數(shù)控銑床伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 摘 要 本文完成了對(duì)數(shù)控銑床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先確定了總體設(shè)計(jì)方案，和 X、 Y、Z 三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，之后根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定了數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)方案，由導(dǎo)程、當(dāng)量動(dòng)載荷、最小螺紋底徑確定了 X、 Y、 Z 三個(gè)方向的滾珠絲杠以及由最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等確定了 X、 Y、 Z 三個(gè)方向的伺服電機(jī)，并且校驗(yàn)了 X、 Y、 Z 三個(gè)方向的伺服進(jìn)給系統(tǒng)。 確定了結(jié)構(gòu)方案后，用 體設(shè)計(jì) 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)中絲杠、導(dǎo)軌、伺服電機(jī)等零件進(jìn)行了 3D 建模，之后裝配出 X、 Y、 Z 三個(gè)方向的 伺服進(jìn)給系統(tǒng)，并生成出 數(shù)控銑床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的 二維 工程圖，最后對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。 關(guān)鍵詞： 進(jìn)給系統(tǒng) ； 滾珠 絲杠 ； 伺服電機(jī)； 體設(shè)計(jì) 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 n of NC is of ,Y,Z to NC is by of of , Y, Z by of of of , Y, Z of , Y, Z of in up by of , Y, Z of NC is 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 錄 摘 要 .......................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 .................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 目 錄 .......................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 1 緒論 ...................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 課題背景和意義 ........................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ........................................................................................................ 1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) ............................................................................................... 1 本課題的研究?jī)?nèi) 容和方法 ....................................................................................... 3 本章小結(jié) ................................................................................................................... 4 2 總體 方案設(shè)計(jì) ...................................................................................................................... 5 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求 ........................................................................................ 5 銑床的技術(shù)要求 ........................................................................................................ 5 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) ............................................................................................................ 5 主切削力及切削分力及切削分力計(jì)算 .................................................................... 6 計(jì)算主切削力 ................................................................................................ 6 計(jì)算各切削分力 ............................................................................................ 6 本章小結(jié) ................................................................................................................... 6 3 滾珠絲杠及伺服電動(dòng)機(jī) 的 選擇 .......................................................................................... 8 軸方向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算 ....................................................................................... 8 X 軸滾珠絲杠的選擇 .................................................................................... 8 X 軸伺服電機(jī)的選擇 .................................................................................. 11 X 軸系統(tǒng)校驗(yàn) .............................................................................................. 13 Y 軸方向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算 ...................................................................................... 16 Y 軸滾珠絲 杠的選擇 .................................................................................. 16 Y 軸伺服電機(jī)的選擇 .................................................................................. 20 Y 軸系統(tǒng)校驗(yàn) .............................................................................................. 21 Z 軸方向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算 ....................................................................................... 24 Z 軸滾珠絲杠的選擇 ................................................................................... 24 Z 軸伺服電機(jī)的選擇 ................................................................................... 27 Z 軸系統(tǒng)校驗(yàn) ............................................................................................... 29 本章小結(jié) ................................................................................................................. 32 4 3D 建模 .............................................................................................................................. 33 體設(shè)計(jì)的介紹 ......................................................................................... 33 絲杠設(shè)計(jì) ................................................................................................................. 33 設(shè)計(jì)思路 ...................................................................................................... 33 設(shè)計(jì)步驟 ...................................................................................................... 33 標(biāo)準(zhǔn)件及高級(jí)圖素應(yīng)用 ......................................................................................... 36 設(shè)計(jì)方法 ...................................................................................................... 36 內(nèi)六角圓柱頭螺釘設(shè)計(jì) .............................................................................. 37 裝配設(shè)計(jì) ................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 設(shè)計(jì)方法 ...................................................................................................... 38 軸承座裝配 .................................................................................................. 38 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 二維工程圖輸出 ..................................................................................................... 40 設(shè)計(jì)方法 ...................................................................................................... 40 生成步驟 ...................................................................................................... 40 本章小結(jié) ................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 5 運(yùn)動(dòng)仿真 .............................................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 設(shè)計(jì)方法 ................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 絲杠 的仿真 ............................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 本章小結(jié) ................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 6 結(jié)論 ...................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 參考文獻(xiàn) .................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 致 謝 .......................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附錄 A 英文原文 .................................................................................................................. 48 附錄 B 中文譯文 .................................................................................................................. 53 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 1 緒論 課題背景和意義 機(jī)床是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有戰(zhàn)略意義的基礎(chǔ)工業(yè) ，所以 機(jī)床工業(yè)的發(fā)展和機(jī)床技術(shù)水平的提高，必然對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重大的推動(dòng)作用。隨著改革開放 以及中國(guó)加入世貿(mào)組織后 ，我國(guó)的機(jī)床工業(yè)已取得了巨大的 發(fā)展 。 特別是 在加入世貿(mào)組織后，中國(guó)正在逐步變成世界制造中心， 機(jī)械行業(yè)為了增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力已開始廣泛的使用先進(jìn)的數(shù)控技術(shù) 及數(shù)控機(jī)床 ，雖然目前我國(guó)的數(shù)控技術(shù)正處在方興未艾的發(fā)展時(shí)期，但只要經(jīng)過技術(shù)工人艱苦不懈的共同努力，我國(guó)的 數(shù)控機(jī)床及 數(shù)控技術(shù)一定能逐步縮小與世界先進(jìn)水平的差距，取得很好的發(fā)展。 國(guó)內(nèi)外研究 現(xiàn)狀 從 20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。 數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價(jià)格昂貴不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求 100%檢驗(yàn)的零件。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)與國(guó)際全面接軌，進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。機(jī)床制造業(yè)既面臨著機(jī)械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī)，也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，加速推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。隨著制造業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) （ 1） 高速化 。 隨著汽車、國(guó)防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 的應(yīng)用，對(duì)數(shù) 控機(jī)床加工的高速化要求越來越高。 目前銑削速度已達(dá)到 5000～ 8000m/軸轉(zhuǎn)速達(dá)到 30000～ 100000r/作臺(tái)的移動(dòng)速度，當(dāng)分辨率為 1μ100～ 200m/上。 自動(dòng)換刀速度在 1 秒以內(nèi)，小線段插補(bǔ)進(jìn)給速度達(dá)到 12m/s。 （ 2） 高精度化 。 數(shù)控機(jī)床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度、熱變形以及對(duì)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償越來越獲得重視。提高 統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使 制單位精細(xì)化，并采用高分辨率位置檢測(cè)裝置 ，提高位置檢測(cè)精度，位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法；采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，對(duì)設(shè)備的熱變形誤差和空間誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償；采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運(yùn)動(dòng)軌跡精度，并通過仿真預(yù)測(cè)機(jī)床的加工精度，以保證機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，使其性能長(zhǎng)期穩(wěn)定，能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)，并保證零件的加工質(zhì)量。 （ 3） 高可靠性。 數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比，增加了數(shù)控系統(tǒng)和相應(yīng)的監(jiān)控裝置等，應(yīng)用了大量的電氣、液壓和機(jī)電裝置，易于導(dǎo)致出現(xiàn)失效的概率 增大；工業(yè)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和干擾對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性極為不利，而數(shù)控機(jī)床加工的零件型面較為復(fù)雜，加工周期長(zhǎng)，要求平均無故障時(shí)間在 2 萬小時(shí)以上。為了保證數(shù)控機(jī)床有高的可靠性，就要精心設(shè)計(jì)系統(tǒng)、嚴(yán)格制造和明確可靠性目標(biāo)以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時(shí)間在 7～ 10 萬小時(shí)以上，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時(shí)間僅為 10000 小時(shí)左右，國(guó)外整機(jī)平均無故障工作時(shí)間達(dá) 800 小時(shí)以上，而國(guó)內(nèi)最高只有300 小時(shí)。 （ 4） 功能復(fù)合化 。 復(fù)合機(jī)床的含義是指在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要 素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。采用復(fù)合機(jī)床進(jìn)行加工，減少了工件裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時(shí)間以及中間過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市場(chǎng)反應(yīng)能力，相對(duì)于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 （ 5） 控制智能化 。 隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化的發(fā)展需求，數(shù)控機(jī)床的智能化程度在不斷提高 。 加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)：通過監(jiān)測(cè)加工過程中的切削力、主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算 法進(jìn)行識(shí)別，以辯識(shí)出刀具的受力、磨損、破損狀態(tài)及機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)和加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高設(shè)備運(yùn)行的安全性；加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇：沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 將工藝專家或技師的經(jīng)驗(yàn)、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的；智能故障自診斷與自修復(fù)技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法實(shí)現(xiàn)故障的快速準(zhǔn) 確定位；智能故障回放和故障仿真技術(shù)：能夠完整記錄系統(tǒng)的各種信息，對(duì)數(shù)控機(jī)床發(fā)生的各種錯(cuò)誤和事故進(jìn)行回放和仿真，用以確定錯(cuò)誤引起的原因，找出解決問題的辦法，積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)；智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置：能自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，并自動(dòng)調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動(dòng)裝置和智能化進(jìn)給伺服裝置。這種驅(qū)動(dòng)裝置能自動(dòng)識(shí)別電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并自動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行 。 （ 6） 體系開放化 。 向未來技術(shù)開放 ： 由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，新一代的通用軟 硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長(zhǎng)生命周期；向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求；數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立：國(guó)際上正在研究和制定一種新的 統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動(dòng)消耗。 （ 7） 信息交互網(wǎng)絡(luò)化 。 對(duì)于面臨激烈競(jìng)爭(zhēng)的企業(yè)來說，使數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間各個(gè)部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、培訓(xùn)、教學(xué)、管理，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)。例如，日本 司推出新一代的加工中心配備了一個(gè)稱為信息塔的外部設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)、手機(jī)、機(jī)外和機(jī)內(nèi)攝像頭等，能夠?qū)崿F(xiàn)語音、圖形、視像和文本的通信故障報(bào)警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨(dú)立的、自主管理的制造單元。 本課題的研究?jī)?nèi)容和方法 本課題是通過查閱資料 確定數(shù)控銑床的切削力，由切削力的大小來確定數(shù)控銑床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的各種 運(yùn)動(dòng)參數(shù)及傳動(dòng)方案 ，然后通過計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷選擇滾珠絲杠，通過計(jì)算最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩，負(fù)載慣量選擇伺服電動(dòng)機(jī)。最后通過 件對(duì)數(shù)控銑床沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 的伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行 3D 建模和運(yùn)動(dòng)仿真，在仿真中逐漸更改和優(yōu)化系統(tǒng)。 本章小結(jié) 本章先介紹了課題的背景與研究現(xiàn)狀，介紹了數(shù)控銑床發(fā)展趨勢(shì)，從而提出了研究數(shù)控銑床的重要意義。最后介紹了本課題研究的主要內(nèi)容和研究方法。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 2 總體 方案設(shè)計(jì) 伺服 進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求： （ 1） 精度要求 伺服系統(tǒng)必須保證機(jī)床的定位精度和加工精度。對(duì)于低檔性的數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)控制精度一般為 于高性能數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)控制精度為 1μm，甚至為 m。 （ 2）響應(yīng)速度 為了保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有較高的定位精度外，還要有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)響應(yīng)要快。 （ 3）調(diào)速范圍 調(diào)速范圍要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速各種數(shù)控機(jī)床中，由于加工用道具、被加工工件材質(zhì)及零件加工要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。 （ 4）低速、大轉(zhuǎn)矩 根據(jù)機(jī)床的加工特點(diǎn)，經(jīng)常在低速下進(jìn)行重切削，即在低速下進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須有大的轉(zhuǎn)矩輸出。 銑床的技 術(shù)要求 工作臺(tái) 質(zhì)量 為 200工件和夾具的總質(zhì)量 為 500工作臺(tái) 縱向 行程 為 650 給速度為 1~8000mm/快速移動(dòng)速度 為 20000mm/橫向行程為 450進(jìn)給速度為 1~8000mm/快速移動(dòng)速度 為 15000mm/垂向行程為 500進(jìn)給速度為 1~8000mm/快速移動(dòng)速度 為 25000mm/采用 滾動(dòng)直線 導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動(dòng)摩擦系數(shù)為 摩擦系數(shù)為 位精度為 ? 00復(fù)定位精度為? 機(jī)床的工作壽命為 20000h。 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 為了滿足以上技術(shù)要求，采取以下技術(shù)方案： （ 1） 工作臺(tái)工作面尺寸（寬度 ×長(zhǎng)度）確定為 65050 （ 2） 對(duì)滾珠絲杠螺母副 采用 預(yù)緊 ，并對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行拉伸預(yù)緊 。 （ 3） 采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 （ 4） 采用 夾緊式法蘭膜片 聯(lián)軸器將伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠連接。 (5) 導(dǎo)軌 采用四方向等載荷性滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。 主切削力及其切削分力計(jì)算 計(jì)算主切削力 根據(jù)已知條件，采用鑲齒三面刃銑刀 ， 查《切削手冊(cè)》切削力計(jì)算公式為： 0 . 9 5 0 . 8 0 1 . 1 1 . 109 . 8 1 8 2 . 4z p f ea a d a ??（ 式中 Z—— 銑刀齒數(shù)； 背吃刀量（ 每齒進(jìn)給量（ mm/z）； 側(cè)吃刀量（ 所以當(dāng) 10Z? ， 80ea 100d ， 4pa ， 0 . 9 5 0 . 8 0 1 . 1 1 . 109 . 8 1 8 2 . 4z p f ea a d a ??=6420N 計(jì)算各切削分力 工作臺(tái)的縱向切削力、橫向切削力和垂向切削力分別為 ： 6 F 0 . 6 6 4 2 0 3 8 5 2 4 5 0 . 4 5 6 4 2 0 2 8 8 90 . 5 5 0 . 5 5 6 4 2 0 3 5 3 1 N? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? 本章小結(jié) 本章主要介紹了設(shè)計(jì) 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求，根據(jù)要求及參考資料確定了 運(yùn)動(dòng)參沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 數(shù)及傳動(dòng)方案 ，并且計(jì)算出了各向切削力。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 3 滾珠絲杠及伺服電動(dòng)機(jī) 的 選擇 X 軸方向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算 X 軸滾珠絲杠的選擇 1 確定滾珠絲杠的導(dǎo) 程 根據(jù)已知條件取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速m a 5 0 0 r / m i n?,i=1 得： m a xm a 0000 m m 8 m mi n 1 2 5 0 0 ? ??2 滾珠絲杠螺母副的載荷 及轉(zhuǎn)速計(jì)算 絲杠最大載荷，為切削時(shí)的最大進(jìn)給力加摩擦力；最載荷即摩擦力 。已知最大進(jìn)給力為 3852工作臺(tái)加工件與夾具的質(zhì)量為 700軌的摩擦因數(shù)為 絲杠的最小載荷 m i n = f G = 0 . 0 0 4 5 7 0 0 1 0 = 3 1 . 5F ??N 絲杠最大載荷 m a x 3 8 5 2 3 1 . 4 3 8 8 3F ? ? ?N 當(dāng)負(fù)荷與載荷接近單調(diào)式變化時(shí) m a x m i a x m i 0 0 18n 5 0 0 / m i F 2 3 8 8 3 3 1 . 4F 2 5 9 933? ? ?? ??? ? ?3 確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷 （ 1）按預(yù)定工作時(shí)間估算。 m m h 6 0 n L 1 0 0 f f （ 式中 預(yù)期工作時(shí)間（小時(shí)）； 精度系數(shù)； 可靠性系數(shù)； 負(fù)荷系數(shù)。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 查 得載荷性質(zhì)系數(shù) 知初步選擇的滾珠絲杠的精度等級(jí)為 2 級(jí)，查得精度系數(shù)1,可靠性系數(shù) 1，則 m m h 6 0 n L 1 0 0 f 5 9 9 1 . 36 0 5 0 0 2 0 0 0 0 2 8 4 9 71 0 0 1 1 N?? ? ? ? ??? （ 2）因?qū)L珠絲杠螺母副將實(shí)施預(yù)緊，所以可按估算最大軸向載荷。 取 預(yù)加載荷系數(shù) 則 a m e a m a . 5 3 8 8 3 1 7 4 7 4C F N N? ? ? ?（ 3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷 取以上兩種結(jié)果的最大值， 28497N。 4 按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 2（ 1）估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形m?。 機(jī)床或機(jī)械裝置的伺服系統(tǒng)精度大多在空載下檢驗(yàn)?？蛰d時(shí)作用在滾珠絲杠副上的最大軸向工作載荷是靜摩擦力0F。移動(dòng)部件于0般占重復(fù)定位精度的 （ 1/2~ 1/3） 。所以規(guī)定滾珠絲杠副允許的最大軸向變形m? ?（ 1/3~ 1/4） 重復(fù)定位精度。 已知 重復(fù) 定位精度為 6 m? 則 m? ? ?11~634? ? ?響 定位精度最主要因素是滾珠絲杠副的精度，其次是滾珠絲杠本身的拉壓彈性變形以及滾珠絲杠副摩擦力矩的變化等。一般估算m? ?（ 1/4~ 1/5） 定位精度。 m? ? ?11~ 0 . 0 245? ? ?上述計(jì)算結(jié)果的較小值m?= 2）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 2本機(jī)床工作臺(tái)（ X 軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬 采用兩端固定方式 020 3 9m ? （ 式中m?—— 估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量 （ μm） ； 0F—— 導(dǎo)軌靜摩擦力 （ N） ； L—— 滾珠螺母至滾珠絲杠兩個(gè)固定支承的 距離。 滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 L＝行程 +安全行程 +2×余程 +螺母長(zhǎng)度 +支承長(zhǎng)度 ≈ （ 程 +（ 10~ 14）程 +10×（ 50+10×8） 860 0F =得 02 . 5 8 6 00 . 0 3 9 0 . 0 3 9 5 . 2 30 . 0 0 1 5 1 0 0 0m m m m??? ? ? ??5 初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào) 根據(jù)計(jì)算所得的 2初步選擇 公稱直徑 0d 、基本導(dǎo)程定動(dòng)載荷 絲杠 底 徑 2d 如下 : 0d =40mm,30700N＞ 28497N, 2d =2故滿足式 設(shè)計(jì) 要求。 6 確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 p m a 3883N＝ 1294N 7 計(jì)算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值與預(yù)緊拉力 1） 計(jì)算目標(biāo)行程補(bǔ)償值 t? t? ＝ t （ 式中： △ t—— 溫度變化值。 已知溫度變化值△ t=滾珠絲杠螺母副的有效行程 ： 2u k n L L? ? ? ?行程 +（ 8~ 14）50+11×8=738mm t? ＝ t 38× 2）計(jì)算滾珠絲杠的預(yù)拉伸力 22 1 . 9 5 t d 1 . 9 5 2 . 5 3 4 . 9 N 5 9 3 8 N? ? ? ? ?8 確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號(hào) （ 1）計(jì)算軸承所承 受的最大軸向載 荷 m a x t m a 9 3 8 3 8 8 3 9 8 2 1 N? ? ? ? ?（ 2） 軸承類型 兩端固定支承方式 。采用 雙向推力角接觸球軸承。 （ 3） 確定軸 承內(nèi)徑 d 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 為便于絲杠加工，軸承內(nèi)徑最好不大于滾珠絲杠大徑。在選用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副時(shí)必須有一端軸承內(nèi)徑略小于絲杠底徑 2d 。其次軸承樣本上規(guī)定的預(yù)緊力應(yīng)大于軸承所承最大載荷 1/3。 d 略小于 2d =d=30 4）軸承預(yù)緊力? 9821=3274N （ 5）按樣本選軸承型號(hào)規(guī)格 d=30預(yù)加負(fù)荷為 5850N>274N 9 滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì) （ 1）滾珠絲杠螺紋長(zhǎng)度u L??余程2s u L??=738+2? 32=802 2）兩端固定支承距離 1L=860杠全長(zhǎng) L=994 3）行程起點(diǎn)離定支承距離 0L=62 X 軸伺服電機(jī)的選擇 1 力矩的計(jì)算 （ 1)計(jì)算切削負(fù)載力矩 a=883N,電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離給傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率 η= ： = 3 8 8 3 0 . 0 0 8 . 1 4 0 . 9 0 ?=m （ 2)計(jì)算摩擦負(fù)載力矩 T?已知在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力（即為空載時(shí)的導(dǎo)軌摩擦力） ： T?= 02 ?= 3 1 82 3 0 ???m 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 （ 3)計(jì)算由滾珠絲杠得預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩 p=珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程珠 絲杠螺母副的效率0?= : ? ?2201 2 9 4 0 . 0 0 81 (1 0 . 9 4 ) . 0 . 2 1 3 3 . 1 4 0 . 9 0 m N m????? ? ? ? ???2 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 （ 1） 已知機(jī)床執(zhí)行部件（即工作臺(tái)、工件和夾具）的總質(zhì)量 m=800動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離 為 8得 ： 2 220 . 0 0 88 0 0 ( ) 0 . 0 0 1 2 9 3 . 1 4m k g m???? ? ? ??????（ 2)計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)到慣量 已知滾珠絲杠的密度 ? =10 3? kg/得 : 4 3 4 20 7 . 8 1 0 0 . 9 7 4 0 . 0 4 0 . 0 0 1 9 3 2r k g m?? ?? ? ? ? ? ? ?（ 3)計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 26 6 20 . 2 3 2 6 81 0 1 0 0 . 0 0 0 1 3 4 k g m???? ? ? ? ?(4)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 42L r 0J J J 3 . 2 2 1 0 k g . ? ? ? ? ?總根據(jù)上述計(jì)算可初步選定伺服電機(jī)。選擇 主要技術(shù)參數(shù)如下： 最高轉(zhuǎn)速6000r/定轉(zhuǎn)矩大轉(zhuǎn)矩子慣量機(jī)械時(shí)間常數(shù) 空載啟動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)軸上 的加速力矩a xa m a x 3 . 2 2 1 0 2 5 0 0T 2 7 . 9 N . 6 t 9 . 6 4 7 . 5 1 0????? ? ?? ? ?總 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 r f m a x 0 . 0 4 4 0 . 2 1 3 2 7 . 9 2 8 . 1 5 7 T T N m? ? ? ? ? ? ?μ5 . 5 0 . 0 4 4 0 . 2 1 3 5 . 7 6 .m c T T N m? ? ? ? ? ? ?μa）（ 1~4） 最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn) 矩m>交流伺服電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。 X 軸系統(tǒng)校驗(yàn) 1 傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算 （ 1） 計(jì)算滾珠絲桿的拉壓剛度滾珠絲杠的螺母中心位于滾珠絲桿 兩支承的中心位置（ a=1L/2，1L=860，滾珠絲桿螺母副具有最小拉壓剛度算為： 2 2222s m i 4 . 96 . 6 1 0 6 . 6 1 0 / m 9 3 5 N / ?? ? ? ? ? ?當(dāng)滾珠絲桿的螺母副中心位于行程的兩端位置時(shí)，滾珠絲桿螺母副 具有最大拉壓剛度 2 22221s m a 0d 3 4 . 9 8 6 06 . 6 1 0 6 . 6 1 0 / m 1 7 7 8 / L - L ) 4 6 2 ( 8 6 0 - 6 2 ) ??? ? ? ? ? ???（ 2） 計(jì)算滾珠絲杠螺母副支撐軸承的剛度2× 253m a x s i F ?（ 式中 ? —— 軸承接觸角； 滾動(dòng)體直徑（ Z—— 滾動(dòng)體個(gè)數(shù)； 最大軸向工作載荷（ N） ； 已知軸承的接觸角 ? ，滾動(dòng)體直徑動(dòng)體個(gè)數(shù) Z=10,軸承的最大軸向工作載荷3×5850=17550N,得 02× 253m a x s i F ?沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 = 2× 3 254 . 2 5 1 0 1 7 5 5 0 s i n 6 0 / 7 1 9 /o N m N m??? ? ? ? 由兩端固定支承 0×719=1438N/μm （ 3） 計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度 ? ????（ 式中 ' 查樣本上的剛度（ μm）； 額定動(dòng)載荷； 由樣本查得： '580N/μm； 0700N；294N 13'0 . 1? ????= 1312941 5 8 0 1 1 8 4 . 6 5 / 1 3 0 7 0 0 N????????? μ2 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算及滾珠絲杠副的精度選擇 （ 1） 計(jì)算 ? ? ? ? ? ? ? 計(jì)算 ? ? ? ? ? ? ? 靜摩擦力0 . 0 0 4 5 7 0 0 0 3 1 . 5F F N? ? ? ?μ（ 2） 驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度i n 1 K ? 反 相 差 值（ 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 已知反相差值或重復(fù)定位精度為 6 0m i n 1 . 6 1 . 6 3 1 . 53 8 3 8 . 3 66? ? ? ?反 相 差 值N/μm （ 3） 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差k?i n m a 1 13 1 . 5 0 . 0 1 5 9 3 4 7 6F ? ??? ? ? ? ? ??? ?????? μ（ 4）確定精度，任意 300的行程變動(dòng)量300 0 0 8V ?? ? ?定 位 精 度定位精度為 12μm/300以300 0 . 8 1 2 0 . 0 1 5 9 9 . 5 8 4V ? ? ? ?所以300V=8μ206N 9 滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì) (1）滾珠絲杠螺紋長(zhǎng)度u L??余程4s u L??=510+2? 24=5582）兩端固定支承 距離 1L=618杠全長(zhǎng) L=750 3）行程起點(diǎn)離定支承距離 0L=60陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 Y 軸伺服電機(jī)的選擇 1 力矩的計(jì)算 （ 1)計(jì)算切削負(fù)載力矩 a=920N,電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離給傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率 η= ： = 2 9 2 0 0 . 0 0 6 . 1 4 0 . 9 0 ?=m （ 2)計(jì)算摩擦負(fù)載力矩 T?已知在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力（即為空載時(shí)的導(dǎo)軌摩擦力） ： T?= 02 ?= 3 1 62 3 0 ???m （ 3)計(jì)算由滾珠絲杠得預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩