FxMy力-位混合伺服两轴插补数控工作台的设计

编号：

本科毕业论文（设计）

题目： Fx/My力-位混合伺服两轴插补数控工

作台的设计

专 业 机械设计制造及其自动化

学 号 074090126

姓 名 舒晓模

指导教师 詹建明

完成日期 2011.5.12

宁波大学机械工程与力学学院

Fx/My力-位混合伺服两轴插补数控工作台的设计

诚 信 承 诺

我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《Fx/My力-位混合伺服两轴插

补数控工作台的设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他

作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：舒晓模

2011 年 5 月 12 日

II

宁波大学机械工程与力学学院本科毕业论文（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/My force and position hybrid servo two axis inter

polation nc working table design

【ABSTRACT】At present, the most successful and close to practical compliant control strategy is force and position hybrid control.This strategy will be divided into

III

Fx/My力-位混合伺服两轴插补数控工作台的设计

two orthogonal space. The subspaces are named force control subspace and the position control subspace. In force control subspace use force control strategy for force control and in the position control subspace use position control strategy for position control. Force and position hybrid control strategy is different from traditional control strategy.Impedance control is a kind of indirect control method, its core thought is turning the force error signal into a position loop, controller adjust quantity input signal added to the position control input, the adjustment realize force position. The force and position hybrid control method’s core ideas is different control strategies respectively for position and force directly control, namely through selecting matrix determine the current first contact point position control and force control direction ,and then applied force feedback information and position feedback information respectively in position loop and force loop used for closed-loop control, eventually in restricted movement realize control force and position.

【KEYWORDS】Servo ；two axis interpolation；NC workbench；spring.

目 录

摘 要 ............................................................ III 目 录 ............................................................. IV 1引言 .............................................................. 1 2伺服两轴插补数控工作台的研究现状和发展趋势 ........................ 2 2.1研究历史和现状 ................................................ 2

IV

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2.2伺服两轴插补工作台的发展趋势 .................................. 3 2.3伺服两轴插补数控工作台的研究意义和路线 ........................ 3 3 电机-弹簧伺服系统的结构 ........................................... 5 3.1 电机-弹簧伺服系统的模型 ....................................... 5 3.2 电机-弹簧伺服系统的工作过程 ................................... 5 4机械系统设计 ...................................................... 7 4.1齿轮参数选定与计算 ............................................ 7 4.1.1选定齿轮精度、材料、齿数及螺旋角 ........................... 7 4.1.2齿面接触疲劳强度校核 ....................................... 7 4.1.3齿根弯曲疲劳强度校核 ....................................... 8 4.1.4几何尺寸计算 ............................................... 9 4.2等效传动惯量计算(不计传动效率) ................................ 9 4.3等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩) .................... 9 4.4滚珠丝杠副的结构类型 ......................................... 10 4.4.1滚珠循环方式 .............................................. 10 4.4.2轴向间隙预紧方式 .......................................... 11 4.4.3滚珠丝杠副直径和基本导程系列 .............................. 11 4.4.4滚珠丝杠精度等级确定 ...................................... 11 4.4.5滚珠丝杠副支承形式选择 .................................... 11 4.4.6滚珠丝杠副的选择 .......................................... 11 4.4.7滚珠丝杠副校核 ............................................ 12 4.4.8滚动导轨副的防护 .......................................... 12 4.5 X轴滚动导轨设计计算 ......................................... 12 5伺服两轴插补数控工作台的零件设计图纸解析 ......................... 14 5.1零件图纸分析 ................................................. 14 5.1.1齿轮的选择 ................................................ 14 5.1.2 弹簧尺寸的选择 ........................................... 14 5.1.3圆盘零件图 ................................................ 15 5.2 辅助装置的选择 ............................................... 15

V

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nmax=(vmax/δ)×(α/360°)=(2000/0.01) ×(1.5/360)=468.75 r/min 取起动加速时间tα=0.03 s

初选电动机型号110BYG260B,矩频特性如下图所示,其最大静转矩 Mjmax=9.5N.m,转动惯量Jm=9.7×10 kg．m, fm=1600Hz. 故

M0=(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η

20

-4

2

)= (1/3Fxtsp)÷(2πηi) ×(1-η

2

20

) =[(1/3) ×80×

0.005]÷(2π×0.8×2.083) ×[1-0.9]=0.0017 N.m 式中 Fp0—滚珠丝杠预加负荷,一般取Fy/3 Fy—进给牵引力(N)

η0—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.9

J=( Je +Jm)= 9.7×10 kg．m+0.208×10 kg.m=9.908×10 kg.m Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)= 9.908×10 ×(2π×833)÷(60×0.03) = 2.19N.m

Mq= Mamax+ Mf+ M0=2.88+0.0034+0.0024=2.2N.m Mc= Mt+ Mf+ M0=0.0402+0.0034+0.0.0024=0.065N.m Mk= Mf+ M0=0.0034+0.0024=0.0084N.m 从计算可知, Mq最大,作为初选电动机的依据. Mq/ Mjmax=0.23<0.9 满足所需转矩要求. 步进电机动态特性校验

Je /Jm=3.656/9.7=0.38<4 说明惯量可以匹配 电机惯量最大起动频率 fL=fm/(1+ Je /Jm)=1362Hz 步进电机工作时最大空载起动频率和切削时最大工作频率 fq=vmax/(60δ)=2000/(60×0.01)=3750> fL fc=v1max/(60δ)=500/(60×0.01)=833.3< fL

所以,与fc对应的Mc按电机最大静转矩校核,显然满足要求. 综上所述,可选该型号步进电机,具有一定的裕量.

1/2

-4

-4

2

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2

4.4滚珠丝杠副的结构类型

4.4.1滚珠循环方式

查表,选择外循环插管式。

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4.4.2轴向间隙预紧方式

预紧目的在于消除滚珠螺旋传动的间隙,避免间隙引起的空程,从而提高传

动精度.由表查得,采用双螺母垫片预紧方式.

4.4.3滚珠丝杠副直径和基本导程系列

采用丝杠公称直径 20mm,导程为6mm, 丝杠外径19.5mm，丝杠底径17.76mm，循环圈数2.5，基本动载荷7417N，基本静载荷15311N，刚度376N/um.

4.4.4滚珠丝杠精度等级确定

1).丝杠有效行程 由导程查得余程le=24 mm， 得丝杠有效行程lv=lu-le，lu =263-25=238 mm 2).精度等级

根据有效行程内的平均行程允许偏差ep=0.02/300*238*103=25 由[2]表5-5得,精度等级为T5

4.4.5滚珠丝杠副支承形式选择

滚珠丝杠主要承受轴向载荷,应选用运转精度高,轴向刚度高、摩擦力距小的滚动轴承.滚珠丝杠副的支承主要约束丝杠的轴向串动,其次才是径向约束.由[2]表5-6查得,采用两端简支(J-J)支承形式.

4.4.6滚珠丝杠副的选择

本方案属于高速或较高转速情况，按额定动负荷Ca≥Caj选择滚珠丝杠副 由[2]式（3-2）可知：Caj=[(Fefw)/(fhftfafk)]×[(60Lhne)/(106)]1/3 式中 Caj -–滚珠丝杠副的计算轴向动负荷(N)

Fe--丝杠轴向当量负荷(N). 取进给抗力和摩擦力之和的一半Fe=29N ne--丝杠当量转速(r/min).取最大工作进给转速 ne=78.125 r/min. Lh--丝杠工作寿命(h). 查考[2]表5-7得Lh=15000 h. ft--温度系数. 查[2]表5-8,得ft=0.90 fa--精度系数. 查[2]表5-9得fa=0.80 fw--负载性质系数. 查[2]表5-10得fw=0.9 fh--硬度系数.查[2]表5-11得fh=1.0

fk--可靠性系数.查[2]表5-12得fk=0.21（可靠度99%）

计算得Caj=712.46N

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4.4.7滚珠丝杠副校核 取最大轴向工作载荷 Fmax =29N

静载荷系数fh’ =1.0 负荷性质系数fw=0.9 轴向静载荷Coj=fwfhFmax=0.95×1.0×29=26.1N

1).临界压缩负荷 对于一端轴向固定受压缩的滚珠丝杠,应进行压杠稳定性校核

计算.

不发生失稳的最大压缩负荷称为临界压缩负荷,用Fn表示 Fn=3.4×1010(f1d24)/(L02) ×K1 式中 L0–--最长受压长度.取0.39m f1--丝杠支承方式系数, J-J取1 d2--丝杠螺纹底径,取0.016m K1——安全系数，取1/3 Fn=1741.5N>Fmax 2).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. ncr=9910(f22d2)/Lc2

式中 f2--丝杠支承方式系数,J-J取3.142 Lc --临界转速计算长度. Lc =0.5m. d2--丝杠螺纹底径,取0.016m

ncr= 5479r/min > nmax,同时验算丝杠另一个临界值 d0n=20*468.75=7500<70000

3).轴承选择校核由[1]表6-6选角接触球轴承7001AC.

4.4.8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。

4.5 X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.

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(1)选南京工艺装配厂GGB型产品，E级精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1 (2)寿命按每年工作300天,每天两班,每班8h,开机率0.8计,额定寿命为: Lh=10×300×2×8×0.8=38400 h 每分钟往复次数nz=8

(3)L=(2lsnz60Lh)/(103)= 36864Km

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Cα

(4)Ca=( fwP)÷(fh ft fc fa)×(L/50)1/3=1710N 选用NSK LY30AL型号滚动导轨副,其Co=2570N. Coa=3840N (5)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.

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5伺服两轴插补数控工作台的零件设计图纸解析

5.1零件图纸分析

5.1.1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5-1 齿轮零件图

5.1.2 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，弹簧的直径为26cm，弹簧丝的直径为6cm。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i2ud.html