1878_MJ—50型數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)設計

1878_MJ—50型數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)設計,_mj,50,數(shù)控車床,進給,傳動系統(tǒng),設計 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 1 頁數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)設計摘要：本文介紹了數(shù)控機床的發(fā)展，數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)的基本組成和設計要求，進給系統(tǒng)的總體設計，沿 Z 軸（縱向）和 X 軸（橫向）進給系統(tǒng)設計以及進給系統(tǒng)的精度分析。關鍵詞：數(shù)控機床，伺服進給系統(tǒng)，精度分析前言數(shù)控機床是一種裝有計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的機床，數(shù)控系統(tǒng)能夠處理加工程序，控制機床自動完成各種加工運動和輔助運動。與普通機床相比，數(shù)控機床能夠自動換刀，自動變更切削參數(shù)，完成平面、回旋面、平面曲線和空間曲面的加工，加工精度和生產(chǎn)率都比較高，因而應用日益廣泛。它可以幫助人類完成很多危險、繁重、重復的體力勞動。 [1]數(shù)控技術是現(xiàn)代科學技術高度集成和交融的產(chǎn)物，它涉及機械、控制、電子、計算機、人工智能、知識庫系統(tǒng)以及認識科學等眾多學科領域，是當代最具有代表性的機電一體化技術之一。人類文明的發(fā)展、科技的進步已和數(shù)控機床的研究、應用產(chǎn)生了密不可分的關系。為了適應社會的需求，各院校都比較重視數(shù)控技術和控制技術等課程在機械設計及其自動化專業(yè)的開設，使培養(yǎng)的學生懂得數(shù)控機床設計方面的技術。經(jīng)過50 多年的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控技術在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航空航天、商業(yè)、旅游、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務等眾多領域獲得了越來越普遍的應用。1 數(shù)控機床的發(fā)展20 世紀 40 年代末，美國開始研究數(shù)控機床，1952 年，美國麻省理工學院(mit)伺服機構實驗室成功研制出第一臺數(shù)控銑床，并于 1957 年投入使用。這是制造技術發(fā)展過程中的一個重大突破，標志著制造領域中數(shù)控加工時代的開始。數(shù)控技術到現(xiàn)在已發(fā)展到第六代，第一代采用的是電子管，第二代采用的是晶體管，第三代是小規(guī)模集成電路，第四代采用 了 CNC 技術，第五代應用了微處理器技術，而第六代數(shù)控機床以個人計算機（PC 機）為平臺。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 2 頁數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術的基礎，這一發(fā)明對于制造行業(yè)而言，具有劃時代的意義和深遠的影響。世界上主要工業(yè)發(fā)達國家都十分重視數(shù)控加工技術的研究和發(fā)展。我國于 1958 年開始研制數(shù)控機床，成功試制出配有電子管數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床，1965 年開始批量生產(chǎn)配有晶體管數(shù)控系統(tǒng)的三坐標數(shù)控銑床。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前的數(shù)控機床已實現(xiàn)了計算機控制并在工業(yè)界得到廣泛應用，在模具制造行業(yè)的應用尤為普及。 2 數(shù)控機床伺服進給傳動系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)主要包括電動機及其控制和驅動裝置組成。伺服電動機是進給系統(tǒng)的動力部件，它提供執(zhí)行部件運動所需的動力，伺服電動機有步進電機、直流伺服電動機、交流伺服電動機和直線電動機等。目前，數(shù)控機床采用的進給伺服系統(tǒng)一般是由伺服電動機—滾珠絲杠—移動部件組成的方案。在輕載設備上，有些已采用直線電動機來直接驅動移動部件再在導軌上移動，國外逐漸開始在數(shù)控機床上采用直線電動機用于伺服機構的驅動。2.1 數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)的基本組成進給伺服驅動系統(tǒng)主要由一下幾個部分組成：位置控制單元、速度控制單元、驅動元件、檢測與反饋元件和機械執(zhí)行部件。伺服進給系統(tǒng)的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅動電路作轉換和放大后，經(jīng)伺服驅動裝置（直流、交流、功率步進電動機或電液脈沖光馬達等）和機械傳動機構驅動機床的工作臺、主軸箱等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給和快速移動。驅動元件的作用是將進給指令轉換為驅動執(zhí)行部件所需要的信號形式，機械執(zhí)行元件則將該信號轉換為相應的機械位移。檢測與反饋單元將工作臺的實際位置檢測后反饋給比較控制環(huán)節(jié)，比較控制環(huán)節(jié)將指令信號和反饋信號進行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差驅動控制單元，驅動和控制執(zhí)行元件帶動工作臺移動。2.2 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的設計要求黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 3 頁（1）靜態(tài)設計方面的要求：能夠克服摩擦阻力和負載；很小的進給位移量；高靜態(tài)扭轉剛度；足夠的調速范圍；進給速度均勻，低速時無爬行現(xiàn)象。（2）動態(tài)設計方面的要求：具有足夠的加速和制動轉矩，以便快速完成起停；具有良好的動態(tài)傳遞性能；負載引起的軌跡誤差應盡可能小。（3）對機械傳動部件的要求：被加速的部件具有較小的慣量；高剛度；良好的阻尼；傳動部件在拉壓剛度、扭轉剛度、摩擦阻尼特性和間隙等方面有盡可能小的非線性。3 數(shù)控機床進給系統(tǒng)的總體設計3.1 機床的主要技術參數(shù) 3.2 進給傳動方案設計黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 4 頁本機床具有較高的精度要求，為了保證精度，在選用精密元器件和精密數(shù)控系統(tǒng)的同時，應盡量減小傳動鏈，并需要保證較高的剛度，提高傳動系統(tǒng)效率，以減小溫升的影響。用滾珠絲杠螺母副直連電機傳動的方案。并采用“雙推—支承”絲杠支承方式。 “雙推 —支承”方式能夠避免絲杠自重引起的彎曲，以及高速回轉時自由端的晃動，符合本設計的設計條件。X 、Z 兩軸分別用獨立電機驅動。滾珠絲杠螺母副是一種將旋轉運動轉化為直線運動的理想傳動件，因其具有螺紋絲杠無法比擬的優(yōu)點，被廣泛應用于各行業(yè)，更是普通數(shù)控機床、精密機床不可或缺的零部件。滾珠絲杠螺母副具有驅動力矩小、精度高、可實現(xiàn)微進給、無側隙、剛度高、告訴等優(yōu)點。進給伺服系統(tǒng)的傳動方案示意圖如下圖所示：(a) Z 軸傳動方案(b) X 軸傳動方案對于驅動電機，由于系統(tǒng)要求精度高，不宜采用步進電機驅動，因此選用交流伺服電機。3.3 進給伺服方案設計數(shù)控機床要求達到預定的精度要求以外，還要求具有良好的穩(wěn)定性和快速響應能力?；谶@些要求，本設計采用閉環(huán)控制方式，包含位置反饋環(huán)合速度反饋環(huán)閉環(huán)控制能夠較好地減小誤差，有利于提高機床性能。伺服系統(tǒng)控制原理圖如下圖 2 所示：Z 軸驅動電機 聯(lián)軸器 滾珠絲杠螺母副 滑板X 軸驅動電機 聯(lián)軸器 滾珠絲杠螺母副 刀架黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 5 頁圖 2 伺服系統(tǒng)控制原理圖4 沿 Z 軸（縱向）和 X 軸（橫向）進給系統(tǒng)設計4.1 滾珠絲杠螺母副的切削力的大小計算切削力的大小可以用各種儀器測得，也可以用實驗得出的近似公式計算：（1）PZPZXYZPCtSk????（2）vPZPZhkk??????料（3）ZZXYZ vPZhPZtSkkk?????????料式中， —系數(shù)，由工件的材料和加工方法決定，一定的切削條件（PC一定）下， 為常數(shù)。 大表示工件的材料加工性差， 小，表示vst、 、 ZPZCPZC工件的材料加工性好；—總體修正系數(shù)； —工件材料對 的修正系數(shù)；kPZk料—切削速度對 的修正系數(shù)； —主偏角對 的修正系數(shù) 3；vPZ PZk?—前角對 的修正系數(shù)； —刀具磨損限度對 的修正系數(shù)；k? hP—指數(shù)， ，表示吃刀深度對切削力的影響要比走刀量對PZXY、 PZXY?切削力的影響大。4.2 滾珠絲杠支承軸承的動態(tài)等效載荷計算動態(tài)等效載荷：黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 6 頁表 9 徑向載荷系數(shù)（ ）和軸向載荷系數(shù) （ ）XY組合列 數(shù)2 列 3 列 4 列組合形式代 號DF DT DFD DTD DFT DFF DFT DTT2.17e?承受軸向載荷的列數(shù)1 列 2 列 1 列 2 列 3 列 1 列 2 列 3 列 4 列X1.9 — 1.43 2.33 — 1.17 2.33 2.53 —/arFe?Y0.54 — 0.77 0.35 — 0.89 0.35 0.26 —0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92/ar?— — — — — — — — —動態(tài)等效載荷 ：aParaXFY??式中， —徑向載荷， N； —軸向載荷，N； —徑向載荷系數(shù)，見表r aFX9；—軸向載荷系數(shù)，見表 9。Y3ahCPL?4.3 進給伺服電機的選擇選擇的進給系統(tǒng)的伺服電機，應滿足如下要求：1、在所有進給速度范圍內（包括快速移動） ，空載進給力矩應小于電動機額定轉矩；2、最大切削力矩小黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 7 頁于電動機額定轉矩；3、加、減速時間應符合所希望的時間常數(shù)；4、快速進給頻繁度應在希望值之內。為選取滿足上述要求的電動機，需要進行負載扭矩計算，功率計算，加減速扭矩計算，并進行慣量匹配驗算。在此，依據(jù)功率要求和轉矩要求進行電機選型，之后進行慣量匹配計算。4.4 聯(lián)軸器的選擇電機通過聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接，依據(jù)《機械設計手冊》 ，選取膜片式聯(lián)軸器，膜片式聯(lián)軸器是一種用不銹鋼膜片作為撓性組件的撓性聯(lián)軸器，具有結構簡單、尺寸小、重量輕、承載能力大、傳動效率高、精度高、強度高、等優(yōu)點，可用于高、低溫，高、中速，大轉矩和有油和水的場合。在此，根據(jù)電機軸直徑、長度和絲杠鏈接尺寸來選定型號。5 進給系統(tǒng)的精度分析進給傳動系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)一樣，是數(shù)控機床的重要組成部分，進給系統(tǒng)的定位精度、重復定位精度對機床整體的精度性能有重大影響，很大成程度上決定了零件加工質量。滾珠絲杠螺母副傳動作為大多數(shù)精密數(shù)控機床采用的進給傳動方式，其誤差更是對進給系統(tǒng)有著決定性的影響。5.1 影響機床精度的主要誤差源（1）幾何誤差它包括裝配過程所積累的誤差和使用零部件不精確所造成的誤差，它是構成機床不精確的主要誤差源之一。幾何誤差可能呈現(xiàn)連續(xù)性，也可能表現(xiàn)出滯后性或隨機性。（2）運動誤差在多軸協(xié)調工作時出現(xiàn)的誤差。比如在滾削過程中，旋轉軸和線性運動軸之間的相對運動誤差是制造誤差的主要來源。（3）熱變形誤差熱誤差是因溫度上升引起機床元件的膨脹變形并最終導致工件和刀具之間的相對位移，它對精密加工的影響最大，尤其導致的工件尺寸誤差和形狀誤差的比例可占到 40%～70%。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 8 頁（4）切削力誤差包括重力負載、軸加速以及機床振動誤差。由子切削力的作用，機床零部件發(fā)生變形，導致刀具和工件的相對位置發(fā)生變化，最終導致加工誤差。（5）其他誤差源包括材料不穩(wěn)定引起的誤差、檢測誤差、刀具磨損誤差、ｓ誤差、環(huán)境誤差等。對于一般精度的數(shù)控機床，幾何誤差占加工誤差中的 20%～70% ，載荷變形引起的誤10%～20%，熱變形誤差占 20%～40% 。而對于精密數(shù)控機床上的加工，熱變形引起的加工誤差所占比例可達 40%～70%。參考文獻[1]文懷興. 夏田 . 數(shù)控機床系統(tǒng)設計[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007.[2] 侯力.機電一體化設計[M].北京：高等教育出版社,2003.[3] 張世昌.機械制造技術基礎[M].北京：高等教育出版社,2002.[4]王愛玲. 現(xiàn)代數(shù)控機床結構與設計[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社，1999.[5]邱宣懷. 機械設計（第四版）[M]. 北京：高等教育出版社，2007（2008重印）.[6]成大先. 機械設計手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2010.[7]張福潤、嚴育才. 數(shù)控技術[M]. 北京：清華大學出版社，2009.[8]廖念釗、古瑩庵、莫雨松、李碩根、楊興俊. 互換性與技術測量[M]. 北京：中國計量出版社，2007.[9]四川大學工程制圖教研室. 機械制圖[M]. 北京：北京郵電大學出版社，2003.[10]李振. 淺談常用機床加工精度分析. 城市建設[J]，2010（06）.[11] http://mw.newmaker.com/art_21337.html.