機電裝備設計12課件

15.4.2經(jīng)濟型數(shù)控車床縱向進給系統(tǒng)的設計

已知拖板重W=2000N，拖板與貼塑導軌間摩擦系數(shù)μ＝0.06，車削時最大車削負載Fs＝2150N（與運動方向相反），y向切削分力Fy＝2Fz＝4300N（垂直于導軌），要求刀具切削時的進給速度ν1＝10～500mm/min，快速行程速度ν2＝3000mm/min，滾珠絲杠名義直徑d0＝32mm，導程tsp＝6mm，絲杠總長L＝1400mm，拖板最大行程為1150mm，定位精度±0.01mm，試選擇合適的步進電動機，并檢查其起動特性和工作速度。

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初選步三相進電動機的步距角為0.75°/1.5°,當三相六拍運動時，步距角

解：

（1）脈沖當量的選擇

其每轉脈沖數(shù)

根據(jù)脈沖當量δ的定義，初選δ＝0.01mm/p，由此可得中間齒輪傳動速比i為選小齒輪齒數(shù)Z1＝20，Z2＝25，模數(shù)m＝2mm。61）滾珠絲杠的轉動慣量Js

（2）等效轉動慣量計算

式中的鋼密度2）拖板運動慣量換算到電機軸上的轉動慣量JW

3）大齒輪的轉動慣量Jg2

式中b2＝10mm，為大齒輪寬度74）小齒輪的轉動慣量Jg1式中b1＝12mm，為小齒輪寬度折算到電機軸上總慣性負載Je為（3）等效負載轉矩計算

1)折算到電動機軸上的摩擦轉矩

η—絲杠預緊時的傳動效率，取η＝0.89初選步進電動機型號110BYG260B，它的矩頻特性曲線如圖所示。10其最大靜轉矩Mjmax＝9.5N.m，轉動慣量Jm＝9.7kg.cm2，fm=1600Hz，故有①快速空載起動所需轉矩Mq②最大切削負載時所需力矩Mc11③快速進給時所需轉矩Mk

由計算可知，Mq，Mc，Mk三種工況下以快速空載起動所需轉矩最大，以此項作為初選步進電動機的依據(jù)。（4）步進電動機的動態(tài)特性校驗135．5控制理論方法的基本內容和步驟伺服系統(tǒng)設計的工程方法包含的基本內容和步驟1伺服系統(tǒng)的技術性能指標2擬定伺服系統(tǒng)的原理圖及其元部件的選擇3建立伺服系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型4根據(jù)數(shù)學模型，進行綜合校正以滿足給定性能指標14

控制理論方法是根據(jù)經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論和方法來進行設計的，已經(jīng)形成一個相當完整、內容極為豐富的理論和方法體系。

它能解決動力學方法末能解決的問題，即對伺服系統(tǒng)五個方面的基本要求。對伺服系統(tǒng)的基本要求：1穩(wěn)定性系統(tǒng)在其工作范圍內是穩(wěn)定、可靠的；2精度比較經(jīng)濟地達到給定精度的要求；3快速性系統(tǒng)輸出響應指令輸入的速度要快；4靈敏度系統(tǒng)對參數(shù)變化的靈敏度要小，即系統(tǒng)性能不因參數(shù)變化而受到太大的影響；5抗干擾性系統(tǒng)應具有良好的抵抗外部負載干擾和高頻噪聲的能力等。

其原因在于動力學方法是按機電傳動系統(tǒng)來進行設計計算的，因此，是一種近似的設計方法。對于工程實際，其伺服系統(tǒng)是相當復雜的，通常是由具有眾多機電參數(shù)的、高階的非線性的控制系統(tǒng)，需要設定一些基本參數(shù)、根據(jù)具體條件進行適當?shù)亟惦A和線性化，才能便于設計計算，這便形成了伺服系統(tǒng)設計的工程方法。151）穩(wěn)定性和動態(tài)性能指標①穩(wěn)定性：經(jīng)典控制論特征根是否位于復平面左側，現(xiàn)代控制論判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性采用李亞普諾夫定理（即判斷矩陣是否正定）②動態(tài)性能指標常用的描述方法從三個方面評價時域指標：超調量σp％，調整時間，振蕩次數(shù)，上升時間，峰值時間，延遲時間；頻域指標：諧振峰值，諧振頻率，通頻帶寬度開環(huán)頻率特性（相對穩(wěn)定性）指標：截止頻率，相角裕量，幅值裕量，開環(huán)增益，系統(tǒng)類型1．伺服系統(tǒng)的技術性能指標173）對元件參數(shù)變化的靈敏度指標

靈敏度則應包含在系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性要求之內。但對有些伺服系統(tǒng)，如飛機自動駕駛儀系統(tǒng)其對象(飛機)的參數(shù)會在大范圍內變動(指飛行高度和飛行速度)，這就需要分析控制系統(tǒng)對參數(shù)變化的靈敏度。環(huán)境溫度、濕度、腐蝕性和防爆性等方面的具體指標。4）環(huán)境條件的要求2擬定伺服系統(tǒng)的原理圖及其元部件的選擇

根據(jù)具體設計任務要求，擬定系統(tǒng)控制方案及原理圖，正確選擇或設計其元部件。既涉及控制原理，也應考慮工程實際問題。由于高質量的機電元部件和數(shù)控系統(tǒng)大部分已商品化，通常采用綜合集成技巧，通過分析、對比來進行。這給伺服系統(tǒng)設計帶來了便利，既縮短了制造周期，又能保證系統(tǒng)的質量和可靠性。184根據(jù)所建立的數(shù)學模型，進行參數(shù)調整和校正或補償設計，以滿足給定性能指標的要求。

以上是伺服系統(tǒng)控制理論方法設計計算的基本內容及步驟，當然還有具體的工程設計、制造和調試等。3建立伺服系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型

建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的方法有解析法和實驗法，或者兩者混用。解析法建模要進行許多工程上的簡化，所獲得的數(shù)學模型是近似的，但在工程范圍內是允許的。實驗法建模是根據(jù)實驗所獲得的輸入一輸出信號來建立其數(shù)學模型，屬于系統(tǒng)辯識范疇。實驗法是在已知實際系統(tǒng)或模型條件下進行的，具有簡單直接的優(yōu)點，但需要相應的儀器與設備。實驗法建?？梢则炞C修正用解析法所建立的數(shù)學模型，兩者相輔相成的。19金屬切削機床是機械制造業(yè)的基礎裝備●

計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助工程

(CAE)已廣泛應用于機床設計的各個階段，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計和類比設計方法；●由定性設計向定量設計；●由靜態(tài)和線性分析向動態(tài)仿真和非線性分析；●由可行性設計向最優(yōu)化設計過渡。發(fā)展方向：高精度、自動化、柔性化、微型化和集成化216.1總體設計6.1.1機床設計應滿足的基本要求

機床非一般機電裝備，是用來生產(chǎn)其他機械的工作母機。機床在精度、剛度、動態(tài)特性方面有特殊要求。

1精度

機床精度分三級：普通精度級、精密級和高精度級。三種精度等級允差，如以普通精度級為1，則它們之間的比例大致為：1：0.4：0．25。機床的精度包括幾何精度、傳動精度、運動精度和定位精度和工作精度等。第六章金屬切削機床與數(shù)控化221）幾何精度是機床在不運動或運動速度較低時的精度。由機床各主要部件的幾何形狀和它們之間的相對位置與相對運動軌跡的精度所決定的。2）傳動精度是指內聯(lián)傳動鏈兩末端件之間的相對運動精度。決定于傳動系統(tǒng)中機件的制造精度和裝配精度以及傳動系統(tǒng)設計的合理性。3）運動精度是指機床的主要部(組)件以工作狀態(tài)的速度運動時的精度。4）定位精度是指機床主要部件在運動終點所達到的實際位置的精度。

5）工作精度

機床加工規(guī)定的試件所能達到的加工精度。23

除對機床本身的精度要求外，還要求機床及主要零、部件在載荷作用下，具有一定抵抗變形的能力，保證各主要零、部件相對位置的正確性?！鷦偠?剛度●靜載荷不隨時間變化或變化極為緩慢的力稱靜載荷，如重力、切削力的靜力部分等?！駝虞d荷隨時間變化的力，如沖擊振動力及切削力的交變部分等稱動載荷。

一般所說剛度一般指靜剛度。動剛度是抗振性的一部分。機床剛度分為靜剛度及動剛度按照載荷的性質不同，分為靜載荷和動載荷。254工藝范圍

包括內容為：在機床上能完成的工序種類；加工零件的類型、材料和尺寸范圍；毛坯的種類等。機床的工藝范圍是指機床適應不同生產(chǎn)要求的能力。5加工精度和表面粗糙度

機床的加工精度是被加工零件在尺寸形狀和相互位置等方面所能達到的準確程度。影響機床加工精度的主要因素有機床的精度和靜剛度等。

機床自動化程度，可以用機床自動工作的時間與全部工作時間的比值來表示。根據(jù)自動化程度機床大致可分為自動、半自動和普通機床三類。6自動化程度267機床壽命

隨著技術設備更新的加速，對機床壽命所要求的時間也在減短?！裰?、小型通用機床，壽命約為八年左右；●專用機床則要求短些，因為它將隨所加工的產(chǎn)品的更新而廢棄；●大型機床和精密級、高精度級機床，則要求壽命長些，因為這些機床的價格高，希望能在較長的時間里保持精度，以提高經(jīng)濟效益。機床壽命就是機床保持它應具有的加工精度的時間。296.1.3幾何運動設計●機床是依靠刀具與工件之間的相對運動，加工出一定幾何形狀和尺寸精度的工件表面；●不同的工件幾何表面，采用不同類型的刀具，作不同的表面形成運動，而成為不同類型的機床；●車床為獲得圓柱面，應有主軸的回轉運動(主運動)和刀架溜板的縱向移動(進給運動)，車端面時則刀架作橫向進給運動。1工作原理

要進行機床的幾何運動設計要了解工件表面形成的幾何方法。302工作表面的形成○

任何一個表面都可看作一條曲線(或直線)沿著另一條曲線(或直線)運動的軌跡?！疬@兩條曲線(或直線)稱為該表面的發(fā)生線，前者稱為母線，后者稱為導線。1）幾何表面的形成312）發(fā)生線的形成

工件加工表面的發(fā)生線是通過刀具切削刃與工件接觸并產(chǎn)生相對運動而形成的。發(fā)生線的形成有如下四種方法。軌跡法成形法

相切法

32加工方法與形狀創(chuàng)成運動的關系相切法

范成法●

加工表面的形成是母線形成和導線形成的組合?！窦庸け砻嫘纬伤璧牡毒吲c工件之間的相對運動也是形成母線和導線所需相對運動的組合。3）加工表面的形成333運動分類●成形運動完成表面加工所必需的最基本的運動稱為表面成形運動，簡稱成形運動?！窀鶕?jù)運動在表面形成中所完成的功能，成形運動又分為主運動和形狀創(chuàng)成運動。根據(jù)運動的功能不同，可以分為成形運動和非成形運動。1）按運動的功能分類（1）主運動

消耗動力主要用于切除加工表面上多余的材料，是運動速度最高的運動，稱為主運動（切削運動）。

34（2）形狀創(chuàng)成運動功能：是用來形成工件加工表面的發(fā)生線。同樣的加工表面，采用的刀具不同，所需的形狀創(chuàng)成運動數(shù)目也不同。圖a）中，用點刃車刀車外圓柱面，形成直母線需要一個創(chuàng)成運動v，形成圓導線需要一個形狀創(chuàng)成運動n，共需兩個創(chuàng)成運動。圖b）中，用寬刃刀車外圓柱面，直母線由刀刃形成，不需創(chuàng)成運動，圓導線形成需要一個創(chuàng)成運動n。

35●非成形運動

除了上述成形運動之外，機床還需設置一些其他運動，稱為非成形運動。如切入運動(使刀具切入)；分度運動(當工件加工表面由多個表面組成時，由一個表面過渡到另一個表面所需的運動)：輔助運動(如刀具的接近、退刀、返回等)?！皙毩⑦\動與其他運動之間無嚴格的關系要求?！饛秃线\動與其他運動之間有嚴格的關系要求。如車螺紋的復合運動。對機械傳動形式的機床來講，復合運動是通過內聯(lián)系傳動鏈來實現(xiàn)的；對數(shù)控機床而言，復合運動是通過運動軸的聯(lián)動來實現(xiàn)的。2）按運動之間的關系分類364運動功能方案設計1）工藝分析2）選取坐標系參照數(shù)控機床坐標系，沿X、Y、Z軸的直線運動符號及運動量仍用X、Y、Z表示，繞X、Y、Z軸的回轉運動用A、B、C表示，其運動量用α、β、γ表示。3）寫出機床幾何運動功能關系式運動功能關系式表示機床的運動個數(shù)、形式(直線或回轉運動)、功能(主運動、進給運動、非成形運動），分別用下標（p、f、a表示)及排列順序。左邊寫工件，用W表示；右邊寫刀具，用T表示，中間寫運動，按運動順序排列，并用“／”分開。

機床的幾何運動功能方案的設計方法和步驟如下：374）畫出機床運動機構原理圖機床幾何運動功能關系式38機床運動機構原理圖395）繪制機床傳動原理圖●機床的運動機構原理圖只表示運動的個數(shù)、形式、功能及運動構件聯(lián)接