MJ-50型数控车床进给传动系统设计（全套含CAD图纸）
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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 (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 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（ 平台。 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。 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。 床 进给伺服系统的设计要求 （ 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 的主要技术参数 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、 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： (a) 案 (b) 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。 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 ： 图 2 伺服系统控制原理图 4沿 向） 和 向） 进给系统设计 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：联轴器 滚珠丝杠螺母副 滑板 联轴器 滚珠丝杠螺母副 刀架 P Z P t S k （ 1） v P Z P Z P Z h P k k k k k 料 （ 2） P Z P Z v P Z P Z P Z h P t S k k k k k 料 （ 3） 式中， 系数，由工件的材 料和加工方法决定，一定的切削条件（ v s t、 、一定）下， 常数。 表示工件的材料加工性差， ，表示工件的材料加工性好； k 总体修正系数； 工件材料对 P 的修正系数； 切削速度对 P 的修正系数； 主偏角对 P 的修正系数 3； 前角对 P 的修正系数； 刀具磨损限度对 P 的修正系 数； 指数， ，表示吃刀深度对切削力的影响要比走刀量对切削力的影响大。 态等效载荷 计算动态等效载荷：表 9 径向载荷系数（ X ）和轴向载荷系数 （ Y ） 组合列 数 2列 3列 4列 组合形式代 号 T 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 / eX Y / eX 动态等效载荷 a r F 式中， 径向载荷， N； 轴向载荷， N； X 径向载荷系数，见表 9； Y 轴向载荷系数，见表 9。 3a a L 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。 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。 （ 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 40% 70%。 （ 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 20% 70%，载荷变形引起的误10% 20%，热变形误差占 20% 40%。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 40% 70%。 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， 2007. 2 侯力 M等教育出版社 ,2003. 3 张世昌 M等教育出版社 ,2002. 4王爱玲 . 现代数控机床结构与设计 M. 北京 :兵器工业出版社， 1999. 5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
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