【053】3C618數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)設計(論文+DWG圖紙),053,c618,數(shù)控車床,傳動系統(tǒng),設計,論文,dwg,圖紙 第五章 伺服進給系統(tǒng)的改造設計與計算 伺服進給機構的設計是普通車床經濟型數(shù)控改造的主要部分，如果說CNC系統(tǒng)是數(shù)控機床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機構，那么，伺服驅動系統(tǒng)便是數(shù)控機床的“四肢”，是執(zhí)行機構，它忠實而準確的執(zhí)行由CNC系統(tǒng)發(fā)來的運動命令。伺服控制系統(tǒng)是聯(lián)接數(shù)控系統(tǒng)與機床的樞紐，其性能是影響數(shù)控機床的精度、穩(wěn)定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。 一、伺服系統(tǒng)的組成原理和要求 (一)、伺服系統(tǒng)的組成原理 機床進給伺服系統(tǒng)主要由伺服驅動控制系統(tǒng)與機床進給機械傳動機構兩大部分組成。機床進給機械傳動系統(tǒng)通常由減速齒輪、滾珠絲杠、機床導軌和工作臺拖板等組成。對于伺服驅動控制系統(tǒng)，按其反饋信號的有無，分為開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式。對于開環(huán)伺服系統(tǒng)只能由步進電機驅動，它由步進電機驅動電源和電動機組成。閉環(huán)伺服系統(tǒng)則分為直流電動機和交流電動機兩種驅動方式，并且是雙閉環(huán)系統(tǒng)，內環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中用作速度反饋的檢測裝置為測速發(fā)電機、脈沖編碼器等。速度控制單元是一個獨立的單元部件，它由速度調節(jié)器、電流調節(jié)器以及功率驅動放大器等部分組成。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等部分組成。根據其位置檢測信號所取部位不同，它又分為半閉環(huán)和全閉環(huán)兩種。半閉環(huán)采用轉角位置檢測裝置，安裝于滾珠絲杠端部，或直接與伺服電動機轉子的后端相連（與伺服電動機成一體）；對于全閉環(huán)系統(tǒng)需要采用直線位置檢測裝置，安裝于機床導軌與工作臺拖板之間。通常伺服驅動控制單元與電動機由一個生產廠家配套提供（甚至包括位置檢測裝置）。 （二）、伺服系統(tǒng)的要求 伺服系統(tǒng)是把數(shù)控信息轉化為機床進給運動的執(zhí)行機構。為確保機床的加工質量和效率，機床對其伺服系統(tǒng)有“穩(wěn)、準、快、寬、足”五個要求，它反映了伺服驅動系統(tǒng)的五項性能指標,具體的內容如下: 穩(wěn) 即穩(wěn)定性，也就是要求系統(tǒng)有較好的抗干擾性，保證電源、環(huán)境、負載等所產生的波動對其影響甚小，有較硬的調速機械特性，過載能力強，穩(wěn)定性好，適應性好，以確保工件加工的一致性。 準 及準確性，為確保加工質量，除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外，還必須有較高的準確定位精度。數(shù)控機床是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令自動完成整個加工過程，它不象普通機床那樣，中間可以由操作者測量工件后再通過操縱手輪來修正加工偏差。由于數(shù)控機床是按加工程序一次完成加工，所以進給系統(tǒng)的定位精度直接決定了工件的加工精度，這也是考核數(shù)控機床的一項至關重要的性能指標。 通常影響數(shù)控加工精度的主要因素有：數(shù)控系統(tǒng)精度（主要取決于插補運算精度）；伺服系統(tǒng)精度；機床機械精度（如主軸、刀架、工作臺回轉精度，刀具、工件裝夾精度等）。其中伺服系統(tǒng)精度起主要作用。 快 即快速響應性。機床進給伺服系統(tǒng)實際上就是一種高精度的位置隨動系統(tǒng)，它不但要求靜態(tài)誤差小，也要求動態(tài)響應快，具體表現(xiàn)在起、停的升降速過程短，有較高的加速度，即要求系統(tǒng)的機電時間常數(shù)小，反應靈敏。 寬 即有較寬的調速范圍。通常數(shù)控機床在實際運行中，對工作臺的進給速度要求滿足兩項指標：輕載快速趨近定位速度（即編程指令G00的速度）、切削進給速度（即編程指令G01、G02等后面的F值所要求的速度）。 足 即有足夠的輸出扭矩或驅動功率。特別是要滿足強力切削和高速切削的要求，并且還要求系統(tǒng)有相應的過載能力，以確保穩(wěn)定性。 對進給伺服系統(tǒng)除了上述五項主要性能指標外，也要求溫升低、噪聲小、效率高、體積小、價格低、控制方便、線性度好（如輸出速度與輸入電壓成線性）、可靠性高，維修保養(yǎng)方便，對溫度、濕度等環(huán)境要求寬等等。 二 伺服進給機構的設計內容和設計計算 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)的控制方式有多種，如：開環(huán)控制閉環(huán)控制以及半閉環(huán)控制。 正如總體設計方案論證中所說，本設計任務的精度要求不高，結合經濟型改造的特點，設計者采用以步進電機為驅動的開環(huán)控制方式來設計其伺服進給系統(tǒng)。下面對開換系統(tǒng)的控制形式及特點加以簡要分析。 1、工作原理及控制特點 開環(huán)控制系統(tǒng)利用脈沖馬達的伺服性能，即對應一定的脈沖，必定有一定的轉角，從而通過絲杠螺母機構使工作臺移動一定的距離。 2、定位精度 雖然開環(huán)控制系統(tǒng)很難保證較高的位置控制精度，對于影響定位精度的機械傳動裝置的剛度、摩擦、慣量、間隙等的要求較高，一般在0.01～0.02mm之間；但對于經濟型數(shù)控車床來說，定位精度要求并不高。 3、穩(wěn)定性 結構簡單，調試方便，工作可靠，穩(wěn)定性好。 <一> 縱向進給系統(tǒng)的設計與計算 1、進給系統(tǒng)的設計內容 經濟型數(shù)控車床的改造一般是將絲杠、光杠及安裝座拆去，配上滾珠絲杠及相應的安裝裝置，縱向驅動的步進電動機及減速箱安裝在車床的車尾。書控車床通過步進電動機經減速驅動滾珠絲杠，帶動刀架左右移動。 縱向進給系統(tǒng)設計的主要內容有：滾珠絲杠副的設計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設計、步進電動機的選擇等。 2、縱向進給系統(tǒng)的設計計算 （1）已知條件： 1）、縱向脈沖當量 δp=0.001mm/脈沖； 2）、縱向最高進給速度 Vfymax=2m/min； 3）、C618車床工作臺質量 w=100kg=1000N（根據圖形尺寸粗略計算）。 4）、時間常數(shù) T=25ms （2）、縱向進給切削力Fz的確定 根據《機床設計手冊》查出， =3～5% （5—1） 式中： Pdf ----進給系統(tǒng)所需電機功率 Pa -----主傳動電機功率 由前面的設計計算可知： Pa=11kw 取比例系數(shù)為4% 則 Pdf= Pa×4%=0.44kw （5—2） 根據《機床設計手冊》查出， Fy= （5—3） 式中：ηf----進給系統(tǒng)效率，其范圍為0.15～0.20， 取ηf =0.175 Vf-----進給速度（m/min），查《實用機床設計手冊》可知： Vf=（1/2～1/3）·Vfymax （5—4） 取 Vf=（1/2）Vfymax=1 m/min 則 FZ=4712.4 (N) 當FZ=4712.4N時，切削深度ap=2mm，走刀量f=0.3mm . 以此參數(shù)作為下面計算的依據，從《實用機床設計手冊》中可知，在一般圓切削時： =（0.1～0.6） （5—5） =（0.15～0.7） （5—6） =0.5=0.5×4712.4=2356.2（） =0.6=0.6×4712.4=2827.44（） （3）、滾珠絲杠的設計計算 滾珠絲杠在工作中承受軸向負載，使得滾珠和滾道型面間產生接觸應力；對滾道型面上某一點，是交變接觸應力。在這種交變應力的作用下，經過一定的應力循環(huán)次數(shù)后滾珠和滾道型面產生疲勞損傷，從而使得滾珠絲杠喪失工作性能，這是滾珠絲杠破壞的主要形式。在設計滾珠絲杠副的時候，須保證能夠它在一定的軸向負載的作用下，在回轉106轉后，滾道上雖然受滾珠壓力，但不應有點蝕現(xiàn)象發(fā)生，此時所能承受的軸向負載成為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載Q。 滾珠絲杠副已經標準化，因此滾珠絲杠副的設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇。 1）、額定動載荷與計算動載荷C 從《實用機床設計手冊》中查得： （5—7） 式中: fh ---- 壽命系數(shù) fd ---- 載荷性質系數(shù) fH ---- 動載荷硬度系數(shù) fn ---- 轉速系數(shù) Fd ---- 最大工作負載 (N) 根據《實用機床設計手冊》可知： 選工作壽命: Lh =15000h, 則 fh ==3.107 （5—8） 選載荷性質系數(shù): fd =1.35; 選動載荷硬度系數(shù):fH =1.0; 轉速系數(shù): fn = ; （5—9） V =1000mm/min 根據上述選擇的情況下,計算結果如表5.1所示; 表5.1 動載荷計算 絲杠導程L0/mm 12 10 8 6 n =V/L0 (r/min) 8303 100 125 166.7 fn 0.737 0.693 0.694 0.584 c/n 26883 28590 30813 33926 綜合導軌車床絲杠的軸向力: （5—10） 式中:K=1.15; f’=0.15—0.18,取0.16.得; =3623.6 (N) 壽命值; （5—11） 最大負載; （5—12） ==11395.8 (N) 查參考文獻《實用機床設計手冊》可選用NL4510型號的滾珠絲杠副,名義直徑為45mm,絲杠導程為10 mm, 螺旋角,滾珠例數(shù)為3系列,其額定動載荷為33300N,所以其強度夠用。 2）、支承方式 選用“單推—單推”的支承方式。 3）、效率計算； （5—13） 式中： ---- 螺紋的螺旋升角 ---- 摩擦角 ； 所以，= 則： （5—14） 經驗表明：在數(shù)控化改造設計中，有普通絲杠換成滾珠絲杠，只要名義直徑相同，支承方式相同或有改善，其絲杠的強度，剛度和穩(wěn)定性計算可以不計算，因為采用類比法，改善后肯定合格。 （4）、齒輪設計 齒輪傳動比i: （5—15） 式中； ---- 步進電動機的步矩角，選為1.50， 計算出i〈 5，因此可以選一級傳動。 大小齒輪都采用45號鋼調質，選小齒輪硬度為260HB—290HB，大齒輪硬度為220HB—250HB，精度選用六級，模數(shù)m=2mm , 齒寬b=20mm, 螺旋角α=， 齒數(shù)Z1=18，齒數(shù)Z2=75，則： （5—16） （5—17） 還應該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經校核均合格，其校核過程略。 3、步進電動機的確定 （1）、步進電動機步矩角的選擇； （5—18） （2）、等效轉動慣量的計算 慣量對運動特性有很大影響，對加速能力，加速時驅動力矩及動態(tài)的快速反應有直接關系，因此核算轉動慣量很有必要。 縱向伺服系統(tǒng)改進后等效轉動慣量的簡圖如下: 圖5-1 改造后的縱向伺服系統(tǒng)等效轉動慣量簡圖 等效步進電動機軸的轉動慣量計算，采用下式； （5—19） 式中： ----工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 ----滾珠絲杠轉動慣量 ----齒輪1的轉動慣量 ----齒輪2的轉動慣量 = （5—20） =×100=0.146（·） 滾珠絲杠轉動慣量： =7.8× （5—21） =7.8×××140=45.741（） 齒輪的轉動慣量： =7.8×××2=0.262（） =7.8×××2=78.975（） 電動機轉動慣量很小可忽略，因此總的轉動慣量： = = =7.58（）=75.8 （3）、所需轉動力矩計算： 折算到步進電動機軸的力矩可分為三種情況進行計算。 1）、快速空載啟動時所需力矩： M=Mamax+Mf+M0 （5—22） 2）、 最大切削負載時所需力矩： M=Mat+Mf+M0+Mt （5—23） 3）、快速進給所需力矩 M=Mf+M0 （5—24） 式中：Mamax--空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； Mf --折算到電機軸上的摩擦力矩； M0 --由絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的摩擦力矩； Mat--切削時折算到電機軸上的加速度力矩； Mt --切削時折算到電機軸上的切削負載力矩。 Ma= （N·m） （5—25） 式中；T為時間常數(shù)T=0.025s 當n=nmax時，Mamax=Ma； nmax = =834r/min （5—26） Mamax= =2.764（N·m）=276.4（·） 當n=nt時，Mat=Ma； （5—27） = =12.51 （r/min） Mat= =0.0395 （N·m）=3.95（·） （5—28） 當η=0.8， f`=0.16時； =7.64（N·CM） 當=0.9時： = （5—29） = =0.854（·）=8.54（·） = （5—30） = =13.5（·）=135（·） 從而求得，快速空載啟動所需力矩 M=Mamax+Mf+M0 =276.4+7.64+8.54 =294.88 （N·CM ） 切削時所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt =3.95+7.64+8.54+135 =155 （·） 快速進給時所需力矩 M=Mf+M0 =7.64+8.54 =16.18 （N·CM ） 由以上分析計算可知，所需最大力矩Mmax發(fā)生在快速啟動時，即： Mmax=294.88 （N·CM ） 4）、步進電動機的最大靜轉矩Tjm 為。 （5—31） =851.3 （N·CM ） 5）、步進電動機的最高頻率計算； （HZ） （5—32） 電動機采用三相六拍的工作方式，經綜合考慮，選用110BF003型的直流步進電動機能滿足要求。 <一> 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算 1、進給系統(tǒng)的設計內容 經濟型數(shù)控車床改造的橫向進給系統(tǒng)的設計比較簡單，一般是步進電動機經減速后驅動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電動機安裝在大拖板上，用發(fā)蘭盤將步進電動機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。 橫向進給系統(tǒng)設計的主要內容有：滾珠絲杠副的設計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設計、步進電動機的選擇等。 2、橫向進給系統(tǒng)的設計計算 （1）、已知條件： 1）、縱向脈沖當量 δy=0.0005mm/脈沖； 2）、縱向最高進給速度 Vfymax=1m/min； 3）、C618車床工作臺質量 w=40kg=4000N（根據圖形尺寸粗略計算）。 4）、時間常數(shù) T=25ms （2）、橫向進給切削力Fx的確定 根據《機床設計手冊》可知； 橫向進給量為縱向的1/2--1/3 ，取1/2，則切削力約為縱向的1/2。 =0.5×4712.4=2356.2（） =0.5=0.6×2356.2=1178.1（） （3）、滾珠絲杠的設計計算 滾珠絲杠在工作中承受軸向負載，使得滾珠和滾道型面間產生接觸應力；對滾道型面上某一點，是交變接觸應力。在這種交變應力的作用下，經過一定的應力循環(huán)次數(shù)后滾珠和滾道型面產生疲勞損傷，從而使得滾珠絲杠喪失工作性能，這是滾珠絲杠破壞的主要形式。在設計滾珠絲杠副的時候，須保證能夠它在一定的軸向負載的作用下，在回轉106轉后，滾道上雖然受滾珠壓力，但不應有點蝕現(xiàn)象發(fā)生，此時所能承受的軸向負載成為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載Q。 滾珠絲杠副已經標準化，因此滾珠絲杠副的設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇。 1）、強度計算； 式中:K=1.4; f’=0.2,得; =2200.5 (N) 壽命值; 最大負載; ==6287.5 (N) 查參考文獻《實用機床設計手冊》可選用 WD2004型號的滾珠絲杠副,名義直徑為20mm,絲杠導程為4 mm ,螺旋角,滾珠例數(shù)為3系列,其額定動載荷為7600N,所以其強度夠用。 2）、支承方式 選用“單推—單推”的支承方式。 3）、效率計算； 式中： ---- 螺紋的螺旋升角 ---- 摩擦角 = 則： 經驗表明：在數(shù)控化改造設計中，有普通絲杠換成滾珠絲杠，只要名義直徑相同，支承方式相同或有改善，其絲杠的強度，剛度和穩(wěn)定性計算可以不計算，因為采用類比法，改善后肯定合格。 （4）、齒輪設計 齒輪傳動比i: 式中； ---- 步進電動機的步矩角，選為1.50， 計算出i〈 5，因此可以選一級傳動。 大小齒輪都采用45號鋼調質，選小齒輪硬度為260HB—290HB，大齒輪硬度為220HB—250HB，精度選用六級，模數(shù)m=2mm , 齒寬b=20mm, 螺旋角α=， 齒數(shù)Z1=20，齒數(shù)Z2=66，則： 還應該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經校核均合格，其校核過程略。 3、步進電動機的確定 （1）、步進電動機步矩角的選擇； （2）、等效轉動慣量的計算 慣量對運動特性有很大影響，對加速能力，加速時驅動力矩及動態(tài)的快速反應有直接關系，因此核算轉動慣量很有必要。 改造后的橫向伺服系統(tǒng)等效轉動慣量簡圖如下: 圖5-2 改造后的縱向伺服系統(tǒng)等效轉動慣量簡圖 等效步進電動機軸的轉動慣量計算，采用下式； 式中： ----工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 ----滾珠絲杠轉動慣量 ----齒輪1的轉動慣量 ----齒輪2的轉動慣量 =×40 =1.46（·）=0.0146（） 滾珠絲杠轉動慣量： =7.8×××50=0.624（） 齒輪的轉動慣量： =7.8×××2=0.4（） =7.8×××2=47.36（） 電動機轉動慣量很小可忽略，因此總的轉動慣量： = =4.82（）=48.2 （3）、所需轉動力矩計算： 折算到步進電動機軸的力矩可分為三種情況進行計算。 1）、快速空載啟動時所需力矩： M=Mamax+Mf+M0 2）、 最大切削負載時所需力矩： M=Mat+Mf+M0+Mt 3）、快速進給所需力矩 Ma= N·M 式中；T為時間常數(shù)T=0.025s 當n=nmax時，Mamax=Ma； nmax = =833.25r/min Mamax= =1.67（N·m）=167（ N·cm） 當n=nt時，Mat=Ma； = = =66.34 （r/min） Mat= =0.0348 （N·m）=3.48（·） 當η=0.8， f`=0.2時； =0.193（）=1.93（·） 當=0.9時： = = =0.18（·）=1.8（·） = = =2.84（·）=28.4（·） 從而求得，快速空載啟動所需力矩 M=Mamax+Mf+M0 =16.7+0.193+0.18 =17.073（·） 切削時所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt =0.348+0.193+0.18+2.84 =3.561 （·） 快速進給時所需力矩 M=Mf+M0 =0.193+0.18 =0.373（·） 由以上分析計算可知，所需最大力矩Mmax發(fā)生在快速啟動時，即： Mmax=17.073（·）=170.73(N·cm) 4）、步進電動機的最大靜轉矩Tjm 為。 =490 (N·cm) 5）、步進電動機的最高頻率計算； （HZ） 電動機采用三相六拍的工作方式，經綜合考慮，選用110BF003型的直流步進電動機能滿足要求。