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

目录

前言 (1)

1.原始条件和设计要求 (2)

2.数控机床的加工原理 (4)

3.进给伺服系统概述 (5)

4.纵向进给系统的设计计算 (7)

4.1丝杠螺母静态设计 (7)

4.2丝杠螺母动态设计 (9)

4.3变速机构设计 (11)

4.4电动机的静态设计 (13)

5.电动机的选取与减速结构的设计 (16)

5.1电动机的选取 (16)

5.2减速机构的选取设计 (16)

6.进给系统的结构设计 (17)

7.滚珠丝杠螺母副的设计 (17)

总结 (19)

致谢 (20)

参考文献 (21)

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

kg m T 600= 最大加工受力

N F W 1500= 快进速度

s m v f /2.0max = 工进速度

s m v v /1.0= 最大加速度

2max /2.1s m a = 工作台导轨摩擦力

N F R 5.2= 工作行程

m s W 7.0=

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

800/L K N m μ= 丝杠螺母刚度

800/M K N m μ= 螺母支座刚度 1000/TM K N m

μ=

丝杠传动效率

0.9sp η= 丝杠长度

0.5sp L m = 丝杠轴承、丝杠

螺母摩擦力矩

, 2.5R sp M N m =g 轴承平均间距

550L mm = 导程

10sp h mm = 最大转速常数

60000A = 支承方式

双推—双推 伺服电机：

电机转子惯量 320.0510M J kg m -=⨯g

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。