伺服进给传动系统设计

数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计摘要：数控车床在制造业中起着至关重要的作用。

为了提高生产效率和产品质量，设计一个稳定可靠、精确灵活的二维运动伺服进给系统尤为重要。

本文将针对数控车床工作台的二维运动伺服进给系统进行设计，包括运动控制算法、驱动器选型、传感器选择等方面。

1.引言数控车床是一种以电子技术、计算机技术和车床技术为基础的现代化机床。

它通过运动控制系统实现工作台的运动，可以实现复杂的加工工艺。

二维运动伺服进给系统是数控车床的核心部件之一2.运动控制算法运动控制算法是二维运动伺服进给系统的核心技术之一、常用的运动控制算法包括PID控制算法、自适应控制算法等。

PID控制算法是一种经典的，应用广泛的控制算法，它根据测量值与期望值的差异计算出控制量，并对系统进行修正。

自适应控制算法则是根据系统的参数变化自动地调整控制参数。

在设计二维运动伺服进给系统时需要根据实际情况选择合适的控制算法。

3.驱动器选型驱动器是实现工作台运动的关键部件，它将控制信号转换为电力信号，驱动电机工作。

在选择驱动器时需要考虑工作台的负载情况、速度要求和精度要求等因素。

常用的驱动器有直流伺服驱动器、交流伺服驱动器和步进驱动器等。

在设计二维运动伺服进给系统时需要根据实际情况选择合适的驱动器。

4.传感器选择传感器可以实现对工作台位置、速度和负载等参数的测量，是二维运动伺服进给系统的重要组成部分。

根据需要可以选择位置传感器、速度传感器和负载传感器等。

常用的位置传感器有编码器、激光干涉仪等，速度传感器有霍尔传感器、光电传感器等，负载传感器有压力传感器、力传感器等。

在设计二维运动伺服进给系统时需要根据实际需求选择合适的传感器。

5.结论设计一个稳定可靠、精确灵活的二维运动伺服进给系统对于提高数控车床的加工精度、提高生产效率具有重要意义。

本文针对数控车床工作台的二维运动伺服进给系统进行了详细的设计，包括运动控制算法、驱动器选型、传感器选择等方面。

__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AbstractThis 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 controllingsystem,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 designthe 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。

陕西科技大学目录1.1 设计任务 (2)1.设计题目： (2)2.设计内容与要求 (2)1.2 总体方案设计 (2)1.2.1带有齿轮传动的进给运动 (2)1.3 机床进给伺服系统机械部分设计计算 (2)1.选择脉冲当量 (2)2.计算切削力 (2)1）纵车外圆 (2)2)横切端面 (2)3.滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (3)1）纵向进给丝杠 (3)2)轴承选择。

(7)3）定位精度校核 (8)4.齿轮传动比计算。

(9)总结 (10)参考文献 (11)数控机床纵向进给伺服系统设计1.1 设计任务1.设计题目：数控机床纵向进给伺服系统设计2.设计内容与要求课题说明某一数控机床纵向进给伺服系统设计要求如下：纵向最大进给力为5000N，工作台重300Kg，工件及夹具的最大重量为500Kg，工作台纵向行程680mm，进给速度1～4000mm/min，快速速度15m/min。

导轨为矩形，表面粘贴聚四氟乙烯软带（摩擦系数为：0.04）。

要求的定位精度为±0.006mm。

设计内容——传动系统设计，主要包括运动转换机构、连接支撑方式等。

设计参数如下：(1)纵向行程：680mm(2)最大加工直径：在床面上 400mm在床鞍上 210mm(3)最大加工长度：1000mm(4)纵向进给速度：0.001～4m/min(5)纵向快速速度：15m/min(6)工作台重：300Kg(7)工件及夹具的最大重量：500Kg(8)摩擦系数为：0.04(9)代码制：ISO1.2 总体方案设计1.2.1带有齿轮传动的进给运动图1—1图1—2数控机床的伺服进给系统采用闭环系统，由于是数控机床纵向伺服系统，总体方案，从电动机出来带有齿轮传动，配上滚珠丝杠（采用滚珠丝杠可以提高系统的精度和纵向进给整体刚度）。

1.3 机床进给伺服系统机械部分设计计算1.选择脉冲当量根据设计任务书要求确定脉冲当量，纵向为0.01mm/步，横向为0.005mm/步（半径）。

进给伺服系统的机械传动结构由于进给伺服系统采用伺服电机作为动力驱动元件，有伺服系统可以实现进给速度的自动无级调速，无须机械变速，所以，进给传动链大大缩短。

对直线移动的执行部件，伺服电机通常只经一对传动副（齿轮、齿形同步皮带轮）或直接于丝杠（直线运动转换元件）连接。

缩短传动链极大的提高了传动精度和刚度。

尽管如此，为了保证进给伺服系统的传动性能要求，在机械传动结构设计时，除选较高精度的传动元件外，还必须在结构上减少和消除传动间隙。

一、电机与丝杠的连接结构1、齿轮传动齿轮传动的作用：改变运动方向、降速、增大扭矩、适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的匹配。

齿轮传动有侧隙，造成反向运动死区，必须设法消除。

双齿轮错齿消隙结构：对直齿轮：将一对齿轮中的大齿轮，分成两个齿轮，套装在一起，两个齿轮的同侧单面上分别均布安装四个带凸耳的螺钉，用弹簧（拉簧）将两螺钉连接起来，通过弹簧的拉力使两齿轮自然错开，这样，两个大齿轮在传动时分别与小齿轮的齿槽的两个侧面始终保持啮合，从而达到消除侧隙的目的。

通过调整弹簧的拉力来满足传动扭矩的要求。

对斜齿轮：将一个斜齿轮分成两个薄齿轮，在两个薄齿轮之间加垫片，改变垫片的厚度，使两薄斜齿轮的螺旋线错位，分别与宽齿轮齿槽的两个侧面啮合，从而消除侧隙。

侧隙消除量Δ与垫片增减量Δt的关系。

可由下式计算：Δt=Δctgβ2、同步（齿形）带传动同步带传动是由一根内圆周表面设有等间距齿的封闭胶带和相应的带轮所组成的传动。

传动时，同步带和带轮多齿啮合，具有齿轮传动，链传动和带传动的优点。

无相对滑动，传动平稳，均匀，无啮合间隙。

由于胶带中间有金属骨架，弹性伸长很小，具有较好的传动刚度。

是一种好的无隙传动，所以，在伺服进给传动中得到应用。

3、齿轮或带轮与轴的连接当齿轮或带轮与轴的连接时，也需要消除传动间隙。

采用双键消除间隙：用紧定螺钉在键的侧面顶紧键，使键紧靠键槽，消除间隙，两个键分别传动不同旋转方向。

采用锥环副连接：锥环副由一个带内锥的圆环和一个带外锥的圆环配对组成。

伺服进给系统的课程设计一、教学目标本课程旨在让学生了解和掌握伺服进给系统的基本原理、组成及其在机械加工中的应用。

通过本课程的学习，学生能说出伺服进给系统的各个组成部分，理解其工作原理，掌握伺服进给系统的调整和使用方法，提高实际操作能力。

1.了解伺服进给系统的组成及工作原理。

2.掌握伺服进给系统的调整和使用方法。

3.知道伺服进给系统在机械加工中的应用。

4.能正确识别伺服进给系统的各个组成部分。

5.能熟练操作伺服进给系统，进行机械加工。

6.能根据加工需求，调整伺服进给系统的参数。

情感态度价值观目标：1.培养学生对新技术的兴趣和好奇心，提高学生学习新技术的积极性。

2.培养学生团队合作精神，提高学生解决实际问题的能力。

二、教学内容本课程的教学内容主要包括伺服进给系统的原理、组成、应用以及调整和使用方法。

1.伺服进给系统的原理：介绍伺服进给系统的工作原理，包括电气部分和机械部分。

2.伺服进给系统的组成：讲解伺服进给系统的各个组成部分，如伺服电机、传动机构、控制器等。

3.伺服进给系统的应用：介绍伺服进给系统在机械加工中的应用案例，如数控机床、机器人等。

4.伺服进给系统的调整和使用方法：讲解如何调整伺服进给系统的参数，以及如何正确使用伺服进给系统进行机械加工。

三、教学方法本课程采用讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等多种教学方法。

1.讲授法：用于讲解伺服进给系统的原理、组成和应用。

2.讨论法：用于引导学生讨论伺服进给系统的调整和使用方法。

3.案例分析法：通过分析实际应用案例，让学生更好地理解伺服进给系统的工作原理和应用。

4.实验法：让学生亲自动手操作伺服进给系统，提高实际操作能力。

四、教学资源本课程的教学资源包括教材、参考书、多媒体资料和实验设备。

1.教材：选用国内权威出版社出版的教材，内容全面，理论与实践相结合。

2.参考书：推荐学生阅读相关领域的参考书，丰富知识体系。

3.多媒体资料：制作精美的PPT，生动展示伺服进给系统的工作原理和应用。

进给伺服系统的机械传动结构
在进给伺服系统中，减速器是转动部分的关键组成部分，其作用是将
电机的高速低矩输出转化为低速高矩输出。

常见的减速器有齿轮传动、带
传动、蜗轮蜗杆传动等。

齿轮传动是最常用的减速器类型，其具有传动效
率高、结构紧凑等优点，适用于大部分进给伺服系统。

在进给伺服系统中，传动装置用于将减速器输出的旋转运动转化为线
性运动。

常见的传动装置有螺杆传动、直线导轨传动、链传动等。

螺杆传
动是应用最为广泛的传动装置类型，其利用螺杆螺帽组合，通过螺距差异
从而实现线性运动。

进给伺服系统的机械传动结构还需要考虑反向间隙、刚度和精度等因素。

反向间隙是指传动装置在反向运动时出现的滞后现象，会影响传动的
精度和快速性。

刚度是指传动装置对外力的抵抗能力，高刚度的传动装置
有利于提高系统的稳定性和抗干扰能力。

精度是指传动装置输出的线性运
动与输入的旋转运动之间的误差，影响着系统的定位精度和重复定位精度。

此外，在进给伺服系统的机械传动结构中，还需考虑传动装置的寿命
和可维修性。

寿命是指传动装置在长时间运行中的耐久程度，可维修性是
指传动装置的易维修程度，直接影响着系统的可靠性和维护成本。

总之，进给伺服系统的机械传动结构是将电机输出的旋转运动转化为
线性运动的装置，包括减速器、传动装置和负载。

通过选择合适的减速器
和传动装置，并考虑反向间隙、刚度和精度等因素，可以实现进给伺服系
统的高效、精确的运动控制。

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。

数控铣床伺服进给系统的设计计算与验证【摘要】本文阐述了半闭环伺服进给系统设计计算的一般方法，着重介绍了伺服电机选型，主要技术参数的计算，转矩、惯量、加速能力的匹配校验及优化，定位精度的计算和校验，并附以实例设计计算及试验验证。

【关键词】伺服进给；设计计算；电机选型；参数匹配；定位精度计算及校验高速化、高精度是当今数控机床、加工中心发展方向，对机床定位精度、重复定位精度、快速响应特性提出了更为严格的要求。

合理设计伺服进给系统各项技术参数，是确保机床高可靠性、高稳定性、高精度、高品质必要条件。

1.伺服进给系统设计计算目前，一般数控机床多为半闭环控制，其进给系统设计计算，主要是在确保定位精度前提下，合理设计各项技术参数,主要包括：1、伺服电机的选型；2、转矩、惯量、加速能力的匹配校验及优化；3、定位精度的验算；4、最大死区误差是否符合定位精度的指标。

1.1伺服电机的选型⑴伺服电机最高转速nmax，其计算式为：nmax=k·(r/min) (1)式中：Vm—快进速度，m/mini—传动减速比，ｉ＝ｎ电机／ｎ丝杆S—丝杆螺距，mk—裕度系数（取1～1.5）⑵额定输出转矩Ｍｄ，其计算式为：Ｍｄ≥ＭＬＭＬ=ＭＶ+ＭＲ(2)式中：ＭＬ—伺服系统的静态转矩ＭＶ—切削负载转矩ＭＲ—整个系统的摩擦转矩①由切削力引起的折算到电机轴的切削负载转矩估算(a)X、Y轴向进给力的计算：最大圆周铣削力Ｆｃ,计算公式（不对称逆铣时为最大）：Ｆｃ式中：Ｍｍａｘ—主轴最大切削扭矩，D—刀具直径不对称铣削分力的计算公式：进给方向上的分力FH FH=0.9FC垂直于进给方向上的分力FV FV=0.7FC轴向分力Fa Fa=0.55FCX向进给力计算：Ｑｘ＝ＫＰＸ+μ０（ＰＺ+Ｐｙ＋ＧＸ）(3)Y向进给力计算：Ｑｙ＝ＫＰｙ+μ０（ＰＺ+Ｐｘ＋Ｇｙ）(4)式中：Px、Py、Pz分别为沿导轨运动方向、法向和铅垂方向的切削分力：ＰＸ＝ＦＨ;Ｐｙ＝ＦＶ;ＰＺ＝ＦａＧＸ、Ｇｙ—分别为x轴和y轴移动部件的重量μ０—当量磨擦系数，贴塑导轨μ０＝０．０４K—颠覆力矩影响系数，矩形导轨K=1.1，燕尾导轨Ｋ＝1.4(b) Z向进给力的估算(以钻孔时为最大):其计算式为：FZ=CPDXpSYpＫσ式中：系数项CP=831 ；XP= 1 ；YP=0.7D—刀具直径，mmS—每转进给量，mm/rＫσ—工件材料的修正系数，Ｋσ=（）0.75；σb—工件强度极限Z轴采用矩形贴塑导轨时，轴向进给力ＱＺ估算：ＱＺ=KFZ+μ０P (5)式中：K—颠覆力矩影响系数,取值同前FZ—Ｚ向进给力μ０—导轨当量磨擦系数，贴塑导轨μ０＝０．０４P—铣头压板对导轨面的正压力(c)进给力引起折算至电机轴的切削负载转矩ＭＶ：ＭＶ= (6)式中：Q—轴向进给力，N（Ｑｘ、Ｑｙ、Ｑｚ为别为X、Y、Z轴向进给力）S—丝杆导程，mη—机械传动效率ｉ—传动减速比②系统的摩擦转矩ＭＲ由以下几部分组成：ＭＲ=ＭＲｆ+Ｍ０+ＭＲＳＬ(7)(a)由导轨摩擦阻力所产生的阻转矩ＭＲｆＭＲｆ=μ０·［（ｍｗ＋ｍｔ）·ｇ＋Ｆｖｔ］式中：μ０—导轨摩擦系数，贴塑导轨取0.02～0.06，滚动导轨取0.003～0.01ｍｗ—最大工件重量，kgｍｔ—移动部件重量，kgg—重力加速度，ｍ／ｓ２Ｆｖｔ—切削力在工作台垂直方向分量，NS—丝杆螺距，m(b)滚珠丝杆预紧引起的折算到马达轴上的附加摩擦转矩Ｍ０Ｍ０＝（１－η）式中：Ｐ０—滚珠丝杆预加载荷，NS—丝杆螺距，mη—传动链总效率ｉ—齿轮降速比η０—滚珠丝杆未预紧时的效率，一般η０≥０．９(c)滚珠丝杆支承轴承采用向心推力球轴承，其磨擦转矩ＭＲＳＬＭＲＳＬ=·μＳＬ·ｄｍ·Ｆａｖｌ式中：μｓｌ—轴承摩擦系数，取0.002～0.005ｄｍ—轴承内径，mＦａｖｌ—轴承轴向载荷，N对于径向轴承其摩擦阻转矩很小可忽略⑶按计算所得电机最大转速ｎｍａｘ和最大静态转矩ＭＬ，初选相应的伺服电机。