普通车床进给系统数控化改造

摘要本 次 设 计 就 数 控 车 床 两 个 方 向 的 进 给 系 统 进 行 了 设 计 。 通 过 查 阅 搜 集 资 料 ，此 次 设 计 选 择 连 续 控 制 系 统 ， 考 虑 到 属 于 经 济 型 数 控 机 床 加 工 精 度 高 ， 为 了 简 化结 构 ， 降 低 成 本 ， 采 用 步 进 电 机 开 环 控 制 系 统 ， 齿 能 传 动 采 用 了 消 除 齿 能 间 隙 的结 构 。 为 保 证 一 定 的 传 动 精 度 和 平 稳 性 ， 尽 量 采 用 减 少 摩 擦 力 ， 选 用 滚 珠 丝 杠 螺母 副 。 与 普 通 CA6140 机 床 相 比 ， 经 济 型 数 控 机 床 的 机 械 结 构 比 传 统 的 大 大 简化 ， 机 床 的 功 能 扩 充 ， 机 床 自 身 的 精 度 、 加 工 精 度 和 加 工 效 率 得 以 显 著 提 高 。关 键 词：滚 珠 丝 杠 螺 母 副 ， 交 流 伺 服 电 机 ， 伺 服 系 统 ， 造 型 。论文类型：基 础 研 究 。 ABSTRACTThe design on the CNC lathe feeding system in both directions has been designed.Through access to gather information， the continuous control system design options， taking into account an economic high precision CNC machining， in order to simplify the structure， reduce costs， use of open-loop stepper motor control system， gear to drive gear can be used to eliminate the gap structure To guarantee the transmission accuracy and smoothness， as far as possible to reduce friction， use ball screw pair. Compared with ordinary CA6140 machine， CNC machine tools economical than the traditional mechanical structure greatly simplified and expanded the functions of the machine， precision machine tool itself， processing accuracy and processing efficiency can be improved significantly .Keywords: ball screw pair, AC servo motors， servo systems， computing， modeling.Dissertation Type: Basic research .目 录绪 论 .1第一章 CA6140 普通机床改造成经济型数控机床的选择 .31.1 系统的运动方式与司服系统的选择 .31.2 计算机系统 .31.3 机械传动式 .3第二章 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .42.1 脉冲当量和切削力的确定 .42.1.1 脉冲当量 .42.1.2 切削力 .42.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .42.2.1 计算进给牵引力 Fm.52.2.2 计算最大动负载C .52.2.3 计算最大静负载 .62.2.4 传动效率计算 .72.2.5 刚度验算 .72.3 稳定性验算 .9第三章 交流伺服电机的计算和选型 .103.1 初选步进电机 .113.2 步进电机转距的校核计算 .123.2.1 转动惯量计算 .123.2.2 丝杠折算到电机轴上转动惯量的计算公式 .123.2.3 工作台打算到电机轴上的惯量 J.123.2.4 丝杠传动折算到电机轴上的总转动量 .123.2.5 电机转距的计算 .13第四章 经济型数控机床横向进给伺服系统计算 .154.1 脉冲当量的选择和切削力的计算 .154.1.1 选择脉冲当量： .154.1.2 计算切削力 .154.2 齿轮比的计算 .174.3 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 .21第五章 结论 .23参考文献 .24致 谢 .25绪 论我 国 是 制 造 业 大 国 ， 在 新 的 国 际 产 业 结 构 中 ， 我 国 正 逐 渐 成 为 全 球 制 造业 的 重 要 基 地 之 一 。 “以 信 息 化 带 动 工 业 化 ， 发 挥 后 发 优 势 ， 推 动 社 会 生 产 力的 跨 越 式 发 展 ”是 国 家 的 发 展 战 略 ， 在 这 的 新 的 概 念 下 ， 生 产 组 织 的 类 型 正 向 着“以 市 场 需 求 为 动 力 ； 以 技 术 发 展 为 基 础 ”的 柔 性 自 动 化 的 方 向 发 展 。 应 用高 新 技 术 ， 使 各 种 生 产 类 型 的 工 艺 过 程 都 向 着 柔 性 化 的 方 向 发 展 。 应 用 高 新 技 术 ，特 别 是 信 息 技 术 改 造 传 统 产 业 结 构 话 升 级 ， 将 成 为 今 后 一 段 时 间 制 造 业 发 展 的 主题 之 一 。 数 控 技 术 是 制 造 业 实 现 自 动 化 ， 柔 性 化 ， 集 成 化 生 产 的 基 础 ， 数 控 技 术的 应 用 是 提 高 制 造 业 产 品 质 量 和 劳 动 生 产 率 必 可 少 的 重 要 手 段 ， 数 控 机 床 也 是 国防 工 业 现 代 化 的 重 要 战 略 装 备 ， 是 关 系 到 国 家 战 略 地 位 和 体 现 国 家 综 合 国 力 水 平的 重 要 标 志 。 在 此 次 CA6140 改 造 成 经 济 性 数 控 机 床 中 ， 它 不 仅 锻 炼 个 人 的 动脑 能 力 ， 而 且 还 将 用 到 在 大 学 里 所 学 的 专 业 知 识 以 及 课 后 读 的 相 关 资 料 和 工 具 书 ，所 以 此 次 设 计 对 学 好 数 控 有 很 大 的 提 高 。以 普 通 CA6140 机 床 相 比 ， 经 济 型 数 控 机 床 的 机 械 结 构 比 传 统 的 大 大 简 化 ，机 床 的 功 能 扩 充 ， 机 床 自 身 的 精 度 ， 加 工 精 度 和 加 工 效 率 的 以 显 著 提 高 ， 数 控 机床 的 加 工 原 理 是 机 床 刀 具 沿 理 想 运 动 轨 迹 的 直 线 和 圆 弧 作 插 补 运 动 ， 从 而 以 提 高精 度 来 切 削 出 零 件 形 状 ， 在 这 里 所 谓 的 插 补 是 将 自 由 曲 线 近 似 地 转 化 成 为 也 二 组离 散 的 简 单 曲 线 段 称 为 刀 具 插 补 运 动 轨 迹 。数 控 机 床 综 合 了 精 密 机 械 、 电 子 、 电 力 托 运 、 自 动 控 制 、 故 障 诊 断 和 计 算 机等 多 方 面 的 技 术 ， 是 典 型 的 高 精 度 、 高 效 率 及 高 柔 性 的 机 电 一 体 化 产 品 。 数 控 机床 在 国 内 应 用 非 常 广 泛 ， 而 数 控 车 削 加 工 是 机 械 加 工 中 最 主 要 的 数 控 加 工 方 法 之一 。 所 以 数 控 车 床 的 设 计 与 研 究 对 制 造 业 的 发 展 起 到 了 举 足 轻 重 的 作 用 。这 次 设 计 就 数 控 车 床 两 个 方 向 的 进 给 系 统 进 行 了 设 计 ， 由 于 时 间 有 限 ， 经 验不 足 ， 加 之 资 料 不 全 ， 确 实 存 在 错 误 疏 忽 之 处 ， 希 望 老 师 给 予 指 正 。第一章普通机床改造成经济型数控机床的选择1.1 系统的运动方式与司服系统的选择由 于 改 造 的 经 济 型 数 控 机 床 应 具 有 定 位 ， 直 线 插 补 ， 顺 圆 和 逆 圆 插 补 ， 站 停 ，循 环 加 工 ， 公 英 制 螺 纹 加 工 等 功 能 ； 故 应 选 择 连 续 控 制 系 统 。 考 虑 到 属 于 经 济 型数 控 机 床 加 工 精 度 高 ， 为 了 简 化 结 构 ， 降 低 成 本 ， 采 用 步 进 电 机 开 环 控 制 系 统 步 进 电 机 是 将 脉 冲 信 号 转 换 成 机 械 角 位 移 的 执 行 器 。1.2 计算机系统由 于 MSC-51 系 列 单 片 机 具 有 集 成 度 高 ， 可 靠 性 好 ， 速 度 快 抗 干 扰 能 强 。性 能 价 格 比 高 等 特 点 ， 决 定 采 用 MCS-51 系 列 的 8052 单 片 机 的 扩 展 系 统 来设 计 。控 制 系 统 有 微 机 部 分 组 成 ， 键 盘 及 显 示 器 ， IO 接 口 及 光 隔 离 电 路 ， 步 进电 机 功 率 放 大 电 路 等 组 成 。 系 统 的 加 工 程 序 和 控 制 命 令 通 过 键 盘 操 作 实 现 ， 显 示器 采 用 数 码 管 显 示 加 工 数 据 及 机 床 状 态 等 信 息 。1.3 机械传动式为 实 现 机 床 所 要 求 的 分 辨 率 ， 采 用 步 进 电 机 经 齿 能 减 速 在 传 动 给 丝 杠 。 为 保证 一 定 的 传 动 精 度 和 平 稳 性 ， 尽 量 采 用 减 少 摩 擦 力 ， 选 用 滚 珠 丝 杠 螺 母副 。 同 时 ， 为 了 提 高 传 动 刚 度 和 消 除 间 隙 ， 采 用 预 加 负 载 的 机 构 。 齿 能 传 动 也 要采 用 消 除 齿 能 间 隙 的 结 构 。第二章 滚珠丝杠螺母副的计算和选型2.1 脉冲当量和切削力的确定 2.1.1 脉冲当量根 据 机 床 的 精 度 要 求 确 定 脉 冲 当 量 ；横 向 脉 冲 采 用 （ 半 径 ） 。0.5mstep2.1.2 切削力主 切 削 力 可 取 纵 切 的 1 2ZF1 纵 向 车 外 圆 的 主 切 削 力 的 公 式 ：=0.67D1.5max （ 2-1）Z2 横 切 端 面 的 主 切 削 力 公 式 的 估 算 ：Fz1=1 2X 0.67D1.5max （ 2-2） 式 中 ： D-在 床 面 上 加 工 的 最 大 直 径3 此 时 的 走 刀 抗 力 为 ： Fy1， 吃 刀 抗 力 ： Fx1， 还 按 上 述 比 例 粗 略 计 算 ：Fz1 ： Fy1 ： Fx1=1： 0.25： 0.42.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型公 称 直 径 d 指 滚 珠 中 心 圆 的 直 径 ， d 根 据 承 受 的 载 荷 来 选 取 。 d 越 大 ，0 0 0丝 杠 承 载 的 能 力 和 刚 度 就 越 大 。 为 了 满 足 传 动 刚 度 和 稳 定 性 的 要 求 ， 通 常 d 应 该0大 于 丝 杠 长 度 的 1/30 1/35。 丝 杠 长 度 据 加 工 要 求 ： 工 件 最 大 长 度 750 ，来 选 1500 。 滚 珠 直 径 承 载 能 力 有 直 接 影 响 ， 应 尽 可 能 取 较 大 的 数 值 。 一 般wD 0.6 Lo， 其 最 后 尺 寸 按 滚 珠 标 准 选 用 。 wD2.2.1 计算进给牵引力 Fm作 用 在 滚 珠 丝 杠 上 的 进 给 给 牵 引 力 主 要 包 括 ： 切 削 时 的 走 刀 抗 力 以 及 移 动 件的 重 要 和 切 削 力 作 用 在 导 轨 的 摩 擦 力 ， 因 而 其 数 值 大 小 和 导 轨 的 形 式 有 关 。 导 轨分 为 四 种 类 型 ： 距 型 导 轨 ， 燕 尾 形 在 导 轨 ， 三 角 形 导 轨 或 综 合 导 轨 。采 用 导 轨 为 燕 尾 形 的 公 式 ：Fm=k + f Fz1+2Fx1+G1 （ 2-3）YK： 考 虑 复 力 影 响 的 实 验 系 数 表 1-1。： 端 面 的 主 切 削 力Z： 刀 抗 力Y： 抗 力Ff ： 滑 动 导 轨 摩 擦 系 数 ， 随 导 轨 形 式 而 不 同 取 0.2 查 表 2-1。表 2-1 复 力 影 响 的 实 验 系 数 表类型 K f距型导轨 1.1 0.15燕尾形在导轨 1.4 0.2三角形导轨综合导轨 1.15 0.15-0.18钻镗主轴圆导轨 1.4 0.15注：上例摩擦系数 f 均指滑动导轨，如果采用贴塑导轨：f=0.03-0.05；滑动导轨：f=0.0025-0.005；静压导轨 f=0.0052.2.2 计算最大动负载C选 用 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 直 径 d0 时 ， 必 须 保 证 在 一 定 轴 向 负 载 作 用 下 ，丝 杠 在 回 转 100 万 转 106 后 ， 在 它 的 滚 道 上 不 产 生 点 现 象 。 这 个 轴 向 负 载 的最 大 值 。(2-4)0snLv(2-5)61T (2-6)3wmCLfF式 中 ： Vs:横 向 最 大 切 削 条 件 下 的 进 给 速 度 可 取 最 高 进 给 速 度 ：minL： 寿 命 ， 以 转 化 为 单 位 。n： 丝 杠 转 速 l0； 丝 杠 导 程 mm。minrT： 为 使 用 寿 命 H 对 于 数 控 机 床 取 15000H。： 运 转 系 数 查 表 2-2。wf表 2-2 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 尺 寸 系 列 表运动状态 运转系数无冲击运转 1.0-1.2一般运转 1.2-1.5有冲击运转 1.5-2.5从 手 册 或 样 本 的 滚 珠 丝 杠 副 的 尺 寸 系 列 表 中 可 以 找 出 相 应 的 定 负 载CA 的 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 尺 寸 规 格 和 结 构 类 型 ， 选 用 是 应 使 C CA。2.2.3 计算最大静负载当 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 静 态 或 低 速 n 10 r/min 情 况 下 工 作 时 ， 滚 珠 丝杠 螺 母 副 的 破 坏 形 式 主 要 是 在 滚 珠 接 触 面 上 产 生 的 塑 性 变 形 ， 当 塑 性 变 形 超 过 一定 限 度 就 会 破 坏 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 正 常 工 作 。 一 般 允 许 其 塑 性 变 形 量 不 超 过 滚 珠直 径 的 万 分 之 一 。 产 生 这 样 大 的 塑 性 变 形 是 的 负 载 。（ 2-7）0maxsCfF静 态 安 全 系 数 ， 当 为 一 般 运 转 时 ：sf=1-2 有 冲 击 运 转 =2-3FMAX；sf滚 珠 丝 杠 的 最 大 轴 向 负 荷 N ； 2.2.4 传动效率计算滚 珠 丝 杠 螺 母 副 传 动 效 率 计 算= （ 2-8）tair： 丝 杠 螺 旋 升 角 。： 摩 擦 角 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 摩 擦 系 数 f=0.003-0.004， 摩 擦 系 数 约 等于 10。2.2.5 刚度验算滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 轴 向 变 形 会 影 响 进 给 系 统 的 进 位 精 度 及 运 动 的 平 稳 性 。 因此 应 考 虑 以 下 引 起 轴 向 变 形 的 因 素 ：1 滚 珠 丝 杠 的 拉 伸 和 压 缩 变 形 量 ， 在 总 的 变 形 量 中 的 比 重 最 大 。 可 以1用 计 算 方 法 或 查 图 表 的 方 法 决 定 。计 算 法 ： 先 用 下 式 计 算 滚 珠 丝 杠 受 工 作 负 载 Fm 的 作 用 引 起 的 导 程 L0的 变 化 量 。 L mm 在 计 算 滚 珠 丝 杠 长 度 的 拉 伸 和 压 缩 变 量 。12 滚 珠 和 螺 纹 滚 道 间 接 触 变 形 ， 此 项 在 变 形 量 中 的 比 重 。 当 对 丝 杠 有2预 紧 力 ， 且 预 紧 力 为 轴 向 最 大 负 载 的 1/3 时 的 值 可 减 少 一 半 ， 若 选 用 的 滚2珠 丝 杠 螺 母 副 不 是 图 表 中 的 系 列 则 计 算 如 下 。无 预 紧 力 时 ： =0.001762有 预 紧 力 时 ： =0.0028Z： 2 X 圈 数 X 例 数 Z： 外 循 环 0DdZ： -3 内 循 环 0Fm： 轴 向 工 作 负 载 N d0： 滚 珠 直 径 Z： 一 圈 的 滚 珠 数： 预 紧 力 N yZ1： 滚 珠 数 量 D0： 滚 珠 丝 杠 公 称 直 径3 支 承 滚 珠 丝 杠 的 轴 承 的 轴 向 接 触 变 形 ， 一 般 占 的 比 重 也 较 大 。 不 同3类 型 的 轴 承 的 接 触 变 形 量 可 用 不 同 的 公 式 计 算 ：c(1)推 力 球 轴 承 (2)推 力 调 心 球 轴 承 (3)圆 锥 滚 子 轴 承 (4)推 力 圆 柱 滚 子 轴 承 当 施 加 预 紧 力 后 ： Fm： 轴 承 所 受 轴 向 载 荷 N Z ： 轴 承 的 滚 动 体 数 目DQ： 轴 承 滚 动 体 直 径 mm d ： 轴 承 的 接 触 角 0： 轴 承 滚 子 有 效 长 度 l： 滚 子 长 度 ur ： 滚 子 倒 圆 角 半 径4 滚 珠 丝 杠 的 扭 转 变 形 允 起 导 程 变 化 量 ， 一 般 的 比 重 较 小 ， 常 忽 略 不4计 。5 螺 母 座 及 轴 承 座 的 变 形 ， 常 为 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 系 统 钢 度 的 薄 弱 环 节 。 但 变形 量 计 算 较 为 困 难 ； 一 般 根 据 取 精 度 要 求 在 结 构 上 尽 量 增 加 刚 度 而 不 作 计 算 。因 此 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 钢 度 的 计 算 主 要 是 验 算 和 应 大 于 机 床 精 度 要 求123允 许 变 形 量 的 一 半 ， 否 则 ， 应 考 虑 选 用 较 大 的 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 ， 以 上 变 量之 和 为 ： 123图 2-1 滚珠丝杠 2.3 稳定性验算对 于 选 定 的 尺 寸 丝 杠 在 给 定 的 支 承 条 件 下 ， 最 大 轴 向 负 载 是 ， 应 验 算 其 没 有产 生 纵 向 弯 曲 的 危 险 。E： 丝 杠 材 料 弹 性 模 量 N/cm2 对 刚 20.6 X 106 N/cm2 I： 面 惯 性 距 cm4 ， 对 于 丝 杠 为 为 丝 杠 螺 纹 的 底 径 )1dL： 丝 杠 两 支 承 端 距 离 ： 丝 杠 的 支 承 方 式 系 数 查 表 2-3。表 2-3 滚 珠 丝 杠 选 择 原 则方式 一端固定一端自由 两端简支 一端固定一端简支 两端固定2f0.25 1.00 2.00 4.00临 界 负 载 与 最 大 工 作 负 载 之 比 为 稳 定 性 安 全 系 数 ， 如 果 则 丝 杠 不 致kF kn失 稳 为 许 用 稳 定 安 全 系 数 ， 一 般 取 。 kn2.54kn第三章 交流伺服电机的计算和选型数 控 机 床 的 伺 服 进 给 传 动 系 统 是 数 控 机 床 的 重 要 组 成 部 分 ， 它 由 伺 服电 机 、 联 轴 节 （ 或 减 速 齿 轮 ） 、 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 （ 含 丝 杠 支 承 ） 、 导 轨 副 、 传 动工 作 台 移 动 ； 或 蜗 轮 蜗 杆 副 传 动 数 控 回 转 工 作 台 或 分 度 工 作 台 。 这 些 环 节 的 制 造精 度 、 摩 擦 阻 尼 特 性 和 刚 度 对 保 证 执 行 件 能 否 准 确 及 时 实 现 最 小 设 定 单 位 的 位 移量 起 着 决 定 作 用 。 由 伺 服 电 机 的 速 度 控 制 、 位 置 控 制 环 节 和 各 个 机 械 环 节 互 相 配合 ， 形 成 一 个 忠 实 执 行 数 控 系 统 命 令 并 进 行 功 率 放 大 和 及 时 反 馈 的 位 置 伺 服 控 制系 统 。 这 样 ， 弄 懂 一 个 坐 标 的 控 制 ， 也 就 掌 握 了 数 控 技 术 的 关 键 所 在 。因 为 有 了 一 个 坐 标 ， 就 很 容 易 推 广 到 两 坐 标 、 三 坐 标 ， 以 及 由 蜗 杆 蜗 轮 传 动的 数 控 回 转 坐 标 控 制 ； 至 于 它 们 之 间 联 动 控 制 问 题 则 由 数 控 系 统 的 插 补 软 件 来 协调 实 现 。 另 外 ， 伺 服 进 给 系 统 的 负 载 变 化 很 大 ， 响 应 特 性 要 求 很 高 ， 故 对 刚 度 、惯 量 匹 配 都 有 很 高 的 要 求 。选 用 步 进 电 机 时 ， 应 该 首 先 根 据 机 械 传 动 装 置 及 负 载 折 算 到 电 机 轴 上 的 等 效转 动 惯 量 ， 包 括 步 进 电 机 转 子 的 转 动 惯 量 ， 分 别 计 算 各 种 情 况 下 所 需 的 等 效 力 距 ；在 根 据 步 进 电 机 最 大 静 负 载 转 距 和 启 动 步 进 电 机 运 行 频 率 特 性 选 择 合 适 的 步 进 电机 。 为 了 满 足 滑 台 轻 巧 ,简 便 ,实 用 ,我 采 用 了 交 流 伺 服 电 机 .交 流 伺 服 电 机 与直 流 伺 服 电 机 相 比 有 以 下 优 点 ：1 无 电 刷 磨 损 ， 无 火 花 产 生 ， 故 寿 命 长 ， 长 期 不 须 维 修 ， 工 作 安 全 可 靠 。2 输 出 转 矩 高 ， 包 括 高 速 下 的 制 动 转 矩 能 在 很 宽 的 范 围 内 保 持 较 大 的 转 矩 。3 交 流 伺 服 电 机 惯 量 小 ,转 速 高 。4 伺 服 进 给 系 统 的 伺 服 电 机 是 根 据 负 载 来 选 取 的 。 加 在 伺 服 电 机 轴 上 的 负 载有 负 载 转 矩 和 负 载 惯 量 。 负 载 转 矩 包 括 切 削 转 矩 和 摩 擦 转 矩 。 负 载 惯 量 指 由 伺 服电 机 驱 动 的 所 有 作 旋 转 运 动 和 直 线 运 动 的 部 件 的 惯 量 折 算 到 伺 服 电 机 轴 上 的 惯 量总 和 。3.1 初选步进电机1 计 算 步 进 电 机 负 载 转 距 Tm 交 流 伺 服 电 机 的 计 算 和 选 型 ：Tm = （ 3-1）362PbF： 电 机 丝 杠 的 传 动 效 率 为 齿 轮 轴 承 丝 杠 效 率 之 积 其 中 一 对 齿 轮 只 效 为 0.98，一 对 轴 承 之 效 率 为 0.99；： 脉 冲 当 量b2 估 算 步 进 电 机 启 动 转 距 ： 根 据 负 载 转 距 除 以 一 定 的 安 全 系 数 估qTmT算 公 式 ：= （ 3-2）qT0.35m横 向 进 给 司 服 系 统 取 0.4-0.53 计 算 最 大 负 载 转 距 ； 表 示 步 进 电 机 所 能 承 受 的 最 大 负 载 转 距 与 启 动maxT转 距 的 关 系 如 表 3-1。 和 步 进 电 机 通 电 方 式 有 关 ， 可 根 据 在 步 进 电 机maxT技 术 手 册 中 初 选 步 进 电 机 。表 3-1 转 距 与 启 动 转 距 的 关 系相数 三 相 四 相 五 相 六 相步进电机排数 3 6 4 8 5 10 12maxqT0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.8664 步 进 电 机 运 行 频 率 和 最 高 起 动 频 率 HZef kf： 运 动 部 件 最 大 快 移 速 度 m/minmaxv： 脉 冲 当 量 pmstp5 初 选 步 进 电 机 型 号根 据 计 算 出 最 大 静 转 距 在 步 进 电 机 技 术 手 册 或 产 品 样 本 中 选 出 步 进axT电 机 型 号 。3.2 步进电机转距的校核计算3.2.1 转动惯量计算3.2.2 丝杠折算到电机轴上转动惯量的计算公式Z1： Z2 小 齿 轮 及 大 齿 轮 的 齿 数 ： 滚 珠 丝 杠 转 动 惯 量 kg/cm2sJ3.2.3 工作台打算到电机轴上的惯量 J： 工 作 台 的 移 动 速 度 cm/min vn： 丝 杠 的 转 速 r/minG： 工 作 台 重 量 kg g： 重 力 加 速 度 29.8s： 丝 杠 导 程 cm 0l3.2.4 丝杠传动折算到电机轴上的总转动量步 进 电 机 经 一 对 齿 轮 降 速 传 到 丝 杠 上 ， 此 传 动 系 统 折 算 到 电 机 周 上 的 传 动 惯量 公 式 ：J1： 齿 轮 的 传 动 惯 量 kg.cm2 J2： 齿 轮 的 传 动 惯 量 kg.cm2 J3： 丝 杠 的 传 动 惯 量 kg.cm2 G： 工 作 台 及 工 件 等 移 动 部 件 的 重 量 N 注 意 ： 上 式 中 没 有 考 虑 电 机 本 身 的 传 动 惯 量 ， 根 据 实 践 经 验 。 转 子 惯J量 之 间 ， 有 一 个 惯 量 匹 配 的 问 题 ， 不 能 太 小 ， 否 则 机 床 动 态 特 性 主 要 取mJ决 负 载 特 性 ， 此 时 不 同 重 量 和 行 程 的 各 坐 标 特 性 将 有 很 大 的 区 别 ， 并 且 很 容 易 手切 削 里 摩 擦 力 等 干 扰 的 影 响 。 比 值 太 大 不 经 济 ， 考 虑 转 子 惯 量 以 后 ， 传mJ动 系 统 折 算 到 电 机 轴 上 的 总 传 动 惯 量 。步 进 电 机 经 二 对 齿 轮 降 速 后 传 动 到 丝 杠 ， 此 系 统 折 算 到 电 机 轴 上 的 总 传 动 惯量 。J3.2.5 电机转距的计算电 机 转 距 在 各 种 情 况 下 是 不 同 的 ， 按 下 列 情 况 选 择 蹦 计 算 。1 快 速 空 载 起 动 所 需 的 转 距 公 式 ：M=Mmax+Mf+M0 (3-3)： 快 速 空 载 启 动 转 距： 空 载 起 动 的 折 算 到 电 机 轴 上 的 加 转 距max： 折 算 到 电 机 轴 上 的 摩 擦 转 距f： 由 于 丝 杠 预 紧 是 折 算 到 电 机 周 上 的 附 加 摩 擦 转 距02 快 速 进 给 是 所 需 转 距M=Mf+Mo3 最 大 切 削 负 载 是 所 需 转 距M= Mf+Mo+Mt (3-4)： 传 动 系 统 折 算 电 机 轴 上 的 切 削 负 载 转 距 。t： 传 动 系 统 折 算 到 电 机 周 上 的 总 等 效 转 动 惯 量 kg.cm2J： 电 机 最 大 角 加 速 度 rad/s2： 电 机 的 最 大 转 速 r/minmaxn： 运 动 部 件 最 大 快 进 速 度 r/minv： 脉 冲 当 量 bstep： 步 进 电 机 的 步 距 角 0p： 部 件 从 停 止 启 动 加 速 到 最 大 快 进 速 度 所 需 时 间 sat： 导 轨 的 吗 擦 力 N0F： 垂 直 方 向 的 切 削 力 N2： 运 动 部 件 的 总 重 量 NG： 摩 擦 系 数f： 齿 轮 降 速 比： 传 动 连 的 总 效 率 一 般 取 0.7-0.85i： 滚 珠 丝 杠 预 紧 负 荷 一 般 取 1/30PFmF： 进 给 牵 引 力m： 滚 珠 丝 杠 导 程0l： 滚 珠 丝 杠 末 预 紧 时 传 动 效 率 一 般 取 0.9 第四章 经济型数控机床横向进给伺服系统计算4.1 脉冲当量的选择和切削力的计算4.1.1 选择脉冲当量：根 据 机 床 的 精 度 要 求 确 定 脉 冲 当 量 。 横 向 0.05mm。4.1.2 计算切削力1 计 算 切 削 力 1.51.5max22zZFD:0.4zxy687y N 2680.4172xFFm=kFy+f(z1+2Fx1+G1)=35431.4670+0.2(2680+21072+800=2063N2 计 算 最 大 负 载0.502svnl6601502.1nTl/332.16398wmCLfFN3 选 择 滚 珠 丝 杠 螺 母 副从 附 录 中 查 出 W2005-2.5 圈 1 例 外 循 环 螺 纹 预 紧 滚 珠 丝 杠 副 ， 而 定 动 载 为8800N， 可 满 足 要 求 选 定 精 度 为 3 级 。4 传 动 效 率 计 算=tanr0tan4.96535 横 向 进 给 丝 杠 支 承 式 如 图 ， 最 大 牵 引 力 2063N， 支 承 间 距L=350mm， 因 丝 杠 长 度 较 短 预 紧 。 螺 母 及 轴 承 预 紧 。图 4-1 横向进给丝杠支承式(1) 丝 杠 的 拉 伸 或 压 缩 变 形 量 (mm) 15204.2301.470l 8.5Qum21.5u(2) 采 用 8102 推 力 球 轴 承 23306.5.5.954.71mcQFmdz考 虑 到 进 行 预 紧 力 ： 10.95.472c3103.0.237.15m显 然 比 变 形 量 大 于 定 位 精 度 的 要 求 ， 应 该 采 取 相 应 的 设 施 修 改 设 计 。 因 横 向溜 板 空 间 限 制 不 宜 在 加 大 滚 珠 丝 杠 直 径 ， 故 采 用 贴 塑 导 轨 减 少 磨 擦 力 ， 从 而 减 少最 大 牵 引 力 。/ /1.42myzxFfFG0.6880=1162.96 N/ 51632.410LmFN时 ，5.4Qu2.72233160.50.50.54.7mcQFmdz31.c0.0151230.84.270.3.4横 向 进 给 定 位 精 度 应 应 取 纵 向 进 给 定 位 精 度 的 1/2， 应 为 0.0075。(3)稳 定 性 校 核 242 261267821445kfdfF Nll78.15kmn2.4k4.2 齿轮比的计算 确 定 横 向 进 给 脉 冲 当 量 滚 珠 丝 杠 导 程 初 选 步 进 电 机 步 距0.5p05lm角 可 计 算 传 动 比 :0.75i036.5.487pbil考 虑 到 机 构 上 的 原 理 ， 不 使 大 齿 轮 直 径 太 大 ， 以 免 影 响 到 横 向 溜 板 的 有 效 行程 ， 姑 此 处 采 用 两 极 齿 轮 变 速 。12344,25zz模 数 M 取 21 步 进 电 机 的 计 算 和 选 型估 算 QT 47.951.0.3mQTNcm计 算 如 取 5 相 10 拍axma.26.9c计 算 和efk1083.6sp HZmax01.4.kpf2 初 选 步 进 电 机 型 号根 据 估 算 出 的 最 大 转 距 在 参 考 书 中 查 出 90BF002 最 大 静 转 距 位maxT39.2 可 满 足 要 求 ， 考 虑 到 经 济 型 数 控 车 床 有 较 大 的 切 削 用 量 决 定 选 用 步 进Nc电 机 。 从 参 考 书 查 出 ， 130BF001 （ 1） 校 核 电 机 转 距 。等 效 转 动 惯 量 计 算参 考 同 类 型 机 床 初 选 步 进 电 机 130BF001， 其 转 子 惯 量24.7mJkgc3421086.kgcm34222.106.9dl4. 5.sJ kgc5GN考 虑 步 进 电 机 传 动 惯 量 匹 配 问 题 。4.70.26MJ电 机 转 距 计 算 。快 速 空 载 启 动 转 距 M。（ 4-1）max0f（ 4-2）ax036bpvn30.ats2maxmax220.751039.66.nMJ Ncmt 折 算 到 电 机 周 上 的 摩 擦 转 距 M1/201.250.3fFGl cz附 加 摩 擦 转 距 0（ 4-3）20Plimax0fM493.657.81.4Ncm快 速 2 时 所 需 转 距 / 0.f最 大 切 削 负 载 时 所 需 转 距（ 4-4）/ 002xftfFlMMi从 上 面 计 算 可 以 看 出 ， 和 三 中 情 况 下 ， 以 快 速 空 载 启 动 所 需 转 距 最 大 ， 即 项为 校 核 步 进 电 机 转 距 的 依 据 。 从 参 考 书 中 查 出 ， 当 步 进 电 机 为 五 相 十 拍 时 ， 则 最大 静 转 距 为 ： max947.65.3401MNcm从 参 考 书 中 查 出 130BF-001 型 步 进 电 机 最 大 转 距 为 9.31N.CM 大 于 所 需最 大 静 转 距 以 满 足 此 要 求 。3 校 核 步 进 电 机 的 转 距 起 动 距 频 率 特 性 和 运 行 距 频 率 特 性 。前 面 已 经 计 算 出 机 床 最 大 快 移 是 需 步 进 电 机 的 最 高 启 动 频 率 为kf2500HZ， 切 削 进 给 时 所 需 步 进 电 机 运 行 频 率 为 1000HZ。ef经 过 计 算 和 类 比 设 计 ， 查 参 考 书 ， 决 定 选 用 130BF-001 型 步 进 电 机 。图 4-2 滚珠丝杠如图图 4-3 横向电机参考立表4-1 SGMGH型伺服电机参数表（安川手册摘录） 4.3 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数其几何参数见表 4-2。表 4-2 W D4006 和 W D2505 滚珠丝杠几何参数 (单位：mm)11参数名称 符号 关系式 W D25051公称直径 0d25导 程 L5接触角 39刚球直径 qd3.175滚道法面半径 R qd52.01.651偏 心 距 E sin)/(e0.045螺纹滚道螺纹升角 0arctdL39