MJ—50型数控车床进给传动系统设计【说明书+CAD】
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黄河科技学院毕业设计文献综述第1页数控机床进给传动系统设计摘要本文介绍了数控机床的发展，数控机床伺服进给系统的基本组成和设计要求，进给系统的总体设计，沿Z轴（纵向）和X轴（横向）进给系统设计以及进给系统的精度分析。关键词数控机床，伺服进给系统，精度分析前言数控机床是一种装有计算机数字控制系统的机床，数控系统能够处理加工程序，控制机床自动完成各种加工运动和辅助运动。与普通机床相比，数控机床能够自动换刀，自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线和空间曲面的加工，加工精度和生产率都比较高，因而应用日益广泛。它可以帮助人类完成很多危险、繁重、重复的体力劳动。1数控技术是现代科学技术高度集成和交融的产物，它涉及机械、控制、电子、计算机、人工智能、知识库系统以及认识科学等众多学科领域，是当代最具有代表性的机电一体化技术之一。人类文明的发展、科技的进步已和数控机床的研究、应用产生了密不可分的关系。为了适应社会的需求，各院校都比较重视数控技术和控制技术等课程在机械设计及其自动化专业的开设，使培养的学生懂得数控机床设计方面的技术。经过50多年的发展，现代数控技术在工业、农业、国防、航空航天、商业、旅游、医药卫生、办公自动化及生活服务等众多领域获得了越来越普遍的应用。1数控机床的发展20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院MIT伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于1957年投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控技术到现在已发展到第六代，第一代采用的是电子管，第二代采用的是晶体管，第三代是小规模集成电路，第四代采用了CNC技术，第五代应用了微处理器技术，而第六代数控机床以个人计算机（PC机）为平台。黄河科技学院毕业设计文献综述第2页数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。我国于1958年开始研制数控机床，成功试制出配有电子管数控系统的数控机床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。经过几十年的发展，目前的数控机床已实现了计算机控制并在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤为普及。2数控机床伺服进给传动系统进给伺服系统主要包括电动机及其控制和驱动装置组成。伺服电动机是进给系统的动力部件，它提供执行部件运动所需的动力，伺服电动机有步进电机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动机等。目前，数控机床采用的进给伺服系统一般是由伺服电动机滚珠丝杠移动部件组成的方案。在轻载设备上，有些已采用直线电动机来直接驱动移动部件再在导轨上移动，国外逐渐开始在数控机床上采用直线电动机用于伺服机构的驱动。21数控机床伺服进给系统的基本组成进给伺服驱动系统主要由一下几个部分组成位置控制单元、速度控制单元、驱动元件、检测与反馈元件和机械执行部件。伺服进给系统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、功率步进电动机或电液脉冲光马达等）和机械传动机构驱动机床的工作台、主轴箱等执行部件实现工作进给和快速移动。驱动元件的作用是将进给指令转换为驱动执行部件所需要的信号形式，机械执行元件则将该信号转换为相应的机械位移。检测与反馈单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动工作台移动。22数控机床进给伺服系统的设计要求黄河科技学院毕业设计文献综述第3页（1）静态设计方面的要求能够克服摩擦阻力和负载；很小的进给位移量；高静态扭转刚度；足够的调速范围；进给速度均匀，低速时无爬行现象。（2）动态设计方面的要求具有足够的加速和制动转矩，以便快速完成起停；具有良好的动态传递性能；负载引起的轨迹误差应尽可能小。（3）对机械传动部件的要求被加速的部件具有较小的惯量；高刚度；良好的阻尼；传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面有尽可能小的非线性。3数控机床进给系统的总体设计31机床的主要技术参数32进给传动方案设计黄河科技学院毕业设计文献综述第4页本机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。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下图所示AZ轴传动方案BX轴传动方案对于驱动电机，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。33进给伺服方案设计数控机床要求达到预定的精度要求以外，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下图2所示Z轴驱动电机联轴器滚珠丝杠螺母副滑板X轴驱动电机联轴器滚珠丝杠螺母副刀架黄河科技学院毕业设计文献综述第5页图2伺服系统控制原理图4沿Z轴（纵向）和X轴（横向）进给系统设计41滚珠丝杠螺母副的切削力的大小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）PZPZXYZPCTSK（2）VPZPZHKK料（3）ZZXYZVPZHPZTSKKK料式中，系数，由工件的材料和加工方法决定，一定的切削条件（PC一定）下，为常数。大表示工件的材料加工性差，小，表示VST、ZPZCPZC工件的材料加工性好；总体修正系数；工件材料对的修正系数；KPZK料切削速度对的修正系数；主偏角对的修正系数3；VPZPZK前角对的修正系数；刀具磨损限度对的修正系数；KHP指数，表示吃刀深度对切削力的影响要比走刀量对PZXY、PZXY切削力的影响大。42滚珠丝杠支承轴承的动态等效载荷计算动态等效载荷黄河科技学院毕业设计文献综述第6页表9径向载荷系数（）和轴向载荷系数（）XY组合列数2列3列4列组合形式代号DFDTDFDDTDDFTDFFDFTDTT217E承受轴向载荷的列数1列2列1列2列3列1列2列3列4列X19143233117233253/ARFEY054077035089035026092092092092092092092092092/AR动态等效载荷APARAXFY式中，径向载荷，N；轴向载荷，N；径向载荷系数，见表RAFX9；轴向载荷系数，见表9。Y3AHCPL43进给伺服电机的选择选择的进给系统的伺服电机，应满足如下要求1、在所有进给速度范围内（包括快速移动），空载进给力矩应小于电动机额定转矩；2、最大切削力矩小黄河科技学院毕业设计文献综述第7页于电动机额定转矩；3、加、减速时间应符合所希望的时间常数；4、快速进给频繁度应在希望值之内。为选取满足上述要求的电动机，需要进行负载扭矩计算，功率计算，加减速扭矩计算，并进行惯量匹配验算。在此，依据功率要求和转矩要求进行电机选型，之后进行惯量匹配计算。44联轴器的选择电机通过联轴器直接与滚珠丝杠连接，依据机械设计手册，选取膜片式联轴器，膜片式联轴器是一种用不锈钢膜片作为挠性组件的挠性联轴器，具有结构简单、尺寸小、重量轻、承载能力大、传动效率高、精度高、强度高、等优点，可用于高、低温，高、中速，大转矩和有油和水的场合。在此，根据电机轴直径、长度和丝杠链接尺寸来选定型号。5进给系统的精度分析进给传动系统和主轴系统一样，是数控机床的重要组成部分，进给系统的定位精度、重复定位精度对机床整体的精度性能有重大影响，很大成程度上决定了零件加工质量。滚珠丝杠螺母副传动作为大多数精密数控机床采用的进给传动方式，其误差更是对进给系统有着决定性的影响。51影响机床精度的主要误差源（1）几何误差它包括装配过程所积累的误差和使用零部件不精确所造成的误差，它是构成机床不精确的主要误差源之一。几何误差可能呈现连续性，也可能表现出滞后性或随机性。（2）运动误差在多轴协调工作时出现的误差。比如在滚削过程中，旋转轴和线性运动轴之间的相对运动误差是制造误差的主要来源。（3）热变形误差热误差是因温度上升引起机床元件的膨胀变形并最终导致工件和刀具之间的相对位移，它对精密加工的影响最大，尤其导致的工件尺寸误差和形状误差的比例可占到4070。黄河科技学院毕业设计文献综述第8页（4）切削力误差包括重力负载、轴加速以及机床振动误差。由子切削力的作用，机床零部件发生变形，导致刀具和工件的相对位置发生变化，最终导致加工误差。（5）其他误差源包括材料不稳定引起的误差、检测误差、刀具磨损误差、误差、环境误差等。对于一般精度的数控机床，几何误差占加工误差中的2070，载荷变形引起的误1020，热变形误差占2040。而对于精密数控机床上的加工，热变形引起的加工误差所占比例可达4070。参考文献1文怀兴夏田数控机床系统设计M北京化学工业出版社，20072侯力机电一体化设计M北京高等教育出版社,20033张世昌机械制造技术基础M北京高等教育出版社,20024王爱玲现代数控机床结构与设计M北京兵器工业出版社，19995邱宣怀机械设计（第四版）M北京高等教育出版社，2007（2008重印）6成大先机械设计手册M北京化学工业出版社，20107张福润、严育才数控技术M北京清华大学出版社，20098廖念钊、古莹庵、莫雨松、李硕根、杨兴俊互换性与技术测量M北京中国计量出版社，20079四川大学工程制图教研室机械制图M北京北京邮电大学出版社，200310李振浅谈常用机床加工精度分析城市建设J，2010（06）11HTTP/MWNEWMAKERCOM/ART_21337HTML毕业设计文献综述院（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董杰指导教师闫存富2012年03月10日CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERING340。V|0124，NO3，2011DOI103901C陇201103340，AVAIHBLEONL眦ATWWW咖1黜TM；W、帆CJM锄CTCOM脚RECEPTANCECOUPNGFORTOOLPOINTDYNAMICSPREDICTIONONMACHINETOOLSZM州GJML，2一，SCHMITZTONY2，ZHAO呲UAL，AILDLUBIN曲EN91、STNTEKEIHBOMTO秽孬”MO删HCNNINGSYSLEMENGINEE嘲GXI1锄J诅OTONGUNIVERSI锣，XI口N7L0049CHTNN2DEPNR觚ENT醇MECHNNIC口TD砌A啪SP口CEENGINEENN蛋UNIVERS睁FLONDNG曲LESVILLEFL32611UNNEDS纽TES黜CEIVCDJ岫E26，20LO；州SEDJA加ARY18，201L；ACCEPTEDJ锄I珊Y24，20LL；PUBLISHCDEL咖ICALLY肠MARY26，2011ABS仃ACTCHATTCRH嬲BEAMA呵OBSTACLETOME蚰CCES8觚III】IPLETLLEN枷OFHI曲SPEEDMAC_HININGTHE骶QUCLLCYRESPONSEFHNCTIONFRFOFMETOOLPOINTISCMCIALFORIDE嘶FICATIONOFCHANER缸EC砌NGCONDJTIO璐INORDERT0QUICKLYACQUIRETHEF盯OFMEDIHER朗TCONLPONENTSCOMBINATISOFMACHINETOOL，THEASMBIYOFMACHINET00L、张SALWA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数的的子耦合，如下所示（3）,1BACBAARRG（4）,1CDBDCD（5）,1CDBAD（6）,1BACBDCARG22相似耦合的描述标准铣床，主轴部分可以被描绘成图2，由三个组成部分主轴机，刀架和系统。在这三部分中，动态响应主轴机是最难建模的，由于其复杂的结构和未知的阻尼力。因此，在冲击试验中通常测量其动力。该系统包括刀具的刀齿部分和刀具的直刀杆部分，刀柄的横截面是一个不变离散性间隔常数，因此，刀柄和刀杆部分可以很方便的用模型欧拉伯努利或TIMOSHENKO梁来建模。刀具的刀齿耦合部分可以用有限元方法来计算。在这项工作中，装配图可以分黄河科技学院毕业设计文献翻译第4页解成主轴机，刀架和刀柄三部分最后，刀具的刀齿部分如图3获得耦合装配和获得的响应耦合结构方法可应用于预测类似动力学。图2机床主轴刀柄刀具图3耦合响应模型和机床主轴刀柄刀具3响应部件计算31机床刀具的刀齿部分图4描述了该机床刀具的刀齿部分的运行方向和负荷，用来计算相关数据。其中外径DO和长度LF分别为1905毫米和493毫米，右侧AB是该工具的自由端和左侧CD的刀具的刀齿部分的终端和刀柄的始端。压力F1和压力F2分别应用在A和C的位置，转速M1和转速M2分别作用在两个侧面。在不同的负载条件下可以在B和D的位置可以计算其挠度黄河科技学院毕业设计文献翻译第5页图4在不同的负载下刀具的刀齿部分得有限元模型有限元软件ANSYSWORKBENCH110可以用于计算。该模型是四面体网状8228固体元素（187固体）。从对网格大小的查结果发现，即使使用更细网格对其结果影响不大。刀具材料（硬质合金）的属性分别为杨氏模量E550GPA时，泊松比022，密度15000KG/M3的，阻尼比000075。F1,F2,M1,和M2分别为设置1N（或N1米）和运用在AB和CD自由边界条件的表面。直接响应和间接响应RIJI,J1,2分别在表1中，其定义在21表1刀具的刀齿部分的直接响应和间接响应图5显示的是刀具的刀齿部分的预测响应H11在200赫兹到2000赫兹的频率范围内的部分。黄河科技学院毕业设计文献翻译第6页图5H11刀具的刀齿部分的响应从图5可以看出在此范围内没有发生共振。这是因为刀具的刀齿部分太小，其开始自然频率远远高于2000赫兹，在测量频率带宽以外。32刀具的刀齿部分的等效直径光束如前所述，有限元法被运用于计算刀具的刀齿部分，但是这可能是一种费时的细网状模型。作为一个替代方法，等效直径的刀具的刀齿部分也可用运用于近似实际刀齿几何1213。在这项研究中，等效直径是在以同等质量M的原则的基础上进行运用的。在这种情况下，等量直径DEQ可以被计算（7）,4202FEQILDLMLO和LI是悬锤和插入长度的刀
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