CK516立式数控车床Z向进给传动系统设计.docx

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CK516立式数控车床Z向进给传动系统设计

网络教育学院继续教育学院毕业设计（论文）

题目

函授站（学习中心）北京学习中心

专业06级（春、秋）层次

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指导教师

年月日

目录

第一章概述

1.1数控机床的概念···································

1.2数控机床的组成分类及特点························

1.3数控机床的发展趋势及现状························

1.4CK516立式数控车床的总体方案设计················

1.5本设计的主要内容和方法·························

第二章纵向进给传动系统总体方案的确定

2.1进给传动系统的组成及其原理····················

2.2进给传动控制伺服系统的选择····················

2.3进给驱动电动机类型的确定······················

2.4确定脉冲当量··················

2.5进给系统的传动要求及传动类型的选择·······

2.6电机与丝杠联接方式的选择·······················

2.7进给系统的一些其它要求························

第三章伺服电动机的具体计算选择

3.1电动机的选型要求······························

3.2电动机工作方式的确定·························

3.3电动机型号的确定·····························

3.4运动部件惯量及扭矩计算·······················

第四章滚珠丝杠螺母副的计算和选型

4.1滚珠丝杠螺母副的种类·············

4.2滚珠丝杠支承方式的确定············

4.3计算进给牵引力Fm（N）·············

4.4计算最大动负载C···············

4.5滚珠丝杠螺母副的选型·············

4.6传动效率计算·································

4.7稳定性校核··················

第五章联轴器的具体确定

5.1联轴器的种类和特性··············

5.2联轴器选择的标准···············

5.3联轴器型号的确定···············

 第六章进给系统其他部件的确定及机床噪声控制

6.1导轨的确定··································

6.2刀架的选择

6.3机床噪声的控制······························

结论·······································

第一章概述1.1数控机床的概念

数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。

它与普通机床相比，其优越性是显而易见的，不仅零件加工精度高，产品质量稳定，且自动化程度极高，可减轻工人的体力劳动强度，大大提高了生产效率，特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工，因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。

1.2数控机床的组成分类及特点

1.2.1数控机床的组成

数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。

1.控制介质：

以指令的形式记载各种加工信息；

2.数控装置：

接受输入的加工信息，经数控装置运算处理，向伺服系统发出相应的脉冲；

3.伺服系统：

把数控装置的脉冲信号转换成机床运动部件的机械位移；用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。

4.机械系统：

包括，主轴部分、进给系统、刀库和自动换刀装置（ATC）、自动托盘交换装置（APC）等。

1.2.2数控机床的分类数控机床的品种和规格繁多，分类方法不一。

根据不完全统计，目前已有近500种数控机床。

根据数控机床的功能和组成，一般分为以下几类：

按坐标轴数分类：

一般数控机床，数控加工中心机床，多坐标轴数控机床；

按特点分类：

点位控制数控机床，直线控制数控机床，轮廓控制数控机床；

按有无测量装置分类：

开环数控系统，半闭环数控系统，闭环数控系统；

按功能水平分类：

经济型，普及型，高级型。

1.2.3数控机床的特点

数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。

概括起来，数控机床有以下几方面的特点：

1.提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定；

2.提高生产效率，一般约提高效率3-5倍，使用数控加工中心机床则可提高生率5-10倍；

3.可加工形状复杂的零件；

4.减轻了劳动强度，改善了劳动条件；

5.有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。

1.3数控机床的发展趋势及现状

1.3.1数控机床在我国的发展趋势及现状

我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场。

90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右，而95年已达77%。

严重影响我国数控机床自主发展的势头。

这种现象的出现，除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外，一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进，新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。

具体地说，这个问题反映在下列五个方面：

1.我国机床厂目前开发基型产品的周期约为15～18个月，其中设计时间约为5～8个月，占总周期的40%左右。

而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为6～9个月，其中设计约1.5～2个月，只占25%。

因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。

2.我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具（如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等），自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计，使设计一次成功的把握性降低，往往需要反复试制才能定型，从而可能错过新产品推向市场的良机。

3.用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求，甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求，这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。

在国外，这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周，而在我国机床厂用手工操作就至少需1～2个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门，常会出现漏改和失误的现象，影响了产品的质量和交货期。

4.现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数，他们的专业知识和实际经验不足，又担负着开发的重任。

5.由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立，缺乏有效的协同开发的模式，不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改，延长了开发的周期。

为解决这些问题，必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术，发展优化和仿真技术，提高产品结构性能，并建立起基于并行工程（ConcurrentEngineering）的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面，使企业取得良好的经济效益。

1.3.2数控机床在国外的发展趋势及现状

无人化，规模化生产对加工设备提出了高速度，高精度，高效率的要求，交流伺服系统具有高响应，免维护（无碳刷，换向器等磨损元部件），高可靠性等特点，正好适应了这一需求。

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。

进入20世纪90年代，微电子制造工艺的日臻完善，使得DSP运算速度呈几何数上升，达到了伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯片制造商还将电机控制所必需的外围电路（如A/D转换器、位置/速度检测倍频计数器、PWM发生器等）与DSP内核集成于一体，使得伺服控制回路采样时间达到100?

s以内，由单一芯片实现自动加、减速控制，电子齿轮同步控制，位置、速度、电流三环的数字化补偿控制。

一些新的控制算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。

目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的CNC系统相配套，如日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、松下公司、山洋电机公司、德国Siemens公司、力士乐Indramat公司、Lenze公司、美国A.B公司、Kollmorgen公司、Relliance公司、Baldor公司、Pacific Scientific公司等。

在1987年，由德国机床协会和德国电力电子协会联合提出数字驱动接口国际标准，即SERCOS（SerialReal-time Communication System串行实时通信系统）接口作为高性能运动控制系统闭环数据串行实时通信接口， 这两个协会将电机、驱动系统、CNC系统的主要制造商组成一个联合工作组。

最初加入SERCOS工作组的公司有AEC、ABB、AMK、Banmuller、Bosch、Indramat、Siemens、Pacific Scientific等几家公司。

与此同时，开发了相应的ASIC芯片、SERCON816，传输速度为2/4/8/16 Mbit/s，SERCOS与其它串行现场总线相比，有效数据传输率高，例如Ethement以100Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为5～10Mbit/s；SERCOS以16Mbit/s速度传输数据时，有效数据传输率为11Mbit/s。

CAN（controller Area Network）用于运动控制时，必须提供额外的存储缓冲器及信号管理资源，其成本大约是SERCOS接口的2倍，另一个特点是它的光纤噪声抑制能力强、传输可靠性高。

虽然SERCOS接口初终是为CNC与数字伺服接口而开发，迄今已被广泛应用于通用运动控制器与数字伺服之间的接口。

目前已能满足在2ms内，使一台控制器与多达32个伺服系统实现数据通信。

SERCOS为数字伺服网络化铺就了一条宽阔大道，可以预见，在不远的将来，带有SERCOS接口的伺服系统将会进入家庭、办公室、工厂车间乃至各个与伺服应用相关的领域。

1.4CK516立式数控车床的总体方案设计

CK516立式数控车床具有高转速、大扭矩、高刚性等特点，主要用于加工轮毂、刹车毂等各类短轴类、盘类零件，车削螺纹、圆弧、圆锥、回转体的内外曲面、端面沟槽、钻、扩、铰等，适用于形状复杂的中小批量零件，以及精度、尺寸一致性要求高的大批量零件的加工。

CK516立式数控车床的机械传动部分设计，可以分为主轴组件设计、主传动设计、变速箱中传动轴和齿轮设计、X、Z向进给伺服系统设计等小题目，由6名同学共同完成。

我们6位同学经过调查研究，分析讨论，反复论证，最终确定了机床的总体方案。

1.机床总体尺寸参数的选定

根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：

床身上最大回转直径mm800

最大车削直径mm600

最大车削高度mm600

主轴转速范围（四段无级）r/min45-1000

主轴孔前端锥度mm120

主电机功率kw15

X/Z轴伺服电机N.m222.机床主要部件及其运动方式的选定

（1）主运动的实现

采用主轴箱与变速箱分离的传动布局。

主传动由变频电机经四级变速箱、三角带窄V带传至主轴。

（2）进给运动的实现

机床进给运动均采用半闭环伺服控制，因此在X、Z两个方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由伺服电机通过联轴器传递。

（3）数字控制的实现

控制系统采用FANUC-0i系统。

（5）机床其它零部件的选择

考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。

1.5本设计的主要内容和方法

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，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，确定设计步骤时，应把整个CK516立式数控车床Z向进给传动系统分成若干个子系统进行，待各系统基本合理后再互联完成全系统工作。

设计的产品应高效经济。

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，将给中小规模的加工厂输入新的血液。

显著提高生产力水平，减轻劳动强度，提高经济效益。

第2章纵向进给传动系统总体方案的确定

2.1进给传动系统的组成及其原理

数控机床进给伺服系统是数控机床的关键组成部分。

一般由控制电路、电器驱动部件和执行部件组成。

进给传动部件一般认为是从电机到工作台之间的传动链。

进给传动部件的动态特性的好坏直接影响到一台机床的工作性能和加工精度。

进给传动部件的振动会影响进给系统的定位精度。

另外，机械传动部件的设计好坏对进给伺服系统的伺服性能的影响也很大。

现代数控机床日益向着高速、高效率、高精度方向发展。

对机床进给传动部件的设计要求也越来越高。

数控机床的进给系统，与普通机床不同。

数控机床的进给指令，来自数控系统，经进给电动机和驱动机构，使执行部件如刀架、工作台、主轴箱等按程序的规定运动。

进给传动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，决定了数控机床的档次，因此，在数控技术发展的历程中，进给驱动系统的研制和发展总是放在首要的位置。

数控系统所发出的控制指令，是通过进给驱动系统来驱动机械执行部件，最终实现机床精确的进给运动的。

数控机床的进给传动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。

它的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。

2.2进给传动控制伺服系统的选择

1.开环伺服系统

开环伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统，执行元件一般为步进电机。

开环进给伺服系统的精度较低，速度也受到步进电动机性能的限制。

但由于其结构简单，易于调整，在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用。

2.闭环控制系统

因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以为了保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。

闭环控制系统是采用直线型位置检测装置对数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系统。

3.半闭环控制系统

采用旋转型角度测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器等）和伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统，称作半闭环控制系统。

半闭环控制系统的检测装置有两种安装方式：

一种是把角位移检测装置安装在丝杠末端；另一种是把角位移检测装置安装在电动机轴端。

根据需求，并且考虑到经济的效益，故选择半闭环控制系统。

2.3进给驱动电动机类型的确定

早期的数控机床采用电液伺服驱动的较多，而现代数控机床基本上都采用全电气伺服驱动系统。

它可分为步进电机，直流伺服电动机和交流伺服电动机伺服驱动系统三类。

步进电动机：

步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移（或线位移）的电磁装置，是一种特殊的电动机。

一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。

步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。

在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。

在电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。

如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。

直流伺服电动机具有：

①稳定性好；②转向取决于控制电压的极性，控制电压为零时，转子惯性很小，能立即停止；③响应迅速，机械特性和调节特性都是线性的，而且不存在“自转”现象；④控制功率低，损耗小；⑤转矩大；⑥机械特性和调节特性都是线性的，而且不存在“自转”现象等特点。

交流伺服电动机：

输出或输入为交流电能的旋转电机，称为交流电机，它实际上就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机。

交流伺服电动机的机械特性是非线性的，电容移相控制时非线性更为严重，而且斜率随控制电压的变化而变化，这会给系统的稳定和校正带来困难。

机械特性很软，低速段更软，负载转矩变化对转速影响很大，而且机械特性软会使阻尼系数减小，时间常数增大。

从而降低了系统品质。

若交流伺服电动机设计参数选择不当，或制造工艺不良，在单相状态下会产生“自转”而失控，而且其电动机的转子电阻相当大，所以损耗大，效率低，电动机的利用程度差。

除此之外交流伺服电动机结构简单，维护方便，运行可靠，适宜于不易检修的场合使用。

伺服电机是根据负载条件来选取的。

加在电机轴上的负载主要有两种:

负载扭矩和负载惯量，其中负载扭矩包括切削扭矩和摩擦扭矩。

负载扭矩应小于所选择电机的额定扭矩，负载扭矩与加速扭矩之和应等于所选择电机的最大扭矩。

加速扭矩应考虑负载惯量和电机惯量的匹配，同时还应考虑连续过载时间在所选电机的允许范围内，负载快速运动时所需的电机转速应在电机的最高转速之内。

这样可使电机在机床的伺服系统中工作性能得以充分发挥。

从上述三种电动机的比较可知，直流伺服电动机是自动控制系统中具有很高的优越性。

所以在CK516立式数控车床的进给系统中使用直流伺服电动机。

2.4确定脉冲当量

脉冲增量插补是行程标量插补，每次插补结束产生一个行程增量，以脉冲的方式输出。

一个脉冲所产生的坐标轴移动量叫做脉冲当量。

脉冲当量是脉冲分配的基本单位，它是衡量数控机床加工精度的一个技术参数。

立式数控车床常采用的脉冲当量是0.01～0.005mm/step。

根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：

0.01mm/step。

2.5进给系统的传动要求及传动类型的选择

2.5.1进给系统的传动要求

数控机床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。

为此，数控机床的进给传动系统必须满足:

（1）传动精度高；

（2）摩擦阻力小；（3）运动部件惯量小。

2.5.2传动类型的选择

数控机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。

1.滚珠丝杠螺母副

在数控机床上，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，一般为η=0.92～0.98；传动灵敏，摩擦力小，不易产生爬行；使用寿命长；具有可逆性，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，在数控机床上得到了广泛的应用，是目前中、小型数控机床的常见的传动方式。

2.静压丝杠螺母副

其特点是：

摩擦系数小，仅为0.0005，；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。

2.6电机与丝杠联接方式的选择

滚珠丝杠螺母副与电动机的联接的型式主要有三种：

1.联轴器直联接

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；传动机构本身无间隙,传动精度高,而且结构简单,安装、调整方便，适用于像中小型号的数控车床。

联轴器采用挠性联轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象.采用这种挠性联轴器把电动机与丝杠直接联接，，不仅可以简化结构，减少噪声，而且可以消除传动间隙，能减少中间环节带来的传动误差,提高传动刚度。

2.通过齿轮联接

这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下,保持齿轮的无间隙啮合；但是结构比较复杂,轴向尺寸大、传动刚度低、传动平稳性较差，一般用于精度要求低的机床中。

3.通过同步齿形带联接

同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点,与齿轮传动相比它结构更简单,制造成本更低,安装调整更方便。

并且传动不打滑、不需要大的张紧力；但是在同步齿形传动设计时对材料的要求很高。

在满足机床要求的前提下，通过对比本课题采用通过联轴器联接电机与丝杠副，这是一种简单的联接形式具有大的扭转刚度，制造成本低，传动精度高，而且结构简单，安装调整方便。

2.7进给系统的一些其它要求

滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。

如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。

安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。

如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。

接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。

非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。

工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。

另外对滚珠丝杠安装处应进行削边。

第三章伺服电动机的具体计算选择

在第二章初步确定了进给驱动电动机的类型为：

直流伺服电动机。

现在具体确定其型号规格。

3.1电动机的选型要求

伺服电动机的选择是根据负载条件来进行的，加在电动机轴上的负载有负载转距和负载惯量两种，负载转距包括切削转距和摩擦转距。

选择伺服电动机应能满足下述条件：

1.根据负载转距选择电机，负载转距应小于或等于电动机额定转距。

最大切削负载转距不得超过电动机的额定转距折算到电动机轴上的最大切削负载转距。

2.电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配，通常要求转子惯量不小于负载惯量。

但也不是转子惯量越大越好，因转子惯量越大，总的惯量就越大，加速性能受影响。

为了保证足够的角加速度，以满足系统反应的灵敏度，将不得不采用转距过大的电动机和它的控制系统。

3.快速移动时，转距不得超过电动机的最大转距，当执行部件从静止状态加速到最大移动速度时，所需要的转距最大。

但选择电机时，是按照负载转距小于额定转距，电动机转子惯量与负载惯量的合理匹配，执行部件的快速转距小于电动机的最大转距三个要素来考虑的。

根据负载转距的计算，切削转距加上摩擦转距，应小于或等于电动机的额定转距。

4.加速转距应等于最大转距减去负载转距。

在空载时，加速转距应等于最大转距减去摩擦转距，其差值等于全部惯量（电动机+负载惯量）乘于加速度斜率。

3.2电动机工作方式的确定

电动机工作时会发热，它不仅取决于负载的大