數控機床進給驅動系統的設計

王建宏

摘要：如今，數控機床正在朝著高速、高精度、高穩定性方向快速發展。要能夠讓數控機床擁有更加強大的作用，就需要設計出優秀的進給驅動系統。在文中接結合實際情況，介紹了數控機床進給驅動系統的設計，為設計更好的數控機床進給系統提供借鑒。

關鍵詞：

第一章 數控機床進給驅動系統總體設計方案的擬定

一、半閉環伺服系統

半閉環控制數控機床通常將位置檢測元件安裝在伺服電動機的軸上或滾珠絲杠的端部，不直接反饋機床的位移量，而是檢測伺服系統的轉角，將此信號反饋給數控裝置進行指令比較，用差值控制伺服電動機。因為半閉環伺服系統的反饋信號取自電動機軸的回轉，因此系統中的機械傳動裝置處于反饋回路之外，其剛度、間歇等非線性因素對系統穩定性沒有影響，調試方便。同樣，機床的定位精度主要取決于機械傳動裝置的精度，但是現在的數控裝置均有螺距誤差補償和間歇補償功能，不需要將傳動裝置各種零件的精度提得很高，通過補償就能將精度提高到絕大多數用戶都能接受的程度。再加上直線位移檢測裝置比角位移檢測裝置昂貴得多，因此，除了對定位精度要求特別高或行程特別長，不能采用滾珠絲杠的大型機床外，絕大多數數控機床均采用半閉環伺服系統。

綜上所述，根據本書設計給定的精度（橫向定位精度±0.075mm）要求，穩定性，成本和機床規格等因素的綜合考慮，本次設計考慮采用半閉環控制系統，

二、機床傳動方式的擬定

為了實現機床所要求的分辨率，采用伺服電機經齒輪減速再傳動絲杠。為了保證一定的傳動精度和平穩性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負載荷的結構。傳動齒輪也要采用消除齒側間隙的結構。

第二章 機床進給驅動系統機械部分設計計算

2.1確定切削力

車削外圓時的切削力如圖2示主切削力FZ=FC與切削速度vZ=vC的方向一致，且垂直向下，這是計算車床主軸電動機切削功率的依據。背向切削力Fy=Fp與進給方向（工件軸線X方向）相垂直，對加工精度的影響較大。進給切削力Fx=Ff與進給方向平行且指向相反。在這三個力中：FZ=FC值最大，Fy=Fp約為（0.15-0.7）Fz，Fx=Ff約為（0.1-0.6）Fz。

2.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型

1.最大工作載荷Fm的計算

最大工作載荷Fm是指滾珠絲杠副在驅動工作臺時所承受的最大軸向力，也叫進給牽引力。它包括匯總表絲杠副的進給力、移動部件的重力，以及作用在導軌上的切削分力所產生的摩擦力。

注：上述摩擦因素μ均指滑動導軌。對于貼塑導軌μ=0.035-0.05，滾動導軌μ=0.003-0.005。

表中，Fx為進給方向載荷，Fy為橫向載荷，Fz為垂直載荷，單位均為 N；G為移動部件總重力，單位為N；K為顛覆力矩影響系數；μ為導軌的摩擦因數。

通過分析，決定采用導軌類型為三角形或綜合導軌，當設工作臺的質量為150kg時，則計算如下：

2.最大動載荷FQ的計算

最大動載荷FQ的計算公式如下：

式中：L0是滾珠絲杠副的壽命，單位為106r，且有L0=60nT/106（其中：為使用壽命，普通機械取T=5000-10000h，數控機床及一般機電設備取T=15000h；n為絲杠每分鐘轉數）；

fw是載荷系數，可由表2查得；

fH是硬度系數（≥58HRC時，取0.1；等于55HRC時，取1.11；等于52.5HRC時，取1.35；等于50HRC時，取1.56；等于45HRC時，取2.40）；

Fm是滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。

絲杠的轉速：

最大動載荷FQ的計算公式如下：

3.滾珠絲杠規格型號的初選

滾珠絲杠副的規格時，應使其額定動載荷

通過分析取

當滾珠絲杠副在靜態或低速狀態下（n≤10r/min）長時間承受工作載荷時，還應該使其額定靜載荷C0a≥（2-3）Fm。根據額定動載荷Ca和額定靜載荷C0a，可以從廠商提供的尺寸參數表中選擇滾珠絲杠副的規格型號和有關參數（如表2-7）。但選擇時應注意公稱直徑d0和導程Ph應盡量選用優先組合，同時還要滿足控制系統和伺服系統對導程的要求。

由表2-7初選滾珠絲杠螺母副型號為：GD3206-4

2.3進給驅動系統傳動計算

2.3.1數控機床進給驅動系統傳動原理

數控機床的進給系統，與普通機床不同。數控機床的進給指令，來自數控系統，經進給電機和驅動機構，是執行部件如刀架、工作臺、主軸箱等按程序的規定運動。

數控機床進給系統的傳動原理，見圖3a，脈沖發生器1發出的脈沖，經數控裝置2調制和放大后，送至進給電機3，再經機械傳動機構4拖動執行部件5。如果主軸的回轉與執行部件的移動有一定的比例關系，如數控車床和加工中心加工螺紋，則傳動原理應如圖3b所示。脈沖發生器1與主軸回轉之間應有固定的機械關系。圖2-6中，單虛線代表機械聯系；雙虛線電聯系。

2.3.2傳動設計

傳動設計采用圖2-6a.3伺服電動機2經一對齒輪3（或同步齒輪形帶傳動）、絲杠4拖動執行部件5。反饋裝置與電動機相聯，發出反饋信號的連接方式。常用的反饋裝置有兩種：

①用旋轉變壓器作位置反饋，用測速發電機作速度反饋；

②用脈沖編碼器兼作位置和速度反饋。本書設計采用脈沖編碼器作反饋裝置。脈沖編碼器每轉發出一定數量的脈沖（或矩形波，為簡單起見，以后統稱脈沖）。

每個脈沖是一個數字單位，并代表執行部件一定的位移 （mm），例如1um，稱為脈沖當量或增量。電動機每轉應發出的脈沖數b為：

根據橫向定位精度±0.075mm要求，脈沖當量可定為a=0.01mm/脈沖。本書設計的絲杠導程為6mm，根據公式2-10，且設u=1有：

脈沖編碼器有每轉2000，2500，5000脈沖等數種。故編碼器后應加一個倍頻器，如果每轉2000脈沖的編碼器，則倍頻器的倍數為3。據此本設計的傳動系統應為圖4所示。伺服電動機3經繞性聯軸節4與滾珠絲杠5相聯。絲杠的導程為6mm。脈沖編碼器2裝在伺服電動機內，與電機軸相聯。所選編碼器每轉發出2000個脈沖。倍頻器1的倍數為3。