数控机床的进给传动装置设计(2)

第一章 绪论

数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。

(4).对数控机床无污染提出要求

21世纪的数控机床必须把环保和节能放在重要位置，即要实现切削加工工艺的绿色化。目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因为切削液既污染环境和危害工人健康，又增加资源和能源的消耗。干切削一般是在大气氛围中进行，但也包括在特殊气体氛围中(氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术)不使用切削液进行的切削。不过，对于某些加工方式和工件组合，完全不使用切削液的干切削目前尚难与实际应用，故又出现了使用极微量润滑(MQL)的准干切削。目前在欧洲的大批量机械加工中，已有10～15%的加工使用了干和准干切削。对于面向多种加工方法/工件组合的加工中心之类的机床来说，主要是采用准干切削，通常是让极微量的切削油与压缩空气的混合物经由机床主轴与工具内的中空通道喷向切削区。在各类数控机床中，采用干切削最多的是滚齿机。

总之，数控机床技术的进步和发展为现代制造业的发展提供了良好的条件，促使制造业向着高效、优质以及人性化的方向发展。可以预见，随着数控机床技术的发展和数控机床的广泛应用，制造业将迎来一次足以撼动传统制造业模式的深刻革命。

1.2数控机床进给传动系统简要叙述

数控机床进给传动系统是数控机床的重要的组成部分，它是将电动机的旋转运动传递给工作台或刀架以实现进给运动的整个机械传动链，包括齿轮传动副、丝杠螺母副及其支承部件等。

数控机床进给传动系统主要由升降台传动系统、床鞍传动系统、工作台传动系统组成。

1.2.1升降台传动系统

升降台可沿Z轴运动，由床身导轨导向并由升降立丝杠驱动,升降台顶部有矩形导轨与工作台底座—床鞍相连。

升降台内装有：

—Z、Y轴进给伺服电机； —Z、Y轴齿形皮带及皮带轮；

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升降台运动由伺服电机驱动，电机置于升降台内，电机通过一对圆弧齿形皮带轮及皮带、一对螺旋伞齿轮和滚珠丝杠副以1：4降速转动，两带轮与电机轴和滚珠丝杠均以涨紧环实现无间隙连接，滚珠丝杠螺母固定于底座上，丝杠固定于升降台上。

1.2.2床鞍传动系统

床鞍沿升降台顶部导轨在Y轴上移动，床鞍上表面有供工作台沿X轴横向移动的燕尾导轨，床鞍上下两面的导轨互相垂直，从而保证了X轴运动和Y运动的垂直。在床鞍内装有纵向、横向丝杠及两端托架。

横向床鞍运动由伺服电机通过一对圆弧齿形皮带轮、皮带、一对消隙齿轮和滚珠丝杠副以3：4降速传动。两带轮与电机轴和传动轴均以涨紧环实现无间隙连结，滚珠丝杠固定于床鞍上，丝杠螺母固定于升降台上。

1.2.3工作台传动系统

工作台可沿床鞍纵向导轨在X轴方向移动，导轨由来自床身的集中润滑装置自动润滑，X向滚珠丝杠由手动油枪通过工作台侧的油杯进行润滑，工作台表面有便于安装工卡夹具、工件及附近的T形槽，还有回收冷却液的回水槽。

工作台运动由伺服电机通过两个圆弧齿形皮带轮，和圆弧齿形皮带以2：3降速传动。两带轮与电机轴和滚珠丝杠均以涨紧环实现无间隙联接，滚珠丝杠螺母固定于工作台底端，两端托架固定于床鞍上。

1.3 FXK5045机床的用途及性能

图1-1 XK5045型普通铣床的布局图 Fig.1-1 Milling machine layout plans

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第一章 绪论

1-底座 2-强电柜 3-变压器箱 4-垂直升降进给伺服电动机 5-主轴变速手柄和按钮板 6-床身 7-数控柜 8-保护开关 9-挡铁 10-操纵台 11-保护开关 12-横向溜板 13-纵向进给伺服电动机

14-横向进给伺服电动机 15-升降台 16-纵向工作台

在本次设计中，以FXK5045数控立式升降台铣床为例来说明数控机床的进给传动系统。

FXK5045为数控立式升降台铣床，与上图XK5045普通铣床相比，在外观结构上相同，只是多一个数控装置，FXK5045可配备国外或国内数控系统，具有计算机数字控制（CNC），可进行纵向、横向、垂向三个坐标的直线、圆弧、抛物线插补运动（由配置的系统功能确定），每个坐标装有编码器作为检测元件。

FXK5045适用于加工形状复杂的平面和立体零件，如冲模、压模、锻模、塑料模等各种模具及样板，凸轮、飞机零件、内燃机的连杆等形状复杂的零件，对于加工形状复杂而品种又经常变换的生产部门大为适用。

FXK5045数控立式升降台铣床的基本参数如下： 工作台面积（宽3长）： 50031800 mm 工作台T形槽（槽数-宽度?间距）： 6-18363 mm 工作台承载工件最大重量： 1000 Kg

工作台行程（纵向/横向/垂向）： 11000/330/600 mm 垂向行程（手动）： 套筒90 mm 主轴锥孔： 7：24 ISO50 刀柄形式： XT50

主轴转速： 18级35.5-1800 r/min 主轴电机功率： 15 Kw 立铣头最大回转角度： ±45° 主轴端面到工作台面距离： 110-710 mm 床身导轨至主轴中心线的距离： 450 mm

进给速度范围（X、Y/Z）： 5-4000/5-1000 mm/min 快速进给（X、Y/Z）： 8000/2000 mm/min 定位精度(国际) ： 0.035 mm 重复定位精度(国际) ： 0.020 mm 机床重量(约) ： 5000 Kg

机床外型尺寸(长3宽3高) ： 25303244332560 mm

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本机床具有如下特点：

(1).机床具有很高的结构刚性，能承受中负荷切削工作；

(2).机床具有足够的功率和宽广的变速范围，能使用硬质合金刀进行高速切削，充分发挥刀具效能；

(3).主轴变速有冲动装置，便于变速，机床能迅速有效的进行制动；

(4).机床的重要传动零件均用合金钢制成，容易磨损零件均用耐磨材料制成，导轨贴塑，保证了机床有足够的使用寿命；

(5).操纵台与电柜采用分体式，操纵台集中操纵，安装于机床吊挂上，能转动一定角度，操作方便宜人；

(6).机床三向运动均有限位装置，保证机床和操作工人的安全，还可用作多机床管理；

(7).机床具有完整的润滑系统，重要的传动零件和轴承均有完整的润滑装置，同时设有指示器进行经常检查；

(8).各重要传动轴和主轴的安装在滚动轴承上，提高传动效率；

(9).工作台三个方向均能进行快速移动，减少辅助时间，提高生产效率。

1.4 数控机床对进给传动系统的要求

(1).减少摩擦阻力

为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度，必须减小运动件的摩擦阻力和动，静摩擦力之差。为满足上述要求，在数控机床进给传动系统中，普通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。在减小摩擦阻力的同时，还必须考虑传动部件要有适当的阻尼，以保证系统的稳定性。

(2).减少运动惯量

运动部件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有影响，尤其是处于高速运转的零、部件，其惯量的影响更大。因此，在满足部件强度和刚度的前提下，尽可能减小运动部件的质量，减小旋转零件的直径和质量，以减小运动部件的惯量。

(3).高的传动精度与定位精度

数控机床的进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，对采用进步电动机驱动的开环控制系统尤其如此。因此，传动精度和定位精度是数控机床最重要也是最具有该类机床特征的指标，无论对点位，直线控制系统，还是轮廓控制，该项精度都很重要。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，蜗轮等传动的间隙等办法，可达到提高传动精度的定位精度的目的。

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第一章 绪论

由此可见，机床本身的精度，尤其是伺服传动链和伺服执行机构的精度，是影响工作精度的主要因素。

(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，以适应各种工件材料，尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可达3~6000 mm/min（调速范围1：2000）。为了完成精密定位，伺服系统的低速趋进速度达0.1mm/min；为了缩短辅助时间，提高加工效率，快速移动速度应高达15m/min。如此宽的调速范围是伺服系统设计的一个难题。在多坐标联动的数控机床上，合成速度维持常数，是保证表面粗糙度要求的重要条件；为保证较高的轮廓精度，各坐标方面的运动速度也要配合适当，这是对数控机床和伺服进给系统提出的共同要求。

(5).响应速度要快

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。进给系统响应速度的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。设计中应使机床工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高伺服进给系统的快速响应性。

(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。设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法。

(7).稳定性好、寿命长

稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼及增益等都有关系，适当选择各项参数，并能达到最佳的工作性能，是伺服系统设计的目标。所谓进给系统的寿命，主要是指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，即各传动部件应选择合适的材料及合理的加工工艺与热处理方法，对于滚珠丝杠及传动齿轮，必须具有一定的耐磨性和适宜的润滑方式，以延长其寿命。

(8).使用维护方便

数控机床属于精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度及复杂的生产加工，机床的开机效率相应就高，因而进给系统的结构设计应便于维护和保养、最大限度地减小维修工作量，以提高机床的利用率。

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