车床传动系统.docx
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车床传动系统
第一章引言
当前的世界已进入信息时代，科技进步日新月异。
生产领域和高科技领域中的竞争日益加剧，产品技术进步、更新换代的步伐不断加快。
现在单件小批量生产的零件已占到机械加工总量的80%以上，而且要求零件的质量更高、精度更高，形状也日趋复杂化，这是摆在机床工业面前的一个突出问题。
为了解决复杂、精密、单件小批量以及形状多变的零件加工问题，一种新型的机床——数字控制（Numericalcontrol）机床的产生也就是必然的了。
此次设计是数控机床主传动系统的设计，其中包括机床的主运动设计，纵向进给运动设计，还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。
第二章总体方案论证与拟定
2.1总体方案的论证
数控车床是基于数字控制的，它与普通车床不同，因此数控车床机械结构上应具有以下特点：
1．由于大多数数控车床采用了高性能的主轴，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化。
2．为了适应数控车床连续地自动化加工，数控车床机械结构，具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。
3．更多地采用高效传动部件，如滚动丝杆副等。
CNC装置是数控车床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。
2.2总体方案的拟定
1．根据设计所给出的条件，主运动部分z=18级，即传动方案的选择采用有级变速最高转速是2000r/min，最低转速是40r/min，
。
2．纵向进给是一套独立的传动链，它们由步进电机，齿轮副，丝杆螺母副组成，它的传动比应满足机床所要求的。
3．为了保证进给传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。
齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。
4．采用滚珠丝杆螺母副可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。
2.3主传动系统总体方案图及传动原理
1.数控车床主传动系统图
数控车床的主传动系统见图2.1。
整个主传动系统主要由主运动传动链和纵向进给传动链组成。
图2.1总的传动系统图
2.传动原理
主轴部件是机床实现旋转运动的执行件，结构如图2.2所示，其工作原理如下：
交流主轴电动机通过带轮15把运动传给主轴7。
主轴有前后2个支承。
前支承由一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承11和一对角接触球轴承10组成，轴承11用来承受径向载荷，两个角接触球轴承一个大口向外（朝向主轴前端），另一个大口向里（朝向主轴后端），用来承受双向的轴向载荷和径向载荷。
前支承轴的间隙用螺母8来支撑。
螺钉12用来防止螺母8回松。
主轴的后支承为圆锥孔双列圆柱滚子轴承14，轴承间隙由螺母1和6来调整。
螺钉17和13是防止螺母1和6回松的。
主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。
前后支承所用圆锥孔双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极限转速高。
前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。
主轴所采用的支承结构适宜低速大载荷的需要。
主轴的运动经过同步带轮16和3以及同步带2带动脉冲编码器4，使其与主轴同速运转。
脉冲编码器用螺钉5固定在主轴箱体9上。
图2.2主轴部件
第三章设计计算说明
3.1主运动设计
3.1.1参数的确定
一.了解车床的基本情况和特点---车床的规格系列和类型
1.通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。
因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。
本次设计中的车床是普通型车床，其品种，用途，性能和结构都是普通型车床所共有的，在此就不作出详细的解释和说明了。
2.车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（GB1582-79，JB/Z143-79）：
最大的工件回转直径D（mm）是400；刀架上最大工件回转直径D1大于或等于200；主轴通孔直径d要大于或等于36；主轴头号（JB2521-79）是6；最大工件长度L是750～2000；主轴转速范围是：
32～1600；级数范围是：
18；纵向进给量mm/r0.03～2.5；主电机功率（kw）是5.5～10。
二.参数确定的步骤和方法
………………3.101
………………3.102
…………3.103
根据表选用
…………………………3.104
由此可得在主轴上的刚度是完全合格的。
三.齿轮模数的估算和计算
按接触疲劳和弯曲强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮个参数都已知道后方可确定，所以只在草图画完之后校核用。
在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。
3.2纵向进给运动设计
3.2.1滚珠丝杆副的选择
一.脉冲当量和传动比的确定
机械系统的主要技术参数通常由设计任务书或由产品样本给出，一般包含功能参数和精度参数两部分。
主要精度参数有：
定位精度（mm）、重复定位精度（mm）等。
1.脉冲当量的选定
传感器与电机轴相连，用来检测电机转角和转速，并把它们转换为电信号反馈给数控装置。
常用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。
伺服电机每转1转传感器发出一定数量的脉冲，每个脉冲代表电机一定的转角。
本次设计中纵向脉冲当量δp=0.01mm/脉冲，这是设计本身所给出的条件。
2.传动比的选定
对步进电机，当脉冲当量δp（mm/脉冲）确定，并且滚珠丝杆导程L0（mm）和电机步距角θb（℃/脉冲）都也已初步选定后，则可用下式来计算，该轴伺服传动系统的传动比：
………………………3.138
尽可能使i=1，这时可使步进电机直接与丝杆联结，有利于简化结构，提高精度，所以i=1.25，取θb=0.75。
二.传动系统等效转动惯量计算
传动系统的转动惯量是一种惯性负载，在电机选用时必须加以考虑。
由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴的同轴线，还成在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题。
最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。
这些比如：
转动惯量计算的基本公式、齿轮转动惯量折算、滚珠丝杆转动惯量Js折算、工作台质量折算和传动系统等效转动惯量计算可见相关的参考书，在这里就不作详细的说明与计算了。
三.滚珠丝杆螺母的选型和校核
1.滚珠丝杆螺母副类型选择
1）主要种类
滚珠丝杆螺母副由专门工厂制造，当类别、型号选定和校核后，可以外购。
滚珠丝杆副的类别主要从三个方面考虑：
循环方式、循环列数与圈数、预紧方式。
钢珠在丝杆与螺母之间的滚动是一个循环闭路。
根据回珠方式可分两类：
内循环和外循环。
本次设计中根据应用的需要选：
外循环。
钢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。
外循环滚珠丝杆副的每个螺母有1列2.5圈，1列3.5圈，2列1.5圈，2列2.5圈等，种类很多。
本次设计中采用的是外循环2列3.5圈。
为了消除间隙和提高滚珠丝杆副的刚度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，称为预紧。
常用的滚珠丝杆副预紧方法有：
双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧等。
预紧后的刚度可提高到为无预紧时的2倍。
但是，预加载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大。
通常，滚珠丝杆在出厂时，就已经由制造厂调好预加载荷，并且预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷有一定的比例关系。
本次设计中的采用的是垫片式预紧，调整方法—调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。
这种方法结构简单，装卸方便，刚度高；但调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧，适用于高刚度重载传动。
2）参数及代号
A.滚珠丝杆副的主要参数
a.公称直径dm，公称直径即滚珠丝杆的名义直径，dm越大，承载能力和刚度越大。
数控机床常用进给丝杆的公称直径dm为Φ30mm至Φ80mm。
本次设计中选用的公称直径为Φ40mm。
b.基本导程（螺距）L0。
丝杆相对于螺母旋转2Лrad时，螺母的轴向位移。
基本导程也称为螺距。
它按承载能力选取，并与进给系统的脉冲当量的要求有关。
本次设计中的导程L0=6mm。
c.精度等级。
滚珠丝杆副按其使用范围及要求分为7个精度等级，即1，2，3，4，5，7，及10七个精度等级，1级精度最高，其余依次逐级降低，一般选取4级～7级，数控车床及精密机械可选用2级～3级。
滚珠丝杆副的精度直接影响定位精度、承载能力和接触刚度，因此它是滚珠丝杆副的重要质量指标，选用时要予以注意。
本次所设计的机床是数控机床，所以选用的精度等级还是很高的，是3级。
B.滚珠丝杆副代号的标注
本次设计中所选用的滚珠丝杆副的特征代号见下表：
序号
特征
代号
1
钢球
循环
方式
外循环
插管式
C
2
预紧
方式
双螺母
垫片式
D
3
结构
特征
导珠杆埋入式
M
4
螺纹
方向
右旋
5
负荷
钢球
圈数
3.5
3.5
6
类型
传动滚珠丝杆副（与旋转角度无关，用于传递动力的滚珠丝杆副）
T
7
精度
等级
3
3
2.滚珠丝杆螺母副的型号选择及校核步骤
1）最大工作载荷计算
2）最大动负载C的计算及主要尺寸初选
3）传动效率计算
滚珠丝杆螺母副的传动效率η为
…………………………3.139
式中：
λ为丝杆螺旋升角，可据初选型号查出；ψ为摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f=0.003～0.004，其摩擦角约等于10ˊ。
滚珠丝杆副的传动效率较高，一般在0.8～0.9之间。
4）刚度验算
5）压杆稳定性验算
以上所有没有作出详细验算和校核过程的，在初稿上已经经校核都是符合所选的滚珠丝杆副的要求。
6）滚珠丝杆螺母副安装连接尺寸
滚珠丝杆副型号
名义直径
螺
距
滚珠直径
滚道半径
偏心距
丝杆外径
螺母凸缘外径
螺钉中心圆直径
螺母凸缘厚度
垫片厚度
有衬套
无衬套
有衬套
无衬套
/in
/mm
D0
t
d0
R
e
d
D3
D3，
D4
D4，
T
Δ
WD4006
40
6
3.969
2.064
0.056
39
102
92
86
76
12
5
螺旋升角
螺钉尺寸
螺钉个数
螺母配合外径
衬套配合外径
螺母装配总长度
L
额定动载荷
C/N
额定动载荷
C0/N
滚珠丝杆副型号
λ
M
a
D
D，
3.5圈每1列
3.5圈每1列
3.5圈每1列
WD4006
2。
44，
8×28
2×4
60
70
99
21600
91400
3.2.2驱动电机的选用
一.步进电机简介：
步进电机是一种把电脉冲信号变换成直线位移或角位移的执行元件，广泛用于数控设备中。
步进电机有如下优点：
1.步进电机的转速仅取决于脉冲频率，而不受电压高低，电流大小及其波形的影响。
2.可以开环控制也可以闭环控制。
3.输出转角（步距角）无长期积累误差，每转一圈积累误差会自动消失。
4.启动、停止、反转及其其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成，并且具有定位转距。
二.步进电机的选用（具体的选用步骤如下）：
1.根据脉冲当量和最大静转距初选电机型号
1）步距角
初选电机型号时应合理选择θb及ｉ，并满足：
…………………………3.140
根据表中所提供的BF反应式步进电动机技术参数表，可以选取本次设计中所需要的型号：
选取θb=0.75/1.5较为合理，
相应参数见下表。
130BF反应式步进电动机技术参数
电
机
型
号
相
数
步
距
角
/（°）
电
机
/V
相电
流
/A
最大静转距
/N·m（㎏f·cm）
最高空载
启动频率
/Hz
运行频率
/Hz
130BF001
5
0.75/1.5
80/12
10
9.31（95）
3000
16000
转子转动惯量
10-5㎏·㎡
（gf·cm·s2）
线圈电阻
/Ω+-5％
分配方式
质量/㎏
外形尺寸
外径
φ
长度
轴径
46.06（4.7）
0.163
五相十拍
130
170
14
具体的作图见纵向进给系统的全图。
2）距频特性
根据已选定步进电机，来确定，具体的数值可见上表。
2.启动距频特性校核
步进电机有三种工况：
启动、快速进给运行、工进运行。
具体的校核结果见下图：
1）突然启动
图3.5
2）升速启动
最后电机运行频率达到最高运行频率。
最高运行频率fmax可按下式计算：
……………………………3.141
式中：
umax为运动部件最大快进速度（m/min）。
3.运行距频特性校核
要对快速进给运行和工作进给运行两种工况分别校核，确保快进和工进时均不丢步。
具体的校核结果见下图：
1）快速进给的行距频特性校核
图3.6
2）工进运行距频特性校核
工进时步进的运行频率为fGJ
……………………………………3.142
式中：
uG为最大工作进给速度（m/min）
工进时步进电机运行所需力矩MGJ可按下式计算：
MGJ=M0+Mf+Mt（N·cm）……………………………3.143
三.步进电机的安装尺寸
步进电机的安装比较简单，不带机座，用定位止扣进行安装定位，以保证步进电机安装的同轴度。
小尺寸电机的安装面上有螺孔供安装，大尺寸电机的安装面上有通孔供安装。
本次设计中用的就是小尺寸，故安装时用的是有螺孔供安装的。
具体的安装图见纵向进给全图。
步进电机安装尺寸/㎜
步进电机型号
轴径d1
止扣直径d2
d2
螺孔，通孔
L1
L2
外径D
130BF001
14
100
155
4—φ12
32
5
130
长度L
B×B
170
134×134
结论
近年来，数控机床以其加工精度高、生产率高、柔性高、自动化程度高、适应中小批量生产而日益受到重视。
80年代是数控机床开始大发展的年代，数控机床和加工中心已成为当今机床发展的趋势。
我设计的是数控车床主传动系统，其中包括：
数控车床的主运动传动链，纵向进给运动传动链，还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。
与通用车床相比：
数控车床的进给传动链采用间隙消除措施，并可对反向间隙和丝杠螺距误差进行自动补偿，所以可获得较高的加工精度；同时，数控车床的功率和机床刚度比通用车床高，允许进行大切削用量的强力切削；主轴和进给都采用无极变速，可达到最佳切削用量，有效降低了切削加工时间。
但我的设计中仍存在许多不足：
在数控车床的高速发展中，主轴的转速高达60000r/min。
传统的进给机构传动装置包括的旋转运动电动机和将旋转运动变为直线运动的机械传动装置（滚珠丝杠螺母副等）已不符合高工艺性概念的要求。
因而出现了适应高速进给的直线电动机传动装置，它将直线位移机构的传动元件和执行元件相结合，具有很高的动、静刚度，其显著技术特性是：
最大位移不限，最大速度达150-210m/min,加速度可达50m/s2。
目前，数控车床的价格还较昂贵，在中国目前的条件下，主要适用于加工精度要求较高、形状较复杂、要求频繁改型的小批量生产的工件。
但随着机床成本的不断降低和数控技术的日益普及，数控车床的使用范围会越来越大，将在机械加工中被普遍采用。
小结
这次毕业设计使我对以前所学的理论知识起到了很好的回顾作用，以前在校学习时不够清楚如何应用所学知识，现在都有了较深的认识。
虽然我们每学期都会有一些相关科目的课程设计，但那些设计是由大家共同设计完成的。
这次的设计截然不同，需要你独立完成，幸运的是大家都有老师指导，但具体还得自己亲自去做。
由于基础薄弱，设计起来很困难，刚拿到课题时找资料是第一大难关，那时脑子里一片紊乱，无从下手，记得当时在图书馆呆了几个下午，挑了好多的书，但总是无法把那些片段串联成一个方案，后来通过曾老师和同学的帮忙，渐渐有了头绪，确定了方案，正式着手设计。
设计时只有拿着书本慢慢学，参考书本编程，经过漫长的摸索和学习，把原本不清楚的东西都学会了，在这期间走过弯路，迷茫过，不知所措，经过俞老师细心的讲解加上自己的努力，最终完成了这次设计。
通过这次毕业设计，使我对以前的知识得到了巩固和复习，同样也提高了我的计算机应用能力及AUTOCAD制图水平，更增加了我进一步的求知欲望。
总之经过这次毕业设计，使我受益匪浅。
进一步的总结和提高需要有更多的社会实践来提供，我相信在日后的工作中，类似这样的设计绝不在少数，只要我们努力学习，勇于实践，勤学好问，我们就会懂得以前不明白或不十分明白的道理，就会很快地成长和成熟起来，我也相信，凭着我们自强不息，勇于拼搏的精神，定能很快适应类似设计的需要，适应这个多变的社会，充分发挥长处，朝我的方向不断前进，前进，再前进！
致谢
数控车床毕业设计是机电一体化专业的我，必须经历的一个重要环节，也是对我三年大学生活的一个总结，在本次设计中，从选题到设计过程直到最后完成设计，都是在俞教授的悉心指导下完成的。
俞教授在繁忙的教学中，每天都挤出时间来询问设计进程，并为我讲解许多设计的专业知识，热忱鼓励，并提供了大量的设计资料。
在遇到困难的时候，带我们去参观实习基地的实习车床。
俞教授对教学一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神令我敬佩不已。
不仅教我们知识，而且教我们做人。
虽历时几个月，却使我终生受益，俞教授的教导让我为三年的大学生活画上了一个圆满的句号。
对俞教授的感激之情是无法用几句简单的言语来表达的。
同时，感激我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间的纯真友谊，维持着寝室那份家的融洽。
还有学习上面给予的种种帮助。
在设计即将完成之际，我的心情无法平静。
从开始选择课题到设计的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。
大学生活三年，我非常感谢我的母校，她给我提供了良好的学习和生活环境，让我渡过了绚丽的三年。
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