679 经济型数控车床横向进给系统设计

0、绪论

本设计课题为：经济型数控车床横向进给系统设计 。因为我们没有精良的 加工工具或者是自动化系数等各方面远远的不及西欧等国家。 所以我国的机械制 造业与他们的有着很大的差距的原因，。制造业是关系到国际民生的大事，是富 民强国的必要因素，我国要有更好的发展，必须形成我们自己富有特色的现代化 制造体系。

随着时代的发展，科技的日新月异，数控技术的应用范围日益扩大，数控机 床及其系统己成为现代化机器制造业中不可缺少的组成部分。 面对我国目前机床 拥有量少、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工 业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度，保证加工质量，减轻劳动强 度，提高经济效益。

“横向进给系统”“主传动系统”和“纵向进给系统”被称为车床的三大核 心系统，其重要地位是不言而喻了。三大系统的精确性、准确性、必将影响加工 产品的性能。而实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控机 床，并对原有的机床进行数控改造。而这就是我们课题的目的。

前提条件：1.床身上最大回转直径Ø400mm

2.快移速度x轴4m/min

3.定位精度 x 轴0.035mm

4.重复定位精度x轴0.0075mm，刀架 0.010mm

设计要求： 设计课题要求： 横向进给运动设计时， 电机与丝杠采用柔性结构， 电机选用伺服电机，对电机的大小选择进行验证，及对滚珠丝杠直径和支承形式 选择进行强度较核，设计精度达原始数据。

本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的， 该系统设计成功一 旦应用到生产实践中， 将使工厂的生产的数字化水平加强，生产力水平显著提 高 ，劳动强度减轻，经济效益得到提高。

根据自己三个多月来的设计过程，编写了这本《设计说明书》， 其中，书 中肯定存在着相当的一些问题，期望领导、老师给予批评，指正。

1、国内外发展概况及现状介绍

从上世纪五十年代数控技术开始发展到1965 年，数控装置从最初的电子管 元件、晶体管元件、集成电路到目前使用比较普遍的小型计算机和微处理器共经 历了五代的发展。世界主要工业国家的数控机床己进入了指生产阶段。数控机床 的产量，拥有量，数控化率都在急速上升。

我国从1958看开始研究数控机械加工技术，60年代针对壁锥，非圆齿轮等 复杂形状的工件研制出了数控壁锥铣床，数控非圆齿轮插齿机等设备，保证了加 工质量，减少了废品，提高了效率，取得了良好的效果。70 年代针对航空工业 等加工复杂形状零件的急需，从 1973 年以来组织了数控机床攻关会战，经过三 年努力，到 1975 年己研制出了 40 多个品种 300 多台数控机床。经过 30 年的努 力，我国数控机床和数控系统的研制也历经了第一代电子管灵敏控、第二代晶体 管数控及第三代集成电路数控。从1975年到1979年，7年内累计生产数控机床 4108台（其中约3/4以上的数控线切割机床）。进入80年代，我国重新重视发 展数控技术，采取了暂从国外引进控制机和伺服驱动系统，为国内主机配套 的方针。1981 年，我国从日本 FANVC 公司引进了 FANVC3 系列、5 系列、7 系列 的数控系统和在直流伺服电机，直流主轴电机 技术，并在北京机床研究所建立 了数控设备厂。于 1981 年底开始验收投产，1982 年生产约 40 套系统，1982 年 生产约 100 套系统，1985 年生产约 400 套系统，伺服电机与主轴电机也配套生 产。这些系统是外国 70 年代的水平，功能较全，可靠性能比较高，这样就使机 床行业发展数控机床有了可靠的基础， 使我国的主机品种与技术水平都有圈套的 发展与提高。 经济型数控装置有步进电机驱动的开环数控装置、直流电机驱动 的半闭环数控装置和点位式经济型数控装置三种。 对于数控车床改造一般选用步 电机驱动开环数控装置。选择时主要考虑以下性能：CPU 类型、用户容量、控 制轴或联动轴数、设定单位、插补类型、编程尺寸及编程标准，G、M、S、T、 F功能、刀补功能、间隙补偿功能及循环功能、显示方式及显示信息的形式。绝 对编程、增量编程、程序输入方式以及报警、诊断等。根据需要选择相应的性能。

步进电机驱动单元的性能参数：步进电机性能参数及安装尺寸，控制箱与电 机的接线型式。系统的快速度给速度、空载起动频率，静态转矩，系统升频降频 时间，起动矩频特性、起动惯频特性、运行矩频特性。驱动电路的型式：高低压 驱动电路、斩波驱动电路、调频调压驱动电路、细分驱动电路、电流检测型功率 放大电路等。不同的电路型式、其工作性能不同，根据加工需要合理选择。

刀架控制与驱动系统主要考虑刀架型式，如四位或八位电动刀架，或转塔六 位刀架。定位精度及重复定位精度，换刀时间、刀具选择时刀架的转向、夹紧力。 刀杆尺寸及装夹刀具结构型式等性能参数。我国己有少数产品开始进入国际市 场，还有几种合作生产的数机床返销国外。目前，我国除了能独立地设计与生产

常规的数控机床外，还能生产五坐标数控铣床，加工中心以及柔性制造系统，如 北京机床研究所开发研制的 JCS-FMC=1，JCS=FMC-2 柔性加工单元，XH715 型立 式加工中心，民明机床古物 THK4680 型全闭环精密加工中心，沈阳中捷友谊厂 的TK66100卧式铣削加工中心，青海第一机床厂的XH754卧式加工中心等。这一 切都说明，我国的机床数控技术进入新的发展时期，预计在不远的将来会赶上或 超过世界先进国家水平。

2．总体方案论证

2．1 选择动力系统

经济型的数控机床动力系统可分为三类

1．步进电机式

采用步进电机驱动与定位，是开环系统，同时限于造价，不再采用其它措 施补偿位置误差。由于目前功率步进电机力矩还不太大，所以机床的空选种 速度较低，一般用于半精加工。这种系统具有 2-3 种插补功能，通过软件控 制接口，可加工锥面，螺纹，简单外形的曲面等十分灵活。由于性价比较恰 当，一般中小型企业在技术力量和财力上都比较容易实现，因此在全国较容 易推广，普及。

2．交流点位式

采用交流电机变频驱动，用光栅数字点位控制，与步进电机相比，提高了 定位精度。光栅分辨率可达0.001mm，重复定位精度为0.005mm，所以加工精 度较高。由于采用交流电机驱动，功率大，可进行大切屑量加工零件加工中， 效果尤为显著。目前，交流点式系统只能加工柱面，不能加工曲面和螺纹功 能上有限，而且成本高，使性能价格比相对下降，一般用于大企业或专业化 工厂使用，国内用的很少。

3．半闭环连续控制式

采用直流伺服电机驱动，以脉冲编码器检测位置，实现半闭环连续控制。

由于采用高性能直流伺服电机驱动，扭矩大，速度高，过载能力强，可进行 强力切削。当丝杠螺在 6mm 左右时，快速可达 8～9m/min，且不丢步，效率 高。该系统功能齐全，还带有可编程序控制器，使强电计大大简化。

以上三种驱动方式而言，各有利弊。经过比较选择直流伺服电机驱动因 为速度高，过载能力强，且拥有可编程序控制器，易学易用，在机床伺服控 制系统中，步进电机人微言轻执行单元，具有控制方便可靠，价格低，且适 合于开环控制等特点，因此在简易数控机床中得到广泛的应用。但由于步进 电机步距角、功率较小，存在振荡等弱点的限制，在高精大功率应用场合并 不很合适，故考虑采用伺服电机控制。

2.2 选择传动装置

数控机床半闭环进给系统中伺服电动机经齿轮副（或同步齿形带副），滚珠