数控车床横向进给系统设计.doc

数控机床课程设计说明书
1、数控机床进给系统概述
1.1 伺服进给系统概述
数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构和执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机，功率步进电机，电业脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速移动。数控机床的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质的差别，他能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定运动规律所合成的运动轨迹。
1.2 伺服进给系统分类
数控私服进给系统按有无位置检测和反馈进行分类，有以下三种：
(1)开环伺服系统
(2)半闭环伺服系统
(3)闭环伺服系统
1.3 伺服进给系统的基本要求
(1)精度要求
(2)响应速度
(3)调速范围
(4)低速、大转矩

2、运动设计
2.1 传动方案拟定
数控机床按控制方式分为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于数控车床加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制的查，但是稳定性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性不大。故在本次设计中，采用开环控制步进电机驱动。
确定设计任务后，初步拟定三种传动方案 即 1 电机直接与丝杠相连；2 电机通过同步带的传动带动丝杠转动；3电机通过齿轮传动带动丝杠转动。
步进电机具有如下优点 :
(1)电动机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量；
(2)电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，与要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速；
(3)停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某个固定位置上，不需要机械制动装置；
(4)变通电相序即可以改变电动机的转向；
(5)进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差；
(6)进电动机转动惯量小，启动、停止迅速。滚珠丝杠副具有摩擦数小传动效率高，所需的传动转矩小；灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行；随着精度和定位精度高，磨损小，寿命长，精度保持性好，可通过预紧间隙消除措施提高轴承刚度和反向精度，运动具有可性。。
2.2 降速比计算
2.3 丝杠螺母机构的选择与计算
2.3.1 确定滚珠丝杠副的导程
2.3.2 强度计算
3、动力计算
3.1 传动件转动惯量的计算
3.1.1 齿轮转动惯量的计算
1、传动比的计算
2、 初步分配传动比
3、 初步估计齿轮
4、 转动惯量的计算
3.1.2 工作台的转动惯量
3.1.3 丝杠的转动惯量
3.1.4 负载折算到电动机轴上的转动惯量
3.2 电动机力矩计算
3.2.1 计算加速力矩
3.2.2 计算摩擦力矩

3.2.3 计算附加摩擦力矩

3.3 丝杠螺母机构的传动刚度计算
4、机构设计
4.1滚珠丝杠的支承
滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此设计中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。
丝杠中常用的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°角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般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的地方。
4.2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与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。
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，接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果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，影响丝杠的传动精度。因此，滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高滚珠丝杠螺母副的接触刚度。
滚珠丝杠螺母副采用偏心轴套式调整法达到消除齿轮间隙的目的,如图5- 1所示： 图5-1偏心轴套调整法

1.齿轮；2.偏心轴套；3.齿轮。
图中1代表齿轮，2代表偏心轴套，电动机通过偏心轴套2安装在齿轮箱上，偏心轴套可以在一定程度上消除因齿厚误差和中心距误差引起的齿侧间隙。
通过调整两个螺母之间的轴向位置，使两个螺母的滚珠在承受载荷之前，分别与丝杠的两个不同的侧面接触，产生一定的预紧力，以达到提高轴向刚度的目的。调整预紧有多种方式，上图所示的为垫片调整式，通过改变垫片的厚薄来改变两个螺母之间的轴向距离，实现轴向间隙消除和预紧。这种方式的优点是结构简单、刚度高、可靠性好。
5、主要结构性能及特点分析
5.1 滚珠丝杠螺母机构工作原理及特点
如图5-2所示，在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生轴向相对位移。为防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。
图5-2 滚珠丝杠螺母机构

滚珠丝杠螺母机构具有下列特点：
（1）摩擦损失小、传动效率高；
（2）运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行；
（3）轴向刚度高、反向定位精度高；
（4）摩损小、寿命长、维护简单；
（5）传动具有可逆性、不能自锁；
（6）同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性；
（7）有专业厂生产，选用配套方便。
5.2 滚珠丝杠安装方式特点
采用两端固定的安装方式，这种支承刚度最高，只要轴承无轴向间隙，丝杠的拉压刚度可提高四倍。可以进行预拉伸安装，克服热膨胀。当温升超过预计的温升时，不会像双向游动那样产生轴向间隙，但实现预拉伸及其调整方法
6、设计体会

参考文献
1. 简明机械零件设计适用手册 胡家秀 主编
2. 数控车床 夏凤芳 主编
3. 机械工程设计基础 黄淑容 主编
4. 互换性与技术测量 屈波 主编
5. 机械零件手册 周开勤 主编

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