〔大学论文〕以步进电机为进给驱动动力的经济型数控加工中心设计（含word文档） .pdf

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1、1 目录 前言1 第一章机床总体方案2 1.1 加工中心的组成2 1.2 加工中心的分类和布局3 1.3 机床主要性能指标.4 第二章数控加工中心主传动系统6 2.1 对加工中心主传动系统的要求6 2.2 传动方式选择设计7 2.3皮带选型计算8 2.4 主轴组件的设计10 2.4.1 主轴组件的基本要求10 2.4.2 主轴的结构.10 2.4.3 主轴的材料和热处理.10 2.5 主轴内部刀具自动夹紧机构.11 2.6 主轴轴承选择12 2.6.1 主轴轴承类型的选择12 2.6.2 主轴轴承的配置方式.13 2.7 主轴准停装置14 第三章进给方案设计15 3.1 伺服进给系统的组成和类

2、型15 3.1.1 伺服进给系统的组成.15 3.1.2 伺服进给系统的类型选择.16 3.2 进给传动方案.17 3.2.1 丝杠选择.17 2 3.2.2 滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整19 3.2.3 丝杆支承方案.21 3.2.4制动方式.23 3.3 进给电机选择与计算.23 3.3.1 进给电机的选择23 3.3.2 进给电机的计算23 3.4 机床限位与零点设定.25 第四章机床支承及导轨27 4.1 机床支承件.27 4.1.1 对支承件的基本要求27 4.1.2 支承件的自身刚度27 4.2 机床导轨.28 4.2.1 导轨类型的选择.28 4.2.2 导轨间隙调整29 4.2

3、.3 提高导轨耐磨性的措施30 第五章 结论32 致谢33 参 考 文 献34 3 前前前前言言言言 1952 年世界上出现了第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械 加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大的变革。1958 年第一台加 工中心问世，它将多工序（铣、钻、镗、铰、攻丝等）加工集于一身； 适应加工多品种和大批量的工件；增加机床功能（自动换刀、自动检测 等） ，使自动化程度和加工效率上了一个新台阶；使无人化（或长时间无 人操作）加工成为现实。加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制 造系统和自动化工厂的基本单元。 我国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床的产品竞争力在国 际市场中仍

4、处于较低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势：一方 面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面 却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场，严重影响我国数 控机床自主发展的势头。这种现象的出现，除了有经营上、产品质量上 和促销手段上等原因外，一个最主要的原因就是新产品（包括基型、变 型和专用机床）的开发周期长，不能及时针对用户的需求提供满意产品。 加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体 化机械加工设备，受到世界各工业发达国家的高度重视，技术迅速发展， 品种和数量大幅度增加，成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一 类产品1。 本课题设计的是以步进电

5、机为进给驱动动力的经济型数控加工中 心。该机床的结构简单，精度中等，价格低廉，在仪表、有色金属等加 工企业中可以大量推广，还可在高校内广泛应用，为学生的培训实习提 供重要设备。 在设计过程中得到 xx 老师的大力支持，在此对我们张老师和周明虎 老师表示衷心的感谢。由于本人水平有限，设计中的错误和不足之处在 所难免，敬请各位指导老师和验收老师批评指正。 4 第一章第一章第一章第一章机床总体方案机床总体方案机床总体方案机床总体方案 1.1 加工中心的组成 加工中心自问世至今世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外 形结构各异，但从总体来看主要由以下几大部分组成。 加工中心的组成如图 1-1 所示。

6、 （1）基础部件它是加工中心的基础部件，由床身、立柱、工作台 等组成。 （2）主轴部件由主轴箱、主轴电动机、主轴、主轴轴承等零件组 成。 （3）数控系统单台加工中心的数控部分由 CNC 装置、可编程序控 制器、伺服驱动装置以及电机等部分组成。 （4）自动换刀系统该系统是加工中心区别于其他数控机床的典型 装置，它解决工件一次装夹后多工序连续加工中，工序与工序间的刀具 自动储存、选择、搬运和交换任务。它由刀库、机械手、驱动机构等部 件组成。 5 图 1-1立式加工中心 1-X 轴伺服电机；2-换刀机械手；3-数控柜；4-刀库；5-主轴箱； 6-操纵台；7-驱动电源柜；8-纵向工作台；9-滑座；10

7、-床身 （5）自动托盘交换系统有的加工中心为了实现进一步的无人化运 行或进一步缩短非切削时间，采用多个自动交换工作台方式储备工件。 （6）辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动、检测 系统等部分。 1.2 加工中心的分类和布局 加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式加工 中心。加工中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心，如图 1-1 所示。主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心,如图 1-2 所示。 6 图 1-2卧式加工中心 1-工作台；2-轴；3-刀库；4-数控柜 （1）立式加工中心 图 1-3 所示为立式加工中心的几种布局结构。 （a）为十字工作台型，它

8、的布局与单柱立式坐标镗床或十字工作台 型数控立式钻床类似，适应于高度尺寸较小的盖板类零件多工序加工。 （b）为工作台移动型,立柱作 Y 向运动，主轴箱在立柱上作 Z 向运 动，工作台作 X 向运动。各方向的运动行程可以较大。适用于加工精度 要求较高，行程范围要求较大的零件的多工序加工。 （c）为工作台固定型，主轴箱正挂于立柱上作 Z 向运动，立柱作 X、 Y 向运动。由于工作台固定，可承载能力较大，机床整体刚性高，适用与 X 向尺寸不过长的中小型零件的多工序加工。 立式加工中心装卡方便，便于操作，易于观察加工情况，调试程序 容易，应用广泛。但受立柱高度及换刀装置的限制，不能加工太高的零 件，在

9、加工型腔下凹的型面时，切削不易排出，严重时会损坏刀具，破 坏已加工表面，影响加工的顺利进行2。 （a）(b)(c) 图 1-3 立式加工中心的布局结构 （2）卧式加工中心 卧式加工中心通常是采用移动式立柱，工作台不升降，T 形床身。卧式加 7 工中心一般具有三轴联动，三四个运动坐标。常见的是三个直线坐标 X、 Y、Z 联动和一个回转坐标 B 分度，它能够在一次装夹下完成四个面的加 工，最适合箱体类零件2。 卧式加工中心调试程序及试切时不便观察，加工时不便监视，零件 装夹和测量不方便，但加工时排屑容易，对加工有利。 与立式加工中心相比较，卧式加工中心的结构复杂，占地面积大， 重量大，价格也较高。

10、 综合上述考虑XHK0820数控加工中心采用立式加工中心布局。 另外， 考虑到本次设计的机床是经济型的，结构较简单，故采用如图 1-2（a） 所示的布局，即由溜板和工作台来实现平面上 X、Y 两个坐标轴的移动， 主轴箱沿立柱上的垂直导轨作上下移动来实现 Z 轴坐标移动。 1.3 机床主要性能指标 工作台尺寸(mm)：200500mm 工作台行程(mm)：X300mm，Y200mm，Z300mm 工作台 T 型槽(mm)：103（槽宽槽数） 工作台最大承载(kg)：50 主轴端面至台面距离(mm): 388 主轴锥孔（7：24） ：ISO30 主电机功率(kw): 0.75 最大铣刀直径(mm)

11、:16 最小设定单位(mm): 0.01 定位精度(mm): 0.04 重复定位精度(mm): 0.02 机床外形尺寸(mm): 16007151540 机床重量(kg): 850 输入电源: 380/50HZ 8 数控系统配置：巨森数控系统/西门子 802 系统/FANUC 0i 系统 9 第二章第二章第二章第二章数控加工中心主传动系统数控加工中心主传动系统数控加工中心主传动系统数控加工中心主传动系统 加工中心主传动系统是由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件 组成。它是加工中心的主要组成部分。和常规机床主轴系统相比，加工 中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性 和抗

12、振性。 2.1 对加工中心主传动系统的要求 由于加工中心具有更高的加工效率，更宽的使用范围，更高的加工精 度，因此，它的主轴系统必须满足如下要求。 （1） 调速功能为了适应不同工序、各种工件材料及刀具等各切削 工艺要求，主轴必须具有一定的调速范围并实现无级变速，以保证加工 时选用合理的切削用量，从而获得最佳切削效率、加工精度和表面质量。 （2） 精度和刚度要求具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低。 加工中心加工精度与主轴系统密切相关。主轴部件的精度包括旋转精度 和运动精度。而静态刚度反映了主轴部件或零件抵抗静态外载的能力。 为此，要提高精度和刚度，应保证主轴部件的平衡，并合理选择轴承的 类型

13、，数量，配置形式等。 （3） 抗振性和热稳定性要求加工中心在加工时，由于断续切削、 加工余量大且不均匀、运动部件速度高且不平衡，以及切削过程中的自 振等原因引起的冲击力和交变力的干扰，会使主轴产生振动，影响加工 精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具和主轴系统中的零件。主轴系 统的发热使其中所有零部件产生热变形，破坏相对位置精度和运动精度， 造成加工误差。为此，主轴组件要有较高的固有频率，保持合适的配合 间隙并进行循环润滑等。 10 （4） 具有刀具的自动装夹功能加工中心突出的特点是自动换刀功 能。为保证加工过程的连续实施，加工中心主轴系统与其它主轴相比， 必须具有刀具自动装夹功能。 （5） 主

14、轴定位功能要求主轴准停功能又称主轴定位功能。即当主 轴停止时，控制主轴停在固定的位置，这是自动换刀所必需的功能3。 2.2 传动方式选择设计 与普通机床相比，数控机床的工艺范围更宽，工艺能力更强，因此 要求其主传动具有较宽的调速范围，以保证在加工时能选用合理的切削 用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。现代数控机床的 主运动广泛采用无级变速传动。数控机床主传动系统主要有三种配置方 式。 1带有变速齿轮的主传动 如图 2-1 所示，使用滑移齿轮实现二级变速的主传动系统。滑移齿轮 的移位大都采用液压驱动。因加工中心使用可调无级变速交流、直流电 动机，所以经齿轮变速后，实现分段无级变速，调

15、速范围增加。其优点 是能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围调节速度的能力。 但由于结构复杂，需要增加润滑及温度控制装置，成本较高。此外，制 造和维修也比较困难。这种方式在大中型数控机床采用较多，但也有部 分小型数控机床为获得强力切削所需扭矩而采用这种传动方式。 11 图 2-1 带有变速齿轮的主传动 2通过带传动的主传动 如图 2-2 所示， 电机轴的转动经带传动传递给主轴， 因不用齿轮变速， 故可避免因齿轮传动而引起的振动和噪声。其优点是结构简单，安装调 试方便，且在一定条件下能满足转速与转矩的输出要求。但系统的调速 范围受电动机调速范围的约束。故这种方式主要用在转速较高、变速范 围

16、不大的机床上，常用的带有三角带和同步齿形带。 3由主轴电机直接驱动的主传动 如图 2-3 所示，主轴与电机转子合二为一，从而使主轴部件结构更加 紧凑，重量轻，惯量小，提高了主轴启动、停止的响应特性，但是主轴 转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性完全一致，电动机的发热 对主轴的精度影响大，因而使用受到限制。目前高速加工机床主轴多采 用这种方式，这种类型的主轴也称为电主轴4。 12 图 2-2 通过带传动的主传动 图 2-3 由主轴电机直接驱动的主传动 根据以上几种主传动方式的优缺点的对比，考虑到设计的经济性和 合理性，本次设计的 XHK0820 数控铣床的主传动采用三角带传动，并且 采用普通

17、三相异步电动机作为动力源，以三角带传动方式，通过变频器 实现无级变速。 2.3皮带选型计算 已知电动机额定功率KWP75 . 0 = 计算如下： 1.确定计算功率 C P 13 根据机床工作情况， 载荷变动的很小， 每天工作 10 -16 个小时， 选择工作情况系 A K，故求得计算功率 C P： KWPKP AC 9 . 075 . 0 2 . 1= 2.选择三角带的型号 根据计算功率 C P和主动轮转速 1 n的参数得，应选型三角带。 3.确定带轮计算直径 选择主动轮的计算直径mmD901= 求得从动轮的计算直径 根据机械手册查得选取标准值mmD112 2 = 4.验算带速 带速合适 5.

18、确定带长和中心距 )11290(2)11290(7 . 0 0 + = a DD mm a DDDD aLd608 4 ) 12( 2 )21( 2 0 2 00 = + + += 14 根据 1 n和1D查表得 3 0 100275 . 1 ,34 . 1 = B KKWP 根据传动比2 . 1=i，查表得1202. 1= i K 由表查得带的修正系数81. 0= L K,包角系数97 . 0 =K 圆整1=Z 估选取三角带的根数 Z1 考虑到机床的结构问题，所选的带轮的中心距不能得到满足， 然而，根据计算所选取的已经是最小的带长，为了解决这个问题， 故在传动比不变的前提下采取增大带轮来保证

19、中心距的方法。增大 带轮后 D2=114mm，1=95mm。 中心距 a=(Li-L)=(630-3.14114)/2=135mm 满足结构要求。 2.4 主轴组件的设计 加工中心主轴组件应有更高的动、静刚度和抵抗热变形的能力。它 的性能，对整机性能有很大的影响。主轴直接承受切削力，转速范围又 很大，所以对主轴组件的主要性能特提出如下要求。主轴组件主要包括 主轴、主轴支承（轴承） 、安装在主轴上的传动件、密封件、刀具自动卡 紧机构等组成。 2.4.1 主轴组件的基本要求 数控铣床主传动系统的机械结构主要是主轴部件的结构，主轴部件 既要满足精加工时的精度要求，又要具备粗加工时高效切削的能力。因

20、此对主轴组件的要求就很高，一般在旋转精度、刚度、抗振性、温升和 KWKWP31 . 0 1202 . 1 1 1300100275 . 1 3 = = 85. 0 181. 0134. 1 9 . 0 = =Z 15 热变形、精度保持性等方面，都有很高的要求。在局部结构上，一般数 控铣床的主轴部件与其他高效、精密自动化机床没有多大区别。 2.4.2 主轴的结构 主轴部件作为数控机床的一个关键部件，它包括主轴、主轴的支承、 安装在主轴上传动件和密封件等。主轴部件质量的好坏直接影响加工质 量。 主轴是主轴组件的重要组成部分。主轴的结构形状决定与主轴上所 安装的刀具，夹具、传动件、轴承等零件的类型、

21、数量、位置和安装定 位方法等。主轴的前端形式取决于机床类型和安装夹具和刀具的形式。 加工中心主轴的轴端用于安装夹具和刀具。要求夹具和刀具在轴端定位 精度高、定位刚度好，装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。 本次设计的 XHK0820 数控加工中心采用的主轴为空心的，前端有 7:24 的锥孔，用于插入铣刀锥柄或刀杆尾椎时定位，再由拉杆从主轴后 端拉紧，防止切削时铣刀和主轴之间有相对松动，而且由前端的端面销 来传递转矩，以达到加工的目的5。 2.4.3 主轴的材料和热处理 主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性、热处理变形大 小等因素确定。主轴刚度与材料的弹性模量 E 有关。无论是普通钢还是

22、合金钢，其弹性模量 E 值基本相同。因此，对于一般要求的机床其主轴 可用价格便宜的中碳钢（45 钢） ，进行调质处理后硬度为 22-28HRC；当 载荷特别重和有较大的冲击时，或者精密机床的主轴需要减少热处理后 的变形时，或者轴向移动的主轴需要保证其耐磨性时，则可以选用合金 钢。 常用的合金钢有 40Cr 进行淬火硬使硬度达到 40-50HRC； 或者用 20Cr 进行渗碳淬硬使硬度达到 56-62HRC。 综上所述，由于本次设计的 XHK0820 数控加工中心属于经济型，并 16 且所受载荷较小，故主轴的材料选用价格便宜的 45 钢。 2.5 主轴内部刀具自动夹紧机构 主轴内部刀具自动夹紧机

23、构是加工中心必不可少的机构。 图 2-4 数控铣镗床主轴部件及自动刀具夹紧结构 1刀柄 2拉钉 3主轴 4拉杆 5碟形弹簧 6活塞 7液压缸 8、 10 行程开关 9压缩空气管接头 11弹簧 12钢球 13端面键 加工中心可以自动换刀，所以主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具 功能。如图 2-4 所示，加工用的刀具通过刀柄 1 安装在主轴上，刀柄 1 以 7 24 的锥度在主轴 3 前端的孔中定位， 并通过拉钉 2 拉紧。 夹紧刀柄时， 17 液压缸上腔接通回油路，弹簧 11 推动活塞 6 上移，拉杆 4 在碟形弹簧 5 作用下向上移动；由于此时装在拉杆前端径向孔中的四个钢球 12 进入主 轴孔中

24、直径较小的 d2 处，被迫径向收拢而卡进拉钉 2 的环形凹槽内， 因 而刀柄被拉杆拉紧。切削扭矩由端面键 13 传递。换刀前需将刀柄松开， 压力油进入液压缸的上腔，活塞 6 推动拉杆 4 向下移动，碟形弹簧被压 缩；当钢球 12 随拉杆一起下移进入主轴孔径较大的 d1 处时，它就不能 再约束拉钉的头部， 紧接着拉杆前端内孔的台肩端面 a 碰到拉钉， 把刀柄 松开。此时，行程开关 10 发出信号，换刀机械手随即将刀柄取下。与此 同时，压缩空气由压缩空气管接头 9 经活塞和拉杆的中心通孔吹入主轴 装刀孔中，把切屑或脏物清除干净，以保证刀具的安装精度。机械手把 新刀装上主轴后，液压缸 7 接通回油，

25、碟形弹簧又拉紧刀柄。刀柄拉紧 后，行程开关 8 发出信号2。 2.6 主轴轴承选择 主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、精度、结构、配 置等都直接影响主轴部件的工作性能。 2.6.1 主轴轴承类型的选择 轴承是用于确定与其他零件相对运动位置并且起支承或导向作用的 零件。轴承的功用有两个，一是为了支承轴或轴上的零件，并且要保持 轴的旋转精度；二是为了减少转轴与支承件之间的磨损。 按照轴承与轴工作表面之间摩擦性质不同，轴承分为滚动轴承和滑 动轴承两大类。滑动轴承主要由滑动轴承座、轴瓦或轴套组成。滑动轴 承一般用在高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合下。滑动轴承 在一般情况下摩擦损耗较大

26、使用维护也比较复杂，但是滑动轴承结构简 18 单，制造装拆方便，具有良好的耐冲性和良好的吸振性能，运转平稳， 旋转精度高，承载能力大，使用寿命长等优点，也得到广泛应用。 滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。内圈装在轴颈 上，外圈装在机座或零件的轴承孔内。内外圈上都有滚道，当内、外圈 作相对回转时，滚动体在内外圈的滚道间既作自转又作公转。保持架的 作用是把滚动体均匀地隔开，以避免相邻的两滚动体直接接触而增加磨 损。滚动体与内外圈的材料应该具有较高的硬度和接触疲劳强度、良好 的耐磨性和冲击韧性。与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小，起 动灵敏，效率高，润滑简便，易于购买和互换，并具有轴

27、向尺寸紧凑的 特点。它的缺点就是抗冲击能力较差，高速时会出现噪声，工作寿命也 没有液体摩擦的滑动轴承长。 2.6.2 主轴轴承的配置方式 数控机床主轴轴承的配置形式主要有三种，如图 2-5 所示。 （1）前、后支承采用不同轴承。图 2-5（a）所示为前支承采用双列 短圆柱滚子轴承和 60角接触双列向心推力球轴承组合，后支承采用成对 向心推力球轴承。此配置可提高主轴的综合刚度，可满足强力切削的要 求。 （2）前支承采用高精度双列角接触球轴承。图 2-5（b）所示为前支 承采用高精度双列角接触球轴承，这种配置具有良好的高速性能，但它 的承载能力较小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。在加

28、工中心的主轴中，为了提高承载能力，有时应用 3 个或 4 个角接触的球 轴承组合的前支承，并用隔套实现预紧。 （3）前、后支承采用单列和双列圆锥滚子轴承。图 2-5（c）所示为 前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承，其径向和 轴向刚度很高， 能承受 19 (a) (b) (c) 图 2-5主轴轴承的配置形式 重载荷，尤其是可承受较强的动载荷。它的安装、调整性能好， 但限制 主轴转速和精度， 所以用于中等精度、低速、重载的数控机床6。 本次设计的 XHK0820 数控加工中心用于仪表、有色金属等加工型企 业中，通过上述的比较，故选用滚动轴承且采用高精度双列角接触球轴 承。 2.7

29、 主轴准停装置 在自动换刀的数控机床上，切削扭矩通常是通过刀杆的端面键来传 递的，因此在每一次自动装卸刀杆时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴 上的端面键，这就要求主轴具有准确周向定位的功能。在加工精密坐标 孔时，由于每次都能在主轴固定的圆周位置上装刀，就能保证刀尖与主 轴相对位置的一致性，从而提高孔径的正确性，这是主轴准停装置带来 的另一个好处7。 主轴准停装置分机械控制和电气控制两种形式。 20 电气控制的主轴准停装置利用装在主轴上的磁性传感器作为位置反 馈部件，由它输出信号，使主轴准确停在规定位置上，它要机械部件， 可靠性好，准停时间短，只需要简单的强电顺序控制，且有高的精度和 刚性。机械控

30、制的主轴准停装置定向比较可靠、精确，但结构较复杂。 综上所述，本次的设计采用机械控制的主轴准停装置。 第三章第三章第三章第三章进给方案设计进给方案设计进给方案设计进给方案设计 21 数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作。加工中心伺服 进给系统是以机床移动部件位置为控制量的控制量的自动控制系统。它 根据数控装置输出的指令电脉冲信号，使机床工作台、主轴等移动部件 按照规定的运动速度、运动方向和位置要求做相应的移动，并对其定位 精度加以控制。加工中心性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能。 与普通机床相比，对数控机床进给系统的设计要求除了具有较高的 定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性

31、，系统跟踪指令信号的响 应要快，稳定性要好。为了提高进给运动的位移精度，减少传动误差， 必须保证传动各种机械零部件的加工精度，采用合理的预紧来消除轴向 传动间隙，所以在进给传动系统中也要广泛应用各种间隙消除措施。但 在采用各种预紧措施后仍然可以留有微量间隙。 3.1 伺服进给系统的组成和类型 加工中心伺服进给系统类似于数控铣床的伺服进给系统，它是由伺 服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。从位置控 制的角度来看，伺服系统有开环、闭环和半闭环控制需要有位置检测与 反馈环节。 3.1.1 伺服进给系统的组成 如图 3-1 所示，伺服进给系统是一个双闭环系统，内环是速度环， 外 环是

32、位置 22 图 3-1 伺服系统组成示意图 环。速度环中可以采用测速发电机、脉冲编码器等作为速度反馈的检测 装置。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调 节器、功率驱动放大器等各部分组成。位置控制主要是对机床运动坐标 进行控制。 3.1.2 伺服进给系统的类型选择 数控伺服进给系统按有无位置检测和反馈电路进行分类：开环伺服 系统、全闭环伺服系统和半闭环伺服系统。 考虑到 XHK0820 数控加工中心的用户群体一般是仪表、有色金属加 工行业和高校的实习车间，也从提高机床性价比出发，所以本次设计采 用的是开环伺服系统。如图 3-2 所示是开环伺服系统的工作原理图，它一 般以步进电

33、动机或电液脉冲马达作为执行元件。在开环伺服系统中，机 床没有检测反馈装置，即数控装置发出的信号流程是单向的。数控装置 输出的指令进给脉冲经驱动电路功率放大，转换为控制步进电动机各定 子绕组依次通电断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机旋转，再经过 机床传动机构（齿轮箱、丝杠等）带动工作台移动。工作台的位移速度 和位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的。 由于开环伺服系统对位移部件的实际位移没有检测反馈，所以不能 补偿系统精度，因此，步进电机的步距误差以及丝杠的传动误差，都将 影响被加工零件的精度。但是开环伺服系统的结构简单、控制简单、成 本低、价格比较低廉、调试维修方便及工作可靠。通过对传动件质量

34、的 合理控制，完全可以满足对精度、速度要求不高的一般零件加工和教学 培训的需求。目前，在国内被广泛应用于经济型数控系统和普通机床数 控系统8。 23 图 3-3-3-3-2 2 2 2 开环数控系统控制原理图 3.2 进给传动方案 1.直联式 直联式是通过挠性联轴器把伺服电机和滚珠丝杠采用无隙联结结构 联结起来的。这种挠性联轴器不仅可以简化结构，减少噪声，而且对消 除传动间隙，提高传动刚度都有很大的好处。 2.齿轮传动 齿轮传动的目的有两个，一是将高速低转矩的伺服电机（如步进电 机，直流或交流伺服电机）的输出，改变为低转速大转矩的执行件的输 出；另一点是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有

35、较小的比重， 达到一种合理的惯量匹配。 3.同步齿形带传动 同步齿形带传动，是一种新型的带传动，它利用齿形带的齿形与带 轮的轮齿依次相啮合传递运动或动力。即无相对滑动，平均传动比准确， 传动精度高，厚度小，重量轻，故可用于高速传动；齿形带无需特别张 紧，故作用在轴和轴承上的载荷小，传动效率高，所以兼有带传动，齿 轮传动及链传动的优点。 综上所诉考虑， 本次设计的 XHK0820 数控铣床 Z 动力部件也采用了 24 同步齿形带传动。同步齿形带型号及尺寸为 MZW=25520 3.2.1 丝杠选择 1.滚珠丝杠螺母副的工作原理和特点 滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新的传动机 构

36、，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。 滚珠丝杠螺母副的结构原理。如图 3-3 所示，在丝杠 3 和螺母 1 上都 有半圆弧 图 3-3 滚珠丝杠螺母副的结构原理 1螺母；2滚珠 3丝杠；4滚珠回路管道 形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有 滚珠回路管道 4， 将几圈螺旋滚道的两端连接起来， 构成封闭的循环滚道， 并在滚道内装满滚珠 2。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循 环转动，从而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。 滚珠丝杠螺母副的特点：1)摩擦损失小、传动效率高。滚珠丝杠螺母 副的传动效率=0.920.96， 比常规的丝杠螺母副提高 34 倍。 因

37、此，功 率消耗只相当于常规丝杠螺母副的 1/41/3。 2）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消 除空程死区，定位精度高，刚度好。 25 3）运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行。 4）有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动 转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主运动。 5）摩擦小，使用寿命长。 6）制造工艺复杂。 7）不能自锁。 2.滚珠的循环方式 滚珠的循环方式可分为内循环和外循环两大类型。 1）内循环滚珠在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环， 如图 3-4 所示。在螺母 3 和 4 上装有回珠器（又称反向器）2，迫使滚珠 在完成接近一圈

38、的滚动后，越过丝杠外径返回前一个相邻的滚道，形成 滚珠的单圈循环。为了保证承载能力，一个螺母中要保证有 34 圈滚珠 工作。内循环滚珠的回路短，滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，传 动效率高，且径向尺寸紧凑， 图 3-4 内循环滚珠丝杠 1，4内齿圈； 2，5螺母； 3螺母座； 6丝杠 轴向刚度高。但此种循环方式不能用于多头螺纹传动，回珠器槽形复杂， 需用三坐标数控铣床加工。 2）外循环滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触的称为外循环。外循 26 环方式根据滚珠循环回路结构形式的不同可分为螺旋槽式、插管式和盖 板式等。螺旋槽式如图 3-5 所示。在螺母外圆上铣有回珠槽 a，两个挡珠 器 1 分别位于

39、回珠槽口与滚珠螺母的螺旋滚道的联接处，利用挡珠器一 端修磨的圆弧引导滚珠离开螺旋滚道进入回珠槽，以及引导滚珠由回珠 槽返回螺旋滚道，形成外循环回路。螺旋槽式滚珠循环回路转折平缓、 便于滚珠循环，同时结构简单、加工方便，因此在数控机床中应用较为 广泛。 图 3-5 螺旋槽式外循环滚珠丝杠 1-挡珠器；2-螺母；3-滚珠螺母；a-回珠槽 插管式滚珠丝杠螺母如图 3-6 所示，它由丝杠、滚珠、回珠管 1 和螺 母组成。利用插入螺母的管道作为回珠槽，加工方便，应用也较广泛， 但管道突出于螺母外面，径向尺寸较大。 图 3-6 插管式滚珠丝杠螺母 1-回珠管（外滚道）；2-内外道 根据上面的比较，本次设计

40、的加工中心的滚珠丝杠副采用的是内循 27 环方式。 3.2.2 滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整 滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。轴向间隙通常是指丝杠和螺母相 对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。除了结构本身所有的游 隙之外，还包括施加轴向载荷后产生弹性变形所造成的轴向窜动量。 由于存在轴向间隙，当丝杠反转时，将产生空回误差，从而影响传 动精度和轴向刚度。为了保证反向传动精度和刚度，必须消除轴向间隙。 但是从机械结构上来看，想要把轴向间隙完全消除相当困难。通常采用 双螺母预紧的方法把弹性变形量控制在最小限度内。但是过大的预加载 荷会增大摩擦阻力，降低传动效率，缩短使用寿命。所以一般需要经过 多

41、次调整，以保证既消除间隙又能灵活运转。调整时除螺母预紧外还应 特别注意使丝杠安装部分和驱动部分的间隙尽可能小，并具有足够刚度。 消除间隙的方法有：双螺母消除和单螺母消除。 1.常用的双螺母消除轴向间隙的结构型式有以下三种： 1）垫片调隙式如图 3-7 所示。如果用螺钉来联接双螺母的凸缘， 则可在凸缘和螺母座 3 之间加一垫片 4，垫片一般为剖分式，通过修磨改 变垫片 4 的厚度，从而使两个滚珠螺母产生少许轴向相对位移。这种方 法结构简单、刚性好、装卸方便，但调整时常需对垫片反复修磨，工作 中不能进行随时调整，因此适于一般精度的机构。 28 图 3-7垫片调隙式滚珠丝杠螺母 1、2-螺母；3-螺

42、母座；4-垫片 2）螺纹调隙式如图 3-5 所示。一个滚珠螺母的外端有凸缘，而另 一个的外端没有凸缘而制有螺纹，用双螺母 2 对双滚珠螺母进行轴向位 置的调整和固定。旋转前螺母可使双螺母产生轴向相对位移，达到调整 轴向间隙的目的，用后螺母进行锁紧。这种方法结构简单、调整方便， 因此应用广泛。其缺点是调整量难以精确控制。 3）齿差调隙式如图 3-4 所示。两个滚珠螺母 3、4 的凸缘上各制有 圆柱齿轮，其齿数分别为 Z1 和 Z2，Zl-Z2l，这两个圆柱齿轮分别插入 两个内齿轮圈 1、5 中而被锁紧。调整时，先取下两个内齿圈，然后使两 个圆柱齿轮沿相同方向转过 A 个齿，再装入内齿圈 l、5，

43、锁紧两圆柱齿 轮。因此，两个滚珠螺母产生了相对角位移、进而产生轴向相对位移达 到调整轴向间隙的目的。此种调整方法精确简单，但结构复杂，因此多 用于对调整准确度要求较高的场合，在数控机床中应用比较广泛。 2常用的单螺母丝杠螺母副消除间隙的方法 1) 单螺母变位导程预加负荷如图 3-8 所示，它是在滚珠螺母体内 的两列循环珠链之间， 使内螺母滚道在轴向产生一个L0 的导程突变量， 从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。这种调隙方法结构简单，但负荷 量须预先设定且不能变。 2)单螺母螺钉预紧如图 3-9 所示，螺母的专业生产工作完成精磨之 后，沿径向开一浅槽，通过内六角调整螺钉实现间隙的调整和预紧。单

44、螺母结构不仅具有很好的性价比，而且间隙的调整和预紧也极为方便。 综合上诉考虑，本次设计采用的是单螺母变位螺距预加载荷。 29 图 3-8 单螺母变位导程预加负荷 图 3-9 单螺母螺钉预紧 3.2.3 丝杆支承方案 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺 母副本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支承结构的刚度也是不可忽 视的因素。滚珠丝杆螺母机构安装不正确以及支承刚度不足，还会使滚 珠丝杠的使用寿命大大下降。常见的丝杠安装支承方式有以下几种。 30 1）一端装推力轴承。如图 3-10（a）所示，这种安装方式的承载能 力小，轴向刚度低，只适用于短丝杠，一般用于数控机床的调节环节

45、或 升降台式数控铣床的立向（垂直）坐标中。 2）一端装推力轴承，另一端装向心球轴承。如图 3-10（b）所示， 此种方式可用于丝杠较长的情况。应将推力轴承远离液压马达等热源及 丝杠上的常用段， 以减少丝杠热变形的影响。 3）两端装推力轴承。如图 3-10（c）所示，把推力轴承装在滚珠丝 杠的两端，并施加预紧拉力，这样有助于提高刚度，但这种安装方式对 丝杠的热变形较为敏感，轴承的寿命较两端装推力轴承及向心球轴承方 式低。 图 3-10 滚珠丝杠在机床上的支承方式 （a）一端装推力轴承；（b）一端装推力轴承，另一端装向心球轴承； （c）两端装推力轴承；（d）两端装推力轴承及向心球轴承 4）两端装推

46、力轴承及向心球轴承如图 3-10（d）所示，为使丝杠具 31 有最大的刚度，它的两端可用双重支承，即推力轴承加向心球轴承，并 施加预紧拉力。这种结构方式不能精确地预先测定预紧力，预紧力的大 小是由丝杠的温度变形转化而产生的。但计时要求提高推力轴承的承载 能力和支架刚度9。 综合上述考虑， 本次设计的 XHK0820 数控加工中心 Z 动力部件的丝 杠支承方式选用了第一种,一端固定一端自由支承方式。因为这种加工中 心的丝杆不长，一端装推力球轴承的安装方式适合它，它的承载能力小， 轴向刚度低，适合于数控机床的调节环节或数控加工中心的立向。 3.2.4制动方式 由于滚珠丝杠副的传动效率高，无自锁作用

47、（特别是滚珠丝杠处于 垂直传动时）故必须装有制动装置。XHK0820 数控加工中心采用的是失 电制动器制动。制动器是用来降低机械运转速度或迫使机械停止运转的 装置。机床工作时，制动器得电，在电磁铁作用下制动器释放，步进电 机接受控制的指令脉冲后，经过齿形带传给丝杆，使主轴箱上下移动。 当加工完毕或中间停电时，制动器起作用，使丝杆不能传动，主轴箱不 会下落。 3.3 进给电机选择与计算 3.3.1 进给电机的选择 机械设计对控制电机性能的基本要求如下： 1) 性能密度大 2) 快速性好 3) 位置控制精度高 4) 适应启停频繁的工作要求 32 5) 振动和噪声小 6) 可靠性能高、寿命长 本次设

48、计采用的是功率步进电机。功率步进电机一般用于开环系统， 在一些普通机床的数控改造，以及对精度要求较低的场合应用非常普及。 步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的直线位移或角位移的机 电执行元件。每当电动机绕组接受一个脉冲时，转子就转过一个相应的 角度。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比。在时间上与 输入脉冲同步，因而只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序， 即可获得所需要转角的转速和转动方向。 3.3.2 进给电机的计算 选用功率步进电机型号为90BYG， 其主要技术参数为最大静力矩6N m， 步距角0.9， 转动惯量 M J=810-4kg m2。 滚珠丝杠直径 0 d=18

49、mm, 螺距 S=5mm,长度L=400mm。运动部分质量 W=100kg，最大轴向载荷 Famax=2500N。 1.计算加速力矩 a M 1)计算运动部分的转动惯量 W J 246 2 6 2 .1064 . 0 10100 2 5 10 2 mKgW S Jw = = = 式中W-运动部分（包括主轴箱和刀具等）的质量，Kg； S-丝杠螺距，mm。 2)计算丝杠的转动惯量 S J 2412412 4 0 .1032 . 0 104001877 . 0 1077 . 0 mKgLdJs = 式中L-支承螺距，mm； 0 d-滚珠丝杠直径，mm。 3) 计算带轮的转动惯量 L J 24124124 1064. 110275377. 01077. 0mKgLDJ LL = 33 4) 负载折算到电机轴上的转动惯量为： 24444 1024 . 4 1064 . 1 21032. 01064 . 0 mKgJJJJ LSWr