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1、加工中心的工作台和伺服进给系统设计同济大学(200092)谢 红上海建筑科学研究所 高 健【摘要】研究和开发高性能的伺服进给系统,始终是研究现代数控机床的关键之一。加工中心的很多重要指标均取决于驱动及位置控制系统的动态性能和静态性能。因此,本文除介绍了加工中心的工作台、滚珠丝杠副、伺服电机、滚动直线导轨的选择计算外,还作了伺服进给系统中的传动精度计算、丝杠拉压振动和扭转振动的验算。关键词 工作台 滚珠丝杠副滚动直线导轨 固有频率加工中心工作台的进给运动是通过伺服驱动装置实现的。伺服驱动装置的性能,在很大程度上决定了机床的性能,因此,研究和开发高性能的伺服进给系统,始终是研究现代数控机床的关键之
2、一。本文所介绍的加工中心为立式,其工作台可进行X和Y向直线运动,另外工作台上面可固定夹具式回转工作台(Z向转动),使用时,回转工作台如夹具固定在直线进给工作台的T形槽内,不用时即可拆下。文中除作了工作台、滚珠丝杠副、伺服电机、滚动直线导轨的设计计算外,还作了传动精度计算、丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算。1 工作台主要参数及结构111 主要参数确定工作台面尺寸(长 宽 高):90050050,回转工作台面尺寸(直径 高):320220,材料为HT200总重量571kg。设定工作台进给速度为11500mm/min,快速进给速度15m/min,工作台X向工作行程为750mm,Y向工作行程为50
3、0mm,铣削最大直径为100mm。根据最大切削条件,加工高碳钢工件,查 机床设计手册 并计算得:总切削力为4900N,X向切削力为1715N,Y向切削力为4410N,Z向切削力为2573N。112 滚珠丝杠副的设计计算在本设计中,电机和丝杠直接相连,传动比为1,选择电机的最高工作转速1500r/min,工作负载的数值可用进给牵引力的试验公式计算。选定导轨为滚动导轨,从而设定摩擦系数,可算出最大牵引力。表1滚珠丝杠副的计算结果导程mm工作负载N平均转速r/mm最大动载荷N支承跨距mm丝杠全长mm临界压缩负荷kn最大工作负载N临界转速r/min公称直径mm101332100038312120013
4、003501984150050 查机床手册,选用插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副,型号为CMD5010-3,其额定动载荷38547N,额定静载荷112798N,圈数 列数=1152,丝杠螺母副的接触刚度1692N/m,螺旋升角338,螺母长度为170mm,取丝杠的精度为1级。计算结果见表1。113 滚动直线导轨选择计算采取两根滚动直线导轨副,每根导轨上有两个滑块,其总负荷为:8137N。设定总工作小时9000,每个滑块上的计算载荷为2043N。选定型号为HJG-D35AA2H321300D,额定动载荷为2914kN,额定静载荷为46kN。114 工作台结构 见图1、图2。2 伺服电机的选择选
5、用FANUC-BESK宽调速直流电机驱动,型号为FB-15,半闭环控制。制动器、测速机、编码器配装在电机内部。它属于永磁型多极电机,其特点是:定子磁极是高性能铁氧体,能承受高的峰值电3加工中心的工作台和伺服进给系统设计 谢 红 高 健图2Y向伺服进给系统结构151 连接板(1)161 丝杠(2)171 连接套筒 B 标准件图1X向伺服进给系统结构11 闷盖 21 工作台 31 丝杠(1)41 轴承盖 51 调整垫片 61 透盖71 密封圈 101 连接板(1)111 压板(1)121 压板(2)131 滑座141 轴套 B 标准件流,加速性能好;转子惯量大,在011r/min低速下仍能平滑运转
6、。设系统增益Ks为18(1/s),则速度环开环增益Kvos为54(1/s)。根据结构图计算各部分折算至丝杠轴的转动惯量,联轴节及锁紧螺母等传动件转动惯量Jc,滚珠丝杠转动惯量Js,工作台等移动件的换算值Jw,加上电机FB-15的转动惯量JM,全部转动惯量相加得Jr=01271(kgfcms2),验算:JMJr=0119401271=01716满足惯量匹配原则。加速能力验算:工作台能达到的最大加速度a=MmaxJrS2=15700127101012=91225m/s2系统要求的最大加速度amax=2vmax60T=vmaxKs30=151830=9m/s2aamax加速能力符合设计要求。对数控机
7、床,由于动态响应特性要求较高,所以电机力矩主要是用来产生加速度。Ma=Jr916Tnmax=01271150018916=762 Mmax=1570kgcm满足转矩匹配要求。2 传动精度计算滚珠丝杠的拉压刚度:Kk=d2E4L当导轨运动到两极位置时,有最大和最小拉压刚度,其中L值分别为750mm和100mm。则:KKmax=d2E4L=010522111054011=3927N/mKKmin=d2E4L=0105221110540175=52316N/m滚珠丝杠螺母的接触刚度为:Kc=1692N/m,滚珠丝杠用轴承的轴向接触刚度:KT=1080N/m,算得最小机械传动刚度:K0 min=11/
8、Kkmin+1/KC+1/KT=11/52316+1/1692+1/1080=29118N/m算得最大机械传动刚度:K0 max=11/Kk max+1/KN+1/KT=11/3927+1/1692+1/1080=56415N/m因此得到由于机械传动装置所引起的定位误差为:k=F01K0 min-1K0 max=28129118-156415=0105m其中F0为摩擦力。因为本设计选用的是1级滚珠丝杠,其任意300mm的导程公差为 6m,机床定位精度01012mm/300mm。所以=214m,可以满4现代机械 2002年 第2期足由于传动刚度变化所引起的定位误差小于(1/31/5)机床定位精度
9、的要求。再加上半闭环反馈系统的补偿,定位精度能进一步提高。由于采用了滚动导轨,因此由静摩擦力引起的重复定位精度也很小,一般能满足重复定位精度01006mm的要求。4 丝杠拉压振动和扭转振动固有频率验算由以上计算可知:轴承的接触刚度KT=1080N/m,丝杠螺母的接触刚度Kc=1692N/m,丝杠的最小拉压刚度Kkmin=52316N/m,螺母座刚度KM=1000N/m。(a).轴向拉压总刚度固定 简支方式的轴向拉压总刚度Ke由下式计算:1Ke=12KT+1KC+1KKmin+1KM=121080+11692+152316+11000得到 Ke=25213N/m(b).丝杠拉压振动的固有频率 s
10、s=Kem=252131069185600=664rad/s=6341r/min由计算可知丝杠拉压振动的固有频率远远大于1500r/min,所以能满足要求。(c).丝杠的扭转刚度Kniu=7184d41L=7184431541300=2159318Nm/r(d).平移物体的转动惯量Jw=56009181010122=114510-3kgfcms2丝杠转动惯量J s=41510-3kgfcms2;丝杠上传动件转动惯量Jc=01016kgfcms2,Jm=01194kgfcms2,丝杠扭转振动的固有赖率 T:T=Kniu/JW+Jc+Js/3=2159318/(1145+116+4135)10-3
11、=2179rad/s=20808r/min显然丝杠的扭转振动的固有频率远远大于1500r/min,所以,能满足要求。本次设计中滚珠丝杠副的润滑使用锂基润滑脂润滑。滚动轴承采用脂润滑,填充在螺母内部及涂在丝杠螺纹滚道上,滚珠丝杠副防护用全封闭式铁皮防护罩。参 考 文 献1 机床设计手册编写组.机床设床手册(第二,三册).北京:机械工业出版社,1980.2 廉元国,张永洪.加工中心设计与应用.北京,机械工业出版社,1995.3 实用数控机床技术手册编委会.实用数控机床手册.北京:北京出版社,1993.4 徐灏.机械设计手册.北京:机械工业出版社,1991.(上接第11页)推理效率和准确性需进一步提
12、高。参 考 文 献1 韩西京,史铁林,陈培林,杨叔子.故障诊断中事例推理的理论方法.华中理工大学学报,1999,Vol.4.2 袁楚名,周祖德,余彬海,陈幼平.基于模型与实例的混合推理用于故障诊断.华中理工大学学报,1999,Vol.4.3 张国,王日新,徐世昌.基于FTP技术的旋转机械故障远程诊断数据传输.振动工程学报,2000,Vol.13 No.s.4 杜华军,王聪,徐世昌.基于ActiveX技术的远程故障诊断系统的研究与实现.振动工程学报,2000,Vol.13 No.s.5 沈德明,刘振祥,高伟.振动状态监测、分析及故障诊断网络化技术.振动工程学报,2000,Vol.13.No.s.6 陈小虎,王汉功,陈桂明,康兴无.基于网络的远程设备故障诊断系统研究.振动工程学报,2000,Vol.13.No.s.7 王文利,段宝岩,刘宏.基于网络的机械设备远程监测与故障诊断.制造业自动化,1999,Vol.21.No.4.8 何岭松.基于因特网的设备故障诊断技术.中国机械工程,1999,10.5加工中心的工作台和伺服进给系统设计 谢 红 高 健
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