数控车床纵向进给系统传动的方案设计gfcd.docx

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1、第一章、数数控机床床进给系系统概述述数控机床床伺服系系统的一一般结构构如图图图1-1所示：图1-11数控机机床进给给系统伺伺服由于各种种数控机机床所完完成的加加工任务务不同，它它们对进进给伺服服系统的的要求也也不尽相相同，但但通常可可概括为为以下几几方面：可逆运运行；速速度范围围宽；具具有足够够的传动动刚度和和高的速速度稳定定性；快快速响应应并无超超调；高高精度；低速大大转矩。1.1、伺伺服系统统对伺服服电机的的要求（1）从从最低速速到最高高速电机机都能平平稳运转转，转矩矩波动要要小，尤尤其在低低速如0.11r /min或更低低速时，仍仍有平稳稳的速度度而无爬爬行现象象。（2）电电机应具具有大

2、的的较长时时间的过过载能力力，以满满足低速速大转矩矩的要求求。一般般直流伺伺服电机机要求在在数分钟钟内过载载4-6倍而不不损坏。（3）为为了满足足快速响响应的要要求，电电机应有有较小的的转动惯惯量和大大的堵转转转矩，并并具有尽尽可能小小的时间间常数和和启动电电压。电电机应具具有耐受受40000raad/ss2以上的的角加速速度的能能力，才才能保证证电机可可在0.22s以内从从静止启启动到额额定转速速。（4）电电机应能能随频繁繁启动、制制动和反反转。随着微电电子技术术、计算算机技术术和伺服服控制技技术的发发展，数数控机床床的伺服系系统已开开始采用用高速、高高精度的的全数字字伺服系系统。使使伺服控

3、控制技术术从模拟拟方式、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。数控车床床的进给给传动系系统一般般均采用用进给伺伺服系统统。这也也是数控控车床区区别于普普通车床床的一个个特殊部部分。1.2、伺伺服系统统的分类类数控车车床的伺伺服系统统一般由由驱动控控制单元元、驱动动元件、机机械传动动部件、执执行件和和检测反反馈环节节等组成成。驱动动控制单单元和驱驱动元件件组成伺伺服驱动动系统。机机械传动动部件和和执行元元件组成成机械传传动系统统。检测测元件与与反馈

4、电电路组成成检测系系统。 进进给伺服服系统按按其控制制方式不不同可分分为开环环系统和和闭环系系统。闭闭环控制制方式通通常是具具有位置置反馈的的伺服系系统。根根据位置置检测装装置所在在位置的的不同，闭闭环系统统又分为为半闭环环系统和和全闭环环系统。半半闭环系系统具有有将位置置检测装装置装在在丝杠端端头和装装在电机机轴端两两种类型型。前者者把丝杠杠包括在在位置环环内，后后者则完完全置机机械传动动部件于于位置环环之外。全全闭环系系统的位位置检测测装置安安装在工工作台上上，机械械传动部部件整个个被包括括在位置置环之内内。 开开环系统统的定位位精度比比闭环系系统低，但但它结构构简单、工工作可靠靠、造价价

5、低廉。由由于影响响定位精精度的机机械传动动装置的的磨损、惯惯性及间间隙的存存在，故故开环系系统的精精度和快快速性较较差。 全闭环环系统控控制精度度高、快快速性能能好，但但由于机机械传动动部件在在控制环环内，所所以系统统的动态态性能不不仅取决决于驱动动装置的的结构和和参数，而而且还与与机械传传动部件件的刚度度、阻尼尼特性、惯惯性、间间隙和磨磨损等因因素有很很大关系系，故必必须对机机电部件件的结构构参数进进行综合合考虑才才能满足足系统的的要求。因因此全闭闭环系统统对机床床的要求求比较高高，且造造价也较较昂贵。闭闭环系统统中采用用的位置置检测装装置有：脉冲编编码器、旋旋转变压压器、感感应同步步器、磁

6、磁尺、光光栅尺和和激光干干涉仪等等。数控车车床的进进给伺服服系统中中常用的的驱动装装置是伺伺服电机机。伺服服电机有有直流伺伺服电机机和交流流伺服电电机之分分。交流流伺服电电机由于于具有可可靠性高高、基本本上不需需要维护护和造价价低等特特点而被被广泛采采用。直流伺服服电动机机引入了了机械换换向装置置。其成成本高，故故障多，维维护困难难，经常常因碳刷刷产生的的火花而而影响生生产，并并对其他他设备产产生电磁磁干扰。同同时机械械换向器器的换向向能力，限限制了电电动机的的容量和和速度。电电动机的的电枢在在转子上上，使得得电动机机效率低低，散热热差。为为了改善善换向能能力，减减小电枢枢的漏感感，转子子变得

7、短短粗，影影响了系系统的动动态性能能。交流伺服服已占据据了机床床进给伺伺服的主主导地位位，并随随着新技技术的发发展而不不断完善善，具体体体现在在三个方方面。一一是系统统功率驱驱动装置置中的电电力电子子器件不不断向高高频化方方向发展展，智能能化功率率模块得得到普及及与应用用；二是是基于微微处理器器嵌入式式平台技技术的成成熟，将将促进先先进控制制算法的的应用；三是网网络化制制造模式式的推广广及现场场总线技技术的成成熟，将将使基于于网络的的伺服控控制成为为可能。1.33、主要设设计任务务参数车床控制制精度：0.001mmm（即为为脉冲当当量）；最大进进给速度度：Vmaxx=5440mmm/miin。

8、最大加加工直径径为Dmaxx=4000mmm，工作作台及刀刀架重：110；最最大轴，向力=1660；导导轨静摩摩擦系数=0.2；行程=12280mmm；步进电电机：1100BF0003；步距距角：0.775；电机机转动惯惯量：J=11.810-22.m2。第二章、数数控车床床纵向进进给系统统传动的的方案设设计数控机床床进给驱驱动对位位置精度度、快速速响应特特性、调调速范围围等有较较高的要要求。实实现进给给驱动的的电机主主要有三三种：步步进电机机、直流流伺服电电机和交交流伺服服电机。目目前，步步进电机机只适应应用于经经济型数数控机床床，直流流伺服电电机在我我国正广广泛使用用，交流流伺服电电机作为

9、为比较理理想的驱驱动元件件已成为为发展趋趋势。数数控机床床的进给给系统当当采用不不同的驱驱动元件件时，其其进给机机构可能能会有所所不同。电电机与丝丝杠间的的联接主主要有三三种形式式，如图图2-1所示。2.1、带带有齿轮轮传动的的进给运运动数控机床床在机械械进给装装置中一一般采用用齿轮传传动副来来达到一一定的降降速比要要求，如如图2-11a）所示。由由于齿轮轮在制造造中不可可能达到到理想齿齿面要求求，总存存在着一一定的齿齿侧间隙隙才能正正常工作作，但齿齿侧间隙隙会造成成进给系系统的反反向失动动量，对对闭环系系统来说说，齿侧侧间隙会会影响系系统的稳稳定性。因因此，齿齿轮传动动副常采采用消除除措施来

10、来尽量减减小齿轮轮侧隙。但但这种联联接形式式的机械械结构比比较复杂杂。图211电机与与丝杠间间的联接接形式2.2、经经同步带带轮传动动的进给给运动如图2-1b）所示，这这种联接接形式的的机械结结构比较较简单。同同步带传传动综合合了带传传动和链链传动的的优点，可可以避免免齿轮传传动时引引起的振振动和噪噪声，但但只能适适于低扭扭矩特性性要求的的场所。安安装时中中心距要要求严格格，且同同步带与与带轮的的制造工工艺复杂杂。2.3、电电机通过过联轴器器直接与与丝杠联联接如图2-1c）所示，此此结构通通常是电电机轴与与丝杠之之间采用用锥环无无键联接接或高精精度十字字联轴器器联接，从从而使进进给传动动系统具

11、具有较高高的传动动精度和和传动刚刚度，并并大大简简化了机机械结构构。在加加工中心心和精度度较高的的数控机机床的进进给运动动中，普普遍采用用这种联联接形式式。根据进给给系统的的要求及及设计要要求，选选择带有有齿轮传传动的进进给运动动，选用用最佳降降速比，可可以提高高机床的的分辨率率，并使使系统折折算到驱驱动轴上上的惯量量减少；尽量消消除传动动间隙，减减少反向向死区误误差，提提高位移移精度等等。第三章章、运动设设计3.1、降速比比计算功率步进进电动机机型号为为1100BF0003，其主主要技术术参数为为最大静静转矩为为7.884,步距角角0.775,电机转转动惯量量：J=11.810-22 .m2

12、；快速速空载启启动时电电动机转转速。进给传传动链的的脉冲当当量.选滚珠珠丝杠的的螺距为为12mmm.由（311）式中步进电电动机的的步距角角脉冲冲当量，mm SS 丝杠螺螺距, mmm3.2、减减速齿轮轮的确定定选择一级级减速器器，选齿齿轮，模数数，齿宽宽。选择斜齿齿轮调隙隙，齿轮轮的参数数如表31。31齿齿轮参数数表法向模数数2齿数20齿形角齿顶高系系数螺旋角15o径向变位位系数0精度等级级配对齿轮轮图号齿数50公差组检验项目目代号极限偏差差值10.099020.011630.011340.0116第四章、丝杠螺母机构的选择与计算已知条件件：工作作台及刀刀架重：110,所以重重量为最大行程程

13、：12880mmm，失动动量：，工工作台最最高速度度：查表表选择丝丝杆预期期寿命：小时，摩擦系系数。则导轨的的静摩擦擦力FO。（411）最大轴向向负载4.1、动动载强度度计算当转速时时，滚珠珠丝杠；螺母的的主要破破坏形式式是工作作表面的的疲劳点点蚀，因因此要进进行动载载强度计计算，其其计算动动载荷应应小于或或等于滚滚珠丝杆杆螺母副副的额定定动负荷荷，即（422)式中动载荷荷系数，见见表31;硬度度影响系系数，见见表3-22;当量量动负荷荷，N;滚珠珠丝杠；螺母副副的额定定动负荷荷，N；寿命命，以rr为一个个单位。 (43)式中T使用寿寿命，h；按设设计机床床要求取取T=1150000hN循循环

14、次数数：滚珠珠丝杠的的当量转转速，r/mmin。 (444）代入上式式得（455）表4-11 动动载荷系系数载荷性质质载荷性质质平稳轻微微冲击较大冲击击和振动动中等冲击击表4-22 硬硬度影响响系数、硬度5552.555047.5545401.01.1111.3551.5661.9222.4003.8551.01.1111.4001.6772.1002.6444.500当工作载载荷单调调连续或或周期行行单调连连续变化化时，则则（466）式中最大和和最小工工作载荷荷，N。查表41 42取=1.5 =1.56代入上上式得（477） 4.22、静强强度计算算当转速时时，滚珠珠丝杠螺螺母的主主要破坏坏

15、形式为为滚珠接接触面上上产生较较大的塑塑性变形形，影响响正常工工作。因因此，应应进行静静强度计计算，最最大计算算静载荷荷为（1110）式中硬度硬硬度影响响系数，见见表52；取=11.677.滚珠珠丝杠螺螺母副的的额定静静负荷，N。代入得得（488）根据计算算额定动动负载荷荷和额定定静负荷荷初选滚滚珠丝杠杠副型号号为。其基本参参数为公公称直径径，导程程，滚珠珠直径。额额定动负负荷，额额定静负负荷。动动载荷与与静载荷荷载均满满足要求求。4.3、临临界转速速校核对于高速速长丝杠杠有可能能发生共共振，需需要算其其临界转转速，不不会发生生共振的的最高转转速为临临界转速（499）（4110）式中临界转转速

16、计算算长度，m；丝杠杠支撑方方式系数数。两端端固定时时，代入数据据得远远小于于其最大大速度，故故临界转转速满足足。4.4、额额定寿命命的校核核滚珠丝杠杠的额定定动载荷荷，已知知其轴向向载荷，滚滚珠丝杠杠的转速速，运转转条件系系数，则则有（4111）（4112）滚珠丝杠杠螺母副副的总工工作寿命命，故满满足要求求。第五章、动动力计算算5.1、传传动件转转动惯量量的计算算 5.11、小齿齿轮的转转动惯量量（511）式中齿轮分度度圆直径径，mm，；（52）齿轮轮宽度，mm。 5.12、大齿齿轮转动动惯量（533）式中齿轮分度度圆直径径，mm（544） 5.13、计算算工作台台的转动动惯量JW（555)

17、式中W工作台台（包括括工件）的的质量， kg；S丝丝杠螺距距，mm。 5.14、计算算丝杠的的转动惯惯量Js (56）式中L支撑距距，mm。5.155、负载载折算到到电动机机轴上的的转动惯惯量为：（577）5.2、电电动机力力矩的计计算 55.2.1、计算算加速力力矩Ma（588） 55.2.2、计算算摩擦力力矩Mf（599）式中传动链链总效率率，取=0.88。 55.2.3、计算算附加摩摩擦力矩矩（5110）式中传动链链总效率率，取=0.88；滚珠珠丝杠未未预紧时时的效率率，取=0.9。 5.22.4、空载载启动时时电动机机所需力力矩：（5111）因此，选选用7.884的步步进电机机满足要要

18、求。第六章、丝丝杠螺母母机构的的传动刚刚度计算算滚珠丝杠杠一段轴轴向支撑撑，丝杠杠的最小小拉压刚刚度和最最大拉压压刚度分分别为：（611)(622）式中E弹性模模量。按近似估估算，将将丝杠本本身的拉拉压刚度度乘以1/3，作为为传动的的综合拉拉压刚度度，即：（633）（644）反向死区区误差计计算（655）所以能满满足单脉脉冲进给给的要求求。计算由于于传动刚刚度的变变化的定定位误差差，应使使（666）满足由于于传动刚刚度变化化引起的的定位误误差小于于机床定定位精度度的要求求。第七章、结结构设计计7.1、滚滚珠丝杠杠的支承承滚珠丝杠杠的主要要载荷是是轴向载载荷，径径向载荷荷主要是是卧式丝丝杠的自自

19、重。因因此对丝丝杠的轴轴向精度度和轴向向刚度应应有较高高要求，其其两端支支承的配配置情况况有：一一端轴向向固定一一端自由由的支承承配置方方式，通通常用于于短丝杠杠和垂直直进给丝丝杠；一一端固定定一端浮浮动的方方式，常常用于较较长的卧卧式安装装丝杠；以及两两端固定定的安装装方式，常常用于长长丝杠或或高转速速、高刚刚度、高高精度的的丝杠，这这种配置置方式可可对丝杆杆进行预预拉伸。因因此在此此课题中中采用两两端固定定的方式式，以实实现高刚刚度、高高精度以以及对丝丝杠进行行拉伸。丝杠中常常用的滚滚动轴承承有以下下两种：滚针推力圆圆柱滚子子组合轴轴承和接接触角为为60角接触触轴承，在在这两种种轴承中中，

20、60角接触触轴承的的摩擦力力矩小于于后者，而而且可以以根据需需要进行行组合，但但刚度较较后者低低，目前前在一般般中小型型数控机机床中被被广泛应应用。滚滚针圆柱滚滚子轴承承多用于于重载和和要求高高刚度的的地方。60角角接触轴轴承的组组合配置置形式有有面对面面的组合合、背靠靠背组合合、同向向组合、一一对同向向与左边边一个面面对面组组合。由由于螺母母与丝杠杠的同轴轴度在制制造安装装的过程程中难免免有误差差，又由由于面对对面组合合方式，两两接触线线与轴线线交点间间的距离离比背对对背时小小，实现现自动调调整较易易。因此此在进给给传动中中面对面面组合用用得较多多。在此此设计中中采用了了以面对对面配对对组合

21、的的60角接触触轴承，以以容易实实现自动动调整。滚滚珠丝杠杠工作时时要发热热，其温温度高于于床身。为为了补偿偿因丝杠杠热膨胀胀而引起起的定位位精度误误差，可可采用丝丝杠预拉拉伸的结结构，使使预拉伸伸量略大大于热膨膨胀量。 7.22、滚珠珠丝杠螺螺母副间间隙消除除和预紧紧滚珠丝杠杠螺母机机构是回回转运动动与直线线运动相相互转换换的传动动装置，是是数控机机床伺服服进给系系统中使使用最为为广泛的的传动装装置。滚珠丝杠杠在轴向向载荷作作用下，滚滚珠和螺螺纹滚道道接触区区会产生生严重接接触变形形，接触触刚度与与接触表表面预紧紧力成正正比。如如果滚珠珠丝杠螺螺母副间间存在间间隙，接接触刚度度较小；当滚珠珠

22、丝杠反反向旋转转时，螺螺母不会会立即反反向，存存在死区区，影响响丝杠的的传动精精度。因因此，滚滚珠丝杠杠螺母副副必须消消除间隙隙，并施施加预紧紧力，以以保证丝丝杠、滚滚珠和螺螺母之间间没有间间隙，提提高滚珠珠丝杠螺螺母副的的接触刚刚度。滚珠丝杠杠螺母副副通常采采用双螺螺母结构构，如图图71所示1.滚珠珠螺母；2.紧定螺螺钉；3.支座；4.滚珠丝丝杠；5.调整垫垫片图711双螺母母滚珠丝丝杠图中1代代表滚珠珠螺母，3代表支支座，螺螺母与支支座之间间有调整整垫片，通通过调整整垫片来来调节滚滚珠螺母母与滚珠珠丝杠螺螺纹之间间的间隙隙。通过调整整两个螺螺母之间间的轴向向位置，使使两个螺螺母的滚滚珠在承

23、承受载荷荷之前，分分别与丝丝杠的两两个不同同的侧面面接触，产产生一定定的预紧紧力，以以达到提提高轴向向刚度的的目的。调调整预紧紧有多种种方式，上上图所示示的为垫垫片调整整式，通通过改变变垫片的的厚薄来来改变两两个螺母母之间的的轴向距距离，实实现轴向向间隙消消除和预预紧。这这种方式式的优点点是结构构简单、刚刚度高、可可靠性好好。7.3、主要结结构性能能及特点点的分析析在本设计计的进给给系统中中的主要要结构零零件是滚滚珠螺母母丝杠，以以下简要要介绍其其传动的的形式及及主要主主要特点点。滚珠丝杠杠副是由由丝杠、螺螺母、滚滚珠等零零件组成成的机械械元件，其其作用是是将旋转转运动转转变为直直线运动动或将

24、直直线运动动转变为为旋转运运动，它它是传统统滑动丝丝杠的进进一步延延伸发展展。滚珠珠丝杠副副是在丝丝杠和螺螺母之间间以滚珠珠为滚动动体的螺螺旋传动动元件。滚滚珠丝杠杠副有多多种结构构型式。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/

25、3。滚珠丝杠杠副与滑滑动丝杠杠螺母副副比较有有很多优优点：传传动效率率高、灵灵敏度高高、传动动平稳：磨损小小、寿命命长；可可消除轴轴向间隙隙，提高高轴向刚刚度等。第八章、总总结与体体会经过为期期两周的的奋战我我的数控机机床系统统设计课程设设计终于于完成了了。虽然然比较辛辛苦但是是获益也也良多。课课程设计计不仅是是对前面面所学知知识的一一种检验验，而且且也是对对自己能能力的一一种提高高。通过过这次课课程设计计使我明明白了自自己原来来知识还还比较欠欠缺。自自己要学学习的东东西还太太多，以以前老是是觉得自自己什么么东西都都会，什什么东西西都懂，有有点眼高高手低。通通过这次次课程设设计，我我才明白白学

26、习是是一个长长期积累累的过程程，在以以后的工工作、生生活中都都应该不不断的学学习，努努力提高高自己知知识和综综合素质质。在这次课课程设计计中也使使我们的的同学关关系更进进一步了了，同学学之间互互相帮助助，有什什么不懂懂的大家家在一起起商量，听听听不同同的看法法对我们们更好的的理解知知识，所所以在这这里非常常感谢帮帮助我的的同学。总之，不不管学会会的还是是学不会会的的确确觉得困困难比较较多，真真是万事事开头难难，不知知道如何何入手,最后终终于做完完了有种种如释重重负的感感觉。此此外，还还得出一一个结论论：知识识必须通通过应用用才能实实现其价价值！有有些东西西以为学学会了，但但真正到到用的时时候才

27、发发现是两两回事，所所以我认认为只有有到真正正会用的的时候才才是真的的学会了了。在整个设设计中我我懂得了了许多东东西，也也培养了了我独立立工作的的能力，树树立了对对自己工工作能力力的信心心，相信信会对今今后的学学习工作作生活有有非常重重要的影影响，而而且大大大提高了了动手的的能力，使使我充分分体会到到了在创创造过程程中探索索的艰难难和成功功时的喜喜悦。虽虽然这个个设计做做的也不不太好，但但是在设设计过程程中所学学到的东东西是这这次课程程设计的的最大收收获和财财富，使使我终身身受益。参考文献献资料1文文怀兴夏田编编著数控机机床系统统设计化学工工业出版版社北京2 文怀兴夏田编编著数控机机床设计计实践指指南化学工业业出版社社北京3濮濮良贵纪名刚刚主编机械设设计高等教教育出版版社北京4吴吴克坚郑文伟伟主编机械原原理高等教教育出版版社北京5卢卢秉恒主主编机械制制造技术术基础机械工工业出版版社北京6曹曹金榜主主编机床主主轴/变速箱箱设计指指导机械工业业出版社社北京7周周开勤主主编机械零零件手册册高等教教育出版版社北京8上上海纺织织工学院院、哈尔尔滨工业业大学、天天津大学学主编机床设设计图册册上海科科学技术术出版社社上海