朱瑩
(沈陽機床股份有限公司,沈陽110142)
目前隨著輕合金材料在汽車、航空航天等工業(yè)中的廣泛應(yīng)用,“高速”加工已成為制造業(yè)的必然發(fā)展趨勢?!案咚佟奔庸さ哪渴翘岣呱a(chǎn)率,降低成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量?!案咚佟逼渲兄恢傅木褪歉咚龠M給。要想提高進給速度就需要提高伺服軸快速移動速度。為了更多地占領(lǐng)市場,本文從技術(shù)角度詳細分析了D165機床提升快移速度的可行性。
1)機床原X/Y/Z三軸快移速度為30 m/min。2)各軸滾珠絲杠選用日本NSK品牌,具體參數(shù)為:X軸滾珠絲杠直徑為φ40 mm,預(yù)緊力為5960 N,長度為1441 mm;Y軸滾珠絲杠直徑為φ32 mm,預(yù)緊力為2530 N,長度為986 mm;Z軸滾珠絲杠直徑為φ32 mm,預(yù)緊力為4220 N,長度為868 mm。三軸絲杠的螺距均為10 mm,最高轉(zhuǎn)速均為3000 r/min。3)各軸電動機參數(shù):電動機型號為西門子1FK7083-5AF71-1AH0,額定轉(zhuǎn)矩為10.5 N·m,最大轉(zhuǎn)矩為50 N·m,轉(zhuǎn)速為3000 r/min,轉(zhuǎn)動慣量為35.9×10-4kg·m2。4)X/Y軸電動機通過剛性聯(lián)軸器與絲杠直連。5)Z軸電動機通過皮帶降速傳動,傳動比為1.3。6)各傳動軸負載重量為:X軸的拖板為205 kg,Y軸的滑鞍為480 kg,Z軸的滑枕為310 kg。7)系統(tǒng)加速度為5 m/s2。8)系統(tǒng)時間常數(shù)(加減速)T=30 m/min÷5 m/s÷60=0.1 s。9)快移60 m/min時系統(tǒng)加速度為60 m÷60 s÷0.1 s=10 m/s2。10)滾珠導(dǎo)軌摩擦因數(shù)μ=0.002~0.003。11)重力加速度g=9.8 m/s2。
滾珠絲杠危險轉(zhuǎn)速計算公式[2]如下:
式中:nc為容許轉(zhuǎn)速(危險轉(zhuǎn)速的80%),r/min;f為根據(jù)絲杠安裝方法而定的系數(shù);dr為滾珠絲杠螺紋底槽直徑,mm;L為滾珠絲杠安裝距離,mm;X/Y/Z軸為固定-簡單支撐結(jié)構(gòu)f=15.1;X軸滾珠絲杠螺紋底槽直徑dr=35.4 mm;Y/Z軸滾珠絲杠螺紋底槽直徑dr=27.4;X軸滾珠絲杠安裝距離Lx=1147.5 mm;Y軸滾珠絲杠安裝距離Ly=724 mm;Z軸滾珠絲杠安裝距離Lz=637 mm。
按式(1)可計算出各軸絲杠危險轉(zhuǎn)速如下:
X軸危險轉(zhuǎn)速:
Y軸危險轉(zhuǎn)速:
Z軸危險轉(zhuǎn)速:
可見當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)速3000 r/min不變時,只要把三軸絲杠螺距由10 mm改為20 mm即可實現(xiàn)60 m/min快移速度。但還要從轉(zhuǎn)動慣量及啟動力矩上進行分析。
絲杠傳動時傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上總轉(zhuǎn)動慣量公式如下:
式中:J總為整個傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上轉(zhuǎn)動慣量;J帶輪1為與電動機軸直連皮帶輪或聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量;i傳為整個傳動系統(tǒng)降速比;J絲杠為滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量;J負載為所有負載折算到滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動慣量;J帶輪2為與滾珠絲杠軸直連的皮帶輪轉(zhuǎn)動慣量。
式(2)中滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量[1]為
其中:D為滾珠絲杠最大直徑,mm;L總長為滾珠絲杠總長度,mm。
按式(3)可計算出各軸絲杠轉(zhuǎn)動慣量如下:
式(2)中所有負載折算到滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動慣量為
其中:V為負載最大直線速度,mm/min;N為滾珠絲杠最高轉(zhuǎn)速,r/min;P為絲杠螺距,mm;π為圓周率,3.14;M為所有負載重量,kg。
從式(4)中看出J負載與絲杠螺距平方成正比。按式(4)可計算出各軸負載折算到絲杠上轉(zhuǎn)動慣量如下:
相應(yīng)比值:JX負載/JX絲杠=25.2/28.4≈0.9;JY負載/JY絲杠=20.0/8.0=2.5;JZ負載/JZ絲杠=7.9/7.0≈1.1。
空心圓柱繞中心軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量公式如下:
式中:m為空心圓柱質(zhì)量,kg;R1為空心圓柱內(nèi)徑,mm;R2為空心圓柱外徑,mm。
按式(5)分別計算Z軸帶輪1和帶輪2轉(zhuǎn)動慣量如下:
相應(yīng)比值:
因X/Y軸為直連傳動,i傳=1。則J負載與J絲杠之和對于J總來說占主導(dǎo)作用。
所以對于X軸有如下等式:
當(dāng)絲杠螺距由10 mm改為20 mm時,JX負載要增大4倍,相應(yīng)地,
根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量匹配公式所選電動機轉(zhuǎn)動慣量要滿足如下要求:
對于Y軸有如下等式:
當(dāng)絲杠螺距由10 mm改為20 mm時,JY負載要增大4倍,相應(yīng)地,
根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量匹配公式所選電動機轉(zhuǎn)動慣量要滿足如下要求:
式(2)中,對于Z軸為降速傳動i傳=1.3有如下等式:
當(dāng)絲杠螺距由10 mm改為20 mm時,JZ負載要增大4倍,相應(yīng)地,
根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量匹配公式所選電動機轉(zhuǎn)動慣量要滿足如下要求:
2.3 從快速空載啟動時所需力矩上來分析
快速空載啟動時所需力矩公式[1]如下:
式中:M空載為快速空載啟動時所需力矩;Mamax為空載啟動折算到電動機軸上最大力矩;Mf為等速運行時折算到電動機軸上的摩擦力矩;M0為絲杠預(yù)緊引起的折算到電動機軸上的附加摩擦力矩。
式(6)中空載啟動折算到電動機軸上最大力矩為
其中:J總為整個傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;nmax為電動機最高轉(zhuǎn)速,r/min;T為系統(tǒng)時間常數(shù)(加減速),s。
根據(jù)式(7)可分別計算出各軸Mamax如下:
X軸導(dǎo)程為20 mm時,
Y軸導(dǎo)程為20 mm時,
Z軸導(dǎo)程為20 mm時,MamaxZ20=4.1×7.0×10-4×3000÷9.6÷0.1=9.0 N·m。
式(6)中等速運行時折算到電動機軸上的摩擦力矩為
式中:F0為導(dǎo)軌摩擦力或等速度運行時軸向載荷,N;P為絲杠螺距,mm;η為傳動鏈總效率,η=0.7~0.85;i傳為整個傳動系統(tǒng)降速比。
根據(jù)式(8)可分別計算出各軸Mf如下:
X軸絲杠螺距為20 mm時,
Y軸絲杠螺距為20 mm時,
MfY20=790×9.8×0.003×20÷2÷3.14÷0.8×10-3=0.1N·m;
Z軸絲杠螺距為20 mm時,
MfZ20=310×9.8 m/s2×20÷2÷3.14÷0.8÷1.3×10-3=9.4 N·m。
式(4)中絲杠預(yù)緊引起的折算到電動機軸上的附加摩擦力矩為
其中:Famax為絲杠預(yù)緊力,N;η0為滾珠絲杠未預(yù)緊時的效率,取η0≥0.9。
根據(jù)式(9)可分別計算出各軸M0如下:
X軸絲杠螺距為20 mm時,
Y軸絲杠螺距為20 mm時,
Z軸絲杠螺距為20 mm時,
綜上可計算出各軸M空載值如下:
X軸絲杠螺距為20 mm時,
Y軸絲杠螺距為20 mm時,
Z軸絲杠螺距為20 mm時,
一般校核電動機轉(zhuǎn)矩時采用如下公式[3]:
其中:M電機max為電動機最大輸出轉(zhuǎn)矩,N·m;M電機額定為電動機額定輸出轉(zhuǎn)矩,N·m;λ為電動機轉(zhuǎn)矩瞬間過載系數(shù),交流伺服電動機λ=1.5~2。
由式(10)可算出各軸電動機最小額定輸出轉(zhuǎn)矩如下:
X軸絲杠螺距為20 mm時,
Y軸絲杠螺距為20 mm時,
Z軸絲杠螺距為20 mm時,
綜上所述,要想解決問題必須找到一款具備如下參數(shù)的電動機:
X軸參數(shù):最大轉(zhuǎn)矩≥45.5 N·m,額定轉(zhuǎn)矩≥30.3 N·m,額定轉(zhuǎn)速≥3000 r/min,轉(zhuǎn)動慣量≥43.5×10-4kg·m2;
Y軸參數(shù):最大轉(zhuǎn)矩≥29.6 N·m,額定轉(zhuǎn)矩≥19.7 N·m,額定轉(zhuǎn)速≥3000 r/min,轉(zhuǎn)動慣量≥29.3×10-4kg·m2;
Z軸參數(shù):最大轉(zhuǎn)矩≥20.8 N·m;額定轉(zhuǎn)矩≥7.6 N·m;額定轉(zhuǎn)速≥4000 r/min;轉(zhuǎn)動慣量≥9.6×10-4kg·m2。
查找西門子電動機樣本:1FT6084-8WF7(水冷)可同時滿足三軸要求。
2.4 傳遞轉(zhuǎn)矩增加后重新校核X/Y軸剛性聯(lián)軸節(jié)套強度
按許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力計算公式[4,9]如下:
則空心軸外徑計算公式如下:
式中:τmax為軸的最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力,MPa;Tmax為軸傳遞的最大轉(zhuǎn)矩,65 N·m;Wp為空心軸圓截面抗扭截面模量,mm3。
空心軸圓截面抗扭截面模量Wd的計算公式[5]為
式中:[τ]為軸材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力,MPa;d為空心軸的內(nèi)徑,mm;D為空心軸的外徑,mm;γ為空心軸的內(nèi)直徑d與外直徑D之比。
圖1 X/Y軸聯(lián)軸套圖
材料為39NiCrMo3,抗拉強度[Rm]=900 MPa,許用應(yīng)力[σ]=Rm/2.7=900/2.7=333 MPa,許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力
由于小端處值要小于大端處,所以只校核小端處強度即可。
所以聯(lián)軸套強度合格。
綜上所述D165機床提升快移速度在理論上是可以實現(xiàn)的。雖然本文僅在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩上進行計算分析而得出結(jié)論。并未考慮振動、溫度等其它方面因素的影響。但此分析方法與結(jié)論對于大部分的通用機床還是有指導(dǎo)和參考價值的。
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