数控车床进给系统机械传动结构的设计毕业设计论文.docx
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数控车床进给系统机械传动结构的设计毕业设计论文
毕业设计（论文）
数控车床进给系统机械传动结构的设计
MECANICALSTRUCTUREDESIGNOFCNCLATHEFEEDDERIVESYSTEM
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摘要
数控车床进给系统是指能分别沿着X向和Y向做进给运动的系统，是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。
模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。
其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。
导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。
控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。
该设计从确定小型数控车床的方案入手，设计进给系统的装配图和主要零件图。
确定数控车床数控系统后，详细论述进给传动系统各组成部分，以及各部分的计算和选用。
关键词：
数控车床;进给系统;装配图;零件图
Abstract
ThedesignstartswithidentifyingtheprogramofsmallCNClathe,andbeginstodesignthesystemassemblydrawingandthemainpartdrawing. AfteridentifyingCNClathesystem,discussthevariouscomponentsofthefeeddrivesystemindetail,aswellaspartofthecalculationandselection. Thedesignusesatop-downdesignmethod,startingfromtheoverallstructure,thenthecomponentsofthedesign. Inthedesign,fulluseofstandardization,serialization,universal,increaseinteroperabilityeasyformaintenance. Andimproveproductionefficiencytomeettheneedsofdifferentusers.
ControlsystemsforsmallCNClatheswhichtheprojectdevelopsanddesigns,withsmallsize、smallfootprint、compact、technicallyadvanced、highproductivityandstrongpracticability. Itissuitableforsmallbatchprocessingofsmallparts,smallenterprises,electroniccomponentsmanufacturingenterprisesandindividualenterprises,theidealprocessingequipment. Itcanalsobeusedforhighsecondaryschool,technicalschoolofelectricalandmechanicalspecialtyCNCpractice,experimentalteaching.
Keywords:
CNCLatheFeedingSystemAssemblyDrawingParts Drawing
1绪论
1.1序言
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产中一门新型的，发展十分迅速的高新技术。
数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新型制造业的渗透，形成的一种机电一体化技术。
这一技术使生产过程中的生产效率、产品成本及工人劳动强度等方面问题得以明显改善，特别是针对对市场化生产的小批量、多品种特点，有无可比拟的优势。
数控机床是采用了数控技术的机床。
即能按照程序逻辑，一步步处理生产过程的机床。
数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。
这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的运动轨迹和外设的操作时序逻辑控制功能。
由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入操作指令的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成，处理生成的微观指令传送给伺服驱动装置驱动电机或液压执行元件带动设备运行。
制造业是作为衡量一个国家经济的重要指标，体现了一个国家或一个民族的科技实力，是一个时代科学技术发展最明显的突出体现。
尤其是在最近几十年了，发达的资本主义国际凭借其先进的制造技术，利用其强大的科技和财政实力获得了巨大的经济利益。
我国的制造业起步晚、基础差，但近二十年来，我国投入了巨大的人力物力，并取得了骄人的成绩。
但同时也要看到，我们国家的制造业和西方发达资本主义国家的制造业还有差距，而且在某种层度上说，差距还很大，这就要求我们国家还要付出更大的努力去提高我国的制造业在世界制造业中的地位，使我国的制造业对我国的经济发展能够发挥更大的作用，为人民和人类带来更大的帮助。
数控车床、车削中心，是一种高精度、高效率的自动化机床。
配备多工位刀塔或动力刀塔，机床就具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹、槽、蜗杆等复杂工件，可咨询：
宁波众鑫数控机床厂。
具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。
传统的机械加工都是用手工操作普通机床作业的，加工时用手摇动机械刀具切削金属，靠眼睛用卡尺等工具测量产品的精度的。
现代工业早已使用电脑数字化控制的机床进行作业了，数控机床可以按照技术人员事先编好的程序自动对任何产品和零部件直接进行加工了。
数控加工广泛应用在所有机械加工的任何领域，更是模具加工的发展趋势和重要和必要的技术手段。
数控车床又称为CNC车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。
数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。
是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。
控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。
数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。
1.2设计主要任务
进给系统机械传动结构是伺服进给系统的主要组成部分，主要由传动机构、运动变换机构、导向机构、执行件组成，它是实现成形加工运动所需的运动及动力的执行机构。
由于数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。
进给系统是数控加工的关键环节，是数字控制的直接对象，被加工工件的最终坐标位置精度和轮廓精度都与传动结构有关。
脉冲当量是0.001mm，快进速度是1000mm/min，X轴行程：
100mm，Y轴行程：
150mm。
合理设计进给系统的结构；完成进给部件（包含滚珠丝杠螺母副、燕尾槽导轨、导轨防护罩等）的结构设计及总图和零件图；完成主传动系统的设计计算；完成二万字的毕业论文及5000字的译文。
2进给系统设计
2.1总体方案设计
2.1.1概述
主轴转速与进给速度，没有定值，通常是靠经验值来设置，主要根据刀具和工件材料来选择。
进给率的增加可以提高生产效率。
在加工过程中，进给率也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调（倍率）开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。
但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。
刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容。
刀具的种类及特点，刀具耐用度、稳定性，材料的种类，是必须考虑的，通常还要考虑：
下切步距，刀具路径的行距，主轴转速，加工精度等。
设计一台数控车床进给系统机械传动部分的设计，综合各方面的因素，采取PLC控制，控制方式采用交流伺服、运动控制器并采用闭环控制方案。
数控车床进给系统的机械主体部分直线导轨和滚珠丝杠，联轴器，工作台面。
电气部分的关联性及传动装置的保护性，X轴及Y轴两端配有高质量的缓冲器，同时可选配在工作台的两端配有限位检测开关，部分工作台的配有原点检测开光，并提供光电编码装置以适于闭环控制，原点开关的位置可以打距离的调节。
数控车床进给系统的具体参数如下：
X方向行程:
100mm
Y方向行程:
1500mm
工作台面的参考尺寸:
240
260mm
工作台和工件最大物重质量60kg
工作台表面滑动摩擦系数为0.5
平均切削力:
500N
快进进给速度:
1000mm/min
最高运动速度:
10000mm/min
脉冲当量0.001mm
定位精度:
0.02mm
工作寿命:
每天8小时，工作8年，250天/年
2.1.2机械系统设计
车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床，主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件。
在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。
它是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。
铣床和钻床等旋转加工的机械都是从车床引伸出来的，普通机床经经历了近两百年的历史。
随着电子技术、计算机技术及自动化，精密机械与测量等技术的发展与综合应用，生产了机电一体化的新型机床一一数控机床。
普通车床是车床中应用最广泛的一种，约占车床类总数的65%，因其主轴以水平方式放置故称为卧式车床。
普通车床的主要组成部件有：
主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠和床身。
按其实现系统功能角度看主要包括动力系统、执行系统、操纵和控制系统、传动系统。
此设计的具体要求如下：
（1）传动机构为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。
丝杠的转速为中转速，精度要求为高精度。
为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。
由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。
与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。
在省电方面很有帮助。
采用滚珠丝杠副，滚珠丝杠直接与联轴器连接。
（2）导向机构采用滚动直线导轨。
直线导轨一般为二种，一种是滚动式，一种是滑动式，滚动直线滑轨是一种滚动导引，它由钢珠在滑块与滑轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至传统滑动导引的1/50，使之能轻易地达到1μm级的定位精度。
现在滑块与滑轨间的末制单元设计，使得线形滑轨可同时承受上下左右等各方向的负荷，专利的回流系统及精简化的结构设计使线性滑轨有更平顺且低噪音的运动。
滚动直线导轨副动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。
导轨的导向精度要求高。
图2-1工作台草图
（3）执行机构采用交流伺服电动机。
交流伺服电动机，是将电能转变为机械能的一种机器。
交流伺服电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。
电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。
交流伺服电动机主要由定子部分和转子部分组成，其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组（其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组）。
交流伺服电动机控制精度高，矩频特性好，具有过载能力，多应用于物料计量，横封装置和定长裁切机上。
工作台草图如上图2-1。
2.2伺服电机设计
2.2.1伺服电机概述
交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。
其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。
其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。
交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。
当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。
通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。
表2-1交流伺服电动机的分类、特点及使用范围
类型
代号
结构特点
性能特点
使用范围
笼型交流伺服电动机
SL
转子与定子结构与一般笼型异步电动机相似,但转子一般为两相,且细而长,笼可用铝、紫铜、黄铜制成
励磁电流较小，体积较小，机械强度较高，低速运转时不够平滑，有抖动现象
广泛运用于小功率自动控制系统、随动系统和计算装置中
非磁性杯型交流伺服电动机
SK
ADP
用非磁性金属铝、黄铜等制成杯形转子，杯的内外由内外定子构成磁路
转动惯量小，运转平滑、无抖动现象，励磁电流和体积较大
用于要求运行平滑的系统，如自动装置和计算装置等
FANUC交流伺服电动机
FANUC
转矩大,转速低,机械特性线性度好,低速性能良好，可直接与丝杠连接
用于数控机床驱动或其他驱动系统
低速交流伺服电动机
SD
SA
ND
转子、定子结构与笼型交流伺服电动机相同,另外机壳中装有齿轮减速装置
体积小,重量轻,力能指标高,性能好，输出转速低,转矩大
广泛应用于自动装置和计算技术装置中作驱动、执行或控制元件
步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。
在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。
随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。
为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。
虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。
现就二者的使用性能作一比较。
1）在整个调速范围内，其负载转矩应该在电动机连续额定转矩的范围以内；
2）工作负载与过载时间应该在规定的范围以内；
3）应使加速度与希望的时间常数一样；
下表2-2为交流伺服电动机的特性实例：
表2-2交流伺服电动机特性举例
电动机
特性
SM型伺服电机
IM型伺服电机
输出功率/W
1100
1100
峰值电流（A/相）
11.7
14.4
峰值电压（V/相）
68.9
79.3
功率因素/%
99.8
78.6
功率/%
91.1
82.0
电阻/
0.284
1.035
感应电压常数/
100
100
转动惯量/
功率变化率/
12
16
2.2.2伺服电机选择
2.2.2.1伺服电机选择原则
步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。
在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。
随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。
为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。
虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。
现就二者的使用性能作一比较。
一般电机要承受两种形式的力矩：
恒定的负载力矩和切削力矩（包括摩擦力矩）；加/减速力矩。
步进电机在低速时易出现低频振动现象。
振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。
这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。
当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。
交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。
交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。
步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。
交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
下面是选择电机时应满足的条件：
（1）机床无负载时，加在电动机上的力矩应小于电动机的连续额定力矩的50%一下。
否则，在切削或加速/减速时电动机就可能过热。
（2）加/减速时间要短，须在电动机的允许范围内。
通常，负载力矩帮助电动机的减速，因此如果加速在允许时间内完成的话，减速也可在相同时间内完成。
这样我们只需计算加速力矩，并在允许时间内核算力矩在电动机的机械特性的断续区内。
（3）频繁地定位和加/减速会使电动机发热，此时需要计算出电动机承受的力矩的均方根值Trms，使其小于电动机的额定力矩Tc。
（4）电动机以最大切削力矩运行的时间应在允许范围内。
（5）负载的惯量要小于电动机本身惯量的3倍。
这里我们依据负载来选择电动机。
2.2.2.2伺服电机设计计算
步进电机一般不具有过载能力。
交流伺服电机具有较强的过载能力。
以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。
其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。
步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。
加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出见式（2.1）:
式（2.1）
其中：
——加到电机轴上的负载力矩（Nm）
F——沿坐标轴移动一个部件所需的力（kgf）
L——电机转一转机床的移动距离=
——滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩
步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。
交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴，F值取决于工作台的重量，摩擦系数，F值还与平衡锤有关。
对于水平工作台，F值可按下式计算:
W——工作台与工件重量=60kg
——滑动表面摩擦系数=0.05
——驱动系统的效率=0.9
Fg——镶条锁紧力=5kgf
——反切削力=50kgf
——由切削力矩引起的滑动表面上工作台上收到的力=30kgf
（设
=2kgf
cm=0.2N
m）
不切削时见式（2.2）：
式（2.2）
kgf
切削时见式（2.3）：
式（2.3）
为满足运行条件，应根据数据选择电动机，其负载力矩在不切削时应大于0.1N
m，最高转速应小于2000r
。
交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。
但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。
所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。
2.2.2.3伺服电机选择
综上所述，选择FANUC系列交流伺服电动机，电动机的型号为FANUC4-0该类型伺服电动机是由日本法纳克公司为满足CNC机床和工业机器人的需要开发的，这种伺服交流电动机都是永磁式同步型伺服电动机，其特点都是定子为三相绕组，转子为永久磁铁。
其结构、性能特点是转矩大、转速低，机械特性线性度好低速性能良好，可直接与丝杠连接。
我们选用的FANUC4-0，其数据见表2-3。
其特点如下：
1）具有独特的磁极形状，使转矩波动最小；
2）外面没有机壳，定于铁心直接在空气中冷却，这种结构使电动机温升能减到最低；
3）具有高的转矩/惯量比，能承受高的加减速；
4）由于采用了集中磁力线机构，在保证高输出转矩的情况下，电动机体积小而且重量轻；
5）由于采用高频脉宽调制控制，电动机只有很低的噪声和振动。
表2-3FANUC4-0的技术数据
型号）
输出功率（KW）
额定转矩（Nm）
最大转矩（Nm）
最高转速（r/min）
转动惯量（kg/
）
机械时间常数（ms）
热时间常数（min）
质量（kg）
4-0
0.05
0.25
1.1
3000
11
15
1.2
2.3滚珠丝杠副介绍
2.3.1滚珠丝杠副概述
滚珠丝杠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。
滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。
它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。
由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点
常用的循环方式有两种：
外循环和内循环。
滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。
滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。
内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等几种。
（1）外循环外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。
外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。
（2）内循环内循环滚珠丝杠。
内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。
丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。
滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能。
但其摩擦阻力大，传动效率低。
滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂制造成本高。
但其最大优点是摩擦阻力小，传动效率高，因此选
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