数控车床纵向进给系统和横向进给系统的设计.docx
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数控车床纵向进给系统和横向进给系统的设计
1绪论
1.1数控系统的发展简史
1952年第一代数控系统一一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一一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一一集成电路数控系统。
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一一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，第五代数控系统一一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⑴。
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］。
1.2我国数控系统的发展现状及趋势
1.2.1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，0.1Jm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⑴。
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%,至V1997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⑵。
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］。
1.2.2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。
1.3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/CA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。
数控机床伺服系统的一般结构如下图所示：
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]o
CNC—十速滾控制单元n—机味
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T遠度控制单元1—I
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图1.1伺服系统结构图
1.4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、典型零件的数控车削加工程序编制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、程序编制、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A0图纸。
最后，完成硬件连接设计，编制典型零件的车削程序，撰写说明书。
2总体方案设计
2.1方案设计及总体布局
机床结构可以布置成卧式、立式、倒立式及斜置式等，根据设计任务一一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45°布置。
根据纵横向长度定外观总长度，布局图如附录1所示。
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。
2.2主切削力的计算
切削力的大小可用各种测力仪测得，也可用实验得出的近似公式计算：
Pz=CpztXpZSYpZk
（2.1）
k=k料pzkvpzkpzkpzkhpz
（2.2）
Pz=Cpztsk料pzkvpzkpzkpzkhpz（公斤力）
（2.3）
式中Cpz――系数。
决定于工件材料和加工方法，在一定的切削条件
（V、S、t固定）下，Cpz为一常数。
Cpz大表示工件材料的加工性差；Cpz小
表示工件材料的加工性好。
k――总的修正系数。
决定于工件材料、切削用量和刀具几何形状等。
Error!
Nobookmarknamegiven.
k料pzkvPZkPZkPZkhPZ分别为工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具
磨损限度对P的修正系数。
Xpz、Ypz——指数。
一般情况下Xpz>Ypz。
这说明吃刀深度对切削力的影响要比走刀量对切削力的影响大。
下表所列为的系数、指数和修正系数。
这些系数在下列条件下制定：
刀片
材料为硬质合金，工件材料为碳素结构钢，
C=75公斤力毫米2，v=50米分，=45°，「10°，.=0°，后刀面磨损
限度h=0.9:
1.2毫米，切削时不用冷却液，车削外圆。
它们的系数、指数和修正系数之值也各有不同，可从有关手册中查得。
表2.1
系数及指数
工件材料
Cpz
Xpz
Ypz
结构钢
167
1.0
0.75
修正系数
工件
材料
Cb=
40:
50
50:
60
60:
70
70:
80
80:
90
90:
100
k料pz=
0.84
0.90
0.95
1.0
1.04
1.09
切削
速度
v=
50
100
200
300
400
500
kvPZ=
1.0
0.90
0.82
0.77
0.74
0.71
主偏
角
©二
30°
45°
60°
70°
90°
k^Pz=
1.08
1.0
0.94
0.94
0.89
前角
Y二
+20°
+10°
0°
-10°
-20°
k>z=
0.90
1.0
1.1
1.2
1.3
后刀面磨
h=
0.9：
1.2
1.5:
2.0
损限度
khPz=
1.0
1.05
切削功率是切削时在切削区内消耗的功率。
当切削速度为已知时，切削功率可用下式计算：
PzVPzV.
N切削kw
102x606120
（2.4）
在校验机床选用的电动机功率时应使N切削过N电机k
（2.5）
式中N电机——机床电动机名义功率（千瓦）；
――机床效率（一般齿轮机床=0.7：
0.8）；
k过一一电动机超载时容许的系数（一般k过=1.25）[5][7]
如表2.1，取其中各参数的最大值进行估算：
取Cpz=167，Xpz=1.0，Ypz=0.75，
k料pz=1.09，kpz=1.08，kpz=1.3，khPZ=1.05，kvPZ=0.9
取切深t=5mm进给量s=0.3mm/r
则由公式（2.3）:
075
Pz=16750.31.090.91.081.31.05
=489.5公斤力
二4797N
:
4800N
而E：
Fx：
Fy=1:
0.25:
0.4
E：
Fx：
Fy=4800:
1200:
1920
（2.6）
切削功率：
取切削速度为105m/min,由公式（2.4）（2.5）得:
N切削二4893=8.4k，6120
8.4
0.751.25
_8.96k■
取N切削二11k.
3横向进给系统
3.1已知技术参数
横向最大行程（X轴）180mm
工作进给速度为1:
8000mm/min
横向快速进给速度：
8m/min；
刀架估计质量：
150kg；
滑板的估计尺寸（长汉宽汉高）：
400mm200mm80mm
材料选为HT200
3.2滚珠丝杠的计算及选择
3.2.1滚珠丝杠导程的确定
在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为i=1，设电机的最高工作转
速为nmax=1500r/min，则丝杠导程为:
（3.1）
Ph一8!
05.33，取ph=6
1500h
3.2.2确定丝杠的等效转速
n=vr/minR
（3.2）
由公式（3.2）,最大进给速度时丝杠的转速：
“max二Vmax=810=i333.33r/min
Ph6
最小进给速度时丝杠的转速：
nmin=血=1=0.167r/min
Ph6
丝杠等效转速：
（取ti=2t2）
t1t2
（3.3）
t1，t2――转速nmax，"min作用下的时间（s）
3.2.3估计工作台质量及工作台承重
刀架质量：
G1=1509.8=1470N
滑板：
G2=400200807.8510’9.8110‘=520N
总质量：
G=GG2=1470520=2000N
324确定丝杠的等效负载
工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，它的数值
可用进给牵引力的试验公式计算。
选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为
0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.1:
1.5，现取为1.1，贝U丝杠所受的力
为（如图3.1所示）：
Fmax二KFxfC2GFz）-Fy“G
22
J212
=1.112000.03（20004800）19202000
=2013N
（3.4）
Fmin=0N
其等效负载可按下式估算
（取上2=右，门2=2"）:
t1,t2――轴向载荷Fmax，Fmin作用下的时间（S）。
n1,n2――轴向载荷Fmax，Fmin作用下的转速（r/min）。
/31
lIFmax门缶+Fminn2t2,*ccd
Fm1396N
ln苗+n2t2
（3.5）
3.2.5确定丝杠所受的最大动载荷
图3.1受力分析
Ca
hm
106
（3.6）
fw=1.5o）
ft――温度系数；（查表：
）
fh――硬度系数；（查表：
滚道实际硬度》HRC58寸，fh=1。
fa――精度系数；（查表：
当精度等级为3时，fa=1.0。
fk――可靠性系数；（查表：
可靠性为90%寸，fk=1.00））
Fm――等效负荷（N）；
nm等效转速（r/min）；
Tn——工作寿命（h）。
（查表得：
数控机床：
Th=15000。
）
由公式（3.6）60Thnm=6015000888.94=800106
1
ncr-Ca二FmfwGOThJm_16847N
I106丿
3.2.6选择滚珠丝杠型号
由文献［7,8］可知，查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型，
型号：
CDM3206-3丝杠公称直径为©32mm基本导程Ph=6mm，其额定动载荷Ca=16917N，额定静载荷Coa=45968N，圈数列数=1.52，丝杠螺母副的接触刚度为Kc=1130N/#m，丝杠底径27.9mm螺母长度为112mm取丝杠的精度为3级。
在本设计中采用双螺母垫片预紧。
两边轴承分别为©20mm和
©25mm
本设计中丝杠采用两端固定的支承方式。
选用成对丝杠专用轴承组合）
滚珠丝杠支承用专用轴承：
轴承特点：
1.刚性大。
由于采用特殊设计的尼龙成形保持架，增加了钢球数，且接触角为
60°轴向刚性大）
2.不需要预调整。
对每种组合形式，生产厂家已作好了能得到最佳预紧力的间
隙，故用户在装配时不需要再调整，只要按厂家作出的装置序列符号（＞）排
列后，装紧即可）
3.起动力矩小。
与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比，起动力矩小）
为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，推荐采用正面组合形式。
（DF,DFD,DFF等）
3.3校核
滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率，
其扭转刚度影响扭转固有频率。
承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度Ke
由丝杠本身的拉压刚度Ks,丝杠副内滚道的接触刚度Kc，轴承的接触刚度Kb，螺母座的刚度Kh,按不同支承组合方式的计算而定。
扭转刚度按丝杠的参数计算。
3.3.1临界压缩负荷
丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。
所以设计中采用两端固定的支承方式[9]0
临界压缩负荷按下式计算：
（3.7）
式中E――材料的弹性模量E钢=2.1X1011（N/m2）;
Lo――最大受压长度（m）;
K1――安全系数，取Ki=1/3;
Fmax最大轴向工作负荷（N）；
f1――丝杠支承方式系数；（支承方式为双推一一双推时，见下图,
f1=4,f2=4.730）
I――丝杠最小截面惯性矩（m4）:
Id24二（d°-1.2dw）4
6464
（3.8）
式中d0——丝杠公称直径（mm）；
dw滚珠直径（mm。
3144丄2_§4
I二泊（32-1.23.969）10-2.710m
64
丝杠螺纹部分长度Lu=18011240=332mm，取Lu=350mm
支承跨距L^400mm,丝杠全长L=500mm
由公式（3.7）
卩“=43.142.1^1^62.710t」=422554.2NFmax=2013N
4202x103
可见Fcr远大于Fmax，临界压缩负荷满足要求
3.3.2临界转速
（3.9）
式中A——丝杠最小横截面：
A=d231.5107.810m
44
Lc――临界转速计算长度：
二351.5：
0.4m
Lc=1^18040500-350
22
Lc二L1二0.4m，
k2——安全系数，一般取k2=0.8；
二——材料的密度：
r=7.85103kg/m3；
f2——丝杠支承方式系数，查表得f2=4.730，
200315
n“：
99104.7302'243650r/minnmax=1500r/min
0.4
满足要求。
3.3.3丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率
丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式：
两端固定：
1-—-11--1（N/」m）‘
Ke4KbKcKhKs
式中Ke――滚珠丝杠副的拉压系统刚度（N/^m）;
Kh螺母座的刚度（N/卩m）;
Kc――丝杠副内滚道的接触刚度（N/卩m）;
Ks――丝杠本身的拉压刚度（N/卩m）;
Kb――轴承的接触刚度（N/卩m）。
1）丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本。
2）轴承的接触刚度可查轴承型号样本。
3）螺母座的刚度可近似估算为1000。
4）丝杠本身的拉压刚度：
对丝杠支承组合方式为两端固定的方式：
Ks=A^（—货10N@ma（I-a丿
（3.11）
n2
式中A——丝杠最小横截面，Ad2（mm）;
4
E——材料的弹性模量，E=2.11011（N/m2）;
l两支承间距（m）;
a――螺母至轴向固定处的距离（m）。
已知：
轴承的接触刚度KB=1080N/」m，丝杠螺母的接触刚度
Kc=716.7N/Am，丝杠的最小拉压刚度Ksmin=545.2N/4m（见后面计算）螺
母座刚度Kh=1000N/」m。
-1
41080716.710004545.2
=Ke=324N/Jm
丝杠系统轴向拉压振动的固有频率:
式中m丝杠末端的运动部件与工件的质量和（N/卩m）；
Ke——丝杠系统的轴向拉压系统刚度（N/卩m）。
0阻b324x10=
=126Qrad/年=120000/min1500r/min
显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求
3.3.4丝杠扭转刚度
丝杠的扭转刚度按下式计算：
心=7.84dm
L
（3.13）
式中dm
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