【文章內(nèi)容簡介】 比較法輸入方式絕對(duì)、增量控制坐標(biāo)數(shù)2自動(dòng)升降速性能有主電機(jī)功率 其它要求⒈ 原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動(dòng)量 ，以降低成本及縮短改造周期。⒉ 機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。注：本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的計(jì)算公式和手冊(cè)主要參考：⒈郝忠軍、雷曉玲主編，綜合作業(yè)指導(dǎo)書，北京：機(jī)械部工程師進(jìn)修大學(xué)電氣學(xué)院出版社，1995；⒉吳宗澤、羅圣國主編，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京:高等教育出版社，1998；⒊李洪主編，實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)，遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999；⒋李金伴、馬偉民主編，實(shí)用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007。 第三章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)需要改動(dòng)的主要部分有拖板部分和溜板箱部分。 拖板部分拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對(duì)象，不論是點(diǎn)位控制還是連續(xù)控制，對(duì)被加工零件的最后坐標(biāo)精度將受拖板運(yùn)動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。對(duì)于應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)作拖動(dòng)元件的開環(huán)系統(tǒng)尤其是這樣。因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令僅使拖板運(yùn)動(dòng)而沒有位置檢測(cè)和信號(hào)反饋，故實(shí)際移動(dòng)值和系統(tǒng)指令值如果有差別就會(huì)造成加工誤差。因此，除了拖板及其配件精度要求較高外，還應(yīng)采取以下措施來滿足傳動(dòng)精度和靈敏度要求。⒈ 在傳動(dòng)裝置的布局上采用減速齒輪箱來提高傳動(dòng)扭矩和傳動(dòng)精度（ mm/脈沖）。⒉ 在齒輪傳動(dòng)中，為提高正、反傳動(dòng)精度必須盡可能的消除配對(duì)齒輪之間的傳動(dòng)間隙，其方法有兩種，柔性調(diào)整法和剛性調(diào)整法。柔性調(diào)整法是指調(diào)整之后的齒輪側(cè)隙可以自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，在齒輪的齒厚和齒距有差異的情況下，仍可始終保持無側(cè)隙嚙合。但將影響其傳動(dòng)平穩(wěn)性，而且這種調(diào)整法的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳動(dòng)剛度低。剛性調(diào)整法是指調(diào)整之后齒輪側(cè)隙不能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整方法，它要求嚴(yán)格控制齒輪的齒厚及齒距誤差，否則傳動(dòng)的靈活性將受到影響。但用這種方法調(diào)整的齒輪傳動(dòng)有較好的傳動(dòng)剛度，而且結(jié)構(gòu)比較簡單。在設(shè)備改造中應(yīng)用的配對(duì)齒輪側(cè)隙方法是剛性調(diào)整法。⒊ 采用滾珠絲杠代替原滑動(dòng)絲杠，提高傳動(dòng)靈敏性、降低功率和步進(jìn)電機(jī)力矩?fù)p失。 溜板箱部分采用數(shù)控系統(tǒng)控制。拆除原溜板箱，利用此位置安裝新拖板箱，新拖板箱除固定在滾珠絲杠的螺母上。掛輪箱、走刀箱拆除，在此兩個(gè)位置分別裝控制螺紋加工的主軸脈沖編碼器和拖板軸向伺服元件功率步進(jìn)電機(jī)及減速箱。使改造后的機(jī)床外型美觀、合理。改造后機(jī)床的啟動(dòng)、停機(jī)均由數(shù)控系統(tǒng)完成，故拆除原機(jī)床操縱桿，變向杠、立軸等杠桿零件。⒈ 進(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱，光杠和梯型絲杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。⒉ 橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠螺母拆除，改裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副、橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型、齒輪傳動(dòng)計(jì)算、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型等。 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量,它是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本參數(shù)。因此,脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度的要求來確定。在CA6140的技術(shù)參數(shù)中，（直徑）。 車削抗力分析和滾珠絲杠副的特點(diǎn)⒈ 車削抗力分析車削外圓時(shí)的切削抗力有Fx、Fy、Fz，如圖31。主切削力Fz，主運(yùn)動(dòng)切削速度方向的分力，是最大的一個(gè)分力，它消耗了切削總功率的95%左右，是確定車床主軸電機(jī)切削功率的主要依據(jù)；切深抗力Fy，切深方向的分力，不消耗功率，是造成振動(dòng)的主要因素，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量；進(jìn)給抗力Fx進(jìn)給方向的分力，消耗了總功率的5%左右，它是驗(yàn)算機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)主要零、部件強(qiáng)度和剛性的依據(jù)。[11]圖31 車削合力及分力⒉ 滾珠絲杠副的特點(diǎn)滾珠絲杠副具有和滾動(dòng)軸承相似的特征。與滑動(dòng)絲杠副或液壓缸傳動(dòng)相比，有以下主要特點(diǎn)：1) 傳動(dòng)效率高 滾珠絲杠的傳動(dòng)效率可達(dá)85%~98%，為滑動(dòng)絲杠副的2~4倍，由于滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率高，對(duì)機(jī)械小型化，減少啟動(dòng)后的顫動(dòng)和滯后時(shí)間以及節(jié)約能源等方面，都具有重要意義。2) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 滾珠絲杠副在工作過程中摩擦阻力小，靈敏度高，而且摩擦系數(shù)幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，啟動(dòng)摩擦力矩與運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力矩的差別很小。所以滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無顫動(dòng)，低速時(shí)無爬行。3) 傳動(dòng)可逆性 與滑動(dòng)絲杠副相比，滾動(dòng)絲杠副突出的特點(diǎn)是具有運(yùn)動(dòng)的可逆性。正逆?zhèn)鲃?dòng)的效率幾乎可高達(dá)98%。滾珠絲杠副具有運(yùn)動(dòng)的可逆性，但是沒有像滑動(dòng)絲杠副那樣運(yùn)動(dòng)具有自鎖性。因此，在某些機(jī)構(gòu)中，特別是垂直升降機(jī)構(gòu)中使用滾珠絲杠副時(shí)，必須設(shè)置防止逆轉(zhuǎn)的裝置。4) 可以預(yù)緊 通過對(duì)螺母施加預(yù)緊力能消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度，但摩擦力矩卻增加不大。5) 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可以預(yù)緊等特點(diǎn)，所以滾珠絲杠副在工作過程中溫升較小，無爬行。并可消除軸向間隙和對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)緊拉伸以補(bǔ)償熱膨脹，能獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。6) 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時(shí)驅(qū)動(dòng)相同的部件和裝置時(shí)，由于反應(yīng)靈敏，無阻滯，無滑移，其啟動(dòng)的同時(shí)性，運(yùn)行中的速度和位移等，都具有準(zhǔn)確的一致性，這就是所謂同步性好。7) Mjmax使用壽命長 滾珠絲杠和螺母的材料均為合金鋼，螺紋滾道經(jīng)過熱處理，并淬硬至HRC5862，經(jīng)磨削達(dá)到所需的精度和表面粗糙度。實(shí)踐證明，滾珠絲杠副的使用壽命比普通滑動(dòng)絲杠副高5到6倍。8) 使用可靠，潤滑簡單，維修方便 與液壓傳動(dòng)相比，滾珠絲杠副在正常使用條件下故障率低，維修保養(yǎng)也極為方便；通常只需進(jìn)行一般的潤滑與防塵。而在特殊使用場(chǎng)合，如核反應(yīng)堆中的滾珠絲杠副，可在無潤滑狀態(tài)下正常工作。 橫向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核步驟⒈ 型號(hào)選擇1) 最大工作載荷計(jì)算 （31） 式中：K是考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)；f ′是滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；Fl是拖板上的進(jìn)給方向載荷；Fv拖板上的垂直方向載荷；G是縱向、橫向溜板箱和刀架的重量。在正常情況下， 、可取下列數(shù)值：矩形導(dǎo)軌 = =燕尾形導(dǎo)軌 = =三角形或綜合導(dǎo)軌 = =~鉆鏜主軸圓導(dǎo)軌 =上面的摩擦系數(shù)均是指滑動(dòng)導(dǎo)軌，如果采用帖塑導(dǎo)軌=~；滾動(dòng)導(dǎo)軌=~；靜壓導(dǎo)軌=。橫向切削外圓時(shí)的主切削力F’z是縱向主切削Fz的一半，車床的縱向主切削力Fz（N）可以用經(jīng)驗(yàn)公式估算： （32）式中：Dmax是車床床身上加工的最大直徑，單位為mm； 得 F’z= ==2680(N) 按切削力各分力比例： F’z : F’x : F’y =1 : : （33）得 F’x=’z=670(N) F’y=’z=1072(N)因?yàn)檐嚨堆b夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進(jìn)給拖板和導(dǎo)軌上，車削作業(yè)時(shí)作用在進(jìn)給拖板上的載荷F’l、F’v和F’c與車刀所受到的車削抗力有對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，作用在進(jìn)給拖板上的載荷可以按下式求出：拖板上的進(jìn)給方向載荷 Fl=F’x=670 (N)拖板上的垂直方向載荷 Fv=F’z=2680(N)拖板上的橫向載荷 Fc=F’y=1072(N)選取燕尾形導(dǎo)軌及導(dǎo)向?yàn)橘N塑導(dǎo)軌，則：K= f ′= ，F(xiàn)l為工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷，G=600N最大工作載荷： =+(2680+21072+600) =2) 最大動(dòng)負(fù)載的計(jì)算滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動(dòng)載荷Ca選用，可用式35計(jì)算： （34） （35） （36）式中：為回轉(zhuǎn)壽命，以轉(zhuǎn)為1單位；為絲杠轉(zhuǎn)速，；為最大切削里條件下的進(jìn)給速度；為時(shí)間壽命，對(duì)于數(shù)控機(jī)床取=20000；為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，~。其中：vs為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min），可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3；Lo為絲杠的基本導(dǎo)程，查資料得Lo=8mm；fm為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)是有沖擊振動(dòng)，所以取fm=。V橫向=800mm/minn橫向=v橫向1/2 /L。=8001/2 /8=50r/min 所以 ==60則 ==7004(N) 初選滾珠絲桿副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動(dòng)載荷（Ca）不得小于最大動(dòng)載荷（C），因此有CaC=7004N。另外假如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)下工作并受載，那么還需考慮其另一種失效形式（滾珠接觸面上的塑性變形）。即要考慮滾珠絲杠的額定靜載荷（Cao）是否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷Fm，一般使Cao/Fm=2~3。初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，（因?yàn)閮?nèi)循環(huán)較外循環(huán)絲杠比較貴，并且較難安裝。）考慮到簡易經(jīng)濟(jì)改裝，所以采用外循環(huán)。 因此初選滾珠絲杠的型號(hào)為CTD25085P3，為外循環(huán)雙螺母凸出式的滾珠絲杠副，詳見表31表31 外循環(huán)雙螺母凸出式規(guī)格尺寸/mm規(guī)格型號(hào)公稱直徑d0基本導(dǎo)程Lo絲杠外徑d滾珠直徑db螺旋升角β循環(huán)圈數(shù)額定載荷/N接觸剛度R/(N/μm)動(dòng)載Ca靜載Cao25085258245186。49180。2+220401677661485螺母安裝尺寸DD1D2BMd2d3hdMXYZ4575601361277M63232151⒉ 橫向滾珠絲杠的校核1) 傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 （37）式中：為絲杠螺旋長升角； 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)=~，其摩擦角約等于。2) 剛度驗(yàn)算滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形?？v向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式如圖32所示，支撐間距L=450mm，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。圖32 橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖計(jì)算如下：⑴ 絲杠的拉伸或壓縮變形(mm)根據(jù) 查“滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖”得出，可算出： mm （38）由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量(mm)為： == mm⑵ 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量(mm) 采用有預(yù)緊的方式，因此用公式： （39） = =在這里：預(yù)緊力Fyj=1/3Fm=1/=一圈的滾珠數(shù)Z=π do/db= 滾珠數(shù)量ZΣ==170⑶ 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形(mm)采用8204型推力球軸承，d1=20mm，滾動(dòng)體直徑dQ=，滾動(dòng)體數(shù)量z=12，F(xiàn)m的單位是kgf因此用公式： （310） = =絲杠的總變形量：δ=δ1+δ2+δ3=++=（定位精度）3) 壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為FK （311） （312）式中：E為絲杠材料彈性模量，對(duì)鋼E=（N/cm2）；I為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面I=πd14/64（cm4）(d1為絲杠的底徑)；l為絲杠的兩支承端距離（cm）；[nK]為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，；fz為絲杠的支撐方式系數(shù)由表32查得。表32 絲杠的支撐方式系數(shù)方式兩端自由一端固定一端自由兩端固定兩端簡支fz 由 且 fz=，E=（N/cm2），I=πd14/64（cm4），l=45cm其中：I=πd14/64=π()/64=臨界載荷==330148N穩(wěn)定性安全系數(shù)==270[nK]所以絲杠很穩(wěn)定，故所選絲杠合格。 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算： 橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量δp= mm/脈沖（半徑值），滾珠絲杠導(dǎo)程Lo=8mm，176。，可以計(jì)算行動(dòng)比i （313）式中：δp為脈沖當(dāng)量（mm/步）； Lo為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（mm）； θb為步進(jìn)電機(jī)的步距角（176。）。計(jì)算行動(dòng)比i：=考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不能使齒輪直徑過大，以免影響到橫向溜板的有效行程，所以采用兩級(jí)齒輪降速：===