王建宏

摘要：如今，數(shù)控機(jī)床正在朝著高速、高精度、高穩(wěn)定性方向快速發(fā)展。要能夠讓數(shù)控機(jī)床擁有更加強(qiáng)大的作用，就需要設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)。在文中接結(jié)合實(shí)際情況，介紹了數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)更好的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：

第一章 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定

一、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床通常將位置檢測元件安裝在伺服電動機(jī)的軸上或滾珠絲杠的端部，不直接反饋機(jī)床的位移量，而是檢測伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角，將此信號反饋給數(shù)控裝置進(jìn)行指令比較，用差值控制伺服電動機(jī)。因?yàn)榘腴]環(huán)伺服系統(tǒng)的反饋信號取自電動機(jī)軸的回轉(zhuǎn)，因此系統(tǒng)中的機(jī)械傳動裝置處于反饋回路之外，其剛度、間歇等非線性因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，調(diào)試方便。同樣，機(jī)床的定位精度主要取決于機(jī)械傳動裝置的精度，但是現(xiàn)在的數(shù)控裝置均有螺距誤差補(bǔ)償和間歇補(bǔ)償功能，不需要將傳動裝置各種零件的精度提得很高，通過補(bǔ)償就能將精度提高到絕大多數(shù)用戶都能接受的程度。再加上直線位移檢測裝置比角位移檢測裝置昂貴得多，因此，除了對定位精度要求特別高或行程特別長，不能采用滾珠絲杠的大型機(jī)床外，絕大多數(shù)數(shù)控機(jī)床均采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

綜上所述，根據(jù)本書設(shè)計(jì)給定的精度（橫向定位精度±0.075mm）要求，穩(wěn)定性，成本和機(jī)床規(guī)格等因素的綜合考慮，本次設(shè)計(jì)考慮采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，

二、機(jī)床傳動方式的擬定

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用伺服電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠。為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載荷的結(jié)構(gòu)。傳動齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。

第二章 機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1確定切削力

車削外圓時(shí)的切削力如圖2示主切削力FZ=FC與切削速度vZ=vC的方向一致，且垂直向下，這是計(jì)算車床主軸電動機(jī)切削功率的依據(jù)。背向切削力Fy=Fp與進(jìn)給方向（工件軸線X方向）相垂直，對加工精度的影響較大。進(jìn)給切削力Fx=Ff與進(jìn)給方向平行且指向相反。在這三個(gè)力中：FZ=FC值最大，F(xiàn)y=Fp約為（0.15-0.7）Fz，F(xiàn)x=Ff約為（0.1-0.6）Fz。

2.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型

1.最大工作載荷Fm的計(jì)算

最大工作載荷Fm是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時(shí)所承受的最大軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。它包括匯總表絲杠副的進(jìn)給力、移動部件的重力，以及作用在導(dǎo)軌上的切削分力所產(chǎn)生的摩擦力。

注：上述摩擦因素μ均指滑動導(dǎo)軌。對于貼塑導(dǎo)軌μ=0.035-0.05，滾動導(dǎo)軌μ=0.003-0.005。

表中，F(xiàn)x為進(jìn)給方向載荷，F(xiàn)y為橫向載荷，F(xiàn)z為垂直載荷，單位均為 N；G為移動部件總重力，單位為N；K為顛覆力矩影響系數(shù)；μ為導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)。

通過分析，決定采用導(dǎo)軌類型為三角形或綜合導(dǎo)軌，當(dāng)設(shè)工作臺的質(zhì)量為150kg時(shí)，則計(jì)算如下：

2.最大動載荷FQ的計(jì)算

最大動載荷FQ的計(jì)算公式如下：

式中：L0是滾珠絲杠副的壽命，單位為106r，且有L0=60nT/106（其中：為使用壽命，普通機(jī)械取T=5000-10000h，數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電設(shè)備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）；

fw是載荷系數(shù)，可由表2查得；

fH是硬度系數(shù)（≥58HRC時(shí)，取0.1；等于55HRC時(shí)，取1.11；等于52.5HRC時(shí)，取1.35；等于50HRC時(shí)，取1.56；等于45HRC時(shí)，取2.40）；

Fm是滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。

絲杠的轉(zhuǎn)速：

最大動載荷FQ的計(jì)算公式如下：

3.滾珠絲杠規(guī)格型號的初選

滾珠絲杠副的規(guī)格時(shí)，應(yīng)使其額定動載荷

通過分析取

當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下（n≤10r/min）長時(shí)間承受工作載荷時(shí)，還應(yīng)該使其額定靜載荷C0a≥（2-3）Fm。根據(jù)額定動載荷Ca和額定靜載荷C0a，可以從廠商提供的尺寸參數(shù)表中選擇滾珠絲杠副的規(guī)格型號和有關(guān)參數(shù)（如表2-7）。但選擇時(shí)應(yīng)注意公稱直徑d0和導(dǎo)程Ph應(yīng)盡量選用優(yōu)先組合，同時(shí)還要滿足控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)對導(dǎo)程的要求。

由表2-7初選滾珠絲杠螺母副型號為：GD3206-4

2.3進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)傳動計(jì)算

2.3.1數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)傳動原理

數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，與普通機(jī)床不同。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給指令，來自數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)進(jìn)給電機(jī)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)，是執(zhí)行部件如刀架、工作臺、主軸箱等按程序的規(guī)定運(yùn)動。

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動原理，見圖3a，脈沖發(fā)生器1發(fā)出的脈沖，經(jīng)數(shù)控裝置2調(diào)制和放大后，送至進(jìn)給電機(jī)3，再經(jīng)機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)4拖動執(zhí)行部件5。如果主軸的回轉(zhuǎn)與執(zhí)行部件的移動有一定的比例關(guān)系，如數(shù)控車床和加工中心加工螺紋，則傳動原理應(yīng)如圖3b所示。脈沖發(fā)生器1與主軸回轉(zhuǎn)之間應(yīng)有固定的機(jī)械關(guān)系。圖2-6中，單虛線代表機(jī)械聯(lián)系；雙虛線電聯(lián)系。

2.3.2傳動設(shè)計(jì)

傳動設(shè)計(jì)采用圖2-6a.3伺服電動機(jī)2經(jīng)一對齒輪3（或同步齒輪形帶傳動）、絲杠4拖動執(zhí)行部件5。反饋裝置與電動機(jī)相聯(lián)，發(fā)出反饋信號的連接方式。常用的反饋裝置有兩種：

①用旋轉(zhuǎn)變壓器作位置反饋，用測速發(fā)電機(jī)作速度反饋；

②用脈沖編碼器兼作位置和速度反饋。本書設(shè)計(jì)采用脈沖編碼器作反饋裝置。脈沖編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出一定數(shù)量的脈沖（或矩形波，為簡單起見，以后統(tǒng)稱脈沖）。

每個(gè)脈沖是一個(gè)數(shù)字單位，并代表執(zhí)行部件一定的位移 （mm），例如1um，稱為脈沖當(dāng)量或增量。電動機(jī)每轉(zhuǎn)應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù)b為：

根據(jù)橫向定位精度±0.075mm要求，脈沖當(dāng)量可定為a=0.01mm/脈沖。本書設(shè)計(jì)的絲杠導(dǎo)程為6mm，根據(jù)公式2-10，且設(shè)u=1有：

脈沖編碼器有每轉(zhuǎn)2000，2500，5000脈沖等數(shù)種。故編碼器后應(yīng)加一個(gè)倍頻器，如果每轉(zhuǎn)2000脈沖的編碼器，則倍頻器的倍數(shù)為3。據(jù)此本設(shè)計(jì)的傳動系統(tǒng)應(yīng)為圖4所示。伺服電動機(jī)3經(jīng)繞性聯(lián)軸節(jié)4與滾珠絲杠5相聯(lián)。絲杠的導(dǎo)程為6mm。脈沖編碼器2裝在伺服電動機(jī)內(nèi)，與電機(jī)軸相聯(lián)。所選編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出2000個(gè)脈沖。倍頻器1的倍數(shù)為3。