数控车床进给系统设计要点

1、摘要本设计是把普通数控车床改造成经济型数控车床。经济型数控车床就是指价格低廉、 操作使用方便、比较适合我国国情的，动化的机床。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。 在设计的时候具体进行了详细的各部件的选型和计算。 比如：导轨的设计选型、 滚珠丝杠螺母副的选型与计算。 还进行了进给传动系统的刚度计 算、进给传动系统的误差分析、驱动电机的选型计算、驱动电机与滚珠丝杠的联接、驱动 电机与进给传动系统的动态特性分析等。关键词: 车床、数控、传动系统1AbstractThis project i

2、s to alter the common lathe into the economical lathe. The economical lathe is a advanced and roboticized lathe that has low price, convenient operation, and adapt to the situation of our country and has installed cnc system. During the project we particularly dealt with the choice and calculation o

3、f every assembly. Such as:The choice and calculation of guideway, ballscrew nut pair and drive electromotor. Caculate the inflexibility of feed transmission system. Analyse the error of feed transmission system. Junction between drive electromotor and ballscrew. Dynamic analysis of drive electromoto

4、r and feed transmission system .Key words : LatheCNC； Transmission System目录摘 要. 1Abstract 1目 录. 1第 1 章 绪论 . 11.1 数控车床简介 . 11.2 数控车床发展现状 . 11.3 数控车床在生产中的应用 . 2第 2 章 数控车床设计概述 . 32.1 电动机的选择 42.2 电动机类型和结构型式的选择 4第 3 章 进给伺服系统概述 . 5第 4 章 横向进给系统的设计计算 . 74.1 设计参数 . 74.1.1 设计参数： 74.1.2 切削力及其切削分力计算 74.1.3 轨摩擦力

5、的计算 74.1.4 算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 84.1.5 定进给传动链的传动比 i 和传动级数 84.1.6 珠丝杠的动载荷计算与直径估算 84.2 校核 . 94.2.1 珠丝杠螺母副承载能力校核 94.2.2 计算器械传动的刚度 104.2.3 驱动电机的选型与计算 104.2.4 械传动系统的动态分析 124.2.6 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 13第 5 章 进给系统的结构设计 . 145.1 滚珠丝杠螺母副的设计 145.2 齿轮传动副的设计 155.3 齿轮箱的设计 165.4 床身及导轨 165.5 中间轴的设计 175.6 轴承端盖的设计 186.1 车床的

6、主要结构及运动形式 196.2 电气线路分析 196.2.1 主电路分析 . 196.2.2 控制电路分析 . 206.2.3 照明和信号电路的分析 . 207.1 单片微机数控系统硬件电路设计内容. 227.1.1 绘制系统电气控制的结构框图 . 227.1.2 选择中央处理单元 CPU 的类型 227.1.3 存储器扩展电路设计 . 227.1.4 输入 /输出接口电路设计 237.2 专用接口设计 237.2.1 显示功能设计 . 237.2.2 键盘输入功能设计 . 237.2.3 步进电机接口及驱动电路. 237.2.4 其他辅助电路 . 26致 谢. 28参考文献 . 292第 1

7、 章 绪论1.1 数控车床简介 目前，我国现有数以万计的陈旧、落后的普通机床，如果直接处理了，将直接影响 到生产，也会给企业带来经济损失；同时，企业现有的数控机床长期处于运转甚至超负 荷使用，缺少认真的维修和保养，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些原有的数控机 床性能已不能满足使用要求，急需更新改造。随着现代化机械加工技术向高效率、高精 度方向发展，现代数控机床也朝着精密化、复杂化方向发展。在机械加工中 , 机床状态的 好坏直接影响着被加工零件的加工质量及机械加工效率。从保证零件机械加工质量、提 高加工效率讲 , 目前许多机械加工车间里普通机床无法做到这点，以满足车间生产的需 要。数控机床，特

8、别是多轴数控、多轴联动的数控机床是高效、高质量产品制造的关键 设备，也是结构较复杂、自动化程度高、精度和可靠性要求高的机电一体化高技术产品。随着科学技术的发展和机械制造技术的进步， 必将推动数控机床的开发应用， 逐步形 成高档，普及型和经济型构成比合理的数控机床系列，以满足各种不同用户的需要。数控机床是集机、电、仪和信息等多项技术于一体的典型机电一体化产品, 是同时具备高效率、高质量、高柔性等优点的工作母机，随着CNC技术的不断完善和微处理机直接 用于机床后 , 数控车床的性能价格比得到极大的完善 , 不仅可以提高加工质量和效率，还 能实现对各种复杂的零件的加工， 达到了普通车床无法取得的效果

9、， 这就使得数控车床成 为不仅是一种技术上先进 ,而且是一种经济上合理的机床，不仅现在富有旺盛的生命，而 且是未来机械工厂自动化的基础。1.2 数控车床发展现状从 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数 控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善 劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。 数控机床是一种高度机电一体 化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁 改型的零件、 价格昂贵不允许报废的关键零件、 要求精密复制的零件、 需要缩短生产周期 的急需零件以及要求 100%检验

10、的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济 和国防建设发展的重要装备。进入 21 世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制 造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机， 也遭遇到加入世界 贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力， 加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续 发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞 速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大， 并且不断发展以更适应生产加工的需要。 本 文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、 绿色化等发展趋势， 并提出了我国数控

11、机床发展中存在的一些问题。 我国数控机床近年来 在生产和应用方面都有较快发展， 但与工业发达的国家相比， 差距很大。 按照国民经济发 展急需和机械工业振兴战略， 机械工业部提出以数控机床为代表的重要基础机械作为机械 工业振兴规划的发展重点之一。1.3 数控车床在生产中的应用数控车床是集机、电、仪和信息等多项技术于一体的典型机电一体化产品 , 是同时具 备高效率、高质量、高柔性等优点的工作母机 , 其显著的优点是： 对零件变化的适应性强， 更换零件只需改变相应的程序， 对刀具进行简单的调整即可做出合格的零件， 为节约成本 赢得先机随着CNC技术的不断完善和微处理机直接用于机床后,数控机床的性能价

12、格比得 到极大的完善 , 不仅可以提高加工质量和效率， 还能实现对各种复杂零件的加工， 达到了 普通磨刀机无法取得的效果，这就使得数控车床成为不仅是一种技术上先进 , 而且是一厂 自动化的基础。数控车床一般具有两轴联动功能，Z轴是与主轴平行方向的运动轴，X轴是在水平面 内与主轴垂直方向的运动轴。 远离工件方向为轴的正向。 另外在最新的车铣加工中心， 还 增加了一个 C 轴，可用于工件的分度功能，在刀架中安放铣刀，对工件进行铣加工。刀具 超过 12 把称为加工中心。数控车床主要用来加工轴类零件的内外圆柱面，圆锥面、螺纹 表面、成形回转体面等。对于盘类零件可以进行钻孔、扩孔、绞孔、镗孔等。机床还可

13、以 完成车端面、切槽、倒角等加工。一种经济上合理的机床， 不仅现在富有旺盛的生命， 而且在未来机械工机械加工中， 常遇到复杂零件的加工或修整问题，多数厂家使用普通车床进行加工，其效率低，操作 麻烦，普通普通车床加工又保证不了精度，因此，有必要开发一种操作便捷的价格低廉 的数控车床。2第 2 章 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，并进行回馈控制， 使刀具和工件及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨

14、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

15、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组件。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。

16、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2.1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、 超载能力额启动转矩，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

17、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。 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。2.2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

18、性能之间找出一种理想的折衷。表1.1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 高旋转精度咼动态响应高加减速，起制动能力具有强鲁棒性，能适应环境条件和参数变化咼效率,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kW到上百kW广泛地应用于各种数控机床上。第3章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所示由于各种数控机床所完成的加工任务

19、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超载能力，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超载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/s 2以上的角加速度的能力，

20、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回馈全部数字化、 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 质量大大提高。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、驱动组件、机械传动部件、执行件和检测回馈环节等组成。

21、驱动控制单元和驱动组件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执 行组件组成机械传动系统。检测组件与回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死循环系统。 死循环控制方式 通常是具有位置回馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，死循环系统又分 为半死循环系统和全死循环系统。半死循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。全死循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死循环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由 于影响定位精度的机

22、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。全死循环系统控制精度高、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。因此全死循环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。 死循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、

23、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。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

24、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。36第4章 横向进给系统的设计计算4.1 设计参数4.1.1设计参数：纵向：工作台重量：W=800N行程：S=650mm脉冲当量：、p=0.006mm/P 最大进给速度：Vmax =2m/min 横向：工作台重量：W=300N行程：S=200mm脉冲当量：、p=0.004mm/P 最大进给速度：Vmax =1m/min4.1.2切削力及其切削分力计算已知机床主电动机的额定功率 Pm为7.5kw，最大工件直径 D=400m，主轴计算转速 n=85r/m。在此转速下，主轴具有最大扭矩和功率，道具的切削速度为兀 Dn 3.14汉4

25、00 汇 10x85,v1.78m/s60 60取机床的机械效率=0.8，则有叩 3Fz - 103N =3370.79N走刀方向的切削分力Fx和垂直走刀方向的切削分力Fy为Fx =0.25Fz =0.25 3370.79N =842.7NFy =0.4Fz =0.4 3370.79N =1348.32 N4.1.3轨摩擦力的计算导轨受到垂向切削分力Fv二Fz = 3370.79 N，纵向切削分力F F1348.32N，移动 部件的全部质量(包括机床夹具和工件的质量)m=30.61kg(所受重力W=300N)查表得镶 条紧固力fg =2000N，取导轨动摩擦系数J =0.15，则F.-(Wfg

26、FvFc)= 0.15 (300 2000 3370.79 1348.32)= 1052.87N计算在不切削状态下的导轨摩擦力巳0和F。巳0 二亠(W fg) =0.15 (3002000) =345NF。二 (W fg) =0.2 (300 2000) =460N4.1.4算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算最大轴向负载力FFamax 二 Fy F(1348.32 1052.87) N =2401.19 N 计算最小轴向负载力FaminFamin F .0 - 345 N4.1.5定进给传动链的传动比i和传动级数取步进电动机的步距角=1.5，滚珠丝杠的基本导程L0 =6mm ,进给传动链的脉 冲

27、当量:p = 0.004mm/ P，则有i = “ L° = =6.25360®3600.004按最小惯量条件，查得应该采用 2级传动，传动比可以分别取h=3、i2=2.1。根据 结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为 Z1 =20、z2 =60、z3 =20、z4 =42，模数m=2 齿宽b=20mm4.1.6珠丝杠的动载荷计算与直径估算(1)按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷已知数控机床的预期工作时间Lh =15000h，滚珠丝杠的当量载荷Fm二Famax= 2370.34N，查表得载荷系数fw =1.3 ;初步选择滚珠丝杠的精度等级为 3级精度，取精 度系数fa

28、 = 1 ；查表得可靠性系数fc = 1。取滚珠丝杠的当量转速门皿=nmax，已知 vmax = 1m/min，滚珠丝杠的基本导程 L0 =6mm，贝U3IUUTa Tc一 2370.34 1.3=3 60 166.67 15000N =16585.8N100心勺(2)根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知本车床横向进给系统的定位精度为 40m,重复定位精度为16m，则有1 1 _ 、max1=() 16m=5.33_8m3 2-;max (-) 40)m=8_10m取上述计算结果的较小值，即 rax =5.33怖。(3) 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m滚珠丝杠螺母的

29、安装方式拟米用一端固定、一端游动支承方式，滚珠丝杠螺母副的两 个固定支承之间的距离为L=行程+安全行程+2 X余程+螺母长度+支承1.2 1.4 )行程 + (2530) L0取 L=(1.4 X 200+30X 6)mm=460mmd2m 兰 0.078 =0.078江輕0；6° = 15.54mm(4) 初步确定滚珠丝杠螺母副的型5号3根据以上计算所得的Lo、Cam、d2m和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产 的FF型内循环螺母，型号为FF3206-5,其公称直径d。、基本导程L。、额定动载荷Ca和 螺纹底径d2如下：d0 = 32mm L0 = 6mmCa = 20200

30、 N Cam = 16585.80 Nd2 = 27.9mm d2m = 15.54mm4.2校核4.2.1珠丝杠螺母副承载能力校核已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径d27.9m m,已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度Li =300mm，丝杠水平安装时，取 心=1/3，查表得K2，则有do5 127 945Fc 二 KiK2-2 10522 105N =448831.21NL233002本车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为Famax =2401.19N，远小于其临界压缩载荷Fc的值，故满足要求。滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度L 300mm，其弹性模量E = 2.1 1051MPa，密

31、度7.8 10N/mm3，重力加速度 g =9.8 103mm/s2滚珠丝杠的最小惯性矩为I d；-314 27.9 29728.05mm46464滚珠丝杠的最小截面积为n 23 1422A d；27.9 = 611.05mm244取K1 =0.8，查表得=3.927，贝U有/ 60九2 TEinc = K12c c °603.92T22.仆105 汉29728.05工9.8工103-0.82_52汉3.14汇3002 V7.8汉10 沢611.05= 4692249r / min本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为166.67r/m，远小于其临界转速，故满足要求。滚珠丝杠螺

32、母副额定寿命的校核，滚珠丝杠的额定动载荷Ca =20200 N，已知其轴 向载荷Fa二Famax =2401.19N，滚珠丝杠的转速 n二nmax =166.67r/min，运转条件系数fw =1.2，则有L=(旦)3" 06 =(20 2 00)3 "06rFa fw62401.19 1.2= 344.533 106r6, L 344.533 汇10,L hh = 34453 hLh =34453h -15000h，故满足0 n 60 166.67本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命 要求。422计算器械传动的刚度已知滚珠丝杠的弹性模量 E = 2.1 105M

33、Pa，滚珠丝杠的底径d2= 27.9mm。当滚珠丝 杠的螺母中心至固定端支承中心的距离 a = Ly = 300mm时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度©min225工 106 314 279 210 -427.73N/5当 a =Lj =100mKsmax已知滚动体4Ly4 300I时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度Ksmax二 dE3.14 27.92 2.1 105-101283.21N/5dQ =6.75 mm滚动体个数Z=15.轴承接触角B =60。轴承最大轴向工作载荷FBmax二Famax =2401.19N。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度 Kb为：心=2 2.34QFam

34、axsin2 -=2 2.34 3 6.75 152 2401.19 ( j)2= 654.49N/ 5查表得滚珠与滚道的接触刚度 K = 683N /m ,滚珠丝杠的额定动载Ca =amax =2401.19N 则20200N。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷F1 1Kk(-F)683 ( 2401.19N/m =723.51N/m0.1C/0.1 20200进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为1 111 1 1 10.003689Kmax Ksmax 心冬 1283.21 654.49 723.51 故 Kmax =723.51 N/m。进给传动系统的综合拉压刚度最小值为1 111 1

35、1 10.005248KminKsminKp 心 427.73 654.49 723.51故 Kmin =191N / 心已知扭矩作用点之间的距离L2 =355mm,滚珠丝杠的剪切模量G=8.1104MPa，滚珠丝杠的底径d2 =27.9mm，则有二 d；G 3.14 27.94 10卫 8.1 104 106K 一 32Q 一32 355 10；= 13566.04N *m/ rad4.2.3驱动电机的选型与计算(1) 计算滚珠丝杠的转动惯量已知滚珠丝杠的密度t =7.8 10°kg/cm3，则有nJr 八 0.78 10&雋=1.38kg *cm2(2) 计算折算到丝杠轴

36、上的移动部件的转动惯量已知横向进给系统执行部件的总质量为m=30.61kg;丝杠轴每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=0.6cm则L 20.622JL = m(一) =30.61 () = 0.28kg «cm2二2 3.14(3) 计算各齿轮的转动惯量3422Jz1 =Jz3 =0.78 10- 4 2kg -cm =0.4kgcm3422Jz2 =0.78 10一 12 2kg *cm = 32.3kg *cmJz4 =0.78 10" G42)4 2kg *cm2 = 7.8kg *cm25(4) 计算加在电动机轴上总负载转动惯量 Jd11Jd =Jz1 77(

37、Jz2 Jz3)77(Jz4 Jr Jl)1 i1丨1-0.4(32.3 0.4)2 (7.8 1.38 0.28)926.25"=4.275kg *cm(5) 计算折算到电动机轴上的切削负载力矩 Tc已知在切削状态下的轴向负载力 Fa二Famax = 2401.19 N，丝杠每转一圈，机床执行部 件轴向移动的距离L=6mm=0.006m进给传动系统的传动比i=6.25总效率n =0.85，则有FaL2401.19 0.006Tc-N *m = 0.43N *m2二 i 2 3.14 0.85 6.25(6) 计算折算到电动机上的摩擦负载力矩已知在不切削状态下的轴向负载力矩F.0 =

38、345N，则有F.bL345 0.006T0.062 N * m2二 i 2 3.14 0.85 6.25(7) 计算由滚珠丝杠预紧力Fp产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩Tf 已知滚珠丝杠螺母副的效率 ° =0.98，滚珠丝杠螺母副的预紧力Fp为1 FpFamax = 80°.4 N十Fp3。_ “2、800.4X0.006 一 小 “2、小“一“2.汉3.14 疋 0.85 汽6.25Tf一一(1一 ：)(1 一 0.982) = 0.0057 N m2内：二：二 W二折算到电动机轴上的负载力矩T的计算空载时(快进力矩)，为Tkj =Ta Tf =(0.062 0.

39、0057) N m =0.068N «m切削时(工进力矩)，为Tgj =兀 Tf =(0.430.0057) N *m =0.436N «m根据以上计算结果和查表初选130BF001型反应式步进电动机，其转动惯量Jm = 4.6kg *cm2 ；而进给传动系统的负载惯量J2.8kg *cm2 ；对于开环系统，一般取加速时间ta =0.05s。当机床以最快进给速度v=1000mm/min运动时电动机的最高转速为： 1000rax6.25r/min =1041.67r/mi n2 maxTap(Jm J d )60 3980ta 1041.67 6.25 c c、(4.62.8

40、)60 980 0.05 = 102.9kgf cm 10.08N *m(8) 计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩计算空载启动力矩TqTq 二Tap (TTf) =(10.08 0.062 0.0057) N *m =10.15N *m计算快进力矩TkjTkj =Ta Tf = (0.0620.0057) N m=0.068N计算工进力矩TgjTgj 二Tc Tf =(0.43 0.0057) N m=0.44N(9) 选择驱动电动机的型号根据以上计算和查表选择国产150BF002型电动机，其主要参数如下：相数，5;步 距角，0.75 /1.5 ;最大静转矩，13.72Nm ;转

41、动惯量，9.8kg cm2 ;最高空载启动频 率，2800Hz运行频率，8000Hz分配方式，五相十拍。确定最大静转矩Ts:机械传动系统空载启动力矩Tq与所需的步进电动机的最大静转矩 Ts1的关系为：Tq-=0.951Ts1Tq10.15Ts1qNm=10.67N*m0 9510 951机械传动系统空载启动力矩Tq与所需的步进电动机的最大静转矩 Ts2的关系为：旦=0n=1.47N *m卄0.30.3取Ts1和Ts2中的较大者为所需的步进电动机的最大静转矩Ts = 10.67N 5。本电动机的最大静转矩为13.72Nm，大于Ts，可以在规定的时间内正常启动，故满足要求。验算惯量匹配，为了使机械

42、传动的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量Jl与伺服电动机的转动惯量Jm之比一般应满足下式：0.25乞虫一1因为虫 出25 =0.436 0.25,1，故满足惯量匹配要求。4.2.4械传动系统的动态分析滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度 KKmin =191 106N /m，机床执行部件的质量和 滚珠丝杠螺母副的质量分别为 m、ms,滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为 md =m 1/ 3ms，已知 m=30.61kg，则:ms 3.22 64 7.8 10=4.01kg411叫=mm. (30.614.01)kg = 31.95kg191 10conc = 匹3= J1910 rad / s

43、 = 2445 rad / s- md31.95折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为2 二0.0088kg *mKs = K© = 13566.04 N m/rad，贝U 13566.041241.6rad /s0.00882 2KsJs =Ji =(9.8 4.275) 6.25kg *cm = 88kg *cm 已知滚珠丝杠的扭转刚"nt由以上计算可知，丝杠工作台纵向振动系统的最低固有频率''nc、扭转振动系统的 最低固有频率''nt都比较高。一般按'300rad /s的要求来设计机械传动系统的刚度，故 满足要求。4.2.5机

44、械传动系统的误差计算与分析(1) 计算器械传动系统的反向死区:已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值Kmin =191 106N /mm，导轨的静摩擦力为 F0 =460N，则,2F032 汇46033.：=2 106 10 mm 二 4.82 10 mmF Kmin191 灯06即厶=4.82m ：8m，故满足要求。kmax（2）计算器械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差1 1 ' kmax 二 K）103K min K max133= 460x（r）汇103 =0.71 汇 10mm19仆106271"06即“ax =0.71m Om，故满足要求。（3）计算滚珠丝杠

45、因扭转变形产生的误差已知负载力矩T =Tkj =68N mm,扭矩作用点之间的距离 L355m m ,丝杠底径d2 = 27.9mm，贝U有_2TL268 江355.v -7.21 10 =7.21 1040.0029、d：27.94由该扭转变形v引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度，有0.0029、 = L06mm ： 0.05.二m4.2.6确定滚珠丝杠螺0母副的精度等级和规格型号确定滚珠丝杠螺母副的精度等级，本进给传动系统采用开环控制系统， 应满足如下要求：V300P ep 0.8 （定位精度 -、kmax -）=0.8 （40 -0.71 -0.05）m = 31.39mep M

46、p 乞 0.8 （定位精度-“ax=31.39m取滚珠丝杠螺母副的精度等级为 3级，查表得V300p=12m,当螺纹长度约为350mm时，ep=13m，Vup=12m ；V300pep=25m 乞 31.39m ；epVup =25m 乞 31.39m故满足设计要求。纵向进给系统的设计方法与横向进给系统类似，不在此赘述了。第5章进给系统的结构设计5.1滚珠丝杠螺母副的设计滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母 上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚 珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装

47、满 滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。滚珠丝杠螺母副具有以下特点：（1） 传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92-0.96，比普通丝 杠高3-4倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的 1/4-/3.（2）若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载 死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转 运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。（5）磨损小，使用寿命长。（6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等组

48、件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求 咼，故制造成本咼。（7）不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不同，下降时当传 动切断后，不能立即停止运动，故还需要增加制动装置。本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副，精度为 3级，两端采用了小圆螺母为轴向 定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。它是在滚珠螺母体内的两列循 环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个.-：Lo的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向 错位而实现预紧。这种调隙方法结构简单，但载荷量须预先设定而且不能改变。滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的 轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其

49、两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由 的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于 较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高 精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此课题中采用两端固定的方式， 以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针一推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60 °角接触轴承，在这两种轴承中，60°角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需 要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针一圆柱 滚子轴承多用于重载和要求高

50、刚度的地方。60°角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同 向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差， 又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较 易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。在此课题中采用了以面对面配对组合的 60°角接触轴承，组合方式为 DDB以容易 实现自动调整。滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引 起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。5.2 齿轮传动副的设计齿轮传动装置主要由齿轮传动副组成， 其任务是传

51、递伺服电动机输出的扭矩和转速， 并使伺服电动机与负载（工作台）之间的扭矩、转速、以及负载惯量相匹配，使伺服电 机的高速低扭矩输出变为负载所需要的低速扭矩。在开环系统中还可以计算所需的脉冲、/ j当量。对传动装置的总要求是传动精度要求高、稳定性好和灵敏度高（或响应速度快）， 在设计齿轮传动装置时，也应从有利于提高这三个指标的角度来提出设计要求。对于开 环控制系统而言，传动误差直接影响数控装备的工作精度，因而应尽可能缩短传动链、 消除传动间隙，以提高传动精度和刚度。对于死循环控制系统，齿轮传动装置完全在伺 服回路中，给系统增加了惯性环节其性能参数将直接影响整个系统的稳定性。无论是开 环控制系统还是

52、死循环控制系统， 齿轮传动装置都将影响整个系统的灵敏度 （响应速度） ， 从这个角度考虑应注意减少摩擦和转动惯量，以提高传动装置的加速度。在设计齿轮传动装置时，除考虑以上要求外，还应考虑其传动比分配及传动级数对 传动件的转动惯量和执行件的失动影响。增加传动级数，可以减少传动惯量，但级数增 加，使传动装置结构复杂，降低了传动效率，增大了噪声，同时也增大了传动间隙和摩 擦损失，对伺服系统不利。因此不能单纯根据转动惯量来选取传动级数，而应综合考虑 来选取最佳的传动，而应综合考虑来选取最佳的传动级数和各级传动比。在数控设备的进给驱动系统中，考虑到惯量、扭矩、或脉冲当量的要求，有时要在 电动机到丝杠之间

53、加入齿轮传动副，而齿轮等传动副存在的间隙，会使进给运动反向滞 后于指令信号，造成反向死区而影响其传动精度和系统的稳定性。因此，为了提高进给 系统的传动精度，必须消除齿轮副的间隙。本设计采用的是双片齿轮错齿调整法。两片齿轮周向可调弹簧错齿消除间隙结构。 两个相同齿数的薄片齿轮与另一个宽齿轮啮合，两薄片齿轮可相对回转。在两个薄片齿 轮的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳。其中一个齿轮的端面还有另外四个通孔， 凸耳可以在其中穿过，弹簧的两端分别钩在凸耳和调节螺钉上。通过螺母调节弹簧的拉 力，调节完后用螺母锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮错位，即两个薄片齿轮的左右齿面分 别贴在宽齿轮槽的左、右齿面上，从而

54、消除了齿侧间隙。5.3 齿轮箱的设计齿轮箱主要把齿轮装入，通过轴连接电动机和丝杠。主要结构是一个方形的箱，然 后要加工出一些孔装轴、丝杠、端盖等等。在右侧内壁也要加工一个孔来支承轴承。同 时还要通过两个凸耳用螺栓与导轨联接。5.4 床身及导轨对于数控机床来说，作为主要支承件的床身至关重要，其结构性能的好坏直接影响 着机床的各项性能指针。它支承着数控车床的床头箱，床鞍，刀架，尾座等部件，承受 着切削力、重力、摩擦力等静态力和动态力的作用。其结构的合理性和性能的好坏直接 影响着数控车床的制造成本；影响着车床各部件之间的相对位置精度和车床在工作中各 运动部件的相对运动轨迹的准确性，从而影响着工件的加

55、工质量；还影响着车床所用刀 具的耐用度，同时也影响着机床的工作效率和寿命等。因此，床身特别是数控车床的床 身具有足够的静态刚度和较高的刚度 / 品质比；良好的动态性能；较小的热变形和内应力； 并易于加工制造，装配等，才能满足数控车床对床身的要求。数控车床工作时，受切削力的作用，床身发生弯曲，其中，影响最大的是床身水平 面内的弯曲。因此，在床身不太长的情况下，主要应提高床身在水平面内的弯曲刚度。 所以，在设计床身时，采用与水平面倾斜 45°的斜面床身。这种结构的特点是： (1) 在加 工工件时，切屑和切削液可以从斜面的前方 ( 即床身的一侧 )落下，就无需在床身上开排 屑孔，这样，床身

56、斜面就可以做成一个完整的斜面。 (2) 切屑从工件上落到位于床身前面 的排屑器中，再由排屑器将切屑排出。这样，机床在工作中，排屑性能和散热性能要好， 可以减少床身在工作中吸收由于切削产生的热量，从而减少床身的热变形，使机床更好 地保持加工精度。 (3) 由于在床身上无需开排屑孔，就可以增加与底座连接的床身底面的 整体性，从而可增加床身底面的刚性。基于以上特点使得床身抵抗来自切削力在水平和 垂直面内的分力所产生的弯曲变形能力， 以及它们的合力产生的扭转变形能力显著增强。 从而大幅度提高了床身的抗弯和抗扭刚度。床身在弯曲、扭转载荷作用下，床身的变形 与床身的截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料、截面相同，但形状不同的床身， 截面的惯性矩相差很大。截面积相同时，采用空形截面，加大外轮廓尺寸，在工艺允许 的情况下，尽可能减小壁厚，可以大大提高截面的抗弯和抗扭刚度；矩形截面的抗弯刚 度高于圆形截面，但圆形截面的抗