数控机床进给系统设计示例

1、注：下面内容中所指：横向即为X轴方向,纵向即为Y轴方向最大加工直径为400和500mm的设计方案确定计算内容和公式与320mm的一样，把各自的参数代入即可。总体方案设计的内容接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟订总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计计算。机床数控系统总体方案的拟订包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的的选择，执行机构的结构及传动方式的确定，计算系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。2.2 总体方案设计 设计任务用微机数控技术改造最大加

2、工直径为320毫米普通车床的进给系统主要技术参数：最大加工直径（mm） ： 在床身上：320 在床鞍上：175最大加工长度（mm） ： 750溜板及刀架重量（N） ： 纵向：800 横向：400刀架快移速度（m/min） ：纵向：2 横向：1主电机功率 （KW） ：3起动加速时间（ms） ：25 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床应具有定位，直线插补，顺。逆圆，暂停，循环加工，公英制罗纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。（2）数控系统根据机床要求，采用8位微机。由

3、于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的80C51单片机扩展系统。控制系统由微机部分，键盘及显示器，I/O接口，步进电机驱动器等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用液晶显示模块显示加工数据及机床状态等信息。（3）机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高刚度和消除间隙。采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要消除齿侧间隙的结构。综上所述，系统总体方案框图见下图。机床进给系统机械部分设

4、计计算，横向的分辨率为。所以对于数控车床Z轴：对于数控车床X轴：纵向进给丝杠因为Z向为矩形-三角形导轨，计算进给力式中G移动部件的重量 G=800N导轨上的摩擦系数，随导轨型号而不同K考虑颠复力矩影响的实验系数在正常情况下：K，可取以下数值：燕尾形导轨：三角形或综合形导轨：计算最大动载荷Q式中 L寿命，以转为一单位，-为丝杠转速，（r/min）-为丝杠导程 取,对于数控车床T=15000h_运转系数，为一般运转，取为最大进给速度的（），因为，所以=m/min所以r/min所以根据它的动载荷选用济宁市化珠机械有限公司GD系列规格代号为2506-2的内循环螺纹预紧双螺母式滚珠丝杠副，额定动载荷为

5、9.3KN ，1列2圈。（1） 丝杠的拉伸或压缩变形量丝杠导程的变化量为：总长度L=850mm,丝杠上的变形量，由于两端采用推力球轴承，则值：（2） 滚珠丝杠与螺纹滚道之间接触变形由于钢珠直径=4mm承载滚珠数量由于对滚珠丝杠副施加预应力，且预紧力为轴向负载的1/3，则变形所以总的变形量所以满足要求合格。横向进给丝杠在X轴方向上，因为横向为双燕尾形导轨：计算最大动载荷Q式中 L寿命，以转为一单位，-为丝杠转速，（r/min）-为丝杠导程 取对于数控车床T=15000h运转系数，为一般运转，取为最带进给速度的（），因为，所以=m/min=r/minN根据它的动载荷选用济宁市化珠机械有限公司G系列

6、规格代号为2005-2的内循环螺纹预紧双螺母式滚珠丝杠副，额定动载荷为6KN，1列2圈。(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量丝杠导程的变化量为：总长度L=240mm,丝杠上的变形量，由于两端采用推力球轴承，则值:(2) 滚珠与罗纹滚道见的接触变形由于滚珠直径=承载滚珠数量由于滚珠丝杠副施加预紧力且预紧力为轴向载荷的1/3则变形mm所以总的预紧所以所选的滚珠丝杠螺母副符合要求。（1） 已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选电机步距角，可以计算出传动比，根据公式得，因为，所以用一对齿轮传递由此可选定齿轮数为（2） 已确定横向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选电机步距角，可以计算出传动比，根据公式得，因

7、为，所以用两对齿轮传递，由此可选定齿轮数为因为进给运动齿轮受力不大，所以模数取纵向步进电机的计算和选型1. 等效转动惯量计算步进电机有步距角，（涉及到相数）静转矩及电流三大要素组成。三大要素确定下来步进待年纪的型号便确定下来。考虑到经济性，实用性及精度。选择二相的混合式步进电机，步矩角为0.9。由此，我选用北京和利时电机技术有限公司生产的86BYG250BSAFRBL0402二相混合式步进电机。它的相关参数如下图传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可有下式计算：式种步进电机转子转动惯量，齿轮，的转动惯量滚珠丝杠的转动惯量所以=3=，因为，所以所选电机转动惯量合格合格2. 电机力矩计算（1） 快

8、速空载起动力矩快速空载起动力矩，空载起动时折算到电机轴上的加速力矩折算到电机轴上的摩擦力矩，由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 式中为起动加速时间=25ms 式中=/min是刀架快速移动速度所以=所以， =折算到电机轴上的摩擦力矩： 式中=（），i为传动比的倒数，为导程。附加摩擦力矩：，式中为预紧力为计算进给力的。=,上述三项合计：所以（2） 快速移动时所需力矩：（3） 最大切削载荷时所需力矩：从上面计算可以看出，三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据=232.5N.cm,。，所以而上述北京和利时电机技术有限公司生产的86BYG250BSAFRBL3.

9、计算步进电机空载起动频率频率和切削时的工作频率，式中=2m/min是刀架快速移动速度，=/min是最大进给速度.再根据该步进电机的矩频特性图86NBYG250B-SABRBL-0402步 距 角：驱动方式：双极恒流接线方式：高速方式根据矩频特性图得转矩和上面所计算得到的频率找出在此频率下电机不失步所转矩得出：而,综上所述所选步进电机合格。横向步进电机的计算和选型 1. 等效转动惯量计算根据上述类比，在横向上我们选择北京和利时电机技术有限公司生产的86BYG350AHSAKSML0201型号步进电机，它的相关技术参数如下图：。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可有下式计算：式种步进电机转子转动

10、惯量，齿轮，的转动惯量滚珠丝杠的转动惯量根据公式算出等效转动惯量：所以又因为要满足所以=满足上述要求所以所选电机转动惯量合格。2. 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：（1） 快速空载起动力矩：在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下：， 将前面数据代入，式中各符号同纵向：所以折算到电机轴上的摩擦力矩：=附加摩擦力矩：上述三项合计：（2） 快速移动时所需力矩：（3） 最大切削时所需力矩：从上面计算可以看出，三种工况下，以最大切削所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。当步进电机采用三相六拍时，所以而上述北京和利时电机技术有限公司生产的86BYG350BHSAKSHL02013. 计算步进电机空载起动频率频率和