普通铣床数控化改造设计

海灰N案大票Ng投册孝院

毕业论文

普通铳床数控化改造设计

学生姓名：

学号：

所在系部：机械系

专业班级：

指导教师：

日期：2016年5月

附一:

毕业设计〔论文〕任务书

系部机械工程系指导教师谢卫容职称讲师

学生姓名李颖专业班级13gz数控1学号

设计题目普通铳床数控化改造设计

(设计内容目标和要求、设计进度等)

本课题改造设计经济型数控铳床，应满足实月和加工精度的要求。

1.调研：了解各种数控铳床进给伺服系统中二维工作台的工作性能和加工要求情况，

了解开环伺服传动系统的组成和特点，提出应流足的技术要求和条件，分析、比拟各

种可能的方案并提出初步设计方案；

2.研究和确定数控铳床进给伺服系统的总体设计方案，要求有必要的分析和计算过程；

3.结构设计，要求画出总体结构图、关键零部件图并对关键零部件进行校核和验算；

4.控制系统设计，画出控制系统原理图；

5.撰写设计说明书(30-40页左右)；

6.根本技术要求：

结构尺寸：普通铳床

设数控车床的设计参数：

计规工作台行程工作台、夹具工作台快移速最大进给速走刀方向启定

内格(mm)及工作重力度(m/min)度(m/min)最大切削动位

容(N)分力/垂向加精

目X纵向Y横X纵Y横X纵Y横X纵Y横最大切削速度

标向向向向向向向分力x,y向时mm

和相同(N)IX

要ms

求1250

±

X6802403300550016162750/220040

320

根据数控机床要求，由调研确定工作台定位精度和重复定位精度、脉冲当量等参数；

7.绘制主要零部件图不少于2张，装配图1张；

8.自选其中某个零件用PRO/E绘制三维零件图。

9.设计进度：

1)、1—5周，主要进行毕业设计准备工作，熟悉题目，收集资料，进行毕业实习，

明确研究目的和任务，构思总体方案：

2)、6—10周，设计计算，绘图；

3)、11—13周，编写毕业设计论文，准备毕业设计辩论。

指导教师签名：谢卫容

年月日

系部

审核

2-1

毕业设计（论文〕学生开题报告

课题名称普通铳床数控化改造技术

课题类型实践应用型指导教师谢卫蓉

学生姓名李颖学号01320131x01专业班级13gz数控一班

本课题的研究现状、研究FI的及意义

数控技术及装备是开展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最根本的装备。世界各

国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，

提高对市场的适应能力和竞争能力。工业兴旺国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物

资，不仅大力开展自己的数控技术及其产业，而且在〃高精尖〃数控关键技术和装备方面对我国

实行封锁和限制政策。因此大力开展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各兴旺国家

加速经济开展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术

为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化

装冬，如数控机床等。其技术涉及多个领域。

数控技术是一个比拟先进的技术，我过的信息化技术主要是依靠引进国外的技术，而外放

在许多高端的核心技术上有着掌控地位，我们对国外的依存度较高，我国现需要大量从研究开

发到使用维修方面各个层次的技术人才。在各国制造业广泛使用数控化技术，以提高制造能力

和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。

所以我们应该尽自己所学，让自己国家的数控化技术向着一个更高的平台去开展，让我国

的数控化技术走上顶端,大力开展以数控为核心的先进数控化技术已成为各兴旺国家加速经济

开展提高综合国力和国家地位的重要途径。

课题类型：课题类型：A-理论探究型B-实践应用型

2-2

2-3

己查阅的主要参考文献

[2]彭文生，李志明，黄华梁.主编.机械设计[M].北京：高等教育出版社.2002.8

[3]吴宗泽，罗圣国主编.机械设计课程设计手册[M].北京：高等教育出版社.1999.6

⑷成大先主编.机械设计手册[M].北京：：机械工业出版社

[5]成大先主编.第1卷/机械设计图册[M].北京：化学工业出版社.2000.5

[6]文怀兴主编.数控铳床设计[M].北京：化学工业出版社.2006.1

[7]机电一体化技术手册编委会编写.第1卷/机电一体化技术手册[M].北京：机械工业出

版社

[8]曲玉峰.机械设计根底[M],北京：中国林业出版社.2006.

⑼张永宇.机械设计根底[M].北京：清华大学出版社，2009.

[10]廖效果.数控技术[M].武汉：湖北科技技术出版社，2000.

指导教师意见

指导教师签名：

年月日

毕业设计〔论文〕学生申请辩论表

课题名称普通铁床数控化改造技术

指导教师（职称）谢卫蓉（讲师）

申请理由毕业设计己完成〔申请辩论）

学生所在系部机械工程系专业班级13gz数控一班学号01320131x01

学生签名：日期：

毕业设计〔论文〕指导教师评审表

序号评分工程（理工类）总分值评分

1工作量15

2文献阅读与外文翻译10

3技术水平与实际能力25

4研究成果根底理论与专业知识25

5文字表达10

6学习态度与标准要求15

总分100

（是否同意参加辩论）

评

语

指导教师签名：

另附《毕业设计（论文）指导记录册》年月日

4

毕业设计〔论文〕评阅人评审表

学生姓名李颖专业班级13gz数控一班学号01320131x01

设计（论文）题目普通铳床数控化改造技术

评阅人评阅人职祢

序号评分工程（理工类）总分值评分

1工作量15

2文献阅读与外文翻译10

3技术水平与实际能力25

4研究成果根底理论与专业知识25

5文字表达10

6学习态度与标准要求15

总分100

评

语

评阅人签名：____________

年月日

5

毕业设计1论文J辩论表

学生姓名李颖专业班级13gz数控一班学号01320131x01

设计（论文）题目普通铳床数控化改造技术

总分

序号评审工程指标评分

值

思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方

1报告内容40

法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。

2报告过程准备工作充分，时间符合要求。10

3创新对前人工作有改良或突破，或有独特见解。10

答复下列问题有理论依据，根本概念清楚。主要问题答复

4答辩40

准确，深入。

总分100

答

辩

组

评

语

辩论组组长（签字）：年月日

辩论

委员会

意见

辩论委员会负责人（签字）：年月日

6-1

毕业设计〔论文〕辩论记录表

学生姓名李颖专业班级13gz数控一班学号01320131x01

设计（论文）题目普通铳床数控化改造技术

辩论时间辩论地点

辩论委员会名单

问题：

答复（要点）：

问题1

提问人：_____

问题：

答复（要点）：

问题2

提问人：_____

问题：

答复（要点）：

问题3

提问人：_____

记录人签名

1缺乏加附页）

毕业设计〔论文〕成绩评定总表

学生姓名：李颖专业班级：13gz数控一班

毕业设计(论文)题目：普通铳床数控化改造技术

成绩类别成绩评定

I指导教师评定成绩

II评阅人评定成绩

HI辩论组评定成绩

总评成绩

IX40%+HX2O%+IIIX4O%

评定等级

注：成绩评定由指导教师、评阅人和辩论组分别给分(以百分记)，最后按“优(90—100)”、“良(80-89)\

“中(70—79)”、“及格(60—69)”、“不及格(60以下)”评定等级。其中，指导教师评定成绩占40%,

评阅人评定成绩占20%,辩论组评定成绩占40$。

摘要

目前鉴于机械制造行业对于加工精度与加工效率的要求不断提升，普通铳床已难以承当

以上重任。但基于普通铳床基数大数控铳床价格昂贵的前提，普通铳床数控化改造势在必

行。改造完成的新型机床具力适应性较强、加JL精度较高、生产效率较高和加JL质量相对

稳定等优点。它综合地应用了计算机应用、自动控制、词服驱动、高精度测量和创新的机械

结构等多方面的前沿技术，是今后机床控制的明确开展方向之一。

关键词：普通铳床；数控化改造；伺服系统；滚珠丝杠

目录

摘要...............................................................11

第一章绪论.........................................................13

1.1数控机床的组成...............................................13

1.2机床数控化改造的意义.........................................15

1.3机床数控化改造的必要性和迫切性..............................15

第二章铳床机械结构的改造设计.......................................16

2.1介绍..........................................................16

2.1.1数控铳床机械结构的主要特点.......................................16

2.1.2数控铳床对机械结构的根本要求....................................18

2.2铳床进给传动系统的数控化改造................................19

数控铳床对进给传动系统的根本要求.......................................19

数控铳床的进给传动系统的根本型式.......................................20

数控改造铳床进给系统的型式及介绍.......................................21

第三章普通铳床数控系统总体设计方案的拟定..........................23

3.1总体方案确定.................................................23

系统的运动方式与伺服系统的选择.........................................23

控制系统................................................................23

机械传动方式............................................................24

第四章普通铳床进给伺服系统机械局部................................24

4.1设计计算.....................................................24

系统脉冲当量的选择.....................................................25

滚珠丝杠螺母副的计算和选型.............................................25

4.1.3滚珠丝杠螺母副的选用与设计.......................................25

4.2纵向进给步进电机计算.........................................31

等效转动惯量计算.......................................................31

计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率............................33

第五章普通铳床电气局部改造.......................................34

总结.............................................................36

参考文献.............................................................36

第一章绪论

1.1数控机床的组成

如下列图所示，数控机床由一下几个局部组成:

数

控

程

输

装

序

入

置

编

装

制

置C

N

C

数控机床的基本结构

1、程序编制及程序载体

数控机床自动加工零件的工作指令是数控程序。在对加工零件进行工艺分析的根底上,

要先确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件

加工的工艺路线或加工顺序；主运动的起、停、换向、变速；进给运动的速度、位移大小

等工艺参数，以及辅助装置的动作。得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后,

用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控

程序单。

把已经编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿

孑一纸带、磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。

(1)输入装置

输入装置的作用是将程序载体［信息载体)上的数控代码传递并存入数控系统内。根据

控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。数控机床加

工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用

RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工(数控系统内存较小时),

另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从内部存储器中

逐段逐段调出进行加工。

(2)数控装置

数控装置是数控机床的核心。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的段

或儿段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后,

输出各种控制信息和指令，控制机床各H部的工作，便其进行规定的有序运动和动作。

零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零

件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段

轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求，因此要进行轨迹插补，也就是在线段的

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，并向相应坐标

输出脉冲信号，控制各坐标轴(即进给运动的各执行元件)的进给速度、进给方向和进给

位移量等。

(3)辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别

和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成

指令规定的开关是动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选

择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台

转位分度等开关辅助动作。

(4)驱动装置和位置检测装置

驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动

机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。因此，它的伺服精度和动态响应性能是影

响数控机床加工精度、外表质量和生产率的重要因素之一。驱动装置包括控制器1含功率

放大器)和执行机构两大局部。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。位置

检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反响系统输入到机床的数控装置

之后，数控装置将反响回来的实际位移量值与设定值进行比拟，控制驱动装置按照指令设

定值运动。

由于可编程逻辑控制器(PLC)具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可

宜接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。

(5)机床的机械部件

数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台

以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、

外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这种

变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。

1.2机床数控化改造的意义

众所周知，制造业是国民经济的根底产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量。

参加WTO之后，我国制造业正面临极大的考验和挑战。我国制造业水平与兴旺国家相比，

总体水平偏低，这直接影响到我国工业产品质量的提高和制造本钱的降低，影响到我国工

业产品的国际市场竞争力。为改变这种落后状况，必须提高制造业的装备水平，特别是机

床的数控化率。购置数控机床是提高机床数控化率的途径；对旧机床进行数控化改造，也

是提高机床数控化率的重要途径之一。

我国机电行业（包括机械、电子、汽车、航空、航天、轻工、纺织、冶金、煤炭、邮电、

船舶等）拥有的机床结构比拟陈旧，操作系统复杂，控制系统落后，生产效率低下，如果

靠购置新的数控机床取而代之，显然耗资巨大，不符合国情。因此，采用数控技术对现有

机床进行改造，符合国家的产业政策。另外，从市场容量来讲，不管是汽车制造业、模具

制造业，还是军.匚企业，机床数控化改造都蕴藏着无限商机。

近年来，美国、日本、德国、英国、等兴旺国家，在制造大量数控机床的同时，也非常

重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活泼。在美国，机床改造业被称

为机床再生业；在日本，机床改造业被称为机床改装业。机床改造业正逐步从机床制造业

中分化处理，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。

1.3机床数控化改造的必要性和迫切性

从宏观上看，在20世纪70年代末、80年代初，工业兴旺国家的军、民机械工业，己开

始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业进行技术改造。除在制造过

程中采用数控机床，FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造，

在生产管理中推行MTS（管理信息系统）、CTMS等，以及在其生产的产品中增加信息技术，

包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为

信息化），最终使得他们的产品在国际军用品和民用品的市场上竞争了大为增强。而我国在

信息技术改造传统产业方面比兴旺国家落后约20年。如在我国机床拥有量中，数控机床的

比重（数控化率）到1995年只有1.9%,而日本在1994年己达20.8%。随着我国现代化制

迨的不断推进，每年都布•大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必

要性和迫切性。

从微观上看，数控机床本身是高科技产品，它比传统机床有很多突出的优越性，这些优

越性的发挥，是数控机床的性能有了质的提高，打了推动了制造也的开展。传统机床经过

改造后，得到了近似于数控机床的性能，也意味着我国制造业整体水平的提高。

第二章铳床机械结构的改造设计

2.1介绍

根据我国国情，八十年代在普通机床的改造方面，出现了以经济型数控系统改造普通机

床，尤其是普车、普铳数控化改造的热潮，并逐步形成了经济型数控产业。“八五”后期和

“九五”，国家把旧设备的改造列入企业技术进步，工艺更新的一个重要途径，很多工厂把

普通机床的数控化改造列入企业的开展方案，作为企业适应市场经济、提高产品市场占有

率的一项措施。普通铳床的经济型数控化改造，除了选择可靠性高、性能稳定的数控系统

外，对铳床自身的改造也是一个很重要的环节。普通铳床经济型数控化改造包括两个方面,

即机床电气的数控化改造和机床本体的数控化改造。

2.1.1数控铳床机械结构的主要特点

数控铳床作为一种高速、高效和高精度的自动化加工设备，由于其控制系统功能强大,

使机床的性能得到大大提高。局部机械口趋简化，新的结构，功能不仅不断涌现，使得其

机械结构和传统的机床相比，有了明显的改良和变化，主要表达在以下儿个方面：

1、结构简单、操作方便、自动化程度高

数控铳床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度，主轴转速、刀具运动轨迹以

及其它机床辅助机能(如：自动换刀、自动冷却等)的控制。它必须利用伺服进给系统代

替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速，因此在机械结构上,

数控机床的主釉箱、进给变速箱结构一般都非常简单；齿能、轴类冬件、轴承的数量大为

减少；电动机可以直接联接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮。在使用直线电动机、电主轴的场

合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄

进行调整和变速，操作结构比普通机床要简单得多，许多机床甚至没有手动机械操作机构。

此外，由于数控机床的大局部辅助动作都可以通过数控系统的辅助机能，因此，常用的操

作按钮也较普通机床少，操作更方便、更简单。

2、广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品

数控铳床进行的是高速、高精度加工，在简化机械结构的同时，对于机械结构传动装

置和元件在数控铳床上得到广泛的应用。如滚珠丝杠副、塑料滑动导轨、静压导轨、直线

滚动导轨等高效执行部件，不仅可以减少进给系统的摩擦阻力，提高传动效率，而且还可

以使运动平稳并获得较高的定位精度。

近年来，随着新材料、新工艺的普及、应用、高速加工己经成为目前数控铳床的开展

方向之一。快进速度到达了每分钟数十米，甚至上百米。主轴转速到达了每分钟上万转，

甚至十几万转，采用电主轴、直线电动机、直线滚动导轨新产品，新技术势在必行。

3、具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件

“工艺复合化”和“功能集成化”是无人化，柔性化加工的根本要求，也是数控机床的

最显著的特点和当前的开展方向。因此，自动换刀装置、动力刀架、自动排屑装置、自动

涧滑装置等特殊机械部件是必不可少的，有的机床还带有自开工作台交换装置(APC)o

“功能集成化”是当前数控铳床的另一重要开展方向，随着数控铳床向无人化、柔性化

加工开展，功能集成化更多表达在工件的自动装卸、自动定位；刀具的自动对刀、破损检

测、寿命管理；工件的自动测量与自动补偿等功能上。

4、对机械结构、零部件的要求高

高速、高效、高精度的加工要求，无人化的管理以及工艺复合化、功能集成化一方面可

以大大提高生产率，同时，也必然会使机床的开机时间、工作负载随之增加，机床必须在

高负载下，长时间可靠工作。因此，对组成机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很

高。

2.1.2数控铳床对机械结构的根本要求

1、具有较高的静、动刚度和良好的抗振性

铳床的刚度反映了机床结构抵抗变形的能力。铳床变形所产生的误差，通常很难通过调

整和补偿的方法予以解决。为了满足数控铳床高效，高精度、高可靠性以及自动化的要求、

与普通铳床相比，数控铳床应具有更高的静刚度。此外，为了充分发挥机床的效率，加大

切削用量，还必须提高机床的抗振性，防止切削是的共振和颤振，而提高结构的动刚度是

提高机床抗振性的根本途径。

2、具有良好的热稳定性

铳床的热变形是影响铳床加工精度的主要因素之一。由于数控铳床的主轴转速、快进速

度都远远高于普通铳床，机床又长时间处于连续工作状态，电动机、丝杠、轴承和导轨的

发热都比拟严重，加上高速切削产生的切屑影响，使得数控机床的热变形影响比普通铳床

要严重的多，虽然在先进的数控系统中具有热变形补偿功能，但是它并不能完成消除热变

形对于加工精度的影响。因此，在数控铳床上还应采取必要的措施，尽可能减少机床的热

变形。

3、具有较高的运动精度与良好的低速稳定性

利用伺服系统代替普通铳床的进给系统是数控铳床的主要特点。伺服系统的最小移动量

（脉冲当量），一般只有0.001m%甚至更小，最低进给速度，一般只有Imm/min,甚至更

低，这就要求进给系统具有较高的运动精度，良好的跟踪性能低速稳定性，才能对数控系

统的位置指令作出准确的响应，从而得到要求的定位精度。

传动装置的间隙直接影响铳床的定位精度，虽然在数控中可以通过采取间隙补偿、单向

定位等措施减小这一影响，但不能完全消除，特别是对于非均匀间隙，必须采用机械消除

间隙措施，问题才能得到较好地解决。

4、具有良好的操作、平安防护性能

方便、舒适的操作性能，是操作者普遍关心的问题。在大局部数控铳床上，刀具和工件

的装卸、刀具和夹具的调整等还需要操作者完成；机床的维修更不可能离开人。而且由于

加工效率的提高，数控机床的工件装卸可能比普通机床更加频繁。因此，良好的操作性能

是数控机床设计时必须考虑的问题。

数控铳床是一种高度自动化的加工设备，动作复杂，高速运动部件较多，对机床动作互

锁、平安防护性能等要求比普通铳床要高的多。同时，数控铳床般都有高压、大流量的

冷却系统，为了防止切屑，冷却液的《溅，数控铳床通常都应采用封闭或半封闭的防护形

式，增加防护性能。

2.2铳床进给传动系统的数控化改造

数控铳床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作，伺服进给系统的作用是根据数控系

统传来的指令信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时

还要精确控制刀具相对于工作的移动位置和轨迹，因此，数控铳床进给系统，尤其是轮廓

控制系统，必须对经运动的位置和运动的速度两方面实现自动控制。

一个典型的数控铳床闭环控制的进给系统，通常有位置比拟、放大元件、驱动单元、机

械传动装置和检测反响元件等儿局部组成，而其中的机械传动装置是位置控制环中的一个

重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源旋动运动变为工作台直线运动的整个

机械传动链，包括减速装置、丝杠螺母副等中间传动机构。

2.2.1数控铳床对进给传动系统的根本要求

传动系统的刚度和惯量主要决定于机械结构设计，而传动系统的间隙、摩擦死区那么是

迨成传动系统非线性的主要原因。因此，数控铳床对机械传动系统的要求可以概况如下：

1、提高传动部件的刚度

一般来说，数控铳床直线运动的定位精度和分辨率都要到达微米级，回转运动的定位精

度和分辨率都要到达角秒级，伺服电动机的驱动力矩（特别是起动、制动是的力矩）也很

大。如果传动部件的刚度缺乏，必然会使出阿杜部件产生弹性变形，影响系统的定位精度、

动态稳定性和响应快速性。加打滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠螺母副、支承部件进行预紧,

对滚珠丝杠进行预拉伸等，都是提高传动系统刚度的有效措施。

2、减小传动部件的惯量

在驱动电动机一定是，传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度，它是影响进给系

统快速性的主要因素。特别是在高速加工的数控机床上，由于对进给系统的加速度要求高,

因此，在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的质量、直径，以降低惯量,

提高快速性。

3、减小系统的摩擦阻力

进给系统的的摩擦阻力一方面会降低传动效率，产生发热，另一方面，它还直接影响系

统的快速性；此外，由丁摩擦力的存在，动、静摩擦系数的编号，将导致传动配件的弹性

变形，产生非线性的摩擦死区，影响系统的定位精度和闭环系统的动态稳定性。采用滚珠

丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、直线滚动导轨、静压导轨和塑型导轨等高效执行部件，可

以减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，防止低速爬行。

2.2.2数控铳床的进给传动系统的根本型式

数控机床的进给运动可以分为直线运动和圆周运动两大类。直线进给运动包括机床的根

本坐标轴(X、Y、Z轴)以及和根本坐标轴平行的坐标轴(U、V、W等)的运动；圆周进给

运动是指绕根本坐标轴X、Y、Z回转的坐标运动。

1、滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副具有以下特点；

(1)摩擦损失小，传动效率高；

(2)丝杠螺母之间预紧后，可以消除间隙，提高了传动刚度；

(3)摩擦阻力小，而且它几乎与运动速度无关，动、静摩擦力的变化也很小，不易产生

低速爬行现象；

(4)长期工作磨损小，使用寿命厂，精度保持性好。因此，在数控铳床上得到了广泛应

用，是目前中，小型数控机床最为常见的传动型式。

但由于它有运动的可逆性，即一方面能将旋转运动转换为直线运动，反过来也能将直线

运动转换为旋转运动，不能实现自锁。当一在垂直传动或水平放置的高速大惯量传动中心

必须装有制动装置，使用具有装置的伺服驱动电动机是最简单的方法。另外，为了防止安

装、使用是螺母脱离丝杠，在机床上还必须配置超程保护装置，这一点对于高速加工数控

机床来说尤为重要。

2、静压丝杠螺母副

静压丝杠螺母副是通过油压在丝杠和螺母的接触面之间，产生一层保持一定厚度，且具

有一定刚度的压力油膜，使丝杠和螺母之间有边界摩擦变为液体摩擦。当丝杠转到是通过

泊膜推动螺母直线移动，反之，螺母转动也可使丝杠直线移动。静压丝杠螺母的特点是：

(1)摩擦系数小，仅为0.0005,比滚珠丝杠1摩擦系数为0.002〜0.005)的摩擦损失

更小，因此，其起动力矩很小，传动灵敏，防止了爬行。

(2)油膜层可以吸振，提高了运动的平稳性。

(3)由于油液的不断运动，有利于散热和减少热变形，提高了机床的精度和光洁度。

(4)油膜成具有定刚度，减小了反向间隙。

(5)油膜层介于螺母与丝杠之间，对丝杠的误差有“均化”作用，即可以使丝杠的传动

误差小于丝杠本身的制造误差。

(6)承载能力与供油压力成正比，与转速无关，但静压丝杠螺母副应有一套供油系统，

而且对油的清洁度要求高，如果在运动中供油突然中断，将造成股良后果。

3、静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副

大型数控机床不宜采用丝杠传动，因长丝杠制造困难，且容易弯曲下垂，影响传动精度；

同时轴向刚度与扭转刚度也难提高，如果加大丝杠直径，那么转动惯量增大，伺服系统的

动态特性不易保证，故常用静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副传动。

静压蜗杆蜗条副的工作原来与静压丝杠螺母相同，蜗条实质上是螺母的一局部，蜗杆相

当于一根短丝杠，这种传动机构，压力油必须从蜗杆进入静压油腔，加上蜗杆是旋转的，

与蜗条的接触区只有120左右，要使压力油只能进入接触区，必须解决蜗杆的配油问题。

齿轮齿条副传动用于行程较长的大型机床上，可以得到较大的传动比，进行高速直线运

动，刚度及机械效率也高。但其传动不够平稳，传动精度不高，而且还不能自锁。采用齿

轮齿条副运动是，必须采取措施消除齿侧间隙，当传动负载小是也可采用双片薄齿轮调整

法，分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙。当传动负载大时，可采用双

厚齿轮传动结构。

4、直流电动机直接驱动

直流电动机是近年来开展起来的高速、高精度数控机床最有代表性的先进技术之一。利

用直流电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化

机械传动系统的结构，实现所谓的“零传动”。它从根本上消除传动环节对精度、刚度、快

速性和稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度，快进速度和加速

度。

2.2.3数控改造铳床进给系统的型式及介绍

XA5032型铳床数控化改造进给系统，X、Y、Z三轴在满足传递扭矩的前提下采用FANUC20M

直流伺服电机并配有直流功能驱动系统，提高了驱动性能。步进电机通过精密膜片抗绕性

联轴器与滚珠丝杠直接相连，提高了传动精度，效率较高，其中Z向通过圆锥齿轮转换成

垂直方向的传动，其构型式如下列图所示

X、Y、Z二轴采用帖塑导轨，静，动摩擦系统变化G，快速移动响应快，振动小，低速

移动是无爬行，稳定性好。

Z向进给传动图

第三章普通铳床数控系统总体设计方案的拟定

总体方案确定

系统的运动方式与伺服系统的选择

由于改造后的经济型数控铳床应具有定位、直线插补、顺、逆时针插补、暂停、循环加

工、公英制螺纹加工等功能，并且在车削加工中，要求刀具沿XY轴运动有确定的函数关

系（即：刀具以给定的速率相对于工件沿加工路径运动），所以不能选用点位控制系统，

因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中不进行切削。因此，改造后的机

床应选用连续控制系统。

普通铳床型铳床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构，降

低本钱，采用步进电机开环控制系统，因为闭环控制系统适用于精度要求较高的机床

设计，且闭环控制系统的造价昂贵。

控制系统

根据机床要求，采用PLC控制。由于PLC控制系统具有稳定性好，工作环境不挑剔，易

于检修等特点，且对PIC系统较为熟悉，因此采用PLC控制系统系统。

机械传动方式

为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经过齿轮减速再传向传动杠，为保证一定的

传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，所以选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。同时.，为

提高传动刚度和消除齿间间隙，所以采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。齿轮传

动也采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。

第四章普通铳床进给伺服系统机械局部

设计计算

一台铳床铳床改造成数控铳床，采用PLC控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆

弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下：

规工作台行程工作台、夹具工作台快移速最大进给速走刀方向启定

伺服系

格及工作重力度度最大切削动位

统机(mm)(m/min)(m/min)械局

(N)分力/垂向加精

部设计：

纵横纵横纵横纵横最大切削速度

确定XYXYXYXY系统

向向向向向向向向分力x,y向时mm

的负载、

相同问

确定(N)系统

脉冲ms当

1250

量，±运动

部件X6802403300550016162750/220040惯量

计320算，

空载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械

局部装配图及零件工作图。现分述如下：

系统脉冲当量的选择

一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，也称为机床的最小设定单位（脉冲当量

是衡量数控机床加工精度的一个最根本技术参数）。经济型数控铳床常采用的脉冲当量是

001〜0.005mm/脉冲。

滚珠丝杠螺母副的计算和选型

滚珠丝杠螺母副的选型首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方

式等。结构类型确定之后，即可计算和确定其他技术参数，例如：公称直径do（丝杠外径

d）,导程，圈数j,列数K等。

滚珠丝杠副的滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插

管式。在此选用螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铳出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，与螺母

的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设

有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆形型钢弯成弧形，并焊接上螺栓，固定在螺母

±o它的优点是：工艺简单，螺母外径尺寸较小。与此同时缺点是：螺旋槽同通孔不易连

接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。

滚珠丝杠副的预紧方法有以下几种，双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿

差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。

本次设计选用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移,

其特点是结构比拟紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普

遍。

滚珠丝杠螺母副的选用与设计

1、铳削力的计算

对高速钢圆柱铳刀，切削力的计算公式为：

F=9.810町夕%”4

Z~~或《6（）〃严—号

式中：

--系数，其值取决于切削条件和工件材料。当工件为碳钢时，取。^65,ae=4nini；

fz一每齿进给量，取fz=O-lmm；

ap--背吃刀量，®(ap=30mm；

z一铳刀齿数，取z=4；

do一铳刀直径，取do=27mm；

n〜铳刀转数；

K,.,一切削条件改变时，切削力的修正系数。

其中参数按实际加工过程中平均铳削条件为标准来选择。

由己知条件,取X,=1.0、yF=0.72、UF=0.86、0+0及gF20.73,加工

碳钢时，仆=673MPa,其修正系数Kf,为：

0303

(\/67o\-

K==—=1,R=4313/V(3-3)

F,1673J

用圆柱铳刀进行逆铳加工时：

由任务书可知：

水平铳削分力先=2750N

垂直铳削分力&=2200N

轴向分力匕=(0.35~0.4)乙，取分=0375B

由此可算出:

轴向铳削力^=0.375*4313=1617.4N;

轴向铳削力「二%伺+E=4313xA/27502+22002=15.189(KN)

2、强度校核计算

燕尾形导轨工作时轴向力4为：

%=kpx+f代+与+G)

式中：k一考虑颠覆力矩影响的系数，取1.4；

f一导轨上的摩擦系数，取0.2；

Px、PY、也一切削分力，Px=2P/3=(2/3)*4.865=3.243(KN),

6=0,、匕=与=1.617(KN).

G一工作台重量，G=80*9.8=784=0.784(KN)

由此可得：

匕=1.4*3.243+0.2*(1.617+0.784)=4.5+0.48=5.02(KN)

滚珠丝杠寿命值计算

L=60NT

寿命值为：L=60^r=6C'xl0xl500=9xlO5(r)

式中：L-工件寿命(r)；

N一滚珠丝杠的转速(r/min);

T一使用寿命时间(h),数控机床一般为150Dh；

滚珠丝杠承受的最大动负载计算：

式中：为一滚珠丝杠工作载荷，/„=1.2,fH

(2=V9xlO5xl.2xl.1x5.02=12.76/^V

参照汉江机床丝杠导轨厂的产品样本，选取HJG.S系FYC1D歹U4006.5.4滚珠丝杠。

•A”3Q«>r

该滚珠丝杠副属外循环双螺母法兰凸出导管式，公称直径#40ram导程Lo=6mni,螺母上

的负荷滚珠总圈数为5圈，精度为4级，右旋螺纹，其动载荷为29.126KN,远大于12.76KN,

强度满足使用要求。滚珠丝杠两端支承均采用止推轴承和滚珠向心球轴承，在原有进给手

动端增加齿轮箱，以便安装减速齿轮及交流伺服电动机，如图3.3所示。

被速山轮箱

次珠发杠

同限电机

图3.3纵向/横向进绐传动结构图

3、传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率为：

tan2

=

tan(4+9)

丝杠螺旋升角力4=3°25',,滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数40.003-0.004,0弋10',

那么

tan3Q25tan3.14°0.0596八〜

〃=------------=--------=——--=0.95

tan(3025+1O)tan3.58°0.0625

由前面的计算：滚珠丝杠的导程0=6mm,步矩角0.75。%%〃，脉冲当量

3=0.01mm/step,所以,变速箱内齿轮的传动比为：

_0.75x6,]25

Z2360与360x0.01—

传动比计算出来以后，是采用一级齿轮减速还是二级齿轮减速，应考虑结构上的安排，

齿轮减速箱的大小不应该影响移动溜板在有效行程内的运动，由于进给伺服系统的功率都

不大，齿轮的模数一般耿"2。所以，齿轮变速箱内齿轮的选择有关参数如下：4=32,Z2

=40,模数m=2mm,压力角a=20

4、传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率为:

tanZ

n=------------

tan(x+p)

式中4一螺旋升角，2=4°22'

0—摩擦角取10'

将各数据带入上式得：

tanAtan4022*____

n=------------==0.977

tan(2+p)tan(4n°22'+lD')

5、刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性因此应考虑以下引起

轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量；滚珠与螺纹滚道间的接触变形；支承滚珠丝

杠的轴承的轴向接触变形；滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量：和螺母座及轴承支座

的变形。最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根

据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。

因此滚珠丝杠副刚度的验算，主要是前三种变形量，他们的和应不大于机床精度要求

允许变形量的一半，否那么，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。

L=700mm,丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的

1/3

图2-1

(1)由于一端轴向固定的长丝杆在工作中可能会产生失稳，所以在设计时应验算其平安

系数S,其值应大丁丝杠副传动结构的允许平安系数(S),见卜.表。

丝杠不发生失稳的最大载荷称为临界载荷吃，其计算公式为

F二也

"(〃/)2

E一丝杠材料的弹性模量。对于钢，E=206GPa;

1一丝杠工作长度；

1〃一丝杠危险截面的轴惯性矩；

〃一长度系数。

・制定•自由端固定、一缝门由(F-S)缁*固定<FF>

s372.S~3.3

一

!•.213

f.___________1.875__________3.9274.730

;『；〃••K欧系敢〃,幡界转座条效.

7r2EI(3.14)x206x2.15xl0-7

a=6.38xlO5N

(/)27

(-xl.2)2

3

平安系数S二昌二警罂二179.7,查上表，(S)=3-4.S>(S),丝杠是平安的，不会失稳。

反3.8x10

(2)高速长丝杠工作是可能产生共振，因此需验证其不会发生共振的最高转速临界转

Mncro要求丝杠的最大转速nmax〈n-

%;9910乌

3)2

(3.927)2x0.04576/.

=9910x----------------------«10927r/min

(-xl.2)2

3

nmax<n