宋晓迪论文.doc

目录 中文摘要. 1 英文摘要. 2 1 引言 . 3 1.1 设计的目的和意义 . 3 1.2 数控插齿机在国内外的发展概况及存在的问题 . 4 1.2.1国内研究现状 . 4 1.1.2国外研究现状 . 4 1.3 课题的研究内容 . 5 2.整机运动方案的确定. 5 2.1 机床主要设计参数及规格 . 5 2.1.1机床的用途和使用范围 . 5 2.1.2机床的技术规格 . 5 2.2 数控插齿机的设计原理及主要结构 . 6 2.2.1插齿机加工原理分析 . 6 2.2.2数控插齿机主要运动及结构 . 6 2.3 新方案的提出和分析 . 7 2.3.1结构改进设计 . 7 2.3.2优缺点比较和分析 . 7 3 工作台进给结构各个传动部件的方案选择 . 8 3.1导轨的选型和分析计算 . 8 3.1.1导轨类型的选择 . 8 3.1.2丝杠螺母副的选用 . 10 3.2.滑动导轨副的选型和计算 . 10 3.2.1导轨上移动部件的重量估算 . 10 3.2.2插削力的计算 . 10 3.2.3滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 . 12 3.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型 . 14 3.3.1 丝杠螺母副的确定 . 14 3.3.2 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号和规格 . 17 3.4伺服电机的选择 . 18 3.4.1计算负载扭矩及负载惯量 . 18 3.4.2伺服电机的校核： . 19 3.4.3伺服电动机最大静转矩的选定 . 19 3.4.4伺服电动机的性能校核 . 22 4.工作台主轴蜗轮蜗杆计算分析和校核 . 22 4.1蜗轮蜗杆传动输入参数 . 22 4.2蜗轮蜗杆分析计算 . 23 4.3伺服电机的选型 . 26 5.工作台翻转机构蜗轮蜗杆及齿轮副相关计算. 26 5.1 翻转机构蜗轮蜗杆计算分析及校核 . 26 5.2传动副齿轮的确定 . 29 5.2.1.选定齿轮类型、精度等级、材料及螺旋角 . 29 5.2.2.按齿面接触强度设计 . 29 5.2.3按齿根弯曲强度设计 . 31 5.2.4几何尺寸计算 . 32 5.3电机的计算与选型 . 33 6.机床的三维建模. 34 6.1机床的整体外观图 . 34 6.2主要传动机构细图： . 35 6.2.1工作台进给传动（丝杠螺母和滑动导轨副） . 35 6.2.2工作台圆周运动 . 35 6.2.3工作台翻转机构 . 36 7.机床的润滑. 36 8.工作台进给控制系统的设计 . 36 8.1数字化控制系统的选择 . 36 8.1.1工作台中电机常用控制方案分析 . 36 8.1.2直流伺服电机与交流伺服电机的区别 . 37 8.1.3 主流运动控制方法 . 38 8.2 PLC控制系统的设计 . 39 8.2.1 PLC 控制方式的优点 . 40 8.2.2控制伺服电机的方案确定 . 40 8.2.3伺服电机与伺服驱动器的硬件连线图 . 41 8.2.4硬件设计及线图的搭建 . 41 8.2.5控制方案简单实例的试验 . 42 8.3其他控制系统方案的简介和初步设计构思 . 44 8.3.1基于单片机的系统结构的分析 . 44 8.3.2 PMAC运动控制卡 . 45 结论. 46 致谢. 47 参考文献. 48 1 数控插齿机床工作台结构与控制系统设计 摘 要： 齿轮是机械工业中重要的基础传动元件，具有恒功率输出、承载能 力大、传动效率高、使用寿命长、传动比稳定等优点。它的设计、制造水平已成为一个国家现代工业技术水平的标志之一。因此，研究齿轮及齿轮加工的相关技术具有很大的理论和现实意义。插齿机作为齿轮加工机床的一种，已逐步体现出其加工的优越性。本课题的设计中，在现有的数控插齿机产品基础上，进一步研究数控插齿机工作台机械结构。在工作台设计中，根据插齿机加工齿轮的原理，对工作台进给、圆周运动以及工作台小角度翻转运动的结构部件进行详细地分析和设计，选择合理的传动方式，并对传动装置进行结构计算和校验。在设计时，要注重理解工作台各个结构部件的运动关系，对其空间结构进行合理地布局。为了实现数字化控制，在结构设计后还需进行控制系统的初步设计.由于课题时间较短，工作量较大，主要考虑伺服电机的调速问题，选择相应的驱动器，进而提出控制方案以及选择相应的控制硬件。 关键词：插齿机 ；工作台； 结构设计 ； 数字化控制 1 引言 1.1 设计的目的和意义 机床是现代制造技术的重要生产工具，在某种意义上，它也是衡量一个国家工业制造整体水平的重要标志之一。近些年来，机床设计思想不断进步，为生产高速，高精度，高刚性的机床提供了条件，尤其是计算机在控制，计算，分析处理，仿真的方面中广泛应用，使机床的设计方法与手段日渐丰富。现代机床正向高精度，模块化，全自动，多元化方向发展。 数控机床就是现代机床的产物，它是采用数字信息控制的机床，详言之，是用数字化代码将零件加工过程中所需的各种操作和步骤以及刀具和工件之间的相对位移等信息，通过计算机自动编程或手工编程，产生加工程序，送入数控系统经过译码，运算及处理自动加工出所需工件。与其他数控机床相比齿轮加工的数控技术复杂度大，且起步晚，目前，数控滚齿机的驱动元件，可以采用步进电机，直流伺服电机，交流伺服电机。近些年来，交流伺服系统价格不断降低，性能大大超过前两者，已占主导地位。在机械结构上，采取滚珠丝杠传动，贴塑导轨和消除间隙等措施，各轴精度已达0.005-0.01mm。一般带有显示屏幕，提供中英文界面，采用标准数控代码编程，有的也实现参数化编程，性能和方便性大大提高。 本课题的目的和意义在于通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识、生产实习和实验等实践知识，达到巩固，加深和扩大所学知识的目的，同时更加深入掌握数控插齿机的机械结构和控制原理。 1.2 数控插齿机在国内外的发展概况及存在的问题 1.2.1国内研究现状 从1952年世界上第一台数控机床诞生以来，数控技术经过几十年的发展日趋完善，已由最出的硬件数控（NC）经过计算机数控（CNC），发展到以微型计算机为基础的数控（MNC)、直接数控（DNC）和柔性制造系统（FMS)等，并朝着更高的水平发展。绿色设计和环保概念在新一代数控车床设计中起着越来越重要的地位。 在国内方面，各主要机床厂家生产的主流数控机床大部分采用的是进口数控系统。但是插齿机的发展在近几年有很大的提高，例如南京第二机床厂、天津第一机床厂在插齿机生产方面已经达到很高的水平，但从整体来说这些国产数控系统大部分还处在封闭阶段，各方面还很不完善，距国际水平有很大差距。目前，数控齿轮加工机床在国内起步晚，但受市场需求驱动，商品化国产数控机床发展很快，在这样的形势下，研制出具有自主知识产权，具有高水平，高质量，高可靠性的数控系统迫在眉睫。 1.1.2国外研究现状 在国外方面，目前国际上大的数控齿轮机床生产商大多配自行研制的专业数控系统，也有部分厂商在通用数控系统上，加入齿轮加工所特有的功能，而成为专用齿轮数控系统。全功能齿轮加工数控系统在国外已占主导地。 目前国际上生产滚齿机的强国美国、德国和日本，也是世界经济强国和汽车生产大国。国外主要是德国西门子公司和法国的NUM公司，还有日本三菱公司和法那克公司。三菱系统实际上是用于加工中心的普通数控系统的产品变形，即在普通数控系统上增加电子齿轮，以实现齿轮范成运动，分齿运动和差动运动控制。相比于国内机床在精度性、产品质量、生产效率方面要领先很多。 国外系统主要是德国西门子（840c）和法国的NUM公司的产品（760E），还有少数配日本三菱公司和法那克公司的系统。西门子，三菱系统实际上是用于加工中心的普通数控系统的产品变形，即在普通数控系统上增加电子齿轮，以实现齿轮范成运动，分齿运动和差动运动控制。此外，它仍然采用普通数控机床的G代码，没有适合于齿轮加工特点的参数化自动编程功能，因此很少反映齿轮加工特点。法国NUM公司的数控系统中，有一类专门为数控齿轮加工而开发的，它除了采用反映齿轮加工的G代码之外，还提供了表格式的参数化自动编程功能，但齿轮数控机床特有的范成运动、分齿运动和差动运动控制方面，仍采用硬件为主的电子齿轮方案，因而缺乏灵活性，难以实现灵活的齿形修形。1.3 课题的研究内容 本论文主要研究数控插齿机X轴进给运动结构，主要内容有： （1） 掌握数控插齿机加工原理及各个运动所需的机构，着重对带进给的工作台进行详细地结构设计，绘制传动原理图。（2） 进一步设计数控插齿机工作台的各个功能部，使工作台能完成圆周运动，X轴进给及其翻转运动。 （3）利用三维设计软件进行建模，对所设计工作台的机械结构进行细节修改和完善，绘制出装配图纸。 （4）对相应电机进行控制，选择合适的硬件，提出可行的控制方案。 2.整机运动方案的确定 2.1 机床主要设计参数及规格 2.1.1机床的用途和使用范围 本机床主要用于加工圆柱齿轮和多种平板形非圆齿轮；当采用不带齿的圆形光刀，还可加工各种平板形凸轮；采用特殊形状的刀具，还可加工多种齿轮还可加工轴齿轮；倾斜角度的工作台，还可加工锥度齿圆柱齿轮；通过改变机床相应机构还可加工鼓形齿轮。本机床为数控插齿机，特别适用于单件和小批生产，也适用于大批量生产。 本机床可广泛应用于汽车、拖拉机、飞机、仪表等各种机械行业。 2.1.2机床的技术规格 最大加工模数：6毫米 最大加工直径：外齿：250毫米 内齿：120+刀具直径毫米 最大加工齿宽：60毫米 刀轴轴心线至工作台主轴轴心线的移动距离：-60220毫米 插齿刀支承端面至工作台台面的距离： 160_-230毫米 插齿刀冲程最大长度：70毫米 工作台台面直径：345毫米 刀具冲程数：250-900次分。 圆周进给量：(无级)正常使用00225毫米冲程） 径向进给量：(无级)正常使用0Ol一01毫米冲程） 主电机功率：1.8 KW 机床净重：3000Kg 2.2 数控插齿机的设计原理及主要结构 2.2.1插齿机加工原理分析 机床采用滚切法(展成法)加工，即加工时，工件和刀具作无间隙啮合的纯滚动，当刀具的齿形为渐开线时，加工出的工件齿形也为渐开线。当用特殊形状的刀具加工时，加工出的轮廓或齿形为其共轭曲线。 2.2.2数控插齿机主要运动及结构 本机床加工时的几个主要运动如下： 1主运动：主运动是机床的主切削运动，由主电机，经传动轴和曲柄滑块结构将旋转运动变为刀轴的直线往复运动，以完成工件切削。主运动速度以刀轴每分钟冲程数表示。 2让刀运动：刀具切削回程时退离工件的运动，用以避免刀具齿面与工件已加工表面相摩擦或干涉，以保证加工零件的齿面光洁度及提高刀具的使用寿命。 3滚切运动：又称分齿运动。即刀具和工件按一定速比的回转运动，以完成渐开线齿形或其它共轭曲线的加工。 4圆周进给运动：用以控制滚切运动的快慢，即满足租、精加工不同的需要，满足不同粗糙度要求和生产率要求。圆周进给量的大小以每往复行程工件在度圆上转过的弧长计。 5径向进给运动：用以控制刀具沿工件径向切入(实际为工件向刀具移动)的快慢和切削深度。用以满足不同的加工精度要求和生产率要求。 6刀轴快速回转运动：用于检验刀轴安装刀具的基面的径向跳动和端面跳动。或刀具装在刀轴上后的端面跳动和径向跳动。 7工作台快速回转运动：工件和插刀需要进行展成运动。 2.3 新方案的提出和分析 2.3.1结构改进设计 着重对数控插齿机机床的工作台进行详细的结构设计，使工作台有更多的使用功能，主要从以下几个方面进行改进：（1） 工作台旋转采用伺服电机+蜗轮蜗杆副直接进行动力传递，伺服电机与工作台相对固定。 （2）插齿机的径向进给运动由工作台承担 （3）工作台能够进行一定角度的旋转，实现能加工锥齿的要求。 2.3.2优缺点比较和分析 改进方案与传统机床的优缺点分析： 表1 综上所述，本次毕业设计提出的数控插齿机结构方案能够满足齿轮加工机床的基本结构要求，运动更加灵活，应用范围更加广泛。同时也具有很多不足，需要不断地实际应用和研究来寻求到更好地解决方案。并对所研究部分进行结构设计，绘制初步的传动原理图如图1。最后根据设计的传动原理图对插齿机主要传动结构进行关键零件的选型和校核。2 工作台进给结构各个传动部件的方案选择 3.1导轨的选型和分析计算 3.1.1导轨类型的选择 导轨在机器中是个十分重要的部件，在机床中尤为重要。机床的加工精度与导轨精度有直接的联系，小批量生产的精密机床，导轨的加工工作量占整个机床加工工作量的40%左右。而且，导轨一旦损坏，维修十分困难。按运动学原理，所谓导轨就是将运动构件约束到只有一个自由度的装置。导轨副中设在支承构件上的导轨面为承导面，称为静导轨，它比较长；另一个导轨面设在运动构件上，称为动导轨，它比较短。具有动导轨的运动构件常称为工作台、滑台、常用导轨面有平面和圆弧面。圆弧导轨面构成圆柱形导轨；不同的平导轨面组合，构成矩形导轨面间的摩擦为滑动摩擦者称为滑动导轨，在导轨面间置人滚动元件，使摩擦转变为滚动摩擦者称为滚动导轨。导轨有闭式和开式之分，闭式导轨可以承受倾覆力矩，而开式导轨则不能。导轨性能的好坏,直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。所以,导轨要满足以下基本要求:结构简单,有良好的导向精度、精度保持性、低速运动平稳性和工艺性好。导轨作为进给系统的重要环节,不同类型的机床,对导轨的要求也不同。数控机床的导轨比普通机床的导轨要求要高，各个导轨的类型和应用特点如下表3-13456要设计的工作台是用来配套轻型的立式数控插齿机床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小( p mmx/01.0dd=)，定位精度高（ min /350max mmvf x=），因此， 决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 3.1.2丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.01mm的脉冲当量和0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。 3.2.滑动导轨副的选型和计算 3.2.1导轨上移动部件的重量估算 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为1500N。 3.2.2插削力的计算 a.平均插削力计算 零件的加工方式为立式插削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。 插齿机的工作原理分析插齿加工按展成原理滚切法，插齿切削力F(N)和切削功率P(kW)一般是用最大切削总面积max A和平均切 削面积maxA（）进行计算的。 切削力的计算公式如下： zmFAp = Am =0.47m2fcZ0.09 式中 z工件齿数； m工件模数（mm）； p单位切削力，见参考书目1表517； c f圆周进给量（mm/行程）。 最大切削力按下式计算： maxmax zFA p = Am =0.609m2fc Z0.11根据设计机床参数： 工件平均模数取 m=2.5 圆周平均进给量取 fc=0.8mm/行程 工件平均齿数取 Z=25 则平均切削力切削力为 zmFAp =5688.5N b.切削功率 切削功率的计算公式为 Pm= FzVC 60000 式中 zF切削力（N）； c v切削速度（m/min） 查询参考资料取 Vmax=10.5m/min 则切削功率为 Pm=FzV C 60000 =1 .0kW 现考虑立插机床，插刀上下往复运动为主运动，工作台插刀圆周展成运动的接触应力较小，由经验可知，假定本毕业设计工作台受到垂直方向的插削力Fz=5700N，受到轴向和径向方向的滚切力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的滚切力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向滚削力Fx=Ff=800N，径向切削力Fy=Ffn=600N。 3.2.3滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 a.计算选型 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本次所设计工作台采用水平布置，利用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： (max) 4 maxFzGF+= (2-2) 其中，移动部件重量G=1500N，外加载荷F=FZ=12300N，代入式2-2得最大工作载荷 kN NFGF75.6607557004 15004max=+= += 根据工作载荷Fm=6.75kN，初选直线滚动导轨副的型号为ZL系列的JSA-LG45型，其额定动载荷Ca=42.5kN，额定静载荷C0a=71kN。初步确定工作台面尺寸为600mm800mm，加工范围为350mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3.2，按标准系列，选取导轨长度为850mm. JSA型导轨长度系列b.距离额定寿命L的计算 上述选取的ZL系列JSA-LG45型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数fH=1.0、温度系数fT=1.00、接触系数fC =0.81、精度系数fR =0.9、载荷系数fW =1.5，代入式2-3【3】46，得所选丝杠的距离寿命为180km。 503 max =FCfffffLaWRCTH （2-3） 即km L5 3 1076.250169.15.15.429.081.000.10.1 = 结论：所选导轨的距离寿命远大于期望值100km，故距离额定寿命满足要求。3.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型 3.3.1 丝杠螺母副的确定 a.最大工作载荷Fm的计算 在立插时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=800N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=600N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=126750N。 已知移动部件总重量G=1500N，按矩形导轨进行计算，查表3.8 b.工作载荷Fm计算表中摩擦因数均为滑动导轨。对于贴塑导轨=0.030.05，滚动导轨=0.0030.005。 表中，Fx为进给方向载荷，Fy为横向载荷，Fz为垂直载荷，单位均为N；G为移动部件总重力，单位为N；K为颠覆力矩影响系数；为导轨的摩擦系数。 取移动部件总重量G=1200N，按矩形导轨进行计算，查表2-9，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因素=0.15。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：、 ()N GFFKFFyzxm20501500 600570015.08001.1)( +=+=m c.最大动载荷FQ的计算 设工作台在承受最大切削力时的最快进给速度v=350m/min，初选丝杠导程Ph=5mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=70r/min。 取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=63（单位为：106r）。 查表2-10，取载荷系数fW=1.15，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，代入式2-4 mHWQFffLF30= （2-4） 即：kNFQ38.920500.115.1633= 式中：L0滚珠丝杠副的寿命，单位（106r）。L0=60nT/106，（其中T为使用寿命，普通机械取T=500010000h，数控机床及一般机电设备取T=15000h；n为丝杠每分钟转速）； fW载荷系数，由参考目录5表2-10查得。 fH硬度系数（58HRC时，取1.0；等于55HRC时，取1.11；等于52.5HRC时，取1.35；等于50HRC时，取1.56；等于45HRC时，取2.40）； Fm滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。 滚珠丝杠载荷系数初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查附件3表3-31，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4005系列型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为40mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈2列，精度等级取4级，额定动载荷为10400N，大于FQ，满足要求。 e.传动效率的计算 将公称直径d0=40mm，导程Ph=5mm，代入)/(arctan0dPhpl=，得丝杠螺旋升角=452l。将摩擦角01=j，代入()jllh+=tan/tan，得传动效率 %15.93=h。 效率要求大于90%，该丝杠副合格。 f.刚度的验算 1.插齿机工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。结构方式如图3.2丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=680mm；钢的弹性模量E=2.1105MPa；查附件3，得滚珠直径DW=3.5mm，丝杠底径d2=36.0312mm，丝杠截面积22263.9614/mmdS=p，忽略上式中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量1d=Fm/3约等与0.011289mm。 根据公式Z= d 0Dw 3 ，求得单圈滚珠数目Z=29.该型号丝杠为双螺母，滚 珠总圈数为32=6，则滚珠总数量Z296=174。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3683.33N，则由机械工业出版社出版的机电一体化课程设计指导书3-27，求得滚珠个螺纹滚道间的接触变形量2d约等于0.00117mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取2d约等于0.000585mm。 3.将以上算出的1d和2d代入 =总d1d+2d，求得丝杠总的变形量（对应跨度700mm） =总d0.011874mm=11.874um。 4级精度滚珠丝杠任意300mm轴向行程内行程的可变动量允许为16um，而对于跨度为680的滚珠丝杠，总的变形量只有11.874um，可见丝杠刚度足够。压杆稳定性校核 根据3-28式计算稳定临界载荷Fk。查表3-34，支承字数fk=2，有丝杠底径d2=36.0312mm，求得截面惯性矩 I=42282734.154/mmdS=p，压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装），滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值700mm入3-28.得临界Fk约等于2469705N远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。由选取滚珠丝杠副FL4005 由选取滚珠丝杠副FL4005g.确定滚珠丝杠副预紧力 PF= 1/2maxF , 其中maxF2050N PF683.33N h. 行程补偿值与拉伸力 （1）行程补偿值C=11.8 3 *10 utl-D，式中ul2knaLLL+ 查现代机床设计手册 950，110，（24）Ph15 t D温差取 0 2.5c 代入数据得C=32mm (2) 预拉伸力 t F1.95 2 2 d 代入得t F4807N 3.3.2 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号和规格 （1）轴承所承受得最大轴向载荷 maxBF480720506857N （2）轴承类型 两端固定的支承形式，选背对背600c角接触推力球轴承 a.轴承内径计算 轴承内径略小于丝杠公称直径d =40，取d30b.轴承校核 FBP=1/3Fmax 带入数据得BPF2285.7N 轴承预紧力：预力负荷BPF 按现代机床设计手册选取轴承型号规格 当d25mm，预加负荷为：BPF 所以选用角接触球轴承7305C d25，预加负荷为2900BPF2285.7N 3.4伺服电机的选择 3.4.1计算负载扭矩及负载惯量 由下面公式 Tm=FL2 +Tf Tm：作用在电机轴上的负载扭矩（N.m） F:移动部件（工作台、刀架、零件）沿轴运动所需的力（kgf） L：电机每转进给轴的实际移动距离 L=P Z1 Z2 =51=5mm T:丝杠螺母，轴承等作用电机上的摩擦扭矩，一般取T=2（N.m） 1.1不管是否正在切削，不管是水平还是垂直，F值均是取决于工作台的重量、摩擦系数。对于水平进给轴，F的计算公式如下： a不进行切削时：F=（W+fg） fg：斜铁预紧力(kgf)，取50kgf F=0.05（2050+50）=105（kgf） Tm= 1050.520.9 +2=9.28kgf.cm=0.9(N.m) b.在进行切削时： F=Fc+（W+fg+Fcf） Fc：由切削力产生的反向推力，取120（kgf） Fcf:由切削运动使工作台作用于滑动表面的力，在此插齿机工作台设计中取50kgf 则有 F=120+0.05（2050+50+50）=227.5（kgf） Tm= 227.50.520.9 +2=22.13kgf.cm=2.12 N.m 为了满足上述所求负载要求，查伺服电机规格、参数表并从中选择一种电机，在不切削的情况下，其输出力矩1.27(N.m)，并要求其最高转速大于3000R/min，考虑到加速要求，预选伺服电机为安川公司生产的-系列的SGMGH-30ABA2，永磁式伺服电动机。传动部件加在伺服电动机转轴上的总转动惯量计算加在伺服电动机转轴上的总转动惯量J： 这里主要讨论与惯量计算有关的数控机床进给传动系统的组成环节（部分），主要为：进给电机、联轴器、丝杆螺旋传动机构或齿轮齿条机构、执行部件。 减速环节折算到电机轴上的惯量为0 丝杠环节折算到电机轴上的惯量 J2=13.8 kgcm2 执行部件折算到电机轴上的惯量 J3=mz Ph2 2=1.37 kgcm2 折算到电机轴上的总惯量 J=JM+J1+J2+J3+J4=61.181kgcm2 其中，Ja为主动轮的转动惯量； Jb为被动轮的转动惯量； Js为丝杠的转动惯量； J4为联轴器的转动惯量； mz为包括跟随移动的负荷在内的执行部件净重； i为减速比； S为丝杠螺距；J为负载惯量与电机惯量之和； JM为电机旋转惯量，查手册得惯量为46kgcm2。根据上面的分析可知，在其他因素不变的情况下，运动零部件本身的惯量越大，则折算惯量越大；减速比越大，则折算惯量越小；丝杆螺距越大，则折算惯量越大。（参考论文机床进给驱动伺服电机的选择和安川伺服电机设计手册P91知，电机满足要求） 计算加在伺服电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1 Teq1应包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据 T0=FYJP h2i 102 式中，FYJ滚珠丝杠的预紧力，一般取滚珠丝杠工作载荷Fm的13 ，单位为N； 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 0 0.9。 算出的T0值相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有： Teq1=Tamax+Tf 考虑X向进给传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： Tamax =2Jeqnm60ta1 式中 nm对应X向空载最快移动速度的伺服电动机最高转速，单位为rmin ，经计算为1600rmin ； ta伺服电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s，一般在0.31s之间选取。 Jeq步进电动机转轴上的总转动惯量，单位为kgm2。 设伺服电动机由静止到加速至nm转速所需的时间ta=0.5s，X向传动链总效率=0.91；则由上式求得： Tamax=261.1811041600 600.50.942.18Nm 由下面的公式计算移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：Tf= Fc+G Ph 2式中 导轨的摩擦因数，滑动导轨取0.05； Fc垂直方向的工作负载，空载时取0； G运动部件的总重力，单位为N； X向传动链总效率，计算得到=0.960.990.99=0.94。 则由上式求得： Tf= 0.0515000.05 20.94 Nm0.64Nm 最后由式xxx，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为： Teq1=Tamax+Tf=2.82Nm 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2 Teq2应包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。同样的，T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有： Teq2=Tt+Tf 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt由下式计算。在前面对滚珠丝杠进行计算的时候，已经知道进给方向的最大工作载荷Ff=800N，则有： Tt=FfPh2i=8000.0520.94 6.78Nm 再由下式计算承受最大工作载荷（Fc=1495N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： Tf=m Fc+G Ph2i=0.05 2050+1509.8 0.0520.94 1.51Nm 求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： Teq2=Tt+Tf=8.28Nm 经过上述计算后，得到加在伺服电动机转轴上的最大等效负载转矩为： Teq=max Teq1、Teq2 =8.28Nm 3.4.3伺服电动机最大静转矩的选定 考虑到伺服电机采用半闭环控制，驱动器可直接对电动机编码器的反馈信号进行采样，在内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电动机的丢步或过冲现象，控制性能可靠。而且交流伺服电动机为恒转矩输出，在额定转速以下都能输出额定转矩，在额定转速以上才为恒功率输出。因此，前面预选的安川公司生产的-系列的SGMGH-30AB2A，永磁式伺服电动机，由其性能表知最大静转矩Tjmax=45.1.7Nm，远大于加在伺服电动机转轴上的最大等效转矩，可见完全满足要求。 3.4.4伺服电动机的性能校核 最快空