進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算與選用滾珠絲杠的功用滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算已知條件：工作臺重量W1=80KG =800N工件及夾具最大重量W2=200N工作臺最大行程LK=950mm工作臺導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為u=0. 1快速進(jìn)給速度Vmax =4m/ min定位精度為20um/ 300mm , 全行程 25um, 重復(fù)定位精度為年）。各種切削方式的縱向切削力Fa, 速度10um要求壽命為10000 小時(shí)（單班制工作十V 和時(shí)間比例q 及其他見下表表一各種切削方式的縱向切削力Fa, 速度V 和時(shí)間比

2、例q縱向切削力垂向切削力進(jìn)給速度工作時(shí)間百分比絲杠軸向載荷絲杠轉(zhuǎn)速切削方式Pzi( N)Vi ( m/ min)%( N)r/ minPxi( N )強(qiáng)力切削200012000. 610220060一般切削10005000. 830115080精切削500200150620100快速進(jìn)給001000375工件工作臺脈沖當(dāng)量 p數(shù)控裝置Z2變比 i絲杠螺距 TZ1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置檢測器進(jìn)給用滾珠絲杠裝配簡圖1） 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程PhVmaxi * nmaxVmax ：工作臺最高移動(dòng)速度nmax ：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；2）傳動(dòng)比電機(jī)與絲杠間為齒輪連接式，i=4（取一級減速齒輪）由上表查得 Vmax=4

3、m/ min ， nmax=1500r/ min代入得 Ph0. 67mm查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊取Ph5mm3） 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷Vi（ 1）各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速niph由上表查的v1 =0. 6,v2 =0. 8,v3 =1,v4 =4代入得 n1120， n2160， n3200， n4800（ 2）各種切削方式下，絲杠軸向載荷Fipxi (w1w2pzi ) /10F i ：絲杠軸向載荷，p xi ：縱向切削力，p zi ：垂向切削力由上表得 p xi( i=1, 2, 3, 4) 分別為 2000N , 1000N , 500N , 0Np zi( i=1, 2, 3, 4) 分

4、別為 1200N, 500N, 200N , 0N已知 w 1 800 N， w 2 200 N代入得 F i ( i=1, 2, 3, 4) 分別為2200N ， 1150N， 620N ， 1000N（ 3）當(dāng)量轉(zhuǎn)速nmn1 *t1 / 100+ n2 * t2 / 100+ n3 * t3 / 100+ n4 * t4 / 100數(shù)據(jù)代入得 nm 240r/ min（ 4）當(dāng)量載荷Fm = 3 F1 3 *n1 * t1F23 *n2 * t2 +F3 3 *n3 * t3 +F43 *n4 * t4nm *100nm *100nm *100nm *100帶入數(shù)據(jù)得 F m 1057N4

5、） 初選滾珠絲杠副由公式現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊（ 3. 7 24）知L106*( ca* ft * f h * fa * f k )3h60nmFmf w查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊表（3. 7 51）表（ 3. 7 54）得f t 1， f h 1， f a 1， f k 0. 53， f w =1. 3， L h 10000h代入數(shù)據(jù)可求得ca 13589N =13. 58KN4) 確定允許的最小螺紋底徑（ 1）估算絲杠允許的最大軸向變形量 m （ 1/ 3 1/ 4）重復(fù)定位精度m( 1/ 4 1/ 5 ) 定位精度m ：最大軸向變形量m已知重復(fù)定位精度10定位精度25mmm 3 m ，m 6 m取兩種

6、結(jié)果最小值m 3m（ 2）估算最小螺紋底徑絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式10* F0* LF0* Ld2 m 100.039*m * Emd2 m ：最小螺紋底徑 mmL（ 1. 1 1. 2）行程 +( 10 14)Ph靜摩擦力 F0 =0W1已知行程 950mm， W 1 800N,0=0. 2代入數(shù)據(jù)得 L =1110mm， F0 160N ,d2 m =9. 5mm5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號（ 5） 選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式（ 6） 由計(jì)算出的 Ph ， cam ， d2m 在現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副 FFZD4005 - 54.1X 向伺服

7、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)生產(chǎn)能力主軸最大轉(zhuǎn)速 80 轉(zhuǎn)/ 分鐘鞋楦規(guī)格回轉(zhuǎn)半徑 130mm、有效長度 350銑刀轉(zhuǎn)速11000轉(zhuǎn) / 分鐘電機(jī)功率0.75Kw定位精度±0.01mmB 軸轉(zhuǎn)角± 30°計(jì)算切削力圖切屑情況示意圖假設(shè)銑刀電機(jī)功率 0.75kw 全部轉(zhuǎn)化為切削功率，銑刀轉(zhuǎn)速 n=11000r/min ，銑刀的半徑 r=4cm 則：2r n 20.041100046.1m / sv6060由功率 PFV 可得 FY'P75016.3Nv46.1由于有四臺電動(dòng)機(jī)分別帶動(dòng)四個(gè)銑刀進(jìn)行切削，'故 FY4FY416.365.2N圖工作載荷示意圖根據(jù)經(jīng)驗(yàn)

8、公式：FL1.2FY1.265.278.24NFV0.3FY0.365.219.56NFC0.4FY0.465.226.08N取滾動(dòng)摩擦因數(shù)f0.05則摩擦阻力F摩 （FV GFC） f（19.56200026.08） 0.05 102N則滑臺的總阻力為：F阻FLF摩78.24 102 180.24 N伺服電機(jī)的選擇圖電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸（ 1） 初選電機(jī)：松下交流伺服電機(jī) MSMA 額定輸出功率為： 2.0kw額定轉(zhuǎn)矩為： 6.36Nm最大轉(zhuǎn)矩為： 19.1Nm額定轉(zhuǎn)速為： 3000rpm最高轉(zhuǎn)速為： 5000rpm電機(jī)慣量（有制動(dòng)器）： 3.81 10 4 kg m 2質(zhì)量為： 7.9kg編碼器：

9、絕對式， 2500p/r （分辨率 10000），5 線制增量式（ 2） 初選滾珠絲桿：公稱直徑 d m32mm基本導(dǎo)程 L010mm長度 S450mm由伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n3000rpm 可算得滑臺移動(dòng)速度為：VL0 n0.01 30000.5m / s60609.55180.240.5從而可算得阻力矩： Tz30000.2865 N m圖X 向伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（ 3） 電機(jī)的校核滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J s0.7810 3d 4S 0.7810 33.2460kgcm24.9110 4 kf m2電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J M3.81104 kg m2折算到電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：JeJ S m(V

10、)2J Sm( L) 24.9110 4200(20.01)29.98 10 4 kg m 223.14L其中： V2由于編碼器為： 2500p/r ，0.002S 發(fā)一個(gè)脈沖故 X 軸橫向進(jìn)給系統(tǒng)的最大加速度為：max36000222628rad / s225000.360阻力矩為： TZ0.2865Nm所需電機(jī)的扭矩為：T TZ( JeJ m ) max0.2865 (9.98 10 43.81 10 4 ) 6281.153Nm6.36Nm滿足條件i.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的匹配： Je9.9810 4 kg m 2J m3.8110 4 kg m2Je / J m2.623 滿足條件ii. 伺服電機(jī)

11、的發(fā)熱校核，假設(shè)伺服電機(jī)始終處于系統(tǒng)所需的最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)則： Tr 1.153N m又由： TN6.36Nm得出 TN / Tr5.51.26 （推薦 TN / Tr1.26 ）可知電機(jī)的溫升符合要求。iii. 轉(zhuǎn)速校核：經(jīng)校核滿足條件滾珠絲桿螺母副的計(jì)算與選型圖 工作載何示意圖FL 78.24 N ； FC26.08N ； FV19.56N（ 1） 計(jì)算進(jìn)給牽引力FmKF Lf ' ( FV2FC G)1.478.240.005(19.56226.082000)119.89N式中 K考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，取K 1.4f 滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.005G平臺重量： G 2000N。（

12、 2） 計(jì)算最大動(dòng)載荷cc3 L f m Fm60nTL106n1000 vLo式中 Lo 滾珠絲桿導(dǎo)程；vs 最大切削力下的進(jìn)給速度；T運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 fw1.2 1.5；f w 壽命，以 10 6 轉(zhuǎn)為 1 單位n1000v10000.550r / minLo10L60nT60501500045106106c3 L f Fm3451.2119.89Nm511.7a) 滾珠絲桿螺母副的選型查閱手冊，選用GDM3210-1-P3型內(nèi)循環(huán)滾珠絲桿螺母副，額定動(dòng)載荷為 24100N>511.7N，精度等級為 3 級。5 41'b) 傳動(dòng)效率計(jì)算tgtg ()式中螺旋升角，摩擦

13、角取 10，滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003 0.004tgtg5o 41'tg() tg (5o41'0.97110' )c) 剛度驗(yàn)算絲桿螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊。絲桿的拉伸或壓縮變形量1查得滾珠直徑為：D w5.953絲桿直徑為： dd m25.95320.094mmA 為滾珠絲桿按內(nèi)徑確定的截面積：A1d 20.25 3.1420.0942316.96mm241Fm L119.894000.000734mmEA20.6104316.96（ 3） 滾珠與螺紋滾道之間得接觸變形2一圈的滾珠數(shù)： Zdm3323 14D w5.953滾珠的總數(shù)量： ZZ圈數(shù)列數(shù)14 1228絲桿無預(yù)

14、緊時(shí)：20.0038 31( Fm ) 20.0038 31(119.89) 20.00553mmD WZ5.95328（ 4） 支承滾珠絲桿軸承得軸向接觸變形3采用角接觸球軸承7205C其中： d25mm； dQ6.75mm； Z 18'1Fm20.0024 31119.8920.004496mm則： 3 0.0024 3()()dQZ6.7518由于軸承進(jìn)行了預(yù)緊：132'30.002248故絲桿的總變形量：1230.0007340.005530.0022480.008512 mm因?yàn)橐蟮亩ㄎ痪葹椋?.01mm0.01mm所以滿足條件。a) 壓桿穩(wěn)定性校核圖滾珠絲桿支承