数控铣床进给系统结构设计

数控铳床进给系统构造设计阐明书

目录

序言...............................................................1

1.原始条件和设计规定.............................................2

2.数控机床的加工原理.............................................4

3.进给伺服系统概述...............................................5

4.纵向进给系统的设计计算.........................................7

4.1丝杠螺母静态设计............................................7

4.2丝杠螺母动态设计............................................9

4.3变速机构设计...............................................11

4.4电动机的静态设计..........................................13

5.电动机的选用与减速构造日勺设计...................................16

5.1电动机的选用...............................................16

5.2减速机构的选用设计........................................16

6.进给系统的构造设计............................................17

7.滚珠丝杠螺母副的设计..........................................17

总结..............................................................19

道谢..............................................................20

参照文献..........................................................21

-XX.—i—

刖百

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23年来，我国数控机床年产量约为0.6〜0.8万台，年产值约为13亿元。机

床的数控化率仅为6%。这些机床中，役龄23年以上的占60%以上；23年如下的机床中，自

动/半自动机床不到20%,FMC/FMS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口勺生产、加工装备绝大数是老式的机床,

并且半数以上是役龄在23年以上的JIH机床。用这种装备加工出来日勺产品国内、外市场上缺乏

竞争力，直接影响一种企业的日勺生存和发展。因此必须大力提高机床日勺数控化率。

而相对于老式机床，数控机庆有如下明显日勺优越性：

1、可以加工出老式机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。

2、可以实现加工日勺柔性自动化，从而效率比老式机床提高3〜7倍。

3、加工零件日勺精度高，尺寸分散度小，使装配轻易，不再需要“修配”。

4、可实现多工序H勺集中，减少零件在机床间日勺频繁搬运。

5、拥有自动报警、自动监控、自动赔偿等多种自律功能，可实现长时间无人看守加工。

因此，采用数控机床，可以减少工人的劳动强度，节省劳动力（一种人可以看守多台机床），

减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出迅速反应。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关键技术和基础技术。

1.原始条件和设计规定

工作台：

工作台质量mT=6(X)kg

最大加工受力Fw=1500N

快进速度V/max=°2〃Z/S

工进速度|vr|=0.Im/s

最大加速度KJ=12"/

工作台导轨摩擦力FR=2.5N

工作行程Sw=0.7m

减速机构:

丝杠螺母机构（图2）,已知数据如下:

图2丝杠螺母机构

轴承轴向刚度(=800N〃〃”

〃

丝杠螺母刚度KM=800N/m

螺母支座刚度KTM=1000/V///wt

丝杠传动效率Zp=»9

L=0.5m

丝杠长度sp

丝杠轴承、丝杠

螺母摩擦力矩MR.sp=2.5N・m

轴承平均间距L=550nun

导程=1Omm

最大转速常数A=6(XXX)

支承方式双推一双推

伺J服电机：

y

电机转子惯量JM=0.05x10k^m

2.数控机床的加工原理

金属切削机床加工零件，是操作者根据工程图样的规定，不停变化刀具与工件之间相对

运动日勺参数（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J合格零件。

数控机床的加工，是把道具与工件H勺运动坐标分割成某些最小H勺单位量，即最小位移量,

由数控系统按照零件程序H勺规定，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，完毕对零件的加工。

刀具沿各坐标轴的相对运动，是以脉冲当量§为单位□勺（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

口勺密化"，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间的坐标值，向坐标输出脉冲数，保证加工

出需要的直线或圆弧轮廓。

数控装置进行日勺这种“数据点日勺密化”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）进行插补日勺功能。对任意曲面零件日勺加工，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H勺零件。

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构成,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构造如图2所示:

图2数控机床进给伺服系统基本组成

由于多种数控机床所完毕口勺加工任务不一样，它们对进给伺服系统的规定也不尽相似，

但一般可概括为如下几方面：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；迅速响应并无超调；高精度；低速大转矩。

伺服系统对伺服电机的规定：

（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O.lr/min或

更低速时，仍有平稳口勺速度而无爬行现象。

（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规定。一般直流伺服电

机规定在数分钟内过载4-6倍而不损坏。

（3）为了满足迅速响应的规定，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽量

小区I时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上欧|角加速度的能力，才能保证

电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。

(4)电机应能随频繁启动、制动和反转。

伴随微电子技术、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所有数字化、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善伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。

数控车床时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一般车床的I一种

特殊部分。

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

馈环节等构成。驱动控制单元和驱动元件构成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件构成

机械传动系统。检测元件与反馈电路构成检测系统。

进给伺服系统按其控制方式不一样可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式一般是具

有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置口勺不一样，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。全闭环系统口勺位置检

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，但它构造简朴、工作可靠、造价低廉。由于影响定位

精度日勺机械传动装置日勺磨损、惯性及间隙日勺存在，故开环系统日勺精度和迅速性较差。

全闭环系统控制精度高、迅速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，因此系统的动态

性能不仅取决于驱动装置H勺构造和参数，并且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、

间隙和磨损等原因布•很大关系，故必须对机电部件的构造参数进行综合考虑才能满足系统日勺

规定。因此全闭环系统对机床的规定比较高，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。

数控车床日勺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。其成本高，故障多，维护困难，常常因碳刷产生

日勺火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同步机械换向器日勺换向能力，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,

减小电枢日勺漏感，转子变得短粗，影响了系统日勺动态性能。

交流伺服已占据了机床进给伺服H勺主导地位，并伴随新技术的发展而不停完善，详细体

目前三个方面。一是系统功率驱动装置中H勺电力电子器件不停向高频化方向发展，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，将增进先进控制算法日勺

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也

许。

4.纵向进给系统日勺设计

如图3所示是一种经典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。

FB

图3机械传动部件设计方案

对于这种机械传动部件，设计的环节应当是：先根据静态设计和动态设计口勺观点来设计

丝杠螺母传动装置和减速机构，然后再根据设计规定选择电动机。

4.1丝杠螺母静态设计

（1）确定动载荷Q工作循环周期7由加速时间Q和加工时间%构成，计算如下:

-^-=—=0.0835

“maxL2

V,.0.1

T=2tw+4ta=14.332s

在减速期间的平均速度几为

-=JS_=60x0J=30()r/iiiin

2hsp2x0.01

工作进给时转速n”.为

匕，60x0.1“、/.

—=------=600r/min

%o.oi

可得当量转速

(300x4x0.083>+(600x2x7)_593r/m.n

m14.332

载荷系数九取

fw=LI

当量载荷为

F二尸■“.知+"间

rm「R十rp

算出心

Fa=ml•4ax=600x1.2=720N

代入上式

%=1484.43N

取滚珠丝杠寿命为20230h,算出该滚珠丝杠日勺动载荷

C,=人£川(60〃〃4><10多=14577.997V

⑵确定静载荷最大轴向力可近似取最大加工受力，即

%L「=1500N

取静态安全系数几=1，得静载荷G>a

Cu=“L1500N

(3)根据轴向压力选用丝杠直径

%=♦一""xio,

由Fa=Fw=\5(DN

L=0.5m=500mm

查表

m=20.3

代入上式得

=6.556mm

故取

»7nun

Sp

⑷转速限制

①最大转矩限制：

九max«A/%

由

“mux=9叱”3=[200〃/mill

IllclAf

%

由a=60000得

«50nun

②临界转速限制：

27

%=ncL/fX10

由〃max=1200〃min<叫，L=500(mm),f=21.9得

%»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用丝杠直径

可得»20mm

4.2丝杠螺母动态设计

（1）确定丝杠螺母传动的总刚度

①扭矩刚度：

J4

3

KTsp=7.84X10-印"

式中d斗一丝杠低径（mm）；

L一丝杠自由长度（m）。

将丝杠扭转刚度折算成工作台（执行件）直线刚度公式

3

KTS=K=（27T/%）2X7.84XIO-d*/L（N/pm）

得科$=990N/pmo

②拉压刚度：

_1

Ks11.65XIO嗫/L（N/pm）

根据已知条件可得兄=132N/nm0

③总刚度：对于“双推-双推”式支承的丝杠螺母传动装置，其刚度日勺等效图如图5所

ZJ\0

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

=%=2Ks

系统的总刚度为

VKgen=l/2KL+1/49+1/KM+1/KTS+1/KTM

将已知条件代入，得系统的总刚度

40n=173N/pm

(2)确定机械谐振频率机械传动部件日勺谐振频率

=\/Kgen/mT

故

4nech='173x1()6/600=537%//s

(3)确定具有满意动态性能的丝杠直径电气驳动部件的谐振频率取下列值，则其动

态性能很好，即取

coCA=350rad/s

采用常规的比列位置调整，为了使机械传动部件日勺动态性能不影响系统总的动态性

能，应当使

SOmech>(2〜3)30A

不过，根据本例选择欧J丝杠直径d¥=20mm,只能得到

QmecJ=空=1.53

/Sg350

因此，丝杠H勺直径应当更大某些。

若取3omec=23QA=700rad/s得

K«n=245N/pm

因此

1.2X10Tq-0.758%-1.62X102=0

解上式可得

dsp=28mm

最终根据厂家产品样本选用丝杠直径d*=32mm

4.3变速机构设计

己知，电气驱动部件具有二阶振荡环节的性能，其谐振频率

%4=1/，781Tme5

阻尼比

〃=1/2Un

电气时间常数

=LJRA

机械时间常数

^mech=Jgen^A^M^E

式中L4一驱动线路总电感

段一驱动线路总电阻

K”一电动机扭矩常数

CE—电动机反电动势系数

机械时间常数里的/g”.是电动机轴上总的转动惯量

1gen-Zw+Jext

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H勺机械部件转动惯

量入4最小。这一点可以借助减速机构到达。

如图1所示电动机轴上日勺小齿轮，其直径及齿宽，根据传递的动力由最小齿轮及模数

的规定决定。当小齿轮设计完毕，它的转动惯量人就是已知日勺。

大齿轮转动惯量心可由和》降速比近似确定，即

12=J"

机械部件折算到电动机轴上恩多总转动惯量为

Jgsn=JM+/1++。)=JM+/1+人//++。)

式中/“一电动机转动惯量

4―小齿轮转动惯量

/2—丝杠转动惯量

为一工作台折算到丝杠上的转动惯量，'=mT(hsp/2n)\

令=0,得满足最小惯量规定日勺相对额定降速比i。”

1opt=+/T

根据所设计系统的已知条件，得,

2

JT=m/.(hsp/2^)=1.52乂10一3必.62

丝杠的转动惯量&为

&=l/8(ma4)

M*=1/4(■%%©“)

式中m4一丝杠质量；

L印由^—包括轴颈的丝杠总长

p—钢的密度,p=7.85X103kg/m3o

将已知条件代入，得

5=1/2.95

4.4电动机的静态设计

(1)计算得

%=九+人+/"+皿+。)

根据上面求得日勺最佳传动比和其他参数，得

=4.17X10-4(kg.m2)

(2)确定电动机额定转矩工作台加速和加工力所引起H勺当量力矩

MmT=l/%pFm%/2%

式中％p一丝杠传动效率(0.8〜0.9)

「为当量载荷K,=1484.43N

故得

1484.43().01

M

MT=0.9・后=2.63

丝杠加速度

启=

2n/hspamax

丝杠加速所需口勺转矩

^d.sp—Jsp3sp

由丝杠加速所引起日勺当量力矩

%=4%匕”

可得

必勺=8.16X10-3N•m

丝杠螺母传动机构日勺总当量力矩为

Mms=MmT+

可得Mg=L75N・m

电动机轴附加速度

-

3M—3sp/i0Pt—2naraax/iOpt/is>p

可得3M=2409.6rad/s

电动机轴日勺加速转矩

7kM=Af•Mvf=L2X10-1N.m

由电动机轴加速所引起H勺当量力矩

=4\MarM\ta/T

因止匕=5.08X10-3N•m

作用在电动机轴上口勺当量力矩为

Mm=i/r)cMe+Mga.

可得Mm=0,664N-m

电动机日勺额定转矩应为

M°M=(L5〜2)Mm

故MOM=(l~1.33)N-m

(3)确定电动机额定功率电动机H勺额定转速

n0M=60/斤7先

可得n0M=1770r/min

电动机口勺额定功率

POM~M°M30M

30M=2TT/60noM

最终得电动机额定功率尸0“=(0.19-0.25)kWo

5.电动机与减速机构的设计

5.1电动机的选用

电动机额定功率P。”=(0.19-0.25)kW

选用型号为JZS2G-51-2,额定功率为(5〜0.05)kW,额定转速为(2600〜26)r/min

5.2减速机构的设计

由于1/2.95。可取i=30

Z]=24,Z2=72,m=2.5

(1)分度圆直径

4=Zi?n=60inni

d2=z2m=180mm

(2)中心距

a=%+da/2=120mm

(3)齿宽

b=(pddi=60mm

B2=60mm=65mm

dal=%+2h^m=65mm

da2=2+=185mm

dfi=S-2(%+c*)m=53.75mm

df2=d2—2(%+c*)m=173.75mm

6.进给系统的构造设计

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互相转换日勺新型传动装置，在丝杠和螺母上均

有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠日勺螺旋滚道。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，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如下特点：

（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,比一般丝杠

高3-4倍。因此，功率消耗只相称于一般丝杠的1/4-/3.

（2）若给于合适预紧，可以消除丝杠和螺母之间日勺螺纹间隙，反向时还可以消除空载死

区，从而使丝杠日勺定位精度高，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积极件。

（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规定高，表面粗糙度也规定高，

故制导致本高。

（7）不能自锁。尤其是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力口勺不一样，下降时当传动

切断后，不能立即停止运动，故还需要增长制动装置。

本次设计采用的是内循环H勺丝杠螺母副，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措施。它是在滚珠螺母体内日勺两列循环滚珠链

之间，使内螺纹滚道在轴向产生一种勺导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现

预紧。这种调隙措施构造简朴，但载荷量须预先设定并且不能变化。

滚珠丝杠的重要载荷是轴向载荷，径向载荷重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规定，其两端支承的配置状况有：一端轴向固定一端自由口勺支承配

置方式，一般用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动日勺方式，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、高精度日勺丝杠，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日勺方式，以实现高刚度、高精

度以及对丝杠进行拉伸。

丝杠中常用日勺滚动轴承有如下两种：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，60。角接触轴承的摩擦力矩不不小于后者，并且可以根据需要进

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

多用于重载和规定高刚度的地方。

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

左边一种面对面组合。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