1076-C618數控車床的主傳動系統設計

1076-C618數控車床的主傳動系統設計,c618,數控車床,傳動系統,設計 第五章 伺服進給系統的改造設計與計算伺服進給機構的設計是普通車床經濟型數控改造的主要部分，如果說 CNC系統是數控機床的“大腦” ，是發(fā)布“命令”的指揮機構，那么，伺服驅動系統便是數控機床的“四肢”，是執(zhí)行機構，它忠實而準確的執(zhí)行由 CNC系統發(fā)來的運動命令。伺服控制系統是聯接數控系統與機床的樞紐，其性能是影響數控機床的精度、穩(wěn)定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。一、伺服系統的組成原理和要求(一)、伺服系統的組成原理機床進給伺服系統主要由伺服驅動控制系統與機床進給機械傳動機構兩大部分組成。機床進給機械傳動系統通常由減速齒輪、滾珠絲杠、機床導軌和工作臺拖板等組成。對于伺服驅動控制系統，按其反饋信號的有無，分為開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式。對于開環(huán)伺服系統只能由步進電機驅動，它由步進電機驅動電源和電動機組成。閉環(huán)伺服系統則分為直流電動機和交流電動機兩種驅動方式，并且是雙閉環(huán)系統，內環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中用作速度反饋的檢測裝置為測速發(fā)電機、脈沖編碼器等。速度控制單元是一個獨立的單元部件，它由速度調節(jié)器、電流調節(jié)器以及功率驅動放大器等部分組成。位置環(huán)是由 CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等部分組成。根據其位置檢測信號所取部位不同，它又分為半閉環(huán)和全閉環(huán)兩種。半閉環(huán)采用轉角位置檢測裝置，安裝于滾珠絲杠端部，或直接與伺服電動機轉子的后端相連（與伺服電動機成一體） ；對于全閉環(huán)系統需要采用直線位置檢測裝置，安裝于機床導軌與工作臺拖板之間。通常伺服驅動控制單元與電動機由一個生產廠家配套提供（甚至包括位置檢測裝置） 。（二） 、伺服系統的要求伺服系統是把數控信息轉化為機床進給運動的執(zhí)行機構。為確保機床的加工質量和效率，機床對其伺服系統有“穩(wěn)、準、快、寬、足”五個要求，它反映了伺服驅動系統的五項性能指標,具體的內容如下:穩(wěn) 即穩(wěn)定性，也就是要求系統有較好的抗干擾性，保證電源、環(huán)境、負載等所產生的波動對其影響甚小，有較硬的調速機械特性，過載能力強，穩(wěn)定性好，適應性好，以確保工件加工的一致性。準 及準確性，為確保加工質量，除要求系統穩(wěn)定外，還必須有較高的準確定位精度。數控機床是由數控系統發(fā)出指令自動完成整個加工過程，它不象普通機床那樣，中間可以由操作者測量工件后再通過操縱手輪來修正加工偏差。由于數控機床是按加工程序一次完成加工，所以進給系統的定位精度直接決定了工件的加工精度，這也是考核數控機床的一項至關重要的性能指標。通常影響數控加工精度的主要因素有：數控系統精度（主要取決于插補運算精度） ；伺服系統精度；機床機械精度（如主軸、刀架、工作臺回轉精度，刀具、工件裝夾精度等） 。其中伺服系統精度起主要作用。快 即快速響應性。機床進給伺服系統實際上就是一種高精度的位置隨動系統，它不但要求靜態(tài)誤差小，也要求動態(tài)響應快，具體表現在起、停的升降速過程短，有較高的加速度，即要求系統的機電時間常數小，反應靈敏。寬 即有較寬的調速范圍。通常數控機床在實際運行中，對工作臺的進給速度要求滿足兩項指標：輕載快速趨近定位速度（即編程指令 G00的速度） 、切削進給速度（即編程指令 G01、G02 等后面的 F值所要求的速度） 。足 即有足夠的輸出扭矩或驅動功率。特別是要滿足強力切削和高速切削的要求，并且還要求系統有相應的過載能力，以確保穩(wěn)定性。對進給伺服系統除了上述五項主要性能指標外，也要求溫升低、噪聲小、效率高、體積小、價格低、控制方便、線性度好（如輸出速度與輸入電壓成線性） 、可靠性高，維修保養(yǎng)方便，對溫度、濕度等環(huán)境要求寬等等。二 伺服進給機構的設計內容和設計計算數控機床的伺服進給系統的控制方式有多種，如：開環(huán)控制閉環(huán)控制以及半閉環(huán)控制。正如總體設計方案論證中所說，本設計任務的精度要求不高，結合經濟型改造的特點，設計者采用以步進電機為驅動的開環(huán)控制方式來設計其伺服進給系統。下面對開換系統的控制形式及特點加以簡要分析。1、工作原理及控制特點開環(huán)控制系統利用脈沖馬達的伺服性能，即對應一定的脈沖，必定有一定的轉角，從而通過絲杠螺母機構使工作臺移動一定的距離。2、定位精度雖然開環(huán)控制系統很難保證較高的位置控制精度，對于影響定位精度的機械傳動裝置的剛度、摩擦、慣量、間隙等的要求較高，一般在 0.01～ 0.02mm之間；但對于經濟型?數控車床來說，定位精度要求并不高。3、穩(wěn)定性結構簡單，調試方便，工作可靠，穩(wěn)定性好?？v向進給系統的設計與計算1、進給系統的設計內容經濟型數控車床的改造一般是將絲杠、光杠及安裝座拆去，配上滾珠絲杠及相應的安裝裝置，縱向驅動的步進電動機及減速箱安裝在車床的車尾。書控車床通過步進電動機經減速驅動滾珠絲杠，帶動刀架左右移動?？v向進給系統設計的主要內容有：滾珠絲杠副的設計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設計、步進電動機的選擇等。2、縱向進給系統的設計計算（1）已知條件：1） 、縱向脈沖當量 δ p=0.001mm/脈沖；2） 、縱向最高進給速度 V fymax=2m/min；3） 、C618 車床工作臺質量 w=100kg=1000N（根據圖形尺寸粗略計算） 。4） 、時間常數 T=25ms（2） 、縱向進給切削力 Fz的確定根據《機床設計手冊》查出，=3～5% （5—1）adfP式中： P df ----進給系統所需電機功率Pa -----主傳動電機功率由前面的設計計算可知： Pa=11kw取比例系數為 4% 則Pdf= Pa×4%=0.44kw （5—2）根據《機床設計手冊》查出，Fy= （5—3）fdVP6120??式中：η f----進給系統效率，其范圍為 0.15～0.20，取 η f =0.175Vf-----進給速度（m/min） ，查《實用機床設計手冊》可知：Vf=（1/2～1/3）·V fymax （5—4）取 V f=（1/2）V fymax=1 m/min 則 F Z=4712.4 (N)當 FZ=4712.4N時，切削深度 ap=2mm，走刀量 f=0.3mm .以此參數作為下面計算的依據，從《實用機床設計手冊》中可知，在一般圓切削時：=（0.1～0.6） （5—5）xzF=（0.15～0.7） （5—6）yz=0.5 =0.5×4712.4=2356.2（ ）xFz N=0.6 =0.6×4712.4=2827.44（ ）yz（3） 、滾珠絲杠的設計計算滾珠絲杠在工作中承受軸向負載，使得滾珠和滾道型面間產生接觸應力；對滾道型面上某一點，是交變接觸應力。在這種交變應力的作用下，經過一定的應力循環(huán)次數后滾珠和滾道型面產生疲勞損傷，從而使得滾珠絲杠喪失工作性能，這是滾珠絲杠破壞的主要形式。在設計滾珠絲杠副的時候，須保證能夠它在一定的軸向負載的作用下，在回轉 106轉后，滾道上雖然受滾珠壓力，但不應有點蝕現象發(fā)生，此時所能承受的軸向負載成為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載 Q。滾珠絲杠副已經標準化，因此滾珠絲杠副的設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇。1） 、額定動載荷與計算動載荷 C從《實用機床設計手冊》中查得：（5—7）dHdhFfn??式中: f h ---- 壽命系數fd ---- 載荷性質系數 fH ---- 動載荷硬度系數fn ---- 轉速系數Fd ---- 最大工作負載 (N)根據《實用機床設計手冊》可知：選工作壽命: L h =15000h, 則fh = =3.107 （5—8）3/1)50(選載荷性質系數: f d =1.35;選動載荷硬度系數:f H =1.0;轉速系數: f n = ; （5—9）3/1).(V =1000mm/min根據上述選擇的情況下,計算結果如表 5.1所示;表 5.1 動載荷計算絲杠導程 L0/mm 12 10 8 6n =V/L0 (r/min) 8303 100 125 166.7fn 0.737 0.693 0.694 0.584c/n 26883 28590 30813 33926綜合導軌車床絲杠的軸向力:（5—10）W)(Ff'kZX??式中:K=1.15; f’=0.15—0.18,取 0.16.得;=3623.6 (N)10)(472.0.162351. ???壽命值;（5—11）810510tnL66ii ??最大負載;（5—12）FfQHw3i?= =11395.8 (N)6.231.8查參考文獻《實用機床設計手冊》可選用 NL4510型號的滾珠絲杠副,名義直徑為 45mm,絲杠導程為 10 mm, 螺旋角 ,滾珠例數為 3系列, 其額定動載荷為 33300N,所以其強'4o??度夠用。2） 、支承方式選用“單推—單推”的支承方式。3） 、效率計算；（5—13）)(?????tg式中： ---- 螺紋的螺旋升角 ?'34o?---- 摩擦角 ； 所以， = 則：?0..?t ?''4513（5—14）%97)4513(''''??otg?經驗表明：在數控化改造設計中，有普通絲杠換成滾珠絲杠，只要名義直徑相同，支承方式相同或有改善，其絲杠的強度，剛度和穩(wěn)定性計算可以不計算，因為采用類比法，改善后肯定合格。（4） 、齒輪設計齒輪傳動比 i:（5—15） 517.40.36510????pLi??式中； ---- 步進電動機的步矩角，選為 1.50，計算出 i〈 5，因此可以選一級傳動。大小齒輪都采用 45號鋼調質，選小齒輪硬度為 260HB—290HB，大齒輪硬度為 220HB—250HB，精度選用六級，模數 m=2mm , 齒寬 b=20mm, 螺旋角 α= ，02齒數 Z1=18，齒數 Z2=75，則：（5—16）3618??mzd5072（5—17）9)(1?da還應該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經校核均合格，其校核過程略。3、步進電動機的確定（1） 、步進電動機步矩角的選擇；（5—18）00 5.107.436????Lip??（2） 、等效轉動慣量的計算慣量對運動特性有很大影響，對加速能力，加速時驅動力矩及動態(tài)的快速反應有直接關系，因此核算轉動慣量很有必要?？v向伺服系統改進后等效轉動慣量的簡圖如下:圖 5-1 改造后的縱向伺服系統等效轉動慣量簡圖等效步進電動機軸的轉動慣量計算，采用下式；（5—19）??121JJizzs??式中： ----工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量1J----滾珠絲杠轉動慣量s----齒輪 1的轉動慣量1zJ----齒輪 2的轉動慣量2z= （5—20）1JWP80?????????= ×100=0.146（ · ）25.43?kgf2cm滾珠絲杠轉動慣量： =7.8× （5—21）sJ410?D1L=7.8× × ×140=45.741（ ）5. ?kgf2cm齒輪的轉動慣量： =7.8× × ×2=0.262（ ） 1zJ4?63=7.8× × ×2=78.975（ ） 2z01?kf2c電動機轉動慣量很小可忽略，因此總的轉動慣量：=J??121Jizzs?= ??146.02.975.841.57.2 ????????=7.58（ ）=75.8?kgf2cm)(cN?（3） 、所需轉動力矩計算：折算到步進電動機軸的力矩可分為三種情況進行計算。1） 、快速空載啟動時所需力矩：M=Mamax+Mf+M0 （5—22）2） 、 最大切削負載時所需力矩：M=Mat+Mf+M0+Mt （5—23）3） 、快速進給所需力矩M=Mf+M0 （5—24）式中：M amax--空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩；Mf --折算到電機軸上的摩擦力矩；M0 --由絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的摩擦力矩；Mat--切削時折算到電機軸上的加速度力矩；Mt --切削時折算到電機軸上的切削負載力矩。Ma= （N·m） 416.9??TJn（5—25）式中；T 為時間常數 T=0.025s當 n=nmax時，M amax=Ma；nmax = =834r/min （5—107.420mx??LiV26）Mamax= 425.69837??=2.764（N·m）=276.4（ · ）Ncm當 n=nt時，M at=Ma；0Lfi主nt?（5—27） = 107.43?=12.51 （r/min）Mat= 425.698?=0.0395 （N·m）=3.95（ · ）NcmiwLff??0'?（5—28）當 η=0.8， f`=0.16 時；17.480.326??fM=7.64（N·CM）當 =0.9時： = （5—0?0??206???iLFx29）= ??29.17.4801.3?=0.854（ · ）=8.54（ · ）kgfcmNc= tMiLFx??20（5—30）= 17.480.3?=13.5（ · ）=135（ · ）kgfcmNc從而求得，快速空載啟動所需力矩M=Mamax+Mf+M0=276.4+7.64+8.54=294.88 （N·CM ）切削時所需力矩M=Mat+Mf+M0+Mt=3.95+7.64+8.54+135=155 （ · ）Ncm快速進給時所需力矩M=Mf+M0 =7.64+8.54=16.18 （N·CM ）由以上分析計算可知，所需最大力矩 Mmax發(fā)生在快速啟動時，即：Mmax=294.88 （N·CM ）4） 、步進電動機的最大靜轉矩 Tjm 為。（5—86.0486.0max??Tjm31）..29=851.3 （N·CM ）5） 、步進電動機的最高頻率計算；（H Z） （5—32）3.01.620maxax ???pVf?電動機采用三相六拍的工作方式，經綜合考慮，選用 110BF003型的直流步進電動機能滿足要求。橫向進給系統的設計與計算1、進給系統的設計內容經濟型數控車床改造的橫向進給系統的設計比較簡單，一般是步進電動機經減速后驅動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電動機安裝在大拖板上，用發(fā)蘭盤將步進電動機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。橫向進給系統設計的主要內容有：滾珠絲杠副的設計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設計、步進電動機的選擇等。2、橫向進給系統的設計計算（1） 、已知條件：1） 、縱向脈沖當量 δ y=0.0005mm/脈沖；2） 、縱向最高進給速度 V fymax=1m/min；3） 、C618 車床工作臺質量 w=40kg=4000N（根據圖形尺寸粗略計算） 。4） 、時間常數 T=25ms（2） 、橫向進給切削力 Fx的確定根據《機床設計手冊》可知；橫向進給量為縱向的 1/2--1/3 ，取 1/2，則切削力約為縱向的 1/2。=0.5×4712.4=2356.2（ ）z N=0.5 =0.6×2356.2=1178.1（ ）xFz（3） 、滾珠絲杠的設計計算滾珠絲杠在工作中承受軸向負載，使得滾珠和滾道型面間產生接觸應力；對滾道型面上某一點，是交變接觸應力。在這種交變應力的作用下，經過一定的應力循環(huán)次數后滾珠和滾道型面產生疲勞損傷，從而使得滾珠絲杠喪失工作性能，這是滾珠絲杠破壞的主要形式。在設計滾珠絲杠副的時候，須保證能夠它在一定的軸向負載的作用下，在回轉 106轉后，滾道上雖然受滾珠壓力，但不應有點蝕現象發(fā)生，此時所能承受的軸向負載成為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載 Q。滾珠絲杠副已經標準化，因此滾珠絲杠副的設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇。1） 、強度計算；W)(Ff'kZX??式中:K=1.4; f’=0.2,得;=2200.5 (N)40)(2356.0.1784. ??壽命值;1.010t6nL6ii ??最大負載;FfQHw3i?= =6287.5 (N)20.51.5查參考文獻《實用機床設計手冊》可選用 WD2004 型號的滾珠絲杠副,名義直徑為 20mm,絲杠導程為 4 mm ,螺旋角 ,滾珠例數為 3系列,其額定動載荷為 7600N,所以其強度'39o??夠用。2） 、支承方式選用“單推—單推”的支承方式。3） 、效率計算；)(?????tg式中： ---- 螺紋的螺旋升角 ?'39o?---- 摩擦角 = 則：?'1096.)3('''??otg? 經驗表明：在數控化改造設計中，有普通絲杠換成滾珠絲杠，只要名義直徑相同，支承方式相同或有改善，其絲杠的強度，剛度和穩(wěn)定性計算可以不計算，因為采用類比法，改善后肯定合格。（4） 、齒輪設計齒輪傳動比 i:53.0.364510????pLi??式中； ---- 步進電動機的步矩角，選為 1.50，計算出 i〈 5，因此可以選一級傳動。大小齒輪都采用 45號鋼調質，選小齒輪硬度為 260HB—290HB，大齒輪硬度為 220HB—250HB，精度選用六級，模數 m=2mm , 齒寬 b=20mm, 螺旋角 α= ，02齒數 Z1=20，齒數 Z2=66，則：401???mzd32628)(1?da還應該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經校核均合格，其校核過程略。3、步進電動機的確定（1） 、步進電動機步矩角的選擇；00 5.147.0.36????Lip??（2） 、等效轉動慣量的計算慣量對運動特性有很大影響，對加速能力，加速時驅動力矩及動態(tài)的快速反應有直接關系，因此核算轉動慣量很有必要。改造后的橫向伺服系統等效轉動慣量簡圖如下:圖 5-2 改造后的縱向伺服系統等效轉動慣量簡圖等效步進電動機軸的轉動慣量計算，采用下式； ??121JJizzs??式中： ----工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量1----滾珠絲杠轉動慣量sJ----齒輪 1的轉動慣量1z----齒輪 2的轉動慣量2zJ= ×4015.4308???????=1.46（ · ）=0.0146（ ）kgf2m?kgf2cm滾珠絲杠轉動慣量： =7.8× × ×50=0.624（ ）sJ410?f2齒輪的轉動慣量： =7.8× × ×2=0.4（ ）1z4??kgf2cm=7.8× × ×2=47.36（ ）2zJ042.13電動機轉動慣量很小可忽略，因此總的轉動慣量：=J??0146.64..73.2???????=4.82（ ）=48.2?kgf2cm)(2cN?（3） 、所需轉動力矩計算：折算到步進電動機軸的力矩可分為三種情況進行計算。1） 、快速空載啟動時所需力矩：M=Mamax+Mf+M02） 、 最大切削負載時所需力矩：M=Mat+Mf+M0+Mt3） 、快速進給所需力矩Ma= N·M416.9??TJn式中；T 為時間常數 T=0.025s當 n=nmax時，M amax=Ma；nmax = =833.25r/min43.10mx?LiVMamax= 25.698??=1.67（N·m）=167（ N·cm）當 n=nt時，M at=Ma；=0Lfi主nt?01DVfi?= 46.33.5?=66.34 （r/min）Mat= 1025.984?=0.0348 （N·m）=3.48（ · ）NcmiwLff??0'?當 η=0.8， f`=0.2 時；3.8014.32?fM=0.193（ ）=1.93（ · ）?kgfcmNc當 =0.9時：0?=0??2016???iLFx= ??29.013.814.367??=0.18（ · ）=1.8（ · ）kgfcmNc=tMiLFx??20= 3.814.37?=2.84（ · ）=28.4（ · ）kgfcmNc從而求得，快速空載啟動所需力矩M=Mamax+Mf+M0=16.7+0.193+0.18=17.073（ · ）kgfc切削時所需力矩M=Mat+Mf+M0+Mt=0.348+0.193+0.18+2.84=3.561 （ · ）kgfcm快速進給時所需力矩M=Mf+M0=0.193+0.18=0.373（ · ）kgfc由以上分析計算可知，所需最大力矩 Mmax發(fā)生在快速啟動時，即：Mmax=17.073（ · ）=170.73(N·cm)fm4） 、步進電動機的最大靜轉矩 Tjm 為。 86.0486.0ax??Tjm..731=490 (N·cm)5） 、步進電動機的最高頻率計算；（H Z）3.05.610maxax ???pVf?電動機采用三相六拍的工作方式，經綜合考慮，選用 110BF003型的直流步進電動機能滿足要求。