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摘 要
本文完成了對數(shù)控銑床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先確定了總體設(shè)計(jì)方案，和X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，之后根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定了數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)方案，由導(dǎo)程、當(dāng)量動(dòng)載荷、最小螺紋底徑確定了X、Y、Z三個(gè)方向的滾珠絲杠以及由最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等確定了X、Y、Z三個(gè)方向的伺服電機(jī)，并且校驗(yàn)了X、Y、Z三個(gè)方向的伺服進(jìn)給系統(tǒng)。
確定了結(jié)構(gòu)方案后，用CAXA 實(shí)體設(shè)計(jì)軟件對結(jié)構(gòu)中絲杠、導(dǎo)軌、伺服電機(jī)等零件進(jìn)行了3D建模，之后裝配出X、Y、Z三個(gè)方向的伺服進(jìn)給系統(tǒng)，并生成出數(shù)控銑床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的二維工程圖，最后對其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。
關(guān)鍵詞：進(jìn)給系統(tǒng)；滾珠絲杠；伺服電機(jī)；CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)
Abstract
In this paper, the machine servo systems of the CNC milling are designed. First,overall design scheme is determined，and the motion parameters of the X,Y,Z three directions are determined，then according to the motion parameters，the transmission scheme of the CNC machine is determined，and by the lead, equivalent dynamic load, and bottom diameter of the smallest screw，the ball screws of the X, Y, Z three directions are determined and by the maximum cutting load torque, moment of inertia of the load ，the servo motors of the X, Y, Z three directions are determined，and the servo feed systems of the X, Y, Z three directions are checked.
After determining the program of the structure，three-dimensional modeling of the screws 、rails 、servo motors and other parts in the structure are set up by using CAXA physical design software，then the servo systems of the X, Y, Z three directions are assembled，and two-dimensional engineering drawings of the servo systems of the CNC milling machine are generated，finally the motion simulation is set up.
Keywords : Feed system;Ball Screw;Servo motor;CAXA physical design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
1 緒論 1
1.1 課題背景和意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 1
1.4 本課題的研究內(nèi)容和方法 3
1.5 本章小結(jié) 4
2 總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求 5
2.2 銑床的技術(shù)要求 5
2.3 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 5
2.4 主切削力及切削分力及切削分力計(jì)算 6
2.4.1 計(jì)算主切削力 6
2.4.2 計(jì)算各切削分力 6
2.5 本章小結(jié) 6
3 滾珠絲杠及伺服電動(dòng)機(jī)的選擇 8
3.1 X軸方向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算 8
3.1.1 X軸滾珠絲杠的選擇 8
3.1.2 X軸伺服電機(jī)的選擇 11
3.1.3 X軸系統(tǒng)校驗(yàn) 13
3.2 Y軸方向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算 16
3.2.1 Y軸滾珠絲杠的選擇 16
3.2.2 Y軸伺服電機(jī)的選擇 20
3.2.3 Y軸系統(tǒng)校驗(yàn) 21
3.3 Z軸方向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算 24
3.3.1 Z軸滾珠絲杠的選擇 24
3.3.2 Z軸伺服電機(jī)的選擇 27
3.3.3 Z軸系統(tǒng)校驗(yàn) 29
3.4 本章小結(jié) 32
4 3D建模 33
4.1 CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)的介紹 33
4.2 絲杠設(shè)計(jì) 33
4.2.1 設(shè)計(jì)思路 33
4.2.2 設(shè)計(jì)步驟 33
4.3 標(biāo)準(zhǔn)件及高級(jí)圖素應(yīng)用 36
4.3.1 設(shè)計(jì)方法 36
4.3.2 內(nèi)六角圓柱頭螺釘設(shè)計(jì) 37
4.4 裝配設(shè)計(jì) 38
4.4.1 設(shè)計(jì)方法 38
4.4.2 軸承座裝配 38
4.5 二維工程圖輸出 40
4.5.1 設(shè)計(jì)方法 40
4.5.2 生成步驟 40
4.6 本章小結(jié) 43
5 運(yùn)動(dòng)仿真 44
5.1 設(shè)計(jì)方法 44
5.2 絲杠的仿真 44
5.3 本章小結(jié) 44
6 結(jié)論 45
參考文獻(xiàn) 46
致 謝 47
附錄A 英文原文 48
附錄B 中文譯文 53
IV
1 緒論
1.1 課題背景和意義
機(jī)床是國民經(jīng)濟(jì)中具有戰(zhàn)略意義的基礎(chǔ)工業(yè)，所以機(jī)床工業(yè)的發(fā)展和機(jī)床技術(shù)水平的提高，必然對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重大的推動(dòng)作用。隨著改革開放以及中國加入世貿(mào)組織后，我國的機(jī)床工業(yè)已取得了巨大的發(fā)展。特別是在加入世貿(mào)組織后，中國正在逐步變成世界制造中心，機(jī)械行業(yè)為了增強(qiáng)競爭力已開始廣泛的使用先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床，雖然目前我國的數(shù)控技術(shù)正處在方興未艾的發(fā)展時(shí)期，但只要經(jīng)過技術(shù)工人艱苦不懈的共同努力，我國的數(shù)控機(jī)床及數(shù)控技術(shù)一定能逐步縮小與世界先進(jìn)水平的差距，取得很好的發(fā)展。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。 數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價(jià)格昂貴不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗(yàn)的零件。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。
進(jìn)入21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)與國際全面接軌，進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。機(jī)床制造業(yè)既面臨著機(jī)械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī)，也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。隨著制造業(yè)對數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。
1.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢
（1）高速化。隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，對數(shù)控機(jī)床加工的高速化要求越來越高。目前銑削速度已達(dá)到5000～8000m/min以上，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到30000～100000r/min；工作臺(tái)的移動(dòng)速度，當(dāng)分辨率為1μm時(shí)，在100～200m/min以上。自動(dòng)換刀速度在1秒以內(nèi)，小線段插補(bǔ)進(jìn)給速度達(dá)到12m/s。
（2）高精度化。數(shù)控機(jī)床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度、熱變形以及對振動(dòng)的監(jiān)測和補(bǔ)償越來越獲得重視。提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化，并采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度，位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法；采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，對設(shè)備的熱變形誤差和空間誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償；采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運(yùn)動(dòng)軌跡精度，并通過仿真預(yù)測機(jī)床的加工精度，以保證機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)，并保證零件的加工質(zhì)量。
（3）高可靠性。數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比，增加了數(shù)控系統(tǒng)和相應(yīng)的監(jiān)控裝置等，應(yīng)用了大量的電氣、液壓和機(jī)電裝置，易于導(dǎo)致出現(xiàn)失效的概率增大；工業(yè)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和干擾對數(shù)控機(jī)床的可靠性極為不利，而數(shù)控機(jī)床加工的零件型面較為復(fù)雜，加工周期長，要求平均無故障時(shí)間在2萬小時(shí)以上。為了保證數(shù)控機(jī)床有高的可靠性，就要精心設(shè)計(jì)系統(tǒng)、嚴(yán)格制造和明確可靠性目標(biāo)以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時(shí)間在7～10萬小時(shí)以上，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時(shí)間僅為10000小時(shí)左右，國外整機(jī)平均無故障工作時(shí)間達(dá)800小時(shí)以上，而國內(nèi)最高只有300小時(shí)。
（4）功能復(fù)合化。復(fù)合機(jī)床的含義是指在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。采用復(fù)合機(jī)床進(jìn)行加工，減少了工件裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時(shí)間以及中間過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市場反應(yīng)能力，相對于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢。
（5）控制智能化。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化的發(fā)展需求，數(shù)控機(jī)床的智能化程度在不斷提高。加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)：通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進(jìn)行識(shí)別，以辯識(shí)出刀具的受力、磨損、破損狀態(tài)及機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)和加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高設(shè)備運(yùn)行的安全性；加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇：將工藝專家或技師的經(jīng)驗(yàn)、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的；智能故障自診斷與自修復(fù)技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法實(shí)現(xiàn)故障的快速準(zhǔn)確定位；智能故障回放和故障仿真技術(shù)：能夠完整記錄系統(tǒng)的各種信息，對數(shù)控機(jī)床發(fā)生的各種錯(cuò)誤和事故進(jìn)行回放和仿真，用以確定錯(cuò)誤引起的原因，找出解決問題的辦法，積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)；智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置：能自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，并自動(dòng)調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動(dòng)裝置和智能化進(jìn)給伺服裝置。這種驅(qū)動(dòng)裝置能自動(dòng)識(shí)別電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并自動(dòng)對控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行。
（6）體系開放化。 向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求；數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649，以提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動(dòng)消耗。
（7）信息交互網(wǎng)絡(luò)化。對于面臨激烈競爭的企業(yè)來說，使數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間各個(gè)部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、培訓(xùn)、教學(xué)、管理，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配備了一個(gè)稱為信息塔的外部設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)、手機(jī)、機(jī)外和機(jī)內(nèi)攝像頭等，能夠?qū)崿F(xiàn)語音、圖形、視像和文本的通信故障報(bào)警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨(dú)立的、自主管理的制造單元。
1.4 本課題的研究內(nèi)容和方法
本課題是通過查閱資料確定數(shù)控銑床的切削力，由切削力的大小來確定數(shù)控銑床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)及傳動(dòng)方案，然后通過計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷選擇滾珠絲杠，通過計(jì)算最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩，負(fù)載慣量選擇伺服電動(dòng)機(jī)。最后通過CAXA軟件對數(shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行3D建模和運(yùn)動(dòng)仿真，在仿真中逐漸更改和優(yōu)化系統(tǒng)。
1.5 本章小結(jié)
本章先介紹了課題的背景與研究現(xiàn)狀，介紹了數(shù)控銑床發(fā)展趨勢，從而提出了研究數(shù)控銑床的重要意義。最后介紹了本課題研究的主要內(nèi)容和研究方法。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求
伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求：
（1）精度要求
伺服系統(tǒng)必須保證機(jī)床的定位精度和加工精度。對于低檔性的數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)控制精度一般為0.01mm；對于高性能數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)控制精度為1μm，甚至為0.1μm。
（2）響應(yīng)速度
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)響應(yīng)要快。
（3）調(diào)速范圍
調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。在各種數(shù)控機(jī)床中，由于加工用道具、被加工工件材質(zhì)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切削條件，就要求進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。
（4）低速、大轉(zhuǎn)矩
根據(jù)機(jī)床的加工特點(diǎn)，經(jīng)常在低速下進(jìn)行重切削，即在低速下進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須有大的轉(zhuǎn)矩輸出。
2.2 銑床的技術(shù)要求
工作臺(tái)質(zhì)量為200kg，工件和夾具的總質(zhì)量為500kg。工作臺(tái)縱向行程為650 mm，進(jìn)給速度為1~8000mm/min，快速移動(dòng)速度為20000mm/min；橫向行程為450mm，進(jìn)給速度為1~8000mm/min，快速移動(dòng)速度為15000mm/min；垂向行程為500mm，進(jìn)給速度為1~8000mm/min，快速移動(dòng)速度為25000mm/min。采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.0045，靜摩擦系數(shù)為0.0045；定位精度為0.012/300mm，重復(fù)定位精度為0.006mm。機(jī)床的工作壽命為20000h。
2.3 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
為了滿足以上技術(shù)要求，采取以下技術(shù)方案：
（1）工作臺(tái)工作面尺寸（寬度×長度）確定為650mm×650mm。
（2）對滾珠絲杠螺母副采用預(yù)緊，并對滾珠絲杠進(jìn)行拉伸預(yù)緊。
（3）采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
（4）采用夾緊式法蘭膜片聯(lián)軸器將伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠連接。
(5) 導(dǎo)軌采用四方向等載荷性滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。
2.4 主切削力及其切削分力計(jì)算
2.4.1 計(jì)算主切削力
根據(jù)已知條件，采用鑲齒三面刃銑刀，查《切削手冊》切削力計(jì)算公式為：
（2.1）
式中Z——銑刀齒數(shù)；
——背吃刀量（mm）；
——每齒進(jìn)給量（mm/z）；
——側(cè)吃刀量（mm）。
所以當(dāng)，，，， 時(shí)，
=6420N
2.4.2 計(jì)算各切削分力
工作臺(tái)的縱向切削力、橫向切削力和垂向切削力分別為：
2.5 本章小結(jié)
本章主要介紹了設(shè)計(jì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求，根據(jù)要求及參考資料確定了運(yùn)動(dòng)參數(shù)及傳動(dòng)方案，并且計(jì)算出了各向切削力。
3 滾珠絲杠及伺服電動(dòng)機(jī)的選擇
3.1 X軸方向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算
3.1.1 X軸滾珠絲杠的選擇
1確定滾珠絲杠的導(dǎo)程
根據(jù)已知條件取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速,i=1得：
2滾珠絲杠螺母副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算
絲杠最大載荷，為切削時(shí)的最大進(jìn)給力加摩擦力；最載荷即摩擦力 。已知最大進(jìn)給力為，工作臺(tái)加工件與夾具的質(zhì)量為700，導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)為0.0045，故絲杠的最小載荷
N
絲杠最大載荷
N
當(dāng)負(fù)荷與載荷接近單調(diào)式變化時(shí)
3確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷
（1）按預(yù)定工作時(shí)間估算。
（3.1）
式中——預(yù)期工作時(shí)間（小時(shí)）；
——精度系數(shù)；
——可靠性系數(shù)；
——負(fù)荷系數(shù)。
查得載荷性質(zhì)系數(shù)=1.3。已知初步選擇的滾珠絲杠的精度等級(jí)為2級(jí)，查得精度系數(shù)=1,可靠性系數(shù)=1，則
（2）因?qū)L珠絲杠螺母副將實(shí)施預(yù)緊，所以可按估算最大軸向載荷。取預(yù)加載荷系數(shù)=4.5，則
（3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷
取以上兩種結(jié)果的最大值，＝28497N。
4按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑
（1）估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。
機(jī)床或機(jī)械裝置的伺服系統(tǒng)精度大多在空載下檢驗(yàn)。空載時(shí)作用在滾珠絲杠副上的最大軸向工作載荷是靜摩擦力。移動(dòng)部件處啟動(dòng)和返回時(shí)，由于方向變化將產(chǎn)生誤差因素，一般占重復(fù)定位精度的（1/21/3）。所以規(guī)定滾珠絲杠副允許的最大軸向變形（1/31/4）重復(fù)定位精度。
已知重復(fù)定位精度為6則
0.0020.0015mm
影響定位精度最主要因素是滾珠絲杠副的精度，其次是滾珠絲杠本身的拉壓彈性變形以及滾珠絲杠副摩擦力矩的變化等。一般估算（1/41/5）定位精度。
0.0050.004mm
取上述計(jì)算結(jié)果的較小值=0.0015mm
（2）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑
本機(jī)床工作臺(tái)（X軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用兩端固定方式
（3.2）
式中——估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量（μm）；
——導(dǎo)軌靜摩擦力（N）；
L——滾珠螺母至滾珠絲杠兩個(gè)固定支承的距離。
滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為
L＝行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承長度
≈（1.11.2）行程+（1014）
L＝1.1×行程+10×≈（1.1×650+10×8）mm＝860mm
又=31.5N，得
5初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)
根據(jù)計(jì)算所得的、、，初步選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副FFZD4008-5其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動(dòng)載荷和絲杠底徑如下:=40mm, =8mm,=30700N＞=28497N, =34.9mm＞=5.23mm。故滿足式設(shè)計(jì)要求。
6確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力
3883N＝1294N
7計(jì)算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值與預(yù)緊拉力
1）計(jì)算目標(biāo)行程補(bǔ)償值
＝11.8△t× （3.3）
式中：△t——溫度變化值。
已知溫度變化值△t=2.5℃，滾珠絲杠螺母副的有效行程：
行程+（814）=650+11×8=738mm
＝11.8△t×＝11.8×2.5×738×mm=21.77mm
（2）計(jì)算滾珠絲杠的預(yù)拉伸力。
8確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號(hào)
（1）計(jì)算軸承所承受的最大軸向載荷
（2）軸承類型
兩端固定支承方式。采用雙向推力角接觸球軸承。
（3）確定軸承內(nèi)徑d
為便于絲杠加工，軸承內(nèi)徑最好不大于滾珠絲杠大徑。在選用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副時(shí)必須有一端軸承內(nèi)徑略小于絲杠底徑。其次軸承樣本上規(guī)定的預(yù)緊力應(yīng)大于軸承所承最大載荷計(jì)算軸承的的1/3。
d略小于=34.9mm，d=30mm
（4）軸承預(yù)緊力
預(yù)加負(fù)荷，=1/3=1/39821=3274N
（5）按樣本選軸承型號(hào)規(guī)格
ZKLN3062.2RS d=30mm ，預(yù)加負(fù)荷為5850N>=3274N
9滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)
（1）滾珠絲杠螺紋長度
余程=32mm
=738+232=802mm
（2）兩端固定支承距離
=860mm，絲杠全長L=994mm
（3）行程起點(diǎn)離定支承距離
=62mm
3.1.2 X軸伺服電機(jī)的選擇
1力矩的計(jì)算
（1)計(jì)算切削負(fù)載力矩T
已知在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力F=F=3883N,電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離=8mm=0.008m,進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率η=0.90，得：
T===5.5Nm
（2)計(jì)算摩擦負(fù)載力矩T
已知在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力（即為空載時(shí)的導(dǎo)軌摩擦力）F=31.5N，得：
T==N.m=0.044N.m
（3)計(jì)算由滾珠絲杠得預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩T
已知滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力F=976.56N，滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程=8mm=0.008mm，滾珠絲杠螺母副的效率=0.94，得:
=
2負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
（1）已知機(jī)床執(zhí)行部件（即工作臺(tái)、工件和夾具）的總質(zhì)量m=800kg，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離為8mm，得：
（2)計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)到慣量J
已知滾珠絲杠的密度=7.810kg/cm,得:
（3)計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J
J
(4)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
根據(jù)上述計(jì)算可初步選定伺服電機(jī)。選擇S系列交流伺服電動(dòng)機(jī)CTB-43POSXA20。
主要技術(shù)參數(shù)如下：
最高轉(zhuǎn)速：6000r/min
額定轉(zhuǎn)矩：14.3N.m
最大轉(zhuǎn)矩：28.6N.m
轉(zhuǎn)子慣量：0.0054
機(jī)械時(shí)間常數(shù)：7.5ms
3空載啟動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速力矩
a）=0.0054=（1~4）
b）最大轉(zhuǎn)矩：28.6N.m>
c）額定轉(zhuǎn)矩：14.3N.m>
可見CTB-43POSXA20型交流伺服電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。
3.1.3 X軸系統(tǒng)校驗(yàn)
1傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算
（1）計(jì)算滾珠絲桿的拉壓剛度
本工作臺(tái)的絲杠支承方式為兩端固定，當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心位于滾珠絲桿兩支承的中心位置（a=/2，=860mm）時(shí)，滾珠絲桿螺母副具有最小拉壓剛度，計(jì)算為：
當(dāng)滾珠絲桿的螺母副中心位于行程的兩端位置時(shí)，滾珠絲桿螺母副具有最大拉壓剛度計(jì)算得：
（2）計(jì)算滾珠絲杠螺母副支撐軸承的剛度
= 2×2.34× （3.4）
式中——軸承接觸角；
——滾動(dòng)體直徑（mm）；
Z——滾動(dòng)體個(gè)數(shù)；
——最大軸向工作載荷（N）；
已知軸承的接觸角=60，滾動(dòng)體直徑=4.25mm，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z=10,軸承的最大軸向工作載荷= 3×5850=17550N,得
= 2×2.34×
= 2×2.34×
由兩端固定支承
=2=2×719=1438N/μm
（3）計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度K
（3.5）
式中——查樣本上的剛度（μm）；
——額定動(dòng)載荷；
由樣本查得：=1580N/μm； =30700N；=1294N
=
2傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算及滾珠絲杠副的精度選擇
（1）計(jì)算 N/um
計(jì)算 N/um
靜摩擦力
（2）驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
（3.6）
已知反相差值或重復(fù)定位精度為6
N/μm
（3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差
（4）確定精度，任意300mm內(nèi)的行程變動(dòng)量
對半閉環(huán)系統(tǒng)而言，
定位精度為12μm/300mm
所以
所以=8μm<9.584
取絲杠精度取為2級(jí)。
（5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)
已確定得型號(hào)：FFZD
公稱直徑：40mm，導(dǎo)程 8mm
螺紋長度：802mm
絲杠全長：994mm
P類2級(jí)精度
即：FFZD4008-5-P2/994802
3驗(yàn)算滾珠絲杠副臨界壓縮載荷
因絲杠所受最大軸向載荷小于絲杠預(yù)拉伸里不用驗(yàn)算。
4驗(yàn)算滾珠絲杠副的臨界轉(zhuǎn)速
（3.7）
式中——臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度（mm）。
由樣本得：=34.9mm， f=21.9，得
5驗(yàn)算
（3.8）
式中——滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑（mm）；
—— 滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速。
r/min
6基本軸向額定靜載荷驗(yàn)算
式中——滾珠絲杠副的基本軸向額定載荷（N）；
——靜態(tài)安全系數(shù)。
由樣本得：=1.5，=17550N，=84900N
所以 1.517550=26325<=84900N
7強(qiáng)度驗(yàn)算
（3.9）
式中——許用應(yīng)力（）；
——滾珠絲杠螺紋底徑（mm）。
取=726，，得
所以 mm
驗(yàn)算均合格。
3.2 Y軸方向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算
3.2.1 Y軸滾珠絲杠的選擇
1確定滾珠絲杠的導(dǎo)程
根據(jù)已知條件取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速,i=1得：
2滾珠絲杠螺母副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算
絲杠最大載荷，為切削時(shí)的最大進(jìn)給力加摩擦力；最載荷即摩擦力 。已知最大進(jìn)給力為，工作臺(tái)加工件與夾具的質(zhì)量為700，導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)為0.0045，故絲杠的最小載荷
N
絲杠最大載荷
N
當(dāng)負(fù)荷與載荷接近單調(diào)式變化時(shí)
3確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷
（1）按預(yù)定工作時(shí)間估算
查得載荷性質(zhì)系數(shù)=1.1。已知初步選擇的滾珠絲杠的精度等級(jí)為2級(jí)，查得精度系數(shù)=1,可靠性系數(shù)=1，由公式（3.1）得，
（2）因?qū)L珠絲杠螺母副將實(shí)施預(yù)緊，所以可按估算最大軸向載荷。取預(yù)加載荷系數(shù)=4.5，則
（3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷
取以上兩種結(jié)果的最大值，＝28497N。
4按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑
（1）估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。
機(jī)床或機(jī)械裝置的伺服系統(tǒng)精度大多在空載下檢驗(yàn)。空載時(shí)作用在滾珠絲杠副上的最大軸向工作載荷是靜摩擦力。移動(dòng)部件處啟動(dòng)和返回時(shí)，由于方向變化將產(chǎn)生誤差因素，一般占重復(fù)定位精度的（1/21/3）。所以規(guī)定滾珠絲杠副允許的最大軸向變形（1/31/4）重復(fù)定位精度。
已知重復(fù)定位精度為6則
0.0020.0015mm
影響定位精度最主要因素是滾珠絲杠副的精度，其次是滾珠絲杠本身的拉壓彈性變形以及滾珠絲杠副摩擦力矩的變化等。一般估算（1/41/5）定位精度。
0.0050.004mm
取上述計(jì)算結(jié)果的較小值=0.0015mm
（2）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑
本機(jī)床工作臺(tái)（Y軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用兩端固定方式
滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為
L＝行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承長度
≈（1.11.2）行程+（1014）
L＝1.1×行程+10×≈（1.2×450+13×6）mm＝618mm
又=31.5N，由公式（3.2）得,
5初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)
根據(jù)計(jì)算所得的、、，初步選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副FFZD3206-5其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動(dòng)載荷和絲杠底徑如下:=32mm, =6mm,=20200N＞=19984N, =27.9mm＞=4.4mm。故滿足式設(shè)計(jì)要求。
6確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力
2920N＝973N
7計(jì)算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值與預(yù)緊拉力
（1）計(jì)算目標(biāo)行程補(bǔ)償值
已知溫度變化值△t=2.5℃，滾珠絲杠螺母副的有效行程：
行程+（814）=450+10×6=510mm
由公式（3.3）得
＝11.8△t×＝11.8×2.5×510×mm=15.22mm
（2）計(jì)算滾珠絲杠的預(yù)拉伸力。
8確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號(hào)
（1）計(jì)算軸承所承受的最大軸向載荷
（2）軸承類型
兩端固定支承方式。采用雙向推力角接觸球軸承。
（3）確定軸承內(nèi)徑d
為便于絲杠加工，軸承內(nèi)徑最好不大于滾珠絲杠大徑。在選用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副時(shí)必須有一端軸承內(nèi)徑略小于絲杠底徑。其次軸承樣本上規(guī)定的預(yù)緊力應(yīng)大于軸承所承最大載荷計(jì)算軸承的的1/3。
d略小于=27.9mm，d=25mm
（4）軸承預(yù)緊力
預(yù)加負(fù)荷，=1/3=1/36617=2206N
（5）按樣本選軸承型號(hào)規(guī)格
ZKLN2557.2RS d=25mm ，預(yù)加負(fù)荷為5525N>=2206N
9滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)
(1）滾珠絲杠螺紋長度
余程=24mm
=510+224=558mm
(2）兩端固定支承距離
=618mm，絲杠全長L=750mm
（3）行程起點(diǎn)離定支承距離
=60mm
3.2.2 Y軸伺服電機(jī)的選擇
1力矩的計(jì)算
（1)計(jì)算切削負(fù)載力矩T
已知在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力F=F=2920N,電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離=6mm=0.006m,進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率η=0.90，得：
T===3.0997Nm
（2)計(jì)算摩擦負(fù)載力矩T
已知在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力（即為空載時(shí)的導(dǎo)軌摩擦力）F=31.5N，得：
T==N.m=0.0336N.m
（3)計(jì)算由滾珠絲杠得預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩T
已知滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力F=973N，滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程=6mm=0.006mm，滾珠絲杠螺母副的效率=0.94，得:
=
2負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
（1）已知機(jī)床執(zhí)行部件（即工作臺(tái)、工件和夾具）的總質(zhì)量m=800kg，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離為8mm，得：
（2)計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)到慣量J
已知滾珠絲杠的密度=7.810kg/cm,得:
（3)計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J
J
（4)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
根據(jù)上述計(jì)算可初步選定伺服電機(jī)。選擇交流伺服電機(jī)130MB200B-011000。
主要技術(shù)參數(shù)如下：
最高轉(zhuǎn)速：2500r/min
額定轉(zhuǎn)矩：8.8N.m
最大轉(zhuǎn)矩：19.6N.m
轉(zhuǎn)子慣量：0.00158
機(jī)械時(shí)間常數(shù)：2.72ms
3空載啟動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速力矩
a）=0.00158=（1~4）
b）最大轉(zhuǎn)矩：19.6N.m<，也可以使用，但加速時(shí)間長
c）額定轉(zhuǎn)矩：8.8N.m>
可見130MB200B-011000型交流伺服電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。
3.2.3 Y軸系統(tǒng)校驗(yàn)
1傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算
（1）計(jì)算滾珠絲桿的拉壓剛度
本工作臺(tái)的絲杠支承方式為兩端固定，當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心位于滾珠絲桿兩支承的中心位置（a=/2，=618mm）時(shí)，滾珠絲桿螺母副具有最小拉壓剛度，計(jì)算為：
當(dāng)滾珠絲桿的螺母副中心位于行程的兩端位置時(shí)，滾珠絲桿螺母副具有最大拉壓剛度計(jì)算得：
（2）計(jì)算滾珠絲杠螺母副支撐軸承的剛度
已知軸承的接觸角=60，滾動(dòng)體直徑=4.25mm，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z=10,軸承的最大軸向工作載荷= 3×5525=16575N,由公式（3.4）得,
= 2×2.34×
=2×2.34×
由兩端固定支承
=2=2×706=1412N/μm
（3）計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度K
由樣本查得：=1367N/μm； =20200N；=973N,由公式（3.5)得
=
2傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算及滾珠絲杠副的精度選擇
（1）計(jì)算 N/um
計(jì)算 N/um
靜摩擦力
（2）驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
已知反相差值或重復(fù)定位精度為6,由公式（3.6）得
N/μm
（3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差
（4）確定精度，任意300mm內(nèi)的行程變動(dòng)量
對半閉環(huán)系統(tǒng)而言，
定位精度為12μm/300mm
所以
所以=8μm<9.584
取絲杠精度取為2級(jí)。
（5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)
已確定得型號(hào)：FFZD
公稱直徑：32mm，導(dǎo)程 6mm
螺紋長度：558mm
絲杠全長：750mm
P類2級(jí)精度
即：FFZD4008-5-P2/750558
3驗(yàn)算滾珠絲杠副臨界壓縮載荷
因絲杠所受最大軸向載荷小于絲杠預(yù)拉伸里不用驗(yàn)算。
4驗(yàn)算滾珠絲杠副的臨界轉(zhuǎn)速
由樣本得：=27.9mm， f=21.9，由公式（3.7）得
5驗(yàn)算
由公式（3.8）得
r/min
6基本軸向額定靜載荷驗(yàn)算
式中——滾珠絲杠副的基本軸向額定載荷（N）；
——靜態(tài)安全系數(shù)。
由樣本得：=1.5，=16575N，=53300N
所以 1.516575=24863<=53300N
7強(qiáng)度驗(yàn)算
取=726，，由公式（3.9）得
所以 mm
驗(yàn)算均合格。
3.3 Z軸方向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算
3.3.1 Z軸滾珠絲杠的選擇
1確定滾珠絲杠的導(dǎo)程
根據(jù)已知條件取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速,i=1得：
2滾珠絲杠螺母副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算
絲杠最大載荷
=0.55=0.556420=3531N
因?yàn)闄C(jī)床對主軸箱有配重，所以估算主軸箱對絲杠的載荷為20N。
絲杠的最小載荷
當(dāng)負(fù)荷與載荷接近單調(diào)式變化時(shí)
3確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷
（1）按預(yù)定工作時(shí)間估算。
查得載荷性質(zhì)系數(shù)=1.1。已知初步選擇的滾珠絲杠的精度等級(jí)為2級(jí)，查得精度系數(shù)=1,可靠性系數(shù)=1，由公式（3.1）得
（2）因?qū)L珠絲杠螺母副將實(shí)施預(yù)緊，所以可按估算最大軸向載荷。取預(yù)加載荷系數(shù)=4.5，則
（3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷
取以上兩種結(jié)果的最大值，＝24043N。
4按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑
（1）估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。
機(jī)床或機(jī)械裝置的伺服系統(tǒng)精度大多在空載下檢驗(yàn)?？蛰d時(shí)作用在滾珠絲杠副上的最大軸向工作載荷是靜摩擦力。移動(dòng)部件處啟動(dòng)和返回時(shí)，由于方向變化將產(chǎn)生誤差因素，一般占重復(fù)定位精度的（1/21/3）。所以規(guī)定滾珠絲杠副允許的最大軸向變形（1/31/4）重復(fù)定位精度。
已知重復(fù)定位精度為6則
0.0020.0015mm
影響定位精度最主要因素是滾珠絲杠副的精度，其次是滾珠絲杠本身的拉壓彈性變形以及滾珠絲杠副摩擦力矩的變化等。一般估算（1/41/5）定位精度。
0.0050.004mm
取上述計(jì)算結(jié)果的較小值=0.0015mm
（2）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑
本機(jī)床工作臺(tái)（X軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用兩端固定方式
滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為
L＝行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承長度
≈（1.11.2）行程+（1014）
L＝1.1×行程+10×≈（1.2×500+12×10）mm＝720mm
又=4.7N,由公式（3.2）得
5初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)
根據(jù)計(jì)算所得的、、，初步選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副FFZD3210-3其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動(dòng)載荷和絲杠底徑如下:=32mm, =10mm,=25700N＞=24043N, =27.3mm＞=1.85mm。故滿足式設(shè)計(jì)要求。
6確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力
3531N＝1177N
7計(jì)算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值與預(yù)緊拉力
（1）計(jì)算目標(biāo)行程補(bǔ)償值
已知溫度變化值△t=2.5℃，滾珠絲杠螺母副的有效行程：
行程+（814）=500+8×10=580mm
由公式（3.3）得
＝11.8△t×＝11.8×2.5×580×mm=17.11mm
（2）計(jì)算滾珠絲杠的預(yù)拉伸力。
8確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號(hào)
（1）計(jì)算軸承所承受的最大軸向載荷
（2）軸承類型
兩端固定支承方式。采用雙向推力角接觸球軸承。
（3）確定軸承內(nèi)徑d
為便于絲杠加工，軸承內(nèi)徑最好不大于滾珠絲杠大徑。在選用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副時(shí)必須有一端軸承內(nèi)徑略小于絲杠底徑。其次軸承樣本上規(guī)定的預(yù)緊力應(yīng)大于軸承所承最大載荷計(jì)算軸承的的1/3。
d略小于=27.3mm，d=25mm
（4）軸承預(yù)緊力
預(yù)加負(fù)荷，=1/3=1/37164=2388N
（5）按樣本選軸承型號(hào)規(guī)格
ZKLN2557.2RS d=25mm ，預(yù)加負(fù)荷為5525N>=2388N
9滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)
（1）滾珠絲杠螺紋長度
余程=40mm