数控机床进给系统传动设计

1、数控机床进给系统传动设计摘 要数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称 NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，CNC，驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。此次设计包括机床的总体布局设计，纵向进给设计。其中着重介绍了立柱和底座的结构及选用原则，系统地对结构和布局等环节进行了介绍。包括结构选择、材料选择、参数选择等。用数值解析法对数控铣床的床身结构进行了校核。关键词：数控机床；数控系统；电动机Control System Design of Econmical NC LatheAbstractThe

2、 numerical control lathe called the numerical control (Numbercal Control, is called NC) the engine bed. It is based on the numerical control, has used the numerical control technology, is loaded with the procedure control system the engine bed. It is by the main engine, CNC, the drive, the numerical

3、 control engine bed auxiliary unit, the programming machine and other some appurtenances is composed.This design including the engine bed overall layout design, longitudinal enters for the design,Also summarizes the technical parameters. Which focuses on the column and the base structure and selecti

4、on principles, systematically structure and layout and other aspects were introduced. Including structure selection, material selection, parameter selection. Numerical analysis method using CNC milling machine bed structure were checked. Keywords：Numerical control; Open-loop；Step motor目 录摘摘 要要.IABST

5、RACT.II第第 1 章章 绪绪 论论.11.1 数控机床的课题研究意义 .11.2 数控机床的发展及趋势 .11.3 数控铣床的工作原理、特点和结构及分类.3第第 2 章数控机床机械结构章数控机床机械结构.62.1 进给系统组成.62.2 传动系统方案确定.72.3 齿形带传动设计.92.3.1 带和带传动.102.3.2 齿形带的选择.112.4 丝杠螺母设计 .132.4.1 滚珠丝杠螺母副类型选择.142.4.2 滚珠丝杠螺母副型号及其校核.15第第 3 章章 进给传动部件的选型进给传动部件的选型.183.1 导轨的设计.183.1.1 导轨概述.183.1.2 直线运动导轨副的基本

6、截面形状分类.193.1.3 直线滚动导轨的选型.213.2 滚珠丝杠的设计.233.2.1 滚珠丝杠螺母副概述.233.2.2 滚珠丝杠螺母副的循环方式.243.2.3 滚珠丝杠间隙与调整.263.2.4 滚珠丝杠的选定原则.283.2.5 滚珠丝杠螺母副支撑方式的选择以及轴承的选择.293.3 电机的选择.353.3.1 电机概述.353.3.2 交流、直流电机的调速原理.353.3.3 交流伺服电动机的选择.413.4 联轴器选择.42第第 4 章章 Z 向进给传动部件的设计向进给传动部件的设计 .444.1 主切削力及其切削分力计算.444.2 导轨摩擦力计算.454.3 直线滚动导轨

7、的选型与计算.464.4 滚珠丝杠的设计计算.484.4.1 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力.484.4.2 滚珠丝杠的动负荷计算与直径估算.484.4.3 滚珠丝杠螺母副的承载能力校荷.554.5 机械传动系统的刚度计算.594.5.1 机械传动系统抗拉刚度计算.594.5.2 滚珠丝杠螺母副扭转刚度计算.624.6 机械传动系统的动态分析.634.7 机械传动系统的误差计算与分析.644.8 滚珠丝杠精度等级确定.65总总 结结.67致致 谢谢.69参考文献参考文献.70数控车床控制系统设计第 1 章 绪 论1.1 数控机床的课题研究意义 数控机床具有经济实用，结构简单，操作方便，价格低廉

8、的特点，驱动电机采用步进电动机，多数采用开环控制，由于数控系统具有较高的性能价格比，因而广泛地应用于机床产品的升级换代和普通普通机床的技术改造上。近年来，我国在经济系统的研究开发和生产上投入了大量人力和物力，在数控机床领域里经历了几个五年计划之后已经取得了可喜成果，数控机床在我国机床市场上占有较大比重，成为我国制造业不可或缺的一部分。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度。机床创造业是一个国家最基本的装备工业，是工业生产的技术基础。因此，它已成为衡量一个国对数控铣床床身的结构性能进行分析可以使设计者迅速找出原方案的不足之处，并对进一的优化过程提供参考和依据。尤其是计

9、算机辅助技术的发展和应用，使得在计算机上进行床身的性能分析变得高效可靠。由于国内外市场竞争的激烈，机床创造企业要想提高企业的竞争力就必须提高设计的效率，缩短设计的周期，降低成本，即利用最经济的材料最快速地生产出较高性能的机床。因此，尽可能的发挥材料的潜力。1.2 数控机床的发展及趋势早期计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还不大，不能适应机床实时控制的要求。它采用数字逻辑电路搭建一台机床专用计算机作为数控系统。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即 1952 年第一代电子管；1959 年第二代晶体管；1965 年第三代小规模集成电路。到 1970 年，通用小型计算机业已经出现并

10、成批量生产。其运算速度比五，六十年代有了大幅度的提高。于是将它一直过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(CNC)阶段。1971 年美国 INTEL 公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模集成电路集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR）,1974 年微处理器被应用于数控系统。到 1990 年数控系统进入了基于 PC 的时代。计算机数控阶段也经历了三代。即1970 年第四代-小型计算机；1974 年第五代-微处理器；1990 年第六代-基于PC（国外称为 PC-BASED） 。数控系统半个多世纪来经历了两个阶段六代的发展，只是发

11、展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便等极为关键的问题。因此，及时在工业发达的国家，数控系统大规模地得到应用和普及，也是在七十年代末八十年代初以后的事情，数控技术经历了三十年多的发展才走向普及和应用。数控机床是综合了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制、电机与拖动、电子和电力、精密测量、气液压及现代机械制造技术等多种先进技术的机电一体化产品。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正在向电气化、电子化、高速化、精密化等方面高速发展，数控铣床床身的研究和设计具有很高战略意义。数控铣床是世界上最早研制出来的数控机床。数控铣床加工范围广、工艺复杂、

12、涉及的技术问题多，是数控加工领域中具有代表性的一种机床。与普通铣床相比，数控铣床加工精度高，精度稳定性好，适应性强，操作劳动强度低，能够完成基本的铣削、镗削、钻削、攻螺纹及自动工作循环等工作，特别适应于板类、盘类、壳具类等复杂形状的零件或对精度保持性要求较高的中、小批量零件的加工。1.3 数控铣床的工作原理、特点和结构及分类1. 数控铣床的工作原理数控铣床根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺，选择加工参数。通过手工加工编程或利用 CAM 软件自动编程，将编好的加工程序输入到控制器。控制器对加工程序处理后，向伺服装置传送指令。伺服装置向伺服电机发出控制信号。主轴电机使刀具旋

13、转，X、Y 和 Z 向的伺服电机控制道具和工件按一定的轨迹相对运动，从而实现工件的切削。2. 数控铣床的结构数控铣床一般由铣床主机、控制部分、驱动部分及辅助部分等组成。（1）铣床主机。它是数控铣床的机械本体，包括床身、主轴箱、工作台和进给机构等。床身用于支撑和链接机床等各部件。主轴箱用于安装主轴。主轴下端用于安装铣刀。当主轴箱内的主轴电机驱动主轴旋转时铣刀能够切削工件。主轴箱还可沿着立柱上的导轨在 z 向移动使刀具上升或下降。工作台用于安装工件或夹具。工作台可沿床身上的导轨在 x 向移动，进给机构可沿工作台上的导轨在Y 向移动，从而实现工件在 X、Y 向还是 Z 向的移动都是靠伺服电机驱动滚珠

14、丝杠来实现。伺服装置用于驱动伺服电机。控制器用于输入零件加工程序和控制机床工作状态。控制电源用于向伺服装置和控制器供电。（2）控制部分。它是数控铣床的控制核心，执行数控加工程序控制机床进行加工。（3）驱动部分。它是数控铣床执行机构的驱动部件，它包括主轴电动机和进给伺服等。进给伺服由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。（4）辅助部分。它是数控铣床的一些配套部件，包括刀库、液压装置、气动装置、冷却系统、润滑系统和排屑装置等。3. 数控铣床的分类数控铣床一般分为立式数控铣床、卧式数控铣床和立卧两用数控铣床。数控铣床的自动化、高精

15、度、高效率要求数控铣床的床身结构具有优良的性能才能保证。这些特性包括床身结构的静刚度、抗震性、热稳定性、低俗运动的平稳性及运动时的摩擦特性、几何精度、传动精度等。4. 数控铣床的特点（1）零件加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件，如模具类零件、壳体类零件等。（2）能加工普通机床无法加工或很难加工的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件。（3）能加工一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件。（4）加工精度高、加工质量稳定可靠。（5）生产自动化程度提高，可以减轻操作者的劳动强度。有利于生产管理自动化。在现代制造业中对数控铣床的加工精度要求越来越高

16、，任何能够引起机床变形的因素都要考虑进去。数控系统的控制精度很高，而机床机械结构形式对机床加工精度的影响十分重要。对于数控铣床而言，床身一般采用”T”型结构和倒“T”型结构，他们都可以实现床身的全程支撑，而且加厚的底座对机床刚度影响也很大。但“T”型结构可以减少机床的热变形对机床加工精度的影响。因此，数控铣床采用“T”型床身。第 2 章数控机床机械结构2.1 进给系统组成各部分的工作原理简述如下：1、控制介质进行数控机床加工时，需在任何机床之间建立某种联系，以便机床正确的执行认的意图，这种进行联系的中间介质机控制介质又称为信息载体。信息以代码的形式存储在介质上，常用的控制节有：穿孔带、穿孔卡、

17、磁盘和磁带；最常用的十八单位标准黑色穿孔纸带。每行共 9 个孔，大孔为信息孔，其中 1。33 毫米；小孔为同步孔，其中 1。17 毫米。国际上通用的代码为 EIA 代码和 IS0 代码。2、计算机数控装置计算机数控装置是数控装置的核心，其绝大部分采用微型计算机控制；它有输入设备、输出设备、运算器、控制器和存储器组成。输入设备即把控制介质上的信息翻译成计算机能够识别的信息代码并送到指定的存储器中以便进行运算处理。输出设备即将经计算机处理过的信息代码经过翻译之后转变成机床能够执行的指令和人能够识别的信息符号。运算器是对计算机中的信息进行算术或逻辑运算的器件。存储器是用来存储计算机所需的各种信息代码

18、的器件。控制器是用来控制计算机内部的运算并按照一定的顺序使各个部件协调工作的部件。3、伺服机构伺服构的作用是把数控装蛊的运动指令转变成机床移动部件的运动，使工作台按照预先规定的轨迹运动，以便使加工出符合图纸要求的工件。伺服机构由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电机组成。常用的伺服电机有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。4、机床数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，它具有更好的抗震性和刚度，相对运动面的摩擦系数小，进给传动部份的间隙小的特点。5、测量装置测量装置江机床移动的实际位置、速度检测出来转变成电信号，并反馈至计算机中使计算机能随时判断机床的实际位置、速度与指令要求是否一致，并发

19、出相应指令纠正所产生的误差。2.2 传动系统方案确定三个进给运动的传动形式都是由伺服电机直接驱动丝杠靠滚珠丝杠螺母副传动。主传动形式有多种，包括：（1）一级带传动，传动平稳，极限转速低；（2）二级齿轮传动，恒功率变速范围大，结构复杂；（3）主轴电机直连主轴，主轴转速和电机保持一致；（4）电主轴，结构简单，机械性能好，价格昂贵，润滑冷却系统复杂。综上，主传动系统选用二级齿轮传动。1主传动系统主传动系统实现各种刀具和工件所需的切削功率，且在尽可能大的转速范围内保证恒功率输出，同时为使数控机床能获得最佳的切削速度，主传动须在较宽的范围内实现无级变速。现行数控机床采用高性能的直流或交流无级调速主轴电机

20、。主轴箱为两级齿轮传动，主轴为分段无级变速，从而扩大了主轴的恒功率变速范围。主轴支撑方式为两支撑。前轴承为一个双列圆柱滚子轴承和一对面对面排列的角接触球轴承，后轴承为一个单列圆柱滚子轴承动夹紧装置及切屑清除装置。机床的床身内部结构是由复杂的筋板组成，原始方案是在经验和类比的基础上设计的，因此会有一些不足之处，初设计时为了获得较高的强度，会采取较厚的筋板和较密的布局，出砂孔形状和尺寸也是依据经验模型进行设计。虽然可以获得较高的安全系数，但是会造成材料的浪费。由于材料的分布以及筋板的结构形式以及出砂孔形状和尺寸不是最合理的，会导致床身的某些局部刚度比较薄弱，从而整体刚度也相应降低。机床在工作中受到

21、内在热源和外在热源的共同影响，包括主轴的发热、切削热、导轨发热、冷却液流动传热以及环境温度的综合作用。床身部分也会受到一定的热源影响，由于受到约束，热变形不能自由扩展，就会产生热应力。机床的静态特性反映的是机床系统在受到静态的、不变的载荷作用时，结构或部件产生位移、应变和应力的状态。在相同的载荷下，位移、应变、应力愈小，则表示机床静态特性愈优良。通常可以用静刚度表示机床的静态特性。机床的动态特性反映的是机床系统受到动态变化的载荷作用时，其结构或部件产生振动和振型的状态。在某频率的动载荷作用下，机床的振型愈小，表示机床的动态特性愈优良，即机床结构的抗振能力愈好。通常用动刚度来表示机床的动态特性，

22、动刚度在数值上等于机床结构产生单位振幅所需的激振力；动刚度越大，则机床结构在一定激振力作用下，产生的振幅越小，其抗振能力越好。进行静动态分析的方法有数值解法、有限元方法和试验方法。数值解析法运用传统的材料力学、弹性力学、结构力学的知识对模型进行解析求解，具有较高的解析精度。静力分析是结构分析的基础，用于计算固定不变的载荷作用在部件或结构上引起的位移、应变、应力，这些载荷不包括惯性和阻尼。根据静力分析的结果可以了解结构的应力、应变最大处以及结构静刚度的分布情况。数值解析法采用材料力学、弹性力学、结构力学等知识，将结构尽量简化成杆、梁、面，然后解析求解。数值解析法是分析结构力学性能的主要方法。数控

23、铣床在静态和动态中可能产生的各种作用力，都直接或间接由床身来承受。床身主要受力有：（1)切削力，指 Fx进给抗力；Fy 一吃刀抗力；Fz 一主切削力。（2） 重力，指工件及机床重量。（3） 摩擦力，指移动部件和固定部件相对运动时导轨面间的摩擦力。（4） 夹紧力，连接工件和移动部件的连接力。（5） 惯性力。（6） 冲击或振动干扰力（外加激振力） 。（7） 热应力。2.3 齿形带传动设计带传动是利用张紧在带论上的带传递运动和动力；通常是靠带和带轮之间的摩擦力来传递动力的，也有靠带和带轮上的齿的啮合来传递动力的例如：同步齿形带。带的形式有：三角形带、平带、同步齿形带等。带的传动形式有：开口传动、交叉

24、传动、半交叉传动、张锦纶传动。2.3.1 带和带传动一、带的种类1)V 带。v 带有普通 v 带、窄 v 带和宽 V 带等类型。一般多使用普通的 v 带。v 带的结构为：顶胶、承载层、底胶、包布组成。窄 v 带采用合成纤维绳或者钢丝绳作为承载层，它传递的功率比普通的 v 带大，允许速度和曲挠次数高，传动的中心距较小。普通 v 带有 Y、Z、A、B、C、D、E 七种型号。普通的 V 带的承载层由胶帘布或者胶绳芯承担；适合高速传动。2)平带。胶帆布平带强度高、价廉，在平带中应用最多。此外，也有用麻、丝或者棉轮等材料贬值而成的编织带，承载层为涤纶绳，表面服役耐磨油胶布或者聚氨脂的高速胶带，也有以棉轮

25、片作为承载层的。带轮通常由三部分组成：轮缘、轮毂、轮辐。在结构上代轮应易于制造，能避免由于铸造而产生的内应力，重量应轻。高速带还要进行动平衡。带轮通常按照此公式计算：轮宽的计算公式：B=(z-1)e+2f；z-为轮槽数，e-为槽间距，f-为第一个槽的中点至端面的距离。Do=D+2h。：D-带轮计算直径，h。-轮缘的齿顶高。二、带传动带传动的主要几何参数有：中心距 a：带长 L；带轮直径 Dt，D。 ；包角 dt。带传动的力分析：带传动中呈环形，并以一定的拉力套在一对带轮上，使带和带轮互相压紧。当带轮不工作时两边的拉力相等。工作时，由于带和带轮之间的摩擦力使得带轮一边的拉力加大，而另外一边的拉力

26、减小，两者之差为带轮的有效拉力，它等于沿着带轮上的接触户的摩擦力之和。 ，在一定条件下，若阻力大于极限值，带就会出现打滑现象。有效力的计算如下：F=F1-F2=1000pv带的应力计算：1)紧变得应力计算：1=F1A2)松边的应力的计算：2=F2A式中：F1为紧边拉力；F2为松边拉力；A 为带的横截面。松边与紧边的应力差 ：=12=FA由于带轮是弹性体受力不同时，带的伸长量是不等的，从而使带发生打滑现象。打滑时，带的速度落后与带轮的速度。有如下措施可以提高带传动的工作能力：1) 增大摩擦系数；2)增大包角；3)尽量使传动在最佳速度下工作；4)采用新型带传动；5)采用高强度带材料。2.3.2 齿

27、形带的选择下表 2-1 是齿形带的计算校核方法公式表表 2-1计算项目符号设计公式计算功率PcP=KAP KW(K为同步齿形带的工作系数)选择带型和节距p查相关的图标进行选取传动比iI=n1/n210齿数Z1、Z2Z 1Z min;Z 2=IZ 2(Z min为小带轮的最小齿数，I为传动比)齿轮节园直径D1 D2D 1 =Z 1P/ mm, D 2=ZP/mm带速vV=D1n1/601000vmax m/s初定中心距a0.7(D1-D2)a2(D1+D2)带长及其齿数LAa 1D mL=(D+D)/2+r(D 2-D 1)/2+2acos(r/2)D m+2a+2/aA=(L-D M)/4+(

28、l-D M) 2-82) 1/2/4a 1 =180 0-(D 2-D 1)/a)60 0上式中：D m=(D 2+D 1)/2, =(D 2-D 1 /2R(D 2-D 1)/aCos(r/2) 1-(r/2) 2/2实际中心距AA=(L-d m)/4(L-d) 32-8 2) 1/2 /4小带轮啮合齿数Zm Zm=Z12一PZ1 (Z2-Z1)20a (圆整成整数)基本额定功率Po Po=(Fa-qv2) v1000 kWPo-同步带基准宽度b。所能传递的功率Fa-基准宽度b。同步带的许用拉力q-基准宽度为b。的同步带质 量带宽b B=b。(PC(KZP。) 1.14mm K。-啮合齿数系

29、数剪切应力计算=PC /(1.44mbzMu)103比压验算ppP=PC/(0.6mbSZ1Mu)103PP-许用比压轴上载荷F F =1000P N2.4 丝杠螺母设计 滚珠丝杠螺母副由专门的工厂制造，当类别、型号选定和校核后，可以外购。滚珠丝杠螺母副按其工作方式可以分为：钢球循环方式、循环列数与圈数、预紧方式；钢球循环方式又可以分为：内循环反向器式和外循环插管式；预紧方式也可以分为：单螺母和双螺母滚珠丝杠。按丝杠的旋向也可以分为右旋和左旋丝杠；按其螺母副的类型可以分为：定位滚珠丝杠螺母副和传动滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠的精度等级有：1，2，3，4，5，7，l0 七个精度等级 钢珠在丝杠和螺母

30、之间的滚动是一个循环闭路。钢珠的每一个循环闭路称为列，每个钢珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2 列、3 列、4 列、5 列等几种，每列只有一圈。为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的刚度，可以加预紧力，使它在过盈的条件下工作，这种工作方式称为预紧。常用的预紧方式有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧，预紧后的刚度可以提高两倍。但是预紧力过大，丝杠的寿命2.4.1 滚珠丝杠螺母副类型选择主要的参数及代号 1滚珠丝杠副的主要参数 (1)公称直径 dm，公称直径即丝杠螺母副的名义直径，dm 越大，承载能力和刚度越大。数控机床上常用的进给丝杠的直径为：30 mm

31、至 80mm。 (2)基本导程 L0。丝杠相对于螺母旋转 2rad 时，螺母的轴向位移。基本的导程称为螺距。它按程载力选取，并与进给的脉冲当量有关。 (3)精度等级。滚珠丝杠可以分为 7 个精度等级，即 I、2、3、4、5、7、10七个精度等级，1 级最高，其次递减。一般选用 4 级7 级，数控机床及精密机械可选用 2 级3 级。滚珠丝杠副的精度直接影响定位精度、承载能力、接触刚度，因此它丝滚珠丝杠副的重要质量指标。 2滚珠丝杠副代号的标注 滚珠丝杠副的标注顺序为：循环方式、预紧方式、结构特征、公称直径、公称导程、螺纹旋向、负载钢球圈数、类型、精度等级。例如：CDMSOl0 一 3 一P3，其

32、中 c 表示外循环方式，D 表示双螺母垫片预紧方式，M 表示导珠管埋入式，50 表示公称直径，3 表示负载钢球圈数，P 表示选用定位滚珠丝钢副，3 表示精度等级为 3 级。2.4.2 滚珠丝杠螺母副型号及其校核一、最大工作载荷计算 丝杠上的工作载荷 FM 是指滚珠丝钢负载驱动工作台时滚珠丝钢所承受的轴向力，也叫进给牵引力。它包括三个力：滚珠丝钢的走刀抗力、工件的重力、作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。矩形导轨的工作载荷 FM 的计算公式为： FM=KFL+f (FV+FC+G) 其中：FL 为工作台的进给方向的载荷；FV 为垂直方向的载荷；FC 为横向的工作载荷。对不同的导轨，工作载荷的

33、计算公式是不同的，实验系数 K 和导轨上的摩擦系数 f 也是不同的。二、最大动载荷的计算及主要尺寸的初选 滚珠丝杠的最大载荷 c 可用下列公式计算：C=L fmFm式中：L 为工作寿命，单位 106r，L=60ntl06：n 为丝杠转速(rmin)n=i000vL0：v 为最大切削力条件下的进给速度(mmin)，可取最高进给速度的 l213：L0 为丝杠基本导程(m)：t 为额定使用寿命(h)，可取t=15000h：fm 为运转系数，无冲击时 l12，一般情况下取 1215 有冲击振动时取 l525：Fm 滚珠丝杠工作载荷(N)。选尺寸时，额定动载荷需大于最大动载荷。三、传动效率的计算 用查表

34、法选型号查出；0 为摩擦角；滚珠丝杠副的传动效率较高，一般在08O9 之间。四、刚度的验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响定位精度和运动平稳性。滚珠丝杠副的轴向变形包括：丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 滚珠丝杠的扭转变形较小可以忽略不计，螺母座的只要设计合理，器变形量也可以忽略不计。对于轴承的轴向接触变形，只要滚珠丝杠支承的刚度设计的好，轴向接触变形也可以忽略不计。 1丝杠的拉压变形量的计算 11=FmLEA(mm) 式中： 为在工作载荷 Fm 作下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量(mm)

35、;Fm 为丝杠的工作载荷(N)：l 为滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm)；E 为材料弹性模量，E=206104Mpa；A 为按内径确定的横截面积(mm 2)“+”号用于拉伸；“一”用于压缩。 2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 无预紧时 2=00038(FmZ) 2D，) 1/3。(mm) 有预紧时 2=0O013Fm(DwFzyZ2) 1/3(mm) 式中：Dw为滚珠直径(mm)；Z：滚珠总数量 Z=z圆数列数；Z 为滚珠一圈的滚珠数，z=dM /dW(外循环)，z=(dmDw)一 3(内循环)；dm为滚珠丝杠的公称直径(mm)；Fyj，为预紧力；Fm为滚珠丝杠工作载荷。 3滚珠丝杠副刚度的

36、验算 丝杠的总变形量 =1+2应小于允许的变形量。 五压杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向力过大时，使丝杠失去稳定而产生纵向弯曲即失稳。失稳时的临界载荷 Fk为：Fk=fZ 2EIL2 (N) 式中：E 为杠材料弹性模量，对于钢 E=206104Mpa；I 为截面惯性距，对丝杠圆截面 I= d4164(mm)(d1为丝杠底径)；L 为丝杠最大工作长度(mm)fz为丝杠支承方式系数。 临界载荷 F。与丝杠工作载荷 FM 之比称为稳定性安全系数 n。：若 n。大于许用安全系数n。，则滚珠丝杠稳定即 Nk=FkFMnk。否则失稳。六、一滚珠丝杠副安装时应注意以下几点。 1丝杠不能

37、外露； 2螺母在有效行程内配置限位装置以避免滚珠流失；3滚珠丝杠必须润滑，常用锂树脂。第 3 章 进给传动部件的选型3.1 导轨的设计3.1.1 导轨概述导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。如图4-1。在导轨副中，运动的一方称为支承导轨。动导轨相对与支承导轨运动，通常作直线运动和回转运动。 图3-1 导轨外形图导轨应满足的基本要求： 1导向精度。主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度或圆度。影响它的因素有：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨 的油膜厚度、油膜刚度等。 2耐磨性。主要是导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。因导轨在工作

38、过程中难免有所磨损，所以应力求减小磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。 3疲劳和压溃。由于过载或接触应力不均勾而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。疲劳和压溃是滚动导轨失效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载荷和受载的均匀性。 4刚度。导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。 5低速运动平稳性。低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差

39、值，以及导轨的刚度等有关。 6结构工艺性。设计导轨时，要注意制造、调整和维修的方便，力求结构简单，工艺性及经济性好。3.1.2 直线运动导轨副的基本截面形状分类表 3-1 直线运动导轨副的基本截面形状分类 1矩形导轨矩形导轨易加工制造，刚度和承载能力大，安装调整方便，起主要导向作用的磨损后不能自动补偿间隙，需要有间隙调整装置。它使用于载荷大且导向精度要求不高的机床。 2三角导轨 磨损后可以自动补偿，不产生间隙，导向精度高，但仍需设置压板面间隙调整装置。三角形顶角夹角为90，若重型机床承受载荷大时，为增大承载面积，夹角可取90120,但导向精度差。精密机床可以采用小于90 C的夹角，以提高导向精

40、度。 3燕尾形导轨 这是封闭式导轨中接触面最少的一种结构，磨损后不能自动补偿间隙，需要用镶条调整。燕尾形导轨制造、检验和维修较复杂，摩擦阻力大，可以承载颠覆力矩，刚度较差。 4圆柱形导轨 这种导轨刚度高，易制造，外径可磨削，内孔可以用研磨达到精密配合，但磨损后间隙调整困难。它适用形式取决于轴向载荷的场合，如压力机，机械手等。3.1.3 直线滚动导轨的选型图3-2 导轨内部结构图 图3-3 滚动导轨截面图直线滚动导轨由直线滚动导轨副、滑块、刚球、反向器、保持架、密封端盖及挡板组成。如图4-2和图4-3所示。当导轨与滑块做相对运动时，钢球就沿着导轨上的滚道滚动。在滑块的端部，钢球又通过反向装置进入

41、反向孔后再进入导轨上的滚道。钢球就这样周而复始地进行滚动运动。反向器两端装有防尘密封端盖，可以有效防止灰尘、屑末进入滑块内部。直线滚动导轨具有以下优点：1直线滚动导轨是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低了两者之间的运动摩擦阻力，从而可获得以下的优异性能： （1）导轨的动、静摩擦系数差别小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有效提高了数控系统的响应速度和灵敏度； （2）滑动功率大大下降，只相当普通机械的1/10 ； （3）与滑动导轨子导轨相比，摩擦力可下降约40倍； （4）适用于高速直线运动，运动速度比滑动导轨提高约10倍； （5）可以实

42、现较高的定位精度和重复定位精度。 2可以实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 3成对使用导轨时，具有“误差均化效应”，从而可以降低基础件（滑轨安装面）的加工精度要求，降低基础部件的机械制造成本与难度。 4简化了机械结构的设计和制造。滚动直线导轨除了具有以上优点外，还具有安装和维修都比较方便的优点。由于它是一个独立的部件，对机床支撑部件部分的技术要求不高，既不需要淬硬也不需要磨削或刮研只需要精铣或精刨。由于这种导轨可以预紧，因而比滚动体不循环的滚动导轨刚度高，承载能力大，但不如滑动导轨，抗振动和冲击载荷的机床不宜使用直线滚动导轨副。图3-4 导轨安装结构示意图由于滚动直线导轨具有以上优点，因

43、此数控机床的导轨选型为直线滚动导轨，从平稳和承载方面思考导轨副采用每根导轨两个滑块。3.2 滚珠丝杠的设计3.2.1 滚珠丝杠螺母副概述 滚珠丝杠螺母副是数控机床的进给传动系统中，将回转运动与直线运动相互转换的传动装置。 1滚珠丝杠螺母副工作原理 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，其结构如图4-5所示。在丝杠3和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽，当它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，并在滚道内装满滚珠2。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（或滚珠丝杠）轴向移动。1-螺

44、母；2-滚珠；3-丝杠；4-滚珠回路装置；5-端盖图3-5 滚珠丝杠的结构图及外形图2滚珠丝杠螺母副的特点 （1）传动效率高，摩擦损失小。 （2）给予适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时就可以消除空载死区。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，可从转动运动转成直线运动，也可从直线运动转成旋转运动。 （5）磨损损失小，使用寿命长。 （6）制造工艺复杂。 （加工精度、表面粗糙度、要求高，故成本高） （7）不能自锁。 （特别是对于垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的作用，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故需要增加制动装置。

45、）3.2.2 滚珠丝杠螺母副的循环方式 1外循环（如图3-6）：用回珠器将螺旋滚道的两端连接起来，使返回的滚珠与丝杠外圆不接触。回珠器在螺旋滚道的两端还能起到挡珠的作用。 优点：结构简单，容易制造，应用广泛。 缺点：丝杠螺母径向尺寸较大，因用回珠器的弯管端部作挡珠器，故刚性差，易磨损，噪音大。图3-6 外循环 2内循环（如图4-7）： 采用反向器将滚珠返回，返回的滚珠经过反向器的滚道和丝杠的外圆之间组成的滚道返回。 优点：螺母径向尺寸小，结构紧凑。同时，反向器在螺母中的定位可靠，刚性好，不易磨损。由于返回滚道短，不易发生滚珠堵塞。 缺点：结构复杂，制造困难。图3-7 内循环3.2.3 滚珠丝杠

46、间隙与调整 1滚珠丝杠的间隙 间隙是指丝杠与螺母之间无相对转动时丝杠与螺母间的最大轴向窜动量，是轴向间隙。该间隙是由两部分组成： （1）结构本身存在的游隙。 （2）施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量。 2滚珠丝杠的预紧 预紧的目的是通过预紧措施来消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙，以达到提向轴向刚度和传动精度的目的。预紧的条件是采用双螺母，预紧方式有三种： 第一种：双螺母螺纹调隙结构（如图4-8所示）图3-8 双螺母螺纹调隙结构 用键限制丝杠螺母在螺母座(套筒)内转动。调整时，首先松开锁紧螺母，转动圆螺母，使左丝杠螺母沿轴向向左移动一定距离，即可先把丝杠与左丝杠螺母间的间隙消除。然后左丝杠

47、螺母带动丝杠继续向左移动,即可将丝杠右螺母与丝杠间的间隙消除。滚珠受压而产生一定的弹性变形，从而增大滚珠与丝杠、滚珠与丝杠螺母之间的接触面积，从而达到提高刚度并预紧的目的。最后将锁紧螺母拧紧。 第二种：双螺母垫片调隙结构（如3-9图所示）图3-9 双螺母垫片调隙示意图通过调整垫片的厚度来使左右两个丝杠螺母产生轴向位移，即可达到消除间隙的目的并进行预紧。调整时，通过修磨垫片的厚度，将左螺母通过螺钉把在螺母座上。使左螺母相对丝杠向右移动，即可消除左螺母与丝杠的间隙。该间隙消除后，继续旋转螺钉使左螺母与丝杠一起继续向右移动，此时，右螺母相对丝杠左移，即可消除右螺母与丝杠的间隙。 第三种：双螺母齿差式

48、调隙结构（如3-10图所示）图3-10 双螺母齿差式调隙结构 结构上，在两个丝杠螺母的凸缘上各制成有一个圆柱齿轮，两个齿轮的齿数只相差一个齿，即Z2Z1=1，再制作两个内齿圈，其齿数与外齿数分别相同，并用螺钉和销子固定在螺母座的两端。 调整时，先将内齿圈取下，根据间隙的大小调整两个丝杠螺母同向相对丝杠转动了一个齿或多个齿。使两个丝杠螺母在轴向移动了相应的距离，则使两丝杠螺母在轴向靠近。从而达到消除间隙，并预紧的目的。三种调隙方法比较： （1）双螺母螺纹调隙法、双螺母垫片调隙法，结构简单，调整方便，但调整精度低。 （2）双螺母齿差式调隙法，结构复杂，但调整精度高。三种调隙方法的实质：都是设法使两

49、个丝杠螺母在丝杠轴上产生轴向相对移动，使两个丝杠螺母之间的轴向距离发生变化，从而消除丝杠与螺母之间的间隙。3.2.4 滚珠丝杠的选定原则1选择滚珠丝杠的原则： （1）根据滚珠丝杠的定位精度来选择滚珠丝杠的精度。 （2）根据载荷的大小来选定丝杠的直径。 （3）对丝杠的扭转刚度、压曲刚度、临界转速与工作寿命进行必要的验算。2机床定位精度要求与滚珠丝杠的丝杠精度机床定位精度反映了数控机床的制造精度要求，是标准规定的。一般来讲，影响机床定位精度的主要因素有： （1）进给传动链的间隙； （2）滚珠丝杠支承系统的轴向刚度； （3）滚珠丝杠自身的精度，如：螺距误差、热伸长等。 滚珠丝杠自身的精度主要是指滚珠

50、丝杠的螺距误差和热伸长。它们对机床定位精度的影响最明显。 （1）螺距误差是在滚珠丝杠制造中产生的误差。为了减小螺距误差，在设计时应尽提高滚珠丝杠的精度等级。一般来讲，滚珠丝杠的精度等级可以分为4级： P普通级，适用于普通机床。 B标准级，适用于一般数控机床。 J精密级，用于精密机床、普通数控机床、数控铣床。 C超精密级，用于精密机床、精密数控机床、精密数控铣床。 （2）热伸长滚珠丝杠在运转过程中，不可避免的要产生热伸长。它将直接影响机床的定位精度。因此，选择滚珠丝杠的精度时，要使滚珠丝杠的精度与机床的定位精度要求相适应。选择滚珠丝杠的预拉伸支承方式来消除滚珠丝杠因热变形引起的定位误差。3.2.

51、5 滚珠丝杠螺母副支撑方式的选择以及轴承的选择为了满足数控机床各进给系统高精度、高刚度的要求，除了应该采用高精度、高刚度的滚珠丝杠螺母副外，还必须充分重视支承的谁。应注意选用轴向刚度高，摩擦力矩小，运转精度的轴承，同时选用合适的支承方式，并保证支承座有足够的刚度。图 3-11 双螺母滚珠丝杠结构图 1滚珠丝杠螺母副支承方式的选择支承的作用是用来限制两端固定轴向转动，其支承方式有三种，如表4-2所示。表3-2 滚珠丝杠支承结构形式特点及应用支承方式系数支持形式简图1f2f特点及应用一端固定一端自由（F-O）0.251.8751、结构简单2、丝杠的轴向刚度比两端固定低3、丝杠的压杆稳定性和临界转速

52、都较低4、设计时尽量使丝杠受拉伸5、适用于较短和竖直的丝杠一端固定一端游动（F-S）2.03.9271、需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难2、丝杠的轴向刚度和 F-O 相同3、压杆稳定和临界转速比同长度的 F-O 型高4、丝杠有热膨胀的余地5、适用于较长的卧室安装丝杠两端固定（F-F）4.004.7301、只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的 4 倍2、丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高3、可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但需一套预拉伸机构，结构及工艺都比较复杂4、需进行预拉伸，其目标行程应小于公称行程，减少量等于拉伸量5、适用

53、于对刚度和位移精度要求高的场合注：0L核算压杆稳定性的支承距离；Lc核算临界转速的支承距离。 2轴承选择滚珠丝杠所用轴承的类型根据滚珠丝杠螺母副支撑方式的不同而不同。各种滚动轴承特点比较如下表 3-3。表表 2-4 丝杠常用支承常用轴承特点及应用丝杠常用支承常用轴承特点及应用滚动轴承类型轴向刚度轴承安装预载调整摩擦力矩应用60接触角推力角接触球轴承大简单不需要小应用广泛刚度要求变动场合双向推力角接触球轴承中简单不需要小轴向刚度要求高的场合圆锥滚子轴承小简单内圈间有大轴向刚度要求不高隔套时需调整的场合滚针和推力滚子组合轴承特大简单不需要特大用于大牵引力高刚度的大型，重型机床深沟球轴承和推力轴承组

54、合大复杂麻烦小应用较少 3组配方式的选择 （1）背靠背组配（DB方式）：这种组配方式的受力作用线向外侧发散，所以轴承间的有效支点距离增大。这种组配方式可以承受双向的轴向载荷和径向载荷，并且有较大的承受倾斜力矩的能力。 （2）面对面组配（DF方式）：这种组配方式受力作用线向内侧收敛，所以轴承间的有效支点距离缩小。这种组配方式也可以承受双向载荷和径向载荷，但承受倾斜力矩的能力较差，并会较多地降低极限转速，一般适用于需要精密调心的场合。 （3）串联组配（DT方式）：这种组配方式的受力作用线平行，所以除径向载荷外仅能承受单向的轴向载荷。若有另一方向的轴向载荷，则需要由另一组面向相反额轴承来承受。图 3

55、-12 接触角推力角接触球轴组配方式 轴承的组合方式是根据轴向和径向承载力的大小和确定，由设计要求给定的的轴的承载重量可以的参数来确定轴承合适的组数和合理的组合方式。 4轴承密封形式采用毛毡密封，且使用单毡圈式，由于毛毡与轴之间的摩擦角大，长期使用易把轴磨出沟槽，一般多采用轴套与毛毡圈接触的结构。如下图 4-13 所示图 3-133.3 电机的选择3.3.1 电机概述 1伺服电机在伺服系统中占有重要地位 数控机床对伺服系统的技术要求，主要是靠伺服电机来实现的。其性能的好坏在很大程度上影响着伺服系统的性能。 2种类 （1）步进电机 （2）直流（交流）伺服电机 （3）永磁式大惯量伺服电机（70 年

56、代中期发展起来的）3.3.2 交流、直流电机的调速原理图 3-14 交流、直流电机 1直流电机的调速原理（1）基本结构定子（磁极）产生磁场，转子（电枢、电刷、换向片）产生转矩。（2）工作原理 转子上的载流导体在定子磁场的作用下，产生电磁转矩，使转子旋转。（3）调速原理与方法 根据电机的转速公式：n=（U-IaRa）/Ke 有三种调速方法： （1）改变电枢电压 U向低调速。调速范围大并且调速不改变转矩。（2）改变磁通量向高调速。适用于主传动系统的调速。（3）在电枢回路中串接电阻 Rt只能向低调速。不经济。图3-15 直流电机的调速原理 2交流电机的工作原理 在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步

57、型和异步型（感应电机）两种。数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机，主要因为永磁同步电机的容量 做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。 交流电机调速有三种方式： （1）恒转矩调速 （如图 3-16 恒转矩调速

58、特性曲线） 由转子电流与主磁通作用而产生的电磁转矩公式可知，T 与 m、I2 成正比。要保持 T 不变，即要求 U1/f1 为常数，可以近似地维持 m 恒定。保持 U1/f1 为常数进行变频调速时，这些特性曲线的线性段基本平行，类似直流电机的调压特性。但最大转矩 Tm 随着 f1 下降而减小。这是因为 f1 高时，E1 数值较大，此时定子漏阻抗压降在 U1 中所占比例较小，可以认为 U1 近似于定子绕组中感应电势E1。而当 f1 相对很较低时，E1 数值变小，U1 值也变小，此时定子漏阻抗压降在U1 中所占比例增大，E1 与 U1 相差很大，所以 m 减小，从而使 Tm 下降。 图 3-16

59、恒转矩调速特性曲线 图 3-17 恒 Tm调速特性曲线 图 3-18 恒功率调速特性曲线 （2）恒最大转矩（Tm）调速（如图 3-17 恒 Tm调速特性曲线） 为了在低速时保持最大转矩 Tm 不变，就必须采取 E1/f1=常数的协调控制，显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。对应于同一转矩，转速降基本不变，即直线部分斜率不变，机械特性平行地移动。 （3）恒功率调速（如图 3-18 恒功率调速特性曲线） 为了扩大调速范围，可以在额定频率以上进行调速。因电机绕组是按额定电压等级设计的，超过额定电压运行将受到绕组绝缘强度的限制，因此定子电压不可能与频率成正比地提高。若频率上升，额定电压不变，那

60、么气隙磁通 m 将随着 f1 的升高而降低。这时，相当于额定电流时的转矩也减小，特性变软。随着频率增加，转矩减少，而转速增加，可得近似恒功率的调速特性。 3交流和直流伺服电机性能比较 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号） ，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 （1