数控铣床横向进给系统设计

目录摘要1、前言2、进给伺服系统概述3、横向进给系统的计算3.1、设计方案的确定3.2、纵向进给系统的设计3.3、纵向进给系统的设计计算3.3（1）、切削力计算3.3（2）、进给工作台工作载荷计算3.3（3）、滚珠丝杠设计计算3.3（4）、齿轮及转矩的有关计算3.3（5）、步进电机的选择4、进给系统的结构设计4.1滚珠丝杠螺母副的设计4.2齿轮传动副的设计4.3齿轮箱的设计4.4床身及导轨4.5中间轴的设计4.6轴承端盖的设计总结与体会参考文献摘要本设计是把普通数控车床改造成经济型数控车床。

经济型数控车床就是指价格低廉、操作使用方便、比较适合我国国情的，动化的机床。

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。

在设计的时候具体进行了详细的各部件的选型和计算。

比如：导轨的设计选型、滚珠丝杠螺母副的选型与计算。

还进行了进给传动系统的刚度计算、进给传动系统的误差分析、驱动电机的选型计算、驱动电机与滚珠丝杠的联接、驱动电机与进给传动系统的动态特性分析等。

【关键词】车床、数控、传动系统一、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。

二、进给伺服系统概述数控机床伺服系统的一般结构如下图所示：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。

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。

三、横向进给系统的设计与计算3.1、设计方案的确定利用微机对进给系统进行半闭环控制，脉冲当量为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。

采用微机对数据进行计算处理，由I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速滚珠丝杠转动，从而实现横向进给运动。

3.2、横向进给系统的设计采用半闭环机床进给系统，步进电机经一级减速齿轮传动副，滚珠丝杆拖动工作台。

传感器与电机轴相联，用来检测电机转角和转速，并把它们转换为电信号反馈给数控装置，传感器采用脉冲编码器。

3.3、横向进给系统的设计计算工作台重量： W=889.2Kgf=8892N时间常数： T=25 ms滚珠丝杠基本导程： Lo=6mm行程： S=375mm步距角： 075.0=α/step快速进给速度：500m m /m in 1max =V（1）切削力计算 由《机床设计手册》可知，切削功率 K N N C ••=η式中：N---电机功率，查机床说明书，N=7.5 KW ；η---主传动系统总效率，一般为0.7～0.85取η=0.7； K---进给系统功率系数，取为K=0.96。

则有：Nc=7.5×0.7×0.96=5.04 kw切向铣削力： F Z =V Nc×103 N式中： V---主轴传递全部功率时的最底切削速度（m/s ） 则有： V=πD ×95/60000=1.7m/s=102m/minF Z =10210006004.5⨯⨯=2964（N ）（2）进给工作台工作载荷计算:从《数控铣床》中表2-1可得知，在一般立式铣削时，工作台横向进给方向载荷：F C =0.4Fz=0.4×2964=1185 N（3)滚珠丝杠设计计算：由《数控技术》可知，采用燕尾导轨，导轨铣床丝杠的轴向力：采用矩型导轨:)(G F F f KF F C V L m ++'+= 式中K=1.1 f '=0.15则有：N F m 4860)88921185592(15.029641.1=++⨯+⨯=1）强度计算：寿命值：61060L nT =1000L v n = 式中：n---为丝杆转速（r/min ）v---为最大切削力下的进给速度（m/min ）,取最高进给速度的1/3 T---额定寿命，查表得 T=15000h0L ---滚珠丝杆导程，取0L =6mm则有：v=min /5.0150031m =⨯ 8365.01000=⨯=n r/minL 7.74101500083606=⨯⨯=最大动负载C ：CN F f L m m 2493048605.17.7433=⨯⨯=⨯⨯= 查表得：运转状态系数 5.1=m f根据最大动负荷C 的值，可选则滚珠丝杠的型号。

查表2-5得，选取滚珠丝杠直径为50mm ，型号为ND5006，其额定载荷为29350N ，所以强度足够。

2）效率计算：根据《机械原理》的公式，丝杠螺母副的传动效率η为：)(ϕλλη+=tg tg式中：λ---为丝杆螺旋升角，查得：'112=γϕ---为摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f=0.003～0.004,其摩擦角约等于'10则有：953.0)01'112('112='+= tg tg η 3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载F m 引起的导程的变化量，丝杆的拉压变形量1δEAL F m 01±=δ式中：60=L mm=0.6cm; E---为材料弹性模量，对钢a MP E 4106.20⨯=A---为滚珠丝杠截面积6.1514.3)28031.2()2(22=⨯==πd A 则有：cm 103.214.3)28031.2(106.206.048606261-⨯±=⨯⨯⨯⨯±=δ 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2δ ,有预紧：)(00013.0322mm Z F D F YJ W mE =δ式中：W D ---为滚珠直径，查表得W D =3.969mm=E Z Z ⨯圈数⨯列数=E Z 25⨯1⨯3=75YJ F ---为预紧力N F F m YJ 191348603131=⨯== 则有:cm 106.7751913969.3486000013.0632-⨯=⨯⨯⨯=δ 则丝杆的总变形量δ :m 921μδδδ=+=查表知E 级精度丝杠允许的螺距误差（1m 长）为15um/m 故刚度足够。

4)稳定性验算失稳时的临界载荷k F22L EI f F z K π= 式中:E---为丝杆材料弹性模量,对钢a MP E 4106.20⨯=I---为截面惯性矩,对丝杆圆截面 )(641mm d I π= 1d ---为丝杆底径,1d =48mm则有： 260444mm 64484=⨯=πIL---为丝杆最大工作长度,取L=375mmz f ---为丝杆支承方式系数,参考图2-13和表2-7,取z f =2.0则有:N F K 7523294375260444106.202242=⨯⨯⨯⨯=π 稳定安全系数k n ：154848607523294===m K k F F n 所选丝杆稳定安全系数[]k n ，查表得：[]4=k n 则有 k n []k n 〉，故稳定性不存在问题。

（4）齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算传动比25.101.0360675.03600=⨯⨯==P L i δϕ 故取 401=z 502=z m =2 mm B=20 mm 020=α则有 mm mz d 8040211=⨯==mm mz d 10050222=⨯==mm h d d a a 842*11=+=mm h d d a a 1042*22=+= mm d d a 90210080221=+=+= 2)转动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的转动惯量2220.11.8889)14.326.0()2(cm kg M L J G =⨯⨯==π 丝杠的转动惯量224444.6.43.36.41002.3108.721108.721cm N cm kg L D J ==⨯⨯⨯⨯=⨯⨯=--丝齿轮的转动惯量244.17.2624.6108.71cmN J Z =⨯⨯⨯=-244.9.6328108.72cm N J Z =⨯⨯⨯=- 电动机转动惯量很少，可以忽略因此，总的转动惯量 12)(12Z Z G J J J J iJ +++=丝 17.26)39.66.431.81(25.112+++= 22.874.146.14.6874cm N cm kg ==所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩M M M M kf ka kq ++=式中 ka M ---空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；kf M ---折算到电机轴上的摩擦力矩；0M ---由于丝杠预金所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； ).(106022max m N tn J J M E E ka -⨯==πε 式中：E J ---为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（).2cm kgε---为电机最大角加速度（2s rad ） m ax n ---为运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（m in r ） t ---为运动部件从静止启动加速到最大快进进给速度所需时间（s ）,取t=0.025s 则有：min 31236001.025.11500360max max r i V n b =⨯⨯==δcm N M ka .2.192025.06031214.32874.146=⨯⨯⨯⨯= 空载摩擦力矩：).(20'cm N i L Gf M kfπη= 式中： G ---运动部件总重力（N ） 'f ---为导轨摩擦系数，取0.2i ---齿轮传动降速比，i=1.25η---传动系统总效率，取η=0.80L ---基本导程，取0L =0.6cm则有：).(43.12725.18.014.326.02.08892cm N M kf =⨯⨯⨯⨯⨯=附加摩擦力矩：)1(2200ηπη-=iL F M YG 式中：YJ F ---为滚珠丝杆预加载荷，取m F 的1/3 0η---为滚珠丝杆预紧是的传动效率，取0η=0.9 则有：N F YJ 1620486031=⨯= cm N .3.29)9.01(25.19.014.326.01620= M 20=-⨯⨯⨯⨯ 348.93N.29.3127.43192.20=++=++=M M M M kf ka kq(5) 步进电机的选择步进电机的名义启动转矩 cm N M M kq mq .33.8724.093.3484.0=== 为满足最小步距要求，电机选用五相十拍工作方式，查表知951.0max =j mq M M所以，步进电机最大静转矩：cm N M M mq j .27.917951.033.872951.0max === 步进电机最高工作频率： Hz V f b 250001.060150060max max=⨯==δ 综合考虑，查表选用 130BF001 型直流步进电机，能满足使用要求。