1 课题介绍

数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，由美国发明家约翰·帕森斯于上个世纪发明。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。迄今为止，欧、美、日等工业化国家已经先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，至今仍处于发展阶段。

数控车床是目前使用较为广泛的数控机床之一。它主要用于轴类零件或盘类零件的内外圆柱面、任意锥角的内外圆锥面、复杂回转内外曲面和圆柱、圆锥螺纹等切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔及镗孔等。

数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。进给传动系统的机电部件主要有伺服电动机及检测元件、联轴节、减速机构（齿轮副和带轮）、滚珠丝杠螺母副（或齿轮齿条副）、丝杠轴承、运动部件（工作台、主轴箱、滑座、横梁和立柱等）。

数控车床伺服系统的一般结构如图所示：

图1 数控车床进给伺服系统

伺服电机，直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便，产生电磁干扰，对环境有要求。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。

控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统的输出端与输入端之间不存在反馈，适用于简单的系统，响应时间较长，成本较低，便宜，缺点是控制精度不高，抑制干扰能力差，对系统参数变化比较敏感。闭环控制系统又称反馈控制系统，利用的是负反馈， 即是由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统。与开环控制系统相比，闭环控制系统具有抑制干扰的能力，对元件的变化不敏感，系统更加复杂。

滚珠丝杆副是在丝杠与螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动。

滚珠丝杠副的滚道型面分为单圆弧型和双圆弧型，单圆弧形的螺纹滚道的接触角随轴向载荷大小的变化而变化，主要由轴向载荷所引起的接触变形的大小而定。由于单圆弧形滚道加工用砂轮成型较简单，故容易得到较高的加工精度。

双圆弧形的螺纹滚道的接触角口在工作过程中基本保持不变。两圆弧相交处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不接触，并能存储一定的润滑油以减少摩擦磨损。加工成本较高。

滚珠循环方式分为内循环和外循环，。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。外循环一般用于大型丝杠、大负荷丝杠、外循环丝杠多用金属反向器，能够承受更高的工作温度；内循环螺母外径小于外循环，负载也小于外循环，适用于小型、微型，以及轻载型，安装环境比较紧凑的也多用内循环。

滚珠丝杠副的选型，先确定滚柱丝杠导程，计算滚珠丝杠副载荷及转速，确定预期额定动载荷，按精度要求确定允许的滚珠丝杠最小螺纹底直径，然后确定滚珠丝杠副规格代号，确定预紧滚珠丝杠副预紧力，计算行程补偿值和预拉伸力，最后确定滚珠丝杠副支撑用轴承规格型号。