数控铣床进给传动装置设计开题报告

开题报告

1、数控铣床简介

1.1数控铣床的组成

数控铣床一般由数控系统(CNC)、伺服驱动系统、机械部件等几大部分组成。

（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、系统故障自诊断等功能，能完成绝大多数的基本铣削以及镗削、钻削、攻螺纹等循环加工。 （2）伺服驱动系统

伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。伺服系统有开环、闭环和半闭环之分。在半闭环和闭环伺服系统中还需位置检测装置。 （3）机械部件

机械部件包括：主运动部件，进给运动部件如工作台、拖板、床身等支撑部件，此外，还应该有冷却、润滑、排屑、转位和夹紧等辅助装置。

[1]

1.2数控铣床的结构

数控铣床的结构如图1.1，数控铣床进给传动装置由X、Y、Z轴组成，本课题只设计Z轴进给传动装置。

图1.1立式数控铣床的结构

1.3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，在铣床上，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。

2、数控铣床进给传动装置设计要求

数控铣床伺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。

2.1伺服系统机械传动结构设计特点

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降低惯量。

2.2伺服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； （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；

（4）电机应能随频繁启动、制动和反转。

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。[2]

3、总体设计方案论证

3.1数控机床Z轴传动装置结构（如图3.1）

图3.1数控机床Z轴传动装置结构

3.2数控系统的选择

交/直流伺服电动机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统：半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置，只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺机服电动机做成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。

3.3传动机构择选

本课题选用的是滚珠丝杠螺母副。因为滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构，在数控机床上得到广泛应用。当丝杠和螺母相对运动时，滚珠沿丝杠螺旋槽滚道滚动，因此丝杠和螺母之间基本上为滚动摩擦。并且滚珠丝杠螺母副的动（静）摩擦系数相差极小，配以滚动导轨，起动力矩很小，运动灵敏，低速时不会出现爬行。滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转动的传动装。[3]

它具有以下优点:

（1）摩擦损失小、传动效率高 传动效率可达92%--96%，是普通丝杠传动的3～4倍，而驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的25%； （2）运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行；

（3）轴向刚度高、反向定位精度高 由于可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度高，反向时无空行程，定位精度高； （4）滚珠丝杠螺母副主要零件均经过热处理，其滚道表面的硬度值可达60—62HRC，因而耐磨性好，寿命长，精度稳定性好；

（5）由于摩擦因数小、不能自锁，因而该机构的传动具有可逆性，在作垂直运动时应加装防止逆转的装置，防止工作台因自重而下降。

因为滚珠丝杠螺母副与普通丝杠螺母副相比有这么多的优点，因此，本题目选用滚珠丝杠螺母副。

3.4导轨副选择

目前在数控机床上主要使用以下两种类型导轨：

（1）贴塑导轨：是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结而成。它具有摩擦特性好、耐磨性好、减振性好等特点，这种导轨已经在中、小型数控机床上广泛应用。[4] 由于其工艺较简单，对原有滑动导轨不需作大的改动，故在普通机床数控机床改装上应用广泛。

（2）涂塑导轨：它是以环氧树脂为基体，加入二硫化钼和胶体石墨以及铁粉等混合而成，再配以固化剂调匀涂刮或注入导轨面。这种涂塑导轨具有良好的摩擦特性和耐磨性，可使用在大型、重型数控机床上。

经过分析与比较结合实际产品所需求的加工精度，本题改造的数控铣床的导轨副选用贴塑导轨以满足设计任务书的要求。

4、参数选择

根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：

表4-1机床主要参数

工作台宽度×长度 工作台最大纵向行程 工作台最大横向行程 主轴箱最大垂直行程 主轴调速 主轴功率 电机额定转速

400×1200mm 300mm 500mm 400mm 无级调速 5.5KW 1500 r/min

5、进度安排

表5-1 进度安排

顺序 1 2 3 4 5 阶段安排 1-4周 4-7周 8-12周 13-14周 15-16周 计划完成内容 外文翻译、开题报告、文献综述 结束机械设计部分并完成大部分零件图 电气设计并结束机械设计部分 检查、修改设计与计算 撰写毕业设计论文及准备答辩 备注 参考文献

[1] 廖效果主编．数控技术．武汉：湖北科学技术出版社．2000.5 [2] 王贵明．数控实用技术．北京：机械工业出版社，2000．7 [3] 天津市机械工程学会．机床电气设备及维修．1984．3

[4] 范超毅等编．数控技术课程设计．武汉：华中科技大学出版社．2007.5