數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)Y軸設(shè)計(jì)書(shū)

1、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)Y軸設(shè)計(jì)書(shū)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)概述數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖所示:CNC-41速度及制單元一占卜一機(jī)床位曾速度拜,t1|U置:電機(jī)HFh工作臺(tái)LIn反速度檢捌慣位胃環(huán)劉與反饋?zhàn)?shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通常可概括為以下幾方面：可逆運(yùn)行；速度圍寬；具有足夠的傳動(dòng)剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無(wú)超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。伺服系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的要求：(1)從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。(2)電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的超載能力，以滿足低

2、速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘超載4-6倍而不損壞。(3)為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在0.2s以從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。(4)電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開(kāi)始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)回饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字PID,使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的

3、措施，使控制精度和質(zhì)量大大提高。進(jìn)給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和死循環(huán)系統(tǒng)。死循環(huán)控制方式通常是具有位置回饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測(cè)裝置所在位置的不同，死循環(huán)系統(tǒng)又分為半死循環(huán)系統(tǒng)和全死循環(huán)系統(tǒng)。半死循環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測(cè)裝置裝在絲杠端頭和裝在電機(jī)軸端兩種類(lèi)型。前者把絲杠包括在位置環(huán)，后者則完全置機(jī)械傳動(dòng)部件于位置環(huán)之外。全死循環(huán)系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置安裝在工作臺(tái)上，機(jī)械傳動(dòng)部件整個(gè)被包括在位置環(huán)之。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的定位精度比死循環(huán)系統(tǒng)低，但它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉。由于影響定位精度的機(jī)械傳動(dòng)裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。全死循環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好

4、，但由于機(jī)械傳動(dòng)部件在控制環(huán)，所以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而且還與機(jī)械傳動(dòng)部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關(guān)系，故必須對(duì)機(jī)電部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全死循環(huán)系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的要求比較高，且造價(jià)也較昂貴。死循環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測(cè)裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。交流伺服電機(jī)由于具有可靠性高、基本上不需要維護(hù)和造價(jià)低等特點(diǎn)而被廣泛采用。直流伺服電動(dòng)機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其成本高，故障多，維護(hù)困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)

5、生的火花而影響生產(chǎn)，并對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí)機(jī)械換向器的換向能力，限制了電動(dòng)機(jī)的容量和速度。電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動(dòng)機(jī)效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺(tái)技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能、總體設(shè)計(jì)方案的擬定2.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可

6、分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的機(jī)床要求具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。2.2 控制方式的選擇伺服系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的機(jī)床精度要求高，但考慮到經(jīng)濟(jì)及調(diào)試等問(wèn)題，選用半閉環(huán)型的控制系統(tǒng)。2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式目前數(shù)控銃床的縱向和橫向多采用伺服電機(jī)，進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無(wú)間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。我們這里擬采用的是滾珠絲杠副傳動(dòng)，以減少摩擦系數(shù)，提高進(jìn)給機(jī)構(gòu)的整體剛度。滾珠絲杠與電機(jī)問(wèn)用聯(lián)軸器直接連接，以消除間隙。三、滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)

7、計(jì)算參數(shù)：工作臺(tái)重量加工對(duì)象重量工作臺(tái)Y向最大行程Y向進(jìn)給速度進(jìn)給抗力定位精度重復(fù)定位精度3.1滾珠絲杠副的計(jì)算22Kg8Kg500mm2m/minX250NY:150NZ:200N士0.01mm士0.005mm計(jì)算進(jìn)給軸向力Fmax(N)絲杠上的工作載荷Fm是指滾珠絲鋼負(fù)載驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲鋼所承受的軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。它包括三個(gè)力：滾珠絲桿的走刀抗力、工件的重力、作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。矩形導(dǎo)軌的工作載荷Fmax的計(jì)算公式為：FmaxKFxf(Fz2FyG)式中K一考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，矩形滑動(dòng)導(dǎo)軌取K=1.4;f一滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：貼塑導(dǎo)軌為0.03-0.05,

8、取0.03;G一工作臺(tái)、夾具和刀具的重量，G=309.8=294NO則Fmax1.42500.03(2002150294)374N(2)動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算當(dāng)轉(zhuǎn)速n10r/min時(shí)，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式是工作表面的疲勞點(diǎn)蝕，因此要進(jìn)行動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算，其計(jì)算動(dòng)載荷Fq應(yīng)小于或等于滾珠絲桿螺母副的額定動(dòng)負(fù)荷，即Fq3LfHfWFmax式中fW載荷性質(zhì)系數(shù)(平穩(wěn)或輕度沖擊時(shí)為1.01.2,中等沖擊時(shí)為1.21.5,較大沖擊或振動(dòng)時(shí)為1.52.5)本式中去fW=1.2;fH硬度系數(shù)(HRC58時(shí)為1.0,等于55時(shí)為1.11,等于52.5時(shí)為1.35,等于50時(shí)為1.56,等于45時(shí)為2.40)本式中取f

9、H=1;L滾珠絲桿工作壽命，以106r為1個(gè)單位;本次設(shè)計(jì)中，電機(jī)與絲桿通過(guò)聯(lián)軸器直接相連，減速比i=1,工作臺(tái)的最高進(jìn)給速度達(dá)到2m/min,選用絲桿導(dǎo)程為5mm的絲桿，絲桿的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min。故絲桿的最低轉(zhuǎn)速為可取為0,則平均轉(zhuǎn)速n=(1500+0)/2=750r/min故絲桿的工作壽命為L(zhǎng)=60nT6075015000106106=675式中Tn絲桿平均轉(zhuǎn)速;絲桿使用壽命，按設(shè)計(jì)機(jī)床要求取T=15000hx代入上式得FQ3LfHfWFmax367511.23743937N(3)靜強(qiáng)度計(jì)算當(dāng)轉(zhuǎn)速n10r/min時(shí)，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式為滾珠接觸面上產(chǎn)生較大的塑性變形，影響

10、正常工作。因此，應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，最大計(jì)算靜載荷FQ0為FQ0fsFmax式中Fmax滾珠絲桿的最大軸向負(fù)載；fs靜態(tài)安全系數(shù)，當(dāng)為一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，fs=1-2,fs=2-3,本式中fs=2.5;則，上式為Fq0fsFmax=2.5374935N根據(jù)計(jì)算額定動(dòng)負(fù)載荷和額定靜負(fù)荷初選滾珠絲杠副型號(hào)2505-3型，3列2圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲桿副。其名義公稱(chēng)直徑為25mm導(dǎo)程5mm滾珠直徑3.175mm額定動(dòng)負(fù)荷9309NJ,額定靜負(fù)荷21569N動(dòng)載荷與靜載荷載均滿足要求。(4)滾珠絲桿支承選擇滾珠絲杠的支承形式有四種：一端固定，一端自由，這種安裝方式承載能力小，軸剛度低，只是用于短絲桿，一般用于數(shù)

11、控機(jī)床的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)或升降臺(tái)式數(shù)控銃床的立向坐標(biāo)中；一端固定，一端簡(jiǎn)支，此種可用于絲桿較長(zhǎng)的情況；兩端周定，這種安裝方式適用于承載能力大，高速，高剛度，高精度的機(jī)床。從剛度計(jì)算可以看出，絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大。而采用兩端固定的支承方式，壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速高，絲杠的軸向剛度為一端固定的4倍，絲杠可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減小絲杠自重下垂和補(bǔ)償熱膨脹且軸承組合的剛度高。本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲桿采用兩端固定的結(jié)構(gòu)形式。初步選用角接觸球軸承36304,既可以承受軸向力，也可以承受徑向力，中間用套筒分開(kāi)。(6)傳動(dòng)效率的計(jì)算絲杠螺母副的傳動(dòng)效率”為tanv4=tan(v)式中摩擦角=10'摩擦角

12、v=43'tanv=tan(v)_tan43'-tan(43'10)=0.960滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高，這可使絲杠副的溫度變化較小，對(duì)減小熱變形，提高剛度、強(qiáng)度都起了很大作用。(7)確定滾珠絲杠的長(zhǎng)度滾珠絲杠副的螺紋長(zhǎng)度LsLsLv2Le(3-12)式中：Lv有效行程+螺母長(zhǎng)度，mmLe余程，取20mmLs50040220580mm(2)絲杠全長(zhǎng)LLLs連接長(zhǎng)度兩端軸承長(zhǎng)度起始距離綜合考慮各項(xiàng)幾何尺寸要求，取L為830mm(8)滾珠絲杠基本尺寸主要尺寸計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果(mn)公稱(chēng)直徑d025基本導(dǎo)程R5接觸角43鋼球直徑db3.175滾道法面半徑RR=0.52db1.65

13、1螺紋升角丫*Pharctg-p336偏心距ee=(R-db/2)sin0.004螺桿外徑dd=d0-(0.20.25)db24.2螺桿徑d1d1=d0+2e-2R21.7螺桿接觸直徑dxdx=d1-dbcos18.5螺母螺紋直徑DD=d0-2e+2R28.3螺母徑D1D1=d0+(0.20.25)db25.83.2滾珠絲杠的校核(1)壓桿穩(wěn)定性細(xì)長(zhǎng)桿在受壓縮載荷時(shí)，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮載荷為臨界載荷Fk022Fk=fk2EI/(Kl2)(N)d2d01.2Dw式中Fk一實(shí)際承受載荷的能力，N;fk一壓桿穩(wěn)定的支承系數(shù)(雙推一雙推式為4,單推一單推式為1,雙推一簡(jiǎn)支式為2,雙推一自由式為0.

14、25);E一鋼的彈性模量，2.1105MpaI一滾珠絲杠底徑d2的抗彎截面慣性矩，Id；/64;K一壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.54,垂直安裝時(shí)取小值；l一絲桿最大受壓長(zhǎng)度，md0一絲杠公稱(chēng)直徑，mDw一滾珠直徑，nr代入數(shù)據(jù)得d2d01.2Dw251.23.17521.2mmFk=fk2EI/(Kl2)422.110110.02124/6440.5282204NFer臨界載荷Fk與工作載荷Fm之比稱(chēng)為穩(wěn)定性安全系數(shù)nk,當(dāng)nk=，mnJ,則壓桿穩(wěn)定，nk為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般nk=2.5-4;止匕時(shí)nk=1%219.8nkkFm374k則此絲桿穩(wěn)定。(2)臨界轉(zhuǎn)速校核9910fLc2對(duì)于

15、高速長(zhǎng)絲杠有可能發(fā)生共振，需要算其臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速nc(r/min).ncd01.2Dwd2式中Lc臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，取0.4m；f2絲杠支撐方式系數(shù)。(當(dāng)一端固定，一端自由時(shí)，f2=1.875;當(dāng)一端固定，一端游動(dòng)時(shí)，f2=3.927;兩端固定時(shí)，f2=4.730)0d2d01.2Dw=25-1.23.969=20.2372mm22f2d420.0202372nc991099107928r/minLc0.4遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其最大速度，故臨界轉(zhuǎn)速滿足。(3)傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算由滾珠絲桿本身的抗壓剛度Ktmin、支承軸承的軸向剛度Kba、滾珠絲桿副中滾珠與滾道的接觸剛度Kc、折算

16、到滾珠絲桿副上伺服系統(tǒng)剛度Kr、折算到滾珠絲桿副上聯(lián)軸節(jié)的剛度、滾珠絲桿副的抗扭剛度Kk、螺母座、軸承座的剛度Kh形成的綜合剛度K為:11111111Kmnk7一般在校核計(jì)算中，折算到滾珠絲桿副上聯(lián)軸節(jié)的剛度、滾珠絲桿副的抗扭剛度、螺母座、軸承座的剛度、伺服剛度一般可忽略不計(jì)。則上式可簡(jiǎn)化為：K1111KtminKbaKc(1.1)滾珠絲桿本身的抗壓剛度KtminKtmin2.AE106-d-E106L4Lmaxmax已知工作臺(tái)的縱向行程為500mm當(dāng)螺母移動(dòng)到離定位點(diǎn)最遠(yuǎn)位置時(shí)，距離為最遠(yuǎn)，最大距離為830mm=0.83m則絲桿拉壓剛度為0.021722101110=89.1(NZm)40.

17、830式中d1絲桿底徑E絲桿材料鋼的彈性慣量，E=2102GPa。(1.(2) 軸承的軸向剛度滾珠絲杠副的預(yù)加載荷F0=1Fm1374N124.7NN,軸向外載荷為導(dǎo)軌摩33擦力Ff=fG=0.03309.8=8.82N,故軸向載荷為預(yù)加載荷與軸向外載荷之和，即Fa=F0+Ff=127.7+8.82=136.5(N)。絲桿軸承軸向載荷剛度可按下式求得，即Kba3.44VFad'Z23.443/136.57.144172=225.5(NZm)(1.(3) 絲桿螺母的接觸剛度Kcc查絲桿螺母樣本手冊(cè)得Kc=657(NZm)則傳動(dòng)系統(tǒng)總和剛度K為11,、K1=-1-=62.1NZm)1 11

18、111Krni?KZK789122552300(2)彈性變形量數(shù)控銃床的定位精度是在不切削空載條件下檢驗(yàn)的。故軸向載荷為預(yù)加載荷與軸向外載荷之和Fa0故因Fa引起的彈性變形量為Fa136.52(m)K62.1故剛度校核合格，符合精度要求。(4)額定壽命的校核滾珠絲杠的額定動(dòng)載荷Ca9309N,已知其軸向載荷Fmax374N,滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速n675r/min,運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)fw1.5,則有紅)3106Fmfw9309366)10456910r3741.5L456910Lk112815h60n60675滾珠絲杠螺母副的總工作壽命Lk112815h15000h,故滿足要求。四、直流伺服電機(jī)的選擇伺服電

19、機(jī)的選用，應(yīng)考慮三個(gè)要求：最大切削負(fù)債轉(zhuǎn)矩，不得超過(guò)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量Jm應(yīng)與負(fù)載慣量Jr相匹配(匹配條件可根據(jù)伺服電機(jī)樣本提供的匹配條件，也可以按照一般的匹配規(guī)律)；快速移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩不得超過(guò)伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。(1)最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可根據(jù)下式計(jì)算，即T=(Fmax-PL+TPO+Tfo)i=3740.005+0.02+0.23=0.6(N?m)2 20.9其中，從前面的計(jì)算已知最大進(jìn)給力Fmax=374N絲桿導(dǎo)程R=5mm=0.005m預(yù)緊力FP=124.7N,查絲桿樣本，滾珠絲桿螺母副的機(jī)械效率=0.9。因滾珠

20、絲桿預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩TPO=2=124.70.005/29.8=0.02(N?m)29.8查單個(gè)軸承的摩擦力矩為0.115N?m,故一對(duì)軸承的摩擦力矩TPO=0.23N?m。伺服電機(jī)與絲桿直連其傳動(dòng)比i=1。(2)負(fù)載慣量計(jì)算伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量Jm應(yīng)與負(fù)載慣量，相匹配。負(fù)載慣量可按以下次序計(jì)算。工件、夾具與工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的慣量J"J1m()_41_3_42、J2LD07.8100.50.0250.00015(kgm)3232聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3可直接查手冊(cè)得到m(-Phn)230(21225)20.000019(kgm2)w2n2絲桿加在電機(jī)軸上的慣量

21、J2絲桿名義直徑D0=25mm長(zhǎng)度l=500m,絲桿材料鋼的密度=7.810J3=0.001kgm則負(fù)載及機(jī)械傳動(dòng)裝置總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：JrJ1J2J30.0000190.000150.0010.001169kgm2根據(jù)上述計(jì)算可初步選定伺服電機(jī)。選用直流伺服電機(jī)，可選BL系列無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為92BL-4015H1-LS-B直流伺服電機(jī)，適配驅(qū)動(dòng)器BL-2203C,其額定轉(zhuǎn)矩為2.6Nm,大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩M=0.6Nm;轉(zhuǎn)子慣量Jm=0.0016kgm2,滿足匹配要求。92BL-4015H1-LS-B型直流伺服電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：最高轉(zhuǎn)速n:1500r/min；額定轉(zhuǎn)矩Te:2.6

22、Nm;最大轉(zhuǎn)矩Tmax:5.2Nm;kg/m"根據(jù)下列計(jì)算，絲桿加在電機(jī)軸上的慣量J2為定位轉(zhuǎn)矩：0.08Nm；額定功率：400W額定電壓：220V(AC);額定電流：2A;外形尺寸：9292116mm；質(zhì)量：3.6kgo(3)空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速導(dǎo)最大移動(dòng)(快速移動(dòng))時(shí)，所需的空載加速轉(zhuǎn)矩Ta為T(mén)aJ21mx60ta空載加速時(shí)，主要克服的是慣性。總慣量JJrJm0.001169+0.0016=0.00277(kgm2)MTamJ20.00277215004.35(Nm60ta600.1其中tac為加速時(shí)間取為0.1S,空載加速轉(zhuǎn)矩Ta不允許超過(guò)伺服電機(jī)的最大

23、輸出轉(zhuǎn)矩Tmax。由此可見(jiàn)，92BL-4015H1-LS-B型直流伺服電機(jī)的Tmax=5.2Nm>Ta=4.35Nm,滿足設(shè)計(jì)要求。(4)伺服系統(tǒng)增益2nmax060ta通常取系統(tǒng)增益Ks為825.對(duì)輪廓控制的數(shù)控銃床可取較大值。如取KS=10s1o伺服系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)ta=1/KS=1/10s=0.1s。根據(jù)Ta=TaJ如選用92BL-4015H1-LS-B型直流伺服電機(jī)，執(zhí)行件(工作臺(tái))達(dá)到的最大加速度為ta，執(zhí)行件的速度a九顯1.5(m/s2)J20.002772伺服系統(tǒng)要求達(dá)到的最大加速度發(fā)生在系統(tǒng)處于時(shí)間常數(shù)從-Vmax增加導(dǎo)+Vmax時(shí)amaxVmaxKs21030300.67

24、(m/s2)顯然，aamax,因而按照加速能力選擇KS=10s1是合適的。如amax遠(yuǎn)小于a,可適當(dāng)增大Ks值以提高系統(tǒng)的性能五、軸承的選擇及校核(1)初選軸承型號(hào)根據(jù)實(shí)際工作條件，初步選擇的軸承型號(hào)為36304GB292-83主要性能參數(shù)如表所示。軸承的性能參數(shù)性能參數(shù)36304GB292-83額定動(dòng)載荷C(kN)18.5額定靜載荷G(kN)9.95極限轉(zhuǎn)速(油潤(rùn)滑)(r/min)31000(2)計(jì)算部軸向力SSeFr式中：e負(fù)荷影響系數(shù)；Fr軸承所受的徑向力(N)。因?yàn)榻z杠傳遞運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)導(dǎo)軌承載，所以軸承徑向只承受絲杠給予的重力，非常小忽略不計(jì)，故部軸向力S可計(jì)為0。(3)計(jì)算軸承的最大軸

25、向載荷FaFaFmax374N(4)計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P和當(dāng)量靜載荷P)下表為角接觸球軸承當(dāng)量動(dòng)、靜載荷關(guān)系表：P321Fa20eY當(dāng)量動(dòng)載荷0.0150.381.4當(dāng)Fa/FreP0.44FrYFa7當(dāng)Fa/FrePFr0.0290.401.400.0580.431.3當(dāng)量靜載荷0當(dāng)Fa/Fr1.042P00.5Fr0.48Fa0.0870.461.2當(dāng)Fa/Fr1.042PoFr30.1200.471.190.1700.501.12相對(duì)軸向載荷：1374-0.037,所以選取e=0.40,Y=1.40;C09950FaFr1216.73.0e當(dāng)量懂載荷：P0.40FrYFa1.4374523.

26、6N當(dāng)量靜載荷：P00.5Fr0.48Fa0.48374179.5N(5)壽命L10h計(jì)算106C60nP式中：CPn(6)式中：SP3.5.8(3-34)式中：fnLi0h滾動(dòng)軸承的基本額定壽命（h）; 軸承的額定動(dòng)載荷（kN）; 當(dāng)量動(dòng)載荷（N）; 壽命指數(shù)：球軸承e取3; 軸承轉(zhuǎn)速，取最大轉(zhuǎn)速，n=1500r/min<63,10185004.L10h490087h10h601500523.6靜載荷校核C0S0P0C0額定靜載荷（kN）;0安全系數(shù)，取$=2;0當(dāng)量靜載荷（N）。S0P02179.5359N9950N極限轉(zhuǎn)速校核nmaxf1f2n1imnmax軸承轉(zhuǎn)速；f1載荷系數(shù)；

27、2載荷分布系數(shù)；1im極限轉(zhuǎn)速，n1im=31000r/min。根據(jù)文獻(xiàn)10,f1=0.96,f2=0.91,代入得:nmax0.960.913100027082r/min2000r/min綜上所述，軸承36304GB292-83能滿足壽命、靜載荷、動(dòng)載荷與許用轉(zhuǎn)速的要求。六、導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)及滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊一、導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)銃床上的直線運(yùn)動(dòng)部件都是沿著它的床身、立柱、橫梁、等支承件上的導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，導(dǎo)軌的作用概括地說(shuō)就是對(duì)運(yùn)動(dòng)部件起導(dǎo)向和支承作用，導(dǎo)軌的制造精度及精度保持性對(duì)機(jī)床加工精度有著重要的影響。導(dǎo)軌主要由機(jī)床上兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的配合面組成一對(duì)導(dǎo)軌副，其中不動(dòng)的配合面成為支承（固

28、定）導(dǎo)軌，運(yùn)動(dòng)的配合面成為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌?；瑒?dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前已不采用傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動(dòng)導(dǎo)軌和新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌，且已廣泛用于數(shù)控機(jī)床上，其摩擦因數(shù)小，且動(dòng)、靜摩擦因數(shù)差很小，能防止低速爬行現(xiàn)象，耐磨性強(qiáng)等特點(diǎn)。塑料導(dǎo)軌多與鑄鐵導(dǎo)軌或淬硬鋼導(dǎo)軌相配使用。二、滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊滾珠絲杠副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的一種新型傳動(dòng)裝置，在數(shù)控銃床上得到了廣泛的應(yīng)用。滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預(yù)緊力成

29、正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較?。划?dāng)滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母不會(huì)立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動(dòng)精度。為了保證滾珠絲杠反向傳動(dòng)精度和軸向精度，必須消除滾珠絲杠螺母副軸向間隙。消除間隙的方法常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)螺母的相對(duì)軸向位移，使兩個(gè)滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺紋滾道的兩個(gè)相反的側(cè)面上，用這種方法預(yù)緊消除軸向間隙時(shí)，應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過(guò)大。預(yù)緊力過(guò)大會(huì)使空載力矩增加，從而減低傳動(dòng)效率，縮短使用壽命。通過(guò)調(diào)整兩個(gè)螺母之間的軸向位置，使兩個(gè)螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個(gè)不同的側(cè)面接觸，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，以達(dá)到提高軸向剛度的目的。調(diào)整預(yù)緊有多種方式，上圖所示的為螺紋

30、調(diào)隙式結(jié)構(gòu)，用鍵限制螺母在螺母座的轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)整時(shí)，擰動(dòng)圓螺母將螺母沿軸向移動(dòng)一定距離，在消除間隙之后用另一圓螺母將其鎖緊。這種調(diào)整方法的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，調(diào)整方便，但調(diào)整較差。七、聯(lián)軸器的選用凸緣聯(lián)軸器是把兩個(gè)帶有凸緣的半聯(lián)軸器有鍵分別與兩軸聯(lián)接，然后有螺栓把兩個(gè)半聯(lián)軸器聯(lián)成一體，以傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。這種聯(lián)軸器有兩種主要的結(jié)構(gòu)形式。一種是普通的凸緣聯(lián)軸器，通常是靠校制孔用螺栓來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)軸對(duì)中；另一種是有對(duì)中棒的凸緣聯(lián)軸器，靠一人半聯(lián)軸器上的凸肩與另一個(gè)半聯(lián)軸器睥凹緣相配合而對(duì)中。凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，對(duì)于轉(zhuǎn)速不高、無(wú)沖擊、軸的剛性大、對(duì)中性好時(shí)常采用，本設(shè)計(jì)選用有對(duì)中樺的凸緣聯(lián)軸

31、器。八、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)8.1 控制系統(tǒng)總體方案的擬定機(jī)電一體化系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，控制系統(tǒng)的控制對(duì)象主要包括各種機(jī)床，如車(chē)床，銃床，磨床等等，控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示：8.2 繪制控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，銃床控制系統(tǒng)選用MCS-51系列單片機(jī)組成，Y方向均采用直流電機(jī)控制，控制系統(tǒng)的功能包括：1、Y向進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)2、鍵盤(pán)顯示3、面板管理4、行程控制5、其他功能，例如光電隔離電路、功率放大電路、紅綠燈顯示硬件電路主要由以下幾部分組成：主控器，即中央處理單元（CPU;總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；存儲(chǔ)器，包括RAMF口ROM接口，即I/O輸入輸出接口電路;外部設(shè)備，如鍵盤(pán)、顯示器及光電輸入等;控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示：8.3 選擇中央處理單元（CPU的類(lèi)型在微機(jī)控制系統(tǒng)中CPU勺選擇主要考慮以下因素：1、時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)，這個(gè)指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度；2、可擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量；3、指令系統(tǒng)功能，影響編程的靈活性；4、I/O接口擴(kuò)展能力，即對(duì)外部設(shè)備控制的能力；5、開(kāi)發(fā)手段，包括支持開(kāi)發(fā)的軟和硬件；此外，還應(yīng)考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，控制對(duì)象對(duì)各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價(jià)比等經(jīng)濟(jì)性的要求。綜合考慮以上因素，這里選用8031芯片作為CPU8.4 I/O