數(shù)控機床進給傳動裝置的設計

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摘　　要 數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要的組成部分，本次設計的數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)主要由升降臺傳動系統(tǒng)、床鞍傳動系統(tǒng)、工作臺傳動系統(tǒng)部分三部分組成。升降臺運動由伺服電機驅動，電機置于升降臺內，電機通過一對圓弧齒形皮帶輪及皮帶傳遞動力。床鞍運動由伺服電機通過一對圓弧齒形皮帶輪、皮帶、一對消隙齒輪和滾珠絲杠副降速傳動；工作臺運動由伺服電機通過兩個圓弧齒形皮帶輪，和圓弧齒形皮帶降速傳動。 在本次設計的進給傳動系統(tǒng)中，伺服電機通過同步齒形皮帶和滾珠絲杠相聯(lián)，編碼器將工作臺的實際位移信號傳遞給控制系統(tǒng)，屬于開環(huán)控制。數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)是通過伺服進給系統(tǒng)來控制工作。伺服進給系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來的指令信息，進行放大以后控制執(zhí)行部件的運動，不僅控制進給運動的速度，同時還要精確控制刀具相對于工件的移動位置和軌跡。 關鍵詞：進給系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)，齒形皮帶輪，滾珠絲杠，伺服電機 ABSTRACT CNC machine tool for CNC machine drive system is an important component of the design of the NC machine tool to the main transmission system from the transmission lifts, saddle-drive system, Stage three of transmission components. Movement by lifting platform servo motor, motor placed lifts, Electrical arc through a tooth belt and pulley transmission power. - On the campaign servo motor through a pair of circular tooth pulleys, belts, one pair of anti-backlash gear and ball screw deceleration drive; worktable campaign by servo motor through two circular tooth pulleys and belts velocity profile circular drive. In the current design of the feed drive system, servo motor through the synchronous belt and ball screw associates, Encoder will table the actual displacement signal transmitted to the control system is open-loop control. NC Machine Tool Feed transmission is through feed servo control system to work. Servo system of up to the role of the NC system came under the command of information, Click for control of the implementation of parts after the campaign, not only controlling the feed of the speed, while precision control tool in relation to the movement of the workpiece location and trajectory. Key words : feed system, servo system, Profile Pulley, Ball Screws, Servo motor 2 四川理工學院畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）名稱 數(shù)控機床進給傳動裝置設計 設計（論文）類型 B—應用研究 指導教師 俞煒 學生 姓名 崔宇翔 學號 030110704 系、專業(yè)、班級 機電系機械設計制造及其自動化-機電033班 一、選題依據(jù)：（簡述研究現(xiàn)狀或生產需求情況，說明該設計（論文）目的意義。） 數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)的制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域：(1).機械制造技術；(2).信息處理、加工、傳輸技術；(3).自動控制技術；(4).伺服驅動技術；(5).傳感器技術；(6).軟件技術等。從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：(1).高速、高精度加工技術及裝備的新趨勢；(2).智能化、開放化、網絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢；(3).重視新技術標準、規(guī)范的建立；(4).對數(shù)控機床無污染提出要求。 在本次設計中，以FXK5045為例說明，數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)主要是有升降臺傳動系統(tǒng)、床鞍傳動系統(tǒng)、工作臺傳動系統(tǒng)組成。數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，它是將電動機的旋轉運動傳遞給工作臺或刀架以實現(xiàn)進給運動的整個機械傳動鏈，包括齒輪傳動副、絲杠螺母副及其支承部件等。 二、設計（論文研究）思路及工作方法 設計思路： 明確設計要求，方案的初步設計：首先進行電動機的選型，然后對齒形皮帶和齒形皮帶輪進行設計計算，再對滾珠絲杠進行設計計算和校核，最后用CAD繪制工作臺的裝配圖和若干零件圖。 工作方法： 1.在指導老師的指導下，先了解此次設計的基本情況，明確設計方向和設計目的。 2.查找相關的資料，初步設計大概的設計思路。 3.查閱圖書館資料配合指導老師的答疑，一步一步的完成設計內容。 4.配合老師對我們的設計進度進行不定期的檢查，查看是否在相應的時間里完成相應的任務。 三、設計（論文研究）任務完成的階段內容及時間安排。 1.準備參考資料，查閱文獻，完成開題報告 2007年03月05日到03月16日 2.對數(shù)控進給傳動傳統(tǒng)方案設計 2007年03月17日到04月25日 3.對進給系統(tǒng)一些重要部件進行CAD繪制 2007年04月26日到05月24日 4.完成畢業(yè)設計說明書 2007年05月25日到06月05日 5.畢業(yè)設計說明書修改、答辯準備，畢業(yè)答辯 2007年06月06日到06月24日 指導教師意見 指導教師簽字： 年 月 日 教研室畢業(yè)設計（論文）工作組審核意見 難度 分量 綜合訓練程度 教研室主任： 年 月 日 設計（論文）類型：A—理論研究；B—應用研究；C—軟件設計；D-其它等。 四 川 理 工 學 院 畢業(yè)設計（論文）任務書 設計（論文）題目： 數(shù)控機床進給傳動裝置的設計 系： 機電系 專業(yè)： 機電一體化 班級： 學號： 學生： 指導教師： 接受任務時間 教研室主任 （簽名）　　系主任 （簽名） 1．畢業(yè)設計（論文）的主要內容及基本要求 (1).數(shù)控伺服系統(tǒng)傳統(tǒng)方案設計； (2).齒形皮帶輪的設計計算和校核； (3).滾珠絲杠的設計計算和校核； (4).對進給系統(tǒng)中重要的部件聯(lián)軸器和導軌進行了解和選擇； (5).用CAD繪制出工作臺的裝配圖，一個托架的鑄件圖和滾珠絲杠的零件圖， 以及若干部件的零件圖，折合圖紙接近3張A0； 2．指定查閱的主要參考文獻及說明 (1).數(shù)控機床的結構與維修/對進給系統(tǒng)做一個全面的了解； (2).數(shù)控機床及其程序編制/對數(shù)控系統(tǒng)的編程進行系統(tǒng)的認識； (3).數(shù)控技術/數(shù)控機床滾珠絲杠計算的參照； (4).數(shù)控機床與編程/對進給傳動重要部件進行詳細的介紹； (5).機械設計手冊(中冊)第二版/齒形皮帶輪的設計計算參照。 3．進度安排 設計（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 熟悉題目要求，收集準備參考資料 2007.03.05-2007.03.16 2 數(shù)控伺服進給傳動傳統(tǒng)方案的設計 2007.03.17-2007.04.25 3 對進給傳動系統(tǒng)一些重要部件進行CAD繪制 2007.04.26-2007.05.24 4 畢業(yè)設計說明書的撰寫 2007.05.25-2007.06.05 5 畢業(yè)設計（論文）的修改，答辯的準備 2007.06.06-2007.06.24 I 目 錄 中文摘要...............................................................................................................................Ⅰ 英文摘要...............................................................................................................................Ⅱ 第一章 緒論 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.1 引言 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2 數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)簡要敘述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 1.2.1 升降臺傳動系統(tǒng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 1.2.2 床鞍傳動系統(tǒng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 1.2.3 工作臺傳動系統(tǒng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 1.3 FXK5045 機床的用途及性能 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 1.4 數(shù)控機床對進給傳動系統(tǒng)的要求 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????5 1.5 數(shù)控機床進給系統(tǒng)總體設計方案 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????7 1.6 本章小結 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????8 第二章 伺服電動機 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 2.1 伺服系統(tǒng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 2.1.1 對伺服系統(tǒng)的基本要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 2.1.2 伺服系統(tǒng)的分類 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10 2.2 伺服電動機的分類 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 2.2.1 直流伺服電機 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 2.2.2 交流伺服電機 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 2.2.3 直線電機 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 2.2.4 步進電機 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 2.3 電動機的選擇與計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14 2.3.1 脈沖當量的選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 2.3.2 電機的最高轉速 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 2.3.3 等效負載轉矩的計算 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 2.3.4 初選步進電動機型號 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????16 2.3.5 電動機選型驗算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17 2.4 本章小結 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????18 第三章 同步齒形皮帶輪傳動 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 II 3.1 同步齒形帶的特點應用和優(yōu)缺點 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 3.1.1 同步齒形帶的特點和應用 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 3.1.2 同步齒形帶傳動的優(yōu)缺點 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20 3.2 同步齒形帶的主要參數(shù)和規(guī)格 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20 3.3 同步齒形帶傳動設計計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 3.3.1 失效形式和計算準則 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 3.3.2 同步齒形帶傳動注意事項 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21 3.3.3 同步齒形帶傳動計算步驟 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????22 3.4 皮帶輪幾何尺寸的計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????28 3.5 齒輪傳動間隙的調整方法 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 3.6 同步齒形皮帶輪材料的選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 3.7 本章小結 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31 第四章 滾珠絲杠的設計計算 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 4.1 滾珠絲杠傳動 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 4.1.1 滾珠絲杠的特點 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 4.1.2 滾珠絲杠的一些主要參數(shù) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33 4.1.3 滾珠絲杠的預拉伸 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 4.2 滾珠絲杠螺母副 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35 4.2.1 滾珠絲杠螺母副的循環(huán)方式 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35 4.2.2 滾珠絲杠螺母副間隙的調整 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????36 4.2.3 滾珠絲杠螺母副的維護 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37 4.2.4 滾珠絲杠螺母副的常見故障 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37 4.3 滾珠絲杠的設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 4.3.1 滾珠絲杠的設計計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????43 4.3.2 滾珠絲杠的校核 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45 4.4 本章小結 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47 第五章 聯(lián)軸器和導軌 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48 5.1 聯(lián)軸器 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48 5.1.1 聯(lián)軸器的總體分類 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48 5.1.2 安全聯(lián)軸器的作用 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 5.2 機床導軌 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51 III 5.2.1 對導軌的總體要求 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51 5.2.2 導軌副的種類以及組合形式 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52 5.2.3 導軌的技術要求 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????56 5.2.4 導軌副的材料選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????57 5.2.5 導軌副的維護和故障診斷 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????58 5.3 本章小結 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????59 總 結 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????60 參考文獻 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62 致 謝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????63 四川理工學院畢業(yè)設計（論文）說明書 1 第一章 緒論 1.1 引言 數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數(shù)控裝備是以數(shù) 控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品， 即所謂的數(shù)字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域：(1).機械制造技術；(2).信息處理、 加工、傳輸技術；(3). 自動控制技術；(4). 伺服驅動技術；(5).傳感器技術；(6). 軟件技術 等。 從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方 面： (1).高速、高精度加工技術及裝備的新趨勢 效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提 高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會 將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術之一，國際生產工程學會（CIRP）將其確定為 21 世紀的中 心研究方向之一。 (2).智能化、開放化、網絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21 世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中 的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制， 工藝參數(shù)自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參 數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面 的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方 面的內容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 (3).重視新技術標準、規(guī)范的建立 ①.數(shù)控系統(tǒng)設計開發(fā)規(guī)范 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、歐 共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結構數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范 (OMAC、 OSACA、 OSEC)的研究和制定，世界 3 個最大的經濟體在短期內進行了幾乎 相同的科學計劃和規(guī)范的制定，預示了數(shù)控技術的一個新的變革時期的來臨。我國在 2000 年也開始進行中國的 ONC 數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。 ②.數(shù)控標準 第一章 緒論 2 數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術誕生后的 50 年間的信息交換 都是基于 ISO6983 標準，即采用 G，M 代碼描述如何加工，其本質特征是面向加工過 程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研 究和制定一種新的 CNC 系統(tǒng)標準 ISO14649（STEP －NC) ，其目的是提供一種不依賴 于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整 個制造過程，乃至各個工業(yè)領域產品信息的標準化。 (4).對數(shù)控機床無污染提出要求 21 世紀的數(shù)控機床必須把環(huán)保和節(jié)能放在重要位置，即要實現(xiàn)切削加工工藝的綠 色化。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，這主要是因為切削液既污 染環(huán)境和危害工人健康，又增加資源和能源的消耗。干切削一般是在大氣氛圍中進行， 但也包括在特殊氣體氛圍中(氮氣中、冷風中或采用干式靜電冷卻技術)不使用切削液進 行的切削。不過，對于某些加工方式和工件組合，完全不使用切削液的干切削目前尚 難與實際應用，故又出現(xiàn)了使用極微量潤滑(MQL) 的準干切削。目前在歐洲的大批量 機械加工中，已有 10～15%的加工使用了干和準干切削。對于面向多種加工方法/ 工件 組合的加工中心之類的機床來說，主要是采用準干切削，通常是讓極微量的切削油與 壓縮空氣的混合物經由機床主軸與工具內的中空通道噴向切削區(qū)。在各類數(shù)控機床中， 采用干切削最多的是滾齒機。 總之，數(shù)控機床技術的進步和發(fā)展為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件，促使 制造業(yè)向著高效、優(yōu)質以及人性化的方向發(fā)展。可以預見，隨著數(shù)控機床技術的發(fā)展 和數(shù)控機床的廣泛應用，制造業(yè)將迎來一次足以撼動傳統(tǒng)制造業(yè)模式的深刻革命。 1.2 數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)簡要敘述 數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要的組成部分，它是將電動機的旋轉運動 傳遞給工作臺或刀架以實現(xiàn)進給運動的整個機械傳動鏈，包括齒輪傳動副、絲杠螺母 副及其支承部件等。 數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)主要由升降臺傳動系統(tǒng)、床鞍傳動系統(tǒng)、工作臺傳動系統(tǒng) 組成。 1.2.1 升降臺傳動系統(tǒng) 升降臺可沿 Z 軸運動，由床身導軌導向并由升降立絲杠驅動 ,升降臺頂部有矩形導 軌與工作臺底座—床鞍相連。 升降臺內裝有： —Z、Y 軸進給伺服電機； —Z、Y 軸齒形皮帶及皮帶輪； 四川理工學院畢業(yè)設計（論文）說明書 3 升降臺運動由伺服電機驅動，電機置于升降臺內，電機通過一對圓弧齒形皮帶輪 及皮帶、一對螺旋傘齒輪和滾珠絲杠副以 1：4 降速轉動，兩帶輪與電機軸和滾珠絲杠 均以漲緊環(huán)實現(xiàn)無間隙連接，滾珠絲杠螺母固定于底座上，絲杠固定于升降臺上。 1.2.2 床鞍傳動系統(tǒng) 床鞍沿升降臺頂部導軌在 Y 軸上移動，床鞍上表面有供工作臺沿 X 軸橫向移動的 燕尾導軌，床鞍上下兩面的導軌互相垂直，從而保證了 X 軸運動和 Y 運動的垂直。在 床鞍內裝有縱向、橫向絲杠及兩端托架。 橫向床鞍運動由伺服電機通過一對圓弧齒形皮帶輪、皮帶、一對消隙齒輪和滾珠 絲杠副以 3：4 降速傳動。兩帶輪與電機軸和傳動軸均以漲緊環(huán)實現(xiàn)無間隙連結，滾珠 絲杠固定于床鞍上，絲杠螺母固定于升降臺上。 1.2.3 工作臺傳動系統(tǒng) 工作臺可沿床鞍縱向導軌在 X 軸方向移動，導軌由來自床身的集中潤滑裝置自動 潤滑，X 向滾珠絲杠由手動油槍通過工作臺側的油杯進行潤滑，工作臺表面有便于安 裝工卡夾具、工件及附近的 T 形槽，還有回收冷卻液的回水槽。 工作臺運動由伺服電機通過兩個圓弧齒形皮帶輪，和圓弧齒形皮帶以 2：3 降速傳 動。兩帶輪與電機軸和滾珠絲杠均以漲緊環(huán)實現(xiàn)無間隙聯(lián)接，滾珠絲杠螺母固定于工 作臺底端，兩端托架固定于床鞍上。 1.3 FXK5045 機床的用途及性能 圖 1-1 XK5045 型普通銑床的布局圖 Fig.1-1 Milling machine layout plans 第一章 緒論 4 1-底座 2-強電柜 3- 變壓器箱 4-垂直升降進給伺服電動機 5-主軸變速手柄和按鈕板 6-床身 7-數(shù)控柜 8- 保護開關 9-擋鐵 10-操縱臺 11-保護開關 12- 橫向溜板 13-縱向進給伺服電動機 14-橫向進給伺服電動機 15-升降臺 16- 縱向工作臺 在本次設計中，以 FXK5045 數(shù)控立式升降臺銑床為例來說明數(shù)控機床的進給傳動 系統(tǒng)。 FXK5045 為數(shù)控立式升降臺銑床，與上圖 XK5045 普通銑床相比，在外觀結構上 相同，只是多一個數(shù)控裝置，F(xiàn)XK5045 可配備國外或國內數(shù)控系統(tǒng)，具有計算機數(shù)字 控制（CNC），可進行縱向、橫向、垂向三個坐標的直線、圓弧、拋物線插補運動 （由配置的系統(tǒng)功能確定），每個坐標裝有編碼器作為檢測元件。 FXK5045 適用于加工形狀復雜的平面和立體零件，如沖模、壓模、鍛模、塑料模 等各種模具及樣板，凸輪、飛機零件、內燃機的連桿等形狀復雜的零件，對于加工形 狀復雜而品種又經常變換的生產部門大為適用。 FXK5045 數(shù)控立式升降臺銑床的基本參數(shù)如下： 工作臺面積（寬×長）： 500×1800 mm 工作臺 T 形槽（槽數(shù) -寬度 間距）： 6-18×63 mm ? 工作臺承載工件最大重量： 1000 Kg 工作臺行程（縱向/橫向/垂向）： 11000/330/600 mm 垂向行程（手動）： 套筒 90 mm 主軸錐孔： 7：24 ISO50 刀柄形式： XT50 主軸轉速： 18 級 35.5-1800 r/min 主軸電機功率： 15 Kw 立銑頭最大回轉角度： ±45° 主軸端面到工作臺面距離： 110-710 mm 床身導軌至主軸中心線的距離： 450 mm 進給速度范圍（X 、 Y/Z）： 5-4000/5-1000 mm/min 快速進給（X 、 Y/Z）： 8000/2000 mm/min 定位精度(國際) ： 0.035 mm 重復定位精度(國際) ： 0.020 mm 機床重量(約) ： 5000 Kg 機床外型尺寸(長×寬×高) ： 2530×2443×2560 mm 四川理工學院畢業(yè)設計（論文）說明書 5 本機床具有如下特點： (1).機床具有很高的結構剛性，能承受中負荷切削工作； (2).機床具有足夠的功率和寬廣的變速范圍，能使用硬質合金刀進行高速切削，充 分發(fā)揮刀具效能； (3).主軸變速有沖動裝置，便于變速，機床能迅速有效的進行制動； (4).機床的重要傳動零件均用合金鋼制成，容易磨損零件均用耐磨材料制成，導軌 貼塑，保證了機床有足夠的使用壽命； (5).操縱臺與電柜采用分體式，操縱臺集中操縱，安裝于機床吊掛上，能轉動一定 角度，操作方便宜人； (6).機床三向運動均有限位裝置，保證機床和操作工人的安全，還可用作多機床管 理； (7).機床具有完整的潤滑系統(tǒng)，重要的傳動零件和軸承均有完整的潤滑裝置，同時 設有指示器進行經常檢查； (8).各重要傳動軸和主軸的安裝在滾動軸承上，提高傳動效率； (9).工作臺三個方向均能進行快速移動，減少輔助時間，提高生產效率。 1.4 數(shù)控機床對進給傳動系統(tǒng)的要求 (1).減少摩擦阻力 為了提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的快速響應性能和運動精度，必須減小運動件的摩擦 阻力和動，靜摩擦力之差。為滿足上述要求，在數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)中，普通采用 滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副，滾動導軌、靜壓導軌和塑料導軌。在減小摩擦阻 力的同時，還必須考慮傳動部件要有適當?shù)淖枘?，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (2).減少運動慣量 運動部件的慣量對伺服機構的啟動和制動特性都有影響，尤其是處于高速運轉的 零、部件，其慣量的影響更大。因此，在滿足部件強度和剛度的前提下，盡可能減小 運動部件的質量，減小旋轉零件的直徑和質量，以減小運動部件的慣量。 (3).高的傳動精度與定位精度 數(shù)控機床的進給傳動裝置的傳動精度和定位精度對零件的加工精度起著關鍵性的 作用，對采用進步電動機驅動的開環(huán)控制系統(tǒng)尤其如此。因此，傳動精度和定位精度 是數(shù)控機床最重要也是最具有該類機床特征的指標，無論對點位，直線控制系統(tǒng)，還 是輪廓控制，該項精度都很重要。設計中，通過在進給傳動鏈中加入減速齒輪，以減 小脈沖當量（即伺服系統(tǒng)接收一個指令脈沖驅動工作臺移動的距離），預緊傳動滾珠 絲杠，消除齒輪，蝸輪等傳動的間隙等辦法，可達到提高傳動精度的定位精度的目的。 第一章 緒論 6 由此可見，機床本身的精度，尤其是伺服傳動鏈和伺服執(zhí)行機構的精度，是影響工作 精度的主要因素。 (4).寬的進給調速范圍 伺服進給系統(tǒng)在承擔全部工作負載的條件下，應具有很寬的調速范圍，以適應各 種工件材料，尺寸和刀具等變化的需要，工作進給速度范圍可達 3~6000 mm/min（調速 范圍 1：2000）。為了完成精密定位，伺服系統(tǒng)的低速趨進速度達 0.1mm/min；為了縮 短輔助時間，提高加工效率，快速移動速度應高達 15m/min。如此寬的調速范圍是伺服 系統(tǒng)設計的一個難題。在多坐標聯(lián)動的數(shù)控機床上，合成速度維持常數(shù)，是保證表面 粗糙度要求的重要條件；為保證較高的輪廓精度，各坐標方面的運動速度也要配合適 當，這是對數(shù)控機床和伺服進給系統(tǒng)提出的共同要求。 (5).響應速度要快 快響應特性是指進給系統(tǒng)對指令輸入信號的響應速度及瞬態(tài)過程結束的迅速程度， 即跟蹤指令信號的響應要快；定位速度和輪廓切削進給速度要滿足要求；工作臺應能 在規(guī)定的速度范圍內靈敏而精確地跟蹤指令，進行單步或連續(xù)移動，在運行時不出現(xiàn) 丟步或多步現(xiàn)象。進給系統(tǒng)響應速度的大小不僅影響機床的加工效率，而且影響加工 精度。設計中應使機床工作臺及其傳動機構的剛度、間隙、摩擦以及轉動慣量盡可能 達到最佳值，以提高伺服進給系統(tǒng)的快速響應性。 (6).無間隙傳動 進給系統(tǒng)的傳動間隙一般指反向間隙，即反向死區(qū)誤差，它存在于整個傳動鏈的 各傳動副中，直接影響數(shù)控機床的加工精度。因此，應盡量消除傳動間隙，減小反向 死區(qū)誤差。設計中可采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)及有消除間隙措施的傳動副等方法。 (7).穩(wěn)定性好、壽命長 穩(wěn)定性是伺服進給系統(tǒng)能夠正常工作的最基本的條件，特別是在低速進給情況下 不產生爬行，并能適應外加負載的變化而不發(fā)生共振。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、 阻尼及增益等都有關系，適當選擇各項參數(shù)，并能達到最佳的工作性能，是伺服系統(tǒng) 設計的目標。所謂進給系統(tǒng)的壽命，主要是指其保持數(shù)控機床傳動精度和定位精度的 時間長短，即各傳動部件應選擇合適的材料及合理的加工工藝與熱處理方法，對于滾 珠絲杠及傳動齒輪，必須具有一定的耐磨性和適宜的潤滑方式，以延長其壽命。 (8).使用維護方便 數(shù)控機床屬于精度自動控制機床，主要用于單件、中小批量、高精度及復雜的生 產加工，機床的開機效率相應就高，因而進給系統(tǒng)的結構設計應便于維護和保養(yǎng)、最 大限度地減小維修工作量，以提高機床的利用率。 四川理工學院畢業(yè)設計（論文）說明書 7 1.5 數(shù)控機床進給系統(tǒng)總體設計方案 圖 1-2 進給系統(tǒng)的結構簡圖 Fig.1-2 Feed system structure diagram 上圖為此次設計 FXK5045 數(shù)控立式銑床進給系統(tǒng)的機械結構簡圖。 伺服電機通過同步齒形帶和滾珠絲杠相聯(lián)，編碼器固定在滾珠絲杠的右端將工作 臺的實際位移信號傳遞給控制系統(tǒng)，屬于開環(huán)控制。同步帶連接方式隔離了電機的振 動和發(fā)熱，使電動機安裝位置更加機動，但機械結構環(huán)節(jié)增加了。 方案具體的設計過程如下： 圖 1-3 數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)工作原理圖 Fig.1-3 CNC machine tool drive system to work diagram (1).指令脈沖驅動步進電動機； (2).步進電機驅動電路帶動功率步進電動機運轉； (3).功率步進電動機作為動力源，帶動齒形皮帶輪動力的輸送； (4).齒形皮帶輪帶動滾珠絲杠降速轉動； (5).滾珠絲杠的轉動使數(shù)控機床工作臺橫向移動。 第一章 緒論 8 1.6 本章小結 在本章的設計中，讓我明白了數(shù)控機床進給傳動的三大部分：升降臺傳動系統(tǒng)， 床鞍傳動系統(tǒng)以及工作臺傳動系統(tǒng)，并對三者各自的基本情況和運動規(guī)律作了一個簡 要的敘述。對所設計的數(shù)控銑床 FXK5045 也有了一定的認識，其中包括 FXK5045 的基 本性能參數(shù)，還有此機床進給傳動部分所各自具備的用途，以及擅長加工哪些圖形的 情況都做了一一的描述。還有數(shù)控機床對進給傳動方面的要求也進行了一定的說明。 對進給傳動總體設計方案的構想也有了一定的思路，并且進行設計的初步實踐中。 四川理工學院畢業(yè)設計（論文）說明書 9 第二章 伺服電動機 伺服電動機(簡稱伺服電機)為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和軌跡控制的 執(zhí)行元件。伺服系統(tǒng)的設計、調試與選用的電機及其特性有密切關系、直接影響伺服 系統(tǒng)的靜、動態(tài)品質。 2.1 伺服系統(tǒng) 在自動控制系統(tǒng)中，輸出量能夠以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱 為伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自 動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)由伺服驅動裝置和驅動元件（或稱執(zhí)行元件伺服電機）組成， 高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態(tài)。 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的指令信號，驅動機床移動部件 跟隨指令脈沖運動，并保證動作的快速和準確，這就要求高質量的速度和位置伺服。 以上指的主要是進給伺服控制，另外還有對主運動的伺服控制，不過控制要求不如前 者高。數(shù)控機床的精度和速度等技術指標往往主要取決于伺服系統(tǒng)。 2.1.1 對伺服系統(tǒng)的基本要求 數(shù)控機床集中了傳統(tǒng)的自動機床、精密機床和萬能機床的優(yōu)點，將高效率、高精 度與高柔性集中于一體。而數(shù)控機床技術水平的提高首先依賴于進給驅動特性的改善 及功能的擴大，一般對進給伺服系統(tǒng)有如下要求： (1).正反向運行 機床在工作過程中，工作臺根據(jù)加工軌跡的形狀隨時都可能要求正向或反向運行。 同時應考慮正反向運行時起動與制動之間存在的電能與機械能的轉換，以實現(xiàn)可靠的 快速制動。 (2).調速范圍寬 為適應不同的加工條件，如加工零件的材料、類型、大小及刀具的種類、冷卻方 式等，要求伺服有很寬的調速范圍和優(yōu)異的調速特性。 (3).高剛性與高的速度穩(wěn)定性 伺服在不同的負載情況下或切削條件發(fā)生變化時，應使進給速度保持恒定，要求 伺服具有優(yōu)良的靜態(tài)與動態(tài)負載特性。 (4).快速響應及無超調 為了保證輪廓切削形狀精度與低的加工面表面粗糙度，要求伺服具有良好的快速 響應特性，同時無超調。 (5).高精度 第二章 伺服電動機 10 為了滿足加工精度，要保證機床的定位精度及進給精度，亦即要求伺服具有高的 靜態(tài)分辨率，動態(tài)特性至少應是一階無差系統(tǒng)。 (6).低速大扭矩 機床加工的特點多是低速時進行切削加工，要求在低速時進給驅動應保證額定扭 矩輸出，亦即要求伺服具有恒扭矩輸出。 2.1.2 伺服系統(tǒng)的分類 (1).開環(huán)系統(tǒng) 圖 2-1 開環(huán)系統(tǒng)構成圖 Fig.2-1 Open-loop systems pose a map 圖(2-1)是開環(huán)系統(tǒng)構成圖，它主要由驅動電路，執(zhí)行元件和機床三大部分組成。 常用的執(zhí)行元件是步進電機，通常稱以步進電機作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)為步進式伺 服系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，如果是大功率驅動時，用電液脈沖馬達作為執(zhí)行元件。驅動 電路的主要任務是將指令脈沖轉化為驅動執(zhí)行元件所需的信號。 (2).閉環(huán)系統(tǒng) 圖 2-2 閉環(huán)系統(tǒng)構成圖 Fig.2-2 Closed-loop systems pose a map 閉環(huán)系統(tǒng)主要由比較環(huán)節(jié)、驅動電路、執(zhí)行元件、機床和檢測單元五部分組成。 其構成框圖如圖(2-2)所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測元件將機床移動部件的實際位置檢測 出來并轉換成電信號反饋給比較環(huán)節(jié)。常見的檢測元件有旋轉變壓器、感應同步器、 光柵、磁柵和編碼盤等。通常把安裝在絲杠上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán) 系統(tǒng)；把安裝在工作臺上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。由于絲杠和工作 臺之間傳動誤差的存在，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。比 較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號和反饋信號進行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤 差，經驅動電路，控制執(zhí)行元件帶動工作臺繼續(xù)移動，直到跟隨誤差為零。根據(jù)進入 比較環(huán)節(jié)信號的形式以及反饋檢測方式，閉環(huán)（半閉環(huán)）系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系 統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)三種。 由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號比較微弱，不足以驅動執(zhí)行元件，故需對其進行放大， 四川理工學院畢業(yè)設計（論文）說明書 11 驅動電路正是為此而設置的。執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號，即來自比較環(huán)節(jié)的跟 隨誤差信號，將表示位移量的電信號轉化為機械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調速 電動機、交流電動機等。執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)中必不可少的一部分，驅動電路是隨執(zhí) 行元件的不同而不同的。 2.1.3 伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向 隨著生產力的不斷發(fā)展，要求伺服系統(tǒng)向高精度、高速度、大功率方向發(fā)展。 (1).充分利用迅速發(fā)展的電子和計算機技術，采用數(shù)字式伺服系統(tǒng)，利用微機實現(xiàn) 調節(jié)控制，增強軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調整誤差以及溫度漂移 等因素的影響，可大大提高伺服系統(tǒng)的性能，并為實現(xiàn)最優(yōu)控制、自適應控制創(chuàng)造條 件。 (2).開發(fā)高精度、快速檢測元件。 (3).開發(fā)高性能的伺服電機（執(zhí)行元件）。目前交流伺服電機的變速比已達 1：10000，使用日益增多。無刷電機因無電刷和換向片零部件，加速性能要比直流伺 服電機高兩倍，維護也較方便，常用于高速數(shù)控機床。 2.2 伺服電動機的分類 在數(shù)控機床中常用的伺服電機有:直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電機和 直線電機等．直流伺服電機具有良好的調速性能，在 70 年代、80 年代的數(shù)控系統(tǒng)中得 到了廣泛的應用；交流伺服電動機由于結構和控制原理的發(fā)展，性能大大提高，從 80 年代末開始逐漸取代直流伺服電機，是目前主要使用的電動機；步進電機應用在輕載、 負荷變動不大以及經濟型數(shù)控系統(tǒng)中。直線電機是一種很有發(fā)展前途的特種電機，主 要應用在高速、高精度的進給伺服系統(tǒng)中。 2.2.1 直流伺服電機 常用的直流電動機有:永磁式直流電機、混合式直流電機、無刷直流電機和直流力 矩電機等。直流進給伺服系統(tǒng)使用永磁式直流電機類型中的有槽電樞永磁直流電動機 (普通型) ；直流主軸伺服系統(tǒng)使用勵磁式直流電機類型中的他激直流電機。此外，永磁 式直流電機還包括無槽電樞永磁直流電機、杯型電樞永磁直流電機和印刷繞組電樞永 磁直流電機等。這些均為小慣量電機，適用于要求快速響應和頻繁起動的伺服系統(tǒng)， 但其過載能力低，電樞慣量與機械系統(tǒng)匹配較差．普通型永磁式直流電機產量大，應 用廣泛。 2.2.2 交流伺服電機 在交流伺服系統(tǒng)中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機(PMSM)和感應異步交 流伺服電機(IM)，其中，永磁同步電機具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實現(xiàn)弱磁高速 第二章 伺服電動機 12 控制，調速范圍寬廣、動態(tài)特性和效率都很高，已經成為伺服系統(tǒng)的主流之選。而異 步伺服電機雖然結構堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距， 只在大功率場合得到重視。 2.2.3 直線電機 直線電機可以認為是旋轉電機在結構方面的一種變形，它可以看作是一臺旋轉電 機沿其徑向剖開，然后拉平演變而成。近年來，隨著自動控制技術和微型計算機的高 速發(fā)展，對各類自動控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求，在這種情況下，傳統(tǒng)的 旋轉電機再加上一套變換機構組成的直線運動驅動裝置，已經遠不能滿足現(xiàn)代控制系 統(tǒng)的要求。為此，近年來世界許多國家都在研究、發(fā)展和應用直線電機，使得直線電 機的應用領域越來越廣。 直線電機與旋轉電機相比，主要有如下幾個特點：一是結構簡單，由于直線電機 不需要把旋轉運動變成直線運動的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結構大為簡化，重 量和體積大大地下降；二是定位精度高，在需要直線運動的地方，直線電機可以實現(xiàn) 直接傳動，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微 機控制，則還可以大大地提高整個系統(tǒng)的定位精度；三是反應速度快、靈敏度高，隨 動性好。直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐，因而使得動子和定子之間始終保持 一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了 系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動性；四是工作安全可靠、壽命長。直線電機可以實現(xiàn)無 接觸傳遞力，機械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，免維修，因而工作安全可靠、壽 命長。 2.2.4 步進電機 步進電機是一種把脈沖信號轉換成角位移的電氣機械。電脈沖的數(shù)量代表了轉子 的角位移量，轉子的轉速與電脈沖的頻率成正比，旋轉的方向取決于脈沖的順序，轉 矩是由于磁阻作用所產生。步進電機一定要與控制脈沖聯(lián)系起來才能運行，否則無法 工作。其運行形式是步進的，故稱為步進電機。對定子繞組所加電源形式既不是正弦 波交流也不是恒定直流，而是電脈沖電壓、電流、所以也稱為脈沖電機或脈沖馬達。 步進電機用于與控制脈沖組成的開環(huán)系統(tǒng)中。 2.2.4.1 步進電機的分類及結構 步進電機的分類方式很多，按作用原理分，步進電機有磁阻式(反應式)、感應子式 和永磁式三大類。按輸出功率和使用場合分類，分為功率步進電機和控制步進電機； 按結構分類，分為徑向式(單段式)、軸向式(多段) 和印刷繞組式步進電機；按相數(shù)分類， 分為三相、四相、五相、六相等。 四川理工學院畢業(yè)設計（論文）說明書 13 各種步進電機都是由定子和轉子組成，但因類型不同，結構也不完全一樣。磁阻 式步進電機(以三相徑向式為例)，定子鐵心上有六個均勻分布 5 個齒，齒槽距相等，齒 間夾角為 9°。在直徑方向相對的兩個極上的線圈串聯(lián)，構成了一相勵磁繞組，共有三 相(A ， B， C)按徑向排列的勵磁繞組。轉子為鐵心(硅鋼)，其上無繞組，只有均布的 40 個齒，齒槽等寬，齒間夾角也是 9°。三相定子磁極和轉子上相應的齒依次錯開了 1/3 齒距，即 3°。 磁阻式步進電機還有一種軸向分相的多段式結構，定子和轉子鐵心都分成多段(三、 四、五、六段等)，每段為一相，依次錯開排列為 A、 B、 C、 D、 E 等相，每相都是獨 立的。 感應子式步進電機分為勵磁式和永磁式兩種。感應子式步進電機的結構與磁阻式 步進電機的結構相似，其定子轉子鐵心的磁場和齒槽均一樣，兩者的差別是感應子式 步進電機存在軸向恒定磁場。勵磁感應子式步進電機是靠轉子上的勵磁繞組產生軸向 磁場。永磁感應子式步進電機的轉子由一段環(huán)形磁鋼(在轉子中部)和二段鐵心(在環(huán)形 磁鋼的兩端)，軸向充磁，建立軸向磁場。軸向磁場可以改善步進電機的動態(tài)特性，發(fā) 展趨勢將取代磁阻式步進電機。 永磁式步進電機的轉子為永久磁鐵，定子為軟磁材料。該種電機有多種結構形式， 常用形式有爪極式和隱極式。爪極式步進電機結構一般采用二相或者四相繞組，隱極 式步進電機結構與磁阻式步進電機一樣有二、三、四、五、相等多種繞