数控铣床进给系统设计_郭倩

— 187 —ຫໍສະໝຸດ 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
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 。
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
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
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
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． 006mm， 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 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
( ) ( ) ( )= 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
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
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。