機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計

1、 目 錄摘要 （ 1 ）1、數(shù)控銑床的組成與進(jìn)給系統(tǒng)概述 （1-2）2、數(shù)控銑床X方向進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 技術(shù)參數(shù) （ 2 ）2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 （2-3）3、X方向滾珠絲杠副的設(shè)計3.1 X方向滾珠絲杠副的計算 （3-6）3.2 伺服電機(jī)的選擇計算 （6-8）3.3 確定滾珠絲杠副的型號 （8-10）3.4 滾珠絲杠副的校驗 （10-11）3.5 軸承的選擇及校核 （11-13）4、總結(jié) （ 13 ）參考文獻(xiàn) （ 13 ）數(shù)控銑床X向進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計摘要：數(shù)控銑床是一種加工功能很強(qiáng)的數(shù)控機(jī)床，目前迅速發(fā)展起來的加工中心、柔性加工單元等都是在數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床的基礎(chǔ)上產(chǎn)生

2、的。數(shù)控銑床主要用于加工平面和曲面輪廓的零件，還可以加工復(fù)雜型面的零件，如凸輪、樣板、模具、螺旋槽等，同時也可以對零件進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸和鏜孔的加工。本文主要介紹數(shù)控銑床的組成、設(shè)計過程及其發(fā)展趨勢。1、數(shù)控銑床的組成與進(jìn)給系統(tǒng)概述圖（1）為數(shù)控銑床示意圖。其機(jī)械結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：(1)主傳動系統(tǒng)；(2)進(jìn)給傳動系統(tǒng)；(3)基礎(chǔ)支承件；(4)輔助裝置圖（1） 數(shù)控銑床示意圖1-底座；2-強(qiáng)電柜；3-變壓器箱；4-垂直升降進(jìn)給伺服電機(jī)；5-主軸變速手柄和按鈕板；6-床身；7-數(shù)控柜；8，11-保護(hù)開關(guān)；9-檔鐵；10-操縱臺；12-橫向溜板；13-縱向進(jìn)給伺服電機(jī)；14-橫向進(jìn)給伺服電機(jī)；15-

3、升降臺；16-縱向工作臺數(shù)控銑床的進(jìn)給系統(tǒng)包括動力源、傳動件及進(jìn)給運動執(zhí)行件（工作臺、刀架）等，其功用是將伺服驅(qū)動裝置的運動與動力傳給執(zhí)行件，以實現(xiàn)進(jìn)給切削運動。其中的代表部件為滾珠絲杠副、伺服電動機(jī)、滾動直線導(dǎo)軌。（1）滾珠絲杠副滾珠絲杠副是將螺母與絲杠分別加工成凹半圓弧螺紋，在螺紋之間放入滾珠形成的。滾珠沿螺旋滾道滾動，帶動螺母或絲杠軸向移動，將原先傳動中使用的T形絲杠的螺紋摩擦變?yōu)闈L動摩擦，因為降低了摩擦阻力，消除了局部爬行現(xiàn)象，從而提高了傳動精度與傳動機(jī)械效率。滾珠絲杠副有很多優(yōu)點，主要為傳動效率高，約為92-96?？上S向移動產(chǎn)生的間隙，定位精度高，剛度好，運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳

4、動精度好。再次，旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，絲杠與螺母都可作為主動件，磨損小，使用壽命長。但滾珠絲杠副制作工藝復(fù)雜，精度要求高，且不能自鎖。滾珠絲杠支承用軸承通常要選用專用軸承，一般選用絲杠支承專用角接觸球軸承。該軸承具有如下特點：a剛性大。由于采用采用特殊色設(shè)計的尼龍保持架，增加了鋼球數(shù)，且接觸角為60 °，故軸向剛度大；b無須預(yù)調(diào)整。對每種組合形式，廠家已做好了能得到最佳預(yù)緊力的間隙，故用戶在裝配時不需再調(diào)整，只要按廠家作出的裝置序列符號排列后，裝緊即可；c力矩小。與圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承相比，啟動力矩更小。（2）伺服電動機(jī)伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是一種補(bǔ)

5、助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時間常數(shù)小、線性度高、始動電電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。2、數(shù)控銑床X方向進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 技術(shù)參數(shù)X行程 1200mmX向快速進(jìn)給速度 5m/min工作臺長度 650mm工作臺寬度 320mm工作臺重量 650N工作臺最大承重 300kg定位精度 ±0.025mm重復(fù)定位精度 ±0.015mm2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理數(shù)控銑床的

6、X方向進(jìn)給系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承、滾珠絲杠副、滾動導(dǎo)軌副等零件組成，具體如圖（2）所示。圖（2） X方向進(jìn)給系統(tǒng)1-X向伺服電機(jī)；2-聯(lián)軸器；3-角接觸球軸承；4-X向滾珠絲杠； 5-X向滑塊；6-連接基座；7-X向滾珠螺母；8-工作臺；9-Y向滑塊；10-Y向?qū)к壠渲校琗向?qū)к売蓾L珠螺母、滑塊與連接基座固定；導(dǎo)軌與工作臺用螺釘聯(lián)接。系統(tǒng)工作時，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，滾珠絲杠作橫向移動，滾動導(dǎo)軌帶動工作臺作橫向移動。滾珠螺母與滑塊均固定不動。滾珠絲杠的固定方式為兩端固定，左右各有2個角接觸球軸承。3、X方向滾珠絲杠副的設(shè)計3.1 X方向滾珠絲杠副的計算為了滿足數(shù)控機(jī)床高

7、進(jìn)給速度、高定位精度、高平穩(wěn)性和快速響應(yīng)的要求，必須合理選擇滾珠絲杠副，并進(jìn)行必要的校核計算。計算參數(shù)：工作臺重量 W1=650N工作臺最大承重 W2=300kg=2940N工作臺X向最大行程 1200mmX向快速進(jìn)給速度 Vxmax=5m/min定位精度 ±0.025mm重復(fù)定位精度 ±0.015mm表（3）給出了工作臺的切削狀況，以此為前提進(jìn)行傳動部件的設(shè)計。 表（3） 切削狀況切削狀況切削方式縱向切削力(N)垂向切削力(N)進(jìn)給速度(m/min)工作時間百分比強(qiáng)力切削12007000.55一般切削6003000.830精切削30080155快速進(jìn)給005.1103.1

8、.1 確定滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph根據(jù)機(jī)床傳動要求、負(fù)載大小和傳動效率等因素綜合考慮確定導(dǎo)程Ph。先按機(jī)床傳動要求確定，其公式為: 式中：VmaxX向快速進(jìn)給速度，m/min； i傳動比，因電機(jī)與滾珠絲杠副直接聯(lián)接，i取1；nmax驅(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min。選Ph為5mm。3.1.2 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算(1)工作載荷F工作載荷F是指數(shù)控機(jī)床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向作用力，其數(shù)值可用下列進(jìn)給作用力的實驗公式計算：對于滾動導(dǎo)軌機(jī)床： 式中： FxiX方向上的切削分力，N；Ff導(dǎo)軌摩擦阻力，N。 式中： FziZ方向上的切削分力，N；摩擦系數(shù)，對滾動導(dǎo)軌取0.0030.004。在各種

9、切削方式下，絲杠軸向載荷：F1=1200+0.004(650+2940+700)=1217.16NF2=600+0.004(650+2940+300)= 615.56NF3=300+0.004(650+2940+80)=314.68NF4= 0.004(650+2940)=14.36N(2)最小載荷Fmin最小載荷Fmin為數(shù)控機(jī)床空載時作用于滾珠絲杠的軸向載荷。此時，F(xiàn)x=Fy=Fz=0。Fmin=F4=14.36N(3)最大工作載荷Fmax最大載荷為機(jī)床承受最大切削力時作用于滾珠絲杠的軸向載荷。 Fmax=F1=1217.16N(4)當(dāng)量載荷Fm與當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm當(dāng)機(jī)床工作載荷隨時間變化且此期

10、間轉(zhuǎn)速不同時： 式中：t1、t2、t3、t4分別為滾珠絲杠在轉(zhuǎn)速n1、n2、n3、n4下，所受軸向載荷分別是F1、F2、F3、F4時的工作時間 =402.33N3.1.3 確定預(yù)期額定動載荷Cam(1)按預(yù)期壽命時間計算 式中： Fm滾珠絲杠副當(dāng)量載荷，N；nm當(dāng)量轉(zhuǎn)速，r/min；Lh預(yù)期工作時間，取20000小時；fa精度系數(shù)，取1.0；fc可靠性系數(shù)，取0.53；fw負(fù)荷系數(shù)，取1.2。6905.32N(2)按最大軸向載荷Fmax計算當(dāng)滾珠絲杠副有預(yù)加載荷時： 式中，fe為預(yù)加負(fù)荷系數(shù)，取中預(yù)載fe=4.5。 N選取(1)、(2)計算結(jié)果中的大數(shù)值為滾珠絲杠副的預(yù)期額定動載荷，即取Cam

11、為6905.32N。3.1.4 確定滾珠絲杠最小螺紋底徑d2m(1)估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量m 式中： a重復(fù)定位精度，0.025mm；c定位精度，0.015mm。取m為0.0062mm。(2)估算滾珠絲杠副的底徑d2m滾珠絲杠副的安裝方式為兩端固定： 式中： E楊氏彈性模量，2.1×105MPa；m估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量，mm；F0導(dǎo)軌靜摩擦力，；L兩個固定支承之間的距離，mm；L行程安全行程兩個余程螺母長度一支承長度(1.11.2)行程(1014)Ph1500mm。設(shè)計時，取d2m=23.41mm，因此： =2.43.1.5 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力Fp Fp=Fm

12、ax/3=1217.16/3=405.72N 3.1.6 確定滾珠絲杠副其它尺寸(1)滾珠絲杠副的螺紋長度Ls 式中： Lv有效行程+螺母長度，mm；Le余程，取20mm； mm(2)絲杠全長L綜合考慮各項幾何尺寸要求，取L為1500mm。3.2 伺服電機(jī)的選擇計算3.2.1 作用在滾珠絲杠副上的各種轉(zhuǎn)矩的計算外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩TF(Nm) 滾珠絲杠副預(yù)加載荷Fp產(chǎn)生的預(yù)緊力矩Tp(Nm) 式中： Ph滾珠絲杠副導(dǎo)程，mm；未預(yù)緊的滾珠絲杠副效率，取為0.9；F 作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷，N。 0.076N3.2.2 負(fù)荷轉(zhuǎn)動慣量JL(kgm2)及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J(kgm2)的計

13、算 式中： Ji，ni各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)和轉(zhuǎn)速(r/min)； mj，Vj各直線運動件的質(zhì)量(kg)和速度(m/min)；Jm，nm電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)和轉(zhuǎn)速(r/min)。實心圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量為 式中：D外徑，m；L長度，m；密度，kg/m3。 4.5×10-4kgm2 JL4.5×10-4kgm2 JmJL/31.5×10-4 kgm2初選電機(jī)為三相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號為86BYG350BL-0601，最大轉(zhuǎn)矩為5Nm，轉(zhuǎn)動慣量為2.4×10-4kgm2。=6.9×10-4 kgm2 3.2.3 加速轉(zhuǎn)矩Ta和最大加速轉(zhuǎn)矩

14、Tam當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從n1升至n2時： 當(dāng)電機(jī)從靜止升至nmax時： 式中： n電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；namx電機(jī)最高轉(zhuǎn)速(r/min)；ta加速時間(s)，取0.1s；3.2.4 電機(jī)的最大啟動轉(zhuǎn)矩 ，符合要求。3.2.5 電機(jī)連續(xù)工作的最大轉(zhuǎn)矩機(jī)械在最大工作載荷下連續(xù)均勻運轉(zhuǎn)時的電機(jī)轉(zhuǎn)矩： ，符合要求。最終確定電機(jī)型號為86BYG350BL-0601 ，其輸出功率為480W。3.2.6 電機(jī)輸出端軸直徑的計算軸的最小直徑(mm): 式中： P軸傳遞的功率，kW； n軸的轉(zhuǎn)速，r/min；取n=120r/min； T 許用切應(yīng)力，MPa； C與軸有關(guān)的系數(shù) 查得，C=106。 設(shè)計時，取d=1

15、7mm，符合要求。3.3 確定滾珠絲杠副的型號3.3.1 傳動系統(tǒng)剛度計算(1)傳動系統(tǒng)的剛度K計算 式中： Ks滾珠絲杠副的拉壓剛度(N/mm)；Kb滾珠絲杠副的軸向剛度(N/mm)；Kc滾珠絲杠副滾珠與滾道的接觸剛度(N/mm)；Kr折合到滾珠絲杠副上的伺服剛度，可忽略不計算；Kd滾珠絲杠副中螺母體剛度(N/mm)，按計算；Kt折合到滾珠絲杠副上的聯(lián)軸節(jié)剛度，可忽略不計；Kh螺母座、軸承座剛度，可忽略不計；Kj滾珠絲杠副的扭剛度，可忽略不計。(2)計算Ks滾珠絲杠副的拉壓剛度Ks是滾珠螺母至滾珠絲杠軸向固定處距離a的函數(shù)。當(dāng)絲杠支承形式為兩端固定時： 式中： Ks拉壓剛度(N/mm)；d2

16、絲杠螺紋底徑(mm)；a滾珠螺母中點至軸承支點距離，mm。當(dāng)a=L/2（即處在兩支承的中點）時剛度最?。寒?dāng)a=L0（螺母在行程兩端處）時剛度最大：(3)確定Kb對兩端固定的支撐結(jié)構(gòu)，滾珠絲杠副軸向剛度，查資料可知，(4)計算Kc對預(yù)緊的滾珠絲杠副： 式中： Kc查文獻(xiàn)11上的剛度，取Kc=467(N/mm)； Ca額定動載荷，N。3.3.2 傳動系統(tǒng)剛度驗算及滾珠絲杠副的精度選擇(1)傳動系統(tǒng)剛度驗算=0.038(2)滾珠絲杠副的精度選擇滾珠絲杠副精度分為七個等級，即1，2，3，4，5，7，10級，1級精度最高，依次逐漸降低。對半閉環(huán)控制系統(tǒng)：根據(jù)上述計算結(jié)果，查看文獻(xiàn)11，選擇滾珠絲杠副精度

17、等級為3級，V300P為12m。確定滾珠絲杠副型號為CBT2505-2.5-P3×1500×1320。3.4 滾珠絲杠副的校驗3.4.1 滾珠絲杠副臨界壓縮載荷FC的校驗（驗算壓桿穩(wěn)定性） 式中： d2滾珠絲杠螺紋底徑(mm)； Lc1滾珠絲杠副的最大受壓長度(mm)； Fmax滾珠絲杠副承受最大軸向壓縮載荷(N)； K1安全系數(shù)，絲杠水平安裝，K1=1/3；K2支承系數(shù)，支承方式為兩端固定，取K2 =4。3.4.2 滾珠絲杠副極限轉(zhuǎn)速nc的校驗為防止絲杠轉(zhuǎn)速接近其固定振動頻率時發(fā)生共振，需對絲杠極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行校驗。 式中： nc極限轉(zhuǎn)速(r/min)； Lc2臨界轉(zhuǎn)速計算長

18、度(mm)； E楊氏彈性模量； 材料密度； I絲杠的最小慣性矩； A絲杠的最小橫截面積； K1安全系數(shù)，取0.8； f支承系數(shù)，取21.9； 支承系數(shù)，取4.730。3.4.3 Dn值校驗 式中： DPW滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑(mm)； nmax滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速(r/min)。所以 ，符合要求。3.4.4 基本軸向額定靜載荷Coa驗算 式中： Coa滾珠絲杠副的基本軸向額定靜載荷(N)；fs靜態(tài)安全系數(shù)。一般載荷：fs=12，有沖擊或振動的載荷：fs=23；Famax最大軸向載荷(N)。經(jīng)校核，該滾珠絲杠副符合要求。3.5 軸承的選擇及校核3.5.1 初選軸承型號根據(jù)實際工作條件，選擇的軸承

19、型號為36304GB292-83，主要性能參數(shù)如表（4）所示。表3.2 軸承的性能參數(shù)性能參數(shù)36304GB292-83額定動載荷C(kN)14.32額定靜載荷C0(kN)9.81極限轉(zhuǎn)速（油潤滑）（r/min）170003.5.2 計算內(nèi)部軸向力S 式中： e負(fù)荷影響系數(shù)； Fr軸承所受的徑向力(N)。因為絲杠傳遞運動，滾動導(dǎo)軌承載，所以軸承徑向只承受絲杠給予的重力，非常小忽略不計，故內(nèi)部軸向力S可計為0。3.5.3 計算軸承的最大軸向載荷Fa3.5.4 計算當(dāng)量動載荷P和當(dāng)量靜載荷P0，所以選取e=0.43，Y=1.26；3.5.5 壽命L10h計算 式中： L10h滾動軸承的基本額定壽命(h)； C軸承的額定動載荷(kN)； P當(dāng)量動載荷(N)； 壽命指數(shù)：球軸承取3； n軸承轉(zhuǎn)速，取正常切削時轉(zhuǎn)速，n=200r/min。3.5.6 靜載荷校核 式中： C0額定靜載荷(kN)； S0安全系數(shù)，取S0=2； P0當(dāng)量靜載荷(N)。3.5.7 動載荷校核 式中： C軸承的額定動載荷(kN)；L10h滾動軸承的基本額定壽命(h)； n軸承轉(zhuǎn)速，取正常切削時轉(zhuǎn)速，