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摘要 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn) 代化程度 數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè) 如 信息 技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 航空 航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè) 的使 能技術(shù)和最基本的裝備 制造技術(shù)和裝備是人類生產(chǎn)活動的最基本的生 產(chǎn)資料 而數(shù)控技術(shù)則是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù) 當(dāng)今 世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù) 以提高制造能力和水平 提高對動 態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力 此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù) 控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資 不僅采取重大措施來發(fā)展自己 的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 而且在 高精尖 數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我 國實(shí)行封鎖和限制政策 數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展自 1953 年美國研制出第一臺三坐標(biāo)方式升降 臺數(shù)控銑床算起 至今已有 53 年歷史了 20 世紀(jì) 90 年開始 計(jì)算機(jī)技 術(shù)及相關(guān)的微電子基礎(chǔ)工業(yè)的高速發(fā)展 給數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了一個(gè) 良好的平臺 使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)得到了高速的發(fā)展 我國數(shù)控技術(shù)研究從 1958 年起步 國產(chǎn)的第一臺數(shù)控機(jī)床是北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的三坐標(biāo)數(shù) 控銑床 雖然從時(shí)間上看只比國外晚了幾年 但由于種種原因 數(shù)控機(jī) 床技術(shù)在我國的發(fā)展卻一直落后于國際水平 到 1980 年我國的數(shù)控機(jī) 床產(chǎn)量還不到 700 臺 到 90 年代 我國的數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展才得到了 一個(gè)較大的提速 目前 與國外先進(jìn)水平相比仍存在著較大的差距 總之 大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各 發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展 提高綜合國力和國家地位的重要途徑 加工中心 是帶有刀庫和自動換刀裝置的一種高度自動化的多功能 數(shù)控機(jī)床 在中國香港 臺灣及廣東一代也有很多人叫它電腦鑼 工件 在加工中心上經(jīng)一次裝夾后 數(shù)字控制系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序 自 動選擇和更換刀具 自動改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速 進(jìn)給量和刀具相對工件的 運(yùn)動軌跡及其他輔助機(jī)能 依次完成工件幾個(gè)面上多工序的加工 并且 有多種換刀或選刀功能 從而使生產(chǎn)效率大大提高 加工中心由于備有刀庫并能自動更換刀具 使得工件在一次裝夾中 可以完成多工序的加工 加工中心一般不需要人為干預(yù) 當(dāng)機(jī)床開始程 序后 它將一直運(yùn)行到程序結(jié)束 關(guān)鍵詞 數(shù)控機(jī)床 進(jìn)給傳動系統(tǒng) 滾珠絲杠 仿真 abstract Industrial equipment technical level and the modernized degree determines the level and degree of modernization in the whole national economy numerical control technology and equipment is the development of high tech industries and high tech industries such as Information Industry and information technology biological technology and industry aeronautics and Astronautics national defense industry and trade industry enabling technology and the most basic equipment manufacturing technology and equipment is the most basic means of production of human production and activity and numerical control technology is today s advanced manufacturing technology and equipment the core technology CNC technology widely used for manufacturing countries in the world today in order to improve the high manufacturing capacity and level improve the ability to adapt to the dynamic changeable market and competition ability In addition all industrial countries in the world will also list and CNC numerical control technology and equipment for the strategic materials of the country not only to take significant measures to develop their own numerical control technology and industry and in sophisticated key technology and equipment of numerical control of our country to implement policy of closures and restrictions The development of CNC machine tool technology since 1953 the United States developed the first three coordinate lifting mode of CNC milling machine so far has 53 years history of 20 century 90 years the rapid development of computer technology and the microelectronic industrial base to the development of CNC machine tool provides a good platform the CNC machine tool industry has been rapid development CNC technology research in our country started in 1958 domestic the first CNC machine tools is Beijing first machine tool plant production of three axis NC milling machine Although from time to time to see only later than abroad for a few years but due to various reasons CNC machine tool technology in the development of our country is a Straight after on the international level in 1980 China s output of CNC machine tools is not to 700 sets In the 1990s China s CNC machine tool technology development got a larger speed At present with foreign advanced level compared to still exist large gap In short vigorously develop the CNC technology as the core of advanced manufacturing technology has become the world s developed countries to accelerate economic development improve the comprehensive national strength and the national status of an important way Machining center with a knife library and automatically change the knife device is a highly automated multi function CNC machine tools In Hong Kong China Taiwan and Guangdong generation also many people call it the computer gongs Workpiece in machining center by a clamping the digital control system can control the machine tool according to not the same process automatic selection and replacement of cutting tools automatically change spindle speed feed rate and tool relative workpiece trajectory and other auxiliary functions in order to complete the process of the workpiece surface processing And there are a variety of change knife or knife selection function so that the production efficiency is greatly improved Machining center equipped with because of the knife and can automatically replace the tool and the workpiece in a fixture can complete the processing of multi process Processing centers do not require human intervention when the machine tool to start the program it will have to run to the end of the process Key words CNC machine tool feed drive system ball screw simulation 目 錄 第 1 章概述 1 1 1 課題的背景 1 1 2 國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品及研發(fā)現(xiàn)狀 4 1 3 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 6 第 2 章滾珠絲杠螺母副 7 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 致謝 2 1 滾珠絲桿副及其支承的選取 7 2 2 計(jì)算 7 第 3 章伺服電機(jī) 19 3 1 伺服電機(jī)的選型 19 3 1 1 電機(jī)負(fù)載扭矩計(jì)算 19 3 1 2 慣量匹配計(jì)算 20 3 2 伺服定位精度的驗(yàn)證 21 3 2 1 機(jī)械傳動裝置剛度計(jì)算 21 3 2 2 伺服剛度計(jì)算 22 第 4 章仿真分析 23 4 1 機(jī)電進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖 23 4 2 仿真分析 23 4 2 1 理想線性狀態(tài)的仿真分析 23 4 2 2 具有摩擦非線性因素的仿真分析 24 參考文獻(xiàn) 26 致謝 29 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 立式加工中心 Z 軸進(jìn)給傳動設(shè)計(jì)與仿真 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 論文提交日期 論文答辯日期 字號為 1號 黑 體 設(shè)計(jì)或論文 處 只保留其中兩個(gè) 字 按實(shí)填寫 字號為三號 宋 體 字號為小三 號 宋體 字號為 1號 隸 書 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 任務(wù)書 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自 動化專業(yè) 學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題目 立式加工中心 Z 軸進(jìn)給傳動設(shè)計(jì)與仿真 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 內(nèi)容 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括滾珠絲杠螺母副的選擇和計(jì)算 機(jī)床導(dǎo)軌副的選擇和計(jì)算 聯(lián)軸器選擇計(jì)算 坐標(biāo)軸定位 精度校核 平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)選型 伺服電機(jī)選型 運(yùn)用自動控制理論和 MATLAB 仿真軟件 對所設(shè)計(jì)的半閉 環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析 主要技術(shù)參數(shù) Z 軸 主軸箱 行程 500mm 定位精度 0 018mm 重復(fù)定位精度 0 012mm 最大移動速度 24m min 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 專題部分 1 切削力和切削功率的分析與計(jì)算 2 滾珠絲杠副的選型與計(jì)算 確定滾珠絲杠的尺寸參數(shù) 和型號 支撐方式 間隙調(diào)整和預(yù)緊 潤滑和密封 3 直線滾動導(dǎo)軌的選型與計(jì)算 壽命估算 4 X Y Z 軸定位精度的驗(yàn)算等 5 裝配圖與零件圖設(shè)計(jì) 6 伺服電機(jī)選型 基于 NATLAB 動態(tài)特性的仿真 起止時(shí)間 2016 2 29 2016 6 17 指導(dǎo)教師 簽字 摘要 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn) 代化程度 數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè) 如 信息 技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 航空 航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè) 的使 能技術(shù)和最基本的裝備 制造技術(shù)和裝備是人類生產(chǎn)活動的最基本的生 產(chǎn)資料 而數(shù)控技術(shù)則是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù) 當(dāng)今 世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù) 以提高制造能力和水平 提高對動 態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力 此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù) 控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資 不僅采取重大措施來發(fā)展自己 的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 而且在 高精尖 數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我 國實(shí)行封鎖和限制政策 數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展自 1953 年美國研制出第一臺三坐標(biāo)方式升降 臺數(shù)控銑床算起 至今已有 53 年歷史了 20 世紀(jì) 90 年開始 計(jì)算機(jī)技 術(shù)及相關(guān)的微電子基礎(chǔ)工業(yè)的高速發(fā)展 給數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了一個(gè) 良好的平臺 使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)得到了高速的發(fā)展 我國數(shù)控技術(shù)研究從 1958 年起步 國產(chǎn)的第一臺數(shù)控機(jī)床是北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的三坐標(biāo)數(shù) 控銑床 雖然從時(shí)間上看只比國外晚了幾年 但由于種種原因 數(shù)控機(jī) 床技術(shù)在我國的發(fā)展卻一直落后于國際水平 到 1980 年我國的數(shù)控機(jī) 床產(chǎn)量還不到 700 臺 到 90 年代 我國的數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展才得到了 一個(gè)較大的提速 目前 與國外先進(jìn)水平相比仍存在著較大的差距 總之 大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各 發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展 提高綜合國力和國家地位的重要途徑 加工中心 是帶有刀庫和自動換刀裝置的一種高度自動化的多功能 數(shù)控機(jī)床 在中國香港 臺灣及廣東一代也有很多人叫它電腦鑼 工件 在加工中心上經(jīng)一次裝夾后 數(shù)字控制系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序 自 動選擇和更換刀具 自動改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速 進(jìn)給量和刀具相對工件的 運(yùn)動軌跡及其他輔助機(jī)能 依次完成工件幾個(gè)面上多工序的加工 并且 有多種換刀或選刀功能 從而使生產(chǎn)效率大大提高 加工中心由于備有刀庫并能自動更換刀具 使得工件在一次裝夾中 可以完成多工序的加工 加工中心一般不需要人為干預(yù) 當(dāng)機(jī)床開始程 序后 它將一直運(yùn)行到程序結(jié)束 關(guān)鍵詞 數(shù)控機(jī)床 進(jìn)給傳動系統(tǒng) 滾珠絲杠 仿真 abstract Industrial equipment technical level and the modernized degree determines the level and degree of modernization in the whole national economy numerical control technology and equipment is the development of high tech industries and high tech industries such as Information Industry and information technology biological technology and industry aeronautics and Astronautics national defense industry and trade industry enabling technology and the most basic equipment manufacturing technology and equipment is the most basic means of production of human production and activity and numerical control technology is today s advanced manufacturing technology and equipment the core technology CNC technology widely used for manufacturing countries in the world today in order to improve the high manufacturing capacity and level improve the ability to adapt to the dynamic changeable market and competition ability In addition all industrial countries in the world will also list and CNC numerical control technology and equipment for the strategic materials of the country not only to take significant measures to develop their own numerical control technology and industry and in sophisticated key technology and equipment of numerical control of our country to implement policy of closures and restrictions The development of CNC machine tool technology since 1953 the United States developed the first three coordinate lifting mode of CNC milling machine so far has 53 years history of 20 century 90 years the rapid development of computer technology and the microelectronic industrial base to the development of CNC machine tool provides a good platform the CNC machine tool industry has been rapid development CNC technology research in our country started in 1958 domestic the first CNC machine tools is Beijing first machine tool plant production of three axis NC milling machine Although from time to time to see only later than abroad for a few years but due to various reasons CNC machine tool technology in the development of our country is a Straight after on the international level in 1980 China s output of CNC machine tools is not to 700 sets In the 1990s China s CNC machine tool technology development got a larger speed At present with foreign advanced level compared to still exist large gap In short vigorously develop the CNC technology as the core of advanced manufacturing technology has become the world s developed countries to accelerate economic development improve the comprehensive national strength and the national status of an important way Machining center with a knife library and automatically change the knife device is a highly automated multi function CNC machine tools In Hong Kong China Taiwan and Guangdong generation also many people call it the computer gongs Workpiece in machining center by a clamping the digital control system can control the machine tool according to not the same process automatic selection and replacement of cutting tools automatically change spindle speed feed rate and tool relative workpiece trajectory and other auxiliary functions in order to complete the process of the workpiece surface processing And there are a variety of change knife or knife selection function so that the production efficiency is greatly improved Machining center equipped with because of the knife and can automatically replace the tool and the workpiece in a fixture can complete the processing of multi process Processing centers do not require human intervention when the machine tool to start the program it will have to run to the end of the process Key words CNC machine tool feed drive system ball screw simulation 目 錄 第 1 章概述 1 1 1 課題的背景 1 1 2 國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品及研發(fā)現(xiàn)狀 4 1 3 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 6 第 2 章滾珠絲杠螺母副 7 2 1 滾珠絲桿副及其支承的選取 7 2 2 計(jì)算 7 第 3 章伺服電機(jī) 19 3 1 伺服電機(jī)的選型 19 3 1 1 電機(jī)負(fù)載扭矩計(jì)算 19 3 1 2 慣量匹配計(jì)算 20 3 2 伺服定位精度的驗(yàn)證 21 3 2 1 機(jī)械傳動裝置剛度計(jì)算 21 3 2 2 伺服剛度計(jì)算 22 第 4 章仿真分析 23 4 1 機(jī)電進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖 23 4 2 仿真分析 23 4 2 1 理想線性狀態(tài)的仿真分析 23 4 2 2 具有摩擦非線性因素的仿真分析 24 參考文獻(xiàn) 26 致謝 29 1 第 1章 概述 1 1 課題的背景 制造業(yè)直接體現(xiàn)了一個(gè)國家的生產(chǎn)力水平 是區(qū)別發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家的重 要因素 制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè) 是我國經(jīng)濟(jì)增長的主導(dǎo)部門和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn) 型的基礎(chǔ) 是我國城鎮(zhèn)就業(yè)的主要渠道和國際競爭力的集中體現(xiàn) 作為過去 20 多年 我國綜合國力提高的主要標(biāo)志 我國已經(jīng)成為裝備制造業(yè)大國 但產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng) 自主創(chuàng)新能力薄弱 自主創(chuàng)新產(chǎn)品推廣應(yīng)用困難等問題依然突出 應(yīng)該看到 我國 目前正處于擴(kuò)大內(nèi)需 加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時(shí)期 對先進(jìn)裝備 有著巨大的市場需求 因此 提高中高檔數(shù)控機(jī)床的市場競爭力是機(jī)床行業(yè)轉(zhuǎn)型升 級的首要任務(wù) 必須采取有效措施加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整 推動產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級 加強(qiáng)技 術(shù)創(chuàng)新 促進(jìn)裝備制造業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展 為我國經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快發(fā)展做出貢獻(xiàn) 數(shù)控機(jī)床作為現(xiàn)代裝備制造業(yè)的關(guān)鍵裝備 其產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上代 表了國家的工業(yè)現(xiàn)代化水平和競爭力 我國數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平 性能和質(zhì)量與裝 備制造業(yè)發(fā)達(dá)國家還有很大差距 高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多依靠進(jìn)口 同時(shí) 數(shù)控機(jī)床作為國防軍工的戰(zhàn)略裝各 是各種武器裝備最重要的制造母機(jī) 是國防軍 工裝備現(xiàn)代化的重要保證口 因此 一些發(fā)達(dá)國家把高性能數(shù)控機(jī)床作為戰(zhàn)略物資 嚴(yán)加控制 限制我國進(jìn)口 根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會市場部提供的國際招標(biāo)信息 中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié) 會分會對 2012 年 1 3 月份通過國際招標(biāo)采購的加工中心總量 產(chǎn)品分類占比 產(chǎn) 品水平和價(jià)格方面 用戶及制造商情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析 進(jìn)一步了解了市場需求 為企業(yè)有針對性地開發(fā)新產(chǎn)品并積極參與國際招標(biāo)競爭起到引導(dǎo)作用 根據(jù)國際招 標(biāo)采購加工中心匯總表 2012 年 1 3 月 加工中心中標(biāo)項(xiàng)目共有 153 項(xiàng) 中標(biāo)數(shù) 量為 314 臺 產(chǎn)品金額總計(jì) 46962 4 萬美元 各類加工中心中標(biāo)情況見表 1 1 表 1 1 各類加工中心中標(biāo)情況 產(chǎn)品分類 中標(biāo)數(shù)量 產(chǎn)品數(shù)額 萬美元 金額占比 2 臥式加工中心 生產(chǎn)線 6 17857 75 38 0 臥式加工中心 166 11945 98 25 4 龍門加工中心 27 7255 68 15 5 其它加工中心 50 4467 60 9 5 立式加工中心 生產(chǎn)線 2 2544 21 5 4 立式加工中心 61 2435 38 5 2 其它加工中心 生產(chǎn)線 2 455 8 1 0 總計(jì) 314 46962 4 100 2012 年 1 3 月份通過國際招標(biāo)采購的 314 臺加工中心 分布在 13 個(gè)國家和地 區(qū) 以金額計(jì)算 德國中標(biāo)額最大 達(dá)到 24387 萬美元 占中標(biāo)總額的 51 93 日本中標(biāo)額排第 2 為 13856 06 萬美元 占中標(biāo)總額的 29 5 法國排名第 3 中標(biāo)額為 2065 44 萬美元 占中標(biāo)總額的 4 4 美國中標(biāo)額最少 為 11 17 萬 美元 占中標(biāo)總額的 0 02 以數(shù)量計(jì)算 日本中標(biāo)臺數(shù)最多 為 119 臺 德國 中標(biāo) 97 臺名列第 2 法國中標(biāo) 23 臺排在第 3 中國中標(biāo) 17 臺位列第 4 詳細(xì)情況 見表 1 2 表 1 2 中標(biāo)產(chǎn)品國別分布及占比 3 制造商國別或地 區(qū) 臺數(shù) 金額 萬美元 金額占比 德國 97 24387 00 51 93 日本 119 13856 06 29 50 法國 23 2065 44 4 40 意大利 12 1788 78 3 81 瑞士 7 854 31 1 82 韓國 12 803 01 1 71 奧地利 1 695 35 1 48 中國 17 657 79 1 40 捷克 5 597 52 1 27 西班牙 2 548 52 1 17 中國臺灣 14 424 45 0 90 新加坡 2 273 00 0 58 美國 1 11 17 0 02 總計(jì) 314 46962 40 100 00 4 由以上數(shù)據(jù)可以看出 2012 年 世界 28 個(gè)主要機(jī)床生產(chǎn)國機(jī)床產(chǎn)值 932 億美 元 中國機(jī)床產(chǎn)值 273 6 億美元 約占 30 中國金屬加工機(jī)床消耗約占全球市 場的 45 2012 年 機(jī)床進(jìn)口額 136 6 億美元 其中加工中心進(jìn)口 5 萬臺 進(jìn)口 額 56 5 億美元 占進(jìn)口機(jī)床總額的 41 4 2012 年軍工企業(yè)進(jìn)口五軸聯(lián)動機(jī)床 進(jìn)口數(shù)量約占總進(jìn)口機(jī)床 70 而德國哈默公司 C 系列立式五軸加工中心屬于高精 度 高性能機(jī)床 是我國進(jìn)口主要機(jī)種之一 愛好軍事的朋友大多都知道著名的 東芝事件 上世紀(jì)末 日本東芝公司賣 給前蘇聯(lián)幾臺五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床 結(jié)果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進(jìn)螺旋槳 上 了幾個(gè)檔次 使美國間蝶船的聲納監(jiān)聽不到潛艇的聲音了 所以美國以東芝公司違 反了戰(zhàn)略物資禁運(yùn)政策 要懲處東芝公司 由此可見 五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)對一 個(gè)國家的航空 航天 軍事 科研 精密器械 高精醫(yī)療設(shè)各等等行業(yè) 有著舉足 輕重的影響力 現(xiàn)在大家普遍認(rèn)為 五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是解決葉輪 葉片 船 用螺旋槳 重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)予 大型柴油機(jī)曲軸等加工的唯一手段 是 衡量我國數(shù)控裝備制造水平的重要依據(jù)之一 與裝備制造發(fā)達(dá)國家相比 我國在五 軸加工中心系列化程度 加工功能 加工效率 加工精度和市場占有率上尚有差距 尤其是五軸加工中心國產(chǎn)制造能力明顯不足 這已經(jīng)成為制約我國制造業(yè)快速發(fā)展 尤其是制約國家重大國防 航空和航天裝備制造能力的瓶頸 1 2 國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品及研發(fā)現(xiàn)狀 根據(jù)近三年來 中國國際機(jī)床展覽會展出機(jī)床產(chǎn)品來看 展會展品的特點(diǎn)是 突出智能功能 倡導(dǎo)低碳和綠色制造方式 柔性 復(fù)合 五軸聯(lián)動 高精 高速化 仍然是數(shù)控機(jī)床的發(fā)展主流 自動化水平高 機(jī)床向安全 宜人化深度發(fā)展 1 1 屆展會具有五軸聯(lián)動功能的機(jī)床展品有 80 余臺套 眾多國際知名廠家都帶來展品 如 HERMLE DMG 米克朗 森精機(jī)等 臺灣的崴立 簏馳和友佳公司都帶來五軸聯(lián) 動機(jī)床展出 國內(nèi)的沈陽集團(tuán) 大連機(jī)床集團(tuán) 北京機(jī)電院等也都展出了五軸聯(lián)動 加工中心 展會展出的五軸聯(lián)動加工中心結(jié)構(gòu)形式多種多樣 從功能上講除了葉片 式 葉輪式及龍門式加工中心外 五軸機(jī)床不再僅展示曲面加工 還有不少是展示 一次裝夾 多面高效加工的功能 這是展會五軸機(jī)床最突出的亮點(diǎn) 也是五軸機(jī)床 5 的發(fā)展趨勢 更是全面解決方案服務(wù)理念的具體體現(xiàn) 瑞士 GF 阿奇夏米爾集團(tuán)展出的 HPM 800U 五軸加工中心屬于高效銑削領(lǐng)域中的 最新一代產(chǎn)品 機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊 穩(wěn)定性好且動力出眾 尤為突出的是 它對第 四軸和第五軸的直接驅(qū)動使其在加工 500kg 的工件時(shí)回轉(zhuǎn)軸和擺動軸有充足的動能 它具有四種不同類型的工作臺 可使小型工件在完全聯(lián)動的回轉(zhuǎn)擺動工作臺上手動 輕松裝載 并可以從后面進(jìn)行托盤交換 機(jī)床主要參數(shù) 行程 X YXZ 850 800X 550mlll 擺動軸 91 121 回轉(zhuǎn)軸 360 工作主軸 20000 min 1 快速移動 45m min 工作臺面 500 630 mm 最大承重 800kg HSK A63 刀庫 容量 60 把 DMG 的新機(jī)床 DMU 60 也是一次裝夾多面加工的典范 該機(jī)將萬能銑床和立式加 工中心的性能完美地結(jié)合 滿足一次裝夾五軸聯(lián)動輪廓加工的要求 該機(jī)采用了動 梁式龍門結(jié)構(gòu) 直線軸 X YXZ 的行程為 600 500 500mm B 軸和 C 軸采用轉(zhuǎn)速 高達(dá) 60rpm 擺動范圍為 5 1 10 的快速數(shù)控?cái)[動分度工作臺 工作臺 的直徑為 630mm 負(fù)載能力為 400kg 旋轉(zhuǎn)軸的力矩電機(jī)驅(qū)動提高了機(jī)床的穩(wěn)定性和 動態(tài)性能 DMU 60 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床采用滾珠絲杠傳動 快移速度為 50 m min 該機(jī)左側(cè) 刀庫和鏈?zhǔn)酵屑艿脑O(shè)計(jì)也非常巧妙 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單 穩(wěn)定可靠 標(biāo)配 30 把刀庫 標(biāo)配 14 000 rpm 主軸 用戶也可以選配 18 000 rpm 或 24 000 rpm 主軸 所有 主軸可以配置 SK40 BT40 或 HSKA63 刀柄 還有 HERMLE 的 C30U 及北京機(jī)電院的 XKH800 南通科技的 5DLl 100 等五軸加 工中心 先進(jìn)的驅(qū)動技術(shù)及控制系統(tǒng)在五軸聯(lián)動 7J 口 32 中 t 上得到了廣泛的應(yīng)用 如直驅(qū)技術(shù) 直線電機(jī) 力矩電機(jī) 內(nèi)裝式電主軸 熱變形控制技術(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 技術(shù)等被廣泛利用 力矩電機(jī)在五軸聯(lián)動機(jī)床的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中起到了特別重要的 作用 從五軸聯(lián)動加工中心產(chǎn)品上看 國內(nèi)五軸機(jī)床已走過從無到有 特別引人關(guān)注 的時(shí)段 五軸機(jī)床的市場與立 臥式加工中心相比相對還比較小 如果機(jī)床做不成 精品和實(shí)用 不能全面為用戶解決加工問題 用戶是不會輕易采購的 國外眾多知 名廠商大多在其原有的機(jī)床上做了很大的改進(jìn) 五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙 制造精 良 全面解決問題的能力非常強(qiáng) 這正是國內(nèi)廠家需要好好學(xué)習(xí)的 也是我國五軸 機(jī)床的發(fā)展方向 6 1 3 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 目前 我國數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平 性能和質(zhì)量與裝備制造業(yè)發(fā)達(dá)國家還有很大 差距 高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多依靠進(jìn)口 數(shù)控機(jī)床作為國防軍工的戰(zhàn)略裝備 是各種武器裝備最重要的制造母機(jī) 是國防軍工裝備現(xiàn)代化的重要保證 因此 一 些發(fā)達(dá)國家把高性能數(shù)控機(jī)床作為戰(zhàn)略物資嚴(yán)加控制 限制我國進(jìn)口 大連機(jī)床集 團(tuán)有限責(zé)任公司在綜合比較分析國內(nèi)外五軸聯(lián)動設(shè)計(jì)技術(shù) 綜合借鑒國內(nèi)外先進(jìn)機(jī) 床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)分析手段的基礎(chǔ)上 采用設(shè)計(jì)計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法 系統(tǒng)的 對墻式五軸加工中心總體布局 主要功能部件的設(shè)計(jì) 機(jī)床精度保持和機(jī)床高速運(yùn) 動的動態(tài)性能分析等關(guān)鍵項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入研究 論文作者為本產(chǎn)品主要研發(fā)人之 本文將針對墻式五軸加工中心開發(fā)過程中 機(jī)床結(jié)構(gòu)方面的問題展開研究 并著重進(jìn)行以下幾方面的分析和論述 1 機(jī)床總體布局的確定 依據(jù)國內(nèi)外高檔五軸加工中心的機(jī)床參數(shù) 綜合分析市場需求 投入市場的競 爭力 企業(yè)生產(chǎn)能力及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等因素 確定合理的機(jī)床參數(shù) 分析各種五軸加工 中心結(jié)構(gòu)布局 綜合考慮機(jī)床的整體剛性 性能 制造成本 操作方便等因素 確 定切合實(shí)際可行的布局方案 2 機(jī)床各傳動系統(tǒng)的理論分析及計(jì)算選型 對機(jī)床三向進(jìn)給傳動系統(tǒng)進(jìn)行理論分析 計(jì)算 校核三向絲杠及驅(qū)動電機(jī)的規(guī) 格和型號 選定主傳動功率 分析主軸形式并確定主傳動系統(tǒng)動力參數(shù) 進(jìn)行直取 式快速換刀系統(tǒng)理論分析計(jì)算 確定刀庫驅(qū)動電機(jī)及減速機(jī)的規(guī)格和型號 3 機(jī)床各部件原理分析及結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì) 簡要介紹產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)軟件平臺 Pro E 軟件以及墻式五軸加工中心主體結(jié)構(gòu) 重點(diǎn)分析三向進(jìn)給傳動結(jié)構(gòu)原理 分析提高傳動系統(tǒng)性能的措施 完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 進(jìn)行直取式快速換刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析及設(shè)計(jì) 簡要分析床身 橫梁 滑板 雙軸 搖籃轉(zhuǎn)臺等功能機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì) 完成機(jī)床的外觀造型設(shè)計(jì) 4 主要結(jié)構(gòu)模型有限元分析 簡要介紹 Pro E 軟件 ANSYS 軟件和優(yōu)化設(shè)計(jì)流程 運(yùn)用 ANSYS 軟件對主要結(jié) 構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 滾珠絲杠螺母副 7 第 2章 滾珠絲杠螺母副 2 1 滾珠絲桿副及其支承的選取 在半閉環(huán)控制方式中 機(jī)床定位精度很大程度上取決于滾珠絲桿的精度 其中 絲桿的導(dǎo)程誤差對機(jī)床定位精度的影響最明顯 因此根據(jù)機(jī)床定位精度要求 首先 確定絲桿導(dǎo)程精度 再根據(jù)機(jī)床行程 快速移動速度 承載要求 確定絲桿軸長 導(dǎo)程 直徑 最終選定滾珠絲桿型號為 50 10C3 2FDI 長度分別為 1 8m 1 4m 1 2m 軸承型號為 35TAC72B 2 2 計(jì)算 1 滾珠絲杠選型的初始設(shè)計(jì)條件如表 2 1 機(jī)床各移動部件的重量如表 2 2 表 2 1 滾珠絲杠初始設(shè)計(jì)條件 進(jìn)給方向 驅(qū)動數(shù)量 行程 mm 快進(jìn)速度 m min 定位精度 mm X 向 單驅(qū) 1100 60 0 02 Y 向 雙驅(qū) 1100 60 0 02 Z 向 單驅(qū) 750 60 0 016 表 2 2 機(jī)床移動部件重量 移動部件 橫梁結(jié)構(gòu) 滑板結(jié)構(gòu) 主軸箱結(jié)構(gòu) 工作臺最大 載量 重量 kg 2300 500 900 2000 考慮到在沒有平衡器的情況下 只靠伺服電機(jī)對主軸單元進(jìn)行升降及位置保持 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 滾珠絲杠螺母副 8 電 機(jī)負(fù)荷過大 電力耗損量增加 另外 電機(jī)也會發(fā)熱使得絲杠受熱變長 影響機(jī) 床精度 因此 利用氮?dú)馄胶馄髌胶馄渲亓?來減輕伺服電機(jī)負(fù)荷 降低電力消耗 和發(fā)熱 提高時(shí)的加工度 減輕絲杠及主軸單元導(dǎo)向部的負(fù)荷 初選 Pascal 氮?dú)馄胶馄?DNG32C 填充氣壓在 7 0MPa 時(shí) 初始負(fù)荷為 5 6kN 最 大負(fù)荷為 6 7kN 平衡力取初始值的 90 5kN 2 運(yùn)轉(zhuǎn)條件如表 2 3 表 2 3 運(yùn)轉(zhuǎn)條件 X 向軸向負(fù)載 N Y 向軸向負(fù)載 N Z 向軸向負(fù)載 N 運(yùn)動 類型 切削 阻力 滑動 阻力 Fa 切削 阻力 滑動 阻力 Fa 切削 阻力 滑動阻力 Fa 自重 平 衡力 傳動速度 m min 使用時(shí)間比 例 快進(jìn) 0 55 0 145 0 3855 60000 30 輕中 切削 4000 55 4000 145 4000 3855 800 50 重切 削 8000 55 8000 145 8000 3855 200 20 注 1 滑動阻力 F u mg 其中導(dǎo)軌面摩擦系數(shù) u 0 004 3 各基本參數(shù)的選定 絲杠直徑 d 45 mm 絲杠軸底槽徑 dr 39 4 mm 絲杠螺紋總長 Lo 最大行程 螺母長 余量 軸承安裝距離 L a 最大行程 螺母長 2 軸端余量 最大行程 L b 及絲杠總長度 L 如表 2 4 表 2 4 基本參數(shù)的選定 進(jìn)給方向 X 向 Y 向 Z 向 絲杠螺紋總長 Lo mm 1330 1330 957 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 滾珠絲杠螺母副 9 軸承安裝距離 La mm 1417 1417 1043 最大行程 Lb mm 1120 1120 770 絲杠總長度 L mm 1672 1672 1300 絲杠選擇精度等級 C3 由驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 Nmax 機(jī)床預(yù)備達(dá)到的最高進(jìn)給速度 V 來計(jì)算絲杠導(dǎo)程 Ph mm 常規(guī)伺服電機(jī) Nmax 3900 r min 機(jī)床快速移動速度 Vmax 6000 mm min 計(jì)算公式為 2 1 38 15 390 6 maxax mV 故初選擇絲杠導(dǎo)程為 20mm 絲杠快進(jìn)轉(zhuǎn)速 N 60000 20 3000 rp m 4 直徑 導(dǎo)程 螺母的選定 定動載荷的確認(rèn) 如表 2 5 表 2 5 額定動載荷的選定 運(yùn)轉(zhuǎn)類型 X 向軸向負(fù) 載 N Y 向軸向負(fù) 載 N Z 向軸向負(fù) 載 N 絲杠轉(zhuǎn)速 rmp 使用時(shí)間比 例 快進(jìn) 55 80 3855 3000 30 輕中切削 4055 2280 145 40 50 強(qiáng)力切削 8055 4480 4145 10 20 因?yàn)?Y 向?yàn)殡p驅(qū)動裝置 故 Y 向負(fù)載取值總負(fù)載的 O 55 倍 平均負(fù)載 2 2 3 1213331 tntFnFnm 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 滾珠絲杠螺母副 10 平均轉(zhuǎn)數(shù) 2 3 nmtttntN 21 根據(jù)公式 2 2 2 3 求各方向的平均負(fù)載和平均轉(zhuǎn)數(shù) 計(jì)算結(jié)果見表 f 表 2 6 平均負(fù)載和平均轉(zhuǎn)數(shù) 進(jìn)給方向 X 向 Y 向 Z 向 Fm N 1372 768 3828 Nm rpm 922 922 922 負(fù)載系數(shù) L 如表 2 7 表 2 7 負(fù)載系數(shù)值 沒有沖擊的平滑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 1 0 1 2 普通運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 1 2 1 5 有振動沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 1 5 3 0 機(jī)床疲勞壽命的一般目標(biāo)值 Lt 20000h 注 16 小時(shí) 250 天 10 年 0 5 移 動率 機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)平滑 基本沒有沖擊 因此 取 fw 1 2 基本額定動負(fù)載 2 4 10 60 23 1NfFLNCwmma 根據(jù)公式 2 4 求得各進(jìn)給方向需求最 小 基本額定動負(fù)載 如表 2 8 表 2 8 各進(jìn)給方向需求最小基本額定動負(fù)載 進(jìn)給方向 X 向 Y 向 Z 向 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 滾珠絲杠螺母副 11 N 17028 9532 47511 初選絲杠基本額定動載荷為 69100N 所以滿足使用條件 容許轉(zhuǎn)速的確認(rèn) a 危險(xiǎn)速度 取 f 21 9 絲杠快進(jìn)轉(zhuǎn)速為 n 3000 rpm 2 5 107 2mfLndar 計(jì)算最小軸底槽徑 根據(jù)公式 E 求得各進(jìn)給方向需求最小軸底直徑 如表 2 10 2 10 各進(jìn)給方向最小軸底直徑值表 進(jìn)給方向 X 向 Y 向 Z 向 mm 27 5 27 5 14 9 由于初定參數(shù)中 絲杠直徑 d 45 mm 軸底槽徑 d 39 42 27 5 mm 所以滿足使用條件 b 求 d n 值 13504 nd 滾珠絲杠系統(tǒng)剛度的確認(rèn) a 螺桿剛性 Ks 彈性位移量 L s 在產(chǎn)生最大軸向 位 移的螺桿中央位置上進(jìn)行計(jì)算 2 6 103 2mNLEdKars 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 滾珠絲杠螺母副 12 2 7 1032mE LFKLdrasas 縱向彈性系數(shù) E 2 06 x105MPa b 螺母剛性 KN 彈性位移量 L N 1 3 左右的最大軸向負(fù)載設(shè)為預(yù)壓負(fù)載 2 8 31 max 8 03aoNaoCFKF 其中剛性值 K 1470 N m 基本額定動負(fù)載 Ca 69100N 剛性計(jì)算基準(zhǔn)系數(shù) 0 1 2 9 NaKFL c 支撐軸承剛 KB 彈性位移量 L B 支撐軸承為滾珠絲杠用推力角接觸球軸承 2 A BST 型 軸承組合型號為 2A BST35 72 113DTBT 見 NTN 軸承樣本 軸承剛性值 K B 2260 N m 2 10 BaKFL2 計(jì)算結(jié)果 2 11 BNSLL 將 a b C 三項(xiàng)計(jì)算結(jié)果列于表 1 11 中 表 2 11 各進(jìn)給方向滾珠絲杠剛度計(jì)算值 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 滾珠絲杠螺母副 13 螺桿 螺母 公稱型號 EM4520 6E 軸承進(jìn)給方向 KS L S KN L N KB L B 合計(jì) L m X 向 708 63 0 0774 858 15 0 0641 2260 0 0122 0 1537 Y 向 708 63 0 1126 705 72 0 2055 2260 0 0321 0 3501 Z 向 962 73 0 0366 687 67 0 0509 2260 0 0077 0 0953 各進(jìn)給方向絲杠剛度計(jì)算結(jié)果滿足要求 5 基本的安全性確認(rèn) 可軸向負(fù)載確認(rèn) 表 2 12 壓屈負(fù)載系數(shù)值 安裝方式 m N 固定 自由 1 2 0 25 簡單支撐 簡單支撐 5 0 1 固定 簡單支撐 10 0 2 固定 固定 19 9 4 2 12 412 0 mLPdar 將公式 l 計(jì)算結(jié)果列于表 m 中 表 2 13 各進(jìn)給方向最小軸底直徑值 進(jìn)給方向 X 向 Y 向 Z 向 mm 16 89 14 59 12 27 因?yàn)槌踹x絲杠 dr 39 4 16 89 所以滿足要求 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 滾珠絲杠螺母副 14 允許轉(zhuǎn)速確認(rèn) a 危險(xiǎn)速度 2 13 7210 arLdfn 表 2 14 各進(jìn)給方向最大容許轉(zhuǎn)速值 進(jìn)給方向 X 向 Y 向 Z 向 rmp 4297 35 4297 35 7981 80 因?yàn)槌踹x絲杠 n 300020000 h 所以滿足要求 6 對適合要求性能的項(xiàng)目進(jìn)行確認(rèn) 精度的確認(rèn) a 定位精度 選用定精度等級 C3 根據(jù)絲杠樣本查得 表 2 16 x Y Z 進(jìn)給方向定位用代表性移動量誤差 ep和變動值 vN的許可值 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 滾珠絲杠螺母副 15 進(jìn)給方向 X 向 Y 向 Z 向 ep 0 029 1600 0 029 1600 0 024 1250 vN 0 018 0 018 0 016 滿足機(jī)床定位精度 0 02mm X Y 0 016mm z 的要求 b 熱位移量 根據(jù)公式 2 15 aLL 其中熱膨脹系數(shù) 得出 C 31026 表 2 17 各進(jìn)給方向熱位移量 進(jìn)給方向 X向 Y向 Z向 L 0 051012 0 51012 0 037548 c 預(yù)張力 為了吸收絲杠受熱延伸量 通常在安裝絲杠時(shí)對其施加一定的張力 它相當(dāng)于 桿溫度升高 2 3 時(shí)的張力 根據(jù)公式 2 16 arLdEF4 2 得出對滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸合理的拉伸量時(shí)的預(yù)緊力 NF9037 d 支撐軸承校核 將軸承基本額定動載荷 C 與預(yù)張力 F 的比設(shè)為 可以 為標(biāo)準(zhǔn) 校核軸承 2 0 aF 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 滾珠絲杠螺母副 16 表 2 18 軸承校核值 軸承型號 C N 2A BST35 72 1BDTBTP4 50500 0 17895 計(jì)算結(jié)果滿足要求 驅(qū)動扭矩的確認(rèn) 表 2 19 驅(qū)動電機(jī)型號表 項(xiàng)目 X 向 Y 向 Z 向 驅(qū)動電機(jī)型號 QSY 190 F EcoDyn QSY 190 F EcoDyn QSY 190 F EcoDyn 轉(zhuǎn)子慣量 JM 0 0190 0 0190 0 0199 a 負(fù)載 絲桿慣性力矩 2 17 OBLDJ 432 其中 Y 一材料密度 7 8 x 10 kg m D 一絲杠直徑 0 045 cm 表 2 20 各進(jìn)給方向 JB值 進(jìn)給方向 X 向 Y 向 Z 向 JB kg m 0 00525 0 00525 0 00408 移動部分慣性矩 2 18 2 lmw 其中 l 一導(dǎo)程 0 02 m 表 2 21 各進(jìn)給方向 Jw值 進(jìn)給方向 X 向 Y 向 Z 向 Jw kg m 0 01420 0 03753 0 00913 聯(lián)軸器慣性矩 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 滾珠絲杠螺母副 17 根據(jù)聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)定 J C O 0015 kg m 合計(jì) 表 2 22 各進(jìn)給方向慣性力矩及其與驅(qū)動電機(jī)比值 進(jìn)給方向 X 向 JB JW JC Y 向 J B 0 55JW JC Z 向 J B JW JC JL kg m 2 0 02045 0 02689 0 01421 JL JM 1 0763 1 4153 0 1741 b 驅(qū)動扭 2 19 UPAT 其中 2 20 12 lFaA 2 21 ldTmaoP 04 按軸承組合的起動扭矩值求得 1 5 0 mNTU 取 1 0 9 表 2 23 各進(jìn)給方向扭矩值表 T N m X 向 Y 向 Z 向 快進(jìn)時(shí) T1 2 422 2 010 15 321 輕切時(shí) T2 16 577 9 795 2 193 重切時(shí) T3 30 731 17 580 16 348 電機(jī)額定扭矩大于 30 73 17 58 16 35 C 電機(jī)選擇 表 2 24 電機(jī)規(guī)格參數(shù)表 項(xiàng)目 X 向 Y 向 Z 向 電機(jī)型號 QSY 190 F EcoDyn QSY 190 F EcoDyn QSY 190 F EcoDyn 額定轉(zhuǎn)速 rpm 3000 3000 3000 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 滾珠絲杠螺母副 18 額定扭矩 N m 31 5 31 5 31 5 靜扭矩 N m 47 6 47 6 47 6 最高轉(zhuǎn)速 rpm 3900 3900 3900 最大扭矩 N m 150 150 150 電機(jī)慣量 kg m 0 0190 0 0190 0 0199 額定輸出攻略 kW 9 9 9 9 9 9 d 加速時(shí)間確認(rèn) 2 22 4 160 21 TNJtMLa 表 3 25 各進(jìn)給方向加速時(shí)間值 進(jìn)給方向 X 向 Y 向 Z 向 Ta s 0 150 0 174 0 146 其中 Vmax 60 m min 表 2 26 各進(jìn)給方向加速度值 進(jìn)給方向 X 向 Y 向 Z 向 a m s 6 665 5 749 6 848 a g 0 680 0 587 0 699 初定三向進(jìn)給加速度 5 m s 根據(jù)以上計(jì)算確定達(dá)到要求的目標(biāo)值 通過以上的計(jì)算和校核 我們選定本機(jī)床的絲杠型號為 EM4520 6E XXXX 三向電機(jī)型號分別為 HEIDENHAIN QSY 190 F EcoDyn 無制動 QSY 190 F EcoDyn 無制動 QSY 190FEcoDyn 有制動 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 伺服電機(jī) 19 第 3 章 伺服電機(jī) 3 1 伺服電機(jī)的選型 數(shù)控系統(tǒng)所發(fā)出的控制指令 是通過伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)驅(qū)動機(jī)床執(zhí)行部件 的 所選電機(jī)應(yīng)滿足下列條件 在所有進(jìn)給速度范圍內(nèi) 空載進(jìn)給扭矩小于電機(jī)額 定轉(zhuǎn)矩 最大負(fù)載扭矩小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量與進(jìn)給負(fù)載慣量合理匹配 定位加速時(shí)的最大扭矩小于電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 因此 必須進(jìn)行最大負(fù)載扭矩計(jì)算 慣 量匹配計(jì)算和加減速扭矩計(jì)算 據(jù)此確定合適的電機(jī)型號 3 1 1 電機(jī)負(fù)載扭矩計(jì)算 電機(jī)負(fù)載扭矩即滾珠絲桿克服外部載荷作等速運(yùn)動所需的力矩 可按下式計(jì)算 3 1 BFTPST 12 式中 P 加在絲桿上的軸向外部載荷 N 其值與軸向進(jìn)給力大小相等方向相 反 S 絲桿導(dǎo)程 0 01m 1 滾珠絲桿的正效率 0 9 0 95 TF 雙螺母滾珠絲桿的預(yù)緊力矩 查樣本得 TFX 1 25N M TFY 1 07N M TFZ 1 01N M TB 支承軸承的摩擦力矩 雙支承軸承為 2 TB 查樣本得 T B 0 28N M 由式 3 1 計(jì)算得 X Y Z 向的力矩分別為 11 75N m 12 30N m 26 77N m 根據(jù) FANUC 交流伺服電機(jī)樣本 在考慮 20 保險(xiǎn)富裕量的情況下 X Y 向選用 22 3000i 電機(jī) 其額定轉(zhuǎn)矩 22N m 最大轉(zhuǎn)矩 64N m Z 向選用 30 3000i 電機(jī) 其額定轉(zhuǎn)矩 30N m 最大轉(zhuǎn)矩 83N m 至此可預(yù)選聯(lián)軸器型號為 ROTEX GS35 38 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 伺服電機(jī) 20 3 1 2 慣量匹配計(jì)算 為使伺服進(jìn)給系統(tǒng)的執(zhí)行部件具有快速響應(yīng)能力 必須選用加速能力大的電機(jī) 即大慣量電機(jī) 但又不能盲目追求大慣量 應(yīng)綜合考慮其性價(jià)比 使電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量 與進(jìn)給負(fù)載慣量之間合理匹配 即應(yīng)滿足下列匹配關(guān)系 3 8 05 rmJ 2 3 3 WscmrJ 式中 Jr 電機(jī)軸上 的 驅(qū)動系總慣量 kgf cm S Jm 電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量 查樣本得 22 30 的轉(zhuǎn)動慣量分別 為 0 12 0 17 JC 聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 查樣本得 9 6 10 3 JS 絲桿的轉(zhuǎn)動慣量 J S 0 03576L L 絲桿長度 J W 直線運(yùn)動物體的慣量 J W 0 0258W Wx 0 90t Wy 1 95t Wz 1 00t 由公式 3 3 計(jì)算 得 X Y Z 電機(jī)軸上的驅(qū)動系總慣量分別為 0 22 0 23 0 25 則 Jm Jr 分別為 0 55 0 52 0 68 可見 X Y Z 向電機(jī) 符合慣量匹配要求 4 1 3 定位加速時(shí)的最大扭矩計(jì)算 定位加速時(shí)的最大扭矩計(jì)算公式 3 4 TJtTram 108 9621 式中 n m 快速移動時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速 150 0 r min ta 加減速時(shí)間常數(shù) s ks 加工中心系統(tǒng)的開環(huán)增益 k s 20 t3 由公式 3 4 計(jì)算 得 X Y Z 軸定位加速時(shí)所需的最大扭矩分別為 35N m 36N m 53N m 均小于各自電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 表明 X Y Z 軸電機(jī)能按 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 伺服電機(jī) 21 規(guī)定的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行加速和減速 即加速能力大 既能保證工件表面的加工質(zhì)量 又能提高生產(chǎn)效率 上述計(jì)算結(jié)果表明所選電機(jī)符合伺服進(jìn)給系統(tǒng)要求 3 2 伺服定位精度的驗(yàn)證 加工中心的精度指標(biāo)包括幾何精度 位置精度 加工精度 其中位置精度是由機(jī) 床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)形成的 因此必須進(jìn)行位置精度誤差校驗(yàn) 半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng) 中 由機(jī)械傳動裝置剛度的變化 磨擦阻尼等非線性因素引起的定位誤差 以及由 伺服系統(tǒng)剛度引起的死區(qū)誤差 不包括在位置控制環(huán)內(nèi) 故應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算 以滿足機(jī) 床的設(shè)計(jì)要求 X Y Z 三個(gè)進(jìn)給軸中 X 軸的行程最大 工作狀況最差 所以設(shè) 計(jì)時(shí)主要驗(yàn)證 X 軸進(jìn)給系統(tǒng)的定位誤差 3 2 1 機(jī)械傳動裝置剛度計(jì)算 機(jī)械傳動部件的最小 最大傳動剛度 kgf m 計(jì)算公式為 3 BNCKK411minmin0 5 3 6 BNCKK411maxmax0 式中 K C 聯(lián)軸器的剛度 查樣本得 5 105 KN 絲桿螺母 副 的軸向接觸剛度 查樣本得 124 K min 絲桿最小拉壓剛度 螺母處于行程中間位置時(shí) 剛度最 K min 絲桿最 小拉壓剛度 螺母處于行程中間位置時(shí) 剛度最低 由公式 計(jì)算得LEd 2min 99 E 彈性模量 2 1 10 6kg cm2 K min 絲桿 最 大拉壓剛度 螺母處于離支承端 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 伺服電機(jī) 22 距離 l 0 1L 時(shí)剛度最高 由公式 計(jì)算得 275 n 行程比 1 42minnLEdK 0 1 可見機(jī)械傳動部件的剛性足夠大 能滿足系統(tǒng)定位精度要求 3 2 2 伺服剛度計(jì)算 折算至絲桿 工作臺上的拉壓剛度 3 mkgfKR 6041 2 1530 2 7 彈性系統(tǒng)的最低剛度 3 kgfKR 7064191min0 8 機(jī)床啟動或反向時(shí)的最大死區(qū)誤差 3 7094 22min0in0 OKWF 9 高精度機(jī)床的最大死區(qū)誤差應(yīng)控制在 5 m 以下 可見 VMC1300 機(jī)床的伺服系 統(tǒng)剛性足夠大 能滿足要求的定位精度 最大死區(qū)誤差為 3 m 左右 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 4 章 仿真分析 23 第 4章仿真分析 4 1 機(jī)電進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖 如圖 1 所示包括間隙和摩擦非線性因素的機(jī)電進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖 圖 1 X 軸 進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖 為了便于分析 給出其相應(yīng)的系統(tǒng)仿真模型圖 如圖 2 所示 圖中 Tf為加到電機(jī) 軸上的包括靜摩擦扭矩 切削力和慣性力等阻力矩 或負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Ki為電流環(huán)反饋 系數(shù) Kv為速度環(huán)反饋系數(shù) Ku為功率放大倍數(shù) Kd為速度環(huán)放大倍數(shù) 圖 2 圖 1 X軸進(jìn)給系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖 圖 2 進(jìn)給系統(tǒng)的仿真模型 4 2 仿真分析 4 2 1 理想線性狀態(tài)的仿真分析 為方便分析比較 在不考慮系統(tǒng)中間隙非線性和摩擦非線性以及傳動軸柔性的條 件下 對圖 2 所示的模型采用電流環(huán) 速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán) P ID 控制方法進(jìn)行仿真 其 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 4 章 仿真分析 24 中各參數(shù)分別為 Ki 01001 Ku 11 Kd 6 Kv 2 Ce 01001 得到圖 3 a b 所示的理想線性狀態(tài)下系統(tǒng)正弦位置跟蹤和速度跟蹤曲線 結(jié)果表明對線 性系統(tǒng) 當(dāng)系統(tǒng)中無非線性因素 忽略摩擦 間隙的影響 時(shí) 采用該方法具有較好的 控制效果 a 正弦位置跟蹤 b正弦速度跟蹤 圖 3 理想線性因素的仿真曲線 4 2 2 具有摩擦非線性因素的仿真分析 當(dāng)系統(tǒng)中有非線性因素 有摩擦因素干擾 TF 10 不考慮間隙影響 時(shí) 正弦位置 跟蹤和正弦速度跟蹤的結(jié)果如圖 4 a b 所示 由于靜摩擦的作用 在低速跟 蹤時(shí) 位置跟蹤存在 平頂 現(xiàn)象 速度跟蹤存在 死區(qū) 現(xiàn)象 也就是說對包含摩擦 非線性因素的模型采用 PD 控制 其魯棒性能差 不能達(dá)到高精度的跟蹤誤差 由于非 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 4 章 仿真分析 25 線性摩擦的影響 系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯變差 主要表現(xiàn)為低速跟蹤的不平穩(wěn)性和正弦跟 蹤換向帶來的誤差突變 這說明 位置控制回路的控制器選用 PD 只在一定程度上 保證了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的準(zhǔn)確性 當(dāng)系統(tǒng)中存在摩擦因素時(shí) 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性降低 為了 提高系統(tǒng)傳動精度 在絲杠或工作臺上安裝檢測裝置構(gòu)成半閉環(huán)或全閉環(huán)的伺服進(jìn)給 系統(tǒng) 從而提高加工精度 a正弦位置跟蹤 b 正弦速度跟蹤 圖 4 具有摩擦非性因素的仿真曲線 參考文獻(xiàn) 1 張曙 數(shù)字化制造一機(jī)床工業(yè)的未來 G 數(shù)字化制造技術(shù)與裝備最新發(fā)展 國際論壇文 集 2005 2 徐承紅 張超 中國省域裝備制造業(yè)的空間計(jì)量經(jīng)濟(jì)分析 2005 2007 J 山東 山東經(jīng) 濟(jì) 2011 01 3 馬騁 MDHl25 臥式加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)研究 D 大連理工大學(xué) 2011 沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 26 4 顏克輝 孔祥志 羅志久等 五軸聯(lián)動葉片加工中心發(fā)展現(xiàn)狀及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn) J 金屬加 工 20t1 02 5 閆巧枝 李欽唐 金屬切削機(jī)床 砌 北京 北京理工大學(xué)出版社 2007 6 成大先 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 M 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2008 7 馮辛安 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2006 8 廉元國 張永洪 加工中心設(shè)計(jì)與應(yīng)用 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1995 9 杜玉湘 陸啟建 劉明燈 五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用 J 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