数控车床纵向进给伺服传动系统的设计.docx
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数控车床纵向进给伺服传动系统的设计.docx
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数控车床纵向进给伺服传动系统的设计
专科科毕业设计(论文)
题目:
数控车床纵向进给伺服传动系统的设计
院(系):
机电工程学院
专业:
机械设计及其自动化
班级:
姓名:
学号:
指导教师
2012年06月
数控车床纵向进给伺服传动系统的设计
摘要
本课题为数控车床纵向进给伺服传动系统的设计。
经济型数控车床就是指价钱低廉、操作利用方便、比较适合我国国情的,动化的机床。
采用数控机床,能够降低工人的劳动强度,节省劳动力(一个人能够看管多台机床),减少工装,缩短新产品试制周期和生产周期,可对市场需求作出快速反映。
在设计的时候具体进行了详细的各部件的选型和计算。
比如:
导轨的设计选型、滚珠丝杠螺母副的选型与计算。
还进行了进给传动系统的刚度计算、进给传动系统的误差分析、驱动电机的选型计算、驱动电机与滚珠丝杠的联接、驱动电机与进给传动系统的动态特性分析等。
关键词:
数控化,进给系统,滚珠丝杠,伺服电机
Numericalcontrollathetoservodrivesystemlongitudinalintothedesign
Abstract
ThetopicfortheCNClathelongitudinalservodrivesystemdesign.EconomictypeCNClatheisalowprice,convenientoperationanduse,issuitableforthenationalconditionsofourcountry,themoveofthemachinetool.TheuseofCNCmachinetools,canreducethelaborintensityofworkers,laborsaving(onecanlookaftermorethanonemachine),reducetooling,shortennewproductdevelopmentcycleandtheproductioncycle,themarketdemandforrapidresponse.Whenthedesignofspecificdetaileachcomponentselectionandcalculation.Forexample:
thedesignselectionguide,ballscrewpairselectionandcalculation.Alsoperformedafeedsystemrigiditycalculation,feedtransmissionsystemerroranalysis,thecalculationandselectionofthedrivingmotor,drivingmotorandballscrewcoupling,thedrivemotorandthefeeddrivesystemdynamiccharacteristicsanalysis.
Keywords:
:
NC,feedsystem,ballscrew,Servomotor
滚珠丝杠轴向刚度图
附图b为日本精机生产的标准滚珠丝杠双推—双推安装时的轴向刚度图。
螺母的刚度
F——轴向载荷,N
d0——滚珠直径,mm
Z——每圈有效载荷滚珠数
Z=πDm/(d0cosφ)
Dm——螺母公称直径,mm
φ——螺旋升角,(°)
式中:
α——接触角,(°)
Q——加于轴承一个转动体上的载荷,N
d0——轴承转动体的直径,mm
l——轴承滚柱的有效接触长度,mm
Z——轴承转动体个数
螺母及轴承支承部件的刚度KH
螺母支架的刚度,已在螺母刚度计算时乘以系数计进。
轴承安装部件的刚度可通过采用高刚度支承部件解决。
1绪论
毕业设计题目
这次毕业设计的题目是:
数控车床纵向进给伺服传动系统的设计
毕业设计的目的
机械类毕业设计是培育学生综合运用本学科的大体理论、专业知识和大体技术、提高分析和解决问题的能力的重要手腕,是从事科学研究工作和专业工程技术工作的大体训练。
通过毕业设计巩固和进展所学知识,学习设计机械设备的一般方式和步骤,熟悉并掌握设计的大体技术,如计算、画图(运算机辅助设计)和学习利用设计资料、手册、标准和规范。
题目背景
数控车床纵向进给伺服传动系统是保证产品达到高的加工精度和稳固的加工质量的关键部件,以伺服电机、减速装置、滚珠丝杠副等组成的半闭环传动系统能确保伺服系统实现转矩、速度、位置的精准控制,确保机械部件的高精度、高刚度、高强度,使之知足数控系统的要求。
研究意义
在我国大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床,而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。
用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力,直接影响一个企业的的生存和进展,所以必需大力提高机床的数控化率。
数控机床比传统机床有以下突出的优越性,由于运算性能够瞬时准确地计算出每一个坐标轴瞬时应该运动的运动量,因此能够复合成复杂的曲线或曲面;能够实现加工的自动化,而且是柔性自动化,从而效率可比传统机床提高3~7倍;拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能,因此可实现长时刻无人看管加工。
国内相关研究情形
目前,国外数控机床的性能正朝着高精度、高效率、高柔性、高自动化方向迅速进展,这将对数控机床机械结构设计和制造的质量和靠得住性提出更高的要求。
例如,日本法努克公司,三菱电机公司,安川电机公司,德国西门子公司,aeg公司,力士乐indramat公司,美国抗体公司,通用电气公司等均前后在1984年前后将交流伺服系统付诸实用。
我国数控机床产业面临的挑战是国内市场占有率偏低。
据有关资料表明,1999年国产数控机床的市场占有率仅为%。
造成这种严峻的形势,除客观原因外,主如果产品的质量、靠得住性不过硬。
“十五”期间,我国机械制造行业必需对准国际数控机床进展的科学前沿,开拓创新,消化吸收国外先进技术,开创我国数控机床设计和制造技术的新局面。
但是,我国加入WTO后,国外生产的数控机床将会更多的进入我国市场,市场竞争更为激烈。
提高国产数控机床市场占有率,关键在于提高质量和靠得住性。
几年来,通过对国内外数控机床的机械结构剖析和利用性能的调研,探索和总结了数控机床机械结构设计和制造的新技术。
毕业设计(论文)的主演内容与要求
毕业论文的主要内容
1)在分析车床加工对象和加工要求的基础上,提出纵向进给伺服传动系统的整体设计方案;
2)要求控制定位精度为±mm,按照要求计算并选择伺服电机、滚珠丝杠副、导轨副、轴承等;
3)按照要求设计纵向进给系统的零件图;
4)设计数控车床纵向进给伺服传动系统的整体机械装配图。
毕业论文的要求
工作量要求:
毕业论文一篇,字数很多于15000字;
1)实验(时数)或实习(天数):
2周;
2)图纸(幅面和张数):
机构装配图,A0图纸(折合)3张;
3)其他要求:
外文翻译很多于3000字,参考文献很多于18篇。
2整体方案论证
普通车床(如C616,C618,C620,CA6140,C630)等是金属切削加工最常常利用的一类机床。
Φ400㎜普通车床的布局如图1-2所示。
当工件随主轴回转时,通过刀架的纵向和横向移动,能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等。
借助成形刀具,还能加工出各类成形回转面。
普通车床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来,通过进给箱变速后,由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜板、横溜板移动。
进给参数要靠手工预先调整好,改变参数时要停车进行操作。
刀架的纵向进给和横向进给不能联动,切削顺序也由人工控制。
图
普通车床的结构布局图
对普通车床进行数控化改造,主如果将纵向和横向进给系统改造成为微机控制的、能独立运动的进给伺服系统;刀架改造成能自动换刀的回转刀架。
如此,利用数控装置,车床就可以够按预先输入的加工指令进行切削加工。
由于切削加工中的切削参数,切削顺序和刀具都会按程序自动进行调节和改换,再加上纵向和横向进给联动的功能,数控改装后的车床就可以够加工出各类形状复杂的回转零件,并能实现多工序自动车削,从而提高了生产率和加工精度,也能适应小批量多品种复杂零件的加工。
本设计为纵向进给运动的设计,设计内容主要包括:
肯定系统的负载,运动部件惯量计算,空载起动及切削力矩机计算,肯定伺服电机等。
设计时要求电机与丝杠采用柔性连接,电机选用伺服电机对电机的大小选择进行验证,对滚珠丝杠直径及支承形式选择进行强度较核。
设计与生产实际相结合,既要知足理论要求,又要知足生产现实实际。
设计应遵循先易后难、先局部后全局的规律,肯定设计步骤时,应把整个数控车床Z向进给传动系统分成若干个子系统进行,待各系统大体合理后再互联完成全系统工作。
设计的产品应高效经济。
本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的,该系统设计成功一旦应用到生产实践中,将给中小规模的加工厂输入新的血液。
显著提高生产力水平,减轻劳动强度,提高经济效益。
很高兴能设计本题目,本设计是通过从主观的调查、研究、分析,后又通过计算等各个工作,完成了本设计。
本设计是数控车床的纵向进给系统的设计。
在设计题目给定后,又给了必然的设计参数,如此的话依照设计要求纵向最大行程(Z轴):
650mm,进给速度:
0~25m/min,加工中最大切削力:
2500N,材料:
HT200,床鞍及附件的估量尺寸:
600*300*10,控制定位精度为±,按照要求计算并选择伺服电机、滚珠丝杠副、导轨副、轴承等;进行了设计。
3滚珠丝杠的设计与计算
滚珠丝杠副的工作原理及其特点
工作原理
滚珠丝杠在机械传动中的作用是将旋转运动变成直线运动,也能够将直线运动变成旋转运动。
按照丝杠和螺母相对运动的组合情形,其传动方式也是多种多样的。
滚珠丝杠副的特点
由上述工作原理可知,滚珠丝杠副与滑动丝杠副相较较,它以转动摩擦代替滑动摩擦,因此,具有以下特点:
(1)摩擦损失小、传动效率高
由于转动丝杠副的摩擦损失小,其传动效率高达90%~98%,为传统的滑动丝杠系统的2"-'4倍,所以能以较小的扭矩取得较大的推力,亦可由直线运动转为旋转运动(运动可逆)。
(2)磨损小、寿命长
通常,滚珠丝杠副的主要零件,如丝杠、螺母和滚珠都是通过淬硬的而且有很低的表面粗糙度;而且,转动摩擦的磨损很小,因此具有良好的耐磨性,即其精度维持性能好,工作寿命长。
(3)轴向刚度高
由于滚珠丝杠副能够完全的消除传动问隙,而不至于影响丝杠运动的灵活性,因此能够取得较高的轴向刚度。
通常,能够通过预紧来提高轴向刚度。
(4)摩擦阻力小、运动平稳
滚珠丝杠传动系统为点接触转动运动,动、静摩擦系数相差极小,其摩擦阻力几乎与速度无关,工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无哆嗦、低速时无爬行现象,因此可精密地控制微量进给。
(5)高靠得住性
与其它传动机械,液压传动相较,滚珠丝杠传动系统故障率很低,维修保养也较简单,只需进行一般的润滑和防尘。
在特殊场合可在无润滑状态下工作。
(6)不能自锁、具有传动的可逆性
由于滚珠丝杠副没有自锁能力,故具有传动的可逆性。
当它用于垂直起落传动系统时,必需增设自锁装置或制动装置,以避免产生逆传动。
由于滚珠丝杠副具有上述长处,所以它日趋普遍地应用于精密机械、机床、汽
车,船舶,火炮、航空、航天和纺织等工业部门。
可是,与滑动丝杠副相较,滚珠丝杠副仍然存在以下的缺点:
结构较复杂,工
艺难度大,制造本钱高等。
已知技术参数
纵向最大行程(Z轴)650mm;
工作进给速度为6mm/min;
纵向快速进给速度:
0-25m/min;
床鞍及其他的估量尺寸(长
宽
高):
600mm
300mm
100mm;
材料选为HT200。
估量工作台质量及工作台承重:
纵向工作台重量:
***7200=1296(N),取值为1300N
下表1给出了工作台的切削状况,以此为前提进行传动部件的设计。
表1轴向受力状况:
切削方式
轴向力(N)
进给速度(r/min)
工作时间百分比%
强力切削
2500
50
20
普通切削
1500
100
50
精切削
1000
500
30
肯定滚珠丝杠的导程Ph
按照车床传动要求、负载大小和传动效率等因素综合考虑肯定
导程t。
先按车床传动要求肯定,其公式为:
Ph=Vmax/i*Nmax
式中:
Vmax——Z向快速进给速度,0-25m/min;
i——传动比,因电机与滚珠丝杠副直接联接,i取1;
Nxmax——驱动电机最高转速,2000r/min。
由式Ph=25000/2000=,取常常利用导程Ph=10mm。
滚珠丝杠副的载荷及转速计算
工作载荷F
是指数控车床工作时,实际作用在滚珠丝杠上的轴向作使劲,其数值可用下列进给作使劲的实验公式计算:
对于滑动导轨机床:
F=Fzi+Ff
式中:
Fzi——Z方向上的切削分力;
Ff——导轨摩擦阻力;
Ff=μW;
μ——摩擦系数,对滑动导轨取~
W——Z向工作台总重量
在各类切削方式下,丝杠轴向载荷:
F1=2500+*1300=2565N
F2=1500+*1300=1565N
F3=1000+*1300=1065N
最小载荷Fmin
最小载荷Fmin为数控机床空载时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。
现在,Fx=Fy=Fz=0。
Fmin==μW=×1300=65N
最大工作载荷Fmax
最大载荷为机床经受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。
Fmax=F1=2565N
当量载荷Fm与当量转速nm
当机床工作载荷随时刻转变且此期间转速不同时
式中:
t1、t2、t3别离为滚珠丝杠在转速n1、n2、n3下,所受
轴向载荷别离是F1、F2、F3时的工作时刻,见表1
nm=n1*t1+n2*t2+n3*t3=50*+100*+500*=210(r/min)
当量载荷:
Fm=(把势中F1F2F3带入公式),经计算为1157N。
预期额定动载荷
式中:
Fm——滚珠丝杠副当量载荷,N;
nm——当量转速,r/min;
Lh——预期工作时刻,取20000小时;
fa——精度系数,取;
fc——靠得住性系数,取1;
fw——负荷系数,取。
Cam=(带入公式中)=计算取得为9733N
滚珠丝杠的最大允许轴向变形量
*≤£≤*,取中间适合值为
估算滚珠丝杠的底径d2m
由于,滚珠丝杠副的安装方式为一端固定,另一端游动:
式中:
α——支承方式系数,安装方式为一端固定,另一端游
动时为
δm——估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量;
F0——导轨静摩擦力,其中F0=μW=1300*=65N
L——两个固定支承点中心之间的距离1000mm;
带入计算得d2m=40mm
滚珠丝杠选择:
按照以上计算:
预期额定动载荷Cam=9733N;d2m=40mm;导程Ph=10mm。
选择深圳市万臣科技有限公司生产的型内循环滚珠丝杠。
滚珠丝杠的为公称直径为40mm;导程10mm;静额定负荷Coa=11264KGF;接触刚度K=65kgf/μm;滚珠丝杠采用中预紧方式装配。
且在上述计算中,预期额定动载荷Cam=9733N<11264,知足设计要求,所以可行(还需进行下一步校核)。
4刚度的计算
进给滚珠丝杠副轴向刚度表示滚珠丝杠副及其支承部件抵抗其轴向弹性变行的能力。
用弹簧常数K1表示,按下式计算
K1=F/δ1
式中 K1——进给滚珠丝杠副传动系统轴向刚度,N/μm
F——施加于进给丝杠的轴向负载,N
δ1——进给滚珠丝杠副轴向弹性位移,μm
KS——丝杠轴向刚度,N/μm
KN——螺母组件轴向刚度,N/μm
KB——支承轴承轴向刚度,N/μm
KH——螺母支架及轴承支架轴向刚度,N/μm
丝杠轴向刚度计算
丝杠的轴向刚度因安装方式不同而不同
双推—支承安装丝杠的轴向刚度
采用双推—支承方式安装丝杠时,丝杠的轴向刚度随载荷作用点至双推支承真个距离转变而改变。
其最小刚度KS按下式计算
式中 A——丝杠的断面积,mm2
(d为螺纹小径,mm)
E——丝杠材料的弹性模量,对于钢材
E=×105MPa
La——载荷作用点距双推支承的最大距离,mm
附图a为日本精机生产的标准滚珠丝杠双推—支承安装时的轴向刚度图。
滚珠丝杠轴向刚度图
双推—双推安装丝杠的轴向刚度
采用双推—双推安装丝杠时,其轴向刚度计算公式为
式中 L——两双推支承端距离,mm
由上式能够看出,丝杠采用双推—双推方式安装时,刚度也是转变的,且在x=1处轴向刚度值最小,其最小值
。
附图b为日本精机生产的标准滚珠丝杠双推—双推安装时的轴向刚度图。
螺母的刚度
为与多数生产厂家产品样本名称同一,本设计仍沿用螺母刚度这一名称。
螺母刚度实为螺母组件的刚度,包括滚珠和丝杠、螺母螺纹滚道的轴向刚度。
按照赫兹接触理论,滚珠和螺纹滚道间的轴向弹性变形量δN按下式计算
(μm)
式中:
α——滚珠的接触角,(°)
F——轴向载荷,N
d0——滚珠直径,mm
Z——每圈有效载荷滚珠数
Z=πDm/(d0cosφ)
Dm——螺母公称直径,mm
φ——螺旋升角,(°)
单螺母轴向刚度
进给滚珠丝杠副为单螺母时,假设轴向工作载荷即是30%动额定载荷Ca,其刚度KN=′1(K′1为产品样本尺寸表中给出的刚度值);假设轴向载荷不即是30%动额定载荷Ca时,其轴向刚度按下式计算
带预压载荷的双螺母轴向刚度
当预压载荷Fao=时,其刚度KN按下式计算
KN=′1
当Fao≠时,刚度KN计算公式为
式中:
Fao——预压载荷,N
支承轴承的刚度KB
不加预压载荷时,轴承轴向刚度按下式计算
KB=F/δB
式中:
F——轴向载荷,N
δB——轴承轴向弹性位移量,μm
施加预压载荷时,轴承轴向刚度计算公式为
KB=3Fao/δao
式中:
Fao——轴向预压载荷,N
δao——在预压载荷作用下,轴向弹性位移,μm
各类轴承的轴向弹性位移量δB计算公式如下
①自动调心滚珠轴承
②圆锥滚柱轴承
③止推滚珠轴承
式中:
α——接触角,(°)
Q——加于轴承一个转动体上的载荷,N
d0——轴承转动体的直径,mm
l——轴承滚柱的有效接触长度,mm
Z——轴承转动体个数
螺母及轴承支承部件的刚度KH
螺母支架的刚度,已在螺母刚度计算时乘以系数计进。
轴承安装部件的刚度可通过采用高刚度支承部件解决。
进给滚珠丝杠副的扭转刚度
影响进给滚珠丝杠副扭转变形的主要因素是丝杠。
下面仅就丝杠的扭转刚度进行讨论。
丝杠的扭转刚度是指丝杠抵抗扭转变形的能力,其计算公式为
式中:
KT——丝杠扭转刚度,rad
θ——扭转角,rad
M——扭矩,
G——丝杠材料抗剪弹性模量,对钢材
G=×104MPa
JP——截面惯性矩,对实心丝杠
,mm4
进给滚珠丝杠副的传动刚度
在载荷作用下,进给滚珠丝杠副的轴向弹性变形为
丝杠的扭转变形为
此角折算成滚珠丝杠副的轴向变形量为
式中:
t——滚珠丝杠导程,mm
故滚珠丝杠副总的轴向变形为
由
可得
(μm)
式中:
K——进给滚珠丝杠副传动刚度,N/μm
由于δ2
δ1,所以计算丝杠扭转刚度KT时,x取以下数值
本丝杠副刚度的计算结果
进给滚珠丝杠副传动系统采用双推—支承方式。
已知数据为:
La=1000mm,双推支承端轴承为背靠背布置的角接触滚珠轴承,钢珠直径,钢珠个数Z=15,接触角α=30°,轴承预紧力Fao=3kN;滚珠丝杠滚珠中心圆直径dp=40mm,滚珠直径为,大体动额定载荷Ca=,预紧力Fao=,要求计算其系统传动刚度。
计算如下:
丝杠轴向刚度计算
=π()2**105/4*1000
=N/μm
计算螺母刚度
按已知条件,从产品样本尺寸表中查得K′1=750N/μm,KN=′1=×750=600N/μm。
计算支承轴承刚度
支承轴承为自动调心滚珠轴承且预紧,因此
螺母支架及轴承座刚度KH
螺母支架刚度已在前面计算螺母刚度以系数计进,在此不予考虑。
设轴承座刚度超级大,即
→0,于是,该系统滚珠丝杠副的轴向刚度K1可通过以下计算求得为
丝杠扭转刚度
由滚珠丝杠型号可知其导程Ph=10mm,从产品样本尺寸表中查得丝杠螺纹小径d=,代进公式计算得
计算系统传动刚度
由公式
得K=60(kgf/μm)
由于65>60,小于预期刚度,故所选丝杠刚度知足要求。
5滚珠丝杠校核
滚珠压杆稳固性计算
式中:
K1——安全系数,水平安装取1/3;
D2——丝杆底径=;
Lc1——丝杆最长受压长度,1000mm;
Famax——滚珠丝杆副受最大轴向力,2500N。
带入数据由公式能够推出得Fc=113078>2500,Fc远远大于Famax,所以可
行。
滚珠压杆极限转速计算
对于高速长丝杠有可能发生共振,需要算其临界转速,不会发生共振的最高转速为临界转速
。
nc=107fd2/L2c2
式中:
f——支承系数,取;
D2——丝杆底径D0=;
Lc2——丝杆临界转速计算长度=900mm;
带入公式得nc=107**900=6504r/min>2000r/min。
远远小于其最大速度,故临界转速知足。
验算额定静载荷
fsFmax 式中: fs——静态安全系数,一般取1~2,有冲击及振动时取2~3,这里取2; 计算2*2500=5000<9733N,故可行。 额定寿命的校核 滚珠丝杠的额定动载荷Cam=9733N,已知其轴向载荷Fa=Fmax=2565,滚珠丝杠的转速n,则代入公式 得 L=×106r 得 Lh=26000h 滚珠丝杠螺母副的总工作寿命Lh=26000h>20000h,故知足要求。 通过以上四个参数的校核后都知足要求,所以型内循环式丝杠能够利用。 6电机的设计计算 伺服电动机的力矩一下子很难肯定,咱们往往先肯定电机的静力矩,静力矩的选择依托电机的工作负载,而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种,单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的,直接启动时两种负载均要考虑,加速起动时主要考虑惯性负载,恒速运行只考虑摩擦负载。 一般情形下静力矩应为摩擦负载的2-3倍为宜,静力矩一旦选定,电机的机座及长度便能定下来。 正常情形下电动机驱动扭矩Tm Tm=Ta+Td+Tb 式中: Ta——顺向切削扭矩(负载扭矩)Td——预压扭矩Tb——轴承扭矩。 负载扭矩Ta Ta=Fp*L/2**N=(1157+65)*10/2**=式中: Fb——轴向负荷,Fp——轴向载荷(Fm+uW)=(1157+*1300);L——丝
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