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数控车床的主传动系统设计及控制论文
数控车床的主传动系统设计及控制
第1章：
绪 论
1.1数控车床简介
数控车床，是一种高精度、高效率的自动化机床。
配备多工位刀塔或动力刀塔，机床就具有广泛的加工工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹、槽、蜗杆等复杂工件，具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。
主机，他是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。
他是用于完成各种切削加工的机械部件。
数控设置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。
他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。
当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。
辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。
它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。
编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。
“CNC”是英文ComputerizedNumericalControl（计算机数字化控制）的缩写。
数控机床是按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工。
我们把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数（主轴转数、进给量、背吃刀量等）以及辅助功能（换刀、主轴正转、反转、切削液开、关等），按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把这程序单中的内容记录在控制介质上（如穿孔纸带、磁带、磁盘、磁泡存储器），然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。
这种从零件图的分析到制成控制介质的全部过程叫数控程序的编制。
数控机床与普通机床加工零件的区别在于数控机床是按照程序自动加工零件，而普通机床要由人来操作，我们只要改变控制机床动作的程序就可以达到加工不同零件的目的。
因此，数控机床特别适用于加工小批量且形状复杂要求精度高的零件。
由于数控机床要按照程序来加工零件，编程人员编制好程序以后，输入到数控装置中来指挥机床工作。
程序的输入是通过控制介质来的。
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0.6～0.8万台，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；10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。
从2005年的市场消费内容也可可看出,普通机床的市场份额在下降,数控机床则大幅度增长，尤其是中高档数控机床供不应求。
可以预见，未来几年普通机床的市场份额将不断下滑, 数控机床的消费会逐渐扩大。
在这样一种背景下，我的课题选择为设计一台数控车床——CK20，用于对转体零件的圆柱面、圆弧面、圆锥面、端面、切槽、及各种公、英制螺纹等进行批量、高效、高精度的自动加工，以提高生产效率和产品质量和降低工人劳动强度。
通过本次设计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，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及能力得到训练和提高。
此外，力求完成课题之余，熟悉国内外数控技术及数控机床的现状及发展趋势,增强对如何发展民族数控机床产业的感性认识。
自从1951年计算机技术应用于机床上，数控系统经历了数控（NC）和计算机数控（CNC）两个阶段的发展。
目前，数控系统正处于第六代――基于PC（PC－BASED）。
未来数控系统将呈以下发展趋势：
1、 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展
基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。
至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。
2、向高速化和高精度化发展
3、向智能化方向发展
（1）应用自适应控制技术向高速化和高精度化发展
数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。
（2）引入专家系统指导加工
将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。
（3）引入故障诊断专家系统
（4）引入动装置智能化数字伺服驱动系统
可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行 。
研究现状我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。
目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段
1.2数控车床主传动系统简介
1.3本课题研究的主要内容和意义
1.3.1 课题研究内容
本课题设计的数控车床的主要参数如下：
工件最大回转直径:
400mm;最大加工直径:
280mm 横向最大行程（X轴）:
180mm,纵向最大行程（Z轴）:
650mm 最大车削长度:
500mm;X,Z轴的最小设定单位为:
0.001mm 主轴最大/最小转速:
100200R4000/45/minr 快速进给速度:
纵向:
15/minm,横向:
8/minm
课题研究的主要内容包括主轴传动系统的设计、编码盘的安装、液压卡盘的设计安装及数控系统的设计。
1.3.2 研究意义
第一步，明确设计要求，找出研究的重难点：
普通数控车床最基本的要求是精度达标，稳定可靠，操作、维修、保养方便，寿命较长，此外力求外型美观。
第二步，进工厂观摩，大量收集国内外相关资料，吸取专家的设计经验。
第三步，初步确定总体设计方案：
1、软件方面 综合考虑功能、价格、技术先进、服务方便等因素，以及数控系统所具有的功能是否与CK20的性能相匹配，尽量减少过剩的数控功能。
选择了SINUMERIK 802D机床微机控制系统。
2、硬件方面
（1）根据机床性能要求，确定机床支承件结构形式为斜床身结构，并进行总体布局；
（2）选择主电机。
根据切削力大小及机床的变速要求，初步确定主电机型号； （3）设计主传动系统及箱体。
由主电机的变速范围，确定变速箱的减速级数以及传动方式。
第二章.主传动系统的方案设计
2.1主传动系统的设计要求
数控系统的主轴系统除了应满足普通机床主传动要求外，还提出以下要求：
（1）具有更大的调速范围，并实现无级调速;
（2）具有较高的精度和刚度、传动平稳，噪声低;
（3）良好的抗振性和热稳定性.
2.2总体设计 2.2.1 拟定传动方案
数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，需要切削直径的变化,主轴必须通过自动变速，以维持切削速度基本恒定。
这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。
无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。
由于数控机床的主运动的调速范围较大（100200R），单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。
因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。
为简化主轴箱结构，本方案仅采用二级机械变速机构，运动方案如图2.1：
有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。
液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸（差动油缸）实现三位移动。
液压拨叉变速是一种有效的方法，工作平稳，易实现自动化。
但变速时必须主轴停车后才能进行，另外，它增加了数控机床的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信号转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素。
图2.1主轴传动图
电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。
电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，操作方便。
通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。
电磁离合器一般分为摩擦片式和牙嵌式。
2.2.2 选择电机
1、选择电机应综合考虑的问题
（1）根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，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、过载能力额启动转矩，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0.8～0.9。
（3）根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及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，以及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。
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。
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。
经过对比分析本设计中决定采用FANUci系列交流主轴电机。
ci系列是高速、高精、高效的伺服系统，可实现机床的高速、高精控制，并使机床更紧凑。
3、电动机容量的选择
选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。
决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过载能力和起动能力三方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。
电动机发热与其工作情况有关。
但对于载荷不变或变化不大，且在常温下连续运转的电动机（如本课题中的电动机），只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算[9]，本设计中电机容量按以下步骤确定：
（3）选择电动机额定功率edP
如前所述，电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.8～0.9，所以电动机额定功率选取为11Kw。
（4）电动机电压和转速的选择
由资料[10],表22－1－9，小功率电动机一般选为380V电压。
所以本电机的电压可
选为380V。
同一类型、功率相同的电动机具有多种转速。
一般而言，转速高的电动机，其尺寸和重量小，价格较低，但会使传动装置的总传动比、结构尺寸和重量增加。
选用转速低的电动机则情况相反。
要综合考虑电机性能、价格、车床性能要求等因素来选择。
本课题中数控机床的主轴的转速范围要求为35/min4000/minrr。
由于只有一根中间
（5）确定电机的型号
由前面信息，可选取FANUC交流电机，型号为12/6000ci。
这种电机转动非常平稳，采用160,000,000/rev的超高分辨率位置编码器，通过线圈切换可实现电机的高速、高加速控制，作为α系列的后续产品，具有更先进的节能效果。
电机参数如下表所示：
机座长为465mm，电机轴径为48mm，轴伸为110mm，中心高132mm，其余安装尺寸及其外形由资料[8]得[8]。
2.2.3 计算各轴计算转速、功率和转矩
1、各轴计算转速（本小节公式除非特别说明，均出自资料[12]）
首先估算主轴的计算转速，由于采用的是无级调速，所以采用以下的公式：
将以上计算结果整理后列于表2.2，供以后计算选择，供以后计算使用：
2.2.4 转速图
由电机的转速范围（包括恒功率变速范围）和各轴传动比,作数控车床的转速图,见图2-2.
.2.5 传动图
初定数控车床的传动图,如图2-3.
2.3轴系部件的结构设计
2.3.1 I轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料[14]）
I轴上的零件主要是齿轮1。
一端用凸台定位,另一端用紧定螺钉定位。
1.选定齿轮类型,精度等级,材料及齿数. 根据选定的传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动.
（1）本次设计属于金属切削机床类,一般齿轮传动,故选用6级精度.
（2）材料选择.由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质）,硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS.
2.3.2 II轴结构设计（如无特殊说明，本小节公式均出自资料[14]） 1.轴的支承形式
该轴不受或只受极小的轴向力，而右端所受径向力矩明显高于左端，故左端选用深沟球轴承，而右端选用一对角接触球轴承背靠背安装，如图所示：
2.轴上零件的轴向定位
II轴上的主要零件主要有三对直齿圆柱齿轮及其中两直齿圆柱齿轮对应的电磁离合器。
滚子轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩定位。
与电机轴上齿轮相啮合的齿轮左端用圆螺母固定,右端用轴肩定位.另外两齿轮所对应的电磁离合器位于它们中间，相互紧靠，两齿轮的另两端用螺钉锁紧挡圈定位。
轴右端的轴承左边利用轴肩定位，右端用一摔油盘（有套筒的作用）和圆螺母进行定位。
（2）齿轮的设计
齿轮1和2的直径相差较大，对齿轮1（小齿轮）在模数和选材及热处理方面要求较高，所以首先进行该对齿轮的设计。
1.选定齿轮的精度等级和材料，初选齿数
①本数控机床的运行速度较高，精度等级选择6级精度；
②由表10－1，小齿轮材料选择为40rc，调质后表面淬火，硬度为280HBS；大齿轮材料选择为45钢，调制后表面淬火，硬度为240HBS。
对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而由齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度所算得的模数3.5mmm，按接触强度算得的分度圆直径1133.68dmm，算出小齿轮齿数
.电磁摩擦离合器的计算和选择
本课题中数控机床得转速较高，对工作可靠性要求高，根据资料[13]中的结构选择原则，选取牙嵌式电磁离合器。
形式选定后，应进一步确定其规格（本小节公式及参数除非特别说明，均出自资料[15]）
（1）规格计算
其规格选择计算的基本原则是使其计算转矩cT小于或等于其薄弱环节的失效条件限制而允许其传递的许用转矩[T]，即
2.3.3 主轴结构设计
1.对主轴组件的性能要求
主轴组件是机床主要部件之一，它的性能对整机性能由很大的影响。
主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴组件的主要性能特提出如下要求：
①回转精度 主轴组件的回转精度，是指主轴的回转精度。
当主轴做回转运动时，线速度为零的点的连线称为主轴的回转中心线。
回转中心线的空间位置，在理想的情况下应是固定不变。
实际上，由于主轴组件中各种因素的影响，回转中心线的空间位置每一瞬间都是变化的，这些瞬时回转中心线的平均空间位置成为理想回转中心线。
瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置距离，就是主轴的回转误差，而回转误差的范围，就是主轴的回转精度。
纯径向误差、角度误差和轴向误差，它们很少单独存在。
当径向误差和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在构成端面跳动。
由于主轴的回转误差一般都是一个空间旋转矢量，它并不是所有的情况下都表示为被加工工件所得到的加工形状。
主轴回转精度的测量，一般分为三种：
静态测量、动态测量和间接测量。
目前我国在生产中沿用传统的静态测量法，用一个精密的测量棒插入主轴锥孔中，使千分表触头触及检测棒圆柱表面，以低速转动主轴进行测量。
千分表最大和最小的读数差即认为是主轴的径向回转误差。
端面误差一般以包括主轴所在平面内的直角坐标系的垂直坐标系的垂直度数据综合表示。
动态测量是用以标准球装在主轴中心线上，与主轴同时旋转；在工作态上安装两个互成90º角的非接触传感器，通过仪器记录回转情况。
间接测量是用小的切削量加工有色金属试件，然后在圆度仪上的测量试件的圆度来评价。
出厂时，普通级加工中心的回转精度用静态测量法测量，当L＝300mm时允许误差应小于0.02mm。
造成主轴回转误差的原因主要是由于主轴的结构及其加工精度、主轴轴承的选用及刚度等，而主轴及其回转零件的不平衡，在回转时引起的激振力，也会造成主轴的回转误差。
因此加工中心的主轴不平衡量一般要控制在0.4mm/s以下。
②刚度 主轴部件的刚度是指受外力作用时，主轴组件抵抗变形的能力。
通常以主轴前端产生单位位移时，在位移方向上所施加的作用力大小来表示。
主轴组件的刚度越大，主轴受力变形就越小。
主轴组件的刚度不足，在切削力及其它力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形，不仅影响工件的加工质量，还会破坏齿轮、轴承的正常工作条件，使其加快磨损，降低精度。
主轴部件的刚度与主轴结构尺寸、支承跨距、轴承类型及配置型式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。
③抗振性 主轴组件的抗振兴是指切削加工时，主轴保持平稳地运行而不发生振动的能力。
主轴组件抗振兴差，工作时容易产生，不仅降低加工质量，而且限制了机床生产率的提高，使刀具耐用度下降。
提高主轴抗振兴必须提高主轴组件的静刚度，采用较大阻尼比的前轴承，以及在必要时安装阻尼器。
另外，使主轴的固有频率远远大于激振力的频率。
④温升 主轴组件在运转中，温升过高会引起两方面的不良后果：
一是主轴组件和箱体因热彭涨而变形，主轴的回转中心线和机床其它组件的相对位置会发生变化，直接影响加工精度；其次是轴承等元件会因温度过高而改变已调好的间隙和破坏正常润滑条件，影响轴承的正常工作。
严重时甚至会发生“抱轴”。
数控机床一般采用恒温主轴箱来解决恒温问题。
⑤耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，以能长期保持精度。
主轴上易磨损的地方是刀具或工件的安装部位以及移动式主轴的工作部位。
为了提高耐磨性，主轴的上述部位应该淬硬或氮化处理。
主轴轴承也需有良好的润滑，以提高耐磨性。
以上这些要求，有的还是矛盾的。
例如高刚度和高速，高速与低温升，高速与高精度等。
这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度数控机床时，主轴应满足高刚度、低温升的要求。
2.轴承配置型式
本课题中数控机床的转速较高，却要求径向刚度好，所以轴承的配置型式选择为刚度速度型。
前轴承采用双列角接触球轴承，接触角为25，它们通过套筒背靠背配置，以减少主轴悬伸量。
后轴承采用双列短圆柱滚子轴承，以承受较大的传动力。
如下图所示：
2.轴承配置型式
本课题中数控机床的转速较高，却要求径向刚度好，所以轴承的配置型式选择为刚度速度型。
前轴承采用双列角接触球轴承，接触角为25，它们通过套筒背靠背配置，以减少主轴悬伸量。
后轴承采用双列短圆柱滚子轴承，以承受较大的传动力。
如下图所示：
图2.6 主轴支承型式
3.主要参数的确定
主轴的主要参数是指：
主轴平均直径D（或主轴前轴颈直径1D）；主轴内孔直径d；主轴悬伸量a和主轴支承跨距l。
这些参数直接影响主轴的工作性能，但为简化问题，主要是由静刚度条件来确定这些参数，即选择D、d、a、l使主轴获得最大静刚度，同时兼顾其它要求，如高速性、抗振性等。
（1）主轴前轴颈直径1D的确定
主轴平均直径对主轴部件刚度影响较大。
加大直径1D，可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，从而 提高主轴部件刚度。
但加大直径受到轴承dn值的限制，同时造成相配零件尺寸加大、制造困难、结构庞大和重量增加等，因此在满足刚度要求下应取较小值。
按车床主电动机功率来确定，由资料[16]图6.1－83可取190Dmm。
（2）主轴内孔直径d的确定
确定孔径的原则是，为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔颈要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下，应取较大值。
主轴悬伸量a是指主轴前端面到支承径向反力作用中点的距离，它对主轴部件的刚度和抗振性影响很大。
因此在满足结构要求的前提下尽可能取小值。
减小a的常见措施有：
①尽量采用短锥法兰式主轴端部结构。
②推力轴承配置在前支承时，应安装在径向轴承的内侧而不是外侧。
③合理设计前支承的调整结构和密封装置形式。
尽量采用主轴端部的法兰盘和轴肩等构成密封装置。
④采用向心推力轴承来代替向心轴承。
成对安装的圆锥滚子轴承，应采取滚锥小端相对的形式；成对安装的向心推力轴承应采取背对背或面朝外的同方向排列形式。
本课题中主轴前端的一对向心推力轴承正是采用这种安装形式。
⑤改变轴端工夹具的结构形式来减小a值。
（4）支承跨距l的确定
支承跨距l是指相邻两支承的支承反力作用点之间的距离。
合理确定l是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一。
当0ll时，主轴部件具有最大刚度，0l即为主轴部件的最佳跨距。
在具体设计时，往往由于结构上的限制而使0ll，这就造成主轴部件的刚度损失。
合理跨距（0.751.5）ratll,通常取0ratlll。
因为D、a一定时，l越大，轴承的径向跳动对主轴前端的径向跳动影响越小，且加大l可较小振动。
当需要l远大于0l时，可采用三支承结构[6]。
4.主轴头的选用
如前文所述，采用短锥法兰式主轴端部结构有利于减小主轴悬伸量a。
本课题选用B型法兰式主轴端部，代号为6，其基本尺寸由资料[16]表6.1－31可获得。
5.轴承型号的选择
考虑到主轴上部件的安装需要利用轴肩来进行轴向定位，初步确定好安装轴承部位轴径后，选择轴承型号及其尺寸如表2-8所示：
.3.4 编码器的选择与安装
在经济型数控车床上加工螺纹或丝杠时，进刀速度应与车床主轴转速之间保持一个恒定的比例关系，为此要在车床主轴上安装一个主轴位置信号的反馈元件。
即主轴脉冲发生器。
在选用简易数控装置时，应选用含有螺纹加工功能的系统软件和相应的主轴脉冲发生器。
光电编码器由于是数字信号，所以噪声容限大，容易实现高分辨率，检测精度高，且体积小、重量轻、易安装，在现代检测技术中得到
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