數(shù)控銑床進(jìn)給傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

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第一章 緒論 控銑床簡介 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服性能、主軸驅(qū)動(dòng)、機(jī)床結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標(biāo)； 迅速發(fā)展和 不斷成熟，又將對數(shù)控機(jī)的可靠性、通信功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出更高的要求。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能日益完蓋，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用頷域日益擴(kuò)大。 數(shù)控銑床是在數(shù)控加工中心領(lǐng)域中最具代表性的一種典型機(jī)床，在數(shù)控機(jī)床中所占的比率最大，數(shù)控加工中 心、柔性制造單元等都是數(shù)控銑床基礎(chǔ)上派生或發(fā)展起來的。它具有功能性強(qiáng)、加工范圍廣、工藝較復(fù)雜等點(diǎn)，主要用于各種復(fù)習(xí)的平面、輪廓、曲面等零件的銑削加工，同時(shí)還可以進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鏜、攻螺紋等加工，在航空航天、汽車制造、機(jī)械加工和模具制造業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。 控銑床的組成 數(shù)控銑床一 般由數(shù)控系統(tǒng) 、機(jī)床基礎(chǔ)部件、主軸箱、進(jìn)給伺服系統(tǒng)及輔助裝置等幾大部分組成。 （ 1） 數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制的中心，通常數(shù)控銑床都配有高性能、高精度、集成軟件的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)、 用戶宏程序等功能，能完成絕大多數(shù)的基本銑削以及鏜削、鉆削、攻螺紋等循環(huán)加工。 （ 2） 機(jī)床基礎(chǔ)部件 通常是指底坐、立柱、工作臺、橫梁等，是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。 （ 3） 主軸箱 包括主軸箱和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，用于裝刀具并帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn) 、主傳動(dòng)大多采用專用的無級調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 （ 4） 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 由進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)刀具和工件之間的相對運(yùn)動(dòng)，其主軸垂直方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及工作臺的橫向和縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均由各自的交流伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。 （ 5） 輔助裝置 包括液壓 、氣動(dòng)、潤 滑 、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護(hù) 等裝置。 控銑床 的分類 數(shù)控銑床品種繁多，規(guī)格不一， 可按通用銑床的分類方法分為以下 3 類 ： (1)數(shù)控立式銑床 ： 數(shù)控立式銑床主軸軸線垂直于水平面，這種銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，應(yīng)用范圍也最廣。目 前三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，一般可進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)加工 。 (2)臥式數(shù)控銑床 ： 臥式數(shù)控銑床的主軸軸線平行于水平面。為了擴(kuò)大加工范圍和擴(kuò)充功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)臺或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)臺的方式來實(shí)現(xiàn)四軸和五軸聯(lián)動(dòng)加工。這樣既可以加工工件側(cè)面的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓，又可以實(shí)現(xiàn)在一次裝夾中通過轉(zhuǎn)臺改變零件的加工位 置也就是通常所說的工位，進(jìn)行多個(gè)位置或工作面的加工。 (3)立臥兩用轉(zhuǎn)換銑床 ： 這類銑床的主軸可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可在同一臺數(shù)控銑床上進(jìn)行立式加工和臥式加工，同時(shí)具備立、臥式銑床的功能。 控銑床的用途和工藝特點(diǎn) 銑床 是用銑刀進(jìn)行切削加的機(jī)床 ,銑床的加工情況如圖 1示。在銑床上，用不同銑刀可以對平面 、斜面、溝槽、臺階、 T 形槽 、 燕尾槽等表面進(jìn)行加工 ，另外配上分度頭或回轉(zhuǎn)臺還可以加工齒輪、螺旋面、花鍵軸、凸輪等各種成型表面。故銑床的萬能性強(qiáng)，應(yīng)用范圍很廣。銑床的主參數(shù)是工作臺面寬度及長度。 圖 1銑 床上的典型工作 銑床的工藝特點(diǎn)如下： (1)銑床的主軸帶動(dòng)銑刀作旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)； (2)銑刀是多齒、多刃連續(xù)進(jìn)行切削； (3)多數(shù)銑床由工作臺帶動(dòng)工件作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)； (4)銑刀在切削時(shí)，每個(gè)刀齒的切削過程是斷續(xù)的，同時(shí)參加切削的齒數(shù)是變化的，每個(gè)刀齒的切削厚度也是變化的，因此容易引起機(jī)床振動(dòng)； (5)銑削時(shí)，銑刀同時(shí)參加切削的齒數(shù)較多，便于采用較大的銑削速度和進(jìn)給給量，因而生產(chǎn)效率高。 國數(shù)控產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀 當(dāng)前，我國的數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過渡的關(guān)鍵時(shí)期。也是由封閉型系統(tǒng)向開放型系 統(tǒng)過渡的時(shí)期。我國數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)上（包括核心技術(shù)），已達(dá)到國外先進(jìn)水平。目前，已新開發(fā)出數(shù)控系統(tǒng) 80 種。自“七五”以來，國家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現(xiàn)已開發(fā)出具有中國版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。 控產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題 當(dāng)前 ,我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是國內(nèi)市場占有率偏低。據(jù)有關(guān)資料表明 ,1999 年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場占有率僅為 造成這種嚴(yán)峻的形勢 ,除客觀原因外 ,主要是產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性不過硬。“十五”期間 ,我國機(jī) 械制造工業(yè)正朝著精密化、柔性化、集成化、自動(dòng)化、智能化方面迅速發(fā)展 ,國內(nèi)數(shù)控機(jī)床需求強(qiáng)勁 ,我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)適逢極好的發(fā)展機(jī)遇。然而 ,我國加入 ＷＴＯ 后 ,國外生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床將會更多的進(jìn)入我國市場 ,市場競爭更為激烈。提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場占有率 ,關(guān)鍵在于提高質(zhì)量和可靠性。幾年來 ,經(jīng)過對國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)剖析和使用性能的調(diào)研 ,探索和總結(jié)了數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的新技術(shù)?，F(xiàn)時(shí)主要存在有以下幾個(gè)問題： （ 1） 缺乏產(chǎn)業(yè)規(guī)模 （ 2） 缺乏發(fā)展數(shù)控產(chǎn)業(yè)的政策和技術(shù)配套體系 （ 3） 缺乏技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)品更新和產(chǎn)業(yè)調(diào)整的內(nèi)在動(dòng) 力 （ 4） 面臨國外強(qiáng)手競爭的巨大壓力 展趨勢 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、制造技術(shù)的進(jìn)步和人類生活水平的提高，以及社會對產(chǎn)品質(zhì)量和品種的多樣化的要求 趨勢日益增強(qiáng) 。中、小批量生產(chǎn)的比例明顯增加，對數(shù)控機(jī)床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市場能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地構(gòu)筑面向用戶的控制系統(tǒng)，并大幅度地降低維護(hù)和培訓(xùn)的成本，同時(shí)還要求具有網(wǎng)絡(luò)功能，以適應(yīng)未來車間面向任務(wù)和定單的生產(chǎn)組織和管理模式。為此，近 10 年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種不同層次的開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，發(fā)展很快。目前正朝 標(biāo)準(zhǔn)化開放體系結(jié)構(gòu)的方向前進(jìn)。就體系結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)今世界上的數(shù)控系統(tǒng)大致分為 4 種類型：傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)、 “ C” 結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)、 “ 入 結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控統(tǒng)、開放式數(shù)控系統(tǒng)。特別是進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來，隨著國際上計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)正在不斷采用計(jì)算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就。 目前 ,國外數(shù)控機(jī)床的性能正朝著高速化、高精度、高效率、高柔性、高自動(dòng)化、高可靠性、智能化、復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、開放式體系結(jié)構(gòu)等方向迅速發(fā)展 ,這將對數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量和可靠性提出更高的要求?！笆?”期間 ,我國機(jī)械制造行業(yè)必須瞄準(zhǔn)國際數(shù)控機(jī)床發(fā)展的科學(xué)前沿 ,開拓創(chuàng)新 ,消化吸收國外先進(jìn)技術(shù) ,開創(chuàng)我國數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的新局面。 濟(jì)型數(shù)控銑床的改造 縱橫向進(jìn)給系統(tǒng)原機(jī)床掛輪機(jī)構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、滑動(dòng)絲杠 ,光杠等全部拆除，縱向、橫向以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠聯(lián)接實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)：縱向伺機(jī)服電機(jī)為 15 型直流伺服電機(jī)，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置 ,其螺母副通過托架安裝在床鞍底部 ,滾珠絲杠兩端加裝接套、接桿及支承 ,與床身尾部步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)接。伺服電機(jī)經(jīng)減速后 ,減速器輸出軸用 套筒聯(lián)軸器與絲杠直接聯(lián)接 ,這種結(jié)構(gòu)簡單 ,徑向尺寸小 ,可防止被聯(lián)接軸的位移和偏斜所帶來裝配困難和附加應(yīng)力。 改造后的數(shù)控機(jī)床應(yīng)有以下發(fā)展方向：單一的數(shù)字控制應(yīng)向數(shù)控中心發(fā)展，數(shù)控機(jī)床總體布局更加合理，機(jī)床控制系統(tǒng)的控制和運(yùn)算功能更進(jìn)一步加強(qiáng)，機(jī)床的伺服系統(tǒng)采用交流數(shù)字伺服系統(tǒng)代替直流伺服系統(tǒng)，編程更趨合理化，加工工藝更趨簡單化 90%機(jī)床的檢測和監(jiān)控系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 第二章 數(shù)控銑床進(jìn)給傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 要求 數(shù)控機(jī)床伺機(jī)服進(jìn)給系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。 從位置控制 的角度看，伺服系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)之分。開環(huán)控制不需要位置檢測與反饋；閉環(huán)和半閉環(huán)制需要有位置位檢測與反饋環(huán)節(jié)。 服系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn) 為確定伺服系統(tǒng)的定位精度和工作穩(wěn)定性，在機(jī)構(gòu)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都要求無間隙、低摩擦、高剛度、高諧振以及適宜的阻尼比。為了達(dá)到這些要求，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用低摩擦傳動(dòng)副，如滾動(dòng)導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌、滾珠絲杠等，以減小摩擦力；通過選區(qū)用最佳降速比來降低慣量；采用預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)剛度；用消隙的辦法減小反向死區(qū)誤差等，其中最重要的是提高傳動(dòng)剛度和 降低慣量。采用預(yù)緊消除間隙提高傳動(dòng)剛度，不僅不需要增大尺寸和慣量，而且也使傳動(dòng)剛度接近常數(shù)，這是伺機(jī)服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最突出的特點(diǎn)。 向伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求 數(shù) 控銑床進(jìn)給系統(tǒng)必須保證由數(shù)控裝置發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)換成速度符合要求的相應(yīng)位移或直線位移，帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。根據(jù)工件加工的需要，在機(jī)床上各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的數(shù)字控制可以是相互獨(dú)立的，也可以是聯(lián)動(dòng)的。總之，數(shù)控機(jī)對進(jìn)給系統(tǒng)的要求集中在精度 、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)三個(gè)方面。為滿足這些要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)也需要高質(zhì)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)與之 匹配 。為提高進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能主要采取以下措施： （ 1） 提高系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)剛度：主要是從傳動(dòng)元件的剛度、消除傳動(dòng)元件之間的間隙、盡可能縮短進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長度、采用預(yù)緊措施這幾方面為出發(fā)點(diǎn)考慮。 （ 2） 采用低而穩(wěn)定的摩擦傳動(dòng)副：因?yàn)閿?shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)多采用剛度高、摩擦因數(shù)小而穩(wěn)定的滾動(dòng)摩擦副，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等。 （ 3） 慣量匹配：最佳慣量匹配目的是為保證伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作性能和滿足傳動(dòng)系統(tǒng)對控制指令的快速響應(yīng)的要求。由于在通常情況下傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的慣量總是大于要求的數(shù)值，故而在設(shè)計(jì)時(shí)為得到最佳的 慣量匹配，總是希望傳動(dòng)系統(tǒng)中元件的質(zhì)量和慣量要小一些，降速比則要大一些。 （ 4） 提高傳動(dòng)件精度 ： 高質(zhì)量的機(jī)械傳動(dòng)配合與高性能的伺服電動(dòng)機(jī)使現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)性能有了大幅度提高。 服系統(tǒng)對伺服電機(jī)的要求 （ 1）從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如 更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。 （ 2）電機(jī)應(yīng)具有大的較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載 4而不損壞。 （ 3）為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大 的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受 4000上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在 內(nèi)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。 （ 4）電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字 用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提 高。 交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能 。 第三章 總體設(shè)計(jì)方案論證 將一臺 數(shù)控銑床改造成經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控銑床，改造目的主要是利用數(shù)控方法加工任意圓弧面和凸輪的曲面。要求原銑床的改動(dòng)盡可以少，希望保留原操作機(jī)構(gòu) ，以便數(shù)控部分發(fā)生故障時(shí)仍能手工半自動(dòng)操作。圖 2－ 1 為 圖 2－ 1 立式銑床外形及傳動(dòng)系統(tǒng) 1－ 電動(dòng)機(jī)； 2－ 萬向接頭； 3－ 離合器 ； 4－ 手輪； 5－ 手柄； 6－ 傳動(dòng)軸 ； 7－ 軸承 其主軸不能進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。工作臺的升降只能通過軸 7 手動(dòng)操作，縱向的機(jī)動(dòng)是通過萬向接頭 2 將運(yùn)動(dòng)傳給 而實(shí)現(xiàn)的。而橫向和縱向手動(dòng)操作是通過手柄 5 和手輪 4 進(jìn)行的。 可以看出 ,進(jìn)給軸設(shè)計(jì)與主軸設(shè)計(jì)相比 ,具有相同的重要性。因而 ,進(jìn)給軸的設(shè)計(jì)應(yīng)從動(dòng)、靜 兩方面充分考慮 ,位置精度才能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的要求。在數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中 ,根據(jù)橫向、縱向的不同精度要求 ,不同移動(dòng)質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等特點(diǎn) ,分別解決設(shè)計(jì)中的主要矛盾。以期望設(shè)計(jì)結(jié)果能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求 ,達(dá)到預(yù)期的結(jié)果 ,即滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。 控系統(tǒng)的選擇 數(shù)控系統(tǒng) 主要有三種類型，改造時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。 （ 1） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)：該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通 過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的位移量、速度和運(yùn)動(dòng)方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端，故稱為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移精度，齒輪、絲杠等傳動(dòng)元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。因此，對傳動(dòng)元件和制造精度要求高，運(yùn)動(dòng)副之間摩擦力要小，要實(shí)行無間隙傳動(dòng)。這種系統(tǒng)的最高速度受步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的頻響特性限制，容易失步，低速時(shí)易發(fā)生共振和噪聲，影響表面加工質(zhì)量。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠 ，成本低，易改裝成功。 （ 2）異步電動(dòng)機(jī)或直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實(shí)際位置反饋信號，隨時(shí)與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向動(dòng)運(yùn)動(dòng)，直到位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴(yán)格，設(shè)計(jì)和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動(dòng)功率更大的特性指標(biāo)。但是閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較 大技術(shù)難度，設(shè)計(jì)調(diào)整不當(dāng)，易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。改造時(shí)可根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否有必要采用這種系統(tǒng)。 （ 3）交 /直流伺服電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動(dòng)件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。賽馬場只能補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺機(jī)服電動(dòng)機(jī)做成一個(gè)整體時(shí)則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。 動(dòng)元件 選擇 （ 1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，直流伺服電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)是目前常用的 驅(qū)動(dòng)元件。步進(jìn)電機(jī)是一種將電的脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的機(jī)電執(zhí)行元件，它能快速的啟動(dòng)，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；在一定頻率范圍內(nèi)各種運(yùn)動(dòng)方式都能任意的改變且不會失步，具有自整步的能力；沒有一周累計(jì)誤差，所以定位精度很高；價(jià)格便宜。但由于步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性遠(yuǎn)不如交，直流伺服電機(jī)，尤其是運(yùn)行的可靠性得不到保證。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是效率低，驅(qū)動(dòng)慣量負(fù)載能力差，作高速運(yùn)動(dòng)時(shí)容易失步，目前已使用的較少。 （ 2）直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可以方便地在寬范內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無級調(diào)速，因此在對伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性 能和啟動(dòng)性能要求較高的設(shè)備中，大都采用直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。但由于直流伺服電動(dòng)機(jī)存在著一些固有的缺點(diǎn)，如它的電刷和換向器易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)等；換向器換向時(shí)會產(chǎn)生火花，使電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；此外，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高，因此，現(xiàn)在已很少選用直流伺服電動(dòng)機(jī)。 （ 3）交流伺服電動(dòng)機(jī)則沒有直流伺服電動(dòng)機(jī)的上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流伺服電動(dòng)機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)上響應(yīng)更好。一般來說，在同樣的體積下，交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率可比直流伺服電動(dòng)機(jī)提高 10%— 70%，此外，交 流伺服電動(dòng)機(jī)的容量也比直流伺服電動(dòng)機(jī)大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。在交流伺服系統(tǒng)中可以用交流同步電機(jī)也可以用交流感應(yīng)電機(jī)。交流感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流伺服電機(jī)相比質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、它的缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍較大的平滑調(diào)速。所以，在數(shù)控銑床的進(jìn)給系統(tǒng)中一般不用這種電機(jī)。 對于交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與所用電源的頻頻之間存在一種嚴(yán)格的關(guān)系，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機(jī)時(shí)，便可方便地獲得與頻率成正比的可變速度。并可得到非常硬的機(jī)械特性及較寬的調(diào)速范圍。其結(jié)構(gòu)雖然比感 應(yīng)電機(jī)復(fù)雜，但比直流電機(jī)簡單。 同步電機(jī)又分為電磁式和非電磁式兩大類。在后一類中又有磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。在數(shù)控銑床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系中，多數(shù)采用永磁式交流同步電機(jī)。 經(jīng)過以分析并考慮對系統(tǒng)調(diào)速的加速時(shí)間的要求本題選用直流伺服電動(dòng)以滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。 動(dòng)機(jī)構(gòu) 擇選 本課題選用的是滾珠絲杠螺母副。因?yàn)闈L珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機(jī)構(gòu)，在數(shù)控機(jī)床上得到廣泛應(yīng)。它的傳動(dòng)特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母之間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件。當(dāng)絲杠和螺母相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿絲杠螺旋槽滾道滾動(dòng)，因此絲杠和螺 母之間基本上為滾動(dòng)摩擦。并且滾珠絲杠螺母副的動(dòng)（靜）摩擦系數(shù)相差極小，配以滾動(dòng)導(dǎo)軌，起動(dòng)力矩很小，運(yùn)動(dòng)靈敏，低速時(shí)不會出現(xiàn)爬行。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)裝。它具有以下優(yōu)點(diǎn) : （ 1） 摩擦損失小、傳動(dòng)效率高 傳動(dòng)效率可達(dá) 92%是普通絲杠傳動(dòng)的 3～4 倍，而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的 25%。 （ 2） 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時(shí)無爬行 由于主要存在的是滾動(dòng)摩擦，不僅動(dòng)、靜摩擦因數(shù)都很小，且其差值小，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，動(dòng)作靈敏。 （ 3） 軸向剛度高、反向定位精度高 由于可以完全消除絲杠與螺母之間的間隙并可實(shí)現(xiàn)滾珠的預(yù)緊，因而軸向剛度高，反向時(shí)無空行程，定位精度高。 （ 4） 滾珠絲杠螺母副主要零件均經(jīng)過熱處理，其滾道表面的硬度值可達(dá)60— 62而耐磨性好，壽命長，精度穩(wěn)定性好。 （ 5） 磨損小、壽命長、維護(hù)簡單 使用壽命是普通滑動(dòng)絲杠的 4～ 10 倍 。 （ 6） 傳動(dòng)具有可逆性 、不能自鎖 由于摩擦因數(shù)小、不能自鎖，因面使該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)具有可逆性，可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，還可以把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于不能自鎖，在作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)附加裝或防止逆轉(zhuǎn)的裝置，防止工作臺 因自重而下降。 因?yàn)闈L珠絲杠螺母副與普通絲杠螺母副相比有這么多的優(yōu)點(diǎn)，因此，本題目選用滾珠絲杠螺母副。 軸器 選擇 聯(lián)軸器有剛性聯(lián)軸器與彈性聯(lián)軸器之分，本課題選用的是無彈性的 位 十字滑塊聯(lián)軸器。這種 十字滑塊聯(lián)軸器由兩個(gè)在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)兩面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動(dòng)，故可補(bǔ)償安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸間的相對位移。 這種聯(lián)軸器零件的材料可用 45 鋼，工作表面需要進(jìn)行熱處理，以提高其硬度；要求較低時(shí)也可用 ，不進(jìn)行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時(shí)應(yīng)從中間盤的油孔中 注油進(jìn)行潤 滑。 位十字滑塊聯(lián)軸器 主要性能特點(diǎn)有 : （ 1） 高扭距剛性和靈敏度 （ 2） 零回轉(zhuǎn)間隙 （ 3） 彈性十字滑快補(bǔ)償較大的徑向、角向、軸向偏差 （ 4） 結(jié)構(gòu)簡單、抗油腐蝕和電氣絕緣 （ 5） 定位螺絲固定 （ 6） 鋁合金材料 軌副選擇 目前，在普通機(jī)床上仍廣度泛地應(yīng)用滑動(dòng)導(dǎo)軌，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛性好、抗振性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)的鑄鐵 — 鑄鐵、鑄鐵 — 淬火鋼滑動(dòng)導(dǎo)軌副，其靜摩擦系數(shù)大，動(dòng)摩擦系數(shù)隨速度變化而變化， 摩擦損失大，低速時(shí)易出現(xiàn)爬行，影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和定位精度 ，力矩?fù)p失大。而將導(dǎo)軌改造為滾動(dòng)導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌工藝復(fù)雜，費(fèi)用大，周期長。因此目前在數(shù)控機(jī)床上已不采用，取而代之的是鑄鐵 — 塑料或鑲鋼 — 塑料導(dǎo)軌。它們主要包括以下兩種類型： （ 1） 貼塑導(dǎo)軌：是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結(jié)而成。它具有摩擦特性好、耐磨性好、減振性好等特點(diǎn)，這種導(dǎo)軌已經(jīng)在中、小型數(shù)控機(jī)床上廣泛應(yīng)用。這種軟帶可在原有滑動(dòng)導(dǎo)軌面上粘結(jié)劑粘結(jié)，加壓固化后進(jìn)行精加工，故一般稱之為貼塑導(dǎo)軌。由于其工藝較簡單，對原有滑動(dòng)導(dǎo)軌不需作大的改動(dòng)，故在普通機(jī)床數(shù)控機(jī)床改裝上應(yīng)用廣泛。 （ 2） 涂塑導(dǎo)軌：它是以環(huán)氧樹脂為基體，加入二硫化鉬和膠體 石墨以及鐵粉等混合而成，再配以固化劑調(diào)勻涂刮或注入導(dǎo)軌面。這種涂塑導(dǎo)軌具有良好的摩擦特性和耐磨性，可使用在大型、重型數(shù)控機(jī)床上。 經(jīng)過分析 與比較結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品所需求的加工精度，本題改造的數(shù)控銑床的導(dǎo)軌副選用貼塑導(dǎo)軌以滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。 體設(shè)計(jì)方案的確 由于改造成后 的 控銑床應(yīng)具有定位、 直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)。暫停、循環(huán)加工、對工件進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸、锪、鏜以及攻螺紋等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)，考慮到屬于經(jīng)濟(jì)控銑床加工精度有一 定要求，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用伺服電機(jī)半閉環(huán)系統(tǒng)。 根據(jù)機(jī)床要求，采用 8 位微機(jī)。由于 51 系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功能強(qiáng)、速度快?？垢蓴_能力強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比特點(diǎn)。決定采用 51 系列單片機(jī)組成微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，其代表為 8031、 8051、8751，經(jīng)過比較采用具有價(jià)格底、功能強(qiáng)、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)的 8031 有擴(kuò)展系統(tǒng)的單片機(jī)，即用 8031 外接 2764（ 6264（ 8255（擴(kuò)展 I/O）接口等芯片擴(kuò)展一個(gè)較簡單的微機(jī)控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)中有時(shí)鐘電路 模塊，復(fù)位及復(fù)位電路，數(shù)碼顯示接口電路，光電耦合器等組成。系統(tǒng)的加程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用伺服機(jī)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案圖如圖 2示 微機(jī)光電耦合功率驅(qū)動(dòng)光電耦合功率驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)縱向工作臺橫向工作臺圖 2立式銑床數(shù)控改造的總體方案示意圖 向進(jìn)給系統(tǒng)的改造 （ 1）縱向進(jìn)給系統(tǒng)需作以下改動(dòng)： 將帶輪去掉，將帶輪的軸通過聯(lián)軸器與伺服電機(jī)相連，絲杠傳動(dòng)副改用 滾珠絲杠螺母副， 其余部分不動(dòng)，仍保留機(jī)床縱向進(jìn)給的機(jī)構(gòu)部分，這種改造成本最低。 （ 2）撤除原機(jī)床的進(jìn)給箱，溜板箱 ,光杠與絲杠以及安裝座，配上滾珠絲杠及其相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)安裝在車床的床尾，并不占據(jù)絲杠空間。 ; （ 3）滾珠絲桿仍安置在原絲桿的位置 ,采用一端軸向固定 ,一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式為便于安裝滾珠絲桿螺母副 ,絲桿不是整體的 ,而是采用分體式 ,即用連接套筒剛性連接。由于采用了滾珠絲杠可提高系統(tǒng)的精度和縱向進(jìn)給整體剛度。 （ 4）縱向進(jìn)給機(jī) 構(gòu)和橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)均由伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲桿螺母副通過 成。 第四章 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 知參數(shù)條件 （ 1） 工作臺尺寸（寬 ×長）： 320×1250 2）縱向行程： 660 3）最大縱向進(jìn)給力： 5000N （ 4）工作臺、夾具及工件重力： 2800N （ 5）工作臺快速速度： 15m/ 6）最大進(jìn)給速度： 0.8 m/ 7）主電動(dòng)機(jī)功率： W （ 8）啟動(dòng)加速時(shí)間： 30 9）機(jī)床定位精度： ± 10）脈沖當(dāng)量： 珠絲桿副主要參數(shù)的確定 在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)中 ,滾珠絲杠副的作用是將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng) ,用較小的轉(zhuǎn)矩可以獲得很大的推力。滾珠絲杠副的傳動(dòng)是一種應(yīng)用較廣的機(jī)構(gòu) ,尤其是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的各種機(jī)構(gòu)中 ,滾珠絲杠副的傳動(dòng)是最簡單、經(jīng)濟(jì)而又可靠的。 所以滾珠絲杠副的選擇對 整個(gè)機(jī)床的制造起著不可忽視的作用 。滾珠絲杠副的精度是影響機(jī)床的定位精度及重復(fù)定位精度的最主要的因素。為了在機(jī)床的設(shè)計(jì)中更合理的選用滾珠絲杠副 ,使其充分發(fā)揮效能 ,必須進(jìn)行一系列的計(jì)算。 滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化 ,因此滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號的選擇。一般情況下 ,設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí) ,已知條件為 :最大工作負(fù)載 平均 工作負(fù)載用下的使用壽命 ,絲杠的工作長度 (或螺母的有效行程 ),絲杠的轉(zhuǎn)速 (或平均轉(zhuǎn)速 ),滾道的硬度及絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。 計(jì)步驟 通常的設(shè)計(jì)步驟為 : A、計(jì)算作用在滾珠絲杠上的最大動(dòng)載 荷 ; B、從滾珠絲杠列表指出相應(yīng)最大動(dòng)負(fù)載的近似值 ,并初選幾個(gè)型號 ; C、根據(jù)具體工作要求，對于結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式、調(diào)隙方法及傳動(dòng)效率等方面的要求，從初選的幾個(gè)型號中再挑出比較合適的直徑、導(dǎo)程、滾珠列數(shù)等，確定某一型號。 D、根 據(jù)所選的型號 ,列出或計(jì)算出其主要參數(shù)的數(shù)值 ,計(jì)算傳動(dòng)效率 ,并驗(yàn)算剛度及穩(wěn)定系數(shù)是否滿足要求。如不滿足要求 ,則另選其他型號 ,再作上述計(jì)算和驗(yàn)算 ,直至滿足要求為止。 計(jì)計(jì)算 根據(jù) 進(jìn)給系統(tǒng)定位精度的要求，初步選用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如果經(jīng)計(jì)算后半閉環(huán)系統(tǒng)不能滿足定位精度要求，改用 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 從產(chǎn)品目錄中查得伺服電動(dòng)的最高轉(zhuǎn)速為 500m a x 或 000 r 。取伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠直接，即 1?i 。 工作臺快速進(jìn)給的最高速度 要求達(dá)到m ax 。取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 500m a x ，則絲杠的最高轉(zhuǎn)速 500 r ?；窘z杠導(dǎo)程公 式如下： 1 1 )-(4 101 5 0 0 151 0 0 01 0 0 0 m a xm a x vP h ????根據(jù)精度要求，數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量可定為 005.0?a 沖 。伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù)由以下公式可知： 19)-(5 0 ???? 果采用旋轉(zhuǎn)變壓器方案，因旋轉(zhuǎn)變壓器的分解精度為每轉(zhuǎn) 2000 個(gè)脈沖，則在伺服電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器軸之間安裝 1： 1 的升速齒輪。當(dāng) 采用脈沖編碼器方案時(shí)， 因脈沖編曲碼器有每轉(zhuǎn) 2000、 2500、 5000 脈沖等數(shù)種 產(chǎn)品，故編碼器后應(yīng)加倍頻器。如選用每轉(zhuǎn) 2500 脈沖的編碼器，則位頻器的倍數(shù)為 在速度反饋裝置中，與旋轉(zhuǎn)變壓器配套的，可采用測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000r/，輸出一定的電壓量如， 1000r/出 6V）。如采 用脈沖編碼器方案，則可在倍頻器后加頻率 /電壓轉(zhuǎn)換器（ F/V），其轉(zhuǎn)換比例為每0 7 p 輸出電壓 為 例如 6V） 。即相當(dāng)于測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到 1000r/才能輸出 6V 的電壓，而此時(shí)脈沖編碼應(yīng)實(shí)現(xiàn) 0 7 p 。 圖 4－ 1 為上述 2 種方案的傳動(dòng)系統(tǒng)圖。這 2 種方案目前都有使用，各配不同的數(shù)控系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用圖 b 方案。 位置反饋每 分 1 0 0 0 0 脈 沖速度反饋 ，－ 1 伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)圖 珠絲杠 選擇 珠絲杠精度 由于本系統(tǒng)要求達(dá)到 ±定位精度，根據(jù)此要求查閱滾珠絲杠樣本，對于 1 級（ 度絲杠，任意 300導(dǎo)程允差為 2 級（ 度絲杠的導(dǎo)程允差為 步設(shè)計(jì)時(shí)先設(shè)計(jì)絲杠的任意 300程內(nèi)的行程變動(dòng)量30～ 1/2，即 此，取滾珠絲杠精度為 ，即為 1 級精度絲杠。 珠絲杠選擇 滾珠絲杠的名義直徑 、 滾珠的列數(shù)和工作圈數(shù)應(yīng)按當(dāng)量動(dòng)載荷 絲杠的最大載荷為切削力的最大進(jìn)給力加摩擦力； 最小載荷即摩擦力。已知最大進(jìn)給力 000?，工作臺加工件 與夾具的重力為 2800N，貼塑導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為 絲杠的最小載荷（即摩擦力） 1 1 22 8 0 ??? 絲杠最大載荷 1121125000m a x ??? 平均載荷 16)-(4 34453 1125112232 m i nm a x m ??????絲 杠最高轉(zhuǎn)速為 1500r/作臺最小進(jìn)給速度為 1mm/絲杠的最低轉(zhuǎn)速為 取為 0，則平均轉(zhuǎn)速 ? ? m 5 02/01 5 0 0 ?? 。絲杠使用命取 5000? ， 1?5.1?絲杠工作壽命由公式可知： 13)-(4 67510 1 5 0 00750601060 66 ????? L — 工作壽命，以 一個(gè)單位； n — 絲杠轉(zhuǎn)速， r ； T — 絲杠的使用 壽命，對數(shù)控機(jī)床可取 5000? ，本題選取 5000? 。 代入公式可得絲杠的當(dāng)量動(dòng)載荷14)-( 4 . 4 451 33 ????式中 精度響影系數(shù)，對于 1、 2、 3 級精度的滾珠絲杠取 1?于 4、5 級精度滾珠絲杠取 9.0?題取 1? 載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊取 1~般情況取 較大沖擊振動(dòng)時(shí)取 題取 5.1? 查 滾珠絲杠樣本中與得選擇mC＜后由此確 定滾珠絲杠副的型號和尺寸。查滾珠絲杠產(chǎn)品中樣本，選擇 內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母對旋預(yù)緊滾珠絲杠副。其名義直徑為 40程為 10個(gè)螺母滾珠有 5 列。額定動(dòng)載荷 6?，mC＜合設(shè)計(jì)要求。軸向剛度 ?。預(yù)緊力 44/564/ ???。只要軸向載荷值不達(dá)到或超過預(yù)緊力 倍，就不必對預(yù)緊力提出額外的要求。本題中絲杠最大載荷小于 珠絲杠支承選擇 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求。其兩端支承的配置情況如圖 4－ 2 所示的軸向固定方式。其中圖 a）為一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短杠和垂直進(jìn)給絲杠杠；圖 b)為一端軸向固定一端自由的支承配置方式，常用于較長的臥式安裝絲杠 ；圖 c)為兩端固定方式，常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度的絲杠，這種配置方式可對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸。 支承間距離工 作 臺軸向載荷a)支承間距離工 作 臺軸向載荷b)支承間距離工 作 臺軸向載荷c)圖 4－ 2 滾珠絲杠的支承配置 滾珠絲杠中經(jīng)常使用的滾動(dòng)軸承有以下 2 類。 1） 接觸角為 ?60 的角接觸球軸承 這是目前國內(nèi)外廣泛采用的滾珠絲杠軸承，這種軸承可組配置。圖書 4－ 3b）為 1 對 背靠背組合方式，圖 4一對面對面方式。這兩種方式可承受雙向軸向推力。圖 3－ 3d)為一同向組合方式，其承受能力較高，但只承受 1 個(gè)方向的軸向力，同向組合時(shí)的額定動(dòng)載荷2 個(gè)為 3 個(gè)為 4 個(gè)為 － 3e)為 1 對同向與左邊 1 個(gè)面對面組合方式。用上述方法還能派生出三聯(lián)、四聯(lián)等多種組合方式。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，而且采用面對面組合方式時(shí)兩接觸 與軸線交點(diǎn)間的距離a 比背對背的小，故容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。因此在進(jìn)給傳動(dòng)中面對面組合用得較多。 2） 滾珠 — 推力圓柱滾子組合軸承（圖 4－ 3f） 外圈 3 與箱體固定不轉(zhuǎn)，只圈 1、 5 和隔套內(nèi)圈 6 隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，滾針 7 承受徑向載荷，圓柱滾子（或球） 2 和 4 分別承受兩個(gè)方向的軸向載荷，修磨隔套內(nèi)圈 6的寬度可調(diào)整軸承的軸向預(yù)緊量。 圖 4－ 3 滾珠絲杠用軸承 上 述 2 類軸承中， ?60 角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，但剛度較 后者低，目前在一般中，小型數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)用。滾針 —圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。經(jīng)過分析在此設(shè)計(jì)中本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定，一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式如圖 4－ 3 所示。固定端采用 1對 ?60 接觸球軸承面對面組配，以容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。簡支端支承采用深溝球軸承，只承受絲杠的重力。同時(shí)滾珠絲杠工作時(shí)要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補(bǔ)償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。 最大行程工 作 臺7602030－ 3 選定后的絲杠的支承簡圖 珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊 珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置，是數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動(dòng)裝置。 滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會產(chǎn)生嚴(yán)重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預(yù)緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較??；當(dāng)滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母不會立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動(dòng)精度。因此，滾珠絲杠螺母副必須消除間隙，并施加預(yù)緊力，以保證絲杠、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高滾珠絲杠螺母副的接 觸剛度。 滾珠絲杠螺母副通常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，如圖 4－ 4 所示 1－滾珠螺母； 2－緊定螺釘； 3－支座； 4－滾珠絲杠； 5－調(diào)整墊片 圖 4－ 4 雙螺母滾珠絲杠 圖中 1 代表滾珠螺母， 3 代表支座，螺母與支座之間有調(diào)整墊片，通過調(diào)整墊片來調(diào)節(jié)滾珠螺母與滾珠絲杠螺紋之間的間隙。 通過調(diào)整兩個(gè)螺母之間的軸向位置，使兩個(gè)螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個(gè)不同的側(cè)面接觸，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，以達(dá)到提高軸向剛度的目的。調(diào)整預(yù)緊有多種方式，上圖所示的為墊片調(diào)整式，通過改變墊片的厚薄來改變兩個(gè)螺母之間的軸向距離，實(shí)現(xiàn)軸 向間隙消除和預(yù)緊。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、可靠性好。 擇伺服電機(jī) 伺服電機(jī)的選擇用，應(yīng)考慮三個(gè)要求：最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不得超過電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 與負(fù)載慣量 匹配（匹配條件可根據(jù)伺服電機(jī)樣本提供的匹配條件，也可以按照一般的匹配規(guī)律）；快速移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。 大的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 所選伺服電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大切削負(fù)載矩 T 可根據(jù)公式計(jì)算可得，即 3)-( 3. 4 2 00m a x ??????? ??? ??其 中 ， 從 前 面 的 計(jì) 算 已 知 ， 最 大 進(jìn) 給 力 112，絲杠導(dǎo)程? ，預(yù)緊力 NF p 14000? ，查絲杠樣本，滾珠絲杠螺母副的機(jī)械效率 。因滾珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩 ???? 0 0 0 查哈爾濱軸承總廠《角接觸推力球軸承組配技 術(shù)條件》，得 7602030個(gè)軸承的摩擦力矩為 ,故一對軸承的摩擦力矩 ? 支端軸承不預(yù)緊，其摩擦力矩可忽略不計(jì)。伺服電動(dòng)機(jī)絲杠直連，其傳動(dòng)比 1:1?i ，則 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ?????? ? 故所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于此值。 載慣量計(jì)算 伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 與負(fù)載慣量 匹配。負(fù)載慣量可按以下次序計(jì)算。工件夾具與工作臺的最大質(zhì)量為 算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量 1J 可按公式計(jì)算得： 5)-( 3 . 4 22221 ???????????????????????????????????式中 v— 工作臺移動(dòng)速度， ； ? — 伺服電機(jī)的角速度， ； m — 直線移動(dòng)工件夾具和工作臺的質(zhì)量， 絲杠名義直徑 ?，長度 ，絲杠材料（鋼）的密度33 /108.7 ? 。則絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量，根據(jù)公式可知： 6)-( 3 . 4 0 0 2 243402 ?????? ??? 聯(lián)軸器節(jié)加上鎖緊螺母等的慣量3 23 001.0 ? 故負(fù)載總慣量 5)-( 3 . 4 0 0 4 2 0 321 ????????按式 4 中小型數(shù)控機(jī)床慣量匹配條件， 4/1 ?? J ，所選伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 在 。 根據(jù)上述計(jì)算可初步選定伺服電動(dòng)機(jī)，如果選用直流伺服電動(dòng)機(jī)，可選北京數(shù)控設(shè)備廠的 15 型直流伺服電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩為 大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn) 矩 轉(zhuǎn)子慣量 ? ，滿足匹配要求。如選 用交流伺服電動(dòng)機(jī)，可選用交流伺服電動(dòng)機(jī)，可選 20 型。其額定轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)子慣量 ? ，最大輸出轉(zhuǎn)矩 ? 147m 機(jī)械時(shí)間常數(shù) ? ，滿足要求。 15 型直流伺服電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為： 最高轉(zhuǎn)速1500 r 額定轉(zhuǎn)矩 17.6 最大轉(zhuǎn)矩154 轉(zhuǎn)子慣量 反電動(dòng)勢系數(shù)? 轉(zhuǎn)矩系數(shù)? 電樞直流電阻 機(jī)械時(shí)間常數(shù) 15.2 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動(dòng)（快移）速度時(shí)，所需的空載加速轉(zhuǎn)矩 8)-( 3 . 4 602 m a ?空載加速時(shí)，主要克服的是慣性。如選用 15 直流伺服電機(jī)，總慣量： 2 9 )-(5 0 1 9 4 M ?????? 加速時(shí)間t 的 3～ 4 倍，故 ? 3~4） (3~4)× ????0 1 5 0 020 1 9 20 型交流伺服電動(dòng)機(jī) 的 6 ?8 4 ????0 1 5 0 020 1 9 125~167 空載加速轉(zhuǎn)矩此可見，15 型直流伺服電動(dòng)機(jī)的 ? 154m ?,滿足設(shè)計(jì)要求； 20 型交流伺服電動(dòng)機(jī)的可使用，但加速時(shí)間較長。 經(jīng)過比較 從成本與造價(jià)方面考慮本題采用 20 型交流伺服電動(dòng)機(jī) 。 服系統(tǒng)增益 通常取系統(tǒng)增益 ?5? ?1?s 。對輪廓控制的加工中心機(jī)床可取較大值，如取 120 ?? 服系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)? ? ???。如果選用 15 型直流伺服電機(jī)，執(zhí)行件（工作臺）達(dá) 到的最大加速度根據(jù)公式可知 8)-( 3 . 4 / 2m a x Ta h ????? ??伺服系統(tǒng)要求達(dá)到的最大加速度發(fā)生在系統(tǒng)處于時(shí)間常數(shù)行件的速度 從加到， a 略大于而按照加速能力選擇 120 ?? a ，可以適當(dāng) 增大提高 系統(tǒng)的性能。 度驗(yàn)算 本數(shù)控銑床要求的定位精度為 ±余誤差為伺服系統(tǒng)誤差 、 絲杠軸承的軸向跳動(dòng)和在載荷作用下各機(jī)械環(huán)節(jié)彈性變形起的位移等。 服剛度 伺服剛度可根據(jù)下式子計(jì)算，即 ? ?K 1 ??伺服電動(dòng)機(jī)的增益，它等于電動(dòng)機(jī)的角速度 )/( 與輸入電壓 )(比值。輸入電壓 少量消耗于電樞回路的阻抗外，大部分被反電動(dòng)勢所平衡。( ，為伺服電動(dòng)機(jī)單位角速度 )/( V）。估算時(shí)，可以近似地認(rèn)為輸入電壓 于反電動(dòng)勢。因而近似地可認(rèn)為 K 1? 2m a xm a x /1030 201530 s ???? 15 直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù) ?，因伺服系統(tǒng)增益120 ?? sK s ，速度控制的開環(huán)增益 ?0~4 取 10 402022 ?????? 反電動(dòng)勢系數(shù) ?，則 )/( ?? ；電樞直流電阻?? 故 ? ?? ? r a 1 0 4 ?? ???? 折合到工作臺部件的直線剛度 ?? /410/1041022 622' ????????????????????? 珠絲杠的拉壓剛度 本題 中的絲杠為一端軸向定位結(jié)構(gòu)。其最小拉壓剛度發(fā)生在工作臺螺母離定位 點(diǎn)交接班遠(yuǎn)的位置。已知工作臺的絲向行 程為 660 螺母移動(dòng)到離定位點(diǎn)最近位置時(shí)，還應(yīng)保留一定的絲杠距離，假設(shè)為 140而絲杠最大距 離 01 4 06 6 0m a x ???? 。代入公式計(jì)得絲杠拉剛度 17)-( 3. 4 /10410 6m a a xm i ? ?? ???? 式中，絲杠名義直徑0題目中0D＝ 40d＝ D－0d＝ 40－ ? 。 E 為絲杠材料鋼的彈性模量，102 ??，則 ? /2 1 0240 3 2 112m i n ?????? ? 杠軸承的軸向剛度 哈爾濱軸承總廠生產(chǎn)的 7602030號軸承的鋼球直徑 鋼珠數(shù) Z＝ 17，接觸角 ??60? ，預(yù)加載荷 9000?，軸向外載荷為導(dǎo)軌摩擦力14? ，故軸向載荷 預(yù)加載荷與軸向外載荷之和，即 9)-( 3 . 3 3 2 1 43 1 42 9 0 0 0 ????絲杠軸承軸向載荷剛度 5)-( 3 . 3 s i 3 52 ?（ 5） ?????? ? 珠絲杠螺母的接觸剛度 查樣本手冊得 c /2300? 性聯(lián)軸節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度 查文獻(xiàn)得 1 ??? 折合到工作臺部件的直線剛度為 ? /24500/24211' ????????????????????? 合剛度 計(jì)算出伺服剛度折算到工作臺部件的直線剛度 、滾珠絲杠最小拉壓剛度杠軸承軸向剛度珠絲杠螺母接觸剛度折算到工作臺部件直線剛度'K 后，按彈簧串聯(lián)原則合成求得綜合剛度 K ，即 2 1 )-(4 111111 '1m i n' ??? （ 4－ 21） 故 cb