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文檔簡介
1、1品用0川機械制造裝備設計給系統(tǒng)設計系別:機電工程系專業(yè):機械設計制造及其自動化班級:082113姓名:許現(xiàn)款學號:021108052指導教師:王艷紅日期:2011-12-13數(shù)控機床進給系統(tǒng)設計1總體方案設計1.1對進給伺服系統(tǒng)的基本要求帶有數(shù)字調(diào)節(jié)的進給驅(qū)動系統(tǒng)都屬于伺服系統(tǒng),進給伺服系統(tǒng)不僅是數(shù)控機 床的一個重要組成部分,也是數(shù)控機床區(qū)別于一般機床的一個特殊部分。數(shù)控機 床對進給伺服系統(tǒng)的性能指標可歸納為:定位精度要高;跟蹤指令信號響應要快; 系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好。1 . 2進給伺服系統(tǒng)的設計要求機床的位置調(diào)節(jié)對進給伺服系統(tǒng)提出了很高的要求,其中在靜態(tài)設計方面:(1)能夠克服摩擦力和負載,當
2、加工中最大切削力為20000N30000N時,電機軸上的轉(zhuǎn)矩需要10N.m40N.m;(2)很小的進給移動量。目前最小分辨率為 0.1 m;(3)高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度;(4)足夠的調(diào)速范圍;(5)進給速度均勻,在速度很低是無爬行現(xiàn)象。在動態(tài)設計方面有:(1)具有足夠的加速和制動裝矩,以便快速的完成啟動和制動;(2)具有良好的動態(tài)傳遞性能,以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量;(3)負載引起的軌跡誤差盡可能小。對數(shù)控機床機械傳動部件則有以下要求:(1)被加速的運動部件具有較高的慣量;(2)高的剛度和良好的阻尼;(3)傳動部件在拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼特性和間隙等方面具有盡可能 小的非線
3、性。1 . 3總體方案進給伺服系統(tǒng)總體方框圖如下圖3.1所示2進給伺服系統(tǒng)機械部分設計進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內(nèi)容包括:確定脈沖當量,計算切削力, 滾珠絲桿螺母副的設計、計算與選型,齒輪傳動計算,步進電機的計算和選型等。圖3.1進給伺服系統(tǒng)總體方框圖2 . 1確定脈沖當量,計算切削力1 確定系統(tǒng)的脈沖當量脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量, 它是衡量數(shù)控機 床加工精度的一個重要參數(shù),因此。脈沖當量應根據(jù)機床精度的要求來確定。 對 經(jīng)濟型數(shù)控機床來說,常采用脈沖當量為 0.01mm/脈沖0.005mm/脈沖。在 XK5040的主要技術參數(shù)中要求橫向、縱向脈沖當量為 0.0
4、1mm。2 切削力計算在進行進給系統(tǒng)的傳動計算,選用步進電機時,都要用到切削力(機床的主要 負載).(1)銃削抗刀分析銃削運動的特征是主運動為銃刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn), 進給運動為工作臺帶 動工件在垂直于銃刀軸線方向緩慢進給(鍵槽銃刀可沿軸線進給) 。銃刀的類型 很多,但以圓柱銃刀和端面銃刀為基本形線。圓柱銃和端面銃刀的切削部分都可看做車刀刀頭的演變,銃刀的每一個齒相當于一把車刀,它的切削基本規(guī)律與車 削相似。通常假定銃削時,銃刀的銃削抗力作用在刀齒上,如下圖 2-6所示:設刀齒 上受到的銃削抗力的合力為F,將F沿銃刀軸線徑向和切向進給分解,則分別為 軸向銃削力Fx和徑向銃削力Fy0切向銃削力F
5、z是沿銃刀主運動方向的分力,它 消耗的銃床主電機功率最多。因此,切向銃削力可以按切削功率 Pm (kw)或主 電機功率Pe ( kw)計算,也可以按切削用量進行計算。Fz 國 103 或 Fz PEdm 103(N) VV式中:V主軸傳遞全部功率時的最低切削速度,m/s;m機床主傳動系統(tǒng)的效率。這里按切削用量進行計算。Fz 9.81 22.6 a;86 a;72 d。0'6 az?Z式中:ae銃削接觸深度,(mm);a f每齒進給量, (mm/齒);d0銃刀直徑, (mm);ap銃削深度,(mm);Z銃刀齒數(shù)圖3.2銃削力及工作臺上的載荷取ae=2mm, ap=8mm, af=0.1m
6、m/齒,d0 =8mm, Z=4。0.860.72. 0.86-則,F(xiàn)z 9.81 22.6 aeaf d° ap Z9.81 22.6 20.86 0.10.72 8 0.86 8 4 410.35132N(2)進給工作臺工作載荷的計算作用在進給工彳臺上的合力F '與銃刀刀齒的銃削抗力的余力F大小相同方 向相反,如圖2-6所示,合力F '就是設計和校核工作臺進給系統(tǒng)的時要考慮的 工作載荷,它可以沿著銃床工作臺運動方向分解為三個力:工作臺的縱向進給方向載荷Fl,工作臺橫向進給方向載荷Fc和工作臺垂直進給方向載荷Fvo工作 臺工作載荷FFc和Fv與銃刀的切向銃削力Fz之
7、間有一定的經(jīng)驗筆直比值(可 查機電綜合指導表2-1),因此,求出Fz后,即可計算出工作臺工作載荷F FC和FV。即:Fl/Fz 1.2,Fv/Fz 0.8,Fc/Fz 0.4則:Fl =492.42 N,Fv =328.28 N,FC =164.14 N.2 . 3齒輪傳動比計算為滿足脈沖當量的設計要求和增大轉(zhuǎn)矩,同時也為了是傳動系統(tǒng)負載慣量盡 可能小,傳動鏈中采用齒輪傳動。已知脈沖當量p (mm/脈沖),滾珠絲杠導程L0 (mm),并初選步進電機步 距角b后,可以根據(jù)下式計算齒輪傳動比:360 pi pb L0式中:p脈沖當量( mm/step);L0滾珠絲杠的基本導程(mm);b步進電機的
8、步距角計算出傳動比i后,再根據(jù)降速級數(shù)決定采用一對或兩對齒輪傳動,再決定 各對齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、和各項技術參數(shù),因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大,一 般取模數(shù)m 1 : 2,數(shù)控車床、銃床取m 2 ,所以這里我們?nèi) 2。1 縱向及橫向進給齒輪傳動比計算已確定縱向及橫向進給脈沖當量p = 0.01mm,滾珠絲杠導程L0=6mm,初選步金電機的步距角b = 0.75°??梢杂嬎愠鰝鲃颖萯為:i 360 p 360 0.01 08bL00.75 6可以選定齒輪齒數(shù)為:i乙 40 32Z2,50 40這里縱向取齒數(shù)為:40502 垂直進給齒輪傳動比計算,橫向取齒數(shù)為:32 o40由于XK504
9、0垂直方向的進給運動是有步進電機驅(qū)動, 經(jīng)圓錐齒輪帶動滾珠絲杠傳動。這里我們?nèi)∶}沖當量p=0.01mm, Lo =12mm,初選步進電機步距角 b= 0.75° ,則:360 p pb L0360 0.01 0.40.75 12可以選定齒輪齒數(shù)為Z1 iZ222 2055,50這里我們確定齒數(shù)為:2255垂直方向齒輪模數(shù)我們?nèi)?m = 3。2.4步進電機的計算和選型1 縱向進給步進電機 (1)初選步進電機a計算步進電機的負載轉(zhuǎn)矩Tm試中:FmTm36 pFm2 b(N ?cm)脈沖當量(mm/step);進給牽引力(N);步距角,初選雙拍制為0.75° ;電機絲杠的傳動效率
10、,為齒輪、軸承、絲杠效率之積,分別為 0.98, 0.99, 0.99和 0.94。36 pFm36 0.01 1799.134Tm152.307N ?cm2 b 20.75 0.98 0.99 0.99 0.94b、估算步進電機的起動轉(zhuǎn)矩Tqc、計算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax查表取五相十拍,則d、計算步進電機運行頻率fefk試中:vmaxTm0.3: 0.5152.3070.3507.69 Ngpmj maxTq0.951507.690.951533.85Ngsmfe和最高起動頻率fk1000 vs60 p1000Vmax60 P最大切削進給速度最大快移速度(1000 1.560 0.011000
11、 2.460 0.01(m/min)2500 Hz4000 Hz;這里為 1.5 m/min;m/min), 這里為 2.4 m/min;脈沖當量,取 0.01mm/stepbe、初選步進電機型號根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)距Tj max查得110BF004最大靜轉(zhuǎn)距為784 Ngcm>Tjmax,可以滿足要求,考慮到此經(jīng)濟型數(shù)控銃床有可能使用較大的切削 用量,應選稍大轉(zhuǎn)距的步進電機,以便留有一定的余量,另一方面,與國內(nèi)同類 型機床類比,決定采用130BF001步進電機,查得130BF001步進電機最高空載 起動頻率和運行頻率滿足要求。電機轉(zhuǎn)距計算機床在不同的工作情況下,其所需要的轉(zhuǎn)矩不同,下面
12、分別按各階段計算。1 )、快速空載起動轉(zhuǎn)距M在快速空載起動階段,加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大,具體計算公式如下:M Mamax Mf M°式中:M 快速空載起動轉(zhuǎn)矩(Ngcm);M amax空載起動時折算到電機軸上的加速轉(zhuǎn)矩 (Ngsm);折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩(Ngsm);M o由于絲杠預緊時折算到電機軸上附加摩擦轉(zhuǎn)矩摩擦轉(zhuǎn)矩Mf星2 iFof (Fz G)Z2 i 一z式中:Fo 導軌摩擦力(N);Fz垂直方向的切削力(N);G 運動部件的總重量(N);f'導軌摩擦系數(shù),取f' 0.2;i齒輪降速比;傳動鏈總效率,一般取0.7: 0.85。(Ngcm) oMfFoLo2
13、 if (Fz G) Lo2 z2 / zio.2(4io.35 4892.16) o.620.8 1.25158.8 Ngcm空載起動時折算到電機軸上的加速轉(zhuǎn)矩:n2Mamax J21三g詈1060 2 taJ22-max 10 260tanmaxvmaxb360°式中:J w折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量,(kggcm2電機最大角加速度,(rad /s2);nmax 電機最大轉(zhuǎn)速,(r / min );Vmax運動部件最大快進速度,(mm/ min );p脈沖當量,(mm/step);b 步進電機步距角,(° );ta 運動部件從停止起動到加速到最大快進速度所需要的時間
14、,nmaxvmax24000.01075 500r / mln 360起動加速時間ta = 30s。Mamax 八 皿 1060ta2 2500235.2 10600.03614N gsm附加摩擦轉(zhuǎn)矩M0式中:M°Fpo&i2)Fp0 滾珠絲杠預加負載,一般取1Jm' '為進給牽引力(N);L0滾珠絲杠導程(cm);滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,一般取0.9。M0Fp0L0(12)ImL032(Z2 zi)(102)11799.13430.6''M M f M0 Mt式中:Mt折算到電機軸上的切削負載轉(zhuǎn)矩;折算到電機軸上的切削負載轉(zhuǎn)矩:MtFL2
15、 i式中:Ft 進給方向的最大切削力(N);其余符號同上。M'' M f M0 Mt M f M0 t-L2410.35 0.6158.8 10.89208.9Ncpm20.8 1.25從上面的計算可以看出,M , M '和M''三種工作情況下,以快速空載起動轉(zhuǎn) 矩最大,即以此項作為較核步進電機轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。查表知,當步進電機為五相十拍時,MqZ0.951, 則最大靜轉(zhuǎn)M j max矩為:Mjmax /951 783.6%951 824.1N9cm而130BF001型步進電機最大轉(zhuǎn)矩為931 Ngcm,大于所需要的最大靜轉(zhuǎn)矩, 可以滿足此項要求。2.5 進
16、給伺服系統(tǒng)機械部分結構設計進給伺服系統(tǒng)即進給驅(qū)動裝置,驅(qū)動裝置是指步進電機的旋轉(zhuǎn)運動邊為工作 臺直線運動的整個傳動鏈,主要包括減速裝置、絲杠螺母副及導向元件等。數(shù)控銃床對進給系統(tǒng)的要求主要有:傳動傳動精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響 應特性(靈敏度等)。傳動精度包括動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差,即伺服系 統(tǒng)的輸入量與驅(qū)動裝置的實際位移量的精確程度。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在啟動 狀態(tài)下或受外界干擾作用下,經(jīng)過幾次衰減振蕩后,能迅速地穩(wěn)定在愛新的或呀 的平衡狀態(tài)的能力。動態(tài)響應是系統(tǒng)響應時間及驅(qū)動裝置的加速能力。為確保數(shù)控銃床進給伺服系統(tǒng)的傳動精度,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應性,對 驅(qū)動裝置機械結構的要求是
17、要消除間隙, 減少摩擦,減少運動慣量,提高部件精 度和剛度。1進給伺服系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除數(shù)控銃床在加工過程中,經(jīng)常變動移動方向。當銃床進給方向改變時,由于 齒側(cè)存在間隙會造成指令脈沖丟失,并產(chǎn)生反向死區(qū)從而影響加工精度,因此, 不許采取措施消除齒輪傳動中的間隙。(1)縱向及橫向進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除縱向、橫向傳動齒輪間隙的消除采用雙片斜齒輪消除間隙機構,(如下圖3.6),厚齒輪4同時與兩個相同齒數(shù)的薄齒輪嚙合,薄齒輪有平鍵與軸聯(lián)接, 互相不能相對轉(zhuǎn)動。兩個薄齒輪的齒形拼裝在一起加工,并與鍵槽保持確定的位 置。調(diào)整螺母1 ,即可以靠彈簧2自動消除間隙1-2-彈簧 ?一電動機 4齒輪圖3.
18、6雙片斜齒輪消除間隙機構(2 )、垂直進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除由于垂直進給系統(tǒng)采用圓錐齒輪傳動, 因此可采用周向彈簧調(diào)整法(如圖 3.7)。將大圓錐齒輪加工成1和2兩部分,齒輪的外圈1上帶有三個周向圓弧 槽,齒輪的內(nèi)圈2的端面帶有三個凸爪6套裝在圓弧槽內(nèi),彈簧4的兩端分別頂在凸爪6和襄塊3上,使內(nèi)、外圈錐齒錯位,起到消除間隙的作用。為了安裝方 便,用螺釘5將內(nèi)、外圈相對固定,安裝完畢后將螺釘卸去。G-G31、2錐窗輪;3彼塊;;4一彈智;E螺釘:小一凸小圖3.7 壓力彈簧消除間隙機構2升降臺自動平衡裝置工作原理及調(diào)整升降臺自動平衡裝置的結構如下圖3. 8所示,有摩擦離合器和單向超越離合器構成,其工作原理是:當圓錐齒輪轉(zhuǎn)動時,通過錐銷帶動單向超越離合器的 星輪2。工作臺上升時,星輪的轉(zhuǎn)向是使?jié)L子 3和超越離合器的外殼4脫開的方 向,外殼不轉(zhuǎn),摩擦片不起作用。當工作臺下降時,星輪的轉(zhuǎn)向使?jié)L子 3楔在星 輪和超越離合器的外殼4之間,外殼4隨著圓錐齒輪1 一起轉(zhuǎn)動。經(jīng)花鍵與外殼 連在一起的內(nèi)摩擦片與固定的外摩擦片之間產(chǎn)生相對運動,由于內(nèi)外摩擦片之間由彈簧壓緊,有一定的摩擦阻力,所以起到阻尼的作用,上升擁護下降的力量得 以平衡。圖3 . 8阻尼力量大小即摩擦離合器的松緊, 可由螺母5調(diào)整,調(diào)整前應先送開螺母 5獲得鎖緊螺釘6。當垂直下降時必須克服這個額外叫是行
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