数控机床设计课程设计数控车床纵向进给系统设计（完整图纸）.doc

陕西科技大学课程设计说明书目 录CAD图纸，联系153893706一、数控机床进给系统概述 1二、主要设计任务参数 3三、数控车床纵向进给系统传动的方案设计 3 1、纵向进给系统设计的基本要求 3 1、带有齿轮传动的进给运动................................... ......3 2、经同步带轮传动的进给运动 4 3、电机通过联轴器直接与丝杠联接 5四、运动设计 5 1、降速比计算 5 2、减速齿轮的确定 6五、丝杠螺母机构的选择与计算 6 1、动载强度计算 6 2、静强度计算 7 3、临界转速校核 8 4、额定寿命的校核 8六、动力计算 8 1、传动件转动惯量的计算 8 2、电动机力矩的计算 9七、丝杠螺母机构的传动刚度计算 10八、结构设计 11 1、滚珠丝杠的支承 11 2、滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 12九、主要结构性能及特点的分析 12十、总结与体会 13参考文献……………………………………………………………………… 14一、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：（1） 提高生产率。

数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率采用最佳参数和最佳走刀路线，缩短加工时间，从而提高生产率2） 数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量由于它是按照程序自动加工不需要人工干预，其加工精度还可以利用软件进行校正及补偿，故可以获得比机床本身精度还要高的精度和重复精度3） 有广泛的适应性和较大的灵活性通过改变程序，就可以加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或者根本不能加工的复杂型面零件的加工4） 可以实现一机多用一些数控机床，可以自动换刀，一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备和厂房面积5） 可以进行精确的成本计算和生产进度安排，减少在制品，加速资金周转，提高经济效益6） 不需要专用夹具采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求节省了专用夹具设计制造和存放的费用7） 大大减轻了工人的劳动强度[2]因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应 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核心技术和基础技术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     数控车床的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，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰同时机械换向器的换向能力，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，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能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交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，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，将促进先进控制算法的应用；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可能二、主要设计任务参数 车床控制精度：0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度：Vmax=5m/min。

最大加工直径为Dmax=400mm，工作台及刀架重：110㎏；最大轴 ，向力=160㎏；导轨静摩擦系数=0.2；行程=1280mm；步进电机：110BF003；步距角：0.75°；电机转动惯量：J=1.8×10-2 ㎏.cm.s-2；三、数控车床纵向进给系统传动的方案设计 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，提高配合精度数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求实现进给驱动的电机主要有三种：步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机目前，步进电机只适应用于经济型数控机床，直流伺服电机在我国正广泛使用，交流伺服电机作为比较理想的驱动元件已成为发展趋势数控机床的进给系统当采用不同的驱动元件时，其进给机构可能会有所不同电机与丝杠间的联接主要有三种形式，如图1-1所示1纵向伺服进给系统设计的基本要求数控机床的进给系统必须保证由数控装置发出的控制指令转换成速度符合要求的相应角位移或直线位移，带动运动部件运动。

根据工件加工的需要，在机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立的，也可以是联动的总之，数控机床对进给系统的要求集中在精度、稳定、和快速响应三个方面为满足这种要求，首先需要高性能的伺服驱动电动机，同时也需要高质量的机械结构与之匹配为提高进给系统机械结构性能主要采取以下措施：（1） 提高系统机械结构的传动刚度（2） 采用低而稳定的摩擦传动副 数控机床进给系统多采用刚度高摩擦因数小而稳定的滚动摩擦副，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨等3） 惯量匹配 最佳惯量匹配目的是为保证伺服驱动电机的工作性能和满足传动系统对控制指令的快速响应的要求4） 提高传动件精度 高质量的机械传动配合与高性能的伺服电动机使现代数控机床进给系统性能有了大幅度提高2、带有齿轮传动的进给运动数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求，如图1-2a）所示由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求，总存在着一定的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽量减小齿轮侧隙但这种联接形式的机械结构比较复杂图1-2 电机与丝杠间的联接形式3、经同步带轮传动的进给运动如图1-2b）所示，这种联接形式的机械结构比较简单。

同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适于低扭矩特性要求的场所安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂4、电机通过联轴器直接与丝杠联接 如图1-2c）所示，此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中，普遍采用这种联接形式 根据进给系统的要求及设计要求，选择带有齿轮传动的进给运动，选用最佳降速比，可以提高机床的分辨率，并使系统折算到驱动轴上的惯量减少；尽量消除传动间隙，减少反向死区误差，提高位移精度等四、运动设计 1、降速比计算功率步进电动机型号为110BF003，其主要技术参数为最大静转矩为7.84,步距角0.75°,电机转动惯量：J=1.8×10-2 ㎏.m2；快速空载启动时电动机转速进给传动链的脉冲当量.选滚珠丝杠的螺距为12mm.由式中 。