数控机床传动与进给机构设计

本 科 毕 业 论 文题目 ： 数 控 机 床 传 动 与 进 给 机 构 设 计学 院: 机械自动化学院专 业: 机械电子工程学 号:学生姓名:指导教师:日 期:0摘 要本次设计主要包括两部分内容，第一部分是主传动系统的设计，第二部分是进给传动系统的设计，主传动系统的设计目标是使机床主轴能在一定转速范围内实现无级调速，在设计这一部分时，主要进行了一下几项工作：分级变速箱的设计，主轴尺寸设计，支承方式的选择，为了满足主轴的刚度要求，还要对主轴进行校核计算。进给传动系统设计的主要目标是使机床工作台能在 xy 方向上自由移动，机床 xyz 三方向上的传动构件相同，故只需设计 x 方向传动系统，主要涉及到：导轨的选型，滚珠丝杠与支承轴承，驱动电机的选型与计算，主要零部件的精度验算，装配图设计，确定各部分零件的主要尺寸后，零件的细节尺寸设计在装配图中完成。在对零件进行校核时，主要根据零件的刚度和寿命进行校核，本次设计主要的设计方法是理论设计和经验设计。关键词： 数控铣床； 主传动； 进给传动； 伺服电机1AbstractThis design mainly includes two parts, the first part is the design of the main drive system, the second part is the design of the feed drive system, the main drive system design goal is to make the machine spindle in a certain speed range to achieve stepless speed , In the design of this part, the main work carried out a few: classification gearbox design, spindle size design, support the choice of way, in order to meet the stiffness requirements of the spindle, but also the spindle to check the calculation. Feeding drive system design of the main goal is to make the machine table in the xy direction of free movement, the machine xyz three directions of the same transmission components, so only the design of x-direction drive system, mainly related to: guide selection, Ball screw and bearing bearing, drive motor selection and calculation, the accuracy of the main parts of the calculation, assembly diagram design to determine the main parts of the various parts of the size of the details of the design of parts in the assembly diagram to complete. In the parts to check, mainly based on the stiffness and life of parts to check, the design of the main design method is the theoretical design and experience design.Key words: CNC milling machine; Main drive； Feed drive； Servo motor 目 录21 绪论 .51.1 选题的背景及意义 .51.2 数控机床的发展情况 .51.3 设计任务 .62 主传动系统设计 .72.1 概述 .72.2 分级变速箱的设计 .72.2.1 分级变速箱的变速级数 .72.2.2 传动公比 的确定 .72.2.3 传动齿轮齿数的确定 .72.3 主轴组件的基本要求 .82.4 采用滚动轴承的主轴组件 .92.4.1 支承方式的选择 .92.4.2 轴承间隙的调整与预紧 .92.5 主轴尺寸设计 .92.6 主轴组件的刚度计算 .102.7 轴承润滑和主轴密封 .112.8 本章小结 .113 进给传动系统设计 .133.1 导轨轴向负载力计算 .133.2 导轨的选型 .133.3 滚珠丝杠与支承轴承 .143.3.1 滚珠丝杠的计算 .143.3.2 支承用轴承的选用 .163.3.3 承载能力校验 .163.4 驱动电机的选型与计算 .173.5 主要零部件的精度验算 .183.5.1 伺服刚度 KR.183.5.2 丝杠的轴向拉压刚度 .183.5.3 轴承的轴向刚度 .183.5.4 滚珠与滚道的接触刚度 Kc.193.5.5 进给传动系统的综合拉压刚度 K.193.6 进给传动系统的动态特性分析 .193.7 驱动电动机与滚珠丝杠的连接 .193.8 本章小结 .2034 数控机床控制系统设计 .214.1 控制系统硬件的基本组成 .214.1.1 概述 .214.1.2 数控系统的主要性能与规格 .214.1.3 主轴和进给轴控制的硬件系统 .224.2 数控机床主要的电气控制回路 .235 总结 .24参考文献 .24致谢 .251 绪论41.1 选题的背景及意义以数控机床作为本次设计的主要内容，非常贴近于国家目前的经济发展大势。前不久国家提出了中国工业 4.0，中国制造 2025 等发展目标，这不仅仅是一句口号，还会转化为切切实实的行动，如何实现工业 4.0？参照德国的标准，实现工业 4.0 必须要实现生产的智能化和数据化，依靠传统的机床根本无法实现这一点，必须借助于新一代的数控机床才有可能实现这一目标，数控机床能实现自动化的加工，加工精度和经济效益远高于工人手工操作，人们只需将预先写好的程序传入数控机床，机床便能读取这些命令并加工出满足工艺要求的各种零件，大大提高了生产效率，降低了工人的工作负担。数控机床的加工能力远大于普通机床，这是因为与普通机床相比，它多了一个重要的组成部分，即数控系统，经过多年的发展，数控系统已经成为一个比较成熟的分支，它主要包括输入输出，数控装置，伺服装置和相关的辅助装置。加工零件时，工人必须先根据零件的加工工艺编写程序，然后将程序输入数控系统中去，完成这一过程的就是数控系统的输入输出设备，主要有手动输入和通信接口两种输入方式。数控装置是数控系统的核心，相当于机床的 cpu，它能 识别输入的程序，并将这些程序转化为机床的控制命令，通常使用微型计算机完成这一功能。数控机床的伺服系统包括主要的传动结构和动力部分，是完成机床机械运动的主要装置，本篇论文也主要围绕这一部分展开，包括主传动系统和进给系统，主传动系统控制刀具的运动，刀具轨迹的具体实现方法则是在微型计算机中通过插补运算得到，进给传动系统则实现工件的各种运动，主要通过三轴的丝杠来实现。机床是一个复杂的系统，它由许多小装置组合到一起，在数控装置的控制下，完成各种复杂的运动。本次主要设计伺服系统，设计时也不能脱离这个系统，要考虑到与其他装置的相互配合，例如，数控机床一般都能实现自动换刀的功能，刀具又与主轴配合到一起，因此在设计主传动系统主轴时，要考虑到自动换刀装置，在比如机床的温度控制系统，在设计机床的各个运动部件时，都应该考虑到这一系统。1.2 数控机床的发展情况经过从最初的购买引进，到现在的自主创新，中国的机床行业从无到有，有了巨大的发展，现在，在国家的大力扶持下，我国的机床行业迎来了又一个发展机遇期，在相关的技术领域不断取得突破，大连机床厂是一家运营比较成功的机床企业，该厂的许多机床代表着中国机床市场上最高端的一批产品，例如 VDWA50、B50 五轴立5式加工中心，这一型号机床能实现刀具的三轴运动，工作台采用两轴联动加工技术，实现了机床的五轴联动加工，该机床利用重心驱动，复合设计等相关原理，使得机床具有良好的工作性能，结构紧凑，性价比高。在第十五届中国国际机床展览会上，中国的机床企业展示了大量的先进机床，例如沈阳机床展示的 i5 智能机床，宝鸡西力精密机械展示的 FTN50 自动化加工单元，数控系统方面则有华中数控展示的华中 8 型数控系统。本次机床展览会显示了中国机床行业令人惊讶的创新能力与产品设计能力，在多年的发展过程中，中国的机床行业并没有在外国的技术封锁与残酷的市场竞争中消亡，反而依靠自身能力，一步一个脚印，走出了自己的康庄大道，出现了一批具有极强研发能力的企业，例如沈阳机床，大连机床，华中数控，广州数控等等。现如今，中国的机床行业仍有大量的问题没有解决，经过 2008 年经融危机后，西方的许多工业强国都意识到了制造业在国民经济中的重要地位，纷纷加大了对制造业的研发投入，中国面临的竞争也越来越激烈，与国际上的机床制造强国相比，中国的机床制造业主要存在以下几项缺点：（1）在技术水平上，经过多年的发展，外国企业积累了雄厚的研发能力，目前，他们已将目光投向与新一代数控机床设计，技术方面呈现“高，精，尖”的特点，在这些高水平数控机床设计上，中国仍有一定的差距。（2）从机床市场上的产品组成上看，机床市场上产品的整体水平还处于中下游，技术水平与西方发达国家相比有一定的差距，一些高水平的数控机床还处于试验阶段，并没有投放市场。（3）从数控机床的研发设计能力上看，中国的机床行业研发能力还有不足，机床是一个系统，且比一般产品更加复杂，它有许多零件组成，每一个都对整个系统的性能产生一定的影响，没有雄厚的科研能力与相关的技术积累，很难设计出性能优异的机床，而中国的机床行业就是缺少相关的技术积累，一直处于摸索过程中。（4）从市场化程度上看，中国机床行业在国际市场上并没有占据很大的市场份额，甚至在国内市场上所占份额都不算太大，主要因为中国机床水平落后于西方的工业强国，虽然中国一直在奋起直追，但中国面临的竞争压力只会越来越大。目前，这些问题已经引起了相关部门的重视，产业扶持力度也在不断加大，相信将来，中国的机床行业也能赶上世界先进水平。1.3 设计任务本次设计主要包括两大部分内容，第一部分是主传动系统的设计，已知参数有主电机功率 5.5kw，最高转速为 6000r/min，额定功率为 1500r/min，主轴转速范围为30 6000r/min，具体设计内容有：分级变速箱的设计，主轴的设计，主轴支承6轴承的设计。第二部分是进给传动系统的设计，已知参数有工作台重量 210kg，最大承重 300kg，面积 1000320mm，切削速度 104000mm/min ，最大速度5000mm/min，工作台 x 向行程 600mm，定位精度 0.05mm，具体设计零件有滚珠丝杠的设计，支承轴承的设计，导轨的选型，伺服电机的设计，伺服电机与滚珠丝杠的连接，滚珠丝杠的刚度校核与寿命校核。72 主传动系统设计2.1 概述主轴电机启动后，经过主轴箱的变速机构，来调节刀具的切削速度，进而加工加工各种不同的零件。主轴电机的转速可以调节，属于无级调速，但是调速范围不大，在本次设计中，主电动机参数已知，其额定转速为 1500r/min，经过变频器变速后最大转速可以达到 6000r/min，为了使数控铣床的主轴能够无级调速，并且扭矩能够实现加工要求，可以在调速电机后串联有级调速机构，即齿轮调速，进过无极变速和有级变速的共同调节，可以使主轴转速范围满足设计要求，在加工零件时，主轴转速应在其计算转速以上，此时可以充分发挥主电动机的功率。2.2 分级变速箱的设计2.2.1 分级变速箱的变速级数在设计机床的主传动系统时，已知的设计参数有：主轴的调速范围为306000r/min，计算转速为 500r/min，采用 5.5kw 的主轴专用变频电机作为主电动机使用，电动机的基本转速为 1500r/min，最高转速可达 6000r/min。主轴要求的恒功率调速范围：Rnp=6000/500=12电动机的恒功率调速范围为：8Rp=6000/1500=4机床在加工零件时，电动机会工作在恒功率范围，这是电动机的主要工作状态，但由计算可以，在恒功率范围内，电动机的调速范围达不到主轴的要求，因此要设计分级变速箱，以满足主轴的调速范围。 8.14lg2lpnRZ变 速 级 数故可以使用两对齿轮变速。2.2.2 传动公比 的确定分级变速箱各级转速之比，即为传动公比，前面已经求得，变速箱为两级变速机构，一般情况下，可以使各级转速之间满足等比数列关系，这样可以使转速损失均匀分布到各级，