【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有足夠高的剛性，每個(gè)元件處于性能最好的狀態(tài)，從而保證機(jī)床的高精度。 根據(jù)上述條件選擇滾珠絲杠直徑為 40mm，導(dǎo)程為 10mm。 (1) 絲杠軸支撐方法的選擇 滾珠絲杠垂直使用，行程長(zhǎng)度 400mm 較短，并設(shè)計(jì)采用高精度光柵尺作為測(cè)量反饋裝置，為減小絲杠在工作過(guò)程中的熱伸長(zhǎng)， 以及絲杠螺母的安裝調(diào)節(jié)方便， 支撐方法選擇固定 — 自由方式。 (2) 容許軸向負(fù)荷的探討 15 a） 最大軸向負(fù)荷的計(jì)算 導(dǎo)向面的阻力 20 ( )fN? 無(wú) 負(fù) 荷 時(shí) 運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量 50m kg? 最大速度 max /V m s? 加速時(shí)間 1 ? 則有：加速度 21m a x / smtVa ??? 上升加速時(shí) 1 50 20 50 535F a m g f m a N? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 上升等速時(shí) 2 5 0 9 .8 2 0 5 1 0F a m g f N? ? ? ? ? ? ? 上升減速時(shí) 3 50 20 50 485F a m g f m a N? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 下降加速時(shí) 4 50 20 50 445F a m g f m a N? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 下降等速時(shí) 5 5 0 9 .8 2 0 4 7 0F a m g f N? ? ? ? ? ? ? 下降減速時(shí) 6 50 20 50 495F a m g f m a N? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 作用在滾珠絲杠上的最大軸向負(fù)荷： m ax 1 535Fa Fa N?? b） 絲杠軸的挫曲栽荷的計(jì)算 參照 文獻(xiàn) [20]A694 頁(yè) ，為考慮挫曲因素，螺母和軸承之間的安裝方法按固定 — 固定方式。 與安裝方法相關(guān)的系數(shù) 2 20?? 安裝距離 600al mm? （估算） 絲杠軸溝槽谷徑 1 34d mm? 4 444112 22 341 0 2 0 1 0 7 4 2 . 4600adP K Nl?? ? ? ? ? ? ? c）絲杠軸的容許拉伸壓縮負(fù)荷 22211 1 6 1 1 6 3 4 1 3 4 0 9 6 1 3 4 .1P d KN? ? ? ? ? ? 由此可見(jiàn)， 1 2 maxP P Fa?? ， 絲杠軸的挫曲載荷和容許拉伸壓縮負(fù)荷大于最大軸向負(fù)荷，滿(mǎn)足滾珠絲杠的使用要求。 (1) 容許轉(zhuǎn)速的計(jì)算 a） 最高轉(zhuǎn)速 絲杠軸直徑： 40mm；導(dǎo)程 ： 10mm 最大速度 max /V m s? 導(dǎo)程 10Ph mm? 3 3m a xm a x 6 0 1 0 0 . 1 6 0 1 0 60010VN r p mPh?? ??? ? ? b） 由絲杠軸的危險(xiǎn)速度所決定的容許轉(zhuǎn)速 參照 文獻(xiàn) [20]A696 頁(yè) ，為考慮危險(xiǎn)速度，螺母和軸承間的安裝方法按固定 — 支撐。 16 與安裝方法相關(guān)的系數(shù) 2 ? ? 安裝間距 600bl mm? （估算） 危險(xiǎn)速度 77112 22 341 0 1 5 . 1 1 0 1 4 2 6 1 . 1600bdN r p ml?? ? ? ? ? ? ? c） 由 DN 值所決定的容許轉(zhuǎn)速 鋼球中心直徑： D＝ 42mm 參考 文獻(xiàn) [20]A697 頁(yè) ， HBN 型容許轉(zhuǎn)速 r pmN 2 ?? 由上述可見(jiàn)，絲杠最大轉(zhuǎn)速都小于絲杠軸的危險(xiǎn)速度和 DN 值，滿(mǎn)足使用要求 （ 2）螺母的選擇 a） 螺母型號(hào)的選擇 選擇絲杠軸直徑為 40mm，導(dǎo)程為 10mm 的高負(fù)荷 HBN 型精密滾珠絲杠： ， KNCKNC aa 3 3 6, 6 2 0 ?? 。 b） 容許軸向負(fù)荷計(jì)算 參考 文獻(xiàn) [20]A703 頁(yè) 上表 18，因加速、減速時(shí)有沖擊負(fù)荷的作用，故靜態(tài)安全系數(shù) 2sf ? 與最大軸向負(fù)荷 NFa 535max ? 相比，得到的容許軸向負(fù)荷較大，因而該絲杠型號(hào)可以使用。 （ 3）工作壽命計(jì)算 a）運(yùn)行距離的計(jì)算 最大速度 smV / ? 加速時(shí)間 st ? 減速時(shí)間 st ? 加速時(shí)的運(yùn)行距離 mmtVl 10102 331m a x1 ??????? 減速時(shí)的運(yùn)行距離 mmtVl 10102 331m a x3 ??????? 等速時(shí)的 運(yùn)行距離 mmllll 3801010400312 ??????? 等速時(shí)間 sVlt ax22 ?? 根據(jù)以上條件，軸向負(fù)荷與運(yùn)行距離的關(guān)系如表 22 所示： 表 32 軸向負(fù)荷與運(yùn)行距離的關(guān)系 動(dòng) 作 軸向負(fù)荷 ()NFa N 運(yùn)行距離 ()Nl mm No1：上升加速時(shí) 535 10 KNfCaF soa 1682336m a x ???? 17 No2：上升等速時(shí) 510 380 No3：上升減速時(shí) 485 10 No4：下降加速時(shí) 445 10 No5：下降等速時(shí) 470 380 No6：下降減速時(shí) 495 10 b) 軸向平均負(fù)荷 賽 c) 額定壽命 動(dòng)額定負(fù)荷 KN? 參照 文獻(xiàn) [20]A704 上的表 19， 負(fù)荷系數(shù) ? 平均負(fù)荷 N? 額定壽命 L（ rev） 3 6 3 6 1 31 6 2 . 6 1 0 0 0( ) 1 0 ( ) 1 0 2 . 1 1 01 . 2 4 9 0 . 8 8WCaL r e vf F m ?? ? ? ? ? ??? c ) 每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù) 每分鐘往返次數(shù) 110minn ?? 行程 400l mm? 導(dǎo)程 10Ph mm? d )根據(jù)額定壽命計(jì)算工作壽命時(shí)間 額定壽命 10L rev?? 每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù) 1800 minNm ?? 13 82 . 1 1 0 4 . 3 8 1 06 0 6 0 8 0 0LL h hNm ?? ? ? ??? e ) 根據(jù)額定壽命計(jì)算運(yùn)行距離壽命 額定壽命 10L rev?? 導(dǎo)程 10Ph mm? 1m i n80010 4001022 ????????hPlnNmNlFalFalFalFalFalFalFm)10495380470104451048538051010535(40021)(213 3333333 336235134333232131??????????????????????????? 18 6 13 6 710 10 10 10 10L s L Ph k m??? ? ? ? ? ? ? ? ? 由上述計(jì)算可知， 型能滿(mǎn)足希望壽命時(shí)間 20210 小時(shí)。 （ 6）定位精度分析 1）導(dǎo)程精度 選擇絲杠導(dǎo)程精度等級(jí)為 C0 級(jí)，代表運(yùn)行距離誤差 6μm，變動(dòng) /300 值為 4μm 2）軸向間隙 因?yàn)闈L珠絲杠是垂直使用，軸向負(fù)荷總是朝一個(gè)方向，沒(méi)有軸向間隙。 3）軸向剛性 a）絲杠的軸向剛性 安裝方式：固定 — 自由 考 文獻(xiàn) [20]A707 頁(yè) 剛性探討，絲杠的軸向剛性為 ： 1000AEKs L?? ? （ 21） 式中： A：絲杠 軸的斷面面積 E：楊氏模量（ 10 /N m m? ） L：安裝間距（ 100mm~500mm） 2 2 21 3 4 9 0 7 . 9 244A d m m??? ? ? ? 當(dāng) 100L mm? 時(shí)， 51 9 0 7 .9 2 2 .0 6 1 0 1 8 7 0 .3 2 /1 0 0 0 1 0 0K s N m?????? 當(dāng) 500L mm? 時(shí)， 52 9 0 7 .9 2 2 .0 6 1 0 3 7 4 .0 5 /1 0 0 0 5 0 0K s N m?????? b) 絲杠軸的軸向剛性引起的軸向變位量 當(dāng) 100L mm? 時(shí)，1 1 535 0 .2 91 8 7 0 .3 2Fa mKs??? ? ? 當(dāng) 500L mm? 時(shí)，2 2 535 1 .4 33 7 4 .0 5Fa mKs? ? ? c) 進(jìn)給絲杠軸向剛性引起的定位誤差 定位精度 m??? ????? 因此由進(jìn)給絲杠軸向剛性而產(chǎn)生的定位誤差是 m。 選擇高負(fù)荷 HBN 精密滾珠絲杠，軸向剛性為 1910KN/μ m，具有足夠大的剛性，通過(guò)高精度直線(xiàn)光柵尺進(jìn)行閉環(huán)反饋控制， Z 軸部件可以實(shí)現(xiàn) Z 軸部件 定位精度 的要求 。 4） 因發(fā)熱 而引起的熱變形計(jì) 算 19 如果在運(yùn)轉(zhuǎn)中絲杠軸的溫 度上升，絲杠軸因熱而伸長(zhǎng)，會(huì)影響定位精度。因發(fā)熱而引起的絲杠軸伸縮量： l t l?? ? ?? ? （ 22） 式中： l? ：絲杠軸的軸向伸縮量 ? ：熱膨脹系數(shù) t? ：絲杠軸的溫度改變 l ：螺紋部分有效長(zhǎng)度（ 620mm） 當(dāng)溫度上升 1℃ 時(shí)，絲杠軸伸長(zhǎng) 612 10 1 620 t l m???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 因此滾珠絲杠的使用時(shí)，一方面采取相應(yīng)措施控制絲杠溫升，另一方面通過(guò)高精度光柵尺進(jìn)行測(cè)量反饋，保證精度要求。 （ 7 ) 旋轉(zhuǎn)扭矩計(jì)算 1）由外部 負(fù)荷引起的摩擦扭矩 上升等速時(shí) 21 5 1 0 1 0 8 5 4 . 4 42 2 0 . 9 5F a P hT N m m? ? ?? ?? ? ? ?? 下降等速時(shí) 52 4 7 0 1 0 7 8 7 .8 02 2 0 .9 5F a P hT N m m? ? ?? ?? ? ? ?? 2）有滾珠絲杠予壓引起的扭矩 對(duì)絲杠沒(méi)有施加予壓 3）加速時(shí)所需的扭矩 慣性力矩 (轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )： 查文獻(xiàn) [20]B577 頁(yè)的 尺寸表 ，每 單位長(zhǎng)度的絲杠軸慣性力矩為 ： 221 .9 7 1 0 /k g c m m m???，則絲杠軸全長(zhǎng) 732mm 的慣性力矩如下： 2 2 3 7 10 732 14. 42 4 10J s k g c m k g m??? ? ? ? ? ? ? ? 絲杠負(fù)載慣性力矩 2 2 6 2( ) 1 02PhJ m i J s i? ?? ? ? ? ? （ 33） 式中： 1i? ， 2 2 6 2 2 2 6 3 2 3 210( ) 1 0 5 0 ( ) 1 1 0 1 . 4 4 1 0 1 1 . 5 7 1 022PhJ m i J s i k g m?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 角加速度： 2112 m a x 2 6 0 039。 3 1 4 .1 5 /6 0 6 0 0 .2N r a d stt? ? ?? ??? ? ? ??? 根據(jù)上述計(jì)算，加速所需要的扭矩如下： 33 39。 1. 57 10 31 4. 15 0. 49 49 0T J Nm N m m? ?? ? ? ? ? ? ? ? 因此，所需扭矩如下： 20 上升加速時(shí)： 1 1 3 8 5 4 .4 4 4 9 0 1 3 4 4 .4 4tT T T N m m? ? ? ? ? ? 上升等速時(shí)： 21 8 5 4 .4 4tT T N m m? ? ? 上升減速時(shí)： 3 1 3 854 .44 490 364 .44tT T T N m m? ? ? ? ? ? 下降加速時(shí)： 4 2 3 787 .80 490 297 .80tT T T N m m? ? ? ? ? ? 下降等速時(shí)： 52 7 8 7 .8 0tT T N m m? ? ? 下降減速時(shí)： 6 2 3 7 8 7 .8 0 4 9 0 1 2 7 7 .8 0tT T T N m m? ? ? ? ? ? （ 8）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的初步計(jì)算 1）旋轉(zhuǎn)速度 滾珠絲杠的導(dǎo)程根據(jù)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇，絲杠最高使用 轉(zhuǎn)速 600rpm，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 3000rpm。 2）最小進(jìn)給量 最小進(jìn)給量與電機(jī)角度測(cè)試儀的分辨率有關(guān)，計(jì)算得電機(jī)角度分辨率為：100000p/rev。 3）電機(jī)扭矩 計(jì)算加速時(shí)所產(chǎn)生的扭矩為所需的最大扭矩 ： 1m a x 134 4 44tT T N m m N m? ? ? ? ? 4）電機(jī)扭矩有效值 電機(jī)扭矩的有效值為： 2 2 2 2 2 2 21 1 2 2 3 3 4 1 5 2 6 31 2 3 1 2 3t t t t t tr m s T t T t T t T t T t T tT t t t t t t? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? N mm?? 即電機(jī)的額定扭矩必須大于 mm? 5）慣性力矩 作用 在電機(jī)上的慣性力矩為： 10J kg m?? ? ?，通常電機(jī)有必要具有作用在電機(jī)上慣性力矩的 1/10 以上的慣性力矩。因此， AC 伺服電機(jī)的慣性力矩必須為 10 kg m???以上。 綜上計(jì)算， 滾珠 絲杠 副 的選擇完成，即為 帶球保持器的 高負(fù)荷 HBN 精密滾珠絲杠：HBN +728LC0 絲杠主要參數(shù)如表 23 所示 ： 表 23 滾珠絲杠的主