微型数控铣床工作台进给系统设计

微型数控铣床工作台进给系统设计 1摘要数控铣床是先进制造技术的关键组成部分，也是重要的数控装备设备。微型数控铣床的研究开发对于在教学活动中学生实地应用能力的培养及研究活动中对数控铣床的进一步拓展都具有极其重要的现实意义。在本文中，设计了一台微型数控铣床的工作台进给系统，整体尺寸为 330300400mm，主要对驱动部件步进电机进行了选型与计算，对两个进给方向上的滚珠丝杠副进行了设计，并对其进行了传动精度的计算、抗压振动和扭转振动固有频率的验算，选择了直线导轨和套筒联轴器，及对其他主要部件进行了设计计算。关键词：数控铣床，工作台，进给系统，滚珠丝杠, 直线导轨微型数控铣床工作台进给系统设计 2AbstractAs the major NC equipment, NC milling machine is the key part of the advanced manufacturing technology. The researching and developing of micro NC milling machine could help cultivating students ability of working and father widening the design of NC milling machine. The author has designed the workbench feeding system of a micro NC milling machine: 330300400mm. The full text includes: the lectotyping and calculating of stepping motor-drive part, the design of two ball screws in two feeding direction and the checking calculating of their drive precision and natural frequency of vibration in resistance to compression and twisting, the selecting of linear lead rail and coupler and the design of other major units.Key words: NC milling machine, workbench, feeding system, ball screw, linear lead rail微型数控铣床工作台进给系统设计 3目 录1 前言11.1 课题研究的目的和意义11.2 文献综述21.3 设计方案及内容82 总体设计 102.1 铣床的尺寸及选材 102.2 总体设计 103 X 方向进给系统的设计计算163.1 步进电机的选择163.2 X 方向滚珠丝杠副的设计计算183.3 滚珠丝杠支撑专用轴承的选用243.4 滚珠丝杠的精度计算253.5 Z 轴导轨的选择263.6 联轴器的选择304 Y 方向进给系统的设计和计算314.1 传动精度计算314.2 丝杠抗压振动和扭转振动固有频率验算315 其它部件的设计335.1 基座335.2 连接基座335.3 工作台345.4 轴承端盖345.5 床身结构366 机床的安装与维护376.1 安装顺序376.2 保证安装精度377 设计小结38参考文献39微型数控铣床工作台进给系统设计 4致谢411 前言1.1 课题研究的目的和意义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，它是集传统的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术，网络通信技术和光机电技术等于一体的现代制造业的基础技术，具有高精度、效率、柔性、动化等特点，它可保证产品达到高的加工精度和稳定的加工质量，操作过程易于实现自动化，生产效率高，生产准备周期短，可以节省专用工艺设备；特别是在适应机械产品迅速更新换代、小批量、多品种生产方面，各类数控设备、加工中心、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)是数控技术发展的必然趋势。对制造业实现柔性自动化、集成化和智能化起着举足轻重的作用。数控装备则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。数控技术是制造自动化的关键基础，是现代制造装备的灵魂核心，是国家工业和国防工业现代化的重要手段，关系到国家战略地位，体现国家综合国力水平，其水平的高低和数控装备的拥有量的多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志 12。目前的数控系统是采用计算机控制，预先编程然后利用控制程序实现对设备的控制功能。由于计算机软件的辅助功能替代了早期使用纯硬件电路组成的数控装置，使得输入数据的存储、处理、判断、运算等功能均由现场可编辑的软件来完成，这样极大的增强了机械制造的灵活性，提高设备的工作效率。总的说来可将其特点概括为以下几个方面：(1)能方便地改变加工工艺参数，因而利于换批加工和新产品的研制。(2)可实现一次装夹工件完成多道工序的加工，从而能确保加工精度和减少辅助时间。(3)能高质量的完成普通机床难以完成的复杂零件和零件曲面形状的加工。(4)采用模块化的标准工具，既减少了换刀和安装时间，又提高了工具标准化的程度和工具的管理水平。当然，随着微处理器的发展以及现代 SOPC 技术的发展，无论从机械加工的生产技术发展还是从机械设备的维修检测以及集成程度的层次上，都势必有极大程度的提高 3。现在的大多数关于数控机床的设计研究都是围绕龙门铣床等大型数控机床的，这些研究基本都是基于现实生产实践的需要。由于这些大型的数控机床占地面积大，专微型数控铣床工作台进给系统设计 5用性很强，很难进行进一步地拓展，而且大型的数控机床主要用于大中型的工业厂家，这些机床的购买维护均是花费巨大，也不适合用于教学研究中。因此，微型的数控机床的研发就具有了其特有必要性。微型数控铣床占地面积小，耗资少，便于在教学研究中使用，可采用开放性系统控制，进一步的开发拓展性强等优点。工作台是用来直接或通过夹具装夹工件，并能按过程的要求改变工件工位或实现进给和快速移动的工作部件。工作台进给系统是数控铣床的重要部分，能否设计生产出微型数控铣床，从根本上来说取决于其工作台进给系统的尺寸大小。而目前，有很多人针对大型的加工中心、高速数控铣床等的工作台进给部分进行设计，因此本文针对微型数控铣床的工作台系统进行设计研究，这对于进行微型数控铣床的研究设计是具有极其重要的实用意义的。1.2 文献综述1.2.1 数控技术及微型数控技术的研究发展机床自 18 世纪末出现以来，其加工精度和自动化程度不断提高，然而，在减小其尺寸方面的努力却很少。微型机床和微型工厂是 Dutta 等在 1970 年首次提到的，当时只是作为他们采用硅微细加工制作徽电机的一种应用。随着微机械技术的兴起和整个世界日益严重的能源和环境问题，使得生产系统中对微型化设备和系统的需求日益迫切 34。一方面，微机械技术经过多年的研究开发，已迅速发展成为具有多学科交叉性质的前沿研究领域。在工农业、国防、航空航天、生物医学和家庭等诸多领域有着广阔的应用前景。微型机械正逐步走向实用化，这对微小型零件结构的复杂程度、材料的多样性，形状精度 表面粗糙良等均提出了越来越高的要求。传统精密机械加工技术面向三维形状，对加工对象的材料适应性强。而且目前精密机械、电子、光学等领域有大量的精密微小型零件都是采用传统精密机械加工工艺和精密机床制作的。以半导体制造技术为基础的微机械加工技术与传统的精密加工技术之间，尚存在二者结合的“中间部分”。而填补 “中间部分 ”的技术可以由传统精密加工方法如切削、磨削、电火花加工等延伸而来。因而近年来，人们已经开始探索这类用于产品微小型化的有效技术方法，称为 M (micro/meso mechanical manufacturing)技术，而且注意到，如果设备小型化到与被加工零件尺寸相称的程度，并能够达到与现有精密加工技术同样的结果，那么成本将大幅降低。再者，由于航空航天、电子、医疗、模具等行业和部门，有许多微小型零件采用传统机床无法加工或加工困难。尤其在狭小空间内作业、移动作业、微重力、真空等特殊环境下必颁由小型或微型机械设备来实现 5。另一方面，精密机械、电子、光学等领域的零件变得越来越小 在传统工厂的生产系统中，即使最终的产品很小，生产设备与其所加工、装配和调整的零件尺寸相比还微型数控铣床工作台进给系统设计 6是很大。而生产设备及车间的动力和材料消耗近似地与其体积成正比，因此配置与其所加工零件尺寸不相称的大机床和厂房，浪费了能源、空间和资源 6。因此，人们开始考虑微小型零件制造设备及生产系统的微型化以期可以节省能源、空间和资源。1.2.2 开放式数控系统的发展机械制造自动化从过去的刚性自动化生产线、CNC机床发展到当前的柔性制造系统(FMS)与CIMS，标志着机械制造自动化水平进入了一个崭新的柔性自动化、集成化制造阶段。但由于传统的CNC系统专用性太强，不便维护与发展，在很大程度上制约了FMS 与CIMS技术的进一步发展。随着计算机控制技术和先进制造技术的发展，人们逐渐认识到专用CNC 系统所带来的弊病，迫切需要具有配置灵活、功能扩展简便、基于统一的规范和易于实现统一管理的开放式系统。1987年，美国提出了下一代控制器计划NGC 和开放式系统体系结构标准SOSAS，首次提出了开放式体系结构控制器的概念。经过多年的发展，开放性一词已经深入人心，并且体现在相关产品中。开放式数控系统成为CNC 发展的潮流 7。近些年来，随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术、通信技术及计算机技术等支撑技术的快速发展，交流伺服控制技术的发展得以极大的迈进，开放式的结构体系也取得了很大的进步。主要表现在以下几个方面：(1) 模块化集成化(2) 开放式网络化(3) 智能化(4) 柔性化软件化高度的集成化、小型化、智能化是未来控制系统的走向，随着各功能模块的高度集成化、智能化，以及计算机技术、通信技术、微电子技术的进一步发展，未来的控制系统必将把数据的采集、处理、伺服驱动、执行单元、反馈单元等都集成在一起，形成一个完整的系统，基本上是一台机器人。但由于对标准化还缺少统一的认识，现有的软硬件科学的发展还不够完备，因此，开放式数控系统的彻底实现还有很长的路要走 8。1.2.3 步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”) 。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量。从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点。广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB) 和单相式步进电机等 9。微型数控铣床工作台进给系统设计 7永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5或 15；反应式步进电机一般为三相。可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8而五相步进角一般为 0.72。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。步进电机的一些基本参数：电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9/1.8(表示半步工作时为 0.9、整步工作时为 1.8)，这个步距角可以称之为“ 电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数”将变得没有意义。用户只需在驱动器上改变细分数。就可以改变步距角。保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2Nm 的步进电机。在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2Nm 的步进电机。步进电机的一些特点：(1) 一般步进电机的精度为步进角的 3%5% ，且不累积。(2) 步进电机外表允许的最高温度。(3) 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步。因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在 130以上。有的甚至高达 20以上。所以步进电机外表温度在8090完全正常。(4) 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。(5) 当步进电机转动时。电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势：频率越高。反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，从而导致微型数控铣床工作台进给系统设计 8力矩下降。(6) 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速) 。(7) 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用 101112。1.2.4 滚珠丝杠副 12滚珠丝杠螺母副(以下简称为滚珠丝杠副)是一种新的传动机构。具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间元件的传动机构称为滚珠丝杠副。因 1.2 所示为滚珠丝杠副的示意图。在丝杠 a 和螺母 b 上都制有圆螺旋槽，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道，在滚道内装有许多滚珠 c。当丝杠 a 回转时，滚珠 c 相对于螺母 b 上的滚道按箭头 d 方向滚动。因此，丝杠 a 与螺母 b 之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母 b 中掉出来，在螺母 b 的螺旋槽两端应有挡珠器挡住，并有回路管道 f 使它的两端连接起来，使滚珠 c 从螺旋槽的一端 e 滚出螺母体后，沿着这个回响管道 f重新返回到滚道的另一端 g，以进行循环不断的流动。图 1.1 滚珠丝杠副的示意图滚珠丝杠副首先在汽车的转向机构中应用。以后应用于航空工业中，例如飞机襟翼和起落架的收放机构都采用滚珠丝杠副。数控机床出现后就采用滚珠丝杠副，并公认为是一种精密而又省力的运动转换装置。现在它的用途越来越广，无论是在宇宙飞行和航空工业、机床工业、天文及测量仪器工业、石油钻探工业以及橡胶轮胎工业等微型数控铣床工作台进给系统设计 9都广泛地采用了这种滚珠丝杠副。(1) 滚珠丝杠副的特点由于滚珠丝杠副中是滚动摩擦，它具有以下特点： 传动效率高，摩擦损失小由参考文献13 ，知道丝杠螺母副的传动效率为(1-1)(tg式中 螺旋线升角；摩擦角 (非常小，对于滚珠丝杠约为 10左右)滚珠丝杠副的传动效率 0.910.96，而一般的常规(滑动)丝杠螺母副 0.200.40。故该珠丝杠副的传动效率比常规丝杠螺母副提高了 34 倍。因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的 1/41/3。给予适当的预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙适当预紧后的滚珠丝杠副，可消除螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区精度高。与常规丝杠螺母副相比有较高的轴向刚度。运动平稳，无爬行现象传动精度高。滚珠丝杠副基本是滚动摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力约大小几乎与运动速度完全无关。这样就可以保证运动的平稳性而不易出现爬行现象，故传动精度高。有可逆性由于滚珠丝杠副摩擦损失小，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，即丝杠和螺母都可作为主动件也可作为从动件。磨损小，使用寿命长因为滚动摩擦的摩擦系数小，磨损亦小，故寿命长。制造工艺复杂滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值要求低，例如丝杠和螺母上的螺旋槽滚道，一般都要求磨削成型，故制造成本高。不能自锁特别是垂直安装的丝杠由于自身质量的惯性力的作用，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故常需要添加制动装置。(2) 滚珠循环方式目前国内常用的滚珠循环方式，可分为两大类。 外循环(图 1.2)滚珠在循环过程中与丝杠脱离接触的称为外循环。这咱滚珠丝杠螺母副，它直接在螺母的外圆上铣出螺旋槽，把挡珠器从螺母内部装入后，挡珠器的舌头就切断螺纹滚道，挡住滚珠的去路，迫使滚珠导入通向螺旋槽的孔中而构成循环。外循环的结构微型数控铣床工作台进给系统设计 10制造比较容易，因为应用较广。它可以制成单列的或双列的两种结构形式。其缺点是该道接缝处很难做得平滑。影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。图 1.2 外循环的滚珠丝杠 内循环(图 1.3)内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种型式。在圆柱凸键反向器中，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽原因住外因面及其上端的凸键定位，以保证对准螺纹该道方向。在腰形嵌块式反向器(亦称扁圆镶块反向器)中，反向器为一半圆头平键形镶块。镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向榴，用镶块外面定位。两种反向器比较后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向和轴向尺寸，但这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求都较高。内循环反向器和外循环反向器相比，其结构紧凑，定位可靠，刚性好，且不易磨损，返回滚道短，不易发生滚珠堵塞，摩擦损失也小。其缺点是反向器结构复杂，制造困难，且不能用于多头螺纹传动。图 1.3 内循环的滚珠丝杠(3) 滚珠丝杠的主要技术参数滚珠丝杠副的主要技术包括：螺距 、名义直径 和丝杠长度 ，滚珠直径 ，t0D0L0d滚珠的工作圈数 j、列数 k，工作滚珠总数 n 及螺母长度 。这些参数均与滚珠丝杠螺l母副的能力、精度要求、传动效率和结构要求有关。微型数控铣床工作台进给系统设计 11 螺距 t根据机床的传动要求和负载大小来确定。就机床传动要求来说，通常希望取小些，这样在一定的轴向力作用下，其摩擦力距较小。但在同一丝杠名义直径 下，若 小，0Dt则螺旋升角 随之也小，使传动效率较低；另外， 小时，滚珠直径必然减小。这对丝t杠承载能力是不利的。故一般就根据丝杠的承载能力和刚度要求，首先定出 ,然后在0满足机床传动要求的条件下，将取得尽量大些。常用的螺距为 4,5，6,8，10,12mm。t名义直径 和丝杠长度0D0L丝杠的名义直径 是指滚珠中心圆的直径。 越大，丝杠的承载能力和风度越0D大。数控机床常用的进丝杠，其 20100mm。按一般机床的使用要求，就 50 大0于丝杠长度 的 (J 级精度丝杠) (B 级精度丝杠)。0L31351丝杠长度 是指丝杠两端轴承支承点之间的距离，为了保证结构的稳定性，在可能情况下， 值应尽量小。0滚珠直径 d滚珠直径 是按轴承厂制造的滚珠大小选定。有公制和英制两种。当螺距确定后，0过大，会使螺纹的抗剪切和抗弯曲能力降低。一般取 。且要符合滚珠标准0d td6.0系列尺寸。滚珠的工作圈数 j,列数 K 和工作滚珠总数 n滚珠循环方式及其结构的重要特性之一是保证滚珠的流畅性，因此不宜使工作滚珠总数 n 过多。对于单列循环(K1)， 50；在滚珠的工作圈数安排上不要超过三圈半。根据某厂试验结果知：每一列循环中，第一圈滚珠约承受总载荷的 50%，第二圈约承受 30%，第三圈约承受 20%。因此，圈数过多并不能起到加大承载的作用，反而增大了轴向尺寸。若工作圈数必须超过三圈半时，则应制成双列或三列。既使工作圈数在三圈心内，如果需要，也可做成双列或三列。在内循环滚珠丝杠中，多是单圈成一列；列数最多为四列。在外循环滚珠丝杠中，因每列中就有几圈，故最多为三列。但工作滚珠总数 n 也不能太少。n 太少，将使单个滚珠上的负载过大，而影响使用寿命。螺母长度 0l为增加丝杠的有效使用长度，应尽量缩短螺母长度 。0l微型数控铣床工作台进给系统设计 12图 1.4 滚珠丝杠螺母副的部分组成和名称1-滚珠丝杠；2-滚珠l0-螺纹全长；d 1-滚珠丝杠螺纹外径；d 2-滚珠丝杠螺纹底径； Dpw-节圆直径；t-导程1.3 设计方案及内容计划设计的微型数控铣床将设计为立式铣床结构，铣床由工作台、立柱、主轴组件三个主要部分和一些附件组成：工作台由X、Y方向的进给运动带动在水平的平面上进行运动，主轴组件由Z方向的进给运动带动在竖直方向进行运动。为了精简结构，本方案省去一般铣床所具有的自动换刀装置，采用人工手动的方法进行微型数控数控铣床的换刀。微型数控铣床的传动系统方案如图1.1所示。将采用开放式数控系统，通过步进电机为进给运动提供动力源，这样微型数控铣床将具有成本低、较易实现的优点。在进给系统中，将采用步进电机，并不采用减速结构，以减化机床的结构并减小机床尺寸。微型数控铣床工作台进给系统设计 13图1.5 微型数控铣床传动系统方案图微型数控铣床工作台进给系统设计 142 总体设计2.1 铣床的尺寸及选材初步确定铣床的尺寸要求为：X 轴方向移动的工作台尺寸，长 宽高为28016010mm，重量约为 450N；Y 轴方向移动的工作台尺寸，长宽高为30028010mm，重量约为 362N；铣削工作台面固定在 X 轴方向上，长宽高为16016010mm ；XY 工作台总重量（包括夹具及工件）不超过 900N。微型数控铣床的其余主要设计参数如下：X 轴行程： 80mmY 轴行程： 70mmZ 轴行程： 50mmX/Y 轴快速进给： 1500mm/minZ 轴快速进给： 800mm/min切削进给速度： 800mm/min最大载重量： 5Kg主轴最高转速： 3000rpm定位精度： 0.01mm机床外形尺寸： 330300400mm机床净重： 1000kg设定工件材料为 40Gr,调质，铣削深度为 4 mm。刀具数据为刀具材料高速钢，立铣刀，直径 20 mm，刀齿数 4，每齿铣削厚度 0.05mm/Z.滚珠丝杠螺母副螺距 4 mm，螺纹升角 403。2.2 总体设计2.2.1数控机床的结构所设计的微型数控机床的结构由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主机五个部分组成，其组成框图如 2.1 所示。各个部分具体分述如下：(1) 控制介质数控机床加工时，所需的各种控制信息要靠某种中间载体携带和传输，这种载体就称作“控制介质 ”。控制介质时存储数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工件位置信息的媒介物，它记载着零件的加工程序。控制介质有多种，如穿孔带、穿孔卡、磁带及磁盘等，也可通过通信接口直接输微型数控铣床工作台进给系统设计 15入所需各种信息，采用何种取决于数控装置的类型。控制介质上记载的加工信息要经输入装置输送给数控装置。常用的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机和磁盘驱动器等。对于用微机控制的数控机床，也可用操作面板上的按钮和键盘将加工程序直接用键盘输入，并在CRT显示器上显示。(2) 数控装置数控装置是数控机床的核心，是高技术密集型产品。它集成了微电子技术、信息技术、自动控制技术、驱动技术、监控检测技术、软件工程技术和机械加工工艺知识。数控机床正是在它的控制下，按照结定的程序自动地对机械零件进行加工。自 50 年代数控机床问世以来，数控装置已由 NC 发展到 CNC(Computer Numerical Control即计算机数控) 。特别是微处理机和微型计算机(Micro Computer Numerical Control(MNC)微机数控)在数控装置上成功地应用后，使计算机数控装置的性能和可靠性不断提高，成本不断下降，其商姓能价格比促进了数控机床的迅速发展。CNC 装置由硬件和软件组成。CNC 的硬件为一专用计算机，由软件来实现部分或全部数控功能，通过改变软件很容易更改或扩展其功能。(3) 伺服系统机床伺服系统是数控装置与机床的联接环节它是以机床移动部件(工作合)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它接受数控装置(或计算机)插补生成的进给脉冲或进结位移量，驱动机床执行机构的运动部件。它包括主轴驱动单元(主要是速度控制)、进给驱动单元( 主要是速度控制和位置控制)、主轴电机和进给电机等。一般来说，数控机床的伺服系统要求有良好的快速响应性能，进结速度范围要大，灵敏而准确地跟踪指令功能和转速，在较大范围内有良好的工作稳定性。现在常用的是直流伺服系统和交流伺服系统且交流伺服系统正在取代直流伺服系统。(4) 测量反馈装置该装置可以包括在伺服系统中。它由检测元件和相应的电路组成，其作用主要是检测速度和位移，并将信息反馈回控制系统，构成闭环控制。无测量反馈装置的系统称为开环系统。常用的测量元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺及激光位移检测系统等。(5) 机床主机数控机床的本体及机械部件包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台、刀架、及其传动部件和床身立柱等支承部件，此外还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。数控析本体和机械部件的结构，其设计方法基本同普通机床，只是在精度、刚度、抗振性等方面要求更高，尤其是要求相对运动表面的摩擦系数要小，传动部件之间的间隙要小，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制 1011。主机是本次设计的微型数控铣床的主体，包括床身、箱体、导轨、主轴、进给机微型数控铣床工作台进给系统设计 16构等机械部件。数控机床主机的结构有下面几个特点：由于将采用高性能的主轴，简化了数控机床的机械传动结构，传动链较短；数控机床的机械结构具有较高的动态特性，动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能适应连续自动化加工。较多的采用高效传动件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨、静压导轨等。此外，为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些配套部件(如冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置)和附属设备(程编机和对刀仪等等)。图 2.1 数控机床的组成2.2.2 数控机床的总体设计微型数控铣床的总体设计内容包括：系统设计、逻辑设计、机床主机的结构设计。数控机床的功能和设计与普通机床有着很大差异。对于数控机床的结构设计要求可归纳为如下几个方面：(1)具有大的切削功率，高的静、动态刚度和良好的抗振性能；(2)具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；(3)具有实现辅助操作自动化的结构部件。本次设计所要求设计的部分为微型数控铣床工作台进给系统，所需设计部分如下图所示。控 制介 质数 控装 置伺 服系 统机 床测 量装 置微型数控铣床工作台进给系统设计 17数控铣床工作台进给系统计算参数导轨副的设计计算丝杠副的设计计算电机的选型与计算图 2.2 数控铣床工作台进给系统技术路线图在本设计中，微型数控铣床的工作台部分包括了 X 方向进给和 Y 方向进给两个部分。出于设计结构的简化考量，现拟定在两个方向上的传动均是由步进电机带动丝杠旋转，从而使丝杠螺母做直线运动来带动工作台的直线运动。传统的设计上 Y 方向采用丝杠带动丝杠螺母做直线运动从而带动 X 方向进给系统整个在 Y 方向上做直线运动，而在 X 方向上是直接将丝杠与工作台连接，丝杠螺母与 Y 方向的连接基座固定，其运动是丝杠在步进电机的带动下边做周向旋转，边做沿 X 方向的直线运动，来直接带动工作台在 X 方向上做直线运动。本设计中采用的传动方式简化了进给系统的结构。具体传动结构设计如下图 2.3 和图 2.4 所示。微型数控铣床工作台进给系统设计 18图 2.3 X 方向进给系统1-X 向步进电机；2- 联轴器；3- X 向滚珠丝杠；4- X 向滑块； 5-连接基座；6- X 向丝杠螺母；7-导轨；8-工作台图 2.3 为所设计微型数控铣床的 X 方向进给系统，其工作原理为： X 方向的步进电机通过联轴器 2 直接与 X 向滚珠丝杠 3 联接，传动比为 1:1，滑动直线导轨 7 固定在Y 方向的台面上，滑块 4 固定在连接基座 5 上，并将工作台 8 与连接基座 5 连接。于是步进电机 1 带动丝杠 3 做周向旋转，与之相配合的 X 向丝杠螺母 6 即在 3 的旋转带动下在 X 方向上做直线运动，并随着步进电机转轴转动方向的变化在 X 方向上可以做往复运动。微型数控铣床工作台进给系统设计 19图 2.4 Y 方向进给系统1-Y 向步进电机；2- 联轴器；3-角接触轴承；4- Y 向丝杠； 5-滑块；6- 导轨；7- 丝杠螺母；8-轴承端盖；9-密封圈；10-轴承端盖图 2.4 所示为所设计微型数控铣床工作台进给系统的 Y 方向进给系统，其工作原理与 X 方向进给系统所采用的相似，结构设计也相似，只是尺寸大小上的不同。步进电机 1 通过特殊设计的基座定位在 Y 方向的台面上，丝杠的左右两端分别用角接触轴承来进行支撑。两个角接触轴承均安装在轴承座中。左端的角接触轴承通过轴肩和轴承端盖固定内圈和外圈，并采用了密封圈 9 来避免外部灰尘进入轴承内圈，保证了轴承的工作寿命。右端的角接触轴承也是利用轴肩和轴承端盖来分别固定内圈和外圈，不同的是，由于右端的轴承端盖是密封的，则不再采用密封圈。微型数控铣床工作台进给系统设计 203 X 方向进给系统的设计计算3.1 步进电机的选择 15 19为了简化电机的选择，此处选择的电机与 Z 轴方向一致。假设选择电机的步距角为 1.8，此处为了精简机床的体积，设计的传动过程没有减速齿轮，即传动比 i 为 1。则由公式得脉冲当量 为：(3-1)360t脉 冲/025.7/45.1m式中： 步进电机步距角（）系统的脉冲当量（mm/脉冲）i减速齿轮的传动比t滚珠丝杠的螺距（mm）铣削力与工件材料的硬度、进刀量和孔径有关。查有关机械手册文献的公式可得铣削力公式为：(3-2)zapdfaeCPX 86.072.086.0式中：C 立铣刀系数值ae 铣刀的侧吃刀量f 铣刀的每齿进给量ap 铣刀的背吃刀量do 铣刀的外径z 铣刀的齿数上式(3-2)中，工件材料为碳刚，所以立铣刀系数值 C 为 669。所以有铣削圆周力：4205.16986.7.86.00 XP=66910.2670.11570.07644=966.4NX 向丝杠牵引力：(3-3)XGfP41.0式中：f当量摩擦系数，取 0.01;GX工件及工作台重量。则由(3-3)式有：微型数控铣床工作台进给系统设计 21丝杠牵引力 =974.8N601.4.96XP传动效率：)(tg (3-4)式中：为摩擦角，取 10；为丝杠螺纹升角（ ） 。由(3-4)式有：传动效率96.0)1034(/tgt电机轴负载力矩： 2)(3GzPpT(3-5)式中：导轨摩擦系数，取 0.1；步进电机步距角。由(3-5)式有：电机轴负载力矩 T =360.01(974.8+0.1600)/(21.50.96)=0.4662(Nm)若不考虑启动时的运动部件惯性的影响则启动力矩： 5.03Tq(3-6)取安全系数为 0.3。由(3-6)式有：启动力矩 3.0/462.=0.1554 (Nm)对于工作方式为两相四拍的步进电机最大启动力矩： Tqmax(3-7)由(3-7)式有： )(1597.0axNmqT步进电机的最高工作频率 pVf60a(3-8)式中：Vmax X 轴快速进给速度（m/min） 。微型数控铣床工作台进给系统设计 22由(3-8)式有：步进电机的最高工作频率 )(3.1)0.6/(8.10Hzf 为了使步进电机正常运行（不失步，不越步） ，正常启动并满足对转矩的要求，电机的最大静转矩（步进电机技术数据）必须大于电机实际最大启动力矩。电机的运行频率（步进电机的技术数据）必须高于电机实际最高工作频率。根据以上所述的步进电机的选择原则和以上计算数据，查技术手册可得所设计步进电机的型号为42BYGH250B。表 3.1 中即为该步进电机的参数。表 3.1 42BYGH250B 步进电机参数相数 电压/V 电流/A 电阻/ 电感/mH 保持转矩 /NM型号2 8 0.8 10 17 0.32定位转矩/Kgcm转动惯量/gcm2机身长/mm运动步距角运行矩频特性/ NM/Hz驱动器42BYGH250B0.15 57 40 1.8o 0.29/300 0.27/1200 2HB504MA步距角精度 5.4%轴向间隙 0.10.3mm 径向跳动 0.02mmMax 绝缘电阻 500V DC 100M Min绝缘强度 500V AC 50Hz 1Ma Minute环境温度 -25 +55 温升 75K Max 绝缘等级 B 3.2 X 方向滚珠丝杠副的设计计算 17182022为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求，必须合理选择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。计算参数：工作台重量 W1=450N工作台最大承重 W2=5kg=49N工作台 X 向最大行程 80mmX 向快速进给速度 微型数控铣床工作台进给系统设计 23Vxmax=1500mm/min定位精度 0.01mm重复定位精度 0.005mm表 3.2 给出了工作台的切削状况，以此为前提进行传动部件的设计。表 3.2 切削状况切削状况切削方式 纵向切削力(N) 垂向切削力(N) 进给速度(mm/min) 工作时间百分比强力切削 700 400 150 5一般切削 400 150 240 30精切削 150 40 300 55快速进给 0 0 1500 10图 1.4 中给出了滚珠丝杠副的结构组成和尺寸。滚珠丝杠螺母副常用的循环方式有两种：滚珠再循环过程中有时与丝杠脱离的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。本设计的滚珠丝杠螺母副采用内循环。滚珠丝杠的结构如图 3.1 所示。图 3.1 滚珠丝杠结构图3.2.1 确定滚珠丝杠的导程 t:根据机床传动要求、负载大小和传动效率等因素综合考虑确定导程 t。先按机床传动要求确定，其公式为:(3-9)maxaxinVt式中：V xmaxX 向快速进给速度， mm/min；i传动比，因电机与滚珠丝杠副直接联接， i 取 1；nxmax驱动电机最高转速，r/min。由式 t150导程 tx 应取较大的值，选 t 为 4mm。3.2.2 滚珠丝杠副的载荷及转速计算微型数控铣床工作台进给系统设计 24(1)工作载荷 F工作载荷 F 是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力，其数值可用下列进给作用力的实验公式计算：对于滚动导轨机床： fxi(3-10)式中： FxiX 方向上的切削分力， N；Ff导轨摩擦阻力，N。 )(21zif FWF(3-11)式中： FziZ 方向上的切削分力，N；摩擦系数，对滚动导轨取 0.0030.004。在各种切削方式下，丝杠轴向载荷：F1=700+0.004(450+49+400)=703.596NF2=400+0.004(450+49+150)=402.596NF3=150+0.004(450+49+40)=152.156NF4=0.004(450+49)=1.996N(2)最小载荷 Fmin最小载荷 Fmin 为数控机床空载时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。此时，Fx=Fy