數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

0伺服傳動(dòng)的設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床客服系統(tǒng)是連接到控制系統(tǒng)和機(jī)械零件的環(huán)節(jié)。它是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制裝置，具有運(yùn)動(dòng)期間的位置和速度。在數(shù)控機(jī)床中,數(shù)控系統(tǒng)決定數(shù)控機(jī)床的功能和可靠性,而伺服系統(tǒng)決定了數(shù)控機(jī)床的精度和質(zhì)量。設(shè)計(jì)一種高性能的伺服系統(tǒng),對(duì)數(shù)控機(jī)床有著十分重要的意義。數(shù)控機(jī)床伺服傳動(dòng)系統(tǒng)是系統(tǒng)和機(jī)床的中間環(huán)節(jié),其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇將影響到工件的精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。文章中采用伺服電機(jī)-變速齒輪-工作臺(tái)的伺服傳動(dòng)系統(tǒng),在機(jī)械設(shè)計(jì)中齒輪傳動(dòng)應(yīng)用十分廣泛。但它的設(shè)計(jì)過程較為繁雜,所覆蓋的參數(shù)廣,給設(shè)計(jì)者帶了很多的不便。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD/CAM)的發(fā)展,本文用CAD技術(shù)來對(duì)變速齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。1數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床是一種高精度的機(jī)械加工設(shè)備,其伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)控制單元、驅(qū)動(dòng)元件、機(jī)械傳動(dòng)部件、執(zhí)行元件和檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動(dòng)控制單元和驅(qū)動(dòng)元件組成伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);機(jī)械傳動(dòng)部件和執(zhí)行元件組成機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng);檢測(cè)元件與反饋電路組成檢測(cè)裝置系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是以指令脈沖為輸入給定值與輸出被調(diào)量進(jìn)行比較而產(chǎn)生反饋信號(hào),利用產(chǎn)生的反饋信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),從而消除偏差,使被調(diào)量跟蹤給定值。所以,伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)來源于反饋信號(hào),必須具有負(fù)反饋回路,并且始終處于過渡過程狀態(tài)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)工作原理:數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)按其工作原理不同,可分為主軸伺服系統(tǒng)(主軸驅(qū)動(dòng)的切削運(yùn)動(dòng),以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主)和進(jìn)給伺服系統(tǒng)(控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng))。機(jī)床主軸主傳動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),傳遞切削力,伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩大類,數(shù)控機(jī)床要求主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠在很寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào),并且穩(wěn)定可靠。當(dāng)機(jī)床有螺紋加工功能、C軸功能、準(zhǔn)停功能和恒線速度加工時(shí),主軸電動(dòng)機(jī)需要裝配檢測(cè)元件,對(duì)主軸速度和位置進(jìn)行控制。主軸驅(qū)動(dòng)變速目前主要有3種形式:一是帶有變速齒輪傳動(dòng)方式,可實(shí)現(xiàn)分段無級(jí)調(diào)速,擴(kuò)大輸出轉(zhuǎn)矩,滿足強(qiáng)力切削要求的轉(zhuǎn)矩;二是通過帶傳動(dòng)方式,可避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的震動(dòng)與噪聲,適用于低轉(zhuǎn)矩特性要求的小型機(jī)床;三是由調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式,主軸傳動(dòng)部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,緊湊,這種方式主軸輸入的轉(zhuǎn)矩小。本文主要對(duì)第一種方式中的變速齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)和探討。2pro/e控制系統(tǒng)齒輪傳動(dòng)是一種重要的傳動(dòng)形式,廣泛應(yīng)用機(jī)械制造各個(gè)領(lǐng)域。傳動(dòng)設(shè)計(jì)本身是一個(gè)復(fù)雜的問題,其它體積、重量、承載能力主要由傳動(dòng)參數(shù)確定。為了使在實(shí)際設(shè)計(jì)中各參數(shù)達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì),必須采用一種高效、方便的設(shè)計(jì)方法。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)用的普及,為提高設(shè)計(jì)效率,文章就利用Pro/E進(jìn)行齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。Pro/E是一款功能強(qiáng)大的三維CAD軟件,采用參數(shù)優(yōu)化、基于特征的三維實(shí)體造型系統(tǒng),其參數(shù)化特征造型在保證幾何、拓?fù)潢P(guān)系不變的情況下,以單一全關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)模型的快速再生;其二次開發(fā)接口使用戶可以在自己開發(fā)的程序中,對(duì)零件進(jìn)行各種操作和控制,從而實(shí)現(xiàn)程序化設(shè)計(jì)。2.1齒輪的傳動(dòng)齒輪的種類有很多,根據(jù)軸向和位置關(guān)系可以分為下面3類:平行軸類,交叉軸類,偏移軸類。平行軸類有如下幾種:1)正齒輪:其齒筋平行于軸心的直線圓筒齒輪。2)齒條輪:與正齒輪咬合的直線條狀齒輪,可以認(rèn)為是齒輪的節(jié)距大小變成無限大的情況。3)內(nèi)齒輪:與正齒輪咬合的直線圓筒內(nèi)側(cè)齒輪。4)螺旋齒輪:齒筋成螺旋線的圓筒齒輪。5)斜齒齒輪:與螺旋齒輪咬合的直線齒輪。6)雙螺旋齒輪:左右旋齒筋形成的螺旋齒輪。交叉軸類有如下幾種:1)直齒傘形齒輪:齒筋與節(jié)圓錐的母線一致的傘形齒輪。2)彎齒傘形齒輪:齒筋具有螺旋角的彎曲線的傘形齒輪。3)零螺旋彎齒傘形齒輪:螺旋角是零之彎齒傘形齒輪。偏移軸類有如下幾種:1)圓筒蝸輪齒輪:圓筒蝸輪齒輪是蝸桿和齒輪的總稱。2)錯(cuò)交螺旋齒輪:它是一種圓筒形螺旋齒輪,其需要利用錯(cuò)交軸之間的傳動(dòng)。3)面齒輪:能夠與正齒輪或者螺旋齒輪咬合的圓盤形面齒輪。4)鼓形蝸輪齒輪:凹鼓形蝸桿及與其咬合的齒輪的總稱。2.2齒輪傳動(dòng)的機(jī)械測(cè)量在齒輪設(shè)計(jì)中,主要考慮的問題包括基本參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算、嚙合原理及嚙合特點(diǎn);另外,承載能力設(shè)計(jì)主要包括設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則、齒輪失效、力分析和強(qiáng)度計(jì)算等內(nèi)容。1)了解齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)、應(yīng)用及類型。2)理解齒廓嚙合基本定律以及漸開線齒廓的形成及其性質(zhì),掌握漸開線齒輪的基本參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)齒輪的幾何計(jì)算,還有切齒原理、標(biāo)準(zhǔn)齒輪和變位齒輪的特點(diǎn)及其變位齒輪的尺寸變化。3)了解齒輪精度選擇的方法和實(shí)效形式的特點(diǎn)、生成特點(diǎn)以及減輕損傷機(jī)制,掌握齒輪的材料選擇要求、鋼材材料選用及其熱處理特點(diǎn)。4)做好齒輪傳動(dòng)的受力分析,了解在平行軸斜齒輪軸向力的大小和方向的確定,直齒錐齒傳動(dòng)軸向力和徑向力的關(guān)系,載荷修正系數(shù)的意義及其影響因素,以及減小其影響的方法。5)掌握齒輪的形式、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),能夠繪出齒輪的零件結(jié)構(gòu)圖,以及齒輪傳動(dòng)潤(rùn)滑油種類、粘度及潤(rùn)滑方式的選擇。2.3參數(shù)的添加齒輪精確的三維模型是齒輪零件設(shè)計(jì)加工的基礎(chǔ)。在Pro/E環(huán)境下,可以實(shí)現(xiàn)齒輪輪齒的輪廓設(shè)計(jì),進(jìn)入Pro/E零件設(shè)計(jì)界面,在工具/參數(shù)的選項(xiàng)中,進(jìn)入?yún)?shù)對(duì)話框,將齒輪的各參數(shù)添加到參數(shù)列表框。具體有:齒數(shù)K,齒輪模數(shù)M,壓力角β,螺旋角γ,齒頂高度系數(shù)Hx,頂系數(shù)CX,變位系數(shù)X,齒輪寬度B。以上參數(shù)均要輸入所需設(shè)計(jì)的齒輪參數(shù)數(shù)值,對(duì)于齒輪頂高HA,齒根高HF,分度圓直徑D,基圓直徑DB,齒頂圓直徑DA,齒根圓直徑DF等這些參數(shù)不需要輸入任何數(shù)值,可根據(jù)齒輪基本幾何參數(shù)來確定關(guān)系式計(jì)算。2.4齒輪的設(shè)計(jì)程序構(gòu)造,主要特點(diǎn)有Pro/Program是Pro/E軟件提供的一種程序化的二次開發(fā)工具。使用Pro/Program軟件可以直接生成設(shè)計(jì)元件的三維實(shí)體圖像,Program模塊應(yīng)用是自動(dòng)化零件設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作,工程師可以很方便地使用一種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言來控制尺寸的大小、特征的出現(xiàn)與否、零件的出現(xiàn)與否、零件的個(gè)數(shù)等。當(dāng)零件的Program設(shè)計(jì)完成后,以后讀取此零件時(shí),就可以使用非常簡(jiǎn)單的方式便得到它不同的形狀和各種變化情況,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。使用Pro/E軟件很難直接生成齒輪模型,即使在Pro/E中生成的齒輪。如果模數(shù)、齒數(shù)和變位系數(shù)發(fā)生變化,需要精心復(fù)雜地設(shè)計(jì)計(jì)算和造型分析,此時(shí)的工作量十分龐大。文章就基本變速齒輪的生成原理,結(jié)合Program程序,編制變速齒輪實(shí)體造型的設(shè)計(jì)程序,用戶在輸入相應(yīng)的齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)就可以快速地生成齒輪實(shí)體圖形。齒輪設(shè)計(jì)中基本參數(shù)包括:齒數(shù)K1、K2,模數(shù)m,壓力角β,齒頂高系數(shù)hk,和頂隙系數(shù)c,齒寬系數(shù)B0。齒輪傳動(dòng)時(shí)間根據(jù)傳遞轉(zhuǎn)速、功率和傳動(dòng)比來設(shè)置這6個(gè)系數(shù)。通過Sweep特征來設(shè)計(jì)齒形的漸開線,但是,齒輪槽的行政和齒輪模數(shù)、齒數(shù)、變?yōu)橄禂?shù)和壓力角有關(guān),其中內(nèi)齒輪齒根圓的半徑大于漸開線的基圓半徑,而外齒輪齒根圓的半徑小于漸開線的基圓半徑,齒輪在齒合時(shí)只在漸開線部分,這是因?yàn)橥恺X輪在設(shè)計(jì)時(shí)可在基圓以下部分與漸開線相切的直線來間接根圓,而內(nèi)齒輪則無需加相切線,只需要漸開線的一部分即可。在Pro/E軟件無法在零件設(shè)計(jì)模式下調(diào)用不同零件,但是在裝配模式下可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)用功能。首先在asm下新建一個(gè)文件,然后把坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)為mmns,將內(nèi)、外齒輪的造型按照基準(zhǔn)缺省的模式組裝起來,這樣就把兩種不同的齒輪組合在一起,再通過Program編程判斷齒輪的齒根圓半徑是否大于漸開線的基圓半徑來決定采用內(nèi)齒輪還是外齒輪。若小于則采用內(nèi)齒輪,反之,則采用外齒輪。2.5加特征和程序?qū)＠纳蒔rogram程序設(shè)計(jì)包括5個(gè)部分:參數(shù)輸入、添加特征、關(guān)系定義、質(zhì)量程序、程序標(biāo)題。其中添加特征和程序標(biāo)題由程序自動(dòng)生成,用戶可以對(duì)參數(shù)輸入、關(guān)系定義、質(zhì)量程序根據(jù)齒輪設(shè)計(jì)的實(shí)際情況來進(jìn)行調(diào)整。利用Pro/E軟件提供的二次開發(fā)程序設(shè)計(jì)齒輪后,可以直接生產(chǎn)其零件和部件圖,且利用Pro/E制作的工程圖與實(shí)體模型之間具有完全的相關(guān)性,可以使工程圖與實(shí)體模型保持一致。3變速齒輪傳動(dòng)系數(shù)對(duì)機(jī)床的性能的影響帶變