【導(dǎo)讀】工質(zhì)量,大幅度提高生產(chǎn)效率。本論文主要對數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)的機械部分這一課題。進行探討，文中詳細描述了數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)的設(shè)計方法,包括傳動系統(tǒng)總體設(shè)計，滾珠絲杠副的選擇，伺服電動機的選擇,精度和剛度驗算。同時運用軟件Solidworks做。出伺服進給系統(tǒng)的零部件，以及將各個零部件進行裝配，二維工程圖出圖。

　　

【正文】 ； SJ —— 絲桿的轉(zhuǎn)動慣量， 2mkg? ； TJ —— 工作臺與工件的轉(zhuǎn)動慣量， 2mkg? ； i—— 電機至絲杠的減速比。 計算角加速度 角加速度計算公式： 21m a x /r a 4000260 n2 st ????? ??? 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 ? ——角加速度， rad/s^2； maxn ——電機工作的最高轉(zhuǎn)速， r/min； t1——加速時間， s。 電機所需的加速扭矩 ? ? ? ? mNJJ mL ???????? ? 2a ? aT ——加速扭矩， mN? ； mJ ——電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量， 2mkg? 計算各種運動狀態(tài)下點檢所需要的驅(qū)動扭矩 加速運動狀態(tài)下的扭矩： mNmNTT aL ??????? K 等速運動狀態(tài)下的扭矩： mNT L ??? t 減速速運動狀態(tài)下的扭矩： mNmNTT aL ????? g 加速運動狀態(tài)下電機所需要的驅(qū)動扭矩 KT 最大，只要以這種情況下的最大驅(qū)動扭矩進行計算就可以了。 電機轉(zhuǎn)動慣量要求 慣量比 ? 應(yīng)滿足以下關(guān)系： 10?? mLJJ? ? ——慣量比； LJ ——折算到驅(qū)動電機上的總轉(zhuǎn)動慣量， 2mkg? ； mJ ——電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量， 2mkg? 。 根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)選用電機型號為松下 MSMA102P1H，參數(shù)如下： 額定轉(zhuǎn)速： 3000r/min 最高轉(zhuǎn)速： 6000r/min 額定轉(zhuǎn)矩： 最高轉(zhuǎn)矩： 額定輸出功率： 3kw 慣量比： 30 倍以下 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 滾珠絲杠副的支承的設(shè)計 滾珠絲杠副的支承為了獲得高精度、高剛度的進給系統(tǒng)，不僅應(yīng)選用高精度、高剛度的滾珠絲杠副，而且必須十分重視滾珠絲杠支承的設(shè)計。我們選擇的支撐結(jié)構(gòu)形式選用一端固定一端游動的方式，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性低，設(shè)計時盡量使絲桿受拉伸。 自由端的軸承主要承受徑向的載荷，軸向的載荷的載荷很小，在這里我們預(yù)選角接觸球軸承 B6901ZZ 來計算。 已知徑向負載 ，軸向負載 50N，額定轉(zhuǎn)速 3000r/min，計算公式為 arr YFXFP ?? （ ） rP ——軸承負載，動態(tài)等效負載， N； rF ——徑向負載， N； aF ——軸向負載， N； X、 Y——系數(shù)。 軸向負載比為 ，查表得 e值為 ， ??? raFFe，所以 X=1， Y=0，NP r ??? ，再由基本額定壽命計算公式： 2 4 2 9 3 h= 2 2 32 0 0 0 03 0 0 060 106010 3636 ????????????????????rrh PCnL hL ——基本額定壽命， h； rC ——基本動態(tài)額定負載； rP ——軸承負載，動態(tài)等效負載， N； n——轉(zhuǎn)速， r/min。 壽命計算大于一般數(shù)控機床的使用壽命標準時間 20200h，符合條件。 固定端采用雙列角接觸球軸承，能承受較大的徑向負荷為主的徑向和軸向聯(lián)合負荷和力矩負荷，限制軸的兩方面的軸向位移。在這里我們預(yù)選角接觸球軸承 B51101 來計算。 已知徑向負載 ，軸向負載 50N，額定轉(zhuǎn)速 3000r/min， ??15? ，雙列軸承計算公式為 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 ar YFXFP ??r rP ——軸承負載，動態(tài)等效負載， N； rF ——徑向負載， N； aF ——軸向負載， N； X、 Y——系數(shù)。 軸向負載比為 ，查表得 e值為 ， ??? raFFe，所以 X=1， Y=，NP r 2 8 2 2 31 ????? ，再由基本額定壽命計算公式： 2 0 8 9 5 h= 2 8 62 0 0 0 03 0 0 060 106010 3636 ????????????????????rrh PCnL hL ——基本額定壽命， h； rC ——基本動態(tài)額定負載； rP ——軸承負載，動態(tài)等效負載， N； n——轉(zhuǎn)速， r/min。 壽命計算大于一般數(shù)控機床的使用壽命標準時間 20200h，符合條件。 同步齒輪帶傳動的設(shè)計 同步齒輪帶傳動是一種新型的帶傳動，它利用齒輪帶的齒形和帶輪的輪齒依次相嚙合傳遞運動或動力，因而兼有帶傳動、齒輪傳動鏈傳動的優(yōu)點：無相對滑動，平均傳動比準確，傳動精度高。而且齒形帶的強度高，厚度小，重量輕，故可用于高速傳動；齒形帶無需特別張緊，故作用在軸、軸承等上的載荷小，傳動效率高。因此齒形帶傳動在數(shù)控車床上有廣泛的應(yīng)用。 與同步齒輪帶配套的同步帶輪選用 MISUMI的 HTLA72S3M100E25，齒距是 3mm，帶輪的安裝直徑是 ，電機輸出軸與絲桿的中心距是 205mm。計算得出所需同步齒輪帶周長為 6 2 5 . 8 7 5 m m=2 0 5 m m2+4 8 . 7 5 m m3 . 1 4=L ?? 。選用 MISUMI 的HTUN625 S3M100，周長 625mm，齒距 3mm，皮帶寬度 10mm。 導(dǎo)軌的選擇 滑動導(dǎo)軌覺有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優(yōu)點，是機床使用最廣泛的導(dǎo)軌形式。但普通的鑄鐵 鑄鐵導(dǎo)軌，存在靜摩擦因數(shù)大，且動摩擦因數(shù)隨速度變化沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 而變化，摩擦損失大。為改善這些性質(zhì)，采用適當?shù)臒崽幚矸椒ê图庸し椒ǎ绮捎脙?yōu)質(zhì)鑄鐵，合金耐磨鑄鐵，進行導(dǎo)軌 表面滾軋強化，表面淬硬等工藝。 導(dǎo)軌上的摩擦面積為 21 =A ，作用于導(dǎo)軌面上的正壓力 =F1 。 180. 11 m122 3. 04NAFp 211 ??? 結(jié)果小于灰鑄鐵承受最大極限。 車床導(dǎo)軌的卸荷因數(shù)，是由卸荷裝置承受的荷載 一般地說，卸荷量過小，導(dǎo)軌壓強仍然大，則運動阻力大，導(dǎo)軌磨損也大；但卸荷量過大，當外加荷載小時，會使運動部件飄浮，降低了加工精度。為了保證機床定位精度，卸荷后的導(dǎo)軌平均壓強不應(yīng)過小。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 4 數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng) Z 軸選型 滾珠絲桿機構(gòu)的計算選型 載荷的確定 載荷確定由 solidworks 重量計算功能確定，如下圖 所示 W=* 圖 x軸重量的確定 查常用材料的摩擦系數(shù)，鑄鐵 鑄鐵在有潤滑的靜摩擦系數(shù)是 ，導(dǎo)軌接觸面的摩擦阻力 ??? 精度等級選定 根據(jù)滾珠絲杠機構(gòu)在具體使用場合所需要提供的定位精度（允許誤差）。按照其具體長度，對照不同等級滾珠絲杠機構(gòu)所對應(yīng)的導(dǎo)程累積誤差表。判定選擇軋制滾珠絲杠還是磨制滾珠絲杠，選擇能滿足定位精度的最低等級，也就是選用最經(jīng)濟的精度等級。 滾珠絲杠機構(gòu)的精度應(yīng)根據(jù)實際要求來選用，不要盲目地選用過高的精度，使用軋制滾珠絲杠能夠滿足使用要求時就不必使用磨制滾珠絲杠。因為精度等級越高，制造成沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 本也越高。價格越貴，應(yīng)盡可能選用價格低廉的軋制滾珠絲杠，以降低設(shè)備制造成本。通常情況下各種典型設(shè)備所選用的精度參考等級下圖 所示。 圖 精度等級確定 X 軸需要滿足的定位精度是 ，我們選擇 THK 公司精度等級為 C2的磨制滾珠絲桿，器導(dǎo)程誤差范圍 0mm0 .0 0 7 m m /3 0e ?? 。 導(dǎo)程的計算和選定 導(dǎo)程表示絲杠轉(zhuǎn)動一周時螺母沿軸向移動的距離，單位： mm。 導(dǎo)程的計算與驅(qū)動電機是否帶減速器有關(guān)，下面以典型的安裝情況 電機帶減速器通過彈性聯(lián)軸器與絲杠連接（即直聯(lián)）的情況為例，說明導(dǎo)程的具體計算方法。假設(shè)電機所帶減速器的減速比為 i。 根據(jù)導(dǎo)程的定義，電機所需要的轉(zhuǎn)速 Nm、與最大進給速度 Vmax、絲杠導(dǎo)程 Pb、減速比 i 之間的關(guān)系為 iP6010VNb3m a xm ??? （ ） 其中 Vmax，單位 m/s。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 在 Z 軸中，最大進給速度是 ，選用電機的額定轉(zhuǎn)速 Nm=3000r/min，使用聯(lián)軸器直聯(lián)傳動，傳動比 i=1 )mm(41300 0 6010VP 3m 3m a xb ???????? 根據(jù)計算結(jié)果，需要選用 4mm或更大導(dǎo)程的滾珠絲桿。 絲桿支承方式選定 絲桿支承方式主要根據(jù)絲桿長度、轉(zhuǎn)速、定位精度來選定，在絲桿長度較短、轉(zhuǎn)速較低尤其是垂直提升負載的場合則可以選用一端固定一端自由的簡單安裝方式，我們選用這種方式。 絲桿外徑選定及校核 間隙絲杠外徑主要按以下條件來進行初選： ①在按定位精度選定的滾珠絲杠系列（磨制滾珠絲杠或軋制滾珠絲杠）中選定， ②在相應(yīng)的精度等級及絲杠長度下，絲杠外徑的大小必須滿足所要求的軸向 ③在標準的導(dǎo)程 絲杠外徑組合中選定絲杠外徑。 現(xiàn)初選外徑為 50mm,型號為 FFZD50063. 計算最大軸向載荷 在一定的絲杠外徑下，絲杠有可能無法承受使用條件下的最大軸向載荷而發(fā)生彎曲，因此還必須對初選的絲杠外徑進行軸向允許載荷校核，使絲杠直徑具有足夠的剛度，保證在最大軸向載荷下絲杠不會發(fā)生彎曲變形。因此首先要計算最大軸向載荷。 計算最大軸向載荷的另一作用為：軸向載荷是汁算扭矩載荷的基礎(chǔ)，只有計算出軸向載荷后才能計算扭矩載荷，而扭矩載荷是進行電機選型的重要依據(jù)。 根據(jù)力學(xué)原理，可知各種工作情況下的軸向載荷最大是加速前進時，此時 220. 154 0. 0 29. 854 0. 0 40. 00 3mafmgF ??????????? ? m——負載滑塊的質(zhì)量， kg； a——負載滑塊運動的加速度， m/s^2； ? ——直線導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)，取 ； f——導(dǎo)軌無載荷時的運動阻力， N。 軸向允許載荷計算 計算出最大軸向載荷后，就可以直接進行軸向允許載荷計算及校核了，校核的原則為：在最大軸向載荷作用下絲杠不會發(fā)生彎曲；在最大軸向載荷作用下絲杠不會發(fā)生屈沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 服。 ① 絲杠在不發(fā)生彎曲的前提 下所允許的最大軸向載荷計算 這種軸向允許載荷與絲杠安裝方法、絲杠安裝間距、絲杠溝槽最小直徑等因素有關(guān)，計算公式為： N5 7 8 7N10009 424424r21 ??????? ? 1P ——最大軸向允許載荷， N； L——絲桿安裝間距， mm； dr——絲桿溝槽最小直徑， mm； 2? ——與安裝方式有關(guān)的系數(shù)，取 ； ②絲杠在不發(fā)生屈服前提下的最大允許軸向載荷計算 絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向拉伸或壓縮載荷按以下公式計算； N7 2 5 0 0N251 1 6Nd4P 22r2 ?????? ?? 2P ——最大軸向允許載荷， N； dr——絲桿溝槽最小直徑， mm； ? ——絲杠材料的允許拉伸壓縮應(yīng)力（通常情況下為 147 N/mm^2）。 計算所得最大軸向載荷均遠遠小于兩個軸向允許載荷。 絲杠允許轉(zhuǎn)速計算及校核 絲杠允許轉(zhuǎn)速必須滿足兩個條件：絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過臨界轉(zhuǎn)速；絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過 DN 值。 ①臨界轉(zhuǎn)速計算 選定絲杠外徑除需要進行彎曲及屈服校核外，還必須保證絲杠在不發(fā)生共振的前提下使用。隨著絲杠轉(zhuǎn)速的提高，逐漸接近絲杠固有頻率時，滾珠絲杠機構(gòu)會發(fā)生共振而不能使用。該固有頻率與絲杠的個臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)，而絲杠的外徑與此固有頻率密切相關(guān)，因此需要進行校核，確保絲杠在固有頻率（臨界轉(zhuǎn)速）以下運行，即絲杠最高轉(zhuǎn)速不能超過其臨界轉(zhuǎn)速。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 臨界轉(zhuǎn)速的計算公式為： m in/r3 2 5 3221 ????? A J?? ? 1n —— 臨界轉(zhuǎn)速， r/min； E—— 楊氏彈性模量（通常情況下絲杠材料的 25 / mm?? ）； J—— 絲桿斷面與轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)的參數(shù)， 44 mm64 ，rdJ ?? ? —— 絲杠材料的密度（ 36 / mm? ）； A—— 絲杠溝槽最小直徑所在剖面的面積， 22rd4A mm??； ? —— 與安裝方式有關(guān)的系數(shù)，取 ； ② DN 值 絲杠允許轉(zhuǎn)速除不得超過臨界轉(zhuǎn)速外，還必須不超過 DN 允許值 所謂 DN 值是指絲杠公稱直徑（即滾珠中心位置所在圓的直徑） D 與絲杠轉(zhuǎn)速 N 的乘積。絲杠轉(zhuǎn)速 N 增大時，絲杠公稱直徑必須減小，絲杠公稱直徑太小又會造成系統(tǒng)剛性差、易變形、影響加工精度等問題。此外，過度提高絲杠的轉(zhuǎn)速 N 還會引起絲杠發(fā)熱、機構(gòu)共振等問題，國際上一般 DN≤ 70000100000，少數(shù)制造商（例如口本 NSK 公司、德國 Bosch 公司）已將 DN 值提高到 150000。具體大小參照制造商提供的數(shù)據(jù)，通常的設(shè)計規(guī)范為： 磨制滾珠絲杠及軋制大導(dǎo)程滾珠絲杠： DN≤ 70000 軋制滾珠絲杠： DN≤ 50000 壽命計 算及校核 即使是合理地