【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。 2) 半閉環(huán)控制系統(tǒng) a) 工作原理這類系統(tǒng)在電機(jī)軸端安裝有位置檢測(cè)裝置，機(jī)床的傳動(dòng)絲桿和工作臺(tái)等不包括在環(huán)內(nèi)，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行處理。并補(bǔ)償誤差后，再發(fā)送補(bǔ)償后的信號(hào)對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而控制運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)。圖22 半閉環(huán)控制系統(tǒng)b) 特點(diǎn)及適用范圍在定位精度方面，由于機(jī)械傳動(dòng)裝置的誤差及反向間隙檢測(cè)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(jī)械傳動(dòng)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(jì)性良好的數(shù)控機(jī)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(cè)量元件（直線感應(yīng)同步器和長(zhǎng)光柵等）對(duì)機(jī)床工作臺(tái)位移直接測(cè)量并進(jìn)行反饋控制。圖23 閉環(huán)控制系統(tǒng) b) 特點(diǎn)及適用范圍位精度方面，由于閉環(huán)系統(tǒng)能夠補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)裝置中的各種誤差、間隙及干擾的影響，定位精度高，可達(dá)177?！?77。（最高可達(dá)位置檢測(cè)元件的精度）；在穩(wěn)定性方面，由于進(jìn)給絲桿的拉壓，扭轉(zhuǎn)剛度以及摩擦阻尼特性過(guò)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(dāng)，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(jì)、調(diào)整帶來(lái)了一定的困難?？傊]環(huán)控制系統(tǒng)能獲得相對(duì)較高的速度和精度，但價(jià)格非常高，維護(hù)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(jī)床。 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的選擇1) 分析，，銑削速度為1000mm/min。由上可見，該機(jī)床的精度和速度都不是非常高，再考慮到，設(shè)計(jì)出的機(jī)床定位于較高的性價(jià)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(duì)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(jì)要求，同時(shí)其具有相對(duì)低廉的價(jià)格和較高的性價(jià)比。因此，本次設(shè)計(jì)的伺服進(jìn)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(jì)中的PCB數(shù)控四軸鉆銑床，根據(jù)設(shè)計(jì)中的精度要求及考慮到機(jī)床的經(jīng)濟(jì)性能要求，確定本機(jī)床采用邊移動(dòng)、邊加工、邊變速、邊定位的半閉環(huán)連續(xù)交流控制伺服進(jìn)給系統(tǒng)。167。 傳動(dòng)部件的選擇設(shè)計(jì) 滾珠絲桿副的選擇計(jì)算這部分參見文獻(xiàn)[2]《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二冊(cè)和和文獻(xiàn)[14]《現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》。1) 滾珠絲桿副的工作原理滾珠螺旋傳動(dòng)是在螺桿和螺母的滾道之間，放入適量的滾動(dòng)體，是螺桿和螺母之間由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的螺旋傳動(dòng)。當(dāng)螺桿（或螺母）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)體依次沿螺紋滾道滾動(dòng)，并促使螺母（或螺桿）作直線運(yùn)動(dòng)。為了防止?jié)L動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由螺紋滾道滾出，在螺母或螺桿上設(shè)有滾動(dòng)體返回裝置，使?jié)L動(dòng)體沿滾道面運(yùn)動(dòng)后能自動(dòng)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(dòng)體采用鋼球地滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)，即為滾珠絲桿副。圖24 滾珠絲桿副 2) 滾珠絲桿副的特點(diǎn) a) 滾珠絲桿副的地優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：⑴ 摩擦小、傳動(dòng)效率高。 一般情況下，其機(jī)械效率可達(dá)90%以上，約比滑動(dòng)絲桿傳動(dòng)地機(jī)械效率高24倍。因而，在同樣的負(fù)荷下驅(qū)動(dòng)扭矩較滑動(dòng)絲桿傳動(dòng)減少2/33/4，同時(shí)它的逆?zhèn)鲃?dòng)效率也很高，接近于正傳動(dòng)效率。因此，它可以比較容易的把直線運(yùn)動(dòng)（或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（或直線運(yùn)動(dòng)）。在伺服控制系統(tǒng)中采用滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)，不僅提高了傳動(dòng)效率，而且還可以減少啟動(dòng)力矩、顫動(dòng)及滯后時(shí)間。⑵ 靈敏度高、傳遞平穩(wěn)。 由于時(shí)滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差極小，無(wú)論時(shí)靜止還時(shí)高速或低速時(shí)，摩擦扭矩幾乎不變。⑶ 傳動(dòng)精度高。 由于摩擦力小，工作時(shí)螺桿的熱變形小，螺桿尺寸穩(wěn)定，并且經(jīng)調(diào)整預(yù)緊后，可得到無(wú)間隙傳動(dòng)，因而，具有較高得傳動(dòng)精度，定位精度和軸向剛度。⑷ 磨損小、壽命長(zhǎng)。 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(dòng)摩擦得磨損小，因而具有良好得耐磨性，而且可高速運(yùn)行。⑸ 同步性好。 用幾套相同得滾珠絲桿副同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的運(yùn)動(dòng)部件，可得到較好得同步運(yùn)動(dòng)。⑹ 具有傳動(dòng)得可逆性。⑺ 可靠性高，滑動(dòng)密封裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。 b) 滾珠絲桿副的缺點(diǎn)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(dòng)時(shí)，必須在系統(tǒng)中附加自鎖式制動(dòng)裝置。⑵ 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，價(jià)格往往以滾珠絲桿有多少毫米來(lái)計(jì)算。3) 滾珠絲桿副的選取與校核 a) 分析當(dāng)滾珠絲桿副在高速或中等轉(zhuǎn)速下（n10轉(zhuǎn)/分）工作時(shí)，其失效的主要形式為滾道或滾珠表面的摩擦點(diǎn)蝕，此種情況下滾珠絲桿副基本尺寸的選擇應(yīng)以疲勞壽命為依據(jù)，即按額定運(yùn)動(dòng)載荷進(jìn)行選用計(jì)算。當(dāng)滾珠絲桿副在低速（n〈10轉(zhuǎn)/分〉時(shí)，其失效的主要形式為螺紋滾道或滾珠表面產(chǎn)生過(guò)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(yīng)按照靜載荷進(jìn)行選擇。本數(shù)控機(jī)床采用電機(jī)與絲桿直接相連的驅(qū)動(dòng)方式，其伺服電機(jī)采用美國(guó)AB公司生產(chǎn)的1326型交流伺服電機(jī)。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(yīng)按壽命條件幾額定動(dòng)載荷選擇或校核其基本參數(shù)，同時(shí)，檢驗(yàn)其載荷是否超過(guò)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(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。滾珠絲桿的承載能力用額定動(dòng)載荷（C）和額定靜載荷（C）來(lái)表示，它的定義、計(jì)算和選用方法和滾動(dòng)軸承基本相同。一般按額定動(dòng)載荷或額定靜載荷來(lái)選用滾珠絲桿副的尺寸規(guī)格；只有細(xì)長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(jì)算和確定 ⑴ 工作臺(tái)重量的估算工作臺(tái)包括： 工作臺(tái)底座，按其結(jié)構(gòu)與密度（鑄鐵密度為：7g/cm），估計(jì)重量是2000N；支撐鋁板，由文獻(xiàn)[7]查得鋁板（LY12） g/cm，估計(jì)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(tái)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(jì)算應(yīng)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(yuǎn)大于鉆削力，故應(yīng)按銑削力計(jì)算，即：X、Y向切削力F=1銑削水平進(jìn)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(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)（）；⑹ 慣性力F(N)X向：慣性力F=工作臺(tái)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(dāng)量載荷 軸向載荷(N)進(jìn)給當(dāng)量載荷當(dāng)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(dāng)量載荷和當(dāng)量轉(zhuǎn)速得計(jì)算 由文獻(xiàn)[3]式（）和式（）得：又由文獻(xiàn)[14]表（）知：軸向載荷在F 和F之間作周期變化時(shí)，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(jì)算結(jié)果如表21中所示。當(dāng)量轉(zhuǎn)速n可用平均轉(zhuǎn)速來(lái)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(jī)，X向和Y向n =2000r/min，Z向n=3000 r/min,而n均為0，故n的計(jì)算結(jié)果如表21所示。 d) 動(dòng)載荷得計(jì)算額定動(dòng)載荷是指一批相同規(guī)格的滾珠絲桿副，經(jīng)過(guò)一百萬(wàn)轉(zhuǎn)后，90%的滾珠絲桿副不產(chǎn)生疲勞損傷時(shí)的軸向載荷。不同規(guī)格及負(fù)載鋼球圈數(shù)的C值可查文獻(xiàn)[14]：式中：f——壽命系數(shù)，根據(jù)預(yù)期壽命L（h）（）。 f——載荷性質(zhì)系數(shù)，； f——?jiǎng)虞d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(dāng)量軸向載荷。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算可到X、Y、Z三向滾珠絲桿得計(jì)算動(dòng)載荷，結(jié)果入下表：表22 絲桿的計(jì)算動(dòng)載荷絲桿X向Y向Z向計(jì)算動(dòng)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(dòng)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(yù)緊。e) 滾珠絲桿長(zhǎng)度的確定 圖25 絲桿長(zhǎng)度的計(jì)算由上圖可見絲桿長(zhǎng)度： L=L1+2L2+L3+L4………………………………()其中，L1=Lg+Ln+2Le…………………………… () Lg——絲桿的最大行程，由設(shè)計(jì)任務(wù)書知； Ln——絲桿螺母總長(zhǎng)，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(zhǎng)度見下表： 各絲桿長(zhǎng)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(duì)按照額定動(dòng)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(shí)，核算絲桿有沒有縱向彎曲的危險(xiǎn)。方法見文[1]、。按此方法，因?yàn)閄、Y向最大支撐距離是500750左右，所以即使在最大加、減速時(shí)，其強(qiáng)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(xiǎn)。方法是按支撐長(zhǎng)度，在文[2]，然后按不同支撐條件在縱坐標(biāo)上作水平線，與垂線的交點(diǎn)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(yīng)改選較大的名義直徑。通過(guò)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(jì)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(duì)其系統(tǒng)剛度要求也越高。，，因而，系統(tǒng)對(duì)絲桿的剛度要求也相對(duì)較高，對(duì)其剛度校核計(jì)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(jìn)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(yù)緊，且預(yù)緊力為軸向最大載荷的1/3時(shí)，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(qiáng)其剛度，而不做變形計(jì)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(jì)算 ① 當(dāng)絲桿采用雙螺母墊片預(yù)緊時(shí)，由文獻(xiàn)[14]，δ1=103KzF/Z(DwFp)1/3 ………………()式中，Dw——鋼球的直徑，由文獻(xiàn)[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(yù)緊力（N），一般取Fp= F/3=398/3=133N；代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：δ1=104mm ② 軸向拉伸壓縮變形δ2：由文獻(xiàn)[14]： δ=FL/EA………………()式中，L——絲桿的計(jì)算長(zhǎng)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(jì)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(xiàn)[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(dòng)體數(shù)，Z=13； dθ——軸承的滾動(dòng)體直徑，dθ=6mm； α——軸承的接觸角，α=60176。代入計(jì)算得：δc=103mm由于施加了預(yù)緊力，故：δ3=δc/2=103mm ⑶ 結(jié)論：δ=103mm在絲桿得初步設(shè)計(jì)時(shí)，可假定絲桿得累積誤差約占機(jī)床定位誤差得1/31/2。選擇最高的零級(jí)滾珠絲桿(),故其絲桿傳動(dòng)精度為：δ=962103mm﹤δ/2=103mm可見，所選的絲桿剛度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。i) 定位精度的核算由文獻(xiàn)得： I=P/DMRai………………………………()其中，I——編碼器輸出得脈沖信號(hào)數(shù)（P/r），由伺服電機(jī)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=2500 P/r。