【053】3C618數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)設計(論文+DWG圖紙)
【053】3C618數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)設計(論文+DWG圖紙),053,c618,數(shù)控車床,傳動系統(tǒng),設計,論文,dwg,圖紙
第五章 伺服進給系統(tǒng)的改造設計與計算
伺服進給機構的設計是普通車床經(jīng)濟型數(shù)控改造的主要部分,如果說CNC系統(tǒng)是數(shù)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(tǒng)便是數(shù)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(tǒng)發(fā)來的運動命令。伺服控制系統(tǒng)是聯(lián)接數(shù)控系統(tǒng)與機床的樞紐,其性能是影響數(shù)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(tǒng)的組成原理和要求
(一)、伺服系統(tǒng)的組成原理
機床進給伺服系統(tǒng)主要由伺服驅動控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng),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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng),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(jù)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(tǒng)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(chǎn)廠家配套提供(甚至包括位置檢測裝置)。
(二)、伺服系統(tǒng)的要求
伺服系統(tǒng)是把數(shù)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(tǒng)有“穩(wěn)、準、快、寬、足”五個要求,它反映了伺服驅動系統(tǒng)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(tǒng)有較好的抗干擾性,保證電源、環(huán)境、負載等所產(chǎn)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(tǒng)穩(wěn)定外,還必須有較高的準確定位精度。數(shù)控機床是由數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控機床是按加工程序一次完成加工,所以進給系統(tǒng)的定位精度直接決定了工件的加工精度,這也是考核數(shù)控機床的一項至關重要的性能指標。
通常影響數(shù)控加工精度的主要因素有:數(shù)控系統(tǒng)精度(主要取決于插補運算精度);伺服系統(tǒng)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(tǒng)精度起主要作用。
快 即快速響應性。機床進給伺服系統(tǒng)實際上就是一種高精度的位置隨動系統(tǒng),它不但要求靜態(tài)誤差小,也要求動態(tài)響應快,具體表現(xiàn)在起、停的升降速過程短,有較高的加速度,即要求系統(tǒng)的機電時間常數(shù)小,反應靈敏。
寬 即有較寬的調速范圍。通常數(shù)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(tǒng)有相應的過載能力,以確保穩(wěn)定性。
對進給伺服系統(tǒng)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(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)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(jīng)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(tǒng)。下面對開換系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jīng)濟型數(shù)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。
<一> 縱向進給系統(tǒng)的設計與計算
1、進給系統(tǒng)的設計內容
經(jīng)濟型數(shù)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(jīng)減速驅動滾珠絲杠,帶動刀架左右移動。
縱向進給系統(tǒng)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(tǒng)的設計計算
(1)已知條件:
1)、縱向脈沖當量 δp=0.001mm/脈沖;
2)、縱向最高進給速度 Vfymax=2m/min;
3)、C618車床工作臺質量 w=100kg=1000N(根據(jù)圖形尺寸粗略計算)。
4)、時間常數(shù) T=25ms
(2)、縱向進給切削力Fz的確定
根據(jù)《機床設計手冊》查出,
=3~5% (5—1)
式中: Pdf ----進給系統(tǒng)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(shù)為4% 則
Pdf= Pa×4%=0.44kw (5—2)
根據(jù)《機床設計手冊》查出,
Fy= (5—3)
式中:ηf----進給系統(tǒng)效率,其范圍為0.15~0.20,
取ηf =0.175
Vf-----進給速度(m/min),查《實用機床設計手冊》可知:
Vf=(1/2~1/3)·Vfymax (5—4)
取 Vf=(1/2)Vfymax=1 m/min
則 FZ=4712.4 (N)
當FZ=4712.4N時,切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3mm .
以此參數(shù)作為下面計算的依據(jù),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)
=(0.15~0.7) (5—6)
=0.5=0.5×4712.4=2356.2()
=0.6=0.6×4712.4=2827.44()
(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(chǎn)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(jīng)過一定的應力循環(huán)次數(shù)后滾珠和滾道型面產(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(xiàn)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(jīng)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)
式中: fh ---- 壽命系數(shù)
fd ---- 載荷性質系數(shù)
fH ---- 動載荷硬度系數(shù)
fn ---- 轉速系數(shù)
Fd ---- 最大工作負載 (N)
根據(jù)《實用機床設計手冊》可知:
選工作壽命: Lh =15000h, 則
fh ==3.107 (5—8)
選載荷性質系數(shù): fd =1.35;
選動載荷硬度系數(shù):fH =1.0;
轉速系數(shù): fn = ; (5—9)
V =1000mm/min
根據(jù)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
6
n =V/L0 (r/min)
8303
100
125
166.7
fn
0.737
0.693
0.694
0.584
c/n
26883
28590
30813
33926
綜合導軌車床絲杠的軸向力:
(5—10)
式中:K=1.15; f’=0.15—0.18,取0.16.得;
=3623.6 (N)
壽命值;
(5—11)
最大負載;
(5—12)
==11395.8 (N)
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(shù)為3系列,其額定動載荷為33300N,所以其強度夠用。
2)、支承方式
選用“單推—單推”的支承方式。
3)、效率計算;
(5—13)
式中: ---- 螺紋的螺旋升角
---- 摩擦角 ; 所以,= 則:
(5—14)
經(jīng)驗表明:在數(shù)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)
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(shù)m=2mm , 齒寬b=20mm, 螺旋角α=,
齒數(shù)Z1=18,齒數(shù)Z2=75,則:
(5—16)
(5—17)
還應該校核齒輪表面接觸疲勞強度,彎曲疲勞強度。經(jīng)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)
(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。
縱向伺服系統(tǒng)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(tǒng)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)
式中: ----工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量
----滾珠絲杠轉動慣量
----齒輪1的轉動慣量
----齒輪2的轉動慣量
= (5—20)
=×100=0.146(·)
滾珠絲杠轉動慣量: =7.8× (5—21)
=7.8×××140=45.741()
齒輪的轉動慣量: =7.8×××2=0.262()
=7.8×××2=78.975()
電動機轉動慣量很小可忽略,因此總的轉動慣量:
=
=
=7.58()=75.8
(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:Mamax--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) (5—25)
式中;T為時間常數(shù)T=0.025s
當n=nmax時,Mamax=Ma;
nmax = =834r/min (5—26)
Mamax=
=2.764(N·m)=276.4(·)
當n=nt時,Mat=Ma;
(5—27)
=
=12.51 (r/min)
Mat=
=0.0395 (N·m)=3.95(·)
(5—28)
當η=0.8, f`=0.16時;
=7.64(N·CM)
當=0.9時: = (5—29)
=
=0.854(·)=8.54(·)
= (5—30)
=
=13.5(·)=135(·)
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 (·)
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—31)
=851.3 (N·CM )
5)、步進電動機的最高頻率計算;
(HZ) (5—32)
電動機采用三相六拍的工作方式,經(jīng)綜合考慮,選用110BF003型的直流步進電動機能滿足要求。
<一> 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算
1、進給系統(tǒng)的設計內容
經(jīng)濟型數(shù)控車床改造的橫向進給系統(tǒng)的設計比較簡單,一般是步進電動機經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)的設計計算
(1)、已知條件:
1)、縱向脈沖當量 δy=0.0005mm/脈沖;
2)、縱向最高進給速度 Vfymax=1m/min;
3)、C618車床工作臺質量 w=40kg=4000N(根據(jù)圖形尺寸粗略計算)。
4)、時間常數(shù) T=25ms
(2)、橫向進給切削力Fx的確定
根據(jù)《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()
=0.5=0.6×2356.2=1178.1()
(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(chǎn)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(jīng)過一定的應力循環(huán)次數(shù)后滾珠和滾道型面產(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(xiàn)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(jīng)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;
式中:K=1.4; f’=0.2,得;
=2200.5 (N)
壽命值;
最大負載;
==6287.5 (N)
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(shù)為3系列,其額定動載荷為7600N,所以其強度夠用。
2)、支承方式
選用“單推—單推”的支承方式。
3)、效率計算;
式中: ---- 螺紋的螺旋升角
---- 摩擦角 = 則:
經(jīng)驗表明:在數(shù)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:
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(shù)m=2mm , 齒寬b=20mm, 螺旋角α=,
齒數(shù)Z1=20,齒數(shù)Z2=66,則:
還應該校核齒輪表面接觸疲勞強度,彎曲疲勞強度。經(jīng)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;
(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(tǒng)等效轉動慣量簡圖如下:
圖5-2 改造后的縱向伺服系統(tǒng)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;
式中: ----工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量
----滾珠絲杠轉動慣量
----齒輪1的轉動慣量
----齒輪2的轉動慣量
=×40
=1.46(·)=0.0146()
滾珠絲杠轉動慣量:
=7.8×××50=0.624()
齒輪的轉動慣量:
=7.8×××2=0.4()
=7.8×××2=47.36()
電動機轉動慣量很小可忽略,因此總的轉動慣量:
=
=4.82()=48.2
(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
2)、 最大切削負載時所需力矩:
M=Mat+Mf+M0+Mt
3)、快速進給所需力矩
Ma= N·M
式中;T為時間常數(shù)T=0.025s
當n=nmax時,Mamax=Ma;
nmax = =833.25r/min
Mamax=
=1.67(N·m)=167( N·cm)
當n=nt時,Mat=Ma;
=
=
=66.34 (r/min)
Mat=
=0.0348 (N·m)=3.48(·)
當η=0.8, f`=0.2時;
=0.193()=1.93(·)
當=0.9時:
=
=
=0.18(·)=1.8(·)
=
=
=2.84(·)=28.4(·)
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(·)
切削時所需力矩
M=Mat+Mf+M0+Mt
=0.348+0.193+0.18+2.84
=3.561 (·)
快速進給時所需力矩
M=Mf+M0
=0.193+0.18
=0.373(·)
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)
4)、步進電動機的最大靜轉矩Tjm 為。
=490 (N·cm)
5)、步進電動機的最高頻率計算;
(HZ)
電動機采用三相六拍的工作方式,經(jīng)綜合考慮,選用110BF003型的直流步進電動機能滿足要求。
收藏
編號:3221945
類型:共享資源
大?。?span id="t3lbrrd" class="font-tahoma">2.11MB
格式:RAR
上傳時間:2019-12-09
20
積分
- 關 鍵 詞:
-
053
c618
數(shù)控車床
傳動系統(tǒng)
設計
論文
dwg
圖紙
- 資源描述:
-
【053】3C618數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)設計(論文+DWG圖紙),053,c618,數(shù)控車床,傳動系統(tǒng),設計,論文,dwg,圖紙
展開閱讀全文
- 溫馨提示:
1: 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
2: 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
3.本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
4. 未經(jīng)權益所有人同意不得將文件中的內容挪作商業(yè)或盈利用途。
5. 裝配圖網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內容負責。
6. 下載文件中如有侵權或不適當內容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
裝配圖網(wǎng)所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網(wǎng)友學習交流,未經(jīng)上傳用戶書面授權,請勿作他用。