数控机床进给系统设计

机械制造装备设计

数

控

铣

床

进

给

系

统

设

计

系别：机电工程系

专业：机械设计制造及其自动化

班级：082113

姓名：许现款

学号：021108052

指导教师：王艳红

日期：2011-12-13

数控机床进给系统设计

1总体方案设计

１.１对进给伺服系统的基本要求

带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统，进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号响应要快；系统的稳定性要好。

１.２进给伺服系统的设计要求

机床的位置调节对进给伺服系统提出了很高的要求，其中在静态设计方面：（1）能够克服摩擦力和负载，当加工中最大切削力为20000N——30000N时，电机轴上的转矩需要10N.m——40N.m；

；

（2）很小的进给移动量。目前最小分辨率为0.1m

（3）高的静态扭转刚度；

（4）足够的调速范围；

（5）进给速度均匀，在速度很低是无爬行现象。

在动态设计方面有：

（1）具有足够的加速和制动装矩，以便快速的完成启动和制动；

（2）具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量；

（3）负载引起的轨迹误差尽可能小。

对数控机床机械传动部件则有以下要求：

（1）被加速的运动部件具有较高的惯量；

（2）高的刚度和良好的阻尼；

（3）传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面具有尽可能小的非线性。

１.３总体方案

进给伺服系统总体方框图如下图３.１所示。

２进给伺服系统机械部分设计

进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量，计算切削力，滚珠丝杆螺母副的设计、计算与选型，齿轮传动计算，步进电机的计算和选型等。

微机光

电

隔

离

光

电

隔

离

光

电

隔

离

功

率

放

大

功

率

放

大

功

率

放

大

步进

电机

步进

电机

步进

电机

向

向

向

图3.1进给伺服系统总体方框图

２.１确定脉冲当量，计算切削力

１确定系统的脉冲当量

脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个重要参数，因此。脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用脉冲当量为0.01mm/脉冲——0.005mm/脉冲。在XK5040的主要技术参数中要求横向、纵向脉冲当量为0.01mm。

２切削力计算

在进行进给系统的传动计算,选用步进电机时,都要用到切削力(机床的主要负载).

（1）铣削抗刀分析

铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端面铣刀为基本形线。圆柱铣和端面铣刀的切削部分都可

看做车刀刀头的演变，铣刀的每一个齿相当于一把车刀，它的切削基本规律与车削相似。

通常假定铣削时，铣刀的铣削抗力作用在刀齿上，如下图2-6所示：设刀齿上受到的铣削抗力的合力为F ，将F 沿铣刀轴线径向和切向进给分解，则分别为轴向铣削力X F 和径向铣削力y F 。切向铣削力z F 是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗的铣床主电机功率最多。因此，切向铣削力可以按切削功率m P （kw ）或主电机功率E P （ kw ）计算，也可以按切削用量进行计算。

331010()m E Z Z P P m

F F N V V

η=⨯=⨯或

式中：V —————主轴传递全部功率时的最低切削速度，m/s ； m η————机床主传动系统的效率。 这里按切削用量进行计算。

0.860.720.86

09.8122.6Z e f

z F a a d a Z -=⨯⨯⨯⨯⨯• 式中：e a ————铣削接触深度，（mm ）; f a ————每齿进给量，（mm/齿）； 0d ————铣刀直径，（mm ）； p a ————铣削深度，（mm ）；

Z ——铣刀齿数

。

图3.2 铣削力及工作台上的载荷

取e a =2mm ，p a =8mm ，f a =0.1mm/齿，0d =8mm ，Z=4。

则， 0.860.720.86

09.8122.6z e f

p F a a d a Z -=⨯⨯⨯⨯⨯⨯ 0.860.720.869.8122.620.1884410.35132N -=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

（2）进给工作台工作载荷的计算

作用在进给工作台上的合力F ´与铣刀刀齿的铣削抗力的余力F 大小相同方

向相反，如图2-6所示，合力F ´就是设计和校核工作台进给系统的时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台的纵向进给 方向载荷L F ，工作台横向进给方向载荷C F 和工作台垂直进给方向载荷V F 。工作台工作载荷L F 、C F 和V F 与铣刀的切向铣削力Z F 之间有一定的经验笔直比值（可查《机电综合指导》表2-1），因此，求出Z F 后，即可计算出工作台工作载荷L F 、

C F 和V F 。即 ：

/ 1.2,/0.8,/0.4L Z V Z C Z F F F F F F ===

则： L F =492.42 N, V F =328.28 N, C F =164.14 N. ２.３齿轮传动比计算

为满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了是传动系统负载惯量尽可能小，传动链中采用齿轮传动。

已知脉冲当量p δ（mm/脉冲），滚珠丝杠导程0L （mm ），并初选步进电机步距角b θ后，可以根据下式计算齿轮传动比： 0

360p

b i L δθ=

式中：p δ————脉冲当量（mm/step ）; 0L ————滚珠丝杠的基本导程（mm ）； b θ————步进电机的步距角

计算出传动比i 后，再根据降速级数决定采用一对或两对齿轮传动，再决定各对齿轮的齿数、模数、和各项技术参数，因为进给伺服系统传递功率不大，一般取模数12m =:,数控车床、铣床取2m =，所以这里我们取2m =。

１ 纵向及横向进给齿轮传动比计算

已确定纵向及横向进给脉冲当量p δ＝0.01mm,滚珠丝杠导程0L =6mm,初选步金电机的步距角b θ＝0.75°。可以计算出传动比i 为：