【正文】 速穩(wěn)定再新的或者原有的穩(wěn)定狀態(tài)下。適當(dāng)選擇系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)和電氣參數(shù)，并使它們達(dá)到最佳匹配，是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)之一。常用的精度指標(biāo)有定位精度、重復(fù)定位精度和輪廓跟隨精度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時間、傳動裝置的加速能力，會直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。（5） 低速大扭矩要求機(jī)床經(jīng)常需要在低轉(zhuǎn)速的情況下進(jìn)行重切削，這就要求伺服系統(tǒng)具有低速大扭矩的特性。（2）動態(tài)設(shè)計方面的要求：具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩，以便快速完成起停；具有良好的動態(tài)傳遞性能；負(fù)載引起的軌跡誤差應(yīng)盡可能小。[3]第2章機(jī)床精度要求和進(jìn)給系統(tǒng)的總體設(shè)計 機(jī)床的主要性能參數(shù)本設(shè)計對精密數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，該車床主要用于小尺寸的軸類零件和盤類零件的精密加工。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。車床的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。本設(shè)計著重進(jìn)行進(jìn)給伺服系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動設(shè)計。進(jìn)給系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母副傳動，Z、X兩軸聯(lián)動，單軸具有較高的定位精度和重復(fù)定位精度。表2 進(jìn)給軸精度要求項(xiàng) 目單位進(jìn)給軸參 數(shù) 值定位精度mmZX重復(fù)定位mmZX機(jī)床工作時，按照加速—工進(jìn)—減速—方向加速—工進(jìn)—減速—加速這樣一個過程循環(huán)。 進(jìn)給傳動方案設(shè)計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，應(yīng)盡量減小傳動鏈，并需要保證較高的剛度，提高傳動系統(tǒng)效率，以減小溫升的影響。并采用“雙推—支承”絲杠支承方式。X、Z兩軸分別用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動。兼具高效率、高精度、可逆性的特點(diǎn)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動方案示意圖如圖1所示。圖2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)原理圖 伺服方案設(shè)計數(shù)控機(jī)床要求達(dá)到預(yù)定的精度要求以外，還要求具有良好的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力。伺服系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示。大表示工件的材料加工性差，小，表示工件的材料加工性好；—總體修正系數(shù)，見表3；—工件材料對的修正系數(shù)，見表3；—切削速度對的修正系數(shù)，見表3；—主偏角對的修正系數(shù)，見表3；—前角對的修正系數(shù)，見表3；—刀具磨損限度對的修正系數(shù)，見表3；—指數(shù)，表示吃刀深度對切削力的影響要比走刀量對切削力的影響大。計算切削力。 滑板質(zhì)量估計及摩擦力的確定車窗采用Z軸電機(jī)驅(qū)動大滑板、小滑板及刀架完成往復(fù)運(yùn)動。估計大滑板尺寸為400mm200mm80mm，其余部件質(zhì)量為35kg，估計小滑板的尺寸為200mm200mm200mm，小滑板上其余質(zhì)量為3kg。由于精度要求高，Z、X兩軸進(jìn)給都采用直線滾動導(dǎo)軌副支承，直線滾動導(dǎo)軌副動摩擦系數(shù)很低，~，在這里，取=。代入數(shù)值，得：=，=。圖3 Z軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化圖（1）確定動載荷由圖3可見，工作循環(huán)周期T由加速時間和加工時間組成，計算過程如下所示： （6） （7） （8）式中，—工進(jìn)速度，m/s；—工作行程，m；—加速時間，s；—加工時間，s。計算在減速期間的平均速度，可以用下式進(jìn)行計算 （9）式中，—滾珠絲杠導(dǎo)程，可由最大進(jìn)給速度和絲杠最大轉(zhuǎn)速計算出導(dǎo)程為12mm；代入數(shù)值，得=250r/min。然后計算當(dāng)量轉(zhuǎn)速，按照下式計算: （11）代入數(shù)值，得=495r/min。按照滾珠絲杠副預(yù)期工作壽命來選擇滾珠絲杠副，滾珠絲杠副的預(yù)期工作壽命如表4所示。代入數(shù)值，得=。靜載荷按下式計算： （15）式中，—靜載荷，kN；—靜態(tài)安全系數(shù)，見表6；—最大軸向力，N。表6 靜態(tài)安全系數(shù)表7 系數(shù)和支承方式雙推雙推雙推支承單推單推雙推自由計算值，mm，為保證強(qiáng)度和精度，估取mm進(jìn)行計算。（3） 最大轉(zhuǎn)速限制滾珠絲杠的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足下式的要求： （17）式中，—絲杠底徑，mm；—絲杠最大轉(zhuǎn)速，r/min；—常取=50000~70000.已知絲杠最大轉(zhuǎn)速為=2500r/min，取=70000計算，得：mm。絲杠副采用內(nèi)循環(huán)方式，浮動式反向器，單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向力的1/3，即=400N。表8 Z軸滾珠絲杠螺母副的主要技術(shù)參數(shù)規(guī)格代號底徑（mm）公稱直徑（mm）導(dǎo)程（mm）額定動載荷（kN）額定靜載荷（kN）螺母剛度（）螺母長度（mm）32063321283999 滾珠絲杠支承軸承的選擇計算動態(tài)等效載荷：表9 徑向載荷系數(shù)（）和軸向載荷系數(shù) （）[4]組合列數(shù)2列3列4列組合形式代號DFDTDFDDTDDFTDFFDFTDTT承受軸向載荷的列數(shù)1列2列1列2列3列1列2列3列4列———————————————動態(tài)等效載荷： （18）式中，—徑向載荷，N；—軸向載荷，N；—徑向載荷系數(shù)，見表9；—軸向載荷系數(shù)，見表9。查閱《機(jī)械設(shè)計手冊》，其軸端軸承安裝軸直徑為20mm，故應(yīng)選取軸承內(nèi)徑為20mm，查閱參考文獻(xiàn)[4]的表1116，選定滾動軸承型號為20TAC47A型，其額定動載荷為17930N，大于計算動載荷，臨界軸向載荷為20870N，大于軸向載荷。20TAC47A型軸承的主要參數(shù)如下：安裝方式為雙列面對面安裝（DF），預(yù)緊力為2160N，軸向接觸剛度為760， Z軸進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇計算選擇的進(jìn)給系統(tǒng)的伺服電機(jī)，應(yīng)滿足如下要求：在所有進(jìn)給速度范圍內(nèi)（包括快速移動），空載進(jìn)給力矩應(yīng)小于電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；最大切削力矩小于電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；加、減速時間應(yīng)符合所希望的時間常數(shù)；快速進(jìn)給頻繁度應(yīng)在希望值之內(nèi)。在此，依據(jù)功率要求和轉(zhuǎn)矩要求進(jìn)行電機(jī)選型，之后進(jìn)行慣量匹配計算。m；—滾珠絲杠預(yù)緊力矩,N—預(yù)緊力，N。m；—支承軸承對數(shù)。m。m。工進(jìn)時所需功率： （22）式中，—工進(jìn)時所需功率，kW；—工進(jìn)時進(jìn)給速度，m/s；—進(jìn)給力，N。快進(jìn)至最大速度時所需功率： （23）式中，—快進(jìn)最大需求功率，kW；—快進(jìn)速度，m/s，—慣性力，N。故電動機(jī)的功率要滿足下式的關(guān)系： （24）式中，—進(jìn)給傳動系統(tǒng)機(jī)械效率，綜合考慮絲杠預(yù)緊、導(dǎo)軌、聯(lián)軸器效率的影響，；—電機(jī)超載時的容許系數(shù)。綜上計算，選擇的電機(jī)應(yīng)滿足轉(zhuǎn)矩和功率兩方面要求，滿足轉(zhuǎn)矩： N選擇深圳眾為興公司ACH系列ACH—13100C電機(jī)。m；最大轉(zhuǎn)矩12 N電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接，依據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》，選取膜片式聯(lián)軸器，膜片式聯(lián)軸器是一種用不銹鋼膜片作為撓性組件的撓性聯(lián)軸器，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、承載能力大、傳動效率高、精度高、強(qiáng)度高、等優(yōu)點(diǎn)，可用于高、低溫，高、中速，大轉(zhuǎn)矩和有油和水的場合。[5][6]本設(shè)計選用直線滾動導(dǎo)軌副，滾動體為滾珠，帶保持架。其摩擦系數(shù)非常小，這使機(jī)床的溫升更小，噪音更低，壽命更長，精度更高，顯著提高了整體性能，直線滾動導(dǎo)軌副靜、動摩擦因素很接近，因此不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，能夠使用油脂進(jìn)行潤滑。[3]直線滾動導(dǎo)軌副具有如下特點(diǎn)：長壽命，因?qū)к壞Σ料禂?shù)很低，磨損小，壽命很長；高速性；等速性；低噪音；低發(fā)塵性；長期免維護(hù)免保養(yǎng)。為分析方便，進(jìn)行受力分析時將斜床鞍等效為水平床鞍，其受力情況不變。確定兩根導(dǎo)軌距離為277mm，Z向上滑塊間距為140mm。對四個導(dǎo)軌滑塊進(jìn)行受力分析，如圖4所示。首先考慮進(jìn)給力的作用，對O點(diǎn)取矩，得： （25） （26） （27） （28）同理，對點(diǎn)取矩，可得： （29） （30）用同樣的方法，求出主切削力和徑向力對每個滑塊的作用力。把重力和主切削力、進(jìn)給力、徑向力對每個滑塊的作用力列入表11中。計算滑塊A的工作載荷： （31）代入數(shù)值，得出：=4482N。運(yùn)行的距離就稱為支承的額定壽命。[4]表11 、和對Z軸滑塊的作用力合力支反力/N、1273/4=552=2640=768427= 2401398側(cè)向力/N、735/400=105612=9688滾動支承的預(yù)期壽命，除了與額定動載荷和導(dǎo)軌的實(shí)際工作載荷有關(guān)之外，還與導(dǎo)軌的硬度、滑塊部分的工作溫度和每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)有關(guān)。在保證選用的導(dǎo)軌副滿足動載荷要求的前提下，還應(yīng)保證滿足靜載荷要求，滾動導(dǎo)軌靜載能力計算如下：C0≥fs表12 直線滾動導(dǎo)軌硬度、溫度、接觸和載荷系數(shù)[4]硬度硬度HRC59645550硬度系數(shù)fH溫度溫度100150200溫度系數(shù)fT接觸滑塊數(shù)234接觸系數(shù)fc載荷載荷速度/m/min無沖擊振動≤15輕沖擊振動15~60有沖擊振動60載荷系數(shù)fw1~~2~表13 靜態(tài)安全系數(shù)fs運(yùn)動條件載荷條件fs的下限值不經(jīng)常運(yùn)動情況沖擊小、導(dǎo)軌撓曲變形小時~有沖擊、扭曲載荷作用時~普通運(yùn)動情況普通載荷、導(dǎo)軌撓曲變形小時~有沖擊、扭曲載荷作用時~由于存在扭曲載荷，取fs=，查表11，知P0=4278N，故代入數(shù)值，可得：C0≥10695N≈。（1）扭轉(zhuǎn)剛度計算[3]對于鋼的抗扭剛度，有如下量綱公式： KTSP=dsp4L (34)式中，L—軸承支承距離，mm；dsp—絲杠底徑，mm。代入數(shù)值，得： KTS=2602。代入數(shù)值，得： KS257（3）總剛度的計算對“雙推—支承”絲杠支承方式進(jìn)行剛度等效。取螺母座的剛度=1000，其余剛度根據(jù)以上計算結(jié)果得出，或在已選元件的技術(shù)參數(shù)中查得。（4）確定機(jī)械諧振頻率機(jī)械傳動部件的諧振頻率： （39）式中，—機(jī)械諧振頻率，rad/s；—工作臺質(zhì)量，kg。采用常規(guī)的比例位置調(diào)節(jié)，為使機(jī)械傳動部件的動態(tài)性能不影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，應(yīng)滿足如下關(guān)系： （40）式中，—電氣驅(qū)動部件的諧振頻率，此處取450rad/s進(jìn)行計算。[3]臨界轉(zhuǎn)速nc(r/min): （41）式中，—絲杠底徑，mm；—絲杠支承距離，mm；—與支承方式有關(guān)的臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表7。[3][4]為使進(jìn)給伺服系統(tǒng)的進(jìn)給執(zhí)行部件具備快速響應(yīng)能力，需要使電機(jī)軸慣量與進(jìn)給負(fù)載慣量有合理的匹配關(guān)系，通常電機(jī)慣量和折算至電機(jī)軸的負(fù)載慣量要滿足以下關(guān)系： （42）負(fù)載慣量包括聯(lián)軸器慣量、絲杠慣量、絲杠螺母慣量和工作臺慣量，聯(lián)軸器的慣量可在其技術(shù)參數(shù)中查知，下面計算工作臺和絲杠、絲杠螺母的慣量。滾珠絲杠導(dǎo)程為12mm，