数控车床伺服进给系统结构设计毕业论文

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摘 要

数控机床作为机电一体化的典型产品,在机械制造业中发挥着巨大的作用,很好的解决了现代机械制造中结构复杂，精密，批量小,多变零件的加工问题,且能稳定产品的加工质量,大幅度提高生产效率。本论文主要对数控机床伺服进给系统的机械部分这一课题进行探讨，文中详细描述了数控机床伺服进给系统的设计方法,包括传动系统总体设计，滚珠丝杠副的选择，伺服电动机的选择,精度和刚度验算。同时运用软件Solidworks做出伺服进给系统的零部件，以及将各个零部件进行装配，二维工程图出图。 关键词：数控机床;伺服电动机；伺服进给系统；滚珠丝杠副

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Abstract

NC machine tools as typical electromechanical products, plays an enormous role in machinery manufacturing, it solutes the problems of modern machinery manufacturing complex, precision, small batches，changeable parts processing, also it can be able to stable quality of products, increase productivity greatly. In this paper, it mainly explore to the topic of mechanical parts of NC machine tools’ servo feed system, This article describes the designing method of the NC machine tools’ servo feed system , including designing the transmission system, choosing Ball Screws, servo motor, checking the accuracy and rigidity. Make out parts of NC machine tools’ servo feed system and assemble the parts with solidworks. Export 2D engineering drawing and make the animations of feed system, produce three-dimensional cutaway views of Ball Screws and Rolling Guides. Key word: NC machine;Servo motor; Servo feed system; Ball Screws

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目 录

摘 要 ................................................................................................................................................................ I Abstract ........................................................................................................................................................... II 1 绪论 ........................................................................................................................................................... 1

1.1 数控机床的概念 ........................................................................................................................... 1 1.2 数控机床的组成分类及特点 ....................................................................................................... 1

1.2.1 数控机床的组成 .................................................................................... 1 1.2.2 数控机床的分类 .................................................................................... 1 1.2.3 数控机床的特点 .................................................................................... 1

1.3 数控系统的发展简史及国外发展现状 ....................................................................................... 2 1.4 我国数控系统的发展现状及趋势 ............................................................................................... 2

1.4.1 数控技术状况 ........................................................................................ 2 1.4.2 数控系统的发展趋势 ............................................................................ 3

1.5 伺服系统的特点 ........................................................................................................................... 4 1.6 本课题的研究内容和方法 ........................................................................................................... 6 1.7 本章小结 ...................................................................................................................................... 6 2 进给系统的总体方案设计 ....................................................................................................................... 7

2.1 机床的主要性能 ........................................................................................................................... 7 2.2 进给系统的精度要求 ................................................................................................................... 7 2.3 进给传动控制伺服系统的选择 ................................................................................................... 7 2.4 进给系统的传动要求及传动类型的选择 ................................................................................... 8

2.4.1 进给系统的传动要求 ............................................................................ 8 2.4.2 传动类型的选择 .................................................................................... 8

2.5 电机与丝杠联接方式的选择 ....................................................................................................... 8 2.6 进给传动方案设计 ....................................................................................................................... 9 3 数控车床伺服进给系统X轴选型 ........................................................................................................ 11

3.1 滚珠丝杆机构的计算选型 ......................................................................................................... 11

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3.1.2 精度等级选定 ...................................................................................... 12 3.1.3 导程的计算和选定 .............................................................................. 12 3.1.4 丝杆支承方式选定 .............................................................................. 13 3.1.5 丝杆外径选定及校核 .......................................................................... 13 3.1.6 计算最大轴向载荷 .............................................................................. 13 3.1.7 轴向允许载荷计算 .............................................................................. 14 3.1.8 丝杠允许转速计算及校核 .................................................................. 15 3.1.9 寿命计算及校核 .................................................................................. 16

3.2 电机的选型................................................................................................................................. 16

3.2.1 转速的计算 .......................................................................................... 16 3.2.2 驱动扭矩计算 ...................................................................................... 17 3.2.3 计算角加速度 ...................................................................................... 17 3.2.4 电机所需的加速扭矩 .......................................................................... 18 3.2.5 计算各种运动状态下点检所需要的驱动扭矩 .................................. 18 3.2.6 电机转动惯量要求 .............................................................................. 18

3.3 滚珠丝杠副的支承的设计 ......................................................................................................... 19 3.4 同步齿轮带传动的设计 ............................................................................................................. 20 3.5 导轨的选择................................................................................................................................. 20 4 数控车床伺服进给系统Z轴选型 ......................................................................................................... 22

4.1 滚珠丝杆机构的计算选型 ......................................................................................................... 22

4.1.1载荷的确定 ............................................................................................. 22 4.1.2 精度等级选定 ...................................................................................... 22 4.1.3 导程的计算和选定 .............................................................................. 23 4.1.4 丝杆支承方式选定 .............................................................................. 24 4.1.5 丝杆外径选定及校核 .......................................................................... 24 4.1.6 计算最大轴向载荷 .............................................................................. 24 4.1.7 轴向允许载荷计算 .............................................................................. 24 4.1.8 丝杠允许转速计算及校核 .................................................................. 25 4.1.9 寿命计算及校核 .................................................................................. 26

4.2 电机的选型................................................................................................................................. 27

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4.2.1 转速的计算 .......................................................................................... 27 4.2.2 驱动扭矩计算 ...................................................................................... 27 4.2.3 计算角加速度 ...................................................................................... 28 4.2.4 电机所需的加速扭矩 .......................................................................... 29 4.2.5 计算各种运动状态下点检所需要的驱动扭矩 .................................. 29 4.2.6 电机转动惯量要求 .............................................................................. 29

4.3 滚珠丝杠副的支承的设计 ......................................................................................................... 30 4.4 联轴器传动的设计 ..................................................................................................................... 31 4.5 导轨的选择................................................................................................................................. 31 5 伺服进给系统的结构设计 ..................................................................................................................... 33

5.1 solidworks实体设计的特征功能及其在本次设计中的应用 ................................................... 33 5.2 伺服进给系统主要零件的设计及装配 ..................................................................................... 33

5.2.1 导轨的设计 .......................................................................................... 33 5.2.2 Z轴丝杠螺母的设计 ........................................................................... 36 5.2.3 添加轴承 .............................................................................................. 37 5.2.4 添加紧固件 .......................................................................................... 37 5.2.5 X轴滑块的设计 .................................................................................. 38 5.2.6 丝杠的设计 ............................................................................................ 38

5.3 伺服进给系统零件的装配 ......................................................................................................... 39 5.4 伺服进给系统的装配图 ............................................................................................................. 40 结 论 ............................................................................................................................................................. 42 致 谢 ............................................................................................................................................................. 43 参考文献 ....................................................................................................................................................... 44 附录A ........................................................................................................................................................... 45 附录B ........................................................................................................................................................... 57

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1 绪论

1.1 数控机床的概念

数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比，其优越性是显而易见的，不仅零件加工精度高，产品质量稳定，且自动化程度极高，可减轻工人的体力劳动强度，大大提高了生产效率，特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工，因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。

1.2 数控机床的组成分类及特点

1.2.1 数控机床的组成

数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。 1、控制介质：以指令的形式记载各种加工信息；

2、数控装置：接受输入的加工信息，经数控装置运算处理，向伺服系统发出相应的脉冲；

3、伺服系统：把数控装置的脉冲信号转换成机床运动部件的机械位移；用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。

4、机械系统：包括，主轴部分、进给系统、刀库和自动换刀装置(ATC)、自动托盘交换装置(APC)等。

1.2.2 数控机床的分类

数控机床的品种和规格繁多，分类方法不一。根据不完全统计，目前已有近500种数控机床。根据数控机床的功能和组成，一般分为以下几类：

1、按坐标轴数分类：一般数控机床，数控加工中心机床，多坐标轴数控机床； 2、按特点分类：点位控制数控机床，直线控制数控机床，轮廓控制数控机床； 3、按有无测量装置分类：开环数控系统，半闭环数控系统，闭环数控系统； 4、按功能水平分类：经济型，普及型，高级型。

1.2.3 数控机床的特点

数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、

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高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来，数控机床有以下几方面的特点：

1、提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定； 2、提高生产效率，一般约提高效率3~5倍，使用数控加工中心机床则可提高生率5~10倍；

3、可加工形状复杂的零件；

4、减轻了劳动强度，改善了劳动条件；

5、有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。

1.3 数控系统的发展简史及国外发展现状

1949年美国帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。1952年第一代数控系统——电子管数控系统的诞生。20世纪50年代末，完全由固定布线的晶休管元器件电路所组成的第二代数控系统——晶体管数控系统被研制成功，取代了昂贵的、易坏的、难以推广的电子管控制装置。随着集成电路技术的发展，1965年出现了第三代数控系统——集成电路数控系统。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统——小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性能价格比渗透各个行业，1974年，第五代数控系统——微型计算机数控系统也出现了。应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统(CNC)。综上所述，由于微电子技术和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统也随着不断更新，发展非常迅速，几乎5年左右时间就更新换代一次[1]。

数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高科技含量的机电一体化产品。欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程，1990年日本机床产值数控化率达75%，美国达70．1%，德国达57%。目前世界数控机床年产量超过15万台，品种超过1500多种[2]。

1.4 我国数控系统的发展现状及趋势

1.4.1 数控技术状况

目前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型向开放型过渡的时期。

我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术(包括核心技术)，已达到国际先进水平。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开

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发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1?m当量的超精密数控系统、数控仿型系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MPBF值可以在15000h以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过60%。这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础[1]。 我国进行改革开放后，由于政策的开放，使得金属切削行业得以和世界上先进的机床制造国家进行技术交流，并通过引进技术，到80年代初，国产数控机床进入实用化阶段，1991年数控机床的产值数控化率为14．3%，到1997年数控机床产值数控化率为24．5％。目前，我国数控机床(包括经济型机床)品种约有500个[2]。

但是，与国外数控车床相比，在性能、质量 设计、制造等各方面存在较大差异，并存在许多不足：机械件的材质、加工精度、加工工艺存在较大差距，装配工艺也存在一定差距；主轴及卡盘刚性差，主轴定位准停不好；安全性较差，软硬件保护功能不够；刀片磨损快，生产成本高，效率低；硬件设计方面不规范，不符合国标，比如使用电压等级、电线颜色使用、图纸资料的绘制装订、提交等等，有的机床厂家甚至仍然停留在十年二十年前的设计思想；程序设计方面缺乏标准，不规范，逻辑性不强，故障率高，在使用过程中需不断对程序进行修改；外围元件布置及走线不规范，标牌线号不清，图纸与实物不符，维修困难；使用的元器件本身质量差，使用寿命短，故障率高，有的机床厂家为了降成本却忘记了质量、忘记了可靠性，选用一些国产的轴承、接触器、继电器、接近开关等元件，在生产过程中小故障连绵不断；柔性化不强，多品种生产困难。而国外数控车床无论是设计水平，还是制造水平，都要高出国内数控车床。机械件材质、加工精度、加工工艺、装配工艺比较好；软硬件设计有专门的标准，设计规范合理，配套件齐全，标牌标示清楚齐全；使用的元器件质量好，故障率低；新技术的应用及时领先；概括来说，精度及可靠性高、性能稳定故障率低[3] 。

1.4.2 数控系统的发展趋势

随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统性能日臻完善，数控系统应用领域日益扩大。为了满足社会经济发展和科技发展的需要，数控系统正朝着高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及开放性等方向发展。

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1.5 伺服系统的特点

数字控制，是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成。

1、信息载体

信息载体又称控制介质，用于记录数控机床上加工一个零件所必需的各种信息，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用的信息载体有穿孔带等，通过相应的输入装置将信息输入到数控系统中。数控机床也可采用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接输入，或通过窜行口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。高级的数控系统可能还包含一套自动编程机或者CAD/CAM系统。

2、计算机数控系统

计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算机外，其外围设备主要包括光电阅读机、CRT、键盘、面板、机床接口等。软件由管理软件和控制软件组成。数控装置控制机床的动作可概括为：机床主运动、机床的进给运动、刀具的选择和刀具的补偿、其它辅助运动等。

3、伺服系统

它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和机床移动部件,它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电动机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。

4、机床

它是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展起来的，但也做了很多改进和提高，它的主要特点是：由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短；为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小；更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等；不少数控机床还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床工作效率[1]。

数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，将高效率、高精度和高柔性集中于一体。而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电

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机、机械传动等方面都有很高的要求。

伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自CNC装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。

进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包含机械、电子、电机(早期产品还包含液压)等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。要使它成为一个既能使各部件互相配合协调工作，又能满足相当高的技术性能指标的控制系统，的确是一个相当复杂的任务。提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。

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过载能力，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，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[4]。

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1.6 本课题的研究内容和方法

本次设计的内容是车床进给系统方案设计及总体布局图绘制、纵向及横向伺服进给机构的理论计算、结构设计及绘制装配图、典型零件绘制及外文资料文献翻译，并撰写毕业设计论文。

在设计中通过查阅资料确定数控车床的切削力，由切削力的大小来确定数控车床伺服进给系统的各种运动参数及传动方案，然后通过计算当量动载荷选择滚珠丝杠，通过计算最大切削负载转矩，负载惯量选择伺服电动机。

1.7 本章小结

本章先介绍了数控机床的分类，特点与研究现状，介绍了数控系统的发展趋势，以及伺服系统的特点。最后介绍了本课题研究的主要内容和研究方法。

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2 进给系统的总体方案设计

2.1 机床的主要性能

本设计对数控车床的进给系统进行了设计，该车床主要用于小尺寸的轴类零件和盘类零件的精密加工。

该数控车床具有刚度高、排屑功能流畅、运转噪音低、传动效率高、精度保持性好、有效寿命长等优点。为保证机床运转的稳定性，采用了高精密孔式主轴结构和大功率交流伺服主轴电机，并具备良好的抗振性设计。

车床的进给伺服系统采用交流伺服电机驱动，选用精密数控系统，并合理选用高精度元器件，保证了伺服系统达到要求的精度、重复定位精度，并使其具有高刚度和良好的稳定性。

2.2 进给系统的精度要求

进给伺服系统的精度对机床的加工精度有很大的影响，良好的电气部件设计和机械结构设计，能保证进给伺服系统的精度和稳定性。

本设计着重进行进给伺服系统的机械结构设计、传动设计。本车床精度较高，能进行微米级加工，能获得高质量的加工表面。进给系统采用滚珠丝杠螺母副传动，Z、X两轴联动，单轴具有较高的定位精度和重复定位精度。

2.3 进给传动控制伺服系统的选择

1、开环伺服系统

开环伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统，执行元件一般为步进电机。开环进给伺服系统的精度较低，速度也受到步进电动机性能的限制。但由于其结构简单，易于调整，在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用。

2、闭环控制系统

因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以为了保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。闭环控制系统是采用直线型位置检测装置对数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系统。

3、半闭环控制系统

采用旋转型角度测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器等）和伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统，称作半闭环控制系统。半闭环控制系统的

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检测装置有两种安装方式：一种是把角位移检测装置安装在丝杠末端；另一种是把角位移检测装置安装在电动机轴端。

数控机床要求达到预定的精度要求以外，根据需求，并且考虑到经济的效益，还要求具有良好的稳定性和快速响应能力。基于这些要求，本设计采用闭环控制方式，包含位置反馈环合速度反馈环闭环控制能够较好地减小误差，有利于提高机床性能.

2.4 进给系统的传动要求及传动类型的选择

2.4.1 进给系统的传动要求

数控机床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。为此，数控机床的进给传动系统必须满足:（1）传动精度高；（2）摩擦阻力小；（3）运动部件惯量小。

2.4.2 传动类型的选择

数控机床进给传动系统的基本传动方式常用的有两种：滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副。

1、滚珠丝杠螺母副

在数控机床上，将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠丝杠螺母副。其特点是：传动效率高，一般为η=0.92～0.98；传动灵敏，摩擦力小，不易产生爬行；使用寿命长；具有可逆性，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，亦可将直线运动变成旋转运动；轴向运动精度高，施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空行程；因此，在数控机床上得到了广泛的应用，是目前中、小型数控机床的常见的传动方式。

2、静压丝杠螺母副

其特点是：摩擦系数小，仅为0.0005，；平稳性高；反向间隙小；但是，静压丝杠螺母副应有一套供油系统，而且对有的清洁度要求高，如果在运动中供油忽然中断，将造成不良后果。

由以上比较，根据要求，纵向进给传动系统和横向进给传动系统都采用滚珠丝杠螺母副的传动方式。

2.5 电机与丝杠联接方式的选择

滚珠丝杠螺母副与电动机的联接的型式主要有三种： 1、联轴器直接联接

这是一种最简单的连接型式.这种结构型式的优点是:具有最大的扭转刚度；传动机

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构本身无间隙,传动精度高,而且结构简单,安装、调整方便，适用于像中小型号的数控车床。联轴器采用挠性联轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的―干涉‖现象.采用这种挠性联轴器把电动机与丝杠直接联接，，不仅可以简化结构，减少噪声，而且可以消除传动间隙，能减少中间环节带来的传动误差,提高传动刚度。

2、通过齿轮联接

这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下,保持齿轮的无间隙啮合；但是结构比较复杂,轴向尺寸大、传动刚度低、传动平稳性较差，一般用于精度要求低的机床中。

3、通过同步齿形带联接

同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点,与齿轮传动相比它结构更简单,制造成本更低,安装调整更方便。并且传动不打滑、不需要大的张紧力； 但是在同步齿形传动设计时对材料的要求很高。

在满足机床要求的前提下，通过对比本课题Z轴采用通过联轴器联接电机与丝杠副，这是一种简单的联接形式具有大的扭转刚度，制造成本低，传动精度高，而且结构简单，安装调整方便。

X轴采用同步带连接电动机与丝杠副的方式，同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点,与齿轮传动相比它结构更简单,制造成本更低,安装调整更方便。

2.6 进给传动方案设计

本车床具有较高的精度要求，为了保证精度，在选用精密元器件和精密数控系统的同时，应尽量减小传动链，并需要保证较高的刚度，提高传动系统效率，以减小温升的影响。用滚珠丝杠螺母副直连电机传动的方案。并采用“双推—支承”丝杠支承方式。“双推—支承”方式能够避免丝杠自重引起的弯曲，以及高速回转时自由端的晃动，符合本设计的设计条件。X、Z两轴分别用独立电机驱动。

滚珠丝杠螺母副是一种将旋转运动转化为直线运动的理想传动件，因其具有螺纹丝杠无法比拟的优点，被广泛应用于各行业，更是普通数控机床、精密机床不可或缺的零部件。兼具高效率、高精度、可逆性的特点。滚珠丝杠螺母副具有驱动力矩小、精度高、可实现微进给、无侧隙、刚度高、告诉等优点。

对于驱动电机，由于系统要求精度高，不宜采用步进电机驱动，因此选用交流伺服电机。

数控机床的伺服系统是连接数控系统和机床主体的重要部分，在设计中，在伺服方

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式上选择最广泛应用的半闭环方式。采用螺旋传动，计算滚珠丝杠副尺寸规格，接着进行丝杠的校核并进行精度等验算，根据计算的扭矩选择伺服电机。

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3 数控车床伺服进给系统X轴选型

伺服进给系统主要技术参数：

进给运动行程 X轴：350mm Z轴：950mm

进给速度范围 X轴：1-5000mm/min Z轴：1-5000mm/min 快速移动速度 X轴：12m/min Z轴：12m/min

定位精度 X轴：0.008mm/300mm Z轴：0.008mm/300mm

3.1 滚珠丝杆机构的计算选型

3.11 载荷的确定

载荷确定由solidworks重量计算功能确定，如右图3.1所示 X轴：W=124.8kg*9.8N/kg=1223.04N

图3.1 滑块重量确定

查常用材料的摩擦系数，铸铁-铸铁在有润滑的静摩擦系数是0.18，导轨接触面的摩擦阻力f?0.18?1223.04N?220.15N

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3.1.2 精度等级选定

根据滚珠丝杠机构在具体使用场合所需要提供的定位精度（允许误差）。按照其具体长度，对照不同等级滚珠丝杠机构所对应的导程累积误差表。判定选择轧制滚珠丝杠还是磨制滚珠丝杠，选择能满足定位精度的最低等级，也就是选用最经济的精度等级。

滚珠丝杠机构的精度应根据实际要求来选用，不要盲目地选用过高的精度，使用轧制滚珠丝杠能够满足使用要求时就不必使用磨制滚珠丝杠。因为精度等级越高，制造成本也越高。价格越贵，应尽可能选用价格低廉的轧制滚珠丝杠，以降低设备制造成本。通常情况下各种典型设备所选用的精度参考等级如下图.3.2所示。

图3.2 精度等级选定

X轴需要满足的定位精度是0.008mm/300mm，我们选择THK公司精度等级为C2的磨制滚珠丝杆，器导程误差范围e??0.007mm/300mm。

3.1.3 导程的计算和选定

导程表示丝杠转动一周时螺母沿轴向移动的距离，单位：mm。

导程的计算与驱动电机是否带减速器有关，下面以典型的安装情况 电机带减速器

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通过弹性联轴器与丝杠连接（即直联）的情况为例，说明导程的具体计算方法。假设电机所带减速器的减速比为i。

根据导程的定义，电机所需要的转速Nm、与最大进给速度Vmax、丝杠导程Pb、

减速比i之间的关系为

Vmax?103?60 Nm?Pbi （3.1）

其中Vmax，单位m/s。

在X轴中，最大进给速度是0.2m/s，选用电机的额定转速为Nm=3000r/min，使用带轮传动，传动比i=1

Vmax?103?600.2?103?60Pb???4(mm)

Nmi3000?1根据计算结果，需要选用4mm或更大导程的滚珠丝杆。

3.1.4 丝杆支承方式选定

丝杆支承方式主要根据丝杆长度、转速、定位精度来选定，在丝杆长度较短、转速较低尤其是垂直提升负载的场合则可以选用一端固定一端游动的简单安装方式，我们选用这种方式。

3.1.5 丝杆外径选定及校核

间隙丝杠外径主要按以下条件来进行初选：

①在按定位精度选定的滚珠丝杠系列（磨制滚珠丝杠或轧制滚珠丝杠）中选定， ②在相应的精度等级及丝杠长度下，丝杠外径的大小必须满足所要求的轴向 ③在标准的导程-丝杠外径组合中选定丝杠外径。 现初选外径为50mm,型号为FFZD5006-3。

3.1.6 计算最大轴向载荷

在一定的丝杠外径下，丝杠有可能无法承受使用条件下的最大轴向载荷而发生弯曲，因此还必须对初选的丝杠外径进行轴向允许载荷校核，使丝杠直径具有足够的刚度，保证在最大轴向载荷下丝杠不会发生弯曲变形。因此首先要计算最大轴向载荷。 计算最大轴向载荷的另一作用为：轴向载荷是汁算扭矩载荷的基础，只有计算出轴向载荷后才能计算扭矩载荷，而扭矩载荷是进行电机选型的重要依据。

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根据力学原理，可知各种工作情况下的轴向载荷最大是加速前进时，此时

F???mg?f?ma?0.003?124.8?9.8?220.15?124.8?0.1?236.30N

m——负载滑块的质量，kg；

a——负载滑块运动的加速度，m/s^2；

?——直线导轨副的摩擦系数，取0.003； f——导轨无载荷时的运动阻力，N；

3.1.7 轴向允许载荷计算

计算出最大轴向载荷后，就可以直接进行轴向允许载荷计算及校核了，校核的原则为：在最大轴向载荷作用下丝杠不会发生弯曲；在最大轴向载荷作用下丝杠不会发生屈服。

① 丝杠在不发生弯曲的前提下所允许的最大轴向载荷计算

这种轴向允许载荷与丝杠安装方法、丝杠安装间距、丝杠沟槽最小直径等因素有关，

计算公式为：

d42544rP1??2?2?10N?1.2??104N?52083N 2L300P1——最大轴向允许载荷，N；

L——丝杆安装间距，mm； dr——丝杆沟槽最小直径，mm；

?2——与安装方式有关的系数，取1.2；

②丝杠在不发生屈服前提下的最大允许轴向载荷计算

丝杠在不发生屈服的前提下所允许的最大轴向拉伸或压缩载荷按以下公式计算；

P2????42?d2rN?116?25N?72500N

P2——最大轴向允许载荷，N；

dr——丝杆沟槽最小直径，mm；

?——丝杠材料的允许拉伸压缩应力（通常情况下为147 N/mm^2）。

计算所得最大轴向载荷均远远小于两个轴向允许载荷。

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3.1.8 丝杠允许转速计算及校核

丝杠允许转速必须满足两个条件：丝杠最高转速不超过临界转速；丝杠最高转速不超过DN值。

①临界转速计算

选定丝杠外径除需要进行弯曲及屈服校核外，还必须保证丝杠在不发生共振的前提下使用。随着丝杠转速的提高，逐渐接近丝杠固有频率时，滚珠丝杠机构会发生共振而不能使用。该固有频率与丝杠的个临界转速对应，而丝杠的外径与此固有频率密切相关，因此需要进行校核，确保丝杠在固有频率（临界转速）以下运行，即丝杠最高转速不能超过其临界转速。

临界转速的计算公式为：

60?2n1?2?L2n1——临界转速，r/min；

E?103?J?0.8?3257r/min ?AE——杨氏弹性模量（通常情况下丝杠材料的E?2.06?105N/mm2）；

?4J——丝杆断面与转动惯量有关的参数，J?dr，mm4

6463?——丝杠材料的密度（7.8?10kg/mm）； A——丝杠沟槽最小直径所在剖面的面积，A???——与安装方式有关的系数，取1.875；

②DN值

42d2mm； r丝杠允许转速除不得超过临界转速外，还必须不超过DN允许值

所谓DN值是指丝杠公称直径（即滚珠中心位置所在圆的直径）D与丝杠转速N的乘积。丝杠转速N增大时，丝杠公称直径必须减小，丝杠公称直径太小又会造成系统刚性差、易变形、影响加工精度等问题。此外，过度提高丝杠的转速N还会引起丝杠发热、机构共振等问题，国际上一般DN≤70000-100000，少数制造商（例如口本NSK公司、德国Bosch公司）已将DN值提高到150000。具体大小参照制造商提供的数据，通常的设计规范为：

磨制滚珠丝杠及轧制大导程滚珠丝杠：DN≤70000 轧制滚珠丝杠：DN≤50000

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