数控车床纵向进给伺服传动开题报告
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一.毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）
1.数控机床出现的意义
过去，在我国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。数控机床比传统机床有以下突出的优越性，由于计算机可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面；可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍；由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行；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"；可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运；拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。
1．缺乏产业规模
2．缺乏发展数控产业的政策和技术配套体系
3．缺乏技术创新，产品更新和产业调整的内在动力
4．面临国外强手竞争的巨大压力
3.数控机床简介
数控机床是一种高科技的机电一体化产品,是综合应用计算机技术、精密测量及现在机械制造技术等各种先进技术相结合的产物。数控机床作为实现柔性制造系统、计算机集成制造系统和未来工厂自动化的基础已成为现在制造技术中不可缺少的生产手段,是机电一体化技术的重要组成部分。随着科学技术的迅速发展,数控技术的应用范围日益扩大。数控机床已成为现在机械制造业中的主要技术装备。
1、尽量采用低摩擦的传动副;
2、选用最佳的降速比;
3、尽量缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度;
4、尽量消除传动间隙,减少反向行程误差。
2.总体方案的初步论证
给定参数及要求：
纵向最大行程（Z轴）：650mm；
进给速度：0~25m/min；
加工中最大切削力：2500 N；
材料：HT200；
床鞍及附件的估计尺寸：600*300*10；
（1)尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力。
（2)选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能加速达到跟踪指今。
（3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。
（4)尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。
二.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施
1.数控机床的组成
数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的机床上讲，它由控制介质、数控装置、伺服系统、检测反馈装置和机床本体五大部分及辅助设备组成。如图所示：
图1-1数控机床组成
与普通机床相比,数控机床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度外,还具有良好的动态响应特性。为了确保数控机床的传动精度和工作平稳性,在设计机械了机构时,通常还应提出无间隙、低摩擦、高刚度以及有适宜的阻尼比要求等。为了达到这些要求,在机械传动设计中,主要采取如下措施:
（2）传动间隙：螺纹于齿轮副存在间隙，采用双螺母轴向消隙机构。纵向丝杠采用了原普通车床的单副轴向消隙机构，这样处理就可以得到较满意的效果，而且还解决了采用开合螺母间隙过大的矛盾；
（3）采用理论与实际相结合，用理论指导实践，实践；反过来修正理论；根据查阅的相关资料，进行方案设计，根据类比方法进行结构设计；在误差分析方面，综合考虑实际可能有的各种误差，从整体上减小误差，使机器满足高精度的要求。
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。
三.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作
1.主要解决问题
（1）滚珠丝杠本身是一种细长低刚度元件,在外力作用下极易产生变形、振动、噪声。因此,深入研究滚珠丝杠进给系统的动、静态特性对数控机床保持良好的运行状态具有决定性影响；
4.纵向进给系统设计的原因及意义
数控车床改造设计在国外已发展成一个新兴的工业部门。早在20世纪60代已经开始迅速发展，并又专门的企业经营这门业务。其发展的原因是多方面的:
首先是技术原因。随着社会生产力的巨大发展，要求制造技术向自动化及精密化前进。并且刀具材料和电子技术也有了很大进步，反映到控制系统中，它即能帮助机床自动化又能提高加工准确度。这些技术进步和高生产率要求，精密加工和型面加工的增多等，突出了旧机床技术改造的必要性及迫切性。
控制定位精度为±0.001mm；
根据要求计算并选择伺服电机、滚珠丝杠副、导轨副、轴承等。
设计方案:数控车床的纵向进给伺服传动系统的结构组成：
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。
（5)尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度高高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。
从应用的方面考虑，结合目前国内大多数的情况，可采用更换滚珠丝杠，尽量减小其间隙，提高配合精度。—般说来．如原车床的工作性能良好．精度尚未降低，则应尽量保留机床的传动系统。使改造后的数控车床同时具有微机控制和原机床操作的双重功能。如原车床使用时间较长．运动部件磨损严重．除了对导轨精度进行修复外．还应将传动部件拆除或更换，以确保改造后车床的传动精度。
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。
第4-6周：分析给定参数，确定总体设计方案，并提出各部分的设计方案；
第7-9周：计算并选择伺服电机、滚珠丝杠副、导轨副、轴承等零部件；
第10-12周：设计数控车床纵向进给传动系统的机械零件图
第13-15周：设计数控车床纵向进给传动系统的机械装配图
第16-17周：整理前期资料并撰写毕业论文；
第18周：提交论文并答辩。
基于以上原因,要实现我国的生产现代化，将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化，改造是必由之路。
改造后的数控机床应有以下发展方向：单一的数字控制应向数控中心发展，数控机床总体布局更加合理，机床控制系统的控制和运算功能更进一步加强，机床的伺服系统采用交流数字伺服系统代替直流伺服系统，编程更趋合理化，加工工艺更趋简单化90%机床的检测和监控系统要能实现自动化。
2.研究方向
（1）纵向伺服进给传动系统设wenku.baidu.com；
（2）伺服电机的选择及参数设计；
（3）进给系统传动部件结构设计；
（4）滚珠丝杠的设计；
（5）系统刚度、丝杠刚度进行刚度分析；
（6）系统进给误差进行误差分析；
（7）进给系统的说明书。
四.完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）
第1-3周：查阅相关资料并分析车床加工对象和加工要求，初步提出系统总体设计方案，并撰写开题报告；
其次是经济原因。经统计采用改造设计技术加以现代化比之更新设备可节约50％的资金。这不仅为资金不充沛的小企业技术改造开创了新路，而且对实力雄厚的大型企业也极具吸引力。
第三是市场原因。因为许多国家目前还无能力更新所需的数控机床数量。因此改造就成为满足机床市场需求的主要补助手段。
第四是生产上的原因。在工业生产中，多品种、中批量及小批量生产是现代机械制造业的基本特征。不难看出，完成这些生产任务数控机床是最佳选择。
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。
经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精度．以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。数控改造对机械传动系统的要求为：
图全闭环控制系统
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。
2.数控产业发展的现状以及所面临的问题
当前,我国数控机床产业面临的挑战是国内市场占有率偏低。据有关资料表明,1999年国产数控机床的市场占有率仅为38.88%。造成这种严峻的形势,除客观原因外,主要是产品的质量、可靠性不过硬。“十五”期间,我国机械制造工业正朝着精密化、柔性化、集成化、自动化、智能化方面迅速发展,国内数控机床需求强劲,我国数控机床产业适逢极好的发展机遇。然而,我国加入ＷＴＯ后,国外生产的数控机床将会更多的进入我国市场,市场竞争更为激烈。提高国产数控机床市场占有率,关键在于提高质量和可靠性。几年来,经过对国内外数控机床的机械结构剖析和使用性能的调研,探索和总结了数控机床机械结构设计和制造的新技术。现时主要存在有以下几个问题：
图半闭环控制系统
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。
图开环控制系统
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。
1.数控机床出现的意义
过去，在我国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。数控机床比传统机床有以下突出的优越性，由于计算机可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面；可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍；由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行；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"；可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运；拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。
1．缺乏产业规模
2．缺乏发展数控产业的政策和技术配套体系
3．缺乏技术创新，产品更新和产业调整的内在动力
4．面临国外强手竞争的巨大压力
3.数控机床简介
数控机床是一种高科技的机电一体化产品,是综合应用计算机技术、精密测量及现在机械制造技术等各种先进技术相结合的产物。数控机床作为实现柔性制造系统、计算机集成制造系统和未来工厂自动化的基础已成为现在制造技术中不可缺少的生产手段,是机电一体化技术的重要组成部分。随着科学技术的迅速发展,数控技术的应用范围日益扩大。数控机床已成为现在机械制造业中的主要技术装备。
1、尽量采用低摩擦的传动副;
2、选用最佳的降速比;
3、尽量缩短传动链以及用预紧的方法提高传动系统的刚度;
4、尽量消除传动间隙,减少反向行程误差。
2.总体方案的初步论证
给定参数及要求：
纵向最大行程（Z轴）：650mm；
进给速度：0~25m/min；
加工中最大切削力：2500 N；
材料：HT200；
床鞍及附件的估计尺寸：600*300*10；
（1)尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力。
（2)选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能加速达到跟踪指今。
（3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。
（4)尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。
二.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施
1.数控机床的组成
数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的机床上讲，它由控制介质、数控装置、伺服系统、检测反馈装置和机床本体五大部分及辅助设备组成。如图所示：
图1-1数控机床组成
与普通机床相比,数控机床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度外,还具有良好的动态响应特性。为了确保数控机床的传动精度和工作平稳性,在设计机械了机构时,通常还应提出无间隙、低摩擦、高刚度以及有适宜的阻尼比要求等。为了达到这些要求,在机械传动设计中,主要采取如下措施:
（2）传动间隙：螺纹于齿轮副存在间隙，采用双螺母轴向消隙机构。纵向丝杠采用了原普通车床的单副轴向消隙机构，这样处理就可以得到较满意的效果，而且还解决了采用开合螺母间隙过大的矛盾；
（3）采用理论与实际相结合，用理论指导实践，实践；反过来修正理论；根据查阅的相关资料，进行方案设计，根据类比方法进行结构设计；在误差分析方面，综合考虑实际可能有的各种误差，从整体上减小误差，使机器满足高精度的要求。
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。
三.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作
1.主要解决问题
（1）滚珠丝杠本身是一种细长低刚度元件,在外力作用下极易产生变形、振动、噪声。因此,深入研究滚珠丝杠进给系统的动、静态特性对数控机床保持良好的运行状态具有决定性影响；
4.纵向进给系统设计的原因及意义
数控车床改造设计在国外已发展成一个新兴的工业部门。早在20世纪60代已经开始迅速发展，并又专门的企业经营这门业务。其发展的原因是多方面的:
首先是技术原因。随着社会生产力的巨大发展，要求制造技术向自动化及精密化前进。并且刀具材料和电子技术也有了很大进步，反映到控制系统中，它即能帮助机床自动化又能提高加工准确度。这些技术进步和高生产率要求，精密加工和型面加工的增多等，突出了旧机床技术改造的必要性及迫切性。
控制定位精度为±0.001mm；
根据要求计算并选择伺服电机、滚珠丝杠副、导轨副、轴承等。
设计方案:数控车床的纵向进给伺服传动系统的结构组成：
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。
（5)尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度高高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。
从应用的方面考虑，结合目前国内大多数的情况，可采用更换滚珠丝杠，尽量减小其间隙，提高配合精度。—般说来．如原车床的工作性能良好．精度尚未降低，则应尽量保留机床的传动系统。使改造后的数控车床同时具有微机控制和原机床操作的双重功能。如原车床使用时间较长．运动部件磨损严重．除了对导轨精度进行修复外．还应将传动部件拆除或更换，以确保改造后车床的传动精度。
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。
第4-6周：分析给定参数，确定总体设计方案，并提出各部分的设计方案；
第7-9周：计算并选择伺服电机、滚珠丝杠副、导轨副、轴承等零部件；
第10-12周：设计数控车床纵向进给传动系统的机械零件图
第13-15周：设计数控车床纵向进给传动系统的机械装配图
第16-17周：整理前期资料并撰写毕业论文；
第18周：提交论文并答辩。
基于以上原因,要实现我国的生产现代化，将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化，改造是必由之路。
改造后的数控机床应有以下发展方向：单一的数字控制应向数控中心发展，数控机床总体布局更加合理，机床控制系统的控制和运算功能更进一步加强，机床的伺服系统采用交流数字伺服系统代替直流伺服系统，编程更趋合理化，加工工艺更趋简单化90%机床的检测和监控系统要能实现自动化。
2.研究方向
（1）纵向伺服进给传动系统设wenku.baidu.com；
（2）伺服电机的选择及参数设计；
（3）进给系统传动部件结构设计；
（4）滚珠丝杠的设计；
（5）系统刚度、丝杠刚度进行刚度分析；
（6）系统进给误差进行误差分析；
（7）进给系统的说明书。
四.完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）
第1-3周：查阅相关资料并分析车床加工对象和加工要求，初步提出系统总体设计方案，并撰写开题报告；
其次是经济原因。经统计采用改造设计技术加以现代化比之更新设备可节约50％的资金。这不仅为资金不充沛的小企业技术改造开创了新路，而且对实力雄厚的大型企业也极具吸引力。
第三是市场原因。因为许多国家目前还无能力更新所需的数控机床数量。因此改造就成为满足机床市场需求的主要补助手段。
第四是生产上的原因。在工业生产中，多品种、中批量及小批量生产是现代机械制造业的基本特征。不难看出，完成这些生产任务数控机床是最佳选择。
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。
经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精度．以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。数控改造对机械传动系统的要求为：
图全闭环控制系统
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。
2.数控产业发展的现状以及所面临的问题
当前,我国数控机床产业面临的挑战是国内市场占有率偏低。据有关资料表明,1999年国产数控机床的市场占有率仅为38.88%。造成这种严峻的形势,除客观原因外,主要是产品的质量、可靠性不过硬。“十五”期间,我国机械制造工业正朝着精密化、柔性化、集成化、自动化、智能化方面迅速发展,国内数控机床需求强劲,我国数控机床产业适逢极好的发展机遇。然而,我国加入ＷＴＯ后,国外生产的数控机床将会更多的进入我国市场,市场竞争更为激烈。提高国产数控机床市场占有率,关键在于提高质量和可靠性。几年来,经过对国内外数控机床的机械结构剖析和使用性能的调研,探索和总结了数控机床机械结构设计和制造的新技术。现时主要存在有以下几个问题：
图半闭环控制系统
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。
图开环控制系统
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。