【正文】 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)、。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(huì)造成系統(tǒng)剛性差、易變形、影響加工精度等問題。該固有頻率與絲杠的個(gè)臨界轉(zhuǎn)速對(duì)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。 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。 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。 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(huì)發(fā)生彎曲；在最大軸向載荷作用下絲杠不會(huì)發(fā)生屈沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 服。 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)。 現(xiàn)初選外徑為 50mm,型號(hào)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(duì)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(huì)發(fā)生彎曲變形。 絲桿支承方式選定 絲桿支承方式主要根據(jù)絲桿長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)速、定位精度來選定，在絲桿長(zhǎng)度較短、轉(zhuǎn)速較低尤其是垂直提升負(fù)載的場(chǎng)合則可以選用一端固定一端自由的簡(jiǎn)單安裝方式，我們選用這種方式。 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 iP6010VNb3m a xm ??? （ ） 其中 Vmax，單位 m/s。 導(dǎo)程的計(jì)算與驅(qū)動(dòng)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。 圖 精度等級(jí)確定 X 軸需要滿足的定位精度是 ，我們選擇 THK 公司精度等級(jí)為 C2的磨制滾珠絲桿，器導(dǎo)程誤差范圍 0mm0 .0 0 7 m m /3 0e ?? 。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。 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。按照其具體長(zhǎng)度，對(duì)照不同等級(jí)滾珠絲杠機(jī)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)程累積誤差表。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。 180. 11 m122 3. 04NAFp 211 ??? 結(jié)果小于灰鑄鐵承受最大極限。為改善這些性質(zhì)，采用適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒ê图庸し椒ǎ绮捎脙?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)軌的選擇 滑動(dòng)導(dǎo)軌覺有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。計(jì)算得出所需同步齒輪帶周長(zhǎng)為 6 2 5 . 8 7 5 m m=2 0 5 m m2+4 8 . 7 5 m m3 . 1 4=L ?? 。因此齒形帶傳動(dòng)在數(shù)控車床上有廣泛的應(yīng)用。 同步齒輪帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 同步齒輪帶傳動(dòng)是一種新型的帶傳動(dòng)，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(dòng)或動(dòng)力，因而兼有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：無相對(duì)滑動(dòng)，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高。 軸向負(fù)載比為 ，查表得 e值為 ， ??? raFFe，所以 X=1， Y=，NP r 2 8 2 2 31 ????? ，再由基本額定壽命計(jì)算公式： 2 0 8 9 5 h= 2 8 62 0 0 0 03 0 0 060 106010 3636 ????????????????????rrh PCnL hL ——基本額定壽命， h； rC ——基本動(dòng)態(tài)額定負(fù)載； rP ——軸承負(fù)載，動(dòng)態(tài)等效負(fù)載， N； n——轉(zhuǎn)速， r/min。在這里我們預(yù)選角接觸球軸承 B51101 來計(jì)算。 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 20200h，符合條件。 已知徑向負(fù)載 ，軸向負(fù)載 50N，額定轉(zhuǎn)速 3000r/min，計(jì)算公式為 arr YFXFP ?? （ ） rP ——軸承負(fù)載，動(dòng)態(tài)等效負(fù)載， N； rF ——徑向負(fù)載， N； aF ——軸向負(fù)載， N； X、 Y——系數(shù)。我們選擇的支撐結(jié)構(gòu)形式選用一端固定一端游動(dòng)的方式，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要求 慣量比 ? 應(yīng)滿足以下關(guān)系： 10?? mLJJ? ? ——慣量比； LJ ——折算到驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 2mkg? ； mJ ——電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 2mkg? 。 計(jì)算角加速度 角加速度計(jì)算公式： 21m a x /r a 4000260 n2 st ????? ??? 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 ? ——角加速度， rad/s^2； maxn ——電機(jī)工作的最高轉(zhuǎn)速， r/min； t1——加速時(shí)間， s。 等速運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)扭矩 mNTL ?? 絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 22 ?????? 工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 256262T 4102 ???????????????????? ?? ??BPmJ TJ—— 工作臺(tái)與工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 2mkg? ； m—— 工作臺(tái)與工件的總質(zhì)量， kg； BP —— 絲桿導(dǎo)程， mm。 根據(jù)力學(xué)原理，加速扭矩等于機(jī)構(gòu)總轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量并折算到驅(qū)動(dòng)電機(jī)上。這里的額定轉(zhuǎn)速滿足條件?？梢郧蟪鲭姍C(jī)所需要的最低額定轉(zhuǎn)速： m i n/300014 33m a x riPV BR ?? ?????? 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。這里我們選用伺服電機(jī)。其中伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般應(yīng)用在要求高精度、高效率、高可靠性的運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般應(yīng)用在要求比伺服電機(jī)稍低的場(chǎng)合。 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： 0 7 8 3 64 4 0 03 0 0 060 10P CN60 10L 363m6h ??????? ???????????? wm f hL ——壽命時(shí)間， h； C——基本動(dòng)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 20200h，符合條件。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 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 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(huì)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。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(huì)造成系統(tǒng)剛性差、易變形、影響加工精度等問題。該固有頻率與絲杠的個(gè)臨界轉(zhuǎn)速對(duì)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。 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。 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。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 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) . 11 2 4 . 82 2 0 . 1 59 . 81 2 4 . 80 . 0 0 3mafmgF ??????????? ? m——負(fù)載滑塊的質(zhì)量， kg； a——負(fù)載滑塊運(yùn)動(dòng)的加速度， m/s^2； ? ——直線導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)，取 ； f——導(dǎo)軌無載荷時(shí)的運(yùn)動(dòng)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(huì)發(fā)生彎曲；在最大軸向載荷作用下絲杠不會(huì)發(fā)生屈服。因此首先要計(jì)算最大軸向載荷。 現(xiàn)初選外徑為 50mm,型號(hào)為 FFZD50063。 絲桿支承方式選定 絲桿支承方式主要根據(jù)絲桿長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)速、定位精度來選定，在絲桿長(zhǎng)度較短、轉(zhuǎn)速較低尤其是垂直提升負(fù)載的場(chǎng)合則可以選 用一端固定一端游動(dòng)的簡(jiǎn)單安裝方式，我們選用這種方式。 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 iP6010VNb3m a xm ??? （ ） 其中 Vmax，單位 m/s。 導(dǎo)程的計(jì)算與驅(qū)動(dòng)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)帶減速器沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 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。 圖 精度等級(jí)選定 X 軸需要滿足的定位精度是 ，我們選擇 THK公司精度等級(jí)為 C2的磨制滾珠絲桿，器導(dǎo)程誤差范圍 0mm0 .0 0 7 m m /3 0e ?? 。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。 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。按照其具體長(zhǎng)度，對(duì)照不同 等級(jí)滾珠絲杠機(jī)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)程累積誤差表。采用螺旋傳動(dòng)，計(jì)算滾珠絲杠副尺寸規(guī)格，接著進(jìn)行絲杠的校核并進(jìn)行精度等驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算的扭矩選擇伺服電機(jī)。 對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于系統(tǒng)要求精度高，不宜采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此選用交流伺服電機(jī)。兼具高效率、高精度、可逆性的特點(diǎn)。 X、 Z 兩軸分別用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)。并采用“雙推 —支承”絲 杠支承方式。 進(jìn)給傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 本車床具有較高的精度要求，為了保證精度，在選用精密元器件和精密數(shù)控系統(tǒng)的同時(shí)，應(yīng)盡量減小傳動(dòng)鏈，并需要保證較高的剛度，提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率，以減小溫升的影響。 在滿足機(jī)床要求的前提下，通過對(duì)比本課題 Z 軸采用通過聯(lián)軸器聯(lián)接電機(jī)與絲杠副，這是一種簡(jiǎn)單的聯(lián)接形式具有大的扭轉(zhuǎn)剛度，制造成本低，傳動(dòng)精度高，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)整方便。 通過同步齒形帶聯(lián)接 同步齒輪帶傳動(dòng)具有帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的共同優(yōu)點(diǎn) ,與齒輪傳動(dòng)相比它結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單 ,制造成本更低 ,安裝調(diào)整更方便。聯(lián)軸器采用撓性聯(lián)軸器，它能補(bǔ)償因同軸度及垂直度誤差引起的 ―干涉 ‖現(xiàn)象 .采用這種撓性聯(lián)軸器把電動(dòng)機(jī)與絲杠直接聯(lián)接，不僅可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少噪聲，而且可以消除傳動(dòng)間隙，能減少中間環(huán)節(jié)帶來的傳動(dòng)誤差 ,提高傳動(dòng)剛度。 由以上比較，根據(jù)要求，縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)和橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)都采用滾珠絲 杠螺母副的傳動(dòng)方式。其特點(diǎn)是：傳動(dòng)效率高，一般為η =～ ；傳動(dòng)靈 敏，摩擦力小，不易產(chǎn)生爬行；使用壽命長(zhǎng)；具有可逆性，不僅可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，亦可將直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；軸向運(yùn)動(dòng)精度高，施加預(yù)緊力后，可消除軸向間隙，反向時(shí)無空行程；因此，在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用，是目前中、小型數(shù)控機(jī)床的常見的傳動(dòng)方式。 傳動(dòng)類型的選擇 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本傳動(dòng)方式常用的有兩種：滾珠絲杠螺母副和靜壓絲杠螺母副。基于這些要求，本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)控制方式，包含位置反饋環(huán)合速度反饋環(huán)閉環(huán)控制能夠較好地減小誤差，有利于提高機(jī)床性能 . 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)要求及傳動(dòng)類型的選擇 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)要求 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)裝置的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，將直接影響工件的加工精度。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 檢測(cè)裝置有兩種安裝方式：一種是把角位移檢測(cè)裝置安裝在絲杠末端；另一種是把角位移檢測(cè)裝置安裝在電動(dòng)機(jī)軸端。閉環(huán)控制系統(tǒng)是采用直線型位置檢測(cè)裝置對(duì)數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位移進(jìn)行直接測(cè)量并進(jìn)行反饋控制的位置伺 服系統(tǒng)。但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，在精度要求不太高的場(chǎng)合中得到較廣泛的應(yīng)用。 進(jìn)給傳動(dòng)控制伺服系統(tǒng)的選擇 開環(huán)伺服系統(tǒng) 開環(huán)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床中最簡(jiǎn)單的伺服系統(tǒng)，執(zhí)行元件一般為步進(jìn)電機(jī)。本車床精度較高，能進(jìn)行微米級(jí)加工，能獲得高質(zhì)量的加工表面。 進(jìn)給系統(tǒng)的精度要求 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的精度對(duì)機(jī)床的加工精度有很大的影響，良好的電氣部件設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。為保證機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，采用了高精密孔式主軸結(jié)構(gòu)和大功率交流伺服主軸電機(jī)，并具備良好的抗振 性設(shè)計(jì)。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 2 進(jìn)給系統(tǒng)的總體方案設(shè)