭力的集中體現(xiàn)：作為過去20多年我國綜合國力提高的主要標(biāo)志。我國已經(jīng)成為裝備制造業(yè)大國，但產(chǎn)業(yè)大而不強、自主創(chuàng)新能力薄弱、自主創(chuàng)新產(chǎn)品推廣應(yīng)用困難等問題依然突出。應(yīng)該看到，我國目前正處于擴(kuò)大內(nèi)需、加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，對先進(jìn)裝備有著巨大的市場需求。因此，提高中高檔數(shù)控機(jī)床的市場競爭力是機(jī)床行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的首要任務(wù)。必須采取有效措施加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，加強技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)裝備制造業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，為我國經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快發(fā)展做出貢獻(xiàn)。 數(shù)控機(jī)床作為現(xiàn)代裝備制造業(yè)的關(guān)鍵裝備，其產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上代表了國家的工業(yè)現(xiàn)代化水平和競爭力。我國數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國家還有很大差距，高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多依靠進(jìn)口，同時，數(shù)控機(jī)床作為國防軍工的戰(zhàn)略裝各，是各種武器裝備最重要的制造母機(jī)，是國防軍工裝備現(xiàn)代化的重要保證口。因此，一些發(fā)達(dá)國家把高性能數(shù)控機(jī)床作為戰(zhàn)略物資嚴(yán)加控制，限制我國進(jìn)口。 根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會市場部提供的國際招標(biāo)信息，中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會分會對2012年1～3月份通過國際招標(biāo)采購的加工中心總量、產(chǎn)品分類占比、產(chǎn)品水平和價格方面、用戶及制造商情況進(jìn)行了統(tǒng)計分析。進(jìn)一步了解了市場需求，為企業(yè)有針對性地開發(fā)新產(chǎn)品并積極參與國際招標(biāo)競爭起到引導(dǎo)作用。根據(jù)國際招標(biāo)采購加工中心匯總表，2012年1～3月，加工中心中標(biāo)項目共有153項，中標(biāo)數(shù)量為314臺，產(chǎn)品金額總計46962．4萬美元。各類加工中心中標(biāo)情況見表1．1。 表1．1 各類加工中心中標(biāo)情況 產(chǎn)品分類 中標(biāo)數(shù)量 產(chǎn)品數(shù)額（萬美元） 金額占比% 臥式加工中心-生產(chǎn)線 6 17857.75 38.0% 臥式加工中心 166 11945.98 25.4% 龍門加工中心 27 7255.68 15.5% 其它加工中心 50 4467.60 9.5% 立式加工中心-生產(chǎn)線 2 2544.21 5.4% 立式加工中心 61 2435.38 5.2% 其它加工中心-生產(chǎn)線 2 455.8 1.0% 總計 314 46962.4 100% 2012年1～3月份通過國際招標(biāo)采購的314臺加工中心，分布在13個國家和地區(qū)。以金額計算，德國中標(biāo)額最大，達(dá)到24387萬美元，占中標(biāo)總額的51．93％；日本中標(biāo)額排第2，為13856．06萬美元，占中標(biāo)總額的29．5％；法國排名第3，中標(biāo)額為2065．44萬美元，占中標(biāo)總額的4．4％；美國中標(biāo)額最少，為11．17萬美元，占中標(biāo)總額的0．02％。以數(shù)量計算，日本中標(biāo)臺數(shù)最多，為119臺；德國中標(biāo)97臺名列第2；法國中標(biāo)23臺排在第3；中國中標(biāo)17臺位列第4。詳細(xì)情況見表1．2。 表1．2 中標(biāo)產(chǎn)品國別分布及占比 制造商國別或地區(qū) 臺數(shù) 金額（萬美元） 金額占比 德國 97 24387.00 51.93% 日本 119 13856.06 29.50% 法國 23 2065.44 4.40% 意大利 12 1788.78 3.81% 瑞士 7 854.31 1.82% 韓國 12 803.01 1.71% 奧地利 1 695.35 1.48% 中國 17 657.79 1.40% 捷克 5 597.52 1.27% 西班牙 2 548.52 1.17% 中國臺灣 14 424.45 0.90% 新加坡 2 273.00 0.58% 美國 1 11.17 0.02% 總計 314 46962.40 100.00% 由以上數(shù)據(jù)可以看出，2012年，世界28個主要機(jī)床生產(chǎn)國機(jī)床產(chǎn)值932億美元，中國機(jī)床產(chǎn)值273．6億美元，約占30％，中國金屬加工機(jī)床消耗約占全球市場的45％。2012年，機(jī)床進(jìn)口額136．6億美元，其中加工中心進(jìn)口5萬臺，進(jìn)口額56．5億美元，占進(jìn)口機(jī)床總額的41．4％。2012年軍工企業(yè)進(jìn)口五軸聯(lián)動機(jī)床進(jìn)口數(shù)量約占總進(jìn)口機(jī)床70％。而德國哈默公司C系列立式五軸加工中心屬于高精度、高性能機(jī)床，是我國進(jìn)口主要機(jī)種之一。 愛好軍事的朋友大多都知道著名的“東芝事件”：上世紀(jì)末，日本東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床，結(jié)果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進(jìn)螺旋槳，上了幾個檔次，使美國間蝶船的聲納監(jiān)聽不到潛艇的聲音了，所以美國以東芝公司違反了戰(zhàn)略物資禁運政策，要懲處東芝公司。由此可見，五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)各等等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力?，F(xiàn)在大家普遍認(rèn)為，五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)予、大型柴油機(jī)曲軸等加工的唯一手段。是衡量我國數(shù)控裝備制造水平的重要依據(jù)之一。與裝備制造發(fā)達(dá)國家相比，我國在五軸加工中心系列化程度、加工功能、加工效率、加工精度和市場占有率上尚有差距。尤其是五軸加工中心國產(chǎn)制造能力明顯不足，這已經(jīng)成為制約我國制造業(yè)快速發(fā)展，尤其是制約國家重大國防、航空和航天裝備制造能力的瓶頸。 1．2國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品及研發(fā)現(xiàn)狀 根據(jù)近三年來，中國國際機(jī)床展覽會展出機(jī)床產(chǎn)品來看，展會展品的特點是：突出智能功能，倡導(dǎo)低碳和綠色制造方式，柔性、復(fù)合、五軸聯(lián)動、高精、高速化仍然是數(shù)控機(jī)床的發(fā)展主流，自動化水平高，機(jī)床向安全、宜人化深度發(fā)展。1 1屆展會具有五軸聯(lián)動功能的機(jī)床展品有80余臺套，眾多國際知名廠家都帶來展品。如HERMLE、DMG、米克朗、森精機(jī)等，臺灣的崴立、簏馳和友佳公司都帶來五軸聯(lián)動機(jī)床展出，國內(nèi)的沈陽集團(tuán)、大連機(jī)床集團(tuán)、北京機(jī)電院等也都展出了五軸聯(lián)動加工中心。展會展出的五軸聯(lián)動加工中心結(jié)構(gòu)形式多種多樣，從功能上講除了葉片式、葉輪式及龍門式加工中心外，五軸機(jī)床不再僅展示曲面加工，還有不少是展示一次裝夾，多面高效加工的功能。這是展會五軸機(jī)床最突出的亮點，也是五軸機(jī)床的發(fā)展趨勢，更是全面解決方案服務(wù)理念的具體體現(xiàn)。 瑞士GF阿奇夏米爾集團(tuán)展出的HPM 800U五軸加工中心屬于高效銑削領(lǐng)域中的最新一代產(chǎn)品。機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊、穩(wěn)定性好且動力出眾。尤為突出的是：它對第四軸和第五軸的直接驅(qū)動使其在加工500kg的工件時回轉(zhuǎn)軸和擺動軸有充足的動能。它具有四種不同類型的工作臺，可使小型工件在完全聯(lián)動的回轉(zhuǎn)擺動工作臺上手動輕松裝載，并可以從后面進(jìn)行托盤交換。機(jī)床主要參數(shù)：行程(X×YXZ)：850×800X 550mlll，擺動軸：+91。／．121。，回轉(zhuǎn)軸：360。，工作主軸：20000 min．1，快速移動：45m／min，工作臺面：500×630 mm，最大承重：800kg，HSK．A63刀庫容量：60把。 DMG的新機(jī)床DMU 60也是一次裝夾多面加工的典范。該機(jī)將萬能銑床和立式加工中心的性能完美地結(jié)合，滿足一次裝夾五軸聯(lián)動輪廓加工的要求。該機(jī)采用了動梁式龍門結(jié)構(gòu)，直線軸(X×YXZ)的行程為600×500×500mm。B軸和C軸采用轉(zhuǎn)速 高達(dá)60rpm、擺動范圍為+5。／．1 10。的快速數(shù)控擺動分度工作臺。工作臺的直徑為630mm，負(fù)載能力為400kg。旋轉(zhuǎn)軸的力矩電機(jī)驅(qū)動提高了機(jī)床的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。DMU 60標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床采用滾珠絲杠傳動，快移速度為50 m／min。該機(jī)左側(cè)刀庫和鏈?zhǔn)酵屑艿脑O(shè)計也非常巧妙，機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠。標(biāo)配30把刀庫。標(biāo)配14，000 rpm主軸，用戶也可以選配18，000 rpm或24，000 rpm主軸。所有主軸可以配置SK40(BT40)或HSKA63刀柄。 還有HERMLE的C30U及北京機(jī)電院的XKH800、南通科技的5DLl 100等五軸加工中心，先進(jìn)的驅(qū)動技術(shù)及控制系統(tǒng)在五軸聯(lián)動7J口32中,t>上得到了廣泛的應(yīng)用，如直驅(qū)技術(shù)、直線電機(jī)、力矩電機(jī)、內(nèi)裝式電主軸、熱變形控制技術(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)等被廣泛利用。力矩電機(jī)在五軸聯(lián)動機(jī)床的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中起到了特別重要的作用。 從五軸聯(lián)動加工中心產(chǎn)品上看，國內(nèi)五軸機(jī)床已走過從無到有，特別引人關(guān)注的時段。五軸機(jī)床的市場與立、臥式加工中心相比相對還比較小，如果機(jī)床做不成精品和實用，不能全面為用戶解決加工問題，用戶是不會輕易采購的。國外眾多知名廠商大多在其原有的機(jī)床上做了很大的改進(jìn)，五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，制造精良，全面解決問題的能力非常強，這正是國內(nèi)廠家需要好好學(xué)習(xí)的，也是我國五軸機(jī)床的發(fā)展方向。 1．3主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 目前，我國數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國家還有很大差距，高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多依靠進(jìn)口。數(shù)控機(jī)床作為國防軍工的戰(zhàn)略裝備，是各種武器裝備最重要的制造母機(jī)，是國防軍工裝備現(xiàn)代化的重要保證。因此，一些發(fā)達(dá)國家把高性能數(shù)控機(jī)床作為戰(zhàn)略物資嚴(yán)加控制，限制我國進(jìn)口。大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司在綜合比較分析國內(nèi)外五軸聯(lián)動設(shè)計技術(shù)，綜合借鑒國內(nèi)外先進(jìn)機(jī)床設(shè)計結(jié)構(gòu)和設(shè)計分析手段的基礎(chǔ)上，采用設(shè)計計算和試驗相結(jié)合的方法，系統(tǒng)的對墻式五軸加工中心總體布局、主要功能部件的設(shè)計、機(jī)床精度保持和機(jī)床高速運動的動態(tài)性能分析等關(guān)鍵項技術(shù)進(jìn)行深入研究。 論文作者為本產(chǎn)品主要研發(fā)人之～。本文將針對墻式五軸加工中心開發(fā)過程中機(jī)床結(jié)構(gòu)方面的問題展開研究，并著重進(jìn)行以下幾方面的分析和論述： (1)機(jī)床總體布局的確定 依據(jù)國內(nèi)外高檔五軸加工中心的機(jī)床參數(shù)，綜合分析市場需求、投入市場的競爭力、企業(yè)生產(chǎn)能力及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等因素，確定合理的機(jī)床參數(shù)；分析各種五軸加工中心結(jié)構(gòu)布局，綜合考慮機(jī)床的整體剛性、性能、制造成本、操作方便等因素，確定切合實際可行的布局方案。 (2)機(jī)床各傳動系統(tǒng)的理論分析及計算選型 對機(jī)床三向進(jìn)給傳動系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，計算、校核三向絲杠及驅(qū)動電機(jī)的規(guī)格和型號；選定主傳動功率，分析主軸形式并確定主傳動系統(tǒng)動力參數(shù)；進(jìn)行直取式快速換刀系統(tǒng)理論分析計算，確定刀庫驅(qū)動電機(jī)及減速機(jī)的規(guī)格和型號。 (3)機(jī)床各部件原理分析及結(jié)構(gòu)模型設(shè)計 簡要介紹產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計軟件平臺Pro／E軟件以及墻式五軸加工中心主體結(jié)構(gòu)：重點分析三向進(jìn)給傳動結(jié)構(gòu)原理、分析提高傳動系統(tǒng)性能的措施，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計：進(jìn)行直取式快速換刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析及設(shè)計，簡要分析床身、橫梁、滑板、雙軸搖籃轉(zhuǎn)臺等功能機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計，完成機(jī)床的外觀造型設(shè)計。 (4)主要結(jié)構(gòu)模型有限元分析 簡要介紹Pro／E軟件、ANSYS軟件和優(yōu)化設(shè)計流程；運用ANSYS軟件對主要結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析。 7 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第2章 滾珠絲杠螺母副 第2章 滾珠絲杠螺母副 2.1滾珠絲桿副及其支承的選取 在半閉環(huán)控制方式中, 機(jī)床定位精度很大程度上取決于滾珠絲桿的精度, 其中絲桿的導(dǎo)程誤差對機(jī)床定位精度的影響最明顯。因此根據(jù)機(jī)床定位精度要求, 首先確定絲桿導(dǎo)程精度, 再根據(jù)機(jī)床行程、快速移動速度、承載要求, 確定絲桿軸長、導(dǎo)程、直徑。最終選定滾珠絲桿型號為50×10C3- 2FDI( 長度分別為1.8m、1.4m、1.2m) , 軸承型號為35TAC72B。 2.2計算 (1)滾珠絲杠選型的初始設(shè)計條件如表2.1，機(jī)床各移動部件的重量如表2.2。 表2.1 滾珠絲杠初始設(shè)計條件 進(jìn)給方向 驅(qū)動數(shù)量 行程（mm） 快進(jìn)速度（m/min） 定位精度（mm） X向 單驅(qū) 1100 60 0.02 Y向 雙驅(qū) 1100 60 0.02 Z向 單驅(qū) 750 60 0.016 表2.2 機(jī)床移動部件重量 移動部件 橫梁結(jié)構(gòu) 滑板結(jié)構(gòu) 主軸箱結(jié)構(gòu) 工作臺最大載量 重量（kg） 2300 500 900 2000 考慮到在沒有平衡器的情況下，只靠伺服電機(jī)對主軸單元進(jìn)行升降及位置保持，電 機(jī)負(fù)荷過大，電力耗損量增加，另外，電機(jī)也會發(fā)熱使得絲杠受熱變長，影響機(jī)床精度，因此，利用氮氣平衡器平衡其重量，來減輕伺服電機(jī)負(fù)荷，降低電力消耗和發(fā)熱，提高時的加工度，減輕絲杠及主軸單元導(dǎo)向部的負(fù)荷。 初選Pascal氮氣平衡器DNG32C，填充氣壓在7．0MPa時，初始負(fù)荷為5．6kN，最 大負(fù)荷為6．7kN。平衡力取初始值的90％：5kN。 (2)運轉(zhuǎn)條件如表2.3。 表2.3 運轉(zhuǎn)條件 運動類型 X向軸向負(fù)載（N） Y向軸向負(fù)載（N） Z向軸向負(fù)載（N） 傳動速度m/min 使用時間比例（%） 切削阻力 滑動阻力Fa 切削阻力 滑動阻力Fa 切削阻力 滑動阻力Fa+自重-平衡力 快進(jìn) 0 55 0 145 0 3855 60000 30 輕中切削 4000 55 4000 145 4000 3855 800 50 重切削 8000 55 8000 145 8000 3855 200 20 注：1)滑動阻力F=u mg，其中導(dǎo)軌面摩擦系數(shù)：u=0．004 (3)各基本參數(shù)的選定 絲杠直徑：d=45(mm) 絲杠軸底槽徑：dr=39．4(mm) 絲杠螺紋總長：Lo=最大行程+螺母長+余量 軸承安裝距離：La=最大行程+螺母長／2+軸端余量 最大行程：Lb 及絲杠總長度：L 如表2.4 表2.4 基本參數(shù)的選定 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 絲杠螺紋總長Lo (mm) 1330 1330 957 軸承安裝距離La (mm) 1417 1417 1043 最大行程Lb（mm） 1120 1120 770 絲杠總長度L（mm） 1672 1672 1300 絲杠選擇精度等級：C3 由驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速Nmax、機(jī)床預(yù)備達(dá)到的最高進(jìn)給速度V。來計算絲杠導(dǎo)程Ph(mm)常規(guī)伺服電機(jī)Nmax=3900(r／min)，機(jī)床快速移動速度Vmax=6000(mm／min)。 計算公式為 (2-1) 故初選擇絲杠導(dǎo)程為20mm 絲杠快進(jìn)轉(zhuǎn)速N：60000／20=3000(rpm) (4)直徑、導(dǎo)程、螺母的選定 ① 定動載荷的確認(rèn)，如表2.5。 表2.5 額定動載荷的選定 運轉(zhuǎn)類型 X向軸向負(fù)載（N） Y向軸向負(fù)載（N） Z向軸向負(fù)載（N） 絲杠轉(zhuǎn)速（rmp） 使用時間比例（%） 快進(jìn) 55 80 3855 3000 30 輕中切削 4055 2280 145 40 50 強力切削 8055 4480 4145 10 20 因為Y向為雙驅(qū)動裝置，故Y向負(fù)載取值總負(fù)載的O．55倍。 平均負(fù)載 (2-2) 平均轉(zhuǎn)數(shù) (2-3) 根據(jù)公式2．2、2．3求各方向的平均負(fù)載和平均轉(zhuǎn)數(shù)，計算結(jié)果見表f。 表2．6 平均負(fù)載和平均轉(zhuǎn)數(shù) 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 Fm（N） 1372 768 3828 Nm(rpm) 922 922 922 負(fù)載系數(shù)L如表2.7。 表2.7 負(fù)載系數(shù)值 沒有沖擊的平滑運轉(zhuǎn)時 1.0~1.2 普通運轉(zhuǎn)時 1.2~1.5 有振動沖擊的運轉(zhuǎn)時 1.5~3.0 機(jī)床疲勞壽命的一般目標(biāo)值：Lt=20000h(注：16小時×250天×10年×0．5移動率)。機(jī)床運轉(zhuǎn)平滑，基本沒有沖擊，因此，取fw=1.2 基本額定動負(fù)載 (2-4) 根據(jù)公式2．4求得各進(jìn)給方向需求最小基本額定動負(fù)載，如表2．8。 表2.8 各進(jìn)給方向需求最小基本額定動負(fù)載 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 (N) 17028 9532 47511 初選絲杠基本額定動載荷為69100N，所以滿足使用條件。 ②容許轉(zhuǎn)速的確認(rèn) a．危險速度 取f=21．9，絲杠快進(jìn)轉(zhuǎn)速為n=3000 rpm (2-5) 計算最小軸底槽徑 根據(jù)公式E求得各進(jìn)給方向需求最小軸底直徑，如表2.10。 2.10 各進(jìn)給方向最小軸底直徑值表 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 （mm） 27.5 27.5 14.9 由于初定參數(shù)中，絲杠直徑：d=45(mm)，軸底槽徑：d。=39．42>27．5(mm)，所以滿足使用條件。 b．求d·n值 ③滾珠絲杠系統(tǒng)剛度的確認(rèn) a． 螺桿剛性：Ks(彈性位移量ΔLs，) 在產(chǎn)生最大軸向位移的螺桿中央位置上進(jìn)行計算： (2-6) (2-7) (縱向彈性系數(shù)E=2.06 x105MPa) b．螺母剛性KN(彈性位移量△LN) 1/3左右的最大軸向負(fù)載設(shè)為預(yù)壓負(fù)載： (2-8) (其中剛性值K==1470 N／μm，基本額定動負(fù)載Ca=69100N，剛性計算基準(zhǔn)系數(shù) ε=0.1) (2-9) c．支撐軸承剛KB(彈性位移量ΔLB) 支撐軸承為滾珠絲杠用推力角接觸球軸承(2A—BST型)，軸承組合型號為： 2A—BST35×72-113DTBT(見NTN軸承樣本) 軸承剛性值：KB=2260 N／μm (2-10) 計算結(jié)果： (2-11) 將a、b、C三項計算結(jié)果列于表1.11中。 表2.11 各進(jìn)給方向滾珠絲杠剛度計算值 進(jìn)給方向 螺桿 螺母（公稱型號：EM4520—6E） 軸承 合計ΔLμm KS ΔLS KN ΔLN KB ΔLB X向 708.63 0.0774 858.15 0.0641 2260 0.0122 0.1537 Y向 708.63 0.1126 705.72 0.2055 2260 0.0321 0.3501 Z向 962.73 0.0366 687.67 0.0509 2260 0.0077 0.0953 各進(jìn)給方向絲杠剛度計算結(jié)果滿足要求。 (5) ．基本的安全性確認(rèn) ① 可軸向負(fù)載確認(rèn) 表2.12 壓屈負(fù)載系數(shù)值 安裝方式 m N 固定—自由 1.2 0.25 簡單支撐—簡單支撐 5.0 1 固定—簡單支撐 10.0 2 固定—固定 19.9 4 (2-12) 將公式l計算結(jié)果列于表m中。 表2.13 各進(jìn)給方向最小軸底直徑值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 mm 16.89 14.59 12.27 因為初選絲杠dr=39．4>16．89，所以滿足要求。 ②允許轉(zhuǎn)速確認(rèn) a． 危險速度 (2-13) 表2.14 各進(jìn)給方向最大容許轉(zhuǎn)速值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 rmp 4297.35 4297.35 7981.80 因為初選絲杠n=3000<4297．35，所以滿足要求。 b．d·n值 ，滿足要求。 ③壽命的確認(rèn) 額定動載荷Ca=69100 N，fw=1．2 (2-14) 表2.15 各進(jìn)給方向最小計算壽命值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 (h) 1336429 7619467 61531 因為最小壽命值Lt=61531 h>20000 h，所以滿足要求。 (6) 對適合要求性能的項目進(jìn)行確認(rèn) ①精度的確認(rèn) a．定位精度： 選用定精度等級：C3，根據(jù)絲杠樣本查得： 表2．16 x／Y／Z進(jìn)給方向定位用代表性移動量誤差ep和變動值vN的許可值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 ep ±0.029/1600 ±0.029/1600 ±0.024/1250 vN 0.018 0.018 0.016 滿足機(jī)床定位精度：0．02mm／X、Y，0．016mm／z的要求。 b．熱位移量 根據(jù)公式 (2-15) 其中熱膨脹系數(shù) ,得出： 表2．17 各進(jìn)給方向熱位移量 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 ΔLθ 0.051012 0.51012 0.037548 c．預(yù)張力 為了吸收絲杠受熱延伸量，通常在安裝絲杠時對其施加一定的張力，它相當(dāng)于桿溫度升高2~3℃時的張力。 根據(jù)公式 （2-16） 得出對滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸合理的拉伸量時的預(yù)緊力： d．支撐軸承校核 將軸承基本額定動載荷Cα與預(yù)張力Fθ的比設(shè)為ε。 可以 為標(biāo)準(zhǔn)，校核軸承。 表2.18 軸承校核值 軸承型號 Cα(N) ε 2A-BST35×72-1BDTBTP4 50500 0.17895 計算結(jié)果滿足要求。 ②驅(qū)動扭矩的確認(rèn) 表2．19 驅(qū)動電機(jī)型號表 項目 X向 Y向 Z向 驅(qū)動電機(jī)型號 QSY 190 F EcoDyn QSY 190 F EcoDyn QSY 190 F EcoDyn 轉(zhuǎn)子慣量JM 0.0190㎏·㎡ 0.0190㎏·㎡ 0.0199㎏·㎡ a．負(fù)載 絲桿慣性力矩： （2-17） 其中：Y一材料密度：7．8 x 103(kg／m3)，D一絲杠直徑：0．045(cm) 表2．20 各進(jìn)給方向JB值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 JB (kg·m3) 0.00525 0.00525 0.00408 移動部分慣性矩： （2-18） 其中：l一導(dǎo)程：0．02(m) 表2．21 各進(jìn)給方向Jw值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 Jw(kg·m2) 0.01420 0.03753 0.00913 聯(lián)軸器慣性矩： 根據(jù)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)定：JC=O.0015(kg·m2)。 合計： 表2．22 各進(jìn)給方向慣性力矩及其與驅(qū)動電機(jī)比值 進(jìn)給方向 X向(JB+JW+JC) Y向(JB+0.55JW+JC) Z向(JB+JW+JC) JL（kg.m2） 0.02045 0.02689 0.01421 JL/JM 1.0763 1.4153 0.1741 b．驅(qū)動扭 (2-19) 其中 (2-20) (2-21) 按軸承組合的起動扭矩值求得: 取η1=0.9 表2．23 各進(jìn)給方向扭矩值表 T(N·m) X向 Y向 Z向 快進(jìn)時T1 2.422 2.010 15.321 輕切時T2 16.577 9.795 2.193 重切時T3 30.731 17.580 16.348 電機(jī)額定扭矩大于 30.73 17.58 16.35 C.電機(jī)選擇 表2．24 電機(jī)規(guī)格參數(shù)表 項目 X向 Y向 Z向 電機(jī)型號 QSY 190 F EcoDyn QSY 190 F EcoDyn QSY 190 F EcoDyn 額定轉(zhuǎn)速(rpm) 3000 3000 3000 額定扭矩(N·m) 31.5 31.5 31.5 靜扭矩(N·m) 47.6 47.6 47.6 最高轉(zhuǎn)速(rpm) 3900 3900 3900 最大扭矩(N·m) 150 150 150 電機(jī)慣量(kg·m2) 0.0190 0.0190 0.0199 額定輸出攻略（kW） 9.9 9.9 9.9 d.加速時間確認(rèn)： (2-22) 表3．25 各進(jìn)給方向加速時間值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 Ta (s) 0.150 0.174 0.146 其中Vmax=60(m/min) 表2．26 各進(jìn)給方向加速度值 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 a (m/s2) 6.665 5.749 6.848 a (g) 0.680 0.587 0.699 初定三向進(jìn)給加速度5 m/s 2，根據(jù)以上計算確定達(dá)到要求的目標(biāo)值。 通過以上的計算和校核，我們選定本機(jī)床的絲杠型號為：EM4520—6E—XXXX；三向電機(jī)型號分別為HEIDENHAIN：QSY 190 F EcoDyn(無制動)，QSY 190 F EcoDyn(無制動)，QSY 190FEcoDyn(有制動)。 35 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第3章 伺服電機(jī) 第3 章 伺服電機(jī) 3.1伺服電機(jī)的選型 數(shù)控系統(tǒng)所發(fā)出的控制指令, 是通過伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)驅(qū)動機(jī)床執(zhí)行部件的。所選電機(jī)應(yīng)滿足下列條件: 在所有進(jìn)給速度范圍內(nèi), 空載進(jìn)給扭矩小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩; 最大負(fù)載扭矩小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩; 電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量與進(jìn)給負(fù)載慣量合理匹配; 定位加速時的最大扭矩小于電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。因此, 必須進(jìn)行最大負(fù)載扭矩計算、慣量匹配計算和加減速扭矩計算, 據(jù)此確定合適的電機(jī)型號。 3.1.1電機(jī)負(fù)載扭矩計算 電機(jī)負(fù)載扭矩即滾珠絲桿克服外部載荷作等速運動所需的力矩, 可按下式計算 （3-1） 式中:P- 加在絲桿上的軸向外部載荷( N) , 其值與軸向進(jìn)給力大小相等方向相反; S- 絲桿導(dǎo)程0.01m; η1- 滾珠絲桿的正效率0.9～0.95; TF- 雙螺母滾珠絲桿的預(yù)緊力矩, 查樣本得TFX=1.25N·M,TFY=1.07N·M,TFZ=1.01N·M; TB- 支承軸承的摩擦力矩, 雙支承軸承為2 TB, 查樣本得 TB=0.28N·M。 由式(3.1) 計算得X、Y、Z 向的力矩分別為: 11.75N·m、12.30N·m、26.77N·m。 根據(jù)FANUC 交流伺服電機(jī)樣本, 在考慮20%保險富裕量的情況下, X、Y 向選用α22/3000i 電機(jī), 其額定轉(zhuǎn)矩22N·m, 最大轉(zhuǎn)矩64N·m; Z 向選用α30/3000i 電機(jī), 其額定轉(zhuǎn)矩30N·m,最大轉(zhuǎn)矩83N·m。至此可預(yù)選聯(lián)軸器型號為ROTEX GS35-38。 3.1.2 慣量匹配計算 為使伺服進(jìn)給系統(tǒng)的執(zhí)行部件具有快速響應(yīng)能力, 必須選用加速能力大的電機(jī), 即大慣量電機(jī), 但又不能盲目追求大慣量, 應(yīng)綜合考慮其性價比, 使電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量與進(jìn)給負(fù)載慣量之間合理匹配。即應(yīng)滿足下列匹配關(guān)系: （3-2） （3-3） 式中: Jr- 電機(jī)軸上的驅(qū)動系總慣量( kgf·cm·S2) ; Jm- 電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量, 查樣本得α22、α30 的轉(zhuǎn)動慣量分別 為0.12、0.17; JC - 聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量, 查樣本得9.6×10- 3; JS - 絲桿的轉(zhuǎn)動慣量, JS=0.03576L( L- 絲桿長度) J W - 直線運動物體的慣量, JW=0.0258W( Wx=0.90t,Wy=1.95t,Wz=1.00t) 由公式( 3.3) 計算, 得X、Y、Z 電機(jī)軸上的驅(qū)動系總慣量分別為0.22、0.23、0.25, 則, Jm /Jr 分別為0.55、0.52、0.68?？梢? X、Y、Z向電機(jī)符合慣量匹配要求。 4.1.3 定位加速時的最大扭矩計算 定位加速時的最大扭矩計算公式: （3-4） 式中:nm- 快速移動時的電機(jī)轉(zhuǎn)速, 1500r/min; ta- 加減速時間常數(shù)( s) ,( ks 加工中心系統(tǒng)的開環(huán)增益，ks=20) 由公式(3. 4) 計算, 得X、Y、Z 軸定位加速時所需的最大扭矩分別為35N·m、36N·m、53N·m, 均小于各自電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩, 表明X、Y、Z 軸電機(jī)能按規(guī)定的時間常數(shù)進(jìn)行加速和減速, 即加速能力大, 既能保證工件表面的加工質(zhì)量, 又能提高生產(chǎn)效率。 上述計算結(jié)果表明所選電機(jī)符合伺服進(jìn)給系統(tǒng)要求。 3.2伺服定位精度的驗證 加工中心的精度指標(biāo)包括幾何精度、位置精度、加工精度,其中位置精度是由機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)形成的, 因此必須進(jìn)行位置精度誤差校驗。半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)中, 由機(jī)械傳動裝置剛度的變化、磨擦阻尼等非線性因素引起的定位誤差, 以及由伺服系統(tǒng)剛度引起的死區(qū)誤差, 不包括在位置控制環(huán)內(nèi), 故應(yīng)進(jìn)行驗算, 以滿足機(jī)床的設(shè)計要求。X、Y、Z 三個進(jìn)給軸中, X 軸的行程最大, 工作狀況最差, 所以設(shè)計時主要驗證X 軸進(jìn)給系統(tǒng)的定位誤差。 3.2.1 機(jī)械傳動裝置剛度計算 機(jī)械傳動部件的最小、最大傳動剛度( kgf/μm) 計算公式為: （3-5） （3-6） 式中:KC - 聯(lián)軸器的剛度, 查樣本得5×105; KN - 絲桿螺母副的軸向接觸剛度, 查樣本得124; K△min - 絲桿最小拉壓剛度。螺母處于行程中間位置時, 剛度最K△min - 絲桿最小拉壓剛度。螺母處于行程中間位置時, 剛度最低，由公式計算得99;( E- 彈性模量:2.1×106kg/cm2)K△min - 絲桿最大拉壓剛度, 螺母處于離支承端距離l=0.1L時剛度最高。由公式計算得275;( n-行程比: 0.1)可見機(jī)械傳動部件的剛性足夠大, 能滿足系統(tǒng)定位精度要求。 3.2.2 伺服剛度計算 折算至絲桿- 工作臺上的拉壓剛度： （3-7） 彈性系統(tǒng)的最低剛度: （3-8） 機(jī)床啟動或反向時的最大死區(qū)誤差: （3-9） 高精度機(jī)床的最大死區(qū)誤差應(yīng)控制在5μm 以下?？梢奦MC1300機(jī)床的伺服系統(tǒng)剛性足夠大, 能滿足要求的定位精度。( 最大死區(qū)誤差為3μm 左右) 。 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第4章 仿真分析 第4章仿真分析 4.1　機(jī)電進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖 如圖1所示包括間隙和摩擦非線性因素的機(jī)電進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖.圖1　X軸進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖。 為了便于分析,給出其相應(yīng)的系統(tǒng)仿真模型圖,如圖2所示. 圖中Tf為加到電機(jī)軸上的包括靜摩擦扭矩、切削力和慣性力等阻力矩(或負(fù)載轉(zhuǎn)矩) ; Ki為電流環(huán)反饋系數(shù);Kv為速度環(huán)反饋系數(shù); Ku為功率放大倍數(shù); Kd為速度環(huán)放大倍數(shù) .圖2 圖1 X軸進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖 圖2　進(jìn)給系統(tǒng)的仿真模型 4.2仿真分