1、南 阳 理 工 学 院本科生毕业设计 (论文)学院（系）： 机械与汽车工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化学 生： 程 胜 金 指 导 教 师： 王 志 奎 完成日期 2015 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）数控车床的步进伺服系统设计Numerical Control Lathe SteppingServo System is Designed总计： 毕业设计（论文） 24 页表格： 1 个插图： 8 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）数控车床的步进伺服系统设计Numerical Control Lathe SteppingServo System i
2、s Designed学 院（部）： 机械与汽车工程学院 专 业： 机械设计制造及其自化 学 生 姓 名： 程 胜 金 学 号： 1302224043 指 导 教 师： 王 志 奎 （教授） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2015-5-20 数控车床的步进伺服系统设计数控车床的步进伺服系统设计机械设计制造及其自动化 程胜金摘 要 本课题主要是对华中数控车床 CJK6032A 步进伺服系统的设计，该车床是一台教学型数控车床，它具有外形尺寸小，切削速度高等特点。课题是在对华中数控车床进给机构充分了解的基础上，然后进行数控车床进给系统机械部分的设计计算。主要进行横向和纵向滚丝杠螺母副的选型与计算
3、、导轨的设计选型、传动系统的刚度计算与校核，最后进行步进电机的参数计算及选型。该课题的实施主要是培养我们运用已学过的专业知识，进行分析、解决实际问题的能力同时也是为了对我们所学过的专业知识综合的考查，为我们以后的工作和学习打下了基础。关键词 数控车床；进给机构；滚珠丝杠；伺服系统Numerical Control Lathe SteppingServo System is DesignedMechanical design manufacturing and automation CHENG ShengjinAbstract：This topic is mainly to huazhong n
4、c lathe CJK6032A stepping servo system design,The lathe is a teaching model of CNC lathe,Its small dimension, high cutting speed, etc.Subject is in of huazhong CNC lathes feed mechanism on the basis of full understanding，Then the mechanical parts of the CNC lathe feed system design and calculation.M
5、ainly in horizontal and vertical rolling screw nut pair of selection and calculation, guide the design of the type selection, calculation and checking the stiffness of transmission system and the last part of step motor, which is calculation and selection.The subject of the implementation of the mai
6、n is to cultivate us to use the professional knowledge has learned, analysis and solution actual problem ability，Is also in order to we had learned the professional knowledge of comprehensive examination,Laid the foundation for our future work and study.Key words:CNC lathe; Feed mechanism; Ball scre
7、w；Servo system数控车床的步进伺服系统设计目 录1 绪论 .11.1 选课背景及意义 .11.2 课题研究的主要内容及目的 .11.3 相关课题国内外研究的现状 .21.3.1 国内外数控车床的现状 .21.3.2 数控车床的发展趋势 .32 数控车床进给伺服系统的结构和工作原理及基本要求 .52.1 数控车床的步进伺服系统的结构和工作原理 .52.2 数控车床的步进伺服系统的基本要求 .53 数控车床的步进伺服系统的总体设计 .83.1 数控车床的步进伺服系统的主要技术参数及要求 .83.2 滚珠丝杠螺母副的设计 .83.2.1 X 方向滚珠丝杠螺母副的设计 .93.2.2 Z
8、方向滚珠丝杠螺母副的设计 .123.3 步进电机的选择 .143.3.1 带动 X 方向滚珠丝杠驱动电机的选型 .153.3.2 带动 Z 方向滚珠丝杠驱动电机的选型 .163.4 驱动电机和滚珠丝杠的联接 .173.5 导轨副的设计和选型 .184 数控车床进给传动系统的死区误差分析 .204.1 X 方向进给传动系统的死区误差计算 .204.2 Z 方向进给传动系统的死区误差计算 .20结束语 .22参考文献 .23致谢 .24数控车床的步进伺服系统设计01 绪论1.1 选课背景及意义数控车床有不错的柔性当加工东西不一样，我们只需要重新改变一下加工程序就行了，原来的程序可存留着不动就行，不
9、用再跟组合机床那样，针对新加工零件重新设计机床致使生产准备时间太长。而华中数控车床，在保证零件加工时候的精度的时候主要靠两个方面实现：系统的控制和机床自身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统需要对进给位移的位置还有速度一起实现它的自动控制。所以说数控车床与普通车床比起来当然是数控车床精度好。为了确保机械传动系统的传动精度还有他们的工作的平稳性，我们掌握数控车床进给机构的设计对于机械设计制造及其自动化专业的学生意义很大。本课题要求我们结合本专业所学的知识对数控车床进给机构进行结构与工作原理的分析，按要求对参数进行选择、设计、校核，实现数控车床进给机构的传动精度和工作的平稳性。该课题的实施主要是
10、培养我们运用已学过的专业知识，进行分析、解决实际问题的能力，加强、提升所学专业知识，增强我们的团队合作意识能力。1.2 课题研究的主要内容及目的这篇论文是对华中数控车床的步进伺服系统的总体的设计，还有横向及纵向伺服进给机构的一些理论参数的理论计算，结构设计还有绘装配图，主要参考对华中数控床进给机构进行参数选择，计算，校核和运动仿真。比如说导轨的设计选型、滚珠丝杠螺母副的选型与计算、进给传动系统的刚度计算和进给传动系统的误差分析、驱动电机的选型驱动电计算机、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等。设计的重点和难点是：滚珠丝杠螺母副的参数计算及设计、驱动电机的选型与计算、机械传动
11、系统的误差计算与分析、滚珠丝杠螺母副的参数计算和设计。在设计中，我们首先先通过参观数控车床还查阅资料了解了它们系统的工作原理和它的作用还有结构特点等等。选择合适的计算法，根据计算结果查阅机械设计手册，然后去画出零件及车床总体的结构图。本课题设计的目的是，培养我们综合运用基础知识和专业知识以及解决工程实际问题的能力。提高我们的综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使我们的工程绘图、查阅各专业产书籍、解决和解决问题的能力以及使用手册等基本技能得到训练和提高。学习培养正确的设计思想、严肃认真负责的科学态度，加强团队合作的精神。在设计中，先通过参观及查阅等了解数控车床步进伺服
12、系统的工作原理，作用及结构特点。查阅数数控车床的步进伺服系统设计1控车床说明书查找在设计中要用到的一些参数，根据计算结果查阅手册，得出设计参数然后根据这些尺寸绘制零件图和装配图。在零件图和装配图的绘制中，利用 CAD 软件绘制零件图，完成四张 A0 图纸。最后，写说明书。1.3 相关课题国内外研究的现状1.3.1 国内外数控车床的现状从 20 世纪中期开始数控这种技术在世界上出现到现在，数控机床给世界上的制造业带来了翻天覆地的大变化。然而呢伴随着计算机技术还有制造业的快速发展还有装备制造业对数控机床的大量的需要，数控机床的使用范围一直在不停的扩大而且还不断的发展成为了更适应生产加工的要求。“十
13、二五”是我们国家数控机床发展的一个很重要的时间段，这时全世界已经从最困难的金融危机中走出来，国内需求拉动的效果非常明显。“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项已经全面启动并且实施。数控车床是在数控机床中占有很大的比例的、它的自动化程度高、结构较复杂的先进加工设备， 因此有必要了解数控车床技术发展的现状和趋势，为了进一步促进我国数控车床的发展、提高我国数控车床技术水平做好了充分的准备 1。我国从 20 世纪 50 年代开始数控系统的研究，经过多方面的努力和技术的公关，1958 年研制出第一代数控系统产品，1966 年研制出第二代数控系统产品，1972 年研制出第三代产品，1975 年我国数控
14、系统发展进入了第四代，1979 年10 月欧洲国际机床展览会在意大利工业中心米兰举行，展览会上首次展出了我国和其他国家共同制造的微型计算机数控机床，这就说明了我国数控系统也进入了第五代。由于各种原因，我国的数控个系统一直到了 1981 年才得到了进一步的发展：在六五期间主要进行了数控系统及驱动技术的引进，并且还开发出来了几种典型的数控系统，七五期间通过公关在对引进的数控系统进行消化吸收和国产化的基础上，衍生出来了好几种产品；八五期间继续进行数控系统的公关，重点开发了普及型的数控系统，还对数控机床主机数控系统和相关配件重点生产企业进行改造升级；在九五期间我们国家继续对数控机床关键配套产品质量优选
15、技术；十五期间继续进行数控系统及装备的公关；十一五计划要在高档数控机床设计制造方面实现突破。目前国外数控机床正向着高精度、高效率、高柔性、高自动化方向发展这将对数控机床步进伺服机械传动系统的精度、机械结构、可靠性要求很高。例如：日本法怒克公司、三菱电机公司、安川电机公司、德国西门子公司、aeg公司、力士乐公司、通用电气公司等均先后在 1984 年前后将交流伺服系统付诸使用。例如：NEF 400/600 是德玛吉生产的一款数控机床，在同类 机床中切削效率最高，几何精度最好。 NEF 400/600 的主 要特点如下：（1）伺服系统中数控车床的步进伺服系统设计2机械传动部分精度高；（2）进给传动系
16、统的误差比较低；（3）高稳 定 性 的 铸 铁 床 身 ；（4）标配 12 位刀塔 VDI 30（NEF 600：VDI 40）；（5）标配自动（液压）控制尾座；（6）数字驱动伺服系统实现高精度；（7）主轴回转精度可达到纳米级（8）通过新型长身结构实现更佳的排屑。（9）动力刀具等 2。而我国面临的情况不仅是数控机床占有率低主要是产品质量、可靠性、伺服系统精度、可靠性不是太好。几十年来对国内外数控机床机械结构的剥析我国正努力向数控机床加工精度发展。要想提高精度就必须从提高步进伺服系统机械结构部分的设计入手。综上所述我国数控车床技术产业大而不强，尤其是对步进伺服系统的创新设计还需要加大对组成伺服系
17、统中每个重要基础元器件的创新力度 ，并且加强对数控伺服系统的开发力度还有必须不断完善与提高机床加工精度和自动化效率，逐步缩小与世界先进水平的差距。1.3.2 数控车床的发展趋势为了满足市场和科学技术发展的需要，现在带制造技术对数控技术提出了更高的要求，他们的发展趋势主要表现在以下几个方面：性能方面的发展趋势：他们的高速、高精度、高效率是因为采取了高速的CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系统还有就是带高分辨率绝对试的检测元件的交流数字伺服系统，而且还采用了改善机床动态以及它们的静态特性等有效措施，机床的速度和它的精度还有效率比以前的数控车床已经大大提高了如图1-1 所示。表 1-1
18、计算机数控系统的发展趋势项目 发展趋势硬件 开放式数控系统，PC 集成技术，系统模块化软件 开放式数控系统，标准操作系统，实时运行库CNC 内核 三维刀具补偿，样条查补监控与诊断 自适应技术，分布式监控，智能故障诊断编程功能 三维图形模拟，面向车间的编程 WOP/CAD/CAM伺服系统 交流数字技术，高速串行数字网络接口人机交互 用户可设计的界面网络功能 制造自动化协议、制造报文规范、现场总线等智能化、网络化、柔性化、集成化:21 世纪的数控车床它是有一定的数控系统的，它们更具有人性化和智能化，数控机床的智能在数控系统中在各个方面都有体现：为了要加工效率还有加工数控车床的步进伺服系统设计3质量
19、的智能化程度，比如说自己适应控制还有加工工艺参数的自动形成。为提高驱动性能还有它们的使用连接方等面的智能化，比如说前馈控制以及电动机参数的自适应控制和自动识别负载自动选定模型、自整定等。机床互联网还可以进行远程控制和无人化操作。这样就可以通过网络在任何一台机床上就可以对其它机床进行编程，操作，运行，不一样的机床控制面板上的画面可以同时显示在每一种机床的屏幕上面。开放性:根据国际上的电气电子协会的定义“一个开放式系统提供了使合理实现的应用程序运行于来自多个控制供应商的不同平台及与其他系统提供相互操作的能力，并具有一个用来与用户交互的持续风格。正因为叫开放式系统就是因为数控系统的开发可以在统一的一
20、个很大的公共运行平台上面，并且我们面向我们的机床厂家还有最后的客户们的身上，并且通过改变去增加或者剪减少结构构对象，使它们的行程系列化标准化。目前的开放系统试数控体系在规范比如说通信较规范配置规较范、数控系统功能库还有它们的数控系统用到的功能软件开发等成为目前研究的核心内容。使用功能模块部件组成的数控车床；采用工艺策划加工数据库向用户开放等。数控系统开放化已经成为数控系统的将来的发展方向 3。数控车床的步进伺服系统设计42 数控车床进给伺服系统的结构和工作原理及基本要求2.1 数控车床的步进伺服系统的结构和工作原理步进伺服进给伺服系统它是以移动物件的位置变化还有它的速度的变化作为控制量的自动控
21、制系统。它主要是由包括电动机还有控制以及驱动装置在内的等物件组成的。步进伺服电动机是进给系统的动力物件，它是提供执行部件运动所需要的动力，伺服电机有步进电动机和直流伺服电动机和交流伺服电动机以及和直线电动机等几种 4。步进伺服进给伺服系统主要是由这些个部分组成：位置控制单元还有速度控制单元还有驱动单元还有检测与反馈单元和机械执行部件。如图 2-1 所示。进伺服系统的主要作用就是要接收数控系统发出的进给速度还有发出的位移指令信号并且由伺服驱动电路作转换并且放大然，后经过伺服驱动装置比如直流、交流、功率步进电动机或者是电液脉冲马达还有机械传动机构驱动机床的工作台、主轴等执行部件来实现工作的进给还有它的快速移动。驱动原件的主要作用是将进给指令转变为驱动执行原件所需要的那种信号样式，机械执行原件就会将该信号变成为相应的机械移动位移。检测与反馈单元就会将工作台的实际的位置检测以后反馈给比较控制环节，这样比较控制环节就会将指令信号还有反馈信号进行对比，取两者的差值当作伺服系统的跟随误差经驱动控制单元，驱动控制执行原件带动工作台的移动。如图 2-1 中的实线部分为开环进给伺服系统的基本的结构。图 2-1 伺服系统结构图2.2 数控车床的步进伺服系统的基本要求
