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1、1、数控机床进给系统概述1.1伺服进给系统概述数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动 机构和执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指 令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流 伺服电动机，功率步进电机，电业脉冲马达等)和机械传动机构，驱动机 床的工作台、主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速移动。数控机床的 伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质的差别，他能根据指令信号精 确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定运动规律 所合成的运动轨迹。1.2伺服进给系统分类数控私服进给系统按有无位置检测和反馈进行分类，有以下三种
2、：(1) 开环伺服系统(2) 半闭环伺服系统(3) 闭环伺服系统1.3伺服进给系统的基本要求(1)精度要求(2 )响应速度(3) 调速范围(4) 低速、大转矩14主要设计任务已知参数：最大加工直径Dmax=400mm，工作台及刀架重：30 kg； 最大轴向力：130 kg；导轨静摩擦系数：0. 2；行程：360mm；步进电机： 110BF003；步距角：0.75 ；电机转动惯量：J=1.8X10-2 kg.cm.s-2；设计要求：车床控制精度：0. 005mm (即为脉冲当量)；加速时间：25ms； 最大进给速度：V =2.5m/min。max2、运动设计2.1传动方案拟定数控机床按控制方式分
3、为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流 伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造 价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种 误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设 备中，由于数控车床加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。若 采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制的查，但是稳定 性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性 不大。故在本次设计中，采用开环控制步进电机驱动。确定设计任务后，初步拟定三种传动方案 即1电机直接与丝杠相 连；2电机通过同步带的传动带动丝杠转动；3电机通过齿轮
4、传动带动丝 杠转动。步进电机具有如下优点：(1) 电动机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动 机的脉冲个数就能控制位移量；(2) 电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，与要控制脉冲频率就能调节步 进电动机的转速；(3) 停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某个 固定位置上，不需要机械制动装置；(4) 变通电相序即可以改变电动机的转向；(5) 进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差；(6) 进电动机转动惯量小，启动、停止迅速。滚珠丝杠副具有摩擦数小传 动效率高，所需的传动转矩小；灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行；随 着精度和定位精度高，磨损小，寿命
5、长，精度保持性好，可通过预紧间隙 消除措施提高轴承刚度和反向精度，运动具有可性。故在本次设计中采用步进电机带动X向工作台移动。传动方案1的结 构简单，但是消除由步进电动机引起的振动等现象能力较差，故在本次设 计中不采用方案1;传动方案2采用同步带传动保持恒定传动比，传动精 度高工作平稳，结构紧凑，无噪声，有良好减振性能，但制造工艺比较复 杂，传递功率较小，寿命较低，故在本次设计中不易采用。所以本次设计 中采用方案3的齿轮传动，其主要特点是效率高，结构紧凑，工作可靠， 寿命长，传动比稳定，传动过程中采用消隙齿轮，消除正反转齿轮间隙提 高传动精度，性价比高。2.2降速比计算由于选用的步进电机型号为
6、110BF003,步距角为0.75。数控车床的 脉冲当量为0. 005mm。降速比i按下式计算：_ 2.5i _ 9s _ 0.75 x 6 3606 360 x 0.005式中9 步进电机的步距角，（）;5 一脉冲当量，mm；s一丝杠螺距，mm；取 s=6 mm。2. 3丝杠螺母机构的选择与计算2. 3.1确定滚珠丝杠副的导程滚珠丝杠副的导程按下式计算:(2-1)VP - maxhnmax式中Ph滚珠丝杠副的导程，5m）;Vmax工作台最高移动速度，（mmin ）；nma厂电机最高转速，（rmin）； 由设计任务查得：V max _ 2.5 mmin查阅数控机床系统设计得：步进电机110BF
7、003的最高转速n max _ 500人迅。将数值代入上式可得：Ph 5mm。故取 Ph_ s _ 6 mm。232强度计算1.动载强度计算1）对于燕尾型导轨的牵引力计算F =KF +f(F +2F +G)(2-2)m xz y取 K=1.4 f=0.2考虑工作台在移动过程中只受G影响F =fGml=0.2x30x9.8=58.8(N)考虑工作台在加工时静止只受兀影响F = KF=1.4x9.8x130=1783.6(N)取F = Fmax m 22计算最大动载荷C当转速-10 rmin时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此要进行动载强度计算，其计算动载荷Cc(N)应小于或等
8、于滚珠丝杠螺母副的额定动载 荷，即(2-3)式中fd 动载荷系数；fH 硬度影响系数；Feq当量动载荷，N；Fr 滚珠丝杠螺母副的额定动载荷，N;T寿命，以106r为一个单位。T 二 60neqT 二 10-6 N(2-4)106式中T使用寿命，h；N循环次数；neq滚珠丝杠的当量转速，rmin。查表取T=15000 h查1表 5-1 取 fd = 1.2 查1表 5-2 取 f =1.0当工作载荷单调连续或周期性单调连续变化时，则F iinml2x1783.6+58.83=1208.667N式中F max、F min最大和最小工作载荷，N。 所以计算可的：C =肺x 1.2xl.Ox 120
9、8.667 二 10.5KN查手册选取CBM4006-5型滚珠丝杠副(C = 15.851KN C)，所以刚度满 ac足要求。3. 静载强度计算当转速n F，所oaoc以满足要求。滚珠丝杠螺母的主要参数如表2-1所示：表2-1滚珠丝杠螺母副的主要参数滚珠丝杠副型CBM4006-5号公称直径= 40 mm导程0P = 6 mm钢球直径D = 3.969 mw丝杠外径d = 39.5 m螺纹底径d 1 = 35.1 m额定动载荷C = 15851Na额定静载何C0 = 47985N0 a接触刚度R迂1131丄3、动力计算3.1传动件转动惯量的计算3.1.1齿轮转动惯量的计算1、传动比的计算2.5i
10、 _ Os _ 0.75 x 63606 360 x 0.0052、初步分配传动比按获得最小转动惯量的原则分配传动比得 i =1.5211=1 i1 2(3-1)1 =1.6423、初步估计齿轮模数m=1.25小齿轮Z =271大齿轮 Z2 _ iZ 1 _ 1.52 x 27 _ 41b _ 17 mmb 2 _ 20 mmd _ mz1 _ 1.25 x 27 _ 33.75mmd 2 _ mz 2 _ 1.25 x 41 _ 51.25 mmd. + d2 33.75 + 51.25.-a_12 _ 42.5mm1 2 2小齿轮Z3 _ 30大齿轮 Z4 _ i2Z3 _ 1.64 x
11、30 _ 49b3 _ 26mmb4 _ 28mmd3 _ mZ3 _ 1.25 x 30 _ 37.5mmd 4 _ mZ4 _ 1.25 x 49 _ 61.25mmd 3 + d 4 37.5 + 61.25_ 49.375mm4、转动惯量的计算有下式计算齿轮的转动惯量:J _ 0.77d 4b x 10-12(3-2)式中d一齿轮分度圆直径，mm；数控机床课程设计说明书 b齿轮宽度，mm。将数值代入上式可得：J1 = 0.77 x 33.754 x 17 x 10-12 = 1.70x 10-5 kgm?J2 = 0.77 x 51.254 x 20 x 10-12 = 10.62 x
12、 10-5 kgm?J3 = 0.77 x 37.54 x 26 x 10-12 = 3.96 x 10-5J4 = 0.77 x 61.254 x 28 x 10-12 = 30.34 x 10-5 kgm?3.1.2工作台的转动惯量工作台的转动惯量按下式计算：(S、2J =W x 10-6(3-3)w ck 2兀丿式中w工作台(包括工件)的质量，kg；S一丝杠螺距，mm。将数值代入上式可得：wx 30 x 10-6 = 0.27 x 10-4m23.1.3丝杠的转动惯量丝杠的转动惯量按下式计算：J = 0.77久4 L x 10 -12(3-4)s0式中d 0 滚珠丝杠直径，mm；L支承距
13、，mm。由珠丝杠的参数可得：d0 = 40mm，L = 360mm。所以 J = 0.77 x 404 x 360 x10-12 = 0.71x10-3 kgms3.1.4负载折算到电动机轴上的转动惯量0.71x10-3 + 30.34x10-5272 x 4123.96 x10-5 + 10.62x10-527+1.70x10-5 + 0.27 x10-4=0.0000442 妝gm3.2.13.2电动机力矩计算计算加速力矩MaJ n M = a9.6T_ 0.0000442 x 500=0.0996x 評53.2.2计算摩擦力矩MF SM = o x 10-3f 2兀耳i58.8 x 6“
14、=x 10-32兀 x 0.8 x 2.5沁 0.28 N m式中耳一传动链总效率，取耳二0.8。3.2.3计算附加摩擦力矩M0F sM 0 =苛（T 0）x 10 一3=1783.6 X 60.92）x 10-32兀 x 2.5 x 0.8=0.16 N m式中 耳一传动链总效率，取耳=0.8 ；耳0滚珠丝杠未预紧时的效率，取耳0 = 0.9。3.2.4根据公式计算快速空载启动时电动机所需力矩M = M + M, + Ma fo=0.092 + 0.28 + 0.16=0.532N m3.3丝杠螺母机构的传动刚度计算滚珠丝杠一端轴向支撑，丝杠的最小拉压刚度KAmin和最大拉压刚度KA max分别为:仔兀d2E兀 x
