数控铣床进给系统结构设计说明书.docx

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数控铣床进给系统结构设计说明书

数控铣床进给系统结构设计说明书

3.进给伺服系统概述5

4.1丝杠螺母静态设计7

前言

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。

而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：

1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。

2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高3～7倍。

3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。

4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。

5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。

因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。

此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。

数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。

1.原始条件和设计要求

工作台：

工作台质量

最大加工受力

快进速度

工进速度

最大加速度

工作台导轨摩擦力

工作行程

减速机构：

丝杠螺母机构（图2），已知数据如下：

图2　丝杠螺母机构

轴承轴向刚度

丝杠螺母刚度

螺母支座刚度

丝杠传动效率

丝杠长度

丝杠轴承、丝杠

螺母摩擦力矩

轴承平均间距

导程

最大转速常数

支承方式双推—双推

伺服电机：

电机转子惯量

2.数控机床的加工原理

金属切削机床加工零件，是操作者依据工程图样的要求，不断改变刀具与工件之间相对运动的参数（位置，速度等），使刀具对工件进行切削加工，最终得到所需要的合格零件。

数控机床的加工，是把道具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，使坐标移动若干个最小位移量（即控制刀具运动轨迹），从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工。

刀具沿各坐标轴的相对运动，是以脉冲当量δ为单位的（mm/脉冲）。

当走刀轨道为直线或圆弧时，数控装置则在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间的坐标值，向坐标输出脉冲数，保证加工出需要的直线或圆弧轮廓。

数控装置进行的这种“数据点的密化”称做插补，一般数控装置都具有对基本函数（如直线函数和圆函数）进行插补的功能。

对任意曲面零件的加工，必须使刀具运动的轨迹与该曲面完全吻合，才能加工出所需要的零件。

数控机床是由信息载体,数控装置,伺服系统和机床主体各机械部件组成,如图1所示。

3.进给伺服系统概述

数控机床伺服系统的一般结构如图2所示：

由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：

可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。

伺服系统对伺服电机的要求：

（1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。

（2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。

一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。

（3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。

电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。

（4）电机应能随频繁启动、制动和反转。

随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。

使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。

由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。

数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。

数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。

这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。

  数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。

驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。

机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。

检测元件与反馈电路组成检测系统。

  进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。

闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。

根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。

半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。

前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。

全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。

开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。

由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。

全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。

因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。

闭环系统中采用的位置检测装置有：

脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。

  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。

交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。

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。

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。

4.纵向进给系统的设计

如图3所示是一种典型的机械传动部件设计方案，采用电动机，减速机构和丝杠螺母传动装置。

对于这种机械传动部件，设计的步骤应该是：

先根据静态设计和动态设计的观点来设计丝杠螺母传动装置和减速机构，然后再根据设计要求选择电动机。

4.1丝杠螺母静态设计

（1）确定动载荷

工作循环周期T由加速时间

和加工时间

组成，计算如下:

在减速期间的平均速度

为

工作进给时转速

为

可得当量转速

载荷系数

取

当量载荷为

算出

代入上式

取滚珠丝杠寿命为20000h，算出该滚珠丝杠的动载荷

（2）确定静载荷最大轴向力可近似取最大加工受力，即

取静态安全系数

得静载荷

（3）根据轴向压力选取丝杠直径

由

查表

代入上式得

故取

（4）转速限制

最大转矩限制：

由

由

得

临界转速限制：

由

得

（5）选择丝杠直径

由上面计算，根据以上数据，从厂家产品样本中选取丝杠直径

可得

4.2丝杠螺母动态设计

（1）确定丝杠螺母传动的总刚度

扭矩刚度：

式中

；

。

将丝杠扭转刚度折算成工作台（执行件）直线刚度公式

得

。

拉压刚度：

根据已知条件可得

。

总刚度：

对于“双推-双推”式支承的丝杠螺母传动装置，其刚度的等效图如图5所示。

图5双推-双推式丝杠刚度等效图

设螺母位于丝杠中间，于是

系统的总刚度为

将已知条件代入，得系统的总刚度

（2）确定机械谐振频率机械传动部件的谐振频率

故

（3）确定具有满意动态性能的丝杠直径电气驱动部件的谐振频率取下列值，则其动态性能较好，即取

采用常规的比列位置调节，为了使机械传动部件的动态性能不影响系统总的动态性能，应当使

但是，根据本例选择的丝杠直径

，只能得到

因此，丝杠的直径应该更大一些。

若取

得

所以

解上式可得

最后根据厂家产品样本选取丝杠直径

4.3变速机构设计

已知，电气驱动部件具有二阶振荡环节的性能，其谐振频率

阻尼比

电气时间常数

机械时间常数

式中

机械时间常数里的

是电动机轴上总的转动惯量

为了电气驱动部件获得最大的谐振频率，必须使计算到电动机轴上的机械部件转动惯量

最小。

这一点可以借助减速机构达到。

如图1所示电动机轴上的小齿轮，其直径及齿宽，根据传递的动力由最小齿轮及模数的要求决定。

当小齿轮设计完毕，它的转动惯量

就是已知的。

大齿轮转动惯量

可由

和

降速比近似确定，即

机械部件折算到电动机轴上恩多总转动惯量为

式中

。

令

，得满足最小惯量要求的相对额定降速比

根据所设计系统的已知条件，得，

丝杠的转动惯量

为

式中

；

将已知条件代入，得

4.4电动机的静态设计

（1）计算

得

根据上面求得的最佳传动比

和其他参数，得

）

（2）确定电动机额定转矩工作台加速和加工力所引起的当量力矩

式中

为当量载荷

故得

丝杠加速度

丝杠加速所需的转矩

由丝杠加速所引起的当量力矩

可得

丝杠螺母传动机构的总当量力矩为

可得

电动机轴的加速度

可得

电动机轴的加速转矩

由电动机轴加速所引起的当量力矩

所以

作用在电动机轴上的当量力矩为

可得

电动机的额定转矩应为

故

（3）确定电动机额定功率电动机的额定转速

可得

电动机的额定功率

最后得电动机额定功率

。

5.电动机与减速机构的设计

5.1电动机的选取

电动机额定功率

选取型号为JZS2G-51-2，额定功率为

，额定转速为

5.2减速机构的设计

由于

。

可取

。

（1）分度圆直径

=60