数控机床进给系统设计

1、第一章、数控机床进给系统概述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。1.1、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

2、启动电压。电机应具有耐受4000rad/s 2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。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。1.2、伺服系统的分类数控

3、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

4、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

5、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。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

6、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。1.3、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 kg ；最大轴，向力=160 kg ；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 X10-2 kg.m2。第二章、数控车床纵向进给系统传动的方案设计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

7、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 2-1所示。2.1、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2-1a ）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。

8、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(b)(c)(a)图2 1电机与丝杠间的联接形式2.2、经同步带轮传动的进给运动如图2-1b ）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。2.3、电机通过联轴器直接与丝杠联接如图2-1c ）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

9、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，提高位移精度等第三章、运动设计3.1、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 N ?m，步距角0.75°,电机转动惯量：J=1.8 X10-2 kg m2;快速空载启动时电动机转速500r/min。进给传动链的脉冲当量0.01mm/P.选滚珠丝杠的螺距为12mm.由(3 1)S 0.75 12i2.5360360 0.01式中 步进电动

10、机的步距角脉冲当量，mmS丝杠螺距，mm3.2、减速齿轮的确定选择一级减速器，选齿轮 乙 20，Z250，模数m 2mm,齿宽b 20mm选择斜齿轮调隙，齿轮的参数如表 3 1o31齿轮参数表法向模数mn2齿数z20齿形角_ . o20齿顶咼系数*han螺旋角15o径向变位系数x0精度等级7 FK配对齿轮图号齿数50公差组检验项目代号极限偏差值1Fp0.0902fpt0.0163ft0.0134f0.016第四章、丝杠螺母机构的选择与计算已知条件：工作台及刀架重：110 kg，所以重量为G 9.8 110 1078N最大行程：1280mm，失动量：0.01mm，工作台最高速度：vmax 5m/

11、 min 查表选择丝杆预期寿命：Lh 15000小时,摩擦系数0.2。则导轨的静摩擦力F。FoG 0.2 1078 215.6N(4 1 )最大轴向负载F0max 160 9.81568N4.1、动载强度计算当转速n 10r/min时，滚珠丝杠；螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此要进行动载强度计算，其计算动载荷 Cc(N)应小于或等于滚珠丝杆螺母副的额定动负荷，Cc 'T'fdfHFeqFr(4 2)式中fd动载荷系数，见表 3 1;硬度影响系数，见表 3-2;Feq当量动负荷，N;106r为一个单位。60neqT按设计机床要求取(4 3)T=15000hneq100

12、0V maxS1000 512416.67 r / min(4 4)Fr 滚珠丝杠；螺母副的额定动负荷，N ；T'寿命，以T '式中 T使用寿命，hN 循环次数:neq滚珠丝杠的当量转速，r/min代入上式得T'60neqT60 416.67 15000106106375(4 5)表4-1 动载荷系数fd载荷性质fdfd载荷性质fd平稳轻微冲击1.0: 1.2较大冲击和振动1.5: 2.5中等冲击1.2: 1.5表4-2 硬度影响系数fH、fH硬度/HRC505552.55047.54540fH1.01.111.351.561.922.403.85fH'1.01

13、.111.401.672.102.644.50当工作载荷单调连续或周期行单调连续变化时，则FeqF。2F。max1117.2N(4 6)式中F。F°max 最大和最小工作载荷，N查表4 1 4 2取fd=1.5fH =1.56代入上式得(4 7)Cc3 T fd fH Feq3 375 1.5 1.56 1117.218851.99N18.85KN4.2、静强度计算当转速n 10r / min时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式为滚珠接触面上产生较大的塑性变形，影响正常工作。因此，应进行静强度计算，最大计算静载荷Foc（N）为F0c f d f H Fmax For（ 1 10）式中 fl

14、 硬度硬度影响系数，见表 5 2;取fl=1.67.F°r滚珠丝杠螺母副的额定静负荷，N。代入得F0c fd f 'H Fmax 1.5 1.56 1568 3669 N （ 4 8）根据计算额定动负载荷和额定静负荷初选滚珠丝杠副型号为CBM 5012 5。其基本参数为公称直径d° 50mm，导程S 12mm，滚珠直径Dw 7.144mm。额定动负荷Ca 39348N，额定静负荷108290 N。动载荷与静载荷载均满足要求。4.3、临界转速校核对于高速长丝杠有可能发生共振，需要算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速 nc（r /min）.%d2（4 10）式

15、中Lc 临界转速计算长度，m ;cf2丝杠支撑方式系数。两端固定时，f24.73f2 d299102Lc2d°1.2Dw(4 9)代入数据得d2 d0 1.2Dw 50 1.2 7.14441.427mmnc9910f22d2Lc299104.732 0.0411.2825548.3r / min远远小于其最大速度，故临界转速满足4.4、额定寿命的校核1568N，滚珠丝杠滚珠丝杠的额定动载荷Ca 39348 N，已知其轴向载荷Fa Famax的转速n nmax 416.67r/min，运转条件系数fw 1.2，贝U有L ( Ca 、3 _6 , 39348Fa f w)10(1568

16、366)10 r 9145 10 r 1.2(4 11 )L Lh60n9145 106h 416.6760365799h(4 12 )滚珠丝杠螺母副的总工作寿命Lh365799!150001，故满足要求。第五章、动力计算5.1、传动件转动惯量的计算5.11、小齿轮的转动惯量J141241252J1 0.77 D1 b 100.77 40 20 104 10 kg gm(5 1 )式中D1 齿轮 乙分度圆直径，mm ,D1 mZ12 20 40mm ；(5 2)b齿轮宽度，mm。5.12、大齿轮转动惯量J241241232J2 0.77 D2 b 100.77 100 20 101.54 10

17、 kg gm(5 3)式中 D2齿轮乙分度圆直径,mmD2 mz2250100mm(5 4)5.13、计算工作台的转动惯量JwJw (-)2 W 10 6 23.65 10 4kggm2(严)210010 6(5 5)式中W工作台（包括工件）的质量,kg ；S 丝杠螺距，mm。5.14、计算丝杠的转动惯量JsJs 0.77 d。4 L 10 120.776.2 10 3kggm2504 128010 12(5 6)式中L 支撑距，mm。5.15、负载折算到电动机轴上的转动惯量为:Jr1J172(J 2 J s Jw)4 10 5 基(1.54 102.523 6.2 10 33.65 10 4

18、)0.0013kggm2(5 7)5.2、电动机力矩的计算、计算加速力矩MaMaJrn9.6T0.0013 5002.71Ngm9.6 0.025(5 8)、计算摩擦力矩MfMf 严 1030.21Ngn215.6 1220.8 2.510 3(5 9)式中一一传动链总效率，取=0.8、计算附加摩擦力矩M。M0F0maxS(iJ) io 31568 12 (I 0.92) 10 3 0.285Ngm(5 10)2 i20.8 2.5式中一一传动链总效率，取=0.8 ;0滚珠丝杠未预紧时的效率，取0=0.9。、空载启动时电动机所需力矩：M Ma Mf M00.210.285 2.713.205N

19、gm (5 11)因此，选用7.84 Ngm的步进电机满足要求。第六章、丝杠螺母机构的传动刚度计算滚珠丝杠一段轴向支撑，丝杠的最小拉压刚度K min和最大拉压刚度K max分别为:K i仝min4l max501 2 2.06 1054 1280(6 1)3.158 105N/mm 316N/ mKmaxd2E4l min502 2.06 1054 400(6 2)1.011 106N/mm 1011N/ m式中 E弹性模量。按近似估算，将丝杠本身的拉压刚度K乘以1/3，作为传动的综合拉压刚度 Ko，即:K0maxK0minK max3Kmin3101133163337N /(6 3)105.

20、33N /(64)反向死区误差计算2FcK。215.6105.334.0910所以能满足单脉冲进给的要求。计算由于传动刚度的变化的定位误差k，应使1K0min1215.6 (k F0(1K 0max1(6 6)1.4 m105.33337第七章、结构设计7.1、滚珠丝杠的支承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

21、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

22、整较易。因 此在进给传动中面对面组合用得较多。在此设计中采用了以面对面配对组合的60。角接触轴承，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。7.2、滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形，接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠 反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精

23、度。因此，滚珠丝杠螺母 副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高滚珠丝杠 螺母副的接触刚度。滚珠丝杠螺母副通常采用双螺母结构，如图 7 1所示1.滚珠螺母；2.紧定螺钉；3.支座；4.滚珠丝杠；5.调整垫片图71双螺母滚珠丝杠图中1代表滚珠螺母，3代表支座，螺母与支座之间有调整垫片，通过调整垫片来调节滚珠螺母与滚珠丝杠螺纹之间的间隙。通过调整两个螺母之间的轴向位置，使两个螺母的滚珠在承受载荷之前，分别与丝杠的两个不同的侧面接触，产生一定的预紧力，以达到提高轴向刚度的目的。调整预紧有多 种方式，上图所示的为垫片调整式，通过改变垫片的厚薄来改变两个螺母之间的轴向距离，

24、 实现轴向间隙消除和预紧。这种方式的优点是结构简单、刚度高、可靠性好。7.3、主要结构性能及特点的分析在本设计的进给系统中的主要结构零件是滚珠螺母丝杠，以下简要介绍其传动的形式 及主要主要特点。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变 为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝 杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副有多种结构型式。 按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。外循环回珠器用插管式的较多，内循环回珠 器用腰形槽嵌块式的较多。按螺纹轨道的截面形状分为单圆弧和双圆弧两种截形。由于双 圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形，因此目前普遍采用双圆弧截形的丝杠。按预加负载形 式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫 片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧。数控机床上常用双螺母垫片式预紧，其预紧 力一般为轴向载荷的1/3。滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：传动效率高、灵敏度高、传动平稳： 磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。第八章、总结与体会经过为期两周的奋战我的数控机床系统设计 课程设计终于完