【正文】 所有需要對加速狀態(tài)下電機所需要的驅動扭矩進行計算。如前所述，在選定絲杠外徑時需要根據安裝條件、材料特性、直徑等參數對臨界轉速進行計算，確認絲杠最高轉速不超過其臨界轉速，否則必須重新選擇絲杠外徑，直到滿足要求為止。 轉速的計算電機的轉速必須能夠滿足負載最高工作速度的需要，即在電機額定轉速下，負載的運動速度必須高于所需要的最高速度。使用伺服電機或步進電機時，電機的選型方法和要求又有所區(qū)別。 電機的選型由于滾珠絲杠機構一般都用于精密的進給機構，所以在使用滾珠絲杠機構時，通常都通過伺服電機或步進電機進行驅動造成滾珠絲杠壽命有限的原因除磨損造成的精度下降外，還有因為疲勞造成的疲勞壽命，工程上主要以滾珠絲杠的疲勞壽命來推算其額定壽命。此外，過度提高絲杠的轉速N還會引起絲杠發(fā)熱、機構共振等問題，國際上一般DN≤70000100000，少數制造商（例如口本NSK公司、德國Bosch公司）已將DN值提高到150000。臨界轉速的計算公式為：——臨界轉速，r/min；E——楊氏彈性模量（通常情況下絲杠材料的）；J——絲桿斷面與轉動慣量有關的參數，——絲杠材料的密度（）；A——絲杠溝槽最小直徑所在剖面的面積，；——與安裝方式有關的系數，；②DN值絲杠允許轉速除不得超過臨界轉速外，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與絲杠轉速N的乘積。隨著絲杠轉速的提高，逐漸接近絲杠固有頻率時，滾珠絲杠機構會發(fā)生共振而不能使用。 絲杠允許轉速計算及校核絲杠允許轉速必須滿足兩個條件：絲杠最高轉速不超過臨界轉速；絲杠最高轉速不超過DN值。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，計算公式為：——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；——與安裝方式有關的系數，； ②絲杠在不發(fā)生屈服前提下的最大允許軸向載荷計算 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力（通常情況下為147 N/mm^2）。根據力學原理，可知各種工作情況下的軸向載荷最大是加速前進時，此時m——負載滑塊的質量，kg；a——負載滑塊運動的加速度，m/s^2；——直線導軌副的摩擦系數，；f——導軌無載荷時的運動阻力，N。因此首先要計算最大軸向載荷。 絲桿外徑選定及校核間隙絲杠外徑主要按以下條件來進行初選：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在標準的導程絲杠外徑組合中選定絲杠外徑。在Z軸中，選用電機的額定轉速Nm=3000r/min，使用聯軸器直聯傳動，傳動比i=1根據計算結果，需要選用4mm或更大導程的滾珠絲桿。假設電機所帶減速器的減速比為i。 導程的計算和選定導程表示絲杠轉動一周時螺母沿軸向移動的距離，單位：mm。價格越貴，應盡可能選用價格低廉的軋制滾珠絲杠，以降低設備制造成本。滾珠絲杠機構的精度應根據實際要求來選用，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就不必使用磨制滾珠絲杠。按照其具體長度，對照不同等級滾珠絲杠機構所對應的導程累積誤差表。為了保證機床定位精度，卸荷后的導軌平均壓強不應過小。結果小于灰鑄鐵承受最大極限。為改善這些性質，采用適當的熱處理方法和加工方法，如采用優(yōu)質鑄鐵，合金耐磨鑄鐵，進行導軌 表面滾軋強化，表面淬硬等工藝。 導軌的選擇滑動導軌覺有結構簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優(yōu)點，是機床使用最廣泛的導軌形式。計算得出所需同步齒輪帶周長為。因此齒形帶傳動在數控車床上有廣泛的應用。 同步齒輪帶傳動的設計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動或動力，因而兼有帶傳動、齒輪傳動鏈傳動的優(yōu)點：無相對滑動，平均傳動比準確，傳動精度高。，所以X=1，Y=，再由基本額定壽命計算公式：——基本額定壽命，h；——基本動態(tài)額定負載；——軸承負載，動態(tài)等效負載，N；n——轉速，r/min。在這里我們預選角接觸球軸承B51101來計算。壽命計算大于一般數控機床的使用壽命標準時間20000h，符合條件。，軸向負載50N，額定轉速3000r/min，計算公式為 （）——軸承負載，動態(tài)等效負載，N；——徑向負載，N；——軸向負載，N；X、Y——系數。我們選擇的支撐結構形式選用一端固定一端游動的方式，它的優(yōu)點是結構簡單，剛度、臨界轉速、壓桿穩(wěn)定性低，設計時盡量使絲桿受拉伸。 電機轉動慣量要求慣量比應滿足以下關系：——慣量比；——折算到驅動電機上的總轉動慣量，；——電機轉子的轉動慣量。 計算角加速度角加速度計算公式：——角加速度，rad/s^2；——電機工作的最高轉速，r/min；t1——加速時間，s。等速運動時所需要的驅動扭矩絲桿的轉動慣量工作臺的轉動慣量——工作臺與工件的轉動慣量，；m——工作臺與工件的總質量，kg；——絲桿導程，mm。根據力學原理，加速扭矩等于機構總轉動慣量與角加速度的乘積，所以首先要計算所有部件的總轉動慣量并折算到驅動電機上。這里的額定轉速滿足條件?？梢郧蟪鲭姍C所需要的最低額定轉速：隨著滾珠絲杠轉速的提高，其工作頻率接近絲杠的固有頻率時將導致共振，因此一定要在絲杠的臨界轉速以下使用。這里我們選用伺服電機。其中伺服電機驅動一般應用在要求高精度、高效率、高可靠性的運動控制場合，而步進電機驅動一般應用在要求比伺服電機稍低的場合。滾珠絲杠的疲勞壽命可以由實際運行時間來表示，計算公式為：——壽命時間，h；C——基本動額定負載，N；Pm——軸向平均負載，N；Nm——平均轉速，r/min；Fw——運行系數，正常運行時fw=；壽命計算大于一般數控機床的使用壽命標準時間20000h，符合條件。具體大小參照制造商提供的數據，通常的設計規(guī)范為：磨制滾珠絲杠及軋制大導程滾珠絲杠：DN≤70000軋制滾珠絲杠：DN≤50000 壽命計算及校核即使是合理地設計、選用滾珠絲杠機構，經過一定時間的運行后，滾珠絲杠機構都會因為磨損而不能繼續(xù)使用，從開始使用直至不能使用前的使用時間稱為滾珠絲杠的壽命。絲杠轉速N增大時，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。該固有頻率與絲杠的個臨界轉速對應，而絲杠的外徑與此固有頻率密切相關，因此需要進行校核，確保絲杠在固有頻率（臨界轉速）以下運行，即絲杠最高轉速不能超過其臨界轉速。①臨界轉速計算選定絲杠外徑除需要進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。計算所得最大軸向載荷均遠遠小于兩個軸向允許載荷。根據力學原理，可知各種工作情況下的軸向載荷最大是加速前進時，此時m——負載滑塊的質量，kg；a——負載滑塊運動的加速度，m/s^2；——直線導軌副的摩擦系數，；f——導軌無載荷時的運動阻力，N； 軸向允許載荷計算計算出最大軸向載荷后，就可以直接進行軸向允許載荷計算及校核了，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。因此首先要計算最大軸向載荷?，F初選外徑為50mm,型號為FFZD50063。 絲桿支承方式選定絲桿支承方式主要根據絲桿長度、轉速、定位精度來選定，在絲桿長度較短、轉速較低尤其是垂直提升負載的場合則可以選用一端固定一端游動的簡單安裝方式，我們選用這種方式。根據導程的定義，電機所需要的轉速Nm、與最大進給速度Vmax、絲杠導程Pb、減速比i之間的關系為 （）其中Vmax，單位m/s。導程的計算與驅動電機是否帶減速器有關，下面以典型的安裝情況 電機帶減速器通過彈性聯軸器與絲杠連接（即直聯）的情況為例，說明導程的具體計算方法。 精度等級選定，我們選擇THK公司精度等級為C2的磨制滾珠絲桿，器導程誤差范圍。因為精度等級越高，制造成本也越高。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，也就是選用最經濟的精度等級。3 數控車床伺服進給系統(tǒng)X軸選型伺服進給系統(tǒng)主要技術參數：進給運動行程 X軸：350mm Z軸：950mm進給速度范圍 X軸：15000mm/min Z軸：15000mm/min快速移動速度 X軸：12m/min Z軸：12m/min定位精度 X軸：： 滾珠絲桿機構的計算選型 載荷的確定載荷確定由solidworks重量計算功能確定，X軸：W=* 滑塊重量確定查常用材料的摩擦系數，導軌接觸面的摩擦阻力 精度等級選定根據滾珠絲杠機構在具體使用場合所需要提供的定位精度（允許誤差）。數控機床的伺服系統(tǒng)是連接數控系統(tǒng)和機床主體的重要部分，在設計中，在伺服方式上選擇最廣泛應用的半閉環(huán)方式。滾珠絲杠螺母副具有驅動力矩小、精度高、可實現微進給、無側隙、剛度高、告訴等優(yōu)點。滾珠絲杠螺母副是一種將旋轉運動轉化為直線運動的理想傳動件，因其具有螺紋絲杠無法比擬的優(yōu)點，被廣泛應用于各行業(yè)，更是普通數控機床、精密機床不可或缺的零部件?！半p推—支承”方式能夠避免絲杠自重引起的彎曲，以及高速回轉時自由端的晃動，符合本設計的設計條件。用滾珠絲杠螺母副直連電機傳動的方案。X軸采用同步帶連接電動機與絲杠副的方式，同步齒輪帶傳動具有帶傳動和鏈傳動的共同優(yōu)點,與齒輪傳動相比它結構更簡單,制造成本更低,安裝調整更方便。并且傳動不打滑、不需要大的張緊力； 但是在同步齒形傳動設計時對材料的要求很高。通過齒輪聯接 這種調整方法的優(yōu)點是可以在齒輪的齒厚和周節(jié)變化的情況下,保持齒輪的無間隙嚙合；但是結構比較復雜,軸向尺寸大、傳動剛度低、傳動平穩(wěn)性較差，一般用于精度要求低的機床中。 電機與絲杠聯接方式的選擇滾珠絲杠螺母副與電動機的聯接的型式主要有三種：聯軸器直接聯接:具有最大的扭轉剛度；傳動機構本身無間隙,傳動精度高,而且結構簡單,安裝、調整方便，適用于像中小型號的數控車床。靜壓絲杠螺母副其特點是：摩擦系數小，；平穩(wěn)性高；反向間隙??；但是，靜壓絲杠螺母副應有一套供油系統(tǒng)，而且對有的清潔度要求高，如果在運動中供油忽然中斷，將造成不良后果。滾珠絲杠螺母副在數控機床上，將回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置一般采用滾珠絲杠螺母副。為此，數控機床的進給傳動系統(tǒng)必須滿足:（1）傳動精度高；（2）摩擦阻力??；（3）運動部件慣量小。數控機床要求達到預定的精度要求以外，根據需求，并且考慮到經濟的效益，還要求具有良好的穩(wěn)定性和快速響應能力。半閉環(huán)控制系統(tǒng)采用旋轉型角度測量元件（脈沖編碼器、旋轉變壓器、圓感應同步器等）和伺服電動機按照反饋控制原理構成的位置伺服系統(tǒng)，稱作半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)因為開環(huán)系統(tǒng)的精度不能很好地滿足數控機床的要求，所以為了保證精度，最根本的辦法是采用閉環(huán)控制方式。開環(huán)進給伺服系統(tǒng)的精度較低，速度也受到步進電動機性能的限制。進給系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母副傳動，Z、X兩軸聯動，單軸具有較高的定位精度和重復定位精度。本設計著重進行進給伺服系統(tǒng)的機械結構設計、傳動設計。車床的進給伺服系統(tǒng)采用交流伺服電機驅動，選用精密數控系統(tǒng)，并合理選用高精度元器件，保證了伺服系統(tǒng)達到要求的精度、重復定位精度，并使其具有高剛度和良好的穩(wěn)定性。該數控車床具有剛度高、排屑功能流暢、運轉噪音低、傳動效率高、精度保持性好、有效壽命長等優(yōu)點。最后介紹了本課題研究的主要內容和研究方法。在設計中通過查閱資料確定數控車床的切削力，由切削力的大小來確定數控車床伺服進給系統(tǒng)的各種運動參數及傳動方案，然后通過計算當量動載荷選擇滾珠絲杠，通過計算最大切削負載轉矩，負載慣量選擇伺服電動機。數字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質大大提高[4]。使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數字方式。4）電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉。3）為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數和啟動電壓。2）電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。由于各種數控機床所完成的加工任務不同，它們對進給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通常可概括為以下幾方面：可逆運行；速度范圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應并無超調；高精度；低速大轉矩。要使它成為一個既能使各部件互相配合協調工作，又能滿足相當高的技術性能指標的控制系統(tǒng)，的確是一個相當復雜的任務。進給伺服系統(tǒng)是數控裝置和機床機械傳動部件間的聯系環(huán)節(jié)，是數控機床的重要組成部分。伺服系統(tǒng)接受來自CNC裝置的進給脈沖，經變換和放大，再驅動各加工坐標軸按指令脈沖運動。伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。數控機床集中了傳統(tǒng)的自動機床、精密機床和萬能機床三者的優(yōu)點，將高效率、高精度和高柔性集中于一體。伺服電動機可以是步進電機、電液馬達、直流伺服電機或交流伺服電機。數控裝置控制機床的動作可概括為：機床主運動、機床的進給運動、刀具的選擇和刀具的補償、其它輔助運動等。硬件除計算機外，其外圍設備主要包括光電閱讀機、CRT、鍵盤、面板、機床接口等。計算機數控系統(tǒng)計算機數控系統(tǒng)是數控機床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息，經計算和處理后去控制機床的動作。數控機床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接輸