1878_MJ—50型數(shù)控車床進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1878_MJ—50型數(shù)控車床進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì),_mj,50,數(shù)控車床,進(jìn)給,傳動系統(tǒng),設(shè)計(jì) 黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 1 頁數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本組成和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)給系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，沿 Z 軸（縱向）和 X 軸（橫向）進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及進(jìn)給系統(tǒng)的精度分析。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床，伺服進(jìn)給系統(tǒng)，精度分析前言數(shù)控機(jī)床是一種裝有計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)能夠處理加工程序，控制機(jī)床自動完成各種加工運(yùn)動和輔助運(yùn)動。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床能夠自動換刀，自動變更切削參數(shù)，完成平面、回旋面、平面曲線和空間曲面的加工，加工精度和生產(chǎn)率都比較高，因而應(yīng)用日益廣泛。它可以幫助人類完成很多危險(xiǎn)、繁重、重復(fù)的體力勞動。 [1]數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度集成和交融的產(chǎn)物，它涉及機(jī)械、控制、電子、計(jì)算機(jī)、人工智能、知識庫系統(tǒng)以及認(rèn)識科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，是當(dāng)代最具有代表性的機(jī)電一體化技術(shù)之一。人類文明的發(fā)展、科技的進(jìn)步已和數(shù)控機(jī)床的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了密不可分的關(guān)系。為了適應(yīng)社會的需求，各院校都比較重視數(shù)控技術(shù)和控制技術(shù)等課程在機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化專業(yè)的開設(shè)，使培養(yǎng)的學(xué)生懂得數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方面的技術(shù)。經(jīng)過50 多年的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航空航天、商業(yè)、旅游、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域獲得了越來越普遍的應(yīng)用。1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展20 世紀(jì) 40 年代末，美國開始研究數(shù)控機(jī)床，1952 年，美國麻省理工學(xué)院(mit)伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室成功研制出第一臺數(shù)控銑床，并于 1957 年投入使用。這是制造技術(shù)發(fā)展過程中的一個(gè)重大突破，標(biāo)志著制造領(lǐng)域中數(shù)控加工時(shí)代的開始。數(shù)控技術(shù)到現(xiàn)在已發(fā)展到第六代，第一代采用的是電子管，第二代采用的是晶體管，第三代是小規(guī)模集成電路，第四代采用 了 CNC 技術(shù)，第五代應(yīng)用了微處理器技術(shù)，而第六代數(shù)控機(jī)床以個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC 機(jī)）為平臺。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 2 頁數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，這一發(fā)明對于制造行業(yè)而言，具有劃時(shí)代的意義和深遠(yuǎn)的影響。世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分重視數(shù)控加工技術(shù)的研究和發(fā)展。我國于 1958 年開始研制數(shù)控機(jī)床，成功試制出配有電子管數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，1965 年開始批量生產(chǎn)配有晶體管數(shù)控系統(tǒng)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前的數(shù)控機(jī)床已實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制并在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，在模具制造行業(yè)的應(yīng)用尤為普及。 2 數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給傳動系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要包括電動機(jī)及其控制和驅(qū)動裝置組成。伺服電動機(jī)是進(jìn)給系統(tǒng)的動力部件，它提供執(zhí)行部件運(yùn)動所需的動力，伺服電動機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)和直線電動機(jī)等。目前，數(shù)控機(jī)床采用的進(jìn)給伺服系統(tǒng)一般是由伺服電動機(jī)—滾珠絲杠—移動部件組成的方案。在輕載設(shè)備上，有些已采用直線電動機(jī)來直接驅(qū)動移動部件再在導(dǎo)軌上移動，國外逐漸開始在數(shù)控機(jī)床上采用直線電動機(jī)用于伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動。2.1 數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本組成進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要由一下幾個(gè)部分組成：位置控制單元、速度控制單元、驅(qū)動元件、檢測與反饋元件和機(jī)械執(zhí)行部件。伺服進(jìn)給系統(tǒng)的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置（直流、交流、功率步進(jìn)電動機(jī)或電液脈沖光馬達(dá)等）和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)床的工作臺、主軸箱等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速移動。驅(qū)動元件的作用是將進(jìn)給指令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動執(zhí)行部件所需要的信號形式，機(jī)械執(zhí)行元件則將該信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機(jī)械位移。檢測與反饋單元將工作臺的實(shí)際位置檢測后反饋給比較控制環(huán)節(jié)，比較控制環(huán)節(jié)將指令信號和反饋信號進(jìn)行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差驅(qū)動控制單元，驅(qū)動和控制執(zhí)行元件帶動工作臺移動。2.2 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 3 頁（1）靜態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求：能夠克服摩擦阻力和負(fù)載；很小的進(jìn)給位移量；高靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度；足夠的調(diào)速范圍；進(jìn)給速度均勻，低速時(shí)無爬行現(xiàn)象。（2）動態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求：具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩，以便快速完成起停；具有良好的動態(tài)傳遞性能；負(fù)載引起的軌跡誤差應(yīng)盡可能小。（3）對機(jī)械傳動部件的要求：被加速的部件具有較小的慣量；高剛度；良好的阻尼；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有盡可能小的非線性。3 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1 機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù) 3.2 進(jìn)給傳動方案設(shè)計(jì)黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 4 頁本機(jī)床具有較高的精度要求，為了保證精度，在選用精密元器件和精密數(shù)控系統(tǒng)的同時(shí)，應(yīng)盡量減小傳動鏈，并需要保證較高的剛度，提高傳動系統(tǒng)效率，以減小溫升的影響。用滾珠絲杠螺母副直連電機(jī)傳動的方案。并采用“雙推—支承”絲杠支承方式。 “雙推 —支承”方式能夠避免絲杠自重引起的彎曲，以及高速回轉(zhuǎn)時(shí)自由端的晃動，符合本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)條件。X 、Z 兩軸分別用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動。滾珠絲杠螺母副是一種將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動的理想傳動件，因其具有螺紋絲杠無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，更是普通數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床不可或缺的零部件。滾珠絲杠螺母副具有驅(qū)動力矩小、精度高、可實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給、無側(cè)隙、剛度高、告訴等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動方案示意圖如下圖所示：(a) Z 軸傳動方案(b) X 軸傳動方案對于驅(qū)動電機(jī)，由于系統(tǒng)要求精度高，不宜采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，因此選用交流伺服電機(jī)。3.3 進(jìn)給伺服方案設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床要求達(dá)到預(yù)定的精度要求以外，還要求具有良好的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力?；谶@些要求，本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)控制方式，包含位置反饋環(huán)合速度反饋環(huán)閉環(huán)控制能夠較好地減小誤差，有利于提高機(jī)床性能。伺服系統(tǒng)控制原理圖如下圖 2 所示：Z 軸驅(qū)動電機(jī) 聯(lián)軸器 滾珠絲杠螺母副 滑板X 軸驅(qū)動電機(jī) 聯(lián)軸器 滾珠絲杠螺母副 刀架黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 5 頁圖 2 伺服系統(tǒng)控制原理圖4 沿 Z 軸（縱向）和 X 軸（橫向）進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 滾珠絲杠螺母副的切削力的大小計(jì)算切削力的大小可以用各種儀器測得，也可以用實(shí)驗(yàn)得出的近似公式計(jì)算：（1）PZPZXYZPCtSk????（2）vPZPZhkk??????料（3）ZZXYZ vPZhPZtSkkk?????????料式中， —系數(shù)，由工件的材料和加工方法決定，一定的切削條件（PC一定）下， 為常數(shù)。 大表示工件的材料加工性差， 小，表示vst、 、 ZPZCPZC工件的材料加工性好；—總體修正系數(shù)； —工件材料對 的修正系數(shù)；kPZk料—切削速度對 的修正系數(shù)； —主偏角對 的修正系數(shù) 3；vPZ PZk?—前角對 的修正系數(shù)； —刀具磨損限度對 的修正系數(shù)；k? hP—指數(shù)， ，表示吃刀深度對切削力的影響要比走刀量對PZXY、 PZXY?切削力的影響大。4.2 滾珠絲杠支承軸承的動態(tài)等效載荷計(jì)算動態(tài)等效載荷：黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 6 頁表 9 徑向載荷系數(shù)（ ）和軸向載荷系數(shù) （ ）XY組合列 數(shù)2 列 3 列 4 列組合形式代 號DF DT DFD DTD DFT DFF DFT DTT2.17e?承受軸向載荷的列數(shù)1 列 2 列 1 列 2 列 3 列 1 列 2 列 3 列 4 列X1.9 — 1.43 2.33 — 1.17 2.33 2.53 —/arFe?Y0.54 — 0.77 0.35 — 0.89 0.35 0.26 —0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92/ar?— — — — — — — — —?jiǎng)討B(tài)等效載荷 ：aParaXFY??式中， —徑向載荷， N； —軸向載荷，N； —徑向載荷系數(shù)，見表r aFX9；—軸向載荷系數(shù)，見表 9。Y3ahCPL?4.3 進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇選擇的進(jìn)給系統(tǒng)的伺服電機(jī)，應(yīng)滿足如下要求：1、在所有進(jìn)給速度范圍內(nèi)（包括快速移動） ，空載進(jìn)給力矩應(yīng)小于電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；2、最大切削力矩小黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 7 頁于電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；3、加、減速時(shí)間應(yīng)符合所希望的時(shí)間常數(shù)；4、快速進(jìn)給頻繁度應(yīng)在希望值之內(nèi)。為選取滿足上述要求的電動機(jī)，需要進(jìn)行負(fù)載扭矩計(jì)算，功率計(jì)算，加減速扭矩計(jì)算，并進(jìn)行慣量匹配驗(yàn)算。在此，依據(jù)功率要求和轉(zhuǎn)矩要求進(jìn)行電機(jī)選型，之后進(jìn)行慣量匹配計(jì)算。4.4 聯(lián)軸器的選擇電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接，依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》 ，選取膜片式聯(lián)軸器，膜片式聯(lián)軸器是一種用不銹鋼膜片作為撓性組件的撓性聯(lián)軸器，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、承載能力大、傳動效率高、精度高、強(qiáng)度高、等優(yōu)點(diǎn)，可用于高、低溫，高、中速，大轉(zhuǎn)矩和有油和水的場合。在此，根據(jù)電機(jī)軸直徑、長度和絲杠鏈接尺寸來選定型號。5 進(jìn)給系統(tǒng)的精度分析進(jìn)給傳動系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)一樣，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度、重復(fù)定位精度對機(jī)床整體的精度性能有重大影響，很大成程度上決定了零件加工質(zhì)量。滾珠絲杠螺母副傳動作為大多數(shù)精密數(shù)控機(jī)床采用的進(jìn)給傳動方式，其誤差更是對進(jìn)給系統(tǒng)有著決定性的影響。5.1 影響機(jī)床精度的主要誤差源（1）幾何誤差它包括裝配過程所積累的誤差和使用零部件不精確所造成的誤差，它是構(gòu)成機(jī)床不精確的主要誤差源之一。幾何誤差可能呈現(xiàn)連續(xù)性，也可能表現(xiàn)出滯后性或隨機(jī)性。（2）運(yùn)動誤差在多軸協(xié)調(diào)工作時(shí)出現(xiàn)的誤差。比如在滾削過程中，旋轉(zhuǎn)軸和線性運(yùn)動軸之間的相對運(yùn)動誤差是制造誤差的主要來源。（3）熱變形誤差熱誤差是因溫度上升引起機(jī)床元件的膨脹變形并最終導(dǎo)致工件和刀具之間的相對位移，它對精密加工的影響最大，尤其導(dǎo)致的工件尺寸誤差和形狀誤差的比例可占到 40%～70%。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 綜 述 ) 第 8 頁（4）切削力誤差包括重力負(fù)載、軸加速以及機(jī)床振動誤差。由子切削力的作用，機(jī)床零部件發(fā)生變形，導(dǎo)致刀具和工件的相對位置發(fā)生變化，最終導(dǎo)致加工誤差。（5）其他誤差源包括材料不穩(wěn)定引起的誤差、檢測誤差、刀具磨損誤差、ｓ誤差、環(huán)境誤差等。對于一般精度的數(shù)控機(jī)床，幾何誤差占加工誤差中的 20%～70% ，載荷變形引起的誤10%～20%，熱變形誤差占 20%～40% 。而對于精密數(shù)控機(jī)床上的加工，熱變形引起的加工誤差所占比例可達(dá) 40%～70%。參考文獻(xiàn)[1]文懷興. 夏田 . 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.[2] 侯力.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社,2003.[3] 張世昌.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2002.[4]王愛玲. 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社，1999.[5]邱宣懷. 機(jī)械設(shè)計(jì)（第四版）[M]. 北京：高等教育出版社，2007（2008重?。?[6]成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.[7]張福潤、嚴(yán)育才. 數(shù)控技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009.[8]廖念釗、古瑩庵、莫雨松、李碩根、楊興俊. 互換性與技術(shù)測量[M]. 北京：中國計(jì)量出版社，2007.[9]四川大學(xué)工程制圖教研室. 機(jī)械制圖[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003.[10]李振. 淺談常用機(jī)床加工精度分析. 城市建設(shè)[J]，2010（06）.[11] http://mw.newmaker.com/art_21337.html.