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1、数控铣床的进给传动系统 摘要：在国际贸易中，很多发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润主要电机出口产品。世界贸易强国在进行国内机电产品贸易的同时，把高技术的机电产品出口打入国际市场，作为发展出口经济的重要战略措施，数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控铣床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置。关键词： 数控铣床 发展趋势 智能化 柔性化英文：In international trade,many centuries view digital lathesare as hi-
2、techvalue-adds and profitable exports.Digital lathesare expensive mechanical and electrical products.The powerful trade nations export hi-texh mechanical snd electrical products to the world market whiledoing such business at home ,Which is now an important strategy of develop-ing their export econo
3、myKey words digital lathe ; development tendency; intelligence; tenderness1.引言：科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；FMS的迅速发展和CIMS的不断成熟，又将对数控机的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日益完盖，数控技术的应用颔域日益扩大。数控铣床是在数控加工中心领域中最具代表性的一种典型机床
4、，在数控机床中所占的比率最大，数控加工中心、柔性制造单元等都是数控铣床基础上派生或发展起来的。它具有功能性强、加工范围广、工艺较复杂等点，主要用于各种复习的平面、轮廓、曲面等零件的铣削加工，同时还可以进行钻、扩、镗、攻螺纹等加工，在航空航天、汽车制造、机械加工和模具制造业中应用非常广泛。2.数控铣床的组成 数控铣床一般由数控系统、机床基础部件、主轴箱、进给伺服系统及辅助装置等几大部分组成。（1）数控系统数控系统是机床运动控制的中心，通常数控铣床都配有高性能、高精度、集成软件的微机数控系统，具有直线插补、圆弧插补、刀具补偿、固定循环、用户宏程序等功能，能完成绝大多数的基本铣削以及镗削、钻削、攻螺
5、纹等循环加工。（2）机床基础部件通常是指底坐、立柱、工作台、横梁等，是整个机床的基础和框架。（3）主轴箱包括主轴箱和主轴传动系统，用于装刀具并带动刀具旋转、主传动大多采用专用的无级调速电动机驱动。（4）进给伺服系统由进给电动机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，其主轴垂直方向进给运动及工作台的横向和纵向进给运动均由各自的交流伺服电机来驱动。（5）辅助装置包括液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。2数控铣床的分类 数控铣床品种繁多，规格不一，可按通用铣床的分类方法分为以下3类：(1)数控立式铣床：数控立式铣床主轴轴线垂直于水平面，这种铣床占数控铣床的大
6、多数，应用范围也最广。目前三坐标数控立式铣床占数控铣床的大多数，一般可进行三轴联动加工。(2)卧式数控铣床：卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转台或万能数控转台的方式来实现四轴和五轴联动加工。这样既可以加工工件侧面的连续回转轮廓，又可以实现在一次装夹中通过转台改变零件的加工位置也就是通常所说的工位，进行多个位置或工作面的加工。(3)立卧两用转换铣床：这类铣床的主轴可以进行转换，可在同一台数控铣床上进行立式加工和卧式加工，同时具备立、卧式铣床的功能。3.数控铣床的用途和工艺特点铣床是用铣刀进行切削加的机床,铣床的加工情况如图1-1所示。在
7、铣床上，用不同铣刀可以对平面、斜面、沟槽、台阶、T形槽、燕尾槽等表面进行加工，另外配上分度头或回转台还可以加工齿轮、螺旋面、花键轴、凸轮等各种成型表面。故铣床的万能性强，应用范围很广。铣床的主参数是工作台面宽度及长度。铣床的工艺特点如下：(1)铣床的主轴带动铣刀作旋转主运动；(2)铣刀是多齿、多刃连续进行切削；(3)多数铣床由工作台带动工件作直线进给运动；(4)铣刀在切削时，每个刀齿的切削过程是断续的，同时参加切削的齿数是变化的，每个刀齿的切削厚度也是变化的，因此容易引起机床振动；(5)铣削时，铣刀同时参加切削的齿数较多，便于采用较大的铣削速度和进给给量，因而生产效率高。4.数控铣床进给传动装
8、置要求 数控机床伺机服进给系统是由伺服驱动电路、伺服驱动装置。机械传动机构及执行部件组成。从位置控制的角度看，伺服系统有开环、闭环、半闭环之分。开环控制不需要位置检测与反馈；闭环和半闭环制需要有位置位检测与反馈环节。4.1伺服系统机械传动结构特点 为确定伺服系统的定位精度和工作稳定性，在机构传动结构设计上都要求无间隙、低摩擦、高刚度、高谐振以及适宜的阻尼比。为了达到这些要求，机械传动结构的设计中应尽量采用低摩擦传动副，如滚动导轨。静压导轨、贴塑导轨、滚珠丝杠等，以减小摩擦力；通过选区用最佳降速比来降低惯量；采用预紧的办法提高传动刚度；用消隙的办法减小反向死区误差等，其中最重要的是提高传动刚度和
9、降低惯量。采用预紧消除间隙提高传动刚度，不仅不需要增大尺寸和惯量，而且也使传动刚度接近常数，这是伺机服进给系统机械结构设计中最突出的特点。4.2纵向伺服进给系统的基本要求数控铣床进给系统必须保证由数控装置发出的控制指令转换成速度符合要求的相应位移或直线位移，带动运动部件运动。根据工件加工的需要，在机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立的，也可以是联动的。总之，数控机对进给系统的要求集中在精度、稳定性和快速响应三个方面。为满足这些要求，首先需要高性能的伺服驱动电机，同时也需要高质量的机械结构与之匹配。为提高进给系统机械结构性能主要采取以下措施：（1）提高系统机械结构的传动刚度：主要是从传动元件
10、的刚度、消除传动元件之间的间隙、尽可能缩短进给传动链的长度、采用预紧措施这几方面为出发点考虑。（2）采用低而稳定的摩擦传动副：因为数控铣床进给系统多采用刚度高、摩擦因数小而稳定的滚动摩擦副，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨等。（3）惯量匹配：最佳惯量匹配目的是为保证伺服驱动电机的工作性能和满足传动系统对控制指令的快速响应的要求。由于在通常情况下传动系统机械结构的惯量总是大于要求的数值，故而在设计时为得到最佳的惯量匹配，总是希望传动系统中元件的质量和惯量要小一些，降速比则要大一些。（4）提高传动件精度：高质量的机械传动配合与高性能的伺服电动机使现代数控机床进给系统性能有了大幅度提高。4.3伺服进给
11、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
12、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。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。图21 X502型立式铣床外形及进给传动系统4.4纵
13、向进给系统的改动（1）纵向进给系统需作以下改动：将带轮去掉，将带轮的轴通过联轴器与伺服电机相连，丝杠传动副改用滚珠丝杠螺母副，其余部分不动，仍保留机床纵向进给的机构部分，这种改造成本最低。（2）撤除原机床的进给箱，溜板箱,光杠与丝杠以及安装座，配上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的伺服电机安装在车床的床尾，并不占据丝杠空间。;（3）滚珠丝杆仍安置在原丝杆的位置,采用一端轴向固定,一端浮动的结构形式为便于安装滚珠丝杆螺母副,丝杆不是整体的,而是采用分体式,即用连接套筒刚性连接。由于采用了滚珠丝杠可提高系统的精度和纵向进给整体刚度。（4）纵向进给机构和横向进给机构均由伺服电动机、滚珠丝杆螺母副
14、通过ML-02型弹性膜片式联轴器组成。图31 滚珠丝杠用轴承上述2类轴承中，角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中，小型数控机床中被广泛应用。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。经过分析在此设计中本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端浮动的结构形式如图43所示。固定端采用1对接触球轴承面对面组配，以容易实现自动调整。简支端支承采用深沟球轴承，只承受丝杠的重力。同时滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。4.5滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧珠丝杠螺母机构
15、是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形，接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。因此，滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高滚珠丝杠螺母副的接触刚度。滚珠丝杠螺母副通常采用双螺母结构，如图44所示1滚珠螺母；2紧定螺钉；3支座；4滚珠丝杠；5调整垫片图44 双螺母滚珠丝杠图中1代表滚珠螺母，3代表支座，螺母与支座之间有调整垫片，通过调
16、整垫片来调节滚珠螺母与滚珠丝杠螺纹之间的间隙。通过调整两个螺母之间的轴向位置，使两个螺母的滚珠在承受载荷之前，分别与丝杠的两个不同的侧面接触，产生一定的预紧力，以达到提高轴向刚度的目的。调整预紧有多种方式，上图所示的为垫片调整式，通过改变垫片的厚薄来改变两个螺母之间的轴向距离，实现轴向间隙消除和预紧。这种方式的优点是结构简单、刚度高、可靠性好。4.6选择伺服电机伺服电机的选择用，应考虑三个要求：最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量应与负载惯量相匹配（匹配条件可根据伺服电机样本提供的匹配条件，也可以按照一般的匹配规律）；快速移动时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。结束语通过对
17、X502经济型中档精度数控铣床纵向进给机构及导轨润滑系统的设计与改造，使其尤其适合我国机床拥有量大,生产规模小的具体国情。数控机床以伺服电机直接驱动滚珠丝杠进行位置控制,减少了中间传动环节,改善了传动系统的动态特性,避免了多级传动带来的累积误差。经改造后的机床完全能进行加工外圆、锥度、螺纹、端面等的自动控制, 加工的零件精度高,尺寸一致性好,自动化程度高,提高了原机床的生产效率,降低了劳动强度.而且使用方便,改造费用低，采用数控技术对企业原有机床进行改造,即发展经济型的数控机床是当前工矿企业机床技术改造的有效途径。 参考文献1 文怀兴，数控铣床设计，北京：化学工业出版社，2005.112 杜君文，机械制造技术装备及设计，天津：天津大学出版社，2007.103 李斌，数控加工技术，北京：高等教育出版社，2001.84 王彪，现代数控机床实用操作技术，北京：国防工业出版社，2009.35 王爱玲，数控机床结构及应用，北京：机械工业出版社，2006.16 刘治平，机电传动控制，天津：天津大学出版社，2007.97 林宋，现代数控机床，北京：化学工业出版社，2003.118 王爱玲，数控编程择术，北京：化学工业出版社，2