【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 64 頁 共 64 頁4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)。直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性將在控制系統(tǒng)中造成誤差。(b) 低速時(shí)，控制電壓數(shù)值很小，電刷和換向器之間的接觸壓降不穩(wěn)定性的影響將增大，故導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定性增加。但是實(shí)際上，當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在幾轉(zhuǎn)每分到幾十轉(zhuǎn)每分的范圍內(nèi)時(shí)，其轉(zhuǎn)速就不均勻，就會(huì)出現(xiàn)一周內(nèi)時(shí)快、時(shí)慢，甚至?xí)和Ｒ幌碌默F(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為直流伺服電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。（如圖319所示）。這是因?yàn)?，在不同轉(zhuǎn)速時(shí)，由于阻轉(zhuǎn)矩Ts不同，相應(yīng)的電樞電流Ia=Ts/(CTΦ)也不同。（如圖 318所示）。例如當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由空氣摩擦造成的阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，則轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增加而增加，并且轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)矩增加得越快。（如圖31317所示）。 由式： 始動(dòng)電壓——Ua0，是電動(dòng)機(jī)處于待動(dòng)而未動(dòng)這種臨界狀態(tài)時(shí)的控制電壓。 （1）負(fù)載為常數(shù)時(shí)的調(diào)節(jié)特性 電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要是動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩TL加上電機(jī)本身的阻轉(zhuǎn)矩T0， 所以電動(dòng)機(jī)的總阻轉(zhuǎn)矩Ts=TL+T0。也就是要知道，電動(dòng)機(jī)在帶了負(fù)載以后，加多大的控制信號(hào)，電動(dòng)機(jī)能轉(zhuǎn)動(dòng)起來；加上某一大小的控制信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為多少。如圖315。圖314 PWM直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)：（a）二極管為續(xù)流二極管，當(dāng)K斷開時(shí)，由于電感L的存在,電動(dòng)機(jī)的電樞電流I可通過它形成回路而連續(xù)流動(dòng)，因此，盡管電壓成脈動(dòng)狀，而電流還是連續(xù)的。在一個(gè)周期T內(nèi)，閉合的時(shí)間是t，開斷的時(shí)間是Tt，若外加電源電壓U為常數(shù)，則電源加到電動(dòng)機(jī)電樞上的電壓波形將是一個(gè)方波列，其高度為U，寬度為t，則一個(gè)周期內(nèi)電壓的平均值為 ：導(dǎo)通率（占空系數(shù)）當(dāng)T不變時(shí)，只要連續(xù)地改變，就可以聯(lián)續(xù)地使Ua由0變化到U，從而達(dá)到連續(xù)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 圖313 SCR時(shí)電壓電流的波形 （2）脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)(PWM) 脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理：當(dāng)輸入一個(gè)直流控制電壓U時(shí)就可得到一定寬度與U成比例的脈沖方波來給伺服電動(dòng)機(jī)電樞回路供電，通過改變脈沖寬度來改變電樞回路的平均電壓，從而得到不同大小的電壓值Ua，使直流電動(dòng)機(jī)平滑調(diào)速。 晶閘管直流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：由于晶閘本身的工作原理和電源的特點(diǎn)，導(dǎo)通后是利用交流(50Hz)過零來關(guān)閉的，因此，在低整流電壓時(shí)，其輸出時(shí)很小的尖峰值的平均值從而造成電流的不連續(xù)性。直流電動(dòng)機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)方式：（1）晶閘管直流驅(qū)動(dòng)方式(SCR)（2） 脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)(PWM)。 表312 滾珠絲桿螺母副安裝連接尺寸滾珠絲桿副型號(hào)名義直徑 螺 距滾珠直徑滾道半徑偏心距絲桿外徑螺母凸緣外徑螺釘中心圓直徑螺母凸緣厚度墊片厚度有襯套無襯套有襯套無襯套/in/mmD0 t d0 R e dD3D3， D4D4， TΔ WD4006 40 6 39102928676125螺旋升角螺釘尺寸螺釘個(gè)數(shù)螺母配合外徑襯套配合外徑螺母裝配總長(zhǎng)度 L額定動(dòng)載荷 C/N額定動(dòng)載荷 C0/N滾珠絲桿副型號(hào)λ M aDD， 每1列 每1列WD40062。（d）剛度驗(yàn)算（e）壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 以上所有沒有作出詳細(xì)驗(yàn)算和校核過程的，在初稿上已經(jīng)經(jīng)校核都是符合所選的滾珠絲桿副的要求。 表311 滾珠絲桿副的特征代號(hào)序號(hào) 特 征 代 號(hào) 1 鋼球 循環(huán) 方式 外循環(huán) 插管式 C 2 預(yù)緊 方式 雙螺母 墊片式 D 3 結(jié)構(gòu) 特征 導(dǎo)珠桿埋入式 M 4 螺紋 方向 右旋 5 負(fù)荷 鋼球 圈數(shù) 6 類型 傳動(dòng)滾珠絲桿副（與旋轉(zhuǎn)角度無關(guān)，用于傳遞動(dòng)力的滾珠絲桿副） T 7 精度 等級(jí) 3 32) 滾珠絲桿螺母副的型號(hào)選擇及校核步驟（a）最大工作載荷計(jì)算 （b）最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸初選（c）傳動(dòng)效率計(jì)算滾珠絲桿螺母副的傳動(dòng)效率η為 …………………………（3134）式中：λ為絲桿螺旋升角，可據(jù)初選型號(hào)查出；ψ為摩擦角，滾珠絲桿副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=～，其摩擦角約等于10ˊ。本次所設(shè)計(jì)的機(jī)床是數(shù)控機(jī)床，所以選用的精度等級(jí)還是很高的，是3級(jí)。精度等級(jí),絲桿副按其使用范圍及要求分為7個(gè)精度等級(jí)，即1，2，3，4，5，7，及10七個(gè)精度等級(jí)，1級(jí)精度最高，其余依次逐級(jí)降低，一般選取4級(jí)～7級(jí)，數(shù)控車床及精密機(jī)械可選用2級(jí)～3級(jí)。它按承載能力選取，并與進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量的要求有關(guān)?；緦?dǎo)程（螺距）L0,絲桿相對(duì)于螺母旋轉(zhuǎn)2Лrad時(shí)，螺母的軸向位移。數(shù)控機(jī)床常用進(jìn)給絲桿的公稱直徑dm為Φ30mm至Φ80mm。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，剛度高；但調(diào)整不便，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動(dòng)。通常，滾珠絲桿在出廠時(shí)，就已經(jīng)由制造廠調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲桿副的額定動(dòng)載荷有一定的比例關(guān)系。預(yù)緊后的剛度可提高到為無預(yù)緊時(shí)的2倍。為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預(yù)加載荷，使它在過盈的條件下工作，稱為預(yù)緊。種類很多。鋼珠每一個(gè)循環(huán)閉路稱為列。根據(jù)回珠方式可分兩類：內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。滾珠絲桿副的類別主要從三個(gè)方面考慮：循環(huán)方式、循環(huán)列數(shù)與圈數(shù)、預(yù)緊方式。 這些比如：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算的基本公式、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算、滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js折算、工作臺(tái)質(zhì)量折算和傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算可見相關(guān)的參考書，在這里就不作詳細(xì)的說明與計(jì)算了。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸的同軸線，還成在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算問題。2)傳動(dòng)比的選定對(duì)步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)脈沖當(dāng)量δp（mm/脈沖）確定，并且滾珠絲桿導(dǎo)程L0（mm）和電機(jī)步距角θb（℃/脈沖）都也已初步選定后，則可用下式來計(jì)算，該軸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比： ………………………（3133）盡可能使i=1，這時(shí)可使步進(jìn)電機(jī)直接與絲桿聯(lián)結(jié)，有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度，所以i=，取θb=。伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，每個(gè)脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角。1)脈沖當(dāng)量的選定傳感器與電機(jī)軸相連，用來檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，并把它們轉(zhuǎn)換為電信號(hào)反饋給數(shù)控裝置。4） 箱體在床身上的定位和固 (1)脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定機(jī)械系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)通常由設(shè)計(jì)任務(wù)書或由產(chǎn)品樣本給出，一般包含功能參數(shù)和精度參數(shù)兩部分。為彌補(bǔ)因開孔而削弱的剛度，常用凸緣和加強(qiáng)筋。2)砂型鑄造時(shí)，箱體鑄件的最小壁厚如表310所示。（4）箱體設(shè)計(jì)的其他問題1) 箱體材料經(jīng)中等強(qiáng)度的灰鑄鐵HT15—33和HT20—40用得最為廣泛。以箱蓋為例：本次設(shè)計(jì)采用的箱蓋結(jié)構(gòu)為：箱蓋尺寸稍大，箱蓋平整。手柄端部可裝上帶色的塑料手柄，以引人注意，此外還要求手感舒適，色質(zhì)柔和，不宜過多地鍍亮鉻。造型效果是：構(gòu)圖的疏密對(duì)比和均衡穩(wěn)定均好，并可獲得生動(dòng)活潑的視覺效果。在布局中，操作件要盡可能集中而又便于操作。本次設(shè)計(jì)就采用的這種方法。常用的輪廓比例有均方根比例、黃金分割比例和黃金率矩形等?，F(xiàn)結(jié)合車床主軸變速箱的造型設(shè)計(jì)及采用的基本方法與技巧，作一簡(jiǎn)單介紹。造型設(shè)計(jì)的順序要同整個(gè)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)程相協(xié)調(diào)。機(jī)床上常用圓形油標(biāo)和油窗。本次設(shè)計(jì)中所選項(xiàng)的六角螺塞型號(hào)為：螺塞M8IQ/ZB22077。2） 油池和放油孔、油塞內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)中，變速箱就是油池，因此箱體設(shè)計(jì)時(shí)要保證有足夠的儲(chǔ)油容積和適當(dāng)?shù)挠兔娓叨?，靠近箱底的位置上?yīng)設(shè)有放油孔，箱面底向放油孔傾斜，以便能放凈積油。主軸軸承用角接觸軸承時(shí)，注意軸承的泵油效應(yīng)。用于一切轉(zhuǎn)速。在箱外也應(yīng)有相應(yīng)的密封裝置，防止灰塵或冷卻液進(jìn)入脂內(nèi)。潤(rùn)滑脂用于變速、變載、不需冷卻或用油不便的場(chǎng)合，特別是中及低速的傳動(dòng)件、外露的齒輪、不易密封的立式主軸等。其他(潤(rùn)滑劑的選擇和注意點(diǎn)) 根據(jù)滾動(dòng)軸承的速度、載荷和工作條件，選擇脂或油。 V=（3～7） =～ （升）（3） 油管的選擇與計(jì)算油管內(nèi)徑的計(jì)算： mm …………………………………（3129）其中：Q——流量（l/min） v——管內(nèi)油的流速（m/s） 推薦數(shù)據(jù)如表39所示管材為:鋼、銅、鋁、橡膠、尼龍。壓力循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)的一些計(jì)算（1） 潤(rùn)滑油量油量: …………（3126） 油量粗算: L/min ………………………………………（3127） 式中:N——額定功率； ——機(jī)床效率。3）箱內(nèi)循環(huán)潤(rùn)滑特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布置緊湊。濺油件外緣至池底深度：H≥30～60mm。濺油輪應(yīng)安裝在變速箱內(nèi)接近油面、轉(zhuǎn)速不變或變化范圍較小的軸上，為了獲得良好的潤(rùn)滑效果，濺油輪最合適的圓周速度為：v=3～，浸入油面的深度以12～25mm為宜。由于本次設(shè)計(jì)采用的是操機(jī)構(gòu)是電磁離合器，沒有撥叉，因此在此不作詳述。它的選擇和設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)床的構(gòu)造和性能的發(fā)揮有著直接影響。5)它：使箱體截面尺寸緊湊、比例協(xié)調(diào)，各操縱機(jī)構(gòu)安排得當(dāng)?shù)鹊取?)裝有潤(rùn)滑油泵的軸：要有足夠的空間安裝潤(rùn)滑油泵，其高度要便于油泵吸油和排油，并便于裝卸和調(diào)整油泵，裝有濺油輪或?yàn)R油齒輪的軸應(yīng)注意圓周速度和浸入油面的深度。中間各傳動(dòng)軸的位置主軸和Ⅰ軸位置既定，中間各傳動(dòng)軸位置即可按傳動(dòng)順序進(jìn)行安排，應(yīng)考慮滿足以下要求：1)裝有離合器的軸：要便于裝調(diào)、維修和潤(rùn)滑?；剞D(zhuǎn)軸的軸向定位本次設(shè)計(jì)采用的是：兩端均用軸承蓋、調(diào)節(jié)螺釘定位?；剞D(zhuǎn)軸的軸向定位（包括軸承在軸上定位和在箱體孔中定位）在選擇定位方式時(shí)應(yīng)注意：。(4)軸的軸向定位傳動(dòng)軸必須在箱體內(nèi)保持準(zhǔn)確位置，才能保證裝在軸上各傳動(dòng)件的位置的確性，不論軸是否轉(zhuǎn)動(dòng)，是否受軸向力，都必須有周向定位。一般傳動(dòng)軸上軸承選用G級(jí)精度。兩孔間的最小間隙壁厚，不得小于5～10 mm，以免加工時(shí)孔變形。本次設(shè)計(jì)中，由于是支承跨距長(zhǎng)的箱體，要從兩邊同時(shí)進(jìn)行加工，具體的參考圖見參考書曹金榜主編的《機(jī)床主軸變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)》。在箱外調(diào)整好鏜刀尺寸，可以提高生產(chǎn)率和加工精度。同一軸心線的箱體支承直徑安排要充分考慮鏜孔工藝。所以，在沒有軸向力時(shí)，也常采用這種軸承。因此，球軸承用得更多。在溫升空載功率和噪聲等方面，球軸承優(yōu)越。一般的尺寸花鍵的滾刀直徑D刀為65～85 mm。這是加工的過渡部分?；ㄦI軸承載能力高，加工和裝配也比帶單鍵的光軸方便。如橈度和傾角過大，將使齒輪嚙合不良，軸承工作條件惡化，使振動(dòng)、噪聲、空載功率、磨損和發(fā)熱增大，兩中心線誤差和軸心線間的平行度等裝配及加工誤差也會(huì)引起上述問題。傳動(dòng)軸應(yīng)保證這些傳動(dòng)件或機(jī)構(gòu)能正常工作。b）隔套定位說明及特點(diǎn)： 用隔套將各傳動(dòng)件在軸向固定、裝配方便，有利于軸的剛度。(6)齒輪的軸向定位要保證正確的嚙合，齒輪在軸上的位置應(yīng)該可靠。但在本次設(shè)計(jì)中用到的是：鍵連接平鍵拼裝，軸向定位用彈簧擋圈。(5)組合齒輪齒輪磨齒時(shí)，要求較大的空刀（砂輪）距離，因此多聯(lián)齒輪不便于做成整體的，一般都做成組合的齒輪塊。 部分用于安裝撥動(dòng)齒輪的滑塊，一般?。罕敬卧O(shè)計(jì)中選用的是：選擇齒輪塊的結(jié)構(gòu)要考慮毛坯形式（棒料、自由鍛或模鍛）和機(jī)械加工時(shí)的安裝和定位基面。同樣為了布置幾制造的方便，所有的齒寬在滿足公式的前提下選b為： b=20 mm(4）其他問題 滑移齒輪進(jìn)出嚙合的一端要圓齒，有規(guī)定的形狀和尺寸，如圖38所示。由于本次設(shè)計(jì)中m分別為2mm，3mm。齒輪模數(shù)m小，裝在軸的中部或者是單片齒輪，去大值。一般b?。?～10）m。為了布置與作圖的方便，本次設(shè)計(jì)中所選的空刀槽 bk=10 mmb)齒寬 b齒寬影響齒的強(qiáng)度。機(jī)床主軸變速箱中齒輪齒部一般都需要淬火。6級(jí)精度齒輪，用精密滾齒機(jī)可以達(dá)到。但淬火后，由于變形，精度將下降。8級(jí)精度齒輪，一般滾齒或插齒就可以達(dá)到。主傳動(dòng)齒輪選用的是： 766。如果噪聲要求很嚴(yán)，或一些關(guān)鍵齒輪，就應(yīng)選655。為了控制噪聲，機(jī)床上主傳動(dòng)齒輪都選用較高的精度。直齒齒輪的精度選擇推薦如表38所示。它的精度的選擇決定于圓周速度。輪塊的結(jié)構(gòu)形式很多，取決下列有關(guān)因素：是固定齒輪還是滑移齒輪；移動(dòng)滑移齒輪的方法；齒輪精度和加工方法。同時(shí)由于齒輪制造及安裝誤差等，不可避免要產(chǎn)生動(dòng)載荷而引起振動(dòng)和噪聲，常成為變速箱的主要噪聲源，并不影響主軸回