1、沈阳理工大学学士学位论文 I 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 沈
2、阳理工大学学士学位论文 II 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 produc
3、ts, 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 servofeed system , including designing the transmission system, choosing Ball Screws, servo
4、motor, checking the accuracy and rigidity. Make out parts ofNC machine tools servofeed system and assemble the parts with solidworks. Export 2D engineering drawing and make the animationsof feed system, produce three-dimensional cutaway views of Ball Screws and Rolling Guides. Key word: NC machine;S
5、ervo motor; Servo feed system; Ball Screws 沈阳理工大学学士学位论文 III 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
6、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 沈阳理工大学学士学位论文 IV 3.1.2 精度等级选定 . 12 3.1.3 导程的计算和选定 . 12 3.1.
7、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
8、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 沈阳理工大学学士学位论文 V 4.2.1 转速的计算 . 27 4.2.2 驱动扭矩计算 .
9、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 . 37 5.2.3 添加轴承 . 37 5.2.4 添加紧固件
10、 . 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 沈阳理工大学学士学位论文 1 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
11、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
12、.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、沈阳理工大学学士学位论文 2 高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量 80
13、%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 35 倍，使用数控加工中心机床则可提高生率510 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
14、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
15、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
16、开沈阳理工大学学士学位论文 3 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
17、 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
18、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
19、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。 沈阳理工大学学士学位论文 4 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
20、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
21、，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
22、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、伺服电沈阳理工大学学士学位论文 5 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
23、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
24、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
25、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。
