数控车床的步进伺服系统的设计毕业设计(编辑修改稿)

数控车床的步进伺服系统的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

动控制执行原件带动工作台的移动。 如图 21 中的实线部分为开环进给伺服系统的基本的结构。 图 21 伺服系统结构图 数控车床的步进伺服系统的基本要求 具有数字调节系统的进给驱动系统都统一称为伺服系统。 所有的进给伺服驱动系统都是伺服系统。 进给伺服驱动系统不 仅仅是数控机床的一个很重要的组成部分，同时也是它区别于一般普通机床的一个重要特殊的部分。 数控机床对进给伺服系统的性能指标可总结为：它具有定位精度高和跟踪指令信号的响应快还有数控车床的步进伺服系统设计 6 就是系统的稳定性比较好。 稳定性要求：所谓系统的稳定性，既系统在输入量改变、启动状态或干扰作用下，其输出量经过几次衰减震荡后，能迅速的稳定在新的或原有的平衡状态下。 它是进给伺服系统能够正常工作的基本条件。 它包含绝对稳定性和相对稳定性。 进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系统增益都有关系。 适当选择系统的机械参数并使他们达到最佳匹 配是进给伺服系统设计的目标之一。 精度要求：我们知道所谓的进给伺服系统的精度要求是指系统的输出量的复现输入量的精度的程度范围也就是说它的准确性。 它包含动态误差也就是我们说的瞬态过程出现的偏差。 还有稳态误差：也就是我们所讲的瞬态过程结束以后系统中存在的偏差也就是说元件误差还有就是干扰误差。 响应速度要求快：所谓快速响应特性是指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，既在无超调的前提下，执行部件的运动速度建立时间tp尽可能的短，（如图 22）所示。 它包含系统的响应时间，传动装置的的加速能力；直接影 响机床的加工精度和生产率。 系统的响应速度越快，则加工效率越高。 但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会影响系统的不稳定。 因此，应适当选择快速响应特性。 图 22 进给伺服系统的响应速 度要求 负载特性要硬：在系统负载范围里。 当负载变化的时候，输出的速度应改是基本不变的也就是说 F 非常的小，（如图 23）所示，当负载发生突然变化的时候，这就要求速度的恢复的时间很短并且没有振荡，也就是说 t 尽可能的短；需要具备足够的过载的能力。 这就是要求伺服系统应该有良好的静态还有动态刚度等等。 数控车床的步进伺服系统设计 7 图 23进给伺服系统的负载特性 低速 — 大转矩要求：数控机床经常在低速的情况下进行重切屑，这就要求数控机床具有低速 — 大转矩的特性。 除了以上要求以外，进给伺服系统还需要能可逆运行并且频繁灵活的启停；并且必须具有很高的可靠性能还有必须 要维护使用方便尽量使成本低等特征 [3]。 数控车床的步进伺服系统设计 8 3 数控 车 床的步进伺服系统的总体设计 数控 车 床的步进伺服系统的主要技术参数及要求 主轴电机功率： 3kw X轴方向丝杠最大行程 300mm； Z轴方向丝杠最大行程 1100mm； X轴方向进给速度： 2020~5 mm/min； Z轴方向进给速度： 2020~01 mm/min； X轴脉冲当量： ； Z轴脉冲当量： ； X轴快速进给速度： 3000~0 mm/min； Z轴快速进给速度： 6000~0 mm/min； 横向移动部件质量： 30kg； 纵向移动部件质量： 100kg； 材料选为 HT200。 因为每当数控装置发出一个脉冲后经过 10倍频的伺服放大（细分驱动技术）也既是将一个脉冲细分为 10 个脉冲然后作用于电机，因此根据丝杠导程、步距角和脉冲当量的关系。 36010m   p ， p为丝杠导程，  为步距角 可以求得数车床 X 轴脉冲当量为 ,Z 轴脉冲当量为,所以上述脉冲当量符合要求。 滚珠丝杠螺母副的设计 首先我们来介绍一下滚珠丝杠螺母副的一些特点。 滚珠丝杠螺母副是把回转运动的东西改变为走直线运动的装置，目前在很多种数控车床的进给机械传动装置中得到了非常广泛的使 用。 我们先来看图 31所示，这是滚珠丝杠螺母副的结构图形，它的工作过程是：在丝杠和螺母上面加工出来一个弧形的螺旋槽，然后将他俩套装在一块做成一个螺旋滚道，在滚到内部使用滚珠充满。 当丝杠相对着螺母转动的时候，它们两个就会发生轴向位移，滚珠不但可以自己转动而且还可以沿着滚道循环的流动。 滚珠丝杠螺母副的这种独特的结构把以前传统的丝杠和螺母之间的滑动摩擦改变为滚动摩擦，所以他有以下很多优点 [5][6]。 数控车床的步进伺服系统设计 9 图 31 滚珠丝杠螺母副的结构图 （ 1）它具有传动效率，我们只到滚珠丝杠螺母副的机械传动效率是普通丝杠螺母副的 3到 4倍之多，估计滚珠丝杠螺母副的传动效率高达百分之九十六左右。 （ 2）它的运动比较平稳，没有爬行。 因为它的摩擦系数很小并且动静系数接近，所以它的传动平稳，灵活。 所以能很好的消除爬行的现象。 （ 3）它的使用寿命也比 一般的丝杠要长，因为它是滚动摩擦，所以他们零件之间的摩擦力就很小，精度就很高从而寿命就很长。 （ 4）滚珠丝杠螺母副预紧以后可以很有效的消除轴向间隙，所以没有反向死区，这时候也提高了传动的刚度。 当然了，滚珠丝杠螺母副也有一些缺点。 比如说它的结构非常复杂这样就会造成制造成本很高。 还有一点就是他不能自锁。 因为它是滚动摩擦摩擦系数很小。 所以它将旋转运动改变为直线运动的同时也可以将直线运动改变为旋转运动。 采用垂直布置的时候他就会因为零件的惯性或者自重下滑。 X 方向滚珠丝杠螺母副的设计 计算丝杠导程： hP ≥maxmaxNV =2020/500=4mm maxV 工作台的最大快移速度； maxn 电机的最大转速 31060  DnV  （ 31） 计算当量载荷： sDnV 1 0 0 0853 2 0 0 060   D—— 最大回转直径  （切屑力）  7 9 X 数控车床的步进伺服系统设计 10 NFF Z 7 9  移动部件估算，取 ,30m  kg NF in  NFFF X 0 4 8m i nm a x  32 m inm a x FFFm  （ 32） NFFF m m i nm a x  计算预期当量载荷： 取预紧系数 NFfe。 m a x  maxmax FfC e （ 33） ef 预加载荷系数， maxF 最大轴向载荷， N NFfC e 2 9 0m a xm a x  计算滚珠丝杠螺纹 小径： 定位精度， m40 重复定位精度 m16 定位精度 )31~41( （ 34） 则有： ~416)31~41(1m a x  10~840)41~51(2m a x  取最小值： mm  4 ；估算螺纹小径取两端固定支撑 查机械设计手册： a=。 已知行程为 300mm。 工作台总重 W=+300= hPL ）（行程 14~10)~(  L —— 滚珠丝杠有效行程 mmPL h 4 1 64143 0 ~10)~(  ）（行程 mmWLa 2d （ 36） a承方式系数，按表 32 选取， W滚珠丝杠副拖动工作台的质量； L滚珠丝杠两轴承支点间的距离， mm。 mmWLa mm 2   ， 查机械设计手册，由计算出来的 mam dCP 2h , 选取 31604FFZD 型丝杠。 数控车床的步进伺服系统设计 11 其参数为： maama ddKNCKNCKNCmmP 2200h ,16d,4  3maxp FF  （ 37） 计算预紧力： NFF a xp  计算行程补偿值，丝杠有效行程： hPL ）（行程 14~8u  （ 38） mmPL h 3 4 84123 0 014~8u  ）（行程 3u  tLC （ 39） Δ t温度变化值， 2～ 3℃； uL 滚珠丝杠有效行程， mm。 4 33u  tLC 则预拉伸力 NtdF t 1 22  轴承的选择：轴承所受最大轴向载荷： NFFF tB 2 1 0 1 0m a xm a x  ,轴承内经略小于 ,取d=12mm。 maxv 31 BFF  （ 310） 轴承预加负荷 NFFB 4063 m a xv 。 选择轴承型号规格： NFvFmm BY 4 0 6,12d  ,所以选择 51101 型推理球轴承其主要参数为： mm9,mm26,12d  BDmm 验 算系统刚度： 定位精度 F （ 311） 0 NF 定位精度 3 m a x20 aQbb FZdKK  （ 312） Qd — 滚子体直径， mm； Z— 滚珠数； maxaF — 最大轴向载荷。 uLdK 22660s （ 313） )111(1 RKKKbs。