【正文】 是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機(jī)軸端兩種類型。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機(jī)械傳動部件整個被包括在位置環(huán)之內(nèi)。由于影響定位精度的機(jī)械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對機(jī)床的要求比較高，且造價(jià)也較昂貴。 加工中心的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動裝置是伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)由于具有可靠性高、基本上不需要維護(hù)和造價(jià)低等特點(diǎn)而被廣泛采用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越的要求，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加快，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械加工行業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。在數(shù)控加工中心發(fā)展的本個多世紀(jì)的歷程中，世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，電子的迅速發(fā)展，以及各種性能良好的傳感器的出現(xiàn)和運(yùn)用，使加工中心功能日益完善，自動化、智能化程度越來越高，加工中心正朝著高速化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化及高可靠性方向發(fā)展。閉環(huán)控制可以達(dá)到很好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動系統(tǒng)中各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度的影響，一般應(yīng)用于要求高的數(shù)控設(shè)備中，由于所改造的數(shù)控鉆床加工精度不十分高，采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。故在本次設(shè)計(jì)中，采用開環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動即保證改造后的性能不低于原鉆床，又保證較高的性價(jià)比。傳動方案 1 的結(jié)構(gòu)簡單，三是消除由步進(jìn)電動機(jī)引起的振動等現(xiàn)象能力較差，故在本次設(shè)計(jì)中不采用方案 2，同步帶傳動保持恒定傳動比，傳動精度高工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，無噪聲，有良好減振性能，但制造工藝比較復(fù)雜，傳遞功率較小，壽命較低，故在本次設(shè)計(jì)中不易采用，所以本次設(shè)計(jì)中采用齒輪傳動，其主要特點(diǎn)是效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長，傳動比穩(wěn)定，傳動過程中采用消隙齒輪，消除正反轉(zhuǎn)齒輪間隙提高傳動精度，性價(jià)比高。在可拆卸方面考慮了許多因素由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，在快卸方便性上考慮有時(shí)略有紕漏；在經(jīng)濟(jì)性方面采用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)其性價(jià)比高；在滿足精度的前提下減少了生產(chǎn)成本。 床身設(shè)計(jì)機(jī)床的床身是整個機(jī)床的基礎(chǔ)支承件，是機(jī)床的主體，一般用來放置導(dǎo)軌、等重要部件。按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置，立式加工中心通常采用固定立柱式，主軸箱吊在立柱一側(cè)，其平衡重錘放置在立柱中，工作臺為十字滑臺，可以實(shí)現(xiàn) X、Y 兩個坐標(biāo)軸的移動，主軸箱沿立柱導(dǎo)軌運(yùn)動實(shí)現(xiàn) Z 坐標(biāo)移動。 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)導(dǎo)軌一般可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種。但傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點(diǎn)。這次設(shè)計(jì)中采用的是滾動直線導(dǎo)軌。根據(jù)工件加工的需要，在機(jī)床上各運(yùn)動坐標(biāo)的數(shù)字控制可以是相互獨(dú)立的，也可以是聯(lián)動的。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動電動機(jī)，同時(shí)也需要高質(zhì)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)與之匹配。 最佳慣量匹配目的是為保證伺服驅(qū)動電機(jī)的工作性能和滿足傳動系統(tǒng)對控制指令的快速響應(yīng)的要求。立式加工中心的進(jìn)給伺服系統(tǒng)特別是進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度及效率是性能的重要組成部分。擬定的主要參數(shù)如下:工作臺尺寸（長 X 寬）: 509?m工作臺行程（X 向）: 6工作臺行程（Y 向）:主軸頭垂直行程（Z 向） :主軸端面距工作臺面距離: 80~1主電機(jī)功率: 主軸轉(zhuǎn)速范圍（無級調(diào)速）: 36min/r主軸最大輸出扭距: 10NM主軸最大軸向抗力:快速移動速度（X、Y 、Z 方向）:X、Y: Z: 2i/6in/進(jìn)給速度范圍: 50~1in/m工作臺承重: 4kg刀柄: BT40坐標(biāo)定位精度: X: ，Y/Z:.重復(fù)定位精度: X: ，Y/Z:.坐標(biāo)控制: 三軸控制數(shù)控系統(tǒng): SIEMENS 802D Y 軸（縱向）傳動部分的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程中，采用步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲桿副。軸承采用能達(dá)到精度要求的。若按最大切削速度來計(jì)算，取切削速度 = ，根據(jù)公?10min/式：= （3—CP60?zF1?3?電動機(jī) 消隙齒輪 滾珠絲桿螺母副 工作臺2）式中 ——主切削力（ ） ；ZFN ——切削速度（ ） ；?min/則主切削力為：= = =ZF?CP6031??N25根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》可得：縱向切削分力： = XF)9.~6(ZF 橫向切削分力： =取 = = =.?= = =Y5..6 滾珠絲桿的選擇計(jì)算滾珠絲桿螺母副，是在絲桿和螺母間，以滾珠為滾動體的螺旋傳動機(jī)構(gòu)。 在設(shè)計(jì)過程中，滾珠絲桿的選擇要根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況及工作負(fù)載情況，計(jì)算出絲桿工作時(shí)的最大載荷及絲桿的工作壽命等參數(shù)進(jìn)行選擇，最大動載荷必須小于絲桿的額定動載荷。其選擇的詳細(xì)計(jì)算如下：(1) 工作負(fù)載計(jì)算計(jì)算進(jìn)給牽引力 。 滾珠絲桿轉(zhuǎn)速 ：n = （3—nofP?4）式中 ——進(jìn)給速度，取f?mi/60 ——滾珠絲桿的螺距，取oP則= = =nof?min/60ri/1r壽命計(jì)算公式： = （3—t610T5）其中數(shù)控機(jī)床 可取15000h，則T = = 萬 =t610n65?r萬9（3）對大動載荷計(jì)算及絲桿型號選擇根據(jù)切削力和運(yùn)動部件的質(zhì)量引起的進(jìn)給阻力，計(jì)算出絲桿的軸向載荷，再計(jì)算出絲桿副應(yīng)能承受的最大動載荷 C 最大動載荷計(jì)算公式： = （3—CmHwFft36）式中 ——壽命，以 為 單位；t610 ——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn) = ，取 = ；wf ~2wf2. ——硬度系數(shù)，為 時(shí)， = ，小于 時(shí)， ，這里取HHRC60HRC60Hf1= ；Hf1 ——進(jìn)給牽引力mF則= = =CmHwFft3 ?根據(jù) 的原則，使選取的滾珠絲桿的額定動載荷大于計(jì)算的最大工作動載荷，aC?查《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》可知，可選擇滾珠絲桿的型號為 CDM3206—5—P4，其公稱直徑為 ，其額定動載荷為 ，強(qiáng)度滿足要求。0)(dP????39。0則= =?)39。 1P?程變形總誤差 為：總 = （3—總P?0總9） 式中 ——Y 軸（縱向）最大行程，由擬定參數(shù)總中可知， = =總 m50c則= = =總P?0總 ??m/7.?由《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》可知，4 級精度絲桿允許的螺距誤差為，故此絲桿精度足夠。傳動比計(jì)算公式為：= （3—i036Pbpo??10）式中 ——步進(jìn)電動機(jī)的步距角b?——絲桿螺距 0P——脈沖當(dāng)量p?根據(jù)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量，一般情況下普通數(shù)控機(jī)床取 = 步，選步進(jìn)電動機(jī)p?/的步距角 = ， = ，則b?= = =i03bpo???可選定齒輪齒數(shù)為：= =i21Z403由于進(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大，且根據(jù)優(yōu)先選用第一系列的原則，可取模數(shù) =m，齒輪傳動效率 = ，由經(jīng)驗(yàn)公式可知，齒寬 = ，則分度圓直徑分別m2i?為：= = =1dZm32?64= = =2dZm240?8中心距為：= = =a2)(1?2)3(?m7 滾動軸承的選擇傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性事檢測數(shù)控機(jī)床性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。軸承的剛度太高，則會造成物不盡其用，增加設(shè)計(jì)成本，太低會影響到絲桿的傳動精度和壽命。各方向傳動系統(tǒng)的絲桿采用一端軸向固定，另一端浮動的結(jié)構(gòu)形式，使絲桿軸向留有移動的空間，這種安裝方式可以減少機(jī)床的振動和傳動的誤差，避免軸承卡死的情況發(fā)生，適用于較長的臥式安裝絲桿。浮動端支撐采用6205/P5型深溝球軸承，只承受絲桿的重力。 ，因此76020225TVP 軸承的承載能力滿足要求。76020225TVP 軸承的具體參數(shù)如下表：表3—2 76020225TVP 軸承的具體參數(shù)尺寸 / m額定載荷/ N極限轉(zhuǎn)速/（ minr）安裝尺寸/ m軸承型號 dDBC0預(yù)緊載荷/脂質(zhì)量/kg 1D2gr7602030TVP 25 62 17 28500 58500 3300 2200 38 52 16205/P5型深溝球軸承的具體參數(shù)如下表：表3—3 6205/P5型深溝球軸承的具體參數(shù)尺寸 / m額定載荷/ N極限轉(zhuǎn)速/（）minr安裝尺寸/ m軸承型號 dDBC0預(yù)緊載荷/ 脂 油質(zhì)量/kg 1D2gr6205/P5 25 52 15 10800 6950 3300 12022 15000 30 47 1 伺服系統(tǒng)選擇計(jì)算伺服電動機(jī)的種類有很多，在經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控化設(shè)計(jì)中常選用步進(jìn)電動機(jī)。選擇私服電動機(jī)應(yīng)考慮三個要求：1） 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩不得超過電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；2） 電動機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配；3） 快速移動時(shí)，轉(zhuǎn)矩步得超過伺服電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算公式為： = （3—??12） 式中 ——齒寬或者零件軸向長度；b ——齒輪直徑或者圓形零件的直徑d由前面的計(jì)算可知，齒輪的直徑 = ， = ，齒輪寬度為 = =1dm642d801b2，則cm2 齒輪 轉(zhuǎn)動慣量： = =??? 齒輪 轉(zhuǎn)動慣量： = =2282. 39.?計(jì)算絲桿轉(zhuǎn)動慣量時(shí)，絲桿直徑要采用其螺紋底徑進(jìn)行計(jì)算，由前面知道的絲桿直徑可查得其螺紋底徑 = ，長度 = ，動慣量 = =.?? ?則負(fù)載總轉(zhuǎn)動慣量為: = + +FJ123iJ?giGb2)18(??? = 65.. = ?(2) 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算根據(jù)能量守恒原理，電動機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算： = （3—mTiPF??0213）取 ，代入前面計(jì)算所得的數(shù)據(jù)，則0?96. = =???mN?52 如果不考慮起動時(shí)運(yùn)動部件慣性的影響，則起動轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為： =~3m 取安全系數(shù)為 ， = =?查《實(shí)用微電機(jī)手冊》 ，當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)為五相十拍時(shí)，選步進(jìn)電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為： = =? = = =?.因數(shù)控機(jī)床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機(jī)以最大靜轉(zhuǎn)矩運(yùn)動時(shí)，應(yīng)滿足快速空載起動所需轉(zhuǎn)矩 的要求：T = （3—T0maxTf?14）式中 ——快速空載起動時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩；maxT ——克服摩擦所需的轉(zhuǎn)矩；f ——絲桿預(yù)緊所引起的折算到電動機(jī)軸上的附加轉(zhuǎn)矩0當(dāng)工作臺快速移動時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為： = （3—n0maxPi?15）式中 ——快速移動速度，由立式加工中心擬定參數(shù)可知為max? min/120代入之前所得的 、 的數(shù)據(jù)，則i0P