經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì),經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控車床,進(jìn)給,伺服系統(tǒng),設(shè)計(jì) 第 三 章 機(jī) 械 部 分 設(shè) 計(jì) 第三章 機(jī) 械 部 分 設(shè) 計(jì) 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動(dòng)絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動(dòng)刀架左右移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任一端。對(duì)車床改造來說外觀不必項(xiàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的那么高，而從改造方便，使用方面來考慮。一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向絲杠的右端。 2、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，已知條件： 加工最大直徑：在床面上 ?400mm 在床鞍上: ?210mm 最大加工長(zhǎng)度： 1000mm 溜板及刀架重力： 縱向 800N 刀架快速速度： 縱向 2.4 mm/min 最大進(jìn)給速度： 縱向 0.6mm/min 主電機(jī)功率 7.5kw 啟動(dòng)加速時(shí)間 30ms 機(jī)床定位精度 0.015mm 此機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量選擇： 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005 mm/step （半徑） 3.1計(jì)算切削力 縱車外圓 主切削力F（N）按經(jīng)驗(yàn)公式估算： F=0.67D=0.67×400=5360 車窗創(chuàng)身上加工最大直徑，單位為mm 按切削力各分力比例： F：F：F=1：0.25：0.4 F=5360×0.25=1340 F=5360×0.4=2144 F——走刀方向的切削分力（N）； F——垂直走刀方向的切削分力（N）。 3.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠副傳動(dòng)低效率高，摩擦損失小；啟動(dòng)力矩小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高，同步性好，磨損小，使用壽命長(zhǎng)，精度保持型好等優(yōu)點(diǎn)。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中，廣泛采用滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 縱向進(jìn)給絲杠設(shè)計(jì)如下： 1.計(jì)算進(jìn)給率引力F(N) 縱向進(jìn)給為綜合性導(dǎo)軌F=K+f(+G) =1.15×1340+0.16(5360+800)=2530（N） 式中 K-----考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌為1.15; f----滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15～0.18 G------溜板及刀架重力 ：800N 2.計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載c c=f F L= n= ---滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為6mm； —最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的，此處為0.6m/min; T—使用壽命，按15000h; —運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 =1.2～1.5； L—壽命，以轉(zhuǎn)為1單位。 n===50r/min L===45 c=fF==10798.7N 3、滾珠絲杠螺母副的選型 查閱系列外循環(huán)滾珠絲杠副系列尺寸，可選用 4006外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為16400N。等級(jí)精度選為3級(jí)。 4、傳動(dòng)效率計(jì)算 式中—螺旋升角 —摩擦角取10‘ 滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003～0.004 5、剛度驗(yàn)算 （1）先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖。最大牽引力為2530N。支撐間距L=1500mm絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。 查滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖，根據(jù)P=2530N,D=40mm，查出=1.3×10 =×L=1.3×10×1500=1.95×10(mm) 由于兩端采用推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了與拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實(shí)際變形量δ（mm）為 δ= ×δ=×1.95×10=0.4875×10(mm) (2)滾珠絲杠與螺紋滾道之間接觸變形 查w系列2.5圈1列滾珠絲杠副滾珠和螺紋滾道接觸變形圖，得變形量，因進(jìn)行了預(yù)緊 ==×6.4=3.2μm (3)支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 采用51106型推力球軸承，d=30mm,滾動(dòng)體直徑d=8mm,滾動(dòng)體數(shù)量z=8 =0.0024=0.0024=0.012 公式中F單位未kgf 因施加預(yù)緊力，故==0.006 根據(jù)以上計(jì)算： δ=δ++=0.0045+0.0032+0.006=0.0137mm<定位精度 6．穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端推力球軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需作穩(wěn)定性校核。 名 稱 符 號(hào) wL4006 螺 紋 滾 道 公稱直徑 d 40 導(dǎo)程 L 6 接觸角 β 2 鋼球直徑 d 3.969 滾道法面直徑 R R=0.52 d 2.064 偏心距 e e=(R-)sinβ 0.056 螺紋升角 γ γ=arctg 2 螺 桿 螺桿外徑 d d=d-(0.2~0.5) d 39 螺桿內(nèi)經(jīng) d d= d+2e-2R 35.984 螺桿接觸直徑 d d= d- dcosβ 36.0355 螺 母 螺母螺紋直徑 D D= d-2e+2R 44.016 螺母內(nèi)經(jīng) D D1= d+(0.2~0.5) d 40.7938 3.3齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 在伺服系統(tǒng)中起間隙主要來自驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)鏈，它主要有組成傳動(dòng)鏈的齒輪、絲杠螺母副以及支撐用的軸承制織造與裝配誤差所產(chǎn)生。絲杠螺母副采用雙螺母預(yù)進(jìn)來消除部分間隙，齒輪傳動(dòng)采用雙片齒輪傳動(dòng)來消除間隙。 1、縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01mm/step，滾珠絲杠導(dǎo)程L=6mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角0.75?？捎?jì)算出傳動(dòng)比i: i===0.8 2、可選定齒輪齒數(shù)為： i= z=32 ,=40或z=20 ,=25 齒輪參數(shù)表： 齒數(shù) 32 40 20 25 齒頂圓直徑 68 84 44 54 分度圓直徑 64 80 40 50 齒根圓直徑 59 75 35 45 齒寬 12 12 12 12 經(jīng)過綜合考慮，選第一組數(shù)據(jù)。 3.4步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 步進(jìn)電機(jī)的選擇原則：首先必須保證步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。所以應(yīng)先計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并使所選電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有一定余量，以保證可靠運(yùn)行。 其次應(yīng)使步進(jìn)電機(jī)的步矩角與機(jī)械系統(tǒng)匹配，已得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。 最后應(yīng)使被選電機(jī)能與機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載慣量及機(jī)床要球的啟動(dòng)頻率相匹配，并有一定余量，還應(yīng)使其最高工作頻率能滿足機(jī)床移動(dòng)部件快速移動(dòng)的要求 1． 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的傳動(dòng)慣量J (kg.cm) 可由下列計(jì)算： J=++()[（+）+] 式中 -----步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg.cm)； 、------齒輪z,的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg.cm)； ------滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg.cm)。 參考同類型機(jī)床，初選反映式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=10 kg.cm ==0.78×10×=2.62 kg.cm ==6.39 kg.cm ==29.952 kg.cm G=800N 代入上式 J=++()[（+）+] =10+2.62+[（6.39+29.952）+] =36.355 kg.cm 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題， / J=10/36.355=0.275 基本滿足慣量匹配的要求。 2． 電機(jī)力矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面分別按各階段計(jì)算： （1） 快速空載起動(dòng)力矩 在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： M=++ ==×= 將前面的數(shù)據(jù)代入，式中各符號(hào)意義同前。 ==500r/min 起動(dòng)加速時(shí)間=30ms ==30.66×=534.85N.cm 折核算到電機(jī)軸上的摩擦力矩： 當(dāng)η=0.8，f=0.16時(shí) ==94N.cm 附加摩擦力矩 = ==805.3×0.19=153N.cm ------滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷，一般取 ------滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取0.9 上述三項(xiàng)合計(jì)： M=++ =634.5+94+153=881.5 （2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 =+=94+153=247N.cm （3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 =++=++ =94+153+127.96 =374.96N.cm 從上面計(jì)算可以看出，M、、三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以西向作為初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。 由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩關(guān)系查出 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)，=0.951 最大靜轉(zhuǎn)矩=/λ=782/0.951=822.3N.cm 按此最大靜轉(zhuǎn)矩從表《國(guó)產(chǎn)BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)》查出150BF的最大靜轉(zhuǎn)矩=13.72N.cm，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩?？勺鳛槌踹x型號(hào)，但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 3．計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 =4000HZ =1000HZ 查出150BF002型步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率為2800HZ，運(yùn)行頻率為8000HZ，在從圖起動(dòng)頻矩頻率特性看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，=2500HZ時(shí)，M=100N.cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩822.3N.cm，直接使用 則會(huì)產(chǎn)生時(shí)步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件控制），將起動(dòng)頻率降到1000HZ，起動(dòng)力矩可增高到588.4N.cm,然后在電路上采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。 - 15 -