第一章        機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算

第一節(jié)               確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量

     脈沖當(dāng)量是機(jī)床的最小設(shè)定單位，即一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的位移量。根據(jù)機(jī)床的定位精度為±0.015mm的要求，確定脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖。

第二節(jié)               切削力計(jì)算

切削力為已知條件：最大切削力F_c =300N 查機(jī)械手冊(cè)可知  ,  所以   P_Z=120N

第三節(jié)    工作臺(tái)外形尺寸用重量計(jì)算

      根據(jù)加工范圍確定工作臺(tái)尺寸X=270mm,Y=220mm,其如附錄（2）所示。X向拖板（上拖板）尺寸（長(zhǎng)X寬X高）：270mm X 220mm X 40mm

      重量：（270 X 220 X 40X 10^-3X 7.8×10^-2 ）N≈185N

      Y向拖板（下拖板）尺寸：270mm X 270mm X 40mm

      重量：（270 X 270 X 40 X 10^-3X 7.8×10^-2）N≈227N

      上導(dǎo)軌座（帶電機(jī)）重量：

       [（640X 220 X 10+2 X 360 X 35 X 40）X 10^-3X7.8×10^-2]N≈183N

      夾具及工件的質(zhì)量:   G≈ 150N

      X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量為:185N + 227N + 183N + 150N = 745N

第四節(jié)    滾動(dòng)導(dǎo)軌的確定：

上導(dǎo)軌(X向)拖板長(zhǎng)度: L₀=270mm     拖板行程: l=250mm

支撐導(dǎo)軌長(zhǎng)度：  L=L₀+L=520mm

下導(dǎo)軌（Y向）拖板長(zhǎng)度： L₀=220mm   拖板行程：l=200mm

支撐導(dǎo)軌長(zhǎng)度：L=L₀+l=420mm

導(dǎo)軌尺寸及參數(shù)的選定，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：滑軌長(zhǎng)度的選定：

X向?qū)к夐L(zhǎng)度選定：  520 mm > 210 mm

Y向?qū)к夐L(zhǎng)度選定：  460 mm > 410 mm

 許可負(fù)載驗(yàn)算：考慮到鉆削時(shí)工作臺(tái)不移動(dòng)，其鉆削力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于導(dǎo)軌的靜負(fù)載，故導(dǎo)軌可用。

第五節(jié)   滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算  

滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力.應(yīng)按銑削時(shí)的情況計(jì)算.

(1) 計(jì)算進(jìn)給牽引力

直線型綜合導(dǎo)軌，導(dǎo)軌摩擦系數(shù)  

 顛復(fù)力矩影響實(shí)驗(yàn)系數(shù)  K=1.15     

(2)  最大動(dòng)負(fù)荷Q的計(jì)算   

查表得系數(shù)f_w=2,壽

查表得使用壽命時(shí)間T=15000h,初選絲杠螺距L₀=5mm,得絲杠轉(zhuǎn)速n(r/min)為:

所以,

式中   L—壽命，以 轉(zhuǎn)為一單位；

       n —絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）

       V_s—為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min），

       L₀—絲杠導(dǎo)程（mm）;

       T—為使用壽命（h），根據(jù)設(shè)設(shè)計(jì)要求取15000h;

(3)最大靜載荷

中，靜態(tài)安全系數(shù) 取2

由綜合大作業(yè)(第150頁)可選取W₁D型外循環(huán)無襯套墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副（如圖），型號(hào)為W₁D2005，1列2.5圈，螺旋升角 ，最大動(dòng)載荷8800N，最大靜載荷22600N，滿足計(jì)算要求。

（4） 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)計(jì)算如表

(5) 計(jì)算傳動(dòng)效率

其中， —摩擦角約等于

—螺紋升角

第六節(jié)  絲杠軸承的選型              

  根據(jù)滾珠絲杠的最大動(dòng)載荷944N, 欲選擇角接觸球軸承， 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇40^O型，型號(hào)為7002C，內(nèi)徑為 ，外徑為 ，寬度為 ，額定動(dòng)載荷為6250N。

第七節(jié)  步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型和計(jì)算

 因?yàn)橄到y(tǒng)定位精度為±0.02mm,系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.005mm/step,初選55BF009型號(hào)三相六拍步進(jìn)電機(jī)步距角 =0.9 ,滾珠絲杠螺距為 ,則降速

由于1/2<i <1,則可采用一級(jí)降速,可選Z₁  =20  Z₂ = 50  

因?yàn)閭鲃?dòng)的扭矩較小，取模數(shù) ，齒輪的有關(guān)計(jì)算如

（2）．步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算：

設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 ，負(fù)載力為 ，根據(jù)能量守衡原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力做的功有如下關(guān)系：

式     —電機(jī)轉(zhuǎn)角；

       —移動(dòng)部件的相應(yīng)位移；

   電機(jī) 齒輪 軸承   絲杠

  所以，

  式中 —銑削時(shí)走刀抗力（N）;

       —移動(dòng)部件重量（N）；

       —與重力方向一致的切削力（N）；

       —導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.005；

       —步進(jìn)電機(jī)的步矩角；

       --傳動(dòng)效率，

—電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ ）

估算起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

因?yàn)椴捎玫墓ぷ鞣绞绞侨嗔牡牟竭M(jìn)電機(jī)，由綜合作業(yè)指導(dǎo)書P38

表3-22得，λ=0.866，可求得最大靜轉(zhuǎn)矩T_jmax

        T_jmax=T_q/0.951=36/0.866=42N•cm=0.42

（3）.步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率 及運(yùn)行頻率 計(jì)算

f_max=1000V_max/（60×δ_p）=1000×2/（60×0.005）=6667 H_Z

       步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率f_run

f_run=1000V_S/（60×δ_p）=1000×0.2/（60×0.005）=667 H_Z

其中V_max---最大快進(jìn)速度，為2m/min

          V_S--- 最大切削進(jìn)給速度，為0.2m/min

（4）.確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)

據(jù)表3-23得步進(jìn)電機(jī)型號(hào)55BF009的最大靜轉(zhuǎn)矩為0.78N•M> T_jmax,因?yàn)槠渥罡呖蛰d起動(dòng)頻率為3500 H_Z< f_max=6667 H_Z可采用軟件升速來決解。

（5）校核傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （計(jì)算簡(jiǎn)圖如下）

        為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量   為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

  為齒輪Z₁，Z₂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

根據(jù)表3-23得電機(jī)型號(hào)55BF009的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J_M=7 K_g•CM²

     G = 713N

     考慮到電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量的匹配，當(dāng) 的比值太小，機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性將主要取決于負(fù)載特性，此時(shí)不同的重量和行程的個(gè)坐標(biāo)的特性將有很大區(qū)別，并且很容易受切削力，摩擦力等干擾的影響,而此時(shí) ,系統(tǒng)愛干擾小.

（6）校核電機(jī)的轉(zhuǎn)矩

      1，快速空載移動(dòng)時(shí)加速轉(zhuǎn)矩：（加速時(shí)間設(shè)：  ）

工進(jìn)移動(dòng)時(shí)加速轉(zhuǎn)矩：（加速時(shí)間設(shè)： ）

      2，折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：

    3，絲杠預(yù)緊附加摩擦轉(zhuǎn)矩：

     4，折算到電機(jī)上的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

快速起動(dòng)時(shí)所需起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：

最大切削負(fù)載時(shí)所需轉(zhuǎn)矩：

對(duì)于數(shù)控機(jī)床來說，電機(jī)轉(zhuǎn)矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負(fù)載力矩往往小于加速力矩，即以快速起動(dòng)時(shí)所需加速轉(zhuǎn)矩 M為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)：  

故所選55BF009型步進(jìn)電機(jī)符合要求。

經(jīng)過以上計(jì)算，本設(shè)計(jì)的X向與Y向均采用了55BF009型的步進(jìn)電機(jī)，W₁D2005型外循環(huán)無襯套墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，直線型標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌，一對(duì)減速齒輪齒數(shù) ,模數(shù) 。其結(jié)構(gòu)圖見附錄。

第八節(jié)   設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

   （1）、齒輪消隙的問題。

      在實(shí)際生產(chǎn)中，工作臺(tái)在反向運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)丟步、失步現(xiàn)象，為了使加工精確，必須要消除齒惻間隙。本設(shè)計(jì)中齒輪模數(shù)小，尺寸也比較小，不宜做成雙片齒輪，因此采用了調(diào)整兩齒輪中心距的方法來消除間隙。通過修刮電機(jī)座或在底座之間加墊片的方法來改變兩齒輪的中心距，從而消除間隙。

   （2）、55BF009步進(jìn)電機(jī)伸出直徑小，只有 6，上面沒有鍵，也不允許在電機(jī)軸上打銷空，只能利用過盈配合來傳遞扭矩。在裝配時(shí)，應(yīng)該先將小齒輪放入油中加熱后取出套在電機(jī)軸上，冷卻后得到過盈配合。

   （3）安裝時(shí)同一底板上滑軌的平行度采用夾板試運(yùn)行調(diào)整，先將滑軌安裝，再來回移動(dòng)上拖板，呆運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)固定兩側(cè)夾板。X-Y方向的垂直度應(yīng)保持在小于0.01mm，以保持精度。

（4）底板，滑軌，滾珠絲杠螺母副應(yīng)調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)輕便，符合技術(shù)要求后，打入銷定位。