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CKA6163 数控车床 驱动 系统 设计 SW 三维 仿真 CAD

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一、选题依据 1、研究领域 机械制造装备设计、CAD 2、论文（设计）工作的理论意义和应用价值 数控车床驱动系统是影响加工精度的主要因素之一，因此数控车床的驱动系统的设计对数控车床来说非常重要。伺服驱动系统在数控车床中，接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动进给系统，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件，但是加工出来的工件总会存在误差，只有不断提高伺服驱动系统的性能，才能不断减少加工误差。因此设计一个高精度的驱动系统，对数控车床有重大的理论意义。 提高伺服驱动系统的性能（包括稳定性和可靠性、快速响应性能、宽调速范围等） 可以使机床的系统性能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。 3、目前研究的概况和发展趋势 近年来，数控车床进给伺服系统在经历了开环的步进电动机伺服系统、直流电动机伺服系统两个分阶段之后，已进入了交流电动机伺服系统阶段。这是由于交流电动机具有结构简单、坚固耐用的特点。随着电力电子器件的小型化和高性能化，以及计算机技术的迅速发展，过去在技术上和经济上都难以实现的交流电动机控制问题都已迎刃而解，从而使交流伺服系统取得了主导地位。目前，在中小功率范围内，高性能的交流伺服系统的交流电动机主要采用感应式异步电动机和永磁同步电动机两种。一般来说，感应式异步电动机多用在功率较大、精度要求较低、投资费用要求低的场合； 而永磁同步电动机则在精度要求高、容量较小的场合得到了广泛的应用。 自 20 世纪 80 年代以来,国外一些著名的公司相继推出了交流伺服驱动系统。90 年代,采用了全数字控制的永磁同步电机交流伺服系统成功地实现了商品化,如日本的安川、富士通、松下、德国的西门子等。国外的永磁同步电机交流伺服系统采用先进的控制理论，如前馈补偿、矢量控制理论、直接转矩控制理论减小系统误差，加快响应过程，还利用非线性补偿控制功能来补偿驱动机械摩擦和粘性阻力产生的误差等。 我国伺服驱动系统经过近 20 年持续不断的技术攻关和市场培育，诞生了一大批数控厂商，形成了一定的市场规模。国内数控生产企业通过实施国家科技项目，攻关了伺服驱动技术，使其得到长足的发展。以武汉华中数控股份有限公司为例，现已开发出具有自主知识产权的 GK6，GK7 全系列永磁同步交流伺服电机和 GM7 系列交流伺服主轴，并且实现了批量生产，成为目前国内拥有成套核心技术自主知识产权（包括数控系统，伺服单元和电机主轴单元及主轴电机等）和自主配套能力的企业。 综合国内外现有的情况，伺服驱动系统有以下几个发展方向： 15（1） 全数字化； （2） 集成一体化； （3） 网络化、模块化； （4） 高性能化； （5） 通用化、低成本化； （6） 两极化； （7） 交流化。 二、论文（设计）研究的内容 1、重点解决的问题 （1）伺服驱动系统的方案设计； （2）伺服驱动系统的结构设计。 2、拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路） 设计思路： （1）确定课题的研究目的，研究内容，以及目前的研究概况及其发展； （2）确定伺服驱动系统的工作原理及主要组成，进行伺服驱动系统的设计过程概述； （3）电动机的选择：确定伺服电机的主要参数； （4）进行伺服驱动系统主要零件的设计计算及其校核：伺服驱动电机动力参数、转动惯量、传动效率、轴承、丝杠、齿型带轮等的强度刚度精度的设计计算与校核； （5）设计出伺服驱动系统的整体装配图。 3、本论文（设计）预期取得的成果 （1）一套完整的伺服驱动系统的装配图及零件图； （2）一份伺服驱动系统的说明书； （3）一篇外文文献翻译。 三、论文（设计）工作安排 1、拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）； (1) 查阅、整理参考文献，学习掌握伺服驱动系统的工作原理并根据大机床的实物， 进行方案伺服驱动系统设计。 (2) 伺服驱动系统设计、选型、校核计算。 2、设计参数： （1） CKA6163 数控车床工作台进给： 1） X 轴快移速度 4mm/min 工进速度 0.001-2000mm/min； Z 轴快移速度 7500mm/min 工进速度 0.001-4000mm/min； 2） X 轴行程 320 mm； Z 轴行程 1250 mm； （2） CKA6163 数控车床最大工作负载： 1）最大扭矩 821Nm； 2）最大切削主分力 6702 N； （3） CKA6163 数控车床工作精度： 1）重复定位精度 X/Z 轴 0.012/0.02 mm； 2）定位精度 X/Z 轴 0.03/0.045 mm； 3）反向偏差 X/Z 轴 0.013/0.02 mm。 3、论文（设计）进度计划 第 1-4 周 明确毕业设计任务，查阅参考文献并分析有关资料撰写开题报告。第 5 周 拟定伺服驱动系统设计方案。 第 6-8 周 进行主要零件的设计及其计算校核。 第 9-11 周 绘制伺服驱动系统的部分零件图、装配图及部分 3D 图。第 12 周 检查修改所有设计图纸。 第 13 周 书写毕业设计说明书，翻译与本设计相关的英文文献。第 14 周 准备毕业设计答辩。 四、需要阅读的参考文献 1张立勋等.机电一体化系统设计M.北京:高等教育出版社,2009. 2李斌等.数控技术M.武汉:华中科技大学出版社,2010. 3 于东 , 郭锐 锋 . 数控 机 床 中 伺服 系 统的 现 状 及 展望 J. 机械工人 . 冷加工,2005(03):19-21. 4王辉. CK6136 数控车床交流伺服进给系统的分析与仿真D.浙江工业大学,2009. 5黄玉洁. 基于 FANUC 数控系统的数控车床的伺服系统研究及优化D.东南大学,2016. 6雷武臣. 交流伺服驱动系统的仿真及 DSP 实现D.华南理工大学,2014. 7万筱剑. 数控机床进给用交流伺服驱动系统的研究D.哈尔滨理工大学,2005. 8康亚彪. 数控机床伺服系统动态仿真及参数优化D.大连理工大学,2010. 9刘兵,许万,杨勇. 数控机床进给驱动系统联合仿真基于刚柔耦合J. 现代商贸工业,2013,25(10):186-188. 10崔丽丽.永磁同步电动机交流伺服驱动系统的研究D.内蒙古工业大学,2006. 11彭瑞.永磁同步电机交流伺服系统的研究D.南京航空航天大学,2007. 12赵大兴,杨勇,许万,丁国龙,彭玲.基于 ADAMS 和 MATLAB 的数控机床进给驱动系统的机电联合仿真J.机床与液压,2014,42(10):28-31. 13邵明涛.伺服驱动系统的技术发展趋势分析J.机械工程师,2008(04):5-7. 14张亚菊,王秀莲,王玉湘,宋杨.数控机床主轴电机伺服驱动系统研究J.沈阳理工大学学报,2013,32(05):64-67+77. 15杨勇,张为民.基于 NNFFC 的数控机床进给驱动系统动态性能优化J.农业机械学报,2016,47(11):376-383. 16李一鸣.精密数控车床的刀塔伺服进给系统研究D.东北大学,2010. 17S. Kissling, Ph. Blanc, P. Myszkorowski, I. Vaclavik. Application of iterative feedback tuning (IFT) to speed and position control of a servo driveJ. Control Engineering Practice, 2009, 17 (7):834-840 18R. Whalley,A.A. Abdul-Ameer,K.M. Ebrahimi. The axes response and resonance identification for a machine toolJ . Mechanism and Machine Theory, 2011,46 (8):1171-119219 Dino Hllmann, Harald Kohlhoff, Patrick Neumann. Embedded control of a PMSM servo drive without current measurements J.Procedia Engineering ,2016,(168):1671-1675 附：文献综述文献综述1. 设计伺服驱动系统的目的和意义伺服系统是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统【5】。在机械制造行业中，各种机械运动部分的运动轨迹控制、位置控制等，都是依靠各种伺服系统控制的， 尤其是能依靠多套位置伺服系统的配合，完成复杂的空间曲线运动的控制，如数控机床的进给控制、机器人手臂关节的运动控制等。因此，设计一个稳定性高，可靠性好宽调速范围广，低惯量大转矩、成本低的伺服驱动系统能提高数控车床的整体性能。北京高等教育出版社的张立勋教授【1】对伺服驱动控制系统的作用作了如下归纳：（1） 伺服驱动系统是“机”和“电”之间的接口，通过它把电信号转变成执行机构的动力输出量。（2） 系统的精度和动态性能指标主要由伺服驱动系统的性能决定。（3） 伺服驱动系统的工作可靠性直接影响整个系统的可靠性。（4） 伺服驱动系统的成本对系统的成本影响很大。（5） 伺服驱动系统对系统的噪声、对环境的影响起决定作用。为此设计机床的伺服驱动系统对机床的加工精度具有重要的实际作用。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。伺服系统的动态和静态性能往往决定着数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标。数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。可见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驱动系统一直是现代数控机床的关键技术之一。【6】2. 伺服驱动系统的分类及构成(1)按执行元件分类东北大学的李一鸣【16】就伺服驱动系统按执行元件物理性质不同总结了如下分类:电气伺服系统、液压伺服系统、电液伺服系统、气压伺服系统。本课题主要设计的是电气伺服控制系统，故重点介绍电气伺服系统。其中电气伺服系统按所使用的电动机类型又可分为以下几种。1)步进伺服系统步进伺服系统又称开环位置伺服系统，其执行元件为步进电动机。步进电动机控制系统的结构最简单、控制最容易、维修最方便。其为全数字化(即数字化的输入指令脉冲对应着数字化的输出) 控制，符合数字化控制技术的要求。数控系统与步进电动机的驱动控制电路结合为一体。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其他硬件电路均可用软件实现，从而简化了系统的结构,降低了成本，提高了伺服系统的可靠性。2)直流伺服系统直流伺服系统常用的伺服电动机有小惯性直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机（也称为大惯量宽调速直流伺服电动机)。小惯量伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能获得最好的快速性，在早期的数控车床上应用较多，现在也有应用。小惯量同服电动机一般都设计成具有较高的额定转速和较低的惯量,所以应用时要经过中间机械传动(如减速器)才能与丝杠相连接。目前，许多数控车床上仍使用这种电动机的直流伺服系统。永磁直流伺服电动机的缺点是有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂、价格较贵。3)交流伺服系统交流进给伺服系统使用永磁同步伺服电动机。由于直流伺服电动机存在着有电刷等些固有缺点，其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量较直流电动机小，使其动态响应好。另外，在同样体积 F,交流电动机的输出功率可比直流电动机提高 10%-70%同时交流电动机的容量可以比直流电动机造的大，达到更高的电压和转速。因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成伺服系统的主流。从 20世纪 80 年代后期开始，大量使用交流伺服系统，有些国家的厂家已全部使用了交流伺服系统。(2)按控制方式分类1)开环伺服系统开环伺服系统是一种比较原始的伺服系统。这类系统不带检测装置，没有来自传感器的反馈信号，系统信息流式单向的，即给定脉冲发出去后，实际值不再反馈回来， 因此称为开环伺服系统，而且开环系统存在稳定性问题。2)半闭环伺服系统半闭环伺服系统的角位移测量元件一般安装在数控车床的进给丝杠或电动机轴端，用测量丝杠或电动机轴旋转的位移来代替测工作台直线。由于这种系统未将丝杠螺母副、齿轮传动副等传动装置包含在闭环反馈系统中，因而称为半闭环控制系统。这种系统不能补偿位置闭环系统外的传动装置的传动误差，但可以获得稳定的控制特性。3)全闭环伺服系统全闭环伺服系统带有检测装置，可以直接对工作台的位移最进行检测。与半闭环相比,其反馈点取自输出量,避免了半闭环系统自反馈信号取出点至输出最间各元件引出的误差。该类系统适用于对精度要求很高的数控机床，如镗床、超精密车床、超精密铣床等。（3）驱动系统构成伺服驱动系统是现代数控机床的重要部件。伺服驱动系统是电动机为控制对象， 以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。伺服系统主要是由伺服电路、机械驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。3. 交流伺服驱动系统的发展现状随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的惊人发展，尤其是先进控制策略的成功应用，交流伺服系统自 70 年代末以来的三十几年间，取得了举世瞩目的发展，己具备了全数字化、宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性完全可与直流伺服系统相媲美，多年来的“交流伺服取代直流伺服”这一愿望正逐渐变为现实。哈尔滨理工大学的万筱剑【7】指出:交流伺服系统的研究将继续成为电气传动领域的一个研究热点，并将带动相关产业的迅猛发展。交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类: 永磁同步(SM 型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM 型)电动机交流伺服系统。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉， 因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但是该系统也存在着一些不足之处，由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。而永磁同步电机交流伺服系统在技术上已趋于成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。加上永磁材料性能高而价格适宜，使其在工业自动化领域的应用越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流执行电机。根据控制形式的不同，永磁同步电机可分为方波电流控制型和正弦波电流控制型两种。前者通常称为无刷直流电动机（简称 BLDCM），后者则多被称为永磁同步电动机（简称 PMSM）。区别主要在于二者的磁场分布和反电势的波形不同。虽然如此，但永磁同步电动机交流伺服系统的定位精度也不是特别高，浙江工业大学的王辉【4】根据交流伺服进给系统的控制原理和结构建 立了误差数学模型,从理论上分析了定位误差的影响因素,并提出了提高精度的相关措施。总的来说，伺服驱动系统现在仍在快速地发展着，相信在不久的将来，交流伺服驱动系统一定会具有更好的宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应以适应数控技术的不断发展。4. 伺服驱动系统的发展趋势【13】（1）伺服驱动系统的全数字化伺服驱动系统全数字化主要包括伺服驱动内部控制的数字化，伺服驱动到数控系统接口的数字化和测量单元的数字化。（2）伺服驱动系统的集成一体化为使伺服驱动系统的设计更具功能化。“智能化电机”和“智能化伺服驱动器” 的发展成为伺服驱动系统的集成一体化的新发展方向。“智能化电机”是指集成了驱动和通讯的电机。“智能化驱动器”是指集成了运动控制和通讯的驱动器。（3）伺服驱动系统的网络化、智能化、模块化随着计算机网络技术的发展，在机器故障诊断方面，人们可以通过网络及时了解伺服系统的参数和实时运行情况，并可根据嵌入的预测性维护技术及时了解如电流、负载的变化情况、外壳或铁芯温度的变化情况，实现了实时预警。（4）伺服驱动系统高速度、高精度、高性能化随着电机的改进，驱动方式的改变和具备更高运行速率的 DSP 等是伺服驱动系统向着高速、高精、高性能化迈进的先决条件。（5）伺服驱动系统向着通用化的方向发展目前，通用型驱动器均配置有大量的参数和丰富的菜单功能。这使得用户在不改变硬件配置的条件下，方便的设置成 V/F 控制，无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等 5 种工作方式。（6）伺服驱动系统的两极化随着电动机永磁材料技术的发展，轻质材料的成熟运用，高速 DSP 技术的发展， 全新的驱动方式以及更出色的设计理念，伺服驱动系统可根据实际运用情况向两极化发展。（7）伺服驱动系统的交流化交流伺服系统自 70 年代末以来的三十几年间，取得了举世瞩目的发展，己具备了全数字化、宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，因此交流化已经形成伺服系统的主流。综上所述，本此的毕业设计主要是通过对过去、现在、国内、国外的伺服驱动系统的设计分析，了解伺服驱动系统的组成及功用、分类及特点、发展趋势等，并根据自己要设计 CKA6163 驱动系统的要求完成自己的毕业设计，且运用 CAD 的软件把装配图及其原理图绘制出。并进行装置的可实施性进行分析判断，最终完成 CKA6163 驱动系统的设计。任务书论文(设计)题目：CKA6163数控车床驱动系统设计工作日期：2017年12月18日 2018年05月20日1.选题依据:数控车床作为工作母机广泛应用于制造业的工程生产中，其结构和控制性能的好坏直接影响应用对象的工作效率、精度和成本。以其CKA6163数控车床驱动系统设计为题可有效地培养学生的分析问题、解决问题的能力及对所学专业知识的综合应用能力。2.论文要求(设计参数):1.学习理解数控车床的工作原理，掌握驱动系统的类型及设计要求，拟定驱动系统设 计方案；2.CKA6163数控车床驱动系统结构和控制系统设计，包括关键部件、组件及零件选型、设计、校核； 3.绘制相关工程图纸，图量不少于3张A0，必须含有部分3D图；4.书写设计说明书，不少于6000字；5.翻译一篇与设计内容相关的外文文献，不少于2000字。3.个人工作重点:1.整理参考文献，理解数控车床的工作原理，掌握驱动系统的类型及设计要求，进行 驱动系统方案设计；2.CKA6163数控车床驱动系统设计、选型、校核计算。4.时间安排及应完成的工作:第1周：明确毕业设计任务，指导查阅参考文献。 第2周：指导如何整理参考文献。第3周：指导书写开题报告注意事项。第4周：检查开题报告，提出指导意见，指导开题报告答辩。 第5周：上交开题报告终稿，拟定数控车床驱动系统设计方案。 第6周：动力系统设计及组成元件选择计算。第7周：传动机构设计及组成元件选择计算。第8周：传动机构设计及组成元件选择计算。第9周：绘制总装装配图。第10周：绘制数控车床驱动系统主要组成零件零件图。 第11周：绘制数控车床驱动系统部件或组件3D图。第12周：检查修改所有设计图纸。第13周：书写毕业设计说明书，翻译与本设计相关的英文文献。 第14周：准备毕业设计答辩。5.应阅读的基本文献:1 杨勇,张为民. 基于NNFFC的数控机床进给驱动系统动态性能优化J. 农业机械学报,2016,47(11):376-383.2 赵大兴,杨勇,许万,丁国龙,彭玲. 基于ADAMS和MATLAB的数控机床进给驱动系统的机电联合仿真J. 机床与液压,2014,42(10):28-31.3 张亚菊,王秀莲,王玉湘,宋杨. 数控机床主轴电机伺服驱动系统研究J. 沈阳理工大学学报,2013,32(05):64-67+77.4 叶献彬,张东升,冯斌. 基于ADAMS与MATLAB的数控机床伺服进给驱动系统联合仿真J. 机床与液压,2013,41(15):160-163.5 刘兵,许万,杨勇. 数控机床进给驱动系统联合仿真基于刚柔耦合J. 现代商贸工业,2013,25(10):186-188.6 周东. 数控转台双电机消隙驱动系统的研究与设计D.湖南大学,2013.7 袁成荣,蒋强,吴志威. 数控木工加工中心伺服驱动系统仿真设计J. 机械制造与自动化,2012,41(06):118-120.8 陈婵娟. 数控车床设计M. 化学工业出版社, 20069 焦炬. 浅析数控机床发展现状J.机电产品开发与创新,2011,3:16-1810 汪淑珍,贾辉. 数控机床的发展状况与应对政策J. 重庆文理学院学报(自然科学版),2012, 1:94-9711 R. Whalley,A.A. Abdul-Ameer,K.M. Ebrahimi. The axes response and resonance identificationfor a machine toolJ . Mechanism and Machine Theory, 2011,46 (8):1171-119212 S. Kissling, Ph. Blanc, P. Myszkorowski, I. Vaclavik. Application of iterative feedback tuning(IFT) to speed and position control of a servo driveJ. Control Engineering Practice, 2009, 17(7):834-840指导教师签字：XX教研室主任意见：同意签字：XX 2017年12月14日教学指导分委会意见：同意签字：XX 2017年12月15日 学院公章进度检查表第-3周工作进展情况明确自己的设计题目，到中国知网查阅并收集相关的文献资料，阅读总结所查阅的相关文献，然后书写开题报告初稿。需要明确CKA6163数控车床驱动系统的组成、功用、分类及特点、国内外发展趋势及未来发展趋势。2017年12月24日指导教师意见已收集了一定量的中英文文献，建议调整为近5年的期刊文献，进行了开题报告初稿的书写。指导对收集的文献资料进行进一步整理，对开题报告存在的问题提出修改意见。指导教师(签字)：XX 2017年12月26日第-1周工作进展情况结合所选题目，按照指导教师和开题答辩指导小组意见，修改开题报告，最终完成开题报告撰写工作。2018年01月10日指导教师意见按照指导教师和开题答辩小组的修改意见进行了开题报告的修改，并网上提交了开题报告。完成阶段性工作。布置了假期设计任务：进一步查阅文献，理解设计任务，初步拟定总体设计方案。指导教师(签字)：XX 2018年01月11日第 1周工作进展情况在整理资料文献的基础上，与指导老师协商，完成所做的CKA6163数控车床驱动系统设计。同时我在假期把部分图纸画完了，接下来准备完成部分零件的设计计算。2018年03月08日指导教师意见经过与企业和校内指导教师协商，完成了数控车床驱动系统方案设计，方案较为合理可行。假期完成了部分设计图纸的绘制，进度较快。建议：结构选型与校核计算同步进行。指导教师(签字)：XX 2018年03月09日第 6周工作进展情况现在已经完成了进给系统总图和工作台三维图纸的绘制，并撰写了相关的毕业设计说明书，外文文献已经翻译完成，接下来就准备修改图纸和把剩下的说明书写完。2018年04月13日指导教师意见按照计划进度较好地完成相关设计任务，参加并通过了答辩小组组织的中期检查。建议与企业合作导师沟通，到生产车间结合实际对象认真进行对比、思考，适当修改结构、相关校核计算部分同步进行。指导教师(签字)：XX 2018年04月14日第 9周工作进展情况现已基本完成毕业设计说明书的撰写，正在修改二维图和三维图。外文文献也即将修改完成，本周可以完成毕业设计的全部任务。2018年05月09日指导教师意见已按计划初步完成相应设计任务。建议：设计说明书格式严格按照模板规范要求书写；中英文摘要重点要突出。设计主体内容、效果表述清晰；方案设计部分比较、选择论述清楚；计算、校核要齐全；外文翻译避免直译或翻译软件自动翻译；图纸符合规范要求等。指导教师(签字)：XX 2018年05月09日第 11周工作进展情况初稿交上去以后按照老师的要求改了论文内容及格式和图纸，现已基本修改完成。并且已经把说明书和设计作品上传到了毕业生管理系统。2018年05月21日指导教师意见较好地完成设计任务，说明书和图纸进行了修改。指导毕业设计答辩准备注意事项、讲解和作答时应注意的问题、进一步修改调整图纸和说明书。指导教师(签字)：XX 2018年05月21日过程管理评价表评价内容具体要求总分评分工作态度态度认真，刻苦努力，作风严谨33遵守纪律自觉遵守学校有关规定，主动联系指导教师,接受指导33开题报告内容详实，符合规范要求54任务完成按时、圆满完成各项工作任务44过程管理评分合计14 过程管 理评语 XX同学在整个设计过程中，工作态度认真、学习勤奋、踏实肯干，能自觉遵守学校的相关规定，按时、主动积极向校内和企业指导教师汇报工作进度，接受指导；该生能够结合设计任务认真全面收集、整理相关文献资料，踏实深入到生产现场调研实习，在与校内外指导教师磋商的基础上，归纳出设计重点和难点，拟定较为合理可行的设计路线和时间安排，书写的开题报告内容较为完整，符合规范要求；按照任务书的要求完成的结构设计及相应的校核计算，绘制了结构装配图、组件图、零件图及部分三维结构图，翻译了一篇与设计内容相关的外文文献，按时、出色地完成了规定的工作任务。指导教师签字:XX日期:2018-05-22指导教师评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规109指导教师评分合计17 指导教 师评语 数控车床广泛应用于现代机械加工生产线上，以某型号数控车床驱动系统结构设计为题符合本专业培养目标要求，有一定的实际应用价值，设计难度及工作量适中。XX同学能够结合设计任务在收集整理相关文献和现场一线观摩学习的基础上，拟定较为合理的设计方案，并进一步完成了数控车床驱动系统各组成部分的选型、设计计算，绘制了相应的工程图纸，较好地完成了设计任务。设计说明书内容完整、层次清晰、格式较为规范、公式引用及计算合理可信，绘制的工程图样较为符合国家标准要求。提交的设计资料及过程表现反映出该生具备一定的知识综合应用能力、文字表达能力和使用工程软件进行设计的能力。指导教师签字:XX日期:2018-05-22评阅人评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规108评阅人评分合计16 评阅人 评语 CKA6163数控车床驱动系统设计,符合机制培养目标，具有较好的实践意义，论文深度、难度、工作量适中；该生具备一定的综合运用知识能力和中、外文表达能力，文献检索能力以及计算机应用能力；该设计主要完成了进给系统总体设计方案、纵向驱动系统传动结构选型以及驱动系统各组成部分等内容，完成了滚珠丝杠、螺母、齿型带轮等的选型及计算内容；论文文题基本相符、概念较准确；论文格式基本符合规范化要求，同意该生按时参加毕业答辩。评阅人签字：王艳颖评阅人工作单位：XX日期：2018-05-22答辩纪录 学生姓名：XX专业班级：机英144 毕业论文(设计)题目： CKA6163数控车床驱动系统设计答辩时间：2018年05月 日 时 分 时 分答辩委员会(答 主任委员(组长)： XX辩小组)成员委员(组员)： XXXXX答辩委员会(答辩小组)提出的问题和答辩情况问题1：1 .CKA6163代表的含义是什么？回 答： CK代表数控车床，A代表结构特性，6代表卧式车床，1代表卧式车床系，63代表加工范围630mm。问题2：2 .在你的设计中，最终确定的总体方案是什么？回 答： 在本设计中我所确定的总体方案是：交流伺服电机通过同步齿型带轮减速将运动和动力传递给滚珠丝杠，最后由丝杠螺母和大支架将旋转运动变成十字工作台的往复直线运动。问题3：3 .驱动部分的驱动方向如何？回 答： 本设计中的驱动方向分为纵向驱动和横向驱动。问题4：4. 在你的设计中，驱动部分可以用普通电机代替吗？回 答： 不可以。普通电机没有伺服电路，不能满足驱动系统的精度要求。本设计选用的是永磁同步交流伺服电机。问题5：5 . 你通过计算什么参数来选择交流电机和滚珠丝杠的？回 答： 我主要通过计算转矩来选择交流电机和计算导程、切削力、丝杠最小低径等来选择滚珠丝杠。记录人： 2018年05月24日答辩委员会评价表评价内容具体要求总分评分自述总结思路清晰,语言表达准确,概念清楚,论点正确,分析归纳合理107答辩过程能够正确回答所提出的问题,基本概念清楚,有理论根据107选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满55完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规107能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语应用能力、文献资料检索能力、计算机应用能力107答辩委员会评分合计33 答辩委员会评语 XX同学在毕业设计工作期间，工作努力，态度认真，能遵守各项纪律，表现良好。 能按时、全面、独立地完成与毕业设计有关的各环节工作，具有一定的综合分析问题和解决问题的能力。 论文立论正确，理论分析得当，解决问题方案实用，结论正确。 论文使用的概念正确，语言表达准确，结构严谨，条理清楚。 论文中使用的图表，设计中的图纸在书写和制作时，能够执行国家相关标准，规范化较好。 具有一定的独立查阅文献资料及外语应用能力，原始数据搜集得当，实验或计算结论准确。 答辩过程中，能够简明和正确地阐述论文的主要内容，思路清晰，论点基本正确；回答问题准确，有应变力；有较好的语言表达能力。答辩成绩： 33答辩委员会主任：XX2018年05月31日成绩评定 项目分类成绩评定过程管理评分14指导教师评分17评阅人评分16答辩委员会评分33总分80成绩等级B成绩等级按“A、B、C、D、F”记载成绩审核人签章： XX审核人签章： XXCKA6163 数控车床驱动系统设计摘要驱动系统是数控车床中数控装置与机械本体之间的连接环节，起着“承上启下”作用，驱动系统的好坏将直接影响数控车床整体的加工精度和可靠性。所以设计一个性价比高的驱动系统对提高加工精度和经济效益有着重要的实际意义。 本文以大连机床集团的 CKA6163 型数控车床为基础，针对其驱动系统进行一系列设计。本文采用理论结合实践的研究方法，首先对驱动系统的整体结构进行了设计，然后重点对驱动系统的滚珠丝杠和机械传动部分进行了设计选型及校核计算，对驱动系统的执行部分及其余零部件进行了详细的选型说明。最终本文运用 CAD 和 Solidworks 软件对驱动系统进行了二维图的绘制和三维图的建模，并完成相关的毕业设计说明书的撰写和外文文献的翻译，以此完成 CKA6163 型数控车床进给驱动系统的设计。 本文设计的驱动系统可以为数控车床带来更高的加工精度、定位精度及响应速度更快的动静态性能；可以为劳动人员带来更多的便捷，降低劳动强度；可以为企业带来更多的经济效益，最终不断促进数控机床行业的发展。 关键词：数控车床；驱动系统；机械传动IABSTRACTThe driving system is the link between the numerical control device and the mechanical body of the CNC lathe, and plays the role of connecting the connecting link. The good or bad of the driving system will directly affect the machining accuracy and reliability of the CNC lathe. Therefore, the design of a cost-effective driving system has important practical significance for improving machining accuracy and economic benefits.Based on the CKA6163 CNC lathe of Dalian machine tool group, this paper designs a series of drive systems. In this paper, the whole structure of the drive system is designed by combining theory with practice, and then the design selection and checking calculation of the ball screw and mechanical transmission part of the driving system are given, and the detailed selection of the actuating parts of the driving system and the remaining parts of the drive system is given. Finally, this paper uses CAD and Solidworks software to make the drawing of two-dimensional diagram and modeling of the three-dimensional diagram of the drive system, and complete the related graduation design instructions and the translation of the foreign documents, so as to complete the design of the feed drive system of the CKA6163 CNC lathe.Driving system designed in this paper can bring higher machining precision, positioning precision and faster response to the dynamic and static performance of the CNC lathe. It can bring more convenience to the workers, reduce labor intensity, bring more economic benefits for the enterprise, and eventually promote the development of CNC machine tool industry.Key Words： CNC lathe; Driving system; Mechanical transmission目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 驱动系统的背景和意义11.2 伺服驱动系统综述11.3 伺服驱动系统发展概况及趋势31.4 论文主要的工作及研究内容42 驱动系统总体方案设计52.1 总体方案设计52.2 总体方案综述73 纵向驱动系统传动结构选型83.1 滚珠丝杠的概述83.2 滚珠丝杠的选型及校核83.3 校核计算123.4 丝杠螺母类型及型号选择143.5 丝杠螺母的安装方式153.6 滚珠丝杆的润滑与防护173.7 轴承设计及校核173.8 齿型带轮的选型194 驱动系统各组成部分选型214.1 驱动部分214.2 执行部分244.3 控制部分264.4 其余结构部分275 结论与展望295.1结论295.2设计结构的优点295.3展望29参 考 文 献31附录 1：外文翻译32附录 2：外文原文39致谢46CKA6163 数控车床驱动系统设计1 绪论1.1 驱动系统的背景和意义数控机床是一种辅助人类劳动，使人从繁重的劳动中解脱出来，提高劳动生产率的一种机电一体化产品。数控机床的发展离不开伺服驱动系统的发展。伺服驱动系统经历了步进电机、直流电机、交流电机伺服驱动系统的发展历程。20 世纪 60 年代，数控机床普遍使用步进电机加消隙齿轮的伺服驱动形式，这种驱动形式主要依靠步进电机将电脉冲信号转变为机械角位移（即步进电机每接收一个电脉冲信号，转子就转过一个步距角）实现工作台的移动，虽然这种伺服驱动系统运行起来噪声较大，但其凭着控制系统简单、误差不累积的优良性能，在开环控制的机电一体化系统中广泛应用。20 世纪 70 年代，随着技术的不断突破，直流电机伺服驱动系统逐渐取代了步进电机驱动的伺服系统。直流伺服驱动系统中的直流电机有小惯量电机和大惯量电机之分。小惯量电动机用于数控驱动系统时容易出现传动间隙大，工作稳定性不好等的情况。故其没有持续待久， 就被大惯量直流电动机所取代了。大惯量直流电动机调速范围广，具有良好的启动性能和调速性能，所以曾被广泛地运用在各类数控机床上1。20 世纪 80 年代以来，随着大规模集成电路、电子电力学、计算机控制技术等的不断发展1，交流电动机的调速问题得以解决，使得交流电动机一下子称为数控机床市场的超级宠儿。因为交流电动机几乎具有直流电动机的所有优点，并且其具有更高的稳定性、精度及良好的动态响应性能。因此交流电机不断被运用在数控机床的伺服驱动系统中，成为迄今为止最为理想的驱动电机。以交流电机为驱动电机的伺服系统正成为主流。交流驱动系统的交流电机一般由异步感应式交流电机及永磁同步式交流电机两种。感应式交流电机制造方便，控制简单，价格低廉。但其存在一些明显的缺点使得其在目前的环境中并没有普遍应用如存在效率低、发热严重等的缺点。而永磁同步电机在技术上已经成熟，具有弱磁矢量控制，低速性能优良，调速范围广等的优点2。所以现在交流伺服驱动系统一般用永磁同步电机。本文也是如此。本课题来源于大连机床集团的实际产品。大连机床集团主要设计生产组专机及柔性制造系统;立、卧式加工中心、数控车床和车铣中心等。CKA6163 型数控车床是大连机床集团的量产车床，其良好的稳定性能及高的加工精度受到广大用户的一致好评，为此对驱动系统的设计具有重大意义。1.2 伺服驱动系统综述1.2.1 伺服驱动系统的组成分类- 31 - 伺服驱动系统是以位置为控制对象的自动控制系统。它是由伺服电路、机械驱动装置、机械传动机构及执行部件组成3。伺服驱动系统主要是用来接收数控系统发出的进给指令，然后通过伺服驱动电路作转换和放大后,经伺服驱动装置和机械传动机构,驱动机床的工作台实现工作进给和快速运动的3。伺服驱动系统具有许多分类方法,下面只说明按控制方式分类的开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。（1）开环控制系统这种伺服系统是根据数控指令，经控制运算发出脉冲信号输送到驱动电机使其转过相应的角度，最后经减速齿轮和丝杠螺母机构转换为移动部件的位移。这种系统没有反馈装置，所以其系统精度低。但它具有工作性能稳定，调试方便、维修简单等优点。开环系统结构如下图 1.1 所示：（2）半闭环控制系统图 1.1 开环系统结构图 这种系统是以机械位移和速度为控制量的自动控制系统。其位置检测元件安装在伺服电动机或丝杠的端部4。通过检测伺服电机或丝杆角度来间接测量工作台的位移然后反馈到数控装置的比较器中，与原值指令进行比较，最后发出比较后的指令，驱动伺服电机使移动部件往消除误差的方向移动，直至误差消除为止。由于该系统没有将移动部件的丝杆螺母包括在环内，丝杆传动机构的误差仍然会影响移动部件的位移精度。不过这种误差可以通过软件来补偿消除。系统结构图如下图所示：图 1.2 半闭环系统结构图 （3）闭环控制系统闭环控制系统的工作原理与半闭环相似。所不同的是闭环系统的位置检测装置安装在移动部件上，可以直接测量工作台的位移量，将实际位移量直接反馈到数控装置的比较器中。闭环控制系统可以达到更高的精度一般可到0.0001mm，一般运用在高精度数控机床上。系统结构图如下图所示：图 1.3 闭环系统结构图 1.2.2 数控机床对伺服驱动系统的要求伺服驱动系统的基本要求是系统的输出能够迅速而且精确地响应指令输入的变化5。所以对伺服驱动系统的基本要求有: （1）稳定性好：是指伺服系统受到干扰后，能快速回到返回到稳定状态。（2）精度要高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度1。（3）快速响应性好：快速响应性是伺服系统对某一输入量的响应过渡时间要尽可能短。（4）灵敏度要好：即系统能不因参数变化而受到较大的影响3。（5）抗干扰性强：伺服系统应保证对外界环境的干扰如噪声、粉尘等要较大的适应能力。1.3 伺服驱动系统发展概况及趋势近年来，数控车床驱动伺服系统在经历了开环的步进电动机伺服系统、直流电动机伺服系统两个分阶段之后，已进入了交流电动机伺服系统阶段6。这是由于交流电动机具有结构简单、坚固耐用的特点。随着电力电子器件的小型化和高性能化，以及计算机技术的迅速发展，过去在技术上和经济上都难以实现的交流电动机控制问题都已迎刃而解，从而使交流伺服系统取得了主导地位。目前，在中小功率范围内，高性能的交流伺服系统的交流电动机主要采用感应式异步电动机和永磁同步电动机两种。一般来说，感应式异步电动机多用在功率较大、精度要求较低、投资费用要求低的场合；而永磁同步电动机则在精度要求高、容量较小的场合得到了广泛的应用。自 20 世纪 80 年代以来,国外一些著名的公司相继推出了交流伺服驱动系统。90 年代,采用了全数字控制的永磁同步电机交流伺服系统成功地实现了商品化,如日本的安川、富士通、松下、德国的西门子等。国外的永磁同步电机交流伺服系统采用先进的控制理论，如前馈补偿、矢量控制理论、直接转矩控制理论减小系统误差，加快响应过程， 还利用非线性补偿控制功能来补偿驱动机械摩擦和粘性阻力产生的误差等。 我国伺服驱动系统经过近 20 年持续不断的技术攻关和市场培育，诞生了一大批数控厂商，形成了一定的市场规模7。国内数控生产企业通过实施国家科技项目，攻关了伺服驱动技术，使其得到长足的发展。以武汉华中数控股份有限公司为例，现已开发出具有自主知识产权的 GK6，GK7 全系列永磁同步交流伺服电机和 GM7 系列交流伺 服主轴，并且实现了批量生产，成为目前国内拥有成套核心技术自主知识产权（包括数控系统， 伺服单元和电机主轴单元及主轴电机等）和自主配套能力的企业。但我国整体的数控机床水平还有待提高。伺服驱动系统在将来会有以下几个发展趋势1： （1）全数字化：采用新型高速微处理器和专用的伺服控制单元将全面代替以模拟电子元件为主的伺服控制单元,从而实现全数字化的伺服系统。（2）集成一体化：采用单一的、高度集成化的、多功能的控制单元。（3）网络化、模块化：配置标准的串行通信接口和专用的局域网接口,增强伺服单元与其他控制设备的互连能力。（4）高性能化：伺服控制系统的功率元件将越来越多地采用金属氧化物半导体场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管等高速功率半导体元件1。（5）通用化、低成本化：采用新型控制技术实现无位置传感器运行,取代价格较高的位置传感器和信号解调电路。（6）两极化：电动机在将来必将具有更加广泛地用途。更小及更大的电动机都会被制造出来。（7）交流化：交流电机具有比直流电机更为优越的性能条件，随着伺服技术的发展，交流化必将更加广泛。1.4 论文主要的工作及研究内容本次设计的主要内容是 CKA6163 数控车床纵向驱动系统的方案设计，机械机构计及相应零部件的设计、选型、校核。最后根据设计的要求画出驱动系统的二维图，三维图及撰写相应的设计说明书。 2 驱动系统总体方案设计驱动系统总体方案设计主要是根据数控车床预期所要实现的加工目标，确定纵、横向进给的结构形式，进而确定各个零部件的结构形式。最终通过论证，确定最终结构方案和各个部分的基本尺寸。CKA6163 为纵（Z）、横（X）两坐标控制的数控卧式车床。其纵、横向的伺服驱动系统的设计相似，故现只选择纵向驱动系统进行设计计算。2.1 总体方案设计2.1.1 数控机床工作原理及组成（1）数控机床加工原理数控机床加工零件时，一般要将零件信息化（包括几何信息和加工信息）。即将信 息按一定的格式或编码编成加工程序。然后再将加工程序送入到数控装置进行分析处理， 最后由数控装置发出指令控制机床主运动的变化、启停，进给运动的方向、速度和位移 量及刀具变换等动作，使刀具与工件按规定的程序运动。从而加工出符合要求的零件8。 简单来说，就是将加工信息数据化，然后数控装置进行处理，最后发出指令，让按执行 装置加工程序动作。（2）数控机床组成数控机床主要是由控制介质、数控装置、包含伺服电动机的伺服系统和机床本体及检测反馈装置等五个部分组成，如图 2-1 所示：2.2.2 总体结构方案设计图 2.1 数控机床机构组成图 数控车床驱动系统总体结构方案设计，主要是为下面的设计做一个明确的向导，可以从以下四个方面考虑： （1）驱动系统的驱动方式与伺服驱动系统数控车床按控制方式有开环、闭环、半闭环控制之分6。开环控制系统结构较为简单并且控制容易。不过精度不高，低速不平稳，高速扭矩小等。所以一般用于轻载的经济型数控车床。与本设计的要求不符，故不采用。闭环系统是误差控制随动系统，它可以实现很高的机床精度，而且能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙。但其本身结构复杂，技术难度大，且造价也高，一般用于加工精度要求高的数控设备中。由于数控车床的加工精度不要求十分高，所以不需要采用闭环系统。半闭环系统的精度虽然没有闭环系统高，但是其工作稳定性好，并且可以通过软件补偿这类误差来提高其运动精度， 故其在现代 CNC 机床中得到广泛地应用。所以在本次设计中采用具有脉冲编码器位置检测反馈的半闭环控制的交流伺服电机系统。本设计所设计的交流伺服驱动系统采用刚度好，抗振性高的直线滑动导轨和精密的丝杆，它的原理是通过 CNC 装置发出控制指令经过伺服驱动器来控制交流电机的转速， 转角，转矩等进而使工作台的进给获得数控控制效果。 （2）驱动系统的传动方式 驱动系统的传动机构是用来实现动力传输和运动传递的。一般是将旋转运动转变成直线运动。一般包括齿轮传动副、滚珠丝杠传动副等。传动机构的精度和稳定性会直接影响数控车床的的定位精度和加工精度。从系统角度出发，主要有两个影响因素。一是传动机构的刚度和惯量，二是传动机构的精度和传动系统的非线性。前者影响系统的稳定性和灵敏度，后者影响系统的定位精度和加工精度。为达到系统设计要求，现采用滚珠丝杠螺母传动副及高刚性精密符合轴承传动；为达到消除间隙误差及提高动刚度的目的，采用有预加载荷的结构。初步拟定以下三种设计方案： 1）电机与丝杠直接相连； 2）电机通过同步带与丝杆相连；3）电机通过齿轮传动与丝杆相连。以上三种设计方案中，方案 1 由于 CKA6163 整个数控机床的结构问题，无法实现直接相连，故排除。方案 3 中虽然齿轮传动具有效率高、结构紧凑等优点，但用于传动距离过大的场合时不稳定，而在本设计中由电机到滚珠丝杠的传动距离比较大，所以采用方案 2。同步带轮传动具有严格传动比，传动稳定，结构紧凑的优点，适合本设计的要求。（3）计算机数字控制系统驱动系统中的控制系统有数控系统和伺服单元（或伺服驱动器内含各种控制电路） 要实现工作台精确的位移量和速度量，提高进给驱动系统的整体精度水平，必须依靠一个良好的数控系统和伺服驱动器本设计采用 FANUC 系列数控制系统中的高性能价格比的 0i 系列中的 0i-TB/TA。0i 系列可靠性好，功能强，速度快，而且集成度高并具有网络功能，适用于高速，高精度加工；伺服驱动器采用交流伺服电机。 （4）驱动系统的执行部分执行部分指驱动系统的十字工作台。这里拟定纵向驱动使用三角一平的导轨（三角形导轨和平导轨的组合方式），横向驱动使用燕尾形导轨。2.2 总体方案综述 驱动系统的总体方案可为下面的设计提供一个明确的向导。在本设计中，进给驱动系统主要包括以下四部分：电机驱动部分：包含交流电机、光电编码器等。传动部分：包含齿型同步带、滚珠丝杠、各种支承和固定零部件如轴承、轴承座、各种约束轴向径向的轴上零件、隔套、法兰盘等。控制部分：包含伺服单元、数控系统、检测反馈装置。执行部分：如工作台。其余部分：如箱体、支架。 驱动系统是数控机床的重要组成部分。因此设计一个性能良好的驱动系统对数控机床来说至关重要。本设计确定的总体方案是：交流电机通过齿型带轮减速将运动和动力传递给滚珠丝杠，丝杆螺母和大支架将旋转运动变为工作台的往复直线运动，如图图 2-2 驱动系统机械结构简图所示：图 2.2 纵向驱动系统传动图 3 纵向驱动系统传动结构选型驱动系统的传动机构是用来实现动力传输和运动传递的。数控车床的整体结构、尺寸参数也取决于传动方式的选择，因此传动部分对驱动系统乃至数控车床设计具有十分重要的作用。本设计中驱动系统传动部分采用同步齿形带-齿型带轮和滚珠丝杆相结合的方式传递运动和动力。主要包括齿型带轮、滚珠丝杠及一些支承和固定部件。齿型带轮用于一级减速；滚珠丝杆主要实现运动转换功能，把丝杆的旋转运动变为工作台的往复直线运动；支承部分如箱体、轴承；固定部分包括轴向固定和径向固定如滑板、端盖、螺钉、螺栓法兰盘等。驱动系统的结构设计包括交流电机、齿型带轮、滚珠丝杆、工作台、轴承等计算选型，但由于篇幅有限，本章主要对构成驱动系统的传动部分进行选型计算，即针对滚珠丝杠的选型进行计算。3.1 滚珠丝杠的概述 数控机床驱动系统中一般可以通过使用滚珠丝杆来改善摩擦特性。滚珠丝杆外圆柱表面有螺纹，这种利用螺旋面的螺旋升角使螺旋运动转变为直线运动的滚珠丝杆可以有效地降低摩擦系数。并且在滚珠丝杠副中，螺母和丝杠的运动面之间填入了直径相等滚珠，运动方式由滑动变为了滚动摩擦，又进一步降低了摩擦。普通丝杆则仍为滑动摩擦。滚珠丝杆具有如下优点： （1）运动平稳； （2）传动效率高； （3）高精度； （4）高耐用性。 滚珠丝杆用于车床传动具有很多的优点，所以现在车床基本上都采用滚珠丝杠传动。本文也不例外。3.2 滚珠丝杠的选型及校核3.2.1 已知条件： （1）CKA6163 数控车床工作台进给： 1）X 轴快移速度 4000mm/min 工进速度 0.001-2000mm/min； Z 轴快移速度 7500mm/min 工进速度 0.001-4000mm/min；最大加速度 a=10m/s2 2）X 轴行程 320 mm； Z 轴行程 1250 mm； （2）CKA6163 数控车床最大工作负载： 1）纵向空载质量：516kg，最大负载质量：200kg 2）最大切削主分力 6702 N； （3）CKA6163 数控车床工作精度： 1）重复定位精度 X/Z 轴 0.012/0.02 mm； 2）定位精度 X/Z 轴 0.03/0.045 mm； 3）反向偏差 X/Z 轴 0.013/0.02 mm。 （4）其他已知条件：设计寿命：20000 小时 表 3.1 已知条件表 切削方式纵向切削力（N）垂向切屑力（N）进给速度（ m/min）工作时百分比丝杆轴向载荷（N）丝杠转速（r/min）弹力切削220015000.610288360一般切削10005000.830163380精切削5002001501118100快速进给007.51060810003.2.2 计算过程 （1）确定导程 P = Vmax= 7500=3.75mm（3.1） hi nmax2 1000 电机通过齿型带轮与丝杠相连 i = 2，Vmax = 7500mm/min, nmax = 1000r/min （2）丝杆转速 in = Vi 103Ph式中：ni-丝杠转速（r/min）i=1、2、3n Vi-进给速度（r/min）i=1、2、3n 由上表查得 V1 = 0.6 V2 = 0.8 V3 = 1 V4 = 7.5 代入得 n1 = 60 n2 = 80 n3 = 100 n4 = 1000 各种切削方式下，丝杆轴向载荷 Fi =Pxi +(w1 +w2 +Pzi )式中：Fi -丝杆轴向载荷 N i=1、2、3n Pxi -纵向切削力 N i=1、2、3n （3.2） PZi -垂向切力 N i=1、2、3n 由表 3.1 查得 PX1 = 2200NPX2 = 1000NPX3 = 500NPX4 = 0 Pz1 = 1500NPz2 = 500NPz3 = 200NPz4 = 0 由已知， 代入得： W1 = 5096 NW2 = 7056 N F1 = 2883 NF2 = 1633 NF3 = 1118 NF4 = 608 N 当量转速 t1t2tn由表 3.1 查得代入得 当量载荷 nm = n1 100 + n2 100 + + nn 100 t1 = 10t2 = 30t3 = 50t4 = 10 nm = 117.5(r/min) （3.3）代入得 （3）预期额定动载荷 1）按预期额定工作时间估算 Fm = 1406 N Cam = 3 60nm Lh式中， Cam-预期额定动载荷 Fm Fw 100fa fc(N )（3.4） Lh-预期工作时间（h） fa-精度系数 fc-可靠性系数 Fw-载荷系数 fa fc Fw 数值见下表 表 3.2 精度系数 精度等级1、2、34、5710精度系数 fa1.0表 3.3 可靠性系数 可靠性%909596979899可靠性系数 fc1.00.620.530.440.330.21表 3.4 载荷系数 载荷性质无冲击、平稳载荷轻微冲击载荷冲击振动载荷负载系数 fw1.01.52.0 根据已知条件：轻微冲击 取Fw=.3 精度系数 13 取fa=1 可靠性系数 97% 取fc=0.44 Lh=20000 h 代入得 2)按最大负载算 Cam = 21621（N） Cam =feFmax（3.5）式中，fe-预加负载系数 取fe=4.5 如下表 代 入 得 Cam =31752（N） 取以上两种结果的最值 Cam =31752（N） 表 3.5 预加负载系数 预加载荷类型较大预加负载中等预加负载轻微预加负载fe （4）最小底径估算 1）估算丝杆允许的最大轴向变形量 a m (113-114) 重复定位精度 b m (114-115) 定位精度 已知。重复定位精度 20 m 定位精度 45 m 所 以 a m = 5m b m = 9m 取两种结果的最值 m = 5m 2）估算最小螺纹底径 取两端固定的支撑形式 dom =10=0.039Lz (1.11.2)行程 + (101.4)PH 静摩擦力F0 = 0 + w1 已 知 ： 行 程 1250mm w1 = 5096 N 0 = 0.1 代 入 得 Lz = 1425 mm F0 = 510 N dom=15 mm （5）确定滚珠丝杠副的规格代号 （3.6）根据以上的计算出的dom=15 mm Cam =31752（N）Ph = 10mm，初步选用外循环插管凸出式，双螺母垫片预紧的滚珠丝杠 CDT3206-5，具体参数如下: Ph = 6mm 公称直径do = 32mm 丝杠外径 d=30mm 丝杆底径d1=28.5mm 额定动载荷 Ca = 36678 Cam = 31752 N 静载荷C0a =91401 N 钢珠直径Dw = 5.953mm。 钢珠总圈数：3.5 圈 螺母长度：170mm 根据机床空间布局及工作行程需要，确定如下参数： 有效行程：lu = 1250mm 余程：l = 50mm 螺纹长度：l1 = lu + 2l = 1250 + 100 = 1350mm 支撑点间距：ls = 1400mm 支撑点到螺纹的起始距离：l3=110mm 全长l = 1450mm 3.3 校核计算 （1）预紧力 预紧力：11（3.7）Fp = 3 Fmax = 3 2883 = 961N行程补偿：C=11.8 tlu + (814)Ph 103 40 其中t = 2.5 1预拉伸力：Ft = 1.95td2 = 1.95 2.5 34.52 = 5802 N （2）刚度校核 丝杆最小抗压刚度： d234.52Rsmin =660 1 =660 ls1400=561N/m （3.8）丝杆最大抗压刚度： d2 ElR= 1 s=1763N/mm（3.9）smax4 l103l -lsmaxs smin滚珠丝杆最大系统刚度为： Rmax RSmsx= 588 N/m 3固定支承距离为ls = 1400 mm,其最大轴向工作载荷Fmax = 2883 N,完成滚珠丝杠选型后，选择轴承型号为：30TAC62BDFC10PNTA（两端固定的支承形式，接触角60，角接触推力球轴承）。查阅样本手册得到滚珠丝杠直径dw = 5.953mm，滚珠数 Z=20，轴承接触角 = 60，则一对预紧支承轴承刚度计算如下： bow maxR= 2 2.343d Fsin 5 Z2 = 700 两端固定组合支承轴承轴向刚度：Rb = 2 Rbo = 1400 丝杠副接触刚度通过查表得： Rnu,ar = 983 N/m 按照传统算法，该丝杠的最小系统传动刚度为： 1Rmin1=Rsmin11+Rnu,arRb1=5611+9831+14001=285设计要求的最小系统刚度： Rmin = 285 N/m 0R = 1.6mg0 = 1.6 0.2 7017 =112.3N/m（3.10）综上所述120Rmin R0因此刚度校核合格。 （3）精度校核 传动系统引起的定位误差 1111k = 0mg (RminRmax) = 0.2 7017 (285588) 2.54m 由于该数控车床使用的半闭环系统，选取丝杠精度等级为 3 级，则 V30P = 12m Cam = 10327 N 静载荷C0a =37364 N 钢珠直径Dw = 3.175mm 钢珠圈数 列数：2 1.5 + 2 1.5 螺母长度：103mm 以下是本文选用的滚珠丝杆结构图 图 3.1 滚珠丝杆结构图 3.4 丝杠螺母类型及型号选择 螺母参数可按如下方式选择： （1）循环方式选择：循环方式分为外循环和内循环。外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环8。外循环又可以分为端盖式、插管式和螺旋槽式。内循环就是滚珠在运动过程中不离开滚道内壁。按反向器种类可分为圆柱凸键反向器和扁圆镶块反向器 （2）预紧方式选择：预紧方式有垫片式，变位式。 （3）滚珠循环圈数选择。 按照上述方法并根据所选滚珠丝杆的型号，选择螺母的型号如下：图 3.2 样件图示 图 3.3 样件规格 根据所选择的滚珠丝杠最小底径、公称直径、循环方式、预紧方式等，最终选择DKFZD3210-43.5 丝杠螺母的安装方式 丝杆的安装方式与传动系统的传动间隙，死区误差有关，而传动间隙和死区误将影响传动系统的刚度和精度。所以必须要合理选择滚珠丝杠的支承方式。滚珠丝杆有如下安装方式： （1） “固定固定”型 K2=4 即丝杆两端由一对角接触轴承固定。它们可以约束滚珠丝杆的轴向和径向自由度， 并能承受丝杆上的载荷。安装示意图如图 3.4 所示：图 3.4 “固定固定”型 （2）“固定游动”型 K2=2 即一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端由单个轴承约束径向自由度。负荷由一对轴承承担。此形式结构简单。效果好，适用于中转速、高精度的场合。结构形式如图 3.5 所示。图 3.5 一端固定、一端支承方式 （3）“支承支承”型 K2=1 即安装一对圆柱滚子轴承在丝杆两端，可以提高滚珠丝杠副的轴向刚度。两端轴承分别承受来自轴径的径向力和轴向力。适用于中转速，中精度的场合。如图 3.6 所示。图 3.6 两端支承安装方式 （4）“固定自由”型 K2=0.25 即丝杠一端由一对角接触球轴承约束其轴向和径向自由度，另一端悬空呈自由状态。适用于低转速，中精度，轴向长度短的场合。如图 3.7 所示。图 3.7 一端固定、一端自由方式 由于所选滚珠丝杠为中等转速，而且丝杆转动时需要同时限制其轴向与径向的自由度，所以最终选择两端固定的丝杠安装方式。3.6 滚珠丝杆的润滑与防护 在机械传动系统中，润滑是必不可少的一个环节。润滑可以降低摩擦，减少磨损增加滚珠丝杆的耐磨性和传动效率。这里主要用一般机油，通过手工用油壶将机油注入螺纹通道；半固体润滑剂指润滑脂，这里使用钙基润滑脂。主要用于固定滚珠丝杆和轴的深沟球轴承和角接触球轴承。为防止脏水或其他杂质进入滚珠丝杆，滚珠丝杆在使用时通常需要一些密封装置进行防护。这里使用波纹管完全覆盖丝杠轴及使用密封环端盖对轴承和丝杠端部进行密封和轴向固定。3.7 轴承设计及校核3.7.1 轴承设计滚动轴承在机械领域中使用十分广泛，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。滚动轴承是由内圈、外圈、滚动体、保持架等 4 个部分组成11。内圈用来和轴颈装配，外圈用来和轴承座孔装配。本文根据国家标准 GB/T 选用 6306 深沟球轴承和30TAC62BDFC10PNTA 角接触球轴承。深沟球轴承用来支承与齿轮相配合的轴，角接触球轴承用来支承滚珠丝杆。 轴承的选择是根据载荷大小，方向，滚动体形状等。按滚动体体形状可分为球轴承和滚子轴承： （1）球轴承为点接触，宜用于承受较轻的或中等的载荷，故选用球轴承。根据轴径选择 6307 这个型号的深沟球轴承，它可以承受径向载荷； （2）滚子轴承是线接触，接触面积大，宜承受较大的载荷。选用角接触球轴承较为合适，根据前面的计算，最终选择型号为 30TAC62BDFC10PNTA 的滚珠丝杆轴承，其接触角为60。轴承装配如图所示3.7.2 轴承校核图 3.8 轴承转配图 这里对驱动系统的两种轴承进行校核，主要是对 2 个深沟球轴承和 4 个角接触球轴承进行校核，确保主要运动支承的安全性，计算时以最大负载进行计算。 轴承校核公式： 当量动载荷计算公式： 其中： fd-载荷系数 X- 径向动载系数 Y-轴向动载系数 球轴承寿命计算公式： 其中 ；C-基本额定动载荷 P=fd (XFr +YFa )106 C Lh = 60n P （3.11）（3.12） -指数，对于球轴承 = 3 （1）对于 6306 型深沟球轴承由上图可知两轴承属于正装其额定静载荷C0r = 19.2KN；额定动载荷Cr = 33.2KN； 径向载荷Fr = 500N；轴向载荷Fa = 1000N; 故e = iFaC0r= 11000 19.2 103= 0.052（3.13）故 e=0.22; 又 FaFr= 1000 = 2 e 500查 表 得 X=0.56 Y=2 则当量动载荷P=fd (XFr +YFa )=1.2(0.56500+21000)=2736N 106 C 106 33.2 3所以Lh = r = =29779h20000h?60n P 故合格。 601000 2.736 （2）对于 30TAC62BDFC10PNTA 轴承 其额定静载荷C0r = 65.8KN；额定动载荷Cr = 77.8KN； 径向载荷Fr = 1000N；轴向载荷Fa = 2200N; 故e = iFaC0r= 1 2200 65.8103= 0.033 ； 故 e=0.22; 又 FaFr= 1000 = 2.2 e 500查 表 得 X=0.56 Y=2 则当量动载荷P=fd (XFr +YFa )=1.2(0.561000+2 2200)=5952N 106 C 106 77.8 3所以Lh = r 60n P = 601000 5.952 =37221h20000h 故合格。 3.8 齿型带轮的选型同步齿形带轮为标准件，可根据实际需求选用。根据电动机的转速及输出转矩最终确定带轮型号。如下表 3.6 所示： 表 3.6 齿轮参数表 单位;mm内径分度圆直径外径齿数小齿轮20656825大齿轮3013013550查阅相关资料后，最终选择型号为 570XH 的带轮。 以下是所选齿型同步带的具体结构图： 图 3.9 齿型同步带结构图 4 驱动系统各组成部分选型CKA6163 数控车床的驱动系统机构可大致分为四个部分：驱动部分、传动部分、执行部分、传感控制部分。每一部分在进给系统中扮演着不同的角色，发挥不同的功能。例如驱动部分将为进给系统提供动力，将电能转化成机械能。传动部分将电动机输出轴的扭矩及运动通过滚珠丝杆的运动转换变成工作台的水平运动。传感控制部分则将运动过程中转速，位移等物理量传给 CNC 装置，并接受来自 CNC 的指令。现逐步介绍进给系统的每一部分。（传动部分不再介绍） 4.1 驱动部分驱动系统的驱动部分为整个系统提供运动和动力。系统驱动部分选用永磁同步交流电动机。交流伺服电机有许多优点，如它具备十分优良的低速性能，并且能通过弱磁控制转速，调速范围比异步电动机广再者永磁材料性价比高，所以其在工业自动化领域的应用十分广泛，目前已成为交流伺服系统的主流执行电机。电动机的选择通常受到很多因素的影响。如受到电动机本身的特性的影响包括种类、型式、电压、转速等；电动机的发热、冷却；电动机的工作方式等。但数控机床选择电机主要是根据电机的转矩选择。 4.1.1 伺服电机选型及校核 （1）负载力矩计算 外负载力（摩擦负载） 惯性负载力 折算到电动机轴上的Fw =mgf=716 9.8 0.1=702NFj =ma=71610=7160NT = 1 Ph (F +F )（4.1） （4.2） （4.3）2mwji代 入 数 据 得 Tm = 6.25 N m 负载力矩为： （2）折算到电动机轴上的转动惯量： 22J = 1 Ph m= 1 0.00375 716kg m=4.5310-4kgm2（4.4）mi2 2 222（3）电动机轴的转速计算：n=i v =2 7.5m/min =1000r/min （4.5）Ph（4）加速力矩Ma计算 0.00375mM = Jm n 10-2 (kgf m)（4.6）a9.6T式中 T-系统时间吸吮（s），取 60 ms n-马达转速（r/min） 当n = nmax时计算Mamax n=nt时计算Mat nt-切削时的转速（r/min） 代入数据得 Ma =4.53 104 10009.6 60 103 102 = 0.012kgf m 同 理 可 得 Mamax=0.024 （5）摩擦力矩Mf计算 Mf =F0s 10-2 (kgf m) 2i