FxMy力-位混合伺服两轴插补数控工作台的设计.doc

编号 本科毕业论文 设计 本科毕业论文 设计 题目 Fx My 力力 位混合伺服两轴插补数控工位混合伺服两轴插补数控工 作台的设计作台的设计 专专 业业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 学学 号号 074090126 姓姓 名名 舒晓模舒晓模 指导教师指导教师 詹建明詹建明 完成日期完成日期 2011 5 12 宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 诚 信 承 诺 我谨在此承诺 本人所写的毕业论文 Fx My 力 位混合伺服两轴插 补数控工作台的设计 均系本人独立完成 没有抄袭行为 凡涉及其 他作者的观点和材料 均作了注释 若有不实 后果由本人承担 承诺人 签名 舒晓模 2011 年 5 月 12 日 摘摘 要要 摘要摘要 目前 最成功且接近实用的柔顺控制策略是力 位混合控制 这种策 略将任务空间划分成了两个正交的子空间即力控制子空间和位置控制子空间 在力控制子空间中用力控制策略进行力控制 在位置控制子空间利用位置控制 策略进行位置控制 力 位混合控制策略与传统的阻抗控制策略是不同的 阻 抗控制是一种间接控制力的方法 其核心思想是把力误差信号变为位置环的位 置调节量 即控制器的输入信号加到位置控制的输入端 通过位置的调整来实 现力的控制 力 位混合控制方法的核心思想是分别用不同的控制策略对位置 和力直接进行控制 即首先通过选择矩阵确定当前接触点的位控和力控方向 然后应用力反馈信息和位置反馈信息分别在位置环和力环中进行闭环控制 最 终在受限运动中实现力和位置的同时控制 关键词关键词 伺服 两轴插补 数控工作台 弹簧 Fx My force and position hybrid servo two axis inter polation nc working table design ABSTRACT At present the most successful and close to practical compliant control strategy is force and position hybrid control This strategy will be divided into two orthogonal space The subspaces are named force control subspace and the position control subspace In force control subspace use force control strategy for force control and in the position control subspace use position control strategy for position control Force and position hybrid control strategy is different from traditional control strategy Impedance control is a kind of indirect control method its core thought is turning the force error signal into a position loop controller adjust quantity input signal added to the position control input the adjustment realize force position The force and position hybrid control method s core ideas is different control strategies respectively for position and force directly control namely through selecting matrix determine the current first contact point position control and force control direction and then applied force feedback information and position feedback information respectively in position loop and force loop used for closed loop control eventually in restricted movement realize control force and position KEYWORDS Servo two axis interpolation NC workbench spring 目目 录录 摘 要 III 目 录 V 1 引言 1 2 伺服两轴插补数控工作台的研究现状和发展趋势 2 2 1 研究历史和现状 2 2 2 伺服两轴插补工作台的发展趋势 3 2 3 伺服两轴插补数控工作台的研究意义和路线 3 3 电机 弹簧伺服系统的结构 5 3 1 电机 弹簧伺服系统的模型 5 3 2 电机 弹簧伺服系统的工作过程 5 4 机械系统设计 7 4 1 齿轮参数选定与计算 7 4 1 1 选定齿轮精度 材料 齿数及螺旋角 7 4 1 2 齿面接触疲劳强度校核 7 4 1 3 齿根弯曲疲劳强度校核 8 4 1 4 几何尺寸计算 9 4 2 等效传动惯量计算 不计传动效率 9 4 3 等效负载转矩计算 以下为折算到电机轴的转矩 9 4 4 滚珠丝杠副的结构类型 10 4 4 1 滚珠循环方式 10 4 4 2 轴向间隙预紧方式 11 4 4 3 滚珠丝杠副直径和基本导程系列 11 4 4 4 滚珠丝杠精度等级确定 11 4 4 5 滚珠丝杠副支承形式选择 11 4 4 6 滚珠丝杠副的选择 11 4 4 7 滚珠丝杠副校核 12 4 4 8 滚动导轨副的防护 12 4 5 X 轴滚动导轨设计计算 12 5 伺服两轴插补数控工作台的零件设计图纸解析 13 5 1 零件图纸分析 13 5 1 1 齿轮的选择 13 5 1 2 弹簧尺寸的选择 14 5 1 3 圆盘零件图 14 5 2 辅助装置的选择 15 6 总结 16 参考文献 18 致谢 19 附录 20 1 1 引引言言 数控机床的出现和发展 有效的解决了一些高精度 高复杂性的零件技术 要求 数控机床由传动装置 驱动装置 辅助装置和工作台组成 但是现在的 社会高速发展 对零件的要求各不相同 因此要求数控机床也要随着变革 而 数控工作台设计创新是其中的重点 更重要的是在现代中小型企业中 由于产 品更新换代周期缩短 而且大多数都是一些适应市场的单件 小批零件加工 若通过数控机床 如 传动装置 驱动装置 来解决这些零件的加工精度和自 动化问题 因成本高 故不现实 所以就由工作台的设计变化满足这些要求 伺服系统是以机械运动的驱动设备 电动机为控制对象 以控制器为核心 以电力电子功率变换装置为执行机构 在自动控制理论的指导下组成的电气传 动自动控制系统 这类系统控制电动机的转矩 转速和转角 将电能转换为机 械能 实现运动机械的运动要求 具体在数控机床中 伺服系统接收数控系统 发出的位移 速度指令 经变换 放大与调整后 由电动机和机械传动机构驱 动机床坐标轴 主轴等 带动工作台及刀架 通过轴的联动使刀具相对工件产 生各种复杂的机械运动 从而加工出用户所要求的复杂形状的工件 作为数控 机床的执行机构 伺服系统将电力电子器件 控制 驱动及保护等集为一体 并随着数字脉宽调制技术 特种电机材料技术 微电子技术及现代控制技术的 进步 经历了从步进到直流 进而到交流的发展历程 目前 最成功且接近实用的柔顺控制策略是力 位混合控制 这种策略将 任务空间划分成了两个正交的子空间即力控制子空间和位置控制子空间 在力 控制子空间中用力控制策略进行力控制 在位置控制子空间利用位置控制策略 进行位置控制 力 位混合控制策略与传统的阻抗控制策略是不同的 阻抗控 制是一种间接控制力的方法 其核心思想是把力误差信号变为位置环的位置调 节量 即控制器的输入信号加到位置控制的输入端 通过位置的调整来实现力 的控制 力 位混合控制方法的核心思想是分别用不同的控制策略对位置和力 直接进行控制 即首先通过选择矩阵确定当前接触点的位控和力控方向 然后 应用力反馈信息相位置反馈信息分别在位置环和力环中进行闭环控制 最终在 受限运动中实现力和位置的同时控制 2 伺服两轴插补数控工作台的研究现状和发展趋势伺服两轴插补数控工作台的研究现状和发展趋势 2 1 研究历史和现状研究历史和现状 当今世界电子技术迅速发展 微处理器 微计算机在各技术领域得到广泛 应用 对各技术领域的发展起到了极大的推动作用 一个较完善的数控机床应 包含 驱动装置 传动装置 辅助装置和工作台 新一代的数控机床正在朝着 高性能 高精确性和微型化发展 数控 Numerical Control 是数控技术的简称 它是利用数字化的信息对机 床及加工过程进行控制的一种方法 数控机床自从 20 世纪 50 年代问世以来 随着微电子技术 集成电路技术 计算机与信息处理技术 伺服驱动技术和精 密机械技术的进步而得到迅速发展 数控系统是数控机床的重要部分 它随着 计算机技术的发展而发展 现在的数控系统都是由计算机完成以前硬件数控所 做的工作 为特别强调 有时也称为计算机数字控制系统 目前 数控系统已 经经历了从电子管 晶体管 集成电路到小型计算机 微型计算机等五代的演 变 正在进入基于工业 PC 的第六代的发展阶段 数控机床品种从数控铣床 数控车床发展到各种加工中心机床和柔性制造系统 几乎所有机械制造设备都 有相应的数控产品 数控机床的应用已经从大中型企业普及到更加广泛的中小 型企业甚至家庭作坊 6 工作台是数控机床的重要组成部分 它对数控加工具 有重要影响 以前的数控工作台只是满足与 X 轴和 Y 轴的水平移动 来实现零 件的加工 现在更趋向与设计简单但加工性能好的方向发展 由于数控机床是 机床的重要一个组成部分 因此它在国内外都受到足够的重视 其中 外国对 机床工作台的研究较早 也较为成熟 在国内 数控工作台的研究较晚 过去一种工作台的设计完成之后可以满 足多种零件的生产加工 现在的零件生产加工多数是小批量的或者是针对性的 因此 现在对工作台的要求不单单是大众性 通用性的了 由于我国生产技术 的发展较晚 因此对工作台设计的要求开始也没有那么严格 随着发展 现今 的数控工作台也不能满足需要了 就要求结构简单 操作方便又能满足需要的 工作台 图 2 1 伺服插补数控工作台简图 2 2 伺服两轴插补工作台的发展趋势伺服两轴插补工作台的发展趋势 一个国家的繁荣与其先进制造业密切相关 然而制造时离不开先进机器作 为辅助 机床包括床身 立柱 工作台 进给机构等机械部件 工作台作为数 控机床的重要组成部分 也是影响加工进度的重要组成环节 从一开始为了满 足加工简单的零件而设计的直线运动的 X Y 工作台 到现在为了实现多工位加 工而制造的分度工作台和回转工作台等 为了满足现代制造业的发展 也为了 环境的要求 工作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液体驱动 现在更多的 采用气动装置 更好的保护环境 节约了资源 由于工作台是一台机床的关键 配套部件 因此世界各国都有对其进行研究 我国在工作台的研究方面也取得 了长足进步 2 32 3 伺服两轴插补数控工作台的研究意义和路线伺服两轴插补数控工作台的研究意义和路线 目前普遍采用的数控机床进给传动系统包括齿轮传动副 丝杠 螺母和支 承部件等 通常设计进给传动机构时必须满足一定的要求 才能保证机床进给 系统的定位精度和静态 动态性能 从而确保机床的加工精度 一般要求机床 进给传动系统具有摩擦阻力小 传动刚度高 运动部件惯性小和传动间隙小等 特点 X Y 工作台作为一种平面定位机械系统 动态模型简单 它的控制方法 也已经趋于成熟 但基于 X Y 工作台的含有摩擦环的伺服系统研究是现在的 热点与难点 图 2 2 系统总体框图 根据力 位混合伺服两轴插补数控工作台的现今状况 对数控工作台设计的 可行性方案进行分析 避免出现可能出现一些现阶段尚未解决的问题 并根据 学过的 PLC 和控制工程的课程合并总结 利用学过的课程处理设计过程遇到的 问题 方案拟定即确定工作台传动的形式和控制方式及主要部件或器件的类型 驱动控制方式 由给定的工作台精度要求较低 为简化结构 故采用单片机控制的步进电 机驱动系统 主要由步进电机 单片机驱动控制电路 滚珠丝杠副组成 传动形式确定 工作台 X 方向和 Y 方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动 工作台 X 方向采用一级齿轮传动方式 可以通过降速扩大转矩输出 匹配 进给系统惯量 获得要求的输出机械特性 同时减小脉冲当量 工作台 Y 方向采用直接传动方式 电机通过刚性联轴器与滚珠丝杠联结 然后滚珠丝杠与螺母连接 使电机的转动带动滚珠丝杠的旋转 滚珠丝杠的转 动带动螺母副的前后移动 推动弹簧的伸长和压缩 实现夹具对零件的压紧力 的大小控制 这样的设置结构紧凑 传动效率高 丝杠转速与转矩输出完全与 电机的输出特性一致 3 3 电机电机 弹簧伺服系统的结构弹簧伺服系统的结构 3 13 1 电机电机 弹簧伺服系统的模型弹簧伺服系统的模型 设计了主动动力驱动弹簧系统结构变形的主动柔顺伺服系统 这个伺服系 统是一个典型的闭环控制系统 该伺服系统可以有自动调节的功能 通过输入 与反馈信号比较后的差值 偏差信号 加给控制器 可以更精确的控制步进电 动机进而控制输出力矩 这个伺服系统相对于其他一些开环控制系统有明显的 优势 它的精度高 动态性能好 抗干扰能力强 这也符合本课题的柔顺控制 的要求 3 23 2 电机电机 弹簧伺服系统的工作过程弹簧伺服系统的工作过程 步进电机得到控制器给的信号输出转角 带动齿轮转动 进而带动输入轴 转动 输入轴与下圆盘固定在一起 下圆盘转动 使弹簧拉伸 产生作用力 此作用力作用在上圆盘上产生转矩 再通过输出轴传递扭矩 在研抛物件上产 生研抛头的压力 该系统的运动控制传递模型如下图所示 电动机机械传动弹簧机械结构 K 角度传感器 X r M 1 图3 1 运动控制框图 对转矩的计算 图3 2 为两圆盘转过的角度差 为弹簧的原长 0 L 为弹簧伸长后的长度 1 L K 为弹簧的弹性系数 r 为小圆盘的直径 由图 3 2 可知 3 1 01 LLL 3 2 cos 2 0 22 01 rrLrrLL 3 3 LKF 1 3 4 LK L rLr Mr 1 0 sin 假设 K 1 5 r 10 5 则 0 L 3 5 cos300325 sin1125 sin225 r M 4 4 机械系统设计机械系统设计 4 14 1 齿轮参数选定与计算齿轮参数选定与计算 假设 Vx 2 25 m min 0 0375m s Fx 55N Px Fx Vx 20 625W 初选三相电机 按三相六拍工作时 步矩角 0 75 初定脉冲当量 0 01mm p 丝杠导程 tsP 5 mm 中间齿轮传动比 i 为 i tsP 360i 0 75 6 360 0 01 1 25 由 i 确定齿轮齿数为 Z1 20 Z2 25 模数 m 1 5mm 齿宽 b1 12mm b2 10mm 4 1 14 1 1 选定齿轮精度 材料 齿数及螺旋角选定齿轮精度 材料 齿数及螺旋角 1 选精度为 7 级 2 选小齿轮为 40Cr 调质 硬度为 280HBS 大齿轮材料为 45 钢 调质 硬度为 240HBS 两者硬度差为 40HBS 3 选择齿数 Z1 20 Z2 Z1 i 20 1 25 25 4 1 24 1 2 齿面接触疲劳强度校核齿面接触疲劳强度校核 1 按齿面接触疲劳强度设计 d1t 2Kt T1 u 1 ZHZE 2 d a u H 2 1 3 1 试选 Kt 1 3 由表 10 6 得材料弹性影响系数 ZE 189 8MPa 2 由表 10 7 选取齿宽系数 d 0 5 3 应力循环系数取 j 1 所以 N1 60n2jLh 60 1500 1 2 8 300 15 6 480 109 N2 N1 u 6 480 109 1 25 5 184 109 4 由图 10 19 查得接触疲劳寿命系数 KHN1 0 90 KHN2 0 95 5 由图 10 21d 查得小齿轮接触疲劳强度极限 Hlim1 600MPa 大齿轮的接 触疲劳强度极限 Hlim2 550MPa 6 计算接触疲劳强度许用应力 取失效概率为 1 取安全系数 S 1 H 1 KHN1 Hlim1 S 0 9 600 1 540MPa H 2 KHN2 Hlim2 S 0 95 550 1 522 5MPa 7 计算小齿轮传递的转矩 T1 95 5 105Px nx 95 5 105 0 0020625 1500 13 13N mm 2 计算 1 试算小齿轮分度圆直径 d1t 2 1 3 13 13 2 0625 0 5 1 630 1 25 2 433 189 8 522 5 2 1 3 3 699 mm 2 计算圆周速度 v d1tn1 60 1000 0 29m s 3 计算齿数 b 及模数 m b dd1t 0 5 3 699 1 85 mm h 2 25mt 2 25 0 185mm 0 416 mm b h 3 699 0 416 8 89 4 计算载荷系数 K 查 1 表 10 2 得使用系数 KA 1 0 根据 v 0 29 m s 7 级精度 由 1 图 10 8 查得动载系数 Kv 1 05 由 b h 8 89 由 1 表 10 3 查得 KH KF 1 0 故载荷系数 K KAKvKH KF 1 0 1 05 1 0 1 409 1 479 5 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 d1 d1t K Kt 1 3 3 699 1 479 1 3 1 3 3 862 mm 6 计算模数 mn d1 Z1 3 862 20 0 193 mm 4 1 34 1 3 齿根弯曲疲劳强度校核齿根弯曲疲劳强度校核 1 按齿轮弯曲强度设计 m 2KT1 dZ12 YF YS F 1 3 1 计算载荷系数 K KA Kv KF KF 1 25 1 01 1 2 1 14 1 73 2 由表查出 YFa1 2 592 YSa1 1 596 YFa2 2 3 YSa2 1 715 因为小齿轮弯曲极限强度 FE1 500MPa 大齿轮 FE2 380MPa 由 图 10 18 得弯曲疲劳寿命系数 KFN1 0 85 KFN2 0 88 取安全系数 S 1 4 F 1 KHN1 FE1 S 303 57MPa F 2 KHN2 FE1 S 238 86MPa 3 计算大 小齿轮 YFa1 YSa1 F 1 并加以比较 YFa1 YSa1 F 1 2 8 1 55 303 57 0 0143 YFa2YSa2 F 2 2 62 1 59 238 86 0 01744 取大齿轮数据 2 设计计算 mn 2 1 512 13 13 0 01744 202 1 0 1 3 0 12m 对比计算结果 由齿面接触疲劳强度计算得法面模数 mn 大于齿根弯曲疲劳强度 计算得法面模数 取 mn 1 5 mm 已可满足弯曲强度 但为了同时满足接触疲 劳强度 需按接触疲劳强度计算得的分度圆直径 d1 20mm 4 1 44 1 4 几何尺寸计算几何尺寸计算 1 中心距 a Z1 Z2 mn 2 20 25 1 5 2 33 75 mm 所以圆整为 34 mm 2 计算大 小齿轮分度圆直径 d1 Z1mn 20 1 5 30mm d2 Z2mn 25 1 5 37 5mm 3 计算齿轮宽度 b dd1 0 5 20 10 mm 所以取 B2 10mm 为易于补偿齿轮轴 向位置误差 应使小齿轮宽度大于大齿轮宽度 所以小齿轮约为 B1 12mm 4 24 2 等效传动惯量计算等效传动惯量计算 不计传动效率不计传动效率 小齿轮转动惯量 Jg1 d14b1 32 2 4 1 2 7 85 10 3 32 0 015 10 4 kg m2 式中 钢密度 7 85 10 3 kg cm3 同理 大齿轮转动惯量 Jg2 0 036 10 4 kg m2 由 3 表 3 13 初选滚珠丝杠 得到 d0 20 mm l 390 mm 滚珠丝杠转动惯量 Js d04l 32 2 4 39 7 85 10 3 32 10 4 kg m2 4 81 10 4 kg m2 拖板及工作物重和导轨折算到电机轴上的转动惯量 拖板重量 12kg 工作物重约为 12kg Jw w g tsP 2 2 i2 12 0 5 2 2 2 0832 10 4 kg m2 7 10 6 kg m2 因此 折算到电机轴上的等效转动惯量 Je Je Jg1 Jw Jg2 Js i2 0 017 10 4 kg m2 0 0175 10 4 kg m2 0 272 10 4 kg m2 0 48 10 4 kg m2 2 083 2 3 656 10 4 kg m2 4 34 3 等效负载转矩计算等效负载转矩计算 以下为折算到电机轴的转矩以下为折算到电机轴的转矩 由 3 式 2 7 2 9 可知 Mt Fx Fy tsP 2 i 80 0 06 70 0 005 2 0 8 2 083 0 055N m Mf Ff tsP 2 i W tsP 2 i 0 06 12 9 8 0 005 2 0 8 2 083 0 0067N m 上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 0 8 为摩擦系数取 0 06 nmax vmax 360 2000 0 01 1 5 360 468 75 r min 取起动加速时间 t 0 03 s 初选电动机型号 110BYG260B 矩频特性如下图所示 其最大静转矩 Mjmax 9 5N m 转动惯量 Jm 9 7 10 4 kg m2 fm 1600Hz 故 M0 Fp0tsp 2 i 1 02 1 3Fxtsp 2 i 1 02 1 3 80 0 005 2 0 8 2 083 1 0 92 0 0017 N m 式中 Fp0 滚珠丝杠预加负荷 一般取 Fy 3 Fy 进给牵引力 N 0 滚珠丝杠未预紧时的传动效率 取 0 9 J Je Jm 9 7 10 4 kg m2 0 208 10 4 kg m2 9 908 10 4 kg m2 Ma Je Jm 2 nmax 60t 9 908 10 4 2 833 60 0 03 2 19N m Mq Mamax Mf M0 2 88 0 0034 0 0024 2 2N m Mc Mt Mf M0 0 0402 0 0034 0 0 0024 0 065N m Mk Mf M0 0 0034 0 0024 0 0084N m 从计算可知 Mq最大 作为初选电动机的依据 Mq Mjmax 0 23 0 9 满足所需转矩要求 步进电机动态特性校验 Je Jm 3 656 9 7 0 38 fL fc v1max 60 500 60 0 01 833 3 fL 所以 与 fc对应的 Mc按电机最大静转矩校核 显然满足要求 综上所述 可选该型号步进电机 具有一定的裕量 4 44 4 滚珠丝杠副的结构类型滚珠丝杠副的结构类型 4 4 14 4 1 滚珠循环方式滚珠循环方式 查表 选择外循环插管式 4 4 24 4 2 轴向间隙预紧方式轴向间隙预紧方式 预紧目的在于消除滚珠螺旋传动的间隙 避免间隙引起的空程 从而提高传 动精度 由表查得 采用双螺母垫片预紧方式 4 4 34 4 3 滚珠丝杠副直径和基本导程系列滚珠丝杠副直径和基本导程系列 采用丝杠公称直径 20mm 导程为 6mm 丝杠外径 19 5mm 丝杠底径 17 76mm 循环圈数 2 5 基本动载荷 7417N 基本静载荷 15311N 刚度 376N um 4 4 44 4 4 滚珠丝杠精度等级确定滚珠丝杠精度等级确定 1 丝杠有效行程 由导程查得余程 le 24 mm 得丝杠有效行程 lv lu le lu 263 25 238 mm 2 精度等级 根据有效行程内的平均行程允许偏差 ep 0 02 300 238 103 25 由 2 表 5 5 得 精度等级为 T5 4 4 54 4 5 滚珠丝杠副支承形式选择滚珠丝杠副支承形式选择 滚珠丝杠主要承受轴向载荷 应选用运转精度高 轴向刚度高 摩擦力距 小的滚动轴承 滚珠丝杠副的支承主要约束丝杠的轴向串动 其次才是径向约 束 由 2 表 5 6 查得 采用两端简支 J J 支承形式 4 4 64 4 6 滚珠丝杠副的选择滚珠丝杠副的选择 本方案属于高速或较高转速情况 按额定动负荷 Ca Caj 选择滚珠丝杠副 由 2 式 3 2 可知 Caj Fefw fhftfafk 60Lhne 106 1 3 式中 Caj 滚珠丝杠副的计算轴向动负荷 N Fe 丝杠轴向当量负荷 N 取进给抗力和摩擦力之和的一半 Fe 29N ne 丝杠当量转速 r min 取最大工作进给转速 ne 78 125 r min Lh 丝杠工作寿命 h 查考 2 表 5 7 得 Lh 15000 h ft 温度系数 查 2 表 5 8 得 ft 0 90 fa 精度系数 查 2 表 5 9 得 fa 0 80 fw 负载性质系数 查 2 表 5 10 得 fw 0 9 fh 硬度系数 查 2 表 5 11 得 fh 1 0 fk 可靠性系数 查 2 表 5 12 得 fk 0 21 可靠度 99 计算得 Caj 712 46NFmax 2 临界转速 对于在高速下工作的长丝杠 须验算其临界转速 以防止丝杠共振 ncr 9910 f22d2 Lc2 式中 f2 丝杠支承方式系数 J J 取 3 142 Lc 临界转速计算长度 Lc 0 5m d2 丝杠螺纹底径 取 0 016m ncr 5479r min nmax 同时验算丝杠另一个临界值 d0n 20 468 75 7500 70000 3 轴承选择校核由 1 表 6 6 选角接触球轴承 7001AC 4 4 84 4 8 滚动导轨副的防护滚动导轨副的防护 1 滚珠丝杠副的防护装置 采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管 2 滚珠丝杠副的密封 滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示 材料为四氟乙烯 这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力 3 滚珠丝杠副的润滑 润滑剂用锂基润滑剂 4 54 5 X X 轴滚动导轨设计计算轴滚动导轨设计计算 导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动 并承受运动部件上的载荷 即 起导向和承载作用 导轨副中 运动的一方称作运动导轨 与机械的运动部件联结 不 动的一方称作支承导轨 与机械的支承部件联结 支承部件用以支承和约束运动 导轨 使之按功能要求作正确的运动 1 选南京工艺装配厂 GGB 型产品 E 级精度 fh 1 ft 1 fc 0 81 fa 1 fww 1 2 寿命按每年工作 300 天 每天两班 每班 8h 开机率 0 8 计 额定寿命为 Lh 10 300 2 8 0 8 38400 h 每分钟往复次数 nz 8 3 L 2lsnz60Lh 103 36864Km 计算四滑块的载荷 工作台及其物重约为 200N 计算需要的动载荷 C 4 Ca fwP fh ft fc fa L 50 1 3 1710N 选用 NSK LY30AL 型号滚动导轨副 其 Co 2570N Coa 3840N 5 滚动导轨间隙调整 预紧可以明显提高滚动导轨的刚度 预紧采用过盈配合 装配时 滚动体 滚道及 导轨之间有一定的过盈量 6 润滑与防护 润滑 采用脂润滑 使用方便 但应注意防尘 防护装置的功能主要是防止灰尘 切屑 冷却液进入导轨 以提高导轨寿命 防护方式用盖板式 5 5 伺服两轴插补数控工作台的零件设计图纸解析伺服两轴插补数控工作台的零件设计图纸解析 5 15 1 零件零件图纸分析图纸分析 5 1 15 1 1 齿轮的选择齿轮的选择 由于此数控工作台为一般机械 所以选精度为 7 级 选小齿轮为 40Cr 调 质 硬度为 280HBS 大齿轮材料为 45 钢 调质 硬度为 240HBS 两者硬度 差为 40HBS 图 5 1 齿轮零件图 5 1 25 1 2 弹簧尺寸的选择弹簧尺寸的选择 在工作中 根据弹簧伸长和压缩来提供力的大小 根据所承受的载荷特征 这里选用的是压缩弹簧 由于弹簧在工作时受力较大 根据机械设计书表 10 中 查表取节距 P 为 12cm 弹簧的直径为 26cm 弹簧丝的直径为 6cm 图 5 2 弹簧的尺寸 5 1 35 1 3 圆盘零件图圆盘零件图 步进电机得到控制器给的信号输出转角 带动齿轮转动 进而带动输入轴 转动 输入轴与下圆盘固定在一起 下圆盘转动 使弹簧拉伸 产生作用力 此作用力作用在上圆盘上产生转矩 再通过输出轴传递扭矩 在研抛物件上产 生研抛头的压力 图 5 3 圆盘 5 25 2 辅助装置的选择辅助装置的选择 轴承依靠主要原件间的滚动接触来支撑转动零件的 轴承具有摩擦阻力小 功率消耗少 起到容易等优点 由于角接触轴承能承受径向载荷和轴向载荷 且能适应高速运转 这里采用的是角接触轴承 图 5 6 轴承的选取和配合 6 总结总结 本课题研究下的力 位混合伺服两轴插补工作台 可以使数控操作更快速 稳定 准确 而现在社会上的伺服插补工作台的设计还不够成熟 我国对类似 的研究还处在初级阶段 工作台作为数控机床的重要功能部件 伺服系统又是 机床发展的一大变革 它的特性是影响加工性能的重要指标 数控工作台性能 的提高可以促进超高速切削 精密加工 网络制造等先进制造技术的发展 在 未来 混合伺服两轴插补工作台的设计将会成为数控机床技术发展的方向 通过 Fx My 力 位混合伺服插补工作台的设计 可以使数控操作更快速 稳 定 准确 通常的数控工作台 速度性好 但可能会有强烈的震荡 改善稳定 性 精度虽好 控制过程可能过于迟缓 因此 对一些大中型企业而言 若由 此数控工作台进行生产 将解决一些工件加工过程中的精度和自动化的问题 这样的工作台也具有一定的灵活性 通用性和经济性 在未来数控机床的发展过程中 不在仅仅是机床本身的多功能化 它将与 计算机信息技术的结合 使机床在多功能化的基础上实现高效 精确 智能 其中机床与计算机技术结合的关键连接部位就是数控工作台 数控工作台作为 加工机器零件的平台 是数控机床真正执行命令的地方 它的重要作用将会在 未来体现的更加明确 参考文献参考文献 1 陈康宁 机械工程控制基础 M 西安 西安交通大学出版社 1997 28 35 2 刘贤南 一种数控工作台的设计 D 江西 江西机械 2000 26 27 3 杨萍 数控工作台的设计 D 淮南联合大学 机械工业出版社 1996 13 26 4 董景新 赵常德等编著 控制工程基础 北京 清华大学出版社 2007 5 郑堤 数控机床与编程 M 北京 机械工业出版社 2005 6 郑建荣编著 ADAMS 虚拟样机技术入门与提高 M 北京 机械工业出版 社 2001 7 黄进 含摩擦环节伺服系统的分析及控制补偿研究 博士学位论文 西安 西安电子科技大学 1998 8 吴宗泽主编 机械设计课程设计手册 第二版 北京 高等教育出版社 1999 9 濮良贵主编 机械设计 第七版 北京 高等教育出版社 2001 10 楼应侯 潘晓彬 郑堤 崔玉国 胡利永等编 机械电子工程专业课程设 计指导书 2010 11 Kordonsky V I et al Physical Properties of Magnetizable Structure reversible Media J Magn Magn Mater 1990 85 pp 1143 12 Rabinow J The Magnetic Fluid Clutch AIEE Trans 1948 67 pp 1308 13 Carlson J D et al Commercial Magneto Rheological Fluids Devices 1995 5th Int Conf on ER Fluids Sheffield 10 14 July 1995 14 Ginder J M Ford Motor Company USA 1996 personal communication 致谢致谢 首先我衷心地感谢我的导师詹建明 詹老师渊博的知识 敏锐的思维 深 刻的洞察力 淡泊的心境 平易的待人方式和富有感召力的人格力量给我许多 启发和帮助 使我在学习和工作中 都受益匪浅 詹老师的言传身教 使我领 略到一个著名学者的风采和高尚的情操 这些对我的生活和工作都起着不可估 量的影响 在此 我对敬爱的导师表示衷心的感谢 他始终如一地关心我各方 面上的进展 悉心指导了全部研究的各个环节 反复审阅了我的论文稿 提出 许多修改意见 为本文的完成付出了很多心血 他渊博的学术造诣及严谨的治 学态度给我以深刻教诲 深信将受益终身 附录附录 装配图一张 零件图三张 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈 螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄 蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄 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