1、第一章、數控機床進給系統概述 數控機床伺服系統的一般結構如圖圖1-1所示： 圖1-1數控機床進給系統伺服由于各種數控機床所完成的加工任務不同，它們對進給伺服系統的要求也不盡相同，但通常可概括為以下幾方面：可逆運行；速度范圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩定性；快速響應并無超調；高精度；低速大轉矩。1.1、伺服系統對伺服電機的要求（1）從最低速到最高速電機都能平穩運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時，仍有平穩的速度而無爬行現象。（2）電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載4-6倍而不損壞。（3）為了滿足快速響應的要求

2、，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數和啟動電壓。電機應具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機可在0.2s以內從靜止啟動到額定轉速。（4）電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉。隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發展，數控機床的伺服系統已開始采用高速、高精度的全數字伺服系統。使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數字方式。由位置、速度和電流構成的三環反饋全部數字化、軟件處理數字PID，使用靈活，柔性好。數字伺服系統采用了許多新的控制技術和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質大大提高。數控車床的進給傳動系統一般均采用進給伺服系統。這也是數控車床

3、區別于普通車床的一個特殊部分。1.2、伺服系統的分類    數控車床的伺服系統一般由驅動控制單元、驅動元件、機械傳動部件、執行件和檢測反饋環節等組成。驅動控制單元和驅動元件組成伺服驅動系統。機械傳動部件和執行元件組成機械傳動系統。檢測元件與反饋電路組成檢測系統。    進給伺服系統按其控制方式不同可分為開環系統和閉環系統。閉環控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統。根據位置檢測裝置所在位置的不同，閉環系統又分為半閉環系統和全閉環系統。半閉環系統具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環內，后者則完全置機

4、械傳動部件于位置環之外。全閉環系統的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機械傳動部件整個被包括在位置環之內。    開環系統的定位精度比閉環系統低，但它結構簡單、工作可靠、造價低廉。由于影響定位精度的機械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環系統的精度和快速性較差。     全閉環系統控制精度高、快速性能好，但由于機械傳動部件在控制環內，所以系統的動態性能不僅取決于驅動裝置的結構和參數，而且還與機械傳動部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關系，故必須對機電部件的結構參數進行綜合考慮才能滿足系統的要求。因此全閉環系統對機床的要求

5、比較高，且造價也較昂貴。閉環系統中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。     數控車床的進給伺服系統中常用的驅動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。交流伺服電機由于具有可靠性高、基本上不需要維護和造價低等特點而被廣泛采用。直流伺服電動機引入了機械換向裝置。其成本高，故障多，維護困難，經常因碳刷產生的火花而影響生產，并對其他設備產生電磁干擾。同時機械換向器的換向能力，限制了電動機的容量和速度。電動機的電樞在轉子上，使得電動機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉子變得短粗，影響了

6、系統的動態性能。交流伺服已占據了機床進給伺服的主導地位，并隨著新技術的發展而不斷完善，具體體現在三個方面。一是系統功率驅動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發展，智能化功率模塊得到普及與應用；二是基于微處理器嵌入式平臺技術的成熟，將促進先進控制算法的應用；三是網絡化制造模式的推廣及現場總線技術的成熟，將使基于網絡的伺服控制成為可能。1.3、主要設計任務參數 車床控制精度：0.01mm（即為脈沖當量）；最大進給速度：Vmax=540mm/min。 最大加工直徑為Dmax=400mm，工作臺及刀架重：110；最大軸 ，向力=160；導軌靜摩擦系數=0.2；行程=1280mm；步進電機：110BF

7、003；步距角：0.75°；電機轉動慣量：J=1.8×10-2 .m2。第二章、數控車床縱向進給系統傳動的方案設計 數控機床進給驅動對位置精度、快速響應特性、調速范圍等有較高的要求。實現進給驅動的電機主要有三種：步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。目前，步進電機只適應用于經濟型數控機床，直流伺服電機在我國正廣泛使用，交流伺服電機作為比較理想的驅動元件已成為發展趨勢。數控機床的進給系統當采用不同的驅動元件時，其進給機構可能會有所不同。電機與絲杠間的聯接主要有三種形式，如圖2-1所示。2.1、帶有齒輪傳動的進給運動數控機床在機械進給裝置中一般采用齒輪傳動副來達到一定的降速比要

8、求，如圖2-1a）所示。由于齒輪在制造中不可能達到理想齒面要求，總存在著一定的齒側間隙才能正常工作，但齒側間隙會造成進給系統的反向失動量，對閉環系統來說，齒側間隙會影響系統的穩定性。因此，齒輪傳動副常采用消除措施來盡量減小齒輪側隙。但這種聯接形式的機械結構比較復雜。圖21 電機與絲杠間的聯接形式2.2、經同步帶輪傳動的進給運動如圖2-1b）所示，這種聯接形式的機械結構比較簡單。同步帶傳動綜合了帶傳動和鏈傳動的優點，可以避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲，但只能適于低扭矩特性要求的場所。安裝時中心距要求嚴格，且同步帶與帶輪的制造工藝復雜。2.3、電機通過聯軸器直接與絲杠聯接 如圖2-1c）所示，此結

9、構通常是電機軸與絲杠之間采用錐環無鍵聯接或高精度十字聯軸器聯接，從而使進給傳動系統具有較高的傳動精度和傳動剛度，并大大簡化了機械結構。在加工中心和精度較高的數控機床的進給運動中，普遍采用這種聯接形式。 根據進給系統的要求及設計要求，選擇帶有齒輪傳動的進給運動，選用最佳降速比，可以提高機床的分辨率，并使系統折算到驅動軸上的慣量減少；盡量消除傳動間隙，減少反向死區誤差，提高位移精度等。第三章、運動設計 3.1、降速比計算功率步進電動機型號為110BF003，其主要技術參數為最大靜轉矩為7.84,步距角0.75°,電機轉動慣量：J=1.8×10-2 .m2；快速空載啟動時電動機轉

10、速。進給傳動鏈的脈沖當量.選滾珠絲杠的螺距為12mm.由 （31） 式中 步進電動機的步距角 脈沖當量，mm S 絲杠螺距, mm 3.2、減速齒輪的確定 選擇一級減速器，選齒輪，模數，齒寬。選擇斜齒輪調隙，齒輪的參數如表31。31齒輪參數表法向模數2齒數20齒形角齒頂高系數螺旋角15o徑向變位系數0精度等級配對齒輪圖號齒數50公差組檢驗項目代號極限偏差值10.09020.01630.01340.016第四章、絲杠螺母機構的選擇與計算 已知條件：工作臺及刀架重：110,所以重量為 最大行程：1280mm，失動量：，工作臺最高速度： 查表選擇絲桿預期壽命： 小時 ， 摩擦系數。則導軌的靜摩擦力F

11、O。 （41）最大軸向負載 4.1、動載強度計算 當轉速時，滾珠絲杠；螺母的主要破壞形式是工作表面的疲勞點蝕，因此要進行動載強度計算，其計算動載荷應小于或等于滾珠絲桿螺母副的額定動負荷，即 （42) 式中 動載荷系數，見表3 1; 硬度影響系數，見表3-2; 當量動負荷，N; 滾珠絲杠；螺母副的額定動負荷，N； 壽命，以r為一個單位。 (43) 式中 T使用壽命，h；按設計機床要求取T=15000h N循環次數： 滾珠絲杠的當量轉速，r/min。 (44） 代入上式得 （45）表4-1 動載荷系數載荷性質載荷性質平穩輕微沖擊較大沖擊和振動中等沖擊表4-2 硬度影響系數、硬度5552.55047

12、.545401.01.111.351.561.922.403.851.01.111.401.672.102.644.50當工作載荷單調連續或周期行單調連續變化時，則 （46）式中 最大和最小工作載荷，N。查表41 42取=1.5 =1.56代入上式得 （47） 4.2、靜強度計算 當轉速時，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式為滾珠接觸面上產生較大的塑性變形，影響正常工作。因此，應進行靜強度計算，最大計算靜載荷為 （110） 式中 硬度硬度影響系數，見表52；取=1.67. 滾珠絲杠螺母副的額定靜負荷，N。代入得 （48）根據計算額定動負載荷和額定靜負荷初選滾珠絲杠副型號為。其基本參數為公稱直徑，導程，

13、滾珠直徑。額定動負荷，額定靜負荷。動載荷與靜載荷載均滿足要求。4.3、臨界轉速校核 對于高速長絲杠有可能發生共振，需要算其臨界轉速，不會發生共振的最高轉速為臨界 轉速 （49） （410） 式中 臨界轉速計算長度，m； 絲杠支撐方式系數。兩端固定時， 代入數據得 遠遠小于其最大速度，故臨界轉速滿足。4.4、額定壽命的校核 滾珠絲杠的額定動載荷，已知其軸向載荷，滾珠絲杠的轉速，運轉條件系數，則有 （411） （412）滾珠絲杠螺母副的總工作壽命，故滿足要求。第五章、動力計算5.1、傳動件轉動慣量的計算 5.11、小齒輪的轉動慣量 （51） 式中 齒輪分度圓直徑，mm，； （52） 齒輪寬度，mm

14、。 5.12、大齒輪轉動慣量 （53） 式中 齒輪分度圓直徑，mm （54） 5.13、計算工作臺的轉動慣量JW （55) 式中 W工作臺（包括工件）的質量， kg； S絲杠螺距，mm。 5.14、計算絲杠的轉動慣量Js (56）式中L支撐距，mm。5.15、負載折算到電動機軸上的轉動慣量為： （57）5.2、電動機力矩的計算 5.2.1、計算加速力矩Ma （58） 5.2.2、計算摩擦力矩Mf （59） 式中 傳動鏈總效率，取=0.8。 5.2.3、計算附加摩擦力矩 （510） 式中 傳動鏈總效率，取=0.8； 滾珠絲杠未預緊時的效率，取=0.9。 5.2.4、空載啟動時電動機所需力矩：（5

15、11） 因此，選用7.84的步進電機滿足要求。第六章、絲杠螺母機構的傳動剛度計算 滾珠絲杠一段軸向支撐，絲杠的最小拉壓剛度和最大拉壓剛度分別為：（61)(62）式中 E彈性模量。按近似估算，將絲杠本身的拉壓剛度乘以1/3，作為傳動的綜合拉壓剛度，即： （63） （64）反向死區誤差計算 （65） 所以能滿足單脈沖進給的要求。計算由于傳動剛度的變化的定位誤差，應使 （66） 滿足由于傳動剛度變化引起的定位誤差小于機床定位精度的要求。第七章、結構設計7.1、滾珠絲杠的支承 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應有較高要求，其兩端支承的配置情況有

16、：一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短絲杠和垂直進給絲杠；一端固定一端浮動的方式，常用于較長的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長絲杠或高轉速、高剛度、高精度的絲杠，這種配置方式可對絲桿進行預拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式，以實現高剛度、高精度以及對絲杠進行拉伸。絲杠中常用的滾動軸承有以下兩種：滾針推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60°角接觸軸承，在這兩種軸承中，60°角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據需要進行組合，但剛度較后者低，目前在一般中小型數控機床中被廣泛應用。滾針圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。60°角接觸軸承

17、的組合配置形式有面對面的組合、背靠背組合、同向組合、一對同向與左邊一個面對面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，又由于面對面組合方式，兩接觸線與軸線交點間的距離比背對背時小，實現自動調整較易。因此在進給傳動中面對面組合用得較多。在此設計中采用了以面對面配對組合的60°角接觸軸承，以容易實現自動調整。滾珠絲杠工作時要發熱，其溫度高于床身。為了補償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預拉伸的結構，使預拉伸量略大于熱膨脹量。 7.2、滾珠絲杠螺母副間隙消除和預緊 滾珠絲杠螺母機構是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置，是數控機床伺服進給系統中使用最為廣泛的傳動

18、裝置。滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區會產生嚴重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較小；當滾珠絲杠反向旋轉時，螺母不會立即反向，存在死區，影響絲杠的傳動精度。因此，滾珠絲杠螺母副必須消除間隙，并施加預緊力，以保證絲杠、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高滾珠絲杠螺母副的接觸剛度。滾珠絲杠螺母副通常采用雙螺母結構，如圖71所示 1.滾珠螺母；2.緊定螺釘；3.支座；4.滾珠絲杠；5.調整墊片圖71雙螺母滾珠絲杠圖中1代表滾珠螺母，3代表支座，螺母與支座之間有調整墊片，通過調整墊片來調節滾珠螺母與滾珠絲杠螺紋之間的間隙。通過調整兩個螺母之間的軸向

19、位置，使兩個螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個不同的側面接觸，產生一定的預緊力，以達到提高軸向剛度的目的。調整預緊有多種方式，上圖所示的為墊片調整式，通過改變墊片的厚薄來改變兩個螺母之間的軸向距離，實現軸向間隙消除和預緊。這種方式的優點是結構簡單、剛度高、可靠性好。7.3、主要結構性能及特點的分析在本設計的進給系統中的主要結構零件是滾珠螺母絲杠，以下簡要介紹其傳動的形式及主要主要特點。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉運動轉變為直線運動或將直線運動轉變為旋轉運動，它是傳統滑動絲杠的進一步延伸發展。滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動體的螺旋傳動元件。

20、滾珠絲杠副有多種結構型式。按滾珠循環方式分為外循環和內循環兩大類。外循環回珠器用插管式的較多，內循環回珠器用腰形槽嵌塊式的較多。按螺紋軌道的截面形狀分為單圓弧和雙圓弧兩種截形。由于雙圓弧截形軸向剛度大于單圓弧截形，因此目前普遍采用雙圓弧截形的絲杠。按預加負載形式分，可分為單螺母無預緊、單螺母變位導程預緊、單螺母加大鋼球徑向預緊、雙螺母墊片預緊、雙螺母差齒預緊、雙螺母螺紋預緊。數控機床上常用雙螺母墊片式預緊，其預緊力一般為軸向載荷的1/3。滾珠絲杠副與滑動絲杠螺母副比較有很多優點：傳動效率高、靈敏度高、傳動平穩：磨損小、壽命長；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等。第八章、總結與體會 經過為期兩周的奮戰我的數控機床系統設計課程設計終于完成了。雖然比較辛苦但是獲益也良多。課程設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低