车床进给机械系统及测量系统设计

时间：2021-02-24 13:09:38 来源：东东创业网 本文已影响人

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车床进给机械系统及测量系统设计 摘 要 车床机械结构系统可分为主轴传动机构、进给传动机构、机床刀架、机床车身、机床辅助装置。

该数控车床的设计是改造了普通车床,以适应机床工业的发展。它是对数控车床进给系统和测量系统的改造设计。由机床伺服驱动电路、机床伺服驱动器、机床驱动机构和执行部件组成的机床进给系统用来接收来自CNC装置系统的信号以驱动执行部件的运动。

本次设计主要是依据原始数据的一部分来确定，然后根据生产条件来确定车床参数，并且传动方案是基于上面车床设计参数的确定来完成的。并且通过计算机床的传动副的传动比和齿轮齿数，再估计齿轮模数，并确定齿轮的强度和刚度。此外，设计了机柜的结构和某些零件的选型，从而对整个主轴和进给系统及测量系统的设计。然后再用CAD和UG等二维和三维软件画出零件图纸并进行装配图的组装。

关键词 数控车床；
进给系统；
二维设计；

不要删除行尾的分节符，此行不会被打印 目 录 摘要 I 第1章 绪论 1 1.1 背景 1 1.2 目的和意义 1 第2章 总体方案设计 4 2.1 数控车床设计的基本要求 4 2.1.1 工艺范围 4 2.1.2 加工精度 4 2.1.3 开放性 4 2.1.4 生产率和自动化 5 2.1.5 可靠性 5 2.2 数控车床设计方法和理论 5 2.2.1 车床设计方法 5 2.2.2 数控车床设计的步骤 6 2.3 车床设计的基本理论 6 2.4 数控车床总体方案设计 6 2.4.1 几何运动设计 6 2.4.2 车床总体结构方案设计 7 第3 章 纵向进给系统设计计算 6 3.1 切削力的计算 6 3.2 丝杠螺母的设计与计算 6 3.2.1 强度验算 6 3.2.2 效率计算 7 3.2.3 刚度验算 7 3.2.4 稳定性验算 8 3.3 电机的选择 9 3.3.1 计算传动比 9 3.3.2 转动惯量计算 10 3.3.3 所需传动力矩计算 10 3.3.4 电机的选择 11 3.4 轴承的选用与校核 12 3.4.1 角接触球轴承的选择 12 3.4.2 深沟球轴承的选择 13 第4 章 横向进给系统设计计算 14 4.1 切削力的计算 14 4.2 丝杠螺母的设计与计算 14 4.2.1 强度验算 14 4.2.2 效率计算 15 4.2.3 刚度验算 15 4.2.4 稳定性验算 16 4.3 电机的选择 18 4.3.1 计算传动比 18 4.3.2 转动惯量计算 18 4.3.3 所需传动力矩计算 19 4.3.4 电机的选择 20 4.4 轴承的选用与校核 20 4.4.1 角接触球轴承的选择 20 4.4.2 深沟球轴承的选择 21 第5 章 测量系统设计 22 5.1数控车床的步进伺服系统法的结构和工作原理……………………22 5.2数控车床的步进伺服系统的基本要求………………………………22 5.3数控车床的步进伺服系统的总体设计………………………………22 结论 参考文献 千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行 第1章 绪论 1.1 背景 数控车床因为是机床里面常用而典型的一种设备，所以该设备用于各种生产行业的加工中。这在数控技术中应用最广泛的例子。因此，此次设计将选择CNC车床作为设计对象。本次将会设计数控车床的主要机械结构、辅助零部件的选用，使其的加工能力可以达到国际上的先进水平。

在最近几年里，伴随着国内制造业的良好发展，中国越来越多的机械加工生产企业也得到了如日中天的发展，这些加工生产企业对数控设备有着很大的需求。那么可想而知，数控行业的快速发展肯定促使先进数控设备需求量得上涨。然而，在其火热发展的背后，却出现了数控机床量的不足，不得不靠进口国外设备来满足国内的市场，而国产数控机床却无法满足某些中小生产行业的需求，导致国产数控机床损失了自己该有的市场。针对这一现状，本次将设计一种相对先进的小型数控车床，它具有较高速度和精度。根据市场分析和调查研究，中小企业生产的零件较精密、形状较复杂、零件可变、体积小、品种多、批量小、产品更换周期快。此次设计就是基于对上述产品的加工需求，并模仿国外先进小型数控车床的新设计。

1.2 目的和意义 数控车床又称为CNC装置车床，它们是通过计算机来进行数字化控制的车床。与数控车床相比较，普通卧式车床通过人为纯手工作动机床来完成各种切削动作，而数控车床通过将编好的数控语言手动输入到计算机中，由控制系统通过控制坐标轴和伺服电动机的转向及位置量去控制车床的进给运动，从而使工件出现了动作顺序的先后、移动位置的远近和移动速度的快慢，再配以主轴转速及转向和自动换刀系统，就会加工出各种形状的零件。因而，数控车床是现在我们使用最为广泛的机床。

国家制造业的强大是基于这个国家的工业发展程度和工业先进程度。在工业经济时代有些人把制造业作为一个国家经济增长的“引擎”。作为制造业中最常用也是最常见的制造工具，机床反映出了制造业的水平。其中，数控机床结合现今各种各样的先进数字化电子技术，更是代表机床和尖端制造行业中的最高水平。数控机床是当代制造行业的重要设备，一个国家数控机床的年均产量和技术水平在某种程度上就代表着这个国家的制造业水平和竞争力。此次我设计的数控车床，具备以下特点：调速范围宽、主轴传动平稳、加工精度高、采用闭环控制系统、实际应用价值高。

第2章 总体方案设计 2.1 数控车床设计的基本要求 2.1.1 工艺范围 数控车床的加工工艺范围指车床在不同生产要求条件下能按时完成任务的能力，它主要包括以下的内容：完成的工序种类、所加工零件的类别,加工材料类型、要求的尺寸范围、实际生产效率、加工成本、毛胚件的种类、零件生产规模、零件的加工精度、零件的表面粗糙度等。

我们一般通过加工的对象来选择数控车床的功能。哪些通常只是为了批量生产的车床其功能常常设置的比较少,只需让其到达加工工艺范围即可,以此来达到高效率和减少制造时间并降低生产成本。对于在同一个机床上就能完成不同工作的小批量单件生产用的通用车床，它的加工工艺范围就显现的广泛了。数控车床是通过数字来控制的，其优越性不可替代,其加工工艺范围也远远大于普通车床,适合于大批量工件生产的制造行业当中。

2.1.2 加工精度 加工精度是机床必一项必须保证的可靠性能指标，是用来保障加工零件在形状、尺寸、相互位置的准确性。所以，机床的加工精度受很多的因素影响，如机床作几何运动的精度、机床传动系统的精度、工件的形状尺寸、机床夹具的定位、机床换刀具系统、以及数控编程错误等。

我们在车床布局阶段必须要注意采取一些方法来保证加工出的工件具有可靠的精度，如：提升机床的传动精度和刚度，减少机床传动结构的震动和热变形。我们通常选择的传动件应具有较高加工精度并可缩短传动件间的传动链, 以提升机床的传动精度,完成主运动与进给运动间的零传动。

2.1.3 开放性 对于那种简单的单机工作的车床，一般都是由人力来完成物料的交接，这就要求车床要使用方便、操作简单、清理简洁和维护容易。

2.1.4 生产率和自动化 为了提升数控车床的生产率，我们应缩短车床工作时间。即，用较为先进的刀具、提高车床的切削速度、进给速度和加大切车床的削深度等方法可实现。

2.1.5 可靠性 能在规定的加工条件下和加工时间内，机床能独立完成加工任务的能力。一般来说数控车床是由数控系统、伺服系统、机床本体等三大主体部分构成。

2.2 数控车床设计方法和理论 2.2.1 车床设计方法 对数控车床的研究是一个从静到动、从定性到定量、从线性到非线性、从安全设计到优化设计、从人工计算到数字化控制的发展过程。随着数字化控制系统的不断完善与强大,数控机床的传动系统与结构组成也得到了越来越多的改变。伺服系统的建立能使机床更加可靠完成单轴运动和多轴联动,从而省去了许多复杂的机械传动设计。

2.2.2 数控车床设计的步骤 数控车床设计的步骤首先是通过查找资料进行调查研究分析，再进行技术和经济收益论证是否可行，然后确定机床总体的方案设计，再次对技术的深入研究设计，确认可行后开始进行机床工作结构的设计，最后做出样机并进行实验，根据实验的结果选择是否决定投入生产。

2.3 车床设计的基本理论 刚度指车床在受到外来载荷的作用时，能保持自身结构完整性的能力。载荷按照其性质可以分为静载荷与动载荷。静载荷会对车床的抗振性、生产率有影响，所以提升车床的刚度是重中之重。

精度指机床上面零部件的形状、位置和几何运动的精确度，它分为了几何精度、传动精度、定位精度等。为了提高车床的精度，我们需要考虑如何进行精度的分配、部件的选型和材料选择等。

抗震性是在交变载荷作用下数控车床能够抵抗变形的能力。它分为了受迫振动和自激振动。机床的振动会导致工件精度变低、表面质量变差，使机床刀具的寿命减短,让机床的生产效率低下，加快了机床的破损程度,严重的还使机床发出巨大的噪音。所以我们必须提高车床抗振性。

2.4 数控车床总体方案设计 2.4.1 几何运动设计 数控车床通过刀具和工件之间的发生相对运动，从而加工出具一定几何形状和尺寸精度的工件表面。为了获得圆柱面，车床应具备一定的主轴回转速度和刀架的纵向移动，而在进行车端面时，刀架应该作横向的进给运动。

为完成工件表面的加工工艺，车床上还应设置各种运动，各运动之间的功能应该是不一样的。一般我们把它分成了成形运动和不成形运动。在工件的表面上完成一个加工工艺所需要的最基本运动，就是成形运动。

在对数控机床几何运动方案设计时我们分了五个部分,第一部分为对机床加工工艺的分析、第二部分为选择机床原点坐标、第三为列出机床几何运动的关系式、第四部分是对车床运动机构和车床传动机构的原理图绘制。

2.4.2 车床总体结构方案设计 在进行了有关数控车床运动结构的研究设计后,需要对数控车床运动功能的研究设计,以此来找到支撑件的位置。然后，把数控车床的运动功能关系经反复测试研究后，选出并保留下最佳的运动方案，即可以进行运动方案的分配设计,再对一些车床运动的分配式进行计算和测试,去掉不合理的设计,得出合理方案设计。

常见的数控机床结构布局有立式机床、卧式机床和斜置式机床,在这中间按支撑件的形式又可分为有底座式、立柱式、龙门式。此次是对卧式数控车床的设计,主要是对数控车床主轴与进给系统及测量系统的结构设计。

第3章 纵向进给系统设计计算 3.1 切削力的计算 根据公式，切削力 其中 ——工件最大回转直径，=320mm，查《机床设计手册》，进行车削外圆加工工艺时， 径向载荷：
轴向载荷：
取：
, 3.2 丝杠螺母的设计与计算 3.2.1 强度验算 计算车床丝杠的轴向工作负载采用下面公式：
（4-1） 查《实用机床设计手册》知：
——颠覆力矩影响系数，在使用双三角形导轨时，一般取=1.2；

——当量摩擦因数，在使用双三角形导轨时，一般取=0.1；

——导轨承受的重力，估计重为80kg，故 由公式（4—1）得：
计算最大动载荷Ca：
（4-2） 其中，——寿命值，——当量转速，由公式计算得：
（4-3） （4-4） 式中 ——数控机床丝杠推荐寿命；
查《实用机床设计手册》表3.7-55，取数控车床寿命；

——滚珠丝杠导程，mm；
初选=10mm；

——在切削力达到最大时的进给速度，一般等于最大进给速度的1/2至1/3，这里取1/2，=7.6；

——表示负载性质系数，查看了《实用机床设计手册》表3.7-53（按通常运转情况取1.2~1.5）这里令=1.2；

——丝杠寿命，取L=106转为单位。

所以通过公式（4—2），（4—3），（4—4）计算得：
=23.2KN（额定最大动载荷） 根据计算结果，选取滚珠丝杠型号，再查看《实用机床设计手册》表3.7-61，决定选取双螺母滚珠丝杠副的型号为FD4010-4-P2，其公称直径，滚珠丝杠导程长度10mm，额定最大动载荷等于40KN，＞23.2KN。所以满足其设计强度。

3.2.2 效率计算 由教材中机械原理的公式，计算丝杠螺母副传动效率：
（4-5） 式中 ——摩擦角， ；

——螺旋升角，由下面公式计算得到：
其中，=32mm为滚珠丝杠公称直径，=10mm为滚珠丝杠导程。

由公式（4—5）得：。

3.2.3 刚度验算 在轴向力作用下滚珠丝杠会发生拉伸或压缩变形，在扭矩的作用下会产生扭转变形，这两者都会引起滚珠丝杠导程发生变化，从而影响滚珠丝杠的传动精度与定位精度，所以对滚珠丝杠验算时应该取满载时的变形量。

在轴向力作用下丝杠变形量的计算式为：
（4-6） 式中 ——工作负载，单位N；
；

——丝杠的导程；
=10mm；

——丝杠材料的弹性模量；
；

——丝杠内径截面积,单位mm2。

丝杠滚珠直径：
滚道半径：
偏心距：
滚珠丝杠内径：
滚珠丝杠截面积：
由公式（4—6）得：mm 扭矩M引起的滚珠丝杠导程变形量很小，所以我们一般都省略不计，即， 当丝杠长度是1000mm，丝杆导程总变形的量: μm/m 滚珠丝杠精度等级可分为：1级、2级、3级、4级、5级，通过查《实用机床设计手册》表3.7-22，丝杠每1m上所允许的变形量不大于5μm/m、10μm/m、15μm/m、30μm/m、60μm/m，对于未达到刚度要求，我们可以采用预拉伸结构或增大丝杠直径等方法来解决刚度要求。此次设计我们采用的是4级精度的滚珠丝杠，因，所以刚度满足要求。

3.2.4 稳定性验算 因纵向进给系统运动长度比较长，所以其受到力也比较大，为了使车床的刚度提升并使车床的误差得到变小，我们选择两端轴向固定的支撑方式，如下图4-1示：丝杠螺纹部分长度等于工作台最大行程加上螺母长度再加上两端余程。工作台行程等于650mm，螺母长度等于150mm，查看了《实用机床设计手册》3.7-25，导程等于10mm，余程等于40mm，计算出丝杠螺纹部分mm。

丝杠支撑跨距，应略大于，取为=1100mm 其中 ——核算压杆稳定性的支承距离,单位是mm；

——核算临界转速的支承距离,单位是mm。

查《实用机床设计手册》表3.7-45及表3.7-61得: 图4-1 丝杠两端固定支撑方式 等于工作行程加上丝杠螺母尺寸的一半再加上固定端支撑距离的二分之一， 等于游动端支撑距离的二分之一与工作行程和丝杠螺母的二分之一的总和，则：, 临界转速校核：
对于长丝杠来说，在其高速运行时，可能产生共振现象，所以我们要对其临界转速进行验证，来保证其不会产生共振，设刚刚发生共振现象的最高临界转速是：
式中 表示丝杠丝杠支承方式系数的大小，查看了《实用机床设计手册》表3.7-37，=3.927；

表示受压面直径的大小， 其当量转速，故，值均满足规定条件，因而丝杠不会发生共振和失稳。

3.3 电机的选择 3.3.1 计算传动比 闭环传动比：
（4-7） 式中 ——电动机额定转速,r/min；
=2000r/min；

——工作台最大进给速度,mm/min；

=7.6m/min=7600mm/min；

——丝杠导程,mm；
根据经验选大些,选=10mm。

由公式（4—7）得：
取，根据传动功率，已知v=7.6m/s。拟订减速齿轮副的齿数，，模数mm。

故可取齿轮为：=20， =50，=20°， ， 其分度圆直径：
中心距：。齿轮经校核,满足要求。

3.3.2 转动惯量计算 丝杠的转动惯量：
式中 ——丝杠的长度。

工作台，工件等折算到丝杠轴上的转动惯量：
= 式中 ——工作台重量，取=80kg；

齿轮转动惯量：
丝杠传动时，一级齿轮降速时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量：
3.3.3 所需传动力矩计算 快速空载启动时所需力矩：
式中 ——空载启动时，折算到电机轴上的加速力矩；

——折算到电机轴上的摩擦力矩，；

——由丝杠预紧引起的折算到电动机轴上的附加摩擦力, ；

采用滚珠丝杠时：
最大启动转矩：
式中 ——折算到电机轴上的总惯量，kg.m2；

——系统时间常数，=25ms；

——电机转速，r/min；
当时计算时计算；

摩擦力矩：
式中 ——导轨摩擦力,N；
等于横向进给系统重力乘以摩擦系数；

——丝杠螺距，mm；

——降速比；

——传动链总效率，＝0.75～0.85，取＝0.8。

附加摩擦力矩：
式中 ——滚珠丝杠未预紧时的效率一般，取；

——最大轴向负载，N；

切削力矩：
对于数控机床来说，其动态性能要求比较高，所以其电动机力矩主要用来产生加速度的，而负载力矩占比重较小，一般大多小于电动机力矩的 10％～30％，因此按：
计算。

3.3.4 电机的选择 选择电动机，因其快速空载启动力矩小于电动机的最大转矩，即，为电动机输出转矩的最大值，即峰值转矩， ，为电动机额定转矩，λ为电动机转矩的瞬时过载系数(交流伺服电机λ=1.5~2) 。

故选择FANUC交流伺服电机S—1.0其最高转速为2000r/min，最大转矩16 ，额定转矩2.0，转子转动惯量为，重量为4.5kg。交流伺服电机的电机惯量与负载惯量的匹配关系：
式中 ——负载惯量折算到电机轴上的总和， ——电动机转子惯量， 满足惯量匹配。

3.4 轴承的选用与校核 3.4.1 角接触球轴承的选择 纵向进给系统承受着轴向力与径向力，且承受的轴向力不大，所以我们选用角接触球轴承。根据轴的尺寸，查《实用机床设计手册》表3.8-50，选用7006C GB/T292-94 角接触球轴承，其基本参数见下表4-1所示。

表4-1 7006C角接触球轴承的基本参数 d(mm) D(mm) B(mm) Cr(kN) Cor(kN) 极限转速（r/min） 脂润滑 油润滑 30 55 13 16.2 11.5 9500 14000 轴承寿命校核计算：
根据教材《机械设计》中滚动轴承寿命的校核条件：
（4-8）式中 ——轴承应具有的基本额定动载荷，N；

——轴承所受的载荷，N；

（4-9）， 查《机械设计手册》表13-5，得：
，其中e为判断系数。

故取。

由公式（4—9）得：
式中 ——轴承的转速，r/min；
等于丝杠的当量转速r/min；

——轴承预期计算寿命，h；
h；

——寿命指数，对于球轴承。

由公式（4—8）得：
NkN 此次设计中所用轴承基本额定动载荷为16.2kN，满足其要求。

3.4.2 深沟球轴承的选择 因为深沟球轴承是用在游动端，所以轴承的轴向力可以忽略不计，因此我们只需要考虑径向力。由轴的尺寸，查《实用机床设计手册》表3.8-44，选6306深沟球轴承，其基本参数如下表4-2所示。

表4-2 6306深沟球触球轴承的基本参数 d(mm) D(mm) B(mm) Cr(kN) Cor(kN) 极限转速（r/min） 脂润滑 油润滑 30 72 19 27.0 15.2 9000 12000 游动端径向力，根据公式（4-9）X=1,Y=0, N, ,,同上，故由公式（4-8）得，轴承承受的基本动载荷为：
此次设计我们用的轴承基本额定动载荷为15.8kN，满足其使用的要求。

第4章 横向进给系统设计计算 4.1 切削力的计算 在进行横向切割端面时，主切削力取纵向主切削力的一半，即 按切削力各分力的比例：
径向载荷：
轴向载荷：
4.2 丝杠螺母的设计与计算 4.2.1 强度验算 在计算车床丝杠的轴向工作负载时，我们通常选下面公式进行计算：
（5-1） 查《实用机床设计手册》知：
式中 ——颠覆力矩影响系数，取=1.4；

——当量摩擦因数， 一般=0.003~0.005，此处取滚动导轨=0.004；

——为工作重力，估计为600N。

由公式得：
计算最大动载荷：
（5-2） 其中，——寿命值，单位是106转, ——当量转速：
（5-3） （5-4） 式中 ——滚珠丝杠导程，单位是mm；
初选=6mm；

——最大切削力下的进给速度，；
可取最高进给速度的1/2~1/3，此处取1/3，=3.8 ——数控机床丝杠推荐寿命，查《实用机床设计手册》表3.7-55得，数控车床寿命；

——负载性质系数，查看《实用机床设计手册》表3.7-53，=1.2~1.5，此处=1.2， 由前面的计算式（5—2）、（5—3）、（5—4）得：
==7.44kN 由计算所得的额定最大动载荷Ca=7.44kN，查《实用机床设计手册》表3.7-61，选出滚珠丝杠型号为FFZD型内循环浮动反向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，它的型号是FD2005-4-P2，其丝杠公称直径20mm，丝杠导程5mm，额定动载荷10kN，大于7.44kN,所以满足设计要求。

4.2.2 效率计算 由教材中计算丝杠螺母副传动效率的公式，可以计算得：
（5-5） 式中 ——摩擦角，；

——螺旋升角， 故由公式（5—5）得：
4.2.3 刚度验算 在轴向力作用下丝杠发生拉伸变形或压缩变形，在扭矩的作用下会产生扭转，这些都将造成丝杠导程的改变，从而造成传动精度及定位精度不准确，所以在对滚珠丝杠验算时，我们取满载时的变形量。

对轴向力作用下的丝杆计算其变形量为：
（5-6） 式中 ——工作负载，N；

——滚珠丝杠的导程，mm；

——丝杠材料的弹性模量,；

——滚珠丝杠内径截面积，mm2。

丝杠滚珠直径:， 滚道半径: 偏心距: 滚珠丝杠内径：
滚珠丝杠截面积：
由公式（5—6）得：mm 因为扭矩M造成的丝杆导程变形量很小，一般我们都不考虑，即， 当丝杠长度等于1000mm，丝杆导程的总变形量为：
一般来说对于丝杠的精度，我们可以分为：1-5级，在查看《实用机床设计手册》表3.7-22，了解到对于丝杠，每1m长度上允许的最大变形量不高于5-60。对于哪些没有达到刚度条件的，我们可以采取预拉伸结构和加大丝杠直径来使其达到我们的要求。此次论文设计我们选择2级，8.64<10，满足其刚度的要求。

4.2.4 稳定性验算 对于数控机床的进给系统，我们要求其由较高的传动精度的同时，还应该加强对丝杠螺母机构本身刚度的要求，另外对于如何进行滚珠丝杠的安装于支撑结构的刚度也是我们必须要重视的东西。如果丝杠螺母机构安装错误或支撑结构的刚度达不到要求的话，丝杠的使用时间会大大降低。

横向进给系统一般使用两端轴向固定的支撑方式，其特点为：在安装时要保证螺母与两端支撑是在同一根轴上，所以其结构比较复杂，工艺要求较高;对丝杠轴向刚度要求很高;压杆稳定性与临界转速比的相同长度的一端则要求固定在一起，另外一端则是自由的;对于丝杠，要求受热变形小、精度高等,如图5-1所示。

丝杠螺纹部分长度等于工作台最大行程和螺母长度及两端余程之和。丝杠螺母行程为最大回转直径的一半，丝杠螺母的长度等于102mm，导程等于6mm，两端余程等于24mm。得:mm 支撑跨距，应略大于，取为=450mm 图5-1横向丝杠两端固定支撑 注:——表示压杆稳定性的支承距离,mm；

——表示临界转速的支承距离,mm。

查看《实用机床设计手册》表3.7-45和表3.7-61: 等于工作行程与二分之一的丝杠螺母尺寸和，再加上固定端支撑距离的二分之一，即：
等于游动端支撑距离的二分之一与工作行程的和，再加上丝杠螺母的二分之一，即：
临界转速校核：
因为在高速运行时长丝杠可能产生共振现象，所以我们要计算临界转速来保证不会发生共振，假设丝杠刚好产生共振的最高转速为临界转速则有：
式中 ——丝杠丝杠支承方式系数，查看《实用机床设计手册》表 3.7-37，取=3.927；

——受压面直径，。

当量转速， 都满足设计要求，所以丝杠不会出现共振与失稳。

4.3 电机的选择 4.3.1 计算传动比 闭环传动比：
（5-8） 式中 ——电动机额定转速,r/min， ——工作台的最大进给速度,mm/min；

——丝杠螺距,mm；
由于设计要更加合理和优化，所以对于螺距我们应该取较大些,。

由闭环传动比（5—8）得：
取i=2.5，根据 其分度圆直径：
中心距：, 该齿轮经人工校核,达到设计条件。

4.3.2 转动惯量计算 丝杠的转动惯量：
其他零部件（如工作台、工件自身）折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量：
= 齿轮转动惯量：
在丝杠传动和一级齿轮降速时，传动系统在电动机轴上的转动惯量：
4.3.3 所需传动力矩计算 电动机在空载时快速运行所启动需的力矩：
式中 ——电动机空载启动时的加速力矩，；

——电机轴上的摩擦力矩，；

——把滚珠丝杠预紧时电动机轴上面的附加摩擦力矩，；

——切削时折算到电动机轴上的加速力矩，；

——电动机轴上的切削负载力矩，。

采用滚珠丝杠时：
式中 ——电动机轴上面折算的总惯量，；

——系统时间常数， ms；

——电机转速，r/min;当 r/min时计算；

——切削时的电机转速,r/min。

摩擦力矩：
式中 ——导轨摩擦力,；

——丝杠螺距,mm；

——降速比, ；

——传动链总效率，，取。

附加摩擦力矩：
式中 ——滚珠丝杠未预紧时的效率（），取；

——最大轴向负载，。

切削力矩：
单单就数控机床来说，其动态性能的要求比较高，电动机的力矩一般是用来产生加速度的，且电动机的负载力矩往往比较小，通常小于电动机力矩的10％～30％，所以我们一般按照：
计算。

4.3.4 电机的选择 对于电动机的选择，第一在电动机空载时进行快速运转的启动力矩要远比电动机的最大转矩小，即，表示最大输出转矩，即峰值转矩，我们常常用，表示额定转矩，λ表示转矩的瞬时过载系数，(交流伺服电机λ=1.5~2)，所以我们采用FANUC交流伺服电机S—1.0它的最高转速2000r/min，最大转矩16，额定转矩2.0，转动惯量，质量4.5kg。

电机惯量与负载惯量的匹配：
交流伺服电机：
式中 ——折算到到电机轴上的负载惯量总和，；

——电动机转子惯量，。

满足惯量匹配。

4.4 轴承的选用与校核 4.4.1 角接触球轴承的选择 在横向进给系统中固定端不仅受到轴向力作用，还受到径向力的作用，因其轴向力很小，所以我们选择角接触球轴承。根据轴的尺寸，并查看了《实用机床设计手册》表3.8-50，初步选择型号为7003C GB/T292-94的 角接触球轴承，它的基本参数见下表5-1示。

表5-1 7003C角接触轴承的基本参数 d(mm) D(mm) B(mm) Cr(kN) Cor(kN) 极限转速（r/min） 脂润滑 油润滑 17 35 10 6.6 3.85 16000 22000 轴承寿命校核计算：
由教材《机械设计》中滚动轴承寿命的校核计算式：
（5-9） 式中 ——轴承应有的基本额定动载荷，单位为N；

——轴承所受载荷，单位为N；

（5-10） ， 查看了《机械设计手册》表13-5可计算出：，e表示判断系数。所以取。

由公式（5—10）得：
式中 ——轴承转速，等于丝杠的当量转速r/min；

——轴承预期寿命， h；

——寿命指数，对于球轴承。

由公式（5—9）得：
kN 因为我们选用的轴承的基本额定动载荷为6.6kN＞4.4 kN，满足其使用条件。

4.4.2 深沟球轴承的选择 因为本次设计的深沟球轴承在游动端使用，所以对于轴承的轴向力我们不考虑，只需计算径向力。根据轴的尺寸，查看《实用机床设计手册》表3.8-44，初步决定选6003深沟球轴承，其基本参数如下表5-2示。

表5-2 6003深沟球轴承的基本参数 d(mm) D(mm) B(mm) Cr(kN) Cor(kN) 极限转速（r/min） 脂润滑 油润滑 17 35 10 6.0 3.25 16000 22000 游动端径向力，根据公式（5-10）X=1,Y=0, N,,,同上，所以由公式（5-9）计算得，轴承承受的基本动载荷为：
此次设计用的轴承基本额定动载荷为15.8kN，满足其条件。

第5章 测量系统设计 5.1数控车床的步进伺服系统的结构和工作原理 伺服驱动系统是指以位置和速度作为控制对象的一种自动控制系统，又称拖动系统或随动系统。它包括了步进电动机、机床和驱动控制单元等元件构成。伺服电动机为车床的进给系统提供动力，同时也为执行元件的运动提供动力，其中伺服电动机分为了步进电动机、电液马达、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。

5.2数控车床的步进伺服系统的基本要求 伺服系统是指通过计算机来调节数控车床的进给驱动系统。进给伺服驱动系统是数控机床的不可或缺的结构，也是一般机床所不具备的结构之一。步进伺服系统的性能可概括如下几点：较高的定位精度、跟踪指令信号响应迅速、稳定性可靠。

精度高：数控机床不可能像传统机床那样用手动操作来调整和补偿各种误差，因此它要求很高的定位精度和重复定位精度。所谓精度是指伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。脉冲当量越小，机床的精度越高。一般脉冲当量为0.01 ~0.001mm。

快速有应特性好：快速响应是伺服系统动态品质的标志之”。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。即系统在给定输人后，能在短暂的调节之后达到新的平衡或受外界千扰作用下能迅速恢复原来的平衡状态。一般是在200ms以内，甚至小于几十毫秒。

调速范围要大：由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围，既能满足高速加工要求，又能满足低速进给要求。调速范围一般大于1:10000。而且在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转矩。

系统可靠性要好：数控机床的使用率要求很高， 常常24h连续工作不停机。因而要求其工作可靠。系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间，这个时间越长可靠性越好。

5.3数控车床的步进伺服系统的总体设计 5.3.1数控车床的步进伺服系统的主要技术参数及要求 主轴电机功率：3KW X轴方向丝杆最大行程：300mm Z轴方向丝杆最大行程：1100mm X轴方向进给速度：2000~5mm/min Z轴方向进给速度：2000~10mm/min X轴脉冲当量：0.005mm Z轴脉冲当量：0.01mm X轴快速进给速度：3000~0mm/min Z轴快速进给速度：6000~0mm/min 横向移动部件质量：30KG 纵向移动部件质量：100KG 材料选用HT200 每当数控装置发出一个脉冲信号后经过10倍频的伺服放大，即将一个脉冲信号分为10个脉冲信号，然后作用于车床电机，根据丝杆导程、步距角和脉冲当量的关系。

由公式X=αδP,P（丝杆导程），α (步距角) 计算出数控车床X轴脉冲当量为0.002mm<0.005mm，Z轴脉冲当量为0.003mm<0.01mm，脉冲当量满足设计。

5.3.2滚珠丝杆螺母副的设计 它是一种把回转运动变为直线运动的机械传动装置，现今被用于很多数控车床上。

5.3.3系统方案涉及 1、 伺服驱动元件方案的选择 一般在半闭环控制系统中我们通常选择直流伺服步进电动机、交流伺服步进电动机或液压伺服电机当做车床的驱动装置。我们常常选择液压伺服电机用于大功率大负载的大型伺服系统，而直流伺服步进电动机、交流伺服步进电动机常常用于在中小型伺服系统。然而因数控车床里面的机械换向装置有电刷磨损问题，所以在运行时电机里面的换向器会出现火花，这就使得直流电动机的转速与输出功率的下降，并且常常人工进行保养；
但因为直流电机由良好的静动态特征、方便控制，所以一直在闭环系统中充当执行元件的主流。此次设计选用直流脉宽调制型（PWM）伺服电机调速系统。

2、 PWM直流脉宽伺服电机调速原理 在变换器中，PWM是我们常常采用的一种控制方式，其基本工作原理是调节脉冲宽度以达到对占空比的改变，它是一种是采用固定开关频率的脉宽调速方式，PWM的基本控制原理是在输入电压、内部参数及外接负载等一系列变化的情况下，机床电路通过控制信号与基准信号之间的差值来进行闭环控制，通过调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，让开关电源的输出电压或电流达到稳定值。其原理图及波形如图2.1.2所示 3、 检测反馈原件的选择 对于位置检测传感器，我们常见的分类有旋转变压器、感应同步器、光脉冲编码器、光栅尺等元件。在满足设计要求同时，还需选用低精度传感器，这样可以节约费用，在半闭环伺服系统中，常常用光电脉冲传感器，它通过测量电动机的角位移和计时获得速度。光电编码器的原理图如图2.1.3所示 4、 半闭环直流位置伺服控制电路图 图2.1.4为单片机控制的直流位置伺服控制原理图。伺服电机的控制电压是经过单片机输出并送入0832完成D/A的转换，再将转换得到的模拟信号经放大和电平转换送入PWM供放电路，产生的PWM波驱动电动机旋转；
再使用测速发电机对电动机转速进行测量，并放大后送入0809进行A/D转换，转换后就可以送入单片机；
电动机的转角位移有光电编码器直接送入8751的端口，进行位置反馈。速度调节器上面的位置调节器由应用程序8751来完成。

结论 花费了许多时间的专心研究和查看了大量相关的学习资料,最后完成对数控车床进给系统和测量系统的设计。

机床主运动是靠主传动系统来实现,它具有一定的速度和一定的转速范围。主传动系统由机床电动机,传动系统和主轴零部件构成。在设计中注意到了数控车床与普通车床的区别,因此设计出的系统要比普通车床的结构简单,而且变速功能由主轴电动机的无极调速来承担,省去了复杂的齿轮变速机构。数控机床的主轴组件是机床部件中的重要部分之一,在设计中,对主轴的精度、刚度、材料和热处理进行了认真的考虑,对于轴承和支撑方式的选择也多次进行了比较和筛选。由于很多件是标准件,所以设计轴时要不断的进行更改以达到最优。

数控机床的进给系统在本质上与一般机床是不同的,它可以根据机床发出的指令信号精准的控制执行部件运动速度与位置,因此设计时,尤为对精度和稳定性进行了考虑。滚珠丝杠螺母机构是一种回转运动与直线运动相互转换的传动装置,在以前的设计中是没有设计过的,因此设计中也遇到了一些问题,不过在老师的帮助下已经对其进行了反复的设计与验算,并且满足了使用要求。电机和轴承的选择仍是重点,在设时要满足不同的要求以使其达到最优。

经过了本次设计所掌握的知识和经验,我明白了学好基础知识的重要,毕业设计是对基础知识的应用与检验及设计思路的开拓创新。最后,我们在设计中要有一颗保持严谨上进的心,认真做好手上每一件事,这对我们以后步入社会,正式踏入工作岗位具有不可替代的意义。

参考文献 1 董玉红.数控技术. 北京：高等教育出版社，2008.2：1 2 陈锦生,宋晓梅.数控车床. 辽宁：辽宁科学技术出版社,2007. 9：80 3 夏田.数控加工中心设计. 北京：化学工业出版社,2008. 6：45~58 4 张春宣,潘承怡.机械设计.北京：科学出版社,2007. 8：49~76 5 成大先.机械设计手册,第五卷. 北京:化学工业出版社，2009.22~3 - 22~109 6 陈蔚芳.机械数控技术及应用.科学出版社，2007 7 李洪.实用机床设计手册.辽宁：辽宁科学技术出版社,2009.5：68~85 8 徐元昌．数控技术．中国轻工业出版社，2008 9 文怀兴，厦田．数控机床系统设计．北京：化学工业出版社，2011. 6：90 10 蔡乐安.数控车床滚珠丝杠副的研究设计.农机化研究,2007.11 11 陈婵娟．数控车床系统．化学工业出版社，2009 12 白恩远.现代数控机床.北京：国防工业出版社，2008.17~24，146~189 13 Shigley,J E Mischke.C R Mechanical Engineering Design-McGrawHill Companies,Inc.2008 14 James V.Valentino,Joseph Goldenberg.Introduction to Computer Numerical Control (CNC) .2nd ed.R.R.Donnelley &Sons Company,2007 15 Joze Balic,Miha Kovacic,Bostian,Vaupotic.Intelligent Programming of CNC Turning Operations Using Genetic Algorithm.Dr Companies,2008 16 Esposito,Anthony,Thrower,James R.2007.Machine Design.New York Delmar Publishers GB/T272-2009