FxMy力-位混合伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工作臺的設(shè)計(jì)

1、編號編號： 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題目： Fx/My 力力-位混合伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工位混合伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工 作臺的設(shè)計(jì)作臺的設(shè)計(jì) 專專 業(yè)業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué)學(xué) 號號 姓姓 名名 舒曉模舒曉模 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 詹建明詹建明 完成日期完成日期 2011.5.12 寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 誠誠 信信 承承 諾諾 我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文Fx/My 力-位混合伺服兩軸插 補(bǔ)數(shù)控工作臺的設(shè)計(jì)均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其 他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）：舒

2、曉模承諾人（簽名）：舒曉模 20112011 年年 5 5 月月 1212 日日 摘摘要要 【摘要摘要】目前，最成功且接近實(shí)用的柔順控制策略是力、位混合控制。這種策 略將任務(wù)空間劃分成了兩個正交的子空間即力控制子空間和位置控制子空間， 在力控制子空間中用力控制策略進(jìn)行力控制，在位置控制子空間利用位置控制 策略進(jìn)行位置控制。力位混合控制策略與傳統(tǒng)的阻抗控制策略是不同的，阻 抗控制是一種間接控制力的方法，其核心思想是把力誤差信號變?yōu)槲恢铆h(huán)的位 置調(diào)節(jié)量，即控制器的輸入信號加到位置控制的輸入端，通過位置的調(diào)整來實(shí) 現(xiàn)力的控制。力位混合控制方法的核心思想是分別用不同的控制策略對位置 和力直接進(jìn)行控制，

3、即首先通過選擇矩陣確定當(dāng)前接觸點(diǎn)的位控和力控方向， 然后應(yīng)用力反饋信息和位置反饋信息分別在位置環(huán)和力環(huán)中進(jìn)行閉環(huán)控制，最 終在受限運(yùn)動中實(shí)現(xiàn)力和位置的同時控制。 【關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞】伺服；兩軸插補(bǔ)；數(shù)控工作臺；彈簧。 Fx/My force and position hybrid servo two axis inter polation nc working table design 【ABSTRACT】At present, the most successful and close to practical compliant control strategy is force and po

4、sition hybrid control.This strategy will be divided into two orthogonal space. The subspaces are named force control subspace and the position control subspace. In force control subspace use force control strategy for force control and in the position control subspace use position control strategy f

5、or position control. Force and position hybrid control strategy is different from traditional control strategy.Impedance control is a kind of indirect control method, its core thought is turning the force error signal into a position loop, controller adjust quantity input signal added to the positio

6、n control input, the adjustment realize force position. The force and position hybrid control methods core ideas is different control strategies respectively for position and force directly control, namely through selecting matrix determine the current first contact point position control and force

7、control direction ,and then applied force feedback information and position feedback information respectively in position loop and force loop used for closed-loop control, eventually in restricted movement realize control force and position. 【KEYWORDS】Servo ；two axis interpolation；NC workbench；sprin

8、g. 目目錄錄 摘要.III 目錄.V 1 引言 .1 2 伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工作臺的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 .2 2.1 研究歷史和現(xiàn)狀 .2 2.2 伺服兩軸插補(bǔ)工作臺的發(fā)展趨勢 .3 2.3 伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工作臺的研究意義和路線 .3 3 電機(jī)-彈簧伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).5 3.1 電機(jī)-彈簧伺服系統(tǒng)的模型 .5 3.2 電機(jī)-彈簧伺服系統(tǒng)的工作過程 .5 4 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) .7 4.1 齒輪參數(shù)選定與計(jì)算 .7 4.1.1 選定齒輪精度、材料、齒數(shù)及螺旋角.7 4.1.2 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核.7 4.1.3 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核.8 4.1.4 幾何尺寸計(jì)算.9 4.2 等效傳動慣量計(jì)算(不計(jì)

9、傳動效率) .9 4.3 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算(以下為折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩) .9 4.4 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型 .10 4.4.1 滾珠循環(huán)方式.10 4.4.2 軸向間隙預(yù)緊方式.11 4.4.3 滾珠絲杠副直徑和基本導(dǎo)程系列.11 4.4.4 滾珠絲杠精度等級確定.11 4.4.5 滾珠絲杠副支承形式選擇.11 4.4.6 滾珠絲杠副的選擇.11 4.4.7 滾珠絲杠副校核.12 4.4.8 滾動導(dǎo)軌副的防護(hù).12 4.5 X 軸滾動導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算.12 5 伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工作臺的零件設(shè)計(jì)圖紙解析 .13 5.1 零件圖紙分析 .13 5.1.1 齒輪的選擇.13 5.1.2 彈簧尺寸的選擇

10、.14 5.1.3 圓盤零件圖.14 5.2 輔助裝置的選擇 .15 6 總結(jié) .16 參考文獻(xiàn).18 致謝.19 附錄.20 1 1 引引言言 數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)和發(fā)展，有效的解決了一些高精度、高復(fù)雜性的零件技術(shù) 要求。數(shù)控機(jī)床由傳動裝置、驅(qū)動裝置、輔助裝置和工作臺組成。但是現(xiàn)在的 社會高速發(fā)展，對零件的要求各不相同，因此要求數(shù)控機(jī)床也要隨著變革，而 數(shù)控工作臺設(shè)計(jì)創(chuàng)新是其中的重點(diǎn)。更重要的是在現(xiàn)代中小型企業(yè)中，由于產(chǎn) 品更新?lián)Q代周期縮短，而且大多數(shù)都是一些適應(yīng)市場的單件、小批零件加工， 若通過數(shù)控機(jī)床（如：傳動裝置、驅(qū)動裝置）來解決這些零件的加工精度和自 動化問題，因成本高，故不現(xiàn)實(shí)，所以就由

11、工作臺的設(shè)計(jì)變化滿足這些要求。 伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動的驅(qū)動設(shè)備，電動機(jī)為控制對象，以控制器為核心， 以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳 動自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī) 械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動機(jī)械的運(yùn)動要求。具體在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng) 發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放大與調(diào)整后，由電動機(jī)和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)驅(qū) 動機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動使刀具相對工件產(chǎn) 生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件。作為數(shù)控 機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護(hù)等集為一體， 并隨著數(shù)字

12、脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的 進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。 目前，最成功且接近實(shí)用的柔順控制策略是力、位混合控制。這種策略將 任務(wù)空間劃分成了兩個正交的子空間即力控制子空間和位置控制子空間，在力 控制子空間中用力控制策略進(jìn)行力控制，在位置控制子空間利用位置控制策略 進(jìn)行位置控制。力位混合控制策略與傳統(tǒng)的阻抗控制策略是不同的，阻抗控 制是一種間接控制力的方法，其核心思想是把力誤差信號變?yōu)槲恢铆h(huán)的位置調(diào) 節(jié)量，即控制器的輸入信號加到位置控制的輸入端，通過位置的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)力 的控制。力位混合控制方法的核心思想是分別用不同的控制策略對位置和力 直接進(jìn)行

13、控制，即首先通過選擇矩陣確定當(dāng)前接觸點(diǎn)的位控和力控方向，然后 應(yīng)用力反饋信息相位置反饋信息分別在位置環(huán)和力環(huán)中進(jìn)行閉環(huán)控制，最終在 受限運(yùn)動中實(shí)現(xiàn)力和位置的同時控制。 2 伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工作臺的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工作臺的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2.1 研究歷史和現(xiàn)狀研究歷史和現(xiàn)狀 當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛 應(yīng)用，對各技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起到了極大的推動作用，一個較完善的數(shù)控機(jī)床應(yīng) 包含：驅(qū)動裝置、傳動裝置、輔助裝置和工作臺。新一代的數(shù)控機(jī)床正在朝著 高性能、高精確性和微型化發(fā)展。 數(shù)控（Numerical Control）是數(shù)控技術(shù)的簡稱。它是利

14、用數(shù)字化的信息對機(jī) 床及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。數(shù)控機(jī)床自從 20 世紀(jì) 50 年代問世以來， 隨著微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)和精 密機(jī)械技術(shù)的進(jìn)步而得到迅速發(fā)展。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要部分，它隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展?，F(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)都是由計(jì)算機(jī)完成以前硬件數(shù)控所 做的工作，為特別強(qiáng)調(diào)，有時也稱為計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。目前，數(shù)控系統(tǒng)已 經(jīng)經(jīng)歷了從電子管、晶體管、集成電路到小型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)等五代的演 變，正在進(jìn)入基于工業(yè) PC 的第六代的發(fā)展階段；數(shù)控機(jī)床品種從數(shù)控銑床、 數(shù)控車床發(fā)展到各種加工中心機(jī)床和柔性制造系統(tǒng)。幾乎所有機(jī)械制造設(shè)備都 有相應(yīng)

15、的數(shù)控產(chǎn)品；數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用已經(jīng)從大中型企業(yè)普及到更加廣泛的中小 型企業(yè)甚至家庭作坊6。工作臺是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它對數(shù)控加工具 有重要影響。以前的數(shù)控工作臺只是滿足與 X 軸和 Y 軸的水平移動，來實(shí)現(xiàn)零 件的加工，現(xiàn)在更趨向與設(shè)計(jì)簡單但加工性能好的方向發(fā)展。由于數(shù)控機(jī)床是 機(jī)床的重要一個組成部分，因此它在國內(nèi)外都受到足夠的重視。其中，外國對 機(jī)床工作臺的研究較早，也較為成熟。 在國內(nèi)，數(shù)控工作臺的研究較晚，過去一種工作臺的設(shè)計(jì)完成之后可以滿 足多種零件的生產(chǎn)加工，現(xiàn)在的零件生產(chǎn)加工多數(shù)是小批量的或者是針對性的。 因此，現(xiàn)在對工作臺的要求不單單是大眾性，通用性的了。由于我國生產(chǎn)技術(shù) 的發(fā)

16、展較晚，因此對工作臺設(shè)計(jì)的要求開始也沒有那么嚴(yán)格，隨著發(fā)展，現(xiàn)今 的數(shù)控工作臺也不能滿足需要了。就要求結(jié)構(gòu)簡單，操作方便又能滿足需要的 工作臺。 圖 2-1 伺服插補(bǔ)數(shù)控工作臺簡圖 2.2 伺服兩軸插補(bǔ)工作臺的發(fā)展趨勢伺服兩軸插補(bǔ)工作臺的發(fā)展趨勢 一個國家的繁榮與其先進(jìn)制造業(yè)密切相關(guān)，然而制造時離不開先進(jìn)機(jī)器作 為輔助，機(jī)床包括床身、立柱、工作臺、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。工作臺作為數(shù) 控機(jī)床的重要組成部分，也是影響加工進(jìn)度的重要組成環(huán)節(jié)。從一開始為了滿 足加工簡單的零件而設(shè)計(jì)的直線運(yùn)動的 X-Y 工作臺，到現(xiàn)在為了實(shí)現(xiàn)多工位加 工而制造的分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺等。為了滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，也為了

17、環(huán)境的要求，工作臺的驅(qū)動裝置從原來的機(jī)械驅(qū)動變?yōu)橐后w驅(qū)動，現(xiàn)在更多的 采用氣動裝置，更好的保護(hù)環(huán)境，節(jié)約了資源。由于工作臺是一臺機(jī)床的關(guān)鍵 配套部件，因此世界各國都有對其進(jìn)行研究，我國在工作臺的研究方面也取得 了長足進(jìn)步。 2.32.3 伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工作臺的研究意義和路線伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工作臺的研究意義和路線 目前普遍采用的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)包括齒輪傳動副、絲杠、螺母和支 承部件等。通常設(shè)計(jì)進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)時必須滿足一定的要求, 才能保證機(jī)床進(jìn)給 系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動態(tài)性能, 從而確保機(jī)床的加工精度, 一般要求機(jī)床 進(jìn)給傳動系統(tǒng)具有摩擦阻力小, 傳動剛度高, 運(yùn)動部件慣性小和傳動間隙小等

18、 特點(diǎn)。X-Y 工作臺作為一種平面定位機(jī)械系統(tǒng), 動態(tài)模型簡單, 它的控制方法 也已經(jīng)趨于成熟, 但基于 X- Y 工作臺的含有摩擦環(huán)的伺服系統(tǒng)研究是現(xiàn)在的 熱點(diǎn)與難點(diǎn)。 圖 2-2 系統(tǒng)總體框圖 根據(jù)力-位混合伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工作臺的現(xiàn)今狀況，對數(shù)控工作臺設(shè)計(jì)的 可行性方案進(jìn)行分析，避免出現(xiàn)可能出現(xiàn)一些現(xiàn)階段尚未解決的問題。并根據(jù) 學(xué)過的 PLC 和控制工程的課程合并總結(jié)，利用學(xué)過的課程處理設(shè)計(jì)過程遇到的 問題。 方案擬定即確定工作臺傳動的形式和控制方式及主要部件或器件的類型。 驅(qū)動控制方式 ： 由給定的工作臺精度要求較低，為簡化結(jié)構(gòu)，故采用單片機(jī)控制的步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。主要由步進(jìn)電機(jī)、單

19、片機(jī)驅(qū)動控制電路、滾珠絲杠副組成。 傳動形式確定： 工作臺 X 方向和 Y 方向兩個坐標(biāo)分別采用步進(jìn)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動。 工作臺 X 方向采用一級齒輪傳動方式，可以通過降速擴(kuò)大轉(zhuǎn)矩輸出，匹配 進(jìn)給系統(tǒng)慣量，獲得要求的輸出機(jī)械特性，同時減小脈沖當(dāng)量。 工作臺 Y 方向采用直接傳動方式，電機(jī)通過剛性聯(lián)軸器與滾珠絲杠聯(lián)結(jié)。 然后滾珠絲杠與螺母連接，使電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn) 動帶動螺母副的前后移動，推動彈簧的伸長和壓縮，實(shí)現(xiàn)夾具對零件的壓緊力 的大小控制。這樣的設(shè)置結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高。絲杠轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出完全與 電機(jī)的輸出特性一致。 3 3 電機(jī)電機(jī)- -彈簧伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)彈簧伺服系統(tǒng)的

20、結(jié)構(gòu) 3.13.1 電機(jī)電機(jī)- -彈簧伺服系統(tǒng)的模型彈簧伺服系統(tǒng)的模型 設(shè)計(jì)了主動動力驅(qū)動彈簧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形的主動柔順?biāo)欧到y(tǒng)。這個伺服系 統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該伺服系統(tǒng)可以有自動調(diào)節(jié)的功能，通過輸入 與反饋信號比較后的差值（偏差信號）加給控制器，可以更精確的控制步進(jìn)電 動機(jī)進(jìn)而控制輸出力矩。這個伺服系統(tǒng)相對于其他一些開環(huán)控制系統(tǒng)有明顯的 優(yōu)勢，它的精度高，動態(tài)性能好，抗干擾能力強(qiáng)。這也符合本課題的柔順控制 的要求。 3.23.2 電機(jī)電機(jī)- -彈簧伺服系統(tǒng)的工作過程彈簧伺服系統(tǒng)的工作過程 步進(jìn)電機(jī)得到控制器給的信號輸出轉(zhuǎn)角，帶動齒輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動輸入軸 轉(zhuǎn)動，輸入軸與下圓盤固定在一起，

21、下圓盤轉(zhuǎn)動，使彈簧拉伸，產(chǎn)生作用力， 此作用力作用在上圓盤上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，再通過輸出軸傳遞扭矩，在研拋物件上產(chǎn) 生研拋頭的壓力。 該系統(tǒng)的運(yùn)動控制傳遞模型如下圖所示： 電動機(jī)機(jī)械傳動彈簧機(jī)械結(jié)構(gòu) K 角度傳感器 X r M 1 圖3.1 運(yùn)動控制框圖 對轉(zhuǎn)矩的計(jì)算： 圖3.2 為兩圓盤轉(zhuǎn)過的角度差； 為彈簧的原長； 0 L 為彈簧伸長后的長度； 1 L K 為彈簧的彈性系數(shù)； r 為小圓盤的直徑。 由圖 3.2 可知： (3-1) 01 LLL (3-2)cos)(2)( 0 22 01 rrLrrLL (3-3)LKF 1 (3-4)LK L rLr Mr 1 0 sin)( 假設(shè) K=1.5

22、r=10，=5，則 0 L (3-5) cos300325 sin1125 sin225 r M 4 4 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.14.1 齒輪參數(shù)選定與計(jì)算齒輪參數(shù)選定與計(jì)算 假設(shè) Vx=2.25 m/min=0.0375m/s, Fx=55N, Px=Fx*Vx=20.625W 初選三相電機(jī)，按三相六拍工作時，步矩角 =0.75,初定脈沖當(dāng)量 =0.01mm/p, 絲杠導(dǎo)程 tsP=5 mm,中間齒輪傳動比 i 為: i=(tsP)(360i)=0.756(3600.01)=1.25 由 i 確定齒輪齒數(shù)為 Z1=20,Z2=25,模數(shù) m=1.5mm,齒寬 b1=12mm,b2=1

23、0mm 4.1.14.1.1 選定齒輪精度、材料、齒數(shù)及螺旋角選定齒輪精度、材料、齒數(shù)及螺旋角 1）.選精度為 7 級 2）.選小齒輪為 40Cr（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)）, 硬度為 240HBS，兩者硬度差為 40HBS 3）.選擇齒數(shù) Z1=20,Z2=Z1i=201.2525 4.1.24.1.2 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 （1）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) d1t=2KtT1（u1）(ZHZE) 2/dauH2(1/3) 1).試選 Kt=1.3, (由表 10-6)得材料彈性影響系數(shù) ZE189.8MPa 2). (由表 10-7)選取

24、齒寬系數(shù) d0.5， 3).應(yīng)力循環(huán)系數(shù)取 j=1， 所以： N1=60n2jLh=6015001(2830015)6.480109 N2=N1/u=6.480109/1.255.184109 4）.（由圖 10-19）查得接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1=0.90,KHN2=0.95, 5).（由圖 10-21d）查得小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限 Hlim1=600MPa,大齒輪的接 觸疲勞強(qiáng)度極限 Hlim2=550MPa, 6).計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力：取失效概率為 1%，取安全系數(shù) S=1, H1KHN1Hlim1/S=0.9600/1540MPa H2KHN2Hlim2/S=0.95550/1

25、522.5MPa 7) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩： T1=95.5105Px/nx=95.51050./1500=13.13N.mm （2）.計(jì)算 1）.試算小齒輪分度圓直徑 d1t21.313.132.0625/（0.51.6301.25） （2.433189.8/522.5）2）（1/3）3.699 mm 2).計(jì)算圓周速度 v=d1tn1/(601000)0.29m/s 3).計(jì)算齒數(shù) b 及模數(shù) m： b=dd1t=0.53.6991.85 mm h=2.25mt=2.250.185mm =0.416 mm b/h=3.699/0.416=8.89 4).計(jì)算載荷系數(shù) K,（查1表 10-

26、2）得使用系數(shù) KA=1.0,根據(jù) v=0.29 m/s ,7 級精度，由（1圖 10-8）查得動載系數(shù) Kv=1.05,由 b/h=8.89, 由（1表 10- 3）查得 KH=KF=1.0,故載荷系數(shù) K=KAKvKHKF=1.01.051.01.4091.479 5）.按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 d1=d1t(K/Kt)(1/3) =3.699（1.479/1.3） （1/3）=3.862 mm 6).計(jì)算模數(shù) mn=d1/Z1=3.862 /20=0.193 mm 4.1.34.1.3 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 （1）.按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) m=(2KT1/d

27、Z12)(YFYS/F)(1/3) 1）.計(jì)算載荷系數(shù)，K=KAKvKFKF=1.251.011.21.141.73 2).由表查出,YFa1=2.592,YSa1=1.596,YFa2=2.3,YSa2=1.715. 因?yàn)樾↓X輪彎曲極限強(qiáng)度 FE1=500MPa,大齒輪 FE2380MPa,由（圖 10- 18）得彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=0.85,KFN2=0.88,取安全系數(shù) S=1.4 F1KHN1FE1/S=303.57MPa F2KHN2FE1/S238.86MPa 3).計(jì)算大、小齒輪 YFa1 YSa1/F1 并加以比較 YFa1 YSa1/F12.81.55/303.57=

28、0.0143 YFa2YSa2/F2=2.621.59/238.860.01744 取大齒輪數(shù)據(jù) (2).設(shè)計(jì)計(jì)算 mn=21.51213.130.01744/（2021.0）（1/3） 0.12m 對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算得法面模數(shù) mn 大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 計(jì)算得法面模數(shù)，取 mn1.5 mm，已可滿足彎曲強(qiáng)度，但為了同時滿足接觸疲 勞強(qiáng)度，需按接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算得的分度圓直徑 d1=20mm 。 4.1.44.1.4 幾何尺寸計(jì)算幾何尺寸計(jì)算 1).中心距 a=(Z1+Z2)mn/2=(20+25)1.5/233.75 mm 所以圓整為 34 mm 2).計(jì)算大、小齒輪分度圓

29、直徑 d1=Z1mn =20*1.5 =30mm d2=Z2mn =25*1.5 =37.5mm 3).計(jì)算齒輪寬度 b=dd1=0.5*2010 mm 所以取 B2=10mm,為易于補(bǔ)償齒輪軸 向位置誤差，應(yīng)使小齒輪寬度大于大齒輪寬度，所以小齒輪約為 B1=12mm 4.24.2 等效傳動慣量計(jì)算等效傳動慣量計(jì)算( (不計(jì)傳動效率不計(jì)傳動效率) ) 小齒輪轉(zhuǎn)動慣量 Jg1=(d14b1)32=(2)41.27.8510-332 =0.01510-4 kg.m2 式中 鋼密度 =7.8510-3 kg/cm3 同理,大齒輪轉(zhuǎn)動慣量 Jg2=0.03610-4 kg.m2 由3表 3-13 初選

30、滾珠絲杠。得到 d0=20 mm ,l=390 mm 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 Js=(d04l)32=(2)4397.8510-33210-4 kg.m2 =4.8110-4 kg.m2 拖板及工作物重和導(dǎo)軌折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量, 拖板重量 12kg 工作物重約為 12kg Jw=(w/g)(tsP2) 2 i2 =12(0.52) 2 2.083210-4 kg.m2 =710-6 kg.m2 因此,折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量 Je Je= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) i2 =0.01710-4 kg.m2+0.017510-4 kg.m2 +(0.27210-4 kg.m2 +0.

31、4810-4 kg.m2 ) (2.083)2 =3.65610-4 kg.m2 4.34.3 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算( (以下為折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩以下為折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩) ) 由3式(2-7)(2-9)可知: Mt=(Fx+Fy) tsP/(2i)= (80+0.0670) 0.005/(20.82.083)=0.055N.m Mf= (Ff tsP)/(2i)= (W tsP)/(2i)=(0.06129.80.005)/ (20.82.083)=0.0067N.m 上述式中 絲杠預(yù)緊時的傳動效率取 =0.8 為摩擦系數(shù)取 0.06 nmax=(vmax/)(/360)=(20

32、00/0.01) (1.5/360)=468.75 r/min 取起動加速時間 t=0.03 s 初選電動機(jī)型號 110BYG260B,矩頻特性如下圖所示,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=9.5N.m,轉(zhuǎn)動慣量 Jm=9.710-4 kgm2, fm=1600Hz. 故 M0=(Fp0tsp)(2i) (1-02)= (1/3Fxtsp)(2i) (1-02) =(1/3) 800.005(20.82.083) 1-0.92=0.0017 N.m 式中 Fp0滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷,一般取 Fy/3 Fy進(jìn)給牽引力(N) 0滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率,取 0.9 J=( Je +Jm)= 9.710-4

33、kgm2+0.20810-4 kg.m2 =9.90810-4 kg.m2 Ma=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)= 9.90810-4 (2833)(600.03) = 2.19N.m Mq= Mamax+ Mf+ M0=2.88+0.0034+0.0024=2.2N.m Mc= Mt+ Mf+ M0=0.0402+0.0034+0.0.0024=0.065N.m Mk= Mf+ M0=0.0034+0.0024=0.0084N.m 從計(jì)算可知, Mq最大,作為初選電動機(jī)的依據(jù). Mq/ Mjmax=0.230.9 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求. 步進(jìn)電機(jī)動態(tài)特性校驗(yàn) Je /Jm=3.6

34、56/9.7=0.38 fL fc=v1max/(60)=500/(600.01)=833.3 fL 所以,與 fc對應(yīng)的 Mc按電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩校核,顯然滿足要求. 綜上所述,可選該型號步進(jìn)電機(jī),具有一定的裕量. 4.44.4 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型 4.4.14.4.1 滾珠循環(huán)方式滾珠循環(huán)方式 查表,選擇外循環(huán)插管式。 4.4.24.4.2 軸向間隙預(yù)緊方式軸向間隙預(yù)緊方式 預(yù)緊目的在于消除滾珠螺旋傳動的間隙,避免間隙引起的空程,從而提高傳 動精度.由表查得,采用雙螺母墊片預(yù)緊方式. 4.4.34.4.3 滾珠絲杠副直徑和基本導(dǎo)程系列滾珠絲杠副直徑和基本導(dǎo)程系列 采用絲杠

35、公稱直徑 20mm,導(dǎo)程為 6mm, 絲杠外徑 19.5mm，絲杠底徑 17.76mm，循環(huán)圈數(shù) 2.5，基本動載荷 7417N，基本靜載荷 15311N，剛度 376N/um. 4.4.44.4.4 滾珠絲杠精度等級確定滾珠絲杠精度等級確定 1).絲杠有效行程 由導(dǎo)程查得余程 le=24 mm， 得絲杠有效行程 lv=lu-le，lu =263-25=238 mm 2).精度等級 根據(jù)有效行程內(nèi)的平均行程允許偏差 ep=0.02/300*238*103=25 由2表 5-5 得,精度等級為 T5 4.4.54.4.5 滾珠絲杠副支承形式選擇滾珠絲杠副支承形式選擇 滾珠絲杠主要承受軸向載荷,應(yīng)

36、選用運(yùn)轉(zhuǎn)精度高,軸向剛度高、摩擦力距 小的滾動軸承.滾珠絲杠副的支承主要約束絲杠的軸向串動,其次才是徑向約 束.由2表 5-6 查得,采用兩端簡支(J-J)支承形式. 4.4.64.4.6 滾珠絲杠副的選擇滾珠絲杠副的選擇 本方案屬于高速或較高轉(zhuǎn)速情況，按額定動負(fù)荷 CaCaj 選擇滾珠絲杠副 由2式（3-2）可知：Caj=(Fefw)/(fhftfafk)(60Lhne)/(106)1/3 式中 Caj -滾珠絲杠副的計(jì)算軸向動負(fù)荷(N) Fe-絲杠軸向當(dāng)量負(fù)荷(N). 取進(jìn)給抗力和摩擦力之和的一半 Fe=29N ne-絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=78.125 r/

37、min. Lh-絲杠工作壽命(h). 查考2表 5-7 得 Lh=15000 h. ft-溫度系數(shù). 查2表 5-8,得 ft=0.90 fa-精度系數(shù). 查2表 5-9 得 fa=0.80 fw-負(fù)載性質(zhì)系數(shù). 查2表 5-10 得 fw=0.9 fh-硬度系數(shù).查2表 5-11 得 fh=1.0 fk-可靠性系數(shù).查2表 5-12 得 fk=0.21（可靠度 99%） 計(jì)算得 Caj=712.46NFmax 2).臨界轉(zhuǎn)速 對于在高速下工作的長絲杠，須驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，以防止絲杠共振. ncr=9910(f22d2)/Lc2 式中 f2-絲杠支承方式系數(shù),J-J 取 3.142 Lc -臨界

38、轉(zhuǎn)速計(jì)算長度. Lc =0.5m. d2-絲杠螺紋底徑,取 0.016m ncr= 5479r/min nmax,同時驗(yàn)算絲杠另一個臨界值 d0n=20*468.75=750070000 3).軸承選擇校核由1表 6-6 選角接觸球軸承 7001AC. 4.4.84.4.8 滾動導(dǎo)軌副的防護(hù)滾動導(dǎo)軌副的防護(hù) 1).滾珠絲杠副的防護(hù)裝置 ,采用專業(yè)生產(chǎn)的伸縮式螺旋彈簧鋼套管. 2).滾珠絲杠副的密封 滾珠絲杠副兩端的密封圈如裝配圖所示.材料為四氟乙烯, 這種接觸式密封須防止松動而產(chǎn)生附加阻力. 3).滾珠絲杠副的潤滑 潤滑劑用鋰基潤滑劑。 4.54.5 X X 軸滾動導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算軸滾動導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)

39、算 導(dǎo)軌的功用是使運(yùn)動部件沿一定的軌跡運(yùn)動,并承受運(yùn)動部件上的載荷,即 起導(dǎo)向和承載作用,導(dǎo)軌副中,運(yùn)動的一方稱作運(yùn)動導(dǎo)軌,與機(jī)械的運(yùn)動部件聯(lián)結(jié),不 動的一方稱作支承導(dǎo)軌,與機(jī)械的支承部件聯(lián)結(jié).支承部件用以支承和約束運(yùn)動 導(dǎo)軌,使之按功能要求作正確的運(yùn)動. (1)選南京工藝裝配廠 GGB 型產(chǎn)品，E 級精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1 (2)壽命按每年工作 300 天,每天兩班,每班 8h,開機(jī)率 0.8 計(jì),額定壽命為: Lh=10300280.8=38400 h 每分鐘往復(fù)次數(shù) nz=8 (3)L=(2lsnz60Lh)/(103)= 36864Km 計(jì)算四

40、滑塊的載荷,工作臺及其物重約為 200N 計(jì)算需要的動載荷 C (4)Ca=( fwP)(fh ft fc fa)(L/50)1/3=1710N 選用 NSK LY30AL 型號滾動導(dǎo)軌副,其 Co=2570N. Coa=3840N (5)滾動導(dǎo)軌間隙調(diào)整 預(yù)緊可以明顯提高滾動導(dǎo)軌的剛度,預(yù)緊采用過盈配合,裝配時,滾動體、滾道及 導(dǎo)軌之間有一定的過盈量. (6)潤滑與防護(hù) 潤滑:采用脂潤滑,使用方便,但應(yīng)注意防塵. 防護(hù)裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進(jìn)入導(dǎo)軌,以提高導(dǎo)軌壽命. 防護(hù)方式用蓋板式. 5 5 伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工作臺的零件設(shè)計(jì)圖紙解析伺服兩軸插補(bǔ)數(shù)控工作臺的零件設(shè)計(jì)圖紙解析

41、5.15.1 零件零件圖紙分析圖紙分析 5.1.15.1.1 齒輪的選擇齒輪的選擇 由于此數(shù)控工作臺為一般機(jī)械，所以選精度為 7 級。選小齒輪為 40Cr（調(diào) 質(zhì)） ，硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)）,硬度為 240HBS，兩者硬度 差為 40HBS。 圖 5-1 齒輪零件圖 5.1.25.1.2 彈簧尺寸的選擇彈簧尺寸的選擇 在工作中，根據(jù)彈簧伸長和壓縮來提供力的大小，根據(jù)所承受的載荷特征， 這里選用的是壓縮彈簧。由于彈簧在工作時受力較大，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)書表10 中，查表取節(jié)距 P 為 12cm，彈簧的直徑為 26cm，彈簧絲的直徑為 6cm。 圖 5-2 彈簧的尺寸 5.

42、1.35.1.3 圓盤零件圖圓盤零件圖 步進(jìn)電機(jī)得到控制器給的信號輸出轉(zhuǎn)角，帶動齒輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動輸入軸 轉(zhuǎn)動，輸入軸與下圓盤固定在一起，下圓盤轉(zhuǎn)動，使彈簧拉伸，產(chǎn)生作用力， 此作用力作用在上圓盤上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，再通過輸出軸傳遞扭矩，在研拋物件上產(chǎn) 生研拋頭的壓力。 圖 5-3 圓盤 5.25.2 輔助裝置的選擇輔助裝置的選擇 軸承依靠主要原件間的滾動接觸來支撐轉(zhuǎn)動零件的，軸承具有摩擦阻力小， 功率消耗少，起到容易等優(yōu)點(diǎn)。由于角接觸軸承能承受徑向載荷和軸向載荷， 且能適應(yīng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這里采用的是角接觸軸承。 圖 5-6 軸承的選取和配合 6 總結(jié)總結(jié) 本課題研究下的力-位混合伺服兩軸插補(bǔ)工作臺，可以使數(shù)控操作更快速、 穩(wěn)定、準(zhǔn)確。而現(xiàn)在社會上的伺服插補(bǔ)工作臺的設(shè)計(jì)還不夠成熟，我國對類似 的研究還處在初級階段。工作臺作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)又是 機(jī)床發(fā)展的一大變革，它的特性是影響加工性能的重要指標(biāo)。數(shù)控工作臺性能 的提高可以促進(jìn)超高速切削、精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。在 未來，混合伺服兩軸插補(bǔ)工作臺的設(shè)計(jì)將會成為數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的方向。 通過 Fx/My 力-位混合伺服插補(bǔ)工作臺的設(shè)