数控车床进给传动系统设计_.doc
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江南大学毕业设计第38页
毕业设计
数控车床进给传动系统设计
院（系）名称
工学院机械系
专业名称
机械设计制造及其自动化
学生姓名
指导教师
2011年06月10日
1绪论 4
1.1数控机床的概念 4
1.2数控机床的组成分类及特点 4
1.2.1数控机床的组成 4
1.2.2数控机床的分类 4
1.2.3数控机床的特点 5
1.3数控系统的发展简史及国外发展现状 5
1.4我国数控系统的发展现状及趋势 5
1.4.1数控技术状况 5
1.5伺服系统的特点 7
1.6设计的内容、目的和方法 9
2进给系统的总体设计 10
2.1机床的主要性能参数 10
2.2进给系统的精度要求及主要工作参数 10
2.3进给传动控制伺服系统的选择 11
2.4进给系统的传动要求及传动类型的选择 12
2.4.1进给系统的传动要求 12
2.4.2传动类型的选择 12
2.5电机与丝杠联接方式的选择 13
2.6进给传动方案设计 13
2.7进给系统的一些其它要求 14
2.8总体布局 14
3滚珠丝杠螺母副的选择与计算 15
3.1主切削力的计算 15
4横向进给系统 17
4.1已知技术参数 17
4.2滚珠丝杠的计算及选择 17
4.2.1滚珠丝杠导程的确定 17
4.2.2确定丝杠的等效转速 17
4.2.3估计工作台质量及工作台承重 18
4.2.4确定丝杠的等效负载 18
4.2.5确定丝杠所受的最大动载荷 19
4.2.6选择滚珠丝杠型号 20
4.3校核 20
4.3.1临界压缩负荷 20
4.3.2临界转速 21
4.3.3丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 22
4.3.4丝杠扭转刚度 23
4.3.5传动精度计算 24
4.3.6伺服电机计算 25
4.3.7电机的选择 26
5纵向进给系统 27
5.1已知技术参数 27
5.2滚珠丝杠的计算及选择 27
5.2.2确定丝杠的等效转速：
27
5.2.3估计工作台质量及工作台承重：
27
5.2.4确定丝杠的等效负载：
27
5.3校核 29
5.3.1临界压缩负荷 29
5.3.2临界转速 29
5.3.3丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 29
5.3.4丝杠扭转刚度 30
5.3.5传动精度计算 30
5.3.6伺服电机计算 31
5.3.7电机的选择 32
结论 33
致谢 34
参考文献 35
附录1数控车床纵向进给传动机构 36
附录2数控车床横向进给传动机构 37
附录3数控车床装配图 38
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。
它与普通机床相比，其优越性是显而易见的，不仅零件加工精度高，产品质量稳定，且自动化程度极高，可减轻工人的体力劳动强度，大大提高了生产效率，特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工，因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。
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.机械系统：
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数控技术状况
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，0.1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[2]。
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，比如使用电压等级、电线颜色使用、图纸资料的绘制装订、提交等等，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伺服系统的特点
数字控制，是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。
数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。
数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成。
1.信息载体
信息载体又称控制介质，用于记录数控机床上加工一个零件所必需的各种信息，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。
常用的信息载体有穿孔带等，通过相应的输入装置将信息输入到数控系统中。
数控机床也可采用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接输入，或通过窜行口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。
高级的数控系统可能还包含一套自动编程机或者CAD/CAM系统。
2.计算机数控系统
计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的动作。
它由硬件和软件组成。
硬件除计算机外，其外围设备主要包括光电阅读机、CRT、键盘、面板、机床接口等。
软件由管理软件和控制软件组成。
数控装置控制机床的动作可概括为：
机床主运动、机床的进给运动、刀具的选择和刀具的补偿、其它辅助运动等。
3.伺服系统
它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和机床移动部件,它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动。
伺服电动机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。
4.机床
它是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展起来的，但也做了很多改进和提高，它的主要特点是：
由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短；为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小；更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等；不少数控机床还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床工作效率[1]。
数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，将高效率、高精度和高柔性集中于一体。
而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。
伺服系统接受来自CNC装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。
这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。
进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。
它包含机械、电子、电机（早期产品还包含液压）等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。
要使它成为一个既能使各部件互相配合协调工作，又能满足相当高的技术性能指标的控制系统，的确是一个相当复杂的任务。
提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。
由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：
可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。
伺服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。
一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。
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，数控机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、目的和方法
本次设计的内容是机床总体方案设计及总体布局图绘制、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、典型零件绘制、数控系统（硬件连接图）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。
在设计中，先通过参观及查阅等了解有关系统的工作原理，作用及结构特点。
选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得出相关的结构或零件。
在图纸的绘制中，充分利用软件的先进性，完成三张A1图纸。
最后，完成硬件连接设计，绘制典型零件的CAD图纸，撰写说明书。
2进给系统的总体设计
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，该车床主要用于小尺寸的轴类零件和盘类零件的精密加工。
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。
为保证机床运转的稳定性，采用了高精密孔式主轴结构和大功率交流伺服主轴电机，并具备良好的抗振性设计。
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1所示。
表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
30
X轴行程
mm
180
Z轴行程
mm
650
X轴快速移动速度
m/min
8
Z轴快速移动速度
m/min
15
2.2进给系统的精度要求及主要工作参数
进给伺服系统的精度对机床的加工精度有很大的影响，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。
本车床精度较高，能进行微米级加工，能获得高质量的加工表面。
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。
表2给出了进给轴的精度要求。
表2进给轴精度要求
项目
单位
进给轴
参数值
定位精度
mm
Z
0.006
X
0.005
重复定位
mm
Z
0.004
X
0.003
2.3进给传动控制伺服系统的选择
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，执行元件一般为步进电机。
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所示。
图2进给伺服系统原理图
2.4进给系统的传动要求及传动类型的选择
2.4.1进给系统的传动要求
数控机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，数控机床的进给传动系统必须满足:
（1）传动精度高；
（2）摩擦阻力小；（3）运动部件惯量小。
2.4.2传动类型的选择
数控机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
在数控机床上，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；因此，在数控机床上得到了广泛的应用，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。
由以上比较，根据要求，纵向进给传动系统和横向进给传动系统都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
滚珠丝杠螺母副与电动机的联接的型式主要有三种：
1.联轴器直联接
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。
联轴器采用挠性联轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象.采用这种挠性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机床中。
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。
在满足机床要求的前提下，通过对比本课题采用通过联轴器联接电机与丝杠副，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进给传动方案设计
本车床具有较高的精度要求，为了保证精度，在选用精密元器件和精密数控系统的同时，应尽量减小传动链，并需要保证较高的刚度，提高传动系统效率，以减小温升的影响。
用滚珠丝杠螺母副直连电机传动的方案。
并采用“双推—支承”丝杠支承方式。
“双推—支承”方式能够避免丝杠自重引起的弯曲，以及高速回转时自由端的晃动，符合本设计的设计条件。
X、Z两轴分别用独立电机驱动。
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，更是普通数控机床、精密机床不可或缺的零部件。
兼具高效率、高精度、可逆性的特点。
滚珠丝杠螺母副具有驱动力矩小、精度高、可实现微进给、无侧隙、刚度高、告诉等优点。
进给伺服系统的传动方案示意图如图1所示。
滑板
滚珠丝杠螺母副
联轴器
Z轴驱动电机
（a）
刀架
滚珠丝杠螺母副
联轴器
X轴驱动电机
（b）
（a）Z轴传动系统
（b）X轴传动系统
图1进给系统传动框图
对于驱动电机，由于系统要求精度高，不宜采用步进电机驱动，因此选用交流伺服电机。
2.7进给系统的一些其它要求
滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。
如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。
安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。
如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。
接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。
非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。
工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。
另外对滚珠丝杠安装处应进行削边。
2.8总体布局
机床结构可以布置成卧式、立式、倒立式及斜置式等，根据设计任务——加工轴类和直径不太大的盘、套类零件，采用卧式斜床身形式。
主轴水平安装，横向成30°布置。
数控机床的伺服系统是连接数控系统和机床主体的重要部分，在设计中，在伺服方式上选择最广泛应用的半闭环方式。
采用螺旋传动，计算滚珠丝杠副尺寸规格，接着进行丝杠的校核并进行精度等验算，根据计算的扭矩选择伺服电机。
3滚珠丝杠螺母副的选择与计算
3.1主切削力的计算
切削力的大小可以用各种仪器测得，也可以用实验得出的近似公式计算：
（1）
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