【文章內(nèi)容簡介】 和速度要求不高的場合。 2) 半閉環(huán)控制系統(tǒng) a) 工作原理這類系統(tǒng)在電機軸端安裝有位置檢測裝置，機床的傳動絲桿和工作臺等不包括在環(huán)內(nèi)，數(shù)控系統(tǒng)對反饋信號進行處理。并補償誤差后，再發(fā)送補償后的信號對伺服電機的轉(zhuǎn)速進行控制，從而控制運動部件的運動。圖22 半閉環(huán)控制系統(tǒng)b) 特點及適用范圍在定位精度方面，由于機械傳動裝置的誤差及反向間隙檢測等同元件的誤差一起限制了位置控制精度，所以定位精度不是很高；在穩(wěn)定性方面，機械傳動裝置的剛性，摩擦阻尼特性及間隙等非線性性因素都不在位置控制環(huán)內(nèi)，所以穩(wěn)定性較好。它主要適用于精度較好，經(jīng)濟性良好的數(shù)控機床。3) 閉環(huán)控制系統(tǒng) a) 工作原理閉環(huán)控制系統(tǒng)采用直線型位移測量元件（直線感應同步器和長光柵等）對機床工作臺位移直接測量并進行反饋控制。圖23 閉環(huán)控制系統(tǒng) b) 特點及適用范圍位精度方面，由于閉環(huán)系統(tǒng)能夠補償機械傳動裝置中的各種誤差、間隙及干擾的影響，定位精度高，可達177?！?77。（最高可達位置檢測元件的精度）；在穩(wěn)定性方面，由于進給絲桿的拉壓，扭轉(zhuǎn)剛度以及摩擦阻尼特性過間隙等非線性因素都包括在位置控制閉環(huán)內(nèi)，所以若參數(shù)匹配適當，將引起系統(tǒng)振蕩，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這給系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)整帶來了一定的困難?？傊?，閉環(huán)控制系統(tǒng)能獲得相對較高的速度和精度，但價格非常高，維護也非常困難，故只適用于精度要求和速度要求非常高的精密、超精密的大型數(shù)控機床。 伺服進給系統(tǒng)的選擇1) 分析，，銑削速度為1000mm/min。由上可見，該機床的精度和速度都不是非常高，再考慮到，設(shè)計出的機床定位于較高的性價比，在基本能滿足要求的情況下，盡可能降低成本。再結(jié)合前文對各種控制的描述分析可以看出，半閉環(huán)控制系統(tǒng)基本能夠滿足設(shè)計要求，同時其具有相對低廉的價格和較高的性價比。因此，本次設(shè)計的伺服進給系統(tǒng)選用的是半閉環(huán)控制系統(tǒng)。2) 結(jié)論本次設(shè)計中的PCB數(shù)控四軸鉆銑床，根據(jù)設(shè)計中的精度要求及考慮到機床的經(jīng)濟性能要求，確定本機床采用邊移動、邊加工、邊變速、邊定位的半閉環(huán)連續(xù)交流控制伺服進給系統(tǒng)。167。 傳動部件的選擇設(shè)計 滾珠絲桿副的選擇計算這部分參見文獻[2]《機床設(shè)計手冊》第二冊和和文獻[14]《現(xiàn)代機械傳動手冊》。1) 滾珠絲桿副的工作原理滾珠螺旋傳動是在螺桿和螺母的滾道之間，放入適量的滾動體，是螺桿和螺母之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的螺旋傳動。當螺桿（或螺母）轉(zhuǎn)動時，滾動體依次沿螺紋滾道滾動，并促使螺母（或螺桿）作直線運動。為了防止?jié)L動體在運動過程中由螺紋滾道滾出，在螺母或螺桿上設(shè)有滾動體返回裝置，使?jié)L動體沿滾道面運動后能自動的返回其入口處，形成循環(huán)回路，從而不斷地參與工作。而滾動體采用鋼球地滾動螺旋傳動，即為滾珠絲桿副。圖24 滾珠絲桿副 2) 滾珠絲桿副的特點 a) 滾珠絲桿副的地優(yōu)點有以下幾個方面：⑴ 摩擦小、傳動效率高。 一般情況下，其機械效率可達90%以上，約比滑動絲桿傳動地機械效率高24倍。因而，在同樣的負荷下驅(qū)動扭矩較滑動絲桿傳動減少2/33/4，同時它的逆?zhèn)鲃有室埠芨?，接近于正傳動效率。因此，它可以比較容易的把直線運動（或旋轉(zhuǎn)運動）轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動（或直線運動）。在伺服控制系統(tǒng)中采用滾動螺旋傳動，不僅提高了傳動效率，而且還可以減少啟動力矩、顫動及滯后時間。⑵ 靈敏度高、傳遞平穩(wěn)。 由于時滾動摩擦，動、靜摩擦系數(shù)相差極小，無論時靜止還時高速或低速時，摩擦扭矩幾乎不變。⑶ 傳動精度高。 由于摩擦力小，工作時螺桿的熱變形小，螺桿尺寸穩(wěn)定，并且經(jīng)調(diào)整預緊后，可得到無間隙傳動，因而，具有較高得傳動精度，定位精度和軸向剛度。⑷ 磨損小、壽命長。 滾珠絲桿副得主要零件，如絲桿、螺母、滾珠和滾珠循環(huán)返回裝置得部分零件，均采用優(yōu)質(zhì)得合金鋼制成，其滾道表面淬火硬度至HRC6062，并有較低得表面粗糙度，再加上滾動摩擦得磨損小，因而具有良好得耐磨性，而且可高速運行。⑸ 同步性好。 用幾套相同得滾珠絲桿副同時傳動幾個相同的運動部件，可得到較好得同步運動。⑹ 具有傳動得可逆性。⑺ 可靠性高，滑動密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。 b) 滾珠絲桿副的缺點是：⑴ 不能自鎖。 在需要自鎖功能的地方，如，用于垂直方向的傳動時，必須在系統(tǒng)中附加自鎖式制動裝置。⑵ 結(jié)構(gòu)復雜，成本高，價格往往以滾珠絲桿有多少毫米來計算。3) 滾珠絲桿副的選取與校核 a) 分析當滾珠絲桿副在高速或中等轉(zhuǎn)速下（n10轉(zhuǎn)/分）工作時，其失效的主要形式為滾道或滾珠表面的摩擦點蝕，此種情況下滾珠絲桿副基本尺寸的選擇應以疲勞壽命為依據(jù)，即按額定運動載荷進行選用計算。當滾珠絲桿副在低速（n〈10轉(zhuǎn)/分〉時，其失效的主要形式為螺紋滾道或滾珠表面產(chǎn)生過大的塑性變形。這種情況下滾珠絲桿副的基本尺寸的選擇應按照靜載荷進行選擇。本數(shù)控機床采用電機與絲桿直接相連的驅(qū)動方式，其伺服電機采用美國AB公司生產(chǎn)的1326型交流伺服電機。一般情況下，滾珠絲桿副的承載能力取決于其抗疲勞能力，故首先應按壽命條件幾額定動載荷選擇或校核其基本參數(shù)，同時，檢驗其載荷是否超過額定靜載荷。轉(zhuǎn)速很低，可僅按額定靜載荷確定或校核其尺寸。本次選用的1326型交流伺服電機，其額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。滾珠絲桿的承載能力用額定動載荷（C）和額定靜載荷（C）來表示，它的定義、計算和選用方法和滾動軸承基本相同。一般按額定動載荷或額定靜載荷來選用滾珠絲桿副的尺寸規(guī)格；只有細長而由承受壓縮載荷的滾珠絲桿副才需作壓桿穩(wěn)定性核算；對轉(zhuǎn)速高，支承距離大的滾珠絲桿副，才作臨界轉(zhuǎn)速的核算；對精度要求高的滾珠絲桿副，才作剛度的核算。 b) 工作條件的計算和確定 ⑴ 工作臺重量的估算工作臺包括： 工作臺底座，按其結(jié)構(gòu)與密度（鑄鐵密度為：7g/cm），估計重量是2000N；支撐鋁板，由文獻[7]查得鋁板（LY12） g/cm，估計重量為：900N；加工墊板，重量約504=200N；工件重量，,其重量約為：4= N。因此，工作臺重量約是：2000+600+200+= N；取2900 N。⑵ 拖板重量估算根據(jù)拖板尺寸及其密度（ g/cm），估算出其重量約為：2000 N⑶ 主軸架重量得估算同理可得主軸架重量約為170N。⑷ 切削力F（N）切削力F得計算應取鉆、銑工作狀態(tài)下得最大值，即：切削力F=Max{鉆、銑工作狀態(tài)下得切削力}。由于銑削力遠大于鉆削力，故應按銑削力計算，即：X、Y向切削力F=1銑削水平進給力；Z向切削力F=2銑削軸向抗力。⑸ 摩擦阻力F（N）摩擦阻力F=載重直線滾動導軌摩擦系數(shù)（）；⑹ 慣性力F(N)X向：慣性力F=工作臺質(zhì)量最大加速度=200NY向：慣性力F=拖板質(zhì)量最大加速度=290NZ向：慣性力F=主軸架質(zhì)量最大加速度=35N；綜上所述，可得滾珠絲桿的工作條件為： 表21 滾珠絲桿的工作條件及當量載荷 軸向載荷(N)進給當量載荷當量轉(zhuǎn)速最大切削力最大摩擦力最大慣性力最大速度（m/min）最大加速度F（N）n（r/min）X向26562000~101m/s21771000Y向39892900~101m/s22651000Z向660350~102m/s2441500 c) 滾珠絲桿當量載荷和當量轉(zhuǎn)速得計算 由文獻[3]式（）和式（）得：又由文獻[14]表（）知：軸向載荷在F 和F之間作周期變化時，F(xiàn)m=1/3(F+F)…………………………………………()其中，F(xiàn)和F 分別為最大和最小軸向載荷，計算結(jié)果如表21中所示。當量轉(zhuǎn)速n可用平均轉(zhuǎn)速來代替，即： n=(n+ n)/2………………………………………()式中，n 和n 分別是最高和最低絲桿轉(zhuǎn)速。按本次選用的1326型交流伺服電機，X向和Y向n =2000r/min，Z向n=3000 r/min,而n均為0，故n的計算結(jié)果如表21所示。 d) 動載荷得計算額定動載荷是指一批相同規(guī)格的滾珠絲桿副，經(jīng)過一百萬轉(zhuǎn)后，90%的滾珠絲桿副不產(chǎn)生疲勞損傷時的軸向載荷。不同規(guī)格及負載鋼球圈數(shù)的C值可查文獻[14]：式中：f——壽命系數(shù)，根據(jù)預期壽命L（h）（）。 f——載荷性質(zhì)系數(shù)，； f——動載荷硬度影響系數(shù)，；f——轉(zhuǎn)速系數(shù)如工作轉(zhuǎn)速恒定，則根據(jù)已知的n，,如轉(zhuǎn)速是變化的，； P——當量軸向載荷。帶入數(shù)據(jù)計算可到X、Y、Z三向滾珠絲桿得計算動載荷，結(jié)果入下表：表22 絲桿的計算動載荷絲桿X向Y向Z向計算動載荷（N） 根據(jù)以上結(jié)果知，直徑大于10mm得滾珠絲桿均能滿足要求得動載荷，再結(jié)合南京工藝設(shè)備制造廠生產(chǎn)的滾珠絲桿系列，初選：X向：FFbD2510P3Y向：FFbD2510P3Z向：FFbD205P3X、Y、Z三向滾珠絲桿均為雙螺母墊片預緊。e) 滾珠絲桿長度的確定 圖25 絲桿長度的計算由上圖可見絲桿長度： L=L1+2L2+L3+L4………………………………()其中，L1=Lg+Ln+2Le…………………………… () Lg——絲桿的最大行程，由設(shè)計任務(wù)書知； Ln——絲桿螺母總長，查絲桿資料可得； Le——螺紋滾道兩端余程；L2——熱處理余程，L2=15~20 mm；L3 、L4——由我根據(jù)連接要求確定；由此可以得到各桿長度見下表： 各絲桿長度的確定絲桿L1LgLnLeL2L3L4LX61042011040153983762Y81062011040153983962Z19040903015760303 f) 壓桿穩(wěn)定性核算壓桿穩(wěn)定性核算是對按照額定動載荷選定的絲桿的名義直徑，在給定的支撐條件下，承受最大的軸向壓縮載荷時，核算絲桿有沒有縱向彎曲的危險。方法見文[1]、。按此方法，因為X、Y向最大支撐距離是500750左右，所以即使在最大加、減速時，其強度也是完全安全的。g) 臨界轉(zhuǎn)速的核算 臨界轉(zhuǎn)速的核算是校核所選定的滾珠絲桿的名義直徑，在給定的支撐條件下，其最高轉(zhuǎn)速是否有靠近其橫向固有頻率而發(fā)生共振的危險。方法是按支撐長度，在文[2]，然后按不同支撐條件在縱坐標上作水平線，與垂線的交點就是不產(chǎn)生共振的極限名義直徑。如該值小于所選直徑則可用，否則，應改選較大的名義直徑。通過校核，該值小于所選的滾珠絲桿副的名義直徑，故所選絲桿直徑是可行的。h) 系統(tǒng)剛度的計算由于系統(tǒng)的加工精度與其系統(tǒng)剛度的密切相關(guān)，加工精度越高，對其系統(tǒng)剛度要求也越高。，，因而，系統(tǒng)對絲桿的剛度要求也相對較高，對其剛度校核計算也就非常重要了。而在X、Y、Z三向中，Y向的絲桿受力最大，下面就以Y向絲桿倆進行校核。 ⑴ 分析滾珠絲桿副系統(tǒng)的軸向變形主要是以下各種變形量之和：① 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形δ1，如果預緊，且預緊力為軸向最大載荷的1/3時，此變形減少一半。② 絲桿的軸向拉伸壓縮變形δ2；③ 由絲桿的扭矩變形而引起的螺距的變化，一般忽略不記；④ 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形δ3；⑤ 螺母座及軸承支座的變形。一般根據(jù)其精度要求，在結(jié)構(gòu)上盡量增強其剛度，而不做變形計算。因此，滾珠絲桿副的校核，主要是考慮δδδ3之和是否大于所要求的定位精度的一半。⑵ 計算 ① 當絲桿采用雙螺母墊片預緊時，由文獻[14]，δ1=103KzF/Z(DwFp)1/3 ………………()式中，Dw——鋼球的直徑，由文獻[14]：d=； Z——工作螺母中得鋼球總數(shù)，Z=mjk=161=40。 Kz——載荷分布不均勻系數(shù)，與制造精度有關(guān)，一般取Kz=； Fp——預緊力（N），一般取Fp= F/3=398/3=133N；代入數(shù)據(jù)計算得：δ1=104mm ② 軸向拉伸壓縮變形δ2：由文獻[14]： δ=FL/EA………………()式中，L——絲桿的計算長度，由前文知：L=； F——絲桿軸向載荷，由前文知：F=398N； E——絲桿材料的彈性模量：鋼材的彈性模量E=105(MPa)； A——絲桿的切面面積，A=π(d Dw)2/4=104m2代入計算得：δ=103mm故，δ2=δ/2=103mm③ 支承滾珠絲桿得軸承得軸向接觸變形δ3：由文獻[3]： δc=（F2/dθZ2）1/3/Sinα……………………（）其中，F(xiàn)——軸承軸向載荷，由前文知：F=398N； Z——軸承的滾動體數(shù)，Z=13； dθ——軸承的滾動體直徑，dθ=6mm； α——軸承的接觸角，α=60176。代入計算得：δc=103mm由于施加了預緊力，故：δ3=δc/2=103mm ⑶ 結(jié)論：δ=103mm在絲桿得初步設(shè)計時，可假定絲桿得累積誤差約占機床定位誤差得1/31/2。選擇最高的零級滾珠絲桿(),故其絲桿傳動精度為：δ=962103mm﹤δ/2=103mm可見，所選的絲桿剛度能夠滿足設(shè)計要求。i) 定位精度的核算由文獻得： I=P/DMRai………………………………()其中，I——編碼器輸出得脈沖信號數(shù)（P/r），由伺服電機資料可查得，脈沖編碼器有2000 P/r，2500 P/r和5000 P/r等幾種。這里選取I=