进给伺服系统设计

1、进给伺服系统设计滚珠丝杠的设计计算与选用滚珠丝杠的功用滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠的设计与计算已知条件：工作台重量W1=80KG =800N工件及夹具最大重量W2=200N工作台最大行程LK=950mm工作台导轨的摩擦系数为u=0. 1快速进给速度Vmax =4m/ min定位精度为20um/ 300mm , 全行程 25um, 重复定位精度为年）。各种切削方式的纵向切削力Fa, 速度10um要求寿命为10000 小时（单班制工作十V 和时间比例q 及其他见下表表一各种切削方式的纵向切削力Fa, 速度V 和时间比

2、例q纵向切削力垂向切削力进给速度工作时间百分比丝杠轴向载荷丝杠转速切削方式Pzi( N)Vi ( m/ min)%( N)r/ minPxi( N )强力切削200012000. 610220060一般切削10005000. 830115080精切削500200150620100快速进给001000375工件工作台脉冲当量 p数控装置Z2变比 i丝杠螺距 TZ1步进电动机位置检测器进给用滚珠丝杠装配简图1） 确定滚珠丝杠副的导程PhVmaxi * nmaxVmax ：工作台最高移动速度nmax ：电机最高转速；2）传动比电机与丝杠间为齿轮连接式，i=4（取一级减速齿轮）由上表查得 Vmax=4

3、m/ min ， nmax=1500r/ min代入得 Ph0. 67mm查现代机床设计手册取Ph5mm3） 确定当量转速与当量载荷Vi（ 1）各种切削方式下，丝杠转速niph由上表查的v1 =0. 6,v2 =0. 8,v3 =1,v4 =4代入得 n1120， n2160， n3200， n4800（ 2）各种切削方式下，丝杠轴向载荷Fipxi (w1w2pzi ) /10F i ：丝杠轴向载荷，p xi ：纵向切削力，p zi ：垂向切削力由上表得 p xi( i=1, 2, 3, 4) 分别为 2000N , 1000N , 500N , 0Np zi( i=1, 2, 3, 4) 分

4、别为 1200N, 500N, 200N , 0N已知 w 1 800 N， w 2 200 N代入得 F i ( i=1, 2, 3, 4) 分别为2200N ， 1150N， 620N ， 1000N（ 3）当量转速nmn1 *t1 / 100+ n2 * t2 / 100+ n3 * t3 / 100+ n4 * t4 / 100数据代入得 nm 240r/ min（ 4）当量载荷Fm = 3 F1 3 *n1 * t1F23 *n2 * t2 +F3 3 *n3 * t3 +F43 *n4 * t4nm *100nm *100nm *100nm *100带入数据得 F m 1057N4

5、） 初选滚珠丝杠副由公式现代机床设计手册（ 3. 7 24）知L106*( ca* ft * f h * fa * f k )3h60nmFmf w查现代机床设计手册表（3. 7 51）表（ 3. 7 54）得f t 1， f h 1， f a 1， f k 0. 53， f w =1. 3， L h 10000h代入数据可求得ca 13589N =13. 58KN4) 确定允许的最小螺纹底径（ 1）估算丝杠允许的最大轴向变形量 m （ 1/ 3 1/ 4）重复定位精度m( 1/ 4 1/ 5 ) 定位精度m ：最大轴向变形量m已知重复定位精度10定位精度25mmm 3 m ，m 6 m取两种

6、结果最小值m 3m（ 2）估算最小螺纹底径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式10* F0* LF0* Ld2 m 100.039*m * Emd2 m ：最小螺纹底径 mmL（ 1. 1 1. 2）行程 +( 10 14)Ph静摩擦力 F0 =0W1已知行程 950mm， W 1 800N,0=0. 2代入数据得 L =1110mm， F0 160N ,d2 m =9. 5mm5）确定滚珠丝杠副的规格代号（ 5） 选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式（ 6） 由计算出的 Ph ， cam ， d2m 在现代机床设计手册中选取相应规格的滚珠丝杠副 FFZD4005 - 54.1X 向伺服

7、系统的设计原始数据生产能力主轴最大转速 80 转/ 分钟鞋楦规格回转半径 130mm、有效长度 350铣刀转速11000转 / 分钟电机功率0.75Kw定位精度±0.01mmB 轴转角± 30°计算切削力图切屑情况示意图假设铣刀电机功率 0.75kw 全部转化为切削功率，铣刀转速 n=11000r/min ，铣刀的半径 r=4cm 则：2r n 20.041100046.1m / sv6060由功率 PFV 可得 FY'P75016.3Nv46.1由于有四台电动机分别带动四个铣刀进行切削，'故 FY4FY416.365.2N图工作载荷示意图根据经验

8、公式：FL1.2FY1.265.278.24NFV0.3FY0.365.219.56NFC0.4FY0.465.226.08N取滚动摩擦因数f0.05则摩擦阻力F摩 （FV GFC） f（19.56200026.08） 0.05 102N则滑台的总阻力为：F阻FLF摩78.24 102 180.24 N伺服电机的选择图电机结构尺寸（ 1） 初选电机：松下交流伺服电机 MSMA 额定输出功率为： 2.0kw额定转矩为： 6.36Nm最大转矩为： 19.1Nm额定转速为： 3000rpm最高转速为： 5000rpm电机惯量（有制动器）： 3.81 10 4 kg m 2质量为： 7.9kg编码器：

9、绝对式， 2500p/r （分辨率 10000），5 线制增量式（ 2） 初选滚珠丝杆：公称直径 d m32mm基本导程 L010mm长度 S450mm由伺服电机额定转速n3000rpm 可算得滑台移动速度为：VL0 n0.01 30000.5m / s60609.55180.240.5从而可算得阻力矩： Tz30000.2865 N m图X 向伺服系统结构示意图（ 3） 电机的校核滚珠丝杆的转动惯量：J s0.7810 3d 4S 0.7810 33.2460kgcm24.9110 4 kf m2电机转子的转动惯量：J M3.81104 kg m2折算到电机转子的转动惯量：JeJ S m(V

10、)2J Sm( L) 24.9110 4200(20.01)29.98 10 4 kg m 223.14L其中： V2由于编码器为： 2500p/r ，0.002S 发一个脉冲故 X 轴横向进给系统的最大加速度为：max36000222628rad / s225000.360阻力矩为： TZ0.2865Nm所需电机的扭矩为：T TZ( JeJ m ) max0.2865 (9.98 10 43.81 10 4 ) 6281.153Nm6.36Nm满足条件i.转动惯量的匹配： Je9.9810 4 kg m 2J m3.8110 4 kg m2Je / J m2.623 满足条件ii. 伺服电机

11、的发热校核，假设伺服电机始终处于系统所需的最大转矩状态则： Tr 1.153N m又由： TN6.36Nm得出 TN / Tr5.51.26 （推荐 TN / Tr1.26 ）可知电机的温升符合要求。iii. 转速校核：经校核满足条件滚珠丝杆螺母副的计算与选型图 工作载何示意图FL 78.24 N ； FC26.08N ； FV19.56N（ 1） 计算进给牵引力FmKF Lf ' ( FV2FC G)1.478.240.005(19.56226.082000)119.89N式中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，取K 1.4f 滚动导轨摩擦系数：0.005G平台重量： G 2000N。（

12、 2） 计算最大动载荷cc3 L f m Fm60nTL106n1000 vLo式中 Lo 滚珠丝杆导程；vs 最大切削力下的进给速度；T运转系数，按一般运转取 fw1.2 1.5；f w 寿命，以 10 6 转为 1 单位n1000v10000.550r / minLo10L60nT60501500045106106c3 L f Fm3451.2119.89Nm511.7a) 滚珠丝杆螺母副的选型查阅手册，选用GDM3210-1-P3型内循环滚珠丝杆螺母副，额定动载荷为 24100N>511.7N，精度等级为 3 级。5 41'b) 传动效率计算tgtg ()式中螺旋升角，摩擦

13、角取 10，滚动摩擦系数0.003 0.004tgtg5o 41'tg() tg (5o41'0.97110' )c) 刚度验算丝杆螺母及轴承均进行预紧。丝杆的拉伸或压缩变形量1查得滚珠直径为：D w5.953丝杆直径为： dd m25.95320.094mmA 为滚珠丝杆按内径确定的截面积：A1d 20.25 3.1420.0942316.96mm241Fm L119.894000.000734mmEA20.6104316.96（ 3） 滚珠与螺纹滚道之间得接触变形2一圈的滚珠数： Zdm3323 14D w5.953滚珠的总数量： ZZ圈数列数14 1228丝杆无预

14、紧时：20.0038 31( Fm ) 20.0038 31(119.89) 20.00553mmD WZ5.95328（ 4） 支承滚珠丝杆轴承得轴向接触变形3采用角接触球轴承7205C其中： d25mm； dQ6.75mm； Z 18'1Fm20.0024 31119.8920.004496mm则： 3 0.0024 3()()dQZ6.7518由于轴承进行了预紧：132'30.002248故丝杆的总变形量：1230.0007340.005530.0022480.008512 mm因为要求的定位精度为：0.01mm0.01mm所以满足条件。a) 压杆稳定性校核图滚珠丝杆支承