【053】3C618數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)設(shè)計(論文+DWG圖紙)

【053】3C618數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)設(shè)計(論文+DWG圖紙),053,c618,數(shù)控車床,傳動系統(tǒng),設(shè)計,論文,dwg,圖紙 第五章 伺服進給系統(tǒng)的改造設(shè)計與計算伺服進給機構(gòu)的設(shè)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(gòu)，那么，伺服驅(qū)動系統(tǒng)便是數(shù)控機床的“四肢”，是執(zhí)行機構(gòu)，它忠實而準(zhǔn)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(qū)動控制系統(tǒng)與機床進給機械傳動機構(gòu)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(dǎo)軌和工作臺拖板等組成。對于伺服驅(qū)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(qū)動，它由步進電機驅(qū)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(qū)動方式，并且是雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)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(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器以及功率驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)軌與工作臺拖板之間。通常伺服驅(qū)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(zhuǎn)化為機床進給運動的執(zhí)行機構(gòu)。為確保機床的加工質(zhì)量和效率，機床對其伺服系統(tǒng)有“穩(wěn)、準(zhǔn)、快、寬、足”五個要求，它反映了伺服驅(qū)動系統(tǒng)的五項性能指標(biāo),具體的內(nèi)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(fù)載等所產(chǎn)生的波動對其影響甚小，有較硬的調(diào)速機械特性，過載能力強，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性好，以確保工件加工的一致性。準(zhǔn) 及準(zhǔn)確性，為確保加工質(zhì)量，除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外，還必須有較高的準(zhǔn)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(guān)重要的性能指標(biāo)。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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)靈敏。寬 即有較寬的調(diào)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(biāo)：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(qū)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(yīng)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(biāo)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(gòu)的設(shè)計內(nèi)容和設(shè)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(shè)計方案論證中所說，本設(shè)計任務(wù)的精度要求不高，結(jié)合經(jīng)濟型改造的特點，設(shè)計者采用以步進電機為驅(qū)動的開環(huán)控制方式來設(shè)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(dá)的伺服性能，即對應(yīng)一定的脈沖，必定有一定的轉(zhuǎn)角，從而通過絲杠螺母機構(gòu)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0.010.02mm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(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，工作可靠，穩(wěn)定性好。 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算1、進給系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)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(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)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(qū)動滾珠絲杠，帶動刀架左右移動。縱向進給系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容有：滾珠絲杠副的設(shè)計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設(shè)計、步進電動機的選擇等。2、縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算（1）已知條件：1）、縱向脈沖當(dāng)量 p=0.001mm/脈沖；2）、縱向最高進給速度 Vfymax=2m/min；3）、C618車床工作臺質(zhì)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(shè)計手冊查出， =35% （51）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(shè)計計算可知： Pa=11kw取比例系數(shù)為4% 則Pdf= Pa4%=0.44kw （52）根據(jù)機床設(shè)計手冊查出， Fy= （53）式中：f-進給系統(tǒng)效率，其范圍為0.150.20，取f =0.175 Vf-進給速度（m/min），查實用機床設(shè)計手冊可知：Vf=（1/21/3）Vfymax （54）取 Vf=（1/2）Vfymax=1 m/min 則 FZ=4712.4 (N)當(dāng)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(shè)計手冊中可知，在一般圓切削時：=（0.10.6） （55）=（0.150.7） （56）=0.5=0.54712.4=2356.2（）=0.6=0.64712.4=2827.44（）（3）、滾珠絲杠的設(shè)計計算滾珠絲杠在工作中承受軸向負(fù)載，使得滾珠和滾道型面間產(chǎn)生接觸應(yīng)力；對滾道型面上某一點，是交變接觸應(yīng)力。在這種交變應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一定的應(yīng)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(shè)計滾珠絲杠副的時候，須保證能夠它在一定的軸向負(fù)載的作用下，在回轉(zhuǎn)106轉(zhuǎn)后，滾道上雖然受滾珠壓力，但不應(yīng)有點蝕現(xiàn)象發(fā)生，此時所能承受的軸向負(fù)載成為這種滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)載Q。滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此滾珠絲杠副的設(shè)計歸結(jié)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(shè)計手冊中查得： （57）式中: fh - 壽命系數(shù) fd - 載荷性質(zhì)系數(shù) fH - 動載荷硬度系數(shù) fn - 轉(zhuǎn)速系數(shù) Fd - 最大工作負(fù)載 (N)根據(jù)實用機床設(shè)計手冊可知： 選工作壽命: Lh =15000h, 則 fh =3.107 （58） 選載荷性質(zhì)系數(shù): fd =1.35; 選動載荷硬度系數(shù):fH =1.0; 轉(zhuǎn)速系數(shù): fn = ; （59） V =1000mm/min根據(jù)上述選擇的情況下,計算結(jié)果如表5.1所示; 表5.1 動載荷計算絲杠導(dǎo)程L0/mm121086n =V/L0 (r/min)8303100125166.7fn0.7370.6930.6940.584c/n26883285903081333926綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向力: （510）式中:K=1.15; f=0.150.18,取0.16.得; =3623.6 (N)壽命值; （511）最大負(fù)載; （512） =11395.8 (N)查參考文獻(xiàn)實用機床設(shè)計手冊可選用NL4510型號的滾珠絲杠副,名義直徑為45mm,絲杠導(dǎo)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； （513） 式中： - 螺紋的螺旋升角 - 摩擦角 ； 所以，= 則： （514） 經(jīng)驗表明：在數(shù)控化改造設(shè)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(shè)計齒輪傳動比i: （515） 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(diào)質(zhì)，選小齒輪硬度為260HB290HB，大齒輪硬度為220HB250HB，精度選用六級，模數(shù)m=2mm , 齒寬b=20mm, 螺旋角=，齒數(shù)Z1=18，齒數(shù)Z2=75，則： （516） （517）還應(yīng)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； （518）（2）、等效轉(zhuǎn)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(qū)動力矩及動態(tài)的快速反應(yīng)有直接關(guān)系，因此核算轉(zhuǎn)動慣量很有必要?？v向伺服系統(tǒng)改進后等效轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量簡圖等效步進電動機軸的轉(zhuǎn)動慣量計算，采用下式； （519） 式中： -工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 -滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 -齒輪1的轉(zhuǎn)動慣量 -齒輪2的轉(zhuǎn)動慣量= （520）=100=0.146（）滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： =7.8 （521） =7.8140=45.741（）齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： =7.82=0.262（） =7.82=78.975（） 電動機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此總的轉(zhuǎn)動慣量： =7.58（）=75.8（3）、所需轉(zhuǎn)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 （522） 2）、 最大切削負(fù)載時所需力矩： M=Mat+Mf+M0+Mt （523） 3）、快速進給所需力矩 M=Mf+M0 （524）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(yù)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(fù)載力矩。Ma= （Nm） （525） 式中；T為時間常數(shù)T=0.025s 當(dāng)n=nmax時，Mamax=Ma； nmax = =834r/min （526） Mamax=2.764（Nm）=276.4（）當(dāng)n=nt時，Mat=Ma； （527） = =12.51 （r/min）Mat=0.0395 （Nm）=3.95（） （528） 當(dāng)=0.8， f=0.16時； =7.64（NCM） 當(dāng)=0.9時： = （529）=0.854（）=8.54（） = （530）=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 （NCM ） 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 （NCM ）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 （NCM ）4）、步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjm 為。 （531） =851.3 （NCM ）5）、步進電動機的最高頻率計算； （HZ） （532）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。 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算1、進給系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容經(jīng)濟型數(shù)控車床改造的橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計比較簡單，一般是步進電動機經(jīng)減速后驅(qū)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(shè)計的主要內(nèi)容有：滾珠絲杠副的設(shè)計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設(shè)計、步進電動機的選擇等。2、橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算（1）、已知條件：1）、縱向脈沖當(dāng)量 y=0.0005mm/脈沖；2）、縱向最高進給速度 Vfymax=1m/min；3）、C618車床工作臺質(zhì)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(shè)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。=0.54712.4=2356.2（）=0.5=0.62356.2=1178.1（）（3）、滾珠絲杠的設(shè)計計算滾珠絲杠在工作中承受軸向負(fù)載，使得滾珠和滾道型面間產(chǎn)生接觸應(yīng)力；對滾道型面上某一點，是交變接觸應(yīng)力。在這種交變應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一定的應(yīng)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(shè)計滾珠絲杠副的時候，須保證能夠它在一定的軸向負(fù)載的作用下，在回轉(zhuǎn)106轉(zhuǎn)后，滾道上雖然受滾珠壓力，但不應(yīng)有點蝕現(xiàn)象發(fā)生，此時所能承受的軸向負(fù)載成為這種滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)載Q。滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此滾珠絲杠副的設(shè)計歸結(jié)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(fù)載; =6287.5 (N)查參考文獻(xiàn)實用機床設(shè)計手冊可選用 WD2004型號的滾珠絲杠副,名義直徑為20mm,絲杠導(dǎo)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(shè)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(shè)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(diào)質(zhì)，選小齒輪硬度為260HB290HB，大齒輪硬度為220HB250HB，精度選用六級，模數(shù)m=2mm , 齒寬b=20mm, 螺旋角=，齒數(shù)Z1=20，齒數(shù)Z2=66，則： 還應(yīng)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(zhuǎn)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(qū)動力矩及動態(tài)的快速反應(yīng)有直接關(guān)系，因此核算轉(zhuǎn)動慣量很有必要。改造后的橫向伺服系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量簡圖如下:圖5-2 改造后的縱向伺服系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量簡圖等效步進電動機軸的轉(zhuǎn)動慣量計算，采用下式； 式中： -工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 -滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 -齒輪1的轉(zhuǎn)動慣量 -齒輪2的轉(zhuǎn)動慣量=40=1.46（）=0.0146（）滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： =7.850=0.624（）齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： =7.82=0.4（） =7.82=47.36（）電動機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此總的轉(zhuǎn)動慣量： =4.82（）=48.2（3）、所需轉(zhuǎn)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(fù)載時所需力矩： M=Mat+Mf+M0+Mt 3）、快速進給所需力矩Ma= NM 式中；T為時間常數(shù)T=0.025s 當(dāng)n=nmax時，Mamax=Ma； nmax = =833.25r/min Mamax=1.67（Nm）=167（ Ncm）當(dāng)n=nt時，Mat=Ma；= = =66.34 （r/min）Mat=0.0348 （Nm）=3.48（） 當(dāng)=0.8， f=0.2時； =0.193（）=1.93（） 當(dāng)=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(Ncm)4）、步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjm 為。 =490 (Ncm)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。