数控机床进给系统标准设计.doc

第一章、数控机床进给系统概述
数控机床伺服系统通常结构图图1-1所表示：

图1-1数控机床进给系统伺服
因为多种数控机床所完成加工任务不一样，它们对进给伺服系统要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；含有足够传动刚度和高速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。
1.1、伺服系统对伺服电机要求
（1）从最低速到最高速电机全部能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，仍有平稳速度而无爬行现象。
（2）电机应含有大较长时间过载能力，以满足低速大转矩要求。通常直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。
（3）为了满足快速响应要求，电机应有较小转动惯量和大堵转转矩，并含有尽可能小时间常数和开启电压。电机应含有耐受4000rad/s2以上角加速度能力，才能确保电机可在0.2s以内从静止开启到额定转速。
（4）电机应能随频繁开启、制动和反转。
伴随微电子技术、计算机技术和伺服控制技术发展，数控机床伺服系统已开始采取高速、高精度全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方法、混合方法走向全数字方法。由位置、速度和电流组成三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采取了很多新控制技术和改善伺服性能方法，使控制精度和品质大大提升。
数控车床进给传动系统通常均采取进给伺服系统。这也是数控车床区分于一般车床一个特殊部分。
1.2、伺服系统分类
    数控车床伺服系统通常由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、实施件和检测反馈步骤等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和实施元件组成机械传动系统。检测元件和反馈电路组成检测系统。
    进给伺服系统按其控制方法不一样可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方法通常是含有位置反馈伺服系统。依据位置检测装置所在位置不一样，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统含有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包含在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包含在位置环之内。
    开环系统定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。因为影响定位精度机械传动装置磨损、惯性及间隙存在，故开环系统精度和快速性较差。
    全闭环系统控制精度高、快速性能好，但因为机械传动部件在控制环内，所以系统动态性能不仅取决于驱动装置结构和参数，而且还和机械传动部件刚度、阻尼特征、惯性、间隙和磨损等原因有很大关系，故必需对机电部件结构参数进行综合考虑才能满足系统要求。所以全闭环系统对机床要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采取位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同时器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。
    数控车床进给伺服系统中常见驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机因为含有可靠性高、基础上不需要维护和造价低等特点而被广泛采取。
直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，常常因碳刷产生火花而影响生产，并对其它设备产生电磁干扰。同时机械换向器换向能力，限制了电动机容量和速度。电动机电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢漏感，转子变得短粗，影响了系统动态性能。
交流伺服已占据了机床进给伺服主导地位，并伴随新技术发展而不停完善，具体表现在三个方面。一是系统功率驱动装置中电力电子器件不停向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及和应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术成熟，将促进优异控制算法应用；三是网络化制造模式推广及现场总线技术成熟，将使基于网络伺服控制成为可能。
1.3、关键设计任务参数
车床控制精度：0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度：Vmax=5m/min。 最大加工直径为Dmax=400mm，工作台及刀架重：110㎏；最大轴 ，向力=160㎏；导轨静摩擦系数=0.2；行程=1280mm；步进电机：110BF003；步距角：0.75°；电机转动惯量：J=1.8×10-2 ㎏.m2。

第二章、数控车床纵向进给系统传动方案设计
数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特征、调速范围等有较高要求。实现进给驱动电机关键有三种：步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。现在，步进电机只适应用于经济型数控机床，直流伺服电机在中国正广泛使用，交流伺服电机作为比较理想驱动元件已成为发展趋势。数控机床进给系统当采取不一样驱动元件时，其进给机构可能会有所不一样。电机和丝杠间联接关键有三种形式，图2-1所表示。
2.1、带有齿轮传动进给运动
数控机床在机械进给装置中通常采取齿轮传动副来达成一定降速比要求，图2-1a）所表示。因为齿轮在制造中不可能达成理想齿面要求，总存在着一定齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统稳定性。所以，齿轮传动副常采取消除方法来尽可能减小齿轮侧隙。但这种联接形式机械结构比较复杂。

图2—1 电机和丝杠间联接形式
2.2、经同时带轮传动进给运动
图2-1b）所表示，这种联接形式机械结构比较简单。同时带传动综合了带传动和链传动优点，能够避免齿轮传动时引发振动和噪声，但只能适于低扭矩特征要求场所。安装时中心距要求严格，且同时带和带轮制造工艺复杂。
2.3、电机经过联轴器直接和丝杠联接
图2-1c）所表示，此结构通常是电机轴和丝杠之间采取锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统含有较高传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。在加工中心和精度较高数控机床进给运动中，普遍采取这种联接形式。
依据进给系统要求及设计要求，选择带有齿轮传动进给运动，选择最好降速比，能够提升机床分辨率，并使系统折算到驱动轴上惯量降低；尽可能消除传动间隙，降低反向死区误差，提升位移精度等。

第三章、运动设计
3.1、降速比计算
功率步进电动机型号为110BF003，其关键技术参数为最大静转矩为7.84,步距角0.75°,电机转动惯量：J=1.8×10-2 ㎏.m2；快速空载开启时电动机转速。进给传动链脉冲当量.选滚珠丝杠螺距为12mm.由
（3—1）
式中 ——步进电动机步距角
——脉冲当量，mm
S ——丝杠螺距, mm
3.2、减速齿轮确实定
选择一级减速器，选齿轮，，模数，齿宽。
选择斜齿轮调隙，齿轮参数如表3—1。
3—1齿轮参数表
法向模数

2
齿数

20
齿形角

齿顶高系数

螺旋角

15o
径向变位系数

0
精度等级

配对齿轮
图号

齿数
50
公差组
检验项目代号
极限偏差值
1

0.090
2

0.016
3

0.013
4

0.016
第四章、丝杠螺母机构选择和计算
已知条件：工作台及刀架重：110㎏,所以重量为

最大行程：1280mm，失动量：，工作台最高速度： 查表选择丝杆预期寿命： 小时 ， 摩擦系数。
则导轨静摩擦力FO。
（4—1）
最大轴向负载

4.1、动载强度计算
当转速时，滚珠丝杠；螺母关键破坏形式是工作表面疲惫点蚀，所以要进行动载强度计算，其计算动载荷应小于或等于滚珠丝杆螺母副额定动负荷，即
（4—2)
式中 ——动载荷系数，见表3 —1;
——硬度影响系数，见表3-2;
——当量动负荷，N;
——滚珠丝杠；螺母副额定动负荷，N；
——寿命，以r为一个单位。
(4—3)
式中 T——使用寿命，h；按设计机床要求取T=15000h
N——循环次数：
——滚珠丝杠当量转速，r/min。
(4—4）
代入上式得
（4—5）

表4-1 动载荷系数
载荷性质

载荷性质

平稳轻微冲击

较大冲击和振动

中等冲击

表4-2 硬度影响系数、
硬度

55
52.5
50
47.5
45
40

1.0
1.11
1.35
1.56
1.92
2.40
3.85

1.0
1.11
1.40
1.67
2.10
2.64
4.50

当工作载荷单调连续或周期行单调连续改变时，则
（4—6）
式中 ——最大和最小工作载荷，N。
查表4—1 4—2取=1.5 =1.56代入上式得
（4—7）
4.2、静强度计算
当转速时，滚珠丝杠螺母关键破坏形式为滚珠接触面上产生较大塑性变形，影响正常工作。所以，应进行静强度计算，最大计算静载荷为
（1—10）
式中 ——硬度硬度影响系数，见表5—2；取=1.67.
——滚珠丝杠螺母副额定静负荷，N。代入得
（4—8）
依据计算额定动负载荷和额定静负荷初选滚珠丝杠副型号为。
其基础参数为公称直径，导程，滚珠直径。额定动负荷，额定静负荷。动载荷和静载荷载均满足要求。
4.3、临界转速校核
对于高速长丝杠有可能发生共振，需要算其临界转速，不会发生共振最高转速为临界 转速
（4—9）
（4—10）
式中 ——临界转速计算长度，m；
——丝杠支撑方法系数。两端固定时，
代入数据得

远远小于其最大速度，故临界转速满足。
4.4、额定寿命校核
滚珠丝杠额定动载荷，已知其轴向载荷，滚珠丝杠转速，运转条件系数，则有
（4—11）
（4—12）
滚珠丝杠螺母副总工作寿命，故满足要求。

第五章、动力计算
5.1、传动件转动惯量计算
5.11、小齿轮转动惯量
（5—1）
式中 ——齿轮分度圆直径，mm，
； （5—2）
——齿轮宽度，mm。
5.12、大齿轮转动惯量
（5—3）
式中 ——齿轮分度圆直径，mm
（5—4）
5.13、计算工作台转动惯量JW
（5—5)
式中 W——工作台（包含工件）质量， kg；
S——丝杠螺距，mm。
5.14、计算丝杠转动惯量Js
(5—6）
式中L——支撑距，mm。
5.15、负载折算到电动机轴上转动惯量为：
（5—7）
5.2、电动机力矩计算
5.2.1、计算加速力矩Ma
（5—8）
5.2.2、计算摩擦力矩Mf

（5—9）

式中 ——传动链总效率，取=0.8。
5.2.3、计算附加摩擦力矩
（5—10）
式中 ——传动链总效率，取=0.8；
——滚珠丝杠未预紧时效率，取=0.9。
5.2.4、空载开启时电动机所需力矩：
（5—11）
所以，选择7.84步进电机满足要求。

第六章、丝杠螺母机构传动刚度计算
滚珠丝杠一段轴向支撑，丝杠最小拉压刚度和最大拉压刚度分别为：
（6—1)
(6—2）
式中 E——弹性模量。
按近似估算，将丝杠本身拉压刚度乘以1/3，作为传动综合拉压刚度，即：
（6—3）
（6—4）
反向死区误差计算
（6—5）
所以能满足单脉冲进给要求。
计算因为传动刚度改变定位误差，应使
（6—6）
满足因为传动刚度改变引发定位误差小于机床定位精度要求。

第七章、结构设计
7.1、滚珠丝杠支承
滚珠丝杠关键载荷是轴向载荷，径向载荷关键是卧式丝杠自重。所以对丝杠轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承配置情况有：一端轴向固定一端自由支承配置方法，通常见于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动方法，常见于较长卧式安装丝杠；和两端固定安装方法，常见于长丝杠或高转速、高刚度、高精度丝杠，这种配置方法可对丝杆进行预拉伸。所以在此课题中采取两端固定方法，以实现高刚度、高精度和对丝杠进行拉伸。
丝杠中常见滚动轴承有以下两种：滚针—推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60°角接触轴承，在这两种轴承中，60°角接触轴承摩擦力矩小于后者，而且能够依据需要进行组合，但刚度较后者低，现在在通常中小型数控机床中被广泛应用。滚针—圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度地方。
60°角接触轴承组合配置形式有面对面组合、背靠背组合、同向组合、一对同向和左边一个面对面组合。因为螺母和丝杠同轴度在制造安装过程中难免有误差，又因为面对面组合方法，两接触线和轴线交点间距离比背对背时小，实现自动调整较易。所以在进给传动中面对面组适用得较多。在此设计中采取了以面对面配对组合60°角接触轴承，以轻易实现自动调整。滚珠丝杠工作时要发烧，其温度高于床身。为了赔偿因丝杠热膨胀而引发定位精度误差，可采取丝杠预拉伸结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。
7.2、滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧
滚珠丝杠螺母机构是回转运动和直线运动相互转换传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛传动装置。
滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形，接触刚度和接触表面预紧力成正比。假如滚珠丝杠螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠传动精度。所以，滚珠丝杠螺母副必需消除间隙，并施加预紧力，以确保丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提升滚珠丝杠螺母副接触刚度。
滚珠丝杠螺母副通常采取双螺母结构，图7—1所表示

1.滚珠螺母；2.紧定螺钉；3.支座；4.滚珠丝杠；5.调整垫片
图7—1双螺母滚珠丝杠
图中1代表滚珠螺母，3代表支座，螺母和支座之间有调整垫片，经过调整垫片来调整滚珠螺母和滚珠丝杠螺纹之间间隙。
经过调整两个螺母之间轴向位置，使两个螺母滚珠在承受载荷之前，分别和丝杠两个不一样侧面接触，产生一定预紧力，以达成提升轴向刚度目标。调整预紧有多个方法，上图所表示为垫片调整式，经过改变垫片厚薄来改变两个螺母之间轴向距离，实现轴向间隙消除和预紧。这种方法优点是结构简单、刚度高、可靠性好。
7.3、关键结构性能及特点分析
在本设计进给系统中关键结构零件是滚珠螺母丝杠，以下简明介绍其传动形式及关键关键特点。
滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠深入延伸发展。滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体螺旋传动元件。滚珠丝杠副有多个结构型式。按滚珠循环方法分为外循环和内循环两大类。外循环回珠器用插管式较多，内循环回珠器用腰形槽嵌块式较多。按螺纹轨道截面形状分为单圆弧和双圆弧两种截形。因为双圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形，所以现在普遍采取双圆弧截形丝杠。按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧。数控机床上常见双螺母垫片式预紧，其预紧力通常为轴向载荷1/3。
滚珠丝杠副和滑动丝杠螺母副比较有很多优点：传动效率高、灵敏度高、传动平稳：磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提升轴向刚度等。
第八章、总结和体会
经过为期两周奋战我《数控机床系统设计》课程设计最终完成了。即使比较辛劳不过获益也良多。课程设计不仅是对前面所学知识一个检验，而且也是对自己能力一个提升。经过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习东西还太多，以前老是认为自己什么东西全部会，什么东西全部懂，有点眼高手低。经过这次课程设计，我才明白学习是一个长久积累过程，在以后工作、生活中全部应该不停学习，努力提升自己知识和综合素质。
在这次课程设计中也使我们同学关系更深入了，同学之间相互帮助，有什么不懂大家在一起商议，听听不一样见解对我们愈加好了解知识，所以在这里很感谢帮助我同学。
总而言之，不管学会还是学不会确实认为困难比较多，真是万事开头难，不知道怎样入手,最终最终做完了有种如释重负感觉。另外，还得出一个结论：知识必需经过应用才能实现其价值！有些东西认为学会了，但真正到用时候才发觉是两回事，所以我认为只有到真正会用时候才是真学会了。
在整个设计中我知道了很多东西，也培养了我独立工作能力，树立了对自己工作能力信心，相信会对以后学习工作生活有很关键影响，而且大大提升了动手能力，使我充足体会到了在发明过程中探索艰苦和成功时喜悦。即使这个设计做也不太好，不过在设计过程中所学到东西是这次课程设计最大收获和财富，使我终生受益。

参考文件资料

[1] 文怀兴 夏田编著 数控机床系统设计 化学工业出版社 北京
[2] 文怀兴 夏田编著 数控机床设计实践指南
化学工业出版社 北京
[3] 濮良贵 纪名刚主编 机械设计 高等教育出版社 北京
[4] 吴克坚 郑文伟主编 机械原理 高等教育出版社 北京
[5] 卢秉恒主编 机械制造技术基础 机械工业出版社 北京
[6] 曹金榜主编 机床主轴/变速箱设计指导
机械工业出版社 北京
[7] 周开勤主编 机械零件手册 高等教育出版社 北京
[8] 上海纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学主编 机床设计图册 上海科学技术出版社 上海