數控機床進給系統(tǒng)設計

1、1品用0川機械制造裝備設計給系統(tǒng)設計系別：機電工程系專業(yè)：機械設計制造及其自動化班級：082113姓名：許現款學號：021108052指導教師：王艷紅日期：2011-12-13數控機床進給系統(tǒng)設計1總體方案設計1.1對進給伺服系統(tǒng)的基本要求帶有數字調節(jié)的進給驅動系統(tǒng)都屬于伺服系統(tǒng)，進給伺服系統(tǒng)不僅是數控機 床的一個重要組成部分，也是數控機床區(qū)別于一般機床的一個特殊部分。數控機 床對進給伺服系統(tǒng)的性能指標可歸納為：定位精度要高；跟蹤指令信號響應要快； 系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好。1 . 2進給伺服系統(tǒng)的設計要求機床的位置調節(jié)對進給伺服系統(tǒng)提出了很高的要求，其中在靜態(tài)設計方面：(1)能夠克服摩擦力和負載，當

2、加工中最大切削力為20000N30000N時，電機軸上的轉矩需要10N.m40N.m；(2)很小的進給移動量。目前最小分辨率為 0.1 m；(3)高的靜態(tài)扭轉剛度；(4)足夠的調速范圍；(5)進給速度均勻，在速度很低是無爬行現象。在動態(tài)設計方面有：(1)具有足夠的加速和制動裝矩，以便快速的完成啟動和制動；(2)具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質量；(3)負載引起的軌跡誤差盡可能小。對數控機床機械傳動部件則有以下要求：(1)被加速的運動部件具有較高的慣量；(2)高的剛度和良好的阻尼；(3)傳動部件在拉壓剛度、扭轉剛度、摩擦阻尼特性和間隙等方面具有盡可能 小的非線

3、性。1 . 3總體方案進給伺服系統(tǒng)總體方框圖如下圖3.1所示2進給伺服系統(tǒng)機械部分設計進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內容包括：確定脈沖當量，計算切削力, 滾珠絲桿螺母副的設計、計算與選型，齒輪傳動計算，步進電機的計算和選型等。圖3.1進給伺服系統(tǒng)總體方框圖2 . 1確定脈沖當量，計算切削力1 確定系統(tǒng)的脈沖當量脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產生的進給量， 它是衡量數控機 床加工精度的一個重要參數，因此。脈沖當量應根據機床精度的要求來確定。 對 經濟型數控機床來說，常采用脈沖當量為 0.01mm/脈沖0.005mm/脈沖。在 XK5040的主要技術參數中要求橫向、縱向脈沖當量為 0.0

4、1mm。2 切削力計算在進行進給系統(tǒng)的傳動計算，選用步進電機時，都要用到切削力（機床的主要 負載）.（1）銃削抗刀分析銃削運動的特征是主運動為銃刀繞自身軸線高速回轉， 進給運動為工作臺帶 動工件在垂直于銃刀軸線方向緩慢進給（鍵槽銃刀可沿軸線進給） 。銃刀的類型 很多，但以圓柱銃刀和端面銃刀為基本形線。圓柱銃和端面銃刀的切削部分都可看做車刀刀頭的演變，銃刀的每一個齒相當于一把車刀，它的切削基本規(guī)律與車 削相似。通常假定銃削時，銃刀的銃削抗力作用在刀齒上，如下圖 2-6所示：設刀齒 上受到的銃削抗力的合力為F,將F沿銃刀軸線徑向和切向進給分解，則分別為 軸向銃削力Fx和徑向銃削力Fy0切向銃削力F

5、z是沿銃刀主運動方向的分力，它 消耗的銃床主電機功率最多。因此，切向銃削力可以按切削功率 Pm (kw)或主 電機功率Pe ( kw)計算，也可以按切削用量進行計算。Fz 國 103 或 Fz PEdm 103(N) VV式中：V主軸傳遞全部功率時的最低切削速度，m/s；m機床主傳動系統(tǒng)的效率。這里按切削用量進行計算。Fz 9.81 22.6 a；86 a；72 d。0'6 az?Z式中：ae銃削接觸深度，(mm);a f每齒進給量， (mm/齒);d0銃刀直徑， (mm)；ap銃削深度，(mm)；Z銃刀齒數圖3.2銃削力及工作臺上的載荷取ae=2mm, ap=8mm, af=0.1m

6、m/齒,d0 =8mm, Z=4。0.860.72. 0.86-則，Fz 9.81 22.6 aeaf d° ap Z9.81 22.6 20.86 0.10.72 8 0.86 8 4 410.35132N(2)進給工作臺工作載荷的計算作用在進給工彳臺上的合力F '與銃刀刀齒的銃削抗力的余力F大小相同方 向相反，如圖2-6所示，合力F '就是設計和校核工作臺進給系統(tǒng)的時要考慮的 工作載荷，它可以沿著銃床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺的縱向進給方向載荷Fl,工作臺橫向進給方向載荷Fc和工作臺垂直進給方向載荷Fvo工作 臺工作載荷FFc和Fv與銃刀的切向銃削力Fz之

7、間有一定的經驗筆直比值（可 查機電綜合指導表2-1）,因此，求出Fz后，即可計算出工作臺工作載荷F FC和FV。即：Fl/Fz 1.2,Fv/Fz 0.8,Fc/Fz 0.4則：Fl =492.42 N,Fv =328.28 N,FC =164.14 N.2 . 3齒輪傳動比計算為滿足脈沖當量的設計要求和增大轉矩，同時也為了是傳動系統(tǒng)負載慣量盡 可能小，傳動鏈中采用齒輪傳動。已知脈沖當量p （mm/脈沖），滾珠絲杠導程L0 （mm）,并初選步進電機步 距角b后，可以根據下式計算齒輪傳動比：360 pi pb L0式中：p脈沖當量（ mm/step）;L0滾珠絲杠的基本導程（mm）；b步進電機的

8、步距角計算出傳動比i后，再根據降速級數決定采用一對或兩對齒輪傳動，再決定 各對齒輪的齒數、模數、和各項技術參數，因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，一 般取模數m 1 : 2,數控車床、銃床取m 2 ,所以這里我們取m 2。1 縱向及橫向進給齒輪傳動比計算已確定縱向及橫向進給脈沖當量p = 0.01mm,滾珠絲杠導程L0=6mm,初選步金電機的步距角b = 0.75°。可以計算出傳動比i為:i 360 p 360 0.01 08bL00.75 6可以選定齒輪齒數為：i乙 40 32Z2,50 40這里縱向取齒數為：40502 垂直進給齒輪傳動比計算，橫向取齒數為：32 o40由于XK504

9、0垂直方向的進給運動是有步進電機驅動， 經圓錐齒輪帶動滾珠絲杠傳動。這里我們取脈沖當量p=0.01mm, Lo =12mm,初選步進電機步距角 b= 0.75° ,則:360 p pb L0360 0.01 0.40.75 12可以選定齒輪齒數為Z1 iZ222 2055,50這里我們確定齒數為:2255垂直方向齒輪模數我們取 m = 3。2.4步進電機的計算和選型1 縱向進給步進電機 (1)初選步進電機a計算步進電機的負載轉矩Tm試中:FmTm36 pFm2 b(N ?cm)脈沖當量(mm/step);進給牽引力(N);步距角，初選雙拍制為0.75° ;電機絲杠的傳動效率

10、，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，分別為 0.98, 0.99, 0.99和 0.94。36 pFm36 0.01 1799.134Tm152.307N ?cm2 b 20.75 0.98 0.99 0.99 0.94b、估算步進電機的起動轉矩Tqc、計算最大靜轉矩Tjmax查表取五相十拍，則d、計算步進電機運行頻率fefk試中:vmaxTm0.3: 0.5152.3070.3507.69 Ngpmj maxTq0.951507.690.951533.85Ngsmfe和最高起動頻率fk1000 vs60 p1000Vmax60 P最大切削進給速度最大快移速度（1000 1.560 0.011000

11、 2.460 0.01(m/min)2500 Hz4000 Hz;這里為 1.5 m/min；m/min), 這里為 2.4 m/min；脈沖當量，取 0.01mm/stepbe、初選步進電機型號根據估算出的最大靜轉距Tj max查得110BF004最大靜轉距為784 Ngcm>Tjmax,可以滿足要求，考慮到此經濟型數控銃床有可能使用較大的切削 用量，應選稍大轉距的步進電機，以便留有一定的余量，另一方面，與國內同類 型機床類比，決定采用130BF001步進電機，查得130BF001步進電機最高空載 起動頻率和運行頻率滿足要求。電機轉距計算機床在不同的工作情況下，其所需要的轉矩不同，下面

12、分別按各階段計算。1 ）、快速空載起動轉距M在快速空載起動階段，加速轉矩占的比例較大，具體計算公式如下：M Mamax Mf M°式中:M 快速空載起動轉矩（Ngcm）；M amax空載起動時折算到電機軸上的加速轉矩 （Ngsm）；折算到電機軸上的摩擦轉矩（Ngsm）;M o由于絲杠預緊時折算到電機軸上附加摩擦轉矩摩擦轉矩Mf星2 iFof （Fz G）Z2 i 一z式中：Fo 導軌摩擦力（N）;Fz垂直方向的切削力（N）;G 運動部件的總重量（N）;f'導軌摩擦系數，取f' 0.2;i齒輪降速比；傳動鏈總效率，一般取0.7: 0.85。(Ngcm) oMfFoLo2

13、 if (Fz G) Lo2 z2 / zio.2(4io.35 4892.16) o.620.8 1.25158.8 Ngcm空載起動時折算到電機軸上的加速轉矩:n2Mamax J21三g詈1060 2 taJ22-max 10 260tanmaxvmaxb360°式中：J w折算到電機軸上的總等效轉動慣量，（kggcm2電機最大角加速度，（rad /s2）;nmax 電機最大轉速，（r / min ）；Vmax運動部件最大快進速度，（mm/ min ）；p脈沖當量，（mm/step）;b 步進電機步距角，（° ）;ta 運動部件從停止起動到加速到最大快進速度所需要的時間

14、,nmaxvmax24000.01075 500r / mln 360起動加速時間ta = 30s。Mamax 八 皿 1060ta2 2500235.2 10600.03614N gsm附加摩擦轉矩M0式中:M°Fpo&i2)Fp0 滾珠絲杠預加負載，一般取1Jm' '為進給牽引力（N）；L0滾珠絲杠導程（cm）；滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取0.9。M0Fp0L0(12)ImL032(Z2 zi)(102)11799.13430.6''M M f M0 Mt式中：Mt折算到電機軸上的切削負載轉矩;折算到電機軸上的切削負載轉矩:MtFL2

15、 i式中：Ft 進給方向的最大切削力（N）;其余符號同上。M'' M f M0 Mt M f M0 t-L2410.35 0.6158.8 10.89208.9Ncpm20.8 1.25從上面的計算可以看出，M , M '和M''三種工作情況下，以快速空載起動轉 矩最大，即以此項作為較核步進電機轉矩的依據。查表知，當步進電機為五相十拍時，MqZ0.951, 則最大靜轉M j max矩為：Mjmax /951 783.6%951 824.1N9cm而130BF001型步進電機最大轉矩為931 Ngcm,大于所需要的最大靜轉矩， 可以滿足此項要求。2.5 進

16、給伺服系統(tǒng)機械部分結構設計進給伺服系統(tǒng)即進給驅動裝置，驅動裝置是指步進電機的旋轉運動邊為工作 臺直線運動的整個傳動鏈，主要包括減速裝置、絲杠螺母副及導向元件等。數控銃床對進給系統(tǒng)的要求主要有：傳動傳動精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響 應特性（靈敏度等）。傳動精度包括動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差，即伺服系 統(tǒng)的輸入量與驅動裝置的實際位移量的精確程度。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在啟動 狀態(tài)下或受外界干擾作用下，經過幾次衰減振蕩后，能迅速地穩(wěn)定在愛新的或呀 的平衡狀態(tài)的能力。動態(tài)響應是系統(tǒng)響應時間及驅動裝置的加速能力。為確保數控銃床進給伺服系統(tǒng)的傳動精度，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應性，對 驅動裝置機械結構的要求是

17、要消除間隙， 減少摩擦，減少運動慣量，提高部件精 度和剛度。1進給伺服系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除數控銃床在加工過程中，經常變動移動方向。當銃床進給方向改變時，由于 齒側存在間隙會造成指令脈沖丟失，并產生反向死區(qū)從而影響加工精度，因此， 不許采取措施消除齒輪傳動中的間隙。(1)縱向及橫向進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除縱向、橫向傳動齒輪間隙的消除采用雙片斜齒輪消除間隙機構，(如下圖3.6),厚齒輪4同時與兩個相同齒數的薄齒輪嚙合，薄齒輪有平鍵與軸聯接， 互相不能相對轉動。兩個薄齒輪的齒形拼裝在一起加工，并與鍵槽保持確定的位 置。調整螺母1 ,即可以靠彈簧2自動消除間隙1-2-彈簧 ？一電動機 4齒輪圖3.

18、6雙片斜齒輪消除間隙機構(2 )、垂直進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除由于垂直進給系統(tǒng)采用圓錐齒輪傳動， 因此可采用周向彈簧調整法(如圖 3.7)。將大圓錐齒輪加工成1和2兩部分，齒輪的外圈1上帶有三個周向圓弧 槽，齒輪的內圈2的端面帶有三個凸爪6套裝在圓弧槽內，彈簧4的兩端分別頂在凸爪6和襄塊3上，使內、外圈錐齒錯位，起到消除間隙的作用。為了安裝方 便，用螺釘5將內、外圈相對固定，安裝完畢后將螺釘卸去。G-G31、2錐窗輪；3彼塊;；4一彈智；E螺釘：小一凸小圖3.7 壓力彈簧消除間隙機構2升降臺自動平衡裝置工作原理及調整升降臺自動平衡裝置的結構如下圖3. 8所示，有摩擦離合器和單向超越離合器構成，其工作原理是：當圓錐齒輪轉動時，通過錐銷帶動單向超越離合器的 星輪2。工作臺上升時，星輪的轉向是使?jié)L子 3和超越離合器的外殼4脫開的方 向，外殼不轉，摩擦片不起作用。當工作臺下降時，星輪的轉向使?jié)L子 3楔在星 輪和超越離合器的外殼4之間，外殼4隨著圓錐齒輪1 一起轉動。經花鍵與外殼 連在一起的內摩擦片與固定的外摩擦片之間產生相對運動，由于內外摩擦片之間由彈簧壓緊，有一定的摩擦阻力，所以起到阻尼的作用，上升擁護下降的力量得 以平衡。圖3 . 8阻尼力量大小即摩擦離合器的松緊， 可由螺母5調整，調整前應先送開螺母 5獲得鎖緊螺釘6。當垂直下降時必須克服這個額外叫是行