数控机床进给运动系统

摘要CK6140型数控机床，主运动系统采用1.26和1.58两种公比的混合公比传动系统，并用双速电机驱动，结构简单转速范围广。

合理地确定有关结构参数及动力参数，并对传动轴、齿轮、键等进行粗算及检验计算。

粗选步进电机及滚珠丝杠，构成开环控制系统。

关键词：数控；机床；开环控制第1章绪论1.1数控机床的发展趋势我国数控机床产量持续高速增长，根据市场需求和技术发展趋势，应重点推进高效、精密为核心的数控机床“”级工程，加强民展性能、高可靠性数控功能部件，积极开展复合加工机床、超精密数控机床和可重构制造系统的工程化研究等机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础，镄的民展一直备受人们关注。

数控机床以其卓越的柔性的自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目。

它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进成为先进制造技术的一项核心技术。

通过持续的开发研究以及对信息技术的深化应用，促进了数控机床性能和质量的进一步提升，使数控机床成为国民经济和国防建设发展的重要制造装备。

近6年来，我国数控金切机床（简称数控机床）产量一直以年均增长超过30％速度发展。

据初步统计，2004年数控机床的产量为51860台，事比增长40.8％，数控机床的消费量约74000台，事比增长32％。

数控机床需求的旺盛也促进了2004年内建的三资和民营机床厂以及数控机床品种的明显增加。

与此同时，甸进口的数控机床数量也在逐年同步增加，而且进口数控机床的消费额的增长趋势更快。

2004年数控机床的进口数量同比年增长30％，而进口消费额的增长却达52％，从而导致国产数控机床在国内市场消费额中的所占比例已不足30％。

之所以出现这一现象，其主要原因在于国内市场对技术和附加值高的高效、精密和高性能大型、重型数控机床需求增长，需要靠进口解决。

振兴我国数控机床市场占有率应着重于剖析数控机床及由其组成的制造系统（生产线）的技术现况及民展趋势，探讨使其能适应变批量，多品种、高质量、低成本以及具有快速响应的柔性和符合环保的未来生产模式的解决方案。

数控机床的主运动系统的特点
数控机床的主运动系统是数控机床的重要组成部分，其特点如下： 1. 高精度：数控机床的主运动系统采用高精度的伺服电机作为
驱动源，精确控制运动的位置和速度，实现高精度加工。

2. 高速度：数控机床的主运动系统具有高速度的特点，能够满
足快速加工的需求，提高加工效率。

3. 高刚性：数控机床的主运动系统采用高刚性的结构设计和材
料选择，提高机床的刚性，使其在高速运动时不易产生振动和变形。

4. 可编程：数控机床的主运动系统可以通过数控程序进行编程，实现自动化加工，提高生产效率。

5. 多轴控制：数控机床的主运动系统支持多轴控制，可以同时
控制多个运动轴，实现复杂加工操作。

6. 稳定性：数控机床的主运动系统具有良好的稳定性，可以在
长时间运行中保持稳定性能，减少机床维护和保养的成本。

7. 自动化：数控机床的主运动系统可以通过自动化控制系统实
现自动化加工，减少人力投入，提高生产效率。

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简述数控机床的加工原理
数控机床是根据数字信号控制的自动化加工设备，其加工原理主要包括以下几个方面：
1. 数控机床的控制系统：数控机床的控制系统由硬件和软件两部分组成。

硬件包括中央处理单元、输入输出设备、运动控制部分等，用于接收指令、处理数据、控制运动。

软件包括机床程序和工艺参数等，通过输入特定的代码和参数，确定加工路径和工艺要求。

2. 机床运动系统：数控机床的运动系统由主轴、进给轴和伺服系统组成，用于控制刀具和工件的运动。

主轴通过主轴驱动装置进行旋转，切削工具固定在主轴上，用于完成切削加工。

进给轴通过进给系统控制工件的相对移动，可以实现线性及旋转运动，以控制切削刀具的进给速度和位置。

3. 机床测量系统：数控机床的测量系统用于实时检测机床运动状态和工件尺寸，以保证加工质量。

常见的测量系统包括编码器、光栅尺、电容尺等，用于测量机床的位置、速度、角度等参数。

4. 加工过程控制：数控机床通过控制系统和测量系统实现对加工过程的监测和控制。

根据预设的工艺路径和参数，控制刀具的进给速度、切削深度、切削力等，以达到预期的加工效果。

总的来说，数控机床的加工原理是通过控制系统控制机床的运动和加工参数，实现对工件的精确切削加工。

通过数字化的控
制方式，可以提高加工精度和效率，扩大加工范围，提高生产自动化水平。

数控机床工作原理数控机床是一种自动控制的机床，通过计算机编程控制机床进行加工。

它不仅具有普通机床的加工功能，还能够实现高效、精确的加工过程。

数控机床的工作原理主要包括机床结构、运动系统、控制系统等方面。

一、机床结构数控机床结构一般包括床身、工作台、主轴、传动系统等部分。

床身是机床的主体部分，承担着整个机床的重量，具有良好的刚性和稳定性。

工作台上安放着工件，主轴安装在立柱上，承担切削和转速控制功能。

传动系统一般由电机、减速器、皮带等构成，用于带动主轴和工作台等部件的运动。

二、运动系统数控机床的运动系统通过电机和传动装置实现。

运动系统包括进给运动和主轴运动两部分。

1.进给运动：数控机床的进给运动由进给电机和进给轴完成，进给轴的运行速度和位置可以通过控制系统进行调整。

进给运动一般包括线性进给和旋转进给。

线性进给通过滑块和导轨实现，而旋转进给通过滚珠丝杠和螺母实现。

2.主轴运动：主轴运动由主轴电机和主轴轴承等部件完成。

主轴电机通过传动装置驱动主轴旋转，主轴轴承支撑主轴的转动。

主轴的转速和位置也可以通过控制系统进行调节，从而实现不同的加工需求。

三、控制系统数控机床的控制系统是整个机床的核心部分，控制系统通过计算机编程控制机床的运动和加工过程。

1.控制器：控制器是数控机床的中央处理单元，负责接收和解析G代码，控制各个部件的动作和运动。

控制器可以是单独的主机，也可以是集成在机床内部的控制装置。

2.编程：数控机床的编程是通过G代码进行的。

G代码是一种数值控制语言，用于描述加工过程中各个轴的运动、速度、位置等信息。

3.传感器：传感器用于检测工件的位置、尺寸和形状等信息，并将这些信息反馈给控制系统进行处理。

常见的传感器包括光电、接触式传感器等。

4.伺服系统：伺服系统用于控制进给电机和主轴电机的运动。

伺服系统可以根据控制信号调整电机的转速和位置，从而实现精确的运动控制。

数控机床的工作原理是通过控制系统对机床的运动进行精确的控制，从而实现对工件的精确加工。

第三节伺服进给系统数控机床的进给系统又称“伺服进给系统”。

所谓“伺服”，即，可以严格按照控制信号完成相应的动作。

在数控机床的结构中，简化最多的就是进给系统。

所有数控机床的（做直线运动的）伺服进给系统，基本形式都是一样的。

一、传统机床进给系统的特点1．进给运动速度低、消耗功率少进给运动的速度一般较低，因而常采用大降速比的传动机构，如丝杠螺母、蜗杆蜗轮等。

这些机构的传动效率虽低，但因进给功率小，相对功率损失很小。

2．进给运动数目多不同的机床对进给运动的种类和数量要求也不同。

例如：立式钻床只要求一个进给运动；卧式车床为两个（纵、横向）；而卧式铣镗床则有五个进给运动。

进给运动越多，相应的各种机构（如变速与换向、运动转换以及操纵等机构）也就越多，结构就更为复杂。

3．恒转矩传动进给运动的载荷特点与主运动不同。

当进给量较大时，常采用较小的背吃刀量；当进给量较小时，则选用较大的背吃刀量。

所以，在采用各种不同进给量的情况下，其切削分力大致相同，即都有可能达到最大进给力。

因此，进给传动系统最后输出轴的最大转矩可近似地认为相等。

这就是进给传动恒转矩工作的特点。

4．进给传动系统的传动精度进给传动链从首端到末端，有很多齿轮等进行传递，每个传动件的误差都将乘以其后的传动比并最终影响末端件输出，输出端的总误差是中间各传动件误差的累积（均方根）。

因为进给传动链总趋势是降速，所以远离末端件的传动件误差影响较小，而越靠近末端件的传动件误差，对总的传动精度的影响越大。

因此把越靠近末端件的传动比取得越小（相当于“前慢后快”原则），对减小其前面各传动件的误差影响越大。

这就是“传动比递降原则”。

应该注意：传统机床仅在“内联系传动链”中需要考虑传动精度。

二、提高传动精度的措施：①缩短传动链减少传动件数目，以减少误差的来源。

（即累积误差减少）②合理分配各传动副的传动比尽可能采用传动比递降原则；尽量采用大降速比的末端传动副，如：输出为回转运动用蜗杆蜗轮副，输出为直线运动用丝杠螺母副。

第四章进给运动的控制本章对数控机床进给运动控制的有关问题做了论述。

在对开环步进电动机的环分、速度控制、自动升降速控制介绍的同时，重点对闭环位置控制的结构与原理、位置控制的数学模型和特性、轮廓误差以及数控装置与进给驱动之间的信号连接进行了分析，并根据现代数控系统的特点对进给运动的控制参数和进给运动中的补偿问题进行阐述。

第一节概述一、进给伺服驱动装置的控制性能数控机床用伺服驱动装置分为开环和闭环两大类，闭环型驱动按位置检测的方式可分为半闭环和全闭环两种。

开环控制采用步进电动机作为驱动元件，由于它没有位置反馈回路和速度控制回路, 简化了线路，因此设备投资低, 调试维修都很方便，但进给速度和精度较低，被广泛应用于中、低档数控机床及一般的机床改造中。

闭环型采用直流或交流伺服电动机驱动。

半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机轴上(一般已由电动机生产厂家装好)，用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移。

如果滚珠丝杠精度足够高，间隙小，精度一般是可以满足要求的。

加之传动链上有规律的误差（如间隙及螺距误差等）可以由数控装置加以补偿，进一步提高精度，因此在精度要求适中的中小型数控机床上，半闭环控制得到广泛应用。

半闭环方式的优点是其闭环环路短(不包括传动机构)，因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。

且其快速性好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。

但如果传动机构的误差过大或其误差不稳定，则数控系统难以补偿。

如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性间隙，因其与负载力矩有关，故无法补偿。

由制造与安装所引起的重复定位误差以及由于环境温度与丝杠温度变化所引起的丝杠螺距误差也是不能补偿的。

因此要进一步提高精度，只有采用全闭环控制方式。

全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。

但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求，因闭环环路包括了机械传动机构，其闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性有关，还取决于阻尼、油的粘度、滑动面摩擦系数等因素。

数控机床的主运动系统依据数控机床的要求和目前大多数数控机床的配置现状，主运动系统的配置大致有以下四类：1.一般电机—机械变速系统—主轴部件配置方式：图1 一般电机—机械变速系统—主轴部件配置方式该配置方式是一种传统的配置方式，它能够满意各种切削运动转矩输出的要求，但变速范围不大，由于是有级变速使切削速度的选择受到限制，而且该配置的结构较简单，所以现在仅有少数经济型数控机床采纳该配置，其他已很少采纳。

2.变频器—沟通电机—1～2机械变速—主轴部件配置方式这种配置如图5-3所示，变频电机经一对齿轮变速后，再通过二联滑移齿轮传动主轴，使主轴获得高速段和低速段转速。

其优点是能够满意各种切削运动的转矩输出，且具有大范围的速度变化力量，相对上述配置方案具有结构简洁、安装调试便利，且在传动上能满意转速与转矩的输出要求，但其调速范围及动力特性相对于交、直流主轴电机系统而言要差一些。

主要用于经济型或中低档数控机床上。

3.交、直主轴电机— 主轴部件配置方式这种配置形式如图5-4(a)所示，电机经同步齿形带传动主轴，电机是性能更好的交、直流主轴电机(图5-4(b))，其优点是变速范围宽，最高转速可达8000 r/min，在传动上能基本能满意目前大多数数控机床的要求，易于实现丰富的掌握功能、其结构简洁、安装调试便利，可满意现在中高档数控机床的掌握要求。

但对于越来越高的速度的需求，该配置方式已难以满意。

4.电主轴传统的主轴部件都是由主轴电机经传动机构带动主轴转动。

如若能将主轴与电机制成一体那么就可省去传动机构，使主轴驱动机构简化。

因而一种称为电主轴（或内装式主轴电机）应运而生，其结构示意图如图5-5(a)所示。

由图可知这种电机由三个基本部分组成：空心轴转子、带绕组的定子、速度检测元件。

空心轴转子，它既是电机的转子，也是主轴，中间是空心的，用于装夹刀具或工件；带绕组的定子，它和其他电机相像。

这种电机构成了较简洁的主运动部件。

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。

数控机床的控制系统概述
数控装置是数控机床控制系统的核心设备，它主要包括数控系统的运
动控制部分、进给控制部分和插补控制部分。

运动控制部分负责控制数控
电机的启停、方向和速度，实现各个轴向的运动控制。

进给控制部分负责
控制机床进给部件的运动，例如进给速度、进给量和加速度等。

插补控制
部分负责将数学模型中的插补算法转化为机床运动的轨迹控制。

数控电机是数控机床控制系统的执行机构，它通过与数控装置的连接，根据装置发出的指令进行相应的动作。

数控电机一般分为进给电机和主轴
电机。

进给电机主要负责机床的工作台或刀架的运动，而主轴电机主要负
责驱动主轴的旋转。

传感器是数控机床控制系统中的重要组成部分，它的主要作用是感知
机床运动状态和工件加工情况，并将这些信息反馈给数控装置。

常见的传
感器有角度传感器、位移传感器、压力传感器等。

数控初始程序是数控机床控制系统的基础程序，它是一组控制指令和
参数的集合。

数控初始程序一般包括机床坐标系的建立、工件的基准定位、工件的装夹和刀具的选择等。

数控加工程序是数控机床控制系统的核心程序，它是通过编写数学模
型和加工工艺参数来指导机床进行加工操作的。

数控加工程序一般包括几
何描述、速度描述、加工工艺参数和刀具路径等。

总之，数控机床的控制系统是实现机床运动和加工工艺的核心部分。

它通过硬件设备和软件程序的协同作用，实现机床的高精度、高效率和高
质量的加工。

随着计算机技术的不断发展，数控机床的控制系统也在不断
创新和完善，为机床行业的发展提供了有力支持。

数控机床进给系统设计数控机床是一种利用数字控制技术来操作机床进行加工的设备。

其中，进给系统是数控机床的核心部件之一，主要负责实现机床轴向运动的精确控制。

本文将从设计原理、系统构成和性能要求三个方面，对数控机床进给系统进行详细阐述。

一、设计原理数控机床进给系统的设计基于三轴坐标系，即X轴、Y轴和Z轴。

当工件需要在不同方向上进行加工时，可以通过对这三个坐标轴的控制，实现工件在平面和立体方向上的运动。

进给系统的基本原理是将需要控制的轴运动距离和速度转换为数字信号，通过数字控制器产生的脉冲信号驱动伺服电机，实现机床的精确控制。

二、系统构成数控机床进给系统由三个主要组成部分构成：数字控制器、伺服驱动器和伺服电机。

数字控制器是整个系统的大脑，负责生成运动指令、计算速度和位置等参数，并将其转换为脉冲信号。

伺服驱动器接收数字控制器发送的脉冲信号，将其转换为电流信号，并通过电机的转矩控制反馈实现机床运动控制。

伺服电机则是进给系统的执行机构，根据伺服驱动器的控制信号，转化为机床轴向的运动。

三、性能要求数控机床进给系统在设计中需要具备多项重要性能要求，以满足机床加工的精度和效率要求。

首先，系统需要具备高速响应能力，能够快速准确地响应指令并实时控制机床轴向运动。

其次，系统需要具备高精度定位能力，能够实现亚微米级的定位精度，以满足精密加工的要求。

此外，系统还需具备较大的负载能力，能够承受较大的加工力矩，以应对各种加工过程中的需求。

同时，在设计中还需要考虑系统的稳定性和可靠性，以确保系统的长期稳定运行，并减少维护和故障排除的成本。

总结起来，数控机床进给系统是数控机床的核心组成部分之一，其设计原理基于三轴坐标系的控制，通过数字控制器、伺服驱动器和伺服电机的协同工作，实现机床轴向运动的精确控制。

进给系统的设计需要满足高速响应、高精度定位、较大负载和稳定可靠等多项性能要求，以保障机床加工的高效精度。