【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 動(dòng)控制執(zhí)行原件帶動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)。如圖 21 中的實(shí)線部分為開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本的結(jié)構(gòu)。 圖 21 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 數(shù)控車床的步進(jìn)伺服系統(tǒng)的基本要求 具有數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都統(tǒng)一稱為伺服系統(tǒng)。所有的進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都是伺服系統(tǒng)。進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不 僅僅是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)很重要的組成部分，同時(shí)也是它區(qū)別于一般普通機(jī)床的一個(gè)重要特殊的部分。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可總結(jié)為：它具有定位精度高和跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)快還有數(shù)控車床的步進(jìn)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 就是系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較好。 穩(wěn)定性要求：所謂系統(tǒng)的穩(wěn)定性，既系統(tǒng)在輸入量改變、啟動(dòng)狀態(tài)或干擾作用下，其輸出量經(jīng)過幾次衰減震蕩后，能迅速的穩(wěn)定在新的或原有的平衡狀態(tài)下。它是進(jìn)給伺服系統(tǒng)能夠正常工作的基本條件。它包含絕對(duì)穩(wěn)定性和相對(duì)穩(wěn)定性。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的慣性、剛度、阻尼以及系統(tǒng)增益都有關(guān)系。適當(dāng)選擇系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)并使他們達(dá)到最佳匹 配是進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。 精度要求：我們知道所謂的進(jìn)給伺服系統(tǒng)的精度要求是指系統(tǒng)的輸出量的復(fù)現(xiàn)輸入量的精度的程度范圍也就是說它的準(zhǔn)確性。它包含動(dòng)態(tài)誤差也就是我們說的瞬態(tài)過程出現(xiàn)的偏差。還有穩(wěn)態(tài)誤差：也就是我們所講的瞬態(tài)過程結(jié)束以后系統(tǒng)中存在的偏差也就是說元件誤差還有就是干擾誤差。 響應(yīng)速度要求快：所謂快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對(duì)指令輸入信號(hào)的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度，既在無超調(diào)的前提下，執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度建立時(shí)間tp盡可能的短，（如圖 22）所示。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，傳動(dòng)裝置的的加速能力；直接影 響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，則加工效率越高。但響應(yīng)速度過快會(huì)造成系統(tǒng)的超調(diào)，甚至?xí)绊懴到y(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，應(yīng)適當(dāng)選擇快速響應(yīng)特性。 圖 22 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速 度要求 負(fù)載特性要硬：在系統(tǒng)負(fù)載范圍里。當(dāng)負(fù)載變化的時(shí)候，輸出的速度應(yīng)改是基本不變的也就是說 F? 非常的小，（如圖 23）所示，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突然變化的時(shí)候，這就要求速度的恢復(fù)的時(shí)間很短并且沒有振蕩，也就是說 t? 盡可能的短；需要具備足夠的過載的能力。這就是要求伺服系統(tǒng)應(yīng)該有良好的靜態(tài)還有動(dòng)態(tài)剛度等等。 數(shù)控車床的步進(jìn)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 圖 23進(jìn)給伺服系統(tǒng)的負(fù)載特性 低速 — 大轉(zhuǎn)矩要求：數(shù)控機(jī)床經(jīng)常在低速的情況下進(jìn)行重切屑，這就要求數(shù)控機(jī)床具有低速 — 大轉(zhuǎn)矩的特性。 除了以上要求以外，進(jìn)給伺服系統(tǒng)還需要能可逆運(yùn)行并且頻繁靈活的啟停；并且必須具有很高的可靠性能還有必須 要維護(hù)使用方便盡量使成本低等特征 [3]。 數(shù)控車床的步進(jìn)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 3 數(shù)控 車 床的步進(jìn)伺服系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 數(shù)控 車 床的步進(jìn)伺服系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)及要求 主軸電機(jī)功率： 3kw X軸方向絲杠最大行程 300mm； Z軸方向絲杠最大行程 1100mm； X軸方向進(jìn)給速度： 2020~5 mm/min； Z軸方向進(jìn)給速度： 2020~01 mm/min； X軸脈沖當(dāng)量： ； Z軸脈沖當(dāng)量： ； X軸快速進(jìn)給速度： 3000~0 mm/min； Z軸快速進(jìn)給速度： 6000~0 mm/min； 橫向移動(dòng)部件質(zhì)量： 30kg； 縱向移動(dòng)部件質(zhì)量： 100kg； 材料選為 HT200。 因?yàn)槊慨?dāng)數(shù)控裝置發(fā)出一個(gè)脈沖后經(jīng)過 10倍頻的伺服放大（細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)）也既是將一個(gè)脈沖細(xì)分為 10 個(gè)脈沖然后作用于電機(jī)，因此根據(jù)絲杠導(dǎo)程、步距角和脈沖當(dāng)量的關(guān)系。 ?36010m ?? ?? p ， p為絲杠導(dǎo)程， ? 為步距角 可以求得數(shù)車床 X 軸脈沖當(dāng)量為 ,Z 軸脈沖當(dāng)量為,所以上述脈沖當(dāng)量符合要求。 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì) 首先我們來介紹一下滾珠絲杠螺母副的一些特點(diǎn)。滾珠絲杠螺母副是把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的東西改變?yōu)樽咧本€運(yùn)動(dòng)的裝置，目前在很多種數(shù)控車床的進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)裝置中得到了非常廣泛的使 用。 我們先來看圖 31所示，這是滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)圖形，它的工作過程是：在絲杠和螺母上面加工出來一個(gè)弧形的螺旋槽，然后將他倆套裝在一塊做成一個(gè)螺旋滾道，在滾到內(nèi)部使用滾珠充滿。當(dāng)絲杠相對(duì)著螺母轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，它們兩個(gè)就會(huì)發(fā)生軸向位移，滾珠不但可以自己轉(zhuǎn)動(dòng)而且還可以沿著滾道循環(huán)的流動(dòng)。滾珠絲杠螺母副的這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)把以前傳統(tǒng)的絲杠和螺母之間的滑動(dòng)摩擦改變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，所以他有以下很多優(yōu)點(diǎn) [5][6]。 數(shù)控車床的步進(jìn)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 圖 31 滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)圖 （ 1）它具有傳動(dòng)效率，我們只到滾珠絲杠螺母副的機(jī)械傳動(dòng)效率是普通絲杠螺母副的 3到 4倍之多，估計(jì)滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率高達(dá)百分之九十六左右。 （ 2）它的運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，沒有爬行。因?yàn)樗哪Σ料禂?shù)很小并且動(dòng)靜系數(shù)接近，所以它的傳動(dòng)平穩(wěn)，靈活。所以能很好的消除爬行的現(xiàn)象。 （ 3）它的使用壽命也比 一般的絲杠要長(zhǎng)，因?yàn)樗菨L動(dòng)摩擦，所以他們零件之間的摩擦力就很小，精度就很高從而壽命就很長(zhǎng)。 （ 4）滾珠絲杠螺母副預(yù)緊以后可以很有效的消除軸向間隙，所以沒有反向死區(qū)，這時(shí)候也提高了傳動(dòng)的剛度。 當(dāng)然了，滾珠絲杠螺母副也有一些缺點(diǎn)。比如說它的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜這樣就會(huì)造成制造成本很高。還有一點(diǎn)就是他不能自鎖。因?yàn)樗菨L動(dòng)摩擦摩擦系數(shù)很小。所以它將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也可以將直線運(yùn)動(dòng)改變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。采用垂直布置的時(shí)候他就會(huì)因?yàn)榱慵膽T性或者自重下滑。 X 方向滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì) 計(jì)算絲杠導(dǎo)程： hP ≥maxmaxNV =2020/500=4mm ?maxV 工作臺(tái)的最大快移速度； ?maxn 電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速 31060 ?? DnV ? （ 31） 計(jì)算當(dāng)量載荷： sDnV 1 0 0 0853 2 0 0 060 ??????? ? D—— 最大回轉(zhuǎn)直徑 ???? ?（切屑力） ????? 7 9 X 數(shù)控車床的步進(jìn)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 NFF Z 7 9 ???? 移動(dòng)部件估算，取 ,30m ?? ?kg NF in ???? NFFF X 0 4 8m i nm a x ????? 32 m inm a x FFFm ?? （ 32） NFFF m m i nm a x ?????? 計(jì)算預(yù)期當(dāng)量載荷： 取預(yù)緊系數(shù) NFfe 。 m a x ?? maxmax FfC e? （ 33） ?ef 預(yù)加載荷系數(shù)， ?maxF 最大軸向載荷， N NFfC e 2 9 0m a xm a x ?? 計(jì)算滾珠絲杠螺紋 小徑： 定位精度， m40? 重復(fù)定位精度 m16? 定位精度?? )31~41(? （ 34） 則有： ~416)31~41(1m a x ???? 10~840)41~51(2m a x ???? 取最小值： mm ?? 4? ；估算螺紋小徑取兩端固定支撐 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)： a=。已知行程為 300mm。 工作臺(tái)總重 W=+300= hPL ）（行程 14~10)~( ?? L —— 滾珠絲杠有效行程 mmPL h 4 1 64143 0 ~10)~( ??????? ）（行程 mmWLa ??2d （ 36） a承方式系數(shù)，按表 32 選取， W滾珠絲杠副拖動(dòng)工作臺(tái)的質(zhì)量； L滾珠絲杠兩軸承支點(diǎn)間的距離， mm。 mmWLa mm 2 ???? ? ， 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，由計(jì)算出來的 mam dCP 2h , 選取 31604?FFZD 型絲杠。 數(shù)控車床的步進(jìn)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 其參數(shù)為： maama ddKNCKNCKNCmmP 2200h ,16d,4 ????????? 3maxp FF ? （ 37） 計(jì)算預(yù)緊力： NFF a xp ??? 計(jì)算行程補(bǔ)償值，絲杠有效行程： hPL ）（行程 14~8u ?? （ 38） mmPL h 3 4 84123 0 014~8u ?????? ）（行程 3u ??? tLC （ 39） Δ t溫度變化值， 2～ 3℃； ?uL 滾珠絲杠有效行程， mm。 4 33u ????????? tLC 則預(yù)拉伸力 NtdF t 1 22 ?????? 軸承的選擇：軸承所受最大軸向載荷： NFFF tB 2 1 0 1 0m a xm a x ????? ,軸承內(nèi)經(jīng)略小于 ,取d=12mm。 maxv 31 BFF ? （ 310） 軸承預(yù)加負(fù)荷 NFFB 4063 m a xv ???。 選擇軸承型號(hào)規(guī)格： NFvFmm BY 4 0 6,12d ??? ,所以選擇 51101 型推理球軸承其主要參數(shù)為： mm9,mm26,12d ??? BDmm 驗(yàn) 算系統(tǒng)剛度： 定位精度 F （ 311） 0 ?NF ????定位精度 3 m a x20 aQbb FZdKK ??? （ 312） Qd — 滾子體直徑， mm； Z— 滾珠數(shù)； maxaF — 最大軸向載荷。 uLdK 22660s? （ 313） )111(1 RKKKbs???