C618数控车床的主传动系统设计【4张图纸】【优秀】
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数控车床
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第 五 章 伺服进给系统的改造设计与计算 伺服进给机构的设计是普通车床经济型数控改造的主要部分，如果说 CNC系统是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么，伺服驱动系统便是数控机床的“四肢”，是执行机构，它忠实而准确的执行由 CNC系统发来的运动命令。伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控机床的精度、稳定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。 一、 伺服系统的组成原理和要求 (一 )、 伺服系统的组成原理 机床进给伺服系统主要由伺服驱动 控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。机床进给机械传动系统通常由减速齿轮、滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成。对于伺服驱动控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环两种控制方式。对于开环伺服系统只能由步进电机驱动，它由步进电机驱动电源和电动机组成。闭环伺服系统则分为直流电动机和交流电动机两种驱动方式，并且是双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器以及功率驱动放大器等部分组成。位置环 是由 CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。根据其位置检测信号所取部位不同，它又分为半闭环和全闭环两种。半闭环采用转角位置检测装置，安装于滚珠丝杠端部，或直接与伺服电动机转子的后端相连（与伺服电动机成一体）；对于全闭环系统需要采用直线位置检测装置，安装于机床导轨与工作台拖板之间。通常伺服驱动控制单元与电动机由一个生产厂家配套提供（甚至包括位置检测装置）。 （ 二 ） 、 伺服系统的要求 伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构。为确保机床的加工质量和效率，机床对其伺服系统有“ 稳、准、快、宽、足”五个要求，它反映了伺服驱动系统的五项性能指标 ,具体的内容如下 : 稳 即稳定性，也就是要求系统有较好的抗干扰性，保证电源、环境、负载等所产生的波动对其影响甚小，有较硬的调速机械特性，过载能力强，稳定性好，适应性好，以确保工件加工的一致性。 准 及准确性，为确保加工质量，除要求系统稳定外，还必须有较高的准确定位精度。数控机床是由数控系统发出指令自动完成整个加工过程，它不象普通机床那样，中间可以由操作者测量工件后再通过操纵手轮来修正加工偏差。由于数控机床是按加工程序一次完成加工，所以进给系 统的定位精度直接决定了工件的加工精度，这也是考核数控机床的一项至关重要的性能指标。 通常影响数控加工精度的主要因素有：数控系统精度（主要取决于插补运算精度）；伺服系统精度；机床机械精度（如主轴、刀架、工作台回转精度，刀具、工件装夹精度等）。其中伺服系统精度起主要作用。 nts快 即快速响应性。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，它不但要求静态误差小，也要求动态响应快，具体表现在起、停的升降速过程短，有较高的加速度，即要求系统的机电时间常数小，反应灵敏。 宽 即有较宽的调速范围。通常数控机床在实 际运行中，对工作台的进给速度要求满足两项指标：轻载快速趋近定位速度（即编程指令 G00 的速度）、切削进给速度（即编程指令G01、 G02等后面的 F 值所要求的速度）。 足 即有足够的输出扭矩或驱动功率。特别是要满足强力切削和高速切削的要求，并且还要求系统有相应的过载能力，以确保稳定性。 对进给伺服系统除了上述五项主要性能指标外，也要求温升低、噪声小、效率高、体积小、价格低、控制方便、线性度好（如输出速度与输入电压成线性）、可靠性高，维修保养方便，对温度、湿度等环境要求宽等等。 nts二 伺服进给机构的设计内容和设计计算 数控机床的伺服进给系统的控制方式有多种，如：开环控制闭环控制以及半闭环控制。 正如总体设计方案论证中所说，本设计任务的精度要求不高，结合经济型改造的特点，设计者采用以步进电机为驱动的开环控制方式来设计其伺服进给系统。下面对开换系统的控制形式及特点加以简要分析。 1、工作原理及控制特点 开环控制系统利用脉冲马达的伺服性能，即对应一定的脉冲，必定有一定的转角，从而通过丝杠螺母机构使工作台移动一定的距离。 2、定位精度 虽然开环控制系统很难保证较高的位置控制精 度，对于影响定位精度的机械传动装置的刚度、摩擦、惯量、间隙等的要求较高，一般在 0.01 0.02mm 之间；但对于经济型数控车床来说，定位精度要求并不高。 3、稳定性 结构简单，调试方便，工作可靠，稳定性好。 纵向进给系统的设计与计算 1、进给系统的设计内容 经济型数控车床的改造一般是将丝杠、光杠及安装座拆去，配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电动机及减速箱安装在车床的车尾。书控车床通过步进电动机经 减速驱动滚珠丝杠，带动刀架左右移动。 纵向进给系统设计的主要内容有：滚珠丝杠副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电动机的选择 等。 2、纵向 进 给系统的设计计算 （ 1）已知条件： 1） 、纵向脉冲当量 p=0.001mm/脉冲； 2） 、纵向最高进给速度 Vfymax=2m/min； 3） 、 C618车床工作台质量 w=100kg=1000N（根据图形尺寸粗略计算）。 4） 、时间常数 T=25ms （ 2）、纵向进给切削力 Fz的确定 根据机床设计手册查出， adfPP=3 5% （ 5 1） 式中： Pdf -进给系统所需电机功率 Pa -主传动电机功率 由前面的设计计算可知： Pa=11kw nts取比例系数为 4% 则 Pdf= Pa 4%=0.44kw （ 5 2） 根据机床设计手册查出， Fy=fdffV P6120 （ 5 3） 式中： f-进给系统效率，其范围为 0.15 0.20， 取 f =0.175 Vf-进给速度（ m/min），查 实用机床设计手册可知： Vf=（ 1/2 1/3） Vfymax （ 5 4） 取 Vf=（ 1/2） Vfymax=1 m/min 则 FZ=4712.4 (N) 当 FZ=4712.4N时，切削深度 ap=2mm，走刀量 f=0.3mm . 以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般圆切削时： xF=（ 0.1 0.6） zF （ 5 5） yF=（ 0.15 0.7） zF （ 5 6） xF=0.5 zF =0.5 4712.4=2356.2（ N ） yF=0.6 zF =0.6 4712.4=2827.44（ N ） （ 3）、滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠在工作中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接触应力；对滚道型面上某一点，是交变接触应力。在这种交变应力的作用 下，经过一定的应力循环次数后滚珠和滚道型面产生疲劳损伤，从而使得滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠破坏的主要形式。在设计滚珠丝杠副的时候，须保证能够它在一定的轴向负载的作用下，在回转 106转后，滚道上虽然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生，此时所能承受的轴向负载成为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载 Q。 滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。 1） 、额定 动载荷与计算动载荷 C 从实用机床设计手册中查得： dHdh FffffnC （ 5 7） 式中 : fh - 寿命系数 fd - 载荷性质系数 fH - 动载荷硬度系数 nts fn - 转速系数 Fd - 最大工作负载 (N) 根据实用机床设计手册可知： 选工作寿命 : Lh =15000h, 则 fh = 3/1)500Lh(=3.107 （ 5 8） 选载荷性质系数 : fd =1.35; 选动载荷硬度系数 :fH =1.0; 转速系数 : fn = 3/1)3.33(n; （ 5 9） V =1000mm/min 根据上述选择的情况下 ,计算结果如表 5.1所示 ; 表 5.1 动载荷计算 丝杠导程 L0/mm 12 10 8 6 n =V/L0 (r/min) 8303 100 125 166.7 fn 0.737 0.693 0.694 0.584 c/n 26883 28590 30813 33926 综合导轨车床丝杠的轴向力 : W)(FfkFF ZX （ 5 10） 式中 :K=1.15; f =0.15 0.18,取 0.16.得 ; 1000)( 47 1 2 .40 .1 62 3 5 6 .215.1F =3623.6 (N) 寿命值 ; 1810 1 5 0 0 0206010 t60nL 66 iii （ 5 11） 最大负载 ; FffLQHw3 i （ 5 12） = 6.362312.1183 =11395.8 (N) 查参考文献实用机床设计手册可选用 NL4510 型号的滚珠丝杠副 ,名义直径为 45mm,丝杠导程为 10 mm, 螺旋角 34o ,滚珠例数为 3系列 ,其额定动载荷为 33300N,所以其强度够用。 2） 、支承方式 选用“单推 单推”的支承方式。 nts3） 、效率计算； )( tg tg（ 5 13） 式中： - 螺纹的螺旋升角 34o - 摩擦角 004.0003.0 tg ； 所以， = 4513 则： %97)451334(34 ootgtg （ 5 14） 经验表明：在数控化改造设计中，有普通丝杠换成滚珠丝杠，只要名义直径相同，支承方式相同或有改善 ，其丝杠的强度，刚度和稳定性计算可以不计算，因为采用类比法，改善后肯定合格。 （ 4） 、 齿轮设计 齿轮传动比 i: 517.401.0360105.1360 0 pLi （ 5 15） 式中； - 步进电动机的步矩角，选为 1.50， 计算出 i 5，因此可以选一级传动。 大小齿轮都采用 45 号钢调质，选小齿轮硬度为 260HB 290HB，大齿轮硬度为220HB 250HB，精度选用六级，模数 m=2mm , 齿宽 b=20mm, 螺旋角 = 020 ， 齿数 Z1=18，齿数 Z2=75，则： 3618211 mzd （ 5 16） 15075222 mzd 93)(21 21 dda（ 5 17） 还应该校核齿轮表面接 触疲劳强度，弯曲疲劳强度。经校核均合格，其校核过程略。 3、步进电动机的确定 （ 1）、步进电动机步矩角的选择； 005.110 17.401.0360360 L ip （ 5 18） （ 2）、等效转动惯量的计算 惯量对运动特性有很大影响，对加速能力，加速时驱动力矩及动态的快速反应有直接关系，因此核算转动惯量很有必要。 nts纵向伺服系统改进后 等效转动惯量 的简图如下 : 图 5-1 改造后的纵向伺服系统 等效转动惯量 简图 等效步进电动机轴的转动惯量计算，采用下式； 1121 JJJJiJ zzs （ 5 19） 式中： 1J -工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 sJ-滚珠丝杠转动惯量 1zJ -齿轮 1的转动惯量 2zJ -齿轮 2的转动惯量 1J = WP2180 （ 5 20） = 25.114.301.0180 100=0.146（ kgf 2cm ） 滚珠丝杠 转动惯量： sJ=7.8 410 4D 1L （ 5 21） =7.8 410 45.4 140=45.741（ kgf 2cm ） 齿轮的转动惯量： 1zJ =7.8 410 46.3 2=0.262（ kgf 2cm ） 2zJ =7.8 410 415 2=78.975（ kgf 2cm ） 电动机转动惯量很小可忽略，因此总的转动惯量： J = 1121 JJJJi zzs = 146.0262.0975.78741.4517.41 2 nts=7.58（ kgf 2cm ） =75.8 )( 2cmN （ 3） 、 所需转动力矩计算： 折算到步进电动机轴的力矩可分为三种情况进行计算。 1）、 快速空载启动时所需力矩： M=Mamax+Mf+M0 （ 5 22） 2）、 最大切削负载时所需力矩： M=Mat+Mf+M0+Mt （ 5 23） 3）、 快速进给所需力矩 M=Mf+M0 （ 5 24） 式中： Mamax-空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； Mf -折算到电机轴上的摩擦力矩； M0 -由丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的摩擦力矩； Mat-切削时折算到电机轴上的加速度力矩； Mt -切削时折算到电机轴上的切削负载力矩。 Ma= 4106.9 TJn（ N m） （ 5 25） 式中； T为时间常数 T=0.025s 当 n=nmax时， Mamax=Ma； nmax =1017.420000m ax L iV=834r/min （ 5 26） Mamax= 410025.06.9 83458.7 =2.764（ N m） =276.4（ N cm ） 当 n=nt时， Mat=Ma； 0Lfi主nnt （ 5 27） =10 17.43.0100 =12.51 （ r/min） Mat= 410025.06.9 58.7 =0.0395 （ N m） =3.95（ N cm ） iwLfMf 2 0 （ 5 28） 当 =0.8， f=0.16 时； nts 17.48.014.32 110 016.0 fM=7.64（ N CM） 当0=0.9时： 0M= 200 16 iLFx （ 5 29） = 29.0117.48.014.36 17.2 8 2 =0.854（ kgf cm ） =8.54（ N cm ） tM=iLFx2 0（ 5 30） =17.48.014.32 17.282 =13.5（ kgf cm ） =135（ N cm ） 从而求得，快速空载启动所需力矩 M=Mamax+Mf+M0 =276.4+7.64+8.54 =294.88 （ N CM ） 切削时所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt =3.95+7.64+8.54+135 =155 （ N cm ） 快速进给时所需力 矩 M=Mf+M0 =7.64+8.54 =16.18 （ N CM ） 由以上分析计算可知，所需最大力矩 Mmax发生在快速启动时，即： Mmax=294.88 （ N CM ） 4）、步进电动机的最大静转矩 Tjm 为。 8 6 6.04.08 6 6.0 m a x0 TTT jm（ 5 31） 4.0866.0 88.294 =851.3 （ N CM ） 5）、步进电动机的最高频率计算； nts 3.333 301.060200 060 m a xm a x pVf（ HZ） （ 5 32） 电动机采用三相六拍的工作方式，经综合考虑，选用 110BF003 型的直流步进电动机能满足要求。 横向进给系统的设计与计算 1、进给系统的设计内容 经济型数控车床改造的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电动机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电动机安 装在大拖板上，用发兰盘将步进电动机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。 横向进给系统设计的主要内容有：滚珠丝杠副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电动机的选择等。 2、横向进给系统的设计计算 （ 1） 、 已知条件： 1）、纵向脉冲当量 y=0.0005mm/脉冲； 2）、纵向最高进给速度 Vfymax=1m/min； 3）、 C618车床工作台质量 w=40kg=4000N（根据图形尺寸粗略计算）。 4）、时间常数 T=25ms （ 2）、横向进给切削力 Fx的确定 根据 机床设计手册可知； 横向进给量为纵向的 1/2-1/3 ，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2。 zF =0.5 4712.4=2356.2（ N ） xF=0.5 zF =0.6 2356.2=1178.1（ N ） （ 3）、滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠在工作中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接 触应力；对滚道型面上某一点，是交变接触应力。在这种交变应力的作用下，经过一定的应力循环次数后滚珠和滚道型面产生疲劳损伤，从而使得滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠破坏的主要形式。在设计滚珠丝杠副的时候，须保证能够它在一定的轴向负载的作用下，在回转 106转后，滚道上虽然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生，此时所能承受的轴向负载成为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载 Q。 滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。 1）、 强度计算； W)(FfkFF ZX 式中 :K=1.4; f =0.2,得 ; nts 4 0 0 )( 2 3 5 6 .20 .21 1 7 8 .14.1F =2200.5 (N) 寿命值 ; 1 3 .510 15000156010 t60nL 66 iii 最大负载 ; FffLQHw3 i = 2200.512.113.53 =6287.5 (N) 查参考文献实用机床设计手册可选用 WD2004 型号的滚珠丝杠副 ,名义直径为 20mm,丝杠导程为 4 mm ,螺旋角 393o ,滚珠例数为 3 系列 ,其额定动载荷为 7600N,所以其强度够用。 2）、支承方式 选用“单推 单推”的支承方式。 3）、效率计算； )( tg tg式中： - 螺纹的螺旋升角 393o - 摩擦 角 = 10 则： 96.0)10393(393 ootgtg 经验表明：在数控化改造设计中，有普通丝杠换成滚珠丝杠，只要名义直径相同，支承方式相同或有改善，其丝杠的强度，刚度和稳定性计算可以不计算，因为采用类比法，改善后肯定合格。 （ 4）、齿轮设计 齿轮传动比 i: 53.3005.036045.1360 0 pLi 式中； - 步进电 动机的步矩角，选为 1.50， 计算出 i 5，因此可以选一级传动。 大小齿轮都采用 45 号钢调质，选小齿轮硬度为 260HB 290HB，大齿轮硬度为220HB 250HB，精度选用六级，模数 m=2mm , 齿宽 b=20mm, 螺旋角 = 020 ， nts齿数 Z1=20，齿数 Z2=66，则： 4020211 mzd 13266222 mzd 86)(21 21 dda还应该校核齿轮表面接触疲劳强度，弯曲疲劳强度。经校核均合格，其校核过程略。 3、步进电动机的确定 （ 1）、步进电动机步矩角的选择； 005.14 17.4005.0360360 L ip （ 2）、等效转动惯量的计算 惯量对运动特性有很大影响，对加速能力，加速时驱动力矩及动态的快速反应有直接关系，因此核算转动惯量很有必要。 改造后的横向伺服系统 等效转动惯量 简图如下 : 图 5-2 改造后的纵向伺服系统 等效转动惯量 简图 等效步进电动机轴的转动惯量计算，采用下式； 1121 JJJJiJ zzs 式中： 1J -工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 sJ-滚珠丝杠转动惯量 1zJ -齿轮 1的转动惯量 2zJ -齿轮 2的转动惯量 nts1J =25.114.3005.0180 40 =1.46（ kgf 2mm ） =0.0146（ kgf 2cm ） 滚珠丝杠转动惯量： sJ=7.8 410 42 50=0.624（ kgf 2cm ） 齿轮的转动惯量： 1zJ =7.8 410 4 2=0.4（ kgf 2cm ） 2zJ =7.8 410 42.13 2=47.36（ kgf 2cm ） 电动机转动惯量很小可忽略，因此总的转动惯量： J = 0146.04.0624.036.473.31 2 =4.82（ kgf 2cm ） =48.2 )( 2cmN （ 3）、所需转动力矩计算： 折算到步进电动机轴的力矩可分为三种情况进行计算。 1）、快速空载启动 时所需力矩： M=Mamax+Mf+M0 2）、 最大切削负载时所需力矩： M=Mat+Mf+M0+Mt 3）、快速进给所需力矩 Ma= 4106.9 TJnN M 式中； T为时间常数 T=0.025s
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