数控车床纵向进给系统和横向进给系统的设计

数控车床纵向进给系统和横向进给系统的设计 目录1 绪论 .31.1 数控系统的发展简史及国外发展现状 .31.2 我国数控系统的发展现状及趋势 .31.3 伺服系统的特点 .41.4 设计的内容、目的和方法 .72 总体方案设计 .82.1 方案设计及总体布局 .82.2 主切削力的计算 .83 横向进给系统 .113.1 已知技术参数 .113.2 滚珠丝杠的计算及选择 .113.3 校核 .144 纵向进给系统 .204.1 已知技术参数 .204.2 滚珠丝杠的计算及选择 .204.3 校核 .215 床身及导轨 .265.1 床身 .265.2 导轨 .276 数控系统选择 .296.1 西门子数控系统的优点 .296.2 数控连线图 .307 数控编程 .31结 论 .35致 谢 .36 1 绪论1.1 数控系统的发展简史及国外发展现状1949 年美国帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。1952 年第一代数控系统电子管数控系统的诞生。20 世纪 50 年代末，完全由固定布线的晶休管元器件电路所组成的第二代数控系统晶体管数控系统被研制成功，取代了昂贵的、易坏的、难以推广的电子管控制装置。随着集成电路技术的发展，1965 年出现了第三代数控系统集成电路数控系统。1970 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性能价格比渗透各个行业，1974 年，第五代数控系统微型计算机数控系统也出现了。应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统(CNC)。综上所述，由于微电子技术和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统也随着不断更新，发展非常迅速，几乎 5 年左右时间就更新换代一次 1。数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高科技含量的机电一体化产品。欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程，1990 年日本机床产值数控化率达 75，美国达 701，德国达 57。目前世界数控机床年产量超过 15 万台，品种超过 1500 多种 2。1.2 我国数控系统的发展现状及趋势1.2.1 数控技术状况目前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型向开放型过渡的时期。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术(包括核心技术)，已达到国际先进水平。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1当量的超精密数控系统、数控仿型系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、m实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于 PC 机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台， 为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MPBF 值可以在 15000h 以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过 60%。这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础 1。我国进行改革开放后，由于政策的开放，使得金属切削行业得以和世界上先进的机床制造国家进行技术交流，并通过引进技术，到 80 年代初，国产数控机床进入实用化阶段，1991 年数控机床的产值数控化率为 143，到 1997 年数控机床产值数控化率为 245。目前，我国数控机床(包括经济型机床)品种约有 500 个 2。 但是，与国外数控车床相比，在性能、质量 设计、制造等各方面存在较大差异，并存在许多不足：机械件的材质、加工精度、加工工艺存在较大差距，装配工艺也存在一定差距；主轴及卡盘刚性差，主轴定位准停不好；安全性较差，软硬件保护功能不够；刀片磨损快，生产成本高，效率低；硬件设计方面不规范，不符合国标，比如使用电压等级、电线颜色使用、图纸资料的绘制装订、提交等等，有的机床厂家甚至仍然停留在十年二十年前的设计思想；程序设计方面缺乏标准，不规范，逻辑性不强，故障率高，在使用过程中需不断对程序进行修改；外围元件布置及走线不规范，标牌线号不清，图纸与实物不符，维修困难；使用的元器件本身质量差，使用寿命短，故障率高，有的机床厂家为了降成本却忘记了质量、忘记了可靠性，选用一些国产的轴承、接触器、继电器、接近开关等元件，在生产过程中小故障连绵不断；柔性化不强，多品种生产困难。而国外数控车床无论是设计水平，还是制造水平，都要高出国内数控车床。机械件材质、加工精度、加工工艺、装配工艺比较好；软硬件设计有专门的标准，设计规范合理，配套件齐全，标牌标示清楚齐全；使用的元器件质量好，故障率低；新技术的应用及时领先；概括来说，精度及可靠性高、性能稳定故障率低 3 。1.2.2 数控系统的发展趋势随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统性能日臻完善，数控系统应用领域日益扩大。为了满足社会经济发展和科技发展的需要，数控系统正朝着高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及开放性等方向发展。1.3 伺服系统的特点数字控制，是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。数控机床 是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成。1. 信息载体信息载体又称控制介质，用于记录数控机床上加工一个零件所必需的各种信息，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用的信息载体有穿孔带等，通过相应的输入装置将信息输入到数控系统中。数控机床也可采用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接输入，或通过窜行口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。高级的数控系统可能还包含一套自动编程机或者 CAD/CAM 系统。2. 计算机数控系统计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算机外，其外围设备主要包括光电阅读机、CRT、键盘、面板、机床接口等。软件由管理软件和控制软件组成。数控装置控制机床的动作可概括为：机床主运动、机床的进给运动、刀具的选择和刀具的补偿、其它辅助运动等。3. 伺服系统它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和机床移动部件,它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电动机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。4. 机床它是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展起来的，但也做了很多改进和提高，它的主要特点是：由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短；为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机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；更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等；不少数控机床还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床工作效率 1。数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，将高效率、高精度和高柔性集中于一体。而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自 CNC 装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包含机械、电子、电机(早期产品还包含液压)等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。要使它成为一个既能使各部件互相配合协调工作，又能满足相当高的技术性能指标的控制系统，的确是一个相当复杂的任务。提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。数控机床伺服系统的一般结构如下图所示：由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。伺服系统对伺服电机的要求：1） 从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。2） 电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载 4-6 倍而不损坏。3） 为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受 4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在 0.2s 以内从静止启动到额定转速。4） 电机应能随频繁启动、制动和反转。随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字 PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高 4。 图 1.1 伺服系统结构图1.4 设计的内容、目的和方法本次设计的内容是机床总体方案设计及总体布局图绘制、纵向及横向伺服进给机构的理论计算、结构设计及绘制装配图、典型零件绘制、数控系统（硬件连接图）设计、典型零件的数控车削加工程序编制及外文资料文献翻译，并撰写毕业设计论文。设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态度，加强团队合作精神。在设计中，先通过参观及查阅等了解有关系统的工作原理，作用及结构特点。选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得出相关的结构或零件。在图纸的绘制中，充分利用软件的先进性，完成三张 A0图纸。最后，完成硬件连接设计，编制典型零件的车削程序，撰写说明书。 2 总体方案设计2.1 方案设计及总体布局机床结构可以布置成卧式、立式、倒立式及斜置式等，根据设计任务加工轴类和直径不太大的盘、套类零件，采用卧式斜床身形式。主轴水平安装，横向成 45布置。根据纵横向长度定外观总长度，布局图如附录 1 所示。数控机床的伺服系统是连接数控系统和机床主体的重要部分，在设计中，在伺服方式上选择最广泛应用的半闭环方式。采用螺旋传动，计算滚珠丝杠副尺寸规格，接着进行丝杠的校核并进行精度等验算，根据计算的扭矩选择伺服电机。2.2 主切削力的计算切削力的大小可用各种测力仪测得，也可用实验得出的近似公式计算：(2.1)PZXYZCtsk(2.2) vhPZk料(2.3)PZXYZvhPZtskk料 (公 斤 力 )式中 系数。决定于工件材料和加工方法，在一定的切削条件（v、s、tPZC固定）下， 为一常数。 大表示工件材料的加工性差； 小表示工件材料的加PZCPZC工性好。k总的修正系数。决定于工件材料、切削用量和刀具几何形状等。分别为工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨损限vPZhPZk料度对 P 的修正系数。、 指数。一般情况下 。这说明吃刀深度对切削力的影响要比ZXYPZXY走刀量对切削力的影响大。下表所列为的系数、指数和修正系数。这些系数在下列条件下制定：刀片材料为硬质合金，工件材料为碳素结构钢， ， ， ，275/b公 斤 力 毫 米 50/v米 分 45， ，后刀面磨损限度 ，切削时不用冷却液，车削外圆。10 0.91h:毫 米 它们的系数、指数和修正系数之值也各有不同，可从有关手册中查得。表 2.1系 数 及 指 数工件材料 PZCPZXPZY结构钢 167 10 075修 正 系 数b40 50:50 60 60 70:70 80 80 90:90 100工 件材 料 =PZk料 084 090 095 10 104 109v= 50 100 200 300 400 500切 削速 度 =vPZ10 090 082 077 074 071= 30 45 60 70 90主 偏角 =PZk108 10 094 094 089= +20 +10 0 -10 -20前 角=PZ090 10 11 12 13h= 09 1.2:1.5 2.0:后刀面磨损限度 =hPZk1.0 1.05切削功率是切削时在切削区内消耗的功率。当切削速度为已知时，切削功率可用下式计算：(2.4)10260ZZPvNkw切 削在校验机床选用的电动机功率时应使(2.5)切 削 过 电 机式中 机床电动机名义功率（千瓦） ；N电 机机床效率（一般齿轮机床 =0.7 0.8） ；:电动机超载时容许的系数（一般 =1.25） 57。k过 k过 如表 2.1，取其中各参数的最大值进行估算：取 =167， =1.0， ，PZCPZX0.75PZY=1.09， =1.08， =1.3， =1.05， =0.9k料 kkhPZkvPZk取 切深 t=5mm，进给量 s=0.3mm/r则由公式(2.3)： 0.7516319.081.35489.7ZPN公 斤 力(2.6):1:0.2548:90XYFZ而 切削功率：取切削速度为 105m/min，由公式(2.4)(2.5)得:.518.462Nk切 削8.407512.96k切 削电 机 过取 Nk切 削 3 横向进给系统 3.1 已知技术参数横向最大行程（X 轴）180 mm；工作进给速度为 1 8000mm/min；:横向快速进给速度：8 m/min；刀架估计质量：150kg；滑板的估计尺寸（长 宽 高）：400mm 200mm 80mm；材料选为 HT200。3.2 滚珠丝杠的计算及选择3.2.1 滚珠丝杠导程的确定在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为 ，设电机的最高工作转速为1i，则丝杠导程为：max150/innr(3.1)maxhvPn，取 38105.h6hP3.2.2 确定丝杠的等效转速(3.2)/minhvrP由公式(3.2),最大进给速度时丝杠的转速：3max810./min6hvrP最小进给速度时丝杠的转速： ini .7/ih丝杠等效转速：（取 ）12t(3.3)max1in2/itnr ， 转速 ， 作用下的时间(s)。1t2maxninax1min28.94/intr3.2.3 估计工作台质量及工作台承重刀架质量： 1509.8147GN滑板： 39240.81520N总质量： 1223.2.4 确定丝杠的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引力的试验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为 0.03，K 为颠覆力矩影响系数，一般取 1.1 1.5，现取为 1.1，则丝杠所受的力为（如图 3.1 所示）：:(3.4)max22() 21.0.3048)190XZYFKfGF =NminF其等效负载可按下式估算（取 ， ）：21t21nt1，t 2轴向载荷 ， 作用下的时间(s)。maxFinn1，n 2轴向载荷 ， 作用下的转速axin(r/min)。(3.5)133max1in296FttN3.2.5 确定丝杠所受的最大动载荷 图 3.1 受力分析 (3.6)1/360FfTnmwhCNatkfw负荷性质系数；（查表：当一般运转时，f w 为 1.2 1.5，取 fw=1.5。 ）:ft温度系数；（查表：）fh硬度系数；（查表：滚道实际硬度HRC58 时，f h=1。 ）fa精度系数；（查表：当精度等级为 3 时，f a=1.0。 ）fk可靠性系数；(查表：可靠性为 90%时，f k =1.00。)Fm等效负荷(N)；nm等效转速(r/min)；Tn工作寿命(h)。 （查表得：数控机床：T h=15000。 ）由公式(3.6) 6601508.9401hmncr 1367hmawTnCFfN3.2.6 选择滚珠丝杠型号由文献7,8可知，查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型，型号： CDM3206-3。丝杠公称直径为 32mm，基本导程 ，其额定动载荷 ，6hP1697aCN额定静载荷 ，圈数 列数=1.5 2，丝杠螺母副的接触刚度为45968oaCN，丝杠底径 27. 9mm，螺母长度为 112mm，取丝杠的精度为 3 级。在130/cKm本设计中采用双螺母垫片预紧。两边轴承分别为 20mm 和 25mm。本设计中丝杠采用两端固定的支承方式。选用成对丝杠专用轴承组合。 滚珠丝杠支承用专用轴承：轴承特点：1. 刚性大。由于采用特殊设计的尼龙成形保持架，增加了钢球数，且接触角为 60轴向刚性大。2. 不需要预调整。对每种组合形式，生产厂家已作好了能得到最佳预紧力的间隙，故用户在装配时不需要再调整，只要按厂家作出的装置序列符号（）排列后，装紧即可。 3. 起动力矩小。与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比，起动力矩小。为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，推荐采用正面组合形式。（DF,DFD,DFF 等）3.3 校核 滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度 Ke由丝杠本身的拉压刚度 KS，丝杠副内滚道的接触刚度 Kc，轴承的接触刚度 KB，螺母座的刚度 KH，按不同支承组合方式的计算而定。扭转刚度按丝杠的参数计算。 3.3.1 临界压缩负荷丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。所以设计中采用两端固定的支承方式 9。临界压缩负荷按下式计算：(3.7)211max0crfEIFKFNL式中 E材料的弹性模量 E 钢 =2.11011(N/m2)；L0最大受压长度(m)；K1安全系数，取 K1=1/3；Fmax最大轴向工作负荷(N)；f1丝杠支承方式系数；(支承方式为双推双推时，见下图，f1=4，f 2=4.730)I丝杠最小截面惯性矩(m 4)：(3.8)420(1.2)6wIdd式中 d 0丝杠公称直径(mm)；dw滚珠直径(mm)。 412843.14(2.396)0.76I m丝杠螺纹部分长度 ，取 80uL350uL支承跨距 ， 丝杠全长 14m5 由公式(3.7) 218max643.02.71425.32013NFcr F可见 远大于 ，临界压缩负荷满足要求。crmax3.3.2 临界转速(3.9)222max30910crccffdEInknLAL式中 A丝杠最小横截面： 26423.57.84d临界转速计算长度：cL108351.0422c m取 ，10.4cm安全系数，一般取 ；2k20.k材料的密度： ；37.851/gm丝杠支承方式系数，查表得 ，2f 24.70f2 max0.914.336/in15/incrnrr满足要求。3.3.3 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率丝杠系统的轴向拉压系统刚度 Ke的计算公式：两端固定：(3.10)111(/)4eBcHSNm式中 K e 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m)；KH螺母座的刚度(N/m)；Kc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m)；KS丝杠本身的拉压刚度(N/m)； KB轴承的接触刚度(N/m)。1) 丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本。2) 轴承的接触刚度可查轴承型号样本。3) 螺母座的刚度可近似估算为 1000。4) 丝杠本身的拉压刚度：对丝杠支承组合方式为两端固定的方式：(3.11)610/sAElKNma式中 A丝杠最小横截面， ；2()4dE材料的弹性模量，E=2.1 1011(N/m2)；l两支承间距(m)；a螺母至轴向固定处的距离(m)。已知：轴承的接触刚度 ，丝杠螺母的接触刚度 ，108/BKNm 716./CKNm丝杠的最小拉压刚度 （见后面计算） 。螺母座刚度 。min54.2s 0H11140876.045.2eK32/Nm丝杠系统轴向拉压振动的固有频率：(3.12)/eBKrads式中 m丝杠末端的运动部件与工件的质量和(N/m)；Ke丝杠系统的轴向拉压系统刚度(N/m)。 69.832410/12038/min150/inB radsrr显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，能满足要求。3.3.4 丝杠扭转刚度 丝杠的扭转刚度按下式计算： (3.13)47.8mTdKL式中 丝杠平均直径：mdL丝杠长度 431.7589/0TKNmr扭转振动的固有频率:(3.14)()3TTswzKJ式中 J W运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量(kgm 2)；JZ丝杠上传动件的转动惯量(kgm 2)；JS丝杠的转动惯量(kgm 2)。由文献7，8得：平移物体的转动惯量为 2420.1()5.098Jkgm:丝杠转动惯量： 22()4ssssmddL344213.78510.0kg:.6zJm4159327.1/4297/min(.2)0T radsr显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，可以满足要求。3.3.5 传动精度计算 滚珠丝杠的拉压刚度 (3.15)24sdEKL导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L 值分别为 300mm 和100mm。最大与最小机械传动刚度： 25max0.31.0163.7/4sAEKNmL25in.2./s最大和最小机械传动刚度： maxin11240.65/54.2/76./8osCBK NmK axax 31/3././osB由于机械传动装置引起的定位误差为(3.16)0min0ax1()kFK1456. .782.34k m对于 3 级滚珠丝杠，其任意 300mm 导程公差为 ，机床定位精度12，所以， ，可以满足由于传动刚度变化所引起0.24/m1/.k的定位误差小于（1/3 1/5）机床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定:位精度能进一步提高 10。3.3.6 伺服电机计算根据文献11，扭矩的计算为：1. 理论动态预紧转矩查表知 3 级滚珠丝杠 ， 而 0.9max/3201/67()PFNm:(3.17)20(/)(1)/PhTF 23(671/2)(0.9)/10.35Nm:2. 最大动态摩擦力矩对于 3 级滚珠丝杠， ，4%P(3.18)max0(1).19()PTTN:3. 驱动最大负载所耗转矩(3.19)3ax/2hF2016(0.9).4()Nm:4. 支承轴承所需启动扭矩查轴承表：对于 的轴承，其 ，2010.5bT:对于 的轴承，其 ，52Nm则 。1.3BbT5. 驱动滚珠丝杠副所需扭矩maxgPBT0.1924.52.68Nm:6. 电机的额定扭矩(.35.)gJ67JTN:3.3.7 电机的选择根据以上计算的扭矩及文献12，选择电机型号为 SIEMENS 的 IFT5066，其额定转矩为 6.7 。Nm: 4 纵向进给系统 4.1 已知技术参数纵向最大行程（Z 轴）650 mm；工作进给速度为 1 15000mm/min；:纵向快速进给速度：15 m/min；床鞍及其他的估计尺寸（长 宽 高）：600mm 300mm 100mm；材料选为 HT200。4.2 滚珠丝杠的计算及选择4.2.1 滚珠丝杠导程的确定在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为 ，设电机的最高工作转速为1i，则由公式(3.1)可得丝杠导程为：max150/innr3max150hvPn4.2.2 确定丝杠的等效转速：由公式(3.2) ，最大进给速度时丝杠的转速：3max150/minhvnrP最小进给速度时丝杠的转速： ini ./ih由公式(3.3) ，丝杠等效转速为： max1in20/mintnr4.2.3 估计工作台质量及工作台承重： 横向工作台质量： 120GN床鞍及其他： 392637.8510.1386N总质量： 164.2.4 确定丝杠的等效负载：取滑动导轨摩擦系数为 0.025，则丝杠所受的力为（如图 4.1 所示）：(4.1)max2()10.5386(40192)XYZFfGF =Nmin.2.5Ff N其等效负载可按公式(3.5)估算： 133max1in296.tt4.2.5 确定丝杠所受的最大动载荷： 由公式(3.6)得：660150901hmTn图 4.1 受力分析cr 364.5hmawTnCFf N查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型，型号： CDM2510-2.5。丝杠公称直径为 25mm，基本导程 ，其额定动载荷 ，额定静载荷10hP1597aCN，圈数 列数=2.5 1，丝杠螺母副的接触刚度为 ，丝杠34170oaCN 6/cKm底径 24.5mm，螺母长度为 125mm，取丝杠的精度为 3 级。在本设计中采用双螺母垫片预紧。两边的轴承选为 17mm 与 20mm。4.3 校核 4.3.1 临界压缩负荷 轴向固定的长丝杠在承受压缩负荷时，应验算其压杆稳定性。临界压缩负荷按公式(3.7)(3.8)计算：丝杠螺纹部分长度 ，取 65012485uLm850uLm支承跨距 ， 丝杠全长 1m10218max643.2135.6950NFNcr F可见 远大于 ，临界压缩负荷满足要求。crmax4.3.2 临界转速由公式(3.9) 26420.13.7104Adm15856.92cL取 ，1cm2 max0.194.73456./in150/inrnrr满足要求。4.3.3 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率由公式 (3.10)(3.11)(3.12) ：已知：轴承的接触刚度 ，丝杠螺母的接触刚度 ，760/BKNm56.2/CKNm丝杠的最小拉压刚度 （见后面计算） 。螺母座刚度 。min12.5s 10H147605.2042.5eK19/Nm丝杠系统轴向拉压振动的固有频率： 6.87.0721./689.7/min150/in3eBKradsrrm 显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，能满足要求。4.3.4 丝杠扭转刚度丝杠的扭转刚度由公式(3.13)计算： 42.8769.1/10TKNmr由文献7,8得：平移物体的转动惯量为 2423860.1().7509Jkg:丝杠转动惯量： 22()84ssssmddL344213.7510.56kg:.zJm扭转振动的固有频率按公式(3.14)计算: 4269.1537.86/1492./min3(8.75)0T radsr显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，可以满足要求。4.3.5 传动精度计算导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L 值分别为 650mm 和100mm。由公式(3.15) ，最大与最小机械传动刚度： 25max0.1.06/4sAEKNmL25in.12./s最大和最小机械传动刚度： maxin117./02.5/6./0osCBK NmKaxax 216.8/./osB由于机械传动装置引起的定位误差据公式(3.16) 0min0ax11()84.65()0.77.26.8kF mK 对于 3 级滚珠丝杠，其任意 300mm 导程公差为 ，机床定位精度1，所以， ，可以满足由于传动刚度变化所引起0.24/m241/5.8km的定位误差小于（1/3 1/5）机床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定:位精度能进一步提高。4.3.6 伺服电机计算扭矩的计算1) 理论动态预紧转矩查表知 3 级滚珠丝杠 ， 而 0.9max/315.6/4.2()PFNm:由公式(3.17) 2(/)()0PhT345.1.9/0()N:2) 最大动态摩擦力矩对于 3 级滚珠丝杠， ，由式(3.18)4%Pmax0(1).21()PTTm:3) 驱动最大负载所耗转矩由公式(3.19) 3ax/hF15.60(20.9)2()Nm:4) 支承轴承所需启动扭矩查轴承表： 对于 的轴承，其 ，2010.5bTNm:则 。12.3BbT5) 驱动滚珠丝杠副所需扭矩maxgPBT0.216.3287Nm:6) 电机的额定扭矩(.35.)gJJT7482JTN:4.3.7 电机的选择根据以上计算的扭矩及文献12，选择电机型号为 SIEMENS 的 IFT5066，其额定转矩为 6.7 。Nm: 5 床身及导轨5.1 床身对于数控机床来说，作为主要支承件的床身至关重要，其结构性能的好坏直接影响着机床的各项性能指标。它支承着数控车床的床头箱，床鞍，刀架，尾座等部件，承受着切削力、重力、摩擦力等静态力和动态力的作用。其结构的合理性和性能的好坏直接影响着数控车床的制造成本；影响着车床各部件之间的相对位置精度和车床在工作中各运动部件的相对运动轨迹的准确性，从而影响着工件的加工质量；还影响着车床所用刀具的耐用度，同时也影响着机床的工作效率和寿命等。因此，床身特别是数控车床的床身具有足够的静态刚度和较高的刚度/质量比；良好的动态性能；较小的热变形和内应力；并易于加工制造，装配等，才能满足数控车床对床身的要求。数控车床工作时，受切削力的作用，床身发生弯曲，其中，影响最大的是床身水平面内的弯曲。因此，在床身不太长的情况下，主要应提高床身在水平面内的弯曲刚度。所以，在设计床身时，采用与水平面倾斜45的斜面床身。这种结构的特点是：(1)在加工工件时，切屑和切削液可以从斜面的前方(即床身的一侧)落下，就无需在床身上开排屑孔，这样，床身斜面就可以做成一个完整的斜面。(2)切屑从工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器将切屑排出。这样，机床在工作中，排屑性能和散热性能要好，可以减少床身在工作中吸收由于切削产生的热量，从而减少床身的热变形，使机床更好地保持加工精度。(3)由于在床身上无需开排屑孔，就可以增加与底座连接的床身底面的整体性，从而可增加床身底面的刚性。基于以上特点使得床身抵抗来自切削力在水平和垂直面内的分力所产生的弯曲变形能力，以及它们的合力产生的扭转变形能力显著增强。从而大幅度提高了床身的抗弯和抗扭刚度。床身在弯曲、扭转载荷作用下，床身的变形与床身的截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料、 截面相同，但形状不同的床身，截面的惯性矩相差很大。截面积相同时，采用空形截面，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的情况下，尽可能减小壁厚，可以大大提高截面的抗弯和抗扭刚度；矩形截面的抗弯刚度高于圆形截面，但圆形截面的抗扭刚度较高；封闭截面的刚度显著高于不封闭截面的刚度。为此，在设计床身截面时，综合考虑以上因素，在满足使用、工艺情况下，采用空心截面，加大轮廓，减小壁厚，采用全封闭的类似矩形的床身截面形式，同时，为了提高床身的抗扭刚度和床身的刚度重量比，在大截面内设计一个较小的类似圆形截面(如图5.1) 。床身与导轨为一体，床身材料的选择应根据导轨的要求选择。铸铁具有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和加工。床身材料采用机械性能优良的HT250，其硬度、强度较高，耐磨性较好，具有很好的减震性 13。5.2 导轨车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大图 5.1 床身结构 且磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点2。在动导轨上镶装塑料具有摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点，在各类机床上都有应用，特别是用在精密、数控和重型机床的动导轨上。塑料导轨可与淬硬的铸造铁支承导轨和镶钢支承导轨组成对偶摩擦副。机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力和使用寿命。导轨的功用是导向和承载。车床的床身导轨属于进给导轨，进给运动导轨的动导轨与支承的静导轨之间的相对运动速度较低。直线运动滑动导轨截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆形，并可互相组合。由于矩形导轨制造简单，刚度高，承载能力大，具有两个相垂直的导轨面。且两个导 轨面的误差不会相互影响，便于安装。再将矩形整体倾斜 45后，侧面磨损能自动补偿，克服了矩形导轨侧面磨损不能自动补偿的缺陷，使其导向性更好。图 5.2 为双矩形导轨。这种导轨的刚度高，当量摩擦系数比三角形导轨低，承载能力高，加工、检验和维修都方便，而被广泛地采用。特别是数控机床，双矩形，动导轨贴塑料软带，是滑动导轨的主要形式。矩形导轨存在侧向间隙，必须用镶条进行调整。图 5.3 中（a）由一条导轨的两侧导向，称为窄式组合；图（b）分别由两条导轨的左、右侧面导向，称为宽式组合。导轨受热膨胀时宽式组合比窄式的变形量大，调整时应留较大的侧向间隙，因而导向性较差。所以，双矩形导轨窄式组合比宽式用得更多一些。图 5.2 双矩形导轨图 5.3 双矩形导轨的两种形式镶条是用来调整矩形导轨和燕尾导轨的侧隙，以保证导轨面的正常接触。镶条应放在导轨受力较小的一侧。压板用于调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。如图5.4，是用磨或刮压板 3 的 e 面和 d 面来调整间隙。压板的 d 面和 e 面用空刀槽分开，间隙大磨刮 d 面，太紧时则修 e 面。这种方式构造简单，应用较多，但调整时比较麻烦 14 15。 图 5.4 压板结构6 数控系统选择 6.1 西门子数控系统的优点 西门子数控系统具有优越的性能，设计中选择 SINUMERIK 802D 型号。其控制器：具有免维护性能的 SINUMERIK 802D，其核心部件 - PCU（面板控制单元）将 CNC、PLC、人机界面和通讯等功能集成于一体。可靠性高、易于安装；SINUMERIK802D 可控制 4 个进给轴和一个数字或模拟主轴。通过生产现场总线PROFIBUS 将驱动器、输入输出模块连接起来； 模块化的驱动装置 SIMODRIVE611Ue 配套 1FK6 系列伺服电机，为机床提供了全数字化的动力。通过视窗化的调试工具软件，可以便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化； SINUMERIK802D 集成了内置 PLC 系统，对机床进行逻辑控制。采用标准的 PLC 的编程语言 Micro/WIN 进行控制逻辑设计。并且随机提供标准的 PLC 子程序库和实例程序，简化了制造厂设计过程，缩短了设计周期。 CNC 功能：控制车床、钻铣床；可控制 4 个进给轴和一个数字或模拟主轴；三轴联动，具有直线插补、平面圆弧插补、螺旋线插补、空间圆弧（CIP）插补等控制方式；螺纹加工、变距螺纹加工；旋转轴控制；端面和柱面坐标转换（C 轴功能） ；前馈控制、加速度突变限制；程序预读可达 35 段；刀具寿命监控；主轴准停，刚性攻丝、恒线速切削；FRAME 功能（坐标的平移、旋转、镜象、缩放） 操作单元：单色 10.4 TFT 显示器，彩色为选件；全功能数控键盘具有水平安装方式，和垂直安装方式；标准机床控制面板（选件） ；三个手轮接口；RS232 串行接口； 生产现场总线接口；标准键盘接口；PC 卡插槽（用于数据备份和批量生产） 操作与显示：带有 8 个水平软键和 8 个垂直软键的直观操作；对刀及刀具测量，工件坐标系测量，基本坐标偏移；MDA 方式端面加工；程序段搜索运行；坐标轴锁定、快速空运行；后台编程；加工外部程序（通过串行接口） ；示波器、袖珍计算器、和工件计数器；两种语言在线切换；16 种语言可选择安装；在线公英制切换；机床坐标系、工件坐标系、和