買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 摘要 此設計是 經濟型中檔精度數控車床橫向進給系統 。面對我國目前機床數量少、工業生產規模小的特點，突出的任務是用較少的資金迅速改變機械工業落后的面貌。而數控車床（及其系統）已經成為現代機器制造業中不可缺少的組成部分。所以，實現這一任務的有效的、基本的途徑就是普及應用經濟型數控機床。 進給系統是由伺服電機經滾珠絲杠拖動工作臺來完成的所以設計涉及伺服電機的選擇，滾珠絲杠設計等。目前絕大部分的機床的橫向進給均是采用滾珠絲杠來傳遞運動的，傳動的精確性主要取決于絲杠支承形式，絲杠與伺服電機的聯接方式。 在設計中充分考慮 到這兩個問題 ，并且， 設計精度須達原始數據。 關鍵 詞 ：滾珠絲杠 伺服電機 橫向 進給 控機床橫向進給設計 . 2 is of of In to of in is of is at is to in an in to is to of is by up of of so of is by of on of of to be of in 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 3 目 錄 0 引言 1 1 國內外發展概況及現狀介紹 2 2 總體方案論證 4 2 擇傳動系統 4 2 . 2 選擇傳動裝置 5 3 具體設計說明 6 向進給滾珠絲杠副的設計選擇 6 3 . 1 . 1 確定滾珠絲杠的支承方式 6 3 . 1 . 2 滾珠絲杠副額定載荷 7 珠絲杠副主要參數的確定 8 珠絲杠與伺服電動機的聯接 12 服電機型號選擇 15 給電機功率的確定 15 服電機型號 15 3 . 2 . 3 同步帶輪的選擇 15 4 結論 17 5 參考文獻 18 6 設計工作小節 19 7 附件清單 20 數控機床橫向進給設計 . 4 0、 緒論 本設計課題為：經濟型數控車床橫向進給系統設計 。因為我們沒有精良的加工工具或者是自動化系數等各方面遠遠的不及西歐等國 家。所以我國的機械制造業與他們的有著很大的差距的原因，。制造業是關系到國際民生的大事，是富民強國的必要因素，我國要有更好的發展，必須形成我們自己富有特色的現代化制造體系。 隨著時代的發展，科技的日新月異，數控技術的應用范圍日益擴大，數控機床及其系統己成為現代化機器制造業中不可缺少的組成部分。面對我國目前機床擁有量少、工業生產規模小的特點，突出的任務是用較少的資金迅速改變機械工業落后的生產面貌，使之盡可能地提高自動化程度，保證加工質量，減輕勞動強度，提高經濟效益。 “橫向進給系統”“主傳動系統”和“縱向進給系 統”被稱為車床的三大核心系統，其重要地位是不言而喻了。三大系統的精確性、準確性、必將影響加工產品的性能。而實現這一任務的有效的、基本的途徑就是普及應用經濟型數控機床，并對原有的機床進行數控改造。而這就是我們課題的目的。 前提條件： 400m/x 軸 架 計 要求 ： 設計課題要求：橫向進給運動設計時，電機與絲杠采用柔性結構，電機選用伺服電機，對電機的大小選擇進行驗證， 及對滾珠絲杠直徑和支承形式選擇進行強度較核 ，設計精度達原始數據。 本課題所設計的進給系統是針對經濟型中檔數控車床的，該系統設計成功一旦應用到生產實踐中， 將使工廠的生產的數字化水平加強，生產力水平顯著提高 ，勞動強度減輕，經濟效益得到提高。 根據自己三個多月來的設計過程，編寫了這本設計說明書， 其中，書中肯定存在著相當的一些問題，期望領導、老師給予批評，指正。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 5 1、 國內外發展概況及現狀介紹 從上世紀五十年代 數控技術 開始發展 到 1965 年， 數控裝置從最初的電子管元件、晶體管元 件、集成電路到目前使用比較普遍的小型計算機和微處理器共經歷了五代的發展。 世界主要工業國家的數控機床己進入了指生產階段。數控機床的產量，擁有量，數控化率都在急速上升。 我國從 1958看開始研究數控機械加工技術， 60年代針對壁錐，非圓齒輪等復雜形狀的工件研制出了數控壁錐銑床，數控非圓齒輪插齒機等設備，保證了加工質量，減少了廢品，提高了效率，取得了良好的效果。 70 年代針對航空工業等加工復雜形狀零件的急需，從 1973 年以來組織了數控機床攻關會戰，經過三年努力，到 1975 年己研制出了 40 多個品種 300 多臺數控機床。 經過 30 年的努力，我國數控機床和數控系統的研制也歷經了第一代電子管靈敏控、第二代晶體管數控及第三代集成電路數控。從 1975年到 1979 年， 7年內累計生產數控機床4108臺（其中約 3/4 以上的數控線切割機床）。進入 80年代，我國重新重視發 展數控技術，采取了暫從國外引進控制機和伺服驅動系統，為國內主機配套的方針。 1981 年，我國從日本 司引進了 列、 5 系列、 7 系列的數控系統和在直流伺服電機，直流主軸電機 技術，并在北京機床研究所建立了數控設備廠。于 1981 年底開始驗收投產， 1982 年生產 約 40 套系統， 1982 年生產約 100 套系統， 1985 年生產約 400 套系統，伺服電機與主軸電機也配套生產。這些系統是外國 70 年代的水平，功能較全，可靠性能比較高，這樣就使機床行業發展數控機床有了可靠的基礎，使我國的主機品種與技術水平都有圈套的發展與提高。 經濟型數控裝置有步進電機驅動的開環數控裝置、直流電機驅動的半閉環數控裝置和點位式經濟型數控裝置三種。對于數控車床改造一般選用步電機驅動開環數控裝置。選擇時主要考慮以下性能： 型、用戶容量、控制軸或聯動軸數、設定單位、插補類型、編程尺寸及編程標準， G、 M、 S、 T、F 功能、刀補功能、間隙補償功能及循環功能、顯示方式及顯示信息的形式。絕對編程、增量編程、程序輸入方式以及報警、診斷等。根據需要選擇相應的性能。 步進電機驅動單元的性能參數：步進電機性能參數及安裝尺寸，控制箱與電機的接線型式。系統的快速度給速度、空載起動頻率，靜態轉矩，系統升頻降頻時間，起動矩頻特性、起動慣頻特性、運行矩頻特性。驅動電路的型式：高低壓驅動電路、斬波驅動電路、調頻調壓驅動電路、細分驅動電路、電流檢測型功率放大電路等。不同的電路型式、其工作性能不同，根據加工需要合理選擇。 刀架控 制與驅動系統主要考慮刀架型式，如四位或八位電動刀架，或轉塔六位刀架。定位精度及重復定位精度，換刀時間、刀具選擇時刀架的轉向、夾緊力。刀桿尺寸及裝夾刀具結構型式等性能參數 。 我國己有少數產品開始進入國際市場，還有幾種合作生產的數機床返銷國外。目前，我國除了能獨立地設計與生產數控機床橫向進給設計 . 6 常規的數控機床外，還能生產五坐標數控銑床，加工中心以及柔性制造系統，如北京機床研究所開發研制的 ， 性加工單元， 立式加工中心，民明機床古物 全閉環精密加工中心，沈陽中捷友誼廠的 海第一機床廠的 一切都說明，我國的機床數控技術進入新的發展時期，預計在不遠的將來會趕上或超過世界先進國家水平。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 7 2總體方案論證 2 1 選擇動力系統 經濟型的數控機床 動力 系統可分為三類 1 步進電機式 采用 步進電機驅動與定位，是開環系統，同時限于造價，不再采用其它措施補償位置誤差。由于目前功率步進電機力矩還不太大，所以機床的空選種速度較低，一般用于半精加工。這種系統具有 2插補功能，通過軟件控制接口，可加工錐面， 螺紋，簡單外形的曲面等十分靈活。由于性價比較恰當，一般中小型企業在技術力量和財力上都比較容易實現，因此在全國較容易推廣，普及。 2 交流點位式 采用交流電機變頻驅動，用光柵數字點位控制，與步進電機相比，提高了定位精度。光柵分辨率可達 復定位精度為 以加工精度較高。由于采用交流電機驅動，功率大，可進行大切屑量加工零件加工中，效果尤為顯著。目前，交流點式系統只能加工柱面，不能加工曲面和螺紋功能上有限，而且成本高，使性能價格比相對下降，一般用于大企業或專業化工廠使用，國內用的很少。 3半閉環連續控制式 采用直流伺服電機驅動，以脈沖編碼器檢測位置，實現半閉環連續控制。由于采用高性能直流伺服電機驅動，扭矩大，速度高，過載能力強，可進行強力切削。當絲杠螺在 6右時，快速可達 8 9m/不丟步，效率高。該系統功能齊全，還帶有可編程序控制器，使強電計大大簡化。 以上三種驅動方式而言，各有利弊。經過比較選擇直流伺服電機驅動因為速度高，過載能力強，且擁有可編程序控制器，易學易用，在機床伺服控制系統中，步進電機人微言輕執行單元，具有控制方便可靠，價格低，且適合于開 環控制等特點，因此在簡易數控機床中得到廣泛的應用。但由于步進電機步距角、功率較小，存在振蕩等弱點的限制，在高精大功率應用場合并不很合適，故考慮采用伺服電機控制。 動裝置 數控機床半閉環進給系統中伺服電動機經齒輪副（或同步齒形帶副），滾珠 數控機床橫向進給設計 . 8 絲杠拖動工作臺。反饋裝置與電動機相聯，發出反饋信號（亦可把反饋裝置裝在絲杠的端部）；伺服電機可直接與絲杠聯接 數控機床的傳動裝置是將電動機的旋轉運動變為工作臺的直線運動的整個機械傳動鏈及其附屬結構。包括齒輪減速機，絲杠螺母副，導軌、工作臺等。在數控機床數字 調節技術儀式，傳動裝置是伺服系統中的一個重要環節，因此，數控機床的傳動裝置與普通機床中傳動裝置上有重要差別，故它的設計與通機床傳動裝置的設計不同。數控機床傳動裝置的設計要求除了有較高的定位精度外，還應具有良好的動態響應特性，即系統跟蹤指令信號的響應要快，穩定性要好，為確保數控機床進給系統的傳動精度和工作穩定性，在設計機械傳動裝置時，通常提出了無間隙，低磨擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率心臟有適應阻尼比的要求。 設計任務 要完成的設計是 橫 向進給系統的設計，一般來說此種系統的傳動裝置采用螺旋傳動。 螺旋傳動主要用來 把旋轉傳動變為直線運動，或把直線傳動變為旋轉運動。其中，有傳遞能量為主的傳力螺旋，有以傳遞運動為主，并要求有較高的傳動精度的傳動螺旋，還有調節整零件相互位置的調整螺旋。螺旋傳動機構又有滑動絲杠螺母，滾珠絲杠螺母和液壓絲杠螺母機構之別。 在經濟型數控機床的進給系統中，螺旋傳動主要來實現精密的進給運動，并廣泛采用滾珠絲杠副傳動機構。 選用滾珠絲杠副傳動機構，因為此種機構有如下特點： 1. 傳動效率高，磨擦損失小。滾珠絲杠副的傳動效率為： 常規的絲杠螺母副提高了 3 4倍（滑動絲杠效率為 ,因此，功率消耗只相當于常規絲杠副的 1/4 1/3。 2. 給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區。定位精度高，剛度好。 3. 有可逆性，可以從旋轉運動轉化為直線傳動，也可以從直線傳動轉換為旋轉運動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。 4. 磨損小，使用壽命長，精度保持性好。 3 、 具體設計說明 3 1 橫 向進給滾珠絲杠副的 設計 選擇： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 9 在一般情況下，設計滾珠絲杠時，必須知道下列條件：最大工作負載 平均工作負載 用下的使用壽命 T，絲杠的工作長度 L（或螺母的有效行程），絲杠的轉速 n（平均轉速 n），滾道的硬度 絲杠的運轉情況，然后按下列步驟進行設計。 1、 計算作用在滾珠絲杠上的最大 動 負載 數值。 2、 從滾珠絲杠設計標準中，找出相應尺寸系列對應的最大動載荷 相近值，并初選型號。 3、 根據具體工作要求，對于結果尺寸、循環方式、調隙方法及傳動效率等方面的要求，從初選的幾個型號中再挑選出比較合適的公稱直徑 程 珠列數 k、滾珠圈數 j 等確定某一型號。 4、 根據所選出的型號，列出（或算出）其主要參數的數值 ； 驗算其剛度及穩定性系數是 否滿足要求。若不滿足要求，則需要另選其它型號，再做上述的計算和驗算直至滿足要求為止。 3 1 1 確定滾珠絲杠的支承方式： 一、 滾珠絲杠常用的支承方式見下圖。 圖 a 為一端軸向固定一端自由，常用于短絲杠和豎直安裝的絲杠。圖為一端固定一端簡支，常用于較長的臥式安裝絲杠。圖 c 為兩端固定，常用于長絲杠或高轉速、要求高速精度、高剛度的地方。這種方式還可以預拉伸。這種安裝方式雖優點顯著，但工藝比較困難。 滾珠絲杠都用滾動軸承支承。可用的滾動軸承種類很多。從目前情況看來，本課題可選用角接觸球軸承： 數控機床橫向進給設計 . 10 這種軸承可 以組配。 ( a )圖為一對背靠背， ( b )圖為一以面對面。都承受兩個方向的載荷。由于螺母（固定在床鞍上）與絲杠（固定在床鞍上）與絲杠（固定在床身上）的同軸度難免有某些誤差，希望軸承有一定的自動調心作用。面對面組配時，兩接觸線與軸線交點之間的距離比背靠背時小，調心較易。所以絲杠軸承面對面配用得比較多。 這種軸承是在預加載荷的條件下組配的。背靠背組配時，內圈端面各磨去 裝配時壓緊內圈。就可施加預加載荷。 簡支端常用深溝球軸承，不預緊。 本課題設計采用的是 角接觸球軸承，原因在于： 縱向的力，又要承受橫向進給力， 考慮到系統受力情況； 2. 為了保證加工精度，橫向進給系統的運動軌跡范圍決定了采用角接觸球軸承。 珠絲杠副 額定載荷 ： （ 1）額定動載荷 在一組有相同參數的滾珠死杠副中，把 90%達到 106 轉而不發生疲勞剝傷 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 11 所能承受的純軸向載荷稱為額定動載，以 示。 （ 2）額定靜載荷 在滾珠絲杠副靜止（或轉速 10r/態下，承受最大接觸應力的 滾珠和滾道接觸面的塑性變形量只和為滾珠直徑 時的軸向載荷，稱為 額定靜載荷，以 示。 珠絲杠幅主要參數的確定： （ 1）按預期壽命 軸向載荷 行選擇： a)3 106 （轉） 1 （ 3 一般情況下， 以用平均載荷 以代替： F 1 （ 3 式中； 預期設計壽命， 最大軸向載荷， 最小軸向載荷。 對于機床 常取 0 106 （轉） 則： 20 1 （ 3 本課題設計的要求，系統最大進給力為 2750N，橫向進給為一半即1375N，所以得： 80N（經驗值） 5%238N 所以 2381375 =： 2)按承受的最大軸向力 定參數計算靜負荷 F 控機床橫向進給設計 . 12 即 2 680=；絲杠的額定動載荷 杠的額定靜載荷 擇 ： 代號為 2005的滾珠絲杠 ， 其基本直徑 20徑 本導程 5 （ 1）最大軸向壓縮載荷 F 滾珠絲杠受壓力作用后，在彈性范圍內的臨界穩定載荷 下式計算： 4)( 4 （ 3 式中： m=20 104 （ N/ 公稱直徑（ . 則： 平安置時 ny=4 n 許用穩定安全系數 244 0 )1 7 020 F 即 2). 極限轉速的計算為使絲杠副在高速運轉時不發生共振現象，應對其極限轉速進行核算。當絲杠發生共振時轉速稱為臨界轉速，以 21 m ()(1026 4 （ 3 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 13 式中： 0K=限轉速 n c=121m 0 2 rmi n/ （ 3）滾珠絲杠副的預加副載 為了消除螺母間隙，提高滾珠絲杠副的剛性，與定位精度，在絲杠和螺母 間施加預加載荷 預加載荷大小為： 229N4 （ 3 （ 4） 滾珠絲杠副的剛度 滾珠絲杠副的剛度 K： 式中： K 為滾珠絲杠副的剛度； K j 為滾珠的軸向接觸剛度； 螺母的安裝剛度； 絲杠軸的安裝剛度 1 當有預加負荷 ， 表示： )/(* 2 4 （ 3 式中： F 為軸向工作載荷（ N） 滾珠直徑，（ Z Z 圈數列數 Z 為一圈滾珠數 內循環 Z =d0/ 5)粒 210為滾子數 25 2 1 01 7 （ 103 N/ m 數控機床橫向進給設計 . 14 2 、螺母支撐剛度 )/(10 8 5 （ 3 其中： A 為螺母橫截面積 E 105 A 103 ， 103 105） /（ 1000 103） 103（ N/ m） 3 、絲杠軸的支承剛性 采用圖示的支承方式： 10A =(A*E)/（ 1546 108） 103（ N/ m） 10 （ 3 滾珠絲杠副的剛度 K： 因為： 所以 K=1/( )=103 （ N/ m） （ 5）驅動力矩及驅動功率 使絲杠旋轉運動所需驅動力矩： F （ 2000 ） (10 （ 3 公稱導程 所以 預緊力所產生的摩擦力矩 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 15 K810*2* （ 10 （ 3 10381025229v 驅動力矩： M =f=0 （ 3 所需功率 W95500M（ 1 （ 3 W= )( 式中： F 為軸向載荷 公稱直徑 為效率 3 1. 4 滾珠絲杠與伺服電動機的聯接 滾珠絲可通過齒輪副或步齒形帶與伺服電機相接；也可通過聯軸節與伺服電動機直接聯接。 為了消除絲杠與電機軸之間的同軸度和垂直誤差，可用撓性聯軸節或波紋管聯軸節。一般為撓性聯軸節。柔性片分別用螺釘和球面墊圈與兩邊的聯軸套相聯。通過柔性片傳遞力矩。柔性片由不銹鋼制成，每片厚 種聯軸節已由專門工 廠生產，其性能尺寸見機床設計手冊第 3冊 伺服電動機有直流和交流兩類。直流伺服電動機開發較早。交流伺服電動機國外于 70 年代末期開始應用于數控機床。由于交流伺服電動機沒有電刷，因此壽命長，允許的轉速高，還適當宜于易燃易爆的環境中使用。交流伺服電動機發展得快，在國外已基本上取代了直流伺服電動機。在我國，交流服電動機也已采用，直流伺服電動機仍有應用仍較多。 伺服控制系統一般都是閉環或半閉環控制系統： 數控機床橫向進給設計 . 16 圖中給出了典型的伺服控制系統的框圖。這是一個三環控制系統，外環是位置控制環，是決定系統主要性質的基 本控制環，它決定著系統的位置控制精度；速度控制環用于實現速度的調節和速度控制精度；電壓控制環可實現對伺服放大器的電壓控制。 半閉環控制： 半閉環控制系統不但有前向的指令控制通道，而且有檢測元件輸出的反饋控制通道，而檢測元件是安裝在絲杠軸或電機軸上的，檢測同角位移后，推算出工作臺的實際位移。以偏差值實現位置控制。此系統由于檢測元件檢測的反饋信號不包含從旋轉軸到工作臺之間的傳動鏈的誤差，這部分誤差將不能被自動補償。因此這種由等效反饋信號組成的控制系統為半閉環控制系統。 閉環控制： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 17 閉環控制與半閉環控制 其組成原理及控制方法基本相同。在閉環控制系統中，要求以工作臺（或刀架）的最終控制輸出作為反饋信號，即要求測量元件安裝在工作臺上，而不是安裝在絲杠或電機軸上。但因直接測量工作臺的實際位移，需配備如光柵、磁柵或感應同步器等安裝和維修要求都比較高的位置檢測元件，這使整個系統的價格提高。由于閉環控制能對整個系統誤差進行自動補償，因此，其精度比半閉環控制要高，精度取決于位置檢測元件的測量精度。總之，這種控制方式的優點是精度高、速度快，但調試和維修比較復雜，適宜于大型和精密的數控機床。 數控機床橫向進給設計 . 18 3 2. 伺服電機型號選擇 ： 3 給電機功率的確定 在進給運動的速度較低的情況下，空載功率很小，計算時可以略去，進給電機的功率可根據進給的有效功率和傳動件的機械效率來計算： 即： 6120*(*)11 （ 3 式中： 斤力） /分） 般可取 根據資料顯示 ,列車床的最大切削主力 F=2750N 即750N 故進給力 ： 1375N s=入 (*) 式 0 413 75 3 服電機型號 考慮到進給系統的過載現象 , 選擇的電機功率應該大于選擇的電機功率。（根據參照 電機手冊 . 南京蘇強數控機電 有限公司 ） 所以， 選擇型號為110型 的永磁無刷伺服電機。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 19 額定功率 額定轉矩 額定轉速 額定電流 轉子慣量 機械 時間常數 電機 時間常數 1. 256103 為了保證傳動精度，本設計采用同步帶輪來傳動。同步帶輪傳動不僅能夠保證良好的傳動精度，還能降低傳動產生的噪音， 對磨損 的要求也同時符合要求。一般同步帶輪有統一生產，本課題設計選用的是 慈溪恒力同步帶輪有限公司生產，規格如下： 數控機床橫向進給設計 . 20 4、 結論 至今為止，基本上完成了本課程的設計要求，課題的主要設計內容包括：絲杠結構設計，伺服電機與絲杠的連接形式設計、絲杠與床鞍的連接設計、絲杠的支承方式設計、 伺服電機的選擇 。 進給系統運轉精度、直接將導致整個機床的加工精度。因此，絲杠精度的選擇，絲杠的支承如何保證軸向定位精度等關鍵性問題是急需解決的。由于自身的經驗有限，面對這些關鍵性問題只能從理論上去尋求解決的方法。因此， 自己所設計的結構和運用到生產實踐中仍相距甚遠。 電機的選擇也相當重要，對于整個進給系統的來說，要求嚴格。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 21 5、 參考文獻 1 張新義 北京：機械工業出版社， 李 洪 沈陽：遼寧科學技術出版社 3 陳宏鈞 ,馬素敏 . 金屬速查速算手冊 . 北