【文章內(nèi)容簡介】 可按下式計(jì)算 L=60nT/106 式中 n滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速r/min。T使用壽命時(shí)間9h),數(shù)控機(jī)床T取15000h.工作負(fù)載的數(shù)值可用《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》中進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算,對于三角形或綜合導(dǎo)軌Fp=kFX +f`(Fz+W)式中 Fz ﹑FX 切削分力。W移動部件的重量(800N)。k考慮顛覆力矩影響的系數(shù),k=。f`導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù),f`=～`=.則 Fp=［*+*（+300）］N=當(dāng)機(jī)床以線速度υ=100m/min,進(jìn)給量為f=,車削直徑為D=80mm的外圓時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速 n=υf103/(πDL0)=100**10 3/(*80*6)r/min=則 L=60nT/106=60**15000/106萬轉(zhuǎn)=根據(jù)工作負(fù)載Fp﹑壽命L,計(jì)算出滾珠絲杠副承受的最大動載荷,取fw=,fh=1 FQ=L1/3fwfhFP=**=由F0查滾珠絲杠的產(chǎn)品樣本和《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》,選擇滾珠絲杠的直徑為32mm,型號為N3204LH3,其額定動載荷是6766N其強(qiáng)度足夠用。②效率計(jì)算根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率η為 η=tanγ/tan(γ+δ) 式中 γ螺紋的螺旋升角，該絲杠為2176。1639。；δ摩擦角，δ約等于1039。則 η=tan2176。1639。/tan(2176。1639。+1039。)= ③ 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠工作時(shí)受軸向力和扭矩的作用，它將引起導(dǎo)程L發(fā)生變化，因滾珠絲杠受扭時(shí)引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)，因此，工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量ΔL（cm） ΔL=177。FpL0/ES式中 E彈性模量，對鋼E=*106N/cm2。 S滾珠絲杠截面積（按絲杠螺紋底經(jīng)確定d2=）。 S=π/4*= “+”用于拉伸時(shí)，“”用于壓縮時(shí)。則 ΔL=177。*(* 106*)cm=177。*106cm絲杠1cm長度上導(dǎo)程變形總誤差ΔL總 ΔL總=100/L0*ΔL=100/**106μm/m= 3級精度絲杠允許的螺距誤差為15μm/m，因此剛度足夠. 3．伺服電動機(jī)的選擇 ①負(fù)載傳動慣量的計(jì)算 JF=J1+J2+W/g(180δ/πθ)2式中 JF折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量(kgcm2)J1聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量 (cm2)J2絲杠的轉(zhuǎn)動慣量(kgcm2)對材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量可按下式計(jì)算： J=*104D4L式中 D圓柱零件的直徑(cm)。 L零件軸向長度(cm).所以 J2=*104**100 kgcm2 =cm2JI=800/(182*)*(180*(*))2=cm2總慣量JF=++ kgcm2= kgcm2 ②負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜矩選擇 根據(jù)能量守恒原理，電動機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TF=FPL0*103/(2πη0)=*4*103/(2π*)=m 如不考慮起動時(shí)運(yùn)動部件慣性的影響，則起動轉(zhuǎn)矩 Tq= TF(～)，則Tq=m =m因數(shù)控機(jī)床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)因滿足快速空載起動時(shí)所需轉(zhuǎn)矩T的要求 T=Tamax+Tf+T0式中Tamax空載快速起動時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩(Nm) Tf克服摩擦所需的轉(zhuǎn)矩(Nm)T0絲杠預(yù)緊所引起，折算到電動機(jī)軸上的附加轉(zhuǎn)矩(Nm)當(dāng)工作臺快速移動時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n=nmaxυmaxi/L0=(2000/4)r/min=500r/min 由動力學(xué)知，Tamax=JFε式中ε角加速度，計(jì)算公式為ε=πn/30t Tamax=JFε=*104*(*500)/(30*) Nm = Nm Tf= Wf`L0*103/(2πη0)=300**4*103/(2π*) Nm= Nm T0= F0L0*103/(2πη0)=*4*103/(2π* )Nm = Nm式中 F0 預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1/3，即Fp/3.則 T=Tamax+Tf+T0 =(++) Nm=m ③伺服電動機(jī)的最高工作頻率 fmax=1000υmax/(60δ)=1000*1/(60*)Hz=根據(jù)機(jī)械力學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)上冊的公式,絲杠的最小處直徑 d≥{(32T*180)/ π2 G[θ]} 1/4式中d絲杠最小直徑G剪切彈性模型80～84GPa 取G=82GPa[θ]176?！?76。/m 取[θ]=176。/md≥[(32**103 *180)/(*82*103 **103)] 1/4 =根據(jù)計(jì)算綜合考慮，查表選用AC20030型步進(jìn)電動機(jī)。 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主傳動系統(tǒng)的改造 為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動系統(tǒng)的改造大致分為二類：（1）二級以上變速的主傳動系統(tǒng)變速裝置多采用齒輪變速機(jī)構(gòu)。如圖3—6所示是使用滑移齒輪要實(shí)現(xiàn)二級變速的主傳動系統(tǒng)圖。這種改造能夠滿足各種切削運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩輸出，且具有大范圍調(diào)節(jié)速度的能力。圖3—6 齒輪二級變速主傳動系統(tǒng)圖（2）一級變速的主傳動系統(tǒng)目前多采用帶（同步齒形帶）傳動裝置，如圖3—7所示，這種主傳動系統(tǒng)能夠滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求，可以避免齒輪傳動時(shí)引起的振動與噪聲。圖3—7 齒輪一級變速主傳動系統(tǒng)圖 主運(yùn)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖的設(shè)計(jì)鑒于設(shè)計(jì)任務(wù)，在主運(yùn)動傳動連中，基本借鑒原機(jī)床傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)。該機(jī)床的運(yùn)動采用分離式傳動，即變速箱與床頭箱相分離，采用皮帶輪聯(lián)系，變速箱實(shí)現(xiàn)四級變速，床頭箱實(shí)現(xiàn)四級變速，主運(yùn)動傳動系統(tǒng)的動力源是籠型異步電動機(jī)，即Y系列電動機(jī)，其額定功率為8千瓦，滿載轉(zhuǎn)速為1450轉(zhuǎn)/分；。 主軸的變速反轉(zhuǎn)和制動床頭箱主要由主軸部件和背輪機(jī)構(gòu)組成。運(yùn)動從邊速箱經(jīng)三角膠帶傳至床頭箱，若脫開內(nèi)齒離合器，接通背輪機(jī)構(gòu)，則主軸得到9級低速；若使背輪機(jī)構(gòu)脫開，合上內(nèi)齒離合器，直接傳至主軸則獲得9級高速，主軸的正反轉(zhuǎn)只有用改變主電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法才可以實(shí)現(xiàn)。停車時(shí)為克服旋轉(zhuǎn)件的慣性采用液壓摩擦制動器使主軸迅速停轉(zhuǎn)。 主軸脈沖發(fā)生器的安裝方式改造后的數(shù)控車床要實(shí)現(xiàn)螺紋加工，還需要配置主軸脈沖發(fā)生器作為車床主軸信號的反饋元件。它與車床主軸同步運(yùn)行，發(fā)生主軸轉(zhuǎn)角位的變化，輸入到數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部，由系統(tǒng)通過軟件控制，以保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)，螺紋車刀也同步進(jìn)給一個(gè)螺紋導(dǎo)程，并保證螺紋加工中分幾次加工時(shí)不發(fā)生亂扣，即每次螺紋加工時(shí)進(jìn)刀位置保持一致。主軸脈沖發(fā)生器的安裝如圖所示。主軸脈沖發(fā)生器的安裝圖如圖3—8所示：圖3—8 主軸脈沖發(fā)生器安裝圖 為了可以加工穿出主軸的零件采用異軸安裝。主軸脈沖發(fā)生器一般采用增量式光電編碼器，傳動連接。為了避免主軸脈沖發(fā)生器光柵的破壞，在不加工螺紋時(shí)將其與傳動軸脫離，柔性連接即車床主軸與主軸脈沖發(fā)生器間用彈性元件連接。采用柔性連接，在實(shí)現(xiàn)角位移傳遞的同時(shí)，有能吸收車床主軸的部分振動，從而使得車床主軸脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，傳遞信號準(zhǔn)確。車床的主軸轉(zhuǎn)速必須小于主軸脈沖發(fā)生器的最高允許轉(zhuǎn)速，以免損壞脈沖發(fā)生器。 控制類型的確定目前直接制造的數(shù)控機(jī)床大多采用閉環(huán)系統(tǒng)，此系統(tǒng)有檢測反饋裝置，定位精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成化要求高，成本高，調(diào)整和維修困難。采用開環(huán)系統(tǒng)，其加工精度有執(zhí)行元件和傳動機(jī)構(gòu)精度保證，,，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。 安裝電動卡盤為了提高經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的加工效率，還可以考慮采用電動三爪自定心卡盤裝置。這種裝置也可與數(shù)控裝置的收發(fā)信號電路相配合，實(shí)現(xiàn)其自動夾緊、松開，提高加工過程的自動化程度。 傳動方面改造設(shè)計(jì)為了適應(yīng)各種不同材料的加工及各種不同加工方法，要求改造后的C6132機(jī)床的主傳動系統(tǒng)要有較寬的轉(zhuǎn)速范圍及相應(yīng)的輸出力矩。此外，由于主軸部件將直接裝夾刀具對工件進(jìn)行切削，因而對加工質(zhì)量及刀具壽命有很大的影響。所以對主傳動系統(tǒng)的要求很高。為了能高效的加工出高精度、低粗糙度的工件，必須要有一個(gè)具有良好性能的主傳動系統(tǒng)和一個(gè)具有高精度、高剛度、振動小、熱變形和噪聲均能滿足需要的主軸部件。（1）伺服系統(tǒng)的選擇以及數(shù)控機(jī)床對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求數(shù)控機(jī)床的性能在很大的程度上取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能，對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的主要要求如下：① 進(jìn)給調(diào)速范圍要寬調(diào)速范圍Rn是指機(jī)床要求伺服電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速Nmax和最低轉(zhuǎn)速Nmin之比，即Rn=Nmax／Nmin在各種數(shù)控機(jī)床中，由于加工選用刀具，被加工的材料及零件加工要求的不同，為保證在任何情況下都得到最佳切削條件，就要求進(jìn)給驅(qū)動必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范脈沖當(dāng)量為l的情況下，最先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度從0～24 m/s連續(xù)可調(diào)．但對于一般的數(shù)控機(jī)床，要求進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)在0～24m/s 進(jìn)給速度下工作就足夠了。② 置精度要高使用數(shù)控機(jī)床主要是為了解決：1）保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定性，一致性，減少廢品率：2）解決復(fù)雜曲面零件的加工問題：3）解決復(fù)雜零件的加工精度問題，縮短制造周期等．為了滿足這些要求，關(guān)鍵之一是保證數(shù)控機(jī)床的定位精度和加工精度，數(shù)控機(jī)床在加工免除了操作者的人為誤差，他是按規(guī)定的程序自動進(jìn)行加工，不可能應(yīng)付事先沒有預(yù)料到的情況．就是說，數(shù)控機(jī)床不能像普通機(jī)床那樣，可隨時(shí)用手動操作來調(diào)整和補(bǔ)償各種因素對加工精度的影響．因此，要求定位精度和輪廓切削精度能達(dá)到數(shù)控機(jī)床要求的指標(biāo)。為此，在位置控制要求高的定位精度。在速度控制中要求具有很高的定倫精度，和很強(qiáng)的抗干擾的能力，即要求工作穩(wěn)定性要好。③ 速度響應(yīng)要快，為了輪廓切削形狀精度和加工表面粗糙度，出了要求有較高的走位精度夕卜，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。一方面，要求過度過程時(shí)間要短，一般在200以內(nèi)，甚至小于幾十秒；另一方面，要使過渡過程的前沿陡，上升率要大。 ④ 低速大轉(zhuǎn)矩；根據(jù)書空機(jī)床的加工特點(diǎn)夕大都在低速進(jìn)行重切削，即在低速時(shí)進(jìn)給驅(qū)動要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。這種可是動力源盡量靠近機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使傳動裝置機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)簡化，系統(tǒng)剛性增加，傳動精度提高。 為了滿足上述四點(diǎn)要求，男給伺服驅(qū)動系統(tǒng)對執(zhí)行元件伺服電動機(jī)也相應(yīng)提出了很高的要求：高精度、快反應(yīng)、快調(diào)速和大轉(zhuǎn)矩等。具體的要求是：1) 電動機(jī)從最底進(jìn)給速度到最高進(jìn)給速度范圍內(nèi)都能平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在最底轉(zhuǎn)速時(shí)，能保持平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。時(shí)間的過載能力，以滿足底速大轉(zhuǎn)矩的要求。為了滿足快速響應(yīng)的要求，即隨時(shí)控制信號的變化，電動機(jī)應(yīng)能在較短時(shí)間內(nèi)完成必須的動作。反應(yīng)速度的快慢直接影響系統(tǒng)的性能的好壞。因此，要求電動機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的制動轉(zhuǎn)矩，盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和啟動電壓。以上的加速度，2)承受頻繁的啟動、制動和反轉(zhuǎn)。（2）伺服系統(tǒng)的組成 閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)部分組成：① 微型計(jì)算機(jī) 它能接受輸入的加工程序和反饋信號，經(jīng)系統(tǒng)軟件運(yùn)行處理后，由輸出口送指令信號。 ② 驅(qū)動電路 接收微機(jī)發(fā)出的指令，并將輸入信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過功率放大后，驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速的大小由指令控制。若要實(shí)現(xiàn)恒速控制功能，驅(qū)動電路應(yīng)能接收速度反饋信號，將反饋信號與微機(jī)的輸入信號進(jìn)行比較，將差值信號作為控制信號，使電動機(jī)保持恒轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。③ 執(zhí)行元件 可以是直流電動機(jī)、交流電動機(jī)，也可以是步進(jìn)電動機(jī)。采用步進(jìn)電動機(jī)通常是開環(huán)控制。 ．④ 傳動裝置 包括減速箱和滾珠絲杠等。⑤ 位置檢測元件及反饋電路 位置檢測元件有直線感應(yīng)同步器，位置檢測元件檢測的位移信號是由反饋電路轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)能識別反饋信號送入計(jì)算機(jī)，山計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較后送出差值信號。⑥ 測速發(fā)電機(jī)及反饋電路 測速發(fā)電機(jī)實(shí)際是小型發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)兩端的電壓值和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，因此，可將轉(zhuǎn)速的變化量轉(zhuǎn)變成電壓的變化量。除微型計(jì)算機(jī)外，其余部分稱為伺服驅(qū)動系統(tǒng)。（3）伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)有多種分類方法，簡述如下：① 按驅(qū)動方式分 可分為液壓伺服系統(tǒng)、氣動伺服系統(tǒng)和電氣伺服系統(tǒng)。② 按執(zhí)行元件的類別分為 可分為支流電動機(jī)伺服系統(tǒng)、交流電動機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)和步進(jìn)電動機(jī)伺服系統(tǒng)。③ 按輸出被控制量的性質(zhì)分類 可分為位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的精度與其使用的伺服系統(tǒng)類型有關(guān)?！?；對精度要求高的大型數(shù)控設(shè)備，通常采用交流或直流，閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)． 進(jìn)給系統(tǒng)的改造 進(jìn)給伺服系統(tǒng)C6150型數(shù)控車床傳動部分改造，拆除原有機(jī)床的坐標(biāo)軸的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電動機(jī)經(jīng)齒輪或齒形結(jié)構(gòu)、減速驅(qū)動絲杠帶動刀架縱向和橫向進(jìn)給采用減速機(jī)構(gòu)來可達(dá)到所需要的脈沖當(dāng)量，還可滿足結(jié)構(gòu)要求和增大扭矩，在步進(jìn)電動機(jī)的力矩足夠大，且結(jié)構(gòu)許可的情況下，減小轉(zhuǎn)動慣量，減少產(chǎn)生定位誤差的環(huán)節(jié)?；窘Y(jié)構(gòu)框圖如圖3—9所示：圖3—9 伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖首先，伺服系統(tǒng)的高性能在很大的程度上決定了數(shù)控機(jī)床的高效率，高精度。因此，數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電動機(jī)、機(jī)械方面有很高的要求。由于開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，單精度低，低速平穩(wěn)性差，高速扭矩小，一般用于轉(zhuǎn)載，負(fù)載變化不大或經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上故選用開環(huán)伺服系統(tǒng)。其開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3—10所示： 圖3—10 開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖C6150車床的進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動部分改造主要有三點(diǎn)要求、傳動精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和