數(shù)控車床伺服進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 —角加速度，rad/s^2；——電機(jī)工作的最高轉(zhuǎn)速，r/min；t1——加速時間，s。 電機(jī)所需的加速扭矩——加速扭矩，；——電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量， 計算各種運動狀態(tài)下點檢所需要的驅(qū)動扭矩加速運動狀態(tài)下的扭矩：等速運動狀態(tài)下的扭矩：減速速運動狀態(tài)下的扭矩：加速運動狀態(tài)下電機(jī)所需要的驅(qū)動扭矩最大，只要以這種情況下的最大驅(qū)動扭矩進(jìn)行計算就可以了。 電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量要求慣量比應(yīng)滿足以下關(guān)系：——慣量比；——折算到驅(qū)動電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動慣量，；——電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)選用電機(jī)型號為松下MSMA102P1H，參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速：3000r/min 最高轉(zhuǎn)速：6000r/min額定轉(zhuǎn)矩： 最高轉(zhuǎn)矩：額定輸出功率：3kw 慣量比：30倍以下 滾珠絲杠副的支承的設(shè)計滾珠絲杠副的支承為了獲得高精度、高剛度的進(jìn)給系統(tǒng)，不僅應(yīng)選用高精度、高剛度的滾珠絲杠副，而且必須十分重視滾珠絲杠支承的設(shè)計。我們選擇的支撐結(jié)構(gòu)形式選用一端固定一端游動的方式，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性低，設(shè)計時盡量使絲桿受拉伸。自由端的軸承主要承受徑向的載荷，軸向的載荷的載荷很小，在這里我們預(yù)選角接觸球軸承B6901ZZ來計算。，軸向負(fù)載50N，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，計算公式為 （）——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載，N；——徑向負(fù)載，N；——軸向負(fù)載，N；X、Y——系數(shù)。，，所以X=1，Y=0，再由基本額定壽命計算公式：——基本額定壽命，h；——基本動態(tài)額定負(fù)載；——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載，N；n——轉(zhuǎn)速，r/min。壽命計算大于一般數(shù)控機(jī)床的使用壽命標(biāo)準(zhǔn)時間20000h，符合條件。固定端采用雙列角接觸球軸承，能承受較大的徑向負(fù)荷為主的徑向和軸向聯(lián)合負(fù)荷和力矩負(fù)荷，限制軸的兩方面的軸向位移。在這里我們預(yù)選角接觸球軸承B51101來計算。，軸向負(fù)載50N，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，雙列軸承計算公式為——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載，N；——徑向負(fù)載，N；——軸向負(fù)載，N；X、Y——系數(shù)。，，所以X=1，Y=，再由基本額定壽命計算公式：——基本額定壽命，h；——基本動態(tài)額定負(fù)載；——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載，N；n——轉(zhuǎn)速，r/min。壽命計算大于一般數(shù)控機(jī)床的使用壽命標(biāo)準(zhǔn)時間20000h，符合條件。 同步齒輪帶傳動的設(shè)計同步齒輪帶傳動是一種新型的帶傳動，它利用齒輪帶的齒形和帶輪的輪齒依次相嚙合傳遞運動或動力，因而兼有帶傳動、齒輪傳動鏈傳動的優(yōu)點：無相對滑動，平均傳動比準(zhǔn)確，傳動精度高。而且齒形帶的強(qiáng)度高，厚度小，重量輕，故可用于高速傳動；齒形帶無需特別張緊，故作用在軸、軸承等上的載荷小，傳動效率高。因此齒形帶傳動在數(shù)控車床上有廣泛的應(yīng)用。與同步齒輪帶配套的同步帶輪選用MISUMI的HTLA72S3M100E25，齒距是3mm，電機(jī)輸出軸與絲桿的中心距是205mm。計算得出所需同步齒輪帶周長為。選用MISUMI的HTUN625 S3M100，周長625mm，齒距3mm，皮帶寬度10mm。 導(dǎo)軌的選擇滑動導(dǎo)軌覺有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優(yōu)點，是機(jī)床使用最廣泛的導(dǎo)軌形式。但普通的鑄鐵鑄鐵導(dǎo)軌，存在靜摩擦因數(shù)大，且動摩擦因數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大。為改善這些性質(zhì)，采用適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒ê图庸し椒ǎ绮捎脙?yōu)質(zhì)鑄鐵，合金耐磨鑄鐵，進(jìn)行導(dǎo)軌 表面滾軋強(qiáng)化，表面淬硬等工藝。導(dǎo)軌上的摩擦面積為，作用于導(dǎo)軌面上的正壓力。結(jié)果小于灰鑄鐵承受最大極限。車床導(dǎo)軌的卸荷因數(shù)，是由卸荷裝置承受的荷載一般地說，卸荷量過小，導(dǎo)軌壓強(qiáng)仍然大，則運動阻力大，導(dǎo)軌磨損也大；但卸荷量過大，當(dāng)外加荷載小時，會使運動部件飄浮，降低了加工精度。為了保證機(jī)床定位精度，卸荷后的導(dǎo)軌平均壓強(qiáng)不應(yīng)過小。4數(shù)控車床伺服進(jìn)給系統(tǒng)Z軸選型 滾珠絲桿機(jī)構(gòu)的計算選型載荷確定由solidworks重量計算功能確定，W=* x軸重量的確定查常用材料的摩擦系數(shù)，導(dǎo)軌接觸面的摩擦阻力 精度等級選定根據(jù)滾珠絲杠機(jī)構(gòu)在具體使用場合所需要提供的定位精度（允許誤差）。按照其具體長度，對照不同等級滾珠絲杠機(jī)構(gòu)所對應(yīng)的導(dǎo)程累積誤差表。判定選擇軋制滾珠絲杠還是磨制滾珠絲杠，選擇能滿足定位精度的最低等級，也就是選用最經(jīng)濟(jì)的精度等級。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的精度應(yīng)根據(jù)實際要求來選用，不要盲目地選用過高的精度，使用軋制滾珠絲杠能夠滿足使用要求時就不必使用磨制滾珠絲杠。因為精度等級越高，制造成本也越高。價格越貴，應(yīng)盡可能選用價格低廉的軋制滾珠絲杠，以降低設(shè)備制造成本。 精度等級確定，我們選擇THK公司精度等級為C2的磨制滾珠絲桿，器導(dǎo)程誤差范圍。 導(dǎo)程的計算和選定導(dǎo)程表示絲杠轉(zhuǎn)動一周時螺母沿軸向移動的距離，單位：mm。導(dǎo)程的計算與驅(qū)動電機(jī)是否帶減速器有關(guān)，下面以典型的安裝情況 電機(jī)帶減速器通過彈性聯(lián)軸器與絲杠連接（即直聯(lián)）的情況為例，說明導(dǎo)程的具體計算方法。假設(shè)電機(jī)所帶減速器的減速比為i。根據(jù)導(dǎo)程的定義，電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速Nm、與最大進(jìn)給速度Vmax、絲杠導(dǎo)程Pb、減速比i之間的關(guān)系為 （）其中Vmax，單位m/s。在Z軸中，選用電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速Nm=3000r/min，使用聯(lián)軸器直聯(lián)傳動，傳動比i=1根據(jù)計算結(jié)果，需要選用4mm或更大導(dǎo)程的滾珠絲桿。 絲桿支承方式選定絲桿支承方式主要根據(jù)絲桿長度、轉(zhuǎn)速、定位精度來選定，在絲桿長度較短、轉(zhuǎn)速較低尤其是垂直提升負(fù)載的場合則可以選用一端固定一端自由的簡單安裝方式，我們選用這種方式。 絲桿外徑選定及校核間隙絲杠外徑主要按以下條件來進(jìn)行初選：①在按定位精度選定的滾珠絲杠系列（磨制滾珠絲杠或軋制滾珠絲杠）中選定，②在相應(yīng)的精度等級及絲杠長度下，絲杠外徑的大小必須滿足所要求的軸向③在標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)程絲杠外徑組合中選定絲杠外徑。現(xiàn)初選外徑為50mm,型號為FFZD50063. 計算最大軸向載荷在一定的絲杠外徑下，絲杠有可能無法承受使用條件下的最大軸向載荷而發(fā)生彎曲，因此還必須對初選的絲杠外徑進(jìn)行軸向允許載荷校核，使絲杠直徑具有足夠的剛度，保證在最大軸向載荷下絲杠不會發(fā)生彎曲變形。因此首先要計算最大軸向載荷。計算最大軸向載荷的另一作用為：軸向載荷是汁算扭矩載荷的基礎(chǔ)，只有計算出軸向載荷后才能計算扭矩載荷，而扭矩載荷是進(jìn)行電機(jī)選型的重要依據(jù)。根據(jù)力學(xué)原理，可知各種工作情況下的軸向載荷最大是加速前進(jìn)時，此時m——負(fù)載滑塊的質(zhì)量，kg；a——負(fù)載滑塊運動的加速度，m/s^2；——直線導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)，；f——導(dǎo)軌無載荷時的運動阻力，N。 軸向允許載荷計算計算出最大軸向載荷后，就可以直接進(jìn)行軸向允許載荷計算及校核了，校核的原則為：在最大軸向載荷作用下絲杠不會發(fā)生彎曲；在最大軸向載荷作用下絲杠不會發(fā)生屈服。① 絲杠在不發(fā)生彎曲的前提下所允許的最大軸向載荷計算這種軸向允許載荷與絲杠安裝方法、絲杠安裝間距、絲杠溝槽最小直徑等因素有關(guān)，計算公式為：——最大軸向允許載荷，N；L——絲桿安裝間距，mm；dr——絲桿溝槽最小直徑，mm；——與安裝方式有關(guān)的系數(shù)，； ②絲杠在不發(fā)生屈服前提下的最大允許軸向載荷計算 絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向拉伸或壓縮載荷按以下公式計算；——最大軸向允許載荷，N；dr——絲桿溝槽最小直徑，mm；——絲杠材料的允許拉伸壓縮應(yīng)力（通常情況下為147 N/mm^2）。計算所得最大軸向載荷均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩個軸向允許載荷。 絲杠允許轉(zhuǎn)速計算及校核絲杠允許轉(zhuǎn)速必須滿足兩個條件：絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過臨界轉(zhuǎn)速；絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過DN值。①臨界轉(zhuǎn)速計算選定絲杠外徑除需要進(jìn)行彎曲及屈服校核外，還必須保證絲杠在不發(fā)生共振的前提下使用。隨著絲杠轉(zhuǎn)速的提高，逐漸接近絲杠固有頻率時，滾珠絲杠機(jī)構(gòu)會發(fā)生共振而不能使用。該固有頻率與絲杠的個臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)，而絲杠的外徑與此固有頻率密切相關(guān)，因此需要進(jìn)行校核，確保絲杠在固有頻率（臨界轉(zhuǎn)速）以下運行，即絲杠最高轉(zhuǎn)速不能超過其臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速的計算公式為：——臨界轉(zhuǎn)速，r/min；E——楊氏彈性模量（通常情況下絲杠材料的）；J——絲桿斷面與轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)的參數(shù)，——絲杠材料的密度（）；A——絲杠溝槽最小直徑所在剖面的面積，；——與安裝方式有關(guān)的系數(shù)，；②DN值絲杠允許轉(zhuǎn)速除不得超過臨界轉(zhuǎn)速外，還必須不超過DN允許值所謂DN值是指絲杠公稱直徑（即滾珠中心位置所在圓的直徑）D與絲杠轉(zhuǎn)速N的乘積。絲杠轉(zhuǎn)速N增大時，絲杠公稱直徑必須減小，絲杠公稱直徑太小又會造成系統(tǒng)剛性差、易變形、影響加工精度等問題。此外，過度提高絲杠的轉(zhuǎn)速N還會引起絲杠發(fā)熱、機(jī)構(gòu)共振等問題，國際上一般DN≤70000100000，少數(shù)制造商（例如口本NSK公司、德國Bosch公司）已將DN值提高到150000。具體大小參照制造商提供的數(shù)據(jù)，通常的設(shè)計規(guī)范為：磨制滾珠絲杠及軋制大導(dǎo)程滾珠絲杠：DN≤70000軋制滾珠絲杠：DN≤50000 壽命計算及校核即使是合理地設(shè)計、選用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，經(jīng)過一定時間的運行后，滾珠絲杠機(jī)構(gòu)都會因為磨損而不能繼續(xù)使用，從開始使用直至不能使用前的使用時間稱為滾珠絲杠的壽命。造成滾珠絲杠壽命有限的原因除磨損造成的精度下降外，還有因為疲勞造成的疲勞壽命，工程上主要以滾珠絲杠的疲勞壽命來推算其額定壽命。 滾珠絲杠的疲勞壽命可以由實際運行時間來表示，計算公式為：——壽命時間，h；C——基本動額定負(fù)載，N；Pm——軸向平均負(fù)載，N；Nm——平均轉(zhuǎn)速，r/min；Fw——運行系數(shù)，正常運行時fw=；壽命計算大于一般數(shù)控機(jī)床的使用壽命標(biāo)準(zhǔn)時間20000h，符合條件。 電機(jī)的選型由于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)一般都用于精密的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，所以在使用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)時，通常都通過伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動其中伺服電機(jī)驅(qū)動一般應(yīng)用在要求高精度、高效率、高可靠性的運動控制場合，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動一般應(yīng)用在要求比伺服電機(jī)稍低的場合。使用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)時，電機(jī)的選型方法和要求又有所區(qū)別。這里我們選用伺服電機(jī)。 轉(zhuǎn)速的計算電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須能夠滿足負(fù)載最高工作速度的需要，即在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下，負(fù)載的運動速度必須高于所需要的最高速度。可以求出電機(jī)所需要的最低額定轉(zhuǎn)速：隨著滾珠絲杠轉(zhuǎn)速的提高，其工作頻率接近絲杠的固有頻率時將導(dǎo)致共振，因此一定要在絲杠的臨界轉(zhuǎn)速以下使用。如前所述，在選定絲杠外徑時需要根據(jù)安裝條件、材料特性、直徑等參數(shù)對臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算，確認(rèn)絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過其臨界轉(zhuǎn)速，否則必須重新選擇絲杠外徑，直到滿足要求為止。這里的額定轉(zhuǎn)速滿足條件。 驅(qū)動扭矩計算因為進(jìn)行電機(jī)選型時需要以電機(jī)所需的最大扭矩及扭矩的有效值為依據(jù)，所有需要對加速狀態(tài)下電機(jī)所需要的驅(qū)動扭矩進(jìn)行計算。根據(jù)力學(xué)原理，加速扭矩等于機(jī)構(gòu)總轉(zhuǎn)動慣量與角加速度的乘積，所以首先要計算所有部件的總轉(zhuǎn)動慣量并折算到驅(qū)動電機(jī)上。總轉(zhuǎn)動慣量包括絲杠的轉(zhuǎn)動慣量、工作臺與工件的轉(zhuǎn)動慣量。等速運動時所需要的驅(qū)動扭矩絲桿的轉(zhuǎn)動慣量工作臺的轉(zhuǎn)動慣量——工作臺與工件的轉(zhuǎn)動慣量，；m——工作臺與工件的總質(zhì)量，kg；——絲桿導(dǎo)程，mm。折算到驅(qū)動電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動慣量——折算到驅(qū)動電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動慣量，；——絲桿的轉(zhuǎn)動慣量，；——工作臺與工件的轉(zhuǎn)動慣量，；i——電機(jī)至絲杠的減速比。 計算角加速度角加速度計算公式：——角加速度，rad/s^2；——電機(jī)工作的最高轉(zhuǎn)速，r/min；t1——加速時間，s； 電機(jī)所需的加速扭矩——加速扭矩，；——電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，； 計算各種運動狀態(tài)下點檢所需要的驅(qū)動扭矩 加速運動狀態(tài)下的扭矩： 等速運動狀態(tài)下的扭矩：減速速運動狀態(tài)下的扭矩：加速運動狀態(tài)下電機(jī)所需要的驅(qū)動扭矩最大，只要以這種情況下的最大驅(qū)動扭矩進(jìn)行計算就可以了。 電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量要求慣量比應(yīng)滿足以下關(guān)系：——慣量比；——折算到驅(qū)動電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動慣量，；——電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)選用電機(jī)型號為松下MSMA102P1H，參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速：3000r/min 最高轉(zhuǎn)速：6000r/min額定轉(zhuǎn)矩： 最高轉(zhuǎn)矩：額定輸出功率：3kw 慣量比：30倍以下 滾珠絲杠副的支承的設(shè)計滾珠絲杠副的支承為了獲得高精度、高剛度的進(jìn)給系統(tǒng)，不僅應(yīng)選用高精度、高剛度的滾珠絲杠副，而且必須十分重視滾珠絲杠支承的設(shè)計。我們選擇的支撐結(jié)構(gòu)形式選用一端固定一端游動的方式，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性低，設(shè)計時盡量使絲桿受拉伸。游動端的軸承主要承受徑向的載荷，軸向的載荷的載荷很小，在這里我們預(yù)選角接觸球軸承B6901ZZ來計算。，軸向負(fù)載120N，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，計算公式為——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載，N；——徑向負(fù)載，N；——軸向負(fù)載，N；X、Y——系數(shù)。，，所以X=1，Y=0，再由基本額定壽命計算公式：——基本額定壽命，h；——基本動態(tài)額定負(fù)載；——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載，N；n——轉(zhuǎn)速，r/min。壽命計算大于一般數(shù)控機(jī)床的使用壽命標(biāo)準(zhǔn)時間20000h，符合條件。固定端采用雙列角接觸球軸承，能承受較大的徑向負(fù)荷為主的徑向和軸向聯(lián)合負(fù)荷和力矩負(fù)荷，限制軸的兩方面的軸向位移。在這里我們預(yù)選角接觸球軸承B51101來計算。，軸向負(fù)載120N，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，雙列軸承計算公式為——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載