数控机床进给系统设计

数控机床进给系统设计第一章、数控机床进给系统概述数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示：图1-1数控机床进给系统伺服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。

1.1、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。

1.2、伺服系统的分类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。

1.3、主要设计任务参数车床控制精度：0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度：V max=5m/min。

最大加工直径为D=400mm，工作台及刀架重：110㎏；最大轴，向力=160㎏；导轨静摩擦系数=0.2；max行程=1280mm；步进电机：110BF003；步距角：0.75°；电机转动惯量：J=1.8×10-2㎏.m2。

第二章、数控车床纵向进给系统传动的方案设计数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求。

实现进给驱动的电机主要有三种：步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。

目前，步进电机只适应用于经济型数控机床，直流伺服电机在我国正广泛使用，交流伺服电机作为比较理想的驱动元件已成为发展趋势。

数控机床的进给系统当采用不同的驱动元件时，其进给机构可能会有所不同。

电机与丝杠间的联接主要有三种形式，如图2-1所示。

2.1、带有齿轮传动的进给运动数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求，如图2-1a）所示。

由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求，总存在着一定的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。

因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽量减小齿轮侧隙。

但这种联接形式的机械结构比较复杂。

(c)(a)(b)图2—1 电机与丝杠间的联接形式2.2、经同步带轮传动的进给运动如图2-1b）所示，这种联接形式的机械结构比较简单。

同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适于低扭矩特性要求的场所。

安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂。

2.3、电机通过联轴器直接与丝杠联接如图2-1c）所示，此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。

在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中，普遍采用这种联接形式。

根据进给系统的要求及设计要求，选择带有齿轮传动的进给运动，选用最佳降速比，可以提高机床的分辨率，并使系统折算到驱动轴上的惯量减少；尽量消除传动间隙，减少反向死区误差，提高位移精度等。

第三章、运动设计3.1、降速比计算功率步进电动机型号为110BF003，其主要技术参数为最大静转矩为7.84N m •,步距角0.75°,电机转动惯量：J =1.8×10-2 ㎏.m 2；快速空载启动时电动机转速500/min r 。

进给传动链的脉冲当量0.01/mm P δ=.选滚珠丝杠的螺距为12mm.由0.7512 2.53603600.01S i θδ⨯===⨯ （3—1） 式中 θ ——步进电动机的步距角δ ——脉冲当量，mm S ——丝杠螺距, mm 3.2、减速齿轮的确定选择一级减速器，选齿轮120Z =，250Z =，模数2m mm =，齿宽20b mm =。

选择斜齿轮调隙，齿轮的参数如表3—1。

3—1齿轮参数表第四章、丝杠螺母机构的选择与计算已知条件：工作台及刀架重：110㎏,所以重量为9.81101078G N =⨯=最大行程：1280mm ，失动量：0.01mm δ=，工作台最高速度：max 5/min v m = 查表选择丝杆预期寿命： 15000h L =小时 ， 摩擦系数0.2μ=。

则导轨的静摩擦力F O 。

0.21078215.6O F G N μ==⨯= （4—1）最大轴向负载0max 1609.81568F N =⨯=4.1、动载强度计算当转速10/min n r >时，滚珠丝杠；螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此要进行动载强度计算，其计算动载荷()Cc N 应小于或等于滚珠丝杆螺母副的额定动负荷，即c d H eq r C f F F =≤ （4—2)式中 d f ——动载荷系数，见表3 —1; H f ——硬度影响系数，见表3-2; eq F ——当量动负荷，N;r F ——滚珠丝杠；螺母副的额定动负荷，N ； 'T ——寿命，以610r 为一个单位。

660'10neqTT =(4—3) 式中 T ——使用寿命，h ；按设计机床要求取T=15000h N ——循环次数：eq n ——滚珠丝杠的当量转速，r/min 。

1000max 10005416.67/min 12eq V n r S ⨯=== (4—4）代入上式得666060416.6715000'3751010neqT T ⨯⨯=== （4—5）表4-1 动载荷系数d f1.22.51.5表4-2 硬度影响系数H f 、'H f52.5 40 1.35 3.85 1.40当工作载荷单调连续或周期行单调连续变化时，则00max21117.23eq F F F N +≈= （4—6） 式中 0F 0max F ——最大和最小工作载荷，N 。

查表4—1 4—2取d f =1.5 H f =1.56代入上式得1.5 1.561117.218851.9918.85c d H eq N KNC f F ⨯⨯==== （4—7）4.2、静强度计算当转速10/min n r ≤时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式为滚珠接触面上产生较大的塑性变形，影响正常工作。

因此，应进行静强度计算，最大计算静载荷0()c F N 为0max 'c d H orF f f F F =≤ （1—10）式中'H f ——硬度硬度影响系数，见表5—2；取'H f =1.67.0r F ——滚珠丝杠螺母副的额定静负荷，N 。

代入得0max ' 1.5 1.5615683669c d H F f f F N ==⨯⨯= （4—8）根据计算额定动负载荷和额定静负荷初选滚珠丝杠副型号为50125CBM -。

其基本参数为公称直径050d mm =，导程12S mm =，滚珠直径7.144Dw mm =。

额定动负荷39348Ca N =，额定静负荷0108290r F N =。

动载荷与静载荷载均满足要求。

4.3、临界转速校核对于高速长丝杠有可能发生共振，需要算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界 转速(/min).c n r22229910c cf d n L = （4—9）20 1.2wd d D =- （4—10）式中 ——临界转速计算长度，m ；——丝杠支撑方式系数。

两端固定时， 代入数据得20 1.250 1.27.14441.427w d d D mm=-=-⨯=2222224.730.041991099105548.3/min1.28c c f d n r L ⨯===远远小于其最大速度，故临界转速满足。

4.4、额定寿命的校核滚珠丝杠的额定动载荷39348aC N =，已知其轴向载荷max 1568a a F F N ==，滚珠丝杠的转速max 416.67/min n n r ==，运转条件系数 1.2w f =，则有3636639348()10()109145101568 1.2a a w C L r r F f =⨯=⨯=⨯⨯ （4—11） 69145103657996060416.67h L L h h n ⨯===⨯ （4—12） 滚珠丝杠螺母副的总工作寿命36579915000h L h h =≥，故满足要求。