前言隨著社會生產和科學技術的發展，機械產品的效能和質量的提高。產品的更新換代也不斷的加快。因此對工具機不僅要求迅速適應產品零件的換代有教高的精度和生產率，而且應有教高的精度和生產率，生產的需要促使數控工具機的產生。
隨著電子技術，特別是計算機技術的發展，數控工具機迅速發展起來。數控工具機的進一步設計的必要性可以解決形狀複雜小批零件的加工問題，穩定加工質量和提高生產率。但是由於受其它條件的限制，例如**、精度等問題。
所以設計改造數控工具機的進給系統是刻不容緩的。數控工具機進給傳動系統的設計，其中包括進給系統的軸向負載計算，導軌的設計與選型，滾珠絲槓螺母副的選型計算，進給傳動系統的動態特性分析誤差計算，驅動電動機的選型計算，驅動電動機與滾珠絲槓的連線等等。
通過這次綜合課程設計，可以達到以下目的：1、培養綜合運用專業基礎知識和專業技能來解決工程實際問題的能力；2、強化工程實踐能力和意識,提高本人綜合素質和創新能力；3、使本人受到從事本專業工程技術和科學研究工作的基本訓練,提高工程繪圖、計算、資料處理、使用計算機、使用文獻資和手冊、文字表達等各方面的能力；4、培養正確的設計思想和工程經濟觀點，理論聯絡實際的工作作風，嚴肅認真的科學態度。
數控工具機伺服系統的一般結構如圖所示：
數控工具機進給伺服系統
由於各種數控工具機所完成的加工任務不同，它們對進給伺服系統的要求也不盡相同，但通常可概括為以下幾方面：可逆執行；速度範圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩定性；快速響應並無超調；高精度；低速大轉矩。
伺服系統對伺服電機的要求：
（1）從最低速到最高速電機都能平穩運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時，仍有平穩的速度而無爬行現象。
（2）電機應具有大的較長時間的超載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內超載4-6倍而不損壞。
（3）為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，並具有盡可能小的時間常數和啟動電壓。電機應具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機可在0.2s以內從靜止啟動到額定轉速。
（4）電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉。
隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發展，數控工具機的伺服系統已開始採用高速、高精度的全數字伺服系統。使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數字方式。由位置、速度和電流構成的三環回饋全部數位化、軟體處理數字pid，使用靈活，柔性好。
數字伺服系統採用了許多新的控制技術和改進伺服效能的措施，使控制精度和質量大大提高。
進給伺服系統按其控制方式不同可分為開環系統和死迴圈系統。死迴圈控制方式通常是具有位置回饋的伺服系統。根據位置檢測裝置所在位置的不同，死迴圈系統又分為半死迴圈系統和全死迴圈系統。
半死迴圈系統具有將位置檢測裝置裝在絲槓端頭和裝在電機軸端兩種型別。前者把絲槓包括在位置環內，後者則完全置機械傳動部件於位置環之外。全死迴圈系統的位置檢測裝置安裝在工作台上，機械傳動部件整個被包括在位置環之內。
開環系統的定位精度比死迴圈系統低，但它結構簡單、工作可靠、造價低廉。由於影響定位精度的機械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環系統的精度和快速性較差。
全死迴圈系統控制精度高、快速效能好，但由於機械傳動部件在控制環內，所以系統的動態效能不僅取決於驅動裝置的結構和引數，而且還與機械傳動部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關係，故必須對機電部件的結構引數進行綜合考慮才能滿足系統的要求。因此全死迴圈系統對工具機的要求比較高，且造價也較昂貴。死迴圈系統中採用的位置檢測裝置有：
脈衝編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和雷射干涉儀等。
數控車床的進給伺服系統中常用的驅動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。交流伺服電機由於具有可靠性高、基本上不需要維護和造價低等特點而被廣泛採用。
直流伺服電動機引入了機械換向裝置。其成本高，故障多，維護困難，經常因碳刷產生的火花而影響生產，並對其他裝置產生電磁干擾。同時機械換向器的換向能力，限制了電動機的容量和速度。
電動機的電樞在轉子上，使得電動機效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉子變得短粗，影響了系統的動態效能。
交流伺服已佔據了工具機進給伺服的主導地位，並隨著新技術的發展而不斷完善，具體體現在三個方面。一是系統功率驅動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發展，智慧型化功率模組得到普及與應用；二是基於微處理器嵌入式平台技術的成熟，將促進先進控制演算法的應用；三是網路化製造模式的推廣及現場匯流排技術的成熟，將使基於網路的伺服控制成為可能。
2、總體設計方案的擬定
2.1 系統運動方式的確定
數控系統按運動方式可分為點位控制系統、點位直線控制系統和連續控制系統。本次設計的工具機要求具有定位、直線插補、順、逆圓弧插補、暫停、迴圈加工、公英製螺紋加工等功能，故應選擇連續控制系統。
2.2 控制方式的選擇
伺服系統可分為開環控制系統、半閉環控制系統和閉環控制系統。
本次設計的工具機精度要求高，但考慮到經濟及除錯等問題，選用半閉環型的控制系統。
2.3 機械傳動方式
目前數控銑床的縱向和橫向多採用伺服電機，進給系統的機械傳動鏈採用滾珠絲槓、靜壓絲槓和無間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。我們這裡擬採用的是滾珠絲槓副傳動，以減少摩擦係數，提高進給機構的整體剛度。滾珠絲槓與電機間用聯軸器直接連線，以消除間隙。
三、滾珠絲槓副的設計
3.1 滾珠絲槓副的計算
計算引數：
工作台重量22kg
加工物件重量8kg
工作台y向最大行程500mm
y向進給速度2m/min
進給抗力x250n y:150n z:200n
定位精度0.01mm
重複定位精度0.005mm
(1) 計算進給軸向力(n)
絲槓上的工作載荷fm是指滾珠絲鋼負載驅動工作台時滾珠絲鋼所承受的軸向力，也叫進給牽引力。它包括三個力：滾珠絲杆的走刀抗力、工件的重力、作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。
矩形導軌的工作載荷的計算公式為：
式中 k—考慮顛覆力矩影響的實驗係數，矩形滑動導軌取k=1.4；
—滑動導軌摩擦係數：貼塑導軌為0.03-0.05，取0.03；
g—工作台、夾具和刀具的重量，g=309.8=294n。
則（2）動載強度計算
當轉速時，滾珠絲槓螺母的主要破壞形式是工作表面的疲勞點蝕，因此要進行動載強度計算，其計算動載荷應小於或等於滾珠絲杆螺母副的額定動負荷，即
式中 ——載荷性質係數（平穩或輕度衝擊時為1.0~1.2，中等衝擊時為1.2~1.5，較大衝擊或振動時為1.5~2.5）本式中去=1.2；
——硬度係數（時為1.0，等於55時為1.11，等於52.5時為1.35，等於50時為1.56，等於45時為2.40）本式中取=1；
l——滾珠絲杆工作壽命，以r為1個單位；
本次設計中，電機與絲杆通過聯軸器直接相連，減速比i=1，工作台的最高進給速度達到2m/min，選用絲杆導程為5mm的絲杆，絲杆的最高轉速為1500r/min。故絲杆的最低轉速為可取為0，則平均轉速n=（1500+0）/2=750r/min故絲杆的工作壽命為
l===675
式中 t——絲杆使用壽命，按設計工具機要求取t=15000h；
n——絲杆平均轉速；
代入上式得
（3）靜強度計算
當轉速時，滾珠絲槓螺母的主要破壞形式為滾珠接觸面上產生較大的塑性變形，影響正常工作。因此，應進行靜強度計算，最大計算靜載荷為
式中 ——滾珠絲杆的最大軸向負載；
——靜態安全係數，當為一般運轉時， =1-2， =2-3，本式中=2.5；
則，上式為=
根據計算額定動負載荷和額定靜負荷初選滾珠絲槓副型號2505—3型，3列2圈外迴圈螺紋預緊滾珠絲杆副。其名義公稱直徑為25mm，導程5mm，滾珠直徑3.175mm。
額定動負荷9309n，額定靜負荷21569n。動載荷與靜載荷載均滿足要求。
（4）滾珠絲杆支承選擇
滾珠絲槓的支承形式有四種：一端固定，一端自由，這種安裝方式承載能力小，軸剛度低，只是用於短絲杆，一般用於數控工具機的調節環節或公升降台式數控銑床的立向座標中；一端固定，一端簡支，此種可用於絲杆較長的情況；兩端固定，這種安裝方式適用於承載能力大，高速，高剛度，高精度的工具機。從剛度計算可以看出，絲杆的支撐方式對絲杆的剛度影響很大。
而採用兩端固定的支承方式，壓桿的穩定性和臨界轉速高，絲槓的軸向剛度為一端固定的4倍，絲槓可以預拉伸，預拉伸後可減小絲槓自重下垂和補償熱膨脹且軸承組合的剛度高。
本傳動系統的絲杆採用兩端固定的結構形式。初步選用角接觸球軸承36304，既可以承受軸向力，也可以承受徑向力，中間用套筒分開。
（6）傳動效率的計算
絲槓螺母副的傳動效率η為
η= 式中摩擦角——φ=10′
摩擦角——=』
η= =
0.960
滾珠絲槓的傳動效率高，這可使絲槓副的溫度變化較小，對減小熱變形，提高剛度、強度都起了很大作用。
（7）確定滾珠絲槓的長度
滾珠絲槓副的螺紋長度ls
3-12)
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