经济型中挡精度数控机床横向进给设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 摘要 此设计是 经济型中档精度数控车床横向进给系统 。面对我国目前机床数量少、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工业落后的面貌。而数控车床（及其系统）已经成为现代机器制造业中不可缺少的组成部分。所以，实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控机床。 进给系统是由伺服电机经滚珠丝杠拖动工作台来完成的所以设计涉及伺服电机的选择，滚珠丝杠设计等。目前绝大部分的机床的横向进给均是采用滚珠丝杠来传递运动的，传动的精确性主要取决于丝杠支承形式，丝杠与伺服电机的联接方式。 在设计中充分考虑 到这两个问题 ，并且， 设计精度须达原始数据。 关键 词 ：滚珠丝杠 伺服电机 横向 进给 控机床横向进给设计 . 2 is of of In to of in is of is at is to in an in to is to of is by up of of so of is by of on of of to be of in 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 目 录 0 引言 1 1 国内外发展概况及现状介绍 2 2 总体方案论证 4 2 择传动系统 4 2 . 2 选择传动装置 5 3 具体设计说明 6 向进给滚珠丝杠副的设计选择 6 3 . 1 . 1 确定滚珠丝杠的支承方式 6 3 . 1 . 2 滚珠丝杠副额定载荷 7 珠丝杠副主要参数的确定 8 珠丝杠与伺服电动机的联接 12 服电机型号选择 15 给电机功率的确定 15 服电机型号 15 3 . 2 . 3 同步带轮的选择 15 4 结论 17 5 参考文献 18 6 设计工作小节 19 7 附件清单 20 数控机床横向进给设计 . 4 0、 绪论 本设计课题为：经济型数控车床横向进给系统设计 。因为我们没有精良的加工工具或者是自动化系数等各方面远远的不及西欧等国 家。所以我国的机械制造业与他们的有着很大的差距的原因，。制造业是关系到国际民生的大事，是富民强国的必要因素，我国要有更好的发展，必须形成我们自己富有特色的现代化制造体系。 随着时代的发展，科技的日新月异，数控技术的应用范围日益扩大，数控机床及其系统己成为现代化机器制造业中不可缺少的组成部分。面对我国目前机床拥有量少、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度，保证加工质量，减轻劳动强度，提高经济效益。 “横向进给系统”“主传动系统”和“纵向进给系 统”被称为车床的三大核心系统，其重要地位是不言而喻了。三大系统的精确性、准确性、必将影响加工产品的性能。而实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控机床，并对原有的机床进行数控改造。而这就是我们课题的目的。 前提条件： 400m/x 轴 架 计 要求 ： 设计课题要求：横向进给运动设计时，电机与丝杠采用柔性结构，电机选用伺服电机，对电机的大小选择进行验证， 及对滚珠丝杠直径和支承形式选择进行强度较核 ，设计精度达原始数据。 本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的，该系统设计成功一旦应用到生产实践中， 将使工厂的生产的数字化水平加强，生产力水平显著提高 ，劳动强度减轻，经济效益得到提高。 根据自己三个多月来的设计过程，编写了这本设计说明书， 其中，书中肯定存在着相当的一些问题，期望领导、老师给予批评，指正。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 1、 国内外发展概况及现状介绍 从上世纪五十年代 数控技术 开始发展 到 1965 年， 数控装置从最初的电子管元件、晶体管元 件、集成电路到目前使用比较普遍的小型计算机和微处理器共经历了五代的发展。 世界主要工业国家的数控机床己进入了指生产阶段。数控机床的产量，拥有量，数控化率都在急速上升。 我国从 1958看开始研究数控机械加工技术， 60年代针对壁锥，非圆齿轮等复杂形状的工件研制出了数控壁锥铣床，数控非圆齿轮插齿机等设备，保证了加工质量，减少了废品，提高了效率，取得了良好的效果。 70 年代针对航空工业等加工复杂形状零件的急需，从 1973 年以来组织了数控机床攻关会战，经过三年努力，到 1975 年己研制出了 40 多个品种 300 多台数控机床。 经过 30 年的努力，我国数控机床和数控系统的研制也历经了第一代电子管灵敏控、第二代晶体管数控及第三代集成电路数控。从 1975年到 1979 年， 7年内累计生产数控机床4108台（其中约 3/4 以上的数控线切割机床）。进入 80年代，我国重新重视发 展数控技术，采取了暂从国外引进控制机和伺服驱动系统，为国内主机配套的方针。 1981 年，我国从日本 司引进了 列、 5 系列、 7 系列的数控系统和在直流伺服电机，直流主轴电机 技术，并在北京机床研究所建立了数控设备厂。于 1981 年底开始验收投产， 1982 年生产 约 40 套系统， 1982 年生产约 100 套系统， 1985 年生产约 400 套系统，伺服电机与主轴电机也配套生产。这些系统是外国 70 年代的水平，功能较全，可靠性能比较高，这样就使机床行业发展数控机床有了可靠的基础，使我国的主机品种与技术水平都有圈套的发展与提高。 经济型数控装置有步进电机驱动的开环数控装置、直流电机驱动的半闭环数控装置和点位式经济型数控装置三种。对于数控车床改造一般选用步电机驱动开环数控装置。选择时主要考虑以下性能： 型、用户容量、控制轴或联动轴数、设定单位、插补类型、编程尺寸及编程标准， G、 M、 S、 T、F 功能、刀补功能、间隙补偿功能及循环功能、显示方式及显示信息的形式。绝对编程、增量编程、程序输入方式以及报警、诊断等。根据需要选择相应的性能。 步进电机驱动单元的性能参数：步进电机性能参数及安装尺寸，控制箱与电机的接线型式。系统的快速度给速度、空载起动频率，静态转矩，系统升频降频时间，起动矩频特性、起动惯频特性、运行矩频特性。驱动电路的型式：高低压驱动电路、斩波驱动电路、调频调压驱动电路、细分驱动电路、电流检测型功率放大电路等。不同的电路型式、其工作性能不同，根据加工需要合理选择。 刀架控 制与驱动系统主要考虑刀架型式，如四位或八位电动刀架，或转塔六位刀架。定位精度及重复定位精度，换刀时间、刀具选择时刀架的转向、夹紧力。刀杆尺寸及装夹刀具结构型式等性能参数 。 我国己有少数产品开始进入国际市场，还有几种合作生产的数机床返销国外。目前，我国除了能独立地设计与生产数控机床横向进给设计 . 6 常规的数控机床外，还能生产五坐标数控铣床，加工中心以及柔性制造系统，如北京机床研究所开发研制的 ， 性加工单元， 立式加工中心，民明机床古物 全闭环精密加工中心，沈阳中捷友谊厂的 海第一机床厂的 一切都说明，我国的机床数控技术进入新的发展时期，预计在不远的将来会赶上或超过世界先进国家水平。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 2总体方案论证 2 1 选择动力系统 经济型的数控机床 动力 系统可分为三类 1 步进电机式 采用 步进电机驱动与定位，是开环系统，同时限于造价，不再采用其它措施补偿位置误差。由于目前功率步进电机力矩还不太大，所以机床的空选种速度较低，一般用于半精加工。这种系统具有 2插补功能，通过软件控制接口，可加工锥面， 螺纹，简单外形的曲面等十分灵活。由于性价比较恰当，一般中小型企业在技术力量和财力上都比较容易实现，因此在全国较容易推广，普及。 2 交流点位式 采用交流电机变频驱动，用光栅数字点位控制，与步进电机相比，提高了定位精度。光栅分辨率可达 复定位精度为 以加工精度较高。由于采用交流电机驱动，功率大，可进行大切屑量加工零件加工中，效果尤为显著。目前，交流点式系统只能加工柱面，不能加工曲面和螺纹功能上有限，而且成本高，使性能价格比相对下降，一般用于大企业或专业化工厂使用，国内用的很少。 3半闭环连续控制式 采用直流伺服电机驱动，以脉冲编码器检测位置，实现半闭环连续控制。由于采用高性能直流伺服电机驱动，扭矩大，速度高，过载能力强，可进行强力切削。当丝杠螺在 6右时，快速可达 8 9m/不丢步，效率高。该系统功能齐全，还带有可编程序控制器，使强电计大大简化。 以上三种驱动方式而言，各有利弊。经过比较选择直流伺服电机驱动因为速度高，过载能力强，且拥有可编程序控制器，易学易用，在机床伺服控制系统中，步进电机人微言轻执行单元，具有控制方便可靠，价格低，且适合于开 环控制等特点，因此在简易数控机床中得到广泛的应用。但由于步进电机步距角、功率较小，存在振荡等弱点的限制，在高精大功率应用场合并不很合适，故考虑采用伺服电机控制。 动装置 数控机床半闭环进给系统中伺服电动机经齿轮副（或同步齿形带副），滚珠 数控机床横向进给设计 . 8 丝杠拖动工作台。反馈装置与电动机相联，发出反馈信号（亦可把反馈装置装在丝杠的端部）；伺服电机可直接与丝杠联接 数控机床的传动装置是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结构。包括齿轮减速机，丝杠螺母副，导轨、工作台等。在数控机床数字 调节技术仪式，传动装置是伺服系统中的一个重要环节，因此，数控机床的传动装置与普通机床中传动装置上有重要差别，故它的设计与通机床传动装置的设计不同。数控机床传动装置的设计要求除了有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好，为确保数控机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，低磨擦、低惯量、高刚度、高谐振频率心脏有适应阻尼比的要求。 设计任务 要完成的设计是 横 向进给系统的设计，一般来说此种系统的传动装置采用螺旋传动。 螺旋传动主要用来 把旋转传动变为直线运动，或把直线传动变为旋转运动。其中，有传递能量为主的传力螺旋，有以传递运动为主，并要求有较高的传动精度的传动螺旋，还有调节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之别。 在经济型数控机床的进给系统中，螺旋传动主要来实现精密的进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。 选用滚珠丝杠副传动机构，因为此种机构有如下特点： 1. 传动效率高，磨擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率为： 常规的丝杠螺母副提高了 3 4倍（滑动丝杠效率为 ,因此，功率消耗只相当于常规丝杠副的 1/4 1/3。 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。定位精度高，刚度好。 3. 有可逆性，可以从旋转运动转化为直线传动，也可以从直线传动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。 4. 磨损小，使用寿命长，精度保持性好。 3 、 具体设计说明 3 1 横 向进给滚珠丝杠副的 设计 选择： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 在一般情况下，设计滚珠丝杠时，必须知道下列条件：最大工作负载 平均工作负载 用下的使用寿命 T，丝杠的工作长度 L（或螺母的有效行程），丝杠的转速 n（平均转速 n），滚道的硬度 丝杠的运转情况，然后按下列步骤进行设计。 1、 计算作用在滚珠丝杠上的最大 动 负载 数值。 2、 从滚珠丝杠设计标准中，找出相应尺寸系列对应的最大动载荷 相近值，并初选型号。 3、 根据具体工作要求，对于结果尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求，从初选的几个型号中再挑选出比较合适的公称直径 程 珠列数 k、滚珠圈数 j 等确定某一型号。 4、 根据所选出的型号，列出（或算出）其主要参数的数值 ； 验算其刚度及稳定性系数是 否满足要求。若不满足要求，则需要另选其它型号，再做上述的计算和验算直至满足要求为止。 3 1 1 确定滚珠丝杠的支承方式： 一、 滚珠丝杠常用的支承方式见下图。 图 a 为一端轴向固定一端自由，常用于短丝杠和竖直安装的丝杠。图为一端固定一端简支，常用于较长的卧式安装丝杠。图 c 为两端固定，常用于长丝杠或高转速、要求高速精度、高刚度的地方。这种方式还可以预拉伸。这种安装方式虽优点显著，但工艺比较困难。 滚珠丝杠都用滚动轴承支承。可用的滚动轴承种类很多。从目前情况看来，本课题可选用角接触球轴承： 数控机床横向进给设计 . 10 这种轴承可 以组配。 ( a )图为一对背靠背， ( b )图为一以面对面。都承受两个方向的载荷。由于螺母（固定在床鞍上）与丝杠（固定在床鞍上）与丝杠（固定在床身上）的同轴度难免有某些误差，希望轴承有一定的自动调心作用。面对面组配时，两接触线与轴线交点之间的距离比背靠背时小，调心较易。所以丝杠轴承面对面配用得比较多。 这种轴承是在预加载荷的条件下组配的。背靠背组配时，内圈端面各磨去 装配时压紧内圈。就可施加预加载荷。 简支端常用深沟球轴承，不预紧。 本课题设计采用的是 角接触球轴承，原因在于： 纵向的力，又要承受横向进给力， 考虑到系统受力情况； 2. 为了保证加工精度，横向进给系统的运动轨迹范围决定了采用角接触球轴承。 珠丝杠副 额定载荷 ： （ 1）额定动载荷 在一组有相同参数的滚珠死杠副中，把 90%达到 106 转而不发生疲劳剥伤 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 所能承受的纯轴向载荷称为额定动载，以 示。 （ 2）额定静载荷 在滚珠丝杠副静止（或转速 10r/态下，承受最大接触应力的 滚珠和滚道接触面的塑性变形量只和为滚珠直径 时的轴向载荷，称为 额定静载荷，以 示。 珠丝杠幅主要参数的确定： （ 1）按预期寿命 轴向载荷 行选择： a)3 106 （转） 1 （ 3 一般情况下， 以用平均载荷 以代替： F 1 （ 3 式中； 预期设计寿命， 最大轴向载荷， 最小轴向载荷。 对于机床 常取 0 106 （转） 则： 20 1 （ 3 本课题设计的要求，系统最大进给力为 2750N，横向进给为一半即1375N，所以得： 80N（经验值） 5%238N 所以 2381375 =： 2)按承受的最大轴向力 定参数计算静负荷 F 控机床横向进给设计 . 12 即 2 680=；丝杠的额定动载荷 杠的额定静载荷 择 ： 代号为 2005的滚珠丝杠 ， 其基本直径 20径 本导程 5 （ 1）最大轴向压缩载荷 F 滚珠丝杠受压力作用后，在弹性范围内的临界稳定载荷 下式计算： 4)( 4 （ 3 式中： m=20 104 （ N/ 公称直径（ . 则： 平安置时 ny=4 n 许用稳定安全系数 244 0 )1 7 020 F 即 2). 极限转速的计算为使丝杠副在高速运转时不发生共振现象，应对其极限转速进行核算。当丝杠发生共振时转速称为临界转速，以 21 m ()(1026 4 （ 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 式中： 0K=限转速 n c=121m 0 2 rmi n/ （ 3）滚珠丝杠副的预加副载 为了消除螺母间隙，提高滚珠丝杠副的刚性，与定位精度，在丝杠和螺母 间施加预加载荷 预加载荷大小为： 229N4 （ 3 （ 4） 滚珠丝杠副的刚度 滚珠丝杠副的刚度 K： 式中： K 为滚珠丝杠副的刚度； K j 为滚珠的轴向接触刚度； 螺母的安装刚度； 丝杠轴的安装刚度 1 当有预加负荷 ， 表示： )/(* 2 4 （ 3 式中： F 为轴向工作载荷（ N） 滚珠直径，（ Z Z 圈数列数 Z 为一圈滚珠数 内循环 Z =d0/ 5)粒 210为滚子数 25 2 1 01 7 （ 103 N/ m 数控机床横向进给设计 . 14 2 、螺母支撑刚度 )/(10 8 5 （ 3 其中： A 为螺母横截面积 E 105 A 103 ， 103 105） /（ 1000 103） 103（ N/ m） 3 、丝杠轴的支承刚性 采用图示的支承方式： 10A =(A*E)/（ 1546 108） 103（ N/ m） 10 （ 3 滚珠丝杠副的刚度 K： 因为： 所以 K=1/( )=103 （ N/ m） （ 5）驱动力矩及驱动功率 使丝杠旋转运动所需驱动力矩： F （ 2000 ） (10 （ 3 公称导程 所以 预紧力所产生的摩擦力矩 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 K810*2* （ 10 （ 3 10381025229v 驱动力矩： M =f=0 （ 3 所需功率 W95500M（ 1 （ 3 W= )( 式中： F 为轴向载荷 公称直径 为效率 3 1. 4 滚珠丝杠与伺服电动机的联接 滚珠丝可通过齿轮副或步齿形带与伺服电机相接；也可通过联轴节与伺服电动机直接联接。 为了消除丝杠与电机轴之间的同轴度和垂直误差，可用挠性联轴节或波纹管联轴节。一般为挠性联轴节。柔性片分别用螺钉和球面垫圈与两边的联轴套相联。通过柔性片传递力矩。柔性片由不锈钢制成，每片厚 种联轴节已由专门工 厂生产，其性能尺寸见机床设计手册第 3册 伺服电动机有直流和交流两类。直流伺服电动机开发较早。交流伺服电动机国外于 70 年代末期开始应用于数控机床。由于交流伺服电动机没有电刷，因此寿命长，允许的转速高，还适当宜于易燃易爆的环境中使用。交流伺服电动机发展得快，在国外已基本上取代了直流伺服电动机。在我国，交流服电动机也已采用，直流伺服电动机仍有应用仍较多。 伺服控制系统一般都是闭环或半闭环控制系统： 数控机床横向进给设计 . 16 图中给出了典型的伺服控制系统的框图。这是一个三环控制系统，外环是位置控制环，是决定系统主要性质的基 本控制环，它决定着系统的位置控制精度；速度控制环用于实现速度的调节和速度控制精度；电压控制环可实现对伺服放大器的电压控制。 半闭环控制： 半闭环控制系统不但有前向的指令控制通道，而且有检测元件输出的反馈控制通道，而检测元件是安装在丝杠轴或电机轴上的，检测同角位移后，推算出工作台的实际位移。以偏差值实现位置控制。此系统由于检测元件检测的反馈信号不包含从旋转轴到工作台之间的传动链的误差，这部分误差将不能被自动补偿。因此这种由等效反馈信号组成的控制系统为半闭环控制系统。 闭环控制： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 闭环控制与半闭环控制 其组成原理及控制方法基本相同。在闭环控制系统中，要求以工作台（或刀架）的最终控制输出作为反馈信号，即要求测量元件安装在工作台上，而不是安装在丝杠或电机轴上。但因直接测量工作台的实际位移，需配备如光栅、磁栅或感应同步器等安装和维修要求都比较高的位置检测元件，这使整个系统的价格提高。由于闭环控制能对整个系统误差进行自动补偿，因此，其精度比半闭环控制要高，精度取决于位置检测元件的测量精度。总之，这种控制方式的优点是精度高、速度快，但调试和维修比较复杂，适宜于大型和精密的数控机床。 数控机床横向进给设计 . 18 3 2. 伺服电机型号选择 ： 3 给电机功率的确定 在进给运动的速度较低的情况下，空载功率很小，计算时可以略去，进给电机的功率可根据进给的有效功率和传动件的机械效率来计算： 即： 6120*(*)11 （ 3 式中： 斤力） /分） 般可取 根据资料显示 ,列车床的最大切削主力 F=2750N 即750N 故进给力 ： 1375N s=入 (*) 式 0 413 75 3 服电机型号 考虑到进给系统的过载现象 , 选择的电机功率应该大于选择的电机功率。（根据参照 电机手册 . 南京苏强数控机电 有限公司 ） 所以， 选择型号为110型 的永磁无刷伺服电机。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 额定功率 额定转矩 额定转速 额定电流 转子惯量 机械 时间常数 电机 时间常数 1. 256103 为了保证传动精度，本设计采用同步带轮来传动。同步带轮传动不仅能够保证良好的传动精度，还能降低传动产生的噪音， 对磨损 的要求也同时符合要求。一般同步带轮有统一生产，本课题设计选用的是 慈溪恒力同步带轮有限公司生产，规格如下： 数控机床横向进给设计 . 20 4、 结论 至今为止，基本上完成了本课程的设计要求，课题的主要设计内容包括：丝杠结构设计，伺服电机与丝杠的连接形式设计、丝杠与床鞍的连接设计、丝杠的支承方式设计、 伺服电机的选择 。 进给系统运转精度、直接将导致整个机床的加工精度。因此，丝杠精度的选择，丝杠的支承如何保证轴向定位精度等关键性问题是急需解决的。由于自身的经验有限，面对这些关键性问题只能从理论上去寻求解决的方法。因此， 自己所设计的结构和运用到生产实践中仍相距甚远。 电机的选择也相当重要，对于整个进给系统的来说，要求严格。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 5、 参考文献 1 张新义 北京：机械工业出版社， 李 洪 沈阳：辽宁科学技术出版社 3 陈宏钧 ,马素敏 . 金属速查速算手册 . 北