数控车床进给传动伺服系统的设计.doc

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毕业设计（论文）开题报告

题目：

数控车床纵向进给伺服传动系统的设计

院（系）机电工程学院

专业机械设计制造及其自动化

班级080209

姓名景祥

学号080209108

导师高红红

2012年3月8日

一.毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）

1.题目背景及研究意义

过去，在我国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[1]。

数控机床比传统机床有以下突出的优越性，由于计算机可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面；可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍；拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工[2]-[3]。

2.国内外相关研究情况

目前,国外数控机床的性能正朝着高精度、高效率、高柔性、高自动化方向迅速发展,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[4]-[5]。

例如，日本法努克公司，三菱电机公司，安川电机公司，德国西门子公司，aeg公司，力士乐indramat公司，美国抗体公司，通用电气公司等均先后在1984年前后将交流伺服系统付诸实用[6]。

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38.88%[7]。

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[8]-[10]。

然而,我国加入ＷＴＯ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[11]。

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[12]-[14]。

数控车床改造设计在国外已发展成一个新兴的工业部门。

早在20世纪60代已经开始迅速发展，并又专门的企业经营这门业务[15]。

其发展的原因是多方面的:

首先是技术原因。

随着社会生产力的巨大发展，要求制造技术向自动化及精密化前进。

并且刀具材料和电子技术也有了很大进步，反映到控制系统中，它即能帮助机床自动化又能提高加工准确度。

这些技术进步和高生产率要求，精密加工和型面加工的增多等，突出了旧机床技术改造的必要性及迫切性。

其次是经济原因。

经统计采用改造设计技术加以现代化比之更新设备可节约50％的资金。

这不仅为资金不充沛的小企业技术改造开创了新路，而且对实力雄厚的大型企业也极具吸引力。

第三是生产上的原因。

在工业生产中，多品种、中批量及小批量生产是现代机械制造业的基本特征。

不难看出，完成这些生产任务数控机床是最佳选择[16]-[17]。

基于以上原因,要实现我国的生产现代化，将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化，改造是必由之路[18]。

二.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施

1.本设计的主要内容

本设计为纵向进给运动的设计，设计内容主要包括：

确定系统的负载，确定系统脉冲当量，选择伺服电机，滚珠丝杠副，导轨副，轴承等零部件，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机等。

设计时要求电机与丝杠采用柔性连接，电机选用伺服电机对电机的大小选择进行验证，对滚珠丝杠直径及支承形式选择进行强度较核。

设计与生产实际相结合，既要满足理论要求，又要满足生产现实实际。

设计应遵循先易后难、先局部后全局的规律。

2.纵向进给传动系统拟采用的研究方案

在此提出以下俩种不同方案：

下图分别为俩种方案的结构简图

直流伺服电机

齿轮减速

滚珠丝杠

交流伺服电机

联轴器

滚珠丝扛

工作台

工作台

图1纵向进给结构简图

1.进给驱动电动机类型

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。

1.1.直流伺服电机

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。

1.2.交流伺服电机

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。

2.传动类型

数控车床进给传动系统的基本传动方式常用的有两种：

滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副。

2.1.滚珠丝杠螺母副

在数控车床上，将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠丝杠螺母副。

其特点是：

传动效率高，传动灵敏，摩擦力小，不易产生爬行，使用寿命长，具有可逆性，制造工艺复杂，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，亦可将直线运动变成旋转运动，轴向运动精度高，施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空行程。

因此，在数控车床上得到了广泛的应用，是目前中、小型数控车床的常见的传动方式。

2.2.静压丝杠螺母副

其特点是：

摩擦系数小，平稳性高，反向间隙小；但是，静压丝杠螺母副应有一套供油系统，而且对有的清洁度要求高，如果在运动中供油忽然中断，将造成不良后果。

由以上比较，根据要求，纵向进给传动系统采用滚珠丝杠螺母副的传动方式。

3.电机与丝杠联接方式

滚珠丝杠螺母副与电动机的联接的型式主要有三种：

3.1.带有齿轮传动的进给运动

数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求，如图2a）所示。

由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求，总存在着一定的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。

因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽量减小齿轮侧隙。

但这种联接形式的机械结构比较复杂。

图2电机与丝杠间的联接形式

3.2.经同步带轮传动的进给运动

如图2b）所示，这种联接形式的机械结构比较简单。

同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适于低扭矩特性要求的场所。

安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂。

3.3.电机通过联轴器直接与丝杠联接

如图2c）所示，这是一种最简单的连接型式.这种结构型式的优点是:

具有最大的扭转刚度，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。

在加工中心和精度较高的数控车床的进给运动中，普遍采用这种联接形式。

方案的确定：

比较之下，我打算选择第三种方案。

三.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作

1.本课题的重点及难点

（1）滚珠丝杠本身是一种细长低刚度元件,在外力作用下极易产生变形、振动、噪声。

因此,深入研究滚珠丝杠进给系统的动、静态特性对数控机床保持良好的运行状态具有决定性影响。

（2）滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧

滚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，是数控车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。

2.前期开展工作

采用理论与实际相结合，用理论指导实践，实践反过来修正理论，查阅和引用中外文参考资料进行方案设计，根据类比方法进行结构设计。

四.完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）

第1-3周：

查阅相关资料并分析车床加工对象和加工要求，初步提出系统总体设计方案，并撰写开题报告；

第4-6周：

分析给定参数，确定总体设计方案，并提出各部分的设计方案；

第7-9周：

计算并选择伺服电机、滚珠丝杠副、导轨副、轴承等零部件；

第10-12周：

设计数控车床纵向进给传动系统的机械零件图

第13-15周：

设计数控车床纵向进给传动系统的机械装配图

第16-17周：

整理前期资料并撰写毕业论文；

第18周：

提交论文并答辩。

参考文献

1.盛伯浩，唐华．数控机床技术发展浅析．航空制造技术，2002

2.王爱玲.白恩远.现代数控机床[M].国防工业出版社.2003

3.李雪梅.数控机床.北京.电子工业出版社.2005.3

4.JoachimBussmann.RolfGranow.HelmutHammer.EconomicsofCNC

lathes[j].ManufacturingSystems,1983,Pages1-14

5.X.DanielFang,N.J.Lee.AnewtoolingmechanismforCNClathes[J].MachineToolsandManufacture，January2001,Pages89-101

6.[10]ColorPhotograph.Handbookcontainswealthofinfoonservosystemdesign[M].Hydraulics&Pneumatics，Jun2009,Vol.62Issue6,p19-19

7.梁彦学.我国高速加工系统现状及发展趋势[J].现代制造,2003年第2期:

79-83

8.师鸿飞等.我国数控车床的现状和发展趋势[N].现代制造,2002.

9.陈婵娟.数控车床设计.北京:

化学工业出版社.2006.2

10.王爱玲.现代数控机床机构与设计.北京:

兵器工业出版社.1999.9

11.林胜,林春庭.高速数控机床现状与发展趋势[J].精密制造与自动化,2004年第1期:

5-8

12.余英良.机床数控改造与设计实例.北京：

机械工业出版社.1998.4

13.廖效果.朱启逑.数控控制机床.华中科技大学出版社

14.胡秋.数控机床伺服进给系统的设计[J].机床与液压.四川.中国工程物理研究院机械制造工艺研究所2004.6

15.罗永顺.普通机床数控化改造设计中关键问题的研究[J].机床与液压，2005

16.赵健.如何选择数控车床[N].机械工程师,2001.3.

17.吴祖育，秦鹏飞.数控机床.第