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1、 前言随着社会生产和科学技术的发展，机械产品的性能和质量的提高。产品的更新换代也不断的加快。因此对机床不仅要求迅速适应产品零件的换代有教高的精度和生产率，而且应有教高的精度和生产率，生产的需要促使数控机床的产生。随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速发展起来。数控机床的进一步设计的必要性可以解决形状复杂小批零件的加工问题，稳定加工质量和提高生产率。但是由于受其它条件的限制，例如价格、精度等问题。所以设计改造数控机床的进给系统是刻不容缓的。数控机床进给传动系统的设计，其中包括进给系统的轴向负载计算，导轨的设计与选型，滚珠丝杠螺母副的选型计算，进给传动系统的动态特性分析误差计算，驱动电
2、动机的选型计算，驱动电动机与滚珠丝杠的连接等等。通过这次综合课程设计，可以达到以下目的：1、培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2、强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3、使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4、培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度。一、进给伺服系统概述数控机床伺服系统的一般结构如图所示： 数控机床进给伺服系统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
3、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。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超载能力，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超载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
4、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回馈全部数字化、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，使控制精度和质量大大提高。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和死循环系统。死循环控制方式通常是具有位置回馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，死循环系统又分为半死循环系统和全死循环系统。半死循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
5、位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全死循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死循环系统低，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。 全死循环系统控制精度高、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。因此全死循环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。死循环系统中采用的
6、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，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。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
7、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。二、 总体设计方案的拟定2.1 系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。本次设计的机床要求具有定位、直线插补、顺、逆圆弧插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。2.2 控制方式的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。本次设计的机床精度要求高，但
8、考虑到经济及调试等问题，选用半闭环型的控制系统。2.3 机械传动方式目前数控铣床的纵向和横向多采用伺服电机，进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等，以尽量减小反向间隙。我们这里拟采用的是滚珠丝杠副传动，以减少摩擦系数，提高进给机构的整体刚度。滚珠丝杠与电机间用联轴器直接连接，以消除间隙。三、滚珠丝杠副的设计3.1 滚珠丝杠副的计算计算参数：工作台重量 22Kg加工对象重量 8Kg工作台Y向最大行程 500mmY向进给速度 2m/min进给抗力 X250N Y:150N Z:200N定位精度 0.01mm重复定位精度 0.005mm(1) 计算进给轴向力(N)丝杠上的工作载荷
9、Fm是指滚珠丝钢负载驱动工作台时滚珠丝钢所承受的轴向力，也叫进给牵引力。它包括三个力：滚珠丝杆的走刀抗力、工件的重力、作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。矩形导轨的工作载荷的计算公式为：式中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形滑动导轨取K=1.4； 滑动导轨摩擦系数：贴塑导轨为0.03-0.05，取0.03； G工作台、夹具和刀具的重量，G=309.8=294N。则 （2）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，即式中 载荷性质系数（平稳或轻度冲击时为1.01.2，中等冲击时为 1.
10、21.5，较大冲击或振动时为1.52.5）本式中去=1.2； 硬度系数（时为1.0，等于55时为1.11，等于52.5时为1.35，等于50时为1.56，等于45时为2.40）本式中取=1； L滚珠丝杆工作寿命，以r为1个单位；本次设计中，电机与丝杆通过联轴器直接相连，减速比i=1，工作台的最高进给速度达到2m/min，选用丝杆导程为5mm的丝杆，丝杆的最高转速为1500r/min。故丝杆的最低转速为可取为0，则平均转速n=（1500+0）/2=750r/min故丝杆的工作寿命为L=675式中 T丝杆使用寿命，按设计机床要求取T=15000h； n丝杆平均转速；代入上式得 （3）静强度计算当转
11、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 式中 滚珠丝杆的最大轴向负载； 静态安全系数，当为一般运转时，=1-2，=2-3，本式中=2.5；则，上式为= 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25053型，3列2圈外循环螺纹预紧滚珠丝杆副。其名义公称直径为25mm，导程5mm，滚珠直径3.175mm。额定动负荷9309N，额定静负荷21569N。动载荷与静载荷载均满足要求。（4）滚珠丝杆支承选择滚珠丝杠的支承形式有四种：一端固定，一端自由，这种安装方式承载能力小，轴刚度低，只是用于短丝杆，一般用于数控机
12、床的调节环节或升降台式数控铣床的立向坐标中；一端固定，一端简支，此种可用于丝杆较长的情况；两端固定，这种安装方式适用于承载能力大，高速，高刚度，高精度的机床。从刚度计算可以看出，丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大。而采用两端固定的支承方式，压杆的稳定性和临界转速高，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍，丝杠可以预拉伸，预拉伸后可减小丝杠自重下垂和补偿热膨胀且轴承组合的刚度高。本传动系统的丝杆采用两端固定的结构形式。初步选用角接触球轴承36304，既可以承受轴向力，也可以承受径向力，中间用套筒分开。（6）传动效率的计算丝杠螺母副的传动效率为= 式中 摩擦角=10摩擦角= = =0.960滚珠丝杠的传动
13、效率高，这可使丝杠副的温度变化较小，对减小热变形，提高刚度、强度都起了很大作用。（7）确定滚珠丝杠的长度 滚珠丝杠副的螺纹长度Ls (3-12)式中： Lv有效行程+螺母长度，mm；Le余程，取20mm；(2)丝杠全长L综合考虑各项几何尺寸要求，取L为830mm。（8）滚珠丝杠基本尺寸主要尺寸计算公式 计算结果（mm）公称直径 25基本导程 5接触角钢球直径 3.175滚道法面半径RR=0.521.651螺纹升角 偏心距 ee=(R-)sin0.004螺杆外径dd=-（0.20.25）24.2螺杆内径d=d+2e-2R21.7螺杆接触直径=-cos18.5螺母螺纹直径DD=-2e+2R28.3螺母内径=+（0.20.25）25.83.2 滚珠丝杠的校核（1）压杆稳定性 细长杆在受压缩载荷时，不会发生失稳的最大压缩载荷为临界载荷。 =(N) 式中 实际承受载荷的能力，N； 压杆稳定的支承系数（双推双推式为4，单推单推式为1，双推简支式为2，双推自由式为0.25）； 钢的弹性模量，2.1 滚珠丝杠底径的抗弯截面惯性矩，； 压杆稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取小值； 丝杆最大受压长度，m； 丝杠公称直径，m； 滚珠直径，m。 代入数据得 = 临界载荷与工作载荷Fm之比称为稳定性
