最大加工直径为400毫米的经济型数控车床进给系统设计

1、题目：最大加工直径为400毫米的经济型数控车床进给系统设计目 录摘要2Abstract2第一章 概述31.1 数控车床的概念31.2 数控车床的组成和特点41.3 经济型数控车床的发展与趋势与现状51.4 数控机床系统的选择61.5 数控机床设计中主要机械部分71.6 数控机床的性能和精度选择8第二章 进给系统总体方案设计92.1进给系统的组成和原理92.2 进给传动伺服系统的选择102.3数控系统的选择102.4 机械传动方式的选择11第三章 数控车床进给系统机械部分设计计算133.1 横向进给系统的设计与计算133.2 数控车床的传动装置设计193.3 自动转位刀架的设计23第四章 经济型

2、数控系统设计244.1 概述242529结束语32参考文献32第一章 概述1.1数控车床的概念 数控车床又称为 CNC车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。 数控机床数控车床，是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥 了良好的经济效果。1.2 数控车床的组成

3、和特点车床机械部分主要由如下部件组成：床身、主轴箱、进给装置、刀架、尾座、卡盘、安全防护、托架、其他辅助装置等。1)床身车床床身是整个机床的基础的基础。床身部分最关键的部位是导轨，导轨一般要经过二次时效、中频淬火和精密磨削后才能使用。常用的导轨形式有滑动导轨、滚动导轨和直线导轨。导轨是关系到机床精度和稳定性的部件。2)主轴车床主轴是车床输出动力的主要部件。随着现在科技的发展，土轴的结构形式越来越简单， 由原来的齿轮传动逐步发展成了电动主轴、主轴单元等多种形式。转速也越来越高，由原来 的几千转分，发屉到几万转分甚至几十万转分3)进给装置一般车床有两个方向的进给，横向(x轴)和纵向(z轴)。伺服电

4、机带动旗珠丝杠拖动床鞍等，实现数控车床的自动加工。4)刀架一般数控车床都配有电动、气动、液压或伺服刀架。刀架是数控车床最重要的辅助装置之一，刀架的档次是评判数控车床高中低的依据之一。5)尾座为了满足重型切削和较长丁件的加工要求，一般车床都配有尾座。尾座分手动、电动、 气动和液压尾座等。6)卡盘卡盘安装在主轴上，用来夹持工件，分为手动三爪自定心卡盘、电动卡盘、气动F盘、液压卡盘和四爪卡盘等等。数控车床的标准配置一般为三爪自定心卡盘。7)安全防护数控车床一般都有全封闭防护或半封闭防护来满足劳动生产要求。机床的防护和外 观越来越受到用户的关注。8)托架托架一般包含中心架和跟刀架。数控车床的标准配置一

5、般不含托架，托架是满足特殊加工要求而配备。 1.3 经济型数控车床的发展趋势与现状1.4 数控机床系统的选择     数控系统主要有三种类型，设计时，应根据具体情况进行选择。    (1) 步进电机拖动的开环系统    该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速

6、度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易成功。    (2) 异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统    该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际

7、位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。    (3) 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。选择

8、数控系统时主要是根据数控设计后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求1.5数控机床设计中主要机械部分   一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，方能获得预期的设计目的。    (1) 滑动导轨副    对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨

9、变形。    (2) 齿轮副    一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。    (3) 滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于

10、6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。(5) 安全防护改造效果必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨1.6 数控机床的性能和精度选择为能让设计的车床得到更深一处的应用，和体现更有

11、价值观和使用年数，我们在设计前需要考虑的一系列的车床的性能和精度的选择有以下几点： （1）轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。 （2）进给运动：进给速度：X向（通常为8400mm/min）；X向（通常为2100 mm/min）。快速移动：X向（通常为1.24m/min）；X向（通常为1.23m/min）。脉冲当量：在0.0250.005mm内选取，通常Z向为X向的2倍。加工螺距范围：包括能加工螺距类型（公制、英制、模数、径节和锥螺纹等），一般螺距在10mm以内都不难达到。(3）进给运动驱动方式（一般都选用步进电机驱动）。(4）给运动传动是否要滚珠丝杠传动。(5）刀架是否

12、需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。(6）其他性能指标选择：插补功能：车床加工需具备直线和圆弧插补功能。刀具补偿和间隙补偿：为了保证一定的加工精度，一般需考虑设置刀补和间隙补偿功能。显示：采用数码管还是液晶或者显示器显示，显示的位数多少等问题要根据车床加工功能实际需要确定，一般来说，显示越简单成本越低，也容易实现。诊断功能：为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作，可在数控系统设计时加入必要的器件和软件，使其能指示出机床出现故障或者功能失效的部分等，实现有限的诊断功能。以上是数控车床设计时需要考虑的一些通用性能指标，有的数控车床根据需要还会有些专门的要求，如车削大螺距螺纹、在恶劣

13、的环境下工作的防尘干扰、车刀高精度对刀等，这个时候应有针对性的专门设计。第二章 进给系统总体设计方案2.1 进给系统的组成和原理2.2 进给传动伺服系统的选择第三章 数控车床进给系统机械部分设计计算3.1 横向进给系统的设计与计算 横向进给系统的设计步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证同轴度，提高传动精度。 横向进给系统的设计计算已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算） W=30kgf=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L=4mm左旋行程 S=230mm脉冲当量 =0.005mm/step步距角 =0.

14、75 °/step快速进给速度 max=1mm/minA.切削力计算 横向进给量为纵向的1/21/3,取1/2,则切削力约为纵向的1/2 F=(1/2)×152.76=76.38kgf=763.8N （3-1）在切断工件时：F=0.5F=0.50×76.38=38.19kgf=381.9N （3-2）B.滚珠丝杠设计计算a.强度计算对于燕尾型导轨：P=KFy+f(Fz+W) （3-3）取K=1.4 f=0.2则 P=1.4×38.19+0.2×（76.38+30） =74.74kgf=747.4N （3-4）寿命值 L =13.5 （3-5）最

15、大动负载 Q=×1.2×1×74.74=213.55kgf=2135.5N （3-6）根据最大动负荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。型号为WL2004-2.5X1B左，其额定动负荷为6100N，所以强度足够用。b.效率计算螺旋升角=3°39，摩擦角=10则传动效率 =0.956 （3-7）c.刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量L=5.96×10-6cm （3-8）滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小，可忽略，即：L=L。所以，导程变形总误差为=L=×5.96×10-6=14.9m/m （3-9）知E级精度丝杠允许

16、的螺距误差1m长为15m/m，故刚度足够。d.稳定性验算由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不用验算。C.齿轮及转矩有关计算a.有关齿轮计算传动比 i= （3-10）故取 Z=18 Z=30 m=2mm b=20mm =20°d=36mm d=60mm d=40mm d=64mma=48mmb.转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量JI=（）2W=（）2×30×0.01=0.0439kgfcm2（3-11）丝杠转动惯量JS=7.8×10-4×24&#

17、215;50=0.624kgfcm2 （3-12）齿轮的转动惯量J=7.8×10-4×3.64×2=0.262kgfcm2 （3-13）J=7.8×10-4×64×2=2.022kgfcm2 （3-14）电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量J= =1.258kgfcm2 （3-15）c所需转动力矩计算 n=41607r/min （3-16） M=Nm=2.23kgfcm （3-17） （3-18）m=0.1775kgfcm （3-19）= （3-20） （3-20） （3-22）所以，快速空载启动所需转矩 （3-23）切削时所需

18、力矩： （3-24）快速进给时所需力矩： （3-25）从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，=2.633kgfcm=26.33Ncm步进电机的计算和选型一) 横向进给步进电机计算和选型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 式中 1.326 4.192 0.3996 0.975 0.562 代入公式得6.788初选混合式步进电机BS86HB3L103-02，其转子转动惯量机力矩的计算（1）快速空载起动力矩在快速空载起动阶段，加速例句所占的比例较大 333.33r/min，=35ms 67.66N cm折算到电机轴上的摩擦力矩 18.29N cm附加摩擦力矩 0.718 N

19、cm上述三项合计 113.74 N cm(2) 快速移动时所需力矩 19.008N cm(3)最大切削载时所需力矩 104.56N cm从上面计算可以看出，在三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选电机的依据。查得，当步进电机为三相六拍时，=0.866 得到 最大静力矩=113.74/0.866=172.3 N cm 按此最大静转矩从下表查出，BS86HB3L103-02型最大静转矩大于2.545 N·cm。大于所需最大静转矩，可作初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行起动矩频。3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 可查出：BS86HB3L103

20、-05型号步进电机允许的最高空载起动频率为2500HZ, 从图中查出步进电机起动矩频特性,当步进电机起动时,频率,力矩均能满足此机床的要求。3.2数控车床的传动装置设计 数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属机构。包括丝杠螺母副、导轨、工作台等。在数控机床数字调节技术领域，传动装置是伺服系统中的一个重要环节。因此，数控车床的传动装置与普通车床中传动装置在概念上有重要差别，它的设计与普通车床传动装置的设计不同。数控车床传动装置的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。为确保数控车床进给系统

21、的传动精度和工作稳定性，在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙、低摩擦、高刚度等要求。为了达到这些要求，采取主要措施如下：a尽量采用低摩擦的传动，以减少摩擦力；b链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度；c量消除传动间隙，减少反向死区误差。螺旋传动A概述 螺旋传动主要用来把旋转运动变为直线运动，或把直线运动变为旋转运动。其中，有以传递能量为主的传力螺旋，有以传递运动为主，并要求有较高传动精度的传动螺旋，还有调整零件相互位置的调整螺旋。螺旋传动机构又有滑动丝杠螺母、滚珠丝杠螺母和液压丝杠螺母机构。 在经济型数控车床的进给系统中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。 滚珠丝

22、杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠。这些滚珠作为中间传动件，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装置。它由丝杠、螺母、滚珠及滚珠循环返回装置等四个部分组成。当螺杆转动螺母移动时，滚珠则沿螺杆螺旋滚道面滚动，在螺杆上滚动数圈后，滚珠从滚道的一端滚出并沿返回装置返回另一端，重新进入滚道，从而构成闭和回路。B滚珠丝杠副传动的特点a传动效率高，摩擦损失小。b给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。c启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。d有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换

23、为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。e磨损小，使用寿命长，精度保持性好。f制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值别别小，故制造成本高。g不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于中立的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，所以需要添加制动装置。 为了满足高精度、高刚度进给系统的需要，必须充分重视滚珠丝杠副支承的设计。a一端固定 一端自由a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低。b) 结构简单c) 轴向刚度小d) 适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装b两端铰支a) 结构简单b) 轴向刚度小c) 适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装d) 对丝杠的热伸长

24、较敏感e) 适用于中等回转速度c一端固定 一端铰支a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转速度b) 结构稍复杂c) 轴向刚度大d) 适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装e) 推力球轴承应安置在离热源（步进电机）较远的一端d两端固定a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转b) 结构复杂，两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变形可转化为推力轴承的预紧力c) 轴向刚度最大d) 适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装e) 适用于较长的丝杠安装综上所述，本设计中滚珠丝杠副支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定，一端径向支承。D滚珠丝杠副轴向间隙的调整滚珠丝杠

25、的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。消除间隙的方法采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外，还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。 轴的结构设计A轴CAJJX6140-02-04的结构设计由前面滚珠丝杠副的设计可知：滚珠丝杠的直径为20mm。由于丝杠与轴CAJJX6140-02-04通过联接套联接，考虑到轴的加工方便性和整体的连贯性，轴CAJJX6140-02-04的轴身部分直径与滚

26、珠丝杠的直径相同，均为20mm，其长度根据原车床实际需要的尺寸而定，轴颈部分直径为17mm。图3-1 轴CAJJX6140-02-04B轴CAJJX6140-02-08的结构设计考虑与轴承内经的配合，所以该轴两端支承部分直径为17mm。由于该轴需与法兰盘联接，而且该轴相对较长，因此在设计时为了方便安装，降低装配难度，将轴身部分增加一个轴肩，直径适当减小，使其有一过渡，轴身直径为15mm。因为该轴的右端还需安装一个透盖，用双螺母对其紧固。轴与透盖用一键使其周向固定。查参考文献3可知，根据轴的直径选用型号为GB/T1098-1979的键，键槽宽度为3mm，深度为3.8mm。图3-2 轴CAJJX6

27、140-02-08透盖的结构设计透盖的内径和长度由与之配合的轴CAJJX6140-02-08的直径和长度决定，所以透盖的直径为16mm,长33mm。因为选用型号为GB/T1098-1979的键，可知，毂t1=1.4mm，上偏差为+0.1，下偏差为0。外圆的直径由法兰盘的直径决定，为96mm。图3-3 透盖CAJJX6140-02-01螺母座的结构设计螺母座的长度根据滚珠螺母的长度而定。螺母座与滚珠螺母通过键进行轴向固定，该键型号选用GB/T1096-1979，4×4×30。滚珠丝杠副通过螺母座带动工作台移动，因此螺母座通过螺钉与工作台联接。螺钉型号选用GB/T70-1985

28、。图3-4 螺母座CAJJX6140-02-073.3自动转位刀架的设计 自动转位刀架的设计是普通机床数控改造机械方面的关键。在进行普通车床的经济型数控改造时，多采用外购自动转位刀架。由微机控制的自动转位刀架具有重复定位精度高,工件刚性好,性能可靠,使用寿命长以及工艺性好等特点。自动转位刀架设计时,刀架要能自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧,即要设计出合理的机构又要检测出个顺序动作的电信号,以便由控制系统加以控制。刀架的回转常采用微电机通过蜗轮蜗杆使刀架抬到一定高度时,由拨块带动刀架转动。刀架的选位由刀架位置的编码和微机程序来实现。这里选用的是LD4-1型自动刀架，其工作原理是由微机发

29、出换刀信号,使微电机正转,通过减速机构和升降机构将上刀体升至一定位置时,离合转盘起作用,带动上刀体旋转,旋转到所选刀位,发信盘发出刀位信号,使微电机反转,反靠初定位,上刀体下降,齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆，锁紧螺母，使刀架固紧。当夹紧力达到预先调好的状态时，过流继电器动作，切断电源，电机停转，并向微机发出回答信号，开始执行下道工序。刀架的动作顺序简明地表示为：微电机减速机构升降机构上刀体上升转位信号符合粗定位机构上刀体下降精定位刀体锁紧微电机停转换刀回答信号加工顺序执行。第四章 经济型数控系统设计4.1概述数控机械的开环数控系统一般用步进电机作为执行驱动元件，因此又称为开换步进控制系统。由于这种系统不使用位置、速度检测和反馈装置，没有闭环控