数控技术综合训练教材

数控技术综合训练（三）机自15-4xxx第一页，共四十七页。目录第一章 绪

论第二章

机床总体方案设计第三章

伺服系统设计第四章

数控铣床XYZ轴进给系统设计第五章

机床导轨设计第二页，共四十七页。第一章第三页，共四十七页。绪

论XK712铣床的结构及使用要求分析铣床介绍XK712立式数控钻铣床是一种小型规格、高效通用的自动化机床，机床操作系统为

广州数控980MD系统，该系统可控制三个坐标轴：X、Y、Z三轴直线插补,该机配有

先进的数字控制系统，通过CNC编程，在一次装夹中可自动完成铣、镗、钻、铰等

多种工序的加工节省工装，缩短生产周期，提高加工精度。进给速度倍率随时可调，

160*128点阵液晶显示器。机床适用于加工批量钻、铣、镗中、小型零件，可一人

操作多台机床，大大提高加工效率，降低加工效率，降低人工成本，操作简单，普

通工人稍加培训即可操作。是机械制造、模具制造以及教学等应配置的重要设备。

若选用数控转台，可扩大为四轴控制，实现多面加工。第四页，共四十七页。第二章第五页，共四十七页。机床总体方案设计2.1机床结构简图第六页，共四十七页。2.1主轴的材料选择从多方面考虑选用40Cr为本次数控铣床主轴材料。2.2主轴主要结构参数的确定主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈D1和D2，主轴内孔直径d，主轴主要支撑间的跨距L。这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴的刚度。取主轴的最小直径=80mm，最小直径本应该是后轴颈，但是考虑到轴承的轴向固定采用锁紧螺母，应留锁紧螺母的位置。考虑到轴上装轴承，有配合要求，应将后轴颈的直径圆整到标准直径，同时要考虑到选择轴承的类型，还有一个键槽的关系，还有主轴是中空电机直接带动主轴转动的，考虑到主轴的刚度和强度，因此选择后轴颈的直径=160。第七页，共四十七页。第三章第八页，共四十七页。伺服系统设计数控装置所产生的进给差插补脉冲信号送给伺服系统，由伺服系统控制伺服电机驱动机床上各个进给轴，实现机床加工进给运动。3.1伺服系统概述伺服系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺

服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任

意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换

与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。在很多情况

下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈

控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。第九页，共四十七页。伺服系统主要由三部分组成：控制器，功率驱动装置，反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。第十页，共四十七页。3.1.1伺服系统的特点伺服系统的只要特点：1、精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制；2、有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较3种；3、高性能的伺服电动机(简称伺服电机)：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节；第十一页，共四十七页。4.宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。3.1.2伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。稳定性好：作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力，在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有平衡状态；第十二页，共四十七页。精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在0.01～0.00lmm之间；快速响应性好：有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。节能高：由于伺服系统的快速相应，注塑机能够根据自身的需要对供给进行快速的调整，能够有效提高注塑机的电能的利用率，从而达到高效节能。第十三页，共四十七页。3.2传动方案确定及典型元件3.2.1电机与滚珠丝杠的连接数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求。实现进给驱动的电机主要有三种：步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。目前，步进电机只适应用于经济型数控机床，直流伺服电机在我国正广泛使用，交流伺服电机作为比较理想的驱动元件已成为发展趋势。数控机床的进给系统当采用不同的驱动元件时，其进给机构可能会有所不同。电机与丝杠间的联接主要有三种形式，如图2-1所示。（1）带有齿轮传动的进给运动数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求，如图2-1a）所示。由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求，总存在着一定的齿侧间隙才能正

常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影

响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽量减小齿轮侧隙。但这种联

接形式的机械结构比较复杂。第十四页，共四十七页。你的小标题2—2电机与丝杠间的联接形式（2）经同步带轮传动的进给运动如图2-1b）所示，这种联接形式的机械结构比较简单。同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适于低扭矩特性要求的场所。安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂。第十五页，共四十七页。（3）电机通过联轴器直接与丝杠联接如图2-1c）所示，此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中，普遍采用这种联接形式。根据进给系统的要求及设计要求，选择电机通过联轴器直接与丝杠联接，选用合适的联轴器，吸收振动、补偿径向、角向和轴向偏差，使得机床结构简单，拆装方便，同时传动平稳，具有良好的精度。第十六页，共四十七页。3.2.2滚珠丝杠螺母机构滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置。图2-3是滚珠丝杠螺母副的原理图。在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道滚动，螺母螺旋槽的两端用回珠管连接起来，使滚珠能作周而复始的循环运动，管道的两端还起着挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。2-3滚珠丝杠螺母副的原理图第十七页，共四十七页。由于滚珠丝杠具有传动效率高、运动平稳、寿命高以及可以预紧(以消除间隙，并提高系统刚度)等特点，除了大型数控机床因移动距离大而采用齿条或蜗条外，各类中、小型数控机床的直线运动进给系统普遍采用滚珠丝杠。数控机床进给系统所用的滚珠丝杠必须具有可靠的轴向间隙消除结构、合理的安装结构和有效的防护装置。第十八页，共四十七页。3.2.3滚珠丝杠的支承方式（1）一端固定，一端自由方式一端固定，另一端自由安装方式，固定端的轴承可以同时承受轴向力和径向力，而滚珠丝杠轴承这种的支承方式主要是用于行程较小的短丝杠轴承或者全封闭式的机床，因为当采用这种结构的机械定位方式时，其精度是最不可靠的，尤其是长径比大的丝杠轴承(滚珠丝杠相对细长)，其热变形是非常明显的。但是，如果是1.5米长的丝杠，其在冷、热的不同环境下变化0.05~0.1mm是属于正常正常现象。尽管如此，由于其结构较简单，安装调试较方便，大多高精度机床依然是采用这种结构；但是，有一点需要特别注意的就是，采用这种结构时必须加装光栅，采用全封闭环来反馈，以便能够充分丝杠的性能。图2-4一端固定，一端自由方式第十九页，共四十七页。（2）一端固定，另一端支承方式一端固定，另一端支承这种安装方式，固定端的轴承同样也是可以同时承受轴向力和径向力，而支承端只承受径向力，并且能够做微量的轴向浮动，以及可以减少或者避免因丝杠自重而出现的弯曲，另外，丝杠的热变形可以自由的向一端伸长。因此，这是使用最广泛的一种结构。比如：目前国内中小型数控车床、立式加工中心等等都是采用这种结构图2-5一端固定，另一端支承方式第二十页，共四十七页。（3）两端固定方式刚度，型机不足；此杠最丝杠两端均固定。采用这种方式，固定端轴承可以同时承受轴向力，并且可以对丝杠施加适当的预紧力，以提高丝杠的支承同时还可以部分地补偿丝杠的热变形。因此，大型机床、重床以及高精度镗铣床大多都是采用这种结构。当然，其也有的地方，那就是采用这种结构的话会使得调整工作比较繁琐外，如果在安装调整时两端的预紧力过大的话，将会导致丝终的行程比设计行程长，螺距也会比设计螺距大；而如果两端螺母的预紧力不够的话，就会导致相反的结果，从而容易引起机床

振动，致使精度降低。因此，如果是采用两端固定这种结构的话，那么在拆装时一定要严格按照说明书来进行调整，或者是借助仪

器(双频激光测量仪)来调整，以免造成一些不必要的损失。图2-6两端固定方式由于所设计铣床Z轴的行程较小，所有径向力较小，对于机床精度影响不大。所以选择一端固定一段自由的支承方式。第二十一页，共四十七页。3.2.4联轴器的选择梅花联轴器结构简单、无需润滑、方便维修、便于检查、免维护，可连续长期运行。高强度聚氨酯弹性元件耐磨耐油，承载能力大，使用寿命长，安全可靠。工作稳

定可靠，具有良好的减振、缓冲和电气绝缘性能。具有较大的轴向、径向和角向补偿能力。结构简单，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，适用于中高速场合。结构特点：中间弹性体联接可吸收振动、补偿径向、角向和轴向偏差抗油与电气绝缘顺时针与逆时针回转特性完全相同定位螺丝固定第二十二页，共四十七页。第四章第二十三页，共四十七页。数控铣床XYZ轴进给系统设计4.1

Y轴方向滚珠丝杠精度由于本系统要求达到0.012/300mm的精度要求,根据此要求查阅滚珠丝杠样本,对于一级精度(P1)精度丝杠,任意300mm内导程允许为0.006mm,2级(P,)精度丝杠的导程允许误差为

0.008mm。初步设计丝杠的任意300mm行程内的行程动量3mo为定位精度的1/3--1/2,即0.006-0.008mm,因此,取滚珠丝杠精度为2级。滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的名义直径,滚珠的列数和工作圈数,应按当量载荷Cm选择。第二十四页，共四十七页。选用FFZD3206-5-P2丝杠螺母副。长度为1120mm。(3)支撑轴承采用一段固定，另一端支撑的支撑方式，固定端选用背对背60°接触角推力球轴承，支撑端选用推力球轴承。第二十五页，共四十七页。4.2

X轴方向(1)滚珠丝杠精度由于本系统要求达到0.012/300mm的精度要求,根据此要求查阅滚珠丝杠样本,对于一级精度(P1)精度丝杠,任意300mm内导程允许为0.006mm,2级(P,)精度丝杠的导程允许误差为0.008mm。初步设计丝杠的任意300mm行程内的行程动量3mo为定位精度的

1/3--1/2,即0.006-0.008mm,因此,取滚珠丝杠精度为2级。

(2)滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的名义直径,滚珠的列数和工作圈数,应按当量载荷Cm选择。第二十六页，共四十七页。选用FFZD3206-5-P2丝杠螺母副。长度为1120mm。(3)支撑轴承采用一段固定，另一端支撑的支撑方式，固定端选用背对背60°接触角推力球轴承，支撑端选用推力球轴承。第二十七页，共四十七页。X轴方向滚珠丝杠精度由于本系统要求达到0.012/300mm的精度要求,根据此要求查阅滚

珠丝杠样本,对于一级精度(P1)精度丝杠,任意300mm内导程允许为

0.006mm,2级(P,)精度丝杠的导程允许误差为0.008mm。初步设计丝杠的任意300mm行程内的行程动量3mo为定位精度的1/3--1/2,即0.006-0.008mm,因此,取滚珠丝杠精度为2级。滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的名义直径,滚珠的列数和工作圈数,应按当量载荷Cm选择。第二十八页，共四十七页。选用FFZD3206-5-P2丝杠螺母副。长度为900mm。(3)支撑轴承采用一段固定，另一端支撑的支撑方式，固定端选用背对背60°接触角推力球轴承，支撑端选用推力球轴承。第二十九页，共四十七页。Z轴方向主切削力及其切削分力计算计算主切削力Fz。根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径D=125mm），主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率，此时铣刀的切削速度为：（已知机床主电动机的额定功率Pm为0.75kw，主轴计算转速（n=310r/min。）根据公式得刀具的切削速度为：v=

pDn

=

3.14×125×10−3

×310

m

/

s=

2.03m

/

s60

60取机床的机械效率为：hm=0.8，则由式得主切削力：计算各切削分力工作台的纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为F1

=

0.4Fz

=

0.4×295.6

=

118.24NFC

=

0.95Fz

=

0.95×295.6

=

280.8NFV

=

0.55Fz

=

0.55×295.6

=

162.58N第三十页，共四十七页。导轨摩擦力的计算在切削状态下坐标轴导轨摩擦力Fm的计算可以查课程设计指导书：计算在切削状态下的导轨摩擦力Fm。此时导轨动摩擦系数m=0.15，查表得镶条紧固力fg=500N,则Fm

=

m(W

+

fg

+

Fv

+

Fc)

=

0.15

×

(900

+

500

+

280.8

+

162.58)N

=

1843.38N计算在不切削状态下的导轨摩擦力Fm0和F0Fm0

=

F0

=

m(W

+

fg

)

=

0.15

×

(900

+

500)

=

210NF0

=

m0(W

+

fg)

=

0.12

×（900

+

500）=

168N第三十一页，共四十七页。滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的名义直径、滚珠的猎术和工作圈数，应按当量动载荷Cm选择。计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算最大轴向负载力FamaxFamax

=

F1

+

Fm

=(118.24

+

1843.38)N

=

1961.62N计算最小轴向负载力Fmin

Fa

min=Fm0=210N（2）轴向工作载荷（平均载荷）：Fm===1377.7N计算当量动载荷Cm载荷性质系数Kp无冲击取1~1.2，一般情况取1.2~1.5，有较大冲击振动式取1.5~2.5精度影响系数Ka，对于1、2、3级精度的滚珠丝杠取Ka=1，对于4、5级滚珠丝杠取Ka=0.9。所以对于本数控机床，取Kp=1.5，Ka=1故当量动载荷Cm===11668N=1.17kN选取滚珠丝杠第三十二页，共四十七页。选取SFU255-4型滚珠丝杠，其参数如下：动额定负载荷Ca=1280kgf=1.28kN>Cm,故满足要求。第三十三页，共四十七页。伺服电机的选择计算折算到电动机轴上的负载惯量计算滚珠丝杠的转到惯量Jr。已知滚珠丝杠的密度r

=7.8×10

−3

kg/cm

3,得:计算联轴器的转动惯量J0J0=

0.78×10−3D4

L

=0.78×10−3

×(44

-1.64

)×6.6kg/cm3=1.28kg/cm3折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量JL的计算已知机床执行部件（主轴箱及箱内部件）的总质量m=90kg，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=0.5cm，得(4)加在电动机轴上总的负载转动惯量Jd的计算Jd=JR

+JL

+J0=(1.34+1.28+0.57)kg•cm2

=3.19kg•cm2第三十四页，共四十七页。折算到电动机轴上的负载力矩1）计算切削负载力矩Tc。假设在切削状态下坐标轴的轴向负载力Fa

=F

max

=1961.62N,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=5mm=0.005m,进给传动系统的总效率η=0.90得2）计算摩擦负载力矩Tm。已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力）第三十五页，共四十七页。3）计算由滚珠丝杠得预紧而产生的附加负载力矩T

f。已知滚珠丝杠螺母副的预紧力F

p

=653.87N，滚珠丝杠螺母副的基本导程

L0=5mm=0.005mm，滚珠丝杠螺母副的效率h0=0.94得4）计算最大切削负载转矩TT=Tc+Tf=1.73+0.067=1.793N第三十六页，共四十七页。选择驱动电动机的型号根据以上计算，选择安川SGHAM

08A型伺服电机算伺服电机选定的伺服电机额定扭矩为2.39Nm，瞬间最大扭矩7.16Nm。(2)

验 ，大于最大切削负载旋转惯性动量0.672×10-4kg*m2,满足匹配要求。所以所选伺服电机满足使用要求。第三十七页，共四十七页。第三十八页，共四十七页。位置检测装置第三十九页，共四十七页。编码器接线方式第四十页，共四十七页。第五章第四十一页，共四十七页。机床导轨设计支承和引导运动构件沿着一定轨迹运动的零件称为导轨副，也常简称为导轨。运动部件的运动轨迹有直线、圆或曲线，滚动圆导轨可归人滚动推力轴承，

曲线导轨在机械中极少应用。导轨在机器中是个十分重要的部件，在机床中尤为

重要。机床的加工精度与导轨精度有直接的联系，小批量生产的精密机床，导轨

的加工工作量占整个机床加工工作量的40%左右。而且，导轨一旦损坏，维修十

分困难。按运动学原理，所谓导轨就是将运动构件约束到只有一个自由度的装置。导轨副中设在支承构件上的导轨面为承导面，称为静导轨，它比较长；另一个导

轨面设在运动构件上，称为动导轨，它比较短。具有动导轨的运动构件常称为工

作台、滑台、常用导轨面有平面和圆弧面。圆弧导轨面构成圆柱形导轨；不同的

平导轨面组合，构成矩形导轨面间的摩擦为滑动摩擦者称为滑动导轨，在导轨面

间置人滚动元件，使摩擦转变为滚动摩擦者称为滚动导轨。导轨有闭式和开式之

分，闭式导轨可以承受倾覆力矩，而开式导轨则不能第四十二页，共四十七页。机床导轨的要求导向精度高耐磨性好及寿命长足够的刚度低速运动的平稳性工艺性好在可能的情况下,设计时应尽量使导轨结构简单,便于制造、调整和维护第四十三页，共四十七页。机床导轨的选择——滚动导轨滚动导轨的最大优点是摩擦系数很小，一般为0.0025～0.005，比贴塑料导轨还小很多，且动、静摩擦系数很接近，因而运动轻便灵活，在很低的运动速度下都不出现爬行，低速运动平稳性好，位移精度和定位精度高。滚动导轨的缺点是抗振性差，结构比较复杂，制造成本较高。近年来数控机床愈来愈多地采用专业厂家生产

的直线滚动导轨副或滚动导轨块。