数控铣床X向进给系统设计

摘要

文主要设计X向进给系统设计部分，机械结构采用交流伺服电机与滚珠丝杠直接

相连地方式，其控制方式采用交流伺服驱动系统半闭环控制.在对进给系统机械结构

进行设计地过程中，主要对滚珠丝杠螺母副和直线滚动导轨副进行了计算、校核，确保

了机械传动部件地精度和刚度；通过计算，选择了电气驱动部分，包括交流信服电机和

与之匹配地伺服单元.滚动直线导轨；滚珠丝杠壕母副选取汉江机床厂提供地外循环

双螺母凸出式双螺母对旋预紧滚珠丝杠.

［关键词］:半闭环控制，直线滚动学轨；滚珠丝杠螺母副；交流伺服电机；

目录

1弓I言..............................................................3

2.X向进给机构总体设计.............................................4

2.1确定立式数控铳床地总体目标.....................................4

2.2确定机床地总体布局.............................................4

2.2.1机床地运动分配.................................................4

I

2.2.2机床结构布局..................................................4

2.2.3机械系统地传动、支承、导向方式................................4

3.机构与电气控制部分的设计..........................................5

3.1纵向方向（X轴）的设计..........................................13

3.1.1纵向步进电机选择计算............................................16

3.1.2丝杠设计........................................................16

3.1.3齿轮设计.......................................................16

4.参考文献..........................................................19

L引言

制造业是一个国家或地区经济发展地重要支柱,其发展水平标志着该国或地

区经济地实力,科技水平,生活水准和国防实力.国际市场地竞争归根到底是各国

制造生产能力及机械制造装备地竞争.

随着社会生产和科学技术地发展,机械产品地性能和质量地提高.产品地更

新换代也不断地加快.因此对机床不仅要求迅速适应产品零件地换代有教高地精

度和生产率,而且应有教高地精度和生产率,生产地需要促使数控机床地产生.随

着电子技术,特别是计算机技术地发展,数控机床迅速发展起来.数控机床地进一

步设计地必要性可以解决形状复杂小批零件地加工问题，稳定加工质量和提高生

产率.但是由于受其它条件地限制，例如价格、精度等问题.所以设计改造数控机

床地进给系统是刻不容缓地.数控机床进给传动系统地设计,其中包括进给系统

地轴向负载计算，导轨地设计与选型，滚珠丝杠螺母副地选型计算,进给传动系统

地动态特性分析误差计算，驱动电动机地选型计算,驱动电动机与滚珠丝杠地连

接等等.

通过这次毕业设计,可以达到以下目地：1,培养综合运用专业基础知识和专

业技能来解决工程实际问题地能力；2,强化工程实践能力和意识,提高本人综合

素质和创新能力；3,使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作地基本训练,

提高工程绘图、计算、数据处理、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等

各方面地能力；4,培养正确地设计思想和工程经济观点,理论联系实际地工作作

风,严肃认真地科学态度以及积极向二地团队合作精神.

3

2.X向进给机构总体设计

2.1确定立式数控铳床地总体目标

本课题设计地立式数控铳床可以铳削平面和沟槽，也可加工空间曲面；若将

铳刀换成钻头或绞刀，则可加工光孔或螺纹孔.铳床主要技术参数如下：

工作台X向最大行程900mm

工作台Y向最大行程360mm

快速移动速度(X轴)2()m/min

定位精度士0.01mm

加速时间1.5m/min

总重量5500N

2.2确定机床地总体布局

2.2.1机床地运动分配

本课题拟解决问题地思路是参照XK7132型立式铳床和TH5632C型立式加工

中心机床地总体布局、机械传动部分、进行优化组合，设计出精度高、灵活性强

地立式数控铳床.由于工作台尺寸较大,可加工较重或尺寸较高地工件，故机床运

动分配如下：主运动：刀具地旋转运动；进给运动：工作台X方向地进给运动和

2.2.2机床结构布局

本机床采用床身框式立柱地“L”型结构形式,主轴箱装在框式立柱中间,

设计成对称形结构.框式立柱布局要比单立柱少承受一个扭转力矩和一个弯曲力

矩,因而受力后变形较小,有利于提高加工精度；框式立柱布局地受热与热变形是

对称地,因此,热变形木•加工精度地影响小.

Y向滑座相对于机床床身作进给运动,X向座相对于Y向作进给运动,工作台

固定在X向座上,工作台不做垂直方向运动；主轴箱沿框式立柱在沿垂直导轨

上下移动.由于机床尺寸较大,为了方便操作者地操作与观察,将人机界面设置

为吊挂按钮站.

223机械系统地传动、支承、导向方式

1.机床进给系统传动方案

4

机床X方向进给系统分别采用交流伺服电机驱动,通过电机与滚珠丝杠直接

相连,将旋转运动转化为直线进给运动其传动地机械装置如图2.1所示.这种传

动方案采用负载能力强地交流伺服电机,直接通过丝杠带动工作台进给,传动链

短，刚度大,传动精度高,是现代数控机床进给传动地主要组成形式.

图2.1进给传动地机械装置

2.机床进给系统地支承、导向方式.

X方向进给系统曰Y方向进给系统支承,采月一端固定、一端支撑地方式支

承,固定端选用一对背对背安装地角接触球轴承,支撑端选用一对深沟球轴承.

本机床属于中型机床,导向方式采用矩形导轨,矩形导轨承载能力高,制造方

便.本设计选用线性滚动导轨.

3机构与电气控制部分的设计

3.1纵向方向（X轴）的设计：

步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电信号转换成响应角位移的机

电元件。每输入一个脉冲，步进电动机转轴就转过一定角度，它与普通的匀速旋

转的电动机不同，它是步进式的，所以称步进电机。它的优点有：角位移输出与

输入的脉冲数相对应，改变通电顺序可以改变步进电机的旋转方向；步矩误差不

会长期积累；在负载范围内步矩角和转速不受电源电压波动的影响，而仅与排冲

频率有关；维持控制绕组的电流不变，电机便停在某一位置上不动，即步进电机

有自整角能力，不需要机械制动，步矩角可在很大的范围内变化；步进电机的主

要特性：步矩角、启动频率、连续运行频率和加减速特性。步进电机的缺点是效

率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量不能太小，调整范围不大，最高输入泳冲

频率一般不超过18000Hzo

数控系统对伺服电机的基本要求是调速范围宽，伺服电机需满足调速要求。

负载特性硬，在调速范围内电机应有足够的驱动力矩，动态响应快，为了使步进

电机正常工作运行（不失步、不超程），正常启动并满足对转速的耍求，电机最

5

大静转矩（步进电机技术数据），必须大于电机的实际最大启动力矩。电机的运

行频率必须大于电机实际最高工作频率。系统脉抑当量是机床移动部件相对于每

一个进给脉冲信号的位移量，其大小视机床的加工精度而定。根据X52K铳宋工

作状况选系统脉冲当量为0.Olmm/stepo步矩角（p=0.75。

根据同类型的机床及以往的经验，结合重量轻、功耗小、外观尺寸和与步距

角相配合的原则，初选步进电动机类型，然后验算是否满足使用要求，否则选取

其它型号，最后直到满足要求为止。

3.1.1纵向步进电机选择计算

1.计算工作台、丝杠以及齿轮折算到电机轴上的惯量（

根据《机电一体化基础》所提供的计算公式:

式中：Jd-----------折算到电机轴的惯量（Kg•CM?）:

小大齿轮的惯量（Kg•。疗）；

丝杠惯量（Kg-cnr）；

横向工作台及夹具重量（N）,Gx=2156N；

P--------------丝杠螺距（cm）,P=0.8cm；

齿轮及丝杠转动惯量的计算：由于有些传动件（如齿轮、丝杠等）的转动惯

量不易精确计算，可将其等效成圆柱体来近似计算。

圆柱体的转动惯量可依据公式：，=迦？

32

式中：p材料密度（心/0〃3）,对钢取夕=7.8、10-5心/。/；

d圆柱体直径（cm）.（对于齿轮、丝杠等就是其等效直径）；

/圆柱体长度（C7〃），（对于齿轮、丝杠等就是其等效齿宽或长度）

6

-54

3.14X7.8X10X8X5.0八/,

=-------------------=0.157Kg/cni~

jpdjb?

~-32-

3.14x7.8xl(r5xl3.34x4.5…0/

=---------------------=1.078Kg/cm2

71Pd；L

54

3.14x7.8x10X5X102.2.一、

=---------------------=0.489Kg/cm~

则可算得:

=2.025Kg/cm2=2.03Kg/cm2

2.惯量匹配验算

2

初选的步进电机110BF004的转子的转动惯量：JM=4.61Kg.c/«

转动系统与步进电机的惯量匹配条件：

4JM

而：

IJ2.03.

—<—d=------=0.44<1

4J,”4.61

所以惯量是匹配的。

3.负载转矩计算及最大静转矩选择

计算快速空载起动时所需力矩M起

依据公式：A^=M“Z+M/+M）

式中：

M起--快速空载自动力矩（"•刖）.

7

““max一一一空载起动时折算到电机轴上最大加速力矩（N.CM；

M/-—折算到电机轴上的摩擦力矩Wcm）.

一由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（N.a〃）；

又：此3=，2：*£

式中：】£一惯量和（Mem）,Jy=J（l+JM=2.03+4.61=6.64AZ-cm；

£一电机最大角加速度（⑶/sb；

又：£=*

60L

2〃

其中：册.一电机最大转速（”。血）；

%—运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间⑶取25ms

又："max

8P360’

2500x0.75.

贝IJ：=521r/mn

mdX0.01x360

则：£=521=21.8rad/s2

~60x0,025

2x3.14

故：

M“max=&X£

=6.64x21.8=140Na〃

又因为：

27nl•i

式中：

产。一-导轨的摩擦力（N）；

"-传动链总效率，一般可取77=0.7-0.85,现取〃=0.85；

8

又:Fo=f®+Gx)

式中：垂直方向的切削力（N）,FfN=（0.20.3）工=375N；

导轨摩擦系数，f=0.04（贴塑导轨）;

Gy横向工作台及夹具重量（N）,Gx=2200/V；

则:

4=0.04x(375+2200)=103N

故:

103x0.8°

Mw=-------------------------=9.8c，%

f2x3.14x0.8x1.67

又:“热一届

式中:Fpo--滚珠丝杠预加载荷，取小=-%=387N；

3

%-一滚珠丝杠预紧时的传动效率，%=95%；

故:

"J篇.67（"）

=37(1-0.9)=3.77V.c/w

M「+M=140+9.8+3.7=153.5N•cm

C<III«1AJV(

4.快速进给时所需力矩M快

依据公式:

〃快+M。

而：M=9.8+3.7=13.5N・CM

故有：M^=\3.5Ncm<M.=\53.5Ncm

Vs心s

5.最大切削负载时所需力矩“切

根据公式:

9

M切=M/+M)+M,

式中：M,折算到电机轴上的切削负载力矩（Ncm）；

pL

又有公式：M

2m7•i

式中：

Ff-一进给方向最大切削力（N）,Ft=（11.2）兄=1.2x1500=1800N；

则：M=1800x0.8-72NS

'2x3.14x0.8x1.67

故：M[〃=Mr+Mo+M1

=9.8+3.7+172

=]S5.5Ncm

6.最大静转矩选择

依据文献《实用机床设计手册》上，有：

（1）对于在最大切削力下工作时所需要电机最大静转矩为：

Jmaxl

185.5

一0.3~0.5

=371〜618N・cm

（2）对于空载起动时所需要的电机最大静转矩为:

Mjmax2二八3

=-----=161.6N-cm

0.95

由（1）和（2）可知，以计算得：M’al恒大于M*ax2所以就以加淮加作

为选取步进甩机最大静转矩的依据。而初选的步进电机为110BH003,它的最大

静转矩为：689^c7n>Mymaxl

所以初选的步进电机型号符合要求。

7.步进电机动载荷矩频特性和运行矩频特性

由《数控技术》得：动矩频特性：

10QQV

f.nax_1000X2.5

勾盘60x0.01=4167HZ

IO

运行矩频特性：，二学匕

其中：V.最大切削力下的进给速度（m/rnin）,可取最高进给速度

KWx=2.5w/min的g~g，现取中间值，即匕=匕皿=146m/min。

所以：JOOOxl.46=2431法

60x0.01

由步进电机110BF004的矩频特性和运行矩频特性参数可以看出所选步进电

机在起动时力矩是满足要求的。

所以最终就确定步进电机的型号为：110BF004反应式步进电动机。

3.1.2丝杠设计

1.丝杠副工作负荷计算及丝杠型号的选择

工作台的进给运动是由步进电动机由一级消隙齿轮经滚珠丝杠螺纹副，带动

工作台移动。其中在纵向（X轴）进给系统的改造布置中，滚珠丝杠、轴承支架

固定在工作台上，随工作台移动。步进电动机经降速齿轮和滚珠丝杠的螺母固定

在床鞍上，通过滚珠丝杠的转动，实现工作台与床鞍之间的相对移动。滚珠丝杠

螺母副，它的特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以

减少摩擦，丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。

滚珠丝杠螺母副的优点有：

（1）传动效率高，摩擦损失小，使用寿命长。

（2）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，防止失步；定位精度高，刚度好。

（3）有可逆性丝杠和螺母都可以作为主运动件，故可以从旋转运动转换

为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动。

（4）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。

X52K机床的主要技术规格：如下表所示

表27X52K基本技术规格

主轴端面到工作台的电离

“max400mm^min30mm

主轴轴线到床身垂直导轨面的距离350mm

面积：宽X长320X1250mm

最大纵向行程手动（机动）700(680)mm

最大横向行程手动（机动）260(240)mm

最大升降行程手动（机动）370(350)mm

进给级数18级

纵向：23.5~1l80mm/min

进级量范围横向：15〜786mm/min

垂直：8〜394mm/min

孔径29mm

II

主轴孔锥度7：24

刀杆公称直径32~50mm

转速级数18级

转速范围30〜1500r/min

轴向调整距离70mm

主轴电动机功率7.5KW

工作台进给电动机功率I.5KW

最大工件质量150Kg

机床进给部件重量横向4410N纵向22OON

机床进给部件参数初选：

纵向工作台及夹具重量：Gx=2200N（估计值）

滚珠丝杠的基本导程：Lo=8mm

螺纹升角：3°39'行程：S=680mm（最大纵向行程）

快速进给速度：取匕…=2.5m/min（经验值）

现在根据最大当量动载荷计算公式：

式中：

fw——运转系数，取4=1.2

/一-精度系数，取fa=0.9

Fx-一丝杠所受轴向载荷（N）,Fv=I9O37V

L—寿命值，可据公式L=

n为丝杠平均转速（r/min）

1000匕10(H)*2.5*-

n------o

A)=---------1

8

=156.3r/min

式中:

匕最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度Vmax=2.5（/Wn/min）fi<J-

,6()仃

则:L=------

106

12

T--------------使用寿命时间，据查《经济型数控机床设计手册》取T:15000

小时

,60x156.3x150（H）-“匚

L=----------------------七140.625

106

从而，c,”=近3

A

=Vi40^5xl903xl.2二3目觌

0.9

2.铳削力几的计算

现在以工作寿命和实际加工过程中的最大铳削力为基础进行设计计算，以确

保平常工作状态下的工作安全和可靠。

工件材料为：40G,•锻件并调质

铳削宽度4：22mm

铳削深度册：5mm

刀具直径d：032mm

每齿切厚工：0.08mm/Z

刃齿数Z:4

刀具材料为：高速刚立铳刀

据<<机床设计手册》有公式：

Fc=9.81x65.2x武x熄2”,xZx八.

=9.81x65.2x22°册x0.08°”x5'x4x32~0潴

a1500N

3.滚珠丝杠所受的平均轴向载荷Fm的计算

用高速钢立铳刀逆铳合金刚时，工件的切削力可杳《数控机床书》中得：

纵向进给力与2=1〜1.2（取中间值：1.1）

Ff=l.1X15OO=165ON

横向进给力F,2=0.35~0.4（取中间值：0.375）

13

Fe=0.375工二0.375XI500=562.5N

垂直进给力/和空=0.2〜0.3(取中间值：0.25)

Fc

加=0.25F=0.25X1500=375N

故可知在插补平面内的合力为：

工=在/+-

=1734N

那么丝杠所受的平均工作载荷：7;,,=^/；=-1743=116277

所以丝杠轴向所受载荷Fx：

Fx=0Fm+U(mg+F.)

其中优为横向分力F'=F(XO.85=1275N

Mg为纵向工作台及夹具重量Mg=2200N

P为颠覆力矩影响系数4取1.1

M为当量摩擦系数M取1.18

那么

7^=1.1X1162+0.18X(2200+1275)

=1903N

根据《机床设计手册》得，故可选丝杠型号为：772万008(内循环浮动

返向器)，4ZQ5OO8的基本尺寸为：

公称直径：4,=50mm,螺距：Lo=8mm

刚球直径：螺纹升角，2二3'39'

丝杠外径，d=4-(0.2〜0.3)4尸48.9

螺纹底径，=30mm

其动载荷C(/=25000>Cw=13194N故选择符合要求，丝杠可用。

4.传动效率〃的计算

根据《机械设计原理》滚珠丝杠的传动效率n的计算公式为：

uo2_

tan(y+3)

14

式中:y丝杠的螺旋升角，由以上参数表知，/=3039'

0摩擦角，滚珠丝杠副的摩擦角0比10,

则可得：

tan339

〃二=97%

tan(2039+IOf)

5.刚度验算

滚珠丝杠受工作负荷F,引起的导程的变化量:

"1=±FxL（）花尸

其中：弹性模量对于钢为：E=21X1O6^/C/M2

2

滚珠丝杠横截面积：F（cm）

而：

(cl\(3丫

—7=—71—9,

2

F二\2]=4cm

则：

△乙1=±&乙()/EF

1903x0.8

+=±10.2x10^cm

-21X106X7.1

滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略，故AL=△£］；

故导程的变形误差为：

一100—1。0…

AL,=---AL=---x10.2

L。。8=12.8""/〃?

查表得E级精度丝杠所允许的螺纹无厂误差（1m长）为154〃/〃?，故刚度

足够。

6.稳定性的验算

由于纵向（X轴）的滚珠丝杠两端采用的是滚珠丝杠螺纹副固定，丝杠一般

不会受压，乂由于机床的原普通丝杠的直径大于滚珠丝杠的直径，故稳定性一定

能满足要求。

7.临界转速的验算

由计算得已知丝杠平均工作转速为：

n=156.3r/min>100r/min

15

因此，必须进行临界转速的验算，即：〃max<〃”=30喂

其中式中符号表示:

明皿一丝杠的最大转速:

100()匕"1000*2.5

%=312.5//rnin

8

f2一丝杠支承方式系数取&=4.73（因为没有受压）

勺二9910力记

d/「d,C*_1.2tf-40-l.2X5-34mm

丝杠的长度。/=工作最大行程+螺母长度+两端余量（取40nlm）

螺母长度由《机床零部件设计》上可查得，丝杠没计部分

/=680+（131+40）X2

=680+342=1022mm

支撑跨距4应略大于/取/.=1100

临界转速计算长度L=680+131+40+一”）22

2

=811+40+39=890mm

4.732x0.034

n=9910x

rc(1892二9533〃min

可见满足：nrc>"max=312.5r/min

所以满足稳定性的要求，故可选丝杠型号为："ZD5OO8（内循环浮动返向

器）。

3.1.3齿轮设计

1.齿轮材料的选用及许用应力：

由于闭式齿轮主要失效形式是齿而点蚀和轮齿折断，因此按照齿面接触强度

来设计来计算，最后校合弯曲强度。初选7级精度。

查《机械设计基础》，取小齿轮材料为45#钢；则齿轮硬度为220HBS。

大齿轮也采用45#钢，其齿轮硬度为180HBS。

16

a-

由于：n\im\560Mpa(分隔2-530Mpa取

[%J==—二509Mpa

w,S“1.1

[<7W1]=^^=—=482Mpa

Su1•1

乂。iimi=190A/R7,=170MPa取S尸=1.4

凡J=%皿=122=136MP。

LF，J

SF1.4

\(yA=^^=—=n\MPa

LF'JS「1.4

2.齿轮传动设计的有关计算:

由于初选的步进电动机(110BF004)的系统脉冲当量为0'。=0.Olmm/stepo

步距角为：％=0.75°

丝杠导程为：Lo=8〃〃〃

如果不采取齿轮传动，那么每个脉冲对应的吆杠螺母传动的距离为：

L—O.75L。8x0.75

36()=360=0.0167＞脉冲当量0.01mm

所以需要有减速机构，也就是要设计齿轮减速。

采用减速齿轮具有如下特点：

(1)便于配置出所要求的脉冲当量

(2)减小工作台以及丝杠折算到电动机轴上的惯量

(3)放大电动机输出扭矩，即增大工作台的推力

但采用减速齿轮会带来额外的传动误差，使机床的快速移动速度降低，并且

其自身又引入附加的转动惯量，这些应引起注意。

3.直齿圆柱齿轮副的计算

(1)计算减速器的传动比

由=0.01nun/step

和步距角为：4=0.75°,丝杠导程为：(=8〃叩

则传动比:

4二。.75x8二].67

3604户360〃x().01

17

粗选小齿轮齿数4=32,则大齿轮齿数:

Z『Z\N=32x1.67=53.4将53（可参照《机械设计基础》169页）

则实际传动比为：，二区k1.656

32

满足误差要，取齿轮压力角a=20",初选模数m=2.5mm,则：

小齿轮直径：d.=mZ.=2.5x32=80mm

大齿轮直径：d2=mZ2=2.5x53=133m