【正文】 重心處有物體，并且不能直接將力加在重心處，可以將力平均分配到重心的兩端，同樣可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的直線進(jìn)給。 由大連機(jī)床廠設(shè)計生產(chǎn)的 VHT系列五軸聯(lián)動立式車銑復(fù)合加工中心的 Y 軸方向即采用的是雙 絲杠 驅(qū)動 的 結(jié)構(gòu)。 企業(yè)目前還沒有一個相對官方的跨距確定原則，一般都是通過有限元法分析的方法來計算出雙絲杠驅(qū)動的優(yōu)勢以及絲杠之間的跨距對進(jìn)給系統(tǒng)靜動態(tài)特性的影響，從而 計算出 最佳的跨距。雙驅(qū)動直線進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計分析整體還不是很成熟。 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 4 頁 共 39 頁 本文以雙滾動絲杠驅(qū)動直線 進(jìn)給系統(tǒng)為研究對象， 主要進(jìn)行一下工作： （ 1） 對目前國內(nèi)外 數(shù)控車 床的 直線 進(jìn)給 驅(qū)動 系統(tǒng)的研究狀況進(jìn)行了簡單介紹 。 （ 3） 利用三維造型軟件 Pro/e，對雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的組成部件進(jìn)行了設(shè)計及裝配 。 （ 5）對 支撐部分壁厚對于模態(tài) 分析中的 各階 模態(tài)的固有 頻率 有何 影響做了 進(jìn)一步的 分析 和對比 。整個雙絲杠驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖 21 所示： 圖 21 雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計流程 進(jìn)給系統(tǒng)要求的技術(shù)參數(shù) 系統(tǒng)參數(shù)：工作臺重 300kg；工件及夾具 的最大重量 1200kg；縱向最大進(jìn)給力為9000N；工作臺行程 900mm；進(jìn)給速度 3～ 20200mm/min； 快速 進(jìn)給速度 42m/min；要求定位精度 。工作臺要求的最 快進(jìn)給 速度 vmax= 42m/min。 先試選 電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 為 nmax=4500r/min，則： 絲杠導(dǎo)程： 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 6 頁 共 39 頁 （ ） 在反饋裝置中， 目前有兩種：（ 1）用測速發(fā)電機(jī)作為速度反饋；用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置反饋；（ 2）利用編碼脈沖編碼器同時作為速度和位置反饋， 后者應(yīng)用目前較為廣泛 [3]。 脈沖編碼器每轉(zhuǎn) 動一轉(zhuǎn)會 發(fā)出一定數(shù)量的脈沖。 普通精度的 數(shù)控 機(jī)床一般取脈沖當(dāng)量為： ，較精密的 數(shù)控 機(jī)床取 或 ， 精密或超精密的機(jī)床可以取 [2]。 電動機(jī)每 一 轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù) b 應(yīng)為： （ ） 常用的光電編碼器有 2020 脈沖 /r， 2500 脈沖 /r， 3000 脈沖 /r 等。 傳動系統(tǒng)總體如圖 22 所示： 圖 22 傳動系統(tǒng)示意圖 伺服電機(jī) 3 與滾珠絲杠 5 通過聯(lián)軸器 4 聯(lián)結(jié)。脈沖編碼器 2 每轉(zhuǎn)發(fā) 出 2500 個脈沖，經(jīng)倍數(shù)為 4 的倍頻器 1 加倍，反饋給控制系統(tǒng)。絲杠的 “任意 300mm 行程內(nèi)的行程變動量 V300”一般 取為定位精度的 1/3～ 1/2，即 ～ 。故應(yīng)取 0 級精度。 首先，計算本例中工作負(fù)載造成的絲杠的當(dāng)量載荷 Cm。 最大進(jìn)給力為 9000N。滾動導(dǎo)軌一般狀態(tài)下摩擦系數(shù)為 。 所以 絲杠的 實(shí)際平局載荷 Fm*= Fm τ， 最大載荷Fmax*=Fmax τ。即 Fm*=6441 = N， Fmax*=9441 = N。工作臺最低速度為 3mm/min，故可認(rèn)為絲杠最低轉(zhuǎn)速為 0。 絲杠的壽命取 15000h。 () 絲杠的當(dāng)量載荷： () 所選的滾珠絲杠，其額定動載荷 Ca 不得小于此值 Cm，即 Ca≥Cm。直徑 50mm，導(dǎo)程 10mm，5 列。預(yù)緊力 Fp=? Ca，其中 ? 為預(yù)加載本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 8 頁 共 39 頁 荷類型系數(shù)，這里取去 ?=。 由于 軸向最大載荷 Fmax*不超過預(yù)緊力的 3 倍， 所以 不 需要 對預(yù)緊力提出額外要求。 表 21 絲杠的支承方式 本例 中 選取 “兩端固定 ”的 支承方 法 。 兩端均 采用 60176。 關(guān)于軸承的安裝方式，若采用面對面的安裝方式，當(dāng)中間軸由于熱膨脹而 變長的時 候 ，軸承 的 游隙 會變小 ，很 可能 造成滾 珠 軸承卡死的情況。 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 9 頁 共 39 頁 圖 23 成對軸承安裝方式示意圖 伺服電動機(jī)的選型 ： (1).工作載荷 的摩擦力矩： () (2).預(yù)加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩： () 故最大切削力矩： T = Tf +Tp = N適當(dāng)考慮軸承摩擦造成的摩擦力矩 Te。m 較為合適。由于是雙驅(qū)動進(jìn)給，需 要 考慮轉(zhuǎn)換系數(shù)，最終轉(zhuǎn)動慣量折算到電機(jī)軸為： () (2)絲杠的慣量： 絲杠的直徑為 50mm=，長度為 () (3)連接軸慣量： 選用彈性圓柱銷聯(lián)軸器（ JB10860Q1 型）， 許用最大轉(zhuǎn)矩為 67N 轉(zhuǎn)動慣量為 kg所以，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)在 kg 根據(jù)上述的計算要求可以先試選伺服 電機(jī) 。額定轉(zhuǎn)矩 N轉(zhuǎn)子慣量 JM = kg電機(jī)主要其他參數(shù)為：最大輸出轉(zhuǎn)矩 Tmax= N電勢系數(shù) Ke =1V ： 空載加速轉(zhuǎn)矩 是指： 執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到 最快進(jìn)給速度 時 需要電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩 ， 這個轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電動機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩 Tmax[5]。 () 設(shè)置 伺服電機(jī) 驅(qū)動器的加減速時間為 s 即可。基本設(shè)計過程為：首先計算滾動導(dǎo)軌的受力，然后根據(jù)導(dǎo)軌的工作條件計算動載荷，再根據(jù)滑塊的預(yù)期壽命推算出額定動載荷，再依此選擇滾動導(dǎo)軌 及 滑塊的型號。 下面以圖所示加工中心的導(dǎo)軌為例，分析受力情況。由于背向力 和摩擦力等 對載荷的影響很小，在這里忽略不計 。 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 11 頁 共 39 頁 在實(shí)際工作中，考慮到受力位置是不斷變動的，所以 采用平均載荷 對滾動導(dǎo)軌 進(jìn)行分析，在這里 認(rèn)為平均受力點(diǎn)為工件中心。 () 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 12 頁 共 39 頁 () : 滾動導(dǎo)軌的計算和滾動軸承的計算相似，在一定的載荷下 移動 一定的距離， 90%的 滾動導(dǎo)軌 不發(fā)生點(diǎn)蝕，這個載荷稱為額定動載荷，行走的距離 則 是額定壽命。 壽命計算公式為： () 由此推出 : () 由此選取型號為 LBB55RHL 型號的滾動直線導(dǎo)軌副，額定動載荷 kN。 （ 1）尺寸設(shè)計 在本例中，尺寸方面沒有嚴(yán)格的要求， 設(shè)定工作臺尺寸為 1600 630 220mm。選擇 T 型槽尺寸為： A=28mm、 B=50mm、C=20mm、 H=48mm、 P=100mm。在工作臺底端增加四個用于連接的薄板，并在薄板上方增開 4 個長方體的凹槽，用于給扳手提供活動空間，方便擰緊螺母。 圖 26 工作臺局部結(jié)構(gòu) （ 4）支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于設(shè)置連接部分，所以工作臺下半部分厚度很大，如果做成實(shí)心結(jié)構(gòu)則會導(dǎo)致工作臺笨重。由于沒有排放碎屑等要求，所以選用最簡單的筋板結(jié)構(gòu)，鏤空成長方體陣列，并在長方體之間用圓柱導(dǎo)通。具體結(jié)構(gòu)如圖 27 所示。底座必須保證合理的結(jié)構(gòu)布局，通過螺栓連接可以固定各個部件。 底座通常為類長方體，考慮到節(jié)省材料并保證剛度，合理設(shè)計底座支撐架的形狀和 尺寸，可以在 節(jié)省材料的情況下得到符合要求 的靜剛度和 比較合適 的固有頻率。 具體結(jié)構(gòu)如圖所示。其中 0級絲杠 V300=。 （ 1）伺服剛度 KR () 伺服電動機(jī)的增益，等于 伺服電機(jī) 的角速度與輸入電壓之比。 忽略次要影響因素， 可以 認(rèn)為“ 輸入電壓 =反電動勢 ” 。即 ： () A60020 型伺服電機(jī)的電勢系數(shù) Ke =1 V伺服系統(tǒng)的 Ks=8 1/s（ Ks 為系統(tǒng)增益，由試取后經(jīng)過驗算得到） ，取 Kvo =2 8=16 V/V。 工作臺 的 行程為 900mm。故距離 l=900+150=1050mm=。本例中的公稱直徑為 50mm，球徑等于 ，故 di= = = () （ 3）絲杠軸承的軸向剛度 Kba 絲杠軸承為 40TAC72A 型，查文獻(xiàn)得兩列組合型的軸向剛度 Kba 為 1230 N/181。 （ 4）綜合剛度 一般來講， 進(jìn)給系統(tǒng)的 剛度的 主要影響 環(huán)節(jié)是絲杠的拉壓剛度、伺服系統(tǒng)剛度和軸承的剛度，絲杠螺母之間的接觸剛度和聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度是很高的，其變形可以忽略不計。m (7) 彈性變形 測量定位精度時，機(jī)床不切削。本例中摩擦力 Ff =441 N，故彈性變形 () (8) 定位誤差 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 17 頁 共 39 頁 任意 300mm 長上的定位誤差，等于滾珠絲杠的誤差 V300 加上彈性變形 δ，即3+= 181。再加上在計算 過程 中 一些被忽略的 次要因素，可以滿足定位精度。 主要部件設(shè)計完畢之后，再根據(jù)軸承、聯(lián)軸器、電機(jī)等部件型號和大小，設(shè)計出相應(yīng)的軸承座，軸承端蓋等輔助部件。 其核心思想是：將一個連續(xù)的結(jié)構(gòu)體離散為由各種不同單元（也可以是一種單元）組成的離散模型。 有限元 分析 中分析的 對象已經(jīng)不再是原始對象 ，而是由 大量 的 單元以 某種的 方 法聯(lián)結(jié)而 成的離散 對象 。但劃分單元的 性質(zhì) 和數(shù)目如果非常合理，那么近似程度就會很高，得到的結(jié)果也就與實(shí)際情況相符合。 ANSYS 操作簡單方便、功能強(qiáng)大，已經(jīng)成為了在國際上現(xiàn)在最為流行的有限元分析 軟件之一。 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 19 頁 共 39 頁 模態(tài)分析 模態(tài)分析簡介 模態(tài)分析是用來確定物體振動特性的一種技術(shù)，通過它可以確定無敵的固有頻率、振型和振型參與系數(shù)（即某個振型在某個方向上在多大程度上參與了振動） [22]。所以 在 進(jìn)給系統(tǒng)的模態(tài)分析中， 需要分析前幾階的模態(tài)。 滾珠絲杠的模態(tài)分析及靜力學(xué)分析 （ 1）模型簡化 在用 ANSYS 對滾珠絲杠進(jìn)行動靜態(tài)分析的過程中，如果 不對模型進(jìn)行簡化，則由于螺紋等細(xì)小復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的存在，使得模型過于龐大 ，網(wǎng)格 分割之 后 的 計算量也會很大，并且也會 分割出 大量的畸變單元。前輩