大口徑非球面銑磨機Z軸精密進給結(jié)構(gòu)設(shè)計【含23張CAD圖紙】
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目 錄目 錄11. 緒論31.1 課題的背景和來源31.2 研究的目的和意義31.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3.1 國外非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀41.3.2 國內(nèi)非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀51.4本文研究的主要內(nèi)容6本論文的主要研究內(nèi)容如下:6(1)了解大口徑光學非球曲面零件的加工方法及應用背景。6(2)了解國內(nèi)外超精密加工機床發(fā)展水平及特點。6(3)學習超精密加工技術(shù)的基本理論知識。6(4)大口徑非球面磨床Z軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計。6(5)大口徑非球面磨床Z軸部件驅(qū)動傳動元件設(shè)計計算。6(6)Z軸部件主要零件有限元仿真分析。62. Z軸部件設(shè)計72.1 Z軸部件技術(shù)方案設(shè)計72.1.1 進給系統(tǒng)設(shè)計72.1.2 導軌設(shè)計82.1.3 測量反饋系統(tǒng)設(shè)計122.2 Z軸部件進給系統(tǒng)設(shè)計132.2.1 滾珠絲杠副選型計算132.2.2滾珠絲杠副選型計算20A736過程如下:142.3.2 驅(qū)動電機造型計算222.2.3 聯(lián)軸器和軸承造型計算302.2.4 測量反饋裝置選型322.3 Z軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計332.3.1 非球曲面磨床對部件的技術(shù)要求332.4 Z軸部件主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計和特點342.5 液體靜壓導軌設(shè)計392.6 本章小結(jié)443 大口徑非球面銑磨機Z軸部件靜、動態(tài)特性分析453.1 Z軸部件靜態(tài)特性分析453.1.1 有限元法概述453.1.2 ANSYS WORKBENCH 軟件簡介463.2 Z軸部件件結(jié)構(gòu)靜力學分析473.3 Z軸部件動態(tài)特性分析533.3.1 模態(tài)分析簡介533.3 本章小結(jié)584 結(jié)論與展望594.1 結(jié)論594.2 展望595.參考文獻616. 課題總結(jié)617.致謝641. 緒論1.1 課題的背景和來源“大口徑光學非球面超精密數(shù)控銑磨機”的開發(fā)研制隸屬于“國家863計劃”攻關(guān)項目,這個項目由北京微納精密機械有限公司承接。該公司是進行精密制造技術(shù)方面產(chǎn)品制造和技術(shù)研究開發(fā)的制造實體,由一批國內(nèi)知名專家領(lǐng)隊和年富力強的中青年技術(shù)人員組成,具有很強的科學研究和技術(shù)攻關(guān)能力。為了響應教育部的號召,實施大學本科教改計劃,北京微納精密機械有限公司與中原工學院聯(lián)合實施“卓越工程師”的培養(yǎng)計劃。具體施行方法就是由該公司接收中原工學院大四學生來公司實習并完成畢業(yè)設(shè)計,為學生走上工作崗位提供一個鍛煉自己的平臺。1.2 研究的目的和意義非球面光學元件是一種非常重要的光學零件,因其在光學系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差,改善成像質(zhì)量,提高系統(tǒng)鑒別能力,且能以一個或幾個非球面零件代替多個球面零件,從而簡化儀器結(jié)構(gòu),降低成本并有效的減輕儀器重量而得到重要應用。其加工質(zhì)量的好壞與非球面加工機床的制造水平息息相關(guān),因此,進一步提高我國非球面超精密機床的制造水平勢在必行。為了提高非球面超精密機床的整體性能,其主要構(gòu)件Z軸的結(jié)構(gòu)特性也至關(guān)重要。為此開展了對于大口徑非球面超精密光學銑磨機Z軸結(jié)構(gòu)特性的分析和優(yōu)化。以期通過對該梁的結(jié)構(gòu)靜力學分析和結(jié)構(gòu)動力學分析,對橫梁的結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化設(shè)計,改善其靜力學和動力學特性,從而保證機床的Z軸的精密進給,最終實現(xiàn)該銑磨機整體使用性能。研制出加工口徑達900mm的光學非球曲面加工機床及成套應用工藝,可以滿足國家國民經(jīng)濟主要領(lǐng)域和國防工業(yè)的重大需求,部分解決禁運和替代進口問題,提升我國相關(guān)領(lǐng)域的核心競爭力和創(chuàng)新能力。打破國外的技術(shù)封鎖,使我國的非球面曲面光學零件的超精密加工水平提升一個大的臺階,從整體上縮短與世界最先進水平的差距。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著國防工業(yè)、航空、民用光學技術(shù)的發(fā)展,各種高精度的非球面光學元件越來越多地應用于高性能要求的光學系統(tǒng)中。光學元件因其具有矯正多種像差,改善成像質(zhì)量,提高系統(tǒng)鑒別能力等優(yōu)點而得到廣泛應用。目前,高精度非球面光學元件的使用受到其加工精度、表面質(zhì)量和制造成本的限制,但是市場上對光學元件的需求促使各個國家致力于高精度非球面光學元件加工的技術(shù)研究。1.3.1 國外非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀80年代以來,國外出現(xiàn)了許多種新的非球面超精密加工技術(shù),主要有:(1) 計算機數(shù)控單點金剛石車削技術(shù)計算機數(shù)控單點金剛石車削技術(shù)是由美國國防科研機構(gòu)于60年代率先開發(fā)、80年代得以推廣應用的非球面光學零件加工技術(shù)。它是在超精密數(shù)控車床上,采用天然單晶金剛石刀具,在對機床和加工環(huán)境進行精確控制條件下,直接利用金剛石刀具單點車削加工出符合光學質(zhì)量要求的非球面光學零件。該技術(shù)主要用于加工中小尺寸、中等批量的紅外晶體和金屬材料的光學零件,其特點是生產(chǎn)效率高、加工精度高、重復性好、適合批量生產(chǎn)、加工成本比傳統(tǒng)的加工技術(shù)明顯降低。采用該項金剛石車削技術(shù)加工出來的直徑120mm以下的光學零件,面形精度達l/21l,表面粗糙度的均方根值為0.020.06mm。目前采用金剛石車削技術(shù)可以加工的材料有:有色金屬、鍺、塑料、紅外光學晶體(碲鎘汞、銻化鎘、多晶硅、硫化鋅、硒化鋅、氯化納、氯化鉀、氯化鍶、氟化鎂、氟化鈣、鈮酸鋰、KDK晶體)無電鎳、鈹銅、鍺基硫族化合物玻璃等。(2)計算機數(shù)控研磨和拋光技術(shù)計算機數(shù)控研磨和拋光技術(shù)是一種由計算機控制的精密機床將工件表面磨削成所需要的面形,然后用柔性拋光模拋光,使工件在不改變精磨面形精度的條件下達到鏡面光潔度的光學零件制造技術(shù)。該技術(shù)主要用來加工中、大尺寸的非球面光學零件。工件加工精度主要取決于測量精度和所采用的誤差校正方法。非球面光學零件的精密研磨拋光比較普遍采用的一種技術(shù)是:小型磨床修正研磨拋光法。小型磨床最早是由美國研究開發(fā)的,其磨頭直徑不超過工件的1/3,由計算機計算去除量,加工精度比較高??梢愿呔鹊丶庸ぶ睆?5001800mm的大口徑非球面。目前,美國亞里桑那大學的光學中心,已基本上用計算機數(shù)控研磨拋光加工技術(shù)取代了傳統(tǒng)的手工研磨拋光加工非球面光學零件。80年代末,日本研制出了的超精密數(shù)控范成法研磨機,使用該研磨機加工出的光學零件,其面形精度達到了0.08m,表面粗糙度的均方根值為0.2nm。若用瀝青拋光模進行加工,表面粗糙度的均方根值能達到0.035nm。最近,日本采用門型機械加工中心,使用4000#8000#鑄鐵絲結(jié)合金剛石砂輪,利用ELID(在線電解修正法)磨削法,磨削BK-7光學玻璃,所獲得的非球面的面形精度為1m,表面粗糙度為43nmRmax。德國的計算機數(shù)控研磨拋光技術(shù)也很快。Loh公司生產(chǎn)的CNCSPM50和120研磨拋光機,不僅可以粗、精磨球面光學零件,而且還可以粗、精磨非球面光學零件。施耐德(SCHEIDER)光學機械公司90年代末制造的ALG100型計算機數(shù)控非球面磨床和ALP100型計算機數(shù)控非球面拋光機,可以高效率地進行非球面光學零件的生產(chǎn)。(3)計算機數(shù)控離子束成形技術(shù)日本大阪大學工學部森勇正教授提出了一種用化學氣體加工的新的加工工藝方法,稱為等離子CVM法,這是一種利用原子化學反應,獲得超精密表面的一種技術(shù),其加工原理和等離子體刻蝕一樣,在等離子體中,被激活的游離基和工件表面原子起反應,將之變成揮發(fā)性分子,并通過氣體蒸發(fā)實現(xiàn)加工的,在高壓力下所產(chǎn)生的等離子體,能夠生成密度非常高的游離基,所以這種加工方法能達到與機械加工方法相匹敵的加工速度。在高壓力下,由于氣體分子的平均自由行程極小,等離子體局限在電極附近。所以可以通過電極掃描,加工出0.01m精度的任意形狀的零件,另外可以以50mmin的速度加工單晶硅平面,加工工件的表面粗糙度可達0.1nm(Rrms)。(4) 非球面零件復制技術(shù)用控制除去厚度的拋光(研磨)方法能夠制造出高精度的非球面零件,但和一般的光學零件加工方法相比,這種方法的加工效率很低,解決這個問題的方法之一有復制技術(shù),即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技術(shù),這種技術(shù)能夠制造一部分非球面透鏡。近年來,國外許多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體,并且研制出超精密復合加工系統(tǒng),如Rank Pneumo公司生產(chǎn)的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研制的 Nanocentre、日本的 AHN603D、ULP一100A(H)都具有復合加工功能,這樣可以使非球面零件的加工更加靈活。1.3.2 國內(nèi)非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀我國從80年代初才開始超精密加工技術(shù)的研究,比國外整整落后了20年。80年代中期,我國出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件。如北京機床研究所、中國航空精密機械研究所、中國科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、中科院長春光機所應用光學重點實驗室等單位都在該領(lǐng)域取得了階段性的成果。北京高華精密機械有限公司生產(chǎn)的DHM-500全液體靜壓超精密數(shù)控非球面磨床,通過X-Z-B三軸聯(lián)動,實現(xiàn)對非球面透鏡的高效率、高精度磨削;上海第三機床廠生產(chǎn)的MK-9025型數(shù)控曲線磨床,采用西班牙FAGOR公司的CNC四軸控制系統(tǒng),其中二軸為插補控制軸,分別控制機床工作臺的縱、橫向進給,另二軸控制磨頭滑座的縱、橫向進給,可以加工任意曲面;我國九五期間在中國航空精密機械研究所首先建立的國內(nèi)第一個從事超精密加工技術(shù)研究的重點實驗室成功地研制出了Nanosys-300非球面超精密復合加工系統(tǒng);長春光機所于1992年成功研制出國內(nèi)首臺實用型非球面數(shù)控光學加工中心FSGJ-I;2002年,國防科技大學研制了一臺集銑磨成形、研磨、拋光于一體的光學非球面復合加工機床。由我國數(shù)控光學非球面加工第一人蘇州大學研究員余景池與其創(chuàng)辦的蘇州大學明世光學有限公司,生產(chǎn)國際一流水平的非球面眼鏡模具,并廣泛應用于數(shù)碼相機、可視電話、計算機光驅(qū)、非球面透鏡等領(lǐng)域。它是國內(nèi)第一家從產(chǎn)品的設(shè)計、加工到生產(chǎn)都由自己完成的公司,用完全自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品代替了國外產(chǎn)品,填補了國內(nèi)空白。最近,中國科學院南京天文光學技術(shù)研究所率先研制成功520mm國產(chǎn)碳化硅非球面鏡光學系統(tǒng),并通過了專家組的驗收,這標志著我國在該領(lǐng)域邁上了新的臺階。但是對于大口徑高精度非球面光學零件的加工,如果再加上數(shù)字化控制的要求,在國內(nèi)就是一個挑戰(zhàn)性的課題了。因此,國內(nèi)生產(chǎn)水平與國際生產(chǎn)水平仍有差距。為此,國家該863項目提出,在經(jīng)典高精度光學經(jīng)典加工工藝研究基礎(chǔ)上,吸收國際上先進的加工工藝研究成果,研究優(yōu)化的高精度數(shù)字化光學非球面元件加工工藝。1.4 本文研究的主要內(nèi)容本論文的主要研究內(nèi)容如下:(1) 了解大口徑光學非球曲面零件的加工方法及應用背景。(2) 了解國內(nèi)外超精密加工機床發(fā)展水平及特點。(3) 學習超精密加工技術(shù)的基本理論知識。(4) 大口徑非球面磨床Z軸部件結(jié)構(gòu)設(shè)計。(5) 大口徑非球面磨床Z軸部件驅(qū)動傳動元件設(shè)計計算。(6) Z軸部件主要零件有限元仿真分析。2. Z軸部件設(shè)計2.1 Z軸部件技術(shù)方案設(shè)計大口徑光學非球曲面磨床的Z軸部件是機床的關(guān)鍵部件,其性能的高低直接影響到被加工零件的質(zhì)量。Z軸部件的技術(shù)方案設(shè)計主要包括進給系統(tǒng)設(shè)計、導軌系統(tǒng)設(shè)計、測量反饋系統(tǒng)設(shè)計以及Z軸部件平衡系統(tǒng)設(shè)計。Z軸部件的技術(shù)指標如表2-1所示:表2-1 Z軸部件技術(shù)指標項 目數(shù) 值Z軸行程400mm定位精度1m重復定位精度0.5m直線度0.1m/100mm導軌剛度1000N/m最小進給量0.01m切削進給速度3m/min快速移動速度6m/min2.1.1 進給系統(tǒng)設(shè)計精密超精密機床的進給系統(tǒng)主要有滾珠絲杠副、靜壓絲杠副、摩擦驅(qū)動機構(gòu)、直線電機等。1)精密滾珠絲杠副精密滾珠絲杠副是精密超精密機床目前采用的主要進給方式。精密滾珠絲杠副具有較高的分辨率和動、靜態(tài)剛度,目前被廣泛應用于數(shù)控加工和精密測量等領(lǐng)域。隨著加工工藝的發(fā)展,滾珠絲杠副各項性能也在進一步提高,它仍是超精密加工設(shè)備中主要的驅(qū)動方式之一。超精密加工機床的滾珠絲杠副一般的精度等級為C0級,在高精度閉環(huán)控制和高等級滾珠絲杠副的配合下,可以獲得0.01m的定位精度13。2)靜壓絲杠副靜壓絲杠副包括兩種方式:空氣靜壓絲杠副和液體靜壓絲杠副。靜壓絲杠利用高壓介質(zhì)使絲杠和螺母不直接接觸,由于介質(zhì)膜的均化作用,螺紋的積累誤差可以大幅度地減小,可以獲得很高的進給精度。目前這兩種靜壓絲杠副的最小分辨率都可以達到0.01m,但空氣靜壓絲杠副的剛度較小,只適用于輕載荷的場合。液體靜壓絲杠副需要輔助設(shè)備,調(diào)試和維修較復雜且價格較貴,一般精密和超精密機床應用較少。3)摩擦驅(qū)動機構(gòu)摩擦驅(qū)動機構(gòu)是利用摩擦力把伺服電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成為直線運動的機構(gòu)。在摩擦驅(qū)動實現(xiàn)直線運動時,驅(qū)動系統(tǒng)的等效導程等于主動摩擦輪的周長,進給分辨率則取決于驅(qū)動電機回轉(zhuǎn)一周的步進數(shù)。摩擦驅(qū)動機構(gòu)具有運動平穩(wěn)、無反向間隙等特點。由于結(jié)構(gòu)上比較簡單,因而彈性變形因素大為減少,所以一直被認為是一種非常適合超精密機床的傳動系統(tǒng)。一般應用于輕載、超低速和高分辨率的超精密機床和測量機構(gòu)中。4)直線電機直線電機可以直接輸出直線運動,無需中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),從而減少了因傳動鏈而引入的誤差。直線電機適合于高速和高精度驅(qū)動場合。因為進給和定位精度高,在超精密測量裝置及高精度的特種加工裝置中被廣泛地使用。但直線電機具有強磁板磁場、裝配和拆卸不方便,易吸引鐵屑和其他金屬碎屑,線圈發(fā)熱現(xiàn)象嚴重,直接驅(qū)動易引入振動而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能變差等不足。平板直線電機具有齒槽效應,直接影響加工質(zhì)量的高低。Z軸部件的特點是豎直軸,承受較大載荷,要求具有高的定位精度和剛度。綜上各種進給方式的特點,而目前直線電機在豎直軸上的應用還不夠成熟,摩擦驅(qū)動主要用于輕載的場合,空氣靜壓絲杠剛度較小,液體靜壓絲杠較復雜。 Z軸伺服進給系統(tǒng)采用全閉環(huán)反饋控制,系統(tǒng)運動分辨率可以做得很高,從而降低對滾珠絲杠的軸向綜合精度的要求。而且滾珠絲杠由專業(yè)廠家進行生產(chǎn)和系列化,其標準化程度高,性能穩(wěn)定,價格相對低廉。綜合上述情況,選用精密滾珠絲杠副進給系統(tǒng)。這樣,既能滿足設(shè)計精度要求,又使設(shè)計簡化,并且大大降低了成木。2.1.2 導軌設(shè)計(1)導軌的功用導軌主要用來支承和引導運動部件沿一定的軌跡運動。機床上兩相對運動部件的配合面組成一對導軌副,在導軌副(如工作臺和床身導軌)中,運動的一方(如工作臺導軌)叫做動導軌,不動的一方(如床身導軌)叫做支承導軌14251。動導軌相對于支承導軌只能做一個自由度的運動,以保證單一方向的導向性。通常動導軌相對于支承導軌只能作直線運動或者回轉(zhuǎn)運動。機床導軌的基本要求1)導軌精度導向精度是指動導軌運動軌跡的準確度,它是保證導軌工作質(zhì)量的前提。主要影響因素有:導軌的結(jié)構(gòu)類型;導軌的幾何精度和接觸精度。導軌和基礎(chǔ)件的剛度;導軌的油膜厚度和油膜剛度;導軌和基礎(chǔ)件的熱變形等。2)精度保持性精度保持性主要是由導軌耐磨性決定的,它與導軌的摩擦性質(zhì)、導軌材料、工藝方法以及受力情況有關(guān)。另外,導軌和基礎(chǔ)件上的殘余應力,也會使導軌變形而影響導軌的精度保持性。3)低速運動的平衡性導軌低速運動的平穩(wěn)性,就是要保證導軌在低速運動或微量位移時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。低速運動的平穩(wěn)性與導軌的結(jié)構(gòu)和潤滑,動、靜摩擦因數(shù)的差值,以及導軌的剛度等有關(guān)。4)剛度導軌的剛度指導軌在外載荷的作用下,抵抗受力變形的能力。導軌受力后變形會影響部件之間的相對位置和導向精度。因此要求導軌具有足夠的剛度。導軌的變形主要有導軌受力后的接觸變形、扭轉(zhuǎn)彎曲變形以及由于導軌支承件的變形引起的導軌變形。導軌變形主要取決于導軌的形狀、尺寸及與支承的連接方式、受力情況等。5)結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好設(shè)計時要注意使得制造、維修方便,刮研勞動量少,如果是鑲裝導軌則應盡量做到容易更換。(2)導軌的分類及特點(1)滑動導軌滑動導軌主要包括普通滑動導軌、塑料滑動導軌和靜壓導軌三類。普通滑動導軌普通滑動導軌是基本導軌,兩導軌面間的摩擦性質(zhì)是滑動摩擦,大多處于邊界摩擦或混合摩擦的狀態(tài)。其它類型的導軌都是以它為基礎(chǔ)而發(fā)展起來,普通滑動導軌結(jié)構(gòu)簡單,工藝性好,便于保證精度、剛度,滑動導軌的缺點是摩擦因數(shù)大、磨損快、使用壽命短、低速易產(chǎn)生爬行等缺點,故應用于對低速均勻性和定位精度要求不高的機床中。塑料滑動導軌塑料滑動導軌是一種新型的滑動導軌。塑料滑動導軌分為注塑導軌和貼塑導軌兩種,導軌上的塑料常用環(huán)氧樹脂耐磨涂料和聚四氟乙烯導軌軟帶。塑料滑動導軌常用在導軌副的運動導軌上,與之相配的金屬導軌采用鑄鐵或鋼質(zhì)材料。塑料滑動導軌具有耐磨性好,自潤滑功能;動、靜摩擦因數(shù)??;減振性好,具有良好的阻尼性;加工性好,工藝簡單,化學性能好,維修方便,成本低等優(yōu)點15202。塑料滑動導軌的缺點是耐熱性差、導熱率低、熱膨脹系數(shù)比金屬大、在外力作用下易產(chǎn)生變形、剛性差、吸濕性大、影響尺寸穩(wěn)定性。靜壓導軌靜壓導軌分為氣體靜壓導軌和液體靜壓導軌兩種,由于靜壓導軌的優(yōu)越性,廣泛應用于精密超精密及重型加工機床。a) 氣體靜壓導軌氣體靜壓導軌是將具有一定壓力的空氣經(jīng)過節(jié)流孔射入導軌間隙,在導軌間隙內(nèi)形成厚度為微米量級且基本保持恒定的潤滑氣膜,導軌運動單元在潤滑氣膜的支撐下懸浮在固定單元上方,是一種純空氣摩擦的滑動導軌17。由于氣體具有誤差均化效應,可以實現(xiàn)很高的運動精度。氣體靜壓導軌摩擦力極小,又可以帶走部分熱量,適用于高速運動的場合。氣體靜壓導軌工作平穩(wěn),結(jié)構(gòu)簡單,清潔環(huán)保。氣體靜壓導軌的主要缺點是剛度和阻尼較小,還還產(chǎn)生氣振,不適合在重載荷和大沖擊負載的場合使用。b) 液體靜壓導軌液體靜壓導軌是在兩相對運動的導軌面之間通入壓力油,使運動件浮起,工作過程中油膜壓力隨外載荷變化而變化,在不同速度下都能保證導軌面間在液體摩擦狀態(tài)下工作18243。液體靜壓導軌的主要優(yōu)點如下:l 摩擦系數(shù)小,一般為0.00050.00115203,減小拖動功率l 低速運動平穩(wěn),無爬行l(wèi) 特優(yōu)的抗振效果l 油膜具有誤差均化作用,可提高運動精度l 速度變化和載荷變化對油膜剛度影響小,工作穩(wěn)定l 油膜承載能力大,剛度高l 幾乎不造成磨損,運動副壽命長,能長期保持制造精度液體靜壓導軌的主要缺點如下:l 液體靜壓導軌使用油作為介質(zhì),需要一套液壓供油系統(tǒng)l 溫度對介質(zhì)油的性能影響較大,需要高精度的冷卻裝置l 液壓系統(tǒng)成本較高l 液壓油膜厚度控制難度較大液體靜壓導軌須滿足導軌精度、耐磨性、剛度和運動均勻性的要求,即:l 導軌精度是運動件沿導軌運動時的直線性以及與其他機件或基面之間相對位置的準確性;要求導軌的平直度、扭曲度和平行度的總和應小于導軌間隙l 耐磨性決定導軌的磨損壽命,耐磨性是保持導軌工作質(zhì)量的關(guān)鍵l 剛度是導軌工作質(zhì)量的主要指標;導軌間隙不能過大,否則影響油膜剛度,對開式導軌還容易產(chǎn)生漂移l 運動的均勻性要求能準確定位,即在低速或重載時,不發(fā)生不均運的跳躍式運動(爬行)液體靜壓導軌按所承受的載荷不同,可以分為開式液體靜壓導軌和閉式液體靜壓導軌18243。開式液體靜壓導軌如圖2-1(a)所示,依靠運動件自重及外載荷來保持運動件不從床身上分離,開式液體靜壓導軌只能承受單向載荷18244。開式液體靜壓導軌往往只在導軌的一個方向上開有油腔,只能水平或傾斜一個較小的角度放置。開式液體靜壓導軌,承受正向載荷能力大;承受偏載荷及顛覆力矩的能力較差,不能承受反向力;結(jié)構(gòu)簡單制造調(diào)整容易。開式液體靜壓導軌主要用在載荷分布均勻、偏載小、顛覆力矩小的水平放置或僅有較小傾角的場合。閉式液體靜壓導軌如圖2-1(b)所示,夠防止工作臺與床身分離的導軌。這種導軌不僅能夠承受各個方向的載荷,而且具有承受很大傾覆力矩的能力。在上、下或左、右各個方向上,閉式液體靜壓導軌都開有對置油腔。閉式液體靜壓導軌能夠承受正、反方向的載荷,油膜剛度高,承受偏載及顛覆力矩的能力較高。但閉式液體靜壓導軌加工制造及油膜調(diào)整較為復雜,對導軌本身的結(jié)構(gòu)剛度要求較高,尤其副導軌的結(jié)構(gòu)剛度要求較高。閉式液體導軌主要應用于載荷分布不均勻、偏載大及有正、反方向載荷或立式導軌等場合。(b) 閉式液體靜壓導軌(a) 開式液體靜壓導軌圖2-1 液體靜壓導軌(2)滾動導軌滾動導軌是指在兩導軌面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體,使導軌面之間的摩擦具有滾動摩擦性質(zhì)。滾動導軌的最大優(yōu)點是摩擦系數(shù)?。?.00250.005);動、靜摩擦系數(shù)很接近16243。滾動導軌的主要優(yōu)點,是運動靈敏度高,磨損小,精度保持性好,低速運動平穩(wěn)性好,無爬行現(xiàn)象,潤滑系統(tǒng)簡單,維修方便。但其抗振性較差,防護要求高。滾動體直徑的不一致或?qū)к壝娌黄?,都會使運動部件傾斜或高度發(fā)生變化,導向精度低。滾動導軌與普通滑動導軌相比,結(jié)構(gòu)復雜,制造困難,成本高。目前,滾動導軌主要用于實現(xiàn)微量進給、精密定位和對運動靈敏度要求高的機床。綜上各種導軌的特點,由于Z軸部件對導軌要求具有高的運動精度和剛度,Z軸部件導軌采用閉式液體靜壓導軌副,在保證導軌副本身結(jié)構(gòu)強度和剛度的條件下,通過調(diào)節(jié)閉式液體靜壓導軌副的油膜厚度,使Z軸導軌副具有高精度、低速平穩(wěn)和高剛度的性能。同時,由于液體靜壓導軌副具有優(yōu)越的性能,可以有效地減小大口徑光學非球面零件磨削加工的亞表面損傷層深度,提高零件的加工質(zhì)量和效率。2.1.3 測量反饋系統(tǒng)設(shè)計數(shù)控機床測量系統(tǒng)是對數(shù)控機床執(zhí)行件的實際位置進行測量,不斷地將工作臺的位置量檢測出來并反饋給數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)進行插補計算,將計算理論值與實際反饋的位置進行比較,以判斷進給定位的正確與否,同時輔助伺服系統(tǒng)達到更精確的進給定位,實現(xiàn)高精度控制。實際反饋位置的采集是由位置檢測裝置來實現(xiàn)的。常用的位置檢測裝置有感應同步器、光柵位置檢測裝置、光電脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、磁尺位置檢測裝置等。對機床的直線位移采用直線型檢測裝置測量,即為直接測量。Z軸部件行程400mm,選用高精度直線光柵尺進行位置測量,實現(xiàn)閉環(huán)控制。光柵是利用光的投射、衍射現(xiàn)象形成的莫爾條紋而制成的光電檢測裝置,它將機械位移量或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖15153,具有檢測范圍大,檢測精度高,響應速度快的特點。光柵主要有標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。光柵檢測裝置結(jié)構(gòu)主要有由光源、聚透鏡、指示光柵、光電元件及調(diào)整機構(gòu)等組成,如圖2-2所示。圖2-2 光柵檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖光柵的工作原理15153都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進行工作的。當指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時,必然會造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下,交叉點近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊,因而遮光面積最小,擋光效應最弱,光的累積作用使得這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反,距交叉點較遠的區(qū)域,因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少,不透明區(qū)域面積逐漸變大,即遮光面積逐漸變大,使得擋光效應變強,只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵,使這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這些與光柵線紋幾乎垂直,相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是莫爾條紋。當兩塊光柵以微小傾角重疊時,在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋,隨著光柵的移動,莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個數(shù)的測量。經(jīng)過后續(xù)電路和數(shù)據(jù)處理,就可以進行位移大小、位移方向和速度的檢測。2.2 Z軸部件進給系統(tǒng)設(shè)計Z軸部件的技術(shù)方案是采用伺服電機通過高負荷精密滾珠絲杠進行驅(qū)動,導軌采用閉式液體靜壓導軌副,并通過高精度直線光柵尺的進行閉環(huán)控制,最終實現(xiàn)Z軸部件高精度、高剛度和高的動態(tài)響應性能。2.2.1 滾珠絲杠副選型計算Z軸滾珠絲杠副驅(qū)動Z軸運動部件移動,運動質(zhì)量估計大約550kg,為保證進給系統(tǒng)具有高精度和足夠的剛性,初步選擇日本THK公司的帶球保持器的HBN高負荷精密滾珠絲杠。帶球保持器的HBN高負荷精密滾珠絲杠結(jié)構(gòu)如圖2-3所示,主要由絲杠、螺母、滾珠、球保持器和回球器組成。當絲杠旋轉(zhuǎn)時,滾珠沿螺紋滾道滾動,在此運動過程中,滾珠不但繞絲杠公轉(zhuǎn),其自身還在自轉(zhuǎn)。所以滾珠不但與絲杠、螺母間產(chǎn)生摩擦,而且相互間也產(chǎn)生摩擦。為了減小鋼球之間的摩擦,帶球保持器型滾珠絲杠使用球保持器,消除鋼球之間的碰撞和相互摩擦并提高潤滑脂的保持性,因而實現(xiàn)了低噪音、低扭矩變動以及長期運行而免維護的優(yōu)越性能20A749。 圖2-3 THK公司帶球保持器的HBN高負荷精密滾珠絲杠滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動使得滾珠沿螺旋滾道滾動,帶動螺母軸向移動,具有較小的摩擦力,相近的動、靜摩擦系數(shù),削弱了局部爬行現(xiàn)象,經(jīng)過預緊可以消除軸向移動產(chǎn)生的間隙,從而提高了傳動精度和傳動機械效率。經(jīng)過一個多世紀的實踐應用,“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”驅(qū)動機構(gòu)已經(jīng)成為傳統(tǒng)的精密驅(qū)動方式,性價比高,動、靜剛度高,傳動精度好,控制技術(shù)成熟21。2.2.2滾珠絲杠副選型計算20A736過程如下:1)選擇條件運動部件質(zhì)量(運動部件總質(zhì)量550kg,平衡系統(tǒng)平衡Z軸運動質(zhì)量500kg)行程長度最大速度加速時間減速時間每分鐘往返次數(shù)定位精度重復定位精度最小進給量工作壽命時間20000hAC伺服電機額定轉(zhuǎn)速3000rpm液體靜壓導軌面上的摩擦系數(shù)22P1528導向面的阻力(無負荷,液體靜壓摩擦系數(shù),阻力較?。?)選擇項目絲杠軸直徑導程螺母型號軸向間隙絲杠軸支撐方式驅(qū)動電機3) 導程精度與軸向間隙(予壓)的選擇(1)導程精度的選擇為實現(xiàn)定位精度,行程為400mm,則有,參照文獻20A-678頁上表1,只能選擇C0精度等級。(2)軸向間隙由于絲杠垂直使用,軸向負荷常作用與一個方向,不論軸向間隙多大,使用時都不會有間隙,因此選用軸向無予壓絲杠。4)絲杠軸的選擇超精密磨床Z軸選擇帶球保持器的HBN高負荷精密滾珠絲杠,其額定負荷是傳統(tǒng)絲杠的2倍以上。(1)假定絲杠軸長度假定螺母全長為100mm,絲杠軸末端長度為100mm。所以根據(jù)行程長度400mm決定全長:400+200=600mm即絲杠軸長度假定為600mm(2)導程的選擇因伺服電機的額定轉(zhuǎn)速是3000rpm,最高進給速度是,滾珠絲杠的導程如下:因此,必須選擇2mm或2mm以上的導程。為滿足最小進給量,伺服電機分辨率應符合如下:導程2mm20000p/rev 6mm60000p/rev 8mm80000p/rev10mm100000p/rev考慮到絲杠誤差的影響,選用較大導程,以減小,但會增加伺服電機驅(qū)動器指令的脈沖數(shù)至100000p/rev。(3)絲杠軸直徑的選擇考慮到Z軸較高的定位精度和重復定位精度,選擇精密滾珠絲杠,參照文獻20693頁上表16,滿足導程10mm的滾珠絲杠軸外徑如下:8,10,15,18,20,25,32,36,40,50mm。超精密機床的特點是保證每個環(huán)節(jié)具有足夠高的剛性,每個元件處于性能最好的狀態(tài),從而保證機床的高精度。根據(jù)上述條件選擇滾珠絲杠直徑為40mm,導程為10mm。(1) 絲杠軸支撐方法的選擇滾珠絲杠垂直使用,行程長度400mm較短,并設(shè)計采用高精度光柵尺作為測量反饋裝置,為減小絲杠在工作過程中的熱伸長,以及絲杠螺母的安裝調(diào)節(jié)方便,支撐方法選擇固定自由方式。(2) 容許軸向負荷的探討a)最大軸向負荷的計算導向面的阻力運動部件質(zhì)量最大速度加速時間則有:加速度上升加速時上升等速時上升減速時下降加速時下降等速時下降減速時作用在滾珠絲杠上的最大軸向負荷:b)絲杠軸的挫曲栽荷的計算參照文獻20A-694頁,為考慮挫曲因素,螺母和軸承之間的安裝方法按固定固定方式。與安裝方法相關(guān)的系數(shù)安裝距離(估算)絲杠軸溝槽谷徑c)絲杠軸的容許拉伸壓縮負荷由此可見,絲杠軸的挫曲載荷和容許拉伸壓縮負荷大于最大軸向負荷,滿足滾珠絲杠的使用要求。(1) 容許轉(zhuǎn)速的計算a)最高轉(zhuǎn)速絲杠軸直徑:40mm;導程:10mm最大速度導程b)由絲杠軸的危險速度所決定的容許轉(zhuǎn)速參照文獻20A-696頁,為考慮危險速度,螺母和軸承間的安裝方法按固定支撐。與安裝方法相關(guān)的系數(shù)安裝間距(估算)危險速度c)由DN值所決定的容許轉(zhuǎn)速鋼球中心直徑:D42mm參考文獻20A-697頁,HBN型容許轉(zhuǎn)速由上述可見,絲杠最大轉(zhuǎn)速都小于絲杠軸的危險速度和DN值,滿足使用要求(2)螺母的選擇a)螺母型號的選擇選擇絲杠軸直徑為40mm,導程為10mm的高負荷HBN型精密滾珠絲杠:HBN4010-7.5,。b)容許軸向負荷計算參考文獻20A-703頁上表18,因加速、減速時有沖擊負荷的作用,故靜態(tài)安全系數(shù) 與最大軸向負荷相比,得到的容許軸向負荷較大,因而該絲杠型號可以使用。(3)工作壽命計算a)運行距離的計算最大速度加速時間減速時間加速時的運行距離減速時的運行距離等速時的運行距離等速時間根據(jù)以上條件,軸向負荷與運行距離的關(guān)系如表2-2所示:表3-2 軸向負荷與運行距離的關(guān)系動 作軸向負荷運行距離No1:上升加速時53510No2:上升等速時510380No3:上升減速時48510No4:下降加速時44510No5:下降等速時470380No6:下降減速時49510b) 軸向平均負荷 賽c) 額定壽命動額定負荷參照文獻20A-704上的表19,負荷系數(shù)平均負荷額定壽命L(rev)c ) 每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)每分鐘往返次數(shù)行程導程d )根據(jù)額定壽命計算工作壽命時間額定壽命每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)e ) 根據(jù)額定壽命計算運行距離壽命額定壽命導程由上述計算可知,HBN4010-7.5型能滿足希望壽命時間20000小時。(6)定位精度分析1)導程精度選擇絲杠導程精度等級為C0級,代表運行距離誤差6m,變動/300值為4m2)軸向間隙因為滾珠絲杠是垂直使用,軸向負荷總是朝一個方向,沒有軸向間隙。3)軸向剛性a)絲杠的軸向剛性安裝方式:固定自由考文獻20A-707頁剛性探討,絲杠的軸向剛性為: (2-1)式中:A:絲杠軸的斷面面積E:楊氏模量()L:安裝間距(100mm500mm)當時,當時,b) 絲杠軸的軸向剛性引起的軸向變位量當時,當時,c) 進給絲杠軸向剛性引起的定位誤差定位精度因此由進給絲杠軸向剛性而產(chǎn)生的定位誤差是1.14m。選擇高負荷HBN精密滾珠絲杠,軸向剛性為1910KN/m,具有足夠大的剛性,通過高精度直線光柵尺進行閉環(huán)反饋控制,Z軸部件可以實現(xiàn)Z軸部件定位精度的要求。4)因發(fā)熱而引起的熱變形計算如果在運轉(zhuǎn)中絲杠軸的溫度上升,絲杠軸因熱而伸長,會影響定位精度。因發(fā)熱而引起的絲杠軸伸縮量: (2-2)式中:絲杠軸的軸向伸縮量:熱膨脹系數(shù):絲杠軸的溫度改變:螺紋部分有效長度(620mm)當溫度上升1時,絲杠軸伸長因此滾珠絲杠的使用時,一方面采取相應措施控制絲杠溫升,另一方面通過高精度光柵尺進行測量反饋,保證精度要求。(7 ) 旋轉(zhuǎn)扭矩計算1)由外部負荷引起的摩擦扭矩上升等速時下降等速時2)有滾珠絲杠予壓引起的扭矩對絲杠沒有施加予壓3)加速時所需的扭矩慣性力矩(轉(zhuǎn)動慣量):查文獻20B-577頁的尺寸表,每單位長度的絲杠軸慣性力矩為:,則絲杠軸全長732mm的慣性力矩如下:絲杠負載慣性力矩 (3-3)式中:,角加速度:根據(jù)上述計算,加速所需要的扭矩如下:因此,所需扭矩如下:上升加速時:上升等速時:上升減速時:下降加速時:下降等速時:下降減速時:(8)驅(qū)動電機的初步計算1)旋轉(zhuǎn)速度滾珠絲杠的導程根據(jù)電機的額定轉(zhuǎn)速進行選擇,絲杠最高使用轉(zhuǎn)速600rpm,電機額定轉(zhuǎn)速3000rpm。2)最小進給量最小進給量與電機角度測試儀的分辨率有關(guān),計算得電機角度分辨率為:100000p/rev。3)電機扭矩計算加速時所產(chǎn)生的扭矩為所需的最大扭矩:4)電機扭矩有效值電機扭矩的有效值為:2即電機的額定扭矩必須大于5)慣性力矩作用在電機上的慣性力矩為:,通常電機有必要具有作用在電機上慣性力矩的1/10以上的慣性力矩。因此,AC伺服電機的慣性力矩必須為以上。綜上計算,滾珠絲杠副的選擇完成,即為帶球保持器的高負荷HBN精密滾珠絲杠:HBN 4010-7.5RRG2+728LC0絲杠主要參數(shù)如表2-3所示:表2-3 滾珠絲杠的主要參數(shù)公稱型號HBN4010-7.5基本額定動負荷162.6KN絲杠軸外徑40mm基本額定靜負荷336KN導程10mm容許負荷50.4KN精度等級C0剛性1910KN/m負荷圈數(shù)列圈32.5絲杠軸慣性力矩2.3.2 驅(qū)動電機造型計算伺服系統(tǒng)中的控制電機是伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行部件。它一方面像普通電動機一樣是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的能量轉(zhuǎn)換裝置,另一方面也是將數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為機械與位移的信息轉(zhuǎn)換裝置。為了能量轉(zhuǎn)換的高效率與信息轉(zhuǎn)換的高精度、快響應和高度的穩(wěn)定性,對伺服系統(tǒng)中控制電機的基本要求有:輸出功率大;優(yōu)良的調(diào)速性能;優(yōu)良的控制特性;免于或便于維護;散熱性好;價格適中等。目前在數(shù)控機床上常用的控制電機包括直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機三大類,由于交流伺服電機具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、體積較小、重量較輕、輸出功率大、轉(zhuǎn)速高、便于維護等優(yōu)點,近年來在數(shù)控機床中正在逐漸代替直流伺服電機,故選擇交流伺服電機作為伺服系統(tǒng)中的控制電機。(1)進給伺服電機的選擇原則23l 當機床作空載運行時,在整個速度范圍內(nèi),加在伺服電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩應在電機連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。l 最大負載轉(zhuǎn)矩、加載周期以及過載時間都在電機的準許范圍以內(nèi)。l 對要求頻繁起動、制動以及周期性變化的負載必須校核它的在一個周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值,應小于電機的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。l 加在電機軸上的負載慣量大小對電機的靈敏度和整個伺服系統(tǒng)的精度將產(chǎn)生影響。通常情況下,當負載小于電機轉(zhuǎn)子慣量時,上述影響不大;但當負載慣量達到甚至超過轉(zhuǎn)子慣量的5倍時,會使靈敏度和響應時間受到很大的影響。推薦負載慣量小于5倍的伺服電機慣量值。(2)電機選擇步驟1)驅(qū)動方式說明以所需的扭矩為基礎(chǔ)進行電機選型,該扭矩通過使用如行進驅(qū)動系統(tǒng)、提升驅(qū)動系統(tǒng)、試驗臺、離心機、紙張驅(qū)動系統(tǒng)和軋機驅(qū)動系統(tǒng)、進給驅(qū)動系統(tǒng)或者主主軸驅(qū)動系統(tǒng)定義。此外,還要考慮用于運動轉(zhuǎn)換的變速器或者用于將電機轉(zhuǎn)速和電機扭矩與負載系數(shù)相匹配的變速器。要確定電機所要提供的扭矩,除了由使用確定的負載力矩之外,還必須知道下列機械數(shù)據(jù)。當需要較小的結(jié)構(gòu)體積、小的轉(zhuǎn)子慣性矩并由此獲得最高動態(tài)性能時,應優(yōu)先考慮同步電機。2)確定負載情況,計算最大負載力矩確定負載情況,計算最大負載力矩目標是:找到扭矩和轉(zhuǎn)速的特征工作點,利用該特征工作點根據(jù)負載情況確定電機。 在確定運行情況和其詳細規(guī)格后計算最大電機扭矩。 一般情況下,在加速階段得出最大電機扭矩。 這里加上負載力矩和用于電機加速所需的扭矩。然后通過電機極限曲線確定最大電機扭矩。在確定電機時必須考慮下列標準2463:l 遵循動態(tài)極限值,即負載情況的所有扭矩轉(zhuǎn)速點必須位于相關(guān)的極限特性曲線之下。 l 必須遵循熱態(tài)極限值,即對于同步電機,在由負載循環(huán)得出的平均電機轉(zhuǎn)速時,有效電機扭矩必須位于 S1 特性曲線(連續(xù)運行)之下。 對于異步電機,電機電流的有效值在負載循環(huán)內(nèi)必須小于電機額定電流。l 對于同步電機必須注意,最大允許的電機扭矩在電壓極限特性曲線的 高轉(zhuǎn)速時減小。 另外,為了防止電壓波動,應遵循電壓極限特性曲線10%的距離。 l 在使用異步電機時,允許的電機扭矩在電壓極限特性曲線(穩(wěn)定限度)的磁場減弱范圍中受限制。這里應遵循30%的距離。3)確定電機可以通過變動找到一個滿足運行情況條件的電機。最后必須確定其它電機特性。 這些特性將作為電機選項配置進行。(3)驅(qū)動方式說明綜合考慮機床對Z軸部件的技術(shù)要求,Z軸采用伺服電機驅(qū)動高負荷精密滾珠絲杠的驅(qū)動方式,初步選擇Siemens伺服電機??紤]到機床要求較小的結(jié)構(gòu)體積、較高的動態(tài)性能,優(yōu)先選擇Siemens的1FK7緊湊型同步伺服電機,如圖2-5所示。1FK7 電機是一種非常緊湊的、永磁同步電機。與 SINAMICS S120 驅(qū)動系統(tǒng)一起,1FK7電機可以構(gòu)成一種高功能、高效率的驅(qū)動裝置。用于速度和位置控制的集成編碼器系統(tǒng)可以根據(jù)應用場合進行選擇。圖2-5 Siemens的1FK7緊湊型同步伺服電機選擇電機的計算條件如下,Z軸運動伺服軸為豎直使用狀態(tài),如圖2-6所示:圖2-6 Z軸運動伺服軸工作方式運動部件質(zhì)量(運動部件質(zhì)量500kg,配重平衡系統(tǒng)重450kg)導向面的阻力(無負荷,液體靜壓摩擦系數(shù),阻力較?。?qū)動系統(tǒng)(包括滾珠絲杠)的效率由切削力引起的反推力最大速度最小進給量減速比加減速時間:絲杠軸徑:絲杠軸長:絲杠導程:(1)電機最高轉(zhuǎn)速電機選擇首先依據(jù)機床快速行程速度。快速行程的電機轉(zhuǎn)速應嚴格控制在電機的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 (3-4)式中:電機最高轉(zhuǎn)速(rpm)直線運動最大速度(m/s)絲杠導程(mm)系統(tǒng)傳動比,則有:(2)負載轉(zhuǎn)矩的計算根據(jù)伺服電機的工作曲線,負載轉(zhuǎn)矩應滿足:當機床作空載運行時,在整個速度范圍內(nèi),加在伺服電機軸上的負載力矩應在電機的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi),即在工作曲線的連續(xù)工作區(qū);最大負載轉(zhuǎn)矩,加載周期及過載時間應在特性曲線的允許范圍內(nèi)。加到電機軸上的負載力矩: (2-5)式中:加到電機軸上的負載力矩沿坐標軸移動部件所需的力電機轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)機床運動距離滾珠絲杠加到電機軸上的摩擦力矩,由絲杠得不切削時: 切削時:根據(jù)負載力矩可見,伺服電機的額定力矩應大于(3)加速力矩的計算對于數(shù)控機床,因為動態(tài)性能要求較高,系統(tǒng)時間常數(shù)小,而等效的轉(zhuǎn)動慣量又較大,故電機力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的,而負載力矩往往小于加速力矩,一般都為電動機力矩的30%90%,故常常用快速空載起動力矩作為依據(jù)來選擇電動機??焖倏蛰d起動時所需力矩 (2-6)式中:空載啟動時折算到電機軸上的最大加速力矩()折算到電機軸上的摩擦力矩()由于絲杠折算到電機軸上的附加摩擦力矩()加速力矩: (2-7)式中:折算到電機軸上的總慣量()電機最高轉(zhuǎn)速()系統(tǒng)時間常數(shù),則有:摩擦力矩: (2-8)式中:絲杠導程(cm)傳動鏈總效率,一般取傳動比,查INA公司軸承樣本251077絲杠預緊附加的摩擦力矩:(絲杠計算得)即快速空載起動時所需力矩: 最大切削負載時所需力矩: (2-9)式中:切削時折算到電機軸上的加速力矩()折算到電機軸上的摩擦力矩()由于絲杠預緊引起的折算到電機軸上的附加摩擦力()折算到電機上的切削力矩()加速力矩: (2-10)式中:折算到電機軸上的總慣量()切削時的轉(zhuǎn)速(r/min)系統(tǒng)時間常數(shù),切削力矩: (2-11)式中:由切削力引起的反推力傳動鏈總效率,一般取傳動比即最大切削負載時所需力矩人快速進給時所需力矩:加速轉(zhuǎn)矩開始下降時的轉(zhuǎn)速: (2-12)式中:快速移動時電機的轉(zhuǎn)速加減速時間伺服位置增益,?。?)負載慣量計算與負載力矩不同,負載慣量可以精確地算出。由電機本身的轉(zhuǎn)動而驅(qū)動的物體慣量形成電機的負載慣量, 無論該物體是轉(zhuǎn)動還是沿直線運動。對各運動物體分別計算其慣量,然后按一定規(guī)則將各物體的慣量加在一起,即可得出總慣量??倯T量可按下述方法計算:(1)圓柱體(滾珠絲杠,聯(lián)軸器)的慣量計算滾珠絲杠和聯(lián)軸器,可近似按照圓柱體繞其中心軸回轉(zhuǎn)的慣量計算: (2-13)式中:M 質(zhì)量(kg)R半徑(m)(2)圓柱體折算到電機軸上的慣量(3)直線運動質(zhì)量的慣量計算 (2-14)式中:電機轉(zhuǎn)一弧度運動部件移動的距離(m)(4)電機負載慣量計算(5)對負載慣量的限制負載慣量對電機的控制特性和快速移動的加/減速時間都有很大影響。負載慣量增加時,可能出現(xiàn)以下問題:指令變化后,需要較長的時間達到新指令指定的速度。若機床沿著兩個軸高速運動加工圓弧等曲線,會造成較大的加工誤差。負載慣量小于或等于電機的慣量時,不會出現(xiàn)這些問題。若負載慣量為電機的2.5倍以上,控制特性就會降低。實際上這對普通金屬加工機床的工作的影響不大, 但對于精密超精密機床,負載慣量要小于電機的慣量。 即有電機慣量:,綜上計算電機力矩,快速空載起動時所需最大力矩2.56Nm??紤]到超精密機床的高精度和穩(wěn)定性的特點,取安全過載系數(shù)2,則電機額定轉(zhuǎn)矩,同時電機慣量,參照Siemens高緊湊型1FK7同步電機樣本,選擇1FK7080-5AF71-1電機,其扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線如圖3-7所示24117,由電機特性曲線知該電機滿足負載力矩的要求,電機的負載額定轉(zhuǎn)矩,在伺服電機的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)。圖2-7 同步伺服電機1FK7080-5AF71-1的扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線(6)校核電機轉(zhuǎn)矩均方根值當工作機械作頻繁啟動、制動時,必須檢查電機是否過熱,為此需計算在一個周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩的均方根值,并且應使此均方根值小于電機的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。由于本超精密機床在加工過程中無頻繁啟動、制動工況,故不需要進行校核計算。(7)選擇電機編碼器考慮到直線運動最小進給量,需要對編碼器輸出信號進行細分,選擇可以進行信號細分的增量式編碼器。根據(jù)西門子同步電機選型手冊,即文獻2418,選擇帶抱閘功能的同步伺服電機,其型號為:1FK7080-5AF71-1AH0,電機型號AH0分別指:A增量式編碼器H不帶鍵槽的圓柱軸端,帶抱閘功能0電機防護等級為IP64電機主要參數(shù)Siemens的高緊湊同步伺服電機1FK7080-5AF71-1AH0主要參數(shù)如表3-4所示:表3-4 1FK7080-5AF71-1AH0同步伺服電機主要參數(shù)額定轉(zhuǎn)速額定功率額定轉(zhuǎn)矩電機慣量額定電流3000rpm2.14kw4.4A2.2.3 聯(lián)軸器和軸承造型計算(1)聯(lián)軸器聯(lián)軸器屬于機械通用零部件范疇,用來聯(lián)接不同機構(gòu)中的兩根軸(主動軸和從動軸)使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中,有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器一般可分為剛性聯(lián)軸器和彈性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器全部由剛性零件組成,沒有緩沖減振能力,只適用于載荷平穩(wěn)或有輕微沖擊的兩軸的聯(lián)接和同軸度很高的兩軸的聯(lián)接;彈性聯(lián)軸器在結(jié)構(gòu)中設(shè)計有彈性變形元件,可以依靠彈性元件的變形與儲能性來緩沖減振,并補償一定范圍內(nèi)的軸線位移。常用的精密聯(lián)軸器有:彈性聯(lián)軸器,膜片聯(lián)軸器,波紋管聯(lián)軸器,滑塊聯(lián)軸器,梅花聯(lián)軸器,剛性聯(lián)軸器。為減小電機軸安裝和絲杠安裝中存在的不對中以及電機和絲杠轉(zhuǎn)動中的偏移等問題,選用具有偏移量補償?shù)牡聡鴐ayr公司的smartflex鋼制波紋管聯(lián)軸器,如圖2-8所示。圖2-8 德國mayr公司的smartflex鋼制波紋管聯(lián)軸器紋管聯(lián)軸器由兩個轂和一個薄壁金屬管組成,它們用或焊接或粘結(jié)的方式連接在一起。盡管很多其它的材料可用,但不銹鋼和鎳還是最常用的金屬管材料。德國mayr公司的smartflex聯(lián)軸器具有零背隙,高扭轉(zhuǎn)剛度,可補償軸更大的偏移量等優(yōu)點。smartflex聯(lián)軸器具有低的反作用力,可以保護電機和絲杠軸承。具有低的瞬間慣量,允許更高的動力驅(qū)動,在高速狀態(tài)下依然能有安全的傳輸扭矩。根據(jù)Z軸部件進給系統(tǒng)電機的額定扭矩、轉(zhuǎn)速、和軸端直徑和長度大小選擇聯(lián)軸器型號,綜合Z軸部件總體設(shè)計要求,選擇smartflex鋼制波紋管聯(lián)軸器的型號為:2/932.433/26/32。(2)軸承選型軸承的性能直接影響著機床的Z軸部件的精度和剛度,考慮到Z軸部件的技術(shù)要求較高,因而選擇高精度、高剛度的軸承。德國舍弗勒集團旗下的INA軸承公司自成立以來,一直致力于產(chǎn)品的創(chuàng)新,其軸承產(chǎn)品在全球享有盛名。Z軸絲杠在軸向有高精度和高剛度要求,由于使用液體靜壓導軌副,在每次機床供油工作和停機時會產(chǎn)生徑向方向的沖擊和振動,為提高整個Z軸部件進給系統(tǒng)的精度和剛度,選擇INA公司的滾針/推力圓柱滾子軸承。滾針/推力圓柱滾子軸承選用軸承外圈為螺栓安裝的ZARF滾針/推力圓柱滾子軸承,如圖2-9所示。滾針/推力圓柱滾子軸承包括一個有徑向和軸向滾道的外圈、兩個軸圈、一個內(nèi)圈、一個徑向滾針保持架組件和兩個推力圓柱滾子保持架組件。除了徑向力,軸承還可以承受兩個方向的軸向力和傾覆力矩。外圈、內(nèi)圈和軸向保持架相互匹配,采用INA 精密鎖緊螺母預緊后,軸承可以實現(xiàn)軸向無游隙251067。 (a)結(jié)構(gòu)圖 (b)尺寸圖圖2-9 ZARF滾針/推力圓柱滾子軸承根據(jù)Z軸部件負荷、轉(zhuǎn)速、精度、剛度、絲杠尺寸以及安裝要求,綜合選擇ZARF滾針/推力圓柱滾子軸承的型號為:ZARF3080-TV,選用INA公司的精密鎖緊螺母AM30。2.2.4 測量反饋裝置選型
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