数控车床进给机构课程设计说明书

1、吉林大学机械科学与工程学院专业课程设计 机械制造装备设计课程设计数控车床进给传动系统设计 院（系）名称机械科学与工程学院 专业名称机械工程与自动化 学生姓名孙尽举 指导教师呼咏 于立娟 2014年 03 月 10 日目录一、进给系统的总体设计31、机床进给传动控制系统的选择31.1开环控制系统31.2闭环控制系统42、传动类型的选择42.1滚珠丝杠螺母副42.2静压丝杠螺母副53、进给传动方案设计54、进给系统的一些其它要求5二、进给传动系统机械部分结构的设计61、切削力的计算61.1车端面61.2车外圆62、质量的估算73、机床进给传动系统的设计73.1、X方向进给系统73.2、Z方向进给系

2、统123.3、X方向齿轮副设计、校核15三、 进给传动系统的结构图18结 论20参考文献20第 21 页一、进给系统的总体设计 进给伺服系统的精度对机床的加工精度有很大的影响，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。基本参数数值基本参数数值床身上最大回转直径/mm400X方向定位精度/mm0.015床鞍上最大回转直径/mm200Z方向定位精度/mm0.025最大工件长度/mm(盘) 200 / （轴）1000X方向重复定位精度/mm±0.006主轴转速范围/r/min202500Z方向重复定位精度/mm±0.010主轴计算转速/r/min180X

3、-Z方向脉冲当量/mm/脉冲0.005/0.01主轴回转精度 mm0.01X-Z方向最快移动速度/mm/min4000/8000主电机功率/KW5.510X-Z方向最快进给速度/mm/min500/1000X-Z方向进给行程/mm250/1120本设计着重进行进给伺服系统的机械结构设计、传动设计。本数控车床精度较高，能进行微米级加工，能获得高质量的加工表面。进给系统采用滚珠丝杠螺母副传动，单轴具有较高的定位精度和重复定位精度。机床的主要性能参数如下：1、机床进给传动控制系统的选择1.1开环控制系统 开环控制系统是数控机床中最简单的伺服系统，执行元件一般为步进电机。开环进给伺服系统的精度较低，很

4、难保证较高的位置精度，若要保证一定的定位精度的话，则对于影响定位精度的传动装置的刚度、摩擦、惯量、间隙等的要求必须很高，一般在mm之间。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。 1.2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。由于可以补偿机械传动装置中各种误差，间隙及干扰的影响，定位精度高，可达mm（最高可达位置检测装置的精度）。1.3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

5、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。定位精度比开环控制系统高，但比闭环控制系统低。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，本设计采用半闭环控制方式（X方向）和开环控制系统（Z方向），满足机床性能要求。进给系统的传动要求及传动类型的选择2、传动类型的选择数控机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，数控机床的进给传动系统必须

6、满足:（1）传动精度高；（2）摩擦阻力小；（3）运动部件惯量小。 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。2.1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。2.2静压丝杠螺母副其特点是：摩擦系数小，仅为0.0

7、005，；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，纵向进给传动系统和横向进给传动系统都采用滚珠丝杠螺母副的传动方式。3、进给传动方案设计本车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。用电机通过一对减速齿轮副与滚珠丝杠螺母副相联传动的方案。并采用“双推简支”丝杠支承方式。“双推简支”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、Z两轴分别用独立

8、电机驱动。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。兼具高效率、高精度、可逆性的特点。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。4、进给系统的一些其它要求齿轮副传动和滚珠丝杠副传动需要设置消隙机构，提高传动系统的定位精度。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

9、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。另外对滚珠丝杠安装处应进行削边。二、进给传动系统机械部分结构的设计1、切削力的计算指定切削条件：车削刀具选用硬质合金材料，工件材料选用结构钢。1.1车端面切削用量

10、三要素选用，背向力 1.2车外圆切削用量三要素选用，进给力 背向力 由以上计算可知，在X方向上最大的切削力为5141N，Z方向上的最大切削力为5563N。2、质量的估算上滑板 刀架 下滑板 质量估算由于导轨是滚动导轨，摩擦因数很小，取0.003X方向的摩擦力Z方向的摩擦力3、机床进给传动系统的设计3.1、X方向进给系统1、伺服电动机的最高转速ndmax=2000r/min，工作台要求的最高速度为4000mm/min,如使伺服电机通过齿轮副减速与丝杠相联接，取u=0.25，则丝杠的最高转速为500r/min，丝杠导程 根据精度要求，脉冲当量。电动机每转发出的脉冲数b应为该半闭环系统角位移测量装置

11、选用脉冲编码器，目前脉冲编码器有每转2000、2500、5000脉冲等产品，选用每转发出2000个脉冲的编码器。2、 滚珠丝杠副（1） 精度要求 滚珠丝杠副用在数控车床横向进给时精度选择23级。（2）疲劳强度 丝杠的最大载荷为横向进给力加摩擦力，最小载荷即摩擦力。最大进给力前面计算已求出，为5141N。摩擦力为5.6N。 故 根据公式，平均载荷 丝杠的最高转速为500r/min，工作台的最低移动速度为0m/min，即丝杠的最低转速为0r/min，所以丝杠的平均转速为250r/min。丝杠的工作寿命取15000h，。滚珠丝杠寿命L（）： 丝杠的当量载荷 选择BNFN 3208A-5型丝杠，直径为

12、32mm，导程为8mm，负荷钢球圈数为5列。额定动载荷为，大于计算结果。轴向刚度。一般情况下，取预紧力。只要轴向力不超过FP的三倍，就不必对预紧力提出额外的要求。今最大载荷为5146.6N，小于此值。稳定性校核：长径比大的滚珠丝杠，应进行压杆稳定性计算，并使临界载荷。当时 当时 这种丝杠的轴端的直径为20mm，故采用内径为20mm的轴承采用一端固定一端游动的支撑方式。固定端采用两个角接触球轴承，背靠背安装，选用7204C型轴承；简支端采用两个深沟球轴承，选用6204型轴承。 由于支撑方式为一端固定，一端简支，则 于是 符合稳定性要求。轴承的校核对于进给机构，丝杠固定端的轴承所受径向力几乎为零，

13、径向力为切削力、预紧力和摩擦力之和。所以X=0，Y=1。查表9-8得，所选轴承7307C的额定动载荷为34.2KN寿命指数取3.0则轴承的预期寿命满足要求。对于支撑端轴承，所承受的轴向力和径向力都很小，轴承寿命校核计算略X方向导轨选择工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、四滑块的支撑形式。则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为滚动导轨设计时，可初选滚动导轨的型号，按计算额定寿命Lm：滚珠导轨 滚子导轨 式中 预期寿命，取由于所选导轨为滚珠导轨，额定寿命所以根据要求，选择HSR15B型直线滚动导轨基本额定动载荷8.33KN。齿轮副设计齿轮副传动比0.25，取小齿轮

14、的齿数，则大齿轮的齿数，模数取m=2mm，硬齿面，由于是悬臂布置，齿宽系数取0.4，所以取，所以小齿轮的转动惯量大齿轮的转动惯量伺服电动机（1） 最大切削力负载转矩从前面的计算可知，已知最大负载，滚珠丝杠预紧转矩值可用下式估算最大切削负载转矩所选伺服电动机的额定转矩应大于此值。（2） 惯量匹配及计算负载惯量工作台的最大质量为190kg，折算带电动机轴的负载惯量包括四部分，即联轴节、齿轮副、丝杠和工作台。挠性联轴节，加上锁紧螺母等的惯量约为丝杠直径d=32mm，长1.0m，转动惯量求得所以 按式。即电动机的转子惯量应在0.00120.0048kg·m2。 根据以上计算课初选伺服电动机，

15、查表3.14法纳克公司交流伺服电动机性能选择0型号，输出功率0.6kw，额定转矩2.9N·m，最大转矩26N·m，最高速度2000r/min，转子转动惯量，机械时间常数（3） 空载加速转矩 空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到最高速度时，这个转矩不得超过伺服电动机的最大转矩Tmax。空载加速时，主要克服的是惯性力矩，总惯量满足要求。3.2、Z方向进给系统初选步进电机步距角0.75°，丝杠导程根据所要求的脉冲当量，齿轮减速比i计算如下：滚珠丝杠副用在数控车床纵向力加摩擦力，最小载荷即摩擦力，最大纵向进给力前面计算已经求出，为5565N，摩擦力为11.5N

16、。故 根据公式，平均载荷丝杠的最高转速丝杠的最低转速，平均转速丝杠的工作寿命取15000h，。滚珠丝杠寿命L（）：丝杠的当量载荷选择BNFN 4510-5型丝杠，直径为45mm，导程为10mm，负荷钢球圈数为5列。额定动载荷为，大于计算结果。轴向刚度。一般情况下，取预紧力。只要轴向力不超过FP的三倍，就不必对预紧力提出额外的要求。今最大载荷为5574.5N，小于此值。稳定性校核： 这种丝杠的轴端的直径为35mm，故采用内径为35mm的轴承采用一端固定一端游动的支撑方式。固定端采用两个角接触球轴承，背靠背安装，选用7407AC型轴承；简支端采用两个深沟球轴承，选用6207型轴承。由于支撑方式为一

17、端固定，一端简支，则于是 符合稳定性要求。轴承的校核轴承的当量动载荷 对于进给机构，丝杠固定端的轴承所受径向力几乎为零，径向力为切削力、预紧力和摩擦力之和。所以X=0，Y=1。查表9-8得，所选轴承7307C的额定动载荷为34.2KN寿命指数取3.0则轴承的预期寿命满足要求。对于支撑端轴承，所承受的轴向力和径向力都很小，轴承寿命校核计算略。Z方向导轨选择单滑块所承受的最大垂直方向载荷为预期寿命，取由于所选导轨为滚珠导轨，额定寿命所以根据要求，选择HSR20B型直线滚动导轨基本额定动载荷13.8KN。齿轮副设计齿轮副降速比为2.08，取小齿轮的齿数，则大齿轮的齿数，模数取m=2mm，硬齿面，由于

18、是悬臂布置，齿宽系数取0.4，所以取，所以小齿轮的转动惯量大齿轮的转动惯量步进电动机选择Z方向最快移动速度为8000mm/min，脉冲当量为0.01mm/脉冲，所以步进电动机的运行频率最大切削力负载转矩计算从前面计算可知，已知最大负载，滚珠丝杠预紧转矩值可用下式估算最大切削负载转矩电动机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电动机输出力矩要大于和之和，并留有余量。一般来说，和之和应小于（0.20.4）Mmax。负载惯量为使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度，惯量通常应满足综合以上要求，选用130BF0.01型反应步进电动机，步距角，电压80/12V，电流10A，最大静转矩9.31N，空载

19、起动频率3000HZ，空载运行频率16000HZ，分配方式5相10拍，外形尺寸，轴径14mm，转子转动惯量。3.3、X方向齿轮副设计、校核1、 小齿轮齿数，大齿轮齿数，由于用在数控车床的横向进给上，因此精度要求较高，选择齿轮精度等级6级，大小齿轮材料选择40MnB，表面淬火，齿面硬度4855HRC。2、 按齿根弯曲疲劳强度设计闭式硬齿面齿轮传动，承载能力一般取决于弯曲强度，故先按弯曲强度设计，验算疲劳接触强度，由式（6-15）有：确定式中各项数值因载荷有轻微冲击，由表6-3查得，kA=1.25，故初选载荷系数kt=1.6工作台最大消耗功率由式（6-7）得由（6-13）得由表6-6， 由图6-1

20、9，图6-20查得YFa1=2.97 Ysa1=1.52YFa2=2.24 Ysa2=1.73由式6-12得由图6-21查得，YN1=0.92 YN2=0.95取SFmin=1.25由图6-22c，按齿面硬度均值51HRC，查得取,设计齿轮模数将确定后的各项数值带入设计公式，求得修正mt v=由图6-7查得kv=1.1由图6-10查得由图6-4查得则所以m=mt由表6-1，选取第一系列标准模数m=2mm齿轮的主要几何参数： 取3、 校核齿面接触疲劳强度由图6-14查得 由图6-13查得 由图6-15，按不允许出现点蚀查得， 由6-16d，分别按齿面硬度51HRC查得 取将确定出的各项数值代入接触强度校核公式，得接触疲劳强度满足要求。3、 进给传动系统的结构图图1图2图3结 论本次设计的是纵向及横切向进给系统，完成了系统中的尺寸计算及结构设计，并对其进行一系列的校核，各项性能指标完全满足要求，说明设计的结构是合理的。然后选择轴承和电机，并设计了床身等。由于专业知识的限制，无法对复杂的数控系统进行设计，但是，通过选择合