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1 摘 要 隨著當(dāng)今工業(yè)設(shè)備對(duì)精密程度的要求越來(lái)越高 加工設(shè)備的機(jī)械加工設(shè)備的加工 的精密程度也要求越來(lái)越高 而在中國(guó)的機(jī)械加工設(shè)備的車床中普通車床占了很大比 例 這已經(jīng)越來(lái)越制約著當(dāng)今工業(yè)的發(fā)展 而數(shù)控機(jī)床由于價(jià)格昂貴 且需要較高技 術(shù)的加工工人 所以對(duì)機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)化改造很是必要 本篇論文是在對(duì)普通臥式車床 C6140 的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化改造 作者在搜索 查閱研究大量有關(guān)資料的基礎(chǔ)上 對(duì)機(jī)床自動(dòng)化改造技術(shù)進(jìn)行了深 入的研究和分析 并描述了機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 整個(gè)改造過(guò)程主要對(duì)車床縱 橫向 進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造 選用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架 由脈沖發(fā)生器來(lái)加工所需要的螺紋 整個(gè)控 制系統(tǒng)以單片機(jī)為中心 通過(guò)編程對(duì)機(jī)床的驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行控制以達(dá)到所需要的加工程 度 關(guān)鍵詞 機(jī)床改造 自動(dòng)化機(jī)床 控制系統(tǒng) 2 ABSTRACT With the development of industry equipment the precision required of industry equipment is more and more high The more and more precision of equipment which machined the industry equipment is required But in China the common lathe have a very great comparison in the machined equipment this already restrict the development of industrial nowadays But the CN lathe is more expensive and needed workers with higher technically So it is a necessity very much to modify the common lathe to lathes automatic This paper is in the foundation of the commonness horizontal lather C6150 and modified it to Lathes automatic The author has performed the further research and for the lathes automatic modification on the basis of the constant consultation of abundant relative documents which focuses on describing the design of control of the machine The main to modify the lathe is to modify the portrait horizontal enter to the system in the Whole modification process and choose the automatic knife rest and be processed the thread need by pulser The whole control system with the CPU of 8031 is to control the machine for center through a plait distance drive tool machine an equipments to carry on control to attain need of process degree Key words Machinery Tool Reform Lathes automatic Servo system 3 目 錄 第 1 章 緒論 1 第 2 章 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及現(xiàn)狀介紹 5 第 3 章 總體方案論證 6 3 1 確定何種傳動(dòng)系統(tǒng) 6 3 2 選擇傳動(dòng)裝置 6 3 3 選擇潤(rùn)滑方式 7 第 4 章 具體設(shè)計(jì)說(shuō)明 8 4 1 伺服電機(jī)型號(hào)選擇 9 4 1 1 進(jìn)給電機(jī)功率的確定 9 4 1 2 伺服電機(jī)型號(hào) 9 4 2 縱向進(jìn)給滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)選擇 10 4 2 1 確定滾珠絲杠的支承方式 11 4 2 2 滾珠絲杠副參數(shù)的確定 12 4 2 3 對(duì)選定的滾珠絲杠副參數(shù)進(jìn)行核算 13 第 5 章 結(jié)論 22 參考文獻(xiàn) 23 附件清單 24 4 1 緒論 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)及進(jìn)給系統(tǒng)的潤(rùn)滑設(shè)計(jì) 主傳動(dòng)系統(tǒng) 縱向 進(jìn)給系統(tǒng) 和 橫向進(jìn)給系統(tǒng) 可稱為車床的三大核心系統(tǒng) 其重要地位更是不言而 喻的 三大系統(tǒng)的精確性 準(zhǔn)確性 必將影響加工產(chǎn)品的性能 為什么我國(guó)的機(jī)械制 造業(yè)與西歐等國(guó)家的制造業(yè)有著很大的差距 這就是因?yàn)槲覀儧](méi)有精良的加工工具或 者是自動(dòng)化系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不及他們 制造業(yè)是關(guān)系到國(guó)際民生的大事 是富民強(qiáng)國(guó)的必 要因素 必須在較短的時(shí)間內(nèi)形成我們獨(dú)立自主的現(xiàn)代化制造體系 隨著時(shí)代的發(fā)展 科技的日新月異 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大 數(shù)控機(jī)床及 其系統(tǒng)己成為現(xiàn)代化機(jī)器制造業(yè)中不可缺少的組成部分 鑒于我國(guó)機(jī)床擁有量大 工 業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小的特點(diǎn) 突出的任務(wù)是用較少的資金迅速改變機(jī)械工業(yè)落后的生產(chǎn)面貌 使之盡可能地提高自動(dòng)化程度 保證加工質(zhì)量 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度 提高經(jīng)濟(jì)效益 而實(shí) 現(xiàn)這一任務(wù)的有效的 基本的途徑就是普及應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控 并對(duì)原有的機(jī)床進(jìn)行數(shù) 控改造 這就是本課題的來(lái)由 前提條件 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑為 400mm 加工最大工作長(zhǎng)度 1000mm 快進(jìn)速度 z 軸 8 m min 定位精度 z 軸 0 04 mm 重復(fù)定位精度 z 軸 0 01 mm 設(shè)計(jì)要求 縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí) 電機(jī)與絲杠采用柔性連接 電機(jī)選用伺服電機(jī)對(duì)電機(jī)的大 小選擇進(jìn)行驗(yàn)證 對(duì)滾珠絲杠直徑及支承形式選擇進(jìn)行強(qiáng)度較核 潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)要做 到潤(rùn)滑充分且達(dá)到各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn) 本課題所設(shè)計(jì)的進(jìn)給系統(tǒng)是針對(duì)經(jīng)濟(jì)型中檔數(shù)控車床的 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功一旦應(yīng) 用到生產(chǎn)實(shí)踐中 將給中小規(guī)模的加工廠輸入新的血液 顯著提高生產(chǎn)力水平 減輕 勞動(dòng)強(qiáng)度 提高經(jīng)濟(jì)效益 根據(jù)自己幾個(gè)月來(lái)的設(shè)計(jì)過(guò)程 編寫(xiě)了這本 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 由于自己的經(jīng)驗(yàn)不足 所學(xué)的知識(shí)有限 書(shū)中肯定存在著相當(dāng)?shù)囊恍﹩?wèn)題 期望領(lǐng)導(dǎo) 老師給予批評(píng) 指正 5 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及現(xiàn)狀介紹 1 自從第一臺(tái)商品數(shù)控機(jī)床問(wèn)世以來(lái) 到 1965 年 世界主要工業(yè)國(guó)家的數(shù)控機(jī)床 己進(jìn)入了大批量生產(chǎn)階段 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量 擁有量 數(shù)控化率都在急速上升 1970 年前美國(guó)處于領(lǐng)先地位 1971 年蘇聯(lián)生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床 2538 臺(tái) 一舉超過(guò)美國(guó) 名列世界 第一 1977 年以前 蘇聯(lián)一直保持產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì) 以后日本的半導(dǎo)體技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)迅 猛發(fā)展 促進(jìn)了數(shù)機(jī)床的生產(chǎn) 1976 年日本數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量是 3300 臺(tái) 1978 年時(shí)為 7300 臺(tái) 1980 年為 22000 臺(tái) 到 1981 年僅用 4 年時(shí)間便超過(guò)了其他各國(guó)而成為世界 上最大的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國(guó) 產(chǎn)量達(dá)到 26000 臺(tái) 基本上兩年翻一番 1981 年 日本 美國(guó) 聯(lián)邦德國(guó) 法國(guó) 英國(guó)五國(guó)的數(shù)控機(jī)床總產(chǎn)量為 39000 臺(tái) 其中日本占 66 2 美國(guó)占 19 8 聯(lián)邦德國(guó)占 8 3 法國(guó)占 2 9 英國(guó)占 2 8 到期 988 年 日本年產(chǎn) 數(shù)控機(jī)床約為 50000 臺(tái) 數(shù)控化率達(dá) 70 我國(guó)從 1958 開(kāi)始研究數(shù)控機(jī)械加工技術(shù) 60 年代針對(duì)壁錐 非圓齒輪等復(fù)雜形狀 的工件研制出了數(shù)控壁錐銑床 數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)等設(shè)備 保證了加工質(zhì)量 減少 了廢品 提高了效率 取得了良好的效果 70 年代針對(duì)航空工業(yè)等加工復(fù)雜形狀零件 的急需 從 1973 年以來(lái)組織了數(shù)控機(jī)床攻關(guān)會(huì)戰(zhàn) 經(jīng)過(guò)三年努力 到 1975 年己研制 出了 40 多個(gè)品種 300 多臺(tái)數(shù)控機(jī)床 經(jīng)過(guò) 30 年的努力 我國(guó)數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的 研制也歷經(jīng)了第一代電子管靈敏控 第二代晶體管數(shù)控及第三代集成電路數(shù)控 從 1975 年到 1979 年 7 年內(nèi)累計(jì)生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床 4108 臺(tái) 其中約 3 4 以上的數(shù)控線切割 機(jī)床 進(jìn)入 80 年代 我國(guó)重新重視發(fā)展數(shù)控技術(shù) 采取了暫從國(guó)外引進(jìn)控制機(jī)和伺 服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 為國(guó)內(nèi)主機(jī)配套的方針 1981 年 我國(guó)從日本 FANUC 公司引進(jìn)了 FANUC3 系列 5 系列 7 系列的數(shù)控系統(tǒng)和在直流伺服電機(jī) 直流主軸電機(jī) 技術(shù) 并在北京 機(jī)床研究所建立了數(shù)控設(shè)備廠 于 1981 年底開(kāi)始驗(yàn)收投產(chǎn) 1982 年生產(chǎn)約 40 套系統(tǒng) 1982 年生產(chǎn)約 100 套系統(tǒng) 1985 年生產(chǎn)約 400 套系統(tǒng) 伺服電機(jī)與主軸電機(jī)也配套生 產(chǎn) 這些系統(tǒng)是外國(guó) 70 年代的水平 功能較全 可靠性能比較高 這樣就使機(jī)床行業(yè) 發(fā)展數(shù)控機(jī)床有了可靠的基礎(chǔ) 使我國(guó)的主機(jī)品種與技術(shù)水平都有成套的發(fā)展與提高 我國(guó)己有少數(shù)產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng) 還有幾種合作生產(chǎn)的數(shù)機(jī)床返銷國(guó)外 目前 我國(guó)除了能獨(dú)立地設(shè)計(jì)與生產(chǎn)常規(guī)的數(shù)控機(jī)床外 還能生產(chǎn)五坐標(biāo)數(shù)控銑床 加工中 心以及柔性制造系統(tǒng) 如北京機(jī)床研究所開(kāi)發(fā)研制的 JCS FMC 1 JCS FMC 2 柔性加工 單元 XH715 型立式加工中心 昆明機(jī)床床廠 THK4680 型全閉環(huán)精密加工中心 沈陽(yáng)中 捷友誼廠的 TK66100 臥式銑削加工中心 青海第一機(jī)床廠的 XH754 臥式加工中心等 這一切都說(shuō)明 我國(guó)的機(jī)床數(shù)控技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期 預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)趕上或 超過(guò)世界先進(jìn)國(guó)家水平 6 3 總體方案論證 3 1 確定何種傳動(dòng)系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床動(dòng)力系統(tǒng)可分為三類 步進(jìn)電機(jī)式 采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與定位 是開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 同時(shí)限于造價(jià) 不再采用其它措施補(bǔ)償 位置誤差 由于目前功率步進(jìn)電機(jī)力矩還不太大 所以機(jī)床的空選擋速度較低 一般 用于半精加工 這種系統(tǒng)具有 2 3 種插補(bǔ)功能 通過(guò)軟件控制接口 可加工錐面 螺 紋 簡(jiǎn)單外形的曲面等十分靈活 由于性價(jià)比較恰當(dāng) 一般中小型企業(yè)在技術(shù)力量和 財(cái)力上都比較容易實(shí)現(xiàn) 因此在全國(guó)較容易推廣和普及 交流點(diǎn)位式 采用交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng) 用光柵數(shù)字點(diǎn)位控制 與步進(jìn)電機(jī)相比 提高了定位精 度 光柵分辨率可達(dá) 0 001mm 重復(fù)定位精度為 0 005mm 所以加工精度較高 由于采 用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 功率大 可進(jìn)行大切屑量加工零件加工中 效果尤為顯著 目前 交流點(diǎn)位式系統(tǒng)只能加工柱面 不能加工曲面和螺紋 功能上有限 而且成本高 使 性能價(jià)格比相對(duì)下降 一般用于大企業(yè)或?qū)I(yè)化工廠使用 國(guó)內(nèi)用的很少 半閉環(huán)連續(xù)控制式 采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 以脈沖編碼器檢測(cè)位置 實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)連續(xù)控制 由于采 用高性能直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 扭矩大 速度高 過(guò)載能力強(qiáng) 可進(jìn)行強(qiáng)力切削 當(dāng)絲 杠螺母在 6mm 左右時(shí) 快速可達(dá) 8 9m min 且不丟步 效率高 該系統(tǒng)功能齊全 還 帶有可編程序控制器 使強(qiáng)操作大大簡(jiǎn)化 以上三種驅(qū)動(dòng)方式而言 各有利弊 經(jīng)過(guò)比較選擇直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)因?yàn)樗俣雀?過(guò)載能力強(qiáng) 且擁有可編程序控制器 易學(xué)易用 在機(jī)床伺服控制系統(tǒng)中 步進(jìn)電機(jī) 開(kāi)環(huán)執(zhí)行單元 具有控制方便可靠 價(jià)格低 且適合于開(kāi)環(huán)控制等特點(diǎn) 因此在簡(jiǎn)易 數(shù)控機(jī)床中得到廣泛的應(yīng)用 但由于步進(jìn)電機(jī)步距角 功率較小 存在振蕩等弱點(diǎn)的 限制 在高精度大功率應(yīng)用場(chǎng)合并不很合適 故考慮采用伺服電機(jī)控制 3 2 選擇傳動(dòng)裝置 數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)裝置是將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳 動(dòng)鏈及其附屬結(jié)構(gòu) 包括齒輪減速機(jī) 絲杠螺母副 導(dǎo)軌 工作臺(tái)等 在數(shù)控機(jī)床數(shù) 字調(diào)節(jié)技術(shù)當(dāng)中 傳動(dòng)裝置是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié) 因此 數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)裝 置與普通機(jī)床中傳動(dòng)裝置上有重要差別 故它的設(shè)計(jì)與普通機(jī)床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)不同 數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要求除了有較高的定位精度外 還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特 7 性 即系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快 穩(wěn)定性要好 為確保數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng) 精度和工作穩(wěn)定性 在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí) 通常提出了無(wú)間隙 低摩擦 低慣量 高剛度 高諧振頻率有適應(yīng)阻尼比的要求 設(shè)計(jì)任務(wù)要完成的設(shè)計(jì)是縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一般來(lái)說(shuō)此種系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置采 用螺旋傳動(dòng) 螺旋傳動(dòng)主要用來(lái)把旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng) 或把直線傳動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 其中 有傳遞能量為主的傳力螺旋 有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主 并要求有較高的傳動(dòng)精度的傳動(dòng)螺 旋 還有調(diào)節(jié)零件相互位置的調(diào)整螺旋 螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又有滑動(dòng)絲杠螺母 滾珠絲杠 螺母和液壓絲杠螺母機(jī)構(gòu) 在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中 螺旋傳動(dòng)主要來(lái)實(shí)現(xiàn)精密的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 并廣泛 采用滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 選用滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 因?yàn)榇朔N機(jī)構(gòu)有如下特點(diǎn) a 傳動(dòng)效率高 摩擦損失小 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為 0 92 0 96 比常規(guī) 的絲杠螺母副提高了 3 4 倍 滑動(dòng)絲杠效率為 0 2 0 4 因此 功率消耗只當(dāng) 于常規(guī)絲杠副的 1 4 1 3 b 給予適當(dāng)預(yù)緊 可消除絲杠和螺母的螺紋間隙 反向時(shí)就可以消除空程死區(qū) 定位精度高 剛度好 c 有可逆性 可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線傳動(dòng) 也可以從直線傳動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng) 即絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件 d 磨損小 使用壽命長(zhǎng) 精度保持性好 3 3 選擇潤(rùn)滑方式 潤(rùn)滑方式總體來(lái)說(shuō)分為手動(dòng)潤(rùn)滑和自動(dòng)潤(rùn)滑 前者在現(xiàn)代化的加工制造業(yè)中使用 己變得越來(lái)越少 本課題的潤(rùn)滑系統(tǒng)有六個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn) 床鞍的兩個(gè)導(dǎo)軌 2 點(diǎn) 拖板上的兩個(gè)導(dǎo)軌 2 點(diǎn) 縱向進(jìn)給絲杠螺母副的潤(rùn)滑 1 點(diǎn) 橫向滾珠絲杠副的潤(rùn)滑 1 點(diǎn) VERSA 電子程控潤(rùn)滑器 C 型 由一套電子裝置控制電子齒輪泵 以時(shí)間或計(jì)數(shù)的 周期方式工作 適用于單阻尼的潤(rùn)滑系統(tǒng) 廣泛用于機(jī)械制造 紡織 沖壓 包裝機(jī) 械 印刷機(jī)械等領(lǐng)域 是一種多用途 高性能的程控潤(rùn)滑設(shè)備 因此選擇 VERSA 電子 程控潤(rùn)滑器能滿足潤(rùn)滑系統(tǒng)的要求 8 4 具體設(shè)計(jì)說(shuō)明 伺服控制系統(tǒng)一般都是閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng) 圖 3 1 伺服控制系統(tǒng)框圖 圖 3 1 中給出了典型的伺服控制系統(tǒng)的框圖 這是一個(gè)三環(huán)控制系統(tǒng) 外環(huán)是 位置控制環(huán) 是決定系統(tǒng)主要性質(zhì)的基本控制環(huán) 它決定著系統(tǒng)的位置控制精度 速度控制環(huán)用于實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)和速度大小控制精度 電壓控制環(huán)可實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服放 大器的電壓控制 半閉環(huán)控制 圖 3 2 半閉環(huán)控制 半閉環(huán)控制系統(tǒng)不但有前向的指令控制通道 而且有檢測(cè)元件輸出的反饋控制 9 通道 而檢測(cè)元件是安裝在絲杠軸或電機(jī)軸上的 檢測(cè)同角位移后 推算出工作臺(tái) 的實(shí)際位移 以偏差值實(shí)現(xiàn)位置控制 此系統(tǒng)由于檢測(cè)元件檢測(cè)的反饋信號(hào)不包含 從旋轉(zhuǎn)軸到工作臺(tái)之間的傳動(dòng)鏈的誤差 這部分誤差將不能被自動(dòng)補(bǔ)償 因此這種 由等效反饋信號(hào)組成的控制系統(tǒng)為半閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制 圖 3 3 閉環(huán)控制 閉環(huán)控制與半閉環(huán)控制其組成原理及控制方法基本相同 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中 要 求以工作臺(tái) 或刀架 的最終控制輸出作為反饋信號(hào) 即要求測(cè)量元件安裝在工作臺(tái) 上 而不是安裝在絲杠或電機(jī)軸上 但因直接測(cè)量工作臺(tái)的實(shí)際位移 需配備如光柵 磁柵或感應(yīng)同步器等安裝和維修要求都比較高的位置檢測(cè)元件 這使整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格 提高 由于閉環(huán)控制能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)誤差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償 因此 其精度比半閉環(huán)控制要 高 精度取決于位置檢測(cè)元件的測(cè)量精度 總之 這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是精度高 速 度快 但調(diào)試和維修比較復(fù)雜 適宜于大型和精密的數(shù)控機(jī)床 4 1 伺服電機(jī)型號(hào)選擇 4 1 1 進(jìn)給電機(jī)功率的確定 2 在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度較低的情況下 空載功率很小 計(jì)算時(shí)可以略去 進(jìn)給電機(jī)的 功率可根據(jù)進(jìn)給的有效功率和傳動(dòng)件的機(jī)械效率來(lái)計(jì)算 即 3 1 YsVQNs 6120 式中 Ns 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率 KW Q 進(jìn)給抗力 公斤力 Vs 進(jìn)給速度 米 分 Ys 進(jìn)給傳動(dòng)的總機(jī)械效率 一般可取 0 15 0 20 根據(jù)資料顯示 CDJK6140 系列車床的最大切削主力 F 2750N 即 Pz 2750N 故進(jìn)給力 Px 0 5Pz 1375N Ys 取 0 2 Vs 8m min 代入 3 1 式 10 kwNs92 06128375 4 1 2 伺服電機(jī)型號(hào) 考慮到進(jìn)給系統(tǒng)的過(guò)載現(xiàn)象 選擇型號(hào)為 110SNMA9 的永磁無(wú)刷伺服電機(jī) 參數(shù)如下表 表 4 1 參數(shù)表 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)速 額定電流 轉(zhuǎn)子慣量 電機(jī)時(shí)間常數(shù) 機(jī)械時(shí)間常數(shù) 1 884kw 9N m 3000r Pm 7 0A 0 718 1 03kg m2 6 1ms 0 85ms 4 2 縱向進(jìn)給滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)選擇 在一般情況下 設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí) 必須知道下列條件 最大工作負(fù)載 Fmax 或平 均工作負(fù)載 Fm 作用下的使用壽命 T 絲杠的工作長(zhǎng)度 L 或螺母的有效行程 絲杠 的轉(zhuǎn)速 n 平均轉(zhuǎn)速 n 滾道的硬度 HRC 及絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)情況 然后按下列步驟進(jìn)行設(shè) 計(jì) a 計(jì)算作用在滾珠絲杠上的最大動(dòng)負(fù)載 Ca 的數(shù)值 b 從滾珠絲杠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中 找出相應(yīng)尺寸系列對(duì)應(yīng)的最大動(dòng)載荷 Ca 的相近值 并初選型號(hào) c 根據(jù)具體工作要求 對(duì)于結(jié)果尺寸 循環(huán)方式 調(diào)隙方法及傳動(dòng)效率等方面 的要求 從初選的幾個(gè)型號(hào)中再挑選出比較合適的公稱直徑 d0 導(dǎo)程 L0 滾珠列數(shù) k 滾珠圈數(shù) j 等確定某一型號(hào) d 根據(jù)所選出的型號(hào) 列出 或算出 其主要參數(shù)的數(shù)值 驗(yàn)算其剛度及穩(wěn)定 性系數(shù)是否滿足要求 若不滿足要求 則需要另選其它型號(hào) 再做上述的計(jì)算和驗(yàn)算 直至滿足要求為止 11 4 2 1 確定滾珠絲杠的支承方式 螺母座 絲杠的軸承及其支架等剛度不足將嚴(yán)重影響滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度 因 此螺母座應(yīng)有加強(qiáng)筋 以減少受力后的變形 螺母與床身的接觸面積宜大些 其聯(lián)接 螺釘?shù)膭偠纫矐?yīng)與高位銷要緊密配合 不能松動(dòng) 滾珠絲杠常用推力軸承支承 以提高軸向剛度 當(dāng)滾珠絲杠的軸向負(fù)荷很小時(shí) 也可用角接觸球軸承支承 滾珠絲杠在機(jī)床上的安裝支承方式有以下幾種 一端固定 圖 4 1 滾珠絲杠一端固定圖 這種安裝方式的承載能力小 軸向剛度低 只適用于短絲杠 一般用于數(shù)控機(jī)床 的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)或升降臺(tái)式數(shù)控銑床的立向坐標(biāo)中 兩端支持 12 圖 4 2 滾珠絲杠兩端支持 此種方式可用于絲杠較長(zhǎng)的情況 應(yīng)將止推軸承離液壓馬達(dá)及絲杠的常用段 以 減少絲杠熱變形的影響 一端固定 一端支持 圖 4 3 滾珠絲杠一端固定一端支持 把角接觸球軸承裝在滾珠絲杠的兩端 并旋加預(yù)緊拉力 這樣有助于提高剛度 但這種安裝時(shí)絲杠的熱變形較為敏感 軸承壽命較兩端裝推力軸承及向心球軸承方式 低 兩端固定 13 圖 4 4 滾珠絲杠兩端固定 兩端裝推力軸承 為使絲杠具有最大的剛度的兩端可用雙重支承 并加預(yù)緊力 這種結(jié)構(gòu)方式不能精確地預(yù)先測(cè)定預(yù)緊力 預(yù)緊力大小是由絲杠的溫度轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的 設(shè)計(jì)時(shí)要求提高推力軸承的承載能力和支架強(qiáng)度 根據(jù)設(shè)計(jì)所要的絲杠副的高精度 中等轉(zhuǎn)速 選擇 G J 形式安裝 4 2 2 滾珠絲杠副參數(shù)的確定 2 額定動(dòng)載荷 Ca 滾珠絲杠在工作過(guò)程中承受軸向負(fù)載 使得滾珠和滾道型面產(chǎn)生接觸應(yīng)力 對(duì)滾 道型面上某一點(diǎn) 是交變接觸應(yīng)力 在這種交變應(yīng)力的作用下 經(jīng)過(guò)一定的應(yīng)力循環(huán) 次數(shù)后 滾珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞損傷 從而使得滾珠絲杠喪失工作性能 這是滾珠 絲杠副破壞的主要形式 在設(shè)計(jì)滾珠絲杠副時(shí) 必須保證它在一定的軸向負(fù)載的作用 下 在回轉(zhuǎn) 10 轉(zhuǎn)后 滾道上雖然受滾珠壓力 但不應(yīng)有點(diǎn)蝕現(xiàn)象發(fā)生 此時(shí)所能隨的 軸向負(fù)載稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)荷 Ca 工作負(fù)荷 P 是指數(shù)按機(jī)床工作時(shí) 實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向 壓力 它的數(shù)值 可用下列進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算 對(duì)于燕尾形導(dǎo)軌的機(jī)床 2 GPyzfxKFa 式中 F1 F1 F2 X Y Z 方向上的切削分力 N G 移動(dòng)部件的質(zhì)量 N 14 導(dǎo)軌上的磨擦系數(shù) f K 考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 在正常情況下 K 可以下列數(shù)值 f 對(duì)于燕尾形導(dǎo)軌 K 1 4 0 2 f 在設(shè)計(jì)滾珠絲杠副時(shí) 首先從工作負(fù)荷 Fa 推算出最大動(dòng)負(fù)荷 Ca 設(shè)計(jì)時(shí)可采用計(jì) 算滾珠軸承的方法 由疲勞強(qiáng)度公式知 3 FaCL 即 3 式中 Ca 最大動(dòng)負(fù)荷 Fa 工作負(fù)荷 L 壽命 以 106轉(zhuǎn)為單位 1 610 nTL 式中 n 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速 r min T 使用壽命時(shí)間 普通機(jī)床 10000h L 20 轉(zhuǎn)6 如果工作負(fù)荷在 Fmin 和 Fmax 之間單調(diào)變化勤周期性單調(diào)連續(xù)變化 則其平均負(fù) 荷 Fm 可按下式近似計(jì)算 3 minax2F 式中 Fmax 最大工作負(fù)荷 N Fmin 最小工作負(fù)荷 N 則 Ca 71 203 Fmax 0 5Pz Pz 為主切削分力 Fmax 1375N Fmin 35 Fmax 481 25N 所以 2750481 073FmN 故 Ca 2 71Fm 2912N 額定靜載荷 Cao 如果滾珠絲杠副是在低速 n Fmax 的要求 從系列 列表中選定所設(shè)計(jì)絲杠副的公稱直徑的 d0 并查處相應(yīng)的其它尺寸 計(jì)算靜負(fù)荷 Cmo Cmo Kr Kh Fmax 即 CmoCmo 1 5 2 1375 4125N 根據(jù) Ca 2919N Cao 4125N 來(lái)選擇絲杠 選擇 FYND4005 4 型滾珠絲杠副 其參數(shù) 如下 表 4 2 滾珠絲杠參數(shù)表 主要尺寸 計(jì)算公式 公稱直徑 d o 40mm 基本導(dǎo)程 L o 5mm 滾珠直徑 d b 3 175mm 接觸角 o45 滾道圓弧半徑 R 1 762125mm21 bdR 螺旋升角 7o 滾道圓弧偏心距 e 0 12345mmobCse452 16 絲杠大徑 d mm84 395140 bdd 絲杠小徑 d1 mm7 6201 re 螺母大徑 D mm3 dD 螺母小徑 D1 mm5 40200 p 4 2 3 對(duì)選定的滾珠絲杠副參數(shù)進(jìn)行核算 1 滾珠絲杠副的預(yù)加負(fù)荷 在滾珠絲杠副上施加預(yù)緊力后 可提高軸向剛度和傳動(dòng)精度 但預(yù)緊力不可過(guò)大 過(guò)大則影響絲杠副的使用壽命 因此 要在滿足所需壽命和精度要求的條件下 合理 決定預(yù)緊力的大小 滾珠和螺紋滾道間由于受軸向力的作用而產(chǎn)生軸向變形 在彈性變形范圍內(nèi) 變 形量 的大小可按赫茲公式計(jì)算 32KP 式中 k 與滾道的曲率半徑 材料的彈性模具有關(guān)的系數(shù) 對(duì)與一確定的絲杠副來(lái)說(shuō) K 是常數(shù) 因此 只是 P 的函數(shù) 將 隨 P 的變 化關(guān)系做出曲線 如圖所示 在曲線起始段 隨 P 的變化較快 當(dāng) P 增加到 P0 后 變化較慢 接近于某斜率直線 在實(shí)際應(yīng)用時(shí) 總希望受載后絲杠變形盡可能小些 即剛度性能好 據(jù)此 可施加一定的預(yù)緊力 P 預(yù) P 0 對(duì)應(yīng)于絲杠變形為 0 這樣在 受到軸向工作載荷 P P0 時(shí) 變形 就進(jìn)入曲線后半部的直線段了 載荷的變化對(duì)變 形的影響就非常小了 17 圖 4 5 預(yù)緊力確定關(guān)系圖 在上圖中 設(shè)對(duì)螺母 A B 施加了預(yù)緊力 P0 相應(yīng)的變形 0 當(dāng)外加軸向工作 載荷 P 時(shí) 螺母 B 在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生了 的彈性變形 而螺母 A 由于彈性恢復(fù) P 與 P0 反向之故 其接觸點(diǎn)上的變形量反而減少了 其結(jié)果螺母 A B 在 P0 的共同作 用下 總變形量為 A0 B 此時(shí) 若繼續(xù)增大 P 則螺母 A 中的滾珠負(fù)荷減少 變形 A 亦隨之減少 當(dāng) P 增加到一定數(shù)值時(shí) 與 0 相等 A 0 0 這時(shí)螺母 A 中滾珠和滾道剛 好接觸 如果再繼續(xù)增大 P 就會(huì)出現(xiàn)間歇 因此 要保證絲杠在最大軸向載荷 Pmax 作用下沒(méi)有間歇 P0 就必須滿足一定的關(guān)系 下面求出這種關(guān)系 當(dāng) A 0 0 時(shí) 0 此時(shí)螺母 的變形為 2 B00 又因?yàn)?0 K B32maxKp320P 所以得到 2 K32ax320 即 P0 P 預(yù) Pmax1 18 由此得到結(jié)論 在雙螺母預(yù)緊力的滾珠絲杠副中 為使螺母和絲杠之間不出現(xiàn)間 歇 應(yīng)使預(yù)緊力近似等于最大軸向載荷的 1 3 P0 過(guò)小 不能保證無(wú)間歇傳動(dòng) P0 過(guò) 大 會(huì)降低傳動(dòng)效率和承載能力 Fp Fmax 458N3 最大軸向壓縮載荷 機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是受軸向力的壓桿 若軸向力過(guò)大 將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn) 生翹曲 滾珠絲杠受壓力作用后在彈性范圍的臨界穩(wěn)定載荷 Fc Fc 2 4Ldmbc 采用 G J 支撐形式時(shí) m 20 10 42N 為公稱直徑 mm cd d 為滾珠直徑 mm b L 為絲杠軸的支撐距離 mm 則 nFc 當(dāng)水平位置時(shí)許用穩(wěn)定安全系數(shù) 4 Nc 524410 1567 302 NFc48 即 F 為絲杠最大軸向壓縮載荷 a 滾珠絲杠的極限轉(zhuǎn)速 極限轉(zhuǎn)速的計(jì)算為使絲杠副在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生共振現(xiàn)象 應(yīng)對(duì)其極限轉(zhuǎn) 速進(jìn)行核算 當(dāng)絲杠發(fā)生共振時(shí)轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速 以 Nc 表示 min 10226rLKdNcbc 式中 為公稱直徑 mm cd 19 d 為滾珠直徑 mm b Ko 為絲杠軸的支撐結(jié)構(gòu)系數(shù) 采用 G J 形式 K 2 5 極限轉(zhuǎn)速 n 滿足 Ncn8 0 Nc 121 min 1095 214675 34136 r N 0 8Nc 2 36 min 0r 滾珠絲杠副的剛度 滾珠絲杠副的剛度 K gj11 式中 K 為滾珠絲杠副的剛度 K j 為滾珠的軸向接觸剛度 K1 為螺母的安裝剛度 Kg 為絲杠軸的安裝剛度 當(dāng)有預(yù)加負(fù)荷 Fp 且為額定動(dòng)載荷的 1 10 時(shí) Kj 可近似的以下式表示 54 032mnZdFjb 式中 F 為軸向工作載荷 N db 為滾珠直徑 mm Z Z 圈數(shù) 列數(shù) Z 為一圈滾珠數(shù) 內(nèi)循環(huán) Z d 0 db 3 5 粒 d0為公稱直徑 Kj 0 54 1 4 10 3 N m24396175 8 3 螺母支撐剛度 K1 K1 10ln8mNEA 其中 A 為螺母橫截面積 E 2 1 10 5 Ln 為螺母支承面至有效滾延間的長(zhǎng)度 A 1 6 10 3 mm2 故 K1 1 6 10 3 2 1 105 1000 10 3 3 4 10 3 N m 20 絲杠軸的支承剛性 Kg 圖 4 6 滾珠絲杠一端固定一端支持 當(dāng)采用圖示的支承方式 Kg 1546 10 8 1 0 10 3 N m 810LsEA 滾珠絲杠副的剛度 K 因?yàn)?gj1 所以 K 1 0 5 103 N m j1 驅(qū)動(dòng)力矩及驅(qū)動(dòng)功率 使絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力矩 Ma F Ph 2000 N m 公稱導(dǎo)程 Ph 5mm 0 9 所以 Ma 1 22N m 由預(yù)緊力所產(chǎn)生的摩擦力矩 Mf K N m 8102 PhFp Mf 0 5 103 N m54v 總驅(qū)動(dòng)力矩 M Ma Mf M Ma Mf 1 24N m 所需功率 W Kw 950 W 105 8 241kw 21 式中 F 為軸向載荷 Ph 為公稱直徑 為效率 選擇絲杠軸承 3 絲杠采取一端軸向固定 一端簡(jiǎn)支的方式 固定端采取一對(duì)推力角接觸球軸 承 面對(duì)面組配 型號(hào)為 7205C 內(nèi)徑 外徑 寬為 25mm 52mm 15mm 額定動(dòng) 載荷為 C 15 8kN 預(yù)加載荷 Fo 458N 平均載荷 Fm 1077N 所選絲杠的基本導(dǎo)程 Lo 5mm 要求快進(jìn)速度 8m min 因此絲杠的最大轉(zhuǎn)速 Vmax r min33810 65 設(shè)絲杠的最小轉(zhuǎn)速 Vmin 1r min 故平均速度 r min 3321 601 670avN 軸承壽命 L 10 9458107630 hFCpmp 66319 avhhN 能滿足要求 簡(jiǎn)支端軸承只承受絲杠的部分重量 不需計(jì)算 滾珠絲杠與伺服電機(jī)的連接 22 圖 4 6 連軸器關(guān)系圖 滾珠絲杠可通過(guò)聯(lián)軸器與伺服電機(jī)直接聯(lián)結(jié) 為了消除絲杠與電機(jī)軸之間的同軸 度和垂直度誤差 可用彈性聯(lián)軸器 如上圖所示 彈性片分別用螺釘和兩邊的聯(lián)軸器 通過(guò)柔性片傳遞力矩 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中 為了滿足絲杠既能電動(dòng)控制又能手動(dòng)調(diào)整的特點(diǎn) 在絲杠與 電機(jī)之間設(shè)計(jì)了連接軸 三者的連接方式如下圖 圖 4 7 連接軸關(guān)系圖 23 結(jié) 論 至今為止 基本上完成了本課程的設(shè)計(jì)要求 課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括 伺服電 機(jī)的選擇 絲杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 伺服電機(jī)與絲杠的連接形式設(shè)計(jì) 絲杠與床鞍的連接設(shè)計(jì) 絲杠的支承方式設(shè)計(jì) 進(jìn)給系統(tǒng)的潤(rùn)滑設(shè)計(jì) 進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)精度 直接將導(dǎo)致整個(gè)機(jī)床的加工精度 因此 絲杠精度的選擇 絲杠的支承如何保證軸向定位精度等關(guān)鍵性問(wèn)題是急需解決的 由于自身的經(jīng)驗(yàn)有限 面對(duì)這些關(guān)鍵性問(wèn)題只能從理論上去尋求解決的方法 因此 自己所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn) 用到生產(chǎn)實(shí)踐中仍相距甚遠(yuǎn) 24 參考文獻(xiàn) 1 張新義 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1994 7 2 范云漲 陳兆年 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1994 7 3 戴曙 金屬切削機(jī)床手冊(cè) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1995 10 4 李 洪 實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 沈陽(yáng) 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社 1999 1 5 王啟義 蔡群禮 胡寶珍 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì) 東北工學(xué)院出版社 1989 10 6 成大先 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 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