数控车床纵向进给系统传动的方案设计(doc 15页)

数控车床纵向进给系统传动的方案设计（doc 15页）
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
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 2.53603600.01
S 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
法向模数 n m 2 齿数 z
20
齿形角 α
20o
齿顶高系数 *an h
螺旋角 β
15o 径向变位系数 x
精度等级
7FK -
配对齿轮 图号
齿数 50
公差组
检验项目代号
极限偏差值
1 p F
0.090 2 pt f ±
0.016 3 t f
0.013 4
f β
0.016
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
3'c d H eq r C T 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。

6
60'10
neqT
T =
(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 10005
416.67/min 12
eq V n r S ⨯=
== (4—4） 代入上式得
66
6060416.6715000
'3751010neqT T ⨯⨯=
== （4—5）
表4-1 动载荷系数d f
载荷性质d f d f 载荷性质 d f 平稳轻微冲击 1.0 1.2 较大冲击和振动
1.5
2.5
中等冲击
1.2 1.5
表4-2 硬度影响系数H f 、'H f
硬度/HRC
50≥
55 52.5 50 47.5 45 40 H f
1.0 1.11 1.35 1.56 1.92
2.40
3.85 'H f
1.0
1.11
1.40
1.67
2.10
2.64
4.50
当工作载荷单调连续或周期行单调连续变化时，则
00max
21117.23
eq 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
33 1.5 1.561117.2'318851.975918.85c d H eq N KN
C T 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 or
F 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 r
222
2
9910c c
f d n L = （4—9）
20 1.2w
d 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
=-=-⨯=222222
4.730.041
991099105548.3/min 1.28
c 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
39348a
C 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 1.2
a a w C L r r F f =⨯=⨯=⨯⨯ （4—11） 6
9145103657996060416.67
h 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。

c L 2f 2 4.73f =
第五章、动力计算
5.1、传动件转动惯量的计算 5.11、小齿轮的转动惯量1J
41241252110.77100.77402010410J D b kg m ---=⨯=⨯⨯⨯=⨯ （5—1）
式中 1D ——齿轮1Z 分度圆直径，mm ，
1122040D mZ mm ==⨯=； （5—2）
b ——齿轮宽度，mm 。

5.12、大齿轮转动惯量2J
41241232220.77100.771002010 1.5410J D b kg m ---=⨯=⨯⨯⨯=⨯ （5—3）
式中 2D ——齿轮2Z 分度圆直径，mm
22250100D mz mm ==⨯= （5—4）
5.13、计算工作台的转动惯量J W
262
642
12(
)10()10010223.6510S Jw W kg m ππ---=⨯⨯=⨯⨯⨯=⨯ （5—5)
式中 W ——工作台（包括工件）的质量， kg ；
S ——丝杠螺距，mm 。

5.14、计算丝杠的转动惯量Js
4124123
2
0.77100.77501280106.210S o J d L kg m
---=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=⨯ (5—6）
式中L ——支撑距，mm 。

5.15、负载折算到电动机轴上的转动惯量为：
122
53342
21
()1
410(1.5410 6.210 3.6510)0.00132.5r s w J J J J J i kg m ----=+
++=⨯+⨯+⨯+⨯= （5—7）
5.2、电动机力矩的计算
5.2.1、计算加速力矩Ma
0.0013500
2.719.69.60.025
r a J n M N m T ⨯=
==⨯ （5—8）
5.2.2、计算摩擦力矩M f
（5—9）
式中 η——传动链总效率，取η=0.8。

5.2.3、计算附加摩擦力矩0M
23230max 00156812
(1)10(10.9)100.285220.8 2.5
F S M N m i ηπηπ--⨯=
-⨯=⨯-⨯=⨯⨯ （5—10） 式中 η——传动链总效率，取η=0.8； 0η——滚珠丝杠未预紧时的效率，取0η=0.9。

5.2.4、空载启动时电动机所需力矩：
00.210.285 2.71 3.205a f M M M M N m =++=++=（5—11）
因此，选用7.84N m 的步进电机满足要求。

33
215.612
1010220.8 2.50.21O f F S M i N m πηπ--⨯=
⨯=⨯⨯⨯=
第六章、丝杠螺母机构的传动刚度计算
滚珠丝杠一段轴向支撑，丝杠的最小拉压刚度min
K
∆和最大拉压刚度max K ∆分别为：
2min max
2
5
5450 2.0610
3.15810/316/41280
d E
K l N mm N m
ππμ∆=⨯⨯⨯=
=⨯=⨯（6—1)
2max min
2
5
6450 2.0610
1.01110/1011/4400
d E
K l N mm N m
ππμ∆=⨯⨯⨯=
=⨯=⨯(6—2）
式中 E ——弹性模量。

按近似估算，将丝杠本身的拉压刚度K ∆乘以1/3，作为传动的综合拉压刚度0K ，即：
max 0max 1011
337/33K K N m μ∆===（6—3） min 0min
316105.33/33
K K N m μ∆===（6—4）
反向死区误差计算
0022215.6
4.091010
5.33
F m m K μμ⨯∆=
==<（6—5） 所以能满足单脉冲进给的要求。

计算由于传动刚度的变化的定位误差k δ，应使
0min
0max
110()
11
215.6() 1.4105.33337
k F K K m
δμ=-
=⨯-=（6—6）
满足由于传动刚度变化引起的定位误差小于11
(
)3
5
机床定位精度的要求。

第七章、结构设计
7.1、滚珠丝杠的支承
滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。

因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。

因此在此课题中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。

丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针—推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60°角接触轴承，在这两种轴承中，60°角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。

滚针—圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。

60°角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。

由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。

因此在进给传动中面对面组合用得较多。

在此设计中采用了以面对面配对组合的60°角接触轴承，以容易实现自动调整。

滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。

为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。

7.2、滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧
滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。

滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形，接触刚度与接触表面预紧力成正比。

如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。

因此，滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高滚珠丝杠螺母副的接触刚度。

滚珠丝杠螺母副通常采用双螺母结构，如图7—1所示
1.滚珠螺母；
2.紧定螺钉；
3.支座；
4.滚珠丝杠；
5.调整垫片
图7—1双螺母滚珠丝杠
图中1代表滚珠螺母，3代表支座，螺母与支座之间有调整垫片，通过调整垫片来调节滚珠螺母与滚珠丝杠螺纹之间的间隙。

通过调整两个螺母之间的轴向位置，使两个螺母的滚珠在承受载荷之前，分别与丝杠的两个不同的侧面接触，产生一定的预紧力，以达到提高轴向刚度的目的。

调整预紧有多种方式，上图所示的为垫片调整式，通过改变垫片的厚薄来改变两个螺母之间的轴向距离，实现轴向间隙消除和预紧。

这种方式的优点是结构简单、刚度高、可靠性好。

7.3、主要结构性能及特点的分析
在本设计的进给系统中的主要结构零件是滚珠螺母丝杠，以下简要介绍其传动的形式及主要主要特点。

滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。

滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。

滚珠丝杠副有多种结构型式。

按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。

外循环回珠器用插管式的较多，内循环回珠器用腰形槽嵌块式的较多。

按螺纹轨道的截面形状分为单圆弧和双圆弧两种截形。

由于双圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形，因此目前普遍采用双圆弧截形的丝杠。

按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧。

数控机床上常用双螺母垫片式预紧，其预紧力一般为轴向载荷的1/3。

滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：传动效率高、灵敏度高、传动平稳：磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。

第八章、总结与体会
经过为期两周的奋战我的《数控机床系统设计》课程设计终于完成了。

虽然比较辛苦但是获益也良多。

课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。

通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。

自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。

通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手,最后终于做完了有种如释重负的感觉。

此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响，而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。

参考文献资料
[1] 文怀兴夏田编著数控机床系统设计化学工业出版社北京
[2] 文怀兴夏田编著数控机床设计实践指南
化学工业出版社北京
[3] 濮良贵纪名刚主编机械设计高等教育出版社北京
[4] 吴克坚郑文伟主编机械原理高等教育出版社北京
[5] 卢秉恒主编机械制造技术基础机械工业出版社北京
[6] 曹金榜主编机床主轴/变速箱设计指导
机械工业出版社北京
[7] 周开勤主编机械零件手册高等教育出版社北京
[8] 上海纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学主编机床设计图册上海
科学技术出版社上海。