数控铣床进给传动装置设计

第一章 绪论 控铣床简介 科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标； 迅速发展和 不断成熟，又将对数控机的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日益完盖，数控技术的应用颔域日益扩大。 数控铣床是在数控加工中心领域中最具代表性的一种典型机床，在数控机床中所占的比率最大，数控加工中 心、柔性制造单元等都是数控铣床基础上派生或发展起来的。它具有功能性强、加工范围广、工艺较复杂等点，主要用于各种复习的平面、轮廓、曲面等零件的铣削加工，同时还可以进行钻、扩、镗、攻螺纹等加工，在航空航天、汽车制造、机械加工和模具制造业中应用非常广泛。 控铣床的组成 数控铣床一 般由数控系统 、机床基础部件、主轴箱、进给伺服系统及辅助装置等几大部分组成。 （ 1） 数控系统 数控系统是机床运动控制的中心，通常数控铣床都配有高性能、高精度、集成软件的微机数控系统，具有直线插补、圆弧插补、刀具补偿、固定循环、 用户宏程序等功能，能完成绝大多数的基本铣削以及镗削、钻削、攻螺纹等循环加工。 （ 2） 机床基础部件 通常是指底坐、立柱、工作台、横梁等，是整个机床的基础和框架。 （ 3） 主轴箱 包括主轴箱和主轴传动系统，用于装刀具并带动刀具旋转 、主传动大多采用专用的无级调速电动机驱动。 （ 4） 进给伺服系统 由进给电动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，其主轴垂直方向进给运动及工作台的横向和纵向进给运动均由各自的交流伺服电机来驱动。 （ 5） 辅助装置 包括液压 、气动、润 滑 、冷却系统和排屑、防护 等装置。 控铣床 的分类 数控铣床品种繁多，规格不一， 可按通用铣床的分类方法分为以下 3 类 ： (1)数控立式铣床 ： 数控立式铣床主轴轴线垂直于水平面，这种铣床占数控铣床的大多数，应用范围也最广。目 前三坐标数控立式铣床占数控铣床的大多数，一般可进行三轴联动加工 。 (2)卧式数控铣床 ： 卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转台或万能数控转台的方式来实现四轴和五轴联动加工。这样既可以加工工件侧面的连续回转轮廓，又可以实现在一次装夹中通过转台改变零件的加工位 置也就是通常所说的工位，进行多个位置或工作面的加工。 (3)立卧两用转换铣床 ： 这类铣床的主轴可以进行转换，可在同一台数控铣床上进行立式加工和卧式加工，同时具备立、卧式铣床的功能。 控铣床的用途和工艺特点 铣床 是用铣刀进行切削加的机床 ,铣床的加工情况如图 1示。在铣床上，用不同铣刀可以对平面 、斜面、沟槽、台阶、 T 形槽 、 燕尾槽等表面进行加工 ，另外配上分度头或回转台还可以加工齿轮、螺旋面、花键轴、凸轮等各种成型表面。故铣床的万能性强，应用范围很广。铣床的主参数是工作台面宽度及长度。 图 1铣 床上的典型工作 铣床的工艺特点如下： (1)铣床的主轴带动铣刀作旋转主运动； (2)铣刀是多齿、多刃连续进行切削； (3)多数铣床由工作台带动工件作直线进给运动； (4)铣刀在切削时，每个刀齿的切削过程是断续的，同时参加切削的齿数是变化的，每个刀齿的切削厚度也是变化的，因此容易引起机床振动； (5)铣削时，铣刀同时参加切削的齿数较多，便于采用较大的铣削速度和进给给量，因而生产效率高。 国数控产业的现状 当前，我国的数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期。也是由封闭型系统向开放型系 统过渡的时期。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国外先进水平。目前，已新开发出数控系统 80 种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。 控产业发展面临的问题 当前 ,我国数控机床产业面临的挑战是国内市场占有率偏低。据有关资料表明 ,1999 年国产数控机床的市场占有率仅为 造成这种严峻的形势 ,除客观原因外 ,主要是产品的质量、可靠性不过硬。“十五”期间 ,我国机 械制造工业正朝着精密化、柔性化、集成化、自动化、智能化方面迅速发展 ,国内数控机床需求强劲 ,我国数控机床产业适逢极好的发展机遇。然而 ,我国加入 后 ,国外生产的数控机床将会更多的进入我国市场 ,市场竞争更为激烈。提高国产数控机床市场占有率 ,关键在于提高质量和可靠性。几年来 ,经过对国内外数控机床的机械结构剖析和使用性能的调研 ,探索和总结了数控机床机械结构设计和制造的新技术。现时主要存在有以下几个问题： （ 1） 缺乏产业规模 （ 2） 缺乏发展数控产业的政策和技术配套体系 （ 3） 缺乏技术创新，产品更新和产业调整的内在动 力 （ 4） 面临国外强手竞争的巨大压力 展趋势 随着科学技术的发展、制造技术的进步和人类生活水平的提高，以及社会对产品质量和品种的多样化的要求 趋势日益增强 。中、小批量生产的比例明显增加，对数控机床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地构筑面向用户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求具有网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式。为此，近 10 年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。目前正朝 标准化开放体系结构的方向前进。就体系结构而言，当今世界上的数控系统大致分为 4 种类型：传统数控系统、 “ C” 结构的数控系统、 “ 入 结构的开放式数控统、开放式数控系统。特别是进入 20 世纪 90 年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正在不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就。 目前 ,国外数控机床的性能正朝着高速化、高精度、高效率、高柔性、高自动化、高可靠性、智能化、复合化、网络化、开放式体系结构等方向迅速发展 ,这将对数控机床机械结构设计和制造的质量和可靠性提出更高的要求。“十五 ”期间 ,我国机械制造行业必须瞄准国际数控机床发展的科学前沿 ,开拓创新 ,消化吸收国外先进技术 ,开创我国数控机床设计和制造技术的新局面。 济型数控铣床的改造 纵横向进给系统原机床挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠 ,光杠等全部拆除，纵向、横向以伺服电机作为驱动，通过联轴器与滚珠丝杠联接实现传动。纵向进给机构：纵向伺机服电机为 15 型直流伺服电机，滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置 ,其螺母副通过托架安装在床鞍底部 ,滚珠丝杠两端加装接套、接杆及支承 ,与床身尾部步进电机相联接。伺服电机经减速后 ,减速器输出轴用 套筒联轴器与丝杠直接联接 ,这种结构简单 ,径向尺寸小 ,可防止被联接轴的位移和偏斜所带来装配困难和附加应力。 改造后的数控机床应有以下发展方向：单一的数字控制应向数控中心发展，数控机床总体布局更加合理，机床控制系统的控制和运算功能更进一步加强，机床的伺服系统采用交流数字伺服系统代替直流伺服系统，编程更趋合理化，加工工艺更趋简单化 90%机床的检测和监控系统要能实现自动化。 第二章 数控铣床进给传动装置设计 要求 数控机床伺机服进给系统是由伺服驱动电路、伺服驱动装置。机械传动机构及执行部件组成。 从位置控制 的角度看，伺服系统有开环、闭环、半闭环之分。开环控制不需要位置检测与反馈；闭环和半闭环制需要有位置位检测与反馈环节。 服系统机械传动结构设计特点 为确定伺服系统的定位精度和工作稳定性，在机构传动结构设计上都要求无间隙、低摩擦、高刚度、高谐振以及适宜的阻尼比。为了达到这些要求，机械传动结构的设计中应尽量采用低摩擦传动副，如滚动导轨。静压导轨、贴塑导轨、滚珠丝杠等，以减小摩擦力；通过选区用最佳降速比来降低惯量；采用预紧的办法提高传动刚度；用消隙的办法减小反向死区误差等，其中最重要的是提高传动刚度和 降低惯量。采用预紧消除间隙提高传动刚度，不仅不需要增大尺寸和惯量，而且也使传动刚度接近常数，这是伺机服进给系统机械结构设计中最突出的特点。 向伺服进给系统设计的基本要求 数 控铣床进给系统必须保证由数控装置发出的控制指令转换成速度符合要求的相应位移或直线位移，带动运动部件运动。根据工件加工的需要，在机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立的，也可以是联动的。总之，数控机对进给系统的要求集中在精度 、稳定性和快速响应三个方面。为满足这些要求，首先需要高性能的伺服驱动电机，同时也需要高质量的机械结构与之 匹配 。为提高进给系统机械结构性能主要采取以下措施： （ 1） 提高系统机械结构的传动刚度：主要是从传动元件的刚度、消除传动元件之间的间隙、尽可能缩短进给传动链的长度、采用预紧措施这几方面为出发点考虑。 （ 2） 采用低而稳定的摩擦传动副：因为数控铣床进给系统多采用刚度高、摩擦因数小而稳定的滚动摩擦副，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨等。 （ 3） 惯量匹配：最佳惯量匹配目的是为保证伺服驱动电机的工作性能和满足传动系统对控制指令的快速响应的要求。由于在通常情况下传动系统机械结构的惯量总是大于要求的数值，故而在设计时为得到最佳的 惯量匹配，总是希望传动系统中元件的质量和惯量要小一些，降速比则要大一些。 （ 4） 提高传动件精度 ： 高质量的机械传动配合与高性能的伺服电动机使现代数控机床进给系统性能有了大幅度提高。 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 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过载能力，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过载 4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 4000上的角加速度的能力，才能保证电机可在 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反馈全部数字化、软件处理数字 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。 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及与应用；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及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能 。 第三章 总体设计方案论证 将一台 数控铣床改造成经济型中档精度数控铣床，改造目的主要是利用数控方法加工任意圆弧面和凸轮的曲面。要求原铣床的改动尽可以少，希望保留原操作机构 ，以便数控部分发生故障时仍能手工半自动操作。图 2 1 为 图 2 1 立式铣床外形及传动系统 1 电动机； 2 万向接头； 3 离合器 ； 4 手轮； 5 手柄； 6 传动轴 ； 7 轴承 其主轴不能进行升降运动。工作台的升降只能通过轴 7 手动操作，纵向的机动是通过万向接头 2 将运动传给 而实现的。而横向和纵向手动操作是通过手柄 5 和手轮 4 进行的。 可以看出 ,进给轴设计与主轴设计相比 ,具有相同的重要性。因而 ,进给轴的设计应从动、静 两方面充分考虑 ,位置精度才能达到该标准的要求。在数控铣床进给系统的设计中 ,根据横向、纵向的不同精度要求 ,不同移动质量及转动惯量等特点 ,分别解决设计中的主要矛盾。以期望设计结果能满足各项性能指标的要求 ,达到预期的结果 ,即满足设计任务书的要求。 控系统的选择 数控系统 主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。 （ 1） 步进电动机拖动的开环系统：该系统的伺服驱动装置主要上步进电动机、功率步进电动机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通 过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电动机的角位移精度，齿轮、丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。因此，对传动元件和制造精度要求高，运动副之间摩擦力要小，要实行无间隙传动。这种系统的最高速度受步进电动机的频响特性限制，容易失步，低速时易发生共振和噪声，影响表面加工质量。 该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠 ，成本低，易改装成功。 （ 2）异步电动机或直流电动机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统：该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向动运动，直到位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严格，设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。但是闭环系统设计和调整都有较 大技术难度，设计调整不当，易出现不稳定现象。改造时可根据产品技术要求，决定是否有必要采用这种系统。 （ 3）交 /直流伺服电动机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统：半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。赛马场只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺机服电动机做成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。 动元件 选择 （ 1）步进电动机，直流伺服电动机，交流伺服电动机是目前常用的 驱动元件。步进电机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件，它能快速的启动，制动和反转；在一定频率范围内各种运动方式都能任意的改变且不会失步，具有自整步的能力；没有一周累计误差，所以定位精度很高；价格便宜。但由于步进电机的动态特性远不如交，直流伺服电机，尤其是运行的可靠性得不到保证。采用步进电机驱动的缺点是效率低，驱动惯量负载能力差，作高速运动时容易失步，目前已使用的较少。 （ 2）直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可以方便地在宽范内实现平滑无级调速，因此在对伺服电动机的调速性 能和启动性能要求较高的设备中，大都采用直流伺服电动机驱动。但由于直流伺服电动机存在着一些固有的缺点，如它的电刷和换向器易磨损，需要经常维护等；换向器换向时会产生火花，使电动机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；此外，它结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高，因此，现在已很少选用直流伺服电动机。 （ 3）交流伺服电动机则没有直流伺服电动机的上述缺点，且转子惯量较直流伺服电动机小，使得动态上响应更好。一般来说，在同样的体积下，交流伺服电动机的输出功率可比直流伺服电动机提高 10% 70%，此外，交 流伺服电动机的容量也比直流伺服电动机大，达到更高的电压和转速。在交流伺服系统中可以用交流同步电机也可以用交流感应电机。交流感应电机结构简单，与同容量的直流伺服电机相比质量轻、价格便宜、它的缺点是不能经济地实现范围较大的平滑调速。所以，在数控铣床的进给系统中一般不用这种电机。 对于交流同步电机的转速与所用电源的频频之间存在一种严格的关系，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，便可方便地获得与频率成正比的可变速度。并可得到非常硬的机械特性及较宽的调速范围。其结构虽然比感 应电机复杂，但比直流电机简单。 同步电机又分为电磁式和非电磁式两大类。在后一类中又有磁滞式、永磁式和反应式多种。在数控铣床的进给驱动系中，多数采用永磁式交流同步电机。 经过以分析并考虑对系统调速的加速时间的要求本题选用直流伺服电动以满足设计任务书的要求。 动机构 择选 本课题选用的是滚珠丝杠螺母副。因为滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构，在数控机床上得到广泛应。它的传动特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母之间装有滚珠作为中间传动元件。当丝杠和螺母相对运动时，滚珠沿丝杠螺旋槽滚道滚动，因此丝杠和螺 母之间基本上为滚动摩擦。并且滚珠丝杠螺母副的动（静）摩擦系数相差极小，配以滚动导轨，起动力矩很小，运动灵敏，低速时不会出现爬行。滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转动的传动装。它具有以下优点 : （ 1） 摩擦损失小、传动效率高 传动效率可达 92%是普通丝杠传动的 34 倍，而驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的 25%。 （ 2） 运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行 由于主要存在的是滚动摩擦，不仅动、静摩擦因数都很小，且其差值小，因而启动转矩小，动作灵敏。 （ 3） 轴向刚度高、反向定位精度高 由于可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度高，反向时无空行程，定位精度高。 （ 4） 滚珠丝杠螺母副主要零件均经过热处理，其滚道表面的硬度值可达60 62而耐磨性好，寿命长，精度稳定性好。 （ 5） 磨损小、寿命长、维护简单 使用寿命是普通滑动丝杠的 4 10 倍 。 （ 6） 传动具有可逆性 、不能自锁 由于摩擦因数小、不能自锁，因面使该机构的传动具有可逆性，可以把旋转运动转化为直线运动，还可以把直线运动转化为旋转运动。由于不能自锁，在作垂直运动时应附加装或防止逆转的装置，防止工作台 因自重而下降。 因为滚珠丝杠螺母副与普通丝杠螺母副相比有这么多的优点，因此，本题目选用滚珠丝杠螺母副。 轴器 选择 联轴器有刚性联轴器与弹性联轴器之分，本课题选用的是无弹性的 位 十字滑块联轴器。这种 十字滑块联轴器由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙的中间盘组成。因凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移。 这种联轴器零件的材料可用 45 钢，工作表面需要进行热处理，以提高其硬度；要求较低时也可用 ，不进行热处理。为了减少摩擦及磨损，使用时应从中间盘的油孔中 注油进行润 滑。 位十字滑块联轴器 主要性能特点有 : （ 1） 高扭距刚性和灵敏度 （ 2） 零回转间隙 （ 3） 弹性十字滑快补偿较大的径向、角向、轴向偏差 （ 4） 结构简单、抗油腐蚀和电气绝缘 （ 5） 定位螺丝固定 （ 6） 铝合金材料 轨副选择 目前，在普通机床上仍广度泛地应用滑动导轨，因其具有结构简单、制造方便、刚性好、抗振性强等优点。但是传统的铸铁 铸铁、铸铁 淬火钢滑动导轨副，其静摩擦系数大，动摩擦系数随速度变化而变化， 摩擦损失大，低速时易出现爬行，影响运动的平稳性和定位精度 ，力矩损失大。而将导轨改造为滚动导轨或静压导轨工艺复杂，费用大，周期长。因此目前在数控机床上已不采用，取而代之的是铸铁 塑料或镶钢 塑料导轨。它们主要包括以下两种类型： （ 1） 贴塑导轨：是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结而成。它具有摩擦特性好、耐磨性好、减振性好等特点，这种导轨已经在中、小型数控机床上广泛应用。这种软带可在原有滑动导轨面上粘结剂粘结，加压固化后进行精加工，故一般称之为贴塑导轨。由于其工艺较简单，对原有滑动导轨不需作大的改动，故在普通机床数控机床改装上应用广泛。 （ 2） 涂塑导轨：它是以环氧树脂为基体，加入二硫化钼和胶体 石墨以及铁粉等混合而成，再配以固化剂调匀涂刮或注入导轨面。这种涂塑导轨具有良好的摩擦特性和耐磨性，可使用在大型、重型数控机床上。 经过分析 与比较结合实际产品所需求的加工精度，本题改造的数控铣床的导轨副选用贴塑导轨以满足设计任务书的要求。 体设计方案的确 由于改造成后 的 控铣床应具有定位、 直线插补、顺、逆圆插补。暂停、循环加工、对工件进行钻、扩、铰、锪、镗以及攻螺纹等功能，故应选择连续控制系统，考虑到属于经济控铣床加工精度有一 定要求，为了简化结构、降低成本，采用伺服电机半闭环系统。 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 51 系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快。抗干扰能力强，具有很高的性能价格比特点。决定采用 51 系列单片机组成微机作为数控装置的核心，其代表为 8031、 8051、8751，经过比较采用具有价格底、功能强、使用灵活等优点的 8031 有扩展系统的单片机，即用 8031 外接 2764（ 6264（ 8255（扩展 I/O）接口等芯片扩展一个较简单的微机控制系统。 该系统中有时钟电路 模块，复位及复位电路，数码显示接口电路，光电耦合器等组成。系统的加程序和控制命令通过键盘操作实现。 为了实现机床所要求的分辨率，采用伺服机电机通过联轴器带动丝杠转动，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。 系统设计总体方案图如图 2示 微机光电耦合功率驱动光电耦合功率驱动伺服电动机伺服电动机纵向工作台横向工作台图 2立式铣床数控改造的总体方案示意图 向进给系统的改造 （ 1）纵向进给系统需作以下改动： 将带轮去掉，将带轮的轴通过联轴器与伺服电机相连，丝杠传动副改用 滚珠丝杠螺母副， 其余部分不动，仍保留机床纵向进给的机构部分，这种改造成本最低。 （ 2）撤除原机床的进给箱，溜板箱 ,光杠与丝杠以及安装座，配上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的伺服电机安装在车床的床尾，并不占据丝杠空间。 ; （ 3）滚珠丝杆仍安置在原丝杆的位置 ,采用一端轴向固定 ,一端浮动的结构形式为便于安装滚珠丝杆螺母副 ,丝杆不是整体的 ,而是采用分体式 ,即用连接套筒刚性连接。由于采用了滚珠丝杠可提高系统的精度和纵向进给整体刚度。 （ 4）纵向进给机 构和横向进给机构均由伺服电动机、滚珠丝杆螺母副通过 成。 第四章 纵向进给机构的设计与计算 知参数条件 （ 1） 工作台尺寸（宽 长）： 3201250 2）纵向行程： 660 3）最大纵向进给力： 5000N （ 4）工作台、夹具及工件重力： 2800N （ 5）工作台快速速度： 15m/ 6）最大进给速度： 0.8 m/ 7）主电动机功率： W （ 8）启动加速时间： 30 9）机床定位精度： 10）脉冲当量： 珠丝杆副主要参数的确定 在数控机床的设计中 ,滚珠丝杠副的作用是将伺服电机的旋转运动转变为直线运动 ,用较小的转矩可以获得很大的推力。滚珠丝杠副的传动是一种应用较广的机构 ,尤其是将旋转运动变为直线运动的各种机构中 ,滚珠丝杠副的传动是最简单、经济而又可靠的。 所以滚珠丝杠副的选择对 整个机床的制造起着不可忽视的作用 。滚珠丝杠副的精度是影响机床的定位精度及重复定位精度的最主要的因素。为了在机床的设计中更合理的选用滚珠丝杠副 ,使其充分发挥效能 ,必须进行一系列的计算。 滚珠丝杠副已经标准化 ,因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。一般情况下 ,设计滚珠丝杠时 ,已知条件为 :最大工作负载 平均 工作负载用下的使用寿命 ,丝杠的工作长度 (或螺母的有效行程 ),丝杠的转速 (或平均转速 ),滚道的硬度及丝杠的运转情况。 计步骤 通常的设计步骤为 : A、计算作用在滚珠丝杠上的最大动载 荷 ; B、从滚珠丝杠列表指出相应最大动负载的近似值 ,并初选几个型号 ; C、根据具体工作要求，对于结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求，从初选的几个型号中再挑出比较合适的直径、导程、滚珠列数等，确定某一型号。 D、根 据所选的型号 ,列出或计算出其主要参数的数值 ,计算传动效率 ,并验算刚度及稳定系数是否满足要求。如不满足要求 ,则另选其他型号 ,再作上述计算和验算 ,直至满足要求为止。 计计算 根据 进给系统定位精度的要求，初步选用半闭环伺服系统。如果经计算后半闭环系统不能满足定位精度要求，改用 全闭环伺服系统。 从产品目录中查得伺服电动的最高转速为 500m a x 或 000 r 。取伺服电机通过联轴器与丝杠直接，即 1i 。 工作台快速进给的最高速度 要求达到m ax 。取电动机的最高转速 500m a x ，则丝杠的最高转速 500 r 。基本丝杠导程公 式如下： 1 1 )-(4 101 5 0 0 151 0 0 01 0 0 0 m a xm a x vP h 根据精度要求，数控机床的脉冲当量可定为 005.0a 冲 。伺服电机每转应发出的脉冲数由以下公式可知： 19)-(5 0 果采用旋转变压器方案，因旋转变压器的分解精度为每转 2000 个脉冲，则在伺服电动机和旋转变压器轴之间安装 1： 1 的升速齿轮。当 采用脉冲编码器方案时， 因脉冲编曲码器有每转 2000、 2500、 5000 脉冲等数种 产品，故编码器后应加倍频器。如选用每转 2500 脉冲的编码器，则位频器的倍数为 在速度反馈装置中，与旋转变压器配套的，可采用测速发电机的转速为1000r/，输出一定的电压量如， 1000r/出 6V）。如采 用脉冲编码器方案，则可在倍频器后加频率 /电压转换器（ F/V），其转换比例为每0 7 p 输出电压 为 例如 6V） 。即相当于测速发电机转速达到 1000r/才能输出 6V 的电压，而此时脉冲编码应实现 0 7 p 。 图 4 1 为上述 2 种方案的传动系统图。这 2 种方案目前都有使用，各配不同的数控系统。本设计采用图 b 方案。 位置反馈每 分 1 0 0 0 0 脉 冲速度反馈 ， 1 伺服系统的传动系统图 珠丝杠 选择 珠丝杠精度 由于本系统要求达到 定位精度，根据此要求查阅滚珠丝杠样本，对于 1 级（ 度丝杠，任意 300导程允差为 2 级（ 度丝杠的导程允差为 步设计时先设计丝杠的任意 300程内的行程变动量30 1/2，即 此，取滚珠丝杠精度为 ，即为 1 级精度丝杠。 珠丝杠选择 滚珠丝杠的名义直径 、 滚珠的列数和工作圈数应按当量动载荷 丝杠的最大载荷为切削力的最大进给力加摩擦力； 最小载荷即摩擦力。已知最大进给力 000，工作台加工件 与夹具的重力为 2800N，贴塑导轨的摩擦系数为 丝杠的最小载荷（即摩擦力） 1 1 22 8 0 丝杠最大载荷 1121125000m a x 平均载荷 16)-(4 34453 1125112232 m i nm a x m 丝 杠最高转速为 1500r/作台最小进给速度为 1mm/丝杠的最低转速为 取为 0，则平均转速 m 5 02/01 5 0 0 。丝杠使用命取 5000 ， 15.1丝杠工作寿命由公式可知： 13)-(4 67510 1 5 0 00750601060 66 L 工作寿命，以 一个单位； n 丝杠转速， r ； T 丝杠的使用 寿命，对数控机床可取 5000 ，本题选取 5000 。 代入公式可得丝杠的当量动载荷14)-( 4 . 4 451 33 式中 精度响影系数，对于 1、 2、 3 级精度的滚珠丝杠取 1于 4、5 级精度滚珠丝杠取 9.0题取 1 载荷性质系数，无冲击取 1般情况取 较大冲击振动时取 题取 5.1 查 滚珠丝杠样本中与得选择mC后由此确 定滚珠丝杠副的型号和尺寸。查滚珠丝杠产品中样本，选择 内循环浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副。其名义直径为 40程为 10个螺母滚珠有 5 列。额定动载荷 6，mC合设计要求。轴向刚度 。预紧力 44/564/ 。只要轴向载荷值不达到或超过预紧力 倍，就不必对预紧力提出额外的要求。本题中丝杠最大载荷小于 珠丝杠支承选择 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如图 4 2 所示的轴向固定方式。其中图 a）为一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短杠和垂直进给丝杠杠；图 b)为一端轴向固定一端自由的支承配置方式，常用于较长的卧式安装丝杠 ；图 c)为两端固定方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度的丝杠，这种配置方式可对丝杠进行预拉伸。 支承间距离工 作 台轴向载荷a)支承间距离工 作 台轴向载荷b)支承间距离工 作 台轴向载荷c)图 4 2 滚珠丝杠的支承配置 滚珠丝杠中经常使用的滚动轴承有以下 2 类。 1） 接触角为 60 的角接触球轴承 这是目前国内外广泛采用的滚珠丝杠轴承，这种轴承可组配置。图书 4 3b）为 1 对 背靠背组合方式，图 4一对面对面方式。这两种方式可承受双向轴向推力。图 3 3d)为一同向组合方式，其承受能力较高，但只承受 1 个方向的轴向力，同向组合时的额定动载荷2 个为 3 个为 4 个为 3e)为 1 对同向与左边 1 个面对面组合方式。用上述方法还能派生出三联、四联等多种组合方式。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，而且采用面对面组合方式时两接触 与轴线交点间的距离a 比背对背的小，故容易实现自动调整。因此在进给传动中面对面组合用得较多。 2） 滚珠 推力圆柱滚子组合轴承（图 4 3f） 外圈 3 与箱体固定不转，只圈 1、 5 和隔套内圈 6 随轴转动，滚针 7 承受径向载荷，圆柱滚子（或球） 2 和 4 分别承受两个方向的轴向载荷，修磨隔套内圈 6的宽度可调整轴承的轴向预紧量。 图 4 3 滚珠丝杠用轴承 上 述 2 类轴承中， 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。经过分析在此设计中本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端浮动的结构形式如图 4 3 所示。固定端采用 1对 60 接触球轴承面对面组配，以容易实现自动调整。简支端支承采用深沟球轴承，只承受丝杠的重力。同时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。 最大行程工 作 台7602030 3 选定后的丝杠的支承简图 珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。 滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形，接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。因此，滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高滚珠丝杠螺母副的接 触刚度。 滚珠丝杠螺母副通常采用双螺母结构，如图 4 4 所示 1滚珠螺母； 2紧定螺钉； 3支座； 4滚珠丝杠； 5调整垫片 图 4 4 双螺母滚珠丝杠 图中 1 代表滚珠螺母， 3 代表支座，螺母与支座之间有调整垫片，通过调整垫片来调节滚珠螺母与滚珠丝杠螺纹之间的间隙。 通过调整两个螺母之间的轴向位置，使两个螺母的滚珠在承受载荷之前，分别与丝杠的两个不同的侧面接触，产生一定的预紧力，以达到提高轴向刚度的目的。调整预紧有多种方式，上图所示的为垫片调整式，通过改变垫片的厚薄来改变两个螺母之间的轴向距离，实现轴 向间隙消除和预紧。这种方式的优点是结构简单、刚度高、可靠性好。 择伺服电机 伺服电机的选择用，应考虑三个要求：最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量 与负载惯量 匹配（匹配条件可根据伺服电机样本提供的匹配条件，也可以按照一般的匹配规律）；快速移动时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。 大的切削负载转矩计算 所选伺服电动机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最大切削负载矩 T 可根据公式计算可得，即 3)-( 3. 4 2 00m a x 其 中 ， 从 前 面 的 计 算 已 知 ， 最 大 进 给 力 112，丝杠导程 ，预紧力 NF p 14000 ，查丝杠样本，滚珠丝杠螺母副的机械效率 。因滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩 0 0 0 查哈尔滨轴承总厂角接触推力球轴承组配技 术条件，得 7602030个轴承的摩擦力矩为 ,故一对轴承的摩擦力矩 支端轴承不预紧，其摩擦力矩可忽略不计。伺服电动机丝杠直连，其传动比 1:1i ，则 最大切削负载转矩 故所选伺服电机的额定转矩应大于此值。 载惯量计算 伺服电动机的转子惯量 与负载惯量 匹配。负载惯量可按以下次序计算。工件夹具与工作台的最大质量为 算到电动机轴上的惯量 1J 可按公式计算得： 5)-( 3 . 4 22221 式中 v 工作台移动速度， ； 伺服电机的角速度， ； m 直线移动工件夹具和工作台的质量， 丝杠名义直径 ，长度 ，丝杠材料（钢）的密度33 /108.7 。则丝杠加在电动机轴上的惯量，根据公式可知： 6)-( 3 . 4 0 0 2 243402 联轴器节加上锁紧螺母等的惯量3 23 001.0 故负载总惯量 5)-( 3 . 4 0 0 4 2 0 321 按式 4 中小型数控机床惯量匹配条件， 4/1 J ，所选伺服电动机的转子惯量 在 。 根据上述计算可初步选定伺服电动机，如果选用直流伺服电动机，可选北京数控设备厂的 15 型直流伺服电动机，其额定转矩为 大于最大切削负载转 矩 转子惯量 ，满足匹配要求。如选 用交流伺服电动机，可选用交流伺服电动机，可选 20 型。其额定转矩为转子惯量 ，最大输出转矩 147m 机械时间常数 ，满足要求。 15 型直流伺服电动机的主要技术参数为： 最高转速1500 r 额定转矩 17.6 最大转矩154 转子惯量 反电动势系数 转矩系数 电枢直流电阻 机械时间常数 15.2 空载加速转矩计算 当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动（快移）速度时，所需的空载加速转矩 8)-( 3 . 4 602 m a 空载加速时，主要克服的是惯性。如选用 15 直流伺服电机，总惯量： 2 9 )-(5 0 1 9 4 M 加速时间t 的 3 4 倍，故 34） (34) 0 1 5 0 020 1 9 20 型交流伺服电动机 的 6 8 4 0 1 5 0 020 1 9 125167 空载加速转矩此可见，15 型直流伺服电动机的 154m ,满足设计要求； 20 型交流伺服电动机的可使用，但加速时间较长。 经过比较 从成本与造价方面考虑本题采用 20 型交流伺服电动机 。 服系统增益 通常取系统增益 5 1s 。对轮廓控制的加工中心机床可取较大值，如取 120 服系统的时间常数 。如果选用 15 型直流伺服电机，执行件（工作台）达 到的最大加速度根据公式可知 8)-( 3 . 4 / 2m a x Ta h 伺服系统要求达到的最大加速度发生在系统处于时间常数行件的速度 从加到， a 略大于而按照加速能力选择 120 a ，可以适当 增大提高 系统的性能。 度验算 本数控铣床要求的定位精度为 余误差为伺服系统误差 、 丝杠轴承的轴向跳动和在载荷作用下各机械环节弹性变形起的位移等。 服刚度 伺服刚度可根据下式子计算，即 K 1 伺服电动机的增益，它等于电动机的角速度 )/( 与输入电压 )(比值。输入电压 少量消耗于电枢回路的阻抗外，大部分被反电动势所平衡。( ，为伺服电动机单位角速度 )/( V）。估算时，可以近似地认为输入电压 于反电动势。因而近似地可认为 K 1 2m a xm a x /1030 201530 s 15 直流伺服电动机的转矩系数 ，因伺服系统增益120 sK s ，速度控制的开环增益 04 取 10 402022 反电动势系数 ，则 )/( ；电枢直流电阻 故 r a 1 0 4 折合到工作台部件的直线刚度 /410/1041022 622 珠丝杠的拉压刚度 本题 中的丝杠为一端轴向定位结构。其最小拉压刚度发生在工作台螺母离定位 点交接班远的位置。已知工作台的丝向行 程为 660 螺母移动到离定位点最近位置时，还应保留一定的丝杠距离，假设为 140而丝杠最大距 离 01 4 06 6 0m a x 。代入公式计得丝杠拉刚度 17)-( 3. 4 /10410 6m a a xm i 式中，丝杠名义直径0题目中0D 40d D0d 40 。 E 为丝杠材料钢的弹性模量，102 ，则 /2 1 0240 3 2 112m i n 杠轴承的轴向刚度 哈尔滨轴承总厂生产的 7602030号轴承的钢球直径 钢珠数 Z 17，接触角 60 ，预加载荷 9000，轴向外载荷为导轨摩擦力14 ，故轴向载荷 预加载荷与轴向外载荷之和，即 9)-( 3 . 3 3 2 1 43 1 42 9 0 0 0 丝杠轴承轴向载荷刚度 5)-( 3 . 3 s i 3 52 （ 5） 珠丝杠螺母的接触刚度 查样本手册得 c /2300 性联轴节扭转刚度 查文献得 1 折合到工作台部件的直线刚度为 /24500/24211 合刚度 计算出伺服刚度折算到工作台部件的直线刚度 、滚珠丝杠最小拉压刚度杠轴承轴向刚度珠丝杠螺母接触刚度折算到工作台部件直线刚度K 后，按弹簧串联原则合成求得综合刚度 K ，即 2 1 )-(4 111111 1m i n （ 4 21） 故 cb