数控车床纵向进给及导轨润滑机构设计说明书

。序言

一.我国数控产业的现实状况

目前，我国的数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期。

也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在

重大关键技术上（包括关键技术），已到达国外先进水平。目前，已新开发出数控系

统80种。自“七五”以来，国家一直把数控系统口勺发展作为重中之重来支持，现已

开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的某些关键技术。

二.数控产业发展面临的问题

目前，我国数控机床产业面临口勺挑战是国内市场拥有率偏低。据有关资料表

明，1999年国产数控机床的市场拥有率仅为38.88机导致这种严峻的形势，除客观原

因外,重要是产品的质量、可靠性不过硬。“十五”期间，我国机械制造工业正朝着精

密化、柔性化、集成化、自动化、智能化方面迅速发展，国内数控机床需求强劲，我国

数控机床产业适逢极好I肉发展机遇。然而,我国加入WTO后，国外生产FI勺数控机床将

会更多口勺进入我国市场:市场竞争更为剧烈。提高国产数控机床市场拥有率,关键在于

提高质量和可靠性。几年来,通过对国内外数控机床的机械构造剖析和使用性能H勺调

研,探索和总结了数控机床机械构造设计和制造的新技术。现时重要存在有如下几种

问题：

1.缺乏产业规模

2.缺乏发展数控产业的政策和技术配套体系

3.缺乏技术创新，产品更新和产业调整的内在动力

4.面临国外强手竞争日勺巨大压力

三.数控机床简介

数控机床是一种高科技的机电一体化产品，是综合应用计算机技术、精密测量及

目前机械制造技术等多种先进技术相结合的产物。数控机床作为实现柔性制造系统、

计算机集成制造系统和未来工厂自动化H勺基础己成为目前制造技术中不可缺乏H勺生

产手段,是机电一体化技术日勺重要构成部分。伴随科学技术的迅速发展,数控技术的应

用范围日益扩大。数控机床己成为目前机械制造业中日勺重要技术装备。

四.经济型数控车床日勺改造

纵横向进给系统原机床挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠,光杠等所有拆除,

纵、横向以伺服电机作为驱动元件，经一级齿轮减速转矩增大后，由滚珠丝杠传动。纵

向进给机构：纵向伺服电机为P20B200DxS,2.0日勺交流伺服电机，滚珠丝杠仍运用原

丝杠位置,其螺母副通过托架安装在床鞍底部,滚珠丝杠两端加装接套、接杆及支承,

与床身尾部步进电机相联接。伺服电机经减速后,减速器输出轴用套筒联轴器与丝杠

直接联接,这种构造简h径向尺寸小,可防止被联接轴的位移和偏斜所带来装配困难

和附加应力。

改造后日勺数控机床应有如下发展方向：单一妁数字控制应向数控中心发展，数

控机床总体布局愈加合理，机床控制系统的控制和运算功能更深入加强，机床的I伺服

系统采用交流数字伺服系统替代直流伺服系统，编程更趋合理化，加工工艺更趋简朴

化90%机床日勺检测和监控系统要能实现自动化。

伴随科学技术水平和人类生活水平的提高，对机械产品的I质量规定越来越高，

产品品种越来越多，中大批量日勺产品需求越来越少,而单件小批量生产模式迅速增长。

作为实现单件小批量加工自动化口勺数控机床，由于其突出的长处而得到广泛应用。目

前，国外数控机床的性能正朝着高精度、高效率、高柔性、高自动化方向迅速发展,

这将对数控机床机械构造设计和制造日勺质量和可靠性提出更高的规定。“十五”期间,

我国机械制造行业必须瞄准国际数控机床发展的科学前沿,开拓创新,消化吸取国外

先进技术,开创我国数控机床设计和制造技术的新局面。

1总体设计方案

1.1总体设计方案论证

数控车床日勺进给系统包括横向进给系统（X轴）和纵向进给系统（Z轴），它们是由

伺服电机经同步齿形带传动，驱动滚珠丝杠螺母副机构，来实现刀架的运动。根据

GB/T16462-1996《数控外式车床精度检查》，机床日勺位置精度包括反复定位精度、反

向偏差和定位精度。当机床的中心距DC二3000mm时,其反复定位精度X轴0.0075mm,Z

轴0.010mm;反向偏差X轴为0.006mm,Z轴为0.012mm;定位精度X轴为0.035mm,Z轴

为0.040mm。可以看出:进给轴设计与主轴设计相比，具有相似H勺重要性。因而，进给

轴日勺设计应从动、静两方面充足考虑,位置精度才能到达该原则的规定。在数控车床

进给系统的设计中，根据横向、纵向的不一样精度规定,不一样移动质量及转动惯量等

特点,分别处理设计中H勺重要矛盾。以期望设计成果能满足各项性能指标的规定,到达

预期的成果，即满足设计任务书的规定。

1.1.1驱动元件：

多种数控机床加工日勺对象不一样，工艺规定不一样，因此对进给驱动的规定不尽

相似，但基本规定是同样的，大体有四个方面。

(1)高精度使用数控机床重要是处理零件加工质量的稳定性，一致性，减少废品率;

处理复杂空间曲面零件口勺加工；处理复杂零件日勺加工精度，缩短制造周期等。为了满

足这些规定，必须保证数控机床的定位精度和加工精度。规定定位精度和轮廓切削精

度能到达机床规定日勺指标。在位置控制中规定有高日勺定位精度，而在速度控制中，规

定有高日勺调速精度，强口勺抗负载扰动日勺能力，即静态和动态速度降尽量小。

(2)迅速响应为了保证轮廓切削形状精度和低日勺加工表面粗糙度，除了规定有较高

日勺定位精度外，还规定有良好的迅速响应特性，即规定跟踪指令信号日勺响应要快。

(3)调速范围宽在多种数控机床中，由于加工用刀具，被加工零件的材质及加工规

定日勺不一样，为保证在任何状况下都能得到最佳切削条件，就规定进给驱动必须具有

足够宽日勺调速范围。

（4）低速大转矩根据机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给

驱动要有大的转矩输出，

（一）元件选择

（1）步进电动机，直流伺服电动机，交流伺服电动机是目前常用H勺驱动元件。步进

电机是一种将电的脉冲信号转换成对应的角位移或线位移的机电执行元件，它能迅速

的启动，制动和反转；在一定频率范围内多种运动方式都能任意日勺变化且不会失步，

具有自整步H勺能力；没有一周合计误差，因此定位精度很高；价格廉价。但由于步进

电机的动态特性远不如交，直流伺服电机，尤其是运行的可靠性得不到保证，目前已

使用的较少。

（2）直流伺服电动机具有良好日勺调速特性，因此在对伺服电动机日勺调速性能和启动

性能规定较高的设备中，大都采用直流伺服电动机驱动。但由于直流伺服电动机存在

着某些固有日勺缺陷，如它日勺电刷和换向器易磨损，需要常常维护；换向那换向时会产

生火花，使电动机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；此外，它构造复杂,

制造困难，所用钢铁材料消耗大，制导致本高，因此，目前己很少选用直流伺服电动

机。

（3）交流伺服电动机则没有直流伺服电动机欧I上述缺陷，且转子惯量较直流伺服电

动机小，使得动态上响应更好。一般来说，在同样日勺体积下，交流伺服电动机日勺输出

功率可比直流伺服电动机提高10%—70%此外，交流伺服电动机H勺容量也比直流伺

服电动机大，到达更高口勺电压和转速。因此，本课题选用日勺是交流伺服电动机。

1.1.2传动机构

本课题选用日勺是滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副是一种新日勺传动机构，它的传

动特点是在具有螺旋槽日勺丝杠螺母之间装有滚珠作为中间传动元件。当丝杠和螺母相

对运动时，滚珠沿丝杠螺旋槽滚道滚动，因此丝花和螺母之间基本上为滚动摩擦。

由于滚珠丝杠螺母副属于滚动摩擦，故与一般滑动螺母副相比有如下长处：(1)

传动效率高。可达90M-95%,是一般丝杠传动的2—4倍。

(2)因摩擦系数小，无自锁现象，即运动有可逆性，一般需要制动装置。

(3)摩擦力小。因静动摩擦系数相差较小，因而传动平稳，不易产生爬行，随动精

度和定位精度高。

(4)滚珠丝杠螺母副重要零件均通过热处理，其滚道表面的硬度值可达60—62HRC,

因而耐磨性好，寿命长，精度稳定性好。

(5)可消除轴向间隙和预紧，提高轴H勺刚度。

由于滚珠丝杠螺母副与一般丝杠螺母副相比有这样多的长处，因此，作者选用滚

珠丝杠螺母副。

1.1.3联轴器

联轴器有刚性联轴器与弹性联轴器之分，本课题选用的是ML-02型弹性膜片式联

轴器。刚性联轴器虽然陶造简朴，成本低，但它无赔偿性能，不能缓冲减振，且对两

轴安装精度规定较高，用于振动很小的工况条件，联接中，高速和刚性不大日勺且规定

对中性较高日勺两轴。弹性膜片式联轴器不仅构造简朴，尺寸小，重量轻，且承载能力

大，强度高，传动效率高，精度高，可用于高，低温，高，中速，大转矩和有油，水

日勺场所，且可部分替代齿式联轴潜，工作温度-20—250℃。

ML-02型弹性膜片式联轴器重要性能特点有：

(1)定位以便可靠，相位可调;

（2）无反向间隙,传动精度高,可不用键和锥销,不须止推机构，传递扭矩大,能承受

冲击载荷和振动；

（3）可以反复装卸,反复使用，不影响精度,拆装以便；

（4）可赔偿轴H勺角度偏差,偏心,轴向窜动.无噪音,无磨损,能量损失小。

1.1.4润滑方式：

常用日勺润滑方式大体有如下几种：

1.手工加润滑油或手工加润滑脂进行润滑

手工润滑是人工的分散润滑方式，大多用于多种轴承，开式齿轮和链条等处“其

特点是构造简朴，易于执行，加油次数和油量靠人工掌握。

2.油池飞溅润滑

油池飞溅润滑常用在闭式齿轮箱内，它依托箱内旋转的齿轮或附加在轴上的甩油

机件，将箱体内底部日勺存油溅散到应当润滑日勺机件轴承，或其他应当润滑日勺位置上。

有些轴承和润滑点隐蔽在箱体内部时，则通过油槽油路或油管油路进行润滑，

3.自动送油润滑

自动送油润滑重要是自动送油装置。它的形式较多，有简朴也有复杂，常常用在

机床或其他设备日勺齿轮箱内。自动送油也可以采用润滑油泵送油，但大多应用于集中

润滑的系统内，例如大量的润滑点话润滑部位，甚至整个车间的润滑系统。

本课题选用日勺是TM型电动润滑器。TM型电动润滑器采用弹簧活塞式往复泵，由

微型同步电机和集成减速机构驱动，构造紧凑，注油量可在0.2—5毫升范围内调整,

注油周期时间可在6—145分钟内选择，可实现对油罐液化日勺自动监测和报警，合用

于中小型机床周期润滑系统。该润滑器配套安装联接件，计量件，配油管等附件后,

可润滑1-50个润滑点，构成周期集中润滑系统。

TM型电动润滑器由微型伺服电机经蜗轮传动系统减速，与蜗轮同轴转动日勺凸轮,

带动摆杆上下运动。当活塞升起时，大气将油罐内的油液通过单向阀压入油缸；压缩

弹簧使活塞复位，润滑液通过出口后进入输油管路中并抵达各润滑点。注油频率由定

期机确定。

润滑器配有液位报警传感器（低油位开关），在油罐润滑液低于规定液位时，可

自动发出信号，以确定及时向油罐添加润滑液。

TM型电动润滑器具有下列特点：

（1）构造紧凑，安装以便。

（2）清洁安全，润滑液经精细过滤后输出至各润滑点。

（3）能按事先确定日勺注油周期输供润滑液。

（4）润滑液的流量可调，并能精确日勺控制。

（5）润滑时，不必中断生产过程。

（6）维护轻易，经济耐用。

（7）可以延长机器日勺寿命，对中小型机潜更为理想。

1.2总体设计方案确实定

经总体设计方案日勺论证后，确定日勺CA6140经济型中等精度数控车床纵向进给机

构及导轨润滑系统设计H勺总体方案图如图1-2所示。该系统由MCS-51系列单片机构

成微机作为数控装置日勺关键，由I/O接口，软件环形分派器与放大控制功率伺服电机

转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床日勺纵，横向进给运动。刀架改

成由微机控制的经伺服电机驱动的自动控制欧I自动转位刀架。为保持切削螺纹日勺功

能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转,

发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一种同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给

微机。同步选用TM型电动润滑器，实现润滑功能，

光

功

电

率

微

隔

机放

离

人

图1-2CA6140车床数控改造依J总体方案示意图

1.2.1纵向进给系统的改造：

(1)撤除原机床时进给箱，溜板箱，光杠与丝杠以及安装座，配上滚珠丝杠及其对应

日勺安装装置.，纵向驱动日勺伺服电机及减速箱安装在车床的床尾，并不占据丝杠空间。

运用原机床进给箱的安装孔和重新配作销钉安装新设计的齿轮箱体；

(2)滚珠丝杆仍安顿在原丝杆H勺位置，两端仍采用原固定方式，为便于安装潦珠丝杆

螺母副,丝杆不是整体的,而是采用分体式,即用连接套筒刚性连接。由于采用了滚珠

丝杠可提高系统日勺精度和纵向进给整体刚度。

(3)纵向进给机构和横向进给机构均由伺服电动机、滚珠丝杆螺母副和中间传动齿

轮副(一级传动)构成C

2纵向进给机构的设计与计算

纵向伺服进给机构设计H勺重要内容有：滚珠丝杠副H勺设计计算与选择，伺服电机

日勺选择，绘制纵向进给机构日勺装配图，导轨润滑机构装配图以及各零件图等，

2.1已知条件

(1)、床身上最大回转直径:400mm;

(2)、加工最大工件长度:1000mm

(3)、快移速度:X轴4m/min,Z轴8m/min

(4)、定位精度：X轴C.035mm,Z轴0.04mm

(5)、反复定位精度:X轴0.0075mm,Z轴0.01mm

(6)、数控车床工作台质量W:根据图形尺寸粗略计算归120Kg;

附件清单

1.毕业设计任务书1份

2.毕业设计阐明书1份

3.总装图CK000A31份

4.进给系统装配图CK001AO1份

5.润滑机构装配图CK002Al1份

6.床鞍零件图CK124Al1份

7.电机支座零件图CK117Al1份

8.螺母支架零件图CK110A21份

9.连接轴零件图CK101A31份

10.面板零件图CK102A31份

11.端盖零件图CK106A31份

12.法兰零件图CK108A31份

13.滚珠丝杠副零件组CK112A31份

14.支座零件图CK114A3