第一章 機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算
第一節(jié) 確定系統(tǒng)脈沖當量
脈沖當量是機床的最小設定單位，即一個進給脈沖使機床運動部件產(chǎn)生的位移量。根據(jù)機床的定位精度為±0.015mm的要求，確定脈沖當量為0.01mm/脈沖。
第二節(jié) 切削力計算
切削力為已知條件：最大切削力Fc =300N 查機械手冊可知 , 所以 PZ=120N
第三節(jié) 工作臺外形尺寸用重量計算
根據(jù)加工范圍確定工作臺尺寸X=270mm,Y=220mm,其如附錄（2）所示。X向拖板（上拖板）尺寸（長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
上導軌座（帶電機）重量：
[（640X 220 X 10+2 X360X 35 X 40）X 10-3X7.8×10-2]N≈183N
夾具及工件的質(zhì)量: G≈ 150N
X-Y工作臺運動部分的總重量為:185N + 227N + 183N + 150N = 745N
第四節(jié) 滾動導軌的確定：
上導軌(X向)拖板長度: L0=270mm 拖板行程: l=250mm
支撐導軌長度： L=L0+L=520mm
下導軌（Y向）拖板長度： L0=220mm 拖板行程：l=200mm
支撐導軌長度：L=L0+l=420mm
導軌尺寸及參數(shù)的選定，查機械設計手冊：滑軌長度的選定：
X向?qū)к夐L度選定： 520 mm > 210 mm
Y向?qū)к夐L度選定： 460 mm > 410 mm
許可負載驗算：考慮到鉆削時工作臺不移動，其鉆削力遠遠小于導軌的靜負載，故導軌可用。
第五節(jié) 滾珠絲杠的設計計算
滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力.應按銑削時的情況計算.
(1) 計算進給牽引力
直線型綜合導軌，導軌摩擦系數(shù)
顛復力矩影響實驗系數(shù) K=1.15
(2) 最大動負荷Q的計算
查表得系數(shù)fw=2,壽
查表得使用壽命時間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）
Vs—為最大切削力條件下的進給速度（m/min），
L0—絲杠導程（mm）;
T—為使用壽命（h），根據(jù)設設計要求取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)整預緊的雙螺母滾珠絲杠副（如圖），型號為W1D2005，1列2.5圈，螺旋升角 ，最大動載荷8800N，最大靜載荷22600N，滿足計算要求。
（4） 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)計算如表
名 稱
符號
計算公式和結果
螺
紋
滾
道
公 稱 直 徑
20
螺 距
5
接 觸 角
鋼 球 直 徑
3.175
偏 心 距
螺 紋 升 角
絲
桿
絲 桿外 徑
絲 桿 內(nèi) 徑
絲桿接觸直徑
螺
母
螺母螺紋外徑
螺 母 內(nèi) 徑
(5) 計算傳動效率
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)滾珠絲杠的最大動載荷944N, 欲選擇角接觸球軸承， 查機械設計手冊選擇40O型，型號為7002C，內(nèi)徑為 ，外徑為 ，寬度為 ，額定動載荷為6250N。
第七節(jié) 步進電動機的選型和計算
因為系統(tǒng)定位精度為±0.02mm,系統(tǒng)的脈沖當量為0.005mm/step,初選55BF009型號三相六拍步進電機步距角 =0.9 ,滾珠絲杠螺距為 ,則降速
由于1/2<i <1,則可采用一級降速,可選Z1 =20 Z2 = 50
因為傳動的扭矩較小，取模數(shù) ，齒輪的有關計算如
關 系 式
1
（齒數(shù)）
20
50
2
20
50
3
22
52
4
17.5
47.5
5
5
5
6
35
35
（2）．步進電機啟動轉(zhuǎn)矩的計算：
設計步進電機等效負載轉(zhuǎn)矩為 ，負載力為 ，根據(jù)能量守衡原理，電機所做的功與負載力做的功有如下關系：
式 —電機轉(zhuǎn)角；
—移動部件的相應位移；
電機 齒輪 軸承 絲杠
所以，
式中 —銑削時走刀抗力（N）;
—移動部件重量（N）；
—與重力方向一致的切削力（N）；
—導軌摩擦系數(shù)，取0.005；
—步進電機的步矩角；
--傳動效率，
—電機軸負載轉(zhuǎn)矩（ ）
估算起動轉(zhuǎn)矩
因為采用的工作方式是三相六拍的步進電機，由綜合作業(yè)指導書P38
表3-22得，λ=0.866，可求得最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax
Tjmax=Tq/0.951=36/0.866=42N•cm=0.42
（3）.步進電機的最高起動頻率 及運行頻率 計算
fmax=1000Vmax/（60×δp）=1000×2/（60×0.005）=6667 HZ
步進電機的運行頻率frun
frun=1000VS/（60×δp）=1000×0.2/（60×0.005）=667 HZ
其中Vmax---最大快進速度，為2m/min
VS--- 最大切削進給速度，為0.2m/min
（4）.確定步進電機的型號
據(jù)表3-23得步進電機型號55BF009的最大靜轉(zhuǎn)矩為0.78N•M> Tjmax,因為其最高空載起動頻率為3500 HZ< fmax=6667 HZ可采用軟件升速來決解。
（5）校核傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量 （計算簡圖如下）
為電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量
為齒輪Z1，Z2的轉(zhuǎn)動慣量
根據(jù)表3-23得電機型號55BF009的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量JM=7 Kg•CM2
G = 713N
考慮到電機與傳動系統(tǒng)慣量的匹配，當 的比值太小，機床的動態(tài)特性將主要取決于負載特性，此時不同的重量和行程的個坐標的特性將有很大區(qū)別，并且很容易受切削力，摩擦力等干擾的影響,而此時 ,系統(tǒng)愛干擾小.
（6）校核電機的轉(zhuǎn)矩
1，快速空載移動時加速轉(zhuǎn)矩：（加速時間設： ）
工進移動時加速轉(zhuǎn)矩：（加速時間設： ）
2，折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：
3，絲杠預緊附加摩擦轉(zhuǎn)矩：
4，折算到電機上的切削負載轉(zhuǎn)矩：
快速起動時所需起動轉(zhuǎn)矩：
最大切削負載時所需轉(zhuǎn)矩：
對于數(shù)控機床來說，電機轉(zhuǎn)矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負載力矩往往小于加速力矩，即以快速起動時所需加速轉(zhuǎn)矩 M為校核步進電機轉(zhuǎn)矩的依據(jù)：
故所選55BF009型步進電機符合要求。
經(jīng)過以上計算，本設計的X向與Y向均采用了55BF009型的步進電機，W1D2005型外循環(huán)無襯套墊片調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，直線型標準導軌，一對減速齒輪齒數(shù) ,模數(shù) 。其結構圖見附錄。
第八節(jié) 設計中應注意的問題
（1）、齒輪消隙的問題。
在實際生產(chǎn)中，工作臺在反向運動時會出現(xiàn)丟步、失步現(xiàn)象，為了使加工精確，必須要消除齒惻間隙。本設計中齒輪模數(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步進電機伸出直徑小，只有 6，上面沒有鍵，也不允許在電機軸上打銷空，只能利用過盈配合來傳遞扭矩。在裝配時，應該先將小齒輪放入油中加熱后取出套在電機軸上，冷卻后得到過盈配合。
（3）安裝時同一底板上滑軌的平行度采用夾板試運行調(diào)整，先將滑軌安裝，再來回移動上拖板，呆運行平穩(wěn)時固定兩側(cè)夾板。X-Y方向的垂直度應保持在小于0.01mm，以保持精度。
（4）底板，滑軌，滾珠絲杠螺母副應調(diào)整運轉(zhuǎn)輕便，符合技術要求后，打入銷定位。
