VMC1300加工中心伺服进给系统的设计.pdf

5结论将粒子群算法应用于二自由度PID控制器设计,仿真结果表明,用此算法设计的二自由度PID控制器计,不仅可使系统具有满意的跟踪性能,也能很好地抑制外扰,同时,相比于其他智能算法,其计算速度更快,更适应于PID控制器的在线应用,因而是一种适应工程应用参数寻优方法。参考文献1徐洪泽.一种改进的遗传算法用于二自由度PID调节器设计.系统仿真学报,1998.10(2):5964.2王强.基于改进混合遗传算法的二自由度PID控制器设计与应用.控制与决策.2001.16(2):195198.3张井岗.二自由度PID调节器的内模整定方法.仪器仪表学报.2002.23(1):2831.4EberhartR.C.andKennedyJ.Anewoptimizerusingparticlesswarmtheory,Proc.SixthInternationalSymposiumonMicroMachineandHumanScience,Nagoya,Japan,IEEEServiceCenter,Piscataway,NJ,1995,3943.VMC1300立式加工中心是我公司新开发的产品,以适应各种大、中型零件和复杂型腔零件的加工。我公司技术任务书规文章编号:1001-3997(2007)02-0047-03*来稿日期:2006-08-06VMC1300加工中心伺服进给系统的设计金桂平1曹阳2夏文海3王桂琴3(1南通纵横国际股份有限公司,南通226006)(2南通大学机械工程学院,南通226007)(3江苏江淮动力股份有限公司,盐城224001)DesignofservofeedsystemonVMC1300machinetoolJINGui-ping1,GAOYang2,XIAWen-hai3,WANGGui-qin3(1NantongSino-internationalCo.,Ltd.Natong226006,China)(2SchoolofMechanicalEngineering,NantongUniversity,Natong226007,China)(3JiangsuJianghuaiEngineCo.,Ltd.Yancheng224001,China)!"!"!"!"【摘要】介绍了VMC1300立式加工中心伺服进给系统的一种新的综合设计方法,包括滚珠丝杆副及其支承的选取、伺服电动机的选取、联轴器的选取。并着重对电动机的转矩、转动惯量及加速能力进行了匹配校核,对机械传动装置刚度变化及弹性系统刚度变化引起的定位误差进行了验算。关键词:加工中心；伺服进给系统；转动惯量；刚度；精度【Abstract】AnintegrateddesignmethodofservofeedsystemonVMC1300machinetoolisintroduced.Itincludeschoosingball-screwpairsandbearings,choosingtheservomotorandcoupling.Thecapabilitiesofthetorque,momentofinertiaandaccelerationoftheservomotorismostlychecked.Therigidityandaccuracyofservofeedsystemisverified.Keywords:Machiningcenter；Servefeedsystem；Momentofinertia；Rigidity；Accuracy中图分类号:TH161文献标识码:A#第2期2007年2月-47-MachineryDesign&Manufacture机械设计与制造定:机床选用FANUC-0i数控系统,主传动采用交流主轴电机无级变速,三向进给系统采用交流伺服电机驱动、半闭环控制方式。主要技术性能指标如下:主电机额定功率15kW,主轴孔锥度BT50,工作台最大承载1500kg,进给速度(15000mm/min),快速移动速度15m/min,工作行程1300mm×650mm×710mm,定位精度0.01/300mm,重复定位精度±0.004mm。以往的加工中心主轴孔锥度为BT40,工作台承载800kg。相比较而言,VMC1300要实现更大功率的切削,且工作行程、工作台承载加大,而精度却要提高,这就对伺服进给系统设计提出了更高的要求。加工中心的伺服系统是连接数控系统及机床主体的关键部分,其性能决定了数控机床的位置精度、加工精度、调速范围、快速响应特性及负载能力等。因此要求伺服系统应具有较好的静态特性、动态特性、加速能力,较高的伺服刚度和足够宽的调速范围等等。以往中、小型加工中心的设计采用类比、试验与修正计算相结合的方法,虽然节省了设计计算时间,但若参数选用不当将会大大延长生产制造周期,造成不必要的重复劳动。因此,要设计高可靠性、高稳定性、高精度、高品质的VMC1300型机床,就必须对其伺服进给系统进行较为完整、科学、精确的设计计算。1轴向进给力的计算本机床采用半闭环控制,其传动链如图1所示,电机与丝杆直接相连,导轨为矩形贴塑导轨。进给系统的负载包括切削反作用力和摩擦力。X、Y轴切削力以不对称逆铣时的铣削力为最大,最大切削工况为:切削扭矩Mmax=249N·m,效率!=0.9041,100mm的45°盘铣刀加工高碳钢工件；Z轴切削载荷以钻孔时为最大,最大切削工况为:50高速钢钻头加工高碳钢工件,进给量0.3mm/r。根据公式:Fz=Mmax×!D/2(1)FL=(0.60.9)Fz,FV=(0.450.7)Fz,FX=(0.50.55)Fz(2)Q=KFL+#0(FV+FX+G)(3)计算得X、Y轴向最大进给力分别为1:Qx=5620N,Qy=6032N。根据文献2,查得Z轴向最大切削力Fz=12949N。则Z轴向最大进给力:Qz=KFZ+$0P=14243N(4)式中:FL、FV、FX-分别为沿导轨运动方向、法向、铅垂方向的切削分力2(N)；G-进给方向的最大承载(GX=2400kg,GY=3450kg)；P-铣头压板对立柱导轨面的正压力,设为300kgf。2滚珠丝杆副及其支承的选取在半闭环控制方式中,机床定位精度很大程度上取决于滚珠丝杆的精度,其中丝杆的导程误差对机床定位精度的影响最明显。因此根据机床定位精度要求,首先确定丝杆导程精度,再根据机床行程、快速移动速度、承载要求,确定丝杆轴长、导程、直径。为了提高轴向接触刚度,减少传动误差,笔者采用双螺母预紧滚珠丝杆副。此外,轴向刚度与丝杆支承结构有很大关系,以往设计机床时选用的丝杆支承是通用40°角接触球轴承,其轴向接触刚度不能满足VMC1300高刚性、高精度的要求。所以笔者选用轴向接触刚度大的滚珠丝杆支承专用角接触球轴承(60°接触角),2列背对背组合使用。丝杆在运转中由于温升会伸长,所以安装时要进行预拉伸补偿热变形,同时可提高丝杆拉压刚度以及轴承与轴承座的轴向接触刚度。最终选定滚珠丝杆型号为50×10C3-2FDI(长度分别为1.8m、1.4m、1.2m),轴承型号为35TAC72B。3伺服电机的选型数控系统所发出的控制指令,是通过伺服驱动器和伺服电机驱动机床执行部件的。所选电机应满足下列条件:在所有进给速度范围内,空载进给扭矩小于电机额定转矩；最大负载扭矩小于电机额定转矩；电机转动惯量与进给负载惯量合理匹配；定位加速时的最大扭矩小于电机最大转矩。因此,必须进行最大负载扭矩计算、惯量匹配计算和加减速扭矩计算,据此确定合适的电机型号。3.1电机负载扭矩计算电机负载扭矩即滚珠丝杆克服外部载荷作等速运动所需的力矩,可按下式计算3:T=PS2!%1+TF+TB(5)式中:P-加在丝杆上的轴向外部载荷(N),其值与轴向进给力大小相等方向相反；S-丝杆导程0.01m；!1-滚珠丝杆的正效率0.90.95；TF-双螺母滚珠丝杆的预紧力矩,查样本得TFX=1.25N·m,TFY=1.07N·m,TFZ=1.01N·m；TB-支承轴承的摩擦力矩,双支承轴承为2TB,查样本得TB=0.28N·m。由式(5)计算得X、Y、Z向的力矩分别为:11.75N·m、12.30N·m、26.77N·m。根据FANUC交流伺服电机样本,在考虑20%保险富裕量的情况下,X、Y向选用22/3000i电机,其额定转矩22N·m,最大转矩64N·m；Z向选用30/3000i电机,其额定转矩30N·m,最大转矩83N·m。至此可预选联轴器型号为ROTEXGS35-38。3.2惯量匹配计算为使伺服进给系统的执行部件具有快速响应能力,必须选用加速能力大的电机,即大惯量电机,但又不能盲目追求大惯量,应综合考虑其性价比,使电机转动惯量与进给负载惯量之间合理匹配。即应满足下列匹配关系1:0.5!JmJr!0.8(6)Jr=Jm+JC+JS+JW(7)式中:Jr-电机轴上的驱动系总惯量(kgf·cm·S2)；-48-第2期金桂平等:VMC1300加工中心伺服进给系统的设计Jm-电机的转动惯量,查样本得22、30的转动惯量分别为0.12、0.17；JC-联轴器的转动惯量,查样本得9.6×10-3；JS-丝杆的转动惯量,JS=0.03576L(L-丝杆长度)JW-直线运动物体的惯量,JW=0.0258W(Wx=0.90t,Wy=1.95t,Wz=1.00t)由公式(7)计算,得X、Y、Z电机轴上的驱动系总惯量分别为0.22、0.23、0.25,则,Jm/Jr分别为0.55、0.52、0.68。可见,X、Y、Z向电机符合惯量匹配要求。3.3定位加速时的最大扭矩计算定位加速时的最大扭矩计算公式3:T12"nm60ta×9.8Jr100+T(8)式中:nm-快速移动时的电机转速,1500r/min；ta-加减速时间常数(s),ta3ks(ks加工中心系统的开环增益,ks=20)。由公式(8)计算,得X、Y、Z轴定位加速时所需的最大扭矩分别为35N·m、36N·m、53N·m,均小于各自电机的最大转矩,表明X、Y、Z轴电机能按规定的时间常数进行加速和减速,即加速能力大,既能保证工件表面的加工质量,又能提高生产效率。上述计算结果表明所选电机符合伺服进给系统要求。4伺服定位精度的验证加工中心的精度指标包括几何精度、位置精度、加工精度,其中位置精度是由机床的伺服进给系统形成的,因此必须进行位置精度误差校验。半闭环伺服进给系统中,由机械传动装置刚度的变化、磨擦阻尼等非线性因素引起的定位误差,以及由伺服系统刚度引起的死区误差,不包括在位置控制环内,故应进行验算,以满足机床的设计要求。X、Y、Z三个进给轴中,X轴的行程最大,工作状况最差,所以设计时主要验证X轴进给系统的定位误差。4.1机械传动装置刚度计算1机械传动部件的最小、最大传动刚度(kgf/m)计算公式为:K0min11KC+1KN+14Kmin+14KB(9)K0min11KC+1KN+14Kmax+14KB(10)式中:KC-联轴器的刚度,查样本得5×105；KN-丝杆螺母副的轴向接触刚度,查样本得124；Kmin-丝杆最小拉压刚度。螺母处于行程中间位置时,刚度最低,由公式Kmin="d2EL计算得99；(E-弹性模量:2.1×106kg/cm2)Kmin-丝杆最大拉压刚度,螺母处于离支承端距离l=0.1L时刚度最高。由公式Kmin"d2E4L×1n(1-n)计算得275；(n-行程比:0.1)KB-轴承的轴向接触刚度,查样本得120。将得到的各刚度数据代入公式(9),(10)得:K0min=79,K0min=90。定位误差:!k="0W(1K0min-1K0max)=0.06$m(11)式中,"0-工作台重量,900kg。!k<15×10×1300300=8.67"m机械传动装置刚度变化引起的定位误差远小于(1/31/5)机床定位精度。可见机械传动部件的刚性足够大,能满足系统定位精度要求。4.2伺服刚度计算1电机轴上的伺服刚度计算公式为:KR=KtKeKs(1+Kw)Ra(12)由电机样本查得Kt=12.2kgf·cm/A,Ke=0.4V·S/rad,Ra=0.16%；系统的速度环增益Kv0=250。由公式(12)计算,得Kv0=152110kg·cm/rad。折算至丝杆-工作台上的拉压刚度:KR=KR×(2"S)2=153110×(2"1)2×10-4=604kgf/"m(13)弹性系统的最低刚度:K0min11K0min+1KR=1179+1604=70kgf/"m(14)机床启动或反向时的最大死区误差:2F0K0min=2"0WK0min=2×0.04×90070(15)高精度机床的最大死区误差应控制在5m以下1。可见VMC1300机床的伺服系统刚性足够大,能满足要求的定位精度,且优于本公司以往的中、小型加工中心(最大死区误差为3m左右)。5结论VMC1300立式加工中心伺服进给系统高可靠性、高稳定性、高精度、高品质的要求,比一般中、小型加工中心更为严格,传统的设计方法满足不了这种需求。文章介绍了VMC1300伺服进给系统的设计方法,包括滚珠丝杆副的选取,伺服电机的选取及校核,定位精度验算。经多台机床测试验证,本公司所生产的VMC1300产品实际达到的定位精度为0.004/300mm,重复定位精度为±0.002mm,完全满足机床的定位精度要求。实践表明上述伺服进给系统的设计计算方法是科学的,可推广应用于一般大、中型加工中心伺服进给系统的设计计算。参考文献1汪星桥.机床设计手册(第2、3册).北京:机械工业出版社,1980.2李洪.机械加工工艺手册3.北京:北京出版社,1990.3廉元国.张永宏.加工中心设计与应用.北京:机械工业出版社,1995.No.2Feb.2007-49-机械设计与制造