數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計

1、-第一章、數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)概述數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般構(gòu)造如圖圖1-1所示： 圖1-1數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)伺服由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡一樣，但通常可概括為以下幾方面：可逆運(yùn)行；速度圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。1.1、伺服系統(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)矩波動要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時，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)分鐘過載4-6倍而不損壞。3為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的

2、轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在0.2s以從靜止啟動到額定轉(zhuǎn)速。4電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)。隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的開展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開場采用高速、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)反響全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字PID，使用靈活，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。數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車床區(qū)別于普通車床的一個特

3、殊局部。1.2、伺服系統(tǒng)的分類    數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動控制單元、驅(qū)動元件、機(jī)械傳動部件、執(zhí)行件和檢測反響環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動控制單元和驅(qū)動元件組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)。機(jī)械傳動部件和執(zhí)行元件組成機(jī)械傳動系統(tǒng)。檢測元件與反響電路組成檢測系統(tǒng)。    進(jìn)給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制方式通常是具有位置反響的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測裝置所在位置的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機(jī)軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環(huán)，后者則完全置機(jī)械傳動部件于位置環(huán)之外。

4、全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機(jī)械傳動部件整個被包括在位置環(huán)之。    開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它構(gòu)造簡單、工作可靠、造價低廉。由于影響定位精度的機(jī)械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。     全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機(jī)械傳動部件在控制環(huán)，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動裝置的構(gòu)造和參數(shù)，而且還與機(jī)械傳動部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關(guān)系，故必須對機(jī)電部件的構(gòu)造參數(shù)進(jìn)展綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對機(jī)床的要求比較高，且造價也較昂貴。閉環(huán)

5、系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干預(yù)儀等。    數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。交流伺服電機(jī)由于具有可靠性高、根本上不需要維護(hù)和造價低等特點(diǎn)而被廣泛采用。直流伺服電動機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其本錢高，故障多，維護(hù)困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時機(jī)械換向器的換向能力，限制了電動機(jī)的容量和速度。電動機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動機(jī)效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。交流伺服已占據(jù)

6、了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的開展而不斷完善，具體表達(dá)在三個方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向開展，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。1.3、主要設(shè)計任務(wù)參數(shù) 車床控制精度：0.01mm即為脈沖當(dāng)量；最大進(jìn)給速度：Vma*=5m/min。 最大加工直徑為Dma*=400mm，工作臺及刀架重：110；最大軸 ，向力=160；導(dǎo)軌靜摩擦系數(shù)=0.2；行程=1280mm；步進(jìn)電機(jī)：110BF003；步距角：0.75°；電

7、機(jī)轉(zhuǎn)動慣量：J=1.8×10-2 .m2。第二章、數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)傳動的方案設(shè)計 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動對位置精度、快速響應(yīng)特性、調(diào)速圍等有較高的要求。實現(xiàn)進(jìn)給驅(qū)動的電機(jī)主要有三種：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。目前，步進(jìn)電機(jī)只適應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，直流伺服電機(jī)在我國正廣泛使用，交流伺服電機(jī)作為比較理想的驅(qū)動元件已成為開展趨勢。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)當(dāng)采用不同的驅(qū)動元件時，其進(jìn)給機(jī)構(gòu)可能會有所不同。電機(jī)與絲杠間的聯(lián)接主要有三種形式，如圖2-1所示。2.1、帶有齒輪傳動的進(jìn)給運(yùn)動數(shù)控機(jī)床在機(jī)械進(jìn)給裝置中一般采用齒輪傳動副來到達(dá)一定的降速比要求，如圖2-1a所示。由于齒輪在制造中不可

8、能到達(dá)理想齒面要求，總存在著一定的齒側(cè)間隙才能正常工作，但齒側(cè)間隙會造成進(jìn)給系統(tǒng)的反向失動量，對閉環(huán)系統(tǒng)來說，齒側(cè)間隙會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪傳動副常采用消除措施來盡量減小齒輪側(cè)隙。但這種聯(lián)接形式的機(jī)械構(gòu)造比較復(fù)雜。圖21 電機(jī)與絲杠間的聯(lián)接形式2.2、經(jīng)同步帶輪傳動的進(jìn)給運(yùn)動如圖2-1b所示，這種聯(lián)接形式的機(jī)械構(gòu)造比較簡單。同步帶傳動綜合了帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點(diǎn)，可以防止齒輪傳動時引起的振動和噪聲，但只能適于低扭矩特性要求的場所。安裝時中心距要求嚴(yán)格，且同步帶與帶輪的制造工藝復(fù)雜。2.3、電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與絲杠聯(lián)接 如圖2-1c所示，此構(gòu)造通常是電機(jī)軸與絲杠之間采用錐環(huán)無鍵聯(lián)接或高精度

9、十字聯(lián)軸器聯(lián)接，從而使進(jìn)給傳動系統(tǒng)具有較高的傳動精度和傳動剛度，并大大簡化了機(jī)械構(gòu)造。在加工中心和精度較高的數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動中，普遍采用這種聯(lián)接形式。 根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)的要求及設(shè)計要求，選擇帶有齒輪傳動的進(jìn)給運(yùn)動，選用最正確降速比，可以提高機(jī)床的分辨率，并使系統(tǒng)折算到驅(qū)動軸上的慣量減少；盡量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差，提高位移精度等。第三章、運(yùn)動設(shè)計 3.1、降速比計算功率步進(jìn)電動機(jī)型號為110BF003，其主要技術(shù)參數(shù)為最大靜轉(zhuǎn)矩為7.84,步距角0.75°,電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量：J=1.8×10-2 .m2；快速空載啟動時電動機(jī)轉(zhuǎn)速。進(jìn)給傳動鏈的脈沖當(dāng)量.選滾珠絲杠的螺距為1

10、2mm.由 31 式中 步進(jìn)電動機(jī)的步距角脈沖當(dāng)量，mm S 絲杠螺距, mm3.2、減速齒輪確實定 選擇一級減速器，選齒輪，模數(shù)，齒寬。選擇斜齒輪調(diào)隙，齒輪的參數(shù)如表31。31齒輪參數(shù)表法向模數(shù)2齒數(shù)20齒形角齒頂高系數(shù)螺旋角15o徑向變位系數(shù)0精度等級配對齒輪圖號齒數(shù)50公差組檢驗工程代號極限偏差值10.09020.01630.01340.016第四章、絲杠螺母機(jī)構(gòu)的選擇與計算條件：工作臺及刀架重：110,所以重量為最大行程：1280mm，失動量：，工作臺最高速度： 查表選擇絲桿預(yù)期壽命： 小時 ， 摩擦系數(shù)。則導(dǎo)軌的靜摩擦力FO。41最大軸向負(fù)載4.1、動載強(qiáng)度計算 當(dāng)轉(zhuǎn)速時，滾珠絲杠；

11、螺母的主要破壞形式是工作外表的疲勞點(diǎn)蝕，因此要進(jìn)展動載強(qiáng)度計算，其計算動載荷應(yīng)小于或等于滾珠絲桿螺母副的額定動負(fù)荷，即 42) 式中 動載荷系數(shù)，見表3 1;硬度影響系數(shù)，見表3-2;當(dāng)量動負(fù)荷，N;滾珠絲杠；螺母副的額定動負(fù)荷，N；壽命，以r為一個單位。 (43) 式中 T使用壽命，h；按設(shè)計機(jī)床要求取T=15000h N循環(huán)次數(shù)：滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速，r/min。 (44 代入上式得 45表4-1 動載荷系數(shù)載荷性質(zhì)載荷性質(zhì)平穩(wěn)輕微沖擊較大沖擊和振動中等沖擊表4-2 硬度影響系數(shù)、硬度5552.55047.545401.01.111.351.561.922.403.851.01.111.40

12、1.672.102.644.50當(dāng)工作載荷單調(diào)連續(xù)或周期行單調(diào)連續(xù)變化時，則 46式中 最大和最小工作載荷，N。查表41 42取=1.5 =1.56代入上式得 47 4.2、靜強(qiáng)度計算 當(dāng)轉(zhuǎn)速時，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式為滾珠接觸面上產(chǎn)生較大的塑性變形，影響正常工作。因此，應(yīng)進(jìn)展靜強(qiáng)度計算，最大計算靜載荷為 110 式中 硬度硬度影響系數(shù)，見表52；取=1.67.滾珠絲杠螺母副的額定靜負(fù)荷，N。代入得48根據(jù)計算額定動負(fù)載荷和額定靜負(fù)荷初選滾珠絲杠副型號為。其根本參數(shù)為公稱直徑，導(dǎo)程，滾珠直徑。額定動負(fù)荷，額定靜負(fù)荷。動載荷與靜載荷載均滿足要求。4.3、臨界轉(zhuǎn)速校核對于高速長絲杠有可能發(fā)生共

13、振，需要算其臨界轉(zhuǎn)速，不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界 轉(zhuǎn)速 49 410 式中 臨界轉(zhuǎn)速計算長度，m；絲杠支撐方式系數(shù)。兩端固定時， 代入數(shù)據(jù)得 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其最大速度，故臨界轉(zhuǎn)速滿足。4.4、額定壽命的校核滾珠絲杠的額定動載荷，其軸向載荷，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，則有 411 412滾珠絲杠螺母副的總工作壽命，故滿足要求。第五章、動力計算5.1、傳動件轉(zhuǎn)動慣量的計算 5.11、小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 51 式中 齒輪分度圓直徑，mm，； 52齒輪寬度，mm。 5.12、大齒輪轉(zhuǎn)動慣量 53 式中 齒輪分度圓直徑，mm 54 5.13、計算工作臺的轉(zhuǎn)動慣量JW55) 式中 W工作臺包括工件的質(zhì)量，

14、kg； S絲杠螺距，mm。 5.14、計算絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js (56式中L支撐距，mm。5.15、負(fù)載折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為： 575.2、電動機(jī)力矩的計算 5.2.1、計算加速力矩Ma58 5.2.2、計算摩擦力矩Mf59式中 傳動鏈總效率，取=0.8。 5.2.3、計算附加摩擦力矩 510 式中 傳動鏈總效率，取=0.8；滾珠絲杠未預(yù)緊時的效率，取=0.9。 5.2.4、空載啟動時電動機(jī)所需力矩：511 因此，選用7.84的步進(jìn)電機(jī)滿足要求。第六章、絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動剛度計算滾珠絲杠一段軸向支撐，絲杠的最小拉壓剛度和最大拉壓剛度分別為：61)(62式中 E彈性模量。按近似估算，將絲杠

15、本身的拉壓剛度乘以1/3，作為傳動的綜合拉壓剛度，即：6364反向死區(qū)誤差計算65 所以能滿足單脈沖進(jìn)給的要求。計算由于傳動剛度的變化的定位誤差，應(yīng)使66 滿足由于傳動剛度變化引起的定位誤差小于機(jī)床定位精度的要求。第七章、構(gòu)造設(shè)計7.1、滾珠絲杠的支承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有：一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短絲杠和垂直進(jìn)給絲杠；一端固定一端浮動的方式，常用于較長的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的絲杠，這種配置方式可對絲桿進(jìn)展預(yù)拉伸。因此

16、在此課題中采用兩端固定的方式，以實現(xiàn)高剛度、高精度以及對絲杠進(jìn)展拉伸。絲杠中常用的滾動軸承有以下兩種：滾針推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60°角接觸軸承，在這兩種軸承中，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)展組合，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。60°角接觸軸承的組合配置形式有面對面的組合、背靠背組合、同向組合、一對同向與左邊一個面對面組合。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，又由于面對面組合方式，兩接觸線與軸線交點(diǎn)間的距離比背對背時小，實現(xiàn)自動調(diào)整較易。因此在進(jìn)

17、給傳動中面對面組合用得較多。在此設(shè)計中采用了以面對面配對組合的60°角接觸軸承，以容易實現(xiàn)自動調(diào)整。滾珠絲杠工作時要發(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)拉伸的構(gòu)造，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。 7.2、滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置，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，接觸剛度與接觸外表預(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?。划?dāng)滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)時，螺母不會立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動精度。因此

18、，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構(gòu)造，如圖71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71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)整兩個螺母之間的軸向位置，使兩個螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個不同的側(cè)面接觸，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，以到達(dá)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螺母之間的軸向距離，實現(xiàn)軸向間隙消除和

19、預(yù)緊。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、剛度高、可靠性好。7.3、主要構(gòu)造性能及特點(diǎn)的分析在本設(shè)計的進(jìn)給系統(tǒng)中的主要構(gòu)造零件是滾珠螺母絲杠，以下簡要介紹其傳動的形式及主要主要特點(diǎn)。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進(jìn)一步延伸開展。滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動體的螺旋傳動元件。滾珠絲杠副有多種構(gòu)造型式。按滾珠循環(huán)方式分為外循環(huán)和循環(huán)兩大類。外循環(huán)回珠器用插管式的較多，循環(huán)回珠器用腰形槽嵌塊式的較多。按螺紋軌道的截面形狀分為單圓弧和雙圓弧兩種截形。由于雙圓弧截形軸向剛度大于單圓弧截形，因此目前普遍采用雙圓弧截形的絲杠。按預(yù)加負(fù)載形式分，可分為單螺母無預(yù)緊、單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊、單螺母加大鋼球徑向預(yù)緊、雙螺母墊片預(yù)緊、雙螺母差齒預(yù)緊、雙螺母螺紋預(yù)緊。數(shù)控機(jī)床上常用雙螺母墊片式預(yù)緊，其預(yù)緊力一般為軸向載荷的1/3。滾珠絲杠副與滑動絲杠螺母副比較有很多優(yōu)點(diǎn)：傳動效率高、靈敏度高、傳動平穩(wěn)：磨損小、壽命長；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等。第八章、總結(jié)與體會 經(jīng)過為期兩周的奮戰(zhàn)我的?數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計?課程設(shè)計終于完成了。雖然比較辛苦但是獲益也良多。課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的