数控车床X方向进给机构设计

摘 要本文对数控车床 X 向进给系统的设计进行了重点论述.对该机构的主要组成部件:滚珠丝杠副、步进电机、传动齿轮等进行了设计计算与选型。其中对滚珠丝杠副、步进电机的设计计算及选型作了详细论述。进行这一设计主要是为了进一步地提高数控车床 X 向进给机构的定位精度，重复定位精，以使其能够可靠地运行，且能满足各项性能指标的要求,达到预期的结果,即满足设计任务书的要求。最后, 本文还对典型零件进行了数控编程,并绘制了数控车床典型零件编程图、数控车床传动示意图、数控车床液压原理图以及该数控车床 X 向进给机构的装配图。此结构简单可靠,可应用于相似的各类数控车床上。关键词: 数控车床；进给系统；滚珠丝杠副AbstractThe article made a brilliant exposition on the designing and transformation scheme of the X motion system of NC machine. The article also exposed brilliantly the mechanisms mail parts: the ball-screw pairs, Stepper motor, Transmission gear and so on. Doing the design is for the sake of improving the site precision and duplicate site precision of the X motion system .So it can work credibility, meet the request of every property norm, come to the expected consequence, and fulfill the require of design assignment list. Besides, the author has writed typical parts of the NC programming ，designed and drawed CNC lathe programming diagram of typical components，CNC lathe drive diagram，CNC hydraulic schematic diagram and X to the CNC lathe feed mechanism assembly drawing. This mechanism is simple and reliable, it can apply to every similar NC machine.Key words: NC machine Longitudinal motion system Ball-screw pairs1目 录第一章 绪论 .11.1 数控机床在我国的发展趋势及现状 .11.2 数控机床在国外的发展趋势及现状 .21.3 数控车床的结构 .21.3.1 信息载体 .21.3.2 计算机数控系统 .31.3.1 伺服系统 .31.3.1 机床 .31.3.1 伺服机构 .31.3.1 数控车床关键零部件 .4第二章 总体方案的确定 .52.1 进给传动系统的组成及原理 .52.2 数控车床控制方式的选择 .52.3 进给驱动电动机类型的确定 .52.4 传动方案的选择 .62.5 传动类型的选择 .72.6 导轨的选择 .722.7 滚珠丝杠的支撑方式选择 .82.8 滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 .82.8.1 齿轮传动间隙的调整 .92.8.2 滚珠丝杠螺母间隙的调整 .102.9 进给系统的一些其他要求 .11第三章 数控车床 X 向进给系统机械部分设计计算 .123.1 计算切削力 .123.1.1 纵车外圆 .123.1.2 横切断面 .123.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .123.2.1 计算进给 率引力 Fm .123.2.2 计算最大动负载 C .123.2.3 滚珠丝杠螺母副的选择 .133.2.4 传动效率计算 .143.2.5 刚度验算 .143.2.6 稳定性校核 .153.2.7 滚珠丝杠副几何参数 .163.3 齿轮传动比计算 .173.4 步进电机的计算和选型 .1733.4.1 等效传动惯量计算 .173.4.2 电机力矩计算 .193.4.3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 .21第四章 数控车床液压系统 .234.1 液压工作站 .234.2 卡盘夹紧支路 .244.3 尾架套筒支路 .244.4 主轴变速支路 .254.5 预留支路 .25第五章 数控车床典型零件编程 .265.1 零件工艺分析 .265.2 数据点计算 .275.3 刀具选择 .275.4 切削用量选择 .285.5 数控编程 .285.5.1 左半段粗精车编程及走刀轨迹图 .285.5.2 左半段粗精车编程及走刀轨迹图 .295.5.3 切槽编程及走刀轨迹图 .305.5.4 螺纹加工编程及走刀轨迹图 .3145.6 指令解释 .315.6.1 闭合车削循环指令 .315.6.2 外径、内经粗加工循环指令 .315.6.3 精加工循环指令 .325.6.4 切槽循环指令 .325.6.5 螺纹切削循环指令 .32参考文献 .33结论 .34致谢 .35外文资料中文译文1第一章 绪论1.1 数控机床在我国的发展趋势及现状数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是提高产品质量和生产效率的重要手段。数控技术及装备是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已成为当今制造业的发展方向。我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场。 这种现象的出现，除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外，一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进，新产品的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。造造成这种情况的原因有：1.我国机床厂目前开发基型产品的周期约为 1518 个月，其中设计时间约为 58 个月，占总周期的 40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为 69 个月，其中设计约 1.52 个月，只占 25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。2.我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具，自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，使设计一次成功的把握性降低，往往需要反复试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。3.用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求，甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求，这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外，这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周，而在我国机床厂用手工操作就至少需 12 个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门，常会出现漏改和失误的现象，影响了产品的质量和交货期。4.现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数，他们的专业知识和实际经验不足，又担负着开发的重任。5.由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立，缺乏有效的协同开发的模式，不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改，延长了开发的周期。2为解决这些问题，必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术，发展优化和仿真技术，提高产品结构性能，并建立起基于并行工程的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面，使企业取得良好的经济效益。1.2 数控机床在国外的发展趋势及现状随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控车床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。未来数控车床的类型将更加多样化；激光加工等技术将应用在车床的切削加工上；数控车床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。 无人化，规模化生产对加工设备提出了高速度，高精度，高效率的要求，交流伺服系统具有高响应，免维护，高可靠性等特点，正好适应了这一需求。例如，日本法努克公司，三菱电机公司，安川电机公司，德国西门子公司，aeg公司，力士乐公司，美国抗体公司，通用电气公司等均先后在 1984 年前后将交流伺服系统付诸实用。进入 20 世纪 90 年代，微电子制造工艺的日臻完善，使得 DSP 运算速度呈几何数上升，达到了伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯片制造商还将电机控制所必需的外围电路与 DSP 内核集成于一体，使得伺服控制回路采样时间达到 100ms 以内，由单一芯片实现自动加、减速控制，电子齿轮同步控制，位置、速度、电流三环的数字化补偿控制。一些新的控制算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的 CNC 系统相配套，如日本 FANUC 公司、三菱电机公司、安川电机公司、松下公司、山洋电机公司、德国 Siemens 公司、力士乐 Indramat 公司、Lenze 公司、美国 A.B 公司、Kollmorgen 公司、Relliance 公司、Baldor 公司、Pacific Scientific 公司等。 1.3 数控车床的结构数控车床是采用了数控技术的车床，或者说是装备了数控系统的车床。数控车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。1.3.1 信息载体信息载体又称控制介质，用于记录数控车床上加工一个零件所必需的各种3信息，以控制车床运动，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。数控车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。高级的数控系统还包含一套自动编程机或 CAD/CAM 系统。1.3.2 计算机数控系统计算机数控系统是数控车床的核心，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车床的动作。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。数控装置控制车床的动作可概括为：车床主运动、车床的进给运动、刀具的选择和刀具的补偿、其它辅助运动等。1.3.3 伺服系统它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和车床移动部件，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。1.3.4 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，但也做了很多改善和提高，它的主要特点是：由于大多数数控车床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此数控车床的机械传动机构得到了简化，传动链较短；为了适应数控车床连续的自动化加工，数控车床机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小：更多的采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滑动导轨等；不少数控车床还采用了刀库和自动换刀装置以提高车床工作效率。1.4 伺服机构伺服机构分为开环、半闭环和闭环三种类型。开环伺服机构是由步进电机驱动线路，和步进电机组成。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。 半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器和位置检测器组成。位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。位置检测器有旋转变压器、光电式脉冲发生器和圆光栅等。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。 4闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服马达与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。 1.5 数控车床关键零部件为了保证车床具有很大的工艺适应性能和连续稳定工作的能力，数控车床结构设计的特点是具有足够的刚度、精度、抗振性、热稳定性和精度保持性。进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等，以尽量减小反向间隙。车床采用塑料减摩导轨、滚动导轨或静压导轨，以提高运动的平稳性并使低速运动时不出现爬行现象。 由于采用了宽调速的进给伺服电动机和宽调速的主轴电动机，可以不用或少用齿轮传动和齿轮变速，这就简化了车床的传动机构。车床布局便于排屑和工件装卸，部分数控车床带有自动排屑器和自动工件交换装置。大部分数控车床采用具有微处理器的可编程序控制器，以代替强电柜中大量的继电器，提高了车床强电控制的可靠性和灵活性。5第二章 总体方案的确定2.1 进给传动系统的组成及其原理数控机床进给伺服系统是数控机床的关键组成部分。一般由控制电路、电器驱动部件和执行部件组成。进给传动部件一般认为是从电机到溜板之间的传动链。进给传动部件的动态特性的好坏直接影响到一台机床的工作性能和加工精度。进给传动部件的振动会影响进给系统的定位精度。另外，机械传动部件的设计好坏对进给伺服系统的伺服性能的影响也很大。现代数控机床日益向着高速、高效率、高精度方向发展。对机床进给传动部件的设计要求也越来越高。数控机床的进给系统，与普通机床不同。数控机床的进给指令，来自数控系统，经进给电动机和驱动机构，使执行部件如刀架、工作台、主轴箱等按程序的规定运动。进给传动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，决定了数控机床的档次，因此，在数控技术发展的历程中，进给驱动系统的研制和发展总是放在首要的位置。数控系统所发出的控制指令，是通过进给驱动系统来驱动机械执行部件，最终实现机床精确的进给运动的。数控机床的进给传动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。它的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。2.2 数控车床控制方式的选择数控机床按控制方式分为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于数控车床加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制的查，但是稳定性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性不大。故在本次设计中，采用开环控制步进电机驱动。2.3 进给驱动电动机类型的确定早期的数控机床采用电液伺服驱动的较多，而现代数控机床基本上都采用全电气伺服驱动系统。它可分为步进电机，直流伺服电动机和交流伺服电动机伺6服驱动系统三类。本次设计采用步进电机对 X 向进给机构提供动力。步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。在电动机定子上有A、B、C 三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为 A 相、B 相和 C 相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当 A、B、C 三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C 三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。步进电机具有如下优点 :1、电动机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量；2、电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，与要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速；3、停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某个固定位置上，不需要机械制动装置；4、变通电相序即可以改变电动机的转向；5、进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差；6、进电动机转动惯量小，启动、停止迅速。滚珠丝杠副具有摩擦数小传动效率高，所需的传动转矩小；灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行；随着精度和定位精度高，磨损小，寿命长，精度保持性好，可通过预紧间隙消除措施提高轴承刚度和反向精度，运动具有可靠性。2.4 传动方案的选择确定设计任务后，初步拟定三种传动方案，即：1、电机直接与丝杠相连；2、电机通过同步带的传动带动丝杠转动；3、电机通过齿轮传动带动丝杠转动。本次设计中采用步进电机带动 X 向溜板移动。传动方案 1 的结构简单，但是消除由步进电动机引起的振动等现象能力较差，故在本次设计中不采用方案71；传动方案 2 采用同步带传动保持恒定传动比，传动精度高工作平稳，结构紧凑，无噪声，有良好减振性能，但制造工艺比较复杂，传递功率较小，寿命较低，故在本次设计中不易采用。所以本次设计中采用方案 3 的齿轮传动，其主要的特点是效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定，传动过程中采用消隙齿轮，消除正反转齿轮间隙提高传动精度，性价比高。2.5 传动类型的选择数控机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机床上，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 =0.920.98；传动灵敏，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；因此，在数控机床上得到了广泛的应用，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 0.0005， ；平稳性高；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。由以上比较，根据要求，纵向进给传动系统采用滚珠丝杠螺母副的传动方式。2.6 导轨的选择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。由于 X 方向进给机构与主轴垂直且贴塑处理工艺较简单对滑动导轨不需要做大的改动，所以选择贴塑处理的燕尾滑动导轨和矩形滑动导轨的组合。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。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。导轨调隙采用双螺钉调节的梯形平镶条，平8镶条制造简单，调整方便且双螺钉调节避免了镶条窜动性能较好，故本次设计采用梯形平镶条间隙调整法。如图 2-1 所示：图 2-1 梯形平镶条间隙调整法2.7 滚珠丝杠的支撑方式选择滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此设计中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。 丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针推力圆柱滚子组合轴承和接触角为 60角接触轴承，在这两种轴承中，60角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。60角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中采用面对面组合。在此设计中采用了以面对面配对组合的 60角接触轴承，以容易实现自动调整。滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。2.8 滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。9滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形，接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。因此，滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高滚珠丝杠螺母副的接触刚度。2.8.1 齿轮传动间隙的调整第一级齿轮传动采用偏心轴套式调整法达到消除齿轮间隙的目的,如图 2- 2 所示：图中 1 代表齿轮，2 代表偏心轴套，电动机通过偏心轴套 2 安装在齿轮箱上，偏心轴套可以在一定程度上消除因齿厚误差和中心距误差引起的齿侧间隙。图 2-2 偏心轴套调整法 1 齿轮 2 偏心轴套 3 齿轮第二级齿轮传动采用双片直齿轮错齿调整法如图 2-3 所示，两片齿轮 3、4套装在一起，同另一宽齿轮相啮合，薄片齿轮 3、4 的两端分别装有凸耳1、2，并用拉簧 8 连接，其中齿轮 4 上的凸耳 1 从齿轮 3 上的通孔穿过。弹簧力使两片齿轮 3、4 产生相对转动，即错齿，使两薄片齿轮的左右齿面分别贴紧在宽齿轮槽的左右齿面上，消除齿侧间隙。弹簧预紧力的大小可以通过螺钉 5上的螺母 6 来调节，用螺母 7 锁紧。10图 2-3 双片直齿轮错齿调整法1、2凸耳；3、4薄片齿轮；5螺钉；6、7螺母；8拉簧 2.8.2 滚珠丝杠螺母间隙的调整常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有以下三种：1、垫片调隙式：通常用螺钉联接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，已达到消除间隙和产生预紧力的目的。这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度好以及装卸方便，但调整复杂。如图 2-4 所示：图 2-4 双螺母垫片调隙式结构1、2-单螺母 3-螺母座 4-调整垫片2、螺纹调隙式：螺母 1 的外端有凸缘，螺母 2 的外端有三角螺纹，他伸出套筒外，并用双圆螺母锁定。旋转圆螺母，即可消除间隙，并产生预紧力；调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。双螺母调整的特点是：结构紧凑，调整方便，但双螺母调整间隙不很准确。如图 2-5 所示：11图 2-5 双螺母螺纹调隙式结构1、2-单螺母 3-平键 4-调整螺母3、齿差调隙式：在两个螺母的凸缘上各有一个圆柱齿轮，两者齿数相差一个齿，装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上。调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动，每转过一个齿，滚珠丝杠螺距为 ，调整的轴向位移为 。齿差式调整间隙，调整精确，但hP)(21zPeh=结构尺寸大，调整装配比较复杂，适用于高精度的传动机构。如图 2-6 所示：图 2-6 双螺母齿差调隙式结构1、2-单螺母 3、4-内齿轮考虑到机床的精度，装配和调整的难易程度以及结构尺寸的大小，故选取螺母调隙式对滚珠丝杠副的间隙进行调整并施加预紧力。2.9 进给系统的一些其它要求滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。另外对滚珠丝杠12安装处应进行削边。第三章 数控车床 X 向进给伺服系统机械部分设计计算3.1 计算切削力3.1.1 纵车外圆切向力 （N)按经验公式计算：zF5.1maxc670DF=N34.按切削力各分力比例： .0:251:=pfcFf 34.6Np3.1.2 横切断面切向力 （N)可取纵切的 0.5 倍。zFFc26801=此时走刀抗力为 （N)，吃吃刀抗力为 （N)。仍按上述比例粗略计算：y x4.:5:fpc13NFp67025.8 =f 143.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.2.1 计算进给率引力 （N)mF由于 X 方向进给机构与主轴垂直且贴塑处理工艺较简单对滑动导轨不需要 做大的改动，所以选择贴塑处理的燕尾滑动导轨和矩形滑动导轨的组合。即纵向进给为综合型导轨： )( GFfKcm+=NF136250284.1075. =式中，K考虑颠覆力矩影响的实验系数，滑动导轨摩擦系数：0.030.05 取 0.04；fG溜板箱及刀架质量：G=550N。3.2.2 计算最大动负载 C(N) mwFfLC3610TnLvsmin/32104.6rn8.5NC31.427163.823表 3-1 运转系数运转状态 运转系数无冲击运转 1.01.2一般运转 1.21.5有冲击运转 1.52.5式中， 滚珠丝杠导程，初取 ；LmL6最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的 (1/21/3)，sv此处 ；min/4.014T使用寿命，按 15000h；运转系数，查表 3-1 按一般运转取 1.21.5 取 ；wf wf 3.1wfL寿命、以 转为单位 1。6103.2.3 滚珠丝杠螺母副的选择由于螺母调隙式既可以消除间隙，又可以产生预紧力，其结构紧凑，调整方便。故查表 3-2 得，采用 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2051LW1 列 2.5 圈，其其额定动载荷为 8800N，精度等级查机械制造装备设计表3-25 选用 3 级，考虑到工作行程 400mm，螺母长度 81mm、安全余量、安装长度、连接长度、余量，选取滚珠丝杠总长为 760mm，丝杠螺纹长度为 490mm。即 76049/15.201左EDW表 3-2 型外循环螺纹调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠副LW1型号 名义直径螺距 螺旋升角滚珠直径滚道半径偏心距 丝杠外径 额定动载荷Dt dR e d C（kgf）2041LW20 4 392.381 1.239 0.034 19.6 6105120 5 3.175 1.651 0.045 19.4 880201L25 5 393.175 1.651 0.045 24.5 970561W25 6 243.969 2.064 0.056 24 11303.2.4 传动效率计算 )(tg)1034(t15式中， 螺旋升角， ；34摩擦角取 滚动摩擦系数 0.0030.004 。103.2.5 刚度验算横向进给丝杠支承方式如图 3-1 所示，最大牵引力 1362N，支承间距，因丝杠长度较短，不需要预紧，螺母及轴承预紧。mL605图 3-1 横向进给丝杠支承方式（1）丝杠拉伸或压缩变形 1查综合作业指导书图 4-6 根据 ， ，查出NFm1362mD0，可算出：50.2L L0152.6105.2（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形 2查综合作业指导书图 4-7，W 系列 1 列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 ：Q mQ6因为进行了预紧，且预紧力为轴向最大负载的 1/2，03.2.2（3）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 采用 51204 型推力球轴承 ，滚动体直径 ,滚动体个数md0mdQ512z 234.zdFQcmc079.15.3602.216因施加预紧力，故 c213m05.79.3根据题上计算： 321015.0.52.0显然此变形量已大于定位精度的要求，因为横向溜板的空间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，如果将滚珠丝杠经过预拉伸,滚珠丝杠的刚度可以提高四倍，和 不变此时变形量为:23 3214定 位 精 度0.5.03.4152.03.2.6 稳定性校核计算临界负载 ：kF2LEIfFzk式中，E材料弹性模量，对钢 ，6/10.cmNI截面惯性矩； ， 为为丝杠内径；641dIL丝杠两支承端距离丝杠支承方式系数，从表 4-13 中查出，两端固定zf 4zf表 3-3 滚珠丝杠的支承方式系数方式 一端固定一端自由两端简支 一端固定一端简直两端固定zf0.25 1.00 2.00 4.004441389.067.cmdI2LEIfFzk NFk 412.8655.6039.14.32.7kmk nn一般取 2.54kn17此滚珠丝杠不会产生失稳。3.2.7 滚珠丝杠副几何参数表 3-4 滚珠丝杠几何参数名称 符号 2051LW公称直径 d 20导程 L 5接触角 34钢球直径 qd 3.175滚道法面半径 RqdR52.01.651偏心距 esin)/(e0.045螺纹滚道螺纹升角 dLarct34螺杆外径 d2.0(q)5.19.4螺杆内经 1 Red116.788螺杆螺杆接触直径 zdcosqz16.835螺母螺纹直径 Ded223.212螺母螺母内经 1.0(1qd)5.20.6353.3 齿轮传动比计算已确定 X 向进给脉冲当量 滚珠丝杠导程 5mm，初选步进电机步05.pL距角 。可计算出传动比 i：75.0 Libp3648.057.i考虑到结构原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速： 250453421zi1825,0,4,2431zz因进给运动齿轮受力不大，齿轮 1、2 模数 m 取 2.5，齿轮 2、4 模数 m 取 2.。表 3-5 传动齿轮几何参数齿数 24 40 20 25分度圆 mzd60 100 40 50齿顶圆 265 105 44 54齿根圆 df5.153.75 93.75 35 45齿宽 6(m)025 25 20 20中心距 21dA80 453.4 步进电机的计算和选型3.4.1 等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算：J)2()()()42321 LgGzJzJ sM初选反应式步进电机 130BF，其转子转动惯量 ，步距角6.cmkJM，1m 长丝杠的转动惯量为75.0b 284.0cmkg14317LdJ231 57.20.68.0ckg43217.LdJ25.9208.0cmkg343317.LdJ29.0208. ckg43417.LdJ24975.0208. cmkgJs.192508.6.840cmkgJs 2222 89.)5(.90).97.()39.51()4057.64 cmkgJ 式中， 步进电机转子转动惯量M、 齿轮 、 的转动惯量1J432J、 1z432z、滚珠丝杠转动惯量s滚珠丝杠导程L齿轮齿数4321zz、G溜板箱及刀架重力齿轮齿宽4321L、L丝杠两支承端距离滚珠丝杠公称直径d考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题： 201.89.64JM基本满足惯量匹配的要求。3.4.2 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同：（1）快速空载起动力矩 。起M在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大： Mfamx起 aaa tnJtnJ 601210262mxmx 3mxbpvin/6250.7.15axrn起动加速时间 msta302maxax1062tnJMcNa 79.43.0589.2x式中， 刀架快速速度maxv脉冲当量p20步进电机步距角b电机轴上的总的转动惯量J起动加速时间at折算到电机轴上的摩擦力矩 ：fMiLGFiLzf 2)( cmNf 18.60.8256(04.式中， 滑动导轨摩擦系数f主切削力zFG溜板箱及刀架重力滚珠丝杠导程L传动链总效率，一般取 ，取7.0858.0齿轮齿数21z、附加摩擦力矩 ：M)1(23/)1(22 iLFiLFmp cN7.4)9.0(8.0536式中， 滚珠丝杠预加载荷pF滚珠丝杠导程L传动链总效率，一般取 ，取 。7.085.8.0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 ，取 。 99.0齿轮齿数21z、上述三项合计： MMfamx起 cmN108.527.418.679.4起（2）快速移动时所需力矩 。快 Mf快 cmNM309.127.418.6快（3）最大切削负载时所需力矩 。切21iLFMMxftf 2切 cmN601.8.02517.418.6切式中， 折算到电机轴上的切削负载力矩tMX 进给方向最大切削力xF滚珠丝杠导程L传动链总效率，一般取 ，取 。7.085.8.0齿轮齿数21z、从上面计算可以看出， 、 、 三种情况下，以快速空载起动所需起M快 切力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。表 3-6 步进电机启动转矩 与最大静转矩 关系qmaxjM相数 三相 四相 五相 六相步进电机 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12max/jqM0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866从表 3-6 查出，当步进电机为五相十拍时： 951.0maxjqM最大静力矩： 起jaxcmNj 28.53491.08max130BF001 型最大静转矩为 9.31 大于所需静转矩，可以作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。3.4.3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 pkvf601maxHzf5.psevf601zfe3.5.4式中， 刀架快速速度maxv22最大进给速度sv脉冲当量p从表 4-23 中查出 130BF001 型步进电机允许的最高空载起动频率为 3000运行频率为 16000 ，再从图 4-17、图 4-18 查出 130BF001 步进电机起动HzHz矩频特性和运行矩频特性曲线如图所示。图 3-2 130BF001 型起动矩频特性图 3-3 130BF001 型运行矩频特性看出，当步进电机起动时， 时， ，远远不能满足此Hzf240起 cmNM10机床所需求的空载启动力矩 直接使用则会产生失步现象，所以cmNM18.36起必须采取升降速控制，将起动频率降到 时，起动力矩可增高到 ，z cmN3.92然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，130BF001 型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。23第四章 数控车床液压系统数控机床作为实现柔性自动化的最重要设备，近年来得到了高速发展和大量推广应用。数控机床对控制的自动化程度要求很高，液压传动由于结构紧凑、工作可靠、易于控制和调节，能方便的实现电气控制与自动化，从而成为数控机床中广为采用的传动与控制方式之一。液压传动控制由于使用工作压力高的油性介质，因此机构输出力大，机械结构更紧凑、动作平稳可靠，易于调节和噪声较小，但要配置液压泵和油箱，当油箱渗漏时污染环境。液压传动就是用压力油作为传递能量的载体实现传动与控制，它不仅可以传递动力和运动，而且可以控制机械运动的程序和参量，因此被广泛应用于数控设备中。如图 4-1 所示为数控车床液压泵系统图：24图 4-1 数控车床液压系统图4.1 液压工作站液压工作站的工作原理是由液压电动机 19 通过联轴器 20 驱动外反馈限压变量泵 21 产生压油，压力油经过单向阀 22 和滤油器 24 后输出。在单向阀和滤油器之间，油路上并联有储能器 23、溢流阀 18 和手动二位二通换向阀 17。储能器用于稳定系统中油的稳定与补偿流量的变化；溢流阀作文系统中的安全阀，限制系统的最高压力；手动换向阀是为检修而设置的，在需要时卸掉油路中负荷，是压力油经手动阀直接流回油箱。这样可以判断故障是否在油泵上。一般情况下手动换向阀在截止位。在过滤器 24 的两端加压力继电器 16 监视过滤器的堵塞情况，当过滤器堵塞时，压力继电器发出电信号给机床控制系统，产生报警信息，使操作人员能迅速地进行清洗或更换过滤网，恢复液压系统正常工作状态。在液压油箱上防止灰尘进入油箱，油箱的空气入口处加油空气过滤器。为了解油箱内油液的多少，