数控机床伺服系统Y轴设计书

- 1 - 数控机床伺服系统 一、进给伺服系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图所示： 数控机床进给伺服系统 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 伺服系统对伺服电机的要求： （ 1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如 更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 （ 2）电机应具有大的较长时间的 超载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内超载 4而不损坏。 （ 3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受 4000上的角加速度的能力，才能保证电机可在 （ 4）电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制 - 2 - 技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电 流构成的三环回馈全部数字化、软件处理数字 用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和质量大大提高。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和死循环系统。死循环控制方式通常是具有位置回馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，死循环系统又分为半死循环系统和全死循环系统。半死循环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全死循环系统的位置检测装置安装在工作台上，机 械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比死循环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全死循环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全死循环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵 。死循环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。 直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向 能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。 交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基 - 3 - 于网络的伺服控制成为可能。 二、 总体设计方案的拟定 统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。本次设 计的机床要求具有定位、直线插补、顺、逆圆弧插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。 制方式的选择 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 本次设计的机床精度要求高，但考虑到经济及调试等问题，选用半闭环型的控制系统。 械传动方式 目前数控铣床的纵向和横向多采用伺服电机， 进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等，以尽量减小反向间隙。 我们这里拟采用的是滚珠丝杠副传动，以减少摩擦系数，提高进给机构的整体刚度。滚珠丝杠与电机间用联轴器 直接连接，以消除间隙。 三、滚珠 丝杠副的设计 珠丝杠副的计算 计算参数： 工作台重量 22工对象重量 8作台 500向进给速度 2m/给抗力 Y:150N Z:200N 定位精度 复定位精度 1) 计算进给轴向力) 丝杠上的工作载荷 轴 - 4 - 向力，也叫进给牵引力。它包括三个力：滚珠丝杆的走刀抗力、工 件的重力、作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。矩形导轨的工作载荷 )2(m a x 式中 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形滑动导轨取 K= f 滑动导轨摩擦系数：贴塑导轨为 G 工作台、夹具和刀具的重量， G=30 94N。 则 7 4)2 9 41 5 022 0 0( a x （ 2）动载强度计算 当转速 10 / 时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此要进行动载强度计算，其计算动载荷 m 式中 载荷性质系数（平稳或轻度冲击时为 等冲击时为 大冲击或振动时为 式中去 硬度系数（ 58为 于 55 时为 于 为 于 50 时为 于 45 时为 式中取 1； L 滚珠丝杆工作寿命，以 610 r 为 1 个单位； 本次设计中，电机与丝杆通过联轴器直接相连，减速比 i=1，工作台的最高进给速度达到 2m/用丝杆导程为 5丝杆，丝杆的最高转速为1500r/丝杆的最低转速为可取为 0，则平均转速 n=（ 1500+0） /2=750r/L=610606101500075060 =675 式中 T 丝杆使用寿 命，按设计机床要求取 T=15000h； n 丝杆平均转速； 代入上式得 a - 5 - （ 3）静强度计算 当转速 10 / 时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式为滚珠接触面上产生较大的塑性变形，影响正常工作。因此，应进行静强度计算，最大计算静载荷中 滚珠丝杆的最大轴向负载； 静态安全系数，当为一般运转时，f=2式中 则，上式为 根据计算额定动负载荷和 额定静负荷初选滚珠丝杠副型号 2505 3 型， 3 列 2 圈外循环螺纹预紧滚珠丝杆副。其名义公称直径为 25程 5定动负荷 9309N，额定静负荷 21569N。动载荷与静载荷载均满足要求。 （ 4）滚珠丝杆支承选择 滚珠丝杠的支承形式有四种：一端固定，一端自由，这种安装方式承载能力小，轴刚度低，只是用于短丝杆，一般用于数控机床的调节环节或升降台式数控铣床的立向坐标中；一端固定，一端简支，此种可用于丝杆较长的情况；两端固定，这种安装方式适用于承载能力大，高速，高刚度，高精度的机 床。 从 刚度计算可以看出，丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大。而采用两端固定的支承方式，压杆的稳定性和临界转速高，丝杠的轴向刚度为一端固定的 4 倍，丝杠可以预拉伸，预拉伸后可减小丝杠自重下垂和补偿热膨胀且轴承组合的刚度高。 本传动系统的丝杆采用两端固定的结构形式。初步选用角接触球轴承 36304，既可以承受轴向力，也可以承受径向力，中间用套筒分开。 （ 6） 传动效率的计算 丝杠螺母副的传动效率为 = )v 摩擦角 =10 摩擦角 v = 34 - 6 - =)v v=)013434 =珠丝杠的传动效率高，这可使丝杠副的温度变化较小，对减小热变形，提高刚度、强度都起了很大作用。 （ 7）确定滚珠丝杠的长度 滚珠丝杠副的螺纹长度 Ls (3式中： 有效行程 +螺母长度， 余程，取 20 5 0 0 4 0 2 2 0 5 8 0sL m m (2)丝杠全长 L 起始距离两端轴承长度连接长度 综合考虑各项几何尺寸要求，取 30 （ 8）滚珠丝杠基本尺寸 主要尺寸 计算公式 计算结果（ 公称直径 0本导程 触角 34 钢球直径 道法面半径 R R=- 7 - 珠丝杠的校核 （ 1）压杆稳定性 细长杆在受压缩载荷时，不会发生失稳的最大压缩载荷为临界载荷 )/( 22 N) 式中 实际承受载荷的能力， N； 压杆稳定的支承系数（双推 双推式为 4，单推 单推式为 1，双推 简支式为 2，双推 自由式为 E 钢的弹性模量， I 滚珠丝杠底径 2d 的抗弯截面惯性矩， 64/42 ； K 压杆稳定安全系数，一般取 ，垂直安装时取小值； l 丝杆最大受压长度， m； 0d 丝杠公称直径， m； 滚珠直径， m。 代入数据得 螺纹升角 0 363 偏心距 e e=() 杆外径 d d= 0d -（ 杆内径 1d 2杆接触直径 1d - bd 母螺纹直径 D D= 0d R 母内径 1D 1D = 0d +（ - 8 - 2 2 0 2 1 ( 2411222 临界载荷 工作载荷 比称为稳定性安全系数k n= ,则压杆稳定， 许用稳定性安全系数，一般 此时 2 04则此丝杆稳定。 （ 2）临界转速校核 对于高速长丝杠有可能发生共振，需要算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速 ( / 01 .2 wd d D式中 临界转速计算长度 ,取 丝杠支撑方式系数。（当一端固定，一端自由时， 2f =一端固定，一端游动时， 2f =端固定时， 2f =m i n/22c 远远大于其最大速度，故临界转速满足。（ 3）传动系统刚度验算 由滚珠丝杆本身的抗压刚度承轴承的轴向刚度珠丝杆副中滚珠与滚道的接触刚度算到滚珠丝杆副上伺服系统刚度算到滚珠丝杆副上联轴节的刚度 1K 、滚珠丝杆副的抗扭刚度 螺母座、轴承座的刚度2f - 9 - 成的综合刚度 K 为： m i 一般在校核计算中，折算到滚珠丝杆副上联轴节的刚度、滚珠丝杆副的抗扭刚度、螺母座、轴承座的刚度、伺服刚度一般可忽略不计。则上式可简化为： （ 珠丝杆本身的抗压刚度00螺母移动到离定位点最远位置时，距离为最远，最大距离为 830丝杆拉压刚度为 61126m a a xt m i n N/ m ） 式中 1d 丝杆底径 E 丝杆材料钢的弹性惯量， E= 。 （ 杆轴承的轴向刚度 滚珠丝杠副的预加载荷0F= 43 7 43131 N，轴向外载荷为导轨摩擦力 30 轴向载荷为预加载荷与轴向外载荷之和，即F + )。 丝杆轴承轴向载荷刚度可按下式求得，即 3 23 2 N/ m ） （ 珠丝杆螺母的接触刚度样本手册得 57（ N/ m ） 则传动系统总和刚度 K 为 =N/ m ） - 10 - （ 2）弹性变形量 数控铣床的定位精度是在不切削空载条件下检验的。故轴向载荷为预加载荷与轴向外载荷之和因)(a 故刚度校核合格，符合精度要求。 （ 4）额定寿命的校核滚珠丝杠的额定动载荷 ，已知其轴向载荷 374，滚珠丝杠的转速 ，运转条件系数 ，则有 6 3 0 9106363 ）（）（ F 2 8 1 56 7 560 104 5 6 9k L 滚珠丝杠螺母副的总工作寿命 k h ，故满足要求。 四、直流伺服电机的选择 伺服电机的选用，应考虑三个要求：最大切削负债转矩，不得超过电机的额定转矩，电机的转子惯量 与负载惯量 匹配（匹配条件可根据伺服电机样本提供的匹配条件，也可以按照一般的匹配规律）；快速移动时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。 （ 1） 最大切削负载转矩计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最大切削负载转矩 T=(2OT+i= +) 其中，从前面的计算已知最大进给力74N，丝杆导程紧力 查丝杆样本，滚珠丝杆螺母副的机械效率 =滚珠丝杆预加载荷引起的附加摩擦力矩 - 11 - ) 查单个轴承的摩擦力矩为 ， 故一对轴承的摩擦力矩。伺服电机与丝杆直连其传动比 i=1。 （ 2） 负载惯量计算 伺服电动机的转子惯量 与负载惯量 匹配。负载惯量可按以下次序计算。 工件、夹具与工作台折算到电机轴上的惯量 1J ： 22（）（）（ 2) 丝杆加在电机轴上的惯量 2J 丝杆名义直径0D=25度 l=500m，丝杆材料钢的密度 =3 m/。根据下列计算，丝杆加在电机轴上的惯量 2J 为 43402 2) 联轴器加上锁紧螺母等的转动惯量33J= 则负载及机械传动装置总的转动惯量为： 2321r 0 0 1 1 6 0 1 0 0 1 9.0 根据上述计算可初步选定伺服电机。选用直流伺服电机，可选 列无刷直流电动机，型号为 92流伺服电机，适配驱动器 额定转矩为 m，大于最大切削负载转矩 M= m;转子惯量，满足匹配要求。 92直流伺服电机的主要技术参数如下： 最高转速 n ： 1500r/ 额定转矩m ； 最大转矩m ； - 12 - 定位转矩 :： m； 额定功率： 400W； 额定电压： 220V( 额定电流： 2A； 外形尺寸： ； 质量： （ 3）空载加速转矩计算 当执行件从静止以阶跃指令加速导最大移动（快速移动）时，所需的空载加速转矩aa 02 空载加速时，主要克服的是惯性。总惯量 r 2） 则 5 0 020 0 2 7 m a x N m） 其中载加速转矩 转 矩由 此 可 见 ， 92 直 流 伺 服 电 机 的m m，满足设计要求。 （ 4）伺服系统增益 通常取系统增益取0 1s 。伺服系统的时间常数。根据aT=aa 02 。如选用 92直流伺服电机，执行件（工作台）达到的最大加速度为 a x m/ 2s ) 伺服系统要求达到的最大加速度发生在系统处于时间常数 ，执行件的速度从 - 加导 + - 13 - ）（ 2m a xm a x s/0230 因而按照加速能力选择0 1s 是合适的。如适当增大 五、轴承的选择及校核 (1)初选轴承型号 根据实际工作条件，初步选择的轴承型号为 36304 要性能参数如表所示。 轴承的性能参数 性能参数 36304 定动载荷 C(定静载荷 C0(限转速（油润滑）（ r/ 31000 (2)计算内部轴向力 S 式中： e 负荷影响系数； 轴承所受的径向力 (N)。 因为丝杠传递运动，滚动导轨承载，所以轴承径向只承受丝杠给予的重力，非常小忽略不计，故内部轴向力 。 (3) 计算轴承的最大轴向载荷 FF a 374m a x - 14 - (4)计算当量动载荷 P 和当量静载荷 表为角接触球轴承当量动、静载荷关系表： 当 量 动 载 荷 当 量 静 载 荷 当 042.1当 042.1对轴向载荷： CF a，所以选取 e=Y= 当量懂载荷： 33 7 当量静载荷： （ 5） 寿命 - 15 - h 6010 610 式中： 滚动轴承的基本额定寿命 (h)； C 轴承的额定动载荷 ( P 当量动载荷 (N)； 寿命指数：球轴承取 3； n 轴承转速，取最大转速， n=1500r/ h 43610 10490 0 （ 6） 静载荷校核 000 式中： 额定静载荷 ( 安全系数，取 ； 当量静载荷 (N)。 9 5 限转速校核 21(3式中： 轴承最高转速； 载荷系数； 载荷分布系数； 极限转速， 31000r/ - 16 - 根据文献 10， 入得： m i n/2 0 0 0m i n/2 7 0 8 23 1 0 0 a x 综上所述，轴承 36304载荷、动载荷与许用转速的要求。 六、导轨的设计及滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 一、导轨的设计 铣床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁、等支承件上的导轨进行运动的，导轨的作用概括地说就是对运动部件起导向和支承作用，导轨的制造精度及精度保持性对机床加工精度有着重要的影响。导轨主要由机床上两个相对运动部件的配合面组成一对导轨副，其中不动的配合面成为支承（固定）导轨，运动的配合面成为运动导轨。 滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等 优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨，且已广泛用于数控机床上，其摩擦因数小，且动、静摩擦因数差很小，能防止低速爬行现象，耐磨性强等特点。塑料导轨多与铸铁导轨或淬硬钢导轨相配使用。 二、滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置，在数控铣床上得到了广泛的应用。 - 17 - 滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形，接触刚度与接 触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向精度，必须消除滚珠丝杠螺母副轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺纹滚道的两个相反的侧面上，用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大。预紧力过大会使空载力矩增加，从而减低传动效率，缩短使用寿命。 通过调整两个螺母之间的轴向位置，使两个螺母的滚珠在承受载荷之前，分别与丝 杠的两个不同的侧面接触，产生一定的预紧力，以达到提高轴向刚度的目的。 调整预紧有多种方式，上图所示的为螺纹调隙式结构，用键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，拧动圆螺母将螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用另一圆螺母将其锁紧。这种调整方法的结构简单紧凑，调整方便，但调整较差。 七、联轴器的选用 凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器有键分别与两轴联接，然后有螺栓把两个半联轴器联成一体，以传递运动和转矩。这种联轴器有两种主要的结构形式。一种是普通的凸缘联轴器，通常是靠铰制孔用螺栓来实现现轴对中； 另一种是有对中榫的凸缘联轴器，靠一人半联轴器上的凸肩与另一个半联轴器睥凹缘相配合而对中。 - 18 - 凸缘联轴器结构简单、成本低、可传递较大的转矩，对于转速不高、无冲击、轴的刚性大、对中性好时常采用，本设计选用有对中榫的凸缘联轴器。 19 八、微机数控系统的设计 机电一体化系统由硬件系统和软件系统两大部分组成，控制系统的控制对象主要包括各种机床，如车床，铣床，磨床等等，控制系统的基本组成如下图所示： 根据总体方案 及机械结构的控制要求，铣床控制系统选用 列单片机组成， 流 电机控制，控制系统的功能包括： 1、 2、键盘显示 3、面板管理 4、行程控制 5、其他功能，例如光电隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示硬件电路主要由以下几部分组成： 主控器，即中央处理单元（ ; 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； 存储器，包括 接口，即 I/ 微 机 通信接口 软件 直流电机驱动电路 开关量控制电路 主 运动驱动电路 直流电机 主轴电机 数 控 铣 床 20 外部设备，如键盘、显示器及光电输入等； 控制系统结构框图如图所示： 类型 在微机控制系统中 1、时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度； 2、可扩展存储器的容量； 3、指令系统功能，影响编程的灵活性； 4、 I/对外部设备控制的能力； 5、开发手段，包括支持开发的软和硬件； 此外，还应考虑到系统的应用场合，控制对象对各种参数的要求，以及经济价比等经济性的要求。 综合考虑以上因素，这里选用 8031芯片作为 ，但可供用户使用的只有 1p 口和部分 2p 口，不能满足输入输出口的需要，因此系统必须扩展输入输出接口电路。这里根据系统功能及需要，扩展一片 8155 和一片 8255 可编程接口 I/O 芯片。 8155 的片选信号 74 2 端， 8255 芯片的片选信号接 743。 74 八译码器有三个输入 A、 B、 C 分别接 8031 p 口，输出0 70 8个输出端，低电平有效。70 对应输入 A、 B、 C 的 000 到 111