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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数控车床
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单位代码 学 号 分 类 号 密 级 设计 说明书 50 型数控车床进给传动系统设计 院（系）名称 专业名称 学生姓名 指导教师 2012 年 5 月 15 日 50 型数控车床进给传动系统设计 摘 要 伺服进给系统是数控机床的重要组成部分，对机床整体性能有着决定性的影响。越来越多的研究人员在进给伺服系统的研究中投入大量精力。研究设计进给系统的结 构，并进行误差计算和精度分析，有利于深入了解进给系统的原理和设计方法，进而探求可能的优化设计。 本次设计了 以滚珠丝杠为核心元件的 控车床工作台进给 传动 系统。 控车床进给传动系统主要由电动机、滚珠丝杠、 工作台 、 联轴器 、导轨 组成。 通过 对数控车床进给传动系统的 设计 理论，首先进行了 伺服进给传动系统的总体 方案 设计以及机床精度 的选择 ；其次是沿 Z 轴（纵向）进给和沿 X 轴（横向）进给 传动 系统设计的滚珠丝杠的计算 与 选择、滚珠丝杠支承轴承的选择、 通过计算选择进给 传动 系统的其他相关元器件 、 对传动系统的刚度、惯量 匹配等进行了校核验算； 再次通过计算来选择进给传动 系统 的 伺服 电动机 以及 联轴器 ， 最后进行导轨的选择。 证明计算得出的结果较好得满足了提出的设计要求 ， 利用 件绘制了相关的装配图。 关键词 ：数控车床 , 进给伺服系统 , 滚珠丝杠 is an C on of a of in of on of of a NC of of NC of to of of by of of to of of AD 目录 1 绪论 .数控机床的概念 .数控机床的 组成分类及特点 . 1 数控机床的组成 . 数控机床的分类 . 数控机床的特点 .数控系统的发展简史及国外发展现状 .我国数控系统的发展现状及趋势 . 我国 数控技术状况 . 数控系统的发展趋势 .伺服系统 对 伺服 电机 的 要求 .设计的内容和目的 . 进给 传动 系统的总体设计 .机床的主要性能参数 .进给 传动 系统的精度要求 .进给传动 伺服系统的选择 .进给 传动 系统的传动要求及传动类型的选择 . 进给 传动 系统的传动要求 . 进给 传动类型的选择 .电机与丝杠联接方式的选择 .撑形式方案选择 . 10 3 总体方案设计 . 12 方案设计及总体布局 . 12 主切削力的计算 . 12 4 横向进给 传动 系统 设计 . 15 已知技术参数 . 15 X 轴滚珠丝杠的计算及 选择 . 15 滚珠丝杠支承轴承的选择 . 19 X 轴滚珠丝 杠 的校核 . 20 临界压缩负荷 . 20 临界转速 . 21 滚珠 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 . 22 滚珠 丝杠扭转刚度 . 23 滚珠丝杠 传动精度计算 . 24 X 轴滚珠丝杠进给 传动 系统变形计算 . 25 滚珠丝杠精度计算 . 25 X 轴进给伺服电机的选择计算 . 28 X 轴进给伺服电机的校核 . 30 联轴器 的 选择 . 31 5 纵向进给 传动 系统 设计 . 32 已知技术参数 . 32 Z 轴滚珠丝杠的计算及选择 . 32 Z 轴滚珠丝杠支承轴承的选择 . 34 Z 轴滚珠丝 杠 的校核 . 35 临界压缩负荷 . 35 临界转速 . 35 滚珠 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 . 35 滚珠 丝杠扭转刚度 . 36 滚珠丝杠 传动精度计算 . 37 Z 轴滚珠丝杠进给 传动 系统变形计算 . 37 Z 轴精度计算 . 38 Z 轴进给伺服电机的选择 与 计算 . 38 伺服电机的校核 . 40 联轴器的选择 . 41 6 床身及导轨 的选择 . 42 床身 的选择 . 42 导轨 的选择 . 43 结 论 . 46 致 谢 . 47 参考文献 . 48 、黄河科技学院毕业设计说明书 第 1 页 1 绪论 控机床的概念 数控机床是综合应用计 算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物 ，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备 。 控机床的组成分类及特点 数控机床的组成 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。 1、 控制介质：以指令的形式记载各种加工信息； 2、 数控装置：接受输入的加工信息，经数控装置运算处理，向伺服系统发出相应的脉冲； 3、 伺服系统：把数控装置的脉冲信号转换成机床运动部件的机械位移；用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。 4、 机床本体 ：包括，主轴部分、进给系统、 刀库和自动换刀装置 (自动托盘交换装置 (。 数控机床的分类 数控机床的品种和规格繁多，分类方法不一。根据不完全统计，目前已有近 500 种数控机床。 根据数控机床的功能和组成，一般分为以下几类： 按坐标轴数分类：一般数控机床，数控加工中心机床，多坐标轴数控机床； 按特点分类：点位控制数控机床，直线控制数控机床，轮廓控制数控机床； 黄河科技学院毕业设计说明书 第 2 页 按有无测量装置分类：开环数控系统，半闭环数控系统，闭环数控系统； 按功能水平分类：经济型，普及型，高级型。 数控机床的特点 数控机床较 好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量 80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来，数控机床有以下几方面的特点： 1、 提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定； 2、 提高生产效率，一般约提高效率 3，使用数控加工中心机床则可提高生率 5 3、 可加工形状复杂的零件； 4、 减轻了劳动强度，改善了劳动条件； 5、 有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。 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(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 70 1，德国达 57。目前世界数控机床年产黄河科技学院毕业设计说明书 第 3 页 量超过 15 万台，品种超过 1500 多 种 2。 我国数控系统的发展现状及趋势 我国 数控技术 发展 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， m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、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于 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， 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 14 3，到 1997 年数控机床产值数控化率为 24 5。目前，我国数控机床 (包括经济型机床 )品种约有 500 个。 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，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，故黄河科技学院毕业设计说明书 第 4 页 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 。 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。 数控 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 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。 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 4000上的角加速度的能力，才能保证电机可在 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 车床 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 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。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 5 页 设计的内容 和 目的 本次设计的内容是机床总体方案设计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、数控系统设计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、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。黄河科技学院毕业设计说明书 第 6 页 2 进给 传动 系统的总体设计 机床的主要性能参数 本设计对数控车床的进给系统进行了设计，该数控车床具有刚度高、排屑功能流畅、运转噪音低、传动效率高、精度保持性好、有效寿命长等优点。 车床的进给伺服系统采用交流伺服电机驱动，选用精密数控系统，并合理选用高精度元器件，保证了伺服系统达到要求的精度、重复定位精度，并使其具有高刚度和良好的 稳定性。 车床的主要技术参数如表 示。 表 床主要技术参数 序 号 项 目 子 项 目 单 位 参 数 值 1 加工范围 工件最大回转直径 500 最大车削长度 50(顶尖距 ) 最大车削直径 310 2 主轴 主轴通孔直径 80 主轴转速范围 53500 主轴恒功率范围 373500 主轴恒扭矩范围 5437 主轴电机功率 1/15(连续、 303 床鞍 倾斜角度 度 45 X 轴行程 75 Z 轴行程 82 X 轴快速移动速度 m/5 Z 轴快速移动速度 m/0 黄河科技学院毕业设计说明书 第 7 页 进给 传动 系统的精度要求 良好的电气部件设计和机械结构设计，能保证进给伺服系统的精度和稳定性。本设计着重进行进给伺服系统的机械结构设计、传动设计 。 本次设计的 进给系统采用滚珠丝杠螺母副传动， Z、 X 两轴联动，单轴具有较高的定位精度和重复定位精度。 进给传动 伺服系统的选择 1、 开环伺服系统 开环伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统，开环进给伺服系统的精度较低，速度也受到步进电动机性能的限制。但由于其结构简单，易于调整，在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用。 2、 闭环控制系统 因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以为了保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。闭环控制系统是采用直线型位置检测装置对数控机床工作台位移进行直接测 量并进行反馈控制的位置伺服系统。 3、 半闭环控制系统 采用旋转型角度测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器等）和伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统，称作半闭环控制系统。半闭环控制系统的检测装置有两种安装方式：一种是把角位移检测装置安装在丝杠末端；另一种是把角位移检测装置安装在电动机轴端。 数控机床要求达到预定的精度要求以外，根据需求，并且考虑到经济的效益，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图 示。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 8 页 图 给伺服系统原理图 进给 传动 系统 的 要求及传动类型的选择 进给 传动 系统 的 要求 数控 车 床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。为此，数控 车 床的进给传动系统必须满足 : 1、 低惯量； 2、 低摩擦阻力； 3、 高刚度； 4、 高谐震； 5、 消除传动间隙。 给传动系统 类型的选择 数控 车 床进给传动系统的基本传动方式常用的有两种：滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副。 1、 滚珠丝杠螺母副 在 数控 车 床上 将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠丝杠螺母副。其特点是：传动效率高，一般为 =动灵敏，摩擦力小，不易产生爬行；使用寿命长；具有可逆性，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，亦可将直线运动变成旋转运动；轴向运动精度高，施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空行程；黄河科技学院毕业设计说明书 第 9 页 是目前中、小型数控机床的常见的传动方式。 2、 静压丝杠螺母副 其特点是：摩擦系数小 ； 仅为 稳性高；反向间隙小 。 但是，静压丝杠螺母副应有 一套供油系统，而且对有的清洁度要求高，如果在运动中供油忽然 中断 ， 将造成不良后果。 由以上 两种形式进行 比较，根据 根据设计 要求，纵向进给传动系统和横向进给传动系统都 应该 采用滚珠丝杠螺母副的传动方式。 电机与丝杠联接方式的选择 滚珠丝杠 与电动机的联接的型式主要有三种： 1、 与 联轴器 直接 联接 这是一种最简单的连接型式 。 这种结构型式的优点是 ： 具有最大的扭转刚度；传动机构本身无间隙 ； 传动精度高 ； 而且结构简单 、 安装、调整方便 ； 适用于像中小型号的数控车床。联轴器采用 弹性柱销 联轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的 “干涉 ”现象 性柱销 联轴器把电动机与丝杠直接联 接 ， 不仅可以简化结构，减少噪声，而且可以消除传动间隙，能减少中间环节带来的传动误差 ,提高传动刚度。 2、 通过齿轮联接 这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下 ,保持齿轮的无间隙啮合 。 但是结构比较复杂 ， 轴向尺寸大、传动刚度低、传动平稳性较差，一般用于精度要求低的 车 床中。 3、 通过同步齿形带联接 同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点 ,与齿轮传动相比它结构更简单 ,制造成本更低 ,安装调整更方便 ， 并且传动不打滑 ， 不需要大的张紧力 。 但是在同步齿形传动设计时对材料的要求很高。 在满足 车 床要求 的前提下，通过对比 ， 本 设计 采用通过 电动机与 滚珠丝杠直接与 联黄河科技学院毕业设计说明书 第 10 页 轴器 联接 ，这是一种简单的联接形式 ， 具有大的扭转刚度，制造成本低，传动精度高，而且结构简单，安装调整方便。 撑形式方案 的 选择 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 车 床、精密 车 床不可或缺的零部件 ， 兼具高效率、高精度、可逆性 等 特点。 滚珠丝杠的支撑形式有四种： 如图 示 ： （ a） 此种形式适用于中小载荷，低速，短丝杠垂直安装； （ b） 此种形式适用于中等转速， 高速度，高精度； （ c） 此种形式适用于中等载荷，中等转速； （ d） 此种形式适用于承载能力大，高速，高刚度，高精度的车床。 （ a）一端固定、一端自由 （ b）两端游动 （ c）一端固定、一端游动 （ d）两端固定 图 珠丝杠的支撑形式 从刚度计算可以看出，丝 杠 的支撑方式对丝 杠 的刚度影响很大。 采用两端固定的支承方式压杆稳定性和临界转速高，丝杠的轴向刚度为一端固定的 4 倍，丝杠可以 预拉伸，预拉伸后可减小丝杠自 重下垂和补偿热膨胀 以及 丝杠 高速回转时自由端的晃动。因此 本设计 采用两端固定的支撑方式。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 11 页 采用两端固定的支撑方式 适用于对刚度和位移精度要求 高的场合，符合本设计的设计 要求 。 对于 伺服 电机，由于系统要求精度高， X、 Z 两轴应该分别 采用 独立电机驱动，不宜采用步进电机驱动，因此选用交流伺服电机。黄河科技学院毕业设计说明书 第 12 页 3 总体方案设计 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。 数控 车床 的伺服系统是连接 数控系统和 车 床主体的重要部分 。 在设计中，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。 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： P Z P t s k (v P Z P Z P Z h P k k k k k 料( Z z . (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、 t 固定）下，表示工件材料的加工性差； 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。 v P Z P Z P Z h P k k k k料 分别为工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨损限度对 P 的修正系数。 指数。一般情况下X 。这说明吃刀深度对切削力的影响要比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， 2b ， ， 45 ， 10 ，黄河科技学院毕业设计说明书 第 13 页 0 ，后刀面磨损限度 ，切削时不用冷却液，车削外圆。 它们的系数、指数和修正系数之值也 不同，可从有关手册中查得 ，如表 表 数 及 指 数 工件材料 167 1 0 0 75 修 正 系 数 工 件 材 料 b40 50 50 60 60 70 70 80 80 90 90 100 0 84 0 90 0 95 1 0 1 04 1 09 切 削 速 度 v= 50 100 200 300 400 500 1 0 0 90 0 82 0 77 0 74 0 71 主 偏 角 = 30 45 60 70 90 1 08 1 0 0 94 0 94 0 89 前 角 = +20 +10 0 0 90 1 0 1 1 1 2 1 3 后刀面磨损限度 h= 0 9 .0 削功率是切削时在切削区内消耗的功率。 在 切削速度为已知时，切削功率可用下式计算： 1 0 2 6 0 6 1 2 0v P vN k w切 削(在校验机床选用的电动机功率时应使 N N k切 削 过电 机(式中 机床电动机 名义功率（千瓦）； 机床效率（一般齿轮机床 = 黄河科技学院毕业设计说明书 第 14 页 电动机超载时容许的系数（一般 57。 如表 其中各参数的最大值进行估算 取 67， ， 切深 t=5给量 s=r 则由公式 ( : : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4: : 4 8 0 0 : 1 2 0 0 : 1 9 2 0 切削功率：取切削速度为 105m/公式 ( ： 4 8 9 . 5 1 0 58 . 46120切
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