5轴数控龙门铣床机械结构设计(毕业论文)

5轴数控龙门铣床机械结构设计

摘要

现在世界上很多发达的工业化国家在生产中广泛应用数控机床。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。随着科学技术的发展，世界先进技术的兴起和不断成熟，对数控技术提出了更高的要求。当今数控机床正在不断采用最新成果 ，朝着高速化，超精度化，多功能化、智能化、系统化、网络化、高可靠性与环保等方向发展。

本次毕业设计就是通过对5轴数控龙门铣床机械结构设计来加深对数控机床的了解。通过本次毕业设计了解数控龙门铣床的机械结构，并对一些关键的部件进行校核。并通过此次毕业设计熟练掌握一门三维绘图工具-Inventor.

关键词：滚珠丝杠，滚动导轨，五轴联动铣头，Inventor.

A 5 AXIS NC MILLING PLANER MECHANICAL

STRUCTURE DESIGN

ABSTRACT

In many advanced industrialized countries in the world now is widely used CNC machine in the production .With the rapid development of electronic technology and control technology, today's numerical control system function is very strong, and with the continuous development of numerical control technology and application field expands,it to some important industry of the national economy and people's livel is playing a more and more important role in the development.With the development of science and technology, the rise of the world's advanced technology and matures, we put higher requirements on numerical control technology.Modern nc machine tools Using the latest achievements , toward high speed, super precision, and multi-functional and intelligent, systematic, network, such as high reliability and environmental protection.

This graduation design is based on the five axis nc milling planer mechanical structure design to deepen understanding of nc machine tools.Through the graduation design ,I have understanded the mechanical structure of the CNC gantry milling machine, and some of the key components for checking.And through the graduation design I master a 3 dimensinal drawing tool - Inventor.

KEY WORDS：Ball screw , Rolling guide , Five-axis linkage milling head, Inventor

目 录

前 言 ................................................................................................ 1

第1章 数控机床概述 ....................................................................... 2

第2章 整体结构方案 ....................................................................... 3

第3章 伺服进给系统机械传动机构的设计 .................. 4

§3.1 伺服进给系统机械传动机构设计的一般要求 ...................... 4

§3.2 滚珠丝杠螺母副的原理及支撑方式 ..................................... 6

§3.2.1 滚珠丝杠螺母副的原理及特点 ...................................... 6

§3.2.2 滚珠丝杠螺母副的支撑方式 ........................................ 8

§3.2.3 支承轴承的选择 ............................................................. 9

§3.3 滚珠丝杠副的疲劳寿命计算 .................................................... 9

§3.4 预加负荷.............................................................................. 11

§3.5 机床滚珠丝杠副总体校核 .................................................. 11

§3.6 数控机床导轨 ...................................................................... 16

§3.6.1 导轨的基本类型 ........................................................... 16

§3.6.2 对导轨的基本要求 ....................................................... 16

§3.6.3 直线滚动导轨 ............................................................... 17

第四章 数控机床的进给驱动 .......................................................... 19

伺服系统的基本要求 ....................................................... 19

伺服电机的选择与计算 ................................................... 21

结 论 .............................................................................................. 26

参考文献 .......................................................................................... 27

致 谢 .............................................................................................. 28

2 III

前 言

毕业设计是实现培养目标的重要教学环节，是培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神的重要过程。毕业设计在培养大学生探求真理、强化社会意识、进行科学研究基本训练、提高综合实践能力与素质等方面，具有不可替代的作用，也是教育与生产劳动和社会实践相结合的重要体现。

毕业设计的目的是:

（1） 使学生进一步巩固和加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的掌握，使之系统化、综合化。培养学生的独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其注重培养学生开发创造能力和独立获取新知识的能力。

（2） 使学生初步掌握科学研究的基本方法，获得从事系统科学研究的初步训练，注重科学能力和素质的培养。在实际工程设计中，学生可以得到所学过的理论基础，技术基础等全面的训练，为将来做好机械设计工程师的工作提供全面的锻炼机会。

我们一组此次毕业设计是结合老师的具体研制项目设立的，以在实习工厂所参观的设备为参考，结合自己所学知识，在老师和同学的指导和帮助下，查阅许多相关手册，最终设计出了此次5轴数控龙门铣床。

此外，本次毕业设计主要由Inventor实体造型完成。它被广泛应用于机械制造行业，通过Inventor 设计的5轴数控龙门铣床 ，和一般应用工程图的表达方式相比，具有更加直观的效果。

在张波老师的指导下，我一边查资料、计算、绘图，一边观察实习。其间曾经遇到很多问题，如三维图的装配，滚珠丝杠的选型等等，但在张波老师和同学们的帮助下，经过自己的努力，问题一个一个得到了解决。

本次设计得到了学校、图书馆、老师、同学们的大力支持，在此表示衷心的感谢。限于本人水平和经验有限，再加上时间仓促，难免有疏漏和不妥的地方，敬请广大老师和同学批评指正。谢谢！

孟鑫

2014年8月

第一章 数控机床概述

从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。

进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。

我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，且外方在许多高新产品的核心技术上具有掌控地位，我们对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精度、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能实用数控机床基本上还得依赖进口。与国外产品相比，我国的差距主要是机床的高速高效化和精密化上。对高速加工技术，国外已进行了多年的研究，对高速加工的机理、机床结构、机床刚度和精度的影响等都有了系统的研究，并开发生产了各种高速铣削中心、高速加工中心，广泛应用于航空器铝合金零件和模具加工上[12]。

第二章 整体结构方案

方案一:采用数控龙门移动结构，龙门移动 ，工作台固定在龙门底座上，且配置为二轴联动的旋转工作台。X轴采用双丝杠驱动加线性滚珠导轨，Y轴采用双线性滚珠导轨安装呈垂直分布状态 ，Z轴采用大规格线性滚珠导轨。

方案二:与方案一1样，采用龙门移动结构，工作台与龙门底座采用一体结构，Z轴滑枕上配置五轴联动铣头。导轨配置方面，与方案1一样。

方案三:机床采用定梁式龙门铣床结构。配置二轴联动的旋转工作台，且工作台，且工作台在线性滚珠导轨上作X向运动，滚珠丝杠螺母副与导轨配置方面，与方案1一样。

方案四:与方案3一样，采用定梁式龙门铣床结构，工作台在线性滚珠导轨上作X向运动，Z轴滑枕上配置五轴联动铣头。导轨配置方面，与方案1一致。

对比分析以上4种方案设计，方案1与方案2都采用动梁式龙门结构。此结构的最大缺陷：①由于是靠滚珠丝杠与线性滚珠导轨驱动形式，则难以保证机床的刚性；② 采用双丝杠驱动技术，对机床控制部分要求提高了，同时提高了零件加工工艺难度。优点在于机加工效率较高。方案1采用了二轴联动的旋转工作台结构；方案2采用了五轴联动铣头结构。相比之下，二轴联动的旋转工作台因受结构及空间的约束。不宜加工大型工件；而五轴联动铣头相对结构紧凑，在空问上自由度较大。

方案3与方案4都采用定粱式龙门结构，此结构的最大优点：在结构上具有较高的刚度。且不用担心质量不当而影响机床的加速度方面的性能；结构的缺陷在于工作台移动，从而在x轴方向上占用的空间较大，也不利机床x轴向上的加速度性能。其旋转工作台结构与五轴联动铣头方面的特点前面已作说明，此处不再重述旧[5]。

综合上述资料，本课题采用方案4的总体结构设计。

图2-1 五轴数控龙门铣床

第三章 伺服进给系统机械传动机构的设计

§3.1伺服进给系统机械传动机构设计的一般要求[4]

伺服进给系统机械传动机构是指将电动机的旋转运动，变为工作台或刀架的运动的整个机械传动链，包括引导和支撑执行部件的导轨、丝杠螺母副、齿轮齿条副、蜗杆副、齿轮或齿链副及其支撑部件等。

由于进给传动系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控机床的定位精度和轮廓加工精度，因此，在机械传动机构的设计中应满足下列要求：

(1)提高传动部件的刚度

一般来说，数控机床的直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级，回转的定位精度和分辨率都要达到角秒级，如果传动部件的刚度不足，必然会导致传动部件产生弹性变形，工作台产生爬行、振动和反向死区，影响系统的定位精度、动态稳定性和响应的快速性。关于机械传动机构的传动刚度，主要取决于丝杠螺母副、蜗杆副及其支撑结构的刚度。缩短传动链、合理选择丝杠以及丝杠螺母副的支撑部件等，施加预紧力是提高传动刚度的有效途径。

(2)高谐振

为了提高系统的抗振性，应使机械传动部件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的2～3倍。

(3)摩擦阻力小

为了提高伺服进给系统的快速响应特性，保证其运动平稳、定位准确，除对伺服元件提出要求外，还必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差。机械传动机构的摩擦阻力主要来自丝杠螺母副和导轨。为了减小摩擦阻力，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨和塑料导轨 。

(4)减小传动部件的惯量

传动部件的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有影响，尤其是处于高

速运转的零件，由于对进给系统的加速度要求较高。在驱动电机一定时，传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度，它是影响进给系统快速性的主要因素。因此，在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的重量、直径，以降低惯量，提高快速特性。

(5)无间隙

机械传动部件之间的间隙是造成伺服进给系统反向死区的一个主要原因，因此，对传动链的各个环节，如联轴器、齿轮副、蜗杆副、丝杠螺母副及其支撑部件等，均采用消除间隙的结构措施或施加预紧力。

§3.2滚珠丝杠螺母副的原理及支撑方式

滚珠丝杠螺母传动属于滚动螺旋传动。滚动螺旋传动的滚动体有滚珠和滚子两大类，其应用最广泛的是以滚珠为滚动体的滚珠丝杠螺母传动。

滚珠丝杠螺母副作为精密、高效的传动元件在数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航天航空、军工产品等领域应用也很普遍，可作精密定位自动控制、动力传递和运动转换[1]。

§3.2.1 滚珠丝杠螺母副的原理及特点

滚珠丝杠螺母副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，基结构原理如图3.1所示。

图3-1 滚珠丝杠螺母副

在丝杠和螺母上都有半圆形的螺旋槽，当他们套装在一起时便成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回珠滚道，将数圈螺旋滚道的两端连接成封闭的循环滚道，滚道装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内自转，同时又在封闭滚道内循环，使丝杠和螺母相对产生轴向运动。当丝杠(或螺母)固定时，螺母(或丝杠)即可产生相对直线运动，从而带动工作台或其他移动件作直线运动。

滚珠丝杠副具有如下特点：

(1)传动效率高

滚动摩擦的摩擦损失小，传动效率n=0.92~0.94，是普通滑动丝杠的3~4倍。

(2)摩擦力小

因其动、静摩擦系数小，故传动灵敏、运动平稳、低速不易爬行，随动精度和定位精度高。

(3)可预紧

滚珠丝杠副经预紧后可消除轴向间隙，有助于定位精度和刚度的提高，即使反向也没有空行程，反向定位精度高，且传动平稳。

(4)定位精度和重复定位精度高。 (5)有可逆性

因滚珠丝杠副摩擦系数小，所以不仅将旋转运动转换为直线运动，也可以将直线运动转换为旋转运动，丝杠和螺母既可作主动件，也可作从动件。 (6)使用寿命长

滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度达60～62HRC，表面粗糙度小，而且是滚动摩擦。故磨损很小，使用寿命长。 (7)同步性好

用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性[1]。

§3.2.2滚珠丝杠螺母副的支撑方式

数控机床的进给系统要获得高的传动精度，除了滚珠丝杠副本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支撑结构也不容忽视。滚珠丝杠副作为数控机床关键功能部件之一，它的安装形式的优劣很大程度上决定了机床的运动精度和加工精度。在现有机床中，滚珠丝杠的安装方式一般有五种：a、一端固定，一端自由；b、一端固定，一端游动；c、两端游动；d、两端固定；e、丝杠固定，螺母旋转；常见的四种主要支承形式见图3—2。其各安装方式所适用的加工状况如下：方式a适用于低速回转、丝杠较短的情况；方式b适用于中速回转、高精度的情况；方式c适用于中速回转的情况。方式d适用于高速回转、高精度的情况；方式e适用于丝杠长且速度较高的情况。本课题三轴均采用了两端固定(d)的支撑方式。

8

图3-2 滚珠丝杠螺母副的支承形式

3.2.3支承轴承的选择

滚珠丝杠对轴承的要求是要保证足够的精度和疲劳寿命。但滚珠丝杠主要承受轴向载荷，除丝杠自重外，一般无径向载荷。因此，滚珠丝杠的轴承的轴向精度和刚度要求高。进给系统要求运转灵活，对微小位移响应要灵敏。 滚珠丝杠支承中用得最多的滚动轴承是60︒接触角推力角接触球轴承，其次是滚针和推力滚子轴承的组合轴承。后者多用于牵引力大，要求刚度高的大型与重型机床。结合本机床的特点及支承方式，因此选择60︒接触角推力角接触球轴承。

§3.3滚珠丝杠副的疲劳寿命计算

滚珠丝杠副的额定寿命计算原理与滚动轴承相同，这里只引用一些有关的理论和计算公式。 （1）额定寿命

106Caftfhfafc3 Lh=(.) (h)

fw60nmFm

Lh:为滚珠丝杠副在可靠性为90%的额定寿命(h)

Ca:为额定轴向动载荷（N） fm:为丝杠的轴向当量负荷（N）

9

Nm:为丝杠的当量转速（r/min） ft为温度系数 fh为硬度系数 fa为精度系数 fw为负载性质系数 fk为可靠性系数

(2)当量负荷

在转速变负荷情况下，必须折算成当量转速和当量负荷进行寿命计算。 ①当转速变动，负荷不变动时，当量转速按各转速所占的时间百分比折合，按下式计算： nm=

qq1q

n1+2n2+...+nnn 100100100

式中，nm为当量转速（r/min），q1,q2,...qn为转速n1,n2,...nn所占的时间百分比。

②当负荷与转速都变动时，当量负荷按下式计算 Fm=F1

3

qn1q1q3n3n

.+F22.2+...+Fn.nn nm100nm100nm100

式中，q1,q2,...qn为负荷F1，F2，...Fn所占的时间百分比。

（3）滚珠丝杠副的选用

当滚珠丝杠副在较高转速(一般转速n>1000r/min)下工作时，应按使用寿命选择基本尺寸，并验算其承载能力是否超过额定动载荷；当滚珠丝杠副在低速（n

式中：Fa为滚珠丝杠副的轴向负载（N） Caj为滚珠丝杠副的计算动载荷 Kh为寿命系数

10

FaF∑

60nLhKh

=Fa 106Kn.f

∑

Kn为转速系数 f

∑

为综合系数

§3.4预加负荷

为了消除滚珠丝杠副的间隙，提高传动定位精度和轴向刚度，用双螺母预紧的方法消除丝杠副间的间隙。

预紧原理和计算与滚动轴承预紧相同，一对角接触球轴承背靠背或面对面安装，当轴向外载荷达到预紧力的3倍时，另一侧轴承将卸载。这个结论对于双螺母预紧的滚珠丝杠副也是适用的。因此，滚珠丝杠副的预紧力不应小于最大轴向载荷的1/3，即应满足以下条件：

Fa0>1/3Fmax

式中： Fa0为轴向预紧力 Fmax为轴向最大载荷

用户订购滚珠丝杠副时，将滚珠丝杠副所需预紧力，即在技术要求中规定的并由生产厂家出厂产品调整好的预紧力大小通知生产厂家。

§3.5机床滚珠丝杠副总体校核

设此机床的参数如下：

工作台质量 m1=500kg 工件最大质量m2=200kg

工作台最大行程l=800mm 工作台滑动导轨摩擦系数μ=0.006 丝杠两端为固定支承，切削方式为铣削，定位精度±0.02/300mm 丝杠寿命：10a 工作可靠性：96%

表3-１ 切削力，速度和时间比

切削方式 强力切削 一般切削 精密切削 快速移动及定位

纵向切削力Fa/N

2000 1000 500 0

11

速度v/(m/min)

0.6 0.8 1 8

时间比例q/%

15 30 50 5

表3-2 设计计算结果见下表[1]

12

13

14

15

§3.6数控机床导轨

导轨的主要功能是导向和承载。导轨使运动部件沿一定的轨迹运动，从而保证各部件之间的相对位置精度。导轨主要由机床上两个相对运动部件的配合面组成一对导轨副，其中，不动的配合面成为支承导轨，运动的配合面称为运动导轨。 §3.6.1导轨的基本类型

导轨按运动轨迹可分为直线运动导轨和圆周运动导轨；按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。其中滑动导轨又有普通滑动导轨，液体动压导轨，液体静压导轨之分。滚动导轨按滚动体的形状又可分为滚珠导轨和滚柱导轨。滚动导轨在进给运动导轨中使用较多。 §3.6.2对导轨的基本要求 1.）导向精度

导向精度是指运动导轨沿支承导轨运动时直线运动导轨的直线性及圆周运动导轨的真圆性,以及导轨同其它运动件之间相互位置的准确性,影响导向精度的主要因素有:导轨的几何精度,导轨的接触精度及导轨的结构形式,导轨和基础件结构刚度和热变形,动压导软和静压导轨之间油膜的刚度,以及导轨的装配质量等等。 2.）刚度

导轨的刚度是机床工作质量的重要指标,它表示导轨在承受动静载荷下抵抗变形的能力,若刚度不足,则直接影响部件之间的相对位置精度和导向精度,另外还使得导轨面上的比压分布不均,加重导轨的磨损,因此导轨必须具有足够的刚度o 3.）耐磨性

导轨的不均匀磨损,破坏导轨的导向精度从而影响机床的加工精度的材料、导轨面的摩掠性质,导轨受力情况及两导轨相对运动精度有关。 4.）低速平稳性

16

当运动导轨作低速运动或微量移动时,应保证导轨运动平稳,不产生爬行现象,机床的爬行现象将影响被加工零件粗糙度和加工精度,特别是对高精度机床来说,必须引起足够的重视。 5.）结构工艺性

在可能的情况下,设计时应尽量使导轨结构简单,便于制造、调整和维护。应尽量减少刮研量,对于镣装导轨,应做到更换容易,力求工艺性及经济性好。 §3.6.3直线滚动导轨 1、直线滚动导轨的特点

直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点： 1.1定位精度高

直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。

1.2降低机床造价并大幅度节约电力

采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。 1.3 可提高机床的运动速度

直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20～30%。 1.4 可长期维持机床的高精度

对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。

17

滚动导轨的缺点是抗震性较差，对防护要求较高。由于导轨间无油膜的存在，滚动体与导轨是点接触或线接触，接触应力较大，故一般滚动体和导轨需用淬火钢制成。另外，滚动体直径的不一致或导轨面不平，都会使运动部件倾斜或高度发生变化，影响导轨精度，因此，对滚动体的精度和导轨平面度要求高。与普通滑动导轨相比，滚动导轨的结构复杂，制造困难，成本较高。目前，滚动导轨用于实现微量进给和精密定位，常用于对运动灵敏度要

求较高的数控机床[8]。

综上，本机床采用的是直线滚动导轨。

图3-3 直线滚动导轨

第四章 数控机床的进给驱动

数控机床进给驱动伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的

自动控制系统，又称随动系统，拖动系统，或伺服机构。在数控机床上，伺

服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的

信号变换及电压，功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动

或主电机的运动。

伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是实现切削刀具运动，工件运

动，主电机运动的驱动和执行机构，是数控机床的四肢。伺服系统的性能，

在很大程度上决定了数控机床的性能。因此，研究与开发高性能的伺服系统

一直是现代数控机床的关键技术之一[10]。

§4.1伺服系统的基本要求 1.要求具有可逆行的能力

在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时都可以实现正

向或反向运动，同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。

数控机床一般采用具有削除反向间隙能力的传动机构，如滚珠丝杠。

2.要求具有较宽的调整范围

为适应不同的加工条件，数控机床要求进给在很宽的范围内无级变

化。这就要求伺服电动机有很宽的调整范围和优异的调整特性。经过机械

传动后，电动机转速的变化范围即可转换为进给速度的变化范围。对一般

数控机床而言，进给速度范围在0~24时，都可以满足加工要求。通常 在

这样的速度范围还可以提出以下更细的技术要求。

（1） 在1~2400mm/min即1：2400调速范围内，要求均匀、稳定、无爬行、

且速降小。

（2） 在1mm/min以下时具有一定的瞬时速度，但平均速度很低。

（3） 在零速度时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持

定位精度，使定位误差不超过系统的允许范围，即电动机处于伺服锁定转

态。

2. 要求具有足够的传动刚性和高的速度稳定性

为适应不同的加工条件，数控机床要求进给能在很宽的范围内无级变

化。这就要求伺服电动机有很宽的调整范围和仗恃的调速特性。经过机械

传动后，电动机转速的变化范围即可转换为进给速度的变化范围。对一般

数控机床而主，进给速度范围在0~24时，都可以满足加工要求。通常在这

样的速度范围还可以提出以下更细的技术要求。

（1） 在1-2400mm/min即1:2400高速范围内，要求均匀、稳定、无爬行，

且速降小。

（2） 在1mm/min以下时具有一定的瞬时速度，但平均速度很低。

（3） 在零速度时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持

定位精度，使定位误差不超过系统的允许范围，即电动机处理伺服锁定转

态。

3. 要求具有足够的传动刚性和高的速度稳定性

伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时应使进给系统

速度稳定，即具有良好的静态与动太负载特性。刚性良好的系统，速度负

载力矩变化的影响很小。通常要求承受的额定矩变化时，静态速降应小于

5%，动态速降应小于10%。

4. 要求具有快速响应的能力

为保证轮廓切削开关的高精度和低的表面粗糙度，对位置伺服系统除

了要求国交高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪

指令信号的响应快速。这主要有两方面的要求；一是伺服系统处于频繁的

启动、制动、加速、减速等动态过程时，为了提高生产效率和保证加工质

量，要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零

到最大，或从最大减少到零，时间应控制在200MS以下，甚至少于几十毫

秒，且速度变化时不应有超调；二是当负载突变时，过渡过程恢复时间要

短且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。 5. 要求具有高精度

为了满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进

给精度。这是伺服系统性能的重要指标。位置伺服系统的定位精度一般要

求能达到1pm甚至0.1pm，相应地，对伺服系统的分辨力也提出了要求。分

辨力是指当伺服系统接受CNC送来的一个脉冲时，工作台相应移动的距离，

也称脉冲当量。系统力取决于系统稳定工作性能和所使用的位置检测元

件。目前的闭环伺服系统都能达到1pm的分辨力（脉冲当量）。高精度数控

机床可达到0.1pm的分辨力甚至更小。

6. 要求低速时仍有较大的输入转矩

7. 低速时进给鸡翅要有大的转矩输出，以满足低速进给切削的要求。

§4.2伺服电机的选择与计算

随着中国宏观经济的发展，带动了国内市场对机床工具的需求，刺激了

我国机床工具市场的发展。国内涌现一批机床生产企业，这其中有一大部分

为中小型企业，他们在伺服电机选取上通常采用经验法与类比法，无涉及理

论的计算校核，从而使产品设计成功率大打折扣，影响了新品的上市时间。

本课题以安川伺服电机为例，结合本课题设计机床X轴结构模型来分析在数

控机床设计中伺服电机的选取问题。

(1)结构模型参数

x轴结构模型：滚珠丝杠通过轴承与前后支撑座装配固定，伺服电机通过联

轴器实现与滚珠丝杠直联，直线运动部件有工作台和工件，具体结构和运动

情形见：图4-1。

图4-1 X轴结构模型图

结构模型参数如下：

负载速度：Vl=8m／min； 直线运动部分(工作台与工件)质量：M=700Kg；

滚珠丝杠的有效长度：L=0.8m； 滚珠丝杠的直径：D=0.028mm； 滚珠丝杠的密度：ρ=7.8⨯103Kg/m3 滚珠丝杠导程：Ph=0.008m； 联轴器质量：Mc=1.5Kg； 联轴器的外径：Dc=0.048m； 定位频率：n=30次／min； 定位长度： l=0.2m； 定位时间：tm=1.4s； 摩擦系数： μ=0.006；

机械传动效率： η=O.9。

图4-2 速度线图

根据速度线图知：

循环时间t=60=2(s) n

此例中，我们设定：加速度时间与减速时间相同，即ta=td,；还有，在伺服

系统中，滤波器设定FIL=O的设定中整定时间约为 ts=0．1(s)。由此可推算

出加速度时间：

ta=td=tm-ts-60l60⨯0.2=1.4-0.1-=0.1(s) V110

注：tm为一个周期内运动时间，此例中设定为1．4(s).

恒速时间：tc=tm-ts-ta-td=1.4-0.1-0.1-0.1=1.1(s)

(2)计算步骤

①转速的计算

通过上述结构模型参数，我们可计算出滚珠丝杠转速（Nl）与电机轴转速(NM) 滚珠丝杠转速:Nl=Vl8==1000(r/min) Ph0.008

因采用联轴器与滚珠丝杠直联的方式，则电机轴转速NM=Nl

②滚珠丝杠换算转矩( TL)

TL=μ9.8⨯M.Ph0.006⨯9.8⨯700⨯0.008==0.058（N.m） 2πη2⨯π⨯0.9

③电机轴换算转动惯量(JM)的计算

在此模型中，电机轴换算转动惯量包含两部分：直线运动部件将其惯量折算成旋转物体的转动惯量与滚珠丝杠、联轴器的转动惯量：

滚珠丝杠：JB=π

32.ρ.L.DB4=π

32.7.8⨯103⨯0.8⨯0.0284= 3.8⨯10-4(Kg.m2)

联轴器：Jc=McDc2/8=1.5⨯0.0482/8=4.3⨯10-4(Kg.m2) 直线运动的物体将其惯量折算成旋转物体的转动惯量：

0.0082⎛Ph⎫2JL=M. )=11⨯10-4(Kg.m2) ⎪=700⨯(2π⎝2π⎭

电机轴换算负载转动惯量：

JM=JB+JC+JL=3.8⨯10-4+4.3⨯10-4+11⨯10-4=1.91⨯10-3(Kg.m2) ④负载运行功率的计算

从模型的运动速度线图可以看出，负载运行功率在该模型中分负载恒速运行功率与负载加减速运行功率。

负载恒速运行功率：

P0=2πNMTL/60=2π⨯500⨯0.058/60=3.035(W) 负载加减速速运行功率：Pa=(2π

60)2NM2JM/ta=52.36(W)

⑤伺服电机的初步选型

选型的条件：

a、TL≤电机额定转矩。

b、1.3(Po+Pa)≤电机额定输出；

c、NM≤电机额定转速；

d、JM≤伺服单元的容许负载转动惯量。

综合上述，所选的伺服电机及伺服单元要同时满足以上四个条件，由此初步选取伺服电机及伺服单元：

伺服电机SGMGH—lAA2A 伺服单元SGDM．1AADA

其技术规格如下：

额定输出：3 KW 额定转速：1500r／min

最高转速：2000r／min 额定转矩：20N·m

瞬间最大转矩：50 N·m 电动机转动惯量：2．81×10-2 Kg·m2

伺服单元容许负载转动惯量：14．05×10-2 Kg·m2

⑥对初步选型的伺服电机的核算

对初步选型的伺服电机的核算主要从以下三个方面进行：

a、所需启动转矩(Tp)的校核

Tp=2πNM(JM+J)

60t+TL= 15.76N·m

a

其中，式中:J为电动机转动惯量 (Kg·m2)

b、所需制动转矩(Ts)的校核

Ts=2πNM(JM+J)-TL=15.65N·m

c、转矩有效值( Tms)的校核 T.t+T.t+T.tTms=PaLcsd=3

经以上三方面的校核，可知所选取的伺服电机、伺服单元满足使用要求。 通过上述理论计算校核，我们在设计过程中能选择最合适的产品，避免了因经验方法及类比法造成整台机器设计不足的情况，在一定程度上，提高了机床设计的成功率[13]。

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结 论

通过本次毕业设计，使我对过去所学知识进行了较为系统的回顾，并且独立地完成了一个数控机床的总体设计，这是我对数控机床有了初步的了解，数控机床与普通机床既有联系又有区别，不仅对数控机床的作用及工作的效率有了一定的了解，而且熟练了三维制图及装配的能力， 三维制图是机床设计的基础，虽然在过程中遇到了不少的困难但通过询问老师和同学，也得以解决，为此也大大加强了我三维制图的能力。

由于技术水平有限，加上时间的仓促，设计中难免存在着一些不足之处，特别是在设计主轴外伸和确定总行程时，由于受到工件孔位置和大小的限制，采用了非标件，请老师给予斧正。

这次的设计感到颇为有收获，使我在过程中无形的总结了不少的宝贵经验，一笔不小的财富，在我的整个设计过程中，正是由于老师们的严谨、求实、细致、认真负责的工作态度和对学生无微不至的关怀，使我在大学里最后一个设计中，使我受益匪浅，也是在综合性最强的一次设计中得到了实践性的锻炼最多的一次，为我以后步入工作岗位打下了坚实的基础。对此，学生对您表示衷心的感谢和深深的敬意。

由于类似的大型课题第一次接触，加之时间、经验、能力有限，组合钻床的结构一定有不少的不足之处，(如机床的零件选取可能没有考虑到实际的经济效益)，还有可能不能应用于实际生产中去，恳请各位老师给予批评指正。因此,在以后的学习和设计中，应该全面的考虑到各个方面，达到实用性和经济性的最佳结合。

参考文献

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[2] 龚仲华．数控技术[M] ．北京：机械工业出版社，2004.1

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[15] DomingguezH，AlvarezR，Jauregui J．C．．Development of a high speed machiningCNCcontrol[J]．Proceedingsof the 2001 IEEE International Conference on 5-7Sept，2001

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[17] 龚仲华．数控技术[M] ．北京：机械工业出版社，2004.1

河南科技大学毕业设计（论文）

致 谢

本设计在选题、设计研究及设计说明书的完成整个过程中始终得到张波老师的悉心指导。在各方面的协作下，加上同组同学的共同努力，互通有无，通力合作，历经三个月的毕业设计终于按时完成了。 在开始设计时，我最基本的三维绘图能力都没有。是张老师帮我安装的三维绘图软件-Inventor.从画草图，零件图到后面的装配以及出工程图，整个过程我遇到了无数的问题，但张老师总是不厌其烦的给我讲解，现在我已经能熟练地应用Inventor绘制各种三维图形。谢谢张波老师。当然这次设计对我们这些理论知识不扎实，实际设计水平有限，实践经验缺乏，感性认识感不强，想象能力欠缺，空间立体感不敏感，难度相当大，幸得段老师帮助和敲点，使我们茅塞顿开，思路敏捷，头脑清晰，视野开阔，但是，由于自己缺少对事物理性认识的深刻性，设计中难免存在很多较大的失误和错误，请指导老师给予批评斧正。

在整个设计过程中，张老师给予提供参考材料，使我得以顺利完成设计，在此深表感谢！老师对我严格的要求和教诲将在我以后的人生道路上竖起风标指我前航，为以后步入工作岗位打下了坚实的基础。对此，学生对您表示衷心的感谢和深深的敬意。同时在设计过程中，同组的同学也给予了巨大的帮助和支持。我们共同研究，相互鼓励，使我们之间营造了一个良好的团体协作精神，这也是我们的设计得以顺利完成的另一主要因素。

最后向在百忙之中评阅本文的老师表示衷心的感谢!您辛苦了！

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