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数控车床
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数控车床进给机构设计,数控车床,进给,机构,设计
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辽宁科技大学本科生毕业设计说明书（论文） 第 33 页 数控车床进给机构设计摘要 作为机械系的一名学生，将来工作学习都会以机械为主，所以必须掌握好各种机械的专业知识。机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课后，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题-机床进给机构的结构设计与控制系统设计为主线，通过对系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计、计算以及控制系统设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。论文中主要的内容及方法是精密执行机构的设计，主要是考虑机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。随着21世纪的到来， 电子技术不断的发展，自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。关键词：机床；齿轮；丝杆；螺母；导轨；电动机Designing Of The Feeding Mechansm Of Numerical Control MachinesAbstract As a student in the Department of Mechanical Engineering，future work will study mainly in machinery, it is necessary to master a variety of mechanical expertise. Machine Tools Mechatronics curriculum design is teaching an important part of the practice, students learning technical and professional courses after the basic course, it is to train students in integrating theory with practice, the ability to solve practical problems an important step. The course design is a typical mechatronics workbench machine - the subject of structural design and control system design of the main line, the overall system design through programming, to the servo system into the mechanical parts of the design, calculation and control system design, so that students can learn by integrated application of mechanical, electronic and computer knowledge, a combination of all aspects of electrical and mechanical training, so as to nurture the students with the ability to calculate the preliminary design analysis and processing, as well as the production process encountered problems. Paper content and methodology of the main executing agency is the design of precision, machine table is mainly on account of the design of gear: To clarify the agency or mechanical components of the main functions of the implementation (transmission movement, power, location, installation, tuning, precise positioning or high-speed operation, etc.), for torque, load power, the inertia ( moment of inertia), increase (decrease) in speed control and error calculation. With the advent of the 21st century, electronic technology, the development of automatic information processing, data processing, as well as the emergence of computer, automation technology to bring a new concept of digital signal processing on the machine and process control, and promote the the development of automated machine tools.Key words: Machine Tool; gear ；Screw; Nut; Guides; Motor目 录1 绪论21.1 二十一世纪世界机床发展展望21.2 机床工业发展与方向41.2.1 产品开发与技术引进51.2.2 通用机床与专用机床61.2.3 自动生产线与加工中心71.2.4 主机与元件81.2.5 夹具与附件81.2.6 大型企业与小型企业91.3 机床的分类101.4数控车床设计概述101.3进给伺服系统概述131.4 数控系统部分设计142 横向进给系统的改造设计152.1 横向进给系统的设计与计算152.1.1 横向进给系统的设计152.1.2 横向进给系统的设计计算162.1.3 步进电机的选择212.1.4齿轮强度校核222.2.1 螺旋传动242.2.2螺母座的结构设计263 PLC数控部分设计273.1 概述273.2步进电动机PLC控制系统I/O接线图设计293.3步进电动机PLC控制系统梯形图设计29参 考 文 献331 绪论1.1 二十一世纪世界机床发展展望进入21世纪，人类社会将逐步进入知识经济时代，知识将成为科技和生产发展的资本与动力，而机床工业，作为机器制造业、工业以至整个国民经济发展的装备部门，毫无疑问，其战战略性重要地位、受重视程度，也将更加鲜明突出。 那么，在新世纪里，世界机床生产、需求和技术将如何发展呢？ 1、在20世纪微电子、计算机、网络技术的基础上，21世纪IT（信息技术）与机床的结合将成为机床技术发展的主潮流。 在2000年9月美国芝加哥国际制造技术展（IMTS）、10月东京日本国际机床展（JIMTOF）上，IT（信息技术）已成为展品一大特色，已向全世界发出信号，机床的IT化将成为新世纪机床技术发展主潮流。IT化主要表现在三大方面：一是用于电讯、医疗、军工信息技术设施方面的精密、小型、高效机床将大大增加；二是机床本身的无人化、智能化、集成化、利用IT实现自动检测、自动诊断、自动调节、自动补偿的功能将日益完善；三是利用IT网络实现机床与工段、车间、工厂、数据库、外界的联系将更加繁多。在IT化的基础上，将为FMS、FA、CIMS的下一步发展开道。 2、在机床生产、需求上，要求进一步提高精度、效率、自动化，以提高生产率、劳动生产率，纳米技术将有新的突破。 在21世纪，为提高劳动生产率，创造出更多财富，机床将大力向高精、高效、高自动化、多样性、成套性、综合性方面发展，而确保和提高精度是根本。随着世界科技迅速发展，各种产品向小型化、精密化、轻量化发展，纳米技术需求日益强烈。目前世界上非球面零件加工精密车床，主轴振摆已达0.0001，X、Y、 Z轴控制分辨率已达1nm。在21世纪，纳米技术将形成发展潮流，并将有新的突破。 3、节能环保机床将加速发展，占领广大市场。 目前能源紧张、环境污染，已威胁人类生存。节能环保已受到人们的广泛重视。在1998-2000年世界四大国际机床展上，节能环保、干切削、半干切削机床，已不断出现，如一些先进车床、磨床、加工中心、齿轮机床，不用或少用冷却液，实现干切削、半干切削，已经在现场使用，并在不断扩大市场。在21世界广大市场。 4、NC机床在生产、需求、技术上将进一步发展，并将逐步加强先进制造系统的研究开发。 随着微电子、计算机、网络技术、信息技术的进一步发展，在价格上降低，在技术上提高，机电一体化先进NC机床的生产和需求将进一步增多，在精度、效率、自动化技术上日益提高。21世纪，在美、德、日等工业发达国家，NC机床将由目前的成熟期走向兴旺发达、广泛使用期。如将21世纪分成三大阶段，2001-20 31年三十年为第一阶段，2031-2060年三十年为第二阶段，2061-3000年四十年为第三阶段，每阶段各以其前一阶段之经济形势与机床水平为基础向前发展。20世纪下半期经济低速成长、波浪式前进，制造系统如FMS、FA、CIMS处于低潮。进入21世纪，第一阶段仍可能维持愿状发展，或稍有改善，有可能开始加强制造系统科研发展。第二阶段形式好转，在上阶段基础上加强，第三阶段如经济形势良好，则先进制造系统的研究开发有可能逐渐形成高潮。 5、先进科研、设计方法，CAD/CAE/CAM、CAPP、CAT、FEM及先进管理，经营方法将迅猛发展。 进入21世纪，如美、德、日工业发达国家，将逐步进入知识经济时代，知识在推动工业生产、需求、技术方面发展的作用将愈益明显突出。各种工厂、软件将发挥更大的作用。因此，各种产品，特别是作为复杂生产工具机床的先进科研、设计方法、如CAD/CAE/CAM、CAPP、CAT（计算机辅助实验）、FEM（有限元分析方法）及先进管理、经营方法等将获得迅猛发展。已经出现的GT、JIT、精益生产、敏捷制造、全能制造系统等将随着形式的发展，生产、需求、技术的不同，会有更多的创新。 6、新工艺、新材料、新结构、新元件、各种机床配套基础元部件、刀具、测量、控制系统等将有更多创新。 在20世纪末，由于高速加工工艺、人造树脂新材料快速造型新工艺、双层薄壁床身立柱结构、直线电机、陶瓷轴承、磁力轴承、高速内装电机、CBN、多种薄涂层、各种新颖刀具、无接触测量、激光技术、开放式与PC结合的NC系统、N URBS（非均匀有理B样条插补方法）、纳米技术等的研究开发突破，机床技术向高精、高效、高自动化前进了一大步。特别是高速化、复合化、零件的一次装夹全部加工，在提高机床的效率方面，形成发展高潮。FMS、CIMS目前发展不上去，关键是价格昂贵、技术上未全过关两大问题。在21世纪一、二、三阶段，机床和个环节的技术开发，将按螺旋式上升，各个环节，特别是NC系统，将此起彼伏，不断有更多的创新。 7、在21世纪，对素质、人才、科研、创新，用先进商品占领市场，其竞争将空前激烈。 在21世纪，市场经济将变成一片汪洋大海。用先进商品占领国内外市场，经济全球化，已成为不可阻挡的主潮流。美、德、日等工业发达国家，将率先进入知识经济时代，成为全世界工业生产、需求、技术发展的先驱。知识对全球生产、需求、技术的发展将日益起到更大的决定性作用。世界机床工业与机床技术的发展，取决于社会需求、科技水平、人员素质三者的结合。在整个社会中，教育是基础，关键是人才，核心是科技，用各种先进商品占领市场，其竞争、争夺将空前激烈。1.2 机床工业发展与方向机床是工作母机，机床制造业对国民经济的发展起着重要作用。建国初期，在优先发展重工业的方针指导下，机床制造业迅速发展，按国民经济发展计划建立了一大批机床制造厂，专业分工明确，机床型号齐全，形成了完整的通用机床制造体系。向各行各业提供了大量的工作母机，有力地推动了国民经济的发展。 改革开放以来，国民经济飞速发展，给机床制造业带来了新的发展机遇，同时也提出了更高的要求。然而由于长期在计划经济的条件下组织生产，不能很快适应市场经济的要求，使国内很多机床厂家陷入困境。借鉴国外的经验，明确我们的发展方向，迅速适应市场需求，是我国机床制造业面临的重要课题。 1.2.1 产品开发与技术引进应用数字控制等先进技术，不断开发新产品，满足高质量、高效率和高灵活性的要求是现代机床的发展特征，并成为世界各机床厂家正在为之努力的目标。因此，国内很多厂家也在引进数控技术和产品，生产了各种类型的数控机床，从历届机床展览会可见一斑，可以说中国的机床制造业的技术水平有了很大提高。但是，不能不看到，大多数厂家在日趋激烈的市场竞争中，特别是在国际市场的竞争中仍显得能力不足。应当指出，新产品开发不是引进或仿制其他厂家的机型。引进或仿制的产品对制造厂家是新产品，对市场却不是新产品。引进或仿制在一定时期是必要的，正如在建国初期我们通过仿制前苏联的产品建立了中国的机床制造业体系一样，在改革开放初期引进技术可以使我们的机床制造业快速跟上世界先进水平。但是，这不应是我们的唯一发展方向和最终目标。新产品开发应该是指全新机型或现有产品的改进型。目前，在新产品开发方面，美国的机床公司处在世界前列。为了适市场需求，G&L公司不惜重金开发出RAM系列高速加工中心。采用整体床身，提高机床的刚性；选用滚动导轨，适应高速要求。换刀速度(切屑到切屑)为4.55s，运行速度达38m/min，赢得了大量用户。INGERSOLL公司开发的HVM800型加工中心用直线电动机代替传统的伺服电动机驱动滚珠丝杠的传动系统，简化机床的结构，运行速度76m/min，现已投放市场。新产品的开发往往对控制系统提出更高的要求，通用控制系统不能满足要求时，还要进行控制系统的开发。美国的G&L公司、CINCINNATI公司和德国的HELLER公司等均针对自己的系列产品，开发专用控制系统，并相继建立起相当规模的控制系统研制中心，生产专用控制系统，为各自的系列产品配套。而不直接采用专业电气公司的通用控制系统，避免功能浪费，弥补功能不足。这些才是新产品开发。我们应当在引进技术的基础上开发自己的新产品，或开发某些领先技术改进我们的产品。当然，开发新产品需要大量资金投入，只有将现有产品以高质量的品位占领市场才可能积累资金，用于产品开发工作，即人们常说的“以老养新”。1.2.2 通用机床与专用机床随着经济的发展，特别是改革开放以来，专用组合机床的需求量增加，通用机床的需求量相对减少。于是，各通用机床厂纷纷建立专机车间或专机分厂，生产组合机床。由于设计、制造、组装和调试经验不足，使之在市场特别是国际市场中缺乏竞争力。组合机床作为一种现代机床，它不是通用部件、各种元件、刀夹辅具和控制系统的简单组合，从设计制造到组装调试都有其专业特征。通用机床是成熟产品，即使是改进型也是经过一轮或几轮试制后，方能投产。通用机床的整机和零部件可以有少量库存，生产时间充裕。而组合机床一般是单机一次性生产，不可能进行试制，而且要求在一定的时间内完成制造。这就要求机床厂家有一支经验丰富的设计队伍，特别是资深的方案工程师。在订购组合机床时，用户往往将技术方案作为前提之一，因为一个好的方案可以为用户带来很大的经济效益。同时，也使机床制造厂家便于组织生产。好的技术方案是用最简捷的形式，满足工艺要求，并且易于操作、调整和维修。这就要求通用部件的选择，刀具的设计和选择，夹具的设计，控制系统的设计及液压和气动系统的设计等都要相对合理。专用组合机床一般用于大量生产，需要加工精度长期稳定，因此，对其质量的要求与通用机床有很大不同，通常要求工序能力系数CPK1.33。国内一知名机床厂为用户设计制造一条壳体生产线，用户要求在技术协议中将工序能力系数CPK1.33作为一项验收标准，厂家明确表示达不到这一要求。他们只能同意按被加工零件图纸给定公差的75%作为验收标准，这一验收标准与工序能力系数CPK1.33的要求相差甚远。有的厂家甚至不了解工序能力系数这一概念。应当指出，CPK=1.33是最低要求，有的国外用户将CPK4.0作为验收标准。提高机床的质量是一项复杂的系统工程，它要求制造厂家建立一套完整的质量控制体系。从方案论证到产品设计，从原料进货到元件采购，从工艺编制到加工制造，从安装调试到售后服务，都必须严格控制。才能有效保证整机的产品质量，得到市场的认可。为了占领市场，世界各厂家争相提高产品质量和服务质量。美国的一家机床公司向用户承诺，订购该公司设备时，他们“不是在拿到订单之后就一走了之，再见面时设备已经制造完毕并请你付款，这时你所看到的只是设备的外表，而看不到内在质量。例如，你知道主轴的精度和硬度吗？”他们的做法是：向你报告从方案设计、元件采购、加工制造到装配调试的全过程并接受你的检查。他们之所以能够做到这一点是因为像大多数机床制造厂家一样，机床在投入制造后，每个零件都备有一张卡片，将每道工序检验结果填写在卡片上并输入计算机，使制造的全过程处于受控状态，从而保证了机床的出厂质量。这些都是值得我们借鉴的质量管理方法。通用机床一般不需要制造厂家到用户安装调试，即使需要也很简单。而组合机床则需要制造厂家到用户安装调试，且过程复杂，周期较长。要求厂家培养和建立一支有经验的安装调试队伍。此外，因为组合机床均用于大量生产，如果机床故障不能及时排除，其他设备很难替代，势必造成停产，将给用户带来重大损失。因此，售后服务也是组合机床生产的一项重要内容。鉴于这种情况，通用机床厂家应当扬长避短，利用自己的专业特点开发和生产专用机床。例如，车床厂家可以生产制造曲轴专用车床，磨床厂家可以生产制造曲轴和凸轮轴专用磨床等。 1.2.3 自动生产线与加工中心大家知道，由组合机床组成的自动生产线因为具有高效的特点广泛用于大批量生产。但是，随着机床技术的发展，目前自动生产线有被加工中心取代的趋势，这是由自动生产线和加工中心两方面原因所致。自动线所加工的零件品种单一，若改变加工品种需要对自动线进行改造；自动线中有一台机床发生故障时，将造成全线停产，这对企业的发展和组织生产都是不利的。近年来，加工中心发展很快，新型的加工中心已具备了用于大量生产的能力，而且克服了自动线的缺点。在加工中心上只需更换夹具和程序，即可改变加工品种；在加工中心上一般采用工序集中的方式加工零件，由多台加工中心完成同一工作，某一台机床出现故障时，对生产影响不大。现在，由加工中心组成的柔性生产线集中了自动生产线和加工中心的优点，倍受一些大型用户青睐。在美国CINCINNATI公司为一家用户设计制造的柔性生产线上，同时生产21种不同的箱体。这条生产线主要由数台加工中心(加工中心的数量可以根据需要增减)和一条用于输送各品种夹具的主输送道组成。工人只需将某一工件装夹到该工件的夹具上，输送道即可自动将夹具送入第一台加工中心，加工中心根据夹具的型号，调出相应的程序进行加工，加工完成后，夹具自动退回输送道，输送道将其送至下一台加工中心，随后，下一夹具进入第一台加工中心，以此类推，加工完成后，由工人卸下工件。全线由中央计算机控制，中央计算机除与各加工中心和输送道的控制系统相联外，还与刀具测量间相联，将测量数据输入各加工中心，加工中心则根据刀具参数调整切削参数，以保证加工精度。只要输送道上有足够装有工件的夹具，生产线可在无人看管的情况下工作，直至输送道上所有工件全部加工完毕，生产线自动停止工作，工时利用率在90%以上。可以说加工中心和柔性生产线将主导下一世纪的机械制造业，我国机床厂家应根据这一情况制订和调整自己的技术发展规划。1.2.4 主机与元件现代机床均装备大量的元件(包括电器元件、液压元件和气动元件等)，元件的质量是决定主机能否正常工作的重要因素。由于大多数元件为外购件，主机厂家不能直接控制其质量。经常出现了机床制造厂家和用户同时抱怨元件质量情况。为了降低机床故障率，有些用户在向国内厂家订购设备时，明确提出装备进口元件，而制造厂家也赞同这一作法。造成大量国外元件涌进中国市场。在改革开放的今天，我们并不反对进口必要的元件，特别是一些我们尚未开发的品种或型号。但是，诸如限位开关和换向阀之类元件也需大量进口，不能说是一种正常现象。元件作为标准或通用产品，其生产方式与主机不同，元件属于大批量生产。只要严格控制原料质量，并按成熟的加工工艺和装配工艺进行生产，其质量不难得到控制。现在，国内元件制造厂家也在引进国外技术或合资生产各种元件，关键是引进质量管理方法，全面提高元件质量，创立中国的名牌元件，使元件与主机的技术水平同步发展，才能增强市场竞争能力。1.2.5 夹具与附件现代机床特别是组合机床通常配备专用夹具，有些组合机床是围绕专用夹具设计的，专用夹具作为组合机床的重要组成部分，往往是能否满足使用要求的关键。目前，国内组合机床的专用夹具基本上由机床制造厂家一并设计制造，有的厂家特别是通用机床厂家将主要精力放在主机上，而忽视夹具的设计制造。在安装调试过程中修改夹具设计的现象屡见不鲜。实际上，有些夹具结构的复杂程度并不亚于主机。在某种程度上，夹具的设计制造与机床是两种不同的专业。组合机床是以通用部件为基础，夹具则无此条件，需要有经验丰富的专业工程师完成全部设计，在设计中要充分考虑定位夹紧合理，装卸工件方便和易于排屑等方面的问题，并由经验丰富的工人完成制造。因此，欧美的机床制造厂家自己一般不承担夹具的设计与制造，而是由主机制造厂商提出技术要求向专业夹具公司订货，效果很好。国内的机床附件厂原来主要生产与通用机床配套的各类卡盘和分度头等机床附件，这就是说即使在通用机床占主导的年代，夹具与主机也是专业分工的。随着通用机床和专用机床需求比例的变化，专用夹具的需求量不断增加，通用机床附件相对减少，机床附件的生产厂家应该适应市场需要扩大经营范围，组建夹具公司，承揽专用夹具的设计与制造业务。这不仅有利于附件厂家自身的发展，也有利于机床制造业的发展。1.2.6 大型企业与小型企业在诸多的机床厂家中，大型厂家无疑是机床制造业的主力。应有自己的系列产品和通用部件，向市场提供大量的设备和整条生产线。同时，具有强大的新技术开发能力，不断将新的系列产品推向市场。就市场而言，小型机床厂家与大型厂家一般不应是竞争关系，而应该是互补关系。某些小型机床厂家将自身置于与大型厂家竞争地位是不可取的。小型机床厂家应利用具有灵活性的优势，开辟自己市场，就是将用户需要作为自己的产品。承制大的机床公司不宜生产的设备。目前，国内外均不乏这样的小型机床公司作为借鉴。另一方面，小型机床厂家应具有自己的技术特点，开发特色产品。例如，奥地利的ANGER公司是一家只有80余名雇员的小型机床厂商，该公司生产的小型CNC高速切削机床很有特色。机床采用多主轴方式，主轴并排固定在主轴架上，每根主轴由各自的电动机直接驱动，简化了传动系统和主轴结构，主轴转速高达30000100000r/min。每根主轴安装一种刀具，由夹具快速位移完成换刀，省去了复杂的换刀机构，换刀时间(切屑到切屑)仅为0.4s。由主轴旋转和夹具运动完成切削。机床采用运行速度较快的FANUC控制系统。这种机床除欧洲市场外，还远销美国和日本。再如，美国的KASPER公司设计制造的加工淬火工件的车床(Hardturning)和镗床(Hardboring)也是特色产品，其加工精度和表面粗糙度均优于普通磨床，是以车削和镗削代替磨削的理想设备。我们的小型厂家也应具有自己的技术特点和特色产品，才能在国内外市场中立于不败之地。不断提高技术水平，形成中国的世界知名厂家，生产名牌产品，应当成为新世纪之初我们机床制造厂家的目标。金属切削机床可按不同的分类方法划分为多种类型。 1.3 机床的分类按加工方式或加工对象可分为车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、花键加工机床、铣床、刨床、插床、拉床、特种加工机床、锯床和刻线机等。每类中又按其结构或加工对象分为若干组，每组中又分为若干型。 按工件大小和机床重量可分为仪表机床、中小型机床、大型机床、重型机床和超重型机床；按加工精度可分为普通精度机床、精密机床和高精度机床；按自动化程度可分为手动操作机床、半自动机床和自动机床；按机床的自动控制方式，可分为仿形机床、程序控制机床、数字控制机床、适应控制机床、加工中心和柔性制造系统；按机床的适用范围，又可分为通用、专门化和专用机床。 专用机床中有一种以标准的通用部件为基础，配以少量按工件特定形状或加工工艺设计的专用部件组成的自动或半自动机床，称为组合机床。 对一种或几种零件的加工，按工序先后安排一系列机床，并配以自动上下料装置和机床与机床间的工件自动传递装置，这样组成的一列机床群称为切削加工自动生产线。柔性制造系统是由一组数字控制机床和其他自动化工艺装备组成的，用电子计算机控制，可自动地加工有不同工序的工件，能适应多品种生产。1.4数控车床设计概述用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息变成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具和工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条件不紊乱地作，从而加工出零件的全部轮廓。数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加工程序即可，原来的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计机床，致使生产准备时间过长。经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。数控改造对机械传动系统的要求为：（1)尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力。（2)选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能加速达到跟踪指今。（3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。（4)尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。（5)尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度高高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。 从应用的方面考虑，结合目前国内大多数的情况，可采用更换滚珠丝杠来代替原机床上的T型丝杠。也可对原车床上T型丝杠加以修复，但此时必须相应修配与与此相配合的螺母，尽量减小其间隙，提高配合精度。般说来如原车床的工作性能良好精度尚未降低，则应尽量保留机床的传动系统。使改造后的数控车床同时具有微机控制和原机床操作的双重功能。如原车床使用时间较长运动部件磨损严重除了对导轨精度进行修复外还应将传动部件拆除或更换，以确保改造后车床的传动精度。 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床组成机床本体的各机械部件组成，如图2.1：图11数控机床的组成电动机的选择 (1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。(2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。(3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。(4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。电动机类型和结构型式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等)，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。表1.1 理想主轴驱动系统性能项目内容高性能低速区要有足够的转矩宽恒功率范围,并在高速范围内保持一定转矩高旋转精度高动态响应高加减速,起制动能力具有强鲁棒性,能适应环境条件和参数变化高效率,低噪声低价格低购买价格,低维护价格,低服务价格通用要求耐用性,可维护性,安全可靠性感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个千瓦到上百千瓦，广泛地应用于各种数控机床上。1.3进给伺服系统概述数控机床伺服系统的一般结构如图3.1所示：图1.2 数控机床进给系统伺服由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：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；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。伺服系统对伺服电机的要求：（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0.1r /min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 （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要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，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。随着微电子技术、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全部数字化、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进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。数控车床的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普通车床的一个特殊部分。 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组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，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。全闭环系统的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，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，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。1.4 数控系统部分设计控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续(轮廓)控制系统根据设计要求，此车床主要加工复杂零件轮廓，其各坐标轴的运动有着确定的函数关系。根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。其工作原理是：根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过专用控制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动使工作台产生移动。如图2.4所示。光电隔离微机功率放大步进电 机横向工作台xx 图1.3 方案示意图2 横向进给系统的改造设计2.1 横向进给系统的设计与计算2.1.1 横向进给系统的设计步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证同轴度，提高传动精度。2.1.2 横向进给系统的设计计算已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算） 时间常数 滚珠丝杠基本导程 左旋行程 脉冲当量 步距角 快速进给速度 （1）切削力计算 查参考文献1可得知，横向进给量为纵向的1/21/3,取1/2,则切削力约为纵向的1/2 （2.1）在切断工件时： （2.2）（2）滚珠丝杠设计计算（a）强度计算对于燕尾型导轨： （2.3）取 则 （2.4）寿命值 （2.5）最大动负载 （2.6）根据最大动负荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。查参考文献2可知，选用型号为FFZD2004-03型丝杠，其额定动负荷为7100N，所以强度足够用。（b）效率计算螺旋升角，摩擦角则传动效率 （2.7）（c）刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量 （2.8）滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即：。所以，导程变形总误差为 （2.9）查表知E级精度丝杠允许的螺距误差1长为15，故刚度足够。（3）齿轮及转矩有关计算（a）有关齿轮计算传动比 （2.10）故取 齿轮传动示意图。如图3.1所示。图2.1 齿轮传动示意图（b）齿轮传动间隙的消除措施进给伺服系统中的减速齿轮，除了本身要求较高的运动精度和工作平稳性外，还必须尽可能消除齿侧传动间隙，否则，进给运动会产生反向死区，影响传动精度和系统稳定性。常用的齿轮传动间隙消除的方法有以下两种。偏心套调整法如图3.2所示，电动机2通过偏心套1装在壳体上，通过转动偏心套1能够方便地调整两齿轮的中心距，从而达到消除侧间隙的目的。该方法结构简单，传动刚度好，能传递较大的转矩，但齿轮磨损后齿侧间隙不能自动补偿。1-偏心套 2-电动机图2.2 偏心套调整机构双片薄齿轮错齿调整法如图3.3所示，两个齿数相同的薄片齿轮1、2与另外一个宽齿轮6啮合。薄片齿轮1与轴整体铸造而成，保证了机构的强度。薄片齿轮2套装在轴上，两片薄齿轮之间可作相对回转运动。每个薄齿轮上分别连接三个沉头螺钉4、5，并在齿轮2上开有三个较大通孔。齿轮1上的三个沉头螺钉5从齿轮2上三个大孔中穿过后，再通过拉簧7与齿轮2上的螺钉4相联，螺母3可防止拉簧滑出。由于拉簧7的拉力作用使齿轮1、2相互之间产生回转，分别与宽齿轮6的两侧贴紧，从而消除1、2、6-齿轮 3-螺母 4、5-螺钉 7-拉簧图2.3 双片薄齿轮错齿调整机构（c）转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 （2.11）丝杠转动惯量 （2.12）齿轮的转动惯量 （2.13） （2.14）电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量 （2.15）（d）所需转动力矩计算 （2.16） （2.17） （2.18） （2.19） （2.20） （2.21） （2.22）所以，快速空载启动所需转矩 （2.23）切削时所需力矩： （2.24） 快速进给时所需力矩： （2.25）从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，2.1.3 步进电机的选择横向进给系统步进电机的确定 （2.26）电动机选用三相六拍工作方式，查参考文献1表7-2知： （2.27）所以，步进电机最大静转矩为： （2.28）步进电机最高工作频率 （2.29）为了便于设计和计算，选用110BF003型三相六拍步进电机，能满足使用要求。步进电机的安装尺寸见表3.1，图2.4所示12。表2.1 反应式步进电动机的安装尺寸型号DD1h1h2dEbLd1D2键MS110BF003110854814291121869132平键420无图2.4 步进电动机外型及安装尺寸2.1.4齿轮强度校核小齿轮材料40Cr，硬度为280HBS，大齿轮材料为45号钢（调质）,硬度为240HBS,两者硬度差为40HBS。接触疲劳校核公式 (2.30)弯曲强度校核公式 (2.31)（a）取失效率为1%,S=1，查表得，其中疲劳寿命系数, , 小齿轮接触疲劳强度大齿轮接触疲劳强度取较小值为查表，材料影响系数所以接触疲劳强度满足要求。（b）查表，,，小齿轮弯曲疲劳许用强度大齿轮弯曲疲劳许用强度，小齿轮弯曲强度,，大齿轮弯曲强度其中齿轮传动效率大齿轮转矩其中，,， 满足要求，所以齿轮设计合格。2.2 数控车床的传动装置设计数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属机构。包括丝杠螺母副、导轨、工作台等。在数控机床数字调节技术领域，传动装置是伺服系统中的一个重要环节。因此，数控车床的传动装置与普通车床中传动装置在概念上有重要差别，它的设计与普通车床传动装置的设计不同。数控车床传动装置的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。为确保数控车床进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙、低摩擦、高刚度等要求。为了达到这些要求，采取主要措施如下：（1）尽量采用低摩擦的传动，以减少摩擦力；（2）链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度；（3）量消除传动间隙，减少反向死区误差13。2.2.1 螺旋传动（1）概述 螺旋传动主要用来把旋转运动变为直线运动，或把直线运动变为旋转运动。其中，有以传递能量为主的传力螺旋，有以传递运动为主，并要求有较高传动精度的传动螺旋，还有调整零件相互位置的调整螺旋。螺旋传动机构又有滑动丝杠螺母、滚珠丝杠螺母和液压丝杠螺母机构。 在经济型数控车床的进给系统中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。 滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠。这些滚珠作为中间传动件，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装置。它由丝杠、螺母、滚珠及滚珠循环返回装置等四个部分组成。当螺杆转动螺母移动时，滚珠则沿螺杆螺旋滚道面滚动，在螺杆上滚动数圈后，滚珠从滚道的一端滚出并沿返回装置返回另一端，重新进入滚道，从而构成闭和回路。（2）滚珠丝杠副传动的特点（a）传动效率高，摩擦损失小。（b）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，定位精度高，刚度好。（c）启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。（d）有可逆性，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，即丝杠和螺母都可以作为主动件。（e）磨损小，使用寿命长，精度保持性好。（f）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值别别小，故制造成本高。（g）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于中立的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，所以需要添加制动装置。（3）滚珠丝杠副的支承方式为了满足高精度、高刚度进给系统的需要，必须充分重视滚珠丝杠副支承的设计。（a）一端固定 一端自由丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低。结构简单轴向刚度小适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装（b）两端铰支结构简单轴向刚度小适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装对丝杠的热伸长较敏感适用于中等回转速度（c）一端固定 一端铰支丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转速度结构稍复杂轴向刚度大适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装推力球轴承应安置在离热源（步进电机）较远的一端（d）两端固定丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转结构复杂，两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变形可转化为推力轴承的预紧力轴向刚度最大适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装适用于较长的丝杠安装表2.2 滚珠丝杠副的支承形式支承形式简图特点双推-自由1.刚度、临界转速、压杆稳定性低2.设计时尽量使丝杠受拉伸3.适用于较短和垂直安装的丝杠双推-简支1.临界转速、压杆稳定性较高2.丝杠有热膨胀的余地3.适用于较长的卧式安装的丝杠单推-单推可根据预计温升产生的热膨胀量进行预拉伸双推-双推1.丝杠的轴向刚度高2.丝杠一般不会受压，无压杆稳定性问题3.可用预拉伸减小因丝杠自重引起的下垂4.适用于对刚度和位移精度要求高的场合综上所述，本设计中滚珠丝杠副支承方式,采用两端支撑。（4）滚珠丝杠副轴向间隙的调整滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。消除间隙的方法采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外，还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙14。2.2.2螺母座的结构设计螺母座的长度根据滚珠螺母的长度而定。螺母座与滚珠螺母通过键进行轴向固定，查参考文献4可知，该键型号选用GB/T1096-1979，4430。滚珠丝杠副通过螺母座带动工作台移动，因此螺母座通过螺钉与工作台联接。查参考文献4可知，螺钉型号选用GB/T70-1985。如图3.8所示。图2.5 螺母座3 PLC数控部分设计3.1 概述数控机械的开环数控系统一般用步进电机作为执行驱动元件，因此又称为开换步进控制系统。由于这种系统不使用位置、速度检测和反馈装置，没有闭环控制系统中的稳定性问题，因此具有结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列优点，适用于精度要求不太高的中小型数控设备。开环系统主要由脉冲分配器、驱动电源、步进电机组成。PLC作为控制器对机床电气控制系统的控制越来越突出。其主要部分是对数控机床的典型执行元件步进电机的控制。我们知道步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相应角位移的电机，步进电机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，因此只要控制输入到其线圈绕组中的脉冲数或者脉冲频率即可控制步进电动机的角位移和转速，但给步进电动机的各线圈绕组输入的脉冲还需要进行脉冲分配器的分配。利用PLC控制步进电动机，其脉冲分配可以由软件进行设计，还可以由硬件来组成。步进电机是一种多相脉冲电机，它的各相绕组必须按一定的规律轮流供电，步进电机才能按一定的方向旋转。为实现步进电机各绕组间有规律轮流供电，可以采用硬件逻辑来实现，也可以用计算机软件来实现PLC通过运算不断地向步进电机发出脉冲分配信号，这样就使步进电机朝一个方向不断转动。单片机发出的脉冲速度快，步进电机也转得快，单片机发出的脉冲速度慢，步进电机也转得慢，这样PLC就可以通过改变输出脉冲的速度来改变步进电机的速度。PLC还可以通过改变脉冲分配的顺序来改变电机的转动方向。再通过机械传动使电机的转向、转速、转角变为工作台的进退、移动速度和位移量。单片PLC就是这样通过步进电机驱动系统来控制进给机构运动的。CPUI/O接口光电隔 离功率放 大步进电 机RAMROM外 设键盘、显示器图3.1 数控系统
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