__届毕业（设计）论文
题目CK6140数控车床主传动系统及进给伺服系统设计专业班级
学号
学生姓名随笔客
指导教师
指导教师职称
学院名称机电工程学院
完成日期： 2014 年 5 月 25日
CK6140数控车床主传动系
统及进给伺服系统设计
CK6140 CNC lathe main drive system and feed servo system design
学生姓名
指导教师
摘要
本文介绍了CK6140数控车床的组成及工作原理，对数控机床的主要组成部分：机床主轴箱，进给伺服系统及主轴PLC控制进行了总体的设计及其详细设计。
数控机床是现代机电一体化的典型产品，对提高零件的加工质量和加工效率具有较好的作用。在本次设计中，主要完成了以下工作：
根据给出的要求，首先确定设计要求给出的已知条件确定电机的型号和功率，传动系统的布局，变速方式，开停方式，换向方式，制动方式及齿轮的排列与布置。然后根据转速范围及级数确定它的转速图、各齿轮的齿数和传动系统简图。在根据已确定传动比来确定带传动。通过轴的初步设计，进行齿轮的设计和校核。选取相应的轴承和键，进行轴的具体设计和校核，键和轴承的设计和校核。最后进行装配图和各个零件图的绘制，完成主轴箱的设计。
然后完成伺服系统的设计。在对进给伺服系统进行设计时，要确定进给传动系统的传动方式及控制系统的形式。设计中，选择进给伺服系统为开环控制系统。通过给定的参数选择好步进电机的步距角可确定传动齿轮的传动比及滚珠丝杆的导程。设计的进给
伺服系统能够满足设计任务的要求。
关键词：数控机床主轴箱进给伺服系统
Abstract
This thesis introduced the constitution and working principle of CK6140 machine tool，the primarily parts of NC machine tool designed：including proceeds the total design and detailed design. NC machine tool is a modern machine to give or get an electric shock the integral whole the typical model of technique the processing of product, right exaltation spare parts the quantity with process the efficiency to have the good function. In this design,
primarily completed following work.
According to the timetable to design. First identified design requirements given the known conditions determine the type and electrical power, drivetrain system layout, speed change, stop the way for the way braking and gear configuration and the way layout. Based on rotational speed and scope of the class to determine its rotational speed maps, the various gear and drivetrain system Chishu sketch. In accordance with established transmission belt transmission than to determine. Through axle of the preliminary design, gear design and verification. The bearings and get used to a specific axle design and verification, design and verification keys and bearings. Final assembly of the various parts and mapping. Completed the design of headstock.
Then completing the design of the servomechanism system. In designing of servo system, we can determine driving mode of driving system and controlling mode of controlling
system,choosing the servo system for opening wreath control the system.Passing the parameter to settle the choice the good step the step for the electrical engineering the distance cape can make sure to spread to move the spreading of wheel gear to move the radio the roll the bead silk the think stick's lead. Design of into give the servo system can satisfy to design
the request of the mission.
Keywords：NC Machine Tool；Axis Housing；Servomechanism
目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
第一章卧式数控车床简介 (1)
1.1数控车床简介 (1)
1.2 CK6140介绍及设计说明 (2)
1.3设计任务 (3)
第二章 CK6140总体设计计算 (6)
2.1总体设计要求 (6)
2.2机床的总体布局的确定 (7)
2.3换向方向的选择 (7)
2.4开停方式选择 (8)
2.5 制动方式选择 (8)
2.6 齿轮布置与排布 (8)
2.7 变速方式选择 (9)
2.8进给系统的组成及选用 (10)
第三章主变速箱总体设计 (12)
3.1电机的选用 (12)
3.2传动方案的拟定 (15)
3.3确定各级的转速................................... 错误！未定义书签。
3.4绘制转速图 (17)
第四章主变速箱详细设计 (18)
4.1带传动的设计 (18)
4.2 齿轮的设计 (27)
4.3轴的设计 (28)
4.4轴承的选择 (28)
4.5选择离合器 (28)
4.6键的选择 (29)
第五章进给伺服系统的设计 (30)
5.1进给伺服系统简介 (30)
5.2传动系统的设计及计算 (35)
总结 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
第一章卧式数控车床简介
1.1数控车床简介[1]
1.1.1数控车床的发展方向
随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品的更新速度越来越快。多品种、中小批量的生产比重明显增加。因此传统的加工设备和制造方法以及难以适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效、高质量加工要求。数控机床因此而诞生。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上的。同时数控技术关系到国家战略地位，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今一个国家制造业的发展方向。
下面从数控系统的性能、功能和体系结构三方面讨论机床。
数控技术的发展趋势：
1.性能方面的发展趋势
（1）.高速高精度高效（2）.柔性化（3）.工艺复合和轴化（4）.实时智能化
2.功能发展方面
（1）.用户界面图形化（2）.科学计算可视化（3）.插补和补偿方式多样化（4）.内置高性能PLC（5）.多媒体技术应用
3.体系结构的发展
（1）.集成化（2）.模块化（3）.网络化（4）.开放式闭环控制模式
1.1.2 数控车床特点
数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称NC）机床，它是20世纪50年代初发展起来的一种自动控制机床，而数控车床四其中的一类使用性很强的机床形式。数控车床是基于数字控制的，它与普通车床不同的是，数控车床的主机结构上具有以下特点：
（1）.由于大多数数控车床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化。
（2）.为了适应数控车床连续地自动化加工，数控车床机械结构，具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。
（3）更多地采用高效传动部件，如滚动丝杆副，直线滚动导轨高，CNC装置这是数控车床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据的变换，插补运算以及实现各种控制功能。
1.2 CK6140介绍及设计说明
1.2.1 CK6140数控机床的简介
CK6140型数控车床，可进行机械零件的粗加工及精加工，结构可靠，操作方便，经济使用。控制系统功能齐全，可靠性高。该机床可满足众多行业的需要，如：汽车、拖拉机、军工、机械等行业。本机床特别适合轴类、盘类零件的内外圆柱的表面、锥面、螺纹、钻孔、铰孔及曲面回转体等零件进行高效、大批量的车削加工。
1.采用水平床身，导轨采用山形－平面结合导轨形式并中频淬火，淬硬层达3mm，硬度达HRC52。
2.主轴轴承采用国产精密主轴轴承；主轴箱设计时考虑到最小热变形，采取散热措施及相应的减少主轴热变形的措施，经精心装配，主轴具有温升低、热变形小，精度高的特点，使主轴长期工作时能保持主轴轴线的相对稳定。
3.横向进给、纵向进给均采用交流伺服电机与滚珠丝杠用高强度不锈钢同步软连接实现低噪音、无间隙直线运动。
4.立式四工位数控电动刀架，每工位所用时间为2～2.5秒，重复定位精度高达0.003mm内。同时在设计制造中采用高精度大直径齿盘分度定位，具有刚性好，重切削时变形小等优点。
5.本机床卡盘采用手动卡盘，配置手动尾座。
6.导轨和滚珠丝杠采用手动和自动润滑系统，周期定量供油，方便、可靠，操作方便，用油省。
7.本机床为半封闭防护，排屑方便、流畅。冷却箱与主机分离，冷却泵的流量大，扬程高，工件和刀具都得到充分冷却，保证工件的加工精度，提高刀具的使用寿命。
1.2.2设计的有关说明
①根据设计要求，机床型号为CK6140.
按照
C：类型号，车床类； K：数控
6：组别代号，表式卧式车床； 1：系列代号，代表卧式车床系；
40：主参数，最大加工直径为400mm。
②功能设计：CK6140卧式数控车床的功能为加工圆柱面，回转成型面，螺纹及圆柱面
1.3设计任务
①已知参数
表1-1 设计参数
床身上最大回转直径（mm）400
拖板上最大削直径（mm）195
最大顶尖行程（mm）750-1000
纵向最大行程（mm）800-1050
横向最大行程（mm）220
主轴通孔直径（mm）52
主轴孔锥度莫氏6#
主轴转速25-1600r/min
卡盘公称直径250
主轴电机驱动方式交流变频
主电机功率 5.5kw
进给驱动方式交流伺服
X,Z分辨率0.01
②任务
1、CK6140型数控机床总体设计计算
1）主传动系统总体设计：总体设计要求；主传动形式选择；主轴电机选择及功率计算。
2）进给伺服系统总体设计：进给伺服系统选择；各组成部分选择。
2、机床主轴箱设计（变速系统的传动和结构设计）
1）传动设计：拟定主传动参数、结构网、转速图、确定齿轮齿数和带轮直径，主传动的转向与制动方式，画出主运动的传动系统图。
2）动力计算，其中包括确定齿轮模数，轴的尺寸，轴承的形式和型号，以及其他有关的计算。
3）确定变速系统的零件的径向布置方案并绘制变速系统的结构图和零件图。
3、进给伺服系统设计
1）、选取步进电机：按给定的参数，选择适当的传动机构和滚珠轴承，选择步进电机的型号；
2）、绘制进给伺服系统的结构图和零件图。
4、机床主轴运动可编程控制设计
根据机床主轴运动的规律，简要设计机床主轴运动的PLC控制：包括主轴运动控制梯形图的绘制。
要求设计计算准确，规范化，图纸按国家标准绘制。
图纸工作量：
1）机床主轴箱装配图：0号
2）零件图
3）进给伺服系统装配图：0号
第二章CK6140总体设计计算
2.1总体设计要求
数控必须满足使用部门的要求，也要适应制造厂的生产条件。要做到技术上先进，经济上合理，好用，好造，好修。
2.1.1一定的工艺范围
加工的工序种类：数控加工圆柱面，回转成型面，螺纹及内圆柱面。
被加工零件的类型，材料及尺寸：车，选择结构钢及铸钢，最大切削直径：200mm
刀具的种类及材料：车刀，选择硬质合金钢
加工精度及表面光洁度
适应的生产规模：多品种小批量生产的零件
2.1.2 保证加工精度和表面光洁度
要求床身必须具备一定的几何精度，传动精度及动态精度，减少机床零件的磨损，在材料的选用及热处理、零件表面光洁度以及润滑等方面。
2.1.3提高生产率及自动化程度
1）缩短机工时间（单位时间内金属的切除量要大）
2）缩短辅助时间（提高自动化程度）
生产率Ｑ＝1/（T总）=1/（T切+T辅+T准/n）（件/小时）
2.1.4操作维修方面和使用安全
标牌及操纵板的指标符号，应采用文献[11]中规定的象形符号，应考虑装卸，检修，调整及运输，确保安全与健康。
2.1.5成本低
1）注意品种系列化，部件通用化与零件标准化
2）保证性能的条件下，机床重量与功率之比要下，结构简单，零部件数目少及占地面积少。
2.2机床的总体布局的确定
方案一、集中传动式布局
集中传动式布局将主轴组件和主传动的全部变速机构集中装于同一个箱体内。目前，多数机床采取这种布局方式。其优点是：结构紧凑，便于实现集中操纵；箱体数少，在机床上安装、调整方便。其缺点是：传动件的振动和发热会直接影响主轴的工作精度，降低加工质量。因此，集中传动式布局一般适用于普通精度的中型和大型机床。
方案二、分离传动布局
分离传动布局将主轴组件和主传动的大部分变速机构分离装于两个箱体内。某些高速或精密机床采用这种传动布局方式。其优点是：变速箱中产生的振动和热量不易传给主轴，从而减少了主轴的振动和热变形；当主轴箱采用振回（背轮）传动时，主轴通过带传动直接得到高转速，故运作平稳，加工表面质量高。其缺点是：箱体数多，加工、装配工作量较大，成本较高；位于传动链后面的带传动，在低转速时传递转矩较大，容易打滑；更换传动带不方便等。因此，分离传动布局适用于中小型高速或精密机床。
由于CK6140机床属于普通精密的中型机床，故选用集中传动式布局。
2.3换向方向的选择
方案一、电动机换向
电动机换向的特点与电动机开停类似。但因交流异步电动机的正反转速相同，主轴不会得到较高的反向转速。在满足机床使用性能的前提下，应优先考虑此种换向方式。
方案二、机械换向
在电动机转向不变的情况下需要主轴换向时，可采用此种方式。
经过比较，选用电动机换向方式，换向装置放在传动链的前面。
2.4开停方式选择
方案一、电动机开停
电动机开停方式的优点是操纵方便省力，可简化机床的机械结构。其缺点是直接起动电动机，冲击较大；频繁起动会造成电动机发热甚至烧损；若电动机功率大且经常起动时，因起动电流较大会影响车间电网的正常供电。它适用于功率较小或起动不频繁的机床。
方案二、机械开停
在电动机不停止运转的情况下，可采用机械开停方式使主轴起动或停止。
综合方案一、二，在满足机床使用性能的前提下，采用电动机开停方式。2.5 制动方式选择
方案一、电动机制动
制动时，让电动机的转矩方向与其实际转向相反，使之减速而迅即停转，多采用反接制动、能耗制动等。电动机制动操纵方便省力，可简化机械结构。
方案二、机械制动
在电动机不停转的情况下需要制动时，可采用此方式。
经过比较，在满足车床使用性能的前提下，采用电动机制动方式。
2.6 齿轮布置与排布
方案一、滑移齿轮的布置
通常，滑移齿轮可选用较小齿轮，如结构需要也可选用较大齿轮。在一个变速组内，滑移齿轮必须具有“空档”位置，即只有当一对齿轮完全脱开啮合之后，才允许另一对齿轮开始进入啮合。
方案二、一个变速组内的齿轮轴向排列
1）列与宽排列。一般采用滑移齿轮相互靠近的窄排列。
2）小齿数差排列。三联滑移齿轮窄排列时相邻两齿轮的齿数差不得小于4。当齿数差小于4时，除采用增加齿数和或变位齿轮等措施外，还可采用增加小齿数差排列，使最大与最小齿轮的齿数差不小于4即可，但轴向尺寸增大。
3）分组排列。将三联或四联滑移齿轮拆开两组排列，可缩短轴向尺寸，且对齿数差无要求，但两组需有联锁装置。
4）顺序变换排列。若要求转速按大小顺序变换时，可采用此种排列方式，但占有轴向尺寸较大。
方案三、两个变速组的齿轮轴向排列。
1）并行排列。
2）错排列。
3）公用齿轮排列。
齿轮的布置与排列直接影响到变速箱的尺寸大小，结构实现的可能性以及变速操纵的方便性等。故经过比较以上三种方案，选择用两个滑移齿轮，布置在主传动轴上。
2.7 变速方式选择
方案一、无级变速
无级变速在一定速度（或转速）范围内能连续、任意地变速。它可选用最合理的切削速度，没有速度损失，生产率得到提高；可在运转中变速，减少辅助时间；操纵方便；传动平稳等。机床主传动采用的无级变速装置主要有两种：1）无级变速器：它是靠摩擦来传递转矩的，多用钢球式、宽带式结构。
但它一般机构较复杂，维修较困难，效率低；因为摩擦所需要的正压力较大，使变速器工作可靠性及寿命受到影响；变速范围较窄（不超过10），往往需要与有级变速箱串联使用。它多用于中小型机床。
2）液压、电气无级变速装置：机床主传动所采用的液压马达、直流电动机调速，往往因恒功率变速范围小，恒转矩变速范围较大，而不能满足主传动的传动要求，啊、在主轴低转速时出现功率不足的现象，一般也需要与有级变速箱串联使用。它多用于精密、大型机床或数控机床。
方案二、有级变速
有级（或分级）变速在若干固定速度（或转速）级内不连续地变速。通常它是由齿轮等变速元件构成的变速箱来实现变速的，传递功率大，变速范围大，传动比准确，工作可靠。但速度不能连续变化，且有速度损失，传动不够平稳。
1）滑移齿轮变速机构：其优点是变速范围大，得到的转速级数多；变速较方便，可传递较大功率；非工作齿轮不啮合，空载功率损失较少。其缺点是变速箱结构复杂；划移齿轮多采用直齿圆柱齿轮，承载能力不如斜齿圆柱齿轮；传动不够平稳；不能在运转中变速。
2）交换齿轮变速机构：其优点是结构简单，不需要操纵机构；轴向尺寸小，变速箱结构紧凑；主动齿轮与从动齿轮可以对调使用，齿轮数量少。其缺点是更换齿轮时费力；装于悬臂轴端，刚性差；备换齿轮容易散失等。因此，它适用于不需要经常变速或变速时间长对生产率影响不大，但要求结构简单紧凑的机床。
3）多速电动机：其优点是可简化变速箱的机械结构；在运转中变速，使用方便其缺点是多速电动机在高、低速时的输出功率不同，设计中一般是按低速的小功率选定电动机，而使用高速时的大功率就不能完全发挥其能力；多速电动机的转速级数越多，转速越低，则体积越大，价格也越高；电气控制也较复杂。
4）离合器变速机构：齿轮式离合器和牙嵌式离合器结构简单，外形尺寸小；传动比准确，工作中不打滑；能传递较大的转矩；但不能在运转中变速。片式摩擦离合器可实现运转中变速，接合平稳，冲击小；但结构较复杂，摩擦片间存在相对滑动，发热较大，并能引起噪声。
对比以上两种方案，故选择直流电动机无级变速串联齿轮有级变速方式。2.8进给系统的组成及选用
纵向和横向进给是两套独立的传动链，他们由步进电机，齿轮副，丝杆螺母副组成，它的传动比应满足机床要求。为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小传动效率改的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧机构，以提高传动的刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿册间隙的机构采用滚动导轨可减少到贵贱的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量的移动，切润滑方便。
图2.1伺服系统总体方案框图
第三章主变速箱总体设计3.1电机的选用[2]
3.1.1车刀的选择
1）加工材料[3]
表3-1 加工材料及参数
加工材料刀具材
料
加工形
式
主切削刀（
FZ
C,
FZ
FZ
FZ
N
Y
X,
,)
结构钢
及铸钢高速钢外圆纵
车横车
及镗孔
1433 1.0 0.75 0
刀具材料的选择：选择W6Mo5Cr4V2，硬度（HRC ）65 抗弯强度3800Pa 冲击韧性2-
m
8
.3
0?
MJ高温硬度（HRC）47.5 选用理由：虽然此刀具磨削性能稍差，但热塑性好，适用于制造成形刀具及承受抗冲击刀具，且在o
600高温时还有较高硬度。
2）确定刀具的重要参数 (查资料[1])
表3-2 车削碳刚的切削速度
加工材料硬度高速钢V（米/分）硬质合金刚V（米/
分）碳刚175-275 22 75 切深t=3mm，走刀量s=0.3mm/r，v
k
k
V
2
1
=
当取So=0.55时，k1=0.70
取to=5时，k2=0.91
v
k
k
V
2
1
==0.70?0.91?75=47.8m/min
().13
3） 主切削力
F Z =c FZ .a p xfz . f yfz .v nfz .k FZ 查文献[1]
k FZ =1?1.15?1?0.75?0.93?1=0.8
().23
前角为13o ，主偏角45o ，刃倾角为0 o ，刀尖圆弧半径2
F Z =1433?3?0.450.75?1?15.02-=1948.8N
().33
其中F Z 所消耗的功率占总切削功率的95%左右，所以只需要计算F Z 主切削力产生的功率即可。
4）切削功率Pm
kw Vc Pc P 90.31028.19481033m =??=??=-- ().43
3.1.2选择电机
1.考虑到机床的传动比效率
m E P P η/m = ().53
式中：是机床的传动效率m η，一般取0.75~0.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。
本次设计选用.850=m η
KW P P m E 95.4.85
09.3/m ===η ().63 参考文献[2]，这里选用VFG 1600M-750-5.5的交流变频电动机，额定功率
5.5KW ，额定电压380W ，恒扭矩输出范围为30-750r/min ,恒功率输出范围为750-2250r/min ，基准转速为750r/min 。
2.主轴要求的恒功率调速范围
48.2147
.741600np ==
R 电动机的恒功率调速范围 3750
2250np ==R 故可知主轴要求的恒功率调速范围远大于电动机所能提供的恒功率调速范围，故必须配以分级变速箱。同时若要简化变速箱结构，变速级数应该少些，变速箱公比f ?可取大于电动机的恒功率调速范围dp R ，即f ?>dp R 。
故取Z=2，此时，变速箱的公比为：
63
.448.2167
.02/48.21lg /lg lg 2f f f =======z np Z np np R R Z R ???
由于f ?>dp R ，变速箱的每档内有部分低转速只能恒转矩变速，主传动系统的功率特性图出现“缺口”，称为功率降低区。使用“缺口”范围内的转速时，为限制转矩过大，得不到电动机输出的全部功率。因此为保证缺口处的输出功率，电动机的功率应相应增大。
计算可知在缺口处的功率仅为：
kw P R P f d dp 56.363
.435.5/=?==? 故重新选择电动机，选择型号为VFG1600M-750-7.5的交流变频电动机，其额定功率为7.5kw ，恒扭矩输出范围为30-750r/min ，恒功率输出范围为750-2250r/min ，基准转速为750r/min 。 电动机的相关参数
型号
额定功率 基准转速 恒扭矩输出 恒功率输出
VFG1600M-750-7.5
7.5kw r/min 750 30-750 750-2250
图3.1 电动机图
3.2传动方案的拟定
传动方案：电动机的输出，然后经带轮的降速，再经过二级齿轮变速进行调速，最后传给主轴。查文献[4]可知V 带传动比范围为2~4，单级圆柱齿轮传动比范围i=3~6。
4.1传动比的计算
取带轮传动比为21=i ，并确定小带轮与大带轮标准直径分别为80mm 和160mm 、带型为A 型。
经带轮降速后，最高转速m i n /1125160
802250max r n =?=，最低转速m i n /30in r n m =取20以满足需要，电动机转速可取160r/min=in m n ,则经带轮后转速为80r/min 。
额定转速min /375160/80750r n d =?=。中间取360r/min 以满足机床要求。则降速后转速为180r/min 。
则可知要达到机床的要求，可用传动比为42.1112516001==
i ，查[2]确定标准公比为1.50。
同时80/20=42
=i 查文献[2]确定标准公比为3.98。
自动控制原理课程设计题目速度伺服控制系统设计 专业电气工程及其自动化 姓名 班级 学号 指引教师 机电工程学院 12月
目录一课程设计设计目 二设计任务 三设计思想 四设计过程 五应用simulink进行动态仿真六设计总结 七参照文献
一、课程设计目： 通过课程设计，在掌握自动控制理论基本原理、普通电学系统自动控制办法基本上，用MATLAB实现系统仿真与调试。 二、设计任务： 速度伺服控制系统设计。 控制系统如图所示，规定运用根轨迹法拟定测速反馈系数' k，以 t 使系统阻尼比等于0.5，并估算校正后系统性能指标。 三、设计思想： 反馈校正： 在控制工程实践中，为改进控制系统性能，除可选用串联校正方式外，经常采用反馈校正方式。常用有被控量速度，加速度反馈，执行机构输出及其速度反馈，以及复杂系统中间变量反馈等。反馈校正采用局部反馈包围系统前向通道中一某些环节以实现校正，。从控制观点来看，采用反馈校正不但可以得到与串联校正同样校正效果，并且尚有许多串联校正不具备突出长处：第一，反馈校正能有效地变化
被包围环节动态构造和参数；第二，在一定条件下，反馈校正装置特性可以完全取代被包围环节特性，反馈校正系数方框图从而可大大削弱这某些环节由于特性参数变化及各种干扰带给系统不利影响。 该设计应用是微分负反馈校正： 如下图所示，微分负反馈校正包围振荡环节。其闭环传递函数为 B G s （）=00t G s 1G (s)K s +（）=22t 1T s T K s ζ+（2+）+1 =22'1T s 21Ts ζ++ 试中，'ζ=ζ+t K 2T ，表白微分负反馈不变化被包围环节性质，但由于阻尼比增大，使得系统动态响应超调量减小，振荡次数减小，改进了系统平稳性。 微分负反馈校正系统方框图
辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计 目录 1、前言 (1) 1.1设计目的 (1) 1.2设计内容 (1) 2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 (2) 2.1伺服系统基本原理及系统框图 (2) 2.2 伺服系统的模拟PD+数字前馈控制 (4) 2.3 伺服系统的程序 (6) 3、仿真波形图 (9) 结论 (12) 心得与体会 (13) 参考文献 (14)
1、前言 1.1设计目的 1、使学生进一步掌握电力拖动自动控制系统的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力； 2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力； 3、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。 1.2设计内容 1、分析和设计具有三环结构的伺服系统，用绘图软件（matlab）画原理图还有波形图； 2、分析并理解具有三环结构的伺服系统原理。
2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 2.1伺服系统基本原理及系统框图 伺服系统三环的PID控制原理: 以转台伺服系统为例,其控制结构如图2-1所示,其中r为框架参考角位置输入信号, 为输出角位置信号. 图2-1 转台伺服系统框图 伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构,电机输出轴直接与负载-转动轴相连,为使系统具有较好的速度和加速度性能,引入测速机信号作为系统的速度反馈,直接构成模拟式速度回路.由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路. 转台伺服系统单框的位置环,速度环和电流环框图如图2-2,图2-3和图2-4所示. 图2-2 伺服系统位置环框图 图2-3 伺服系统速度环框图
数控机床进给系统设计
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 1.1、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。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （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。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。 （4）电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 1.2、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反
馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。 直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。 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。 1.3、主要设计任务参数 车床控制精度：0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度：V max=5m/min。最大加工直径为D =400mm，工作台及刀架重：110㎏；最大轴，向力=160㎏；导轨静摩擦系数=0.2； max 行程=1280mm；步进电机：110BF003；步距角：0.75°；电机转动惯量：J=1.8×10-2㎏.m2。
数控机床主传动系统 第一节概述 1、对主传动系统的要求 (1)调速范围 :多用途、通用性大的机床要求主轴的调速范围大，低速大转矩功能，较高的速度，如车削加工中心。 (2)热变形: 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小的热变形是对主传动系统要求的重要指标。 (3)主轴的旋转精度和运动精度: 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径向圆跳动和端面圆跳动值。主轴在工作速度旋转时测量上述的两项精度称为运动精度。数控机床要求有高的旋转精度和运动精度。 (4)主轴的静刚度和抗振性: 数控机床加工精度较高，主轴的转速又很高，因此对主轴的静刚度和抗振性要求较高。主轴的轴颈尺寸、轴承类型及配置方式，轴承预紧量大小，主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的阻尼等对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。 (5)主轴组件的耐磨性: 主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持良好的精度。 2、主轴变速方式 (1).无级变速 (2)(分段无级变速 :1)带有变速齿轮的主传动2)通过带传动的主传动3)用两个电动机分别驱动主轴 (3)(液压拨叉变速机构在带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换挡主要靠液压拨耳来完成 3、主轴部件
主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。 机床的主轴部件满足的要求:主轴的回转精度、部件的结构刚度和抗振性、运转温度和热稳定性以及部件的耐磨性和精度保持能力等。 对于数控机床尤其是自动换刀数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的清理装置等结构。 (1)、主轴端部的结构形状 主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩 主轴为空心，前端有莫氏锥度孔，用以安装顶尖或心轴。 1)莫氏锥度是一个锥度的国际标准，用于静配合以精确定位。锥度很小，利用摩擦力可以传递一定的扭矩，方便拆卸。莫氏锥度又分为长锥和短锥,长锥多用于主动机床的主轴孔,短锥用于机床附件和机床连接孔, (2)主轴部件的支承 机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。机床主轴多采用滚动轴承作为支承，对于精度要求高的主轴则采用动压或静压滑动轴承作为支承。 (3)滚动轴承的精度 主轴部件所用滚动轴承的精度有高级E、精密级D、特精级C和超精级B。前支承的精度一般比后支承的精度高一级，也可以用相同的精度等级。普通精度的机床通常前支承取C、D级，后支承用D、E级。特高精度的机床前后支承均用B级精度液体静压轴承和动压轴承主要应用在主轴高转速、高回转精度的场合，对于要求更高转速的主轴，可以采用空气静压轴承，这种轴承达每分钟几万转的转速，有非常高的回转精度。 (4)(主轴滚动轴承的预紧
数控铣床的进给传动系统 摘要： 在国际贸易中，很多发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润主要电机出口产品。世界贸易强国在进行国内机电产品贸易的同时，把高技术的机电产品出口打入国际市场，作为发展出口经济的重要战略措施，数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控铣床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置。 关键词：数控铣床发展趋势智能化柔性化 英文： In international trade,many centuries view digital lathesare as hi-techvalue-adds and profitable exports.Digital lathesare expensive mechanical and electrical products.The powerful trade nations export hi-texh mechanical snd electrical products to the world market whiledoing such business at home ,Which is now an important strategy of develop-ing their export economy Key words digital lathe ; development tendency; intelligence; tenderness 1.引言： 科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；FMS的迅速发展和CIMS的不断成熟，又将对数控机的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日益完盖，数控技术的应用颔域日益扩大。 数控铣床是在数控加工中心领域中最具代表性的一种典型机床，在数控机床中所占的比率最大，数控加工中心、柔性制造单元等都是数控铣床基础上派生或发展起来的。它具有功能性强、加工范围广、工艺较复杂等点，主要用于各种复习的平面、轮廓、曲面等零件的铣削加工，同时还可以进行钻、扩、镗、攻螺纹等加工，在航空航天、汽车制造、机械加工和模具制造业中应用非常广泛。 2.数控铣床的组成 数控铣床一般由数控系统、机床基础部件、主轴箱、进给伺服系统及辅助装置等几大部分组成。 （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
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 1.1、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。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （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。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。 （4）电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 1.2、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。
新疆工程学院机械工程系毕业设计（论文）任务书 学生姓名专业班级机电一体化09-11（1）班设计(论文)题目数控机床主传动系统及主轴设计 接受任务日期2012年2月29日完成任务日期2012年4月9日指导教师指导教师单位机械工程系 设 计(论文)内容目标 培养学生综合应用所学的基本理论，基础知识和基本技能进行科学研究能力的初步训练；培养和提高学生分析问题，解决问题能力。通过毕业设计，使学生对学过的基础理论和专业知识进行一次全面地系统地回顾和总结。通过对具体题目的分析和设计，使理论与实践结合，巩固和发展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能。 设计(论文)要求 1．论文格式要正确。 2．题目要求：设计题目尽可能选择与生产、实验室建设等任务相结合的实际题目，完成一个真实的小型课题或大课题中的一个完整的部分。 3．设计要求学生整个课题由学生独立完成。 4．学生在写论文期间至少要和指导老师见面5次以上并且和指导教师随时联系，以便掌握最新论文的书写情况。 论文指导记录 2012年3月1号早上9：30-12：00在教室和XX老师确定题目。2012年3月6日早上10：00-12:00在教室确定论文大纲与大纲审核。2012年3月13日早上10:00-12：00在教室确定论文格式。 2012年3月20日早上9：30-12:00在教室对论文一次修改。 2012年3月27日早上9：30-12:00在教室对论文二次修改。 2012年4月6日早上9：30-12：30在教室对论文三次修改。 2012年4月9日早上9:30-12：00在教室老师对论文进行总评。 参考资料[1]成大先.机械设计手册-轴承[M].化学工业出版社 2004.1 [2]濮良贵纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社 2006.5 [3]李晓沛张琳娜赵凤霞. 简明公差标准应用手册[M].上海科学技术出版社 2005.5 [4]文怀兴夏田.数控机床设计实践指南[M].化学工业出版社 2008.1 [5][日]刚野修一(著). 杨晓辉白彦华(译) .机械公式应用手册[M].科学出版社 2004
1、数控机床进给系统概述 1.1 伺服进给系统概述 数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构和执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机，功率步进电机，电业脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速移动。数控机床的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质的差别，他能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定运动规律所合成的运动轨迹。 1.2 伺服进给系统分类 数控私服进给系统按有无位置检测和反馈进行分类，有以下三种： (1)开环伺服系统 (2)半闭环伺服系统 (3)闭环伺服系统 1.3 伺服进给系统的基本要求 (1)精度要求 (2)响应速度 (3)调速范围 (4)低速、大转矩 2、运动设计 2.1传动方案拟定 数控机床按控制方式分为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于数控车床加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制的查，但是稳定性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性不大。故在本次设计中，采用开环控制步进电机驱动。 确定设计任务后，初步拟定三种传动方案即1电机直接与丝杠相连；2电机通过同步带的传动带动丝杠转动；3电机通过齿轮传动带动丝杠转动。 步进电机具有如下优点 :
第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。
1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置
数控机床进给模块之机械部件装配一．进给传动系统图 纵向和横向进给传动系统图 二．系统图的主要构造和功用 电动机： 1. 步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。步进电动机
是一种特殊的电动机，一般电动机通电后都是连续转动的，而步进电动机则有定位与运转两种状态。当有一个电脉冲输入时，步进电动机就回转一个固定的角度，这角度称为步距角，一个步距角就是一步，所以这种电动机称为步进电动机。又由于它输入的是脉冲电流，也称作脉冲电动机。当电脉冲连续不断地输入，步进电动机便跟随脉冲一步一步地转动，步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数严格成正比例，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组的通电顺序，便可获得所需转角、转速和方向。在无脉冲输入时，步进电动机的转子保持原有位置，处于定位状态。步进电动机的调速范围广、惯量小、灵敏度高、输出转角能够控制，而且有一定的精度，常用作开环进给伺服系统的驱动元件。与闭坏系统相比，它没有位置速度反馈回路，控制系统简单，成本大大降低，与机床配接容易，使用方便，因而在对精度、速度要求不十分高的中小型数控机床上得到了广泛地应用。 2. 直流伺服电动机 由于数控机床对进给伺服驱动装置的要求较高，而直流电动机具有良好的调速特性，因此在半闭坏、闭坏伺服控制系统中，得到较广泛地使用。直流进给伺服电动机就其工作原理来说，虽然与普通直流电动机相同。然而，由于机械加工的特殊要求，一般的直流电动机是不能满足需要的。首先，一般直流电动机转子的转动惯量过大，而其输出转矩则相对较小。这样，它的动态特性就比较差，尤其在低速运转条件下，这个缺点就更突出。在进给伺服机构中使用的是经过改进结构，提高其特性的大功率直流伺服电动机，主要有以下两种类型：（1）小惯量直流电动机。主要结构特点是其转子的转动惯量尽可能小，因此在结构上与普通电动机的最大不同是转子做成细长形且光滑无槽。以此表现为转子的转动惯量小，仅为普通直流电动机的1/10左右。因此，响应特别快，机电时间常数可以小于10 ms，与普通直流电动机相比，转矩与惯量之比要大出40~50倍。且调速范围大，运转平稳，适用于频繁起动与制动，要求有快速响应（如数控钻床、冲床等点定位）的场合。但由于其过载能力低，并且电动机的自身惯量比机床相应运动部件的惯量小，因此应用时都要经过一对中间齿轮副，才能与丝杠相连接，在某些场合也限制了它广泛地使用。 （2）大惯量直流电动机。又称宽调速直流电动机，是在小惯量电动机的基础上发展起来的。在结构上和常规的直流电动机相似，其工作原理相同。当电枢线圈通过直流电流时，就会在定子磁场的作用下，产生带动负载旋转的电转矩。小惯量电动机是从减小电动机转动转量来提高电动机的快速性，而大惯量电动机则是在维持一般直流电动机转动惯量的前提下，尽量提高转矩的方法来改善其动态特性。它既具有一般直流电动机便于调速、机械特性较好的优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能。因此，可归纳为以下特点： 1）转子惯量大。这种电动机的转子具有较大的惯量，容易与机床匹配。可以和机床的进给丝杠直接连接，省掉了减速机构，故可使机床结构简单，即避免了齿轮等传动机构产生的噪声和振动，又提高了加工精度。 2）低速性能好。这种电动机低速时输出转矩大，能满足数控机床经常在低速进给时进给量大、转矩输出大的特点，如能在1 r/min甚至0.1 r/min下平稳运转。 3）过载能力强、动态响应好。由于大惯量直流电动机的转子有槽，热容量大，同时采用了冷却措施后，提高了散热能力。因此可以过载运行30分钟。另外，电动机的定子采用矫顽力很高的铁氧体永磁材料，可使电动机过载10倍而不会去磁，这就显著地提高了电动机的瞬间加速力矩，改善了动态响应，加减速特性好。 4）调速范围宽。这种电动机机械特性和调速特性的线性度好，所以调速范围宽而运转平稳。一般调速范围可达1∶10000以上。
数控机创进给系统 数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作。 伺服进给系统的作用是根据数控系统传来的指令信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对于工件的移动位置和轨迹。因此，数控机床进给系统，尤其是轮廓控制系统，必须对进给运动的位置和运动的速度两方面同时实现自动控制。 数控机床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。 一个典型的数控机床闭环控制的进给系统组成：位置比较、放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分。 机械传动装置：是指将驱动源旋运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、丝杠螺母副等中间传动机构。 第一节概述 一、数控机床对进给传动系统的要求 1．减少摩擦阻力：在数控机床进给系统中，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副，滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。 2．减少运动惯量 3．高的传动精度与定位精度设计中，通过在进给传动链中加入减速齿轮，以减小脉冲当量(即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离)，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法，可达到提高传动精度和定位精度的目的。 4．宽的进给调速范围：伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可达3～6000mm／min(调速范围1：2000)。 5．响应速度要快：所谓快响应特性是指进给系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象 6．无间隙传动：进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度。因此，应尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法。 7．稳定性好、寿命长：稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。所谓进给系统的寿命，主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，即各传动部件保持其原来制造精度的能力。 8．使用维护方便 二、联轴器 联轴器是用来连接进给机构的两根轴使之一起回转，以传递转矩和运动的一种装置。机器运转时，被连接的两轴不能分离，只有停车后，将联轴器拆开，两轴才能脱开。 联轴器的类型：有液压式、电磁式和机械式；而机械式联轴器是应用最广泛的一种，它借助于机械构件相互间的机械作用力来传递转矩，
数控机床系统总体设计方案的确定和设计内容 注：下面内容中所指：横向即为X轴方向,纵向即为Y轴方向 最大加工直径为400和500mm的设计方案确定计算内容和公式与320mm的一样，把各自的参数代入即可。 总体方案设计的内容 接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟订总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计计算。 机床数控系统总体方案的拟订包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的的选择，执行机构的结构及传动方式的确定，计算系统的选择等内容。 一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。 2.2 总体方案设计 2.2.1 设计任务 用微机数控技术改造最大加工直径为320毫米普通车床的进给系统 主要技术参数： 最大加工直径（mm）：在床身上：320 在床鞍上：175 最大加工长度（mm）： 750 溜板及刀架重量（N）：纵向：800 横向：400 刀架快移速度（m/min）：纵向：2 横向：1 最大进给速度（m/min）：纵向：0.8 横向：0.4 最小分辨率（mm） : 纵向：0.01 横向：0.005 定位精度（mm） : 0.02 主电机功率（KW）：3 起动加速时间（ms）：25 2.2.2 总体方案确定 （1）系统的运动方式与伺服系统的选择
由于改造后的经济型数控车床应具有定位，直线插补，顺。逆圆，暂停，循环加工，公英制罗纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。 （2）数控系统 根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的80C51单片机扩展系统。 控制系统由微机部分，键盘及显示器，I/O接口，步进电机驱动器等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用液晶显示模块显示加工数据及机床状态等信息。 （3）机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高刚度和消除间隙。采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要消除齿侧间隙的结构。 综上所述，系统总体方案框图见下图。
数控机床进给传动系统 一．进给传动体系图 纵向和横向进给传动体系图 二．体系图的重要构造和功用 电念头： 1. 步进电念头 步进电念头是一种将电脉冲旌旗灯号转换成机械角位移的驱动元件。步进电
念头是一种特别的电念头，一般电念头通电后都是持续迁移转变的，而步进电念头则有定位与运转两种状况。当有一个电脉冲输入时，步进电念头就反转展转一个固定的角度，这角度称为步距角，一个步距角就是一步，所以这种电念头称为步进电念头。又因为它输入的是脉冲电流，也称作脉冲电念头。当电脉冲持续赓续地输入，步进电念头便跟随脉冲一步一步地迁移转变，步进电念头的角位移量和输入的脉冲个数严格成正比例，在时光上与输入脉冲同步。是以，只需控制输入脉冲的数量、频率及电念头绕组的通电次序，便可获得所需转角、转速和偏向。在无脉冲输入时，步进电念头的转子保持原有地位，处于定位状况。步进电念头的调速范围广、惯量小、灵敏度高、输出转角可以或许控制，并且有必定的精度，常用作开环进给伺服体系的驱动元件。与闭坏体系比拟，它没有地位速度反馈回路，控制体系简单，成本大年夜大年夜降低，与机床配接轻易，应用便利，因而在对精度、速度请求不十分高的中小型数控机床上获得了广泛地应用。 2. 直流伺服电念头 因为数控机床对进给伺服驱动装配的请求较高，而直流电念头具有优胜的调速特点，是以在半闭坏、闭坏伺服控制体系中，获得较广泛地应用。直流进给伺服电念头就其工作道理来说，固然与通俗直流电念头雷同。然而，因为机械加工的特别请求，一般的直流电念头是不克不及知足须要的。起首，一般直流电念头转子的迁移转变惯量过大年夜，而其输出转矩则相对较小。如许，它的动态特点就比较差，尤其在低速运转前提下，这个缺点就更凸起。在进给伺服机构中应用的是经由改进构造，进步其特点的大年夜功率直流伺服电念头，重要有以下两种类型： （1）小惯量直流电念头。重要构造特点是其转子的迁移转变惯量尽可能小，是以在构造上与通俗电念头的最大年夜不合是转子做成细长形且滑腻无槽。以此表示为转子的迁移转变惯量小，仅为通俗直流电念头的1/10阁下。是以，响应特别快，机电时光常数可以小于10 ms，与通俗直流电念头比拟，转矩与惯量之比要大年夜出40~50倍。且调速范围大年夜，运转安稳，实用于频繁起动与制动，请求有快速响应（如数控钻床、冲床等点定位）的场合。但因为其过载才能低，并且电念头的自身惯量比机床响应活动部件的惯量小，是以应用时都要经由一对中心齿轮副，才能与丝杠相连接，在某些场合也限制了它广泛地应用。 （2）大年夜惯量直流电念头。又称宽调速直流电念头，是在小惯量电念头的基本上成长起来的。在构造上和惯例的直流电念头类似，其工作道理雷同。当电枢线圈经由过程直流电流时，就会在定子磁场的感化下，产生带动负载扭转的电转矩。小惯量电念头是从减小电念头迁移转变转量来进步电念头的快速性，而大年夜惯量电念头则是在保持一般直流电念头迁移转变惯量的前提下，尽量进步转矩的办法来改良其动态特点。它既具有一般直流电念头便于调速、机械特点较好的长处，又具有小惯量直流电念头的快速响应机能。是以，可归纳为以下特点： 1）转子惯量大年夜。这种电念头的转子具有较大年夜的惯量，轻易与机床匹配。可以和机床的进给丝杠直接连接，省掉落了减速机构，故可使机床构造简单，即避免了齿轮等传念头构产生的噪声和振动，又进步了加工精度。 2）低速机能好。这种电念头低速时输出转矩大年夜，能知够数控机床经常在低速进给时进给量大年夜、转矩输出大年夜的特点，如能在1 r/min甚至0.1 r/min下安稳运转。 3）过载才能强、动态响应好。因为大年夜惯量直流电念头的转子有槽，热容量大年夜，同时采取了冷却办法后，进步了散热才能。是以可以过载运行30分钟。别的，电念头的定子采取矫顽力很高的铁氧体永磁材料，可使电念头过载10倍而不会去磁，这就明显地进步了电念头的刹时加快力矩，改良了动态响应，加减速特点好。 4）调速范围宽。这种电念头机械特点和调速特点的线性度好，所以调速范
液压伺服系统设计 液压伺服系统设计 在液压伺服系统中采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。液压伺服系统能以小功率的电信号输入，控制大功率的液压能（流量与压力）输出，并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。位置控制、速度控制、力控制三类液压伺服系统一般的设计步骤如下： 1）明确设计要求：充分了解设计任务提出的工艺、结构及时系统各项性能的要求，并应详细分析负载条件。 2）拟定控制方案，画出系统原理图。 3）静态计算：确定动力元件参数，选择反馈元件及其它电气元件。 4）动态计算：确定系统的传递函数，绘制开环波德图，分析稳定性，计算动态性能指标。 5）校核精度和性能指标，选择校正方式和设计校正元件。 6）选择液压能源及相应的附属元件。 7）完成执行元件及液压能源施工设计。 本章的内容主要是依照上述设计步骤，进一步说明液压伺服系统的设计原则和介绍具体设计计算方法。由于位置控制系统是最基本和应用最广的系统，所以介绍将以阀控液压缸位置系统为主。 4.1 全面理解设计要求 4.1.1 全面了解被控对象 液压伺服控制系统是被控对象—主机的一个组成部分，它必须满足主机在工艺上和结构上对其提出的要求。例如轧钢机液压压下位置控制系统，除了应能够承受最大轧制负载，满足轧钢机轧辊辊缝调节最大行程，调节速度和控制精度等要求外，执行机构—压下液压缸在外形尺寸上还受轧钢机牌坊窗口尺寸的约束，结构上还必须保证满足更换轧辊方便等要求。要设计一个好的控制系统，必须充分重视这些问题的解决。所以设计师应全面了解被控对象的工况，并综合运用电气、机械、液压、工艺等方面的理论知识，使设计的控制系统满足被控对象的各项要求。 4.1.2 明角设计系统的性能要求 1）被控对象的物理量：位置、速度或是力。 2）静态极限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。 3）要求的控制精度：由给定信号、负载力、干扰信号、伺服阀及电控系统零飘、非线性环节（如摩擦力、死区等）以及传感器引起的系统误差，定位精度，分辨率以及允许的飘移量等。 4）动态特性：相对稳定性可用相位裕量和增益裕量、谐振峰值和超调量等来规定，响应的快速性可用载止频率或阶跃响应的上升时间和调整时间来规定； 5）工作环境：主机的工作温度、工作介质的冷却、振动与冲击、电气的噪声干扰以及相应的耐高温、防水防腐蚀、防振等要求； 6）特殊要求；设备重量、安全保护、工作的可靠性以及其它工艺要求。 4.1.3 负载特性分析 正确确定系统的外负载是设计控制系统的一个基本问题。它直接影响系统的组成和动力元件参数的选择，所以分析负载特性应尽量反映客观实际。液压伺服系统的负载类型有
数控机床进给系统设 计 Revised on November 25, 2020
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 、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 /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。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （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。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在以内从静止启动到额定转速。 （4）电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、
伺服驱动系统设计方案 伺服电机的原理： 伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度{线数)。 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 图3 伺服电动机的转矩特性
摘要 本设计是把普通数控车床改造成经济型数控车床。经济型数控车床就是指价格低廉、操作使用方便、比较适合我国国情的，动化的机床。采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。在设计的时候具体进行了详细的各部件的选型和计算。比如：导轨的设计选型、滚珠丝杠螺母副的选型与计算。还进行了进给传动系统的刚度计算、进给传动系统的误差分析、驱动电机的选型计算、驱动电机与滚珠丝杠的联接、驱动电机与进给传动系统的动态特性分析等。 【关键词】车床、数控、传动系统
Abstract This project is to alter the common lathe into the economical lathe. The economical lathe is a advanced and roboticized lathe that has low price, convenient operation, and adapt to the situation of our country and has installed cnc system. During the project we particularly dealt with the choice and calculation of every assembly. Such as:The choice and calculation of guideway, ballscrew nut pair and drive electromotor. Caculate the inflexibility of feed transmission system. Analyse the error of feed transmission system. Junction between drive electromotor and ballscrew. Dynamic analysis of drive electromotor and feed transmission system . 【Key words】Lathe；CNC；Transmission System