数控铣床进给系统设计_郭倩

2
2． 1
关键部件校核计算
丝杠导程
伺服系统选择半闭环还是全闭环选择应根据要 求的定位精度进行， 本系统为 ± 0． 012 /300mm。 查 1 级 （ P1 ） 滚珠丝杠样本， 任意 300mm 内导程允差， 2 级为 0． 008mm。因此， 丝杠为 0． 006Leabharlann Baidum， 可以考虑 采用半闭环， 滚珠丝杠精度取为 P1 级。 伺服电动机的最高转速 n min = 1500r / min， 如使
2
擦力。最大进给力为 F f = 5000N。 作粗略的估计， 最大切削力取为 F c = 2F f = 10000N， 最大背向力 F p = F f / 2 = 2500N， 根据公式 F max = kF f + （ F c + F p + G ） ， 得到 F max = 6300N， 丝杠的最小载荷为摩擦力 F min = fG = 0． 04 × （ 500 + 300 ） × 9． 8N = 314N， 平均载荷为 2 F max + F min Fm = = 4300N， 最大进给时， 丝杠的转速 3 为 400 r / min，最小进给时， 丝杠的转速为 1r / min， 故 平均转速为 n av = 2 × 400 + 1 = 267r / min 3
绕组， 电流通过电刷和换向器导入转子绕组就能产 生电磁场。 1． 3 伺服进给系统的工作情况 Y， Z 轴） 相同的伺服进给系统。 机床有三套（ X ，
下面介绍工作台的纵向 （ X 向 ） 伺服进给系统， 该系 采用无键连接方式用锁紧环将 统由伺服电机驱动， 运动传到扰性联轴器的左连接件， 联轴器的右连接 件与滚珠丝杆用键连接， 由滚珠丝杆螺母驱动工作 台移动。滚珠丝杆由左螺母和右螺母组成， 并固定 靠 在工作台上。扰性联轴器的左连接件与电机轴， 锥形锁紧环摩擦连接， 锥形锁紧环每套两环， 内环为 ， ， 内柱外锥 外环为外柱内锥 此处共用了两套。采用 这种连接方法不用开键槽， 没有间隙。 电动轴与丝 杆可相对转任意角。横向（ Y 轴） 伺服进给系统与纵 向伺服进给系统结构相同。 滚珠丝杆直径 20mm， 导程为 4mm， 左支承为成 对的推力角接触球轴承， 背靠背安装， 承受径向载 荷， 右支承为深沟球轴承， 滚珠丝杆升温后可向右伸 长。这种结构比较简单， 但轴向刚度比两端轴向固 定方式低。 滚珠丝杆的螺母座固定在工作台上下 侧， 螺母座中安装两个滚珠螺母， 两个螺母用连接键 固定它们之间的周向位置， 一螺母固定在螺母座上， 另一螺母可轴向调整位置。在两个螺母间安装两个 适当厚度的半圆垫圈， 以消除滚珠丝杆螺母间的间 隙， 并适当地预紧， 以提高传动刚度。
4000N。 查滚珠丝杠样本， 选择内循环 FFZD2004 － 3 － 1 丝杠， 额定动载荷为 C a = 7． 3kNC a ＞ C m ， 符合要求。 丝杠直径为 20mm， 钢球直径为 3mm， 导程为 4mm， 浮动返回器式内循环， 每个螺母滚珠有 3 列， 双螺母 垫片式预警。 预加载荷为 C a /4 ， 即 1825N， 远大于 1 /4 ， P1 ， 最大 载 荷 的 丝杠副精度为 级 刚度为 519N / m。 2． 3 选择丝杠轴承 丝杠采用一端轴向固定， 一端简支的方式。 固 定端采用一对推力角接触球轴承， 面对面配对。 型 号为 7202 ， 额定动载荷为 8． 68kN， 预加载荷为 F0 = 660N， 平 均 载 荷 为 1500N， 轴 承 寿 命 为 L = 21． 4 （ 10 6 h） ， h = 1336h， h= L × 10 6 21 ． 4 × 10 6 = h = 1336h 60 n 60 × 267
收稿日期： 2011 － 10 － 08 作者 简 介： 郭 倩 （ 1984 － ） ， 女， 助 教， 研究方向为机械制造与自 动化。
数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路 、 伺 服驱动装置、 机械传动机构及执行部件组成。 它的 作用是接受数控系统发出的进给速度和位移指令信 号， 由伺服驱动电路作转换和放大后 ， 经伺服驱动装 驱动机床的工作台， 主轴头架等 置和机械传动机构， 执行部件实现工作进给和快速运动 。数控机床的伺 服进给系统与一般机床伺服进给系统有本质上的差 别， 它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动 以及几个执行部件按一定规律运动所 速度和位置， 合成的运动轨迹。 1． 2 1． 2． 1 关键部件介绍 滚珠丝杠副的结构 滚珠丝杠副是由丝杠、 螺母、 滚珠等零件组成的
机械元件， 其作用是将旋转运动转变为直线运动或 它是传统滑动丝杠的 将直线运动转变为旋转运动， 进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴 承对滑动轴承所带来得改变一样 。滚珠丝杠副因优 良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备 、 精 密仪器、 精密数控机床。尤其是近年来， 滚珠丝杠副 作为数控机床直线驱动执行单元， 在机床行业得到
f a = 1， f w = 1． 5， L= 丝杠的工作寿命取为 15000h， 60n av h 60 × 267 × 1500 = = 240 × 106 h， 代入公式 C m = 106 106
3 Fm 槡 Lf w 4300 × 槡 240 × 1． 5 = 得 当 量 动 载 荷 Cm = fa 1 3
( ) ( ) ( )= 0 ． 01 800 × ( = 0 ． 00032kg · m ， J = 0． 00032kg · 2π )
=m
2
nP h nP h =m 2 πn 2π
2
2
1
m
2
丝杠直径 d = 20mm = 0． 02m， 在结构设计中， 决 l = 0． 6m ， 定长度为 J2 = π 4 2 ρd lJ2 = 0． 000075kg / m 32
文章编号：1009 － 2552 （ 2012 ） 03 － 0187 － 03
中图分类号：TP311
文献标识码：A
数 控 铣 床 进 给 系 统 设 计
郭 倩
（ 西安航空职业技术学院 ，西安 710089 ）
摘
要： 数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路 ， 伺服驱动装置， 机械传动机构及执行部件 组成。通过介绍数控铣床进给系统关键部件的设计 ，掌握数控机床进给系统的设计方法 。
关键词： 数控； 进给系统； 校核设计
Design of numeral control milling feed system
GUO Qian
（ Xi’ an Institute of Aeronautic Technology， Xi’ an 710089 ， China）
Abstract： The servo feed system of the numeral control milling is made up of the servo driving circnit， servo driving unit， mechanical transmission and implementing parts． This paper introduces the key design and presents the design method． for the numeral control milling feed system， Key words： numeral control； feed system； checking design
2 联轴器的惯量可直接查出 J3 = 0． 0006kg·m J2 与 J3 和电动机直接叠加， 负载惯量
J L = J1 + J2 + J3 = 0． 00032 + 0． 000075 + 0． 006 = 0． 000455kg·m2 电动 机 惯 量 J M 应 符 合 条 件 J L ＜ J M ＜ 4J L ， 即 0． 000455 ＜ J M ＜ 0． 00182 根据上述计算， 可初选伺服 可选用 FB － 15 型， 电动机。如选用直流伺服电动机， 它的额度转矩为 17． 6N ·m， 大于最大切削负载转矩 Tl = 11． 64N·m； 它的转子惯量 J M = 0． 019 kg·m2 ， 满 足匹配要求。 （ 3 ） 空载加速转矩 T max FB － 15 型直流伺服电动机的最大输出转矩为 = 154N·m， 这个输出转矩发生在阶跃指令加速 2 πn max 60T max
1
1． 1
总体设计
数控机床的伺服进给系统的组成
极大的推动了机床行业的数控化发展 。 广泛运用， 这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性 ： 传 动效率高、 定位精度高、 传动可逆性、 使用寿命长、 同 步性能好。 滚珠丝杆螺母机构是回转运动与直线运动相互 转换的传动装置， 是数控机床伺服进给系统中使用 最为广泛的传动装置。在滚珠丝杆和螺母上分别加 工出圆弧形螺旋槽， 这两个圆弧形槽和起来便形成 了螺旋滚道， 在滚道内装入滚珠， 当滚珠丝杆相对螺 母旋转时， 滚珠在螺旋滚道内滚动， 迫使二者发生轴 向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来， 在螺 母的螺旋槽两端设有回程引导装置， 使滚珠能返回 丝杆螺母之间构成一个闭合回路 ， 由于滚珠的存在， 丝杠与螺母之间是滚动摩擦， 仅在滚珠之间存在滑 动摩擦。 1． 2． 2 滚动直线导轨副 滚动直线导轨副是由导轨、 滑块、 钢球、 返向器、 保持架、 密封端盖及挡板等组成， 具体结构如图 1 所 示。当导轨与滑块作相对运动时， 钢球就沿着导轨
— 187 —
上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚 动， 在滑块端部钢球又通过返向装置 （ 返向器 ） 进入 返向孔后再进入滚道， 钢球就这样周而复始地进行
可有效 滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖， 、 。 地防止灰尘 屑末进入滑块内部
图1
滚动直线寻轨副
（ 1 ） 滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入 使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚 适当的钢球， 动摩擦， 大大降低二者之间的运动摩擦阻力 ， 从而获 得以下效果。 ①动、 静摩擦力之差很小， 随动性极好， 即驱动 信号与机械动作滞后的时间间隔极短， 有益于提高 数控系统的响应速度和灵敏度。 ②驱动功率大幅度下降， 只相当于普通机械的 十分之一。 ③与 V 型十字交叉滚子导轨相比， 摩擦阻力可 下降约 40 倍。 ④适应高速直线运动， 其瞬时速度比滑动导轨 提高约 10 倍。 ⑤能实现高定位精度和重复定位精度 。 （ 2 ） 能实现无间隙运动， 提高机械系统的运动 刚度。 （ 3 ） 成对使用导轨副时， “误差均化效应 ” ， 具有 从而降低基础件（ 导轨安装面 ） 的加工精度要求， 降 低基础件的机械制造成本与难度 。 （ 4 ） 导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽， 接触应力小， 承接能力及刚度比平面与钢球点接触时 滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。 大大提高， （ 5 ） 导轨采用表面硬化处理， 使导轨具有良好 的可校性； 心部保持良好的机械性能。 （ 6 ） 简化了机械结构的设计和制造。 1． 2． 3 电动机的构造 电动机是一个圆柱体， 里面装有一对能产生磁 场的固定电磁极叫定子 （ 永久式和电磁式的区别就 永久式的定子是一对永久磁铁， 电磁式的定 在这里， 子是一对电磁线圈 ） 装在钉子中间的是一个能转动 又叫转子。 转子是由特种材料作 的电磁体叫电枢， 成的圆柱体， 套在电动机轴上。 电动机的工作原理 是在转子的纵向凹槽里嵌入有绝缘铜丝饶成的转子 — 188 —
i = 1， 电动机与丝杠直联， 丝杠的最高转速为 n max = 1500r / min， 根据公式 Ph = V max i·n max
计算出丝杠导程 P h = 4mm 2． 2 滚珠丝杠的选择 丝杠的最大载荷， 为切削时的最大进给力加摩
其摩擦力矩可忽视不计， 丝杠与伺服电 支端不预紧， F max P h + T η + T f2 ， 机直联， 故 i = 1 。带入公式 T l = 最 2 πη 6300 × 0 ． 01 Tl = + 0． 3 + 0． 2 = 大切削负载转矩为， 2π × 0． 9 11． 64N·m。 （ 2 ） 惯量匹配 负载惯量按下列次序计算， 工件及工作台的最 大质量为 800kg， 折算到电动机轴， 其惯量 J1 按公式 J1 = m v w