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桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第35页 共35页目 录引言31 国内外数控铣床发展情况与设计意义41.1 国外数控铣床发展情况41.2 国内数控铣床发展情况41.3 设计意义42 方案选择52.1 伺服进给系统选择52.2 伺服电机选择63 伺服进给系统参数计算73.1 传动系统设计73.2 工作台外形尺寸及重量初步估算73.3 滚珠丝杠选择及计算83.3.1滚珠丝杠精度83.3.2滚珠丝杠选择83.4 丝杠支撑选择及计算113.5 导轨副的选择及计算133.6 选择伺服电动机143.6.1最大切削负载转矩计算143.6.2负载惯量计算153.6.3空载加速转矩计算163.7 伺服系统增益163.8 精度验算163.8.1伺服刚度KR163.8.2滚珠丝杠的拉压刚度Ktmin173.8.3丝杠轴承的轴向刚度Kba173.8.4滚珠丝杠螺母的接触刚度KC183.8.5联轴器扭转刚度K1183.8.6综合刚度K183.8.7弹性变形183.8.8定位误差验算184 主要部件设计及校核184.1 联轴器184.2 键194.3 支承件194.3.1床身结构204.3.2电机座204.4 T型槽工作台214.5 检测装置215 直流伺服电机驱动电路设计235.1 总体方案概述235.2 H桥驱动原理235.3 PWM原理245.4 H桥驱动电路设计255.5 自举驱动电路265.6 脉宽信号产生电路296 结论31谢 辞32参考文献33附 录34引言自20世纪中叶数控技术出现以来，数控铣床给机械制造业带来了革命性的变化。数控铣床加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控铣床具有如下功能：点位控制功能、连续轮廓控制功能、刀具半径自动补偿功能、刀具长度补偿功能、镜像加工功能、固定循环功能、特殊功能。数控铣床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控铣床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 二维工作台是数控铣床的重要部件，二维工作台的精度对零部件的加工精度有重要影响。数控铣床二维精密工作台设计是数控铣床设计中重要的一个环节。1 国内外数控铣床发展情况与设计意义1.1 国外数控铣床发展情况美国麻省理工学院于1952年成功研制了世界上第一台数控铣床。1955年用于制造航空零件的数控铣床正式问世！特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，终端用户提出更多需求，美德日各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户。国外的数控发展迅速，并具有一下特点：高速高精与多轴加工成为数控机床的主流，纳米控制已经成为高速高精加工的潮流；多任务和多轴加工数控机床越来越多地应用到能源、航空航天等行业；机床与机器人的集成应用日趋普及，且结构形式多样化，应用范围扩大化，运动速度高速化，多传感器融合技术实用化，控制功能智能化，多机器人协同普及化；智能化加工与监测功能不断扩充，车间的加工监测与管理可实时获取机床本身的状态信息，分析相关数据，预测机床的状态，提前进行相关的维护，避免事故的发生，减少机床的故障率，提高机床的利用率；最新的机床误差检测与补偿技术能够在较短的时间内完成对机床的补偿测量，与传统的激光干涉仪相比，对机床误差的补偿精度能够提高34倍，同时效率得到大幅度提升；最新的CAD/CAM技术为多轴多任务数控机床的加工提供了强有力的支持，可以大幅度提高加工效率；刀具技术发展迅速，众多刀具的设计涵盖了整个加工过程，并且新型刀具能够满足平稳加工以及抗振性能的要求。 可以说国外的数控铣床发展迅猛，代表着数控铣床发展的方向。1.2 国内数控铣床发展情况中国于1958年研制出第一台数控机床，在发展的道路上遇到了一些曲折，不过最近20年来数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。1.3 设计意义虽然国内数控铣床与国外的相比还有很大的差距，但是数控铣床是重要的机械加工装备，在制造业中占有重要的地位，对国民经济的发展起着重要作用。其中，二维精密工作台是数控铣床的关键部件，二维精密工作台的质量对数控铣床的加工精度和产品质量有着重要的影响，进行数控铣床二维精密工作台设计具有重要的经济价值与社会意义。本设计基于三维计算机辅助设计，加快新产品研制进度，缩短设计周期，希望对数控铣床制造业起到一点意义。 2 方案选择2.1 伺服进给系统选择伺服进给系统一般按照有无位置检测与反馈可以分为闭环伺服系统、半闭环伺服系统、开环伺服系统。闭环伺服系统中有反馈控制系统,位置采样点从工作台引出，可直接对最终运动部件的实际位置进行检测；能得到更好的精度、更高的速度和驱动功率。安装在执行部件上的位置检测装置，测量执行部件的实际位移量并转换成电脉冲，反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。闭环伺服系统成本高，对环境室温要求严格，设计和调试都比开环伺服系统难。但是可以获得更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。闭环伺服系统的定位精度一般可达0.01mm0.005 mm。如图2-1所示。图2-1 闭环伺服系统半闭环伺服系统将检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件位置的系统。闭坏伺服系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环伺服系统只能补偿系统环路内部分元件的误差但是它的结构与凋试都比较简单，如果将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机做成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。总的来说，半闭环伺服系统的精度比闭环伺服系统的精度要低一些，在一些对精度中等的场合常使用半闭环伺服系统。半闭环伺服系统的结构示意如图2-2所示。图2-2 半闭环伺服系统开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节。这种系统的伺服驱动装置主要是步进电动机、功率步进电动机、电液脉冲电动机等。由数控系统发出的指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电动机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。只要控制指令系统脉冲的数量、频率及通电顺序，便可以控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。开环伺服系统的精度主要取决于步进电动机的角位移精度，齿轮、丝杆等传动元件的节距的精度，所以开环伺服系统的精度低，开环伺服系统的特点是结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉；因此在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。其结构如图2.3所示。图2-3 半闭环伺服系统通过以上对比，本设计选着闭环伺服系统作为二维精密工作台进给系统的主要形式。2.2 伺服电机选择目前常用的驱动元件主要有步进电动机，直流伺服电动机，交流伺服电动机。步进电机的工作原理是通过被励磁的定子电磁力吸引转子偏转从而输出转矩，具有快速的启动，制动和反转的能力；在一定频率范围内各种运动方式都能任意的改变且不会失步，具有自整步的能力；没有一周累计误差，所以定位精度很高；价格便宜。但是步进电机有效率低，驱动惯量负载能力差等缺点缺点，作高速运动时容易失步，所以现在步进电机主要用在开环伺服系统中。直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可以方便地在宽范围内实现平滑无级调速，因此在对伺服电机的调速性能和启动性能要求较高的设备中，大都采用直流伺服电机驱动。直流伺服电机分为有刷和无刷电机两种，有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），会产生一定电磁干扰，对环境有要求。直流无刷伺服电机体积小，重量轻，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境，但是缺点力矩较小。交流伺服电动机，转子惯量较直流伺服电动机小，在动态响应上更好。一般来说，在同样的体积下，交流伺服电动机的输出功率可比直流伺服电动机提高10%70%，此外，交流伺服电动机的容量也比直流伺服电动机大，易达到更高的电压和转速。在交流伺服系统中可以用交流同步电机也可以用交流感应电机。但是交流伺服电机的缺点是不能经济地实现范围较大的平滑调速。所以，经过以上分析并考虑，本设计采用的是直流有刷伺服电机，主要基于直流有刷电机力矩大且能够实现大范围的平滑调速。3 伺服进给系统参数计算3.1 传动系统设计根据设计要求系统定位精度为0.01mm，选择闭环伺服系统。从产品目录查询得知直流伺服电动机的一般转速为1500rpm、2000rpm、3000rpm等。本设计取直流伺服电动机通过联轴器与丝杠直接连接，即i=1。取电动机的最高转速，则丝杠的最高转速也为1500r/min。工作台快速进给的最高速度要求达到。基本丝杠导程3.2 工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，如图3-1所示，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。图3-1 工作台简图取X向导轨支撑的中心距为400mm,Y向导轨支撑的中心距为800mm；工作台的尺寸：1200mm*600mm*50mm；工作台重量：按重量=体积材料比重估算： ；X向拖板（滑座）尺寸为:1500mm*500mm*50mm滑座重量:按重量=体积*材料比重估算为： ；X向电机、丝杠等辅助装置重量估算为4100N；Y向运动部分总重量为：3.3 滚珠丝杠选择及计算3.3.1滚珠丝杠精度本设计要求达到0.01mm的定位精度，根据查阅滚珠丝杠产品库，对于1级（P1）精度丝杠，任意导程允差为0.006mm，2级（P2）精度丝杠的导程允差为0.008mm。初步设计时先设丝杠的任意300mm行程内变动量为定位精度的1/3 1/2，即0.0030.005mm，因此，取滚珠丝杠精度为P1级，即为1级精度丝杠。3.3.2滚珠丝杠选择滚珠丝杠的名义直径、滚珠的列数和工作圈数应按当量动载荷选择。（1）Y轴丝杠选择丝杠的最大载荷为切削时的最大进给力加摩擦力；最小载荷即摩擦力。已知最大进给力,估算工件加夹具质量为400kg，导轨的摩擦系数为0.04，故Y轴丝杠的最小载荷（即摩擦力）丝杠最大载荷平均载荷丝杠最高转速为1500r/min，工作台最小进给速度为1mm/min,故丝杠的最低转速为0.25r/min,可取为0，则取平均转速n=(1500+0)=750r/min。丝杠使用寿命取T=30000h, 故丝杠工作寿命（以106r为一个单位）丝杠的当量动载荷式中为精度影响系数，对于1级精度滚珠丝杠取=1；式中为载荷性质系数，一般情况下取1.21.5，本设计取=1.5；查滚珠丝杠样品库，选择BIF3610。其名义直径为36mm，导程10mm。额定动载荷，符合设计要求。轴向刚度。预紧力。只要轴向载荷值不达到或超过预紧力的3倍，就不必对预紧力提出额外的要求。本例中丝杠最大载荷为3.56KN，远小于3。BIF型号丝杆错位预压丝杠，主要通过改变螺母中间螺纹槽的螺距来施加预压的方式。对丝杠实施一定的预紧力，可以消除轴向间隙，以提高滚珠丝杠副的轴向刚度和传动精度。错位预压方式相对于双螺母预紧的方式主要是占用空间小，且双螺母预压方式中配磨垫片精度调整比较困难。BIF3610型丝杆的参数如表1所示。表1 BIF3610参数钢球中心直径dp37.75mm丝杆轴惯性力矩1.29*10-2 kg.cm2/mm沟槽谷径dc30.5mm螺母质量4.84kg负荷圈数2列*2.5圈丝杠轴质量6.51 kg/m螺母全长171mm润滑孔M6滚珠丝杠螺母副的有效行程其中L工作行程； 安全行程：Le=5Ph； 余程：Le=2Ph 螺母长度；对于Y轴丝杠 。实际中，Y轴丝杠取612mm。（2）X轴丝杠选择计算完Y轴丝杠后，现在按照同一个步骤对X轴丝杠进行计算。已知最大进给力,估算工件加夹具质量为400kg，导轨的摩擦系数为0.04，故X轴丝杠的最小载荷（即摩擦力）丝杠最大载荷平均载荷丝杠最高转速为1500r/min，工作台最小进给速度为1mm/min,故丝杠的最低转速为0.25r/min,可取为0，则取平均转速n=(1500+0)=750r/min。丝杠使用寿命取T=15000h, 故丝杠工作寿命（以106r为一个单位）丝杠的当量动载荷式中为精度影响系数，对于1级精度滚珠丝杠取=1；式中为载荷性质系数，一般情况下取1.21.5，本设计取=1.5；根据计算结果，本设计X轴丝杠同样选择BIF3610。额定动载荷，符合设计要求。轴向刚度。预紧力。只要轴向载荷值不达到或超过预紧力的3倍，就不必对预紧力提出额外的要求。本例中丝杠最大载荷为3.28KN，远小于3。对于X轴丝杠 。实际中，X轴丝杠取710mm。综上所述，本设计对于X轴与Y轴的丝杠的基本计算参数误差不大，选择都为同一型号丝杠，因此在伺服进给系统系统计算中，关于丝杠支撑、直流伺服电机的计算中主要以Y轴丝杠的参数作为主要计算的参数。3.4 丝杠支撑选择及计算为了提高传动刚度，选择合理的支承结构并正确安装很重要，对于传动精度有很大的影响，丝杠主要承受轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此丝杠的轴向精度和刚度要求较高。丝杠的支承结构有以下几种：（1）一端固定一端自由丝杠一端固定，另一端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力，这种支承方式用于行程小的短丝杠或者用于全闭环的机床，因为这种结构的机械定位精度是最不可靠的，特别是对于长径比大的丝杠(滚珠丝杠相对细长)，热变性是很明显的，1.5m长的丝杠在冷、热的不同环境下变化0.050.10mm是很正常的。但是由于他的结构简单，安装调试方便，许多高精度机床仍然采用这种结构，但是必须加装光栅，采用全闭环反馈。如图3-2所示。图3-2 一端固定一端自由（2）一端固定另一端支承丝杠一端固定，另一端支承。固定端同时承受轴向力和径向力;支承端只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以减少或避免因丝杠自重而出现的弯曲，同时丝杠热变形可以自由的向一端伸长。这种结构使用最广泛，目前国内中小型数控车床、立式加工中心等均采用这种结构。如图3-3所示。图3-3一端固定另一端支承（3）两端固定丝杠两端均固定。固定端轴承都可以同时承受轴向力，这种支承方式，可以对丝杠施加适当的预紧力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝杠的热变形。对于大型机床、重型机床以及高精度镗铣床常采用此种方案。但是，这种丝杠的调整比较繁琐，如果两端的预紧力过大，将会导致丝杠最终的行程比设计行程要长，螺距也要比设计螺距大。如果两端锁母的预紧力不够，会导致相反的结果，并容易引起机床震动，精度降低。所以，这类丝杠在拆装时一定要按照原厂商说明书调整，或借助仪器(双频激光测量仪)调整。如图3-4所示。图3-4 两端固定综上所述，本设计选用两端固定的支承方式。两端均采用1对60角接触球轴承面对面组配，采用面对面组配的优势在于能承受双向轴向载荷、通过预紧可以限制轴的轴向位移，并增加刚度和旋转精度。在角接触球轴承外配合圆螺母进行锁定。角接触球轴承使用7306，其外径为72mm，内径为30mm。计算轴承所承受的最大轴向载荷计算轴承的预紧力计算轴承的当量轴向载荷FB计算轴承的基本额定动载荷C其中：轴承的工作转速：n=750 r/min； 轴承的基本额定寿命：T=30000h； P当量动载荷； 轴承的径向载荷： 轴承的轴向载荷： 由 查表得，面对面安装7306时，径向系数X=0.35，轴向载荷Y=0.57。所以面对面安装7306时，选用脂润滑，在脂润滑状态下的极限转速n=9000r/min，轴承的转速n=1500r/min；额定动载荷Ca=67KN51KN，故满足要求。3.5 导轨副的选择及计算采用的导轨，按照其接触面的摩擦性质，可以分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨三大类。对导轨的基本要求就是：导向精度好、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小、以及结构工艺性好等。滑动导轨结构较简单，制造较容易，承载能力大，刚性好，抗震性能强，对几何形状误差不敏感等特点，但是其缺点在与磨损较快，精度保持性差，摩擦助力大，运动灵活性较差，动静摩擦系数差值大，重载或者低速时较易产生“爬行现象”，高速运动时容易发热。滚动导轨的特点是摩擦系数小，动静摩擦系数差别小，低速运动时不易出现“爬行”现象；运动灵敏轻便，所需功率小；移动与定位精度高；精度保持好；对温度敏感变化低；润滑简单，维修方便，但是其缺点是导轨面与滚动体之间为点接触或者线接触，抗振性能差，接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高。空气静压导轨适用于精密、轻载、高速的场合。因此，本设计采用全钢球直线运动导轨。导轨的静安全系数，式中：为导轨的基本静额定载荷；工作载荷P=0.5(Fz+F工件)； =1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因机床工作台运动平稳取=3.0。根据计算额定静载荷初选导轨:HSR 55B，如图3-5所示：图3-5 HSR55B基本参数如下：导轨的额定动载荷=88.5KN导轨的额定静载荷Co=137KN导轨的额定倾覆力矩 21.3KN依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命：满足使用寿命。3.6 选择伺服电动机直流伺服电机的选用，应考虑三个要求：最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量JM应与负载惯量Jr相配对；快速移动时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。3.6.1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可计算，即从前面的计算已知，最大进给力，丝杠导程，预紧力，查机械设计手册，滚珠丝杠螺母副的机械效率=0.9。因滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩查角接触推力球轴承组配技术条件，得单个轴承的摩擦力矩为0.32Nm,故一对轴承的摩擦力矩。两对轴承的摩擦力矩为。伺服电动机与丝杠相连，其传动比i=1，则最大切削负载转矩所选伺服电动机的额定转矩应大于此值。3.6.2负载惯量计算负载惯量可按以下次序计算。（1）工件、夹具与工作台折算到电机轴上的惯量J1工件、夹具与工作台的最大质量为1400kg，折算到电动机轴上的惯量可计算式中 v工作台移动速度，m/s 伺服电机的角速度，rad/s M直线移动件工件、夹具和工作台的质量，kg （2）丝杆加在电机轴上的惯量J2丝杠名义直径，长度l=0.9m，丝杠材料（钢）的密度。丝杠加在在电动机轴上的惯量（3）联轴节加上锁紧螺母等的惯量可直接查手册得到，即 （4）总负载总惯量 数控机床惯性匹配条件，,所选伺服电动机的转子惯量应在0.00570.0228范围之内。根据上述计算可初步选定直流伺服电动机130SZD08。其额定转矩为19.1，大于最大切削负载转矩11.83；转子惯量满足匹配要求。130SZS08型直流伺服电机的主要技术参数如下：最高转速nmax：1500r/min额定转矩Te：19.1N.m最大转矩Tmax：150N.m转子惯量JM:0.0209kg.m2电枢直流电阻Rm:0.3机械时间常数tM：26.5ms额定电压：180V额定电流：20A3.6.3空载加速转矩计算当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动速度时，所需的空载加速转矩a。（1） 空载加速时，主要克服的是惯性。选用130SZD08型直流伺服电动机，总惯量=（2）加速时间通常去的3-4倍，故=（3-4）=则空载加速转矩不允许超过伺服电动机的最大输出转矩。由此可见，FB-15型直流伺服电动机的= 150=，满足设计要求。3.7 伺服系统增益通常取系统增益=。对轮廓控制的加工中心机床可取较大值，初步取。伺服系统的时间常数为的倒数，=1/=。根据如选用130SZD08直流伺服电动机，执行件（工作台）达到最大加速度= 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内，执行件的速度从增加到时，a略小于，因而按照加速度能力选择= 20是不合适的。应适当减少值，增强系统的性能。取=15，则经过重新选择，a大于，因而按照加速度能力选择= 15是合适的。满足系统的性能要求。3.8 精度验算本设计要求的定位精度为，其丝杠的导程误差取0.006mm。其余误差为伺服系统误差、丝杠轴承的轴向跳动和在载荷作用下各机械环节弹性变形引起的位移等。3.8.1伺服刚度KR伺服刚度可根据下式计算：其中，KM是伺服电动机的增益，它等于电动机的角速度（rad/s)与输入电压(V)的比值。输入电压UM除少量消耗于电枢回路的阻抗外，大部分被反电动势所平衡。KS是伺服电动机的反电动势系数（sv/rad），为伺服电动机单位角速度（rad/s）所产生的反电动势（V）.估算是，可近似地认为输入电压UM等于反电动势。因而近似地认为130SZD08直流伺服电动机的转矩系数Kt=0.57Nm/A,因伺服系统增益Ks=15，速度控制环的增益Kv0=2-4Ks，取；电枢直流电阻RM=。故折合到工作台部件的直线刚度3.8.2滚珠丝杠的拉压刚度Ktmin本例中的丝杠为两端轴向定位结构。其最小拉压刚度发生在工作台螺母中点位置，已知工作台的两方向中最大行程为300mm,则中间位置为150mm，代入式中，则丝杠拉压刚度式中，di是丝杠底径为30.5mm。E为丝杠材料钢的弹性模量，E=102GPa。3.8.3丝杠轴承的轴向刚度Kba7306型轴承的钢球直径db=7.144mm，钢球数Z=12 ,接触角a=60，预加载荷F0=2900N ,轴向外载荷为导轨摩擦力Ff=560N，故轴向载荷Fa为预加载荷与轴向外载荷之和，即丝杠轴承轴向刚度3.8.4滚珠丝杠螺母的接触刚度KC查手册得 3.8.5联轴器扭转刚度K1查文献得折合到工作台部件的直线刚度为3.8.6综合刚度K计算出伺服刚度折算到工作台部件的直线刚度、滚珠丝杠最小拉压刚度、丝杠轴承轴向刚度、滚珠丝杠螺母接触刚度折算到工作台部件直线刚度和联轴节扭矩刚度后，按弹簧串联原则合成求得综合刚度K，即故3.8.7弹性变形工作台定位精度是在不切削空载条件下检验的，故轴向载荷仅为导轨的摩擦力Ff。本例中的摩擦力Ff=560N，故Ff因引起的弹性变形3.8.8定位误差验算本例中滚珠丝杠的导程误差为6um，加上弹性变形量=5.38um，即。再加上某些次要因素，纯机械结构不能满足定位精度 的设计要求。所以使用闭环伺服系统可以很好的提高精度。4 主要部件设计及校核4.1 联轴器联轴器有刚性联轴器与弹性联轴器之分，刚性联轴器对两轴对中性的要求很高，当两轴有相对位移存在时，就会在机件内引起附加载荷，使工作情况恶化。所以本设计选取弹性联轴器。最后我们选取JM2型膜片联轴器，膜片由几组膜片（不锈钢薄板）用螺栓交错地与两半联轴器联接，每组膜片由数片叠集而成，膜片分为连杆式和不同形状的整片式。膜片联轴器靠膜片的弹性变形来补偿所联两轴的相对位移，是一种高性能的金属强元件挠性联轴器，不用润油，结构较紧凑，强度高，使用寿命长，无旋转间隙，不受温度和油污影响，具有耐酸、耐碱防腐蚀的特点，适用于高温、高速、有腐蚀介质工况环境的轴系传动。如图4-1所示。图4-1 膜片联轴器JM2型的公称转矩T为63Nm，瞬时最大转矩Tmax=180Nm，许用的转速np=5000r/min。现在对联轴器进行校核，根据数控铣床转矩变化中等的情况，所以工作情况系数KA=1.7。则计算转矩计算转矩小于使用转矩，丝杆的速度小于许用速度，故使用JM2型弹性联轴器是合理的。4.2 键丝杆轴与联轴器一端连接，采用的是A型平键。由轴径d=30mm，查手册，可知键的剖面尺寸为b=8mm，h=7mm。根据联轴器长度。取键的公称长度L=24mm，键的标记 键键的工作长度为键与轮毂高度为k=0.5h=3.5mm根据联轴器为45钢，载荷有轻微冲击，查手册，取许用挤压应力根据普通平键连接的强度条件公式 故所选的键符合设计要求。4.3 支承件支撑件是机床的基本构件，主要功能是首先是支承作用，即支承其他零部件，在机床的切削时，承受一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力；其次是基准作用，即保证机床在使用中或长期使用后仍能保持各部件之间的正确的相互关系与相对运动轨迹。支承件受力受热变形后的变形和振动将直接影响机床的加工精度和表面质量，一般来说支撑件应该满足刚度、抗振性、热变形、内应力等要求。4.3.1床身结构常见的床身结构如图4-2所示。图4-2 床身结构图4-2（a）是前、后、顶单面封闭的卧式箱形床身。为了排除切削，在导轨间开有倾斜窗口。此种截面容易铸造，但是刚度较低。图4-2（b）是开口床身，这种床身内空间可用于储存润滑油和切削液、安装驱动机构，在切屑不易落入导轨的情况下，常采用这种形式。图4-2（c）为两面封闭的床身，刚度较低，但便于排除切屑和切削液的流通，用于对刚度要求不高的机床。图4-2（d）为重型机床的床身，导轨可多达45个。因此本设计选取的床身截面结构主要参考开口床身结构。床身与导轨面的结构形式主要采用单臂联接结构形式。设计的底座如图4-3所示。图4-3 底座截面图4.3.2电机座电机座是支撑件的重要组成部分，电机座是安放电机、联轴器、轴承的重要部件，对于电机座来说，支撑件的连接刚度是电机座的重要指标。支承件的联接刚度是指支撑件在联接处抵抗变形的能力。联接处刚度与联接处的材料、几何形状与尺寸、接触面的硬度与表面粗糙度、几何精度和加工方法等有关。支撑件常以凸缘联接，联接刚度决定于螺钉刚度、凸缘刚度和接触刚度。为了保证一定的接触刚度，接合面处的表面粗糙度Ra应达到8um，接合面上的压力应该不少于1.55MPa。合理分布螺钉位置和选择合适的螺钉尺寸可提高接触刚度。从抗弯刚度考虑，螺钉应均匀分布于四周，在联接螺钉的轴线平面上布置筋条也能提高接触刚度。估计尺寸要求以及经验壁厚，本设计设计的电机座如图4-4所示。电机座采用4个M14的内六角圆柱头螺钉进行联接，螺钉等级为12.9级，屈服极限为1080Mpa。采用对角的销钉进行定位。如图4-4所示。图4-4 电机座4.4 T型槽工作台T型槽工作台是与工装夹具连接的重要部件，T型槽工作台制造安装精度直接影响着工件的加工精度。T型槽工作太一般采用高强度铸铁HT200-300，工作面硬度为HB170-240，经过两次人工处理（人工退火600度-700度或自然时效2-3年）确保精度稳定，耐磨性能好。槽数一般宜设计成奇数，这样中间的槽就是基准槽。如果槽数为偶数，需要标注清楚中间两个槽那个为基准槽。根据我们的台面为1200*600mm的大小。我们选取了T型槽宽度为12mm，T型槽的间距为80mm，所以T型槽的槽数设计成7个。其中基准槽两侧面的表面粗糙度为3.2um，固定槽两个侧面的表面粗糙度为6.3um。其余表面的表面粗糙度最大允许值为12.5um。如图4-5所示。图4-5 T型槽工作台4.5 检测装置闭环伺服系统，内环是速度环，外环是位置环。位置环的输入信号是计算机给出的指令信号和位置检测装置反馈的位置信号，这个反馈是一个负反馈，即与指令信号的相位相反。为了完成对位置的检测一般都需要有位置检测装置，位置检测装置通常有光电编码器、旋转变压器、光栅尺、感应同步器或磁栅尺等。它们或者直接对位移进行检测，或者间接对位移进行检测。本设计采用闭环伺服系统，因此需要对位置进行直接测量，本设计选着直线测量的方式，这样主要有感应同步器、光栅、磁栅、激光干涉仪等。直线感应同步器是一种电磁式位移测量装置，由定尺与滑尺组成，直线感应同步器具有一下特点：直线感应同步器对机床位移的测量是直接测量，不经过任何机械传动装置，测量精度主要取决于尺子的精度。位移精度可以达到0.001mm；测量长度不受限制，当测量长度大于250mm时，可以采用多块定尺接长；对环境的适应较高。因为感应同步器金属基板和床身铸铁的热胀系数相近，当温度变化时，两者变化规律相同，不影响测量精度； 维护简单，寿命长。感应同步器的定尺和滑尺互不接触，因此无任何摩擦，磨损，使用寿命长，且无须担心元件老化等问题。直线感应同步器原理如图4-6所示。 图4-6 直线感应同步器激光干涉仪，以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量。在高精度的数控铣床上，经常使用双频激光干涉仪作为机床的测量装置，双频激光干涉仪是利用光的干涉原理和多普勒效应来进行位置检测的。主要由激光器、检偏器、光学干涉部分、光电接受元件、计数器等电路组成。由于激光的波长极短，特别是激光的单色性好，其波长值准确。同时，由于采用多普勒效应，双频激光干涉仪的计数器是计算频率差的变化，不受激光强度和磁场变化的影响，即使在光强衰减90%时，双频激光干涉仪也能正常工作。因而使用双频激光干涉仪进行机床位置检测精度极高。图4-7 双频激光干涉仪通过以上对比我们选着双频激光干涉仪作为位置检测装置，具有精度高的特点。5 直流伺服电机驱动电路设计5.1 总体方案概述长期以来，直流伺服电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域，高开关频率、全控型第二代电力半导体器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流伺服电机得到广泛应用。直流伺服电机主要有两种调速系统，分别为可控硅调速系统与晶体管脉冲调宽（PWM）调速系统。PWM调速系统具有开关率高、波纹系数低、频带较宽、可以在高峰值电流下工作等特点，因此驱动电路方案选择PWM调速系统。但是，专用集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动需求。因此采用N沟道增强型场效应管构建H桥，实现大功率直流电机驱动控制。5.2 H桥驱动原理直流电机驱动使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路方便地实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。H桥功率驱动原理图如图5-1所示。H型全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态。A、D为一组，B、C为一组，这两组状态互补，当一组导通时，另一组必须关断。当A、D导通时，B、C关断，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动；当B、C导通时，A、D关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。实际控制中，需要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在A、D导通且B、C关断到A、D关断且B、C导通这两种状态间转换。这种情况理论上要求两组控制信号完全互补，但是由于实际的开关器件都存在导通和关断时间，绝对的互补控制逻辑会导致上下桥臂直通短路。为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协同性和同步性，两组控制信号理论上要求互为倒相，而实际必须相差一个足够长的死区时间，这个校正过程既可通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可通过软件实现。 图5-1 H桥驱动原理5.3 PWM原理直流电动机转速n=(U-IR)/K其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，为每极磁通量，K为电动机结构参数。直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM(脉宽调制)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的占空比，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，且设占空比为D=t1T，则电机的平均速度Vd为：Vd=VmaxD由公式可知，当改变占空比D=t1T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关系。在直流电机驱动控制电路中，PWM信号由外部控制电路提供，并经高速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动H桥下臂MOSFET的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机PWM调速。PWM原理示意如图5-2所示。图5-2 PWM原理5.4 H桥驱动电路设计在直流电机控制中常用H桥电路作为驱动器的功率驱动电路。由于功率MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求，因此常用功率MOSFET构成H桥电路的桥臂。H桥电路中的4个功率MOSFET分别采用N沟道型和P沟道型，而P沟道功率MOSFET一般不用于下桥臂驱动电机，这样就有两种可行方案：一种是上下桥臂分别用2个P沟道功率MOSFET和2个N沟道功率MOSFET；另一种是上下桥臂均用N沟道功率MOSFET。相对来说，利用2个N沟道功率MOSFET和2个P沟道功率MOSFET驱动电机的方案，控制电路简单、成本低。但由于加工工艺的原因，P沟道功率MOSFET的性能要比N沟道功率MOSFET的差，且驱动电流小，多用于功率较小的驱动电路中。而N沟道功率MOSFET，一方面载流子的迁移率较高、频率响应较好、跨导较大；另一方面能增大导通电流、减小导通电阻、降低成本，减小面积。综合考虑系统功率、可靠性要求，以及N沟道功率MOSFET的优点，本设计采用4个相同的N沟道功率MOSFET的H桥电路，具备较好的性能和较高的可靠性，并具有较大的驱动电流。N沟道MOS管采用的是IRF460。IRF460的参数为N沟道MOS管，Vdss=500V, Rds(on)=0.27ohm, Id=20A。满足直流伺服电机的要求。图5-3中4只开关管为续流二极管，可为线圈绕组提供续流回路。当电机正常运行时，驱动电流通过主开关管流过电机。当电机处于制动状态时，电机工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时甚至烧毁。图5-3 H桥驱动电路5.5 自举驱动电路在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅几十kHz。本设计采用IR2110，主要是它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。IR2110 采用HVIC 和闩锁抗干扰CMOS 制造工艺，DIP14 脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=50V/ns，15V 下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围1020V；逻辑电源电压范围（脚9）515V，可方便地与TTL，CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有5V 的偏移量；工作频率高，可达500kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns 和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。内部原理如图5-4所示。图5-4 IR2110内部原理各个引脚的定义分别是：LO（引脚1）:低端输出 COM（引脚2）:公共端 Vcc（引脚3）:低端固定电源电压 Nc（引脚4）: 空端 Vs（引脚5）:高端浮置电源偏移电压 VB (引脚6):高端浮置电源电压 HO（引脚7）:高端输出 Nc（引脚8）: 空端 VDD（引脚9）:逻辑电源电压 HIN（引脚10）: 逻辑高端输入 SD（引脚11）:关断 LIN（引脚12）:逻辑低端输入 Vss（引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0V Nc（引脚14）:空端 IR2110内部功能由三部分组成：逻辑输入；电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。 高端侧悬浮驱动的自举原理： 当HIN为高电平时如图5-5 ：VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的栅极和源极之间，C1通过VM1，Rg1和栅极和源极形成回路放电，这时C1就相当于一个电压源，从而使S1导通。由于LIN与HIN是一对互补输入信号，所以此时LIN为低电平，VM3关断，VM4导通，这时聚集在S2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg2迅速对地放电，由于死区时间影响使S2在S1开通之前迅速关断。 图5-5 状态1当HIN为低电平时如图5-6：VM1关断，VM2导通，这时聚集在S1栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg1迅速放电使S1关断。经过短暂的死区时间LIN为高电平，VM3导通，VM4关断使VCC经过Rg2和S2的栅极和源极形成回路，使S2开通。在此同时VCC经自举二极管，C1和S2形成回路，对C1进行充电，迅速为C1补充能量，如此循环反复。图5-6 状态2根据以上，本设计自举电路电路使用2个IR2110，这两个IR2110由4个MOS管组成的“H”桥电路相连接。 IR2110的供电电压为15 V的电源电压，其输出工作电源为悬浮电源，通过自举技术由固定电源得出。自举技术利用升压二极管、自举升压电容，使电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高。为防止自举电容两端电压放电，则采用一个高频快恢复二极管。自举电容C1的电容值对于5 kHz以上的开关频率取O1F即可。为向开关的容性负载提供瞬态电流，应在VCC与COM、VDD与VSS之间连接两只旁路电容，VCC上旁路用一只 01F的陶瓷电容和一只1F的钽电容并联，而逻辑电源VDD上用一只01uF的陶瓷电容即可，即电容C3、C2分别为1F、01F。由于IR2110内部的驱动阻抗很小，直接用其驱动“H”桥中的MOSFET器件会引起快速开关，可能造成MOSFET漏源间电压振荡，从而损坏MOS管。所有，应在IR211O的输出端和MOS管之间串接1个约20 的无感电阻。如图5-6所示。图5-6 自举电路5.6 脉宽信号产生电路脉宽信号由PWM 专用控制器UC3637 产生,其内部包含有一个三角波振荡器，误差放大器，两个PWM比较器，输出控制门，逐个脉冲限流比较器等，原理图如图5-7所示。图5-7 UC3637原理图UC3637可单电源或双电源工作，工作电压范围（2.520）V，特别有利于双极性调制；双路PWM信号，图腾柱输出，供出或吸收电流能力100mA；逐个脉冲限流；内藏线性良好的恒幅三角波振荡器；欠压封锁；有温度补偿；2.5V阈值控制。UC3637具有一个高速、带宽为1MHz、输出低阻抗的误差放大器，既可以作为一般的快速运放，亦可作为反馈补偿运放。具体电路设计如图5-8所示。图5-8 UC3637 PWM电路电路通过R5、R6、R7产生510 V的阈值电压，分别将U6=10 V接引脚1，U7=5 V接引脚3，这样三角波就在510 V内变化，即电容CT连接的引脚2电压在510 V内变化。是从计算机输出经数模转换得到的电压，其范围为-10+10V，而UC3637需要510 V的控制电压接引脚9和11，控制输出端的占空比。利用R2R5对控制电压UK进行电平转换，令R9=10 k、R10=18 k、R8=20 k，当U8=-10 V时，应有U11=5 V，由电路分流可获得：代入数据解得，R11=2 k。为避免工作过程中发生直通短路现象，应在UC3637的输出端引脚4和引脚7后各接一个RC延时电路，设需延时时间r=5s，延时电路中所用电阻R13取5 ，由公式可得：这样双路互补PWM脉冲信号在上升沿有几个微秒的延时，在下降沿无延时，与IR2110内部上下路信号设置的延时相结合，可确保“H”桥中同一桥臂的上下两个MOS管存在一个死区时间，从而保证电路工作安全稳定。由于15 V直流供电电源含有一定的交流杂波，故分别在引脚1、引脚3和15 V电源前并联1只01F的电容，以滤除交流杂波的干扰。 6 结论本设计属于机电结合的设计，主要有两大部分，第一部分为机械结构部分，主要是二维精密工作台的结构；第二部分为电路设计部分，主要是设计了直流伺服电机的驱动电路原理图。机械结构部分设计经历了方案确定、零件设计选择、零件校核、图纸绘制这几个阶段。首先在方案选择上确定了采用直流伺服电机通过联轴器直接联接丝杠带动工作台移动的方式，这样的联接结构简单可靠，并被现代的机床制造
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