数控铣床X向进给系统设计.docx

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1、摘要文主要设计X向进给系统设计部分，机械结构采用交流伺服电机与滚珠丝杠直接相连地方式，其控制方式采用交流伺服驱动系统半闭环控制.在对进给系统机械结构进行设计地过程中，主要对滚珠丝杠螺母副和直线滚动导就副进行了计算、校核，确保了机械传动部件地精度和刚度；通过计算，选择了电气驱动部分，包括交流伺服电机和与之匹配地伺服单元.滚动直线导轨；滚珠丝杠螺母副选取汉江机床厂提供地外循环双螺母凸出式双螺母对旋预紧滚珠丝杠.关键词:半闭环控制，直线滚动导轨；滚珠丝杠螺母副；交流伺服电机；目录1弓I言32 .X向进给机构总体设计42.1 确定立式数控铳床地总体目标42.2 确定机床地总体布局42.2.1 机床地运

2、动分配42.2.2 机床结构布局42.2.3 机械系统地传动、支承、导向方式43 .机构与电气控制部分的设计53.1 纵向方向（X轴）的设计133.1.1 纵向步进电机选择计算163.1.2 丝杠设计163.1.3 齿轮设计164 .参考文献191 .引言制造业是一个国家或地区经济发展地重要支柱,其发展水平标志着该国或地区经济地实力,科技水平,生活水准和国防实力.国际市场地竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备地竞争.随着社会生产和科学技术地发展,机械产品地性能和质量地提高.产品地更新换代也不断地加快.因此对机床不仅要求迅速适应产品零件地换代有教高地精度和生产率,而且应有教高地精度和生产

3、率,生产地需要促使数控机床地产生.随着电子技术,特别是计算机技术地发展,数控机床迅速发展起来.数控机床地进一步设计地必要性可以解决形状复杂小批零件地加工问题,稳定加工质量和提高生产率.但是由于受其它条件地限制,例如价格、精度等问题.所以设计改造数控机床地进给系统是刻不容缓地.数控机床进给传动系统地设计,其中包括进给系统地轴向负载计算,导轨地设计与选型,滚珠丝杠螺母副地选型计算,进给传动系统地动态特性分析误差计算，驱动电动机地选型计算，驱动电动机与滚珠丝杠地连接等等.通过这次毕业设计,可以达到以下目地：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地能力；2,强化工程实践能力和意识,提

4、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地基本训练,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、文字表达等各方面地能力；4,培养正确地设计思想和工程经济观点,理论联系实际地工作作风,严肃认真地科学态度以及积极向上地团队合作精神.2 .X向进给机构总体设计2.1 确定立式数控铳床地总体目标本课题设计地立式数控铳床可以铳削平面和沟槽,也可加工空间曲面；若将铳刀换成钻头或绞刀，则可加工光孔或螺纹孔.铳床主要技术参数如下：工作台X向最大行程900mm工作台Y向最大行程360mm快速移动速度（X轴）20mmin定位精度+0.0Imm加速时间1.5mmin总

5、重量5500N2.2 确定机床地总体布局2.2.1 机床地运动分配本课题拟解决问题地思路是参照XK7132型立式铳床和TH5632C型立式加工中心机床地总体布局、机械传动部分、进行优化组合,设计出精度高、灵活性强地立式数控铳床.由于工作台尺寸较大,可加工较重或尺寸较高地工件,故机床运动分配如下：主运动：刀具地旋转运动；进给运动：工作台X方向地进给运动和2.2.2 机床结构布局本机床采用床身框式立柱地“1”型结构形式,主轴箱装在框式立柱中间，设计成对称形结构.框式立柱布局要比单立柱少承受一个扭转力矩和一个弯曲力矩,因而受力后变形较小,有利于提高加工精度；框式立柱布局地受热与热变形是对称地,因此,

6、热变形对加工精度地影响小.Y向滑座相对于机床床身作进给运动,X向座相对于Y向作进给运动,工作台固定在X向座上,工作台不做垂直方向运动；主轴箱沿框式立柱在沿垂直导轨上下移动.由于机床尺寸较大,为了方便操作者地操作与观察,将人机界面设置为吊挂按钮站.2.2.3 机械系统地传动、支承、导向方式1 .机床进给系统传动方案机床X方向进给系统分别采用交流伺服电机驱动,通过电机与滚珠丝杠直接相连,将旋转运动转化为直线进给运动其传动地机械装置如图2.1所示.这种传动方案采用负载能力强地交流伺服电机,直接通过丝杠带动工作台进给,传动链短,刚度大,传动精度高,是现代数控机床进给传动地主要组成形式.图2.1进给传动

7、地机械装置2 .机床进给系统地支承、导向方式.X方向进给系统由Y方向进给系统支承,采用一端固定、一端支撑地方式支承,固定端选用一对背对背安装地角接触球轴承,支撑端选用一对深沟球轴承.本机床属于中型机床,导向方式采用矩形导轨,矩形导轨承载能力高,制造方便.本设计选用线性滚动导轨.3机构与电气控制部分的设计3.1 纵向方向（X轴）的设计：步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电信号转换成响应角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电动机转轴就转过一定角度，它与普通的匀速旋转的电动机不同，它是步进式的，所以称步进电机。它的优点有：角位移输出与输入的脉冲数相对应，改变通电顺序可以改变步进电机的旋转方向

8、；步矩误差不会长期积累；在负载范围内步矩角和转速不受电源电压波动的影响，而仅与脉冲频率有关；维持控制绕组的电流不变，电机便停在某一位置上不动，即步进电机有自整角能力，不需要机械制动，步矩角可在很大的范围内变化；步进电机的主要特性：步矩角、启动频率、连续运行频率和加减速特性。步进电机的缺点是效率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量不能太小，调整范围不大，最高输入脉冲频率一般不超过18000Hz0数控系统对伺服电机的基本要求是调速范围宽，伺服电机需满足调速要求。负载特性硬，在调速范围内电机应有足够的驱动力矩，动态响应快，为了使步进电机正常工作运行（不失步、不超程），正常启动并满足对转速的要求，电机最大

9、静转矩(步进电机技术数据)，必须大于电机的实际最大启动力矩。电机的运行频率必须大于电机实际最高工作频率。系统脉冲当量是机床移动部件相对于每一个进给脉冲信号的位移量，其大小视机床的加工精度而定。根据X52K铳床工作状况选系统脉冲当量为O.01stepo步矩角=0.75。根据同类型的机床及以往的经验，结合重量轻、功耗小、外观尺寸和与步距角相配合的原则，初选步进电动机类型，然后验算是否满足使用要求，否则选取其它型号，最后直到满足要求为止。3.1.1 纵向步进电机选择计算1 .计算工作台、丝杠以及齿轮折算到电机轴上的惯量(根据机电一体化基础所提供的计算公式：(=小=5+4)+件卜图式中：Jd折算到电机

10、轴的惯量(KgCm2);J12小大齿轮的惯量(Kg0%2)；JS丝杠惯量(Kgc);GX横向工作台及夹具重量(N),Gx=2156N；P丝杠螺距(Cm)，P=0.8Cm；齿轮及丝杠转动惯量的计算：由于有些传动件(如齿轮、丝杠等)的转动惯量不易精确计算，可将其等效成圆柱体来近似计算。圆柱体的转动惯量可依据公式：J=也？32式中：p材料密度(Kg1Cm3),对钢取p=7.8105Kg1C病；d圆柱体直径(51).(对于齿轮、丝杠等就是其等效直径)；/圆柱体长度(C，(对于齿轮、丝杠等就是其等效齿宽或长度)则：J、=皿323.147.8105845.0/2=-=0.157ICm1j二呼d；b?232

11、=3.14x7.8x1013.yx4.5=1078M2_pd0i1JS-S32=34x7.8x1x102.2=489卷/而(G(PV-J1JI+.2(2+)+0=0.157+-(1.078+0.489)+(=2.025Kg1Cm22.03KgZcm22 .惯量匹配验算初选的步进电机H0BF004的转子的转动惯量转动系统与步进电机的惯量匹配条件：1 Jd114Jw而：1Jd2.03八y1y11=0.4414Jm4.61所以惯量是匹配的。3 .负载转矩计算及最大静转矩选择计算快速空载起动时所需力矩M起依据公式：“起=M,ma+M+M式中：“起-一快速空载起动力矩(NCM；2200）（0.89.8尸

12、（2x3.14,Jm-4.61KgCVH则可算得：MamaX空载起动时折算到电机轴上最大加速力矩(NCm)；M，-一折算到电机轴上的摩擦力矩(Ncni).何。-一由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩(Ncm);又：此max=J*E式中：J一惯量和(Ncm),J=+Jm=2.03+4.61=6.64Zcm；电机最大角加速度(mdY)；又：”,60-2其中：max一一电机最大转速(rnin);乙一运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间取25ms则：e=521=2.Srads2600.02523.14故：M/max=X=6.6421.8=140Ncm又因为：2z式中：一-导轨的摩擦力(N

13、)；-传动链总效率，一般可取=0.70.85,现取t7=O.85;又：Fq=f(FJN+G)式中：FjN垂直方向的切削力(N),FJN=(0.20.3)K=375N;f导轨摩擦系数，/=0.04(贴塑导轨)；Gy横向工作台及夹具重量(N),G=2200N;则：F0=0.04(375+2200)=103N故：-103x0.8Mf=-=9.8cmf23.14x0.81.67又：=篝E式中：FPo-滚珠丝杠预加载荷，取Fpo=*t1=387N；仇-一滚珠丝杠预紧时的传动效率，%=95%；故:=37(1-0.9)=3.7M枳=Mrtmax+Mf+M0=140+9.8+3.7=153.5NanCf1dJ

14、U4 .快速进给时所需力矩快依据公式：M=Mf+M0而：M小=9.8+3.7=13.5Nc机故有：M快=13.5N0%M超=153.5Nc5 .最大切削负载时所需力矩fw根据公式：Min=Mf+M0+M1式中：M1折算到电机轴上的切削负载力矩(Mem)；又有公式：2rz式中：Ff-一进给方向最大切削力(N),Ff=(1.2)兄=1.2x1500=1800N;贝J:M=1800x0.8172Nch23.140.81.67故：M切=Mz+fo+M,=9.8+3.7+172=185.5NCTn6 .最大静转矩选择依据文献实用机床设计手册上，有：(1)对于在最大切削力下工作时所需要电机最大静转矩为：a,_M切JmaXI-Q_八M所以初选的步进电机型号符合要求。7.步进电机动载荷矩频特性和运行矩频特性由数控技术得：动矩频特性：f=IOooKna