機(jī)電裝備設(shè)計(jì)12課件

15.4.2經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

已知拖板重W=2000N，拖板與貼塑導(dǎo)軌間摩擦系數(shù)μ＝0.06，車削時(shí)最大車削負(fù)載Fs＝2150N（與運(yùn)動方向相反），y向切削分力Fy＝2Fz＝4300N（垂直于導(dǎo)軌），要求刀具切削時(shí)的進(jìn)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(dǎo)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(jìn)電動機(jī)，并檢查其起動特性和工作速度。

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初選步三相進(jìn)電動機(jī)的步距角為0.75°/1.5°,當(dāng)三相六拍運(yùn)動時(shí)，步距角

解：

（1）脈沖當(dāng)量的選擇

其每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)

根據(jù)脈沖當(dāng)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(zhuǎn)動慣量Js

（2）等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算

式中的鋼密度2）拖板運(yùn)動慣量換算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量JW

3）大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jg2

式中b2＝10mm，為大齒輪寬度74）小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jg1式中b1＝12mm，為小齒輪寬度折算到電機(jī)軸上總慣性負(fù)載Je為（3）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算

1)折算到電動機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩

η—絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動效率，取η＝0.89初選步進(jìn)電動機(jī)型號110BYG260B，它的矩頻特性曲線如圖所示。10其最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax＝9.5N.m，轉(zhuǎn)動慣量Jm＝9.7kg.cm2，fm=1600Hz，故有①快速空載起動所需轉(zhuǎn)矩Mq②最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩Mc11③快速進(jìn)給時(shí)所需轉(zhuǎn)矩Mk

由計(jì)算可知，Mq，Mc，Mk三種工況下以快速空載起動所需轉(zhuǎn)矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電動機(jī)的依據(jù)。（4）步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)特性校驗(yàn)135．5控制理論方法的基本內(nèi)容和步驟伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程方法包含的基本內(nèi)容和步驟1伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)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(xué)模型4根據(jù)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行綜合校正以滿足給定性能指標(biāo)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(jìn)行設(shè)計(jì)的，已經(jīng)形成一個(gè)相當(dāng)完整、內(nèi)容極為豐富的理論和方法體系。

它能解決動力學(xué)方法末能解決的問題，即對伺服系統(tǒng)五個(gè)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(nèi)是穩(wěn)定、可靠的；2精度比較經(jīng)濟(jì)地達(dá)到給定精度的要求；3快速性系統(tǒng)輸出響應(yīng)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(yīng)具有良好的抵抗外部負(fù)載干擾和高頻噪聲的能力等。

其原因在于動力學(xué)方法是按機(jī)電傳動系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的，因此，是一種近似的設(shè)計(jì)方法。對于工程實(shí)際，其伺服系統(tǒng)是相當(dāng)復(fù)雜的，通常是由具有眾多機(jī)電參數(shù)的、高階的非線性的控制系統(tǒng)，需要設(shè)定一些基本參數(shù)、根據(jù)具體條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)亟惦A和線性化，才能便于設(shè)計(jì)計(jì)算，這便形成了伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程方法。151）穩(wěn)定性和動態(tài)性能指標(biāo)①穩(wěn)定性：經(jīng)典控制論特征根是否位于復(fù)平面左側(cè)，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(biāo)常用的描述方法從三個(gè)方面評價(jià)時(shí)域指標(biāo)：超調(diào)量σp％，調(diào)整時(shí)間，振蕩次數(shù)，上升時(shí)間，峰值時(shí)間，延遲時(shí)間；頻域指標(biāo)：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(biāo)：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(shù)性能指標(biāo)173）對元件參數(shù)變化的靈敏度指標(biāo)

靈敏度則應(yīng)包含在系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性要求之內(nèi)。但對有些伺服系統(tǒng)，如飛機(jī)自動駕駛儀系統(tǒng)其對象(飛機(jī))的參數(shù)會在大范圍內(nèi)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(biāo)。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(shè)計(jì)任務(wù)要求，擬定系統(tǒng)控制方案及原理圖，正確選擇或設(shè)計(jì)其元部件。既涉及控制原理，也應(yīng)考慮工程實(shí)際問題。由于高質(zhì)量的機(jī)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(jìn)行。這給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了便利，既縮短了制造周期，又能保證系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。184根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和校正或補(bǔ)償設(shè)計(jì)，以滿足給定性能指標(biāo)的要求。

以上是伺服系統(tǒng)控制理論方法設(shè)計(jì)計(jì)算的基本內(nèi)容及步驟，當(dāng)然還有具體的工程設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試等。3建立伺服系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型

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

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助工程

(CAE)已廣泛應(yīng)用于機(jī)床設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和類比設(shè)計(jì)方法；●由定性設(shè)計(jì)向定量設(shè)計(jì)；●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(shè)計(jì)向最優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)6.1.1機(jī)床設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求

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

1精度

機(jī)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(jī)床的精度包括幾何精度、傳動精度、運(yùn)動精度和定位精度和工作精度等。第六章金屬切削機(jī)床與數(shù)控化221）幾何精度是機(jī)床在不運(yùn)動或運(yùn)動速度較低時(shí)的精度。由機(jī)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(yùn)動軌跡的精度所決定的。2）傳動精度是指內(nèi)聯(lián)傳動鏈兩末端件之間的相對運(yùn)動精度。決定于傳動系統(tǒng)中機(jī)件的制造精度和裝配精度以及傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。3）運(yùn)動精度是指機(jī)床的主要部(組)件以工作狀態(tài)的速度運(yùn)動時(shí)的精度。4）定位精度是指機(jī)床主要部件在運(yùn)動終點(diǎn)所達(dá)到的實(shí)際位置的精度。

5）工作精度

機(jī)床加工規(guī)定的試件所能達(dá)到的加工精度。23

除對機(jī)床本身的精度要求外，還要求機(jī)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(shí)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(shí)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(jī)床剛度分為靜剛度及動剛度按照載荷的性質(zhì)不同，分為靜載荷和動載荷。254工藝范圍

包括內(nèi)容為：在機(jī)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(jī)床的工藝范圍是指機(jī)床適應(yīng)不同生產(chǎn)要求的能力。5加工精度和表面粗糙度

機(jī)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(dá)到的準(zhǔn)確程度。影響機(jī)床加工精度的主要因素有機(jī)床的精度和靜剛度等。

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

隨著技術(shù)設(shè)備更新的加速，對機(jī)床壽命所要求的時(shí)間也在減短?！裰?、小型通用機(jī)床，壽命約為八年左右；●專用機(jī)床則要求短些，因?yàn)樗鼘㈦S所加工的產(chǎn)品的更新而廢棄；●大型機(jī)床和精密級、高精度級機(jī)床，則要求壽命長些，因?yàn)檫@些機(jī)床的價(jià)格高，希望能在較長的時(shí)間里保持精度，以提高經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)床壽命就是機(jī)床保持它應(yīng)具有的加工精度的時(shí)間。296.1.3幾何運(yùn)動設(shè)計(jì)●機(jī)床是依靠刀具與工件之間的相對運(yùn)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(yùn)動，而成為不同類型的機(jī)床；●車床為獲得圓柱面，應(yīng)有主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(主運(yùn)動)和刀架溜板的縱向移動(進(jìn)給運(yùn)動)，車端面時(shí)則刀架作橫向進(jìn)給運(yùn)動。1工作原理

要進(jìn)行機(jī)床的幾何運(yùn)動設(shè)計(jì)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(gè)表面都可看作一條曲線(或直線)沿著另一條曲線(或直線)運(yùn)動的軌跡。○這兩條曲線(或直線)稱為該表面的發(fā)生線，前者稱為母線，后者稱為導(dǎo)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(yùn)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(yùn)動的關(guān)系相切法

范成法●

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

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

34（2）形狀創(chuàng)成運(yùn)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(yùn)動數(shù)目也不同。圖a）中，用點(diǎn)刃車刀車外圓柱面，形成直母線需要一個(gè)創(chuàng)成運(yùn)動v，形成圓導(dǎo)線需要一個(gè)形狀創(chuàng)成運(yùn)動n，共需兩個(gè)創(chuàng)成運(yùn)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(yùn)動，圓導(dǎo)線形成需要一個(gè)創(chuàng)成運(yùn)動n。

35●非成形運(yùn)動

除了上述成形運(yùn)動之外，機(jī)床還需設(shè)置一些其他運(yùn)動，稱為非成形運(yùn)動。如切入運(yùn)動(使刀具切入)；分度運(yùn)動(當(dāng)工件加工表面由多個(gè)表面組成時(shí)，由一個(gè)表面過渡到另一個(gè)表面所需的運(yùn)動)：輔助運(yùn)動(如刀具的接近、退刀、返回等)。○獨(dú)立運(yùn)動與其他運(yùn)動之間無嚴(yán)格的關(guān)系要求?！饛?fù)合運(yùn)動與其他運(yùn)動之間有嚴(yán)格的關(guān)系要求。如車螺紋的復(fù)合運(yùn)動。對機(jī)械傳動形式的機(jī)床來講，復(fù)合運(yùn)動是通過內(nèi)聯(lián)系傳動鏈來實(shí)現(xiàn)的；對數(shù)控機(jī)床而言，復(fù)合運(yùn)動是通過運(yùn)動軸的聯(lián)動來實(shí)現(xiàn)的。2）按運(yùn)動之間的關(guān)系分類364運(yùn)動功能方案設(shè)計(jì)1）工藝分析2）選取坐標(biāo)系參照數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系，沿X、Y、Z軸的直線運(yùn)動符號及運(yùn)動量仍用X、Y、Z表示，繞X、Y、Z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動用A、B、C表示，其運(yùn)動量用α、β、γ表示。3）寫出機(jī)床幾何運(yùn)動功能關(guān)系式運(yùn)動功能關(guān)系式表示機(jī)床的運(yùn)動個(gè)數(shù)、形式(直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動)、功能(主運(yùn)動、進(jìn)給運(yùn)動、非成形運(yùn)動），分別用下標(biāo)（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(yùn)動，按運(yùn)動順序排列，并用“／”分開。

機(jī)床的幾何運(yùn)動功能方案的設(shè)計(jì)方法和步驟如下：374）畫出機(jī)床運(yùn)動機(jī)構(gòu)原理圖機(jī)床幾何運(yùn)動功能關(guān)系式38機(jī)床運(yùn)動機(jī)構(gòu)原理圖395）繪制機(jī)床傳動原理圖●機(jī)床的運(yùn)動機(jī)構(gòu)原理圖只表示運(yùn)動的個(gè)數(shù)、形式、功能及運(yùn)動構(gòu)件聯(lián)接