CK6140臥式數(shù)控車床進給運動部分方案設計分析目錄TOC\o"1-3"\h\u28958CK6140臥式數(shù)控車床進給運動部分方案設計分析 1276091絲桿螺母副的選用 1199732驅動電機的選用 5230633導軌的選用 8本次設計的車床的進給系統(tǒng)的部分由滾珠絲桿，直線導軌，聯(lián)軸器，工作臺面等組成，進給系統(tǒng)采取PLC控制，控制系統(tǒng)包括伺服電機，運動控制器，采用閉環(huán)控制系統(tǒng).閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋功能可以消除在外部擾動或者系統(tǒng)內部產生的偏差，從而提高精確度，保證加工精度。[15]本次設計進給系統(tǒng)方案：a.傳動機構使用滾珠絲桿副b.執(zhí)行機構采用交流伺服電機c.導向機構使用滾動直線導軌1絲桿螺母副的選用絲桿螺母機構可以分為滑動摩擦和滾動摩擦兩種，滑動摩擦的摩擦力要比滾動摩擦的摩擦力大，摩擦力一大，其傳動效率就會降低。雖然滾動絲桿螺母結構復雜，但其可以保證較高的傳動效率，所以本次設計選用滾動絲桿螺母機構。滾珠絲杠以將回轉運動和直線運動相互轉化，本車床需要將從電機得到的回轉運動轉化為溜板箱的直線運動，從而控制刀架進行切削，完成零件加工的工作。滾珠的循環(huán)方式有內循環(huán)和外循環(huán)兩種。滾珠的每一個循環(huán)閉路稱為列。每個滾珠循環(huán)閉路內所含的導程數(shù)稱為圈數(shù)。圖7，圖8為外循環(huán)，內循環(huán)示意圖[13]。（1）滾珠絲桿螺母的選型a.螺母的種類查資料可知，滾珠絲桿螺母副在數(shù)控機床應用廣泛，滾珠絲杠的螺母根據(jù)鋼珠的循環(huán)方式分類為：彎管式、循環(huán)器式、端蓋式。表2滾珠的循環(huán)方式類別形式特點內循環(huán)缺點:返向器鋼球返回通道的曲面加工復雜優(yōu)點:返回通道短,一個循環(huán)只有一圈鋼球,流暢性好,摩擦損失小,效率高,徑向尺寸小,剛性好+外循環(huán)螺旋槽式缺點:鋼球流暢性較差,擋珠器較易磨損優(yōu)點:結構簡單,制造方便,承載能力大端蓋式缺點:循環(huán)回路長,流暢性差,鋼球通過短槽時易卡住優(yōu)點:結構緊湊,工藝性好插管式缺點:凸出式的插管凸出于螺母外部,徑向尺寸較大優(yōu)點:結構簡單,工藝性好,鋼球的流暢性好,應用較廣圖7外循環(huán)圖8內循環(huán)市場上滾珠絲桿副擁有很多品類，我們的本次數(shù)控車床設計采用：外循環(huán)2列3.5圈的滾珠絲桿螺母副。滾珠絲桿螺母副可將直線和回轉運動相互轉換。為了提高滾珠絲杠副的剛度,可以施加預緊力使其在干擾條件下工作。預緊的各種方法主要包括有:雙絲紋螺母墊片螺紋型螺縫預緊,雙絲紋螺母螺絲墊片型螺紋預緊,雙絲紋螺母墊片齒差型螺紋預緊等。本次數(shù)控車床的設計時主要采用的是墊圈式液壓預緊機。該方法結構簡單,拆裝方便,剛性高。b.滾珠絲桿副的參數(shù)選取滾珠絲桿副的參數(shù)有公稱直徑Dm、基本導程L0、和精度等級等。其中精度等級有7等級，數(shù)字越小精度越高，滾珠絲桿副的精度選取非常重要，因為其他部件裝配在絲桿的上面，所以其他的定位精度都會被絲桿的精度所影響。我們在考慮滾珠絲桿的精度選擇時，得特別慎重。c.滾珠絲桿副的預緊滾珠絲桿副工作時，鋼珠與滾道會發(fā)生形變。換向時，其軸向間隙會引起空回。出現(xiàn)這種情況會影響精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以我們要使用預緊機構。預緊方式有雙螺母齒差預緊式，墊片式調整式，螺紋預緊式等，本次設計考慮到機床結構和裝配簡便采取雙螺母墊片調整預緊式。d.滾珠絲桿副的校核切削力及其切削分力計算主電機額定功率P=5.5kw，最大工件回轉直徑d=400mm,在主軸計算轉速有最大扭矩和功率時，刀具的切削速度為；V=πdn60代入數(shù)據(jù)V=3.14×0.4×8560取η=0.8，η為機械效率，則FZ=ηPV×103切削分力FX和垂直切削分力FYFX=0.25FZ=0.25×3370.80N=842.7N（51）FY=0.4FZ=0.4×3370.8N=1348.32N（52）導軌摩擦力Fμ:Fμ=μ（w+fg+FV+FC）（53）式子中：重力W=300N，μ—導軌動摩擦系數(shù)，μ=0.15代入數(shù)據(jù)Fμ=0.15×（300+2000+3370.80+1348.32）=1052.86N不做切削運動時的導軌摩擦力Fμ0,F0Fμ0=μ(W+fg)（54）代入數(shù)據(jù)Fμ0=0.15×(300+2000)=345NF0=μ0(W+fg)（55）代入數(shù)據(jù)F0=0.2×(300+2000)=460N滾珠絲杠螺母副最大軸向負載力FamaxFamax=FY+Fμ（56）代入數(shù)據(jù)Famax=1348.32+1052.86N=2401.18N最小軸向負載力FaminFamin=Fμ0=345N（57）滾珠絲杠預期額定動載荷查資料：車床預期工作時間Lh=15000h，滾珠絲杠當量載荷Fm=2370N,載荷系數(shù)fw=1.3，精度系數(shù)fa=1，可靠性系數(shù)fc=1絲杠當量轉速nm=nmax，已知vmax=1m/minnmax=1000VmaxL0代入數(shù)據(jù)nmax==1000×16Cam=360nm代入數(shù)據(jù)Cam=360×166.67×15000×2370.34×1.3估算滾珠絲杠最大軸向變形橫向進給系統(tǒng)定位精度為0.004mm，重復定位精度是0.016mm計算取取較小值得：δmax=5.33μm估算滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2m滾珠絲杠螺母采用一端固定，一端游動的支撐方式滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為：行程L=安全行程+2×余程+螺母長度+支承（60）L=(1.4×200+30×6)mm=460mmd2m≥0.078F0Lδ滾珠絲桿螺母副型號的選取由以上的計算結果在本次數(shù)控車床的設計中，我們采用公稱直徑為40mm，精度為3級的滾珠絲桿副，基本導程L0=6mm的滾珠絲桿螺母副，采用TNI公司的型號為SFU04010-4的滾珠絲桿螺母副。如表3所示。表3滾珠絲桿副參數(shù)公稱直徑dm基本導程L0精度等級40mm6mm3級承載能力校核：螺紋底徑d2=27.9mm,滾珠絲桿螺母副最大受壓長度L1=300mm,Fc=K1K2d24L2×105=13臨界壓縮載荷Fc遠遠大于螺母副最大軸向壓縮載荷Famax，所以滿足要求臨界轉速校核最小慣性矩II=π64d24=3.1464最小截面AA=π4d22=3.144取K1=0.8，查表λ=3.927，則：nc=k160λ22πL2EIρ橫向進給系統(tǒng)中的滾珠絲桿螺母副的最高轉速n=167r/min,遠遠小于n，故核驗合格。壽命校核滾珠絲杠額定動載荷Ca=20200N，軸向載荷Fa=Famax=2401.19N,運轉條件系數(shù)fw=1.2,故L=（CaFafw）3×106（65）代入數(shù)據(jù)L=（202002401.19×1.2Lh=L60n=344.533比較Lh=34453h≥15000h，所以滿足要求2驅動電機的選用（1）伺服電機概述交流伺服電機的結構是由定子和轉子所構成的，其在伺服系統(tǒng)中將電壓信號轉換為轉矩和轉速來驅動執(zhí)行件，伺服電機每接收到一個脈沖就會旋轉一個對應的角度，它本身也可以發(fā)出脈沖。同樣，伺服電機每旋轉一個角度就會發(fā)出一個脈沖，如此，發(fā)出的脈沖與接收到的脈沖相互呼應，這就是所謂的閉環(huán)。閉環(huán)這種方式就能精確地控制電機的轉動，并且很好的保證了它的定位的精確度。交流伺服電機是無刷電機，具有響應快，速度高，力矩穩(wěn)定，效率高等特點。交流伺服電機可分為同步電機和異步電機，其內部的轉子是永磁式的。交流伺服電動機在使用的時候，在激磁繞組兩端，施加恒定的激磁電壓Uf，在控制繞組兩端，施加控制電壓Uk。當定子通入電壓，電機便開始轉動。表4為常用交流伺服電機。表4交流伺服電動機的分類、特點及使用范圍類型代號結構特點性能特點使用范圍籠型交流伺服電動機SL轉子與定子結構與一般籠型異步電動機相似,但轉子一般為兩相,且細而長,籠可用鋁、紫銅、黃銅制成勵磁電流較小，體積較小，機械強度較高，低速運轉時不夠平滑，有抖動現(xiàn)象廣泛運用于小功率自動控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和計算裝置中低速交流伺服電動機SD

SA

ND轉子、定子結構與籠型交流伺服電動機相同,另外機殼中裝有齒輪減速裝置體積小,重量輕,力能指標高,性能好，輸出轉速低,轉矩大廣泛應用于自動裝置和計算技術裝置中作驅動、執(zhí)行或控制元件FANUC交流伺服電動機FANUC轉矩大,轉速低,機械特性線性度好,低速性能良好，可直接與絲杠連接

用于數(shù)控機床驅動或其他驅動系統(tǒng)非磁性杯型交流伺服電動機SK

ADP用非磁性金屬鋁、黃銅等制成杯形轉子，杯的內外由內外定子構成磁路轉動慣量小，運轉平滑、無抖動現(xiàn)象，勵磁電流和體積較大用于要求運行平滑的系統(tǒng)，如自動裝置和計算裝置等（2）驅動電動機選用的原則：當下，數(shù)控機床廣泛使用步進電機，但隨著交流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展，交流伺服電機也越來越被更多的應用。步進電機和伺服電機在使用方面上類似，但是性能和使用場合有較大差別。進給系統(tǒng)的驅動電機的選擇：原則上應充分考慮工作時的實際負載和環(huán)境條件等因素來決定如何正確選用。影響電機進行驅動負載轉矩的大小主要有兩種,即驅動負載轉矩和驅動負載軸的慣量轉矩。對于這兩種額定負載均需要正確的轉矩的計算,應該符合以下幾個條件:a.防止空載而無法正常運行,在整個轉矩-負載速度比的范圍內,加在整個伺服電機軸上的額定負載轉矩速度應該直接控制在伺服電動機的連續(xù)額定轉矩速度范圍之內,即轉矩-負載速度比的特征是在曲線上的連續(xù)額定工作。b.最大系統(tǒng)負載轉矩、所有系統(tǒng)加載執(zhí)行周期和所有系統(tǒng)過載停止時刻均須適應在給出的系統(tǒng)特征功率曲線負載容量的最大允許值要求范圍以內。c.制動，加速或停止減速工作運行制動過程汽車中的各種電機工作轉矩宜直接控制在制動加減速工作區(qū)(或者無間斷減速操縱制動工作區(qū))。d.對于那些要求頻繁地進行啟動、制動以及要求具有一定周期性轉矩改變的傳動負載,必須仔細地認真檢查其在一個運動周期內的轉矩平方根和系數(shù),應該確定是否不得小于一臺直流電動機的連續(xù)額定轉矩。e.在一臺電機整個主軸上的慣性負荷長度慣性測量尺寸的變化大小可能會對整個電動機主軸運行的靈敏性和整個電動伺服系統(tǒng)的工作精確性性能產生重要性的影響。通常,當一臺電機上的負載轉子慣量遠小于同時驅動一臺電力微波發(fā)射機的驅動轉子負載慣量時,上述兩個因素的直接影響較小,但是當一個電動機上的負載轉子慣量已經遠遠達到甚至已經高出了驅動轉子負載慣量的3倍,就可能會直接導致驅動靈敏度降低和功率響應持續(xù)時間變長，甚至還有可能直接使得相同功率放大器系統(tǒng)無法在正常頻率運行和調節(jié),所以，負載的慣量要小于電動機本身慣量的3倍。（3）驅動電機設計計算電機軸上負載力矩：Tm=T×L2πη式子中：Tm——電機軸上的負載力矩（Nm）T——滾珠絲杠螺母或軸承加到電機軸上的摩擦力矩F——沿坐標軸移動一個部件所需的力（kgf）L——電機轉一轉機床的移動距離交流伺服電機從靜止到加速到工作速度只需要幾毫秒，適用于需要快速啟動，停止的工作環(huán)境。F的值得計算：切削時：F=FC+μ(W+fg+FCF)（68）式子中：μ——滑動表面摩擦系數(shù)μ=2.05FC——反切削力FC=50kgfFcf——由切削力矩引起的滑動表面上工作臺上收到的力Fcf=30kgfW——工作臺與工件重量W=60kgFg——鑲條鎖緊力Fg=50kgf代入數(shù)據(jù)F=50+0.05×（60+50+30）=57kgfTmc=（57×0.8）/(2×π×0.9)+2=10kgf·m=1N·m不切削時：F=μ(W+fg)=0.05×（60+50=5.5kgf（69）Tm=(5.5×0.8)/(2×π×0.9)=0.1N·m（4）交流伺服電機的選取綜上，本次設計選取日本發(fā)那科公司生產的交流伺服電動機，其型號為FANUC4-0。其性能，結構特點是，轉速低，轉矩大。該交流伺服電機有如下特點：沒有步進電機的失步現(xiàn)象轉速高，性能好低速運行平穩(wěn)具有高的轉矩/慣量比，加減速動態(tài)時間在幾十毫秒，時間短噪音和發(fā)熱較低FANUC4-0伺服電機的參數(shù)型號輸出功率（KW）最大轉矩（N·m）轉動慣量kg/m2熱時間常數(shù)（min）額定轉矩（N·m）最高轉速（r/min）機械時間常數(shù)（ms）質量（kg）4-00.051.13.7×10-5150.2530001112（5）主軸電動機的選擇在選擇一臺主軸電動機時,應按照下列幾個基本原則進行綜合考量,來確定一臺主軸式電動機的最大功率:a.選用的電動機必須能夠滿足各種類型工件對于切削功率的控制要求。b.按照要求電動機主軸增加減速運行時間而計算的電動機功率，其中一個負載不應等于或超過該電動機最大輸入功率。c.對于功率要求動力發(fā)電機通過主軸頻繁地轉動進行高速起動、制動時,必須先重新計算一個平均功率,其平均值一般不得大于超過一臺動力電動機的額定起動輸入輸出功率。d.當我們是在要求恒速度表面切削速度自動控制的條件情況下,則恒速度表面切削速度自動控制系統(tǒng)工作時所直接需要