数控车床进给系统机械传动结构的设计（全套含CAD图纸）
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数控车床
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附录 NC NC he of of of of is as is is to of is of of is in to of in NC be as to to of of to as of s to an to is of on is by on of of (1) (2) (3) (4) (5) (6) of to is a so as a of of of he an in is of in in NC to to to a of C of of an is of NC s in 1 is of To as of be as 1st of to n an 00,000 of 0 to be in of in of nd or in a to to by a of to of s up 0 m / or up 00 m / At of s s a of of to 0 m / 00 m / g, 0 000r/A 0 in h, in to h; s 2 *! 000 r / g. In 0 of NC 0 m m, 5 m, m, to - ( m). of C 000h, 0000 h, a In to as of to of a 5of Is be in of as 5to a in C of NC is At to of to of C to of of in of to of of be a in be or or 1.3 of of C 21 be in of of as to of as of so to as of To C C of At C to as C s s so NC up a C NC in of a or NC a he s of of C a of NC NC C as is of is a NC of on a as at NC NC in a as in at s (or s it (to s at s or , C to in of 1.4 on on s NC to NC s in a of 000, NC of on C C a 0 of of is , M is he NC is a NC to a on to a to as as of be of a in of of a of NC in a NC on is an NC NC be 5%), 5%) 0%). At in in 0 is a he NC to as of a is a C is 2 NC s NC 958, 0 of be 958 979, as of on C is s in of up of up to s of is in of of of s NC of NC up 0%, 0%. 0 C of on a. C of NC is C of of b. a in on NC to C a of o. 1 NC a of ? C. a in NC in u e, we uo in of s of a of of in NC of of is as a. of 0 5 b. of is is in of is is of NC to c. of on of is in is of of in a. on of of of on of to on NC of is b. a of C of C of a of c. by of d. in is of NC is 3 NC is a in we to of to of or in of s be of be s in as of We on of of to i购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 图书分类号： 密 级 ： 摘要 数控车床进给系统 是指能分别沿着 X 向和 进给运动的系统 ，是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵 横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的 常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、 轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 关键词 数控 车床 ；传动系统 ；工作台 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I NC is to to do to of NC NC of Y by to to in , Y of of be to as a a a 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 录 1 绪论 . 4 . 4 . 4 . 2 . 5 . 6 . 6 2 交流伺服电动机 . 7 . 7 . 7 . 7 . 8 3 丝杠的选型及计算 . 9 . 9 . 9 . 9 . 11 . 11 的动载荷计算与直径计算 . 11 . 12 . 13 负载惯量的匹配 . 14 差及精度 . 15 . 15 差计算 . 16 . 17 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I . 17 4 联轴器的选择 . 19 . 19 . 20 . 21 5 滚珠丝杠的支撑结构及轴承选用 . 22 . 22 . 23 . 24 6 导轨的选型 . 25 . 25 . 26 . 27 . 28 . 29 结论 . 30 致谢 . 31 参考文献 . 32 附录 . 33 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 V 1 绪论 控车床概述 述 我国目前机床总量 380余万台，而其中数控机床总数只有 我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 产值约为 18亿元。机床的数控化率仅为 6。这些机床中 ,役龄 10年以上的占 60以上； 10年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20， 国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可 见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率，而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性： （ 1)可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 （ 2)可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高 3 7倍。 （ 3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 （ 4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 （ 5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。 在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装 备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息变成加工 程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具和工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条件不紊乱地作，从而加工出零件的全部轮廓。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加工程序即可 ，原来的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计机床，致使生产准备时间过长。 经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精。以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。 数控机床对机械传动系统的要求为： （ 1)尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力。 （ 2)选用最佳的降 速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能加速达到跟踪指今。 （ 3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。 （ 4)尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。 （ 5)尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度高高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。 般说来，如原车床的工作性能良好，精度尚未降低，则应尽量保留机床的传动系统，如原车床使用时间较长，还应将传动部件拆除或更换，以确保改造后车床的传动精度。 控机床的组成 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床组成机床本体的各机械部件组成，如图 1 图 1数控装置控制介质测量装置伺服系统 机 床购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 电动机的选择要求 (1)根据机械的负载特性和生产工 艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。 (2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取 (3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。 (4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。 (5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程 的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。 此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。 电动机类型和结构型式的选择 由于不同的机床要求不同的主轴输出性能 (旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等 )，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表 1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。 感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个泛地应用于各种数控机床上。 为了确保数控机床进给传动系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，应注意一下要求。 (1)提高传动精度和刚度。数控机床本身的精度，尤其是进给传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，是数控机床的特征指示。为此首先要保证各个传动件的加工精度，尤其是提高滚珠丝杠螺母副（直线进给系统），蜗杆副（圆周进给系统）的传动精度。另外，在进给传动链中加入减速齿轮以减小脉冲当量（即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离），从系统设计的角度分析，也可以提高精度； 通过预期传动滚珠丝杠，消除齿轮，蜗轮等传动件的间隙办法，来提高传动精度和刚度。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 (2)减少各运动零件的惯量。传动件的惯量对进给系统的启动和制动特性都有影响，尤其是高速运转的零件，其惯量的影响更大。在满足传动强度和刚度的前提下，尽可能减小执行部件的质量，减小旋转零件的直径和质量，以减少运动部件的质量。 (3)减少运动件的摩擦阻力。机械传动结构的摩擦阻力，主要来自丝杠螺母副和导轨。在数控机床进给系统中，为了减小摩擦阻力，消除低速进给爬行现象，提高整个伺服进给系统稳定性，广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静 压导轨等。 (4)相应速度快。所谓快速响应特性是指进给传动系统对输入指令信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。快速响应是伺服进给系统的动态性能，反映了系统的跟踪精度。工件加工过程中，工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确的跟踪指令，在运行时不出现丢步和多部现象。进给传动系统响应速度的大小不仅影响到机床的加工效率，而且影响加工精度。设计中应使机床工作台及传动 机构的刚度，间隙，摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高伺服进给系统的快速响应性。 (5)较强的过载能力。由于电动机频繁换向，且加减速度很快，电动机 可能在过载条件下工作。这就要求电动机有较强的过载能力，一般要求在数分钟内过载 4 6倍而不损坏。 (6)稳定性好，寿命长。稳定性事寺附近给系统能够正常工作的最基本条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系统的惯性，刚度，阻尼及增益等都有关系，适当选择的各项参数，并能达到最佳的工作性能，是伺服进给系统设计的目标。 (7)使用维护方便。数控机床属于高精度自控制机床，主要用于单件，中小批量，高精度及复杂的生产加工，机床的开机率相应就高，因而进给传动系统的结构设计应便于维护和保养，最大限度的减少维修工作量，以提高机床的利用率。 数控车床伺服系统的一般结构如图 1 图 1购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 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。 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 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。 控车床进给系统的分类 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工 作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中 采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。 直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。 交流伺服已占据了机床进给伺服 的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能 。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 题题目及背景 进给系统是数控加工的关键环节，是数字控制的直接对象，被加工工件的最终坐标位置精度和轮廓精度都与传动结构有关。脉冲当量是 进速度是 1000mm/100 150 合理设计进给系统的结构；完成进给部件（包含滚珠丝杠螺母副、燕尾槽导轨、导轨防护罩等）的结构设计及总图和零件图；完成主传动系统的设计计算；完成二万字的毕业论文及 5000字的译文。 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。 动方案的设计 本次设计的内容是数控车床进给系统 械主体部份直线导轨和滚珠丝杆 ，联轴器 ,工作台面 ，导轨。需要完成 向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、数控系统设计。 设计参数见表 1 1冲当量mm/位精度 大移动速度m/s 工作台尺寸 给抗力 N 工作台行程 面最大物重质量 Y 100*120 800 100 150 300 进给 系统设计 方案： （ 1） 执行机构采用交流伺服电动机； （ 2） 传动机构采用滚珠丝杠副； （ 3） 导向机构采用滑动导轨。 其中进给系统需完成滚珠丝杠螺母副的选型计算，系统的 传动的刚度，动态分析，系统的误差计算以及定位精度飞的计算 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 交流伺服电动机 流伺服电机概述 流伺服电机的要求 交流伺服电动机广泛用于机电一体化设备及自动控制系统中作为执行元件 ,用于将输入的交流控制信号快速的转换为转轴的角位移或角速度输出。对交流伺服电动机的一般性能要 求是 : (1)良好的可控性 ,单向供电时无自转现象； (2)运行稳定性好 ,在较宽的速度范围内均匀稳定运行； (3)）响应速度快，控制信号发生时，电动机能快速跟随变化。 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 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 (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能保证电机可在 (4)电机应能随频繁启动、制动和反转。 流伺服电机的分类 (1)笼型交流伺服电动机 代号 子与定子结构与一般笼型异步电动机相似 ,但转子一般为两相 ,且细而长 ,笼可用铝、紫铜、黄铜制成，励磁电流较小，体积较小，机械强度较高，低速运转时不够平滑，有抖动现象 ,广泛运用于小功率自动控制系统、随动系统和计算装置中。 (2)非磁性杯型交流伺服电动机 代号 非磁性金属铝、黄铜等制成杯形转子，杯的内外由内外定子构成磁路 ,转动惯量小，运转平滑、无抖动现象，励磁电流和体积较大 ,用于要求运行平滑的系统，如自动装置和计算装置等。 (3)代号 矩大 ,转速低 ,机械特性线性度好 ,低速性能良好，可直接与丝杠连接，用于数控机床驱动或其他驱动系统。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 (4)低速交流伺服电动机 代号 子、定子结构与笼型交流伺服电动机相同 ,另外机壳中装有齿轮减速装置，体积小 ,重量轻 ,力能指标高 ,性能好，输出转速低 ,转矩大，广泛应用于自动装置和计算 技术装置中作驱动、执行或控制元件。 流伺服电动机的选型 影响交流伺服电动机使用性能的因素： （ 1） 电源频率和电压波动 频率升高时 ,定 ,转子漏抗增加 ,励磁电抗增加，堵转下降，机械特性的线性度变坏 ,频率增高过多时 ,还可能出现内阻尼显著变小和产生单相供电自转现象。电压下降时 ,堵转转矩和输出功率会显著下降，加速时间增长 （ 2） 放大器内阻抗 伺服放大器的内阻抗大，将使两相交流伺服电动机的机械特性线性度变坏甚至引起单相供电自转，所以一般伺服放大器都采用副反馈方法来降低内阻抗 （ 3） 不同有效信号系数 制造厂提供的是两相交 流伺服电动机的两相对称状态机械特性 (有效信号系数 e=1)。但是 ,系统设计时往往需要不对称状态的机械特性。求不对称的机械特性的方法是 :按图示方法求取 0n 2 时线性机械特性和对称状态机械特性的转矩差值 H;再求出 A=4H 02n 和B=4H 0n ;再将 A,B 和所需要的有效特性系数 e 带入下式即可求得不同转速 n 下的转矩 T,得到 T=f(n)机械特性 222 )1(2),( 综上所述，选择 列交流伺服电动机，其特点是转矩大、转速低，机械特性线性度好低速性能良好，可直接与丝杠连接。选择 技术数据见表 2 2型号） 输出功率（ 额定转矩（ 最大转矩(最高转速(r/转动惯量(2m ) 机械时间常数(热时间常数(质量(2000 10 9 15 3 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3 丝杠的选型及计算 杠的介绍 杠螺母副的分类 丝杠螺母副是机床上常用的运动变换机构，其功用是将旋转运动变换成直线运动。按丝杠与螺母的摩擦性质不同，可将数控机床上常用的丝杠螺母副分为以下几类： (1)滑动丝杠螺母副，主要用于旧机床的数控化改造，经济型数控机床等； (2)滚珠丝杠螺母副，广泛用于中，高档数控机床； (3)静压丝杠螺母副，主要用于高精度数控机床，重型机床。 滚珠丝杠螺母 副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。 珠丝杠丝杠螺母副的结构形式 按照滚珠的循环方式，滚珠丝杠螺母副分成内循环方式和外循环方式两大类。 外循环 内循环 图 3内循环方式是指在循环过程中滚珠始终保持和丝杠接触的方式，这种接触方式螺母结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨损，返回滚到短，不易产生滚珠堵塞，摩擦损失小，缺点是结构复杂，制造叫困难。外循环方式是指在循环过程中滚珠与丝杠脱离接触方式，外循环方式制造工艺简单，广泛应用，螺母径向尺寸较大，但因用弯管端部作挡珠器，故刚性差，易磨损，且噪声较大。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 滚珠丝杠螺母副具有以下特点： (1)传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为 普通丝杠高 3此，功率 消耗只相当于普通丝杠的 1/4-/3. (2)若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。 (3)运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 (4)具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。 (5)磨损小，使用寿命长。 (6)制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。 (7)不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不同，下降时当传 动切断后，不能立即停止运动，故还需要增加制动装置。 主要参数如下： (1)公称直径 称直径即丝杠螺母副的名义直径， 载能 力和刚度越大。数控机床上常用的进给丝杠的直径为： 30 80 (2)基本导程 杠相对于螺母旋转 2，螺母的轴向位移 ，基本的导程称为螺距。它按程载力选取，并与进给的脉冲当量有关。 (3)精度等级。滚珠丝杠可以分为 7 个精度等级 ，即 I、 2、 3、 4、 5、 7、 10 七个精度等级， 1级最高，其次递减。一般选用 4级 7级，数控机床及 精密机械可选 用 2级 3级。滚珠丝杠副的精度直接影响定位精度、承载能 力、接触刚度，因此它丝滚珠丝杠副的重要质量指标。 本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副，精度为 3级，两端采用了小圆螺母为轴向定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个0L的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现预紧。这种调隙方法结构简单，但载荷量须预先设定而且不能改变。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 擦力的计算 设工作载荷 000 走刀方向的切削分力 导轨受到垂向切削分力 000 ，纵向切削分力 00 ，移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量） m=受重力 W=300N)，查表得镶条紧固力 2000取导轨动摩擦系数 ，则 ()g v f F F 式 ( 765)8002 0 0 02 0 0 0300( 计算在不切削状态下的导轨摩擦力0F和0 ) 0 . 1 5 ( 3 0 0 2 0 0 0 ) 3 4 5 f N 00 ( ) 0 . 2 ( 3 0 0 2 0 0 0 ) 4 6 0 f N 算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 计算最大轴向负载力 5 6 57 6 58 0 0m a x 计算最小轴向负载力m i n 0 345 N 珠 丝杠的动载荷计算与直径计算 按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷 已知数控机床的预期工作时间 15000滚珠丝杠的当量载荷 1565，查表得载荷系数 ；初步选择滚珠丝 杠的精度等级为 3级精度，取精度系数 1 ；查表得可靠性系数 1 。取滚珠丝杠的当量转速已知m a x 1 / m 滚珠丝杠的基本导程0 6L m a xm a x 01000 1 0 0 0 1 1 6 6 . 6 7 /6vn r 3 60 100 m m h n 式 (购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 66603 根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形 已知本车床横向进给系统的定位精度为 40 m ,重复定位精度为 16 m ，则有 131(1m a x 40)4151(2m a x 取上述计算结果的较小值，即m a x 5 m。 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2端游动支承方式，滚珠丝 杠螺母副的两个固定支承之间的距离为 L=行程 +安全行程 +2余程 +螺母长度 +支承 （ 程 +（ 25 30）0=(100+30 6)20L=(150+30 6)90 o Ld m 2 04 6 00 7 式 (确定滚珠丝杠螺母副的型号 根据以上计算所得的0L、步选择 号为公称直径0d、基本导程0L、额定动载荷 0 32d 6L 8 0 92 0 2 0 0 m 珠丝杠螺母副承载能力校核 已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径2 滚珠丝杠螺母副的最大受压长度1 300L 丝杠水平安装时，取1 1/3K ，查表得2 2K ，则有 4 455212 2211 2 7 . 91 0 2 1 0 4 4 8 8 3 1 . 2 13 3 0 0 K N 式 (本车床进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为 565 ，远小于其临界压缩载荷满足要求。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3 滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度2 300L 其弹性模量 0E 密度531 7 . 8 1 0 /N m ，重力加速度 329 . 8 1 0 /g m m s 滚珠丝杠的最小惯性矩为 4 4 42 3 . 1 4 2 7 . 9 2 9 7 2 8 . 0 56 4 6 4I d m m 滚珠丝杠的最小截面积为 2222 取1 ，查表得 ，则有 21 22602 式 (2 5 3256 0 3 . 9 2 7 2 . 1 1 0 2 9 7 2 8 . 0 5 9 . 8 1 00 . 82 3 . 1 4 3 0 0 7 . 8 1 0 6 1 1 . 0 5 4 6 9 2 2 4 9 / m 滚珠丝杠螺母副的最高转速为 m，远小于其临界转速，故满足要求。 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核 ,滚珠丝杠的额定动载荷 20200已知其轴向载荷 1565m ，滚珠丝杠的转速m a x 1 6 6 . 6 7 / m i nn n r，运转条件系数 ，则有 3)( 0)0 式 ( h 1 2 4 4 3 660 4 4606 式 (滚珠丝杠螺母副的总工作寿命 h 1 5 0 0 01 2 4 4 3 9 ，故满足要求。 载惯量的计算 已知滚珠丝杠的密度 337 . 8 1 0 /k g c m ，则有 3 4 210 . 7 8 1 0 1 . 3 8nr j L k g c m 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 4 已知横向进给系统执行部件的总质量为 m=杠轴每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离 L= 2 2 20 . 6( ) 3 0 . 6 1 ( ) 0 . 2 82 2 3 . 1 4L LJ m k g c m 已知在切削状态下的轴向负载力m a x 2 4 0 1 . 1 9 N，丝杠每转一圈，机床执行部件轴向移动的距离 L=6给传动系统的传动比 i=有 2 4 0 1 . 1 9 0 . 0 0 6 0 . 4 32 2 3 . 1 4 0 . 8 5 6 . 2 5 m N 式 (已知在不切削状态下的轴向负载力矩0 345，则有 0 3 4 5 0 . 0 0 6 0 . 0 6 22 2 3 . 1 4 0 . 8 5 6 . 2 5 式 (计算由滚珠丝杠预紧力，滚珠丝杠螺母副的预紧力m a 0 0 . 43 N0 2208 0 0 . 4 0 . 0 0 6(1 ) (1 0 . 9 8 ) 0 . 0 0 5 72 2 3 . 1 4 0 . 8 5 6 . 2 5 式 (3.折算到电动机轴上的负载力矩 空载时（快进力矩），为 ( 0 . 0 6 2 0 . 0 0 5 7 ) 0 . 0 6 8K J T N m N m 切削时（工进力矩），为 ( 0 . 4 3 0 . 0 0 5 7 ) 0 . 4 3 6G J c T N m N m 动机惯量与负载惯量的匹配 m a x 1000 6 . 2 5 / m i n 1 0 4 1 . 6 7 / m i r r m a )6 0 9 8 0a p m 式 (2 3 . 1 4 1 0 4 1 . 6 7 6 . 2 5 ( 4 . 6 2 . 8 )6 0 9 8 0 0 . 0 5 1 0 2 . 9 1 0 . 0 8k g f c m N m 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 5 计算空载启动力矩) (1 0 . 0 8 0 . 0 6 2 0 . 0 0 5 7 ) 1 0 . 1 5q a p T T N m N m 计算快进力矩0 . 0 6 2 0 . 0 0 5 7 ) 0 . 0 6 8K J T N m N m 计算工进力矩0 . 4 3 0 . 0 0 5 7 ) 0 . 4 4G J c T N m N m 确定最大静转矩 机械传动系统空载启动力矩 11 0 . 1 5 1 0 . 6 70 . 9 5 1 0 . 9 5 1 m N m 机械传动系统空载启动力矩 2 0 . 4 4 1 . 4 70 . 3 0 . 3T N m N m 取1本电动机的最大静转矩为 ，大于以在规定的时间内正常启动，故满足要求。 验算惯量匹配，为了使机械传动的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量 因为 4 . 7 2 5 0 . 4 3 6 0 . 2 5 , 1 9 . 8 ，故满足惯量匹配要求。 服进给系统的动态响应、误差及精度 给系统的动态分析 滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度 60 m i n 1 9 1 1 0 /K K N m ，机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为 m 、珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为1 / 3m m ，已知 m=： 233 . 2 6 4 7 . 8 1 0 4 . 0 14sm k g 11( 3 0 . 6 1 4 . 0 1 ) 3 1 . 9 533m m k g k g 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 6 60 1 9 1 1 0 / 2 4 4 5 /3 1 . 9 5nc dK r a d s r a d 式 (折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为 2 2 2( 9 . 8 4 . 2 7 5 ) 6 . 2 5 8 8 0 . 0 0 8 8 k g c m k g c m k g m 已知滚珠丝杠的扭转刚度 1 3 5 6 6 . 0 4 / N m r a d ，则 1 3 5 6 6 . 0 4 1 2 4 1 . 6 /0 . 0 0 8 8sK r a d 式 (由以上计算可知，丝杠 工作台纵向振动系统的最低固有频率扭转振动系统的最低固有频率比较高。一般按 3 0 0 /n s 的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。 给系统的误差计算 计算机械传动系统的反向 死区 已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值 6m i n 1 9 1 1 0 /K N m m，导轨的静摩擦力为0 460则 3 3 30 6m i 4 6 02 1 0 1 0 4 . 8 2 1 01 9 1 1 0F m m m 式 (即 4 . 8 2 8 ，故满足要求。 计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差m a x 0m i n m a ) 1 0k F 3366114 6 0 ( ) 1 0 0 . 7 1 1 01 9 1 1 0 2 7 1 1 0 即m a x 0 . 7 1 6k ，故满足要求。 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 已知负载力矩 68 N m m ，扭矩作用点之间的距离2 355L 丝杠底径2 则有 2224426 8 3 5 57 . 2 1 1 0 7 . 2 1 1 0 0 . 0 0 2 92 7 . 9 由该扭转变形 引起的轴向移动滞后量 将影响工作台的定位精度，有 0 0 . 0 0 2 96 0 . 0 53 6 0 3 6 0L m m m 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I 图书分类号： 密 级 ： 摘要 数控车床进给系统 是指能分别沿着 X 向和 进给运动的系统 ，是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵 横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的 常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、 轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 关键词 数控 车床 ；传动系统 ；工作台 NC is to to do to of NC NC of Y by to to in , Y of of be to as a a a 录 1 绪论 . 3 . 3 . 3 . 2 . 5 . 6 . 6 2 交流伺服电动机 . 7 . 7 . 7 . 7 . 8 3 丝杠的选型及计算 . 9 . 9 . 9 . 9 . 11 . 11 . 11 . 12 . 13 惯量与负载惯量的匹配 . 14 差及精度 . 15 . 15 统的误差计算 . 16 . 17 . 17 4 联轴器的选择 . 19 . 19 . 20 . 21 5 滚珠丝杠的支撑结构及轴承选用 . 22 . 22 . 23 . 24 6 导轨的选型 . 25 . 25 . 26 . 27 . 28 . 29 结论 . 30 致谢 . 31 参考文献 . 32 附录 . 33 绪论 控车床概述 述 我国目前机床总量 380余万台，而其中数控机床总数只有 我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 产值约为 18亿元。机床的数控化率仅为 6。这些机床中 ,役龄 10年以上的占 60以上； 10年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20， 国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可见我 们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率，而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性： （ 1)可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 （ 2)可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高 3 7倍。 （ 3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 （ 4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 （ 5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。 在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是 以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 2 用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息变成加工 程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具和工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条件不紊乱地作，从而加工出零件的全部轮廓。 数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加工程序即可，原 来的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计机床，致使生产准备时间过长。 经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精。以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。 数控机床对机械传动系统的要求为： （ 1)尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力。 （ 2)选用最佳的降速比 ，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能加速达到跟踪指今。 （ 3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。 （ 4)尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。 （ 5)尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度高高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。 般说来，如原车床的工作性能良好，精度尚未降低，则应尽量保留机床的传动系统，如原车床使用时间较长，还应将传动部件拆除或更换，以确保改造后车床的传动精度。 控机床的组成 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床组成机床本体的各机械部件组成，如图 1 数控装置控制介质测量装置伺服系统 机 床3 图 1数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 电动机的选择要求 (1)根据机械的负载特性和生产工艺对 电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。 (2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取 (3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。 (4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。 (5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要 求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。 此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。 电动机类型和结构型式的选择 由于不同的机床要求不同的主轴输出性能 (旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等 )，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表 1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。 感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个广泛地应用于各种数控机床上。 为了确保数控机床进给传动系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，应注意一下要求。 (1)提高传动精度和刚度。数控机床本身的精度，尤其是进给传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，是数控机床的特征指示。为此首先要保证各个传动件的加工精度，尤其是提高滚珠丝杠螺母副（直线进给系统），蜗杆副（圆周进给系统）的传4 动精度。另外，在进给传动链中加入减速齿轮以减小脉冲当量（即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离），从系统设计的角度分析，也可以提高精度；通过 预期传动滚珠丝杠，消除齿轮，蜗轮等传动件的间隙办法，来提高传动精度和刚度。 (2)减少各运动零件的惯量。传动件的惯量对进给系统的启动和制动特性都有影响，尤其是高速运转的零件，其惯量的影响更大。在满足传动强度和刚度的前提下，尽可能减小执行部件的质量，减小旋转零件的直径和质量，以减少运动部件的质量。 (3)减少运动件的摩擦阻力。机械传动结构的摩擦阻力，主要来自丝杠螺母副和导轨。在数控机床进给系统中，为了减小摩擦阻力，消除低速进给爬行现象，提高整个伺服进给系统稳定性，广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导 轨等。 (4)相应速度快。所谓快速响应特性是指进给传动系统对输入指令信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。快速响应是伺服进给系统的动态性能，反映了系统的跟踪精度。工件加工过程中，工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确的跟踪指令，在运行时不出现丢步和多部现象。进给传动系统响应速度的大小不仅影响到机床的加工效率，而且影响加工精度。设计中应使机床工作台及传动 机构的刚度，间隙，摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高伺服进给系统的快速响应性。 (5)较强的过载能力。由于电动机频繁换向，且加减速度很快，电动机可能 在过载条件下工作。这就要求电动机有较强的过载能力，一般要求在数分钟内过载 4 6倍而不损坏。 (6)稳定性好，寿命长。稳定性事寺附近给系统能够正常工作的最基本条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系统的惯性，刚度，阻尼及增益等都有关系，适当选择的各项参数，并能达到最佳的工作性能，是伺服进给系统设计的目标。 (7)使用维护方便。数控机床属于高精度自控制机床，主要用于单件，中小批量，高精度及复杂的生产加工，机床的开机率相应就高，因而进给传动系统的结构设计应便于维护和保 养，最大限度的减少维修工作量，以提高机床的利用率。 数控车床伺服系统的一般结构如图 1 5 图 1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。 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 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。 控车床进给系统的分类 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台 上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。 直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。 交流伺服已占据了机床进给伺服的主 导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能6 化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能 。 题题目及背景 进给系统是数控加工的关键环节，是数字控制的直接对象，被加工工件的最终坐标位置精度和轮廓精度都与传动结构有关。脉冲当量是 进速度是 1000mm/100 ： 150 合理设计进给系统的结构；完成进给部件（包含滚珠丝杠螺母副、燕尾槽导轨、导轨防护罩等）的结构设计及总图和零件图；完成主传动系统的设计计算；完成二万字的毕业论文及 5000字的译文。 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。 动方案的设计 本次设计的内容是数控车床进给系统 械主体部份直线导轨和滚珠丝杆 ，联轴器 ,工作台面 ，导轨。需要完成 向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、数控系统设计。 设计参数见表 1 1冲当量mm/位精度 大移动速度m/s 工作台尺寸 给抗力 N 工作台行程 面最大物重质量 Y 100*120 800 100 150 300 进给 系统设计 方案： （ 1） 执行机构采用交流伺服电动机； （ 2） 传动机构采用滚珠丝杠副； （ 3） 导向机构采用滑动导轨。 其中进给系统需完成滚珠丝杠螺母副的选型计算，系统的 传动的刚度，动态分析，系统的误差计算以及定位精度飞的计算 7 2 交流伺服电动机 流伺服电机概述 流伺服电机的要求 交流伺服电动机广泛用于机电一体化设备及自动控制系统中作为执行元件 ,用于将输入的交流控制信号快速的转换为转轴的角位移或角速度输出。对交流伺服电动机的一般性能要求是 : (1)良好的可控性 ,单向供电时无自转现象； (2)运行稳定性好 ,在较宽的速度范围内均匀稳定运行； (3)）响应速度快，控制信号发生时，电动机能快速跟随变化。 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 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 (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能保证电机可在 (4)电机应能随频繁启动、制动和反转。 流伺服电机的分类 (1)笼型交流伺服电动机 代号 子与定子结构与一般笼型异步电动机相似 ,但转子一般为两相 ,且细而长 ,笼可用铝、紫铜、黄铜制成，励磁电流较小，体积较小，机械强度较高，低速运转时不够平滑，有抖动现象 ,广泛运用于小功率自动控制系统、随动系统和计算装置中。 (2)非磁性杯型交流伺服电动机 代号 非磁性金属铝、黄铜等制成杯形转子，杯的内外由内外定子构成磁路 ,转动惯量小，运转平滑、无抖动现象，励磁电流和体积较大 ,用于要求运行平滑的系统，如自动装置和计算装置等。 (3)8 代号 矩大 ,转速低 ,机械特性线性度好 ,低速性能良好，可直接与丝杠连接，用于数控机床驱动或其他驱动系统。 (4)低速交流伺服电动机 代号 子、定子结构与笼型交流伺服电动机相同 ,另外机壳中装有齿轮减速装置，体积小 ,重量轻 ,力能指标高 ,性能好，输出转速低 ,转矩大，广泛应用于自动装置和计算技术 装置中作驱动、执行或控制元件。 流伺服电动机的选型 影响交流伺服电动机使用性能的因素： （ 1） 电源频率和电压波动 频率升高时 ,定 ,转子漏抗增加 ,励磁电抗增加，堵转下降，机械特性的线性度变坏 ,频率增高过多时 ,还可能出现内阻尼显著变小和产生单相供电自转现象。电压下降时 ,堵转转矩和输出功率会显著下降，加速时间增长 （ 2） 放大器内阻抗 伺服放大器的内阻抗大，将使两相交流伺服电动机的机械特性线性度变坏甚至引起单相供电自转，所以一般伺服放大器都采用副反馈方法来降低内阻抗 （ 3） 不同有效信号系数 制造厂提供的是两相交流伺 服电动机的两相对称状态机械特性 (有效信号系数 e=1)。但是 ,系统设计时往往需要不对称状态的机械特性。求不对称的机械特性的方法是 :按图示方法求取 0n 2 时线性机械特性和对称状态机械特性的转矩差值 H;再求出 A=4H 02n 和B=4H 0n ;再将 A,B 和所需要的有效特性系数 e 带入下式即可求得不同转速 n 下的转矩 T,得到 T=f(n)机械特性 222 )1(2),( 综上所述，选择 列交流伺服电动机，其特点是转矩大、转速低，机械特性线性度好低速性能良好，可直接与丝杠连接。选择 技术数据见表 2 2型号） 输出功率（ 额定转矩（ 最大转矩(最高转速(r/转动惯量(2m ) 机械时间常数(热时间常数(质量(2000 10 9 15 3 9 3 丝杠的选型及计算 杠的介绍 杠螺母副的分类 丝杠螺母副是机床上常用的运动变换机构，其功用是将旋转运动变换成直线运动。按丝杠与螺母的摩擦性质不同，可将数控机床上常用的丝杠螺母副分为以下几类： (1)滑动丝杠螺母副，主要用于旧机床的数控化改造，经济型数控机床等； (2)滚珠丝杠螺母副，广泛用于中，高档数控机床； (3)静压丝杠螺母副，主要用于高精度数控机床，重型机床。 滚珠丝杠螺母副是 直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。 珠丝杠丝杠螺母副的结构形式 按照滚珠的循环方式，滚珠丝杠螺母副分成内循环方式和外循环方式两大类。 外循环 内循环 图 3丝杠的循环方式 内循环方式是指在循环过程中滚珠始终保持和丝杠接触的方式，这种接触方式螺母结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨损，返回滚到短，不易产生滚珠堵塞，摩擦损失小，缺点是结构复杂，制造叫困难。外循环方式是指在循环过程中滚珠与丝杠脱离接触方式，10 外循环方式制造工艺简单，广泛应用，螺母径向尺寸较大，但因用弯管端部作挡珠器，故刚性差，易磨损，且噪声较大。 滚珠丝杠螺母副具有以下特点： (1)传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为 普通丝杠高 3此，功率消耗 只相当于普通丝杠的 1/4-/3. (2)若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。 (3)运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 (4)具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。 (5)磨损小，使用寿命长。 (6)制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。 (7)不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不同，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故还需要增加制动装置。 主要参数如下： (1)公称直径 称直径即丝杠螺母副的名义直径， 载能 力和刚度越大。数控机床上常用的进给丝杠的直径为： 30 80 (2)基本导程 杠相对于螺母旋转 2，螺母的轴向位移 ，基本的导程称为螺距。它按程载力选取，并与进给的脉冲当量有关。 (3)精度等级。滚珠丝杠可以分为 7 个精度等级 ，即 I、 2、 3、 4、 5、 7、 10 七个精度等级， 1级最高，其次递减。一般选用 4级 7级，数控机床及 精密机械可选用 2级 3级。滚珠丝杠副的精度直接影响定位精度、承载能 力、接触刚度，因此它丝滚珠丝杠副的重要质量指标。 本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副，精度为 3级，两端采用了小圆螺母为轴向定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个0L的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现预紧。这种调隙方法结构简单，但载荷量须预先设定而且不能改变。 11 擦力的计算 设工作载荷 000 走刀方向的切削分力 导轨受到垂向切削分力 000 ，纵向切削分力 00 ，移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量） m=受重力 W=300N)，查表得镶条紧固力 2000取导轨动摩擦系数 ，则 ()g v f F F 式 ( 765)8002 0 0 02 0 0 0300( 计算在不切削状态下的导轨摩擦力0F和0 ) 0 . 1 5 ( 3 0 0 2 0 0 0 ) 3 4 5 f N 00 ( ) 0 . 2 ( 3 0 0 2 0 0 0 ) 4 6 0 f N 算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 计算最大轴向负载力 5 6 57 6 58 0 0m a x 计算最小轴向负载力m i n 0 345 N 珠丝杠 的动载荷计算与直径计算 按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷 已知数控机床的预期工作时间 15000滚珠丝杠的当量载荷 1565，查表得载荷系数 ；初步选择滚珠丝杠的 精度等级为 3级精度，取精度系数 1 ；查表得可靠性系数 1 。取滚珠丝杠的当量转速已知m a x 1 / m 滚珠丝杠的基本导程0 6L m a xm a x 01000 1 0 0 0 1 1 6 6 . 6 7 /6vn r 12 3 60 100 m m h n 式 (66603 根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形 已知本车床横向进给系统的定位精度为 40 m ,重复定位精度为 16 m ，则有 131(1m a x 40)4151(2m a x 取上述计算结果的较小值，即m a x 5 m。 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2端游动支承方式，滚珠丝杠螺 母副的两个固定支承之间的距离为 L=行程 +安全行程 +2余程 +螺母长度 +支承 （ 程 +（ 25 30）0=(100+30 6)20L=(150+30 6)90 o Ld m 2 04 6 00 7 式 (确定滚珠丝杠螺母副的型号 根据以上计算所得的0L、步选择 号为公称直径0d、基本导程0L、额定动载荷 0 32d 6L 8 0 92 0 2 0 0 m 珠丝杠螺母副承载能力校核 已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径2 滚珠丝杠螺母副的最大受压长度1 300L 丝杠水平安装时，取1 1/3K ，查表得2 2K ，则有 4 455212 2211 2 7 . 91 0 2 1 0 4 4 8 8 3 1 . 2 13 3 0 0 K N 式 (13 本车床进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为 565，远小于其临界压缩载荷满足要求。 滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度2 300L 其弹性模量 0E 密度531 7 . 8 1 0 /N m ，重力加速度 329 . 8 1 0 /g m m s 滚珠丝杠的最小惯性矩为 4 4 42 3 . 1 4 2 7 . 9 2 9 7 2 8 . 0 56 4 6 4I d m m 滚珠丝杠的最小截面积为 2222 取1 ，查表得 ，则有 21 22602 式 (2 5 3256 0 3 . 9 2 7 2 . 1 1 0 2 9 7 2 8 . 0 5 9 . 8 1 00 . 82 3 . 1 4 3 0 0 7 . 8 1 0 6 1 1 . 0 5 4 6 9 2 2 4 9 / m 滚珠丝杠螺母副的最高转速为 m，远小于其临界转速，故满足要求。 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核 ,滚珠丝杠的额定动载荷 20200已知其轴向载荷 1565m ，滚珠丝杠的转速m a x 1 6 6 . 6 7 / m i nn n r，运转条件系数 ，则有 3)( 0)0 式 ( h 1 2 4 4 3 660 4 4606 式 (滚珠丝杠螺母副的总工作寿命 5 0 0 01 2 4 4 3 9 ，故满足要求。 载惯量的计算 已知滚珠丝杠的密度 337 . 8 1 0 /k g c m ，则有 14 3 4 210 . 7 8 1 0 1 . 3 8nr j L k
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