【正文】 步五相二十拍時其步距角為 036176。 cm2 261102NM2 工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量預(yù)選步進(jìn)電機(jī) J130BYG3H840A 步距角φ 072176。 cm2 Z1 普通齒輪 078 103 7854210 4 0975 kg cm2 Js 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 kg cm2 J2 雙片齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 kg公稱直徑 d0 32mm 滾道圓弧偏心距 001√ 2dq 絲杠 小徑 d1 d02e2R 27984mm2 而滾珠絲杠橫截面積 絲杠承受轉(zhuǎn)矩 M Mji 142NM 所以 所以 絲杠 1 米長度上導(dǎo)程變形總誤差為 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 1802umm 30umm 剛度足夠 7 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)一端固定一端自由此處 u 2 則 I 1645cm4 Pk 273103 KN nk 273227855 1197 [ nk ] 254 所以 X 向滾珠絲杠穩(wěn)定性足夠 8 齒輪傳動比計(jì)算 橫向進(jìn)給齒輪傳動比計(jì)算 式中 δ p 脈沖當(dāng)量 δ p 0005mmstep Lo 滾珠絲桿導(dǎo)程 Lo 6mm 步進(jìn)電機(jī)步距角 072o 可取齒輪齒數(shù) Z1 25Z2 50 齒輪 Z2 為雙片齒輪 模數(shù) m 取 2 壓力角 а 20176。步五相二十拍時其步距角為 036176。 cm2 261102NM2 工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量預(yù)選步進(jìn)電機(jī) J130BYG3H840C 步距角φ 072176。cm2 15310 2NM2 普通齒輪 078 103 78 54 2 104 0975 kg cm2 參考同類型機(jī)床初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 150BF 其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為 Jm 10kg cm2 J1 普通齒輪 Z2 的轉(zhuǎn)動慣量 kg齒輪寬度 b 20mm 有關(guān)齒輪的參數(shù)如下表所示 齒輪傳動比參數(shù) mm 齒數(shù) 25 50 分度圓 d mz 50 100 齒頂圓 Da d2m 54 104 齒根圓 Df d2 125 475 975 齒寬 610 m 20 20 中心距 A d1d2 2 75 7 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 ⑴ 等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算 式中 JM 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)動慣量 kgmzk 其中 p 一步距角 m 一定子繞組相數(shù)通常有由三相四相五相等 z 轉(zhuǎn)子齒數(shù) K與通電方式有關(guān)的系數(shù) k 拍數(shù)／相數(shù) 2 步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖個數(shù)嚴(yán)格的成正比例控制輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖個數(shù)就能控制位移量 3 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比控制脈沖 頻率就能調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 其中 n轉(zhuǎn)速 rmin f 控制脈沖頻率 Hz 步距角度數(shù) 4 改變通電相序即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)向 2． 2． 2． 2 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成 如圖 25 是步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及原理框圖它由脈沖信號源脈沖分配器功率放大器步進(jìn)電機(jī)組成 脈沖信號源 是一個脈沖發(fā)生器脈沖的頻率可以連續(xù)調(diào)整送出的脈沖個數(shù)和脈沖頻率由控制信引空制在 CNC 系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)根據(jù)程序控制脈沖個數(shù)和脈沖頻率對步進(jìn)電機(jī)實(shí)行各種運(yùn)行狀態(tài)的控制 脈沖分配器 一方面接受輸入脈沖和方向指令另一方面面向功率 驅(qū)動器供給控制信號在方向指令的作用下脈沖分配器將輸入 cP 脈沖信號按～定順序分配然后送到驅(qū)動器進(jìn)行功率放大驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)使其轉(zhuǎn)子按順時針或逆時針方向轉(zhuǎn)動 功率驅(qū)動器 是一功率開關(guān)電路其作用就是將從脈沖分配器送來的弱電信號經(jīng)功率放大控制步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)繞組電流按一定的順序切換步進(jìn)電機(jī)按要求運(yùn)轉(zhuǎn) 步進(jìn)電機(jī)是拖動負(fù)載的執(zhí)行元件 2． 2． 3 數(shù)控機(jī)床開環(huán)系統(tǒng)速度計(jì)算 在開環(huán)系統(tǒng)中坐標(biāo)軸運(yùn)動速度是通過控制向步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)每發(fā)出一個脈沖步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個角度從而驅(qū)動坐標(biāo)軸移動～定距離即脈沖當(dāng)量 δ mm 插 補(bǔ)程序根據(jù)零件輪廓要求向各個坐標(biāo)軸分配脈沖提供位置指令而脈沖發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)的頻率則確定了進(jìn)給速度進(jìn)給速度 V 與脈沖發(fā)送頻率 f 有如下關(guān)系 V 60δf mmmin δf 10 3 ms 其中 V進(jìn)給速度 ms f脈沖發(fā)送頻率 Hz δ 脈沖當(dāng)量 mm 第三章 機(jī)械傳動系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 在機(jī)床數(shù)控化改造中很重要的工作之一便是進(jìn)行機(jī)械傳動系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)這里所提到的機(jī)械傳動系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比除要求有較高的定位精度外還應(yīng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性就是說響應(yīng)要快穩(wěn)定性要好為此在設(shè)計(jì)中常提出無間 隙低摩擦．低慣量高剛度高諧振頻率適當(dāng)?shù)淖枘岜纫? 機(jī)械系統(tǒng)一般由減速裝置絲杠螺母副蝸輪蝸桿副等各種線性傳動部件以及連桿機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)等非線性傳動部件導(dǎo)向支承件旋轉(zhuǎn)支承件軸系及架體等機(jī)構(gòu)組成常用的機(jī)械傳動部件有螺旋傳動齒輪傳動同步帶高速帶以及各種非線性傳動部件等 3． 1 機(jī)械傳動系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案 3． 1． 1 改造設(shè)計(jì)任務(wù) 將一臺 X5032 普通立式銑床對其進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造成為用以實(shí)現(xiàn)平面凸輪溝槽圓弧槽等復(fù)雜零件的自動銑削加工的數(shù)控銑床 總體方案設(shè)計(jì)的確定 總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動 方式伺服系統(tǒng)的類型以及傳動方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等在符合經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造一般原則的前提下具體方案如下 1 保留機(jī)床原主軸運(yùn)動系統(tǒng)通過改造實(shí)現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)啟動停車的 NC 控制 2 拆除機(jī)床工作臺 XY 軸原有進(jìn)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(jìn)電機(jī)對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行測繪傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算選擇合適的滾珠絲杠安裝方式完成齒輪傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)選則等為了保證進(jìn)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(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)以提高傳動剛度和消除間隙齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)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證安裝調(diào)試拆卸方便需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便 3 選擇經(jīng)濟(jì)型開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)確定步進(jìn)驅(qū)動元件實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作臺 XY 軸數(shù)控主軸的部分?jǐn)?shù)控功能要求 XY 向步進(jìn)精度為 00050005mmstep 軸向定位精度 0015mm重復(fù)定位精度 0008mm 32 機(jī)械傳動系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)與計(jì)算 已知條件 1 原 x5032 銑床數(shù)據(jù) 進(jìn)給電機(jī) 額定功率 15kw 額定轉(zhuǎn)速 1410rpm 最大水平托動力 15KN 最大進(jìn)給速度 縱向 23mmin 橫向 154mmin 工件最大重量 200kg 機(jī)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(jì)任務(wù)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(jìn)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(jìn)給速度 vf 35392 103ms 機(jī) 床進(jìn)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(jìn)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(jī)床特征的指標(biāo)之一在設(shè)計(jì)中在進(jìn)給傳動鏈中加入減速齒輪以減少脈沖當(dāng)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(yù)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(dá)到提高傳動精度和定位精度的目的 2 寬的進(jìn)給調(diào)速范圍 伺服進(jìn)給系統(tǒng)在承擔(dān)全部工作負(fù)載的條件下應(yīng)具有很寬的調(diào)速范 圍 以適應(yīng)各種工件材料尺寸和刀具等變化的需要工作進(jìn)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(dá) 01mmmin 為了縮短輔助時間提高加工效率快速移動 速度應(yīng)高達(dá) 1 5mmin 3 響應(yīng)速度快 所謂快速響應(yīng)特性是指迸給系統(tǒng)對指令輸入信號的相應(yīng)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(yīng)要快定位速度和輪廓切削進(jìn)給 速度要滿足要求工作臺應(yīng)能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)靈敏而精確地跟蹤指令 進(jìn)行單步或連續(xù)移動在運(yùn)行時不出現(xiàn)丟步或多步現(xiàn)象進(jìn)給系統(tǒng)響應(yīng)速度 的大小不僅影 響機(jī)床的加工效率而且影響加工精度 4 無間隙傳動 進(jìn)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(jī)床的加工精度 5 穩(wěn)定性好壽命長 穩(wěn)定性是伺服進(jìn)給系統(tǒng)能夠正常工作的最基本條件特別是在低速進(jìn)給 情況下不產(chǎn)生爬行并能適應(yīng)外加負(fù)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(dāng)選擇各項(xiàng)參數(shù)并能達(dá)到最 佳的工作性能 6 使用維護(hù)方便 數(shù)控銑床是高精度自動控制機(jī)床主要用于單件中小批量高精度及 復(fù)雜間的生產(chǎn)加工機(jī)床的開機(jī)率相應(yīng)就高因而進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)便 于維 護(hù)和保養(yǎng)最大限度地減少維修工作量以提高機(jī)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(jī) 進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算設(shè)計(jì) 1 縱向 X 向設(shè)計(jì)計(jì)算 1 縱向 X 向進(jìn)給系統(tǒng)概述 X5032 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)安裝在縱向絲杠的右端如圖 普通機(jī)床通常采用滑動絲杠實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動到直線運(yùn)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(yīng)將其更換為滾珠絲杠滾珠絲杠的傳動效率高無爬 行預(yù)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(diǎn) 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置是數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)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(dāng)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(shè)有回程引導(dǎo)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(jī)構(gòu)具有下列特點(diǎn) 摩擦損失小傳動效率高滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動效率可達(dá) 092096 是普通滑動絲杠螺母機(jī)構(gòu)的 34 倍而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅為滑動絲杠螺母機(jī)構(gòu)的 14 運(yùn)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(shí)現(xiàn)滾珠的預(yù)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(hù)簡單使用壽命是普通滑動絲杠螺母機(jī)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(jī)構(gòu)的傳動具有可逆性即不僅可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動而且還可以把直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由于不能自鎖在某些場合如傳動垂直運(yùn)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(jī)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(jī)床廣泛采用施加預(yù)緊力來消除間隙提高傳動剛度這是伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中突出的一點(diǎn)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(yùn)動精度和軸向剛度必須消除軸向間隙 用預(yù)緊方法消除間隙時應(yīng)注意預(yù)加載荷能夠有效的減少彈性變形所帶來的軸向位移但預(yù)緊力不宜過大過大的預(yù)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(jī)床在最大軸向載荷下既消除了間隙又能靈活運(yùn)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(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)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(diǎn)是調(diào)整費(fèi)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(jī)床 4 進(jìn)給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 普通機(jī)床的進(jìn)給箱為齒輪箱齒輪箱傳動鏈長機(jī)構(gòu)復(fù)雜反向間隙累計(jì)增大大大降低了傳動精度進(jìn)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(jī)構(gòu)傳動副以減小傳動間隙提高精度 在機(jī)床改造中步進(jìn)電動機(jī)與絲杠傳動副之間裝有減速機(jī)構(gòu)通過減速機(jī)構(gòu)可得到所需的脈沖當(dāng)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(jī)構(gòu)齒輪減速機(jī)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(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中當(dāng)考慮慣量轉(zhuǎn)矩或脈沖當(dāng)量的