数控机床传动与进给机构设计概述gflf

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1、本科毕业业论文题目：数控机床床传动与与进给机机构设计计学 院:机械自动动化学院院专 业:机械电子子工程学 号:学生姓名名:指导教师师:日 期:摘 要要本次设计计主要包包括两部部分内容容，第一一部分是是主传动动系统的的设计，第第二部分分是进给给传动系系统的设设计，主主传动系系统的设设计目标标是使机机床主轴轴能在一一定转速速范围内内实现无无级调速速，在设设计这一一部分时时，主要要进行了了一下几几项工作作：分级变变速箱的的设计，主轴尺寸设计，支承方式的选择，为了满足主轴的刚度要求，还要对主轴进行校核计算。进给传动系统设计的主要目标是使机床工作台能在xy方向上自由移动，机床xyz三方向上的传动构件相同

2、，故只需设计x方向传动系统，主要涉及到：导轨的选型，滚珠丝杠与支承轴承，驱动电机的选型与计算，主要零部件的精度验算，装配图设计，确定各部分零件的主要尺寸后，零件的细节尺寸设计在装配图中完成。在对零件进行校核时，主要根据零件的刚度和寿命进行校核，本次设计主要的设计方法是理论设计和经验设计。关键词： 数控控铣床； 主传传动； 进给传传动； 伺服电电机AbsttracctThiss deesiggn mmainnly inccluddes twoo paartss, tthe firrst parrt iis tthe dessignn off thhe mmainn drrivee syystee

3、m, thee seeconnd ppartt iss thhe ddesiign of thee feeed driive sysstemm, tthe maiin ddrivve ssysttem dessignn gooal is to makke tthe macchinne sspinndlee inn a cerrtaiin sspeeed rrangge tto aachiievee sttepllesss sppeedd , In thee deesiggn oof tthiss paart, thhe mmainn woork carrrieed oout a ffew: c

4、laassiificcatiion geaarboox ddesiign, spiindlle ssizee deesiggn, ssuppportt thhe cchoiice of wayy, iin oordeer tto mmeett thhe sstifffneess reqquirremeentss off thhe sspinndlee, bbut alsso tthe spiindlle tto cchecck tthe callcullatiion. Feeediing driive sysstemm deesiggn oof tthe maiin ggoall iss to

5、o maake thee maachiine tabble in thee xyy diirecctioon oof ffreee moovemmentt, tthe macchinne xxyz thrree dirrecttionns oof tthe samme ttrannsmiissiion commponnentts, so onlly tthe dessignn off x-dirrecttionn drrivee syysteem, maiinlyy reelatted to: guiide sellecttionn, BBalll sccreww annd bbearring

6、g beeariing, driive mottor sellecttionn annd ccalcculaatioon, tthe acccuraacy of thee maain parrts of thee caalcuulattionn, asssemmblyy diiagrram dessignn too deeterrminne tthe maiin ppartts oof tthe varriouus ppartts oof tthe sizze oof tthe dettaills oof tthe dessignn off paartss inn thhe aasseembl

7、ly ddiaggramm too coomplletee. IIn tthe parrts to cheeck, maainlly bbaseed oon tthe stiiffnnesss annd llifee off paartss too chheckk, tthe dessignn off thhe mmainn deesiggn mmethhod is thee thheorretiicall deesiggn aand expperiiencce ddesiign.Key worrds: CCNC milllinng mmachhinee; Maiin ddrivve； Fee

8、ed ddrivve； Serrvo mottor 42目 录1 绪论论51.1 选题的的背景及及意义551.2 数控机机床的发发展情况况51.3 设计任任务62 主传传动系统统设计772.1 概述772.2 分级变变速箱的的设计772.2.1 分分级变速速箱的变变速级数数72.2.2 传传动公比比的确定定72.2.3 传传动齿轮轮齿数的的确定772.3 主轴组组件的基基本要求求82.4 采用滚滚动轴承承的主轴轴组件992.4.1 支支承方式式的选择择92.4.2 轴轴承间隙隙的调整整与预紧紧92.5 主轴尺尺寸设计计92.6 主轴组组件的刚刚度计算算102.7 轴承润润滑和主主轴密封封112

9、.8 本章小小结113 进给给传动系系统设计计133.1 导轨轴轴向负载载力计算算133.2 导轨的的选型1133.3 滚珠丝丝杠与支支承轴承承143.3.1 滚滚珠丝杠杠的计算算143.3.2 支支承用轴轴承的选选用163.3.3 承承载能力力校验1163.4 驱动电电机的选选型与计计算173.5 主要零零部件的的精度验验算183.5.1 伺伺服刚度度KR1183.5.2 丝丝杠的轴轴向拉压压刚度1183.5.3 轴轴承的轴轴向刚度度183.5.4 滚滚珠与滚滚道的接接触刚度度Kc1193.5.5 进进给传动动系统的的综合拉拉压刚度度K193.6 进给传传动系统统的动态态特性分分析193.7

10、 驱动电电动机与与滚珠丝丝杠的连连接193.8 本章小小结204 数控控机床控控制系统统设计2214.1 控制系系统硬件件的基本本组成2214.1.1 概概述214.1.2 数数控系统统的主要要性能与与规格2214.1.3 主主轴和进进给轴控控制的硬硬件系统统224.2 数控机机床主要要的电气气控制回回路235 总结结24参考文献献24致谢2551 绪论论1.1 选题的的背景及及意义以数控机机床作为为本次设设计的主主要内容容，非常常贴近于于国家目目前的经经济发展展大势。前前不久国国家提出出了中国国工业44.0，中中国制造造20225等发发展目标标，这不不仅仅是是一句口口号，还还会转化化为切切切

11、实实的的行动，如如何实现现工业44.0？参照德德国的标标准，实实现工业业4.00必须要要实现生生产的智智能化和和数据化化，依靠靠传统的的机床根根本无法法实现这这一点，必必须借助助于新一一代的数数控机床床才有可可能实现现这一目目标，数数控机床床能实现现自动化化的加工工，加工工精度和和经济效效益远高高于工人人手工操操作，人人们只需需将预先先写好的的程序传传入数控控机床，机机床便能能读取这这些命令令并加工工出满足足工艺要要求的各各种零件件，大大大提高了了生产效效率，降降低了工工人的工工作负担担。数控机床床的加工工能力远远大于普普通机床床，这是是因为与与普通机机床相比比，它多多了一个个重要的的组成部部

12、分，即即数控系系统，经经过多年年的发展展，数控控系统已已经成为为一个比比较成熟熟的分支支，它主主要包括括输入输输出，数数控装置置，伺服服装置和和相关的的辅助装装置。加工零件件时，工工人必须须先根据据零件的的加工工工艺编写写程序，然然后将程程序输入入数控系系统中去去，完成成这一过过程的就就是数控控系统的的输入输输出设备备，主要要有手动动输入和和通信接接口两种种输入方方式。数控装置置是数控控系统的的核心，相相当于机机床的ccpu，它它能识别别输入的的程序，并并将这些些程序转转化为机机床的控控制命令令，通常常使用微微型计算算机完成成这一功功能。数控机床床的伺服服系统包包括主要要的传动动结构和和动力部

13、部分，是是完成机机床机械械运动的的主要装装置，本本篇论文文也主要要围绕这这一部分分展开，包包括主传传动系统统和进给给系统，主主传动系系统控制制刀具的的运动，刀刀具轨迹迹的具体体实现方方法则是是在微型型计算机机中通过过插补运运算得到到，进给给传动系系统则实实现工件件的各种种运动，主主要通过过三轴的的丝杠来来实现。机床是一一个复杂杂的系统统，它由由许多小小装置组组合到一一起，在在数控装装置的控控制下，完完成各种种复杂的的运动。本本次主要要设计伺伺服系统统，设计计时也不不能脱离离这个系系统，要要考虑到到与其他他装置的的相互配配合，例例如，数数控机床床一般都都能实现现自动换换刀的功功能，刀刀具又与与主

14、轴配配合到一一起，因因此在设设计主传传动系统统主轴时时，要考考虑到自自动换刀刀装置，在在比如机机床的温温度控制制系统，在在设计机机床的各各个运动动部件时时，都应应该考虑虑到这一一系统。1.2 数控机机床的发发展情况况经过从最最初的购购买引进进，到现现在的自自主创新新，中国国的机床床行业从从无到有有，有了了巨大的的发展，现现在，在在国家的的大力扶扶持下，我我国的机机床行业业迎来了了又一个个发展机机遇期，在在相关的的技术领领域不断断取得突突破，大大连机床床厂是一一家运营营比较成成功的机机床企业业，该厂厂的许多多机床代代表着中中国机床床市场上上最高端端的一批批产品，例例如VDDWA550、BB50五

15、五轴立式式加工中中心，这这一型号号机床能能实现刀刀具的三三轴运动动，工作作台采用用两轴联联动加工工技术，实实现了机机床的五五轴联动动加工，该该机床利利用重心心驱动，复复合设计计等相关关原理，使使得机床床具有良良好的工工作性能能，结构构紧凑，性性价比高高。在第第十五届届中国国国际机床床展览会会上，中中国的机机床企业业展示了了大量的的先进机机床，例例如沈阳阳机床展展示的ii5智能能机床，宝宝鸡西力力精密机机械展示示的FTTN500自动化化加工单单元，数数控系统统方面则则有华中中数控展展示的华华中8型型数控系系统。本本次机床床展览会会显示了了中国机机床行业业令人惊惊讶的创创新能力力与产品品设计能能力

16、，在在多年的的发展过过程中，中中国的机机床行业业并没有有在外国国的技术术封锁与与残酷的的市场竞竞争中消消亡，反反而依靠靠自身能能力，一一步一个个脚印，走走出了自自己的康康庄大道道，出现现了一批批具有极极强研发发能力的的企业，例例如沈阳阳机床，大大连机床床，华中中数控，广广州数控控等等。现如今，中中国的机机床行业业仍有大大量的问问题没有有解决，经经过20008年年经融危危机后，西西方的许许多工业业强国都都意识到到了制造造业在国国民经济济中的重重要地位位，纷纷纷加大了了对制造造业的研研发投入入，中国国面临的的竞争也也越来越越激烈，与与国际上上的机床床制造强强国相比比，中国国的机床床制造业业主要存存

17、在以下下几项缺缺点：（1）在在技术水水平上，经经过多年年的发展展，外国国企业积积累了雄雄厚的研研发能力力，目前前，他们们已将目目光投向向与新一一代数控控机床设设计，技技术方面面呈现“高，精精，尖”的特点点，在这这些高水水平数控控机床设设计上，中中国仍有有一定的的差距。（2）从从机床市市场上的的产品组组成上看看，机床床市场上上产品的的整体水水平还处处于中下下游，技技术水平平与西方方发达国国家相比比有一定定的差距距，一些些高水平平的数控控机床还还处于试试验阶段段，并没没有投放放市场。（3）从从数控机机床的研研发设计计能力上上看，中中国的机机床行业业研发能能力还有有不足，机机床是一一个系统统，且比比

18、一般产产品更加加复杂，它它有许多多零件组组成，每每一个都都对整个个系统的的性能产产生一定定的影响响，没有有雄厚的的科研能能力与相相关的技技术积累累，很难难设计出出性能优优异的机机床，而而中国的的机床行行业就是是缺少相相关的技技术积累累，一直直处于摸摸索过程程中。（4）从从市场化化程度上上看，中中国机床床行业在在国际市市场上并并没有占占据很大大的市场场份额，甚甚至在国国内市场场上所占占份额都都不算太太大，主主要因为为中国机机床水平平落后于于西方的的工业强强国，虽虽然中国国一直在在奋起直直追，但但中国面面临的竞竞争压力力只会越越来越大大。目前，这这些问题题已经引引起了相相关部门门的重视视，产业业扶

19、持力力度也在在不断加加大，相相信将来来，中国国的机床床行业也也能赶上上世界先先进水平平。1.3 设计任任务 本次设设计主要要包括两两大部分分内容，第第一部分分是主传传动系统统的设计计，已知知参数有有主电机机功率55.5kkw，最最高转速速为60000rr/miin，额额定功率率为15500rr/miin，主主轴转速速范围为为3060000r/minn，具体体设计内内容有：分级变变速箱的的设计，主轴的设计，主轴支承轴承的设计。第二部分是进给传动系统的设计，已知参数有工作台重量210kg，最大承重300kg，面积1000320mm，切削速度104000mm/min，最大速度5000mm/min，工

20、作台x向行程600mm，定位精度0.05mm，具体设计零件有滚珠丝杠的设计，支承轴承的设计，导轨的选型，伺服电机的设计，伺服电机与滚珠丝杠的连接，滚珠丝杠的刚度校核与寿命校核。2 主传传动系统统设计2.1 概述主轴电机机启动后后，经过过主轴箱箱的变速速机构，来来调节刀刀具的切切削速度度，进而而加工加加工各种种不同的的零件。主主轴电机机的转速速可以调调节，属属于无级级调速，但但是调速速范围不不大，在在本次设设计中，主主电动机机参数已已知，其其额定转转速为115000r/mmin，经经过变频频器变速速后最大大转速可可以达到到60000r/minn，为了了使数控控铣床的的主轴能能够无级级调速，并并且

21、扭矩矩能够实实现加工工要求，可可以在调调速电机机后串联联有级调调速机构构，即齿齿轮调速速，进过过无极变变速和有有级变速速的共同同调节，可可以使主主轴转速速范围满满足设计计要求，在在加工零零件时，主主轴转速速应在其其计算转转速以上上，此时时可以充充分发挥挥主电动动机的功功率。2.2分分级变速速箱的设设计2.2.1分级级变速箱箱的变速速级数 在设计计机床的的主传动动系统时时，已知知的设计计参数有有：主轴轴的调速速范围为为3060000r/minn，计算算转速为为5000r/mmin，采采用5.5kww的主轴轴专用变变频电机机作为主主电动机机使用，电电动机的的基本转转速为115000r/mmin，最

22、最高转速速可达660000r/mmin。主轴要求求的恒功功率调速速范围： Rnnp=660000/5000=112电动机的的恒功率率调速范范围为： Rp=60000/15000=44机床在加加工零件件时，电电动机会会工作在在恒功率率范围，这这是电动动机的主主要工作作状态，但但由计算算可以，在在恒功率率范围内内，电动动机的调调速范围围达不到到主轴的的要求，因因此要设设计分级级变速箱箱，以满满足主轴轴的调速速范围。故可以使使用两对对齿轮变变速。2.2.2传动动公比的确定定 分级变变速箱各各级转速速之比，即即为传动动公比，前前面已经经求得，变变速箱为为两级变变速机构构，一般般情况下下，可以以使各级级

23、转速之之间满足足等比数数列关系系，这样样可以使使转速损损失均匀匀分布到到各级，也也能使设设计过程程变得更更加简单单，传动动公比的大小小是有规规定的，其其取值大大小只能能为一下下几种：1.006、11.122、1.26、11.411、1.58、11.788、2.因为电电动机电电额定转转速为115000r/mmin，主主轴的额额定转速速为5000r/minn，Z=2,故故可求得得传动公公比为：，=11.733，取=1.78.2.2.3传动动齿轮齿齿数的确确定 在确定定齿轮齿齿数时，应应该使齿齿轮齿轮轮的结构构更加紧紧凑，使使机床主主传动系系统的误误差更小小，具体体要求如如下：1) 齿轮的齿齿数和S

24、Sz不应应过大两个齿轮轮相互啮啮合时，齿齿数越多多，两齿齿轮的中中心矩也也就会更更大，这这会加大大主传动动系统的的质量，也也会使其其尺寸加加大，一一般推荐荐齿轮的的齿数和和小于1100.2） 小齿轮的的齿数尽尽量取较较小值，但但也不能能过小，过过小会产产生根切切，也可可能使两两轴靠地地过近，使使其他结结构发生生碰撞，一一般情况况下，小小齿轮的的齿数应应该不小小于188个。3） 齿轮齿数数应该满满足传动动公比在设计只只初，就就确定了了传动公公比为1.78，故故在选择择齿轮齿齿数时，也也要满足足该要求求，两者者之间允允许存在在误差，但但误差应应在合理理范围之之内。使用查表表法可求求得齿轮轮齿数查查

25、阅机机械制造造技术装装备及设设计表表4.22-3，当当=1.78时时取Z1=27,则Z22=755-277=488,取ZZ2=455,Z33=300时，ZZ4=844-300=544,Z55=322时，ZZ6=522,r/min由上述可可得，主主传动系系统图和和转速图图如下：600027：4552：3230：5420001500500903060001500Z5Z4Z690Z3Z2Z11 图22.1 主传动动系统图图 图2.2 转转速图 2.3 主轴组组件的基基本要求求 （1） 回转精度度 在机床床运转状状态下，测测量主轴轴前轴颈颈的径向向圆跳动动，轴向向窜动，即即可得到到主轴的的回转精精度，

26、主主轴加工工零件时时，主要要就是做做旋转运运动，因因此，如如果主轴轴存在回回转精度度误差，这这种误差差将会传传递到零零件的各各个尺寸寸中去，对对机床的的整个精精度造成成极大影影响。 （2） 刚度 主轴抵抗抗变形的的能力称称为主轴轴的刚度度，主轴轴刚度与与其结构构和材料料有关，作作为机床床主传动动系统的的一部分分，当其其变形量量过大时时，会直直接影响响到与其其装配的的轴承、齿齿轮等等等其他零零件，会会使这些些零件的的工作性性能发生生变化，进进而使整整个系统统的性能能降低。（3） 抗震性主轴在运运转的过过程中，存存在震动动现象，主主轴抵抗抗这种震震动的能能力被称称为抗震震性，当当主轴的的抗震性性过

27、低时时，不仅仅不能加加工出满满意的零零件，还还会大幅幅缩短刀刀具的使使用寿命命，也会会使主轴轴与轴承承，齿轮轮之间发发生碰撞撞，磨损损，加大大配合间间隙，一一般采取取的措施施是安装装阻尼器器，来增增加主轴轴的抗震震性。（4）温温升 主轴旋转转速度最最高可达达60000r/minn，高速速运转时时会产生生剧烈摩摩擦，使使温度升升高，机机床性能能受到很很大影响响，常见见的有，主主轴温度度升高产产生热变变形，进进而使回回转精度度降低，也也会使主主轴零件件之间产产生相对对位移，使使它们之之间的配配合准确确性下降降，轴承承温度过过高时会会发生膨膨胀，使使内径减减小，极极端情况况下会发发生抱轴轴现象。为为

28、了解决决这一问问题，一一般机床床都会增增加冷却却系统。使使机床温温度保持持在200以内。（5）耐耐磨性 主轴上安安装刀具具的地方方，是最最容易发发生磨损损的地方方，磨损损量过大大时，会会影响到到刀具的的安装精精度，进进而使加加工零件件的精度度达不到到要求，主主轴的耐耐磨性主主要与主主轴的材材料和热热处理有有关 ，对对于一般般的精密密机床，常常用的主主轴材料料为400Cr或或者200Cr,16MMnCrr5,112CrrNi22A,并并将主轴轴渗碳淬淬硬处理理，使其其HRCC硬度不不低于660.（6） 主轴主要要的精度度指标根据一般般的设计计经验，主主轴前支支承轴承承的同轴轴度约为为5微米米，轴

29、承承与轴组组成过盈盈配合，过过盈量在在5微米米以内，主主轴前端端为7：24的的锥孔，该该孔与前前支承轴轴承的同同轴度为为3至55微米，采采用7：24锥锥孔的原原因是在在安装刀刀具是易易定位且且不自锁锁。2.4 采用用滚动轴轴承的主主轴组件件2.4.1 支支承方式式的选择择在设计主主轴支承承方式时时，主要要根据经经验设计计，如今今大部分分数控铣铣床主轴轴支承均均采用角角接触球球轴承，具具有很好好的固定定作用，但但滚子与与滚道的的接触方方式为点点接触式式，其刚刚度较低低，承载载能力太太小，为为了克服服这些缺缺点，可可以使用用双列背背对背安安装并预预紧，本本次设计计中，机机床主轴轴轴承选选用7221

30、2AAC/PP4,其其尺寸大大小为：60mmm1100mm22mmm，本本次设计计时，角角接触球球轴承采采用4级级精度，能能够满足足要求的的工作精精和运转转平稳性性，查阅阅参考文文献11表44-1-16得得,轴承承与轴的的配合采采用h44（预紧紧），查查表4-1-117得：轴承与与外壳孔孔的配合合公差带带型号为为H5.2.4.2 轴轴承间隙隙的调整整与预紧紧 轴承预预紧能有有效地提提升轴承承的工作作性能，在在轴承上上添加一一个适当当的预紧紧力，可可以使滚滚子与滚滚道之间间的接触触面积增增加，增增加了结结构的刚刚度，预预紧力也也不能过过大，过过大时使使两者之之间的接接触压力力过大，运运动过程程中

31、发热热量增大大，使寿寿命降低低，采用用下图所所示方法法预紧时时，适当当大小的的预紧力力应为轴轴向负荷荷的四分分之一。 图2.3 轴轴承的预预紧2.5 主轴尺尺寸设计计主轴的主主要参数数包括以以下几个个部分：（1） 主轴直径径主轴直径径会对主主轴刚度度和主传传动系统统的整体体大小产产生一定定影响，加加大主轴轴直径会会使公差差值增大大，主轴轴的精度度就会降降低，故故在设计计主轴的的尺寸大大小时，只只能根据据经验和和相关资资料来确确定主轴轴直径，一一般而言言，前轴轴颈直径径大于后后轴颈直直径，且且为其（00.70.88）倍。查阅参考考文献2表表4.33-8，选选取前轴轴颈直径径D1=65mmm，后后

32、轴颈直直径D22=500mm。（2） 主轴内孔孔直径的的确定在保证主主轴刚度度的前提提下，应应使主轴轴内孔直直径尽量量取大，根根据经验验设计，孔孔径应为为直径的的二分之之一，故故孔径大大小为225mmm。（3） 主轴悬伸伸量a的的确定主轴的前前悬伸量量不能过过大，也也不能过过小，过过大时，会会使主轴轴刚度和和稳定性性降低，容容易发生生挠动，而而为了保保证主轴轴前端到到工作台台的距离离，前悬悬伸量也也不能太太小，主主轴悬伸伸量可按按下表选选取。表2.11 主轴轴悬伸量量与前端端轴颈之之比 机床和主主轴的类类型 a/ D11通用机床床和精密密机床 0.551.5中等长度度铣床 1.22522.5加

33、工孔等等结构的的机床，需需要较长长的加工工刀杆 22.5取取悬伸伸量与主主轴前轴轴颈直径径之比为为1.225，则则主轴悬悬伸量为为a=11.25560=70mmm.（4） 主轴支承承跨距LL的确定定主轴支承承跨距可可按如下下经验公公式计算算：式中 D主轴轴外径（mmm） d主轴内内径（mmm） K5000N/m。通常而言言，L=（23）aa，故LL可取2210mmm。2.6主主轴组件件的刚度度计算 主轴轴前轴颈颈直径为为65mmm，后后轴颈直直径为550mmm，在计计算主轴轴的刚度度时，可可将其近近似认为为为一个个等直径径长轴，轴轴径为前前后轴颈颈直径的的平均值值。 dd=（665+550）/

34、2=557.55mm切削工件件时，主主轴前端端会受到到工件的的反作用用力，如如图，则则挠度为为：式中 F外载载荷（NN）； a前悬伸伸（mmm）； L跨距（mmm）； E弹性模模量，钢钢的E=2（MPPa)； I截面惯惯性矩，II=0.05()()； d主轴外外径（mmm）； di主轴轴孔径（mmm）。将E、II代入式式中可得得：孔的直径径相对与与轴的直直径而言言较小，在在计算时时为了简简化计算算过程，孔孔的影响响可以忽忽略：弯曲刚度度 ：同理可简简化为 ：2.7 轴承润润滑和主主轴密封封对轴承进进行润滑滑可有效效地提升升轴承的的工作性性能，减减小发热热量，使使磨损量量降低，延延长轴承承的使用

35、用寿命，在在现代的的数控机机床系统统中，常常用的润润滑方式式有油润润滑和脂脂润滑，这这两种润润滑方式式各有优优缺点，油油润滑通通常应用用于告诉诉旋转主主轴中，使使用方便便，更换换简单，与与其相比比，采用用脂润滑滑时，润润滑脂更更换更加加困难，但但更换一一次后即即可以使使用很长长时间，维维护费用用低，温温度上升升也较慢慢，因此此在本次次设计中中，采用用脂润滑滑方式。在机床工工作时，会会产生很很多的切切削和粉粉尘，这这些杂质质很容易易进入到到润滑脂脂中，使使润滑效效果降低低，同时时也会对对零件表表面造成成磨损，故故必须对对主轴进进行密封封，脂润润滑的主主轴组件件多用不不接触的的曲路密密封，如如图：

36、 图22.4 主轴的的密封2.8本本章小结结设计主传传动系统统的整体体思路就就是设计计无级变变速机构构和有级级变速机机构，无无级变速速机构主主要是主主轴电机机自带的的调速性性能，有有级变速速机构主主要是变变速齿轮轮箱，交交流主轴轴变频电电机主电电机的参参数已知知，故本本章更加加侧重于于主传动动系统的的有级调调速设计计，在此此过程中中，先确确定了调调速级数数，然后后根据等等比原则则确定了了传动公公比，根根据设计计经验，确确定了传传动齿轮轮齿数。机机床主传传动系统统的主要要零件是是机床主主轴和支支承轴承承，主轴轴对机床床的工作作性能有有极大的的影响，机机床主轴轴前轴颈颈直径只只能根据据经验查查阅相

37、关关资料确确定，确确定原则则就是机机床主轴轴要求的的回转精精度，刚刚度，稳稳定性等等要求，确确定前轴轴颈直径径后，便便根据结结构要求求，使主主轴尺寸寸递减，得得到其他他各部分分主轴直直径，主主轴刚度度验算则则采用了了简化方方法，将将主轴视视为一根根等直径径长轴，采采用理论论计算方方法验算算其刚度度满足要要求。背背对背安安装的角角接触球球轴承大大量用于于现代数数控机床床主轴支支承，是是比较成成功的设设计先列列，本次次设计中中，借鉴鉴该种方方法，同同样采用用角接触触球轴承承支承主主轴，求求得主轴轴直径后后，可以以确定轴轴承的具具体型号号。3 进进给传动动系统设设计3.1导导轨轴向向负载力力计算（1

38、） 主轴的计计算转速速属于已已知参数数，其大大小为5500rr/miin，采采用1225mmm铣刀强强力铣削削可得主主切削力力Fz，铣铣刀的切切削速度度为：机床的机机械效率率为0.8时，FFz计算算如下：（2） 切削分力力的计算算查阅参考考文献3表表2-11可得：式中：FF1纵向向切削分分力； FFv垂向向切削分分力； FFc横向向切削分分力。切削时，工工件固定定在工作作台上，工工作台会会受到一一定的作作用力，工工作台尤尤在导轨轨上移动动，此时时导轨摩摩擦力大大小为：式中：摩摩擦系数数，=0.06； WW工作作台自重重和负载载，W=（2110+3300）9.8=4998N; ffg镶条紧紧固力

39、（NN）,查查3表2-3得：fg=15000N.不切削时时，摩擦擦力F0计算算如下：（3）查查阅参考考文献3式式（2-10aa）得，进进给牵引引力为：3.2导导轨的选选型 矩形导导轨结构构简单，使使用维护护方便，能能承受较较大载荷荷，能较较好地满满足工艺艺要求，本本次设计计中，导导轨选用用矩形导导轨，工工作台运运动过程程中，会会与导轨轨产生摩摩擦，这这对工作作台的平平稳运行行十分不不利，为为此，在在导轨和和工作台台之间加加上一层层用特殊殊材料制制成的软软带可以以显著提提高工作作台的工工作性能能，防止止出现爬爬行现象象，贴塑塑导轨具具有良好好的工作作性能，但但它与矩矩形导轨轨相互配配合时，在在磨

40、损后后不能自自动补偿偿间隙，当当磨损量量过大，使使间隙过过大时，会会使工作作太的运运动失去去准确性性，难以以定位，故故需要对对导轨间间隙进行行调整，如如下图所所示，才才用修复复刮研式式方法调调整间隙隙，当间间隙过大大时，可可以刮研研左边平平面，当当间隙过过小时，可可以刮研研右边平平面。图3.11 导轨轨3.3 滚珠丝丝杠与支支承轴承承3.3.1滚珠珠丝杠的的计算伺服电机机的最高高转速是是15000r/minn，工作作台的最最高移动动速度为为50000mmm/miin，故故丝杠基基本导程程为：丝杠的最最低转速速为：则丝杠的的平均转转速为：丝杠的平平均载荷荷为：丝杠的额额定动载载荷为：滚珠丝杠杠的

41、最大大轴向变变形量可可按如下下方法计计算：最大轴向向变形量量取最小小值maxx=6.67m丝杠螺母母到支承承的最大大距离计计算如下下：估算最小小螺纹底底径：式中：EE弹性性模量（MMpa），一一般滚珠珠丝杠去去E=22.1105Mppa；maxx轴向向变形量量； FF0导轨轨的静摩摩擦力。上述计算算可得如如下结论论：丝杠杠导程为为3.333mmm，丝杠杠的额定定动载荷荷为100.411KN，丝丝杠底径径不小于于18.28mmm，故故查阅参参考文献献2附录表表A-33可选丝丝杠型号号为FFFZD332066-3,其基本本参数如如下：图3.22 滚珠珠丝杠滚珠丝杠杠螺母副副的预加加负荷为为：取Fp

42、=130000/9=114444N滚珠丝杠杠预拉伸伸力Ftt的计算算：3.3.2 支支承轴承承的选用用(1)轴轴承的轴轴向负载载力：(2)轴轴承的预预紧力FFp计算算如下：(3) 轴承的当当量轴向向载荷计计算如下下(4) 基本额定定动载荷荷C计算算如下：查参考文文献33表22-255得，径径向系数数X=11.9,轴向系系数Y=0.554,故故在安装时时，要对对滚珠丝丝杠螺母母副进行行预拉伸伸，在支支承形式式的选择择上，选选用两端端固定的的支承形形式，660角接触触球轴承承背对背背安装时时有许多多优点，可可以承受受两个方方向的轴轴向力，由由计算可可知，丝丝杠的螺螺纹底径径为277.9mmm，采采

43、取过盈盈配合，故故可选取取内径为为25mmm的轴轴承，角角接触球球轴承772055B的主主要参数数为内径径25mmm，外外径522mm，厚厚度155mm，基基本额定定动负荷荷146600NN，动负负荷大于于预紧力力，最高高转速也也能够满满足要求求。3.3.3 承承载能力力校验（1）滚滚珠丝杠杠临界转转速校核核（2）滚滚珠丝杠杠螺母副副额定寿寿命的校校验 由上述述计算结结果知，丝丝杠的额额定动载载荷大小小为1330000N,在在机床一一般工作作情况下下，运转转条件系系数大小小为1.3，滚滚珠丝杠杠轴向载载荷的计计算结果果为10048.71NN,计算算转速为为5000r/mmin，故故滚珠丝丝杠螺

44、母母副的额额定寿命命为：该滚珠丝丝杠满足足要求。3.4 驱动电电机的选选型与计计算（1）已已知最大大的进给给力Fmmax=10448.771N,丝杠导导程Phh=6mmm，预预紧力FFp=114444N,机机械效率率=0.9，由由参考文文献33式（22-544）可得得外部载载荷所产产生的摩摩擦力矩矩为：由式（22-566）可得得预紧力力所产生生的摩擦擦力矩为为：由式（22-555）可得得摩擦负负载力矩矩为：则最大切切削负载载力矩为为：（2）负负载惯量量计算伺服电动动机的转转子惯量量JM应与负负载惯量量JL相匹配配，移动动部件总总的质量量为5110kgg，查阅阅参考文文献22式（44.4-5）可

45、可得电动动机轴上上的转动动惯量为为：丝杠公称称直径为为D0=32mmm=00.0332m，长长度l=1.22m，丝丝杠材料料钢的密密度=7.8103kgg/m33.由参参考文献献2式（44.4-6）可可知丝杠杠加载电电动机轴轴上的惯惯量：联轴节加加上锁紧紧螺母等等的惯量量J3可直接接查阅手手册得；J3=0.00001kggm22。故负负载的总总惯量为：按中小型型数控机机床惯量量匹配条条件，11JMM/JL4,所选伺伺服电机机的转子子惯量JJM应在11.522966.111610kkgm22范围之之内。根根据上述述计算可可初步选选择交流流伺服电电动机GGK60061-6ACC31-FE,其额定定

46、转速为为20000r/minn，静转转矩M00=6NNm，相相电流II0=6.2A,转矩常常数KTT=1.09NNm/AA,转动动惯量JJ=8.710-4kkgm22,重量量为100.6kkg。（3）空空载加速速转矩计计算在工作台台加速到到最大移移动速度度的过程程中，所所需的空空载加速速转矩TTa按参参考文献献2式（44.4-8）求求得：空载加速速时，主主要克服服的是惯惯性。如如选用GGK60061-6ACC31-FE电电动机，总总惯量为为：一般情况况下，数数控铣床床伺服系系统的开开环增益益为200Hz，工工作台加加速到最最大速度度所需的的时间为为ta=3/kks=00.155s则空空载加速速

47、转矩为为：由上式可可知，该该伺服电电机能够够满足要要求。3.5 主要零零部件的的精度验验算 本次设设计中要要求滚珠珠丝杠的的定位精精度要达达到0.05mmm，滚滚珠丝杠杠的定位位主要是是数控装装置来控控制，而而具体实实现则是是由丝杠杠的机械械结构完完成，由由此可见见，进给给传动系系统的精精度主要要受到数数控装置置的精度度和丝杠杠的机械械精度影影响，这这一部分分主要完完成丝杠杠的机械械精度验验算。3.5.1伺服服刚度KKRKM是伺伺服电机机的增益益，可可近似认认为KMM=1/Ke。GGK6006伺服服电机的的转矩系系数Ktt=1.09NNm/AA，由前前述计算算可知，伺伺服系统统增益KKs值为为

48、20，开开环增益益Kv00=400/s，反反电动势势系数KKe=00.7664sV/rrad，电电枢直流流电阻RRM=0.3，故工作台的的直线刚刚度计算算如下：3.5.2滚珠珠丝杠的的拉压刚刚度 滚珠丝丝杠的固固定方式式不同，其其拉压刚刚度也会会不同，本本次设计计中，丝丝杠为一一端轴向向定位结结构，工工作台的的纵向行行程为已已知参数数6000mm，当当工作台台移动到到离固定定支承最最远时，滚滚珠丝杠杠有最小小拉压刚刚度，当当工作台台移动到到离固定定支承最最近时，它它们不可可直接接接触，中中间还应应该有一一段距离离，假设设为1550mmm，故可可得丝杆杆 的最最大距离离为7550mmm，即llm

49、axx=0.75mm,代入入参考文文献22式（44.4-18）可可得丝杠杠的拉压压刚度为为：式中，ddi为丝丝杠的最最小螺纹纹底径，EE是钢的的弹性模模量，EE=2000Gppa，则则：3.5.3丝杠杠轴承的的轴向刚刚度 滚珠丝丝杠的固固定端所所选用的的轴承位位72005B角角接触球球轴承，其其基本参参数为：钢球数数Z=112，钢钢球直径径大小ddb=7.5mmm，由前前述计算算可知，其其预加载载荷F00大小为为14444N，导导轨的摩摩擦力F0为为3899.888N，故故轴向载载荷Faa=F0+F0=14444+3899.888=18833.88NN,轴承承的载荷荷刚度KKb计算算如下：3.

50、5.4滚珠珠与滚道道的接触触刚度KKc 滚珠丝丝杠的刚刚度K=8399N/m，额额定动载载荷Caa=1330000N，由由前面的的计算结结论，丝丝杠的最最大轴向向载荷FFamaax=118333.888N,则则接触刚刚度Kcc为：3.5.5进给给传动系系统的综综合拉压压刚度KK(2) 弹性模量量在进行定定位精度度验算时时，要计计算其弹弹性变形形，为了了避免其其他因素素影响到到机床的的定位，故故只能在在空载状状态下验验算，此此时弹性性变形只只由空载载摩擦力力引起。3.6 进给传传动系统统的动态态特性分分析在前述的的计算中中，已经经求得滚滚珠丝杠杠的综合合拉压刚刚度为KK为944.866N/m，查

51、查阅参考考文献3表表A-33可得滚滚珠丝杠杠的滚珠珠丝杠螺螺母副的的质量为为：机床工作作台和工工件夹具具的质量量m为5510kkg，所所以上述述两者的的等效质质量mdd为：分析计算算结果，nc数值较大，在设计机械传动系统的刚度时，nc一般取为300rad/s，故nc=430.8rad/s能够满足要求。3.7 驱动电电动机与与滚珠丝丝杠的连连接 联轴器器的型号号有很多多种，很很多都能能满足此此次设计计要求，目目前市场场上的数数控机床床应用最最多的是是膜片联联轴器，本本次设计计也采用用膜片联联轴器，滚滚珠丝杠杠的最小小螺纹底底径为227.99mm，故故丝杠末末端直径径会小于于28mmm，取取为24

52、4mm，刚刚好能与与联轴器器相互配配合。查查阅参考考文献3附附表A-6得，联联轴器型型号为002，联联轴器简简图如下下： 图3.3 弹弹性联轴轴器3.8本本章小结结本章是本本次设计计的第二二个主要要部分，从从驱动环环节到执执行环节节，每一一部分都都有具体体的设计计要求与与设计任任务。采采用交流流伺服电电机作为为系统的的动力源源，其转转速要能能满足机机床的最最大移动动速度（550000r/mmin），同同时要能能提供足足够的扭扭矩，交交流伺服服电机不不仅能满满足这些些要求，同同时其转转速与电电源频率率成比例例关系，易易于调节节，采用用膜片联联轴器将将电机与与丝杠连连接，丝丝杠则选选用FFFZD3

53、32066-3，其其循环方方式为内内循环，并并对丝杠杠的转速速和寿命命进行了了验算。机机床导轨轨选用矩矩形导轨轨，为了了降低导导轨面的的摩擦力力，使工工作台运运动更加加平稳，在在导轨间间隙贴塑塑，机床床工作台台的重量量为2110kgg，最大大承重为为3000kg，带带有三个个T行槽槽，其具具体结构构设计在在装配图图中完成成。在设设计完系系统的主主要零件件后，计计算了整整个系统统的刚度度，由此此对系统统的动态态特性进进行了分分析，其其最低固固有频率率满足要要求。4数控机机床控制制系统设设计4.1 控制系系统硬件件的基本本组成4.1.1 概概述 数数控机床床与普通通机床的的最大不不同便是是多了一一

54、个数控控系统，数数控系统统主要有有输入输输出装置置，控制制装置，伺伺服装置置，辅助助装置组组成，其其结构大大致如下下图所示示：驱动系统控制对象（设备）控制微机键盘显示辅助控制检测 图4.1 控控制系统统目前市场场上能生生产数控控系统的的大型公公司主要要有华中中数控，广广州数控控，北京京凯恩帝帝数控，本本次设计计中，采采用华中中数控公公司的HHNC-21MMD数控控系统和和HSVV-1660型全全数字交交流伺服服驱动单单元及GGK6交交流永磁磁同步伺伺服电机机和变频频主轴。4.1.2 数数控系统统的主要要性能及及规格HNC-21MMD是一一款比较较成熟的的产品，目目前已大大量运用用于数控控机床上

55、上，采用用这款数数控系统统完全能能满足此此设计要要求。主主要由以以下几个个部分组组成：l 工业PCC机l 中央处理理单元（CCPU）高高性能332位微微处理器器l 存储器（DDRAMM RAAM）SSMB RAMMl 程序断电电存储区区Flaash ROMM 166MBl 显示器：8.44寸彩色色LCDD分辨率率为64404800l NC键盘盘l RS2332 接接口RSS2322 波特特率为1192000l 网络接口口 以太太网接口口l 控制轴数数3轴HNC-21MMD主要要参数如如下：表4.11 HNNC-221MDD参数CNC功功能最大控制制轴：336进给给轴+11主轴 联动动轴数：3轴

56、最小分辨辨率：11微米坐标系设设定 加加工过程程图形仿仿真显示示和实时时跟踪MDI功功能 n M、SS、T功功能固定铣削削循环CNC编编程最小编程程尺寸：0.0001毫毫米、度度 最最大编程程尺寸：999999.9999最大编程程行数：50万万行 公/英制编编程绝对/相相对指令令编程 宏指令令编程子程序调调用 工件坐坐标系设设定直径/半半径编程程 自自动控制制倒角（圆圆角、直直角）插补功能能直线插补补，最大大6个轴轴圆弧插补补 攻攻丝切削削刀具补偿偿功能刀具长度度补偿 刀尖尖半径补补偿操作功能能8.4/TFFT彩色色液晶显显示屏 防防静电薄薄膜编程程面板与与机床操操作面板板PC标准准键盘接接口

57、 手手持单元元（选件件）图形显示示功能与与动态实实时仿真真 网网络通讯讯功能（选选件）进给轴功功能无限旋转转轴功能能 最最高设定定速度4430000mmm/miin进给修调调0%-1500% 快移移修调00%-1100%多种回参参考点功功能：单单向、双双向主轴功能能主轴转速速：最大大320000rrpm主轴修调调：从00%-1150% 主轴速速度和修修调显示示辅助功能能主轴正反反转 n 自动换换刀 n 冷冷却开/停PCL功功能内嵌式PPLC 提供标标准PLLC例程程 PLLC状态态显示HNC-21MMD外观观图和尺尺寸图如如下： 图图4.22 HNNC-221MDD外观图图 图图4.33 HNNC-221MDD尺寸图图4.1.3主轴轴和进给给轴控制制的硬件件系统本次设计计中，机机床主轴轴的调速速范围为为3060000r/minn，可以以采用HHSV-1600交流伺伺服驱动动单元，HHSV-1600的产品品参数如如下： 表4.2 HHSV-1600参数输入电源源三相ACC2200V电源源，-115%+100%，550/660Hzz环境条件件温 度环境温度度 0555(无无结露)保存温度度 -22065海 拔海拔 110000 以以下振 动5.888ss2以下下，100600Hz(共振频频率下