588_半闭环数控车床进给部件设计

摘要

本文对数控车床进给部件系统的设计进行了重点论述，对该机构的主要组成 部件：滚珠丝杠副、步进电机、传动齿轮等进行了设计计算与选型。其中对滚珠 丝杠副、伺服电机的设计计算及选型作了详细论述。进行这一设计主要是为了进 一步地提高数控车床进给机构的定位精度，重复定位精度，以使其能够可靠地运 行， 且能满足各项性能指标的要求， 达到预期的结果， 即满足设计任务书的要求。 最后，本文还对典型零件进行了数控编程，并绘制了数控车床典型零件编程图、 数控车床传动示意图、数控车床液压原理图以及该数控车床进给机构的装配图。 此结构简单可靠，可应用于相似的各类数控车床上。当今的世界，制造业在经济 发展中占有十分重要的地位，机械制造业更加是制造业中的支柱与核心。数控车 床技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化， 使制造业成为工业化的象 征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要 行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所 需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

关键字：伺服进给、滚珠丝杠、数控。

I

Abstract

The article made a brilliant exposition on the designing and transformation scheme of the system of NC machine. The article also exposed brilliantly the mechanism’s mail parts: the ball-screw pairs, Stepper motor, Transmission gear and so on. Doing the design is for the sake of improving the site precision and duplicate site precision of the system. So it can work credibility, meet the require of design assignment list. Besides, the author has writed typical parts of the NC programming, designed and drawed CNC lathe programming diagram of typical components, CNC lathe drive diagram, CNC hydraulic schematic diagram and the CNC lathe feed mechanism assembly drawing. This mechanism is simple and reliable, it can apply to every similar NCmachine.In today’s world, the manufacturing industry occupies a very important position in the economic development, machinery manufacturing industryy is the pillar and more core in the manufacturing industry. Application of numerical control lathe technology has brought the revolutionary change for the traditional manufacturing industry, causes the manufacturing industry to become a symbol of industrialization, but also expands unceasingly along with the development of numerical control technology and applications, it beneficial to the people's livelihood of some important industries (IT, automobile, light industry, medical etc) plays a more and more important role in the development of, digital equipment required for these industries is a major trend of modern development.

Keywords: servo feed, ball screw, nc.

目录

摘要…………………………………………………………………………………I

ABSTRACT ……………………………………………………………………………II

目

录……………………………………………………………………………………III

1 绪论 (1)

2 双轴半闭环数控车床总体布局 (3)

3 伺服进给部件的方案比较和确定 (5)

3.1 数控系统的比较 (5)

3.1.1 点位控制系统 (5)

3.1.2 直线控制系统 (5)

3.1.3 联系轨迹控制系统 (5)

3.2 控制方式的选择 (5)

3.2.1 开环系统 (5)

3.2.2 半闭环系统 (5)

3.2.3 闭环系统 (6)

3.3 增量系统和绝对系统的比较 (6)

3.3.1 增量系统 (7)

3.3.2 绝对系统 (7)

4 X向伺服进给部件的设计 (9)

4.1 伺服驱动装置的设计 (9)

4.1.1 伺服驱动装置的特点 (9)

4.1.2 伺服驱动装置 (9)

4.2 交流伺服电机的设计 (10)

4.2.1 交流伺服电机的类型的确定 (10)

4.2.2 确定伺服电机的型号 (10)

4.3 传动结构的设计 (10)

4.3.1 伺服电机与进给丝杠的联接确定方案 (10)

4.3.2 联轴器的比较选用 (10)

4.3.3 滚珠丝杠副的特点 (11)

4.3.4 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法 (11)

4.3.5滚珠丝杠副支撑形式的确定 (12)

4.3.6 滚珠丝杠副的设计选用 (13)

4.3.7 丝杠轴承的选用 (13)

4.4 导向机构的设计 (17)

4.4.1导轨概述 (17)

4.4.2 导轨的设计任务 (17)

4.4.3方案比较确定 (17)

4.4.4 导轨材料的选择 (18)

4.4.5 直线滚动导轨副的精度选择 (18)

4.4.6直线滚动导轨副型号的确定 (18)

5 刀架的设计 (19)

5.1 数控车床刀架系统简介 (19)

5.2 各种刀架的方案比较及选择 (20)

5.2.1 排式刀架 (20)

5.2.2 回转刀架 (20)

5.2.3 带刀库的自动换刀装置 (20)

5.3 几种典型回转刀架的选择与比较 (21)

5.3.1 电机传动的回转刀架 (21)

5.3.2 液压回转刀架 (21)

5.3.3 用于车削中心的可安置动力刀具的转档刀架 (21)

6 Z向伺服进给部件的设计 (27)

6.1 方案选择与确定 (27)

6.1.1 机械传动系统方案的选择 (27)

6.1.2 丝杠的选择 (28)

6.1.3 导轨的选择 (29)

6.1.4 联轴器的选择 (29)

6.1.5 伺服电机的选择 (30)

6.1.6 确定方案 (31)

6.2 伺服进给装置的设计 (31)

6.2.1 悬臂处的滚珠丝杠副 (31)

6.3 滚动直线导轨 (32)

6.3.1结构与特征 (32)

6.3.2滚动直线导轨的优点 (33)

6.3.3导轨镶装结构 (33)

6.4 机械系统设计分析 (34)

6.4.1计算传动比i (34)

6.4.2系统刚度计算 (35)

6.4.3固有频率计算 (35)

6.5 锥环无键联轴器 (35)

6.6 滚动轴承的选择 (36)

6.6.1 常用滚动轴承的类型、特性和应用 (36)

6.6.2滚动轴承类型选择 (36)

6.6.3分析对比 (36)

7 小结 (39)

致谢 (41)

参考文献 (43)

1 绪论

目前的数控车床大多采用交流伺服电机，控制系统半闭环形式，进给方向的 精度一般为：X向0.005毫米，Z向0.01毫米。传动机构主要为滚珠丝杠副，导 向机构多为滚动导轨、少数为滑动导轨（小型数控机床）。刀架形式一般为回转 或液压式。电机一般为通常通过联轴器（多为弹性联轴器）直接与丝杠相连接， 排屑装置多为平板履带式。

为提高设计产品的质量，要重视所有的资料，深入探索研究；要重视考察实 际现有产品与理论的结合；要重视采用有效的设计方法和现代化的设计工具，要 积极推广应用价值工程，优化设计，可靠性设计等方面。

数控机床是新型的自动化机床，它对解决复杂型面和高精度零件的加工，对 单件小批量的自动化等，都具有重要意义。

数控车床利用数字化的信息对车床运动及加工过程进行控制， 是一种可编程 的通用加工设备，能自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序 的切削加工，所以特别适合加工形状复杂的轴类和盘套类零件。 与通用机床和 专用机床相比，数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和规格频 繁变化的特点，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求， 是一种柔性的、高性能的自动化车床，代表了现代控制技术的发展方向，是一种 典型的机电一体化产品，因此被广泛应用于机械制造业。 数控车床的主传动系 统包括主轴电机、传动系统与主轴组件，与普通机床相比，变速功能绝大部分由 主轴电机的无级调速来承担，省去了繁杂的齿轮变速机构，结构简单，有些只有 两极或三级齿轮变速机构系统用以扩大电机无级调速的范

数控机床作为高自动化的机电一体化设备， 其主传动系统的设计一般应满足 以下基本要求。 使用性能要求高 首先应满足机床的运动特性。如机床主轴有足 够的转速范围和转速级数，不仅有低速大转矩功能而且还要有较高的转速。传动 系统设计合理，操作方便灵活、迅速、安全可靠。 传递动力要求 主电动机和传 动机构能提供和传递足够的功率和转速，具有较高的传递效率。 工作性能要求 主传动中所有零部件要有足够的刚度、精度、和抗振性、热变形特性稳定，才能 保证加工零件有较高的质量。电动机、主轴及传动部件都是热源，低温升、小变 形是对主轴传动系统的重要指标；主轴要较高的旋转精度与运动精度；主轴轴颈 尺寸、轴承类型及装配方式，轴承预紧量大小、主轴组件的质量分布是否均匀及 主轴组件的阻尼对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响； 主轴组件必须有足 够的耐磨性，使之保持良好的精度；轴承处还要有良好的润滑。 此外，还要求 主创动系统结构简单，便于调整与维修；工艺性好，便于加工与装配；防护性好； 使用寿命长。

数控机床以其高效率、高精度和高柔性而占据大部分市场，数控机床的进给 伺服系统是数控机床技术水平的标志， 因此进给伺服系统的速度控制、 位置控制、 伺服电机控制都必须具有很高的质量控制要求，基于数控机床的各式加工任务， 其对进给伺服系统的要求有以下几点： ① 随时可实现反转。实际加工工件的 时候，要求机床执行部件要灵活地正反转运行，这些工作指令是随机的，而且是 根据加工轨迹要求来完成的。 ②精度相对较高。数控机床的定位精度和进给跟 踪精度是保证数控机床加工精度的重要内容，也是保证精度的关键。 ③传动刚

性高且速度稳定性好。 数控机床的伺服系统在负载发生变化或者切削条件产生波 动时应保证进给速度恒定， 这样就能使负载力矩变化对进给速度不影响或者影响 很小。 ④可实现低转速大转矩。在低速大进给量加工零件时要求伺服系统进给 驱动输出较大的转矩。

伺服系统（servomechanism）使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够 跟随输入目标 （或给定值） 的任意变化的自动控制系统。 伺服主要靠脉冲来定位， 基本上可以这样理解， 伺服电机接收到1个脉冲， 就会旋转1个脉冲对应的角度， 从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转 一个角度， 都会发出对应数量的脉冲， 这样， 和伺服电机接受的脉冲形成了呼应， 或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多 少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可 以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简 单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷）， 产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场 合。

无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩 稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦 波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于 各种环境。

2 双轴半闭环数控车床总体布局

车床为机、电、液三位一体，按照人体工程学宜人化进行布局设计，全封闭 防护，操作简便，使用方便。

（1） 机床采用卧式车身，45°倾斜道轨布局形式，以利于排屑。床身为 整体高刚性结构。

（2） 矩形导轨，采用宽支撑窄导向的设计以增加运动的平稳性。

（3） 床身左端为主轴箱，其结构简单，无齿轮传动。主轴由交流调速主 轴电机驱动，机床在低速下也具有高功率输出，恒功率区宽。

（4） 主轴轴承为超精密角接触球轴承和双列圆柱滚子轴承以保证主轴 的刚度和精度。主轴轴承采用高润滑，温度低，热变形小。

（5） 机床纵向和横向运动均采用交流伺服电机， 它们两者均直接采用消 隙联轴器把电机与滚珠丝杠连接起来。 纵向驱动直接安装在纵向床

身道轨之间。

（6） 机床卡盘采用液压控制。液压夹紧油缸为高速卡盘液压缸。卡盘的 松紧由控制面板上的按钮来控制。

（7） 机床尾座亦采用液压控制。通过液压油来控制尾座套筒的进退，它 也是由控制面板上的按钮来控制的。

（8） 机床的床鞍溜板道轨上装有 8 位的电动轨塔刀架，具有分度转位 快、平稳可靠、无渗漏等优点。

（9） 机床配有自动对刀仪，通过接触式传感器，可以快而准确的测出刀 具安装时的偏差值，传输给计算机系统，在加工时可以进行刀具的

自动补偿。

（10） 机床具有良好的扩展性，机床配有排屑器，实现自动排屑。机床配 有防护外壳。

（11） 机床数控系统配有日本FANUC-6T CNC系统。

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