VCM40加工中心伺服系统计算机辅助设计

VCM40加工中心伺服系统计算机辅助设计摘 要当今，数控加工中心在制造业中的应用越来越广泛。数控加工中心的普及程度和应用水平，已经成为衡量一个国家综合国力与工业生产水平的重要标志，也成为衡量一个产品制造企业生产加工能力的重要指标之一。随着数控加工中心的大量应用，产品制造企业急需大量熟练的数控加工中心应用人才。但目前大中专院校缺乏适当的数控加工中心培训设备，这已经成为数控加工中心人才培养工作中急需解决的关键问题之一，VMC40加工中心的研制就是为解决此问题而提出的。本文对VCM40加工中心的研制进行了深入分析，具体讨论了加工中心的整体结构设计和伺服进给系统的性能。通过对滚珠丝杠和滚动导轨副进行计算和选择，以及对进给伺服电机和与之相配的伺服驱动器计算和选型，确定了加工中心的伺服进给系统的结构。在上述工作的基础上，作者建立了VMC40加工中心进给伺服系统的数学模型，并对系统进行性能分析。关键词：加工中心，伺服系统, 滚珠丝杠 Computer Aided Design of Machine Centre Servo Feed System on VCM40 ABSTRACTToday, machining centers have been extensively used in manufacturing industry. Study of the develop of machining centers has been one of the focuses in design area.Now a great lot of persons with ability of machining centers are in dire need of. But the school has no proper equipment for bring up the persons with ability of machining center which has become the key problem now. The machining center VCM40 is the solution of the problem. The thesis aims at developing a kind of machining centers which have numerous functions and are able to machine some precise and complex parts and their cost is low.In this thesis, the development of the machining center VCM40 is thoroughly analyzed. Firstly, the structure alternative of the machining center is proposed. During the process of design the structure alternative of the machining center is proposed. During the process of design the feed system of the machine, the ball screw assemblies and the scroll guides are chosen based on the corresponding calculation, and the model of the servo motors of the servo feed system is designed. Based on the system designed above, the mathematical model of the feed system is constructed and the performances of the system is analyzed. KEY WORDS: Machining Center，Servo System，the Ball Screw Assemblies50目录VCM40加工中心伺服系统计算机辅助设计1第1章 绪论51.1 数控机床概述51.2 加工中心概述61.3 本课题的主要工作7第2章 VMC40加工中心的总体结构设计82.1 VMC40加工中心的总体布局82.1.1加工中心总体布局设计的一般原则82.1.2VMC40加工中心的总体布局设计92.1.3加工中心的组成112.2 VMC40加工中心的机床本体的设计132.2.1加工中心的机械部分的要求132.2.2VMC40加工中心基础件的设计142.2.3VMC40加工中心主轴部件的设计162.2.4VMC40加工中心刀库和换刀装置的设计182.2.5VMC40加工中心润滑回路和气压回路的设计192.3 VMC40加工中心伺服进给系统的设计192.3.1加工中心伺服进给系统的分类192.3.2加工中心伺服进给系统由以下主要部分组成222.3.3本加工中心伺服进给系统各组成部分的确定22第3章 进给伺服系统关键部件的设计与计算253.1 切削力的计算253.2 滚珠丝杠副的选择与计算273.2.1滚珠丝杠副的介绍283.2.2滚珠丝杠副的计算303.3 伺服电机的选择计算343.3.1作用在滚珠丝杠副上各种转矩计算353.3.2符合转动惯量及系统转动惯量计算353.3.3加速转矩和最大加速转矩363.3.4电机的最大启动转矩373.3.5电机连续工作的最大转矩373.4 滚珠丝杠副的验算373.4.1 传动系统刚度验算373.4.2 传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择393.4.3 滚珠丝杠副临界压缩载荷的校验（验算压杆稳定性）403.4.4滚珠丝杠副的极限转速的校验403.4.5基本轴向额定静载荷验算41第4章 伺服进给系统的性能计算424.1 伺服进给系统的工作原理和要求424.2 加工中心伺服进给系统的结构434.3 伺服系统的数学模型444.3.1 伺服系统的数学模型44结论51谢 辞52参考文献53第1章 绪论1.1 数控机床概述 随着科学技术和社会生产力的迅速发展，人们对机械产品的生产率和加工质量提出了越来越高的要求，而实现上述目的重要措施之一就是实现机械加工工艺过程的自动化。机械加工工艺过程的自动化不仅能够提高产品质量、提高劳动生产率、降低劳动成本，而且能够极大的改善生产者的劳动条件。同时，随着科学技术的快速发展和市场竞争的日益激烈，工业产品的品种不断增加、产品更新换代周期不断缩短，机械产品的生产越来越表现出中小批量的特点；据有关资料统计显示，单件以及小批量生产的零件约占机械加工总量的80%左右。因此，人们对机械行业的生产设备提出了更高的要求，不仅希望生产设备具有更高的加工精度，而且希望生产设备具有更好的柔性化的特点。在解决上述问题的过程中，以实现多品种、小批量产品零件高精度自动加工生产为目的数控机床（Numerical Control 简称NC）便应运而生，而且以惊人的速度向前发展，成为一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁改型的“柔性”自动化机床。1948年美国帕森斯公司（Parsons Co.）在研制加工直升机叶片轮廓检验样板的机床时，首先提出了用电子计算机控制机床加工复杂曲线样板的新概念，并受美国空军的委托与麻省理工学院（MIT）伺服机构研究所进行合作，于1952年研制成功了世界上第一台用专用电子计算机控制的三坐标历史数控铣床。机床是机械制造业中的工作母机，机床的技术水平和加工水平，将直接影响到应用企业的技术水平、产品质量和经济效益。数控机床具有加工精度高、柔性好、自动化程度高、可靠性高和生产率高等优点，更适合加工多品种、中小批量和结构形状复杂的零件。目前，数控技术的应用已深入到各行各业，尤其在机械电子和复杂零件加工等工业领域得到了快速而广泛的应用。当今数控加工中心在制造业中的应用越来越广泛。数控设备的普及程度和应用水平，已经成为衡量一个国家综合国力与工业现代化水平的重要标志，也成为衡量一个产品制造企业生产加工能力的重要指标之一。因此，各国都在积极发展数控机床和数控设备制造技术，以打草提高产品制造企业生产能力和产品的竞争力的目的。1.2 加工中心概述加工中心是数控机床的进一步发展和综合。1958年，美国KT公司首次把钻、铣、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，研制成功了世界上第一台加工中心。加工中心（Machining Center 简称MC）是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它综合了计算机、自动控制、伺服系统、精密测量和新型机械结构等方面的最新技术成果，并已成为现代制造系统（FMS，CIMS等）中的关键设备和基础单元。加工中心是指带有刀库和自动换刀装置的数控机床，它综合了多台机床的功能，并通过刀库和自动换刀装置实现不同数控机床功能的转换，并且自动改变机床主轴转速、进给速度完成加工。由于加工中心能够集中完成多种工序，因而具有以下特点：a、 减少工件装夹、测量和调整的时间，减少工件周转、搬运存放的时间，使机床的切削利用率高于普通机约34倍；b、 一次装夹能够完成多到工序的加工，达到了减少重复定位次数，提高了工件加工精度的目的；c、 综合实现了多台机床的功能，减少了生产所需的机床数量和占地面积。综上所述，加工中心是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合机床，它不仅能够大幅度地提高弓箭的加工精度，而且极大地提高产品制造的生产率。由于加工中心的上诉优点，它出现后得到了快速的应用和发展，成为数控机床中发展最快、需求量最大的产品之一。1.3 本课题的主要工作所研制的VMC40加工中心应满足下列要求：a、 应保证数控加工中心具备适当的加工精度和较齐全的工作性能，能够满足一般生产所要求的加工工艺范围。在该数控加工中心上进行操作训练，等同于到企业生产现场进行培训，使学生获得的技能最大限度地应用于生产实际。b、 满足加工中心教学的特殊需要。该数控加工中心在结构设计上应有利于实践教学。在结构上便于学生观察加工中心工作情况。在结构上能裸露部分尽量裸露；对导轨等要求进行防护的部分采用快卸防护结构，以便于拆卸和安装。c、 较低的产品价格。从而使大多数高等工科院校、职业学校和技校都能买得起、用得上。 作者在该项目中，主要参与了总体方案的确定，负责完成机床本体结构的设计和X、Y、Z三轴的进给传动系统的设计工作，参与了零部件的制造和选购以及加工中心的安装调试等工作；并在加工中心的研制过程中，对X、Y、Z三轴的进给传动系统建立了数学模型，通过性能分析，设计了PID控制器，显著地改善了伺服系统的性能。本文的主要工作和研究内容如下：a、 在对VMC40加工中心设计目标进行分析的基础上，确定了项目设计的基本要求。b、 确定了VMC40加工中心的总体结构设计方案。c、 完成了机床主题的主要部分的设计。d、 完成了X、Y、Z三轴的伺服进给传动系统的设计，根据系统性能指标计算并选择了伺服电机、滚珠丝杠副和滚动导轨副。e、 对加工中心的伺服进给系统建立了合适的数学模型，并在此基础上对系统性能进行认真分析。f、 在系统性能分析的基础上，通过仿真和实验，验证了所建立数学模型的正确性。第2章 VMC40加工中心的总体结构设计在对设计任务进行深入分析后，我们确定了VMC40加工中心的总体结构设计方案。根据设计目标及要求，确定了该加工中心采用龙门动柱式镗铣类立式结构，此外本章还确定和选择了机床的总体布局设计、各个机械部分的结构、伺服进给系统的类型以及选择了加工中心的数控系统等。2.1 VMC40加工中心的总体布局2.1.1加工中心总体布局设计的一般原则加工中心的总体布局是其设计中带有全局性的关键问题。总体布局往往取决于被加工零件的结构类型和加工工艺，并影响着机床的使用性能。因为数控机床要求高精度、高效率、高刚度、高自动化，所以其总体结构如何合理配置协调，更应引起足够的重视。机床总体布局的内容包括确定机床各主要部件间的相对运动和相对位置关系两方面。在设计加工中心的总体布局时，需要考虑的因素有：a、 机床的运动及其分配 加工工件需要道具、工件的相对运动。运动执行件的运动分配可以是多种方案，既可以是刀具运动工件静止，也可是刀具精致工件运动，究竟“谁运动谁静止”一般遵循“谁轻便谁运动”的原则，其中被加工工件的尺寸、形状和质量起着决定作用，布局还应保证机床部件或总体上有较好的结构刚度、抗震性和热稳定性。b、 加工精度 设计对加工精度和表面质量要求较高的机床时，应尽量提高机床的传动精度和刚度，减小振动和热变形等。为了提高机床的精度，除了适当地选择传动件的制造精度外，应尽量缩短传动链。为了提高机床的刚度，机床应尽量形成框式结构。为了减少机床在工作中的振动，精密和高速机床常采用分离传动，将电机和变速箱等振动较大的部件和工作部件分装在两个地方。c、 便于操作、观察和调整 机床的布局必须充分考虑到操纵机床的人，处理好人机关系，充分发挥人与机床各自的特点，使人的综合效益能达到最佳。因此，机床各部件的相对位置的安排，应考虑到便于操作和观察加工情形，还应避免操作者弯腰工作，以减轻疲劳。对于数控机床而言，还要考虑显示屏幕和操作键盘都应该放在操作和观察的位置。设计中，应首先确定加工对象及加工方法，而后考虑机床必备的运动和相应部件，结合机床性能要求，确定这些部件的相对位置和运动。2.1.2VMC40加工中心的总体布局设计在进行总体布局设计之前，首先应明确本加工中心的基本参数和设计要求。本加工中心的基本性能参数如下：1）主机（1）工作台。工作台外形尺寸(工作面) 1200mm450mm(1000mm320mm)工作台T形槽宽槽数 18mm3（2）移动范围。工作台左右行程(X轴) 750mm工作台前后行程(Y轴) 400mm主轴箱上下行程(Z轴) 470mm主轴端面距工作台距离 180650mm （3）主轴箱。 主轴锥孔 锥度724主轴转速(标准型，高速型)22.52250rmin主轴驱动电动机功率(额定30min) 5.5kW7.5kW（4）进给速度。快速移动速度(X、Y轴) 14mmin(Z轴) 10mmin进给速度(X、Y、Z轴) 14000mmmin（5）自动换刀装置。刀库容量 16把 选刀方式 任选最大刀具尺寸（直径长度） 100mm300mm最大刀具质量 10kg 库电动机功率 1.4kW（6）精度。定位精度 0.012mm300mm重复定位精度 0.006mm（7）承载能力。工作台允许负载 500kg滚珠丝杠尺寸(X、Y、Z轴) 40mm10mm钻孔能力(一次钻出) 32mm攻丝能力 M24mm 铣削能力 100cm3min （8）其他。气源压强 4968.6Pa(250L/min)机床质量 4.5t 占地面积 3500mm3060mm 根据VMC40经济教育型加工中心的设计要求，加工中心的整体结构设计可以从两个方面来考虑：一方面是希望本加工中心的加工能力强，加工范围广，能满足多种常见工艺的加工；另一刚面还要考虑本加工中心具有较低的生产成本。加工中心按主轴加工时的空间位置分为立式和卧式两种类型。卧式加工中心主轴轴线水平设置，和立式加工中心相比，结构复杂，占地面积大，质量大，生产成本高。立式加工中心的主轴轴线为垂直设置，其结构简单，占地面积小，生产成本低。配备各种附件后可满足大部分常见的加工工艺要求。加工中心按工艺用途分有镗铣类加工中心、复合加工中心及车削加工中心。镗铣类立式加工中心结构简单，占地面积小，生产成本低，且一次装夹后，可连续进行铣、钻、钱 ,铰等多种常用工序的加工，适用范围较广。复合加工中心主要指五面复合加工，功能较多，成本较高。车削加工中心主要用于回转类零件的加工。考虑到本加工中心的设计要求，决定采用镗铣类立式结构形式。这种形式能够进行多种工序的加工，加工工艺范围大，且占地面积较小、生产成本低，能够满足设计要求。 传统的机床结构由床身、立柱、主轴箱、工作台等部分串联而成的“C，形结构，其作业范围大，控制相对简单，但是存在如下固有缺陷:1）机床主要结构不但承受拉载荷，而且还承受弯扭载荷。为了保证刚度，通常需要制造粗笨的结构支撑件和运动部件。这就需要消耗较多的材料而且也制约了进给速度和加速度的大幅度提高；2）由于零部件多，结构复杂，机床的模块化、标准化程度受到严重限制。高速机床结构设计方向是增强刚性和减轻移动部件重量，如国际上普遍采用龙门式、框式、O型整体结构、箱中箱式等各种机床的结构等。本加工中心采用龙门动柱式结构，这种结构的相对运动是工作台固定而刀具移动，这样能够使加工中心的移动部件（主轴）的重量保持不变，从而不会因工件的重量变化而影响系统的原有参数设定，从而保证机床始终在最佳状态下工作，有助于工件加工质量和加工精度的保证；同时，与同规格的固定立柱式加工中心相比，这种设计使机床的整体尺寸较小、结构紧凑、减小总体尺寸、降低生产成本、提高设计的经济性。同时本机床还考虑排屑、冷却和换刀装置，使机床具有相应的功能，并使机床的总体结构尺寸较小。排屑系统的水箱和铁屑槽放置在底座的中间，在底座的左后方，安装有刀库，其容量为16把刀，可完成各种孔加工和铣削加工。当前数控机床的布局大都采用机、电、液、气一体化布局全封闭或半封闭防护。为了便于学生了解机床的结构，本加工中心采用半封闭防护，对滚珠丝杠副和滚动导轨副作了防护。 VMC40加工中心的实物照片和总体布局分别如图2-1和2-3所示。该加工中心可完成铣、镗、钻、锪、铰和攻螺纹等多种工序，适用于小型板类、盘类、模具类和箱体类等复杂零件的加工，能满足多种常见的加工要求，具有适用面广，占地面积小，生产成本低等优点。2.1.3加工中心的组成加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，其组成和数控机床的相同。数控机床的基本结构如图2-2所示，主要有输入输出设备、数控装置、伺服系统和机床本体四部分组成。图2-1 VMC40加工中心照片图2-2 数控机床的组成a、 输入输出装置 实际中所加工的零件形状复杂，故加工中心一般需要采用CAM软件通过计算机进行辅助编程。因此，本加工中心配备了RS232串行接口等常用的输入装置，便于程序的调用和传输。其作用是 将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，并将气传送及存入数控装置内。b、 数控装置 选择了FANUC数控系统，此系统具有很高的可靠性，功能齐全，适用范围广，技术服务优质可靠，操作界面直观，操作简便，易于掌握和使用，非常适合学生的学习、操作和使用。它的作用是接受输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令来控制机床的各个部分的动作。c、 伺服系统及位置检测装置 采用FANUC6L直流伺服系统。该电机具有良好的事件响应性能指标。响应速度快，超调量小，稳定性好，满足本控制系统对电机控制性能的要求。检测装置为和直流伺服电机一体的编码器。伺服系统是由伺服驱动电路和伺服驱动装置（电机）组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。d、 机床本体 数控机床的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高。2.2 VMC40加工中心的机床本体的设计加工中心的机械本体是数控机床的主机部分，其组成为：1）基础件;包括底座、立柱等起支撑作用的部分。2）主传动系统：传递切削所需的转矩和功率。3）进给传动系统：实现机床移动部件的准确运动。4）辅助部分：包括液压系统，冷却、润滑和刀库等部分。2.2.1加工中心的机械部分的要求数控机床的机械系统是从普通机床改革、改造而逐步发展而来的。在发展的最初阶段，采用的方法是在普通机床上进行改装或局部的改进设计，再装备上数控装置。但随着数控机床的工作特点的变化和工作性能的提高，它在外型造型、整体布局、支承部件、机械传动系统、刀具系统的部件结构以及操作机构等方面都发生了很大的变化，对机床提出了更高的要求。因此普通机床的一些弱点如刚性不足、抗震性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大，及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。因此数控机床与普通机床相比，除了进给部分采用伺服电机组成伺服单元，由数控装置运行数控加工程序，进行自动控制之外，数控机床的设计已经由改装设计转变为针对数控机床的要求进行全新的设计，并已经形成了数控机床的独特机械结构。与普通机床相比，数控机床的机械结构有以下特点：a、 数控机床采用了高性能主轴部件及传动系统，机械传动结构简化，传动链较短。b、 数控机床机械结构具有较高的刚度和耐磨性，热变形小。c、 更多采用高效传动部件如滚珠丝杠副、静压导轨、滚动导轨等。 因此在设计数控加工中心时，充分考虑数控机床的特点进行设计。2.2.2VMC40加工中心基础件的设计基础件是机床的基础构件，其作用是支撑，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。在切削时，刀具和工件之间相互作用的力沿着大部分支承件逐个传递并使之变形，同时支承件的热变形会改变执行部件的相对位置和运动轨迹，会影响加工精度。因此，基础件的设计是很重要的。对基础件的基本要求是：具有足够的刚度；具有较好的动态性能；基础件的设计应使整机的热变形较小；应排屑畅通、吊装安全，具有良好的工艺性，以便于制造和装配。如加工中心的总图2-3所示，本加工中心的基础件是底座、左右立柱和横梁。与传动机床相比，本加工中心的底座采用组合焊接件。底座是整个机床的基础支撑件，用来放置导轨、主轴箱、鞍座、横梁和立柱等重要部件，因此对其刚度、抗震性和热稳定性都有相应的要求。采用型钢和板材焊接成底座，具有许多优点：a、使用铸造较复杂，采用焊接不需要木模和浇铸，生产周期短。又不易出废品，同时节约了材料，节省了模具费用；b、减轻机床重量，钢的弹性模量约为铸铁的1.5到2倍。在形状和轮廓尺寸相同的前提下，如果要求刚度也相同的话，钢焊件的壁厚可比铸件的薄；c、可采用完全封闭的箱式结构，不像铸件那样要流出砂孔d、如发现缺陷可及时采取补救措施。因此，底座的设计较好的体现了本加工中心的经济性，而且钢板的弹性量大，有利于提高机床的固有频率。另外在设计时，底座中间留有空间，以放置水箱和铁屑槽，使整体结构更紧凑，尺寸更小。底座的结构如图2-4所示。图2-3 VMC加工中心布局图1.底座 2.立柱3.横梁 4.主轴箱 5.刀库 6.电控箱 7.工作台 8.排屑系统图2-4 底座左右立柱和横梁为封闭的箱型结构。左右立柱和横梁承受两个方向的弯矩和扭矩，故横截面形状近似地取为方形，且内壁设置有较高的竖向筋和环形筋，故增强了刚度。2.2.3VMC40加工中心主轴部件的设计主轴是传递主切削力的部件，并做高速旋转运动，因此主轴部件的刚度、强度、精度和散热是需特别注意的关键技术。对于立式加工中心来讲，主轴部件通常是由主轴、轴承和主轴上的传动件等一般组成外，还应具有刀具自动夹紧、主轴自动准停和主轴装刀孔吹屑等装置。其结构如图2-5所示。图2-5主轴部件主轴为中空外圆柱零件，前端装定向键，与刀柄配合部位采用7: 24的锥度，设计为BT40主轴。主轴的支承采用角推力球轴承。主轴电机通过1: 2的减速比的同步带带动主轴的转动。主轴电机为三菱交流变速电机，可实现无级变速，最高转速为8000r/min，经过1: 2的减速，主轴可获得4000r/min的转速，考虑实际上主轴轴承及相关零件的精度和温升，因此满足规定的3000r/min的转速。刀具自动抓紧与松开机构及主轴装刀孔吹屑装置装在主轴内孔中，刀具自动抓紧与松开机构由拉杆、刀抓、活塞和蝶簧等组成。抓紧时，活塞上无气压，活塞靠蝶簧的弹力上移，从而带动拉杆上移，刀抓进入套筒中，将刀杆拉紧。松刀时，活塞上加气压，使活塞杆下移，并压缩蝶簧，并推拉杆向下，从而使刀杆下移，刀抓从套筒中伸出，便松开了刀具。为保证具有刀具自动夹紧和松开的安全，配有行程开关发出相应的信号给数控系统。活塞杆孔的上端接有压缩空气，当机械手把刀具从主轴中拔出后，压缩空气通过活塞杆和拉杆的中孔，把主轴锥孔吹净。主轴准停功能的实现是靠主轴尾部的感应开关来实现。因主轴作高速旋转运动，所以需用非接触式的感应开关。数控机床的热变形是影响加工精度的重要因素，在设计时应考虑热变形的影响。主轴发热最多的部位是轴承，故必须考虑对轴承的冷却问题。设计时，将切削液回路安排成首先经过后轴承外面的主轴箱，再接喷嘴流出，使主轴箱的最下一格成为一个冷却回路。这样不仅有效地对轴承进行了冷却，而且节省了冷却回路，减低了成本。2.2.4VMC40加工中心刀库和换刀装置的设计加工中心的换刀方式有：机械手式和无机械手式。根据刀具的数量，刀库的结构有：链式、盘式和格子式等种类。考虑到本加工中心只有16把刀，刀库的结构选用旋转刀盘方式。换刀选用主轴运动抓刀方式来实现。这种设计结构简单、调试方便、又能满足学生学习的需要。根据主轴的功率大小和切削工件情况，刀具选择最常用的BT40型，用弹簧力夹刀。为防止主轴抓刀时由于向上的运动导致刀具受损，在刀库的设计时，使刀架进行一定角度的旋转并配有调整块，不仅能调整刀盘的垂直度，而且可保证抓刀时不使主轴和刀具受损。选刀是将装有标准刀柄的刀具放置在圆盘形刀库的周边，电机带动槽轮转到实现刀库的转动，由槽轮上的感应开关控制旋转角度来实现的。刀库及换刀装置的结构如图2-6所示。 图2-6 刀库及换刀装置2.2.5VMC40加工中心润滑回路和气压回路的设计本加工中心的润滑回路和气压回路的几乎所有元器件都采用标准件，使系统具有良好的互换性，价格也更经济。2.3 VMC40加工中心伺服进给系统的设计在数控机床上，伺服系统接受来自来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为工作台相对于刀具的运动。因此，伺服系统是数控计算装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。伺服驱动系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。加工中心的重要指标，如最高移动速度、跟踪精度、定位精度等，均取决于伺服驱动系统的动态与静态性能。2.3.1加工中心伺服进给系统的分类伺服驱动系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其控制原理和有无位置反馈环节分为开环系统和闭环系统；电气伺服控制系统又有交流伺服驱动系统和直流伺服驱动系统之分。a、 进给驱动和主轴驱动 进给驱动是用于数控机床工作台的控制系统，控制机床各坐标轴的进给运动，并提供所需要的转矩。对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调速范围的大小和调节精度的高低以及动态响应速度的快慢。主轴驱动控制主轴的旋转运动，为主轴提供驱动功率。对于主轴驱动系统主要关心是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。鉴于主运动伺服系统通常不如进给伺服系统要求高。所以，本文着重讨论如何提高进给伺服系统的性能。b、开环控制和闭环控制 位置控制的职能是精确地控制运动部件的坐标位置，快速而准确地跟踪指令运动。数控伺服驱动系统按有无位置反馈分为开环控制、半闭环控制和闭环控制三种。1)开环控制系统 工作台不需要位置检测及反馈装置，CNC系统输出的控制信号送给伺服驱动器，驱动器带动伺服电机转动，通过丝杠带动工作台移动，工作台移动的速度和位移量直接由指令脉冲数量和频率确定，无需检测工作台的实际位置。开环进给伺服系统采用步进电机作为驱动元件，其结构简单、运行平稳、工作可靠、造价低廉，但由于机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，对定位精度有一定影响，故其精度和快速性较差。因此开环系统常用于经济型数控或老设备的改造。如图2-7所示。图2-7 开环控制系统框图2)半闭环控制系统 半闭环系统一般采用角位移检测原件，将位置检测元件安装在电动机轴上，用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠副等传动部件，将角度转化成工作台的位移。半闭环伺服系统没对机械传动误差进行补偿，所以其精度低于闭环控制系统，调试比闭环控制系统方便，且由于机械传动装置的刚性和摩擦阻尼等因素大部分不包括在位置控制环内，所以一般情况下系统都能稳定工作，同时检测元件结构简单，安装方便，稳定性好，价格便宜，因而得到广泛的应用。如图2-8所示。图2-8 半闭环控制系统框图3）闭环控制系统 闭环伺服系统的位置检测装置直接安装在机床的移动部件上，检测装置直接测出实际位移量，或实际所处位置，并将测量值反馈给数控装置与指令进行比较求得差值，以此构成闭环位置控制，驱动部件采用直流伺服电机或交流伺服电机。闭环控制系统的控制精度高、快速性好，该系统消除了包括工件传动链在内的传动误差，因而定位精度高，但其调试和维修都较困难，系统复杂，成本高，一般用于精度要求较高的大型数控机床上。如图2-9所示。图2-9 闭环控制系统框图c、电气控制系统 电气控制系统有交流(AC)伺服系统和直流(DC)伺服系统之分。直流大惯量伺服电机具有良好的调速性能、输出转矩大、过载能力强；直流小惯量伺服电机比较适应数控机床对频繁启动、制动及快速定位与切削的要求。但直流电机一个最大的特点是具有电刷和机械换向器，从而限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展。交流伺服系统克服了直流驱动系统中电机电刷和整流子要经常维修、电机尺寸较大和使用环境受限制等缺点。它能在较宽的调速范围内产生理想的转知、结构简单、运行可靠，适应当今高速、高精度机械加工的需要。2.3.2加工中心伺服进给系统由以下主要部分组成a、 驱动装置 包括放大器、伺服电机和测速计；b、 机械传动装置 滚珠丝杠副和机床移动部件；c、 检测装置 编码器，其作用是检测工作台的位置并将信号进行反馈；d、 计数与比较、转换装置 将输入指令与反馈信号进行比较，并将比较后的数字信号转换为电压信号。 2.3.3本加工中心伺服进给系统各组成部分的确定对伺服系统来说，判断控制品质的好坏主要有以下三个方面：1）控制精度：输出量是否控制在目标值所允许的误差范围内；2）快速性：输出量是否快速而准确地响应控制命令；响应速度、跟踪控制命令的能力如何；3）稳定性：伺服系统是否稳定；稳定是控制系统正常工作的前提。a、 伺服控制类型的选择 开环系统无法满足本加工中心进给位置控制精度的要求。为了在伺服系统中获得高精度的控制品质，最好采用闭环系统，其能直接检测伺服机构的实际位置和实际速度，并作为反馈信息送入到系统的输入端与指令值进行比较。但实际上，闭环系统检测元件价格昂贵，并且将丝杠螺母副、齿轮传动副等包含在闭环中，结构复杂，调试安装困难。而且连接伺服电机的机械离合器、变速机构、旋转轴等是否连接得很好以及摩擦阻力的变化等复杂因素也可能使伺服系统的稳定性变坏。半闭环系统精度没有闭环系统高，但调试容易，稳定性较好，对于本加工中心的进给位置控制而言，精度完全能够达到要求。且由于伺服传动链短，故伺服刚性好，而且也能够满足精度要求。因此决定采用半闭环控制，并在伺服电动机轴轴端安装编码器。在半闭环伺服进给系统中，由于机械传动装置的刚性和摩擦阻尼等因素大部分不包括在位置控制环内，所以一般情况下系统都能稳定工作。但因为摩擦力引起的位置误差在半闭环系统中是不可避免的；而且输出与输入之间的环形滞后现象主要发生在丝杠与工作台间，约占机械传动装置总滞后量的70%，所以在半闭环伺服进给系统的设计中，主要考虑的设计要求是定位误差，并由此决定系统机械传动装置刚度的大小，以及由于伺服刚度引起的死区误差。b、 伺服电机类型的确定 数控机床常采用的电动机有步进电机、交流伺服电机和直流伺服电机。步进电机具有工作状态不易受各种干扰因素的影响，不会有积累误差，控制简单，成本低的优点；但它在高速和大转矩情况下，易失布和丢步。70年代以来随着大规模集成电路和计算机控制技术的应用，特别是矢量控制技术的应用，使得交流伺服电机具备了调速范围宽、精度高、动态响应快以及其它良好的技术性能。因此交流伺服电机得到了广泛的应用。直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率优良的控制性能，但由于使用电刷和整流子，故寿命较低，需定期维护。但直流伺服电机的调速简单，机械特性硬，超载能力强；而且本加工中心主要用于教学，希望其调速简单，超载能力强，所以采用直流伺服电机。c、 机床传动部件类型的确定 数控机床的运动精度和定位精度不仅受到机床零部件的加工精度和装配精度、刚度及热变形的影响，而且与运动的摩擦特性有关。所以要提高运动精度和定位精度，必须设法提高进给运动的低速运动平稳性，减小间隙、摩擦系数，缩短传动链。在丝杠和导轨的选择时，选择滚珠丝杠副和直线滚动导轨副，以减小摩擦，提高系统的精度。d、 本加工中心的进给传动系统 本加工中心是三轴运动，工作台是静止不动的，主轴箱分别沿着横梁、立柱和鞍座作X向、Y向和Z向运动。从伺服驱动系统发出的信号，传递给进给电机，电机轴通过联轴器和滚珠丝杠副相连，从而带动机床的移动部件运动。X方向是带动鞍作左右运动，Y向是带动机床的横梁作前后运动，Z向是带动机床的主轴作上下运动，从而实现了机床的三轴运动。本加工中心的X、Y轴的传动系统如图2-10所示。因为它的Z轴不能自锁，其电机带有抱闸以实现Z向的制动。而且Z向较重，所以其传动系统增加了减速带轮，以便使其电机能和Z向伺服系统的等效惯量相匹配。X、Y、Z三轴各有一套基本相同的伺服驱动系统。图2-10 进给传动系统图第3章 进给伺服系统关键部件的设计与计算机床所具有的加工精度、工件表面粗糙度取决于机床进给伺服系统。机床进给伺服系统的关键部件有滚珠丝杠副、滚动导轨副和伺服电机。因此，机床进给伺服系统的关键部件的设计对进给伺服系统的伺服性能影响很大。所以，作者对这一部分进行了认真的计算、选用和校核，以满足加工中心的要求，并保证加工中心能正常稳定地工作。具体的设计计算内容包括：运动部件惯性计算，滚珠丝杠副及其支撑、伺服电动机及滚动导轨副计算和选择。根据前面所述的加工中心总体结构图可知，本加工中心的负荷较重的是Y向，Y向的传动系统如图3-1所示。因此，以Y向的设计来说明设计过程，而X向和Z向的设计过程和Y向的相似。Y向的移动部分的重量约4500N。图3-1 直流伺服电机驱动的进给系统示意图3.1 切削力的计算在刀具的作用下，被切削层金属和工件表面层金属都要发生弹性变形和塑形变形，因此产生变形抗力；同时在切削过程中，刀具和切屑、工件表面之间存在摩擦力，这些都是切削力的来源。切削力直接影响切削热的产生，进一步影响刀具的耐用度及加工表面的质量和加工精度。切削力又是设计和使用机床的重要依据。在设计机床进给伺服系统时，计算滚珠丝杠螺母副及其支撑，伺服电动机及滚动导轨副等都需要用到切削力。因此，首先来确定加工中心的切削力。铣削加工和车削加工一样，铣刀每个刀齿上都受到一定的切削力，可分解为三个方向的分力：圆周切削力、背向力、垂直切削力。圆周切削力是消耗功率的力。它将引起铣床主轴扭转变形和弯曲变形；背向力是作用于铣刀轴线方向的力；垂直切削力是作用于洗到半径方向的李，将引起铣床主轴发生弯曲。切削力的大小是由很多因素决定的，如工件的材料、切削用量、刀具角度、切削液和刀具材料等。切削力可按两种方法计算；铣削法和经验公式法。a、 铣削功率法 切削过程中消耗的功率主要是按圆周切削力和铣削速度来计算的，即铣削时消耗的功率为： (3-1) 仅给运动也消耗一些功率，但由于数值较小，可以忽略不计。机床主轴的功率和铣削功率之间的关系为： (3-2)式中：机床的传动效率，一般取为0.75-0.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床；机床主轴的功率，kw；所以式中：机床的计算转速，一般取为；机床主轴的功率，kw；铣刀的直径，mm,(考虑到切削力最大的情况，取)，b、经验公式法 因为加工中心为立式加工中心，所以其切削力按立铣刀的情况进行计算。根据立铣刀的铣削用量以及铣削情况来计算切削力。因为加工中心的加工能力较强，切削量较大，所以按危险的情况来计算。具体到本加工中心，它能完成一般的加工，所以按照刀具的材料为高速钢，加工的材料为碳钢的立铣刀的情况来计算。经验公式如下3-3所示： （3-3）其中：垂直于铣刀轴线的侧吃到量，一般取（0.4-0.8）； 每齿进给量，一般取0.1-0.2； 平行于轴线的被吃刀量； Z铣刀齿数； 铣刀直径。根据本加工中心的常见加工情况和使用刀具的情况，刀具的直径取为25mm，取为12mm,铣刀齿数为4。因此，可计算切削力为：综合上述两种计算切削力方法的结果，取大值作为切削力。根据刀具情况和加工情况，按短铣刀和不对称铣削加工来考虑，查表可得： 所以， 得到切削力的大小，为后面的滚珠丝杠副和滚动导轨副的选择和计算做准备。3.2 滚珠丝杠副的选择与计算在数控机床的设计中，滚珠丝杠副的作用是将伺服电机的选择运动转变为直线运动，用较小的转矩可以获得很大的推力。滚珠丝杠副的传动最简单、经济而又可靠，所以滚珠丝杠副的传动是最简单、经济而又可靠，所以滚珠丝杠副的传动是一种应用较广的机构。滚珠丝杠副的精度是影响是影响机床的定位精度及重复定位精度的最主要的因素。在机床的设计中，为了更合理地选用滚珠丝杠副，使其充分发挥效能，必须进行一系列的计算。在设计选用滚珠丝杠副时，将对其进行承载能力的计算。承载能力的计算包括强度计算、刚度计算、稳定性校核和临界转速校核。3.2.1滚珠丝杠副的介绍滚珠丝杠副是由专业厂家组织生产和供应，已实现了标准化、通用化和商品化。用户可根据各自的需要方便地进行选用和订购，因此滚珠丝杠副得以广泛应用，成为各类数控机床的主要传动机构。a、 滚珠丝杠副的特点 滚珠丝杠副是一种旋转传动机构，在丝杠和螺母之间装有中间传动元件滚珠，它有丝杠、螺母、滚珠和反向器等四部分组成。当丝杠和螺母传动时，滚珠沿螺纹滚动，丝杠和螺母之间相对运动时，产生滚动摩擦。为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，如反向器和挡珠器，它们与螺纹滚道形成循环回路，是滚珠在螺母滚道内即自转又沿滚道循环传动。滚珠丝杠副与滑动丝杠相比较，它以滚动摩擦代替了滑动摩擦具有以下特点：1） 摩擦系数小、传动效率高 由于滚珠丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达，约为普通丝杠的3-4倍。2） 磨损小、寿命长 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数小，因此其磨损很小，所以具有良好的耐磨性，京都保持性能很好，工作寿命长。3） 摩擦力小、运动平稳 由于是滚动摩擦，其动、静摩擦系数相差极小，因而灵敏度高，运动平稳，启动时无颤动，低速传动时无爬行现象。4） 不能自锁 由于滚珠丝杠副的摩擦系数小，所以没有自锁能力，用于垂直升降传动系统时，必须增设自锁装置或制动装置。5） 具有传动的可逆性 滚珠丝杠副可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以为主动件，也均可作为从动件。6） 制造工艺复杂，成本高 滚珠丝杠、螺母、反向等零件的加工精度和表面粗糙度要求较高，故制造成本高。因为滚珠丝杠副具有上述的优点，所以在各类中、小型数控机床的直线进给中得到广泛的应用。b、 滚珠丝杠副的结构形式 按照滚珠在整个循环过程中与丝杠表面的接触情况，循环方式可分为内循环和外循环两种。 1)外循环外循环就是滚珠在循环过程中，不能始终保持与丝杠表面接触，即当滚珠从螺纹滚道终端返回到滚道始端时，与丝杠表面脱离接触。外循环结构制造工艺简单，承载能力较高，但滚道焊缝处难以做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，外形尺寸大，噪声也较大，耐磨性差。2)内循环滚珠在循环过程中，始终与丝杠表面保持接触的循环叫做内循环。其特点是滚珠螺母的外径尺寸较小，与滑动丝杠螺母的外形尺寸大致相同；反向器固定牢靠、刚性好且不易磨损;滚珠的返回通道短滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高。其缺点是不能做成多头螺纹的滚珠丝杠副，反向器的回珠槽是三坐标空间曲面，加工较复杂。c、 滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加载荷 由于制造和安装的误差，滚珠丝杠副存在轴向的传动间隙，影响其船东精度，并降低了滚珠丝杠副的刚度，因此要采取消除间隙和预加载荷的方法，目前广泛采用的是双螺母调整预紧装置和单螺母调整预紧装置。常用的调整预紧方式有以下五种：1)双螺母垫片调整方式用螺钉联接滚珠丝杠螺母的凸缘，在凸缘间加垫片调整垫片厚度，达到消除间隙和产生预紧力的目的。这种方式结构简单，可靠性好，刚度高，拆装方便，但精确调整比较困难，工作中不能随时调整。2)双螺母螺纹调整方式在螺母外端加工有螺纹旋转，圆螺母使螺母相对丝杠作轴向移动，以消除间隙和产生预紧力。这种结构既紧凑，工作又可靠，调整方便，但调整位移量不易精确控制。3)双螺母齿差调整方式在两个螺母的凸缘上分别切出齿数为Z1、 Z2的圆柱齿轮，Z1与Z2相差一个齿，通过两螺母产生的相对角位移而使两螺母轴向相对位置发生变化，从而实现间隙的消除和施加预紧力。该调整方式的结构复杂，但调整精确，可靠精度较高:缺点是结构尺寸较大，加工工艺和装配性能较差。4)单螺母变导程自预紧调整方式它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个。的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。其特点是结构最简单，尺寸最紧凑，但使用中不能随时调整。5)单螺母过盈滚珠预紧方式将滚珠做得大一些，充满整个滚道，实现预紧。其特点是结构简单，尺寸紧凑，但装配困难，使用中不能随时调整。为了消除间隙和调整预紧，通常采用双螺母结构。以获得无间隙和具有预紧力的滚珠丝杠副。综上所述，确定本滚珠丝杠副采用内循环双螺母垫片式调整方式的结构形式。d、 滚珠丝杠副的支撑方式 为提高传动刚度，选择合理的支撑结构并正确安装很重要。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，而径向载荷主要是卧式丝杠的自重，因此滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。滚珠丝杠的支撑方式主要有四种：1)一端装有止推轴承(固定一自由式)这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适用于短丝杠和垂直方向丝杠。2)一端装有止推轴承，另一端装有深沟球轴承(固定一支承式)这种安装方式丝杠有热膨胀的余地，但需保证螺母与两支承同轴，结构复杂。适用于较长丝杠和卧式丝杠。3)两端装有止推轴承这种安装方式将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预拉力，有助于提高传动刚度，但对热伸长较为敏感。4)两端装双重止推轴承及深沟球轴承为了提高刚度，丝杠两端采用双重支承，并施加预紧拉力。这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧拉力。作者在X, Y向选择了一端装有止推轴承，另一端装有深沟球轴承的支承方式；它的优点是可对丝杠进行预拉伸，丝杠不会因温升而伸长，保持了丝杠精度。在Z向选择了一端装有止推轴承的支承方式。3.2.2滚珠丝杠副的计算a、 加工中心的基本参数和要求 加工中心的基本参数如下所述，以Y向为例进行设计：加工中心移动部分的重量 W=4500NY向的最大行程 Y向快速进给速度 定位精度 重复定位精度 主轴功率为 5.5-7.5kw要求寿命为20000小时（两班制工作十年）根据前面的计算还可知切削力为： 为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求，必须合理选择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。b、确定滚珠丝杠副的导程 根据机床传动要求、负载大小和传动效率等因素，综合考虑确定导程。先按机床传动要求确定，其公式为： （3-4）式中：机床工作台最快进给速度，m/min；本加工中心的最高速度；i传动比；因电机与滚珠丝杠副直接联结，故i取1；驱动电机最高转速为2000r/min。c、滚珠丝杠副的工作载荷及转速计算 要对滚珠丝杠副进行强度、刚度校核，必须先知道所受载荷。1)工作载荷Fm工作载荷Fm是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力。其数值可用下列进给作用力的实验公式计算:对于滚动导轨机床 (3-5)式中：Fm最大载荷，最大载荷为机床承受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷，为最大切削力加摩擦力，单位为N； F min最小载荷，为数控机床空载时作用于滚珠丝杠的轴向载荷，即摩擦力，单位为N；f摩擦系数，对滚动导轨取0.0030.0040所以 2)工作转速 滚珠丝杠螺母副的最高转速为3000r/min。移动部件的最低速度为1mm/min，故滚珠丝杠螺母副的最低转速可认为是0。工作转速d、初选滚珠丝杠副 滚珠丝杠副的破坏情况和滚动轴承相似，需进行强度和静强度校核。1）额定动载荷Ca按预期寿命时间计算 (3-6)式中：Fm滚珠丝杠副工作载荷，N； 工作转速，r/min； 预期工作时间，数控机床一般取20000小时； 精度系数，精度等级为1、 2、 3级时取 =1.0；精度等级为4、 5级时取=0.9。在此取1.0；可靠性系数，一般情况下取116。负荷系数，按轻微冲击，取1.316。若按最大轴向载荷计算