第三章 数控机床的进给传动装置的设计
立式数控铣床工作台(X轴)进给传动系统的设计
设计题目：立式数控铣床工作台（X轴）进给传动系统的设计摘要制造业是国民经济和国防建设的基础性产业，先进制造技术是振兴传统技术是振兴制造业的技术支撑和发展趋势，是直接创造社会财富的主要手段，谁掌握先进制造技术，谁就能够占领市场。
而数控技术是先进制造技术的基础技术和共性技术，已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。
我国数控技术及产业尽管在改革开放后取得了显著的成就，开发出了具有自主知识产权的数控平台，即以PC为基础的总线式、模块化、开放型的单处理器平台，开发出了具有自主知识产权的基本系统，也研制成功了并联运动机床，但是我过的数控技术及产业与发达国家相比仍然有比较大的差距，其原因是多方面的，但是最重要的是数控人才匮乏。
关键词：数控技术AbstractManufacturing industry is the foundation of the national economy and national defense industry, advanced manufacturing technology is the revitalization of traditional technology is the revitalization of technical support and development trend of the manufacturing industry, is the main means to create social wealth, who master the advanced manufacturing technology, who will be able to occupy the market. Numerical control technology is the basic technology and common technology of advanced manufacturing technology, which has become one of the important signs to measure the level of a country's manufacturing industry.China's CNC technology and industry even after the reform and opening up has made remarkable achievements, the development of the NC platform with independent intellectual property rights, which is based on PC bus modular open type single processor platform, developed the basic system with independent intellectual property rights, also developed a parallel motion but I have the machine tool, numerical control technology and industry compared with the developed countries is still a relatively large gap, its reason is iKey words: numerical control technology目录第1章概述 (3)1.2 总体方案设计 (3)第二章设计计算 (3)2.1 主切削力及其切削分力计算 (3)2.2 导轨摩擦力的计算 (3)2.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 (3)2.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 (3)第3章工作台部件的装配图设计 (3)第4章滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 (3)4.1 滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验 (3)4.2 滚珠丝杠螺母副临界转速c n的校验 (3)4.3. 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验 (3)第5章计算机械传动系统的刚度 (3)5.1 机械传动系统的刚度计算 (3)5.2 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 (3)第6章. 驱动电动机的选型与计算 (3)6.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量 (3)6.2 计算折算到电机轴上的负载力矩 (3)6.3 计算坐标轴折算到电机轴上的各种所需的力矩 (3)6.4. 选择驱动电机的型号 (3)参考文献 (3)第1章概述1.1技术要求工作台、工件和夹具的总重量m=1500kg （所受的重力W=14700N ），其中，工作台的质量0m =510kg （所受的重力0W =5000N ）；工作台的最大行程p L =600mm ；工作台快速移动速度m ax V =15000mm/min ；工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数u=0.15,静摩擦系数µ0=0.2；工作台的定位精度为30um ，重复定位精度为20um ；机床的工作寿命为20000h 。
数控机床进给传动系统
数控机床进给模块之机械部件装配一．进给传动系统图纵向和横向进给传动系统图二．系统图的主要构造和功用电动机：1. 步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。
步进电动机是一种特殊的电动机，一般电动机通电后都是连续转动的，而步进电动机则有定位与运转两种状态。
当有一个电脉冲输入时，步进电动机就回转一个固定的角度，这角度称为步距角，一个步距角就是一步，所以这种电动机称为步进电动机。
又由于它输入的是脉冲电流，也称作脉冲电动机。
当电脉冲连续不断地输入，步进电动机便跟随脉冲一步一步地转动，步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数严格成正比例，在时间上与输入脉冲同步。
因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组的通电顺序，便可获得所需转角、转速和方向。
在无脉冲输入时，步进电动机的转子保持原有位置，处于定位状态。
步进电动机的调速范围广、惯量小、灵敏度高、输出转角能够控制，而且有一定的精度，常用作开环进给伺服系统的驱动元件。
与闭坏系统相比，它没有位置速度反馈回路，控制系统简单，成本大大降低，与机床配接容易，使用方便，因而在对精度、速度要求不十分高的中小型数控机床上得到了广泛地应用。
2. 直流伺服电动机由于数控机床对进给伺服驱动装置的要求较高，而直流电动机具有良好的调速特性，因此在半闭坏、闭坏伺服控制系统中，得到较广泛地使用。
直流进给伺服电动机就其工作原理来说，虽然与普通直流电动机相同。
然而，由于机械加工的特殊要求，一般的直流电动机是不能满足需要的。
首先，一般直流电动机转子的转动惯量过大，而其输出转矩则相对较小。
这样，它的动态特性就比较差，尤其在低速运转条件下，这个缺点就更突出。
在进给伺服机构中使用的是经过改进结构，提高其特性的大功率直流伺服电动机，主要有以下两种类型：（1）小惯量直流电动机。
主要结构特点是其转子的转动惯量尽可能小，因此在结构上与普通电动机的最大不同是转子做成细长形且光滑无槽。
以此表现为转子的转动惯量小，仅为普通直流电动机的1/10左右。
第3章数控机床主传动系统设计
3.3无级变速传动链的设计
数控机床的主运动广泛采用无级变速 。 无级变速优势： 在一定范围内，转速(或速度)能连续地变 换，从而获取最有利的切削速度。 数控机床一般都采用由直流或调速电动 机作为驱动源的电气无级调速。
(2)主要设计内容:
拟定结构式或结构网; 拟定转速图， 拟定各传动副的传动比; 确定带轮直径、齿轮齿数; 布置、排列齿轮，绘制传动系统图。
3. 2 分级变速主传动系统设计
3. 2. 1转速图的概念
转速图由“三线一点”组成，即传动轴线、转速 线、传动线和转速点。
3. 2 分级变速主传动系统设计
由Z, φ, n1可知主轴的各级转速应为: 31.5, 45, 63, 90, 125, 180, 250，500、710、 1000、1400。
2)变速组和传动副数的确定 :
变速组和传动副数可能的方案有: 12=4×3 12=3×4 12=3×2×2 12=2×3×2 12=2×2×3
3. 2 分级变速主传动系统设计
②绘制转速图: A、 本例所选定的结构式共有三个变速 组，变速机构共需4根轴，加上电动机轴 共5根轴，(电动机到I轴为定比带传动)故 转速图需5条竖线。主轴共12级转速，电 动机轴转速与主轴最高转速相近，故需 12条横线。然后，标注主轴的各级转速 及电动机轴的转速。
3. 1 主传动系统设计概述
（2)按传动装置类型 可分为机械传动装置 液压传动装置 电气传动装置 以及它们的组合
3. 1 主传动系统设计概述
(3)按变速的连续性 可以分为分级变速传动和无级变速传动。 分级变速传动是在一定的变速范围内均 匀、离散地分布着有限级数的转速，变 速级数一般不超过20~30级。 分级变速传动方式有滑移齿轮变速、交 换齿轮变速和离合器(如摩擦片式、牙嵌 式、齿轮式离合器)变速。
第三章 数控车床机械结构与装调第四节 数控车床刀塔
二、液压刀塔介绍
与电动刀塔相比，液压刀塔能实现快 速、低噪声、正反转双向最短路径转动寻 找换刀刀位，松开和锁紧迅速，工作可靠 性好。但需要相应的液压系统提供压力油 和控制装置，所以一般在全功能数控车床 上配置液压刀塔。
二、液压刀塔介绍
数车排式刀塔
排式刀塔的各刀夹固定在横 向滑板上， 刀位切换运动直 接采用X轴快移运动，结构简 单，制造成本低，刀具系统 刚性好。 刀具容量小、整体占用空间 大，适合以纵向进给为主的 小型数控车上应用。
1—活动鼠牙盘 2—导向销 3—上刀架本体 4—下刀架
• 免抬式四刀位电动刀塔
结构特点
1.上刀架与鼠牙盘为独 立的两个零件，用8个 圆周分布的圆柱导向销 2活动连接。 2.活动鼠牙盘1单独作 升降运动，上刀架在导 向销的作用下作单方向 转动，上下刀架始结合 面始终保持接触。
性能特点
在换刀转位过程中，上下刀架始终闭合，有效防止切削液和切屑等杂物 进入刀塔内部，刀塔传动可靠性和精度保持性提高。
拆去棘爪
拆去定 位盘
一、电动刀塔
刀塔拆装调整
③拆卸上刀架等
1
2
拆下 蜗杆
取出定 位盘
拆去上盖 和螺母
34
拆去定 位盘
一、电动刀塔
刀塔拆装调整
④拆卸立轴与轴承
1
2
拆下立轴
用拉马拆除轴承
一、电动刀塔
刀塔拆装调整
⑤装配与调整
一、装配
装配过程与拆卸过程 除了轴承装配采用压 力机以外基本上是逆 向的。
传动原理
2.卧式八刀位电动刀塔
• 联接方式…… • 动作过程： a 从锁紧到抬起
B 从转位到反转夹紧
二、液压刀塔介绍
卧式12刀位液压刀塔
第三章 数控机床的进给传动系统
A
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3.2 数控机床进给传动系统的基本形式
滚珠丝杠副的消除间隙调整和预加载荷
滚珠丝杠副的传动不允许有间隙，不仅因为它会 造成反向冲击，更重要的是产生定位误差，影响机 床的精度稳定性，为了提高进给系统的刚度，使滚 珠丝杠在过盈条件下工作更为有利，即进行预加载 荷或称为预紧。 双螺母法消除间隙和预加载荷。
了体积。
(2) 不存在中间传动机构的惯量和阻力的影响，直线电动机直接传动反应速
度快，灵敏度高，随动性好，准确度高。
(3) 直线电动机容易密封，不怕污染，适应性强。由于电机本身结构简单，
又可做到无接触运行，因此容易密封，可在有毒气体、核辐射和液态物质
中使用。
(4) 直线电机散热条件好，温升低，因此线负荷和电流密度可以取得较高，
钢带缠卷式丝杠防护装置
A
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3.2 数控机床进给传动系统的基本形式 3.2 静压丝杠副
静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副
❖ 丝杠传动的局限性：长丝杠制造困难，且容易弯曲下垂，轴 向刚度和扭转刚度较差。
静压蜗杆蜗条副
❖ 工作原理：同静压丝杠螺母副。其中，蜗杆相当于丝杠，蜗 条相当于螺母。
❖ 配油问题：由于蜗杆是旋转的且与蜗条的接触区只有120° 左右，必须解决压力油从蜗杆进入静压油腔的问题。
A
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3.4 数控机床进给传动系统实例
MJ-50车床外形图
A
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MJ-50数控车床传动链示意图
A
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横向进给传动装置 ❖ AC伺服电动机15经同步带轮14和10以及同步带12
带动滚珠丝杠6回转，其上螺母7带动刀架21（如图 5-12b）沿滑板1的导轨移动，实现X轴的进给运动 。 ❖ A-A剖面图表示滚珠丝杠前支承的轴承座4用螺钉 20固定在滑板上。滑板导轨如B-B剖视图所示为矩 形导轨，镶条17、18、19用来调整刀架与滑板导轨 的间隙。 ❖ 图中22为导轨护板，26、27为机床参考点的限位开 关和撞块。镶条23、24、25用于调整滑板与床身导 轨的间隙。
数控机床的主传动系统
高速加工、精密定位
主轴驱动系统的设计与选择
设计原则
高可靠性 良好的动态响应 经济性考虑
选择因素
机床类型 加工要求 成本预算
常见类型
交流伺服驱动系统 直流传动系统 混合驱动系统
● 03
第3章 数控机床的进给传动 系统
进给传动系统的组成与作 用
进给传动系统主要包括进给驱动装置、进给传动 机构和进给系统的控制与调节三个部分。进给驱 动装置负责提供动力，进给传动机构负责传递动 力并实现所需的运动轨迹，进给系统的控制与调 节负责对整个系统的运行进行精确控制。
主传动系统是数控机床的核心部件之一，它主要 由主轴装置、传动装置、主轴驱动系统等组成， 负责传递动力并确保机床加工的精度和速度。
主轴的类型与特性
电主轴
高速、高精度
复合主轴
结合电主轴与机 械主轴特点
机械主轴
结构简单、成本 低
主轴定向控制
01 控制意义
保证加工精度
02 控制方法
光电编码器、霍尔效应
部分控制信号依赖于反馈信号
电气控制系统的故障诊断与维 护
故障诊断方法包括观察法、信号分析法、模拟法 等；故障诊断的步骤包括故障现象的观察、故障 原因的分析、故障诊断的结果等；电气控制系统 的维护措施包括定期检查、及时维修、更换故障 部件等。
● 06
第6章 总结
数控机床主传动系统的重要性和 影响因素
夹具系统的性能评价
夹具的刚度 与稳定性
夹具的刚度与稳 定性直接影响到
加工精度
夹具的重复 定位精度
夹具的重复定位 精度直接影响到
加工效率
夹具的装夹 误差
夹具的装夹误差 会导致工件加工
误差
数控机床伺服进给装置的设计
数控机床伺服进给装置的设计随着数控技术的不断发展，数控机床的应用范围不断扩大。
其中，数控机床伺服进给装置是数控机床的重要组成部分之一。
本文旨在从设计原理、控制模式、性能参数等方面进行探讨，为数控机床伺服进给装置的设计提供一定的参考。
一、设计原理数控机床伺服进给装置可以分为三个部分，即传感器、控制器和执行器。
其中，传感器主要用于实时监测各种运动参数，比如位置、速度等。
控制器则将传感器获得的数据进行处理，并根据给定的指令生成相应的控制信号，最终交给执行器以驱动机床运动。
伺服进给装置的动力源一般采用电动机，不同型号的电动机有不同的特性，比如转速、功率、峰值扭矩等。
因此，在具体设计时需要根据机床运动需求而选择合适的电动机。
另外，伺服进给装置还需要考虑一些机械传动装置，比如导轨、丝杠等。
这些装置的质量和精度会影响伺服进给装置整体的性能和精度。
因此，在进行设计时需要综合考虑机械和电器的因素。
二、控制模式伺服进给装置的控制模式通常分为位置控制、速度控制和力控制。
不同的控制模式在实际应用中也有不同的优缺点。
位置控制：位置控制是伺服进给装置最常见的控制模式之一。
它可以确保机床的位置精度，并且可以根据加工工艺的不同进行快速换刀。
位置控制的缺点是，当机床受到外部扰动时，位置控制系统可能会对机床产生交错，影响机床的加工精度。
速度控制：速度控制可以确保机床运动的平稳性和稳定性，对于高速切削和加工负载较大时，速度控制比位置控制更为适用。
但速度控制设备精度与加工速度相当，在加工负载不大时会影响位置精度。
力控制：力控制可以根据加工负载变化，动态地调整加工力、进给速度等参数，能够增强机床的自适应性和加工质量。
但因为加工负载难以实时查询，速度接近慢速或轻负载条件下的削减力控制将导致大幅度速度的波动和加工质量的下降。
因此，力控制需要在合适的运动参数下才能获得理想的加工质量。
三、性能参数伺服进给装置的性能参数直接影响到加工质量和加工效率。
数控机床进给传动装置的设计
摘 要
数控机床进给传动系统是数控机床的重要的组成部分，本次设计的数控机床进给传动系统主要由升降台传动系统、床鞍传动系统、工作台传动系统部分三部分组成。升降台运动由伺服电机驱动，电机置于升降台内，电机通过一对圆弧齿形皮带轮及皮带传递动力。床鞍运动由伺服电机通过一对圆弧齿形皮带轮、皮带、一对消隙齿轮和滚珠丝杠副降速传动；工作台运动由伺服电机通过两个圆弧齿形皮带轮，和圆弧齿形皮带降速传动。
第三章第五节进给传动系设计 (重点)
三.电器伺服进给系统
（一）对进给伺服系统的要求 伺服：就是要迅速而又准确的跟踪控制命令。 主传动：Rn≥100 进给传动：V进＝1mm～2mm
(二)常用伺服电机
1.步进电机（脉冲电机）：唯一用于开环控制 步距角:每个指令脉冲产生的电机转角(常量). 脉冲电机:步距角 2.交流、直流伺服电动机（必须用于闭环或半闭环控制） 3.直线电机 将电能转化为直线运动机械能的电力驱动装置。是适应超高速加
1）摩擦损失小，传动效率高。传动效率可达0.92～0.96。
2）运动灵敏，低速时无爬行。由于主要存在的是滚动摩擦，动、 静摩擦系数都很小，而且其差值很小，因而启动转矩小，动作灵敏， 即在低速情况下也不会出现爬行现象。
3）轴向刚度高，反向定位精度高。可以消除丝杠和螺母之间的 间隙并实现滚珠的预紧。
4）传动具有传动具有可逆性。
1.基本要求 1）采用低摩擦传动 2）惯量匹配 3）最佳传动比 4）预紧提高整个系统的刚度
每个传动付都有间隙要消除
2.机械部件设计
2个公式。机械传动部件主要指齿轮和丝杆螺 母传动副。
（1）最佳传动比的确定 开环系统： 闭环系统：
（2）齿轮传动付间隙的消除
1）刚性调隙法 偏心轴套调整法:电机是通过偏心轴套安装在箱体上，转动偏心轴
（2）运动计算
1）脉冲当量 2）进给速度 3）位置精度的影响因素
步进电动机转角因素 传动精度。 定位精度低，系统简单，成本低，调试方 便。适用于精度要求不高的数控机床中。
2.闭环系统
1） 概念 2） 组成 3) 运动计算 3.半闭环系统 位置检测元件，闭环之外的传动精度。
（四）伺服进给机械结构
齿轮齿条
动力源
进给箱 变换、换向
立式数控铣床工作台进给传动系统的设计
立式数控铣床工作台进给传动系统的设计数控铣床是一种通过控制系统对工具进行运动控制并对工件进行加工的机床。
在数控铣床中，工作台的进给传动系统起着关键的作用，影响着工作台的移动速度、精度和稳定性。
因此，对于立式数控铣床工作台（X 轴）进给传动系统的设计至关重要。
一、选用合适的传动方式在传动系统的设计中，首先需要选择合适的传动方式。
常见的传动方式有蜗轮蜗杆传动、滚珠丝杠传动和直线导轨传动等。
这些传动方式各有优缺点，需要根据具体的工作要求和预算来选择。
例如，蜗轮蜗杆传动可以提供较大的传动比，适用于高速和高精度的加工，但成本较高。
滚珠丝杠传动具有高速、高精度和较低的摩擦损耗，是一种常用的传动方式。
直线导轨传动具有高刚性和稳定性，适用于大型铣床。
二、优化传动结构为了提高传动效率和减少传动误差，传动结构的设计也非常重要。
例如，在滚珠丝杠传动系统中，应根据实际需求选择合适的导程和螺旋角，以确保工作台的移动速度和加工精度。
同时，应优化螺杆的预紧力和润滑方式，以减少传动误差和磨损。
另外，还可以采用双螺杆传动或多点支撑的方式，提高传动刚性和稳定性。
三、加强系统的刚性和稳定性立式数控铣床工作台（X轴）进给传动系统必须具有足够的刚性和稳定性，以保证加工精度和表面质量。
可以通过增加横梁的强度、加大导轨和导轨座的尺寸、合理布置压板和紧固件等方式来增强系统的刚性。
同时，还可以通过使用高精度的轴承和精密的配合来减小系统的摩擦和间隙，提高系统的稳定性。
四、选择适当的驱动和控制系统立式数控铣床工作台（X轴）进给传动系统的驱动和控制系统也需要根据实际需求来选择。
可以选择伺服电机驱动系统，通过与编码器和控制器的配合，实现精确的位置控制和速度调节。
另外，还可以选择闭环步进电机驱动系统，具有简单、易用和成本低的优势。
需要根据加工要求和预算来选择适当的驱动和控制系统。
总之，立式数控铣床工作台（X轴）进给传动系统的设计对于加工质量和效率至关重要。
数控机床的进给传动系统
3.2 联轴器
机械式
刚性
固定式-套管联轴器、凸缘联轴器及夹 壳联轴器等
可移式-齿轮联轴器、十字滑块联轴器及 万向联轴器等
弹性
金属弹性联轴器-簧片联轴器、膜片联轴 器及波形管联轴器等
非金属弹性联轴器-轮胎式联轴器、整 圈橡胶联轴器及橡胶块联轴器等
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3.2 联轴器
下面，介绍几种数控机床常用的联轴器。 1.套筒联轴器 如图3-2所示，套简联轴器由连接两轴轴端的套简和连接套简
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3.2 联轴器
止振松，用螺母加弹簧垫圈锁紧。图3-3( b)为十字滑块联轴 节，接头槽口பைடு நூலகம்研配，适于负载较小的传动。
2.凸缘式联轴器 如图3-4所示，凸缘式联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器分
别与两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体，以传 递运动和扭矩。 凸缘式联轴器有两种对中方法:一种是用一个半联轴器上的凸 肩与另一个半联轴器上的凹槽相配合而对中(图3-4( a）另一 种则是共同与另一刘分环相配合而对中(图3-4(b))。 凸缘式联轴器的材料可用HT250或碳钢，重载时或圆周速度 大于30m/s时应用铸钢或锻钢。它对于所连接的两轴的对中性
与轴的连接件(键或销钉)所组成，一般当轴端直径d≦80mm 时，套简用35或45钢制造;d>80mm时，可用强度较高的铸铁 制造。 此种联轴器构造简单，径向尺寸小，但其装拆困难(轴需作轴 向移动)且要求两轴严格对中，不允许有径向及角度偏差，因 此使用上受到一定限制。 由于伺服电动机性能的提高，目前许多场合采用伺服电动机 与丝杠直接相联，如图3-3所示。图3-3(a)用锥销连接，为防
这种联轴器传递功率大，转速高，使用寿命长，能适应较大 的相对位移，能在受振动和冲击载荷等恶劣条件下连续工作， 安装、使用和维护方便、简单，作用于系统中的负荷小、噪 声小，因而在数控机床的进给传动系统中应用广泛。
数控机床的进给传动系统
互转换的新型传动装置。它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠 螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。
2．滚珠丝杠螺母副分类
滚珠丝杠螺母副按滚珠的循环方式有外循环和内循环两种。 图3-13（a）所示，滚珠循环过程中与丝杠始终接触称为内循
间的夹角，理想接触角β等于450。 此外还有丝杠螺纹大径d、丝杠螺纹小径d1、螺纹全长l、滚珠直径db、螺母螺纹大径D、
螺母螺纹小径D1、滚道圆弧偏心距e以及滚道圆弧半径R等参数。
二、滚珠丝杠副的特点
1．滚珠丝杠副的优点 （1）传动效率高 （2）运动平稳 （3）高精度 （4）高耐用性 （5）同步性好 （6）高可靠性 （7）无背隙与预紧
1．双螺母消隙
（1）垫片调隙式单螺母消隙
四、滚珠丝杠的支撑结构
图3-19 滚珠丝杠的支承结构
（1）一端装止推轴承（固定-自由式）。这种安装方式如图319a）所示。其承载能力小，轴向刚度低，易产生弯曲变形， 仅适用于的长度较短丝杠。
2）一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定-支承式） 这种安装方式如图3-19b）所示。当滚珠丝杠较长时，一端装 止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减小丝杠热变 形的影响，止推轴承的安装位置应尽量远离热源或安装到冷却 条件较好的地方。
图3-20所示为数控卧式铣镗床主轴箱进给丝杠的制动装置示意 图。
六、滚珠丝杠的防护
滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘 或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在 机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套 管、伸缩套管以及折叠式套管等。
3 机床总体设计和传动系统设计
1
教学目的和要求 了解机床设计应满足的基本要求； 了解机床设计的步骤； 熟悉机床总体布局要求； 掌握机床主要技术性能参数的内容； 掌握转速图、结构网、结构式的各自含义； 掌握主运动链转速图的拟定与结构网的绘制； 掌握等比结构串联系统的级比规律； 了解扩大变速范围的方法； 熟悉齿轮齿数的确定； 熟悉主轴箱的温升与热变形对机床运转带来的影响。
2828主参数大多数情况下用折算值表示其折算值等于主参数乘以折算系数机床名称主参数名称主参数的折算系数第二主参数单轴自动车床最大棒料直径转塔车床最大车削直径110立式车床最大车削直径1100最大工件高度卧式车床床身上最大工件回转直径110最大车削长度摇臂钻床最大钻孔直径最大跨距立式钻床最大钻孔直径卧式铣镗床镗轴直径110坐标镗床工作台面宽度110工作台面长度外圆磨床最大磨削直径110最大磨削长度内圆磨床最大磨削孔径110平面磨床工作台面宽度11028292929端面磨床最大砂轮直径110齿轮加工机床大多数是最大工件直径110大多数是最大模数龙门铣床工作台面宽度1100工作台面长度卧式升降台铣床工作台面宽度110工作台面长度龙门刨床最大刨削宽度110最大刨削长度牛头刨床最大刨削长度110最大插削长度110机床名称主参数名称主参数的折算系数第二主参数30301运动参数运动参数是指机床的主运动进给运动和辅助运动的执行件的运动速度如主轴工作台刀架等的运动速度
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二 、 机床设计方法和步骤 机床设计方法
理论分析、计算和试验研究相结合的设计方法是机床设计 的传统方法，随着科学技术的进步，机床设计的理论和方法也 不断进步。计算机技术和分析技术的迅速发展，使得计算机辅 助设计(CAD)和计算机辅助工程(CAE)等技术，已经应用于机床 设计的各个阶段，改变了传统的设计方法，由定性设计向定量 设计、有静态和线性分析向动态和非线性分析、由可靠性设计 向最佳设计过渡，提高了机床设计的质量和效率。
第三节 数控车床进给装置
数控车床Z轴进给装置实物
1—滚珠丝杠 2伺服电动机 6—挡铁 7、8、9—镶条 11—法兰 12、 13—锥环
CK6140的Z轴进给装置
伺服电机安装在左侧，电机轴与滚珠丝杠用滑块式联轴器连接，丝杠螺母与溜板箱紧 固连接，床鞍的纵向移动由丝杠转动带动螺母与溜板箱移动来实现。丝杠的左端支承在三 个角接触球轴承上，两个向左开口，一个向右开口，以承受径向力和主要向右的轴向力。 丝杠后端支承在深沟球轴承上，后端轴向有一定的伸缩空间，可以补偿由于温度变化引起 的丝杠伸缩变形。
1.数控车床对进给传动装置的要求
较高的传动精度与定位精度；较宽 的进给调速范围；动态响应速度要 快；无间隙传动；精度稳定性好， 寿命长；使用维护方便等。
2.数车进给装置组成
常见传动形式：进给电机—联轴器—滚珠丝杠副+导轨
进给装置 实物示意图
进给装置 传动示意图
2.数车进给装置组成
构造
CK7850的X轴进给装置
《数控机床机械结构与装调工艺》
第三章 数控车床结构机械与装调
第三节 数控车床进给装置
数控车床的组成
❖ 以全功能卧式数车为例
主传动装置
纵向进给 装置
刀塔部件
横向进给 装置 尾架部件
基础件
第三节 数控车床进给装置装调
第三节 数控车床进给装置装调
1.数车对进给传动装置要求 2. 数车进给装置组成
Z轴进给装置机械装调
数控机床的进给传动系统
1.外循环
外循环方式则在循环过程中滚珠与丝杠 脱离接触，制造相对容易些，刚性差， 噪音大，易磨损
2.内循环
内循环方式指在循环过程中滚珠始终保 持和丝杠接触。这种方式结构紧凑， 但要求制造精度较高。
第二节 进给传动机构
外循环式
a) 螺旋槽式
垫片式消隙 1-螺钉 2-调整垫片
滚珠丝杠螺母副的轴向间隙的调整方法
2.螺纹调隙式 通过转动螺母改变两个螺母间位移来消除传动副
的轴向间隙。 优点：调整方便，在出现磨损后还可以随时进行补充调整。 缺点：轴向尺寸较长，会增加丝杠螺纹部分的长度。
螺纹式消隙 1-圆螺母 2-销紧螺母
滚珠丝杠螺母副的轴向间隙的调整方法
• ②双圆弧型面。图b，当偏心决定后，只在滚珠直径滚道内相 切的两点接触，接触角不变。
螺旋滚道形状
第二节 进给传动机构
滚珠丝杠螺母副的特点:
1）传动效率高 2）给予适当预紧 3)运动平稳，无爬行现象，传动精度高 4）有可逆性 5)磨损小，使用寿命长 缺点 制造工艺复杂 不能自锁
二、滚珠丝杆螺母副的循环方式
通常用图文格式进行标注 。
滚珠丝杠标注方法
第二节 进给传动机构
滚珠丝杆的支承与制动 1)支承方式 ①一端装推力轴承 ②一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承 ③两端装推力轴承 ④二端装推力轴承及深沟球轴承
滚珠丝杠的支撑方式
(a)仅一端装推力轴承;(b) (c)两端装推力轴承;(d)两端装推力轴承和深沟球轴承
么?何为内循环和外循环方式? • 7.12 丝杠支承有哪几种?特点是什么?各适用
于什么情况下? • 7.13 滚珠丝杠副精度选择的原则是什么? • 7.14 试述滚珠丝杠螺母副消除问隙及预加载
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第三章 CA6140数控化改造进给系统设计分别对原CA6140车床的纵向、横向进给进行改造，用伺服电机带动滚珠丝杠螺母副，来代替原来各种光杠，进行数字化控制。
本章的主要内容是完成纵向和横向进给的设计计算、滚珠丝杠螺母副的选择，以及相应的纵向、横向步进电机的型号选择与校核等。
3-1 滚珠丝杠螺母副的特性与工作原理在进行CA6140卧式车床的数控化改造中进给系统横向以及纵向都采用了滚珠丝杠副，可以提高进给系统的灵敏性、定位精度和防止爬行等优点。
滚珠丝杠副的传动效率高达80%~98%，是普通滑动丝杠的2~4倍，滚珠丝杠副的摩擦角小于1度，因此不会自锁。
丝杠与螺母之间填入滚珠，这使得丝杠与螺母之间的运动成为滚动。
丝杠、螺母和钢珠都由轴承钢制成，经淬硬、磨削。
在丝杠上有回柱器，是一个闭路循环通道，滚珠在其中循环滚动，从而实现了精确的进给过程。
3-2主运动电机的校核由《机械设计手册》中得知：切削功率Pm：Pm =103-FCVC(KW)式中 FC--切削力（N）VC--切削速度（m/s）主运动电机的功率PE:PE =ηMPη=0.7~0.85CA6140车削时总切削力分解为：切削力FC 、背向力FP、进给力Ff切削力FC：FC =CCFaPCFX f C F Y VCCnF KCF背向力F：PFP =CPFaPPFX f P F Y VCPnF KPF进给力Ff：Ff =CfFaPfFX f Ff Y VCfnF KfF式中：aP--背吃刀量（mm）f---进给量（mm/r ） V C --切削速度（m/min ）本设计假设加工材料为Q235钢，加工零件直径按床身上最大工件回转直径即400mm 计算极限值，最高转速为1440r/min ；刀具选择YT5和YT15硬质合金焊接式车刀（YT5用于粗车用刀具，YT15用于精车用刀具）分别计算车床在精车或粗车时所受各力大小来校核电机功率是否满足要求。
a) 粗车过程刀具选择YT5,根据车削用量标准，毛坯直径为d=410mm ，背吃刀量为 3.5mm ，此时进给量为0.7~1.0mm/r ，切削速度为60~75m/min 。
根据《机械设计手册》的：C CF =2650 X CF =1 Y CF =0.75 n CF =-0.15 K CF =1 K PF =1K fF =1 C PF =1950 n fF =-0.4 C fF =2880机床主轴的转速：n=1000V C / d=1000*75/(3.14*410)=58.26r/min根据以上参数的具体数值可以的到切削力F C 、背向力F P 、进给力F f ：F C =C CF a PCF X f CF Y V CCnF K CF=2650*3.5*0.70.75*75-0.15*1=3714.31NF P =C PF a PPF X f PF Y V CPnF K PF=1950*3.50.9*0.70.6*750.3-*1=1331.18NFf =CfFaPfFX f Ff Y VCfnF KfF=2880*3.5*0.70.5*750.4-*1=1499.63N 切削功率PM:PM =103-FCVC/60=103-*3714.31*75/60=4.64KW主传动电机功率PE；PE =ηMP=4.64/0.85=5.46KW即说明CA6140本身提供的电动机功率为5.5KW满足粗车要求。
b) 精车过程此时工件直径为400mm，切削速度为150m/min 则主轴转速为：n=1000VC/πd=1000*150/(3.14*400)=119.43r/min根据此车床主轴转速系列，可以得到转速n选为125r/min则可得精车背吃刀量为2mm，进给量为0.6mm/r，进给速度为150m/min代入公式得：FC =CCFaPCFX f C F Y VCCnF KCF=1696.20NFP =CPFaPPFX f P F Y VCPnF KPF =597.70NFf =CfFaPfFX f Ff Y VCfnF KfF=620.18N 切削功率PM:PM =103-FCVC/60=103-*1698.29*150/60=4.2KW主传动电机功率PE；PE =ηMP=4.2/0.85=4.94KW即说明CA6140本身提供的电动机功率为5.5KW满足精车要求。
根据在精车和粗车两个过程的比较，得到在粗车过程中所受的各力都比精车过程中的力要大，所以在整个CA6140机床的数控化改造过程中应该按粗车的各个参数来进行计算。
3-2 纵向进给机构的设计与校核3-2-1 纵向（Z向）滚珠丝杠副的设计计算与选型纵向（Z向）即机床的Z向进给，其系统结构有步进电机经减速装置后驱动丝杠，而螺母固定在溜板上，从而带动车刀来回运动。
1）计算纵向滚珠丝杠的轴向力由公式 Q=KFf +f*(FC+Fp+G)式中 f*--当量摩擦系数（对于正常润滑的导轨当量摩擦系数为0.15~0.18）K—填覆力矩影响三角形和矩形导轨 K=1.1~1.5G—活动部件的质量；由此得：Q=KFf +f*(FC+Fp+G)=1.15*1499.63+0.18*(3714.31+1331.18+1470)=2897.36N 2) 寿命计算寿命系数K h ：K h =(L h /500)3/1=(15000/500)3/1=3.11其中根据《机械设计手册》得到普通数控机床的预期寿命为15000小时。
转速系数K N :K N =(33.3/h)31/=0.81 基本额定动载荷C A C a ≥NhK K K F K H K L Q=81.011.3*1.5*1*1*2897.36=16.69KN 式中：K F -- 载荷系数（中等冲击为1.5）； K H -- 硬度系数；K L -- 短行程系数。
3) 选择滚珠丝杠副的的型号根据计算其基本额定动载荷C a ≥16.69KN ，选择滚珠丝杠的型号为 GD4006-4-P4。
其基本参数为：螺母安装尺寸：可得到其公称直径 d 0=40mm 导程 P N =6mm螺旋角λ=arctan(6/40π)=2.73° 滚珠直径D W =3.393mm 滚道半径R S =0.52*D W =2.08mm 偏心距 e=0.707*(R S -2WD )=5.6*102-mm4) 滚珠丝杠的强度计算滚珠丝杠受到工件的轴向力与转矩，但是转矩作用于滚珠丝杠上的弯矩很小。
根据第三强度理论有σ=】【21321)0.2d T (3)d 4(+πQ =】）（【2322.352.0160003)35.23.142897.364(⨯+⨯⨯ =1.04Mpa[σ]=5Sσ=235/5=47Mpa(Q235的屈服强度为235Mpa)≤σ[σ] 说明滚珠丝杠的强度满足要求。
5）滚珠丝杠副的稳定性计算CA6140机床根据节约成本前提选用两端铰支支撑。
计算滚珠丝杠的柔性：（滚珠丝杠的长度为1500mm ）λ=ilμ=(35.2/4)15001⨯=170.45≥pλ=100临界载荷Q C:Q C =22λπE ⨯A=2245.170200000⨯π⨯42.352⨯π=66KNQQ C=90.266=22.75≥4 则说明纵向（Z 向）滚珠丝杠副稳定。
6） 纵向（Z 向）滚珠丝杠副刚度计算与校核 滚珠丝杠螺母副在工作载荷FMAX和扭矩的共同作用下，所引起的导程变形总误差：∆=（±KEA Q 1000±GIMP Nπ500）⨯103式中：A —丝杠截面积G —丝杠材料的剪切弹性模量（对于钢材G=82400N/mm 2）K —安装方式系数（固定-自由K=1；固定-固定K=0.25） 代入数据：∆=（0.2565.97210236.289710005⨯⨯⨯+15064382400014.306.29056500⨯⨯⨯⨯）⨯103=3.944纵向滚珠丝杠刚度： K δ∑=∆Q = 3.94436.2897=720≤962则滚珠丝杠螺母副的刚度满足要求。
7）效率计算丝杠螺母传动效率η为：η=)(tan t ρλλ+an 式中：ρ=0.14° λ=arctan(π406)=2.73带入数值得：λ=)0.14(2.73tan 73.2tan ***+=0.974 丝杠螺母副的η要求是在92%~96%之间，所以滚珠丝杠满足要求。
8）驱动转矩 螺纹转矩： T 1=Q 2d 0tan(λ+ρ)=2897.36⨯240tan(2.73°+0.14°)=2905.06N.mm 轴承摩擦力矩：T 2=320N.mm （根据轴承的选择得到）总的驱动力矩： T=T 1+T 2=2905.06+320=3225.06N.mm ≤17600N.mm 所以其驱动力矩满足条件。
3-2-2 丝杠轴承的选择两端选用一对推力球轴承，另一端选择简支方式，选择7602030TVP/DF,内径⨯外径⨯宽=30mm ⨯62mm ⨯16mm,额定动载为C=20KN,预加载荷F=2900N 平均载荷F M=4300N轴承寿命： L=(FC )P=(MF F C +)P=(4300290020000+)3=21.4(106h)h=AVN L 60106⨯=1336h式中N AV为平均转速N AV=267r/min能满足要求，简支端轴承只受丝杠的部分重量，不需要计算。
3-2-3 伺服电机的选型 1）最大切削负载转矩 最大载荷FMAX=2897.36N ,丝杠导程P h=0.006m丝杠螺母副的摩擦系数为0.85 摩擦力矩为0.3N.m 单个7602030TVP/DF 的摩擦力矩为320N.mm,故一对推力球轴承为F 2F =0.64N.m 。
丝杠与伺服电机直接相连，故i=1,则： 最大切削负载转矩为：T=(85.02006.036.2897⨯⨯π+0.3+0.64)=4.19N.m2） 惯量匹配工作台及工件最大重力为1470N ，则其惯量为： J 1=m(π2HP )2=147⨯(π2006.0)2=1.34⨯104-kg.m 2丝杠直径d=40mm=0.4m,长度为l=1.5m,则其丝杠的惯量J 2为：J 2=32πρd 4l=π⨯243.325.104.0108.7m kg ⨯⨯⨯=0.0029kg.m 2 选用普通的联轴节惯量为： J 3=0.0006kg.m 2J 2、J 3为同轴，则负载惯量：J L =J 1+J 2+J选择步进电机的J M应使其满足：J L≤JM≤4J L 即：0.0043≤JM≤0.01708根据以上计算选择北京数控厂生产的FB-15型电机，其J M=0.019kg.m 2FB-15型电动机的性能参数： 最高转速N MAX(r/min) 1500 额定转矩T R (N.m) 17.6最大转矩TMAX(N.m) 154转子惯量J M(kg.m 2) 0.019反电动系数K E(S.V/rad)0.583-3 横向（X 向）进给系统的设计与选型横向进给系统和纵向进给系统一样，也是需要一个步进电机来驱动滚珠丝杠螺母副来实现准确的数字化控制进给位移，在此小节重点也是在横向滚珠丝杠螺母副的选型及校核、丝杠轴承的选择以及步进电机的选型与校核。