数控铣床进给系统结构设计说明书要点

1、中北大学课程设计说明书数控铳床进给系统结构设计说明书目录前言11 .原始条件和设计要求22 .数控机床的加工原理43 .进给伺服系统概述54 .纵向进给系统的设计计算74.1 丝杠螺母静态设计74.2 丝杠螺母动态设计94.3 变速机构设计114.4 电动机的静态设计135 .电动机的选取与减速结构的设计165.1 电动机的选取165.2 减速机构的选取设计166 .进给系统的结构设计177 .滚珠丝杠螺母副的设计178 结199 谢2010 文献21中北大学课程设计说明书我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。近10年来，我国数控机床年

2、产量约为0.60.8万台，年产值约为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%,FMC/FM等自动化生产线更屈指可数（美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

3、率比传统机床提高37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。因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。1.原始条件和设计要求mT=600kgFw=1500N

4、Vfmax=0.2m/svv|=0.1m/s2amax=1.2m/s工作台：工作台质量最大加工受力快进速度工进速度最大加速度中北大学课程设计说明书工作台导轨摩擦力工作行程Fr=2.5NSw=0.7m减速机构：丝杠螺母机构（图2）,已知数据如下:轴承轴向刚度丝杠螺母刚度螺母支座刚度丝杠传动效率丝杠长度丝杠轴承、丝杠螺母摩擦力矩轴承平均间距导程最大转速常数支承方式伺服电机：电机转子惯量图2丝杠螺母机构Kl=800N/mKm-800N/JmKtm-1000N/Jmsp=0.9Lsp=0.5mMr,sp=2.5N|_mL=550mmhsp=10mmA=60000双推一双推JM=0.0510,kgLm2

5、2.数控机床的加工原理金属切削机床加工零件，是操作者依据工程图样的要求，不断改变刀具与工件之间相对中北大学课程设计说明书运动的参数（位置，速度等），使刀具对工件进行切削加工，最终得到所需要的合格零件。数控机床的加工，是把道具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，使坐标移动若干个最小位移量（即控制刀具运动轨迹），从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工。刀具沿各坐标轴的相对运动，是以脉冲当量6为单位的（mm脉冲）。当走刀轨道为直线或圆弧时，数控装置则在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间的坐标值，

6、向坐标输出脉冲数，保证加工出需要的直线或圆弧轮廓。数控装置进行的这种“数据点的密化”称做插补，一般数控装置都具有对基本函数（如直线函数和圆函数）进行插补的功能。对任意曲面零件的加工，必须使刀具运动的轨迹与该曲面完全吻合，才能加工出所需要的零件。数控机床是由信息载体，数控装置，伺服系统和机床主体各机械部件组成，如图1所示。图1数控机床的组成3,进给伺服系统概述数控机床伺服系统的一般结构如图2所示:中北大学课程设计说明书.,1机械执行部件I1I位置控制单元I&耳MJ府皆棒制?L调节器X*位置测试单元图Z数控机床进给伺服系统基本组成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

7、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。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0.1r/min或更低速时，仍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4-6倍而不损坏。(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2能小的时间常数和后动电压。电机应具有耐受4000rad/s以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到

8、额定转速。(4)电机应能随频繁启动、制动和反转。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PID,使用灵活，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。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。中北大学课程设计说明书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

9、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。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

10、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

11、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。为了改善换向能力,减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。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中北大学课程设计说明书4,纵向进给

12、系统的设计如图3所示是一种典型的机械传动部件设计方案，采用电动机，减速机构和丝杠螺母传动装置。F甯图3机械传动部件设计方案对于这种机械传动部件，设计的步骤应该是：先根据静态设计和动态设计的观点来设计丝杠螺母传动装置和减速机构，然后再根据设计要求选择电动机。4.1丝杠螺母静态设计(1)确定动载荷Qta工作循环周期T由加速时间L和加工时间%组成，计算如下:amaxtwSw0.7=7sT=2tw4ta=14.332s在减速期间的平均速度小为；=二_=60_=300r/min2hsp20.01工作进给时转速为'6001nw=60u,=600r/minhsp0.01中北大学课程设计说明书可得当量

13、转速nm二593r/min(30040083)(60027)14,332载荷系数大取11当量载荷为匚匚工2tw|Fw|+4ta|FaFm=FR算出一Fa=叫max=6001,2=720N代入上式Fm=1484.43N取滚珠丝杠寿命为20000h,算出该滚珠丝杠的动载荷Ca=fwFm3.(60nmLn10中=14577.99Nfa=fcu1(2)确定静载荷最大轴向力可近似取最大加工受力，即Fmax:FW=1500N取静态安全系数九=1,得静载荷%(Coa=fdFmax=1500N(3)根据轴向压力选取丝杠直径%=104Fa=FW=1500NL=0.5m=500mm查表e=203中北大学课程设计说

14、明书代入上式得dsp=6.556mm故取ds7mmpp转速限制最大转矩限制：由nmax60、fmaxhsp=1200r/min由总=60000得dsp小二50mm临界转速限制：/=ncL2/fX107由nmax=1200r/min<nc,L=500(mm),f=2L9得dp»1.2mm(5)选择丝杠直径由上面计算，根据以上数据，从厂家产品样本中选取丝杠直径可得d留»20mm4.2丝杠螺母动态设计(1)确定丝杠螺母传动的总刚度扭矩刚度：KTsp=7.84X10-3*/工式中日耳一丝杠低径(mm)；中北大学课程设计说明书L一型杠自由长度（m）。将丝杠扭转刚度折算成工作台（

15、执行件）直线刚度公式G=心¥（2"%）工X7,84XIO-3/L得弓二990N/（imo拉压刚度：Ks#1.65XIO*1/L（N/jim）根据已知条件可得；.。总刚度：对于“双推-双推”式支承的丝杠螺母传动装置，其刚度的等效图如图图5双推-双推式丝杠刚度等效图设螺母位于丝杠中间，于是系统的总刚度为1/仙=1/2埠4-1/4%+1/心+1/吊丁制将已知条件代入，得系统的总刚度Ki=173N/m（2） 确定机械谐振频率机械传动部件的谐振频率10中北大学课程设计说明书°mech=173106/600=537rad/soiieci（3） 确定具有满意动态性能的丝杠直径电

16、气驱动部件的谐振频率取下列值，则其动态性能较好，即取，幺35Orad/s采用常规的比列位置调节，为了使机械传动部件的动态性能不影响系统总的动态性>(2-3)Woa但是，根据本例选择的丝杠直径%=20mm,只能得到,omech=空=1.53.OA350因此，丝杠的直径应该更大一些。若取3而=2/d=700rad/s得%=245N/nm1.2XI。-%3-0.7S8d-1.62X102=0解上式可得/=28mm最后根据厂家产品样本选取丝杠直径一4.3变速机构设计已知，电气驱动部件具有二阶振荡环节的性能，其谐振频率阻尼比11中北大学课程设计说明书心=1/2电气时间常数%=LJ4机械时间常数Te

17、peh=八/式中.一匚胡一二心一驱动线路总电阻K,m-电动机扭矩常数CE电动机反电动势系数机械时间常数里的/c映是电动机轴上总的转动惯量-Jm+/6工E为了电气驱动部件获得最大的谐振频率，必须使计算到电动机轴上的机械部件转动惯量/.Mt最小。这一点可以借助减速机构达到。如图1所示电动机轴上的小齿轮，其直径及齿宽，根据传递的动力由最小齿轮及模数的要求决定。当小齿轮设计完毕，它的转动惯量人就是已知的。大齿轮转动惯量A可由/1和i降速比近似确定，即卜=】“机械部件折算到电动机轴上恩多总转动惯量为八=Jm+/1+理优+5+/)=必+71+J"+也中+M式中.量12中北大学课程设计说明书/1小

18、齿轮转动惯量/二一丝杠转动惯量八一工作台折算到丝杠上的转动惯量，上叩"兀令d/gf/di=0,得满足最小惯量要求的相对额定降速比i.I-A+万根据所设计系统的已知条件，得，_2_3,2Jt=mT（hsp/2二）=1.5210kg*m丝杠的转动惯量/即为&=1/8（171）时题=1/4（nd3L印曲5p）式中m裕一丝杠质量；工即包括轴颈的丝杠总长户一钢的密度，p=7.85X103kg/m将已知条件代入，得/=1/2-954.4电动机的静态设计（1）计算得分"=,邸一九+/“理+理心+几）13中北大学课程设计说明书根据上面求得的最佳传动比Qy和其他参数，得，尸一7：I。

19、13)(2)确定电动机额定转矩工作台加速和加工力所引起的当量力矩=1/4邦%人中/27r式中.一姓厂丁匚1鼓蜜，.'Fm为当量载荷Fm=1484.43N故得n,1484.430.01.MMT=2.630.92二丝杠加速度由=2n/hamax丝杠加速所需的转矩丁小邦Jsp3中由丝杠加速所引起的当量力矩Ms=4|时匕"可得时薪=8.16X10-3N-m丝杠螺母传动机构的总当量力矩为ms"巾+同E？可得电动机轴的加速度3M=3#/'呻=2狂口max/J四*中可得-电动机轴的加速转矩14中北大学课程设计说明书Lm=/m，。时=L2XIQTnm由电动机轴加速所引起的当

20、量力矩=4%ta/T所以.：-.作用在电动机轴上的当量力矩为Me=i/VcMg+M可得一-.二电动机的额定转矩应为时dm=故，：一.(3)确定电动机额定功率电动机的额定转速"白掰=60/%,£%可得】一电动机的额定功率OM%打3%时=27r/60now最后得电动机额定功率POm=(0.19-0.25)kW015中北大学课程设计说明书5.电动机与减速机构的设计5.1 电动机的选取电动机额定功率.一一一一选取型号为JZS2G-51-2,额定功率为(5-0.05)kW,额定转速为(2600-26)r/min5.2 减速机构的设计由于。K=l/2.95o可取i=3。Z=24,2r=

21、72,m=2.5(1)分度圆直径-=60mm；-=l80mm(2)中心距q=心一心/2=120mm(3)齿宽b=0ddi=60mmB2=60mm/=65mmrfal=65mmdft2=d2+2上m=185mmdfl=心一2(九联+c*)m=5,75mmdfz=d1-2(h2+=173,75mm16中北大学课程设计说明书6,进给系统的结构设计6.1 滚珠丝杠螺母副的设计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，

22、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。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0.92-0.96，比普通丝杠高3-4倍。因此，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，

23、表面粗糙度也要求高，故制造成本局。(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。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ALo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。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

24、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。因此在此课题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。17中北大学课程设计说明书丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针一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，600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。滚针一圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。600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。因此在进给传动中面对面组合用得较多。在此课题中采用了以面对面配对组合的60°角接触轴承，组合方式为DDB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