MJ50型数控车床进给传动系统设计.docx
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MJ50型数控车床进给传动系统设计
MJ—50型数控车床进给传动系统设计
摘要
伺服进给系统是数控机床的重要组成部分，对机床整体性能有着决定性的影响。
越来越多的研究人员在进给伺服系统的研究中投入大量精力。
研究设计进给系统的结构，并进行误差计算和精度分析，有利于深入了解进给系统的原理和设计方法，进而探求可能的优化设计。
本次设计了以滚珠丝杠为核心元件的MJ-50数控车床工作台进给传动系统。
MJ-50数控车床进给传动系统主要由电动机、滚珠丝杠、工作台、联轴器、导轨组成。
通过对数控车床进给传动系统的设计理论，首先进行了伺服进给传动系统的总体方案设计以及机床精度的选择；其次是沿Z轴（纵向）进给和沿X轴（横向）进给传动系统设计的滚珠丝杠的计算与选择、滚珠丝杠支承轴承的选择、通过计算选择进给传动系统的其他相关元器件、对传动系统的刚度、惯量匹配等进行了校核验算；再次通过计算来选择进给传动系统的伺服电动机以及联轴器，最后进行导轨的选择。
证明计算得出的结果较好得满足了提出的设计要求，利用AutoCAD软件绘制了相关的装配图。
关键词：
数控车床,进给伺服系统,滚珠丝杠
TheDesigndrivesSystemofCNCLathes
Author:
DongJie
Tutor:
YanCunfu
Abstract
ServosystemisanimportantpartofNCmachinetools,havingadecisiveinfluenceontheoverallperformanceofmachinetool.Moreandmoreresearchersdevoteagreatdealofenergyinthestudyofservosystem.Studyingondesignoffeedingsystemstructure,errorcalculationandprecisionanalysisarehelpfulforunderstandingthefeedsystemprincipleanddesignmethod,thenexploringpossibleoptimizationdesign.
ThisdesignofaballscrewpairfortheMJ-50CNClathecrossslidetableofthecorecomponentsofthefeeddrivesystem.MJ-50CNClathefeeddrivesystemmotors,ballscrews,crosstable,couplings,rail.CNClathefeeddrivesystemdesigntheory,theoverallprogramdesignandthechoiceofmachineprecisionservofeeddrivesystem;followedalongtheZaxis（vertical）tofeedalongtheXaxis（horizontal）feeddrivecalculationandselectionofthesystemdesignoftheballscrewnut,ballscrewsupportbearingschoice,selectedbycalculatingtheothercomponentsofthefeeddrivesystem,thestiffnessofthedrivesysteminertiamatchingcheckingchecking;againcalculationtoselectthefeeddrivesystem,servomotorcoupling,thefinalchoiceofrail.Betterprovethatthecalculatedresultsmustmeettherequirementsoftheproposeddesign.UsingtheAutoCADsoftwarerenderingtherelatedpartsgraphandassemblydrawing.paper.
Keywords:
CNClathes,ServoSystem,Ballscrewpair
目录
1绪论1
1.1数控机床的概念1
1.2数控机床的组成分类及特点1
1.2.1数控机床的组成1
1.2.2数控机床的分类1
1.2.3数控机床的特点2
1.3数控系统的发展简史及国外发展现状2
1.4我国数控系统的发展现状及趋势3
1.4.1我国数控技术状况3
1.4.2数控系统的发展趋势4
1.5伺服系统对伺服电机的要求4
1.6设计的内容和目的5
2进给传动系统的总体设计6
2.1机床的主要性能参数6
2.2进给传动系统的精度要求7
2.3进给传动伺服系统的选择7
2.4进给传动系统的传动要求及传动类型的选择8
2.4.1进给传动系统的传动要求8
2.4.2进给传动类型的选择8
2.5电机与丝杠联接方式的选择9
2.6支撑形式方案选择10
3总体方案设计12
3.1方案设计及总体布局12
3.2主切削力的计算12
4横向进给传动系统设计15
4.1已知技术参数15
4.2X轴滚珠丝杠的计算及选择15
4.3滚珠丝杠支承轴承的选择19
4.4X轴滚珠丝杠的校核20
4.4.1临界压缩负荷20
4.4.2临界转速21
4.4.3滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率22
4.4.4滚珠丝杠扭转刚度23
4.4.5滚珠丝杠传动精度计算24
4.5X轴滚珠丝杠进给传动系统变形计算25
4.5.1滚珠丝杠精度计算25
4.6X轴进给伺服电机的选择计算28
4.6.1X轴进给伺服电机的校核30
4.7联轴器的选择31
5纵向进给传动系统设计32
5.1已知技术参数32
5.2Z轴滚珠丝杠的计算及选择32
5.3Z轴滚珠丝杠支承轴承的选择34
5.4Z轴滚珠丝杠的校核35
5.4.1临界压缩负荷35
5.4.2临界转速35
5.4.3滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率35
5.4.4滚珠丝杠扭转刚度36
5.4.5滚珠丝杠传动精度计算37
5.5Z轴滚珠丝杠进给传动系统变形计算37
5.5.1Z轴精度计算38
5.6Z轴进给伺服电机的选择与计算38
5.6.1伺服电机的校核40
5.7联轴器的选择41
6床身及导轨的选择42
6.1床身的选择42
6.2导轨的选择43
结论46
致谢47
参考文献48
、
1绪论
1.1数控机床的概念
数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。
1.2数控机床的组成分类及特点
1.2.1数控机床的组成
数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。
1、控制介质：
以指令的形式记载各种加工信息；
2、数控装置：
接受输入的加工信息，经数控装置运算处理，向伺服系统发出相应的脉冲；
3、伺服系统：
把数控装置的脉冲信号转换成机床运动部件的机械位移；用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。
4、机床本体：
包括，主轴部分、进给系统、刀库和自动换刀装置（ATC）、自动托盘交换装置（APC）等。
1.2.2数控机床的分类
数控机床的品种和规格繁多，分类方法不一。
根据不完全统计，目前已有近
500种数控机床。
根据数控机床的功能和组成，一般分为以下几类：
按坐标轴数分类：
一般数控机床，数控加工中心机床，多坐标轴数控机床；
按特点分类：
点位控制数控机床，直线控制数控机床，轮廓控制数控机床；
按有无测量装置分类：
开环数控系统，半闭环数控系统，闭环数控系统；
按功能水平分类：
经济型，普及型，高级型。
1.2.3数控机床的特点
数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。
概括起来，数控机床有以下几方面的特点：
1、提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定；
2、提高生产效率，一般约提高效率3-5倍，使用数控加工中心机床则可提高生率5-10倍；
3、可加工形状复杂的零件；
4、减轻了劳动强度，改善了劳动条件；
5、有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。
1.3数控系统的发展简史及国外发展现状
1949年美国帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。
1952年第一代数控系统——电子管数控系统的诞生。
20世纪50年代末，完全由固定布线的晶休管元器件电路所组成的第二代数控系统——晶体管数控系统被研制成功，取代了昂贵的、易坏的、难以推广的电子管控制装置。
随着集成电路技术的发展，1965年出现了第三代数控系统——集成电路数控系统。
1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统——小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性能价格比渗透各个行业，1974年，第五代数控系统——微型计算机数控系统也出现了。
应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统（CNC）。
综上所述，由于微电子技术和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统也随着不断更新，发展非常迅速，几乎5年左右时间就更新换代一次[1]。
数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高科技含量的机电一体化产品。
欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程，1990年日本机床产值数控化率达75％，美国达70．1％，德国达57％。
目前世界数控机床年产量超过15万台，品种超过1500多种[2]。
1.4我国数控系统的发展现状及趋势
1.4.1我国数控技术发展状况
目前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型向开放型过渡的时期。
我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术（包括核心技术），已达到国际先进水平。
自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。
例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，
当量的超精密数控系统、数控仿型系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。
尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。
特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MPBF值可以在15000h以上。
同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过60%。
这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础[1]。
我国进行改革开放后，由于政策的开放，使得金属切削行业得以和世界上先进的机床制造国家进行技术交流，并通过引进技术，到80年代初，国产数控机床进入实用化阶段，1991年数控机床的产值数控化率为14．3％，到1997年数控机床产值数控化率为24．5％。
目前，我国数控机床（包括经济型机床）品种约有500个。
但是，与国外数控车床相比，在性能、质量、设计、制造等各方面存在较大差异，并存在许多不足：
机械件的材质、加工精度、加工工艺存在较大差距，装配工艺也存在一定差距；主轴及卡盘刚性差，主轴定位准停不好；安全性较差，软硬件保护功能不够；刀片磨损快，生产成本高，效率低；硬件设计方面不规范，不符合国标，有的机床厂家甚至仍然停留在十年二十年前的设计思想；程序设计方面缺乏标准，不规范，逻辑性不强，故障率高，在使用过程中需不断对程序进行修改；外围元件布置及走线不规范，标牌线号不清，图纸与实物不符，维修困难；使用的元器件本身质量差，使用寿命短，故障率高，有的机床厂家为了降成本却忘记了质量、忘记了可靠性，选用一些国产的轴承、接触器、继电器、接近开关等元件，在生产过程中小故障连绵不断；柔性化不强，多品种生产困难。
而国外数控车床无论是设计水平，还是制造水平，都要高出国内数控车床。
机械件材质、加工精度、加工工艺、装配工艺比较好；软硬件设计有专门的标准，设计规范合理，配套件齐全，标牌标示清楚齐全；使用的元器件质量好，故障率低；新技术的应用及时领先；概括来说，精度及可靠性高、性能稳定故障率低[3]。
1.4.2数控系统的发展趋势
随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统性能日臻完善，数控系统应用领域日益扩大。
为了满足社会经济发展和科技发展的需要，数控系统正朝着高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及开放性等方向发展。
1.5数控系统对伺服电机的要求
1、从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。
2、电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。
3、为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。
电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。
4、电机应能随频繁启动、制动和反转。
随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控车床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。
使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。
由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。
数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高[4]。
1.6设计的内容和目的
本次设计的内容是机床总体方案设计纵向及横向伺服进给机构的理论计算、结构设计及绘制装配图、数控系统设计及外文资料文献翻译，并撰写毕业设计论文。
设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态度，加强团队合作精神。
2进给传动系统的总体设计
2.1机床的主要性能参数
本设计对数控车床的进给系统进行了设计，该数控车床具有刚度高、排屑功能流畅、运转噪音低、传动效率高、精度保持性好、有效寿命长等优点。
车床的进给伺服系统采用交流伺服电机驱动，选用精密数控系统，并合理选用高精度元器件，保证了伺服系统达到要求的精度、重复定位精度，并使其具有高刚度和良好的稳定性。
车床的主要技术参数如表2.1所示。
表2.1车床主要技术参数
序号
项目
子项目
单位
参数值
1
加工范围
工件最大回转直径
mm
500
最大车削长度
mm
650（顶尖距）
最大车削直径
mm
310
2
主轴
主轴通孔直径
mm
80
主轴转速范围
r.p.m
35~3500
主轴恒功率范围
r.p.m
437~3500
主轴恒扭矩范围
r.p.m
35~437
主轴电机功率
kw
11/15（连续、30min）
3
床鞍
倾斜角度
度
45
X轴行程
mm
675
Z轴行程
mm
182
X轴快速移动速度
m/min
15
Z轴快速移动速度
m/min
10
2.2进给传动系统的精度要求
良好的电气部件设计和机械结构设计，能保证进给伺服系统的精度和稳定性。
本设计着重进行进给伺服系统的机械结构设计、传动设计。
本次设计的进给系统采用滚珠丝杠螺母副传动，Z、X两轴联动，单轴具有较高的定位精度和重复定位精度。
2.3进给传动伺服系统的选择
1、开环伺服系统
开环伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统，开环进给伺服系统的精度较低，速度也受到步进电动机性能的限制。
但由于其结构简单，易于调整，在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用。
2、闭环控制系统
因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以为了保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。
闭环控制系统是采用直线型位置检测装置对数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系统。
3、半闭环控制系统
采用旋转型角度测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器等）和伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统，称作半闭环控制系统。
半闭环控制系统的检测装置有两种安装方式：
一种是把角位移检测装置安装在丝杠末端；另一种是把角位移检测装置安装在电动机轴端。
数控机床要求达到预定的精度要求以外，根据需求，并且考虑到经济的效益，还要求具有良好的稳定性和快速响应能力。
基于这些要求，本设计采用闭环控制方式，包含位置反馈环合速度反馈环闭环控制能够较好地减小误差，有利于提高机床性能。
伺服系统控制原理图如图2.1所示。
图2.1进给伺服系统原理图
2.4进给传动系统的要求及传动类型的选择
2.4.1进给传动系统的要求
数控车床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。
为此，数控车床的进给传动系统必须满足:
1、低惯量；
2、低摩擦阻力；
3、高刚度；
4、高谐震；
5、消除传动间隙。
2.4.2进给传动系统类型的选择
数控车床进给传动系统的基本传动方式常用的有两种：
滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副。
1、滚珠丝杠螺母副
在数控车床上将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠丝杠螺母副。
其特点是：
传动效率高，一般为η=0.92～0.98；传动灵敏，摩擦力小，不易产生爬行；使用寿命长；具有可逆性，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，亦可将直线运动变成旋转运动；轴向运动精度高，施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空行程；是目前中、小型数控机床的常见的传动方式。
2、静压丝杠螺母副
其特点是：
摩擦系数小；仅为0.0005；平稳性高；反向间隙小。
但是，静压丝杠螺母副应有一套供油系统，而且对有的清洁度要求高，如果在运动中供油忽然中断，将造成不良后果。
由以上两种形式进行比较，根据根据设计要求，纵向进给传动系统和横向进给传动系统都应该采用滚珠丝杠螺母副的传动方式。
2.5电机与丝杠联接方式的选择
滚珠丝杠与电动机的联接的型式主要有三种：
1、与联轴器直接联接
这是一种最简单的连接型式。
这种结构型式的优点是：
具有最大的扭转刚度；传动机构本身无间隙；传动精度高；而且结构简单、安装、调整方便；适用于像中小型号的数控车床。
联轴器采用弹性柱销联轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象.采用这种弹性柱销联轴器把电动机与丝杠直接联接，不仅可以简化结构，减少噪声，而且可以消除传动间隙，能减少中间环节带来的传动误差,提高传动刚度。
2、通过齿轮联接
这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下,保持齿轮的无间隙啮合。
但是结构比较复杂，轴向尺寸大、传动刚度低、传动平稳性较差，一般用于精度要求低的车床中。
3、通过同步齿形带联接
同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点,与齿轮传动相比它结构更简单,制造成本更低,安装调整更方便，并且传动不打滑，不需要大的张紧力。
但是在同步齿形传动设计时对材料的要求很高。
在满足车床要求的前提下，通过对比，本设计采用通过电动机与滚珠丝杠直接与联轴器联接，这是一种简单的联接形式，具有大的扭转刚度，制造成本低，传动精度高，而且结构简单，安装调整方便。
2.6支撑形式方案的选择
滚珠丝杠螺母副是一种将旋转运动转化为直线运动的理想传动件，因其具有螺纹丝杠无法比拟的优点，被广泛应用于各行业，更是普通数控车床、精密车床不可或缺的零部件，兼具高效率、高精度、可逆性等特点。
滚珠丝杠的支撑形式有四种：
如图2.2所示：
（a）此种形式适用于中小载荷，低速，短丝杠垂直安装；
（b）此种形式适用于中等转速，高速度，高精度；
（c）此种形式适用于中等载荷，中等转速；
（d）此种形式适用于承载能力大，高速，高刚度，高精度的车床。
（a）一端固定、一端自由（b）两端游动
（c）一端固定、一端游动（d）两端固定
图2.2滚珠丝杠的支撑形式
从刚度计算可以看出，丝杠的支撑方式对丝杠的刚度影响很大。
采用两端固定的支承方式压杆稳定性和临界转速高，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍，丝杠可以预拉伸，预拉伸后可减小丝杠自重下垂和补偿热膨胀以及丝杠高速回转时自由端的晃动。
因此本设计采用两端固定的支撑方式。
采用两端固定的支撑方式适用于对刚度和位移精度要求高的场合，符合本设计的设计要求。
对于伺服电机，由于系统要求精度高，X、Z两轴应该分别采用独立电机驱动，不宜采用步进电机驱动，因此选用交流伺服电机。
此处省略 NNNNNNNNNNNN字。
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全部设计都已通过答辩
结论
本次设计的是数控车床纵向及横切向进给传动系统，完成了系统中的尺寸计算及结构设计，并对其进行一系列的校核，各项性能指标完全满足要求，说明设计的结构是合理的。
然后选择轴承和电机，并设计了床身等。
由于专业知识的限制，无法对复杂的数控系统进行设计，但是，通过选择合适的数控系统，对数控原理有了一定的了解。
数控机床是促进国民经济发展的巨大源动力，它给机械制造业带来了高倍率的效益增长和现代化的生产方式。
随着数控技术的发展，高品质，高可靠性，高性价比的CNC系统具有丰富的功能，为数控技术的发展提供了充足的物质技术条件。
同时，也给数控机床的机械结构提出了更高的要求。
因此，研究一台数控机床对现代加工业具有重要的意义。
致谢
在做毕业设计的这段时间里，针对这个课题，我查阅了大量资料，制定出了改造方案，按照老师的总体进程安排，最后准时的完成本次设计。
在这次设计中碰到了种种困难，比如刚开始有些参考书籍不容易借到、再来是进程安排的探索，怎样的进程安排才能及时的完成设计等等。
在这次的设计中我学到了很多东西，我尤其感觉到细心的重要性，很多事都是由一件件小事组成，这就需要比较细心的去做事才能做好。
由于知识、经验不足，在某些地方可能有些错误，希望各位老师能见谅。
毕业设计是大学的最后一门课程，我深感荣幸能够遇到闫存富导师如此负责认真的来指导我完成这最后一课，为我的大学生活划上一个完满的句号。
毕业设计期间，闫老师以严谨的治学态度对我们的设计进行严格的要求，以其渊博的知识为我们的设计解难释疑，以其平易近人的态度来指导我们。
从闫老师那里我们学会如何设计，更学会了一丝不苟的学习精神，他的那种工作态度使我终身受益。
在此，我对闫老师的指导帮助表示非常的感谢，感谢闫老师带领我接触学习了数控MJ-50数控机床进给系统的设计，在我的脑
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