1、毕业论文开题报告机械电子工程FX/MY力位混合伺服两轴插补数控工作台的设计一、选题的背景与意义在20世纪60年代以前，步进伺服系统是以步进电机驱动的液压伺服电动机或是以功率步进电机直接驱动为特征，伺服系统采用开环控制。步进伺服系统接受脉冲信号，它的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率或个数。由于没有检测和反馈环节，步进电机的精度取决于步距角的精度，齿轮传动间隙等，所以它的精度较低。而且步进电机在低频时易出现振动现象，它的输出力矩随转速升高而下降。又由于步进伺服系统为开环控制，步进电机在启动频率过高或负载过大时易出现“丢步”或“堵转”现象，停止时转速过高容易出现过冲的现象。另外步进电机从静止加速
2、到工作转速需要的时间也较长，速度响应较慢。随着数控技术的迅速发展，伺服系统的作用与要求越显突出，交流伺服电动机的应用也越来越为广泛。针对直流电动机的缺陷，如果将其里外作相应的调整处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性，其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。通过力位混合伺服插补工作台的设计，可以使数控操作更快速、稳定、准确。通
3、常的数控工作台，速度性好，但可能会有强烈的震荡；改善稳定性，精度虽好，控制过程可能过于迟缓。因此，对一些大中型企业而言，若由此数控工作台进行生产，将解决一些工件加工过程中的精度和自动化的问题。这样的工作台也具有一定的灵活性、通用性和经济性。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和
4、机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。目前，最成功且接近实用是用柔顺控制策略实现力、位混合控制。这种策略将任务空间划分成了两个正交的子空间即力控制子空间和位置控制子空间，在力控制子空间中用力控制策略进行力控制，在位置控制子空间利用位置控制策略进行位置控制。力位混合控制策略与传统的阻抗控制策略是不同的，阻
5、抗控制是一种间接控制力的方法，其核心思想是把力误差信号变为位置环的位置调节量，即控制器的输入信号加到位置控制的输入端，通过位置的调整来实现力的控制。力位混合控制方法的核心思想是分别用不同的控制策略对位置和力直接进行控制，即首先通过选择矩阵确定当前接触点的位控和力控方向，然后应用力反馈信息相位置反馈信息分别在位置环和力环中进行闭环控制，最终在受限运动中实现力和位置的同时控制。对工作台和Y方向力的控制的要求1工作台可满足液压柱塞缸、弹簧的工作，具有良好的通用性。2加载台架采用的布置方式，可以减少了试验台的占地面积。3除特殊形式的液压缸需加辅助装置外，不受箱体和框架的限制，可装夹各种行程的液压缸。三
6、、研究的方法与技术路线根据力位混合伺服两轴插补数控工作台的现今状况，对数控工作台设计的可行性方案进行分析，避免出现可能出现一些现阶段尚未解决的问题。并根据学过的PLC和控制工程的课程合并总结，利用学过的课程处理设计过程遇到的问题。四、研究的总体安排与进度13周理解设计任务，收集资料；完成外文翻译；完成文献总数和开题报告；47周总体结构与主要零件设计；812周零件图纸绘制；13周完成毕业设计说明书，准备答辩。参考文献1郑建荣编著ADAMS虚拟样机技术入门与提高M北京机械工业出版社,20012黄进含摩擦环节伺服系统的分析及控制补偿研究博士学位论文西安西安电子科技大学,19983杨萍组合机床与自动化
7、加工技术淮南淮南联合大学，19964董景新、赵常德等编著控制工程基础北京清华大学出版社，20075许寥，王淑英电气控制与PLC应用M北京机械_T业出版社，20056郑堤数控机床与编程M北京机械工业出版社，20057KORDONSKY,VI,ETAL,PHYSICALPROPERTIESOFMAGNETIZABLESTRUCTUREREVERSIBLEMEDIA,JMAGNMAGNMATER,1990,85,PP11438RABINOW,J,THEMAGNETICFLUIDCLUTCH,AIEETRANS,1948,67,PP13089CARLSON,JD,ETAL,COMMERCIALMAGN
8、ETORHEOLOGICALFLUIDSDEVICES,1995,5THINTCONFONERFLUIDS,SHEFFIELD,1014JULY,199510GINDER,JM,FORDMOTORCOMPANYUSA,1996,PERSONALCOMMUNICATION毕业论文文献综述机械电子工程FX/MY力位混合伺服两轴插补数控工作台的设计摘要随着生产力水平的发展，数控技术越来越广泛的应用于各个领域。数控机车是数控技术最普遍的应用。伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制
9、电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。关键字伺服；插补；数控工作台；反馈控制系统；1数控机床的发展现状及其研究意义随着数控技术的迅速发展，伺服
10、系统的作用与要求越显突出，交流伺服电动机的应用也越来越为广泛。针对直流电动机的缺陷，如果将其里外作相应的调整处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性，其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通
11、常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台
12、技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。伺服系统在加工机械、半导体制造、部件组装等方面得到了广泛的应用。随着中国从制造业大国迈向制造业强国的进程和全数字式交流伺服系统的性能价格比逐步提高，交流（AC）伺服系统作为控制电机类高档精密部件，其市场需求将稳步增长。交流伺服系统由于控制原理的先进性，成
13、本低、免维护，并且控制特性正在全面超越直流伺服系统，其势必将在绝大多数应用领域代替传统的直流伺服电机。2伺服系统当前的发展趋势21高效率化高速、高精、高性能化尽管这方面的工作早就在进行，但是仍需要继续加强。主要包括电机本身的高效率，也包括驱动系统的高效率化，采用更高精度的编码器（每转百万脉冲级），更高采样精度和数据位数、直线电机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断将伺服系统的指标提高。22通用化通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下,方便地设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五
14、种工作方式，适用于各种场合，可以驱动不同类型的电机。23智能化现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动辨识电机的参数，自动测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑止。24网络化和模块化现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点就是如何适应高性能运动控制对数据传输实时性、可靠性、同步性的要求。随着国内对大规模分布式控制装置的需求上升，高档数控系统的开发成功，网络化数字伺服的开发已经成为当务之急。模块化不仅指伺服驱动模块、电源模块、再生制动模块、通讯模块之间的组合方式，而且指伺服驱动器内部软件和硬件的模块化
15、和可重用。25小型化和大型化无论是永磁无刷伺服电机还是步进电机都积极向更小的尺寸发展，比如20，28，35MM外径；同时也在发展更大功率和尺寸的机种，已经看到500KW永磁伺服电机的出现。体现了向两极化发展的倾向。21世纪是一个崭新的世纪，也定将是各项科学技术飞速发展的世纪。相信随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，同时伴随着制造业的不断升级和制造技术的快速发展，必将为加工和制造技术的核心技术之一的伺服驱动技术迎来又一大好的发展时机参考文献1郑建荣编著ADAMS虚拟样机技术入门与提高M北京机械工业出版社,20012黄进含摩擦环
16、节伺服系统的分析及控制补偿研究博士学位论文西安西安电子科技大学,19983杨萍组合机床与自动化加工技术淮南淮南联合大学，19964董景新、赵常德等编著控制工程基础北京清华大学出版社，20075许寥，王淑英电气控制与PLC应用M北京机械_T业出版社，20056郑堤数控机床与编程M北京机械工业出版社，20057KORDONSKY,VI,ETAL,PHYSICALPROPERTIESOFMAGNETIZABLESTRUCTUREREVERSIBLEMEDIA,JMAGNMAGNMATER,1990,85,PP11438RABINOW,J,THEMAGNETICFLUIDCLUTCH,AIEETRAN
17、S,1948,67,PP13089CARLSON,JD,ETAL,COMMERCIALMAGNETORHEOLOGICALFLUIDSDEVICES,1995,5THINTCONFONERFLUIDS,SHEFFIELD,1014JULY,199510GINDER,JM,FORDMOTORCOMPANYUSA,1996,PERSONALCOMMUNICATION本科毕业论文（20届）FX/MY力位混合伺服两轴插补数控工作台的设计摘要【摘要】目前，最成功且接近实用的柔顺控制策略是力、位混合控制。这种策略将任务空间划分成了两个正交的子空间即力控制子空间和位置控制子空间，在力控制子空间中用力控制策略
18、进行力控制，在位置控制子空间利用位置控制策略进行位置控制。力位混合控制策略与传统的阻抗控制策略是不同的，阻抗控制是一种间接控制力的方法，其核心思想是把力误差信号变为位置环的位置调节量，即控制器的输入信号加到位置控制的输入端，通过位置的调整来实现力的控制。力位混合控制方法的核心思想是分别用不同的控制策略对位置和力直接进行控制，即首先通过选择矩阵确定当前接触点的位控和力控方向，然后应用力反馈信息和位置反馈信息分别在位置环和力环中进行闭环控制，最终在受限运动中实现力和位置的同时控制。【关键词】伺服；两轴插补；数控工作台；弹簧。FX/MYFORCEANDPOSITIONHYBRIDSERVOTWOAX
19、ISINTERPOLATIONNCWORKINGTABLEDESIGN【ABSTRACT】ATPRESENT,THEMOSTSUCCESSFULANDCLOSETOPRACTICALCOMPLIANTCONTROLSTRATEGYISFORCEANDPOSITIONHYBRIDCONTROLTHISSTRATEGYWILLBEDIVIDEDINTOTWOORTHOGONALSPACETHESUBSPACESARENAMEDFORCECONTROLSUBSPACEANDTHEPOSITIONCONTROLSUBSPACEINFORCECONTROLSUBSPACEUSEFORCECONTROLS
20、TRATEGYFORFORCECONTROLANDINTHEPOSITIONCONTROLSUBSPACEUSEPOSITIONCONTROLSTRATEGYFORPOSITIONCONTROLFORCEANDPOSITIONHYBRIDCONTROLSTRATEGYISDIFFERENTFROMTRADITIONALCONTROLSTRATEGYIMPEDANCECONTROLISAKINDOFINDIRECTCONTROLMETHOD,ITSCORETHOUGHTISTURNINGTHEFORCEERRORSIGNALINTOAPOSITIONLOOP,CONTROLLERADJUSTQU
21、ANTITYINPUTSIGNALADDEDTOTHEPOSITIONCONTROLINPUT,THEADJUSTMENTREALIZEFORCEPOSITIONTHEFORCEANDPOSITIONHYBRIDCONTROLMETHODSCOREIDEASISDIFFERENTCONTROLSTRATEGIESRESPECTIVELYFORPOSITIONANDFORCEDIRECTLYCONTROL,NAMELYTHROUGHSELECTINGMATRIXDETERMINETHECURRENTFIRSTCONTACTPOINTPOSITIONCONTROLANDFORCECONTROLDI
22、RECTION,ANDTHENAPPLIEDFORCEFEEDBACKINFORMATIONANDPOSITIONFEEDBACKINFORMATIONRESPECTIVELYINPOSITIONLOOPANDFORCELOOPUSEDFORCLOSEDLOOPCONTROL,EVENTUALLYINRESTRICTEDMOVEMENTREALIZECONTROLFORCEANDPOSITION【KEYWORDS】SERVO；TWOAXISINTERPOLATION；NCWORKBENCH；SPRING目录摘要9目录111引言12伺服两轴插补数控工作台的研究现状和发展趋势221研究历史和现状2
23、22伺服两轴插补工作台的发展趋势323伺服两轴插补数控工作台的研究意义和路线33电机弹簧伺服系统的结构531电机弹簧伺服系统的模型532电机弹簧伺服系统的工作过程54机械系统设计741齿轮参数选定与计算7411选定齿轮精度、材料、齿数及螺旋角7412齿面接触疲劳强度校核7413齿根弯曲疲劳强度校核8414几何尺寸计算942等效传动惯量计算不计传动效率943等效负载转矩计算以下为折算到电机轴的转矩944滚珠丝杠副的结构类型10441滚珠循环方式10442轴向间隙预紧方式11443滚珠丝杠副直径和基本导程系列11444滚珠丝杠精度等级确定11445滚珠丝杠副支承形式选择11446滚珠丝杠副的选择1
24、1447滚珠丝杠副校核12448滚动导轨副的防护1245X轴滚动导轨设计计算125伺服两轴插补数控工作台的零件设计图纸解析1451零件图纸分析14511齿轮的选择14512弹簧尺寸的选择14513圆盘零件图1552辅助装置的选择156总结17参考文献18致谢错误未定义书签。附录错误未定义书签。1引言数控机床的出现和发展，有效的解决了一些高精度、高复杂性的零件技术要求。数控机床由传动装置、驱动装置、辅助装置和工作台组成。但是现在的社会高速发展，对零件的要求各不相同，因此要求数控机床也要随着变革，而数控工作台设计创新是其中的重点。更重要的是在现代中小型企业中，由于产品更新换代周期缩短，而且大多数都
25、是一些适应市场的单件、小批零件加工，若通过数控机床（如传动装置、驱动装置）来解决这些零件的加工精度和自动化问题，因成本高，故不现实，所以就由工作台的设计变化满足这些要求。伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从
26、而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。目前，最成功且接近实用的柔顺控制策略是力、位混合控制。这种策略将任务空间划分成了两个正交的子空间即力控制子空间和位置控制子空间，在力控制子空间中用力控制策略进行力控制，在位置控制子空间利用位置控制策略进行位置控制。力位混合控制策略与传统的阻抗控制策略是不同的，阻抗控制是一种间接控制力的方法，其核心思想是把力误差信号变为位置环的位置调节量，即控制器的输入信号加到位置控制的
27、输入端，通过位置的调整来实现力的控制。力位混合控制方法的核心思想是分别用不同的控制策略对位置和力直接进行控制，即首先通过选择矩阵确定当前接触点的位控和力控方向，然后应用力反馈信息相位置反馈信息分别在位置环和力环中进行闭环控制，最终在受限运动中实现力和位置的同时控制。2伺服两轴插补数控工作台的研究现状和发展趋势21研究历史和现状当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微计算机在各技术领域得到广泛应用，对各技术领域的发展起到了极大的推动作用，一个较完善的数控机床应包含驱动装置、传动装置、辅助装置和工作台。新一代的数控机床正在朝着高性能、高精确性和微型化发展。数控（NUMERICALCONTROL）是数
28、控技术的简称。它是利用数字化的信息对机床及加工过程进行控制的一种方法。数控机床自从20世纪50年代问世以来，随着微电子技术、集成电路技术、计算机与信息处理技术、伺服驱动技术和精密机械技术的进步而得到迅速发展。数控系统是数控机床的重要部分，它随着计算机技术的发展而发展。现在的数控系统都是由计算机完成以前硬件数控所做的工作，为特别强调，有时也称为计算机数字控制系统。目前，数控系统已经经历了从电子管、晶体管、集成电路到小型计算机、微型计算机等五代的演变，正在进入基于工业PC的第六代的发展阶段；数控机床品种从数控铣床、数控车床发展到各种加工中心机床和柔性制造系统。几乎所有机械制造设备都有相应的数控产品
29、；数控机床的应用已经从大中型企业普及到更加广泛的中小型企业甚至家庭作坊6。工作台是数控机床的重要组成部分，它对数控加工具有重要影响。以前的数控工作台只是满足与X轴和Y轴的水平移动，来实现零件的加工，现在更趋向与设计简单但加工性能好的方向发展。由于数控机床是机床的重要一个组成部分，因此它在国内外都受到足够的重视。其中，外国对机床工作台的研究较早，也较为成熟。在国内，数控工作台的研究较晚，过去一种工作台的设计完成之后可以满足多种零件的生产加工，现在的零件生产加工多数是小批量的或者是针对性的。因此，现在对工作台的要求不单单是大众性，通用性的了。由于我国生产技术的发展较晚，因此对工作台设计的要求开始也
30、没有那么严格，随着发展，现今的数控工作台也不能满足需要了。就要求结构简单，操作方便又能满足需要的工作台。图21伺服插补数控工作台简图22伺服两轴插补工作台的发展趋势一个国家的繁荣与其先进制造业密切相关，然而制造时离不开先进机器作为辅助，机床包括床身、立柱、工作台、进给机构等机械部件。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工进度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的XY工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，工作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液体驱动，现在更多的采用气动装置，更好的保护环境，节
31、约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究方面也取得了长足进步。23伺服两轴插补数控工作台的研究意义和路线目前普遍采用的数控机床进给传动系统包括齿轮传动副、丝杠、螺母和支承部件等。通常设计进给传动机构时必须满足一定的要求,才能保证机床进给系统的定位精度和静态、动态性能,从而确保机床的加工精度,一般要求机床进给传动系统具有摩擦阻力小,传动刚度高,运动部件惯性小和传动间隙小等特点。XY工作台作为一种平面定位机械系统,动态模型简单,它的控制方法也已经趋于成熟,但基于XY工作台的含有摩擦环的伺服系统研究是现在的热点与难点。图22系统总体框图根据力位混
32、合伺服两轴插补数控工作台的现今状况，对数控工作台设计的可行性方案进行分析，避免出现可能出现一些现阶段尚未解决的问题。并根据学过的PLC和控制工程的课程合并总结，利用学过的课程处理设计过程遇到的问题。方案拟定即确定工作台传动的形式和控制方式及主要部件或器件的类型。驱动控制方式由给定的工作台精度要求较低，为简化结构，故采用单片机控制的步进电机驱动系统。主要由步进电机、单片机驱动控制电路、滚珠丝杠副组成。传动形式确定工作台X方向和Y方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动。工作台X方向采用一级齿轮传动方式，可以通过降速扩大转矩输出，匹配进给系统惯量，获得要求的输出机械特性，同时减小脉冲当量。工作台Y方向
33、采用直接传动方式，电机通过刚性联轴器与滚珠丝杠联结。然后滚珠丝杠与螺母连接，使电机的转动带动滚珠丝杠的旋转，滚珠丝杠的转动带动螺母副的前后移动，推动弹簧的伸长和压缩，实现夹具对零件的压紧力的大小控制。这样的设置结构紧凑，传动效率高。丝杠转速与转矩输出完全与电机的输出特性一致。3电机弹簧伺服系统的结构31电机弹簧伺服系统的模型设计了主动动力驱动弹簧系统结构变形的主动柔顺伺服系统。这个伺服系统是一个典型的闭环控制系统。该伺服系统可以有自动调节的功能，通过输入与反馈信号比较后的差值（偏差信号）加给控制器，可以更精确的控制步进电动机进而控制输出力矩。这个伺服系统相对于其他一些开环控制系统有明显的优势，
34、它的精度高，动态性能好，抗干扰能力强。这也符合本课题的柔顺控制的要求。32电机弹簧伺服系统的工作过程步进电机得到控制器给的信号输出转角，带动齿轮转动，进而带动输入轴转动，输入轴与下圆盘固定在一起，下圆盘转动，使弹簧拉伸，产生作用力，此作用力作用在上圆盘上产生转矩，再通过输出轴传递扭矩，在研抛物件上产生研抛头的压力。该系统的运动控制传递模型如下图所示图31运动控制框图对转矩的计算电动机机械传动弹簧机械结构K角度传感器XRM1图32为两圆盘转过的角度差；0L为弹簧的原长；1L为弹簧伸长后的长度；K为弹簧的弹性系数；R为小圆盘的直径。由图32可知01LLL31COS202201RRLRRLL32LK
35、F133LKLRLRMR10SIN34假设K15R10，0L5，则COS300325SIN1125SIN225RM354机械系统设计41齿轮参数选定与计算假设VX225M/MIN00375M/S,FX55N,PXFXVX20625W初选三相电机，按三相六拍工作时，步矩角075,初定脉冲当量001MM/P,丝杠导程TSP5MM,中间齿轮传动比I为ITSP360I0756360001125由I确定齿轮齿数为Z120,Z225,模数M15MM,齿宽B112MM,B210MM411选定齿轮精度、材料、齿数及螺旋角1）选精度为7级2）选小齿轮为40CR（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调
36、质）,硬度为240HBS，两者硬度差为40HBS3）选择齿数Z120,Z2Z1I2012525412齿面接触疲劳强度校核（1）按齿面接触疲劳强度设计D1T2KTT1（U1）ZHZE2/DAUH21/31试选KT13,由表106得材料弹性影响系数ZE1898MPA2由表107选取齿宽系数D05，3应力循环系数取J1，所以N160N2JLH601500128300156480109N2N1/U6480109/12551841094）（由图1019）查得接触疲劳寿命系数KHN1090,KHN2095,5（由图1021D）查得小齿轮接触疲劳强度极限HLIM1600MPA,大齿轮的接触疲劳强度极限HLI
37、M2550MPA,6计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为1，取安全系数S1,H1KHN1HLIM1/S09600/1540MPAH2KHN2HLIM2/S095550/15225MPA7计算小齿轮传递的转矩T1955105PX/NX95510500020625/15001313NMM（2）计算1）试算小齿轮分度圆直径D1T213131320625/（051630125）（24331898/5225）2）（1/3）3699MM2计算圆周速度VD1TN1/601000029M/S3计算齿数B及模数MBDD1T053699185MMH225MT2250185MM0416MMB/H3699/04168
38、894计算载荷系数K,（查1表102）得使用系数KA10,根据V029M/S,7级精度，由（1图108）查得动载系数KV105,由B/H889,由（1表103）查得KHKF10,故载荷系数KKAKVKHKF1010510140914795）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径D1D1TK/KT1/33699（1479/13）（1/3）3862MM6计算模数MND1/Z13862/200193MM413齿根弯曲疲劳强度校核（1）按齿轮弯曲强度设计M2KT1/DZ12YFYS/F1/31）计算载荷系数，KKAKVKFKF125101121141732由表查出,YFA12592,YSA11596,
39、YFA223,YSA21715因为小齿轮弯曲极限强度FE1500MPA,大齿轮FE2380MPA,由（图1018）得弯曲疲劳寿命系数KFN1085,KFN2088,取安全系数S14F1KHN1FE1/S30357MPAF2KHN2FE1/S23886MPA3计算大、小齿轮YFA1YSA1/F1并加以比较YFA1YSA1/F128155/3035700143YFA2YSA2/F2262159/23886001744取大齿轮数据2设计计算MN215121313001744/（20210）（1/3）012M对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算得法面模数MN大于齿根弯曲疲劳强度计算得法面模数，取MN1
40、5MM，已可满足弯曲强度，但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度计算得的分度圆直径D120MM。414几何尺寸计算1中心距AZ1Z2MN/2202515/23375MM所以圆整为34MM2计算大、小齿轮分度圆直径D1Z1MN201530MMD2Z2MN2515375MM3计算齿轮宽度BDD1052010MM所以取B210MM,为易于补偿齿轮轴向位置误差，应使小齿轮宽度大于大齿轮宽度，所以小齿轮约为B112MM42等效传动惯量计算不计传动效率小齿轮转动惯量JG1D14B1322412785103320015104KGM2式中钢密度785103KG/CM3同理,大齿轮转动惯量JG200361
41、04KGM2由3表313初选滚珠丝杠。得到D020MM,L390MM滚珠丝杠转动惯量JSD04L32243978510332104KGM2481104KGM2拖板及工作物重和导轨折算到电机轴上的转动惯量,拖板重量12KG工作物重约为12KGJWW/GTSP22I212052220832104KGM27106KGM2因此,折算到电机轴上的等效转动惯量JEJEJG1JWJG2JSI20017104KGM200175104KGM20272104KGM2048104KGM2208323656104KGM243等效负载转矩计算以下为折算到电机轴的转矩由3式2729可知MTFXFYTSP/2I800067
42、00005/20820830055NMMFFFTSP/2IWTSP/2I00612980005/208208300067NM上述式中丝杠预紧时的传动效率取08为摩擦系数取006NMAXVMAX/3602000/00115/36046875R/MIN取起动加速时间T003S初选电动机型号110BYG260B,矩频特性如下图所示,其最大静转矩MJMAX95NM,转动惯量JM97104KGM2,FM1600HZ故M0FP0TSP2I1021/3FXTSP2I1021/38000052082083109200017NM式中FP0滚珠丝杠预加负荷,一般取FY/3FY进给牵引力N0滚珠丝杠未预紧时的传动效
43、率,取09JJEJM97104KGM20208104KGM29908104KGM2MAJEJM2NMAX/60T9908104283360003219NMMQMAMAXMFM0288000340002422NMMCMTMFM000402000340000240065NMMKMFM0000340002400084NM从计算可知,MQ最大,作为初选电动机的依据MQ/MJMAX023FLFCV1MAX/60500/600018333FMAX2临界转速对于在高速下工作的长丝杠，须验算其临界转速，以防止丝杠共振NCR9910F22D2/LC2式中F2丝杠支承方式系数,JJ取3142LC临界转速计算长度L
44、C05MD2丝杠螺纹底径,取0016MNCR5479R/MINNMAX,同时验算丝杠另一个临界值D0N20468757500700003轴承选择校核由1表66选角接触球轴承7001AC448滚动导轨副的防护1滚珠丝杠副的防护装置,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管2滚珠丝杠副的密封滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示材料为四氟乙烯,这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力3滚珠丝杠副的润滑润滑剂用锂基润滑剂。45X轴滚动导轨设计计算导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动,并承受运动部件上的载荷,即起导向和承载作用,导轨副中,运动的一方称作运动导轨,与机械的运动部件联结,不动的一方称作支承导轨,与机
45、械的支承部件联结支承部件用以支承和约束运动导轨,使之按功能要求作正确的运动1选南京工艺装配厂GGB型产品，E级精度，FH1,FT1,FC081,FA1,FWW12寿命按每年工作300天,每天两班,每班8H,开机率08计,额定寿命为LH10300280838400H每分钟往复次数NZ83L2LSNZ60LH/10336864KM计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为200N计算需要的动载荷C4CAFWPFHFTFCFAL/501/31710N选用NSKLY30AL型号滚动导轨副,其CO2570NCOA3840N5滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度,预紧采用过盈配合,装配时,滚动体、滚道
46、及导轨之间有一定的过盈量6润滑与防护润滑采用脂润滑,使用方便,但应注意防尘防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨,以提高导轨寿命防护方式用盖板式5伺服两轴插补数控工作台的零件设计图纸解析51零件图纸分析511齿轮的选择由于此数控工作台为一般机械，所以选精度为7级。选小齿轮为40CR（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）,硬度为240HBS，两者硬度差为40HBS。图51齿轮零件图512弹簧尺寸的选择在工作中，根据弹簧伸长和压缩来提供力的大小，根据所承受的载荷特征，这里选用的是压缩弹簧。由于弹簧在工作时受力较大，根据机械设计书表10中，查表取节距P为12CM，弹簧的
47、直径为26CM，弹簧丝的直径为6CM。图52弹簧的尺寸513圆盘零件图步进电机得到控制器给的信号输出转角，带动齿轮转动，进而带动输入轴转动，输入轴与下圆盘固定在一起，下圆盘转动，使弹簧拉伸，产生作用力，此作用力作用在上圆盘上产生转矩，再通过输出轴传递扭矩，在研抛物件上产生研抛头的压力。图53圆盘52辅助装置的选择轴承依靠主要原件间的滚动接触来支撑转动零件的，轴承具有摩擦阻力小，功率消耗少，起到容易等优点。由于角接触轴承能承受径向载荷和轴向载荷，且能适应高速运转，这里采用的是角接触轴承。图56轴承的选取和配合6总结本课题研究下的力位混合伺服两轴插补工作台，可以使数控操作更快速、稳定、准确。而现在
48、社会上的伺服插补工作台的设计还不够成熟，我国对类似的研究还处在初级阶段。工作台作为数控机床的重要功能部件，伺服系统又是机床发展的一大变革，它的特性是影响加工性能的重要指标。数控工作台性能的提高可以促进超高速切削、精密加工、网络制造等先进制造技术的发展。在未来，混合伺服两轴插补工作台的设计将会成为数控机床技术发展的方向。通过FX/MY力位混合伺服插补工作台的设计，可以使数控操作更快速、稳定、准确。通常的数控工作台，速度性好，但可能会有强烈的震荡；改善稳定性，精度虽好，控制过程可能过于迟缓。因此，对一些大中型企业而言，若由此数控工作台进行生产，将解决一些工件加工过程中的精度和自动化的问题。这样的工
49、作台也具有一定的灵活性、通用性和经济性。在未来数控机床的发展过程中，不在仅仅是机床本身的多功能化，它将与计算机信息技术的结合，使机床在多功能化的基础上实现高效、精确、智能。其中机床与计算机技术结合的关键连接部位就是数控工作台，数控工作台作为加工机器零件的平台，是数控机床真正执行命令的地方，它的重要作用将会在未来体现的更加明确。参考文献1陈康宁机械工程控制基础M西安西安交通大学出版社，199728352刘贤南一种数控工作台的设计D江西江西机械，200026273杨萍数控工作台的设计D，淮南联合大学机械工业出版社，199613264董景新、赵常德等编著控制工程基础北京清华大学出版社，20075郑堤数控机床与编程M北京机械工业出版社，20056郑建荣编著ADAMS虚拟样机技术入门与提高M北京机械工业出版社,20017黄进含摩擦环节伺服系统的分析及控制补偿研究博士学位论文西安西安电子科技大学,19988吴宗泽主编机械设计课程设计手册第
