1、吉林大學機械科學與工程學院專業課程設計 機械制造裝備設計課程設計數控車床進給傳動系統設計 院（系）名稱機械科學與工程學院 專業名稱機械工程與自動化 學生姓名孫盡舉 指導教師呼詠 于立娟 2014年 03 月 10 日目錄一、進給系統的總體設計31、機床進給傳動控制系統的選擇31.1開環控制系統31.2閉環控制系統42、傳動類型的選擇42.1滾珠絲杠螺母副42.2靜壓絲杠螺母副53、進給傳動方案設計54、進給系統的一些其它要求5二、進給傳動系統機械部分結構的設計61、切削力的計算61.1車端面61.2車外圓62、質量的估算73、機床進給傳動系統的設計73.1、X方向進給系統73.2、Z方向進給系

2、統123.3、X方向齒輪副設計、校核15三、 進給傳動系統的結構圖18結 論20參考文獻20第 21 頁一、進給系統的總體設計 進給伺服系統的精度對機床的加工精度有很大的影響，良好的電氣部件設計和機械結構設計，能保證進給伺服系統的精度和穩定性。基本參數數值基本參數數值床身上最大回轉直徑/mm400X方向定位精度/mm0.015床鞍上最大回轉直徑/mm200Z方向定位精度/mm0.025最大工件長度/mm(盤) 200 / （軸）1000X方向重復定位精度/mm±0.006主軸轉速范圍/r/min202500Z方向重復定位精度/mm±0.010主軸計算轉速/r/min180X

3、-Z方向脈沖當量/mm/脈沖0.005/0.01主軸回轉精度 mm0.01X-Z方向最快移動速度/mm/min4000/8000主電機功率/KW5.510X-Z方向最快進給速度/mm/min500/1000X-Z方向進給行程/mm250/1120本設計著重進行進給伺服系統的機械結構設計、傳動設計。本數控車床精度較高，能進行微米級加工，能獲得高質量的加工表面。進給系統采用滾珠絲杠螺母副傳動，單軸具有較高的定位精度和重復定位精度。機床的主要性能參數如下：1、機床進給傳動控制系統的選擇1.1開環控制系統 開環控制系統是數控機床中最簡單的伺服系統，執行元件一般為步進電機。開環進給伺服系統的精度較低，很

4、難保證較高的位置精度，若要保證一定的定位精度的話，則對于影響定位精度的傳動裝置的剛度、摩擦、慣量、間隙等的要求必須很高，一般在mm之間。但由于其結構簡單，易于調整，在精度要求不太高的場合中得到較廣泛的應用。 1.2閉環控制系統 因為開環系統的精度不能很好地滿足數控機床的要求，所以為了保證精度，最根本的辦法是采用閉環控制方式。閉環控制系統是采用直線型位置檢測裝置對數控機床工作臺位移進行直接測量并進行反饋控制的位置伺服系統。由于可以補償機械傳動裝置中各種誤差，間隙及干擾的影響，定位精度高，可達mm（最高可達位置檢測裝置的精度）。1.3半閉環控制系統采用旋轉型角度測量元件（脈沖編碼器、旋轉變壓器、圓

5、感應同步器等）和伺服電動機按照反饋控制原理構成的位置伺服系統，稱作半閉環控制系統。半閉環控制系統的檢測裝置有兩種安裝方式：一種是把角位移檢測裝置安裝在絲杠末端；另一種是把角位移檢測裝置安裝在電動機軸端。定位精度比開環控制系統高，但比閉環控制系統低。數控機床要求達到預定的精度要求以外，根據需求，并且考慮到經濟的效益，還要求具有良好的穩定性和快速響應能力。基于這些要求，本設計采用半閉環控制方式（X方向）和開環控制系統（Z方向），滿足機床性能要求。進給系統的傳動要求及傳動類型的選擇2、傳動類型的選擇數控機床進給傳動裝置的精度、靈敏度和穩定性，將直接影響工件的加工精度。為此，數控機床的進給傳動系統必須

6、滿足:（1）傳動精度高；（2）摩擦阻力小；（3）運動部件慣量小。 數控機床進給傳動系統的基本傳動方式常用的有兩種：滾珠絲杠螺母副和靜壓絲杠螺母副。2.1滾珠絲杠螺母副在數控機床上，將回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置一般采用滾珠絲杠螺母副。其特點是：傳動效率高，一般為=0.920.98；傳動靈敏，摩擦力小，不易產生爬行；使用壽命長；具有可逆性，不僅可以將旋轉運動轉變為直線運動，亦可將直線運動變成旋轉運動；軸向運動精度高，施加預緊力后，可消除軸向間隙，反向時無空行程；因此，在數控機床上得到了廣泛的應用，是目前中、小型數控機床的常見的傳動方式。2.2靜壓絲杠螺母副其特點是：摩擦系數小，僅為0.0

7、005，；平穩性高；反向間隙小；但是，靜壓絲杠螺母副應有一套供油系統，而且對有的清潔度要求高，如果在運動中供油忽然中斷，將造成不良后果。由以上比較，根據要求，縱向進給傳動系統和橫向進給傳動系統都采用滾珠絲杠螺母副的傳動方式。3、進給傳動方案設計本車床具有較高的精度要求，為了保證精度，在選用精密元器件和精密數控系統的同時，應盡量減小傳動鏈，并需要保證較高的剛度，提高傳動系統效率，以減小溫升的影響。用電機通過一對減速齒輪副與滾珠絲杠螺母副相聯傳動的方案。并采用“雙推簡支”絲杠支承方式。“雙推簡支”方式能夠避免絲杠自重引起的彎曲，以及高速回轉時自由端的晃動，符合本設計的設計條件。X、Z兩軸分別用獨立

8、電機驅動。滾珠絲杠螺母副是一種將旋轉運動轉化為直線運動的理想傳動件，因其具有螺紋絲杠無法比擬的優點，被廣泛應用于各行業，更是普通數控機床、精密機床不可或缺的零部件。兼具高效率、高精度、可逆性的特點。滾珠絲杠螺母副具有驅動力矩小、精度高、可實現微進給、無側隙、剛度高、告訴等優點。4、進給系統的一些其它要求齒輪副傳動和滾珠絲杠副傳動需要設置消隙機構，提高傳動系統的定位精度。滾珠絲杠副和其他滾動摩擦的傳動器件一樣，應避免硬質灰塵或切屑污物進入，因此必須裝有防護裝置。如果滾珠絲杠副在機床上外露，則應采用封閉的防護罩，如采用螺旋彈簧鋼帶套管、伸縮套管以及折疊式套管等。安裝時將防護罩的一端連接在滾珠螺母的

9、側面，另一端固定在滾珠絲杠的支承座上。如果滾珠絲桿副處于隱蔽的位置，則可采用密封圈防護，密封圈裝在螺母的兩端。接觸式的彈性密封圈采用耐油橡膠或尼龍制成，其內孔做成與絲杠螺紋滾道相配的形狀；接觸式密封圈的防塵效果好，但由于存在接觸壓力，使摩擦力矩略有增加。非接觸式密封圈又稱迷宮式密封圈，它采用硬質塑料制成，其內孔與絲杠螺紋滾道的形狀相反，并稍有間隙，這樣可避免摩擦力矩，但防塵效果差。工作中應避免碰擊防護裝置，防護裝置一有損壞應及時更換。另外對滾珠絲杠安裝處應進行削邊。二、進給傳動系統機械部分結構的設計1、切削力的計算指定切削條件：車削刀具選用硬質合金材料，工件材料選用結構鋼。1.1車端面切削用量

10、三要素選用，背向力 1.2車外圓切削用量三要素選用，進給力 背向力 由以上計算可知，在X方向上最大的切削力為5141N，Z方向上的最大切削力為5563N。2、質量的估算上滑板 刀架 下滑板 質量估算由于導軌是滾動導軌，摩擦因數很小，取0.003X方向的摩擦力Z方向的摩擦力3、機床進給傳動系統的設計3.1、X方向進給系統1、伺服電動機的最高轉速ndmax=2000r/min，工作臺要求的最高速度為4000mm/min,如使伺服電機通過齒輪副減速與絲杠相聯接，取u=0.25，則絲杠的最高轉速為500r/min，絲杠導程 根據精度要求，脈沖當量。電動機每轉發出的脈沖數b應為該半閉環系統角位移測量裝置

11、選用脈沖編碼器，目前脈沖編碼器有每轉2000、2500、5000脈沖等產品，選用每轉發出2000個脈沖的編碼器。2、 滾珠絲杠副（1） 精度要求 滾珠絲杠副用在數控車床橫向進給時精度選擇23級。（2）疲勞強度 絲杠的最大載荷為橫向進給力加摩擦力，最小載荷即摩擦力。最大進給力前面計算已求出，為5141N。摩擦力為5.6N。 故 根據公式，平均載荷 絲杠的最高轉速為500r/min，工作臺的最低移動速度為0m/min，即絲杠的最低轉速為0r/min，所以絲杠的平均轉速為250r/min。絲杠的工作壽命取15000h，。滾珠絲杠壽命L（）： 絲杠的當量載荷 選擇BNFN 3208A-5型絲杠，直徑為

12、32mm，導程為8mm，負荷鋼球圈數為5列。額定動載荷為，大于計算結果。軸向剛度。一般情況下，取預緊力。只要軸向力不超過FP的三倍，就不必對預緊力提出額外的要求。今最大載荷為5146.6N，小于此值。穩定性校核：長徑比大的滾珠絲杠，應進行壓桿穩定性計算，并使臨界載荷。當時 當時 這種絲杠的軸端的直徑為20mm，故采用內徑為20mm的軸承采用一端固定一端游動的支撐方式。固定端采用兩個角接觸球軸承，背靠背安裝，選用7204C型軸承；簡支端采用兩個深溝球軸承，選用6204型軸承。 由于支撐方式為一端固定，一端簡支，則 于是 符合穩定性要求。軸承的校核對于進給機構，絲杠固定端的軸承所受徑向力幾乎為零，

13、徑向力為切削力、預緊力和摩擦力之和。所以X=0，Y=1。查表9-8得，所選軸承7307C的額定動載荷為34.2KN壽命指數取3.0則軸承的預期壽命滿足要求。對于支撐端軸承，所承受的軸向力和徑向力都很小，軸承壽命校核計算略X方向導軌選擇工作載荷是影響導軌副壽命的重要因素，對于水平布置的十字工作臺多采用雙導軌、四滑塊的支撐形式。則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為滾動導軌設計時，可初選滾動導軌的型號，按計算額定壽命Lm：滾珠導軌 滾子導軌 式中 預期壽命，取由于所選導軌為滾珠導軌，額定壽命所以根據要求，選擇HSR15B型直線滾動導軌基本額定動載荷8.33KN。齒輪副設計齒輪副傳動比0.25，取小齒輪

14、的齒數，則大齒輪的齒數，模數取m=2mm，硬齒面，由于是懸臂布置，齒寬系數取0.4，所以取，所以小齒輪的轉動慣量大齒輪的轉動慣量伺服電動機（1） 最大切削力負載轉矩從前面的計算可知，已知最大負載，滾珠絲杠預緊轉矩值可用下式估算最大切削負載轉矩所選伺服電動機的額定轉矩應大于此值。（2） 慣量匹配及計算負載慣量工作臺的最大質量為190kg，折算帶電動機軸的負載慣量包括四部分，即聯軸節、齒輪副、絲杠和工作臺。撓性聯軸節，加上鎖緊螺母等的慣量約為絲杠直徑d=32mm，長1.0m，轉動慣量求得所以 按式。即電動機的轉子慣量應在0.00120.0048kg·m2。 根據以上計算課初選伺服電動機，

15、查表3.14法納克公司交流伺服電動機性能選擇0型號，輸出功率0.6kw，額定轉矩2.9N·m，最大轉矩26N·m，最高速度2000r/min，轉子轉動慣量，機械時間常數（3） 空載加速轉矩 空載加速轉矩發生在執行部件從靜止以階躍指令加速到最高速度時，這個轉矩不得超過伺服電動機的最大轉矩Tmax。空載加速時，主要克服的是慣性力矩，總慣量滿足要求。3.2、Z方向進給系統初選步進電機步距角0.75°，絲杠導程根據所要求的脈沖當量，齒輪減速比i計算如下：滾珠絲杠副用在數控車床縱向力加摩擦力，最小載荷即摩擦力，最大縱向進給力前面計算已經求出，為5565N，摩擦力為11.5N

16、。故 根據公式，平均載荷絲杠的最高轉速絲杠的最低轉速，平均轉速絲杠的工作壽命取15000h，。滾珠絲杠壽命L（）：絲杠的當量載荷選擇BNFN 4510-5型絲杠，直徑為45mm，導程為10mm，負荷鋼球圈數為5列。額定動載荷為，大于計算結果。軸向剛度。一般情況下，取預緊力。只要軸向力不超過FP的三倍，就不必對預緊力提出額外的要求。今最大載荷為5574.5N，小于此值。穩定性校核： 這種絲杠的軸端的直徑為35mm，故采用內徑為35mm的軸承采用一端固定一端游動的支撐方式。固定端采用兩個角接觸球軸承，背靠背安裝，選用7407AC型軸承；簡支端采用兩個深溝球軸承，選用6207型軸承。由于支撐方式為一

17、端固定，一端簡支，則于是 符合穩定性要求。軸承的校核軸承的當量動載荷 對于進給機構，絲杠固定端的軸承所受徑向力幾乎為零，徑向力為切削力、預緊力和摩擦力之和。所以X=0，Y=1。查表9-8得，所選軸承7307C的額定動載荷為34.2KN壽命指數取3.0則軸承的預期壽命滿足要求。對于支撐端軸承，所承受的軸向力和徑向力都很小，軸承壽命校核計算略。Z方向導軌選擇單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為預期壽命，取由于所選導軌為滾珠導軌，額定壽命所以根據要求，選擇HSR20B型直線滾動導軌基本額定動載荷13.8KN。齒輪副設計齒輪副降速比為2.08，取小齒輪的齒數，則大齒輪的齒數，模數取m=2mm，硬齒面，由于

18、是懸臂布置，齒寬系數取0.4，所以取，所以小齒輪的轉動慣量大齒輪的轉動慣量步進電動機選擇Z方向最快移動速度為8000mm/min，脈沖當量為0.01mm/脈沖，所以步進電動機的運行頻率最大切削力負載轉矩計算從前面計算可知，已知最大負載，滾珠絲杠預緊轉矩值可用下式估算最大切削負載轉矩電動機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電動機輸出力矩要大于和之和，并留有余量。一般來說，和之和應小于（0.20.4）Mmax。負載慣量為使步進電動機具有良好的起動能力及較快的響應速度，慣量通常應滿足綜合以上要求，選用130BF0.01型反應步進電動機，步距角，電壓80/12V，電流10A，最大靜轉矩9.31N，空載

19、起動頻率3000HZ，空載運行頻率16000HZ，分配方式5相10拍，外形尺寸，軸徑14mm，轉子轉動慣量。3.3、X方向齒輪副設計、校核1、 小齒輪齒數，大齒輪齒數，由于用在數控車床的橫向進給上，因此精度要求較高，選擇齒輪精度等級6級，大小齒輪材料選擇40MnB，表面淬火，齒面硬度4855HRC。2、 按齒根彎曲疲勞強度設計閉式硬齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于彎曲強度，故先按彎曲強度設計，驗算疲勞接觸強度，由式（6-15）有：確定式中各項數值因載荷有輕微沖擊，由表6-3查得，kA=1.25，故初選載荷系數kt=1.6工作臺最大消耗功率由式（6-7）得由（6-13）得由表6-6， 由圖6-1

20、9，圖6-20查得YFa1=2.97 Ysa1=1.52YFa2=2.24 Ysa2=1.73由式6-12得由圖6-21查得，YN1=0.92 YN2=0.95取SFmin=1.25由圖6-22c，按齒面硬度均值51HRC，查得取,設計齒輪模數將確定后的各項數值帶入設計公式，求得修正mt v=由圖6-7查得kv=1.1由圖6-10查得由圖6-4查得則所以m=mt由表6-1，選取第一系列標準模數m=2mm齒輪的主要幾何參數： 取3、 校核齒面接觸疲勞強度由圖6-14查得 由圖6-13查得 由圖6-15，按不允許出現點蝕查得， 由6-16d，分別按齒面硬度51HRC查得 取將確定出的各項數值代入接觸強度校核公式，得接觸疲勞強度滿足要求。3、 進給傳動系統的結構圖圖1圖2圖3結 論本次設計的是縱向及橫切向進給系統，完成了系統中的尺寸計算及結構設計，并對其進行一系列的校核，各項性能指標完全滿足要求，說明設計的結構是合理的。然后選擇軸承和電機，并設計了床身等。由于專業知識的限制，無法對復雜的數控系統進行設計，但是，通過選擇合