【正文】 載P1=，導(dǎo)軌長(zhǎng)度160mm，其基本額定動(dòng)載荷為2260kgf，基本額定靜載荷為3790kgf。根據(jù)上述分析和計(jì)算結(jié)果，由文獻(xiàn)[12]、：X方向：GGB25AA2P121000CY方向：GGB25AA2P121240CZ方向：GGB20AA1P12160C5) 伺服電機(jī)的選擇 a) 伺服電機(jī)的選擇原則數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)床、精密機(jī)床和萬(wàn)能機(jī)床三者的優(yōu)點(diǎn)，將高效率、高精度和高柔性集中于一身。在數(shù)控機(jī)床中，機(jī)床技術(shù)水平的提高，首先依賴于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)特性的改善以及功能的擴(kuò)大。為此，數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)（主要即是伺服電機(jī)）提出了很高的要求。由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，所以它們對(duì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的要求液不盡相同，但大致可概括為以下四個(gè)方面：⑴ 精度高： 即要求保證數(shù)控機(jī)床要有高的定位精度和加工精度；⑵ 快速響應(yīng)： 為了保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有較高的定位精度外，還要有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快；⑶ 調(diào)速范圍寬： 在各種數(shù)控機(jī)床中，由于加工用刀具被加工材質(zhì)以及零件加工要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳的切削條件，就要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍；⑷ 低速大轉(zhuǎn)矩： 根據(jù)機(jī)床的加工特點(diǎn)，大都是在低速進(jìn)行重切削，即在低速時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。為了滿足以上四點(diǎn)要求，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件——伺服電機(jī)也相應(yīng)地提出了要具有高精度、快反應(yīng)、寬調(diào)速和大轉(zhuǎn)矩等特點(diǎn)。其具體要求是：⑴ 電機(jī)從最低進(jìn)給到最高進(jìn)給速度范圍內(nèi)都能平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其是在最低轉(zhuǎn)速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行；⑵ 電機(jī)應(yīng)具有大的、較長(zhǎng)時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求；⑶ 為了滿足快速響應(yīng)的要求，即隨著控制信號(hào)的變化，電機(jī)應(yīng)能在較短的時(shí)間內(nèi)完成必須的動(dòng)作，快的反應(yīng)速度直接影響到系統(tǒng)的品質(zhì)。因此，要求電機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，盡可能小的電機(jī)時(shí)間常數(shù)和起動(dòng)電壓；⑷ 典籍應(yīng)能夠承受頻繁的起動(dòng)，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。b) 伺服電機(jī)的類型伺服電機(jī)主要有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。直流伺服電機(jī)開發(fā)較早，應(yīng)用廣泛，具有優(yōu)良的調(diào)速性能。但直流伺服電機(jī)本身卻有一些固有的缺點(diǎn)：電刷和換向器容易磨損，需經(jīng)常維護(hù)；由于換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花，使電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；而且直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所有銅鐵材料消耗大，制造成本高。交流伺服電機(jī)本身沒有以上直流電機(jī)的缺點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好；在同樣的體積下，交流電機(jī)比直流電機(jī)的輸出功率可提高10%—30%；交流電機(jī)的容量更大，轉(zhuǎn)速和承受電壓更高、壽命更長(zhǎng)、故障也更少。本數(shù)控機(jī)床采用美國(guó)AB公司生產(chǎn)的1326系列交流伺服電動(dòng)機(jī)及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。c) 交流伺服電機(jī)的性能分析交流伺服電機(jī)的特性曲線圖215所示。它可分布為兩個(gè)區(qū)域：連續(xù)工作區(qū)和斷續(xù)工作區(qū)。兩區(qū)的交界線為連續(xù)工作時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的上限。因而是額定轉(zhuǎn)速線從中可以看出：額定轉(zhuǎn)矩雖隨轉(zhuǎn)矩的升高略有下降，但變形不大，可看作基本上是恒轉(zhuǎn)矩輸出。連續(xù)工作區(qū)上限是這種電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，用于執(zhí)行部件的快移。這時(shí)工作時(shí)間很短，而且最大轉(zhuǎn)矩僅僅發(fā)生于啟動(dòng)的瞬間，用于克服慣性。電機(jī)雖發(fā)熱較多，但工作時(shí)間較短，故仍然能保證溫度不超過允許的程度。與直流伺服電機(jī)相比，交流伺服電機(jī)的特性比直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性要硬，其直線更接近水平線。另外，斷續(xù)工作區(qū)的范圍更為擴(kuò)大，尤其是在離高速區(qū)域，這有利于提高電機(jī)的加、減速能力。d) 伺服電機(jī)的選擇計(jì)算⑴ 根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知，數(shù)控機(jī)床的伺服電機(jī)，應(yīng)滿足下列條件：在所給的進(jìn)給速度范圍內(nèi)（包括快速移動(dòng)），空載進(jìn)給力矩應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；最大切削力矩應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；加減速時(shí)間應(yīng)符合所希望的時(shí)間常數(shù)；快速進(jìn)給頻率度在希望值以內(nèi)。為滿足這些要求，應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行最高轉(zhuǎn)速計(jì)算、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算、慣量匹配計(jì)算和加減速扭矩計(jì)算。伺服電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)的快進(jìn)速度、絲桿螺距及傳動(dòng)的減速比來(lái)確定，由文獻(xiàn)[11]得其計(jì)算式為：nmax=KVmi/p（r/min）……………………………() 式中：Vm——工作臺(tái)的執(zhí)行速度（m/min），由設(shè)計(jì)要求知，銑削510m/min，鉆削1015m/minI——傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比，因?yàn)闄C(jī)床的絲桿與電機(jī)直接相連進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，故取i=1P——絲桿螺距（m），Px=Py=，Pz= K——裕度系數(shù)，取K=將以上數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：X方向： nmax=151/=2100r/minY方向： nmay=151/=2100r/minZ方向： nmaz=151/=4200r/min⑵ 位置反饋編碼器的選擇 位置反饋編碼器的選擇應(yīng)根據(jù)機(jī)床所需要的最小移動(dòng)單位、絲桿螺距幾減速比為參數(shù)來(lái)確定，由文獻(xiàn)[14]得其計(jì)算式為：I=P/DMRal …………………………………()式中：I——編碼器輸出的脈沖信號(hào)數(shù)（p/r），即脈沖編碼器的分辨率； P——絲桿螺距（m），Px=Py=，Pz=； a——機(jī)床最小分辨率（mm），由設(shè)計(jì)要求得：a=； i——減速比，i=1DMR——由數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)頻數(shù)，由文獻(xiàn)[2]、4幾種，一般取DMR=4；代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：X方向：Ix=103/41=2500（p/r） Y方向：Iy=103/41=2500（p/r） Z方向：Iz=103/41=1250（p/r）⑶ 負(fù)載扭矩的計(jì)算負(fù)載扭矩是由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力和切削力所引起的，根據(jù)機(jī)電匹配要求可知伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于負(fù)載扭矩。由文獻(xiàn)[10]下冊(cè)得如下計(jì)算公式： M1=KFaoLsp/2π+PLsp/2πη1+M8 …………………………()式中：M1——等速運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩（Nmm）； KFaoLsp/2π——雙螺母滾珠絲桿的預(yù)緊力矩（Nmm）； Fao——絲桿預(yù)拉力，F(xiàn)aoy=2730N； Lsp——絲桿導(dǎo)程（mm）；Lspx=Lspy=10mm，Lspz=5mm； K——滾珠絲桿預(yù)緊力矩系數(shù)，取K=； P——加在絲桿軸向的外部載荷，Px=265N；Py=398N；Pz=66N； η1——滾珠絲桿的效率，取η1=； M8——支承軸承的摩擦力矩，即啟動(dòng)力矩，從滾珠絲桿軸承系列表中查得：Mby=250Nmm，Mbz=150Nmm。代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得；X向：M1x=273010103/2+26510103/2+250103= NmY向：M1y=273010103/2+39810103/2+250103= NmZ向：M1z=273010103/2+6610103/2+250103= Nm最后選擇得伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩硬大于M1值。⑷ 電機(jī)慣性匹配的計(jì)算 選擇電機(jī)時(shí)，應(yīng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量JM與負(fù)載慣量JL相匹配，即要滿足“慣量匹配原理”。若JM過小，則不能滿足伺服電機(jī)快速響應(yīng)的要求；若JM過大，則不能充分發(fā)揮其能力，造成浪費(fèi)，不經(jīng)濟(jì)通常在電動(dòng)機(jī)慣量JM與負(fù)載慣量JL之間，采用下列匹配關(guān)系： 1/4≤JL/JM≤1………………………………………（220） 按動(dòng)能原理，將負(fù)載慣量JL折算到電機(jī)軸上為：其中，Jk——各旋轉(zhuǎn)件的運(yùn)動(dòng)慣量（kgm2）；Wk——各旋轉(zhuǎn)件的角速度（rad/s）；mi——各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量（kg）；Vi——各直線運(yùn)動(dòng)件的速度（m/s）；W——伺服電機(jī)的角速度（rad/s）。本機(jī)床JL包括以下運(yùn)動(dòng)件慣量： ① 折算到電機(jī)軸上工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1：② 折算到電機(jī)軸上的滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2：J2=ρπd4l/32=304947247。321012=104（Kgm2） ③ 折算到電機(jī)軸上的聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3：由文獻(xiàn)[14]查得：J3≈104（Kgm2）所以其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大約是又由式（220）有： JL= J1 +J2 +J3=104（Kgm2）Jm=(14)JL,即伺服電動(dòng)機(jī)得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)在：104 Kg104Kgm2之間。⑸ 伺服電機(jī)的選擇S2綜上所述，所選伺服電動(dòng)機(jī)如下表：表211 伺服電機(jī)的選擇電機(jī)型號(hào)額定功率額定轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子慣量連續(xù)轉(zhuǎn)矩X1326APA3E1200W3000rpmNm104 NmY1326APA3E1200W3000rpmNm104 NmZ1326APA1E700W5000rpmNm104 Nm本章小結(jié)：在本章中，主要對(duì)PCB數(shù)控四軸鉆銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中主要包括了下面兩個(gè)方面：⑴ 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的選擇經(jīng)過詳細(xì)的分析、比較，確定了機(jī)床采用邊移動(dòng)、邊加工、邊變速、邊定位的半閉環(huán)連續(xù)交流伺服進(jìn)給系統(tǒng)。⑵ 關(guān)鍵零部件的選擇何設(shè)計(jì)在數(shù)控伺服進(jìn)給系統(tǒng)中，為了確保機(jī)床整機(jī)的精度和工作穩(wěn)定性，在機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)上，要求式非常嚴(yán)格的。本章在對(duì)關(guān)鍵零部件的選擇設(shè)計(jì)中，采用了直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲桿等低摩擦高精度的傳動(dòng)元件，同時(shí)并通過預(yù)緊，提高了傳動(dòng)剛度；采用梅花型彈性聯(lián)軸器消除了軸向和徑向間隙；采用接觸角為60176。的向心推力軸承并且軸向固定，這就提高了軸向剛度。第三章 機(jī)床的工作裝置及其數(shù)控裝置在本章中，將對(duì)本次設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床所采用的工作裝置（即主傳動(dòng)系統(tǒng)）進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別是對(duì)電主軸的選擇計(jì)算。此外，還將對(duì)本機(jī)床所采用的數(shù)控裝置（包括CNC軟件和硬件）進(jìn)行選擇和分析說明。由于本次設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容在于對(duì)PCB數(shù)控四軸鉆銑床的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，而涉及到的數(shù)控部分的設(shè)計(jì)只是要求了解，并不是這次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，故在這一章沒有詳細(xì)介紹。167。 機(jī)床的工作裝置的設(shè)計(jì) 機(jī)床的計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定 機(jī)床的計(jì)算轉(zhuǎn)速是指主軸傳遞全部功率是的最大轉(zhuǎn)速。從這一轉(zhuǎn)速起至主軸最高轉(zhuǎn)速都能傳遞全部功率，而且扭矩隨著轉(zhuǎn)矩的增加而減少，此為恒功率區(qū)工作范圍；低于主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速的各級(jí)轉(zhuǎn)速所能傳遞的扭矩與計(jì)算轉(zhuǎn)速下的扭矩相等，它是該機(jī)床的最大傳動(dòng)扭矩，而功率隨轉(zhuǎn)矩的減小而減小，此為恒扭矩工作范圍（圖31所示）：圖31 主軸的轉(zhuǎn)速——功率曲線由于本數(shù)控機(jī)床采用專用鉆銑電主軸進(jìn)行無(wú)級(jí)變速，由無(wú)級(jí)變速知識(shí)得： ……………………………（）其中，nmax 、nmin分別為電主軸最大、最小轉(zhuǎn)速，由前計(jì)算知：鉆24947—79618r/min，銑15046—79618r/min，將以上數(shù)據(jù)代入式（）中，得電主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為：鉆削： 銑削： 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇本數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，由于刀具直徑很小，為此刀具的轉(zhuǎn)速很高，以防止刀具損壞，因此對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇要求很高。本數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)采用專用鉆銑電主軸的結(jié)構(gòu)形式，即主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體。這樣不僅大大簡(jiǎn)化了主軸部件的設(shè)計(jì)，使其機(jī)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小，而且可以提高機(jī)床啟動(dòng)、停止的響應(yīng)度，有利于控制震動(dòng)和噪聲。其缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的熱量容易使主軸產(chǎn)生熱變形，因此溫度的控制和冷卻是其電主軸解決的主要問題。1) 數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸電機(jī)的要求⑴ 所選電主軸應(yīng)能滿足機(jī)床的切削要求；⑵ 根據(jù)要求的主軸加減速時(shí)間計(jì)算出的電機(jī)功率不功率不應(yīng)超過電機(jī)的最大輸出功率；⑶ 在要求主軸頻繁起、制動(dòng)的場(chǎng)合，必須計(jì)算出平均功率，其值不能超過電機(jī)的連續(xù)額定輸出功率。⑷ 在要求有恒表面轉(zhuǎn)速控制的場(chǎng)合，則恒表面速度控制所需的切削功率和加速所需功率兩者之和應(yīng)在電機(jī)能夠提供的功率范圍之內(nèi)。2) 機(jī)床切削功率的計(jì)算a) 銑削速度由文獻(xiàn)[7]查得如下計(jì)算公式：Ve=πDmne ………………………………………（）式中：Ve——銑削速度（mm/min）； Dm——銑刀半徑（mm），取Ve=； ne——主軸轉(zhuǎn)速（r/min），取ne=34611r/min。由公式（）計(jì)算得：Ve=34611=260828mm/minb) 由文獻(xiàn)[12]查得進(jìn)給速度的計(jì)算公式如下：Fm=FtNne…………………………………………（） 式中：Fm——進(jìn)給速度（mm/min）； Ft——銑刀的每個(gè)刀齒進(jìn)給量（mm），取Ft=； N——銑刀齒數(shù)，取N=6； Ne——主軸轉(zhuǎn)速（r/min），取ne=34611r/min。由公式（）計(jì)算得：Fm=634611=21805mm/minc) 由文獻(xiàn)[12]查得切削能力的計(jì)算公式如下：Q=WdNne/1000……………………………………（）式中：Q——切削能力（cm3/min） W——銑削寬度（mm），取W= D——銑削深度（mm），取W= Ft——銑刀齒數(shù)，取Ft= 由公式（）計(jì)算得：Q=634611/1000=d) 由文獻(xiàn)[12]查得主軸電機(jī)的輸出功率計(jì)算公式如下：Pm=Q/ηMrm ………………（）式中：Pm——主軸電機(jī)的輸出功率（kw） Mrm——每千瓦功率的切削能力（cm3/minkw），一般Mrm=20 η——傳動(dòng)功率，取η=由公式（）計(jì)算得：Pm=（20）=3) 鉆削時(shí)的功率計(jì)算：⑴ 鉆削速度由公式（）計(jì)算得：Ve=244567=279880mm/min⑵ 進(jìn)給速度由公式（）