数控机床进给系统设计

1、1品用0川机械制造装备设计给系统设计系别：机电工程系专业：机械设计制造及其自动化班级：082113姓名：许现款学号：021108052指导教师：王艳红日期：2011-12-13数控机床进给系统设计1总体方案设计1.1对进给伺服系统的基本要求带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统，进给伺服系统不仅是数控机 床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机 床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号响应要快； 系统的稳定性要好。1 . 2进给伺服系统的设计要求机床的位置调节对进给伺服系统提出了很高的要求，其中在静态设计方面：(1)能够克服摩擦力和负载，当

2、加工中最大切削力为20000N30000N时，电机轴上的转矩需要10N.m40N.m；(2)很小的进给移动量。目前最小分辨率为 0.1 m；(3)高的静态扭转刚度；(4)足够的调速范围；(5)进给速度均匀，在速度很低是无爬行现象。在动态设计方面有：(1)具有足够的加速和制动装矩，以便快速的完成启动和制动；(2)具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量；(3)负载引起的轨迹误差尽可能小。对数控机床机械传动部件则有以下要求：(1)被加速的运动部件具有较高的惯量；(2)高的刚度和良好的阻尼；(3)传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面具有尽可能 小的非线

3、性。1 . 3总体方案进给伺服系统总体方框图如下图3.1所示2进给伺服系统机械部分设计进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量，计算切削力, 滚珠丝杆螺母副的设计、计算与选型，齿轮传动计算，步进电机的计算和选型等。图3.1进给伺服系统总体方框图2 . 1确定脉冲当量，计算切削力1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量， 它是衡量数控机 床加工精度的一个重要参数，因此。脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。 对 经济型数控机床来说，常采用脉冲当量为 0.01mm/脉冲0.005mm/脉冲。在 XK5040的主要技术参数中要求横向、纵向脉冲当量为 0.0

4、1mm。2 切削力计算在进行进给系统的传动计算，选用步进电机时，都要用到切削力（机床的主要 负载）.（1）铳削抗刀分析铳削运动的特征是主运动为铳刀绕自身轴线高速回转， 进给运动为工作台带 动工件在垂直于铳刀轴线方向缓慢进给（键槽铳刀可沿轴线进给） 。铳刀的类型 很多，但以圆柱铳刀和端面铳刀为基本形线。圆柱铳和端面铳刀的切削部分都可看做车刀刀头的演变，铳刀的每一个齿相当于一把车刀，它的切削基本规律与车 削相似。通常假定铳削时，铳刀的铳削抗力作用在刀齿上，如下图 2-6所示：设刀齿 上受到的铳削抗力的合力为F,将F沿铳刀轴线径向和切向进给分解，则分别为 轴向铳削力Fx和径向铳削力Fy0切向铳削力F

5、z是沿铳刀主运动方向的分力，它 消耗的铳床主电机功率最多。因此，切向铳削力可以按切削功率 Pm (kw)或主 电机功率Pe ( kw)计算，也可以按切削用量进行计算。Fz 国 103 或 Fz PEdm 103(N) VV式中：V主轴传递全部功率时的最低切削速度，m/s；m机床主传动系统的效率。这里按切削用量进行计算。Fz 9.81 22.6 a；86 a；72 d。0'6 az?Z式中：ae铳削接触深度，(mm);a f每齿进给量， (mm/齿);d0铳刀直径， (mm)；ap铳削深度，(mm)；Z铳刀齿数图3.2铳削力及工作台上的载荷取ae=2mm, ap=8mm, af=0.1m

6、m/齿,d0 =8mm, Z=4。0.860.72. 0.86-则，Fz 9.81 22.6 aeaf d° ap Z9.81 22.6 20.86 0.10.72 8 0.86 8 4 410.35132N(2)进给工作台工作载荷的计算作用在进给工彳台上的合力F '与铳刀刀齿的铳削抗力的余力F大小相同方 向相反，如图2-6所示，合力F '就是设计和校核工作台进给系统的时要考虑的 工作载荷，它可以沿着铳床工作台运动方向分解为三个力：工作台的纵向进给方向载荷Fl,工作台横向进给方向载荷Fc和工作台垂直进给方向载荷Fvo工作 台工作载荷FFc和Fv与铳刀的切向铳削力Fz之

7、间有一定的经验笔直比值（可 查机电综合指导表2-1）,因此，求出Fz后，即可计算出工作台工作载荷F FC和FV。即：Fl/Fz 1.2,Fv/Fz 0.8,Fc/Fz 0.4则：Fl =492.42 N,Fv =328.28 N,FC =164.14 N.2 . 3齿轮传动比计算为满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了是传动系统负载惯量尽 可能小，传动链中采用齿轮传动。已知脉冲当量p （mm/脉冲），滚珠丝杠导程L0 （mm）,并初选步进电机步 距角b后，可以根据下式计算齿轮传动比：360 pi pb L0式中：p脉冲当量（ mm/step）;L0滚珠丝杠的基本导程（mm）；b步进电机的

8、步距角计算出传动比i后，再根据降速级数决定采用一对或两对齿轮传动，再决定 各对齿轮的齿数、模数、和各项技术参数，因为进给伺服系统传递功率不大，一 般取模数m 1 : 2,数控车床、铳床取m 2 ,所以这里我们取m 2。1 纵向及横向进给齿轮传动比计算已确定纵向及横向进给脉冲当量p = 0.01mm,滚珠丝杠导程L0=6mm,初选步金电机的步距角b = 0.75°。可以计算出传动比i为:i 360 p 360 0.01 08bL00.75 6可以选定齿轮齿数为：i乙 40 32Z2,50 40这里纵向取齿数为：40502 垂直进给齿轮传动比计算，横向取齿数为：32 o40由于XK504

9、0垂直方向的进给运动是有步进电机驱动， 经圆锥齿轮带动滚珠丝杠传动。这里我们取脉冲当量p=0.01mm, Lo =12mm,初选步进电机步距角 b= 0.75° ,则:360 p pb L0360 0.01 0.40.75 12可以选定齿轮齿数为Z1 iZ222 2055,50这里我们确定齿数为:2255垂直方向齿轮模数我们取 m = 3。2.4步进电机的计算和选型1 纵向进给步进电机 (1)初选步进电机a计算步进电机的负载转矩Tm试中:FmTm36 pFm2 b(N ?cm)脉冲当量(mm/step);进给牵引力(N);步距角，初选双拍制为0.75° ;电机丝杠的传动效率

10、，为齿轮、轴承、丝杠效率之积，分别为 0.98, 0.99, 0.99和 0.94。36 pFm36 0.01 1799.134Tm152.307N ?cm2 b 20.75 0.98 0.99 0.99 0.94b、估算步进电机的起动转矩Tqc、计算最大静转矩Tjmax查表取五相十拍，则d、计算步进电机运行频率fefk试中:vmaxTm0.3: 0.5152.3070.3507.69 Ngpmj maxTq0.951507.690.951533.85Ngsmfe和最高起动频率fk1000 vs60 p1000Vmax60 P最大切削进给速度最大快移速度（1000 1.560 0.011000

11、 2.460 0.01(m/min)2500 Hz4000 Hz;这里为 1.5 m/min；m/min), 这里为 2.4 m/min；脉冲当量，取 0.01mm/stepbe、初选步进电机型号根据估算出的最大静转距Tj max查得110BF004最大静转距为784 Ngcm>Tjmax,可以满足要求，考虑到此经济型数控铳床有可能使用较大的切削 用量，应选稍大转距的步进电机，以便留有一定的余量，另一方面，与国内同类 型机床类比，决定采用130BF001步进电机，查得130BF001步进电机最高空载 起动频率和运行频率满足要求。电机转距计算机床在不同的工作情况下，其所需要的转矩不同，下面

12、分别按各阶段计算。1 ）、快速空载起动转距M在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算公式如下：M Mamax Mf M°式中:M 快速空载起动转矩（Ngcm）；M amax空载起动时折算到电机轴上的加速转矩 （Ngsm）；折算到电机轴上的摩擦转矩（Ngsm）;M o由于丝杠预紧时折算到电机轴上附加摩擦转矩摩擦转矩Mf星2 iFof （Fz G）Z2 i 一z式中：Fo 导轨摩擦力（N）;Fz垂直方向的切削力（N）;G 运动部件的总重量（N）;f'导轨摩擦系数，取f' 0.2;i齿轮降速比；传动链总效率，一般取0.7: 0.85。(Ngcm) oMfFoLo2

13、 if (Fz G) Lo2 z2 / zio.2(4io.35 4892.16) o.620.8 1.25158.8 Ngcm空载起动时折算到电机轴上的加速转矩:n2Mamax J21三g詈1060 2 taJ22-max 10 260tanmaxvmaxb360°式中：J w折算到电机轴上的总等效转动惯量，（kggcm2电机最大角加速度，（rad /s2）;nmax 电机最大转速，（r / min ）；Vmax运动部件最大快进速度，（mm/ min ）；p脉冲当量，（mm/step）;b 步进电机步距角，（° ）;ta 运动部件从停止起动到加速到最大快进速度所需要的时间

14、,nmaxvmax24000.01075 500r / mln 360起动加速时间ta = 30s。Mamax 八 皿 1060ta2 2500235.2 10600.03614N gsm附加摩擦转矩M0式中:M°Fpo&i2)Fp0 滚珠丝杠预加负载，一般取1Jm' '为进给牵引力（N）；L0滚珠丝杠导程（cm）；滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取0.9。M0Fp0L0(12)ImL032(Z2 zi)(102)11799.13430.6''M M f M0 Mt式中：Mt折算到电机轴上的切削负载转矩;折算到电机轴上的切削负载转矩:MtFL2

15、 i式中：Ft 进给方向的最大切削力（N）;其余符号同上。M'' M f M0 Mt M f M0 t-L2410.35 0.6158.8 10.89208.9Ncpm20.8 1.25从上面的计算可以看出，M , M '和M''三种工作情况下，以快速空载起动转 矩最大，即以此项作为较核步进电机转矩的依据。查表知，当步进电机为五相十拍时，MqZ0.951, 则最大静转M j max矩为：Mjmax /951 783.6%951 824.1N9cm而130BF001型步进电机最大转矩为931 Ngcm,大于所需要的最大静转矩， 可以满足此项要求。2.5 进

16、给伺服系统机械部分结构设计进给伺服系统即进给驱动装置，驱动装置是指步进电机的旋转运动边为工作 台直线运动的整个传动链，主要包括减速装置、丝杠螺母副及导向元件等。数控铳床对进给系统的要求主要有：传动传动精度、系统的稳定性和动态响 应特性（灵敏度等）。传动精度包括动态误差、稳态误差和静态误差，即伺服系 统的输入量与驱动装置的实际位移量的精确程度。 系统的稳定性是指系统在启动 状态下或受外界干扰作用下，经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在爱新的或呀 的平衡状态的能力。动态响应是系统响应时间及驱动装置的加速能力。为确保数控铳床进给伺服系统的传动精度，系统的稳定性和动态响应性，对 驱动装置机械结构的要求是

17、要消除间隙， 减少摩擦，减少运动惯量，提高部件精 度和刚度。1进给伺服系统传动齿轮间隙的消除数控铳床在加工过程中，经常变动移动方向。当铳床进给方向改变时，由于 齿侧存在间隙会造成指令脉冲丢失，并产生反向死区从而影响加工精度，因此， 不许采取措施消除齿轮传动中的间隙。(1)纵向及横向进给系统传动齿轮间隙的消除纵向、横向传动齿轮间隙的消除采用双片斜齿轮消除间隙机构，(如下图3.6),厚齿轮4同时与两个相同齿数的薄齿轮啮合，薄齿轮有平键与轴联接， 互相不能相对转动。两个薄齿轮的齿形拼装在一起加工，并与键槽保持确定的位 置。调整螺母1 ,即可以靠弹簧2自动消除间隙1-2-弹簧 ？一电动机 4齿轮图3.

18、6双片斜齿轮消除间隙机构(2 )、垂直进给系统传动齿轮间隙的消除由于垂直进给系统采用圆锥齿轮传动， 因此可采用周向弹簧调整法(如图 3.7)。将大圆锥齿轮加工成1和2两部分，齿轮的外圈1上带有三个周向圆弧 槽，齿轮的内圈2的端面带有三个凸爪6套装在圆弧槽内，弹簧4的两端分别顶在凸爪6和襄块3上，使内、外圈锥齿错位，起到消除间隙的作用。为了安装方 便，用螺钉5将内、外圈相对固定，安装完毕后将螺钉卸去。G-G31、2锥窗轮；3彼块;；4一弹智；E螺钉：小一凸小图3.7 压力弹簧消除间隙机构2升降台自动平衡装置工作原理及调整升降台自动平衡装置的结构如下图3. 8所示，有摩擦离合器和单向超越离合器构成，其工作原理是：当圆锥齿轮转动时，通过锥销带动单向超越离合器的 星轮2。工作台上升时，星轮的转向是使滚子 3和超越离合器的外壳4脱开的方 向，外壳不转，摩擦片不起作用。当工作台下降时，星轮的转向使滚子 3楔在星 轮和超越离合器的外壳4之间，外壳4随着圆锥齿轮1 一起转动。经花键与外壳 连在一起的内摩擦片与固定的外摩擦片之间产生相对运动，由于内外摩擦片之间由弹簧压紧，有一定的摩擦阻力，所以起到阻尼的作用，上升拥护下降的力量得 以平衡。图3 . 8阻尼力量大小即摩擦离合器的松紧， 可由螺母5调整，调整前应先送开螺母 5获得锁紧螺钉6。当垂直下降时必须克服这个额外叫是行