进给伺服系统设计

1、进给伺服系统设计滚珠丝杠的设计计算与选用滚珠丝杠的功用滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠的设计与计算已知条件：工作台重量 W1 =80KG =800N 工件及夹具最大重量W2 =200N工作台最大行程L. =950mm工作台导轨的摩擦系数为 u=0.1快速进给速度V =4m/min 定位精度为Kmax20um/ 300mm,全行程25um,重复定位精度为 10um 要求寿命为10000小时(单班制工作十 年)。各种切削方式的纵向切削力Fa,速度V和时间比例q及其他见下表表一各种切削方式的纵向切削力Fa,速度V和时间比例

2、q切削方式纵向切削力Pxi(N)垂向切削力Pzi(N)进给速度Vi(m/ min)工作时间百分比%丝杠轴向载何(N)丝杠转速r/ min强力切削200012000. 610220060一般切削10005000. 830115080精切削500200150620100快速进给00451000375IZ16360eTVin. i数控装置乙T变比步进电动机位置检测器脉冲当量sp丝杠螺距T进给用滚珠丝杠装配简图1）确定滚珠丝杠副的导程V maxPh 二而maxVmax :工作台最高移动速度nmax :电机最高转速;2）传动比代入得P 二0. 67mmh查现代机床设计手册取Ph"mm工件 工作

3、台电机与丝杠间为齿轮连接式，i=4 （取一级减速齿轮）由上表查得V=4m/ min，maxn =1500r/min max3）确定当量转速与当量载荷（1）各种切削方式下，丝杠转速ph由上表查的 V1 =0.6, V2 =0. 8, V3 =1, V4 =4代入得 n 1 =120, n2 =160, n3 =200, n4 =800(2)各种切削方式下，丝杠轴向载荷 F =卩力 (w w2 PzJ/10Fi ：丝杠轴向载荷，Pxi :纵向切削力，Pzi :垂向切削力由上表得 Pxi (i=1, 2,3,4)分别为 2000 N,1000N,500N,0N5 (i=1, 2,3,4)分别为 12

4、00N, 500N,200N,0N已知 Wi = 800 N, w2 = 200 N代入得 Fi (i=1,2, 3,4)分别为 2200N , 1150N, 620N , 1000N(3) 当量转速nm = nt1/100+ n2* t2/100+n3* t3/100+ n4 * t4/100数据代入得nm =240r/min(4) 当量载荷n1*t1F3* n2*t2 +F33* n3*t3 +F43* n4*t4rm *100 2 nm*1003 nm*100 4nm*100带入数据得Fm = 1057N4)初选滚珠丝杠副由公式现代机床设计手册(3. 7 -24)知10660nm*(Ca

5、 *Fm查现代机床设计手册表(3.7 51)表(3. 7-54)得 ft = 1, fh = 1, fa = 1, fk = 0. 53, fw =1.3, Lh = 10000h代入数据可求得 ca = 13589N=13. 58KN 4)确定允许的最小螺纹底径(1)估算丝杠允许的最大轴向变形量 - (1/3 1/4)重复定位精度、m -(1/4 1/5 )定位精度:最大轴向变形量 Jm 已知重复定位精度10m 定位精度25im、m = 3 Jm，；m = 6-m取两种结果最小值、：m = 3m(2)估算最小螺纹底径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式00而兀0.039不m*E:-md2m

6、:最小螺纹底径mmL =( 1. 1 1.2)行程 +(1014) Ph静摩擦力F0=%W!已知行程 950mm, W = 800N,"°=0.2代入数据得 L=1110mm, Fo = 160N, d2m=9. 5mm5)确定滚珠丝杠副的规格代号(5) 选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式(6) 由计算出的Ph , Cam , d2m在现代机床设计手册中选取相应规格的滚珠丝杠副 FFZD4005-5原始数据生产能力鞋植规格铣刀转速4.1X向伺服系统的设计主轴最大转速80转/分钟回转半径130mm有效长度35011000 转/分钟电机功率0.75Kw定位精度土 0.0

7、1mmB轴转角土 30°计算切削力图41 切屑情况示意图假设铣刀电机功率0.75kw全部转化为切削功率，铣刀转速n=11000r/min ,铣刀的半径r=4cm贝U：2二 r n2二 0.04 11000v =60 60= 46.im/s由功率 P二FV可得Fy二E二空0二16.3Nv 46.1由于有四台电动机分别带动四个铣刀进行切削,故 Fy =4 Fy =416.3=65.2NR*图4 2 工作载何示意图根据经验公式：Fl =1.2 Fy =1.2 65.2 =78.24NFv =0.3 Fy =0.3 65.2 =19.56NFC =0.4 Fy = 0.4 65.2 二 26

8、.08N取滚动摩擦因数f =0.05则摩擦阻力F摩(Fv G - FC) f (19.56 2000 26.08) 0.05 =102N则滑台的总阻力为：F阻二Fl F摩 =78.24 102 .180.24N4.1.2 伺服电机的选择MSMA.leM<LZ图4 3 电机结构尺寸(1) 初选电机：松下交流伺服电机 MSMA额定输出功率为：2.0kw额定转矩为：6.36Nm最大转矩为：19.1Nm额定转速为：3000rpm最高转速为：5000rpm电机惯量(有制动器)：3.81 10*kg m2质量为：7.9kg编码器：绝对式，2500p/r (分辨率10000), 5线制增量式(2) 初

9、选滚珠丝杆：公称直径dm =32mm基本导程L0二10mm长度 S = 450mm由伺服电机额定转速n =3000rpm可算得滑台移动速度为:从而可算得阻力矩：T9.55 血24 0.5 “2865N m3000V _ L0 n _ 0.01 3000_ 60 _ 60=0.5m/ s图4 4 X向伺服系统结构示意图(3) 电机的校核滚珠丝杆的转动惯量：Js =0.78 10” d4 S=0.78 10 3.24 60kg cm2 =4.91 10*kf m2电机转子的转动惯量：Jm =3.81 10 °kg m2折算到电机转子的转动惯量：Je =Js m (V)2 =Js m(丄)

10、2 =4.91 10*200( 0.01 )2 =9.98 10*kg m2L2 :2兀2汉3.14其中:由于编码器为：2500p/r , 0.002S发一个脉冲故X轴横向进给系统的最大加速度为：max360 兰2兀2500 0.0022 3602-628rad /s阻力矩为：Tz =0.2865N m所需电机的扭矩为：T -Tz (Je Jm) ；max =0.2865(9.98 10,3.81 10，) 628= 1.153N m ：6.36N m满足条件i. 转动惯量的匹配：J。=9.98 10kg m242Jm = 3.81 10 _ kg mJe/Jm =2.62 ： 3满足条件ii

11、. 伺服电机的发热校核，假设伺服电机始终处于系统所需的最大转矩状态则:Tr =1.153N m又由：Tn =6.36N m得出 Tn/T5.51.26 (推荐 Tn /Tr _1.26)可知电机的温升符合要求。iii. 转速校核：经校核满足条件滚珠丝杆螺母副的计算与选型图4 5 工作载何示意图Fl =78.24 N ; F26.08N ; FV =19.56N(1) 计算进给牵引力Fm 二 KFl f'(FV 2Fc G)= 1.4 78.24 0.005 (19.56 2 26.08 2000) =119.89N式中K考虑颠覆力矩影响的实验系数，取K= 1.4f 滚动导轨摩擦系数：0

12、.005G平台重量：G= 2000N(2) 计算最大动载荷cC=3 LfmFm60 n T1061000 vLo式中Lo滚珠丝杆导程；Vs最大切削力下的进给速度；T运转系数，按一般运转取 = 1.2 1.5 ； fw 寿命，以106转为1单位“咤000 0.5 ,0r/minLo10L-6'0 505000 =4510106c=3LfmFm=3 45 1.2 119.89 =511.7Na) 滚珠丝杆螺母副的选型查阅手册，选用 GDM3210-1-P3型内循环滚珠丝杆螺母副，额定动载荷 为24100N>511.7N精度等级为3级。衬-5 41'b) 传动效率计算n _ t

13、g 飞tg( J式中一一螺旋升角，摩擦角取10,滚动摩擦系数0.0030.004- tg：'tg5o41'tg( ) tg(5o41'10')c) 刚度验算丝杆螺母及轴承均进行预紧。丝杆的拉伸或压缩变形量查得滚珠直径为：Dw =5.953丝杆直径为：d =dm -25.953 = 20.094mmA为滚珠丝杆按内径确定的截面积：1 2 2 2A d 0.25 3.14 20.0942 =316.96mm24FmLEA=0.000734mm119.89 400420.6 10316.96(3) 滚珠与螺纹滚道之间得接触变形;.2一圈的滚珠数：3-14Dw 5.95

14、3滚珠的总数量：Z、二Z圈数 列数=14 1 2 = 28丝杆无预紧时:F2 =0.0038 3(一m )2 = 0.0038 3(. ) 0.00553mmDw Z、, 5.95328(4) 支承滚珠丝杆轴承得轴向接触变形:.3采用角接触球轴承 7205C其中：d =25mm ；6.75mm ； Z=18贝U: 6 =0.0024，3()2 =0.0024x 3x ()2 = 0.004496mm<dQ Z丫6.7518由于轴承进行了预紧：、二 1、3 =0.0022483 2 3故丝杆的总变形量：、2、3 =0.0007340.00553 0.002248 = 0.008512mm因为要求的定位精度为：0.01mm ：0.01mm所以满足条件。a)压杆稳定性校核图4-6 滚珠丝杆支承方式示意图失稳时的临