数控技术综合训练

数控技术综合训练（三）机自15-4

xxx目录第一章绪论第二章机床总体方案设计第三章伺服系统设计第四章数控铣床XYZ轴进给系统设计第五章机床导轨设计第一章绪论1.XK712铣床的结构及使用要求分析1.1铣床介绍XK712立式数控钻铣床是一种小型规格、高效通用的自动化机床，机床操作系统为广州数控980MD系统，该系统可控制三个坐标轴：X、Y、Z三轴直线插补,该机配有先进的数字控制系统，通过CNC编程，在一次装夹中可自动完成铣、镗、钻、铰等多种工序的加工节省工装，缩短生产周期，提高加工精度。进给速度倍率随时可调，160*128点阵液晶显示器。机床适用于加工批量钻、铣、镗中、小型零件，可一人操作多台机床，大大提高加工效率，降低加工效率，降低人工成本，操作简单，普通工人稍加培训即可操作。是机械制造、模具制造以及教学等应配置的重要设备。若选用数控转台，可扩大为四轴控制，实现多面加工。第二章机床总体方案设计2.1机床结构简图2.1主轴的材料选择从多方面考虑选用40Cr为本次数控铣床主轴材料。2.2主轴主要结构参数的确定主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈D1和D2，主轴内孔直径d，主轴主要支撑间的跨距L。这些参数直接影响主轴旋转精度和主轴的刚度。取主轴的最小直径=80mm，最小直径本应该是后轴颈，但是考虑到轴承的轴向固定采用锁紧螺母，应留锁紧螺母的位置。考虑到轴上装轴承，有配合要求，应将后轴颈的直径圆整到标准直径，同时要考虑到选择轴承的类型，还有一个键槽的关系，还有主轴是中空电机直接带动主轴转动的，考虑到主轴的刚度和强度，因此选择后轴颈的直径=160。第三章伺服系统设计

数控装置所产生的进给差插补脉冲信号送给伺服系统，由伺服系统控制伺服电机驱动机床上各个进给轴，实现机床加工进给运动。3.1伺服系统概述伺服系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

伺服系统主要由三部分组成：控制器，功率驱动装置，反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。3.1.1伺伺服系统的的特点伺服系统的只只要特点：1、精确的检检测装置：以以组成速度和和位置闭环控控制；2、有多种反反馈比较原理理与方法：根根据检测装置置实现信息反反馈的原理不不同，伺服系系统反馈比较较的方法也不不相同。常用用的有脉冲比比较、相位比比较和幅值比比较3种；；3、高性能的的伺服电动机机(简称伺服服电机)：用用于高效和复复杂型面加工工的数控机床床，伺服系统统将经常处于于频繁的启动动和制动过程程中。要求电电机的输出力力矩与转动惯惯量的比值大大，以产生足足够大的加速速或制动力矩矩。要求伺服服电机在低速速时有足够大大的输出力矩矩且运转平稳稳，以便在与与机械运动部部分连接中尽尽量减少中间间环节；4.宽调速范围的的速度调节系系统，即速度度伺服系统：：从系统的控控制结构看，，数控床的位位置闭环系统统可看作是位位置调节为外外环、速度调调节为内环的的双闭环自动动控制系统，，其内部的实实际工作过程程是把位置控控制输入转换换成相应的速速度给定信号号后，再通过过调速系统驱驱动伺服电机机，实现实际际位移。数控控机床的主运运动要求调速速性能也比较较高，因此要要求伺服系统统为高性能的的宽调速系统统。3.1.2伺伺服系统的基基本要求对伺服系统的的基本要求有有稳定性、精精度和快速响响应性。稳定性好：作作用在系统上上的扰动消失失后，系统能能够恢复到原原来的稳定状状态下运行或或者在输入指指令信号作用用下，系统能能够达到新的的稳定运行状状态的能力，，在给定输入入或外界干扰扰作用下，能能在短暂的调调节过程后到到达新的或者者回复到原有有平衡状态；；精度高：伺服服系统的精度度是指输出量量能跟随输入入量的精确程程度。作为精精密加工的数数控机床，要要求的定位精精度或轮廓加加工精度通常常都比较高，，允许的偏差差一般都在0.01～～0.00lmm之间；；快速响应性好好：有两方面面含义，一是是指动态响应应过程中，输输出量随输入入指令信号变变化的迅速程程度，二是指指动态响应过过程结束的迅迅速程度。快快速响应性是是伺服系统动动态品质的标标志之一，即即要求跟踪指指令信号的响响应要快，一一方面要求过过渡过程时间间短，一般在在200ms以内，甚至至小于几十毫毫秒；另一方方面，为满足足超调要求，，要求过渡过过程的前沿陡陡，即上升率率要大。节能高：由于于伺服系统的的快速相应，，注塑机能够够根据自身的的需要对供给给进行快速的的调整，能够够有效提高注注塑机的电能能的利用率，，从而达到高高效节能。3.2传动动方案确定及及典型元件3.2.1电电机与滚珠珠丝杠的连接接数控机床进给给驱动对位置置精度、快速速响应特性、、调速范围等等有较高的要要求。实现进进给驱动的电电机主要有三三种：步进电电机、直流伺伺服电机和交交流伺服电机机。目前，步步进电机只适适应用于经济济型数控机床床，直流伺服服电机在我国国正广泛使用用，交流伺服服电机作为比比较理想的驱驱动元件已成成为发展趋势势。数控机床床的进给系统统当采用不同同的驱动元件件时，其进给给机构可能会会有所不同。。电机与丝杠杠间的联接主主要有三种形形式，如图2-1所示。。（1）带有齿齿轮传动的进进给运动数控机床在机机械进给装置置中一般采用用齿轮传动副副来达到一定定的降速比要要求，如图2-1a））所示。由于于齿轮在制造造中不可能达达到理想齿面面要求，总存存在着一定的的齿侧间隙才才能正常工作作，但齿侧间间隙会造成进进给系统的反反向失动量，，对闭环系统统来说，齿侧侧间隙会影响响系统的稳定定性。因此，，齿轮传动副副常采用消除除措施来尽量量减小齿轮侧侧隙。但这种种联接形式的的机械结构比比较复杂。你的小标题2—2电机与丝杠间间的联接形式式（2）经同步步带轮传动的的进给运动如图2-1b）所示，，这种联接形形式的机械结结构比较简单单。同步带传传动综合了带带传动和链传传动的优点，，可以避免齿齿轮传动时引引起的振动和和噪声，但只只能适于低扭矩特性要求求的场所。安安装时中心距距要求严格，，且同步带与与带轮的制造造工艺复杂。。（3）电机通通过联轴器直直接与丝杠联联接如图2-1c）所示，此此结构通常是是电机轴与丝丝杠之间采用用锥环无键联联接或高精度十字联轴轴器联接，从从而使进给传传动系统具有有较高的传动动精度和传动动刚度，并大大大简化了机机械结构。在在加工中心和和精度较高的的数控机床的的进给运动中中，普遍采用用这种联接形形式。根据进给系统统的要求及设设计要求，选选择电机通过过联轴器直接接与丝杠联接接，选用合适的联轴轴器，吸收振振动、补偿径径向、角向和和轴向偏差，，使得机床结结构简单，拆拆装方便，同同时传动平稳稳，具有良好好的精度。3.2.2滚滚珠丝杠螺螺母机构滚珠丝杠螺母母副是回转运运动与直线运运动相互转换换的新型传动动装置。图2-3是滚珠丝杠螺螺母副的原理理图。在丝杠杠和螺母上加加工有弧形螺螺旋槽，当它它们套装在一一起时形成了了螺旋滚道，，并在滚道内内装满滚珠。。当丝杠相对对于螺母旋转转时，两者发发生轴向位移移，而滚珠则则沿着滚道滚滚动，螺母螺螺旋槽的两端端用回珠管连连接起来，使使滚珠能作周周而复始的循循环运动，管管道的两端还还起着挡珠的的作用，以防防滚珠沿滚道道掉出。2-3滚滚珠丝杠螺螺母副的原理理图由于滚珠丝杠杠具有传动效效率高、运动动平稳、寿命命高以及可以以预紧(以以消除间隙隙，并提高系系统刚度)等特点，，除了大型数数控机床因移移动距离大而而采用齿条或或蜗条外，各各类中、小型型数控机床的的直线运动进进给系统普遍遍采用滚珠丝丝杠。数控机床进给给系统所用的的滚珠丝杠必必须具有可靠靠的轴向间隙隙消除结构、、合理的安装装结构和有效效的防护装置置。3.2.3滚滚珠丝杠的的支承方式（1）一端固固定，一端自自由方式一端固定，另另一端自由安安装方式，固固定端的轴承承可以同时承承受轴向力和和径向力，而而滚珠丝杠轴轴承这种的支支承方式主要要是用于行程程较小的短丝丝杠轴承或者者全封闭式的的机床，因为为当采用这种种结构的机械械定位方式时时，其精度是是最不可靠的的，尤其是长长径比大的丝丝杠轴承(滚滚珠丝杠相对对细长)，其其热变形是非非常明显的。。但是，如果果是1.5米米长的丝杠，，其在冷、热热的不同环境境下变化0.05~0.1mm是属属于正常正常常现象。尽管管如此，由于于其结构较简简单，安装调调试较方便，，大多高精度度机床依然是是采用这种结结构；但是，，有一点需要要特别注意的的就是，采用用这种结构时时必须加装光光栅，采用全全封闭环来反反馈，以便能能够充分丝杠杠的性能。图2-4一端固定，一一端自由方式式（2）一端固固定，另一端端支承方式一端固定，另另一端支承这这种安装方式式，固定端的的轴承同样也也是可以同时时承受轴向力力和径向力，，而支承端只只承受径向力力，并且能够够做微量的轴轴向浮动，以以及可以减少少或者避免因因丝杠自重而而出现的弯曲曲，另外，丝丝杠的热变形形可以自由的的向一端伸长长。因此，这这是使用最广广泛的一种结结构。比如：：目前国内中中小型数控车车床、立式加加工中心等等等都是采用这这种结构图2-5一端固定，另另一端支承方方式（3）两端固固定方式丝杠两端均固固定。采用这这种方式，固固定端轴承可可以同时承受受轴向力，并并且可以对丝丝杠施加适当当的预紧力，，以提高丝杠杠的支承刚度度，同时还可可以部分地补补偿丝杠的热热变形。因此此，大型机床床、重型机床床以及高精度度镗铣床大多多都是采用这这种结构。当当然，其也有有不足的地方方，那就是采采用这种结构构的话会使得得调整工作比比较繁琐；此此外，如果在在安装调整时时两端的预紧紧力过大的话话，将会导致致丝杠最终的的行程比设计计行程长，螺螺距也会比设设计螺距大；；而如果两端端螺母的预紧紧力不够的话话，就会导致致相反的结果果，从而容易易引起机床振振动，致使精精度降低。因因此，如果是是采用两端固固定这种结构构的话，那么么在拆装时一一定要严格按按照说明书来来进行调整，，或者是借助助仪器(双频频激光测量仪仪)来调整，，以免造成一一些不必要的的损失。图2-6两端固定方式式由于所设计铣铣床Z轴的行行程较小，所所有径向力较较小，对于机机床精度影响响不大。所以选择一端端固定一段自自由的支承方方式。3.2.4联联轴器的选择择梅花联轴器结结构简单、无无需润滑、方方便维修、便便于检查、免免维护，可连连续长期运行。高强强度聚氨酯弹弹性元件耐磨磨耐油，承载载能力大，使使用寿命长，，安全可靠。。工作稳定可可靠，具有良良好的减振、、缓冲和电气气绝缘性能。。具有较大的的轴向、径向向和角向补偿偿能力。结构构简单，径向向尺寸小，重重量轻，转动动惯量小，适适用于中高速速场合。结构特点：1.中间弹性性体联接2.可吸收振振动、补偿径径向、角向和和轴向偏差3.抗油与电电气绝缘4.顺时针与与逆时针回转转特性完全相相同5.定位螺丝丝固定第四章数控铣床XYZ轴进给系系统设计4.1Y轴轴方向(1)滚珠丝丝杠精度由于本系统要要求达到0.012/300mm的的精度要求,根据此要求求查阅滚珠丝丝杠样本,对对于一级精度度(P1)精精度丝杠,任任意300mm内导程允允许为0.006mm,2级(P,)精度丝杠杠的导程允许许误差为0.008mm。初步设计计丝杠的任意意300mm行程内的行行程动量3mo为定位精精度的1/3--1/2,即0.006-0.008mm,因此此,取滚珠丝丝杠精度为2级。(2)滚珠丝丝杠的选择滚珠丝杠的名名义直径,滚滚珠的列数和和工作圈数,应按当量载载荷Cm选择择。选用FFZD3206-5-P2丝丝杠螺母副。。长度为1120mm。(3)支撑轴轴承采用一段固定定，另一端支支撑的支撑方方式，固定端端选用背对背背60°接触触角推力球轴轴承，支撑端端选用推力球球轴承。4.2X轴轴方向(1)滚珠丝丝杠精度由于本系统要要求达到0.012/300mm的的精度要求,根据此要求求查阅滚珠丝丝杠样本,对对于一级精度度(P1)精精度丝杠,任任意300mm内导程允允许为0.006mm,2级(P,)精度丝杠杠的导程允许许误差为0.008mm。初步设计计丝杠的任意意300mm行程内的行行程动量3mo为定位精精度的1/3--1/2,即0.006-0.008mm,因此,取取滚珠丝杠精精度为2级。。(2)滚珠丝丝杠的选择滚珠丝杠的名名义直径,滚滚珠的列数和和工作圈数,应按当量载载荷Cm选择择。选用FFZD3206-5-P2丝丝杠螺母副。。长度为1120mm。(3)支撑轴轴承采用一段固定定，另一端支支撑的支撑方方式，固定端端选用背对背背60°接触触角推力球轴轴承，支撑端端选用推力球球轴承。X轴方向(1)滚珠丝丝杠精度由于本系统要要求达到0.012/300mm的的精度要求,根据此要求求查阅滚珠丝丝杠样本,对对于一级精度度(P1)精精度丝杠,任任意300mm内导程允允许为0.006mm,2级(P,)精度丝杠杠的导程允许许误差为0.008mm。初步设计计丝杠的任意意300mm行程内的行行程动量3mo为定位精精度的1/3--1/2,即0.006-0.008mm,因此,取取滚珠丝杠精精度为2级。。(2)滚珠珠丝杠杠的选选择滚珠丝丝杠的的名义义直径径,滚滚珠的的列数数和工工作圈圈数,应按按当量量载荷荷Cm选择择。选用FFZD3206-5-P2丝杠杠螺母母副。。长度度为900mm。(3)支撑撑轴承承采用一一段固固定，，另一一端支支撑的的支撑撑方式式，固固定端端选用用背对对背60°°接触触角推推力球球轴承承，支支撑端端选用用推力力球轴轴承。。Z轴方向向主切削削力及及其切切削分分力计计算（1））计算算主切切削力力Fz。根据已已知条条件，，采用用端面面铣刀刀在主主轴计计算转转速下下进行行强力力切削削（铣铣刀直直径D=125mm）），主主轴具具有最最大扭扭矩，，并能能传递递主电电动机机的全全部功功率，，此时时铣刀刀的切削速速度为为：（（已知知机床床主电电动机机的额额定功功率Pm为为0.75kw，主主轴计计算转转速（n=310r/min。））根据公公式得得刀具具的切切削速速度为为：v=pDn=3.14×125×10−−3××310m/s=2.03m/s6060取机床床的机机械效效率为为：hm=0.8，，则由由式得得主切切削力力：（2））计算算各切切削分分力工工作台台的纵纵向切切削力力、横横向切切削力力和垂垂向切切削力力分别别为F1=0.4Fz=0.4××295.6=118.24NFC=0.95Fz=0.95××295.6=280.8NFV=0.55Fz=0.55××295.6=162.58N导轨摩摩擦力力的计计算在切削削状态态下坐坐标轴轴导轨轨摩擦擦力Fm的的计算算可以以查课课程设设计指指导书书：（1））计算算在切切削状状态下下的导导轨摩摩擦力力Fm。此此时导导轨动动摩擦擦系数数m=0.15，，查表表得镶镶条紧紧固力力fg=500N,则Fm=m(W+fg+Fv+Fc)=0.15××(900+500+280.8+162.58)N=1843.38N（2））计算算在不不切削削状态态下的的导轨轨摩擦擦力Fm0和和F0Fm0=F0=m(W+fg)=0.15××(900+500)=210NF0=m0(W+fg)=0.12××（（900+500））=168N滚珠丝丝杠的的选择择滚珠丝丝杠的的名义义直径径、滚滚珠的的猎术术和工工作圈圈数，，应按按当量量动载载荷Cm选择择。计算滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的轴轴向负负载力力（1））计算算最大大轴向向负载载力FamaxFamax=F1+Fm=(118.24+1843.38)N=1961.62N（2））计算算最小小轴向向负载载力FminFamin=Fm0=210N（2））轴向向工作作载荷荷（平平均载载荷））：Fm===1377.7N计算当当量动动载荷荷Cm载荷性性质系系数Kp无无冲击击取1~1.2，一一般情情况取取1.2~1.5，，有较较大冲冲击振振动式式取1.5~2.5精度影影响系系数Ka，，对于于1、、2、、3级级精度度的滚滚珠丝丝杠取取Ka=1，对对于4、5级滚滚珠丝杠杠取Ka=0.9。。所以对对于本本数控控机床床，取取Kp=1.5，Ka=1故当量量动载载荷Cm===11668N=1.17kN选取滚滚珠丝丝杠选取取SFU255-4型型滚滚珠珠丝丝杠杠，，其其参参数数如如下下：：动额定定负载载荷Ca=1280kgf=1.28kN>Cm,故故满足足要求求。伺服电电机的的选择择计算折折算到到电动动机轴轴上的的负载载惯量量(1)计算算滚珠珠丝杠杠的转转到惯惯量Jr。。已知滚滚珠丝丝杠的的密度度r=7.8××10−−3kg/cm3,得得:(2)计算算联轴轴器的的转动动惯量量J0J0=0.78××10−3D4L=0.78×10−−3××(44-1.64)×6.6kg/cm3=1.28kg/cm3(3)折算算到电电动机机轴上上的移移动部部件的的转动动惯量量JL的的计算算已知机机床执执行部部件（（主轴轴箱及及箱内内部件件）的的总质质量m=90kg，电电动机机每转转一圈圈，机机床执执行部部件在在轴向向移动动的距距离L=0.5cm，得得(4)加在在电动动机轴轴上总总的负负载转转动惯惯量Jd的的计计算Jd=JR+JL+J0=(1.34+1.28+0.57)kg••cm2=3.19kg••cm2折算到到电动动机轴轴上的的负载载力矩矩1）计计算切切削负负载力力矩Tc。。假设在在切削削状态态下坐坐标轴轴的轴轴向负负载力力Fa=Fmax=1961.62N,电电动机机每转转一圈圈，机机床执执行部部件在在轴向向移动动的距距离L=5mm=0.005m,进给给传动动系统统的总总效率率ηη=0.90得得2）计计算摩摩擦负负载力力矩Tm。。已知在在不切切削状状态下下坐标标轴的的轴向向负载载力（（即为为空载载时的的导轨轨摩擦擦力））3）计计算由由滚珠珠丝杠杠得预预紧而而产生生的附附加负负载力力矩Tf。。已知滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的预预紧力力Fp=653.87N，滚滚珠丝丝杠螺螺母副副的基基本导导程L0=5mm=0.005mm，，滚珠珠丝杠杠螺母母副的的效率率h0=0.94得得4）计计算最最大切切削负负载转转矩TT=Tc+Tf=1.73+0.067=1.793N选择驱驱动电电动机机的型型号根根据以以上计计算，，选择择安川川SGHAM08A型型伺服服电机机(2)验验算伺伺服电电机选选定的的伺服服电机机额定定扭矩矩为2.39Nm，，瞬间间最大大扭矩矩7.16Nm，大大于最最大切切削负负载。。旋转惯惯性动动量0.672×10-4kg*m2,满满足匹匹配要要求。。所以以所选选伺服服电机机满足足使用用要求求。位置检检测装装置编码器器接线线方式式第五章章机床导导轨设设计支承和和引导导运动动构件件沿着着一定定轨迹迹运动动的零零件称称为导导轨副副，也也常简简称为为导轨。运运动部部件的的运动动轨迹迹有直直线、、圆或或曲线线，滚滚动圆圆导轨轨可归归人滚滚动推推力轴轴承，，曲线线导轨轨在机机械中中极少少应用用。导导轨在在机器器中是是个十十分重重要的的部件件，在在机床床中尤尤为重重要。。机床床的加加工精精度与与导轨轨精度度有直直接的的联系系，小小批量量生产产的精精密机机床，，导轨轨的加加工工工作量量占整整个机机床加加工工工作量量的40%左右右。而而且，，导轨轨一旦旦损坏坏，维维修十十分困困难。。按运运动学学原理理，所所谓导导轨就就是将将运动动构件件约束束到只只有一一个自自由度度的装装置。。导轨轨副中中设在在支承承构件件上的的导轨轨面为为承导导面，，称为为静导导轨，，它比比较长长；另另一个个导轨轨面设设在运运动构构件上上，称称为动动导轨轨，它它比较较短。。具有有动导导轨的的运动动构件件常称称为工工作台台、滑滑台、、常用用导轨轨面有有平面面和圆圆弧面面。圆圆弧导导轨面面构成成圆柱柱形导导轨；；不同同的平平导轨轨面组组合，，构成成矩形形导轨轨面间间的摩摩擦为为滑动动摩擦擦者称称为滑滑动导导轨，，在导导轨面面间置置人滚滚动元元件，，使摩摩擦转转变为为滚动动摩擦擦者称称为滚滚动导导轨。。导轨轨有闭闭式和和开式式之分分，闭闭式导导轨可可以承承受倾倾覆力力矩，，而开开式导导轨则则不能能机床导导轨的的要求求1.导导向精精度高高2.耐耐磨性性好及及寿命命长3.足足够的的刚度度4.低低速运运动的的平稳稳性5.工艺性性好在在可能能的情情况下下,设设计时时应尽尽量使使导轨轨结构构简单单,便便于制制造、、调整整和维维护机床导导轨的的选择择———滚动动导轨轨滚动导导轨的的最大大优点点是摩摩擦系系数很很小，，一般般为0.0025～～0.005，，比贴贴塑料料导轨轨还小小很多多，且且动、、静摩摩擦系系数很很接近近，因因而运运动轻轻便灵灵活，，在很很低的的运动动速度度下都都不出出现爬爬行，，低速速运动动平稳稳性好好，位位移精精度和和定位位精度度高。。滚动动导轨轨的缺缺点是是抗振振性差