數(shù)控車床縱向進給系統(tǒng)傳動的方案設計

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1、 第一章、數(shù)控機床進給系統(tǒng)概述 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的一般結構如圖圖1-1所示： 圖1-1數(shù)控機床進給系統(tǒng)伺服 由于各種數(shù)控機床所完成的加工任務不同，它們對進給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通常可概括為以下幾方面：可逆運行；速度范圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應并無超調；高精度；低速大轉矩。 1.1、伺服系統(tǒng)對伺服電機的要求 （1）從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。 （2）電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內

2、過載4-6倍而不損壞。 （3）為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機應具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機可在0.2s以內從靜止啟動到額定轉速。 （4）電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉。 隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發(fā)展，數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質大大提高

3、。 數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)一般均采用進給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。 1.2、伺服系統(tǒng)的分類 ??? 數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)一般由驅動控制單元、驅動元件、機械傳動部件、執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅動控制單元和驅動元件組成伺服驅動系統(tǒng)。機械傳動部件和執(zhí)行元件組成機械傳動系統(tǒng)。檢測元件與反饋電路組成檢測系統(tǒng)。 ??? 進給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測裝置所在位置的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置

4、環(huán)內，后者則完全置機械傳動部件于位置環(huán)之外。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機械傳動部件整個被包括在位置環(huán)之內。 ??? 開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結構簡單、工作可靠、造價低廉。由于影響定位精度的機械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。 ??? 全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機械傳動部件在控制環(huán)內，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能不僅取決于驅動裝置的結構和參數(shù)，而且還與機械傳動部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關系，故必須對機電部件的結構參數(shù)進行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對機床的要求比較高，且造價也較昂貴。

5、閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 ??? 數(shù)控車床的進給伺服系統(tǒng)中常用的驅動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。交流伺服電機由于具有可靠性高、基本上不需要維護和造價低等特點而被廣泛采用。 直流伺服電動機引入了機械換向裝置。其成本高，故障多，維護困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設備產(chǎn)生電磁干擾。同時機械換向器的換向能力，限制了電動機的容量和速度。電動機的電樞在轉子上，使得電動機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。 交流伺服已占據(jù)了機床進

6、給伺服的主導地位，并隨著新技術的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個方面。一是系統(tǒng)功率驅動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應用；二是基于微處理器嵌入式平臺技術的成熟，將促進先進控制算法的應用；三是網(wǎng)絡化制造模式的推廣及現(xiàn)場總線技術的成熟，將使基于網(wǎng)絡的伺服控制成為可能。 1.3、主要設計任務參數(shù) 車床控制精度：0.01mm（即為脈沖當量）；最大進給速度：Vmax=540mm/min。 最大加工直徑為Dmax=400mm，工作臺及刀架重：110㎏；最大軸 ，向力=160㎏；導軌靜摩擦系數(shù)=0.2；行程=1280mm；步進電機：110BF003；步距角：0.

7、75°；電機轉動慣量：J=1.8×10-2 ㎏.m2。 第二章、數(shù)控車床縱向進給系統(tǒng)傳動的方案設計 數(shù)控機床進給驅動對位置精度、快速響應特性、調速范圍等有較高的要求。實現(xiàn)進給驅動的電機主要有三種：步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。目前，步進電機只適應用于經(jīng)濟型數(shù)控機床，直流伺服電機在我國正廣泛使用，交流伺服電機作為比較理想的驅動元件已成為發(fā)展趨勢。數(shù)控機床的進給系統(tǒng)當采用不同的驅動元件時，其進給機構可能會有所不同。電機與絲杠間的聯(lián)接主要有三種形式，如圖2-1所示。 2.1、帶有齒輪傳動的進給運動 數(shù)控機床在機械進給裝置中一般采用齒輪傳動副來達到一定

8、的降速比要求，如圖2-1a）所示。由于齒輪在制造中不可能達到理想齒面要求，總存在著一定的齒側間隙才能正常工作，但齒側間隙會造成進給系統(tǒng)的反向失動量，對閉環(huán)系統(tǒng)來說，齒側間隙會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪傳動副常采用消除措施來盡量減小齒輪側隙。但這種聯(lián)接形式的機械結構比較復雜。 圖2—1 電機與絲杠間的聯(lián)接形式 2.2、經(jīng)同步帶輪傳動的進給運動 如圖2-1b）所示，這種聯(lián)接形式的機械結構比較簡單。同步帶傳動綜合了帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點，可以避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，但只能適于低扭矩特性要求的場所。安裝時中心距要求嚴格，且同步帶與帶輪的制造工藝復雜。 2.3、電機通過聯(lián)軸器直接與絲

9、杠聯(lián)接 如圖2-1c）所示，此結構通常是電機軸與絲杠之間采用錐環(huán)無鍵聯(lián)接或高精度十字聯(lián)軸器聯(lián)接，從而使進給傳動系統(tǒng)具有較高的傳動精度和傳動剛度，并大大簡化了機械結構。在加工中心和精度較高的數(shù)控機床的進給運動中，普遍采用這種聯(lián)接形式。 根據(jù)進給系統(tǒng)的要求及設計要求，選擇帶有齒輪傳動的進給運動，選用最佳降速比，可以提高機床的分辨率，并使系統(tǒng)折算到驅動軸上的慣量減少；盡量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差，提高位移精度等。 第三章、運動設計 3.1、降速比計算 功率步進電動機型號為110BF003，其主要技術參數(shù)為最大靜轉矩為7.84,步距角0.75°,電機轉動慣量：

10、J=1.8×10-2 ㎏.m2；快速空載啟動時電動機轉速。進給傳動鏈的脈沖當量.選滾珠絲杠的螺距為12mm.由 （3—1） 式中 ——步進電動機的步距角 ——脈沖當量，mm S ——絲杠螺距, mm 3.2、減速齒輪的確定 選擇一級減速器，選齒輪，，模數(shù)，齒寬。 選擇斜齒輪調隙，齒輪的參數(shù)如表3—1。 3—1齒輪參數(shù)表 法向模數(shù) 2 齒數(shù) 20 齒形角 齒頂高系數(shù) 螺旋角 15o 徑向變位系數(shù) 0 精度等級

11、 配對齒輪 圖號 齒數(shù) 50 公差組 檢驗項目代號 極限偏差值 1 0.090 2 0.016 3 0.013 4 0.016 第四章、絲杠螺母機構的選擇與計算 已知條件：工作臺及刀架重：110㎏,所以重量為 最大行程：1280mm，失動量：，工作臺最高速度： 查表選擇絲桿預期壽命： 小時 ， 摩擦系數(shù)。 則導軌的靜摩擦力FO。 （4—1） 最大軸向負載 4.1、動載強度計算 當轉速時，滾珠絲杠；螺母的主要破壞形式是工作表面的疲勞點蝕，因此要進行動載強度計

12、算，其計算動載荷應小于或等于滾珠絲桿螺母副的額定動負荷，即 （4—2) 式中 ——動載荷系數(shù)，見表3 —1; ——硬度影響系數(shù)，見表3-2; ——當量動負荷，N; ——滾珠絲杠；螺母副的額定動負荷，N； ——壽命，以r為一個單位。 (4—3) 式中 T——使用壽命，h；按設計機床要求取T=15000h N——循環(huán)次數(shù)： ——

13、滾珠絲杠的當量轉速，r/min。 (4—4） 代入上式得 （4—5） 表4-1 動載荷系數(shù) 載荷性質 載荷性質 平穩(wěn)輕微沖擊 較大沖擊和振動 中等沖擊 表4-2 硬度影響系數(shù)、 硬度 55 52.5 50 47.5 45 40 1.0 1.11 1.35 1.56 1.92 2.40 3.85 1.0 1.11 1.40 1.67 2.10 2.64 4.50 當工作載荷單調連續(xù)或周期行單調連續(xù)變化時，則

14、 （4—6） 式中 ——最大和最小工作載荷，N。 查表4—1 4—2取=1.5 =1.56代入上式得 （4—7） 4.2、靜強度計算 當轉速時，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式為滾珠接觸面上產(chǎn)生較大的塑性變形，影響正常工作。因此，應進行靜強度計算，最大計算靜載荷為 （1—10） 式中 ——硬度硬度影響系數(shù)，見表5—2；取=1.67. ——滾珠絲杠螺母副的額定靜負荷，N。代入得 （4—8） 根據(jù)計算額定動負載荷和額定靜負荷初

15、選滾珠絲杠副型號為。 其基本參數(shù)為公稱直徑，導程，滾珠直徑。額定動負荷，額定靜負荷。動載荷與靜載荷載均滿足要求。 4.3、臨界轉速校核 對于高速長絲杠有可能發(fā)生共振，需要算其臨界轉速，不會發(fā)生共振的最高轉速為臨界 轉速 （4—9） （4—10） 式中 ——臨界轉速計算長度，m； ——絲杠支撐方式系數(shù)。兩端固定時， 代入數(shù)據(jù)得 遠遠小于其最大速度，故臨界轉速滿足。 4.4、額定壽命的校核 滾珠絲杠的額定動載荷，已知其軸向載荷，滾珠絲杠的

16、轉速，運轉條件系數(shù)，則有 （4—11） （4—12） 滾珠絲杠螺母副的總工作壽命，故滿足要求。 第五章、動力計算 5.1、傳動件轉動慣量的計算 5.11、小齒輪的轉動慣量 （5—1） 式中 ——齒輪分度圓直徑，mm， ； （5—2） ——齒輪寬度，mm。 5.12、大齒輪轉動慣量 （5—3） 式中 ——齒輪分度圓直徑，mm （5—4） 5.13、計算工作臺

17、的轉動慣量JW （5—5) 式中 W——工作臺（包括工件）的質量， kg； S——絲杠螺距，mm。 5.14、計算絲杠的轉動慣量Js (5—6） 式中L——支撐距，mm。 5.15、負載折算到電動機軸上的轉動慣量為： （5—7） 5.2、電動機力矩的計算 5.2.1、計算加速力矩Ma （5—8） 5.2.2、計算摩擦力矩Mf （5—9） 式中 —

18、—傳動鏈總效率，取=0.8。 5.2.3、計算附加摩擦力矩 （5—10） 式中 ——傳動鏈總效率，取=0.8； ——滾珠絲杠未預緊時的效率，取=0.9。 5.2.4、空載啟動時電動機所需力矩： （5—11） 因此，選用7.84的步進電機滿足要求。 第六章、絲杠螺母機構的傳動剛度計算 滾珠絲杠一段軸向支撐，絲杠的最小拉壓剛度和最大拉壓剛度分別為： （6—1) (6—2） 式中 E——彈性模量。 按近似估算，將絲杠本身的拉壓剛度乘以1/3，作為傳動的綜

19、合拉壓剛度，即： （6—3） （6—4） 反向死區(qū)誤差計算 （6—5） 所以能滿足單脈沖進給的要求。 計算由于傳動剛度的變化的定位誤差，應使 （6—6） 滿足由于傳動剛度變化引起的定位誤差小于機床定位精度的要求。 第七章、結構設計 7.1、滾珠絲杠的支承 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應有較高要求，其兩端支承的配置情況有：一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短絲杠和垂直進給絲杠；一端固定一端浮動的方式，常用于較

20、長的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長絲杠或高轉速、高剛度、高精度的絲杠，這種配置方式可對絲桿進行預拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式，以實現(xiàn)高剛度、高精度以及對絲杠進行拉伸。 絲杠中常用的滾動軸承有以下兩種：滾針—推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60°角接觸軸承，在這兩種軸承中，60°角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進行組合，但剛度較后者低，目前在一般中小型數(shù)控機床中被廣泛應用。滾針—圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。 60°角接觸軸承的組合配置形式有面對面的組合、背靠背組合、同向組合、一對同向與左邊一個面對面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過

21、程中難免有誤差，又由于面對面組合方式，兩接觸線與軸線交點間的距離比背對背時小，實現(xiàn)自動調整較易。因此在進給傳動中面對面組合用得較多。在此設計中采用了以面對面配對組合的60°角接觸軸承，以容易實現(xiàn)自動調整。滾珠絲杠工作時要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預拉伸的結構，使預拉伸量略大于熱膨脹量。 7.2、滾珠絲杠螺母副間隙消除和預緊 滾珠絲杠螺母機構是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置，是數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動裝置。 滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會產(chǎn)生嚴重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預緊力成正比。如果滾

22、珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較??；當滾珠絲杠反向旋轉時，螺母不會立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動精度。因此，滾珠絲杠螺母副必須消除間隙，并施加預緊力，以保證絲杠、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高滾珠絲杠螺母副的接觸剛度。 滾珠絲杠螺母副通常采用雙螺母結構，如圖7—1所示 1.滾珠螺母；2.緊定螺釘；3.支座；4.滾珠絲杠；5.調整墊片 圖7—1雙螺母滾珠絲杠 圖中1代表滾珠螺母，3代表支座，螺母與支座之間有調整墊片，通過調整墊片來調節(jié)滾珠螺母與滾珠絲杠螺紋之間的間隙。 通過調整兩個螺母之間的軸向位置，使兩個螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個不同的側

23、面接觸，產(chǎn)生一定的預緊力，以達到提高軸向剛度的目的。調整預緊有多種方式，上圖所示的為墊片調整式，通過改變墊片的厚薄來改變兩個螺母之間的軸向距離，實現(xiàn)軸向間隙消除和預緊。這種方式的優(yōu)點是結構簡單、剛度高、可靠性好。 7.3、主要結構性能及特點的分析 在本設計的進給系統(tǒng)中的主要結構零件是滾珠螺母絲杠，以下簡要介紹其傳動的形式及主要主要特點。 滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動或將直線運動轉變?yōu)樾D運動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展。滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動體的螺旋傳動元件。滾珠絲杠副有多種結構型式。按滾珠循環(huán)方式分為外循環(huán)

24、和內循環(huán)兩大類。外循環(huán)回珠器用插管式的較多，內循環(huán)回珠器用腰形槽嵌塊式的較多。按螺紋軌道的截面形狀分為單圓弧和雙圓弧兩種截形。由于雙圓弧截形軸向剛度大于單圓弧截形，因此目前普遍采用雙圓弧截形的絲杠。按預加負載形式分，可分為單螺母無預緊、單螺母變位導程預緊、單螺母加大鋼球徑向預緊、雙螺母墊片預緊、雙螺母差齒預緊、雙螺母螺紋預緊。數(shù)控機床上常用雙螺母墊片式預緊，其預緊力一般為軸向載荷的1/3。 滾珠絲杠副與滑動絲杠螺母副比較有很多優(yōu)點：傳動效率高、靈敏度高、傳動平穩(wěn)：磨損小、壽命長；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等。 第八章、總結與體會 經(jīng)過為期兩周的奮戰(zhàn)我的《數(shù)控機床系統(tǒng)設計》課程設

25、計終于完成了。雖然比較辛苦但是獲益也良多。課程設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。 在這次課程設計中也使我們的同學關系更進一步了，同學之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學。 總之，不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較多，真

26、是萬事開頭難，不知道如何入手,最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結論：知識必須通過應用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。 在整個設計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響，而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設計做的也不太好，但是在設計過程中所學到的東西是這次課程設計的最大收獲和財富，使我終身受益。

27、 參考文獻資料 [1] 文懷興 夏田編著 數(shù)控機床系統(tǒng)設計 化學工業(yè)出版社 北京 [2] 文懷興 夏田編著 數(shù)控機床設計實踐指南 化學工業(yè)出版社 北京 [3] 濮良貴 紀名剛主編 機械設計 高等教育出版社 北京 [4] 吳克堅 鄭文偉主編 機械原理 高等教育出版社 北京 [5] 盧秉恒主編 機械制造技術基礎 機械工業(yè)出版社 北京 [6] 曹金榜主編 機床主軸/變速箱設計指導 機械工業(yè)出版社 北京 [7] 周開勤主編 機械零件手冊 高等教育出版社 北京 [8] 上海紡織工學院、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學主編 機床設計圖冊 上?？茖W技術出版社 上海