【文章內(nèi)容簡介】 —角加速度，rad/s^2；——電機(jī)工作的最高轉(zhuǎn)速，r/min；t1——加速時(shí)間，s。 電機(jī)所需的加速扭矩——加速扭矩，；——電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量， 計(jì)算各種運(yùn)動狀態(tài)下點(diǎn)檢所需要的驅(qū)動扭矩加速運(yùn)動狀態(tài)下的扭矩：等速運(yùn)動狀態(tài)下的扭矩：減速速運(yùn)動狀態(tài)下的扭矩：加速運(yùn)動狀態(tài)下電機(jī)所需要的驅(qū)動扭矩最大，只要以這種情況下的最大驅(qū)動扭矩進(jìn)行計(jì)算就可以了。 電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量要求慣量比應(yīng)滿足以下關(guān)系：——慣量比；——折算到驅(qū)動電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動慣量，；——電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)選用電機(jī)型號為松下MSMA102P1H，參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速：3000r/min 最高轉(zhuǎn)速：6000r/min額定轉(zhuǎn)矩： 最高轉(zhuǎn)矩：額定輸出功率：3kw 慣量比：30倍以下 滾珠絲杠副的支承的設(shè)計(jì)滾珠絲杠副的支承為了獲得高精度、高剛度的進(jìn)給系統(tǒng)，不僅應(yīng)選用高精度、高剛度的滾珠絲杠副，而且必須十分重視滾珠絲杠支承的設(shè)計(jì)。我們選擇的支撐結(jié)構(gòu)形式選用一端固定一端游動的方式，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性低，設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲桿受拉伸。自由端的軸承主要承受徑向的載荷，軸向的載荷的載荷很小，在這里我們預(yù)選角接觸球軸承B6901ZZ來計(jì)算。，軸向負(fù)載50N，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，計(jì)算公式為 （）——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載，N；——徑向負(fù)載，N；——軸向負(fù)載，N；X、Y——系數(shù)。，，所以X=1，Y=0，再由基本額定壽命計(jì)算公式：——基本額定壽命，h；——基本動態(tài)額定負(fù)載；——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載，N；n——轉(zhuǎn)速，r/min。壽命計(jì)算大于一般數(shù)控機(jī)床的使用壽命標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間20000h，符合條件。固定端采用雙列角接觸球軸承，能承受較大的徑向負(fù)荷為主的徑向和軸向聯(lián)合負(fù)荷和力矩負(fù)荷，限制軸的兩方面的軸向位移。在這里我們預(yù)選角接觸球軸承B51101來計(jì)算。，軸向負(fù)載50N，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，雙列軸承計(jì)算公式為——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載，N；——徑向負(fù)載，N；——軸向負(fù)載，N；X、Y——系數(shù)。，，所以X=1，Y=，再由基本額定壽命計(jì)算公式：——基本額定壽命，h；——基本動態(tài)額定負(fù)載；——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載，N；n——轉(zhuǎn)速，r/min。壽命計(jì)算大于一般數(shù)控機(jī)床的使用壽命標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間20000h，符合條件。 同步齒輪帶傳動的設(shè)計(jì)同步齒輪帶傳動是一種新型的帶傳動，它利用齒輪帶的齒形和帶輪的輪齒依次相嚙合傳遞運(yùn)動或動力，因而兼有帶傳動、齒輪傳動鏈傳動的優(yōu)點(diǎn)：無相對滑動，平均傳動比準(zhǔn)確，傳動精度高。而且齒形帶的強(qiáng)度高，厚度小，重量輕，故可用于高速傳動；齒形帶無需特別張緊，故作用在軸、軸承等上的載荷小，傳動效率高。因此齒形帶傳動在數(shù)控車床上有廣泛的應(yīng)用。與同步齒輪帶配套的同步帶輪選用MISUMI的HTLA72S3M100E25，齒距是3mm，電機(jī)輸出軸與絲桿的中心距是205mm。計(jì)算得出所需同步齒輪帶周長為。選用MISUMI的HTUN625 S3M100，周長625mm，齒距3mm，皮帶寬度10mm。 導(dǎo)軌的選擇滑動導(dǎo)軌覺有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)床使用最廣泛的導(dǎo)軌形式。但普通的鑄鐵鑄鐵導(dǎo)軌，存在靜摩擦因數(shù)大，且動摩擦因數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大。為改善這些性質(zhì)，采用適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒ê图庸し椒?，如采用?yōu)質(zhì)鑄鐵，合金耐磨鑄鐵，進(jìn)行導(dǎo)軌 表面滾軋強(qiáng)化，表面淬硬等工藝。導(dǎo)軌上的摩擦面積為，作用于導(dǎo)軌面上的正壓力。結(jié)果小于灰鑄鐵承受最大極限。車床導(dǎo)軌的卸荷因數(shù)，是由卸荷裝置承受的荷載一般地說，卸荷量過小，導(dǎo)軌壓強(qiáng)仍然大，則運(yùn)動阻力大，導(dǎo)軌磨損也大；但卸荷量過大，當(dāng)外加荷載小時(shí)，會使運(yùn)動部件飄浮，降低了加工精度。為了保證機(jī)床定位精度，卸荷后的導(dǎo)軌平均壓強(qiáng)不應(yīng)過小。4數(shù)控車床伺服進(jìn)給系統(tǒng)Z軸選型 滾珠絲桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算選型載荷確定由solidworks重量計(jì)算功能確定，W=* x軸重量的確定查常用材料的摩擦系數(shù)，導(dǎo)軌接觸面的摩擦阻力 精度等級選定根據(jù)滾珠絲杠機(jī)構(gòu)在具體使用場合所需要提供的定位精度（允許誤差）。按照其具體長度，對照不同等級滾珠絲杠機(jī)構(gòu)所對應(yīng)的導(dǎo)程累積誤差表。判定選擇軋制滾珠絲杠還是磨制滾珠絲杠，選擇能滿足定位精度的最低等級，也就是選用最經(jīng)濟(jì)的精度等級。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的精度應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求來選用，不要盲目地選用過高的精度，使用軋制滾珠絲杠能夠滿足使用要求時(shí)就不必使用磨制滾珠絲杠。因?yàn)榫鹊燃壴礁撸圃斐杀疽苍礁?。價(jià)格越貴，應(yīng)盡可能選用價(jià)格低廉的軋制滾珠絲杠，以降低設(shè)備制造成本。 精度等級確定，我們選擇THK公司精度等級為C2的磨制滾珠絲桿，器導(dǎo)程誤差范圍。 導(dǎo)程的計(jì)算和選定導(dǎo)程表示絲杠轉(zhuǎn)動一周時(shí)螺母沿軸向移動的距離，單位：mm。導(dǎo)程的計(jì)算與驅(qū)動電機(jī)是否帶減速器有關(guān)，下面以典型的安裝情況 電機(jī)帶減速器通過彈性聯(lián)軸器與絲杠連接（即直聯(lián)）的情況為例，說明導(dǎo)程的具體計(jì)算方法。假設(shè)電機(jī)所帶減速器的減速比為i。根據(jù)導(dǎo)程的定義，電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速Nm、與最大進(jìn)給速度Vmax、絲杠導(dǎo)程Pb、減速比i之間的關(guān)系為 （）其中Vmax，單位m/s。在Z軸中，選用電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速Nm=3000r/min，使用聯(lián)軸器直聯(lián)傳動，傳動比i=1根據(jù)計(jì)算結(jié)果，需要選用4mm或更大導(dǎo)程的滾珠絲桿。 絲桿支承方式選定絲桿支承方式主要根據(jù)絲桿長度、轉(zhuǎn)速、定位精度來選定，在絲桿長度較短、轉(zhuǎn)速較低尤其是垂直提升負(fù)載的場合則可以選用一端固定一端自由的簡單安裝方式，我們選用這種方式。 絲桿外徑選定及校核間隙絲杠外徑主要按以下條件來進(jìn)行初選：①在按定位精度選定的滾珠絲杠系列（磨制滾珠絲杠或軋制滾珠絲杠）中選定，②在相應(yīng)的精度等級及絲杠長度下，絲杠外徑的大小必須滿足所要求的軸向③在標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)程絲杠外徑組合中選定絲杠外徑?，F(xiàn)初選外徑為50mm,型號為FFZD50063. 計(jì)算最大軸向載荷在一定的絲杠外徑下，絲杠有可能無法承受使用條件下的最大軸向載荷而發(fā)生彎曲，因此還必須對初選的絲杠外徑進(jìn)行軸向允許載荷校核，使絲杠直徑具有足夠的剛度，保證在最大軸向載荷下絲杠不會發(fā)生彎曲變形。因此首先要計(jì)算最大軸向載荷。計(jì)算最大軸向載荷的另一作用為：軸向載荷是汁算扭矩載荷的基礎(chǔ)，只有計(jì)算出軸向載荷后才能計(jì)算扭矩載荷，而扭矩載荷是進(jìn)行電機(jī)選型的重要依據(jù)。根據(jù)力學(xué)原理，可知各種工作情況下的軸向載荷最大是加速前進(jìn)時(shí)，此時(shí)m——負(fù)載滑塊的質(zhì)量，kg；a——負(fù)載滑塊運(yùn)動的加速度，m/s^2；——直線導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)，；f——導(dǎo)軌無載荷時(shí)的運(yùn)動阻力，N。 軸向允許載荷計(jì)算計(jì)算出最大軸向載荷后，就可以直接進(jìn)行軸向允許載荷計(jì)算及校核了，校核的原則為：在最大軸向載荷作用下絲杠不會發(fā)生彎曲；在最大軸向載荷作用下絲杠不會發(fā)生屈服。① 絲杠在不發(fā)生彎曲的前提下所允許的最大軸向載荷計(jì)算這種軸向允許載荷與絲杠安裝方法、絲杠安裝間距、絲杠溝槽最小直徑等因素有關(guān)，計(jì)算公式為：——最大軸向允許載荷，N；L——絲桿安裝間距，mm；dr——絲桿溝槽最小直徑，mm；——與安裝方式有關(guān)的系數(shù)，； ②絲杠在不發(fā)生屈服前提下的最大允許軸向載荷計(jì)算 絲杠在不發(fā)生屈服的前提下所允許的最大軸向拉伸或壓縮載荷按以下公式計(jì)算；——最大軸向允許載荷，N；dr——絲桿溝槽最小直徑，mm；——絲杠材料的允許拉伸壓縮應(yīng)力（通常情況下為147 N/mm^2）。計(jì)算所得最大軸向載荷均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩個(gè)軸向允許載荷。 絲杠允許轉(zhuǎn)速計(jì)算及校核絲杠允許轉(zhuǎn)速必須滿足兩個(gè)條件：絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過臨界轉(zhuǎn)速；絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過DN值。①臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算選定絲杠外徑除需要進(jìn)行彎曲及屈服校核外，還必須保證絲杠在不發(fā)生共振的前提下使用。隨著絲杠轉(zhuǎn)速的提高，逐漸接近絲杠固有頻率時(shí)，滾珠絲杠機(jī)構(gòu)會發(fā)生共振而不能使用。該固有頻率與絲杠的個(gè)臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)，而絲杠的外徑與此固有頻率密切相關(guān)，因此需要進(jìn)行校核，確保絲杠在固有頻率（臨界轉(zhuǎn)速）以下運(yùn)行，即絲杠最高轉(zhuǎn)速不能超過其臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：——臨界轉(zhuǎn)速，r/min；E——楊氏彈性模量（通常情況下絲杠材料的）；J——絲桿斷面與轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)的參數(shù)，——絲杠材料的密度（）；A——絲杠溝槽最小直徑所在剖面的面積，；——與安裝方式有關(guān)的系數(shù)，；②DN值絲杠允許轉(zhuǎn)速除不得超過臨界轉(zhuǎn)速外，還必須不超過DN允許值所謂DN值是指絲杠公稱直徑（即滾珠中心位置所在圓的直徑）D與絲杠轉(zhuǎn)速N的乘積。絲杠轉(zhuǎn)速N增大時(shí)，絲杠公稱直徑必須減小，絲杠公稱直徑太小又會造成系統(tǒng)剛性差、易變形、影響加工精度等問題。此外，過度提高絲杠的轉(zhuǎn)速N還會引起絲杠發(fā)熱、機(jī)構(gòu)共振等問題，國際上一般DN≤70000100000，少數(shù)制造商（例如口本NSK公司、德國Bosch公司）已將DN值提高到150000。具體大小參照制造商提供的數(shù)據(jù)，通常的設(shè)計(jì)規(guī)范為：磨制滾珠絲杠及軋制大導(dǎo)程滾珠絲杠：DN≤70000軋制滾珠絲杠：DN≤50000 壽命計(jì)算及校核即使是合理地設(shè)計(jì)、選用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，經(jīng)過一定時(shí)間的運(yùn)行后，滾珠絲杠機(jī)構(gòu)都會因?yàn)槟p而不能繼續(xù)使用，從開始使用直至不能使用前的使用時(shí)間稱為滾珠絲杠的壽命。造成滾珠絲杠壽命有限的原因除磨損造成的精度下降外，還有因?yàn)槠谠斐傻钠趬勖こ躺现饕詽L珠絲杠的疲勞壽命來推算其額定壽命。 滾珠絲杠的疲勞壽命可以由實(shí)際運(yùn)行時(shí)間來表示，計(jì)算公式為：——壽命時(shí)間，h；C——基本動額定負(fù)載，N；Pm——軸向平均負(fù)載，N；Nm——平均轉(zhuǎn)速，r/min；Fw——運(yùn)行系數(shù)，正常運(yùn)行時(shí)fw=；壽命計(jì)算大于一般數(shù)控機(jī)床的使用壽命標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間20000h，符合條件。 電機(jī)的選型由于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)一般都用于精密的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，所以在使用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)時(shí)，通常都通過伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動其中伺服電機(jī)驅(qū)動一般應(yīng)用在要求高精度、高效率、高可靠性的運(yùn)動控制場合，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動一般應(yīng)用在要求比伺服電機(jī)稍低的場合。使用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)時(shí)，電機(jī)的選型方法和要求又有所區(qū)別。這里我們選用伺服電機(jī)。 轉(zhuǎn)速的計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須能夠滿足負(fù)載最高工作速度的需要，即在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下，負(fù)載的運(yùn)動速度必須高于所需要的最高速度?？梢郧蟪鲭姍C(jī)所需要的最低額定轉(zhuǎn)速：隨著滾珠絲杠轉(zhuǎn)速的提高，其工作頻率接近絲杠的固有頻率時(shí)將導(dǎo)致共振，因此一定要在絲杠的臨界轉(zhuǎn)速以下使用。如前所述，在選定絲杠外徑時(shí)需要根據(jù)安裝條件、材料特性、直徑等參數(shù)對臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，確認(rèn)絲杠最高轉(zhuǎn)速不超過其臨界轉(zhuǎn)速，否則必須重新選擇絲杠外徑，直到滿足要求為止。這里的額定轉(zhuǎn)速滿足條件。 驅(qū)動扭矩計(jì)算因?yàn)檫M(jìn)行電機(jī)選型時(shí)需要以電機(jī)所需的最大扭矩及扭矩的有效值為依據(jù)，所有需要對加速狀態(tài)下電機(jī)所需要的驅(qū)動扭矩進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)力學(xué)原理，加速扭矩等于機(jī)構(gòu)總轉(zhuǎn)動慣量與角加速度的乘積，所以首先要計(jì)算所有部件的總轉(zhuǎn)動慣量并折算到驅(qū)動電機(jī)上?？傓D(zhuǎn)動慣量包括絲杠的轉(zhuǎn)動慣量、工作臺與工件的轉(zhuǎn)動慣量。等速運(yùn)動時(shí)所需要的驅(qū)動扭矩絲桿的轉(zhuǎn)動慣量工作臺的轉(zhuǎn)動慣量——工作臺與工件的轉(zhuǎn)動慣量，；m——工作臺與工件的總質(zhì)量，kg；——絲桿導(dǎo)程，mm。折算到驅(qū)動電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動慣量——折算到驅(qū)動電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動慣量，；——絲桿的轉(zhuǎn)動慣量，；——工作臺與工件的轉(zhuǎn)動慣量，；i——電機(jī)至絲杠的減速比。 計(jì)算角加速度角加速度計(jì)算公式：——角加速度，rad/s^2；——電機(jī)工作的最高轉(zhuǎn)速，r/min；t1——加速時(shí)間，s； 電機(jī)所需的加速扭矩——加速扭矩，；——電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，； 計(jì)算各種運(yùn)動狀態(tài)下點(diǎn)檢所需要的驅(qū)動扭矩 加速運(yùn)動狀態(tài)下的扭矩： 等速運(yùn)動狀態(tài)下的扭矩：減速速運(yùn)動狀態(tài)下的扭矩：加速運(yùn)動狀態(tài)下電機(jī)所需要的驅(qū)動扭矩最大，只要以這種情況下的最大驅(qū)動扭矩進(jìn)行計(jì)算就可以了。 電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量要求慣量比應(yīng)滿足以下關(guān)系：——慣量比；——折算到驅(qū)動電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動慣量，；——電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)選用電機(jī)型號為松下MSMA102P1H，參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速：3000r/min 最高轉(zhuǎn)速：6000r/min額定轉(zhuǎn)矩： 最高轉(zhuǎn)矩：額定輸出功率：3kw 慣量比：30倍以下 滾珠絲杠副的支承的設(shè)計(jì)滾珠絲杠副的支承為了獲得高精度、高剛度的進(jìn)給系統(tǒng)，不僅應(yīng)選用高精度、高剛度的滾珠絲杠副，而且必須十分重視滾珠絲杠支承的設(shè)計(jì)。我們選擇的支撐結(jié)構(gòu)形式選用一端固定一端游動的方式，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性低，設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲桿受拉伸。游動端的軸承主要承受徑向的載荷，軸向的載荷的載荷很小，在這里我們預(yù)選角接觸球軸承B6901ZZ來計(jì)算。，軸向負(fù)載120N，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，計(jì)算公式為——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載，N；——徑向負(fù)載，N；——軸向負(fù)載，N；X、Y——系數(shù)。，，所以X=1，Y=0，再由基本額定壽命計(jì)算公式：——基本額定壽命，h；——基本動態(tài)額定負(fù)載；——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載，N；n——轉(zhuǎn)速，r/min。壽命計(jì)算大于一般數(shù)控機(jī)床的使用壽命標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間20000h，符合條件。固定端采用雙列角接觸球軸承，能承受較大的徑向負(fù)荷為主的徑向和軸向聯(lián)合負(fù)荷和力矩負(fù)荷，限制軸的兩方面的軸向位移。在這里我們預(yù)選角接觸球軸承B51101來計(jì)算。，軸向負(fù)載120N，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，雙列軸承計(jì)算公式為——軸承負(fù)載，動態(tài)等效負(fù)載