数控车床伺服进给系统设计

摘要本设计是把普通数控车床改造成经济型数控车床。 经济型数控车床就 是指价格低廉、操作使用方便、比较适合我国国情的，动化的机床。采用 数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台 机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出 快速反应。在设计的时候具体进行了详细的各部件的选型和计算。比如： 导轨的设计选型、滚珠丝杠螺母副的选型与计算。还进行了进给传动系统 的刚度计算、进给传动系统的误差分析、驱动电机的选型计算、驱动电机 与滚珠丝杠的联接、驱动电机与进给传动系统的动态特性分析等。【关键词】车床、数控、传动系统AbstractThis project is to alter the common lathe into the economicallathe. The economical lathe is a advanced and roboticized lathe that has low price, convenient operation, and adapt to the situation of our country and has installed cnc system. During the project we particularly dealt with the choice and calculation of every assembly.Such as:The choice and calculation of guideway, ballscrew nut pair and drive electromotor. Caculate the inflexibility of feed transmission system. Analyse the error of feed transmission system.Junction between drive electromotor and ballscrew. Dynamic analysis of drive electromotor and feed transmission system .【Key words 】Lathe ；CNC；Transmission System目录摘 要 1Abstract 2前言 41 数控车床设计概述 51.1 电动机的选择 61.2 电动机类型和结构型式的选择 7.2 进给伺服系统概述 83 横向进给系统的设计计算 1.0.3.1 设计参数 1.0.3.2 切削力与其切削分力计算 1.0.3.3 轨摩擦力的计算 1.1.3.4 算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 1.13.5 定进给传动链的传动比 i 和传动级数 1.13.6 珠丝杠的动载荷计算与直径估算 1.23.7 珠丝杠螺母副承载能力校核 1.3.3.8 计算器械传动的刚度 1.4.3.9 驱动电机的选型与计算 1.5.3.10 械传动系统的动态分析 1.8.3.11 机械传动系统的误差计算与分析 1.83.12 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 1. 94 进给系统的结构设计 2.0.4.1 滚珠丝杠螺母副的设计 2.0.4.2 齿轮传动副的设计 2.1.4.3 齿轮箱的设计 2.2.4.4 床身与导轨 2.2.4.5 中间轴的设计 2.4.4.6 轴承端盖的设计 2.4.总结与体会 2.5.致谢词 2.6.【参考文献】 2.7.、八 、前言我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万 台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约 为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的数控化率仅为 6 %。这些 机床中 ,役龄 10 年以上的占 60 以上； 1 0 年以下的机床中，自动 /半自动 机床不到 20%， FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数 （美国和日本自动 和半自动机床占 60%以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、 加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机 床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一 个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性： 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高37倍。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修 配”。可实现多任务序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长 时间无人看管加工。因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个 人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可 对市场需求作出快速反应。 此外，机床数控化还是推行 FMC （柔性制造 单元）、 FMS （柔性制造系统）以与 CIMS （计算机集成制造系统）等企 业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础 技术。本次设计的内容是机床总体方案设计与总体布局图绘制、 纵向与横向 伺服进给机构的理论计算、结构设计与绘制装配图、典型零件绘制、数控 系统（硬件连接图）设计、典型零件的数控车削加工程序编制与外文数据 文献翻译，并撰写毕业设计论文。设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识， 解决工程实际问题 的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作 的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手 册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态 度，加强团队合作精神。在设计中，先通过参观与查阅等了解有关系统的工作原理，作用与结 构特点。选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得出相关的结构或零 件。1 数控车床设计概述用数控机床加工零件时， 首先应将加工零件的几何信息和工艺信息变 成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按 各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的 驱动，带动各轴运动，并进行回馈控制，使刀具和工件与其它辅助装置严 格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条件不紊乱地作，从而加工 出零件的全部轮廓。数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加工程 序即可，原来的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零 件重新设计机床，致使生产准备时间过长。经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方 面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车 床的进给传动系统， 由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。 所以，数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精度以确保机械传 动系统的传动精度和工作平稳性。数控改造对机械传动系统的要求为：（1）尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减 小摩擦力。（2）选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动 位移尽可能加速达到跟踪指今。（3）尽量缩短传动链以与用预紧的办法提高传动系统的刚度。（4）尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联 轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。（5）尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传 动精度高高、运动平稳、效率高以与传递扭矩大的传动组件。从应用的方面考虑，结合目前国内大多数的情况，可采用更换滚珠丝 杠来代替原机床上的 T型丝杠。也可对原车床上 T型丝杠加以修复，但此 时必须相应修配与与此相配合的螺母，尽量减小其间隙，提高配合精度。般说来如原车床的工作性能良好精度尚未降低，贝y数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床组成机床本体的 各机械部件组成，如图i.i:控制介质匚数控装置j伺服系统IbL.机床111111- 测量装置;图i.i数控机床的组成i.i电动机的选择制动、反转、调（i）根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、 速等要求，选择电动机类型。(2) 根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机 的温升限制、超载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9 o(3) 根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以与 腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。(4) 根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。(5) 根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要 求，以与机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。1.2电动机类型和结构型式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等)，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。 总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。 表1.1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流 主轴系统进行对比、分析。表1.1理想主轴驱动系统性能项目内容高性能低速区要有足够的转矩宽恒功率范围，并在冋速范围内保扌寸 定转矩 咼旋转精度咼动态响应高加减速，起制动能力具有强鲁棒性，能适应环境条件和参数变化高效率，低噪声低价格低购买价格，低维护价格，低服务价格通用要求耐用性，可维护性,安全可靠性感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个kW到上百kW，广泛地应用于各种数控机床上。2进给伺服系统概述由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具 有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速 大转矩。伺服系统对伺服电机的要求：（1 ）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低 速如0.1r/min 或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。（2） 电机应具有大的较长时间的超载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内超载4-6倍而不损坏。（3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受 4000rad/s 2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。（4 ）电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺 服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模 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回馈 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，使控制精度和质量大大提 高。数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。 这也是数控车床 区别于普通车床的一个特殊部分。数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动组件、机械传动部件、 执行件和检测回馈环节等组成。驱动控制单元和驱动组件组成伺服驱动系 统。机械传动部件和执行组件组成机械传动系统。检测组件与回馈电路组 成检测系统。进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和死循环系统。 死循环 控制方式通常是具有位置回馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的 不同，死循环系统又分为半死循环系统和全死循环系统。半死循环系统具 有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包 括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全死循环系统 的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之 内。开环系统的定位精度比死循环系统低， 但它结构简单、 工作可靠、 造价 低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性与间隙的存在，故 开环系统的精度和快速性较差。全死循环系统控制精度高、 快速性能好， 但由于机械传动部件在控制环 内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机 械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故 必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全死 循环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。死循环系统中采用的位 置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和 激光干涉仪等。数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。 伺服电机有直 流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本 上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难,经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机 械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子 上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感， 转子变得短粗，影响了系统的动态性能。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器 件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普与与应用；二是基于微 处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化 制造模式的推广与现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可3横向进给系统的设计计算3.1设计参数设计参数如下：纵向：工作台重量：W=800N行程：S=650mm脉冲当量：p=0.006mm/P最大进给速度：Vmax =2m/min 横向：工作台重量：W=300N 行程：S=200mm脉冲当量：p =0.004mm/P最大进给速度：Vmax =1m/min3.2切削力与其切削分力计算已知机床主电动机的额定功率Pm为7.5kw，最大工件直径 D=400mm ，主轴计算转速 n=85r/m 。在此转速下，主轴具有最大扭矩 和功率，道具的切削速度为Dnv6033.14 400 10851.78m/s60取机床的机械效率 0.8，则有P 3Fzm 10 N 3370.79 Nv走刀方向的切削分力Fx和垂直走刀方向的切削分力Fy为Fx 0.25Fz 0.25 3370.79N842.7NFy 0.4Fz 0.4 3370.79N1348.32N3.3轨摩擦力的计算导轨受到垂向切削分力Fv Fz 3370.79N，纵向切削分力Fc Fy 1348.32N，移动部件的全部质量(包括机床夹具和工件的质量) m=30.61kg(所受重力 W=300N)，查表得镶条紧固力fg 2000N，取导轨 动摩擦系数0.15，则F (W fg Fv Fc)0.15 (3002000 3370.79 1348.32)1052.87 N计算在不切削状态下的导轨摩擦力F 和F。F 0 (W fg) 0.15 (300 2000) 345NF00(W fg) 0.2 (300 2000) 460N3.4算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算最大轴向负载力Fa maxFamaxFy F (1348.32 1052.87)N 2401.19N计算最小轴向负载力Fa minFaminF 0 345N3.5定进给传动链的传动比i和传动级数取步进电动机的步距角1.5，滚珠丝杠的基本导程 Lc 6mm,进给传动链的脉冲当量p 0.004mm/ P，则有L0360 p1.5 6360 0.0046.25按最小惯量条件，查得应该采用 2级传动，传动比可以分别取i1 3、 i2 2.1。根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为z 20、z2 60、z320、Z442，模数 m=2，齿宽 b=20mm 。3.6珠丝杠的动载荷计算与直径估算(1)按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷已知数控机床的预期工作时间Lh 15000h，滚珠丝杠的当量载荷a maxFm2370.34 N，查表得载荷系数fw 1.3 ；初步选择滚珠丝杠的精度等级为3级精度，取精度系数fa 1 ；查表得可靠性系数fc 1。取滚珠丝杠的当量转速nm nmax，已知vx 1m/min，滚珠丝杠的基本导程 Lo 6mm，贝Vn max1000VmaxL01000 16166.67r/mam3 60nmLhFm100 fafc3 60 166.67 150003 N 16585.8N100 1 1(2)根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知本车床横向进给系统的定位精度为40m,重复定位精度为16m，则有max1(丄-丄)16 m 5.33- 8 m32max21 1()40 m 8-10 m取上述计算结果的较小值，即max 5.33 m。(3)估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m滚珠丝杠螺母的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式，滚珠 丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为L=行程+安全行程+2 X余程+螺母长度+支承(1.2 1.4 )行程 + ( 25 30 ) L0取 L=(1.4 X200+30 X6)mm=460mmd2m0.078460 4605.3315.54mm(4) 初步确定滚珠丝杠螺母副的型号根据以上计算所得的L、Cam、d2m和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FF型内循环螺母，型号为 FF3206-5，其公称直径d。、基本导程Lo、额定动载荷Ca和螺纹底径d2如下:d0 32mm Lo 6mmCa 20200N Cam 16585.80Nd227.9mm d2m 15.54mm3.7珠丝杠螺母副承载能力校核已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径 d2 27.9mm，已知滚珠丝杠螺母副的 最大受压长度L, 300mm，丝杠水平安装时，取 K, 1/3,查表得K2 2， 则有FcK,K2L21051 2 27.92233002105N448831.21N本车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为 Famax 2401.19N，远小于其临界压缩载荷巳的值，故满足要求。滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度L2300mm，其弹性模量5E 2.1 10MPa，密度 1 7.8 10 5N/mm3，重力加速度 g 9.8 10mm/s2滚珠丝杠的最小惯性矩为43.1444I d227.929728.05 mm6464滚珠丝杠的最小截面积为Ad； 314 27.92 611.05mm244取K10.8，查表得 3.927，则有0.860 3.9272,2.1 105 29728.05 9.8 1032 3.14 3002 ；7.8 10 5 611.054692249 r/ min本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为166.67r/m ，远小于其临界转速，故满足要求。滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核,滚珠丝杠的额定动载荷 Ca 20200N，已知其轴向载荷Fa Famax 2401.19N，滚珠丝杠的转速n nmax 166.67r/min，运转条件系数fw 1.2，贝V有L 诜)3106 翳九)3106r344.533 106rL60n6344.533 10 , h60 166.6734453h本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命-34453h 15000h，故满足要求。3.8计算器械传动的刚度已知滚珠丝杠的弹性模量E 2.1 105MPa，滚珠丝杠的底径 d227.9mm。当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离a Ly 300mm时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度 minKsmind；E 10 33.14 27.92 2.1 1054Ly4 300427.73N / m当a Lj 100mm时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度maxKsmax览 10 3 314 2792 21 1054Lj4 1001283.21N/ m已知滚动体直径dQ6.75 mm，滚动体个数 Z=15.轴承接触角60。轴承最大轴向工作载荷FBmaxFamax 2401.19N。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度Kb为：Kb 2 2.343 dQZ2FamaxSin22 2.34 #6.75 152 2401.19 ()2654.49 N / m查表得滚珠与滚道的接触刚度K 683N/ m，滚珠丝杠的额定动载Famax 2401.19N 则20200 N。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷F -2401 19 -心 K(0)3 683 (0JEN/ m 723N/ m进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为0.003689111 1 1 1maxKsmaxKbKc1283.21654.49723.51故 Kmax 723.51N / m。进给传动系统的综合拉压刚度最小值为0.005248723.511 1 1 1 1minK7427.73654.49L,355mm，滚珠丝杠的剪切模量故 Kmin 191N/ m已知扭矩作用点之间的距离G 8.1d：G32L2104MPa，滚珠丝杠的底径d227.9mm，则有32 355 103.14 27.94 10 12 8.1 104 10613566.04 N ?m/rad3.9驱动电机的选型与计算(1) 计算滚珠丝杠的转动惯量已知滚珠丝杠的密度7.8 103kg/cm3，则有nJr 0.78 10 3D：Lj 1.38kg?cm2j 1(2) 计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量已知横向进给系统执行部件的总质量为m=30.61kg;丝杠轴每转圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=0.6cm贝VL 20 622JL m(一)2 30.61 ()2 0.28kg ?cm222 3.14(3 )计算各齿轮的转动惯量Jz1 Jz3 0.78 10 3 44 2kg?cm2 0.4kg ?cm2Jz2 0.78 10 3 124 2kg?cm232.3kg?cm2342 422Jz4 0.78 10() 2kg ?cm 7.8kg ?cm5(4 )计算加在电动机轴上总负载转动惯量JdJd Jz1沁2Jz3 )17T(Jz4 J r JL)I1 10.4(32.3 0.4)2(7.81.38 0.28)96.2524.275kg ?cm(5) 计算折算到电动机轴上的切削负载力矩Tc已知在切削状态下的轴向负载力 Fa Famax 2401.19N，丝杠每转一圈, 机床执行部件轴向移动的距离 L=6mm=0.006m ，进给传动系统的传动比 i=6.25 总效率n =0.85，则有FaL2 I2401.19 0.0062 3.14 0.85 6.25N ?m0.43N ?m(6 )计算折算到电动机上的摩擦负载力矩TFL2 I已知在不切削状态下的轴向负载力矩F 345N，贝V有0.062N?m345 0.0062 3.14 0.85 6.25(7 )计算由滚珠丝杠预紧力Fp产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩Tf已知滚珠丝杠螺母副的效率 0.98，滚珠丝杠螺母副的预紧力Fp为Tf FpL0(1 o)8004 0006(1 0.982)0.0057N?m2 3.14 0.85 6.25折算到电动机轴上的负载力矩T的计算。空载时(快进力矩)，为Tkj T Tf (0.062 0.0057)N?m 0.068N?m切削时(工进力矩)，为Tgj Tc Tf (0.43 0.0057)N?m 0.436N ?m根据以上计算结果和查表初选 130BF001型反应式步进电动机，其转 动惯量Jm 4.6kg?cm2 ;而进给传动系统的负载惯量 Jd 2.8kg?cm2 ;对于 幵环系统，一般取加速时间ta 0.05s。当机床以最快进给速度v 1000mm/min运动时电动机的最高转速为：nmax6.25r / min1041.67r/min2 in max(Jm60 980taJd)2 3.14 1041.67 6.25(4.62.8)60 980 0.05102.9kgf ?cm 10.08N ?m(8)计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩计算空载启动力矩TqT, Tap (T Tf)(10.08 0.062 0.0057)N ?m 10.15N?m计算快进力矩TkjTkj TTf (0.062 0.0057)N?m 0.068N?m计算工进力矩TgjTgj Tc Tf (0.43 0.0057)N?m 0.44N?m(9)选择驱动电动机的型号根据以上计算和查表选择国产150BF002型电动机，其主要参数如下：相数，5 ；步距角，0.75 /1.5 ;最大静转矩，13.72N?m ；转动惯量， 9.8kg ?cm2;最高空载启动频率，2800Hz ;运行频率，8000Hz ;分配方 式，五相十拍。确定最大静转矩Ts:机械传动系统空载启动力矩 Tq与所需的步进电动机的最大静转矩Ts1的关系为：1015 N?m 10.67N ?m0.9510.951机械传动系统空载启动力矩Tq与所需的步进电动机的最大静转矩Ts2的关系为：Tgj 0.44Ts2 耳N ?m 1.47N ?m0.30.3取T1和Ts2中的较大者为所需的步进电动机的最大静转矩Ts 10.67N?m。本电动机的最大静转矩为13.72N?m ,大于Ts，可以在规定的时间内正常启动，故满足要求。验算惯量匹配，为了使机械传动的惯量达到较合理的匹配，系统的负 载惯量Jl与伺服电动机的转动惯量 Jm之比一般应满足下式：因为 虫 4725 0.436 0.25,1，故满足惯量匹配要求。Jm9.83.10械传动系统的动态分析滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度Ko Kmin 191 106N/m，机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为m、ms，滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为 md m 1/3ms，已知m=30.61kg则:ms n 3.22 64 7.8 10 3 4.01kgmdm 丄 ms (30.611 4.01)kg3331.95kgncmdK。191 106 , rad / s31.952445rad / s折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为2 2 2Js Ji (9.8 4.275) 6.25kg ?cm 88kg ?cm 0.0088kg ?m已知滚珠丝杠的扭转刚度 Ks K 13566.04N?m/rad，贝Unt13566.04 0.00881241.6rad /s由以上计算可知，丝杠一工作台纵向振动系统的最低固有频率nc、扭转振动系统的最低固有频率 nt都比较高。一般按 n 300rad /s的要求来 设计机械传动系统的刚度，故满足要求。3.11机械传动系统的误差计算与分析(1 )计算器械传动系统的反向死区已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值Kmin 191 106N / mm，导轨的静摩擦力为F 460N，则4.82（2）kmaxFo（丄丄）103K minKmax艺103 血 103mm 4.82 10 3mmm 8 m，故满足要求。kmax计算器械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差460 （1616） 1030.71 10 3mm191 10271 10kmax0.71 m 6 m，故满足要求。(3 )计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差已知负载力矩T Tj 68N ?mm，扭矩作用点之间的距离L2355mm，丝杠底径d227.9mm，则有7.21 10 2TL27.21 10268 355 0.0029d；27.94由该扭转变形 弓I起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度，有L06 0mm 0.05 m3603603.12确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号确定滚珠丝杠螺母副的精度等级， 本进给传动系统采用幵环控制系统, 应满足如下要求：V300P ep 0.8 （定位精度kmax ） 0.8 （40 0.71 0.05） m 31.39 mep Vup 0.8 （定位精度-kmax ） m 31.39 m取滚珠丝杠螺母副的精度等级为3级，查表得V300p 12 m,当螺纹长度约为 350mm 时，ep13 m， Vup 12 m; V300P ep 25 m 31.39 m;ep Vup25 m 31.39 m故满足设计要求。纵向进给系统的设计方法与横向进给系统类似，不在此赘述了4 进给系统的结构设计4.1 滚珠丝杠螺母副的设计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， 在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他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，当丝杠旋转时，滚珠在滚 道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。滚珠丝杠螺母副具有以下特点：（1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92-0.96 ，比普通丝杠高 3-4 倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的 1/4-/3.（2）若给于适当预紧， 可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙， 反向时 还可以消除空载死区，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， 既可以从螺旋运动转换成直线运动， 也可以从直线 运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。（5）磨损小，使用寿命长。（ 6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等组件的加工精度要求高，表 面粗糙度也要求高，故制造成本高。（ 7）不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不 同，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故还需要增加制动装置。本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副， 精度为 3 级，两端采用了小圆螺母为轴向定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。它 是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个Lo的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现预紧。这种调隙方 法结构简单，但载荷量须预先设定而且不能改变。滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。 因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况 有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给 丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以与两端 固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种 配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此课题中采用两端固定的方式，以 实现高刚度、高精度以与对丝杠进行拉伸。丝杠中常用的滚动轴承有以下两种： 滚针推力圆柱滚子组合轴承和 接触角为 60 角接触轴承，在这两种轴承中， 60 角接触轴承的摩擦力矩小 于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小 型数控机床中被广泛应用。 滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度 的地方。60 角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向 组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造 安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点 间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组 合用得较多。在此课题中采用了以面对面配对组合的 60 角接触轴承，组合方式为 DDB 。以容易实现自动调整。滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。 为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结 构，使预拉伸量略大于热膨胀量。4.2 齿轮传动副的设计齿轮传动装置主要由齿轮传动副组成， 其任务是传递伺服电动机输出 的扭矩和转速，并使伺服电动机与负载（工作台）之间的扭矩、转速、以 与负载惯量相匹配，使伺服电机的高速低扭矩输出变为负载所需要的低速 扭矩。在开环系统中还可以计算所需的脉冲当量。对传动装置的总要求是传动精度要求高、稳定性好和灵敏度高（或响 应速度快），在设计齿轮传动装置时，也应从有利于提高这三个指标的角 度来提出设计要求。对于开环控制系统而言，传动误差直接影响数控装备 的工作精度，因而应尽可能缩短传动链、消除传动间隙，以提高传动精度 和刚度。对于死循环控制系统，齿轮传动装置完全在伺服回路中，给系统 增加了惯性环节其性能参数将直接影响整个系统的稳定性。无论是开环控 制系统还是死循环控制系统，齿轮传动装置都将影响整个系统的灵敏度 （响应速度），从这个角度考虑应注意减少摩擦和转动惯量，以提高传动 装置的加速度。在设计齿轮传动装置时，除考虑以上要求外，还应考虑其传动比分配 与传动级数对传动件的转动惯量和执行件的失动影响。增加传动级数，可 以减少传动惯量，但级数增加，使传动装置结构复杂，降低了传动效率， 增大了噪声，同时也增大了传动间隙和摩擦损失，对伺服系统不利。因此 不能单纯根据转动惯量来选取传动级数，而应综合考虑来选取最佳的传 动，而应综合考虑来选取最佳的传动级数和各级传动比。在数控设备的进给驱动系统中，考虑到惯量、扭矩、或脉冲当量的要 求，有时要在电动机到丝杠之间加入齿轮传动副，而齿轮等传动副存在的 间隙，会使进给运动反向滞后于指令信号，造成反向死区而影响其传动精 度和系统的稳定性。因此，为了提高进给系统的传动精度，必须消除齿轮 副的间隙。本设计采用的是双片齿轮错齿调整法。 两片齿轮周向可调弹簧错齿消 除间隙结构。两个相同齿数的薄片齿轮与另一个宽齿轮啮合，两薄片齿轮 可相对回转。 在两个薄片齿轮的端面均匀分布着四个螺孔， 分别装上凸耳。 其中一个齿轮的端面还有另外四个通孔，凸耳可以在其中穿过，弹簧的两 端分别钩在凸耳和调节螺钉上。通过螺母调节弹簧的拉力，调节完后用螺 母锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮错位，即两个薄片齿轮的左右齿面分别贴 在宽齿轮槽的左、右齿面上，从而消除了齿侧间隙。4.3 齿轮箱的设计齿轮箱主要把齿轮装入，通过轴连接电动机和丝杠。主要结构是一个 方形的箱，然后要加工出一些孔装轴、丝杠、端盖等等。在右侧内壁也要 加工一个孔来支承轴承。同时还要通过两个凸耳用螺栓与导轨联接。4.4 床身与导轨对于数控机床来说，作为主要支承件的床身至关重要，其结构性能的 好坏直接影响着机床的各项性能指针。 它支承着数控车床的床头箱， 床鞍， 刀架，尾座等部件，承受着切削力、重力、摩擦力等静态力和动态力的作 用。其结构的合理性和性能的好坏直接影响着数控车床的制造成本；影响 着车床各部件之间的相对位置精度和车床在工作中各运动部件的相对运 动轨迹的准确性，从而影响着工件的加工质量；还影响着车床所用刀具的 耐用度，同时也影响着机床的工作效率和寿命等。因此，床身特别是数控 车床的床身具有足够的静态刚度和较高的刚度 / 品质比；良好的动态性能； 较小的热变形和内应力；并易于加工制造，装配等，才能满足数控车床对 床身的要求。数控车床工作时，受切削力的作用，床身发生弯曲，其中，影响最大 的是床身水平面内的弯曲。因此，在床身不太长的情况下，主要应提高床身在水平面内的弯曲刚度。所以，在设计床身时，采用与水平面倾斜45 的斜面床身。这种结构的特点是： (1) 在加工工件时，切屑和切削液可以从 斜面的前方 (即床身的一侧 ) 落下，就无需在床身上开排屑孔，这样，床身 斜面就可以做成一个完整的斜面。 (2) 切屑从工件上落到位于床身前面的排 屑器中，再由排屑器将切屑排出。这样，机床在工作中，排屑性能和散热 性能要好，可以减少床身在工作中吸收由于切削产生的热量，从而减少床 身的热变形，使机床更好地保持加工精度。 (3) 由于在床身上无需开排屑孔， 就可以增加与底座连接的床身底面的整体性，从而可增加床身底面的刚 性。基于以上特点使得床身抵抗来自切削力在水平和垂直面内的分力所产 生的弯曲变形能力，以与它们的合力产生的扭转变形能力显著增强。从而 大幅度提高了床身的抗弯和抗扭刚度。床身在弯曲、扭转载荷作用下，床 身的变形与床身的截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。 材料、截面相同， 但形状不同的床身，截面的惯性矩相差很大。截面积相同时，采用空形截 面，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的情况下，尽可能减小壁厚，可以大大 提高截面的抗弯和抗扭刚度；矩形截面的抗弯刚度高于圆形截面，但圆形 截面的抗扭刚度较高； 封闭截面的刚度显著高于不封闭截面的刚度。 为此， 在设计床身截面时，综合考虑以上因素，在满足使用、工艺情况下，采用 空心截面，加大轮廓， 减小壁厚， 采用全封闭的类似矩形的床身截面形式， 同时，为了提高床身的抗扭刚度和床身的刚度重量比，在大截面内设计 一个较小的类似圆形截面。床身与导轨为一体，床身材料的选择应根据导轨的要求选择。铸铁具 有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和加工。床身材料采用机械性能优良 的 HT250 ，其硬度、强度较高，耐磨性较好，具有很好的减震性。车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简 单、制造方便、 接触刚度大等优点。 但传统滑动导轨摩擦阻力大且磨损快， 动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采 用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料 滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。在动导轨上镶装 塑料具有摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易爬行、加工 性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点，在各类机床上都有应用， 特别是用在精密、数控和重型机床的动导轨上。塑料导轨可与淬硬的铸造 铁支承导轨和镶钢支承导轨组成对偶摩擦副。机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、 工作能力和使 用寿命。导轨的功用是导向和承载。车床的床身导轨属于进给导轨，进给运动导轨的动导轨与支承的静导轨之间的相对运动速度较低。直线运动滑动导轨截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆形，并 可互相组合。由于矩形导轨制造简单，刚度高，承载能力大，具有两个相 垂直的导轨面。且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装。再将矩形 整体倾斜45。后，侧面磨损能自动补偿，克服了矩形导轨侧面磨损不能自 动补偿的缺陷，使其导向性更好。本次设计我采用的是燕尾槽导轨。镶条是用来调整矩形导轨和燕尾导轨的侧隙，以保证导轨面的正常接触。镶条应放在导轨受力较小的一侧。压板用于调整辅助导轨面的间隙和 承受颠覆力矩。如图4.1，是用磨或刮压板3的e面和d面来调整间隙。 压板的d面和e面用空刀槽分幵，间隙大磨刮d面，太紧时则修e面。这 种方式构造简单，应用较多，但调整时比较麻烦。1图4.1镶条4.5中间轴的设计中间轴上的齿轮是电机输出与滚珠丝杠的传力结构，它主要通过键连 接齿轮2和齿轮3.所以要设计键槽，可设计一个键槽为两个齿轮传力。4.6轴承端盖的设计滚珠丝杠两端有轴承端盖，它的作用是轴承外圈的轴向定位，和防尘 和密圭寸，除它本身可以防尘和密圭寸外，它常和密圭寸件配合以达到密圭寸的作 用。左侧端盖因为滚珠丝杠要通过所以设计了一个孔用毡垫来封油。右边 可以设计成封闭式的端盖可以减小加工难度。总结与体会毕业设计是对我们大学期间所学知识的一次总结与运用， 是对以前每 门课程设计的综合，是对所学知识的彻底检验。刚开始选择课题的时候， 我因为对数控机床比较感兴趣，所以选择了关于数控机床方面的课题。我 所在的组设计的是一台数控车床，我主要对其中的横向进给系统与纵向进 给系统进行设计。 开始设计之前， 我首先上网搜索了有关车床方面的知识， 对数控车床的发展现状和发展趋势有了进一步的了解，也让我学习到了很 多新的知识。设计的时候，我们对学校的一些数控车床进行了观察，我主 要观察了机床的进给系统结构，同时并结合自己的课题对机床的总体布局 做了进一步的研究，并通过查阅资料和相关图册，设计出了满足数控车床 需要的横向进给系统与纵向进给系统。毕业设计是我们走向工作岗位的最后一次练兵， 是一次理论和实践完 美结合的过程。在近三个月的毕业设计当中，使我更加认识到理论联系实 际的重要性，只有理论而不去进行实践是不行的。在设计过程中，我参考 了一些图纸，在参考的基础上，理解并分析其优缺点，取长补短，对自己 其中不合理的部分进行了充分改进。通过这次设计，自己在查阅数据、运 用数据、中英文翻译、运用专业知识与 CAD 绘图等方面的能力有了较大 地提高，对如何将机、电互相结合起来有了较深刻的认识，弥补了原来学 习中的很多不足之处，为以后从事机械方面的工作打下了一定的基础，积 累了一定的经验，对设计工作有了一定的认识。总之，这次设计顺利完成使我受益匪浅，不但巩固了我以前学习的东 西，而且学到了很多新东西，为我走向社会打下了深厚的基础。同时也使 我懂得了一个真正设计的步骤以与方法。致谢词经过 3 个月的忙碌和工作， 本次毕业设计已经接近尾声， 作为一个专 科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果 没有导师的督促指导，以与一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计 是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师孙老师。孙老师平日里工作 繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅数据到设计草案的确定和修 改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的 指导。我的设计较为复杂烦琐， 但是孙老师仍然细心地纠正图纸中的错误。 除了敬佩孙老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永 远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次要感谢我的同 学对我无私的帮助，特别是在软件的使用方面，正因为如此我才能顺利的 完成设计，我要感谢我的母校 - 日照职业技术学院，是母校给我们提供了 优良的学习环境；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是 你们教会我专业识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！。【参考文献】1 范超毅.数控技术课程设计 M. 武汉：华中科技大学出版社， 2007.2 濮良贵.机械设计M.北京：高等教育出版社，2001.3 文V朝儒.机械制图.M北京：高等教育出版社，2001.4 邓志平 .机械制造技术基础 .M 成都：西南交通大学出版社， 2004. 胡秋数控机床进给系统的设计 J.机床与液压，2004 （ 6）： 55-56.6 邹小琦.数控机床进给系统的定位精度 J .南昌大学学报， 1997 （4）：84-87.7 王爱玲，白恩远 .现代数控机床 M. 北京：国防工业出版社， 2003.8 陈立德，机械设计基础 .3 版.北京:高等教育出版社 ,20079 徐晓峰,电机与拖动 .北京:高等教育出版社 ,200410 杨长能，电力拖动基础 .北京 :机械工业出版社 ,1996