【文章內(nèi)容簡介】 方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的運動 方式伺服系統(tǒng)的類型以及傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等在符合經(jīng)濟型數(shù)控改造一般原則的前提下具體方案如下 1 保留機床原主軸運動系統(tǒng)通過改造實現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)啟動停車的 NC 控制 2 拆除機床工作臺 XY 軸原有進給系統(tǒng)將滑動絲杠副更換為滾珠絲杠副并改裝減速齒輪箱減速齒輪步進電機對機床結(jié)構(gòu)進行測繪傳動系統(tǒng)設計計算選擇合適的滾珠絲杠安裝方式完成齒輪傳動機構(gòu)設計步進電機選則等為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性選用磨擦小傳動效率高的滾珠絲杠螺母副并應有預緊機構(gòu)以提高傳動剛度和消除間隙齒輪副也應有消除齒側(cè)間隙的機構(gòu)機械結(jié)構(gòu)改裝部分應 注意裝配的工藝性考慮正確的裝配順序保證安裝調(diào)試拆卸方便需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應方便 3 選擇經(jīng)濟型開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)確定步進驅(qū)動元件實現(xiàn)機床工作臺 XY 軸數(shù)控主軸的部分數(shù)控功能要求 XY 向步進精度為 00050005mmstep 軸向定位精度 0015mm重復定位精度 0008mm 32 機械傳動系統(tǒng)改造設計與計算 已知條件 1 原 x5032 銑床數(shù)據(jù) 進給電機 額定功率 15kw 額定轉(zhuǎn)速 1410rpm 最大水平托動力 15KN 最大進給速度 縱向 23mmin 橫向 154mmin 工件最大重量 200kg 機動范圍 縱向 680mm 橫向 240mm 主軸軸向移動距離 85mm 工藝數(shù)據(jù) 計任務的要求參考《切削用量手冊》確定選擇用 YT15 硬質(zhì)合金端銑刀銑削銑刀直徑 d0 0125m 齒數(shù) Z 4 銑削寬度 a0 007m 銑削深度 ap h 37 103ms每齒進給量 af 2 104mz 刀具耐用度 T 108 103s 主軸轉(zhuǎn)速 n 41750 rs 250300 rpm 切削速度 v 164196 ms 進給速度 vf 35392 103ms 機 床進給部件重量估算 縱向 X 軸工作臺 長 1335mm 約重 2200N 橫向 Y 軸工作臺 長 445mm 約重 4500N 4 對進給傳動系統(tǒng)的要求 l 高的傳動精度和定位精度 傳動精度和定位精度對零件的加工精度起著關(guān)鍵性的作用也是機床特征的指標之一在設計中在進給傳動鏈中加入減速齒輪以減少脈沖當量 即伺服系統(tǒng)接收一個指令驅(qū)動工作臺移動的距離 預緊傳動滾珠絲杠消除齒輪蝸輪等傳動件的間隙等辦法可達到提高傳動精度和定位精度的目的 2 寬的進給調(diào)速范圍 伺服進給系統(tǒng)在承擔全部工作負載的條件下應具有很寬的調(diào)速范 圍 以適應各種工件材料尺寸和刀具等變化的需要工作進給速度范圍可到 36000mmmin 調(diào)速范圍 12021 為了完成精確定位伺服系統(tǒng)的 低速趨近速度達 01mmmin 為了縮短輔助時間提高加工效率快速移動 速度應高達 1 5mmin 3 響應速度快 所謂快速響應特性是指迸給系統(tǒng)對指令輸入信號的相應速度及瞬態(tài)過程 結(jié)束的迅速程度即跟蹤指令信號的響應要快定位速度和輪廓切削進給 速度要滿足要求工作臺應能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)靈敏而精確地跟蹤指令 進行單步或連續(xù)移動在運行時不出現(xiàn)丟步或多步現(xiàn)象進給系統(tǒng)響應速度 的大小不僅影 響機床的加工效率而且影響加工精度 4 無間隙傳動 進給系統(tǒng)的傳動間隙一般指反向間隙即反向死區(qū)誤差它存在于整個 傳動鏈的各傳動副中直接影響數(shù)控機床的加工精度 5 穩(wěn)定性好壽命長 穩(wěn)定性是伺服進給系統(tǒng)能夠正常工作的最基本條件特別是在低速進給 情況下不產(chǎn)生爬行并能適應外加負載的變化而不發(fā)生共振穩(wěn)定性與系 統(tǒng)的慣性剛性阻尼及增益等都有關(guān)系適當選擇各項參數(shù)并能達到最 佳的工作性能 6 使用維護方便 數(shù)控銑床是高精度自動控制機床主要用于單件中小批量高精度及 復雜間的生產(chǎn)加工機床的開機率相應就高因而進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計應便 于維 護和保養(yǎng)最大限度地減少維修工作量以提高機床的利用率 拆除銑床原有的手柄和滑動絲杠螺母副更換為滾珠絲杠副和減速齒輪 及交流伺服電機 進給系統(tǒng)計算設計 1 縱向 X 向設計計算 1 縱向 X 向進給系統(tǒng)概述 X5032 經(jīng)濟型數(shù)控改造縱向進給系統(tǒng)采用步進電機一級減速齒輪傳動帶動滾珠絲杠傳動并通過絲杠 螺母副帶動工作臺移動一般把步進電機安裝在縱向絲杠的右端如圖 普通機床通常采用滑動絲杠實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動到直線運動的轉(zhuǎn)換其精度相對較低摩擦因數(shù)大傳動效率低因此在要求較高的場合應將其更換為滾珠絲杠滾珠絲杠的傳動效率高無爬 行預緊后可消除反向間隙精度高因而在改造中得到了廣泛的使用 2 滾珠絲杠的工作原理及特點 滾珠絲杠螺母機構(gòu)是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置是數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動裝置如圖 在絲杠和螺母上分別加工出圓弧形螺旋槽這兩個圓弧形槽合起來便形成了螺旋滾道在滾道內(nèi)裝入滾珠當絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)時滾珠在螺旋滾道內(nèi)滾動迫使二者發(fā)生軸向相對位移為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來在螺母的螺旋槽兩端設有回程引導裝置使?jié)L珠能返回絲杠螺母之間構(gòu)成一個閉合回路由于滾珠的存在絲杠與螺母之間是滾動摩擦僅在滾珠之間存在滑動摩擦滾珠 絲杠螺母機構(gòu)具有下列特點 摩擦損失小傳動效率高滾珠絲杠螺母機構(gòu)的傳動效率可達 092096 是普通滑動絲杠螺母機構(gòu)的 34 倍而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅為滑動絲杠螺母機構(gòu)的 14 運動平穩(wěn)摩擦力小靈敏度高低速時無爬行由于主要存在的是滾動摩擦不僅動靜摩擦因數(shù)都很小且其差值很小因而起動轉(zhuǎn)矩小動作靈敏即使在低速情況下也不會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象 軸向剛度高反向定位精度高由于可以完全消除絲杠與螺母之間的間隙并可實現(xiàn)滾珠的預緊因而軸向剛度高反向時無空行程定位精度高 磨損小壽命長維護簡單使用壽命是普通滑動絲杠螺母機構(gòu)的 410 倍 傳動具有可逆性不能自 鎖由于摩擦因數(shù)小不能自鎖因而使該機構(gòu)的傳動具有可逆性即不僅可以把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動而且還可以把直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動由于不能自鎖在某些場合如傳動垂直運動時必須附加制動裝置或防止逆轉(zhuǎn)的裝置以免工作臺等因自重下降 同步性好用幾套相同的滾珠絲杠螺母機構(gòu)同時傳動幾個相同的部件或裝置時可獲得較好的同步性 有專業(yè)廠生產(chǎn)選用配套方便 3 滾珠絲杠螺母副軸向間隙的調(diào)整 現(xiàn)代數(shù)控機床廣泛采用施加預緊力來消除間隙提高傳動剛度這是伺服進給系統(tǒng)機械傳動機構(gòu)設計中突出的一點滾珠絲杠螺母軸向間隙通常是指絲杠和螺母無相對轉(zhuǎn)動時絲杠和 螺母之間的最大軸向竄動量除了結(jié)構(gòu)本身所有的游隙之外還包括施加軸向載荷后產(chǎn)生彈性變形所造成的軸向竄動量為了保證反向運動精度和軸向剛度必須消除軸向間隙 用預緊方法消除間隙時應注意預加載荷能夠有效的減少彈性變形所帶來的軸向位移但預緊力不宜過大過大的預緊載荷將在年國家摩擦力使傳動效率降低縮短絲杠的使用壽命所以一般需要經(jīng)過多次調(diào)整才能保證機床在最大軸向載荷下既消除了間隙又能靈活運轉(zhuǎn) 對于 x5032 銑床采用雙螺母墊片調(diào)隙式結(jié)構(gòu)如圖 通過調(diào)整墊片的厚度使左右螺母產(chǎn)生軸向位移就可達到消除間隙和產(chǎn)生預緊力的作用這種方法結(jié)構(gòu)簡 單剛性好裝卸方便可靠但缺點是調(diào)整費時很難在一次修磨中調(diào)整完成調(diào)整精度不高僅適用于一般精度的數(shù)控機床 4 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 普通機床的進給箱為齒輪箱齒輪箱傳動鏈長機構(gòu)復雜反向間隙累計增大大大降低了傳動精度進給箱部分的改造就是要取消元齒輪箱換為具有消隙裝置的一級減速機構(gòu)傳動副以減小傳動間隙提高精度 在機床改造中步進電動機與絲杠傳動副之間裝有減速機構(gòu)通過減速機構(gòu)可得到所需的脈沖當量和增大驅(qū)動力矩通常采用齒輪傳動或同步齒形帶傳動機構(gòu)齒輪減速機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單傳動功率大壽命長成本低所以在傳動功率要求較大的場合較多 采用 在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中當考慮慣量轉(zhuǎn)矩或脈沖當量的要求必須進行減速的情況下采用齒輪傳動而減速齒輪的齒側(cè)間隙使換向后的運動滯后于指令信號造成開環(huán)伺服進給系統(tǒng)的死區(qū)誤差影響定位精度因而在橫向和縱向進給機構(gòu)中采用雙片齒輪錯齒法 5 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 ① 銑削力的計算 考慮修正系數(shù) 式中σ b 的單位為 GPa 將相關(guān)參數(shù)代入 得 Fz 22242N 對硬質(zhì)合金端銑刀加工時作用于工件或工作臺上的各切削分力有 縱向分力 Px 0304Fz 取 Px 035 Pr 橫向分力 Py 085095 Fz 取 Py 09 Pr 垂直分力 Pz 05055 Fz 取 Pz 0525 Pr 于是得 Px 77847N Py 202178N Pz 116771N ② 計算進給牽引力 Fm X 向縱向進給為燕尾型導軌則 式中 PxPyPz 一銑削分力 N G 移動部件重量 考慮最大承載重量 200kg 導軌上的摩擦系數(shù) 02 K 考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù) K 14 則 Fm 14 7784702 1167712 202178420 98 29473N ③ 計算最 大動負載 C 選用滾珠絲桿副的直徑 do 時必須保證在一定軸向負載作用下絲桿在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn) 106轉(zhuǎn)后在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕的現(xiàn)象這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲桿能承受的最大動負載 C 可用下式計算 式中 L 滾珠絲杠的壽命以 106 轉(zhuǎn)為一單位 n 絲桿轉(zhuǎn)速 rpm 用下式計算 Vf 最大進給速度 mmin 取 Vf 392103ms L0 絲桿導程 mmL0 6mm 則代入得 n 392rpm T 滾珠絲杠的使用時間 h 對于數(shù)控機床 T 15000h 滾珠絲杠運轉(zhuǎn)系數(shù) 取 12 fh硬度系數(shù) 取 fh 11 ④滾珠絲桿螺母副的選 擇 根據(jù)最大動載荷 C 值選取 HJGS 系列 FYC2D400654 滾珠絲杠該滾珠絲杠副屬外循環(huán)雙螺母凸出式公稱直徑φ 40 導程 L0 6 103m 螺母上的負荷滾珠總?cè)?shù)為 5 圈精度為 4 級右旋螺紋其動載荷為 29126KN 遠 KN 故強度足夠用 ⑤ 傳動效率計算 式中γ螺旋升角 磨擦角滾珠絲杠的磨擦系數(shù) f 0003～ 0004 則Φ arctanf 10 ⑥ 剛度計算 滾珠絲杠受 Fm 及受到扭矩引起的導程變化量 在工作負載作用下引起每一導程的變化量 mm 工作負載 滾珠絲杠的導程 mm6103m E 材料彈性模數(shù)鋼 E 206106Ncm2 A 滾珠絲杠橫截面積按內(nèi)徑確定 mm2 用于拉伸 用于壓縮 外循環(huán)滾道圓弧半徑 R 052dq 滾珠直徑 dq 3969mm 滾珠絲杠副的接觸角 β 45176。公稱直徑 d0 40mm 滾道圓弧偏心距 001√ 2dq 絲杠小徑 d1 d02e2R 35984mm2 而滾珠絲杠橫截面積 絲杠承受轉(zhuǎn)矩 M Mji 192NM 所以 所以 絲杠 1 米長度上導程變形總誤差為 另外需要考慮到當工作臺橫向進給時在縱向上會有較大的切削分力作用到滾珠絲杠致使?jié)L珠絲杠發(fā)生變形此時 Fm 3778KN C 1636KN 于是可計算 1 米范圍內(nèi)絲杠的螺距誤差為△ 18um 經(jīng)查滾珠絲杠彈性變形允許的螺距誤差 1米得知選用 4F 級精度絲杠的螺距誤差 18umm 30umm 剛度足夠 ⑦滾珠絲杠的安裝 數(shù)控機床的進給要求獲得較高的傳動剛度除了加強滾珠絲杠螺母機構(gòu)本身的剛度外滾珠絲杠的正確安裝及其支承的結(jié)構(gòu)剛度也是不可忽視的因素滾珠絲杠螺母機構(gòu)安裝不正確以及支撐剛度不足也是不可忽視的因素滾珠絲杠螺母機構(gòu)安裝不正確以及支承剛度不足還會使?jié)L珠絲杠的使用壽命大大下降 滾珠絲杠的支撐方式有雙推 自由雙推 支承單推 單推雙推 雙推四種方式其中雙推支承方式兩方向的推力軸承 8206和 7206型向心角接觸球軸承裝在有右端另一端裝一個 7206 型向心角接觸球軸承避免或減少了絲杠因自重而造成的彎曲結(jié)構(gòu)也較為簡單對于 x5032 銑床的改造根據(jù)縱向裝置的具體情況選用此種支承方式 這種支承形式的特定是安裝時需保持螺母與兩端支承同軸故結(jié)構(gòu)較復雜工藝較困難這種形式的絲杠的軸向剛度和一端固定一端自由的支撐形式相同但壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速更高絲杠有熱膨脹的余地即絲杠固定端承受徑向力和兩個方向的軸向力而另一端只承受徑向力并能做微量軸向浮動 縱向進給裝置中滾珠絲杠與工作臺固定螺母與中拖板固定縱向進給時螺母不動絲杠轉(zhuǎn)動并移動在縱向滾珠絲杠螺母座的設計中關(guān)于螺母與螺母座的固定方案在不改動中拖板鑄件結(jié)構(gòu)的前提下比較了兩種方案方案一采用中拖板的原有凸座作為螺母座然而滾珠絲杠中雙螺母的連接要靠一個平鍵因此需要在螺母座上插一鍵槽由于加工此鍵槽的中拖板設計及制造較為困難此方案未予采用方案二將中拖板中的凸座銑掉另制造一個螺母座然后用螺釘及定位銷固定在中拖板上該方案較于方案一將會出現(xiàn)較大的同軸度誤差但采用適當?shù)墓に嚧胧┛梢越鉀Q工藝措施如下 將未鏜孔的螺母座用螺釘 緊固到中拖板上打上定位銷定位后鏜孔 取下鏜孔后的螺母座在插床上插出鍵槽 將螺母裝回機床 ⑧ 穩(wěn)定性校核 根據(jù)壓桿工作不失穩(wěn)的條件是 [nk] 254 而 其中 E 21106Ncm2L 絲杠工作長度 cm 取 L 445cm I 界面慣性矩 u 由支撐條件決定的軸端系數(shù)一端固