数控车床横向进给设计资料.docx
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数控车床横向进给设计资料
0引言
该次毕业设计中,我很有幸分在“数控车床小组”,我所设计的课题为“数控车床横向进给机构的设计（经济型中档精度数控机床）”。
进行这一设计主要是为了进一步地提高数控车床横向进给机构的定位精度、重复定位精度以及改造手动进给装置以使其能够可靠地运行。
而且,通过这次毕业设计也可以检验自己的学习情况,锻炼自己,对今后的学习和工作也有一定程度上的帮助。
信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。
作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。
随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，各先进国家的机电一体化产品层出不穷。
机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。
机电一体化到各方面的技术已越来越受关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。
在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。
主要有全闭环交流伺服驱动技术（FullClosedACServo）、直线电机驱动技术（LinearMotorDriving）、可编程序计算机控制器（ProgrammableComputerController，PCC）和运动控制卡（MotionControllingBoard）等几项具有代表性的新技术。
数控机床是一种高科技的机电一体化产品,是综合应用计算机技术、精密测量及现在机械制造技术等各种先进技术相结合的产物。
数控机床作为实现柔性制造系统、计算机集成制造系统和未来工厂自动化的基础已成为现在制造技术中不可缺少的生产手段,是机电一体化技术的重要组成部分。
随着科学技术的迅速发展,数控技术的应用范围日益扩大。
数控机床已成为现在机械制造业中的主要技术装备。
数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。
经济型中档精度数控车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：
控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。
数控车床的进给系统包括横向进给系统（X轴）和纵向进给系统（Y轴）,它们是由伺服电机经同步齿形带传动,驱动滚珠丝杠螺母副机构,来实现刀架的运动。
根据GB/T16462-1996《数控卧式车床精度检验》,机床的位置精度包括重复定位精度、反向偏差和定位精度。
当机床的中心距DC=3000mm时,其重复定位精度X轴0.007mm,Z轴0.020mm;反向偏差X轴为0.006mm,Z轴为0.012mm;定位精度X轴为0.016mm,Z轴为0.050mm。
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。
对于X轴，由于其位置误差值复映在零件加工尺寸上为直径值，故放大了2倍，X轴移动质量不大，要求的快移速度较低，因而要求X轴应有更高的位置精度。
因X轴滚珠杠直径比Z轴小，长度短，并且采用降速传动，使得折算在X轴电机上的转动惯量减小。
因此，X轴的设计应着重以达到所要求的位置精度为主要矛盾进行设计，而选用的电机扭矩比Z轴小些。
为了达到这目标，X轴应从提高重复定位精度、反向偏差及定位精度三个方面，从设计上解决。
在数控车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。
限于编者水平，书中错误和不妥之处在所难免，殷切期望读者批评指正。
1、总体设计方案
1.1总体设计方案论证
与普通机床相比,数控机床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度外,还具有良好的动态响应特性。
为了确保数控机床的传动精度和工作平稳性,在设计机械了机构时,通常还应提出无间隙、低摩擦、高刚度以及有适宜的阻尼比要求等。
为了达到这些要求,在机械传动设计中,主要采取如下措施:
1、尽量采用低摩擦的传动副;
2、选用最佳的降速比;
3、尽量缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度;
4、尽量消除传动间隙,减少反向行程误差。
数控车床的总体总体设计方案示意图如下图所示：
本设计数控车床要求设计为中档精度机床,为此提出以下两种设计方案:
设计方案一:
该方案的进给装置及动作原理如下:
机床的横向进给机构由：
床鞍，滚珠丝杠副，螺母座，滑板，连接套，步进电机等部分组成。
由步进电机通过连接套带动滚珠丝杠副至螺母座，实现滑板的横向机动进给。
在滚珠丝杠的前端加一螺孔，用内六角螺钉及套与之连接，这样用内六角扳手可实现滑板的横向手动进给运动。
设计方案二:
该方案的进给装置及动作原理如下:
车床的横向进给机构由床鞍4,滚珠丝杠副5,螺母座6,横滑板7,同步带轮12、19,交流伺服电机64等部分组成,见设计装配图001。
由交流伺服电机64经同步齿形带传动,驱动滚珠丝杠副5至螺母座6,实现横滑板7的横向机动进给,来实现刀架的运动。
在该方案中,在滚珠丝杠的前端加了一个固定销46,床鞍上改进了支座3,增加了滚花手柄2,在滚花手柄2的前端用一个开口槽及内孔与滚珠丝杠相连,支座3下用一个开槽平端紧定螺钉45与滚花手柄2上的两圆槽相连作定位作用。
当需手动进给时,滚花手柄2的开口槽就插到滚珠丝杠的固定销46中,将螺钉45紧到手柄2的相应圆槽中,这样转动滚花手柄2就可带动滚珠丝杠实现手动进给。
当不用手动进给时,松开螺钉45,将滚花手柄2出,使开口槽与滚珠丝杠的固定销分开,再将螺钉45紧到手柄2的相应圆槽中,此时手柄2与滚珠丝杠脱开了。
在方案一中,由于在机动进给时,套8仍在转动,不安全。
用内六角扳手时,在作螺纹的反向运动时,会使内六角螺钉松动,而不能使手动进给可靠进行。
在方案二中,在机动进给时,滚花手柄不再转动,使车床的安全可靠性得以加强。
同时,这样做也使得在车床检验后的工作过程中,不至于被他人转动手柄而破坏现场工作状态。
在方案一中,采用步进电机,起精度受到一定程度上的限制。
因为本设计要求中档精度,所以在方案二中改用交流伺服电机,以提高相应的精度。
并且在方案二中以同步带传动代替方案一中的连接套,其益处在参考文献［4］106-107页中可以见到,这里就不再重复了。
1.2总体设计方案的确定
经总体设计方案的比较和论证后,确定的经济型中档精度数控车床横向进给机构设计的总体方案示意图如装配图001所示。
该横向进给机构既可以进行机动进给,也可以进行手动进给。
该横向进给机构采用交流伺服电机驱动,经同步齿形带传动,驱动滚珠丝杠转动,从而实现数控车床的横向进给运动。
刀架采用LD-1型列电动刀架。
2横向进给机构的设计与计算
横向进给机构设计与计算的主要内容有:
滚珠丝杠副的设计计算及选型、同步带的设计计算与选型、同步带轮的选择、交流伺服电机的计算及选型、导轨副的选择、自动转位刀架的选择。
绘制横向进给机构的装配图以及各零件图等。
2.1已知条件
（1）、床身上最大回转直径:
400mm；
（2）、加工最大工件长度:
1000mm；
（3）、快移速度:
X轴4m/min,Z轴8m/min；
（4）、定位精度:
X轴0.035mm,Z轴0.04mm；
（5）、重复定位精度:
X轴0.0075mm,Z轴0.01mm；
（6）、数控车床工作台质量W:
根据图形尺寸粗略计算W=60Kg；
（7）、横向进给切削力Fx的确定:
根据参考文献［5］查出:
Pdf/Pa=3～5%[5]1—1
式中:
Pdf—进给系统所需电机功率;
Pa—主传动电机功率。
已知Pa为5.5Kw,取比例系数为5%,则由公式1—1可得：
Pdf=Pa×5%
=5.5×5%=0.275Kw
根据参考文献查出:
F=61200ηf·Pdf/Vf[5] 1—2
式中:
ηf—进给系统效率,其范围为0.15～0.20,取ηf=0.20;
Vf—进给速度,m/min;查出:
Vf=（1/2～1/3）Vixmax[5]1—3
取Vf=1/3Vixmax
由公式1—2：
Fx=61200×0.20×0.275/（4·1/3）
=2524.5（w）
为了安全起见,取安全系数为1.85,则:
Fx=2524.5×1.85≈4680N
2.2滚珠丝杠副的设计
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Fd（或平均工作负载Fm）作用下的使用寿命,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。
2.2.1设计步骤
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。
2.2.2设计计算简况
选用CPG系列滚珠丝杠副。
A、CPG系列滚珠丝杠副主要参数的确定:
按预期寿命Ln及轴向载荷Fa进行选择:
Ln=（Ca/Fa）×106（转）[11]2—1
式中:
Ca—额定动载荷;
一般情况下Fa可以用平均轴向载荷Fm予以代替:
Fm=（2Fmax+Fmin）/3[11]2—2
式中:
Fmax—最大轴向载荷;
Fmin—最小轴向载荷。
Fmax=mg+F[11]2—3
=60×9.8+4680=5268N
Fmin=mg=60×9.8=588N
所以：
Fm=（2Fmax+Fmin）/3=3078N
对于机车和精密机械通常取Ln=20×106（转）[11]
则:
：
Ca=（20）1/3Fm=2.71F[m[11]=8341.38N 2—4
计算出Ca,可通过查表得到对应的滚珠丝杠副的尺寸,选取2505-4型号滚珠丝杠副,基本直径为25mm,大径位24.5mm,丝杠导程L0为5mm,滚珠直径为3.175mm,滚珠列数为四列。
B、对选用的滚珠丝杠副的参数进行核算
a、轴向压缩载荷F:
对各种支承条件下所支承的最大轴向载荷,是否会超过临界载荷而失去稳定性,造成稳定失效,因此对保持丝杠不失去稳定性的轴向压缩载荷进行验算。
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=m（d0-db）4/Ls2[11]2—5
式中:
m为支承系数;G-J形式:
m=20×104（N/mm2）;
d0为公称直径（mm）;
db为滚珠直径（mm）;
Ls为丝杠轴的支承距离（mm）。
所以:
Fc=20×104×（25-3.175）4/5552=1.47×105N
则:
Fc/F=1.47×105/5268＞［n］
式中:
［n］为许用稳定安全系数,当丝杠垂直安置时［n］=2.5,水平安置时［n］=4;
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