数控机床横向进给设计汇总.docx
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数控机床横向进给设计汇总
摘要
此设计是经济型中档精度数控车床横向进给系统。
面对我国目前机床数量少、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工业落后的面貌。
而数控车床（及其系统）已经成为现代机器制造业中不可缺少的组成部分。
所以，实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控机床。
进给系统是由伺服电机经滚珠丝杠拖动工作台来完成的所以设计涉及伺服电机的选择，滚珠丝杠设计等。
目前绝大部分的机床的横向进给均是采用滚珠丝杠来传递运动的，传动的精确性主要取决于丝杠支承形式，丝杠与伺服电机的联接方式。
在设计中充分考虑到这两个问题，并且，设计精度须达原始数据。
关键词：
滚珠丝杠伺服电机横向进给
0引言……………………………………………………………………………1
1国内外发展概况及现状介绍…………………………………………………2
2总体方案论证…………………………………………………………………4
2.1选择传动系统……………………………………………………………4
2.2选择传动装置……………………………………………………………5
3具体设计说明……………………………………………………………………6
3.1横向进给滚珠丝杠副的设计选择……………………………………………6
3.1.1确定滚珠丝杠的支承方式…………………………………………………6
3.1.2滚珠丝杠副额定载荷……………………………………………7
3.1.3滚珠丝杠副主要参数的确定……………………………………………8
3.1.4滚珠丝杠与伺服电动机的联接………………………………………12
3.2伺服电机型号选择……………………………………………………………15
3.2.1进给电机功率的确定………………………………………………………15
3.2.2伺服电机型号………………………………………………………………15
3.2.3同步带轮的选择……………………………………………………………15
4结论………………………………………………………………………………17
5参考文献…………………………………………………………………………18
6设计工作小节…………………………………………………………………19
7附件清单…………………………………………………………………………20
0、绪论
本设计课题为：
经济型数控车床横向进给系统设计。
因为我们没有精良的加工工具或者是自动化系数等各方面远远的不及西欧等国家。
所以我国的机械制造业与他们的有着很大的差距的原因，。
制造业是关系到国际民生的大事，是富民强国的必要因素，我国要有更好的发展，必须形成我们自己富有特色的现代化制造体系。
随着时代的发展，科技的日新月异，数控技术的应用范围日益扩大，数控机床及其系统己成为现代化机器制造业中不可缺少的组成部分。
面对我国目前机床拥有量少、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度，保证加工质量，减轻劳动强度，提高经济效益。
“横向进给系统”“主传动系统”和“纵向进给系统”被称为车床的三大核心系统，其重要地位是不言而喻了。
三大系统的精确性、准确性、必将影响加工产品的性能。
而实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控机床，并对原有的机床进行数控改造。
而这就是我们课题的目的。
前提条件：
1.床身上最大回转直径Ø400mm
2.快移速度x轴4m/min
3.定位精度x轴0.035mm
4.重复定位精度x轴0.0075mm，刀架0.010mm
设计要求：
设计课题要求：
横向进给运动设计时，电机与丝杠采用柔性结构，电机选用伺服电机，对电机的大小选择进行验证，及对滚珠丝杠直径和支承形式选择进行强度较核，设计精度达原始数据。
本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的，该系统设计成功一旦应用到生产实践中，将使工厂的生产的数字化水平加强，生产力水平显著提高，劳动强度减轻，经济效益得到提高。
根据自己三个多月来的设计过程，编写了这本《设计说明书》，其中，书中肯定存在着相当的一些问题，期望领导、老师给予批评，指正。
1、国内外发展概况及现状介绍
从上世纪五十年代数控技术开始发展到1965年，数控装置从最初的电子管元件、晶体管元件、集成电路到目前使用比较普遍的小型计算机和微处理器共经历了五代的发展。
世界主要工业国家的数控机床己进入了指生产阶段。
数控机床的产量，拥有量，数控化率都在急速上升。
我国从1958看开始研究数控机械加工技术，60年代针对壁锥，非圆齿轮等复杂形状的工件研制出了数控壁锥铣床，数控非圆齿轮插齿机等设备，保证了加工质量，减少了废品，提高了效率，取得了良好的效果。
70年代针对航空工业等加工复杂形状零件的急需，从1973年以来组织了数控机床攻关会战，经过三年努力，到1975年己研制出了40多个品种300多台数控机床。
经过30年的努力，我国数控机床和数控系统的研制也历经了第一代电子管灵敏控、第二代晶体管数控及第三代集成电路数控。
从1975年到1979年，7年内累计生产数控机床4108台（其中约3/4以上的数控线切割机床）。
进入80年代，我国重新重视发
展数控技术，采取了暂从国外引进控制机和伺服驱动系统，为国内主机配套的方针。
1981年，我国从日本FANVC公司引进了FANVC3系列、5系列、7系列的数控系统和在直流伺服电机，直流主轴电机技术，并在北京机床研究所建立了数控设备厂。
于1981年底开始验收投产，1982年生产约40套系统，1982年生产约100套系统，1985年生产约400套系统，伺服电机与主轴电机也配套生产。
这些系统是外国70年代的水平，功能较全，可靠性能比较高，这样就使机床行业发展数控机床有了可靠的基础，使我国的主机品种与技术水平都有圈套的发展与提高。
经济型数控装置有步进电机驱动的开环数控装置、直流电机驱动的半闭环数控装置和点位式经济型数控装置三种。
对于数控车床改造一般选用步电机驱动开环数控装置。
选择时主要考虑以下性能：
CPU类型、用户容量、控制轴或联动轴数、设定单位、插补类型、编程尺寸及编程标准，G、M、S、T、F功能、刀补功能、间隙补偿功能及循环功能、显示方式及显示信息的形式。
绝对编程、增量编程、程序输入方式以及报警、诊断等。
根据需要选择相应的性能。
步进电机驱动单元的性能参数：
步进电机性能参数及安装尺寸，控制箱与电机的接线型式。
系统的快速度给速度、空载起动频率，静态转矩，系统升频降频时间，起动矩频特性、起动惯频特性、运行矩频特性。
驱动电路的型式：
高低压驱动电路、斩波驱动电路、调频调压驱动电路、细分驱动电路、电流检测型功率放大电路等。
不同的电路型式、其工作性能不同，根据加工需要合理选择。
刀架控制与驱动系统主要考虑刀架型式，如四位或八位电动刀架，或转塔六位刀架。
定位精度及重复定位精度，换刀时间、刀具选择时刀架的转向、夹紧力。
刀杆尺寸及装夹刀具结构型式等性能参数。
我国己有少数产品开始进入国际市场，还有几种合作生产的数机床返销国外。
目前，我国除了能独立地设计与生产常规的数控机床外，还能生产五坐标数控铣床，加工中心以及柔性制造系统，如北京机床研究所开发研制的JCS-FMC=1，JCS=FMC-2柔性加工单元，XH715型立式加工中心，民明机床古物THK4680型全闭环精密加工中心，沈阳中捷友谊厂的TK66100卧式铣削加工中心，青海第一机床厂的XH754卧式加工中心等。
这一切都说明，我国的机床数控技术进入新的发展时期，预计在不远的将来会赶上或超过世界先进国家水平。
2．总体方案论证
2．1选择动力系统
经济型的数控机床动力系统可分为三类
1．步进电机式
采用步进电机驱动与定位，是开环系统，同时限于造价，不再采用其它措施补偿位置误差。
由于目前功率步进电机力矩还不太大，所以机床的空选种速度较低，一般用于半精加工。
这种系统具有2-3种插补功能，通过软件控制接口，可加工锥面，螺纹，简单外形的曲面等十分灵活。
由于性价比较恰当，一般中小型企业在技术力量和财力上都比较容易实现，因此在全国较容易推广，普及。
2．交流点位式
采用交流电机变频驱动，用光栅数字点位控制，与步进电机相比，提高了定位精度。
光栅分辨率可达0.001mm，重复定位精度为0.005mm，所以加工精度较高。
由于采用交流电机驱动，功率大，可进行大切屑量加工零件加工中，效果尤为显著。
目前，交流点式系统只能加工柱面，不能加工曲面和螺纹功能上有限，而且成本高，使性能价格比相对下降，一般用于大企业或专业化工厂使用，国内用的很少。
3．半闭环连续控制式
采用直流伺服电机驱动，以脉冲编码器检测位置，实现半闭环连续控制。
由于采用高性能直流伺服电机驱动，扭矩大，速度高，过载能力强，可进行强力切削。
当丝杠螺在6mm左右时，快速可达8～9m/min，且不丢步，效率高。
该系统功能齐全，还带有可编程序控制器，使强电计大大简化。
以上三种驱动方式而言，各有利弊。
经过比较选择直流伺服电机驱动因为速度高，过载能力强，且拥有可编程序控制器，易学易用，在机床伺服控制系统中，步进电机人微言轻执行单元，具有控制方便可靠，价格低，且适合于开环控制等特点，因此在简易数控机床中得到广泛的应用。
但由于步进电机步距角、功率较小，存在振荡等弱点的限制，在高精大功率应用场合并不很合适，故考虑采用伺服电机控制。
2.2选择传动装置
数控机床半闭环进给系统中伺服电动机经齿轮副（或同步齿形带副），滚珠丝杠拖动工作台。
反馈装置与电动机相联，发出反馈信号（亦可把反馈装置装在丝杠的端部）；伺服电机可直接与丝杠联接
数控机床的传动装置是将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属结构。
包括齿轮减速机，丝杠螺母副，导轨、工作台等。
在数控机床数字调节技术仪式，传动装置是伺服系统中的一个重要环节，因此，数控机床的传动装置与普通机床中传动装置上有重要差别，故它的设计与通机床传动装置的设计不同。
数控机床传动装置的设计要求除了有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好，为确保数控机床进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙，低磨擦、低惯量、高刚度、高谐振频率心脏有适应阻尼比的要求。
设计任务要完成的设计是横向进给系统的设计，一般来说此种系统的传动装置采用螺旋传动。
螺旋传动主要用来把旋转传动变为直线运动，或把直线传动变为旋转运动。
其中，有传递能量为主的传力螺旋，有以传递运动为主，并要求有较高的传动精度的传动螺旋，还有调节整零件相互位置的调整螺旋。
螺旋传动机构又有滑动丝杠螺母，滚珠丝杠螺母和液压丝杠螺母机构之别。
在经济型数控机床的进给系统中，螺旋传动主要来实现精密的进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。
选用滚珠丝杠副传动机构，因为此种机构有如下特点：
（a）传动效率高，摩擦损失小。
（b）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。
（c）启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。
（d）有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。
（e）磨损小，使用寿命长，精度保持性好。
（f）制造工艺复杂。
滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值别别小，故制造成本高。
（g）不能自锁。
特别是对于垂直丝杠，由于中立的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，所以需要添加制动装置。
3、具体设计说明
3．1横向进给滚珠丝杠副的设计选择：
在一般情况下，设计滚珠丝杠时，必须知道下列条件：
最大工作负载Fmax（或平均工作负载Fm）作用下的使用寿命T，丝杠的工作长度L（或螺母的有效行程），丝杠的转速n（平均转速n），滚道的硬度HRC及丝杠的运转情况，然后按下列步骤进行设计。
1、计算作用在滚珠丝杠上的最大动负载Ca的数值。
2、从滚珠丝杠设计标准中，找出相应尺寸系列对应的最大动载荷Ca的相近值，并初选型号。
3、根据具体工作要求，对于结果尺寸、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选出比较合适的公称直径d0、导程L0、滚珠列数k、滚珠圈数j等确定某一型号。
4、根据所选出的型号，列出（或算出）其主要参数的数值；验算其刚度及稳定性系数是否满足要求。
若不满足要求，则需要另选其它型号，再做上述的计算和验算直至满足要求为止。
3．1．1确定滚珠丝杠的支承方式：
为了满足高精度、高刚度进给系统的需要，必须充分重视滚珠丝杠副支承的设计。
（a）一端固定一端自由
丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低。
结构简单
轴向刚度小
适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装
（b）两端铰支
结构简单
轴向刚度小
适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装
对丝杠的热伸长较敏感
适用于中等回转速度
（c）一端固定一端铰支
丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转速度
结构稍复杂
轴向刚度大
适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装
推力球轴承应安置在离热源（步进电机）较远的一端
（d）两端固定
丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转
结构复杂，两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变形可转化为推力轴承的预紧力
轴向刚度最大
适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装
适用于较长的丝杠安装
详见表3.2。
表3.2滚珠丝杠副的支承形式
支承形式
简图
特点
双推-自由
1.刚度、临界转速、压杆稳定性低
2.设计时尽量使丝杠受拉伸
3.适用于较短和垂直安装的丝杠
双推-简支
1.临界转速、压杆稳定性较高
2.丝杠有热膨胀的余地
3.适用于较长的卧式安装的丝杠
单推-单推
可根据预计温升产生的热膨胀量进行预拉伸
双推-双推
1.丝杠的轴向刚度高
2.丝杠一般不会受压，无压杆稳定性问题
3.可用预拉伸减小因丝杠自重引起的下垂
4.适用于对刚度和位移精度要求高的场合
综上所述，本设计中滚珠丝杠副支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变成一端固定一端简支的支撑结构。
滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。
为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。
消除间隙的方法采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。
用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。
此外，还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙
滚珠丝杠都用滚动轴承支承。
可用的滚动轴承种类很多。
从目前情况看来，本课题可选用角接触球轴承：
这种轴承可以组配。
（a）图为一对背靠背，（b）图为一以面对面。
都承受两个方向的载荷。
由于螺母（固定在床鞍上）与丝杠（固定在床鞍上）与丝杠（固定在床身上）的同轴度难免有某些误差，希望轴承有一定的自动调心作用。
面对面组配时，两接触线与轴线交点之间的距离比背靠背时小，调心较易。
所以丝杠轴承面对面配用得比较多。
这种轴承是在预加载荷的条件下组配的。
背靠背组配时，内圈端面各磨去δ装配时压紧内圈。
就可施加预加载荷。
简支端常用深沟球轴承，不预紧。
本课题设计采用的是角接触球轴承，原因在于：
1.横向进给系统既承受纵向的力，又要承受横向进给力，考虑到系统受力情况；
2.为了保证加工精度，横向进给系统的运动轨迹范围决定了采用角接触球轴承。
3.1.2滚珠丝杠副额定载荷：
（1）额定动载荷Ca
即在一组有相同参数的滚珠死杠副中，把90%达到10
转而不发生疲劳剥伤所能承受的纯轴向载荷称为额定动载，以Ca表示。
（2）额定静载荷Cao:
在滚珠丝杠副静止（或转速〈10r/min〉状态下，承受最大接触应力的滚珠和滚道接触面的塑性变形量只和为滚珠直径0.00001倍时的轴向载荷，称为额定静载荷，以Cao表示。
3.1.3滚珠丝杠幅主要参数的确定：
（1）按预期寿命Ln及轴向载荷Fa进行选择：
Ln=（Ca/Fa）
×10
（转）[1]（3-1）
一般情况下，Fa可以用平均载荷Fm予以代替：
Fm=
[1]（3-2）
式中；Ln为预期设计寿命，
Fmax为最大轴向载荷，
Fmin为最小轴向载荷。
对于机床Ln通常取Ln=20×10
（转）
则：
Ca=
Fm:
2.71Fm[1]（3-3）
本课题设计的要求，系统最大进给力为2750N，横向进给为一半即1375N，所以得：
Fmax=680N（经验值）
Fmin=35%Fmax=238N
所以Fm=
=537.7N
故：
Ca=2.71Fm=2.71×237.7=644.2N
（2）按承受的最大轴向力Fmax确定参数计算静负荷Cmo：
Cmo=K
K
Fmax
即Cmo其中Kr=1.2-1.5，K
=1.6-2
Cao>Cmo=1.5×2×680=2062.5N
故；丝杠的额定动载荷Ca≥644.2N
丝杠的额定静载荷Ca>2062.5N
选择：
代号为2005-4型的滚珠丝杠，其基本直径20mm，大径19.5mm
基本导程5mm
4.对选定的滚珠丝杠幅参数进行核算：
（1）最大轴向压缩载荷F
滚珠丝杠受压力作用后，在弹性范围内的临界稳定载荷Fc由下式计算：
Fc=
[4]（3-4）
式中：
m=20×10
（N/mm
）
dc为公称直径（mm）.
d
为滚珠直径（mm）
Ls为丝杠轴的支撑距离（mm）
则：
水平安置时[n]
=4
[n]—许用稳定安全系数
F
即F为最大载向压缩载荷>Fa
（2）.极限转速的计算为使丝杠副在高速运转时不发生共振现象，应对其极限转速进行核算。
当丝杠发生共振时转速称为临界转速，以Nc表示：
Nc=121
[4]（3-5）
式中：
为公称直径；
d
为滚珠直径
为支承结构系数
K=2.5
极限转速n满足：
n<0.8Nc
Nc=121x10
（20-3.175）
（3）滚珠丝杠副的预加副载
为了消除螺母间隙，提高滚珠丝杠副的刚性，与定位精度，在丝杠和螺母
间施加预加载荷Fp，其预加载荷大小为：
Fp＝Fmax/3＝229N[4]（3-6）
（4）滚珠丝杠副的刚度
滚珠丝杠副的刚度K：
式中：
K为滚珠丝杠副的刚度；
Kj为滚珠的轴向接触刚度；
K1为螺母的安装刚度；
Kg为丝杠轴的安装刚度
当有预加负荷Fp且为额定动载荷的1/10时，Kj可近似的以下式表示：
[4]（3-7）
式中：
F为轴向工作载荷（N）
db为滚珠直径，（mm）
Z＝Z’×圈数×列数
Z’为一圈滚珠数
内循环Z’=d0/db-（3～5）粒
d0为公称直径210为滚子数
∴Kj＝0.54
＝5.2×103N/μm
、螺母支撑刚度K1：
K1＝
[5]（3-8）
其中：
A为螺母横截面积
E＝2.1×105
Ln为螺母支承面至有效滚延间的长度
A＝0.4×103mm2
故，K1＝（0.4×103×2.1×105）/（1000×103）＝0.85×103（N/μm）
、丝杠轴的支承刚性Kg
当采用图示的支承方式：
Kg=
=（A*E）/（1546×108）＝0.7×103（N/μm）[10]（3-9）
滚珠丝杠副的刚度K：
因为：
所以K=1/（
）=2.3×103（N/μm）
（5）驱动力矩及驱动功率
使丝杠旋转运动所需驱动力矩：
Ma＝（F×Ph）/（2000×π×η）（N.m）[10]（3-10）
公称导程Ph＝2.5mm
η＝0.9
所以Ma＝0.61N.m
由预紧力所产生的摩擦力矩
Mf＝K×
（N.m）[10]（3-11）
Mf=2.3×103×
N.m
总驱动力矩：
M＝Ma＋Mf
M=Ma+Mf=0.63N.m[10]（3-12）
所需功率
W＝
（Kw）[1]（3-13）
W=
式中：
F为轴向载荷
Ph为公称直径
η为效率
3．1.4滚珠丝杠与伺服电动机的联接
滚珠丝可通过齿轮副或步齿形带与伺服电机相接；也可通过联轴节与伺服电动机直接联接。
为了消除丝杠与电机轴之间的同轴度和垂直误差，可用挠性联轴节或波纹管联轴节。
一般为挠性联轴节。
柔性片分别用螺钉和球面垫圈与两边的联轴套相联。
通过柔性片传递力矩。
柔性片由不锈钢制成，每片厚0.25mm。
这种联轴节已由专门工厂生产，其性能尺寸见《机床设计手册》第3册P496。
伺服电动机有直流和交流两类。
直流伺服电动机开发较早。
交流伺服电动机国外于70年代末期开始应用于数控机床。
由于交流伺服电动机没有电刷，因此寿命长，允许的转速高，还适当宜于易燃易爆的环境中使用。
交流伺服电动机发展得快，在国外已基本上取代了直流伺服电动机。
在我国，交流服电动机也已采用，直流伺服电动机仍有应用仍较多。
伺服控制系统一般都是闭环或半闭环控制系统：
图中给出了典型的伺服控制系统的框图。
这是一个三环控制系统，外环是位置控制环，是决定系统主要性质的基本控制环，它决定着系统的位置控制精度；速度控制环用于实现速度的调节和速度控制精度；电压控制环可实现对伺服放大器的电压控制。
半闭环控制：
半闭环控制系统不但有前向的指令控制通道，而且有检测元件输出的反馈控制通道，而检测元件是安装在丝杠轴或电机轴上的，检测同角位移后，推算出工作台的实际位移。
以偏差值实现位置控制。
此系统由于检测元件检测的反馈信号不包含从旋转轴到工作台之间的传动链的误差，这部分误差将不能被自动补偿。
因此这种由等效反馈信号组成的控制系统为半闭环控制系统。
闭环控制：
闭环控制与半闭环控制其组成原理及控制方法基本相同。
在闭环控制系统中，要求以工作台（或刀架）的最终控制输出作为反馈信号，即要求测量元件安装在工作台上，而不是安装在丝杠或电机轴上。
但因直接测量工作台的实际位移，需配备如光栅、磁栅或感应同步器等安装和维修要求都比较高的位置检测元件，这使整个系统的价格提高。
由于闭环控制能对整个系统误差进行自动补偿，因此，其精度比半闭环控制要高，精度取决于位置检测元件的测量精度。
总之，这种控制方式的优点是精度高、速度快，但调试和维修比较复杂，适宜于大型和精密的数控机床。
3．2.伺服电机型号选择：
3．2.1进给电机功率的确定
在进给运动的速度较低的情况下，空载功率很小，计算时可以略去，进给电机的功率可根据进给的有效功率和传动件的机械效率来计算：
即：
（*）[11]（3-14）
式中：
Ns------进给电动机功率（KW）
Q-------进给抗力（公斤力）
Vs------进给速度（米/分）
Ys------进给传动的总机械效率（一般可取0.15～0.20）
根据资料显示,CDJK6140系列车床的最大切削主力F=2750N即Pz=2750N
故进给力：
Px=0.5Pz=1375N
Ys取0.2
Vs=0.4m/min
代入（*）式
3．1.2伺服电机型号
考虑到进给系统的过载现象,选择的电机功率应该大于选择的电机功率。
（根据参照电机手册.南京苏强数控机电有限公司）所以，选择型号为110SNMA6I型的永磁无刷伺
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