（数控加工）数控机床进给系统设计第壹章、数控机床进给系统概述数控机床伺服系统的壹般结构如图图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；快速响应且无超调；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。壹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，且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之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式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。数控车床的进给传动系统壹般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的壹个特殊部分。1.2、伺服系统的分类数控车床的伺服系统壹般由驱动控制单元、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。检测元件和反馈电路组成检测系统。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俩种类型。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，而且仍和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。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，且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。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，且随着新技术的发展而不断完善，具体体当下三个方面。壹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和应用；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。1.3、主要设计任务参数车床控制精度：0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度：Vmax=540mm/min。最大加工直径为Dmax=400mm，工作台及刀架重：110；最大轴，向力=160；导轨静摩擦系数=0.2；行程=1280mm；步进电机：110BF003；步距角：0.75；电机转动惯量：J=1.810-2.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。电机和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壹般采用齿轮传动副来达到壹定的降速比要求，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，总存在着壹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。图21电机和丝杠间的联接形式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，能够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，且同步带和带轮的制造工艺复杂。2.3、电机通过联轴器直接和丝杠联接如图2-1c）所示，此结构通常是电机轴和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，且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，能够提高机床的分辨率，且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7.84,步距角0.75,电机转动惯量：J=1.810-2.m2；快速空载启动时电动机转速。进给传动链的脉冲当量.选滚珠丝杠的螺距为12mm.由（31）式中步进电动机的步距角脉冲当量，mmS丝杠螺距,mm3.2、减速齿轮的确定选择壹级减速器，选齿轮，模数，齿宽。选择斜齿轮调隙，齿轮的参数如表31。31齿轮参数表法向模数2齿数20齿形角齿顶高系数螺旋角15o径向变位系数0精度等级配对齿轮图号齿数50公差组检验项目代号极限偏差值10.09020.01630.01340.016第四章、丝杠螺母机构的选择和计算已知条件：工作台及刀架重：110,所以重量为最大行程：1280mm，失动量：，工作台最高速度：查表选择丝杆预期寿命：小时，摩擦系数。则导轨的静摩擦力FO。（41）最大轴向负载4.1、动载强度计算当转速时，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，其计算动载荷应小于或等于滚珠丝杆螺母副的额定动负荷，即（42)式中动载荷系数，见表31;硬度影响系数，见表3-2;当量动负荷，N;滚珠丝杠；螺母副的额定动负荷，N；寿命，以r为壹个单位。(43)式中T使用寿命，h；按设计机床要求取T=15000hN循环次数：滚珠丝杠的当量转速，r/min。(44）代入上式得（45）表4-1动载荷系数载荷性质载荷性质平稳轻微冲击较大冲击和振动中等冲击表4-2硬度影响系数、硬度5552.55047.545401.01.111.351.561.922.403.851.01.111.401.672.102.644.50当工作载荷单调连续或周期行单调连续变化时，则（46）式中最大和最小工作载荷，N。查表4142取=1.5=1.56代入上式得（47）4.2、静强度计算当转速时，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，最大计算静载荷为（110）式中硬度硬度影响系数，见表52；取=1.67.滚珠丝杠螺母副的额定静负荷，N。代入得（48）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。其基本参数为公称直径，导程，滚珠直径。额定动负荷，额定静负荷。动载荷和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（49）（410）式中临界转速计算长度，m；丝杠支撑方式系数。俩端固定时，代入数据得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，已知其轴向载荷，滚珠丝杠的转速，运转条件系数，则有（411）（412）滚珠丝杠螺母副的总工作寿命，故满足要求。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（51）式中齿轮分度圆直径，mm，；（52）齿轮宽度，mm。5.12、大齿轮转动惯量（53）式中齿轮分度圆直径，mm（54）5.13、计算工作台的转动惯量JW（55)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(56）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：（57）5.2、电动机力矩的计算5.2.1、计算加速力矩Ma（58）5.2.2、计算摩擦力矩Mf（59）式中传动链总效率，取=0.8。5.2.3、计算附加摩擦力矩（510）式中传动链总效率，取=0.8；滚珠丝杠未预紧时的效率，取=0.9。5.2.4、空载启动时电动机所需力矩：（511）因此，选用7.84的步进电机满足要求。第六章、丝杠螺母机构的传动刚度计算滚珠丝杠壹段轴向支撑，丝杠的最小拉压刚度和最大拉压刚度分别为：（61)(62）式中E弹性模量。按近似估算，将丝杠本身的拉压刚度乘以1/3，作为传动的综合拉压刚度，即：（63）（64）反向死区误差计算（65）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，应使（66）满足由于传动刚度变化引起的定位误差小于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，其俩端支承的配置情况有：壹端轴向固定壹端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；壹端固定壹端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及俩端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高