毕业设计（论文）-数控铣床进给系统结构设计

数控铣床进给系统结构设计【摘要】装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

【关键词】数控技术；发展趋势；智能化；柔性化DesignofCNCmillingmachinefeedingsystemstructureAbstract:Theengineeringlevelofequipmentindustryandmodernizedintensityaredeterminingthelevelofthewholenationaleconomyandmodernizedintensity,numericalcontroltechnologyandequip,developnewdevelopingnewhigh-techindustryandmostadvancedindustryTocanmaketechnologyandbasicequipmentmost(nationaldefenseindustryindustries,suchasinformationtechnologyandtheirindustry,biotechnology,industry,aviation,spaceflight,etc.).Marxhaseversaid"thedifferencesofdifferenteconomictimes,donotlieinwhatisproduced,lieinhowproduce,withwhatmeansoflaborproduce".Manufacturingtechnologyandequippingthemostbasicmeansofproductionthatarethatthemankindproducedtheactivity,andnumericalcontroltechnologytoequipmostcentraltechnology.Nowadaysthemanufacturingindustryallaroundtheworldadoptsthetechnologyofnumericalcontrolextensively,inordertoimprovemanufacturingcapacityandlevel,improvetheadaptivecapacityandcompetitivepowertothechangeablemarketofthetrends.Inadditioneveryindustriallydevelopedcountryintheworldalsoclassifiesthetechnologyandnumericalcontrolequipmentofnumericalcontrolasthestrategicmaterialsofthecountry,notmerelytakethegreatmeasuretodevelopone'sownnumericalcontroltechnologyandindustry,andimplementblockadingandrestrictivepolicytoourcountryin"high-grade,precisionandadvanced"keytechnologyandequipmentofnumericalcontrol.Inaword,developtakingtechnologyofnumericalcontrolasthecoreadvancedmanufacturingtechnologybecomeworldalldevelopedcountry,accelerateeconomicdevelopmentalreadyinamorecost-effectivemanner,importantroutetoimprovethecomprehensivenationalstrengthandnationalposition.Keywords:numericalcontroltechnique;developmenttendency;intelligence;tenderness目录1TOC\o"1-7"\h\u22740绪论1127912数控铣床总体设计4282122.1确定立式数控铣床的总体目标4141942.2确定机床的总体布局4201662.2.1机床的运动分配4104512.2.2机床结构布局438372.2.3机械系统的传动、支承、导向方式4169583进给系统的设计计算53.1X向进给系统的设计计算53.2Z向进给系统的设计计算18169634控制系统的设计3689634.1存储器扩展电路设计374.1.127032程序存储器的扩展383984.2接口电路及辅助电路设计38174064.2.1I/O接口电路设计 384.2.213672步进电机的接口及驱动电路394.3其他辅助电路40致谢41参考文献42第页绪论1.1

课题背景

随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体。数控铣加工是数控加工技术最为重要的应用之一。近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多使用，在中小企业甚至个体企业也普遍开始使用。目前数控铣床主要用于加工精度高、品种多、批量小，形状复杂零件，而且数控铣床可以加工许多普通机床难以加工甚至无法加工的零件，主要用于铣削以下四类零件：平面类零件、空间曲面类零件、变斜角类零件、进行孔加工和攻螺纹等。工件上的曲线轮廓内、外型，特别是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等轮廓；形状复杂，尺寸繁多，划线与检测困难的部位；用通用机床加工时难以观察，测量和控制进给的内、外凹槽；以尺寸协调的高精度控与面；能在一次安装中一起铣削出来的简单表面或形状，常采用铣削加工。

1.2

数控铣床的组成和特点

机床主机是数控铣床的主体，它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架等机械部件。它是在数控铣床上自动地完成各种切削加工的机械部分。

数控铣床中的机床本体，在开始阶段使用通用机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面作些改变。实践证明，数控铣床除了由于切削用量大、连续加工发热多等影响工件精度外，还由于是自动控制，在加工中不能像在通用机床上那样可以随时由人工进行干预。所以其设计要求比通用机床更严格，制造要求更精密。因而在后来的数控铣床设计时，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施，使得数控铣床的外部造型、整体布局、传动系统及刀具系统等方面都发生了很大的变化。数控铣床主体的主要结构特点如下:

采用具有高刚度、高抗振性及较小热变形的机床新结构。通常用提高结构系统的静刚度、增加阻尼、调整结构件质量和固有频率等方法来提高机床主体的刚度和抗振性，使机床主体能适应数控铣床连续自动地进行切削加工的需要。采取改善机床结构布局、减少发热、控制温升及采用热位移补偿等措施，可减少热变形对机床主体的影响。

2.现代数控铣床广泛采用高性能的主轴伺服驱动和进给伺服驱动装置，使数控铣床的传动链缩短，可简化机床机械传动系统的结构。

3.采用高传动效率、高精度、无间隙的传动装置和传动元件，如滚珠丝杠螺母副、塑料滑动导轨、直线滚动导轨、静压导轨等传动元件。另外，数控铣床还应包括辅助装置。辅助装置作为数控铣床的配套部件，挥数控铣床功能所必需的。常用的辅助装置包括气动、液压装置，排屑装置，置，回转工作台和数控分度头，防护、照明等各种辅助装置。气动和液压装置是应用气动、液压系统，使机床完成自动换刀所需的动作，实现运动部件的制动和滑移齿轮变速移动，完成工作台的自动夹紧、松开，工件、刀具定位表面的自动吹屑等辅助功能。排屑装置的作用是将切屑从加工区域排出。迅速有效地排除切屑可以保证数控铣床高效率运行。

1.3

数控加工的特点1.加工精度高。数控机床是精密机械和自动化技术的综合产品，所以机床的传动系统与机床的结构设计都考虑到很高的刚度和热稳定性。在设计传动机构时采取了减少误差的措施，并由数控装置进行补偿，所以数控机床有较高的加工精度。由于加工过程自动化，加工精度不受人的操作技能、情绪和疲劳的影响。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因刀具磨损而影响工件精度和一致性。另外，数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。

可以加工出具有复杂的曲线、曲面的零件。由于计算机有高速的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时的运动量，因此可以方便地复合成复杂的曲线或曲面。

加工效率高，可实现自动化生产。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输人的程序记住和存储下来，然后按程序的顺序自动去执行，从而实现自动化。对夹具要求低，只需通用夹具，又可免去划线等工作还可以实现自动换刀，利用交换工作台可进行自动换位加工，加工准备时间大大缩短。

可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、镬、攻丝、扩孔等多种工序的加工。这些多种工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，从而提高了加工精度，现已出现其他工序集中的机床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。

拥有自动报带、自动监控、自动补偿等多种自律功能这是在配备多种传感器条件下，计算机威力的体现，可以实现白班有人看管和作好充分准备工作，使得二班、三班在无人条件下进行自动加工(国外称为“熄灯生产”)。工人只工作8小时，而机床可工作24小时。这样，机床利用率大幅度提高。一台机床在不增加占地面积的条件下，等价于2-3台机床。国外有少数工厂不仅实现了夜间无人，周六和周日两天也可实现无人加工。因此带来的劳动生产率的提高和生产周期的缩短等效率是非常明显的。

有利于生产管理。数控机床是由数字信息的标准代码输人，有利于计算机通信，构成由计算机来控制的批量生产系统，使之在技术上和管理上共同达到自动化，这就是柔性制造系统（FMS）。

1.4

国内外数控铣的加工现状

国外近年来发展迅速，主轴转速可达4000r/min~10000r/min，快速进给可达30m/min~40m/min，加速度可达1G，换刀时间提高到1s~2s。大幅度提高了加工效率，并可获得Ra≤1µm的粗糙度。另外，还可以加工硬度达60HRC

的模块，形成对电火花加工的挑战。高速切削加工与传统切削加工相比具有温度低（加工工件只升高3℃）、热变形小等优点。目前它已经向更高的敏捷化、智能化、集成化方向发展。高速铣削必须与相应的软件、加工工艺、刀具及夹紧头相配合。高速铣削加工的发展促进了模具加工技术的发展，特别是对汽车、家电行业中大型型腔模具制造注入了新活力。近年来，我国的数控铣加工技术发展迅速，数控产品的技术水平和质量在不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上有一定的竞争力。但是我国数控加工技术的发展还存在着以下不足：

1.信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进外国技术，对国外技术依存度教高，对引进技术的消化吸收停留在掌握已有技术和提高国产效率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新的高度。具有高精度、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还的依赖进口。

产品成熟度低，可靠性不高。国外数控系统平均无故障时间在10000H以上，国内自主开发的数控系统仅3000H-5000H；整机平均无故障工作时间国外达800H以上，国内最好只有300小时。

创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数位能形成规模生产，信息化技术利用不足，制造成本高，产品市场竞争力不强。

1.5

数控铣加工的发展趋势

目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控加工技术正朝以下几个发面发展：

高速度、高精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的处理速度。同时采用大规模的集成电路和多微处理器，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度。并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线进给伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴和二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电动机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式。

多功能化配有自动换刀机构

各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、饺孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工。

智能化现代数控机床将引进自适应控制技术。

数控编程自动化随着计算机应用技术的发展，UG、CAD/CAM/CAPP集成应用于数控编程。

可靠性最大化，数控机床的可靠性一直是用户最关心的指标。

6.控制系统小型化数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。2数控铣床总体设计2.1确定立式数控铣床的总体目标本课题设计的立式数控铣床可以铣削平面和沟槽，也可加工空间曲面；若将铣刀换成钻头或绞刀，则可加工光孔或螺纹孔。以XK712数控铣床进给系统进行设计。2.2确定机床的总体布局2.2.1机床的运动分配本课题拟解决问题的思路是参照XK7132型立式铣床和TH5632C型立式加工中心机床的总体布局、机械传动部分、进行优化组合，设计出精度高、灵活性强的立式数控铣床。由于工作台尺寸较大，可加工较重或尺寸较高的工件，故机床运动分配如下：主运动：刀具的旋转运动；进给运动：工作台X、Y方向的进给运动和铣刀头带着刀具Z方向的垂直进给运动；2.2.2机床结构布局本机床采用床身框式立柱的“L”型结构形式，主轴箱装在框式立柱中间，设计成对称形结构。框式立柱布局要比单立柱少承受一个扭转力矩和一个弯曲力矩，因而受力后变形较小，有利于提高加工精度；框式立柱布局的受热与热变形是对称的，因此，热变形对加工精度的影响小。Y向滑座相对于机床床身做进给运动，X向座相对于Y向做进给运动，工作台固定在X向座上，工作台不做垂直方向运动；主轴箱沿框式立柱在沿垂直导轨上下移动。2.2.3机械系统的传动、支承、导向方式1.机床进给系统传动方案机床X、Y方向进给系统分别采用步进电机驱动，通过电机与滚珠丝杠直接相连，将旋转运动转化为直线进给运动其传动的机械装置如图2.1所示。这种传动方案采用负载能力强的步进电机，直接通过丝杠带动工作台进给，传动链短，刚度大，传动精度高，是现代数控机床进给传动的主要组成形式。图2.1进给传动的机械装置2.机床进给系统的支承、导向方式。X方向进给系统由Y方向进给系统支承，采用一端固定、一端支撑的方式支承，固定端选用一对背对背安装的角接触球轴承，支撑端选用一对深沟球轴承。本机床属于中型机床，导向方式采用矩形导轨，矩形导轨承载能力高，制造方便。本设计选用线性滚动导轨。3进给系统设计与计算在现代数控机床中，为得到高速下的平稳运行，并具有较高的定位精度且防止爬行，要求进给系统中的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度，低摩擦阻力和动、静摩擦系数之差以及高寿命等特点，而滚动导轨和滚珠丝杠螺母副能较好的满足这些要求。因此本工作台的设计采用了滚动导轨加滚珠丝杠螺母副的组合。3.1X向进给系统设计计算3.1.1铣削抗力分析（一）铣削抗力分析铣削运动的特征：主运动为铣刀绕自身轴线高速旋转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（铣键槽时，可使键槽铣刀沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的切削部分都可以看做车刀刀头的演变，铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀。它的切削基本规律与车削相似，所不同的是铣刀回转，刀齿数多。通常假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿某点上，如图3.1所示。设刀齿上受到铣削抗力的合力为F,将F沿铣刀轴线、径向和切向进行分解，则分别为轴向铣削力Fx、径向铣削力Fy，和切向铣削力Fz。切向铣削力Fz是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电动机功率（即铣削功率）最多。因此，切向铣削力Fz可按铣削功率(kW)或主电动机功率（kw）算出。式中:v—机床主轴的计算转速（主轴传递全部功率时的最低切削速度,m/s)；ηm—机床主传动系统的传动效率，一般取，ηm～0.8。图3.1铣削抗力及工作台上的载荷（二）进给工作台工作载荷计算作用在进给工作台上的合力F′与铣刀刀齿受到的铣削抗力F的合力大小相同、方向相反，如图所示。合力F′就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给方向载荷F1，工作台横向进给方向载荷Fc，工作台垂直进给方向载荷Fv。进给工作台的工作载荷F1、Fc和Fv与切向铣削力Fz之间有一定的经验比值（见表1）。因此，计算出Fz后，即可计算出进给工作台的工作载荷F1、Fc和Fv。表3.1工作台工作载荷与切向铁削力的经验比值从图3.2可知，圆柱铣削时，为待加工表面与已加工表面之间的垂直距离；端铣时，恰为工件宽度，不是待加工表面与已加工表面之间离。图3.2顺铣与逆铣图3.2表示圆柱铣的顺铣和逆铣的不同方式。顺铣时，纵向进给方向载荷F1与进给方向一致，垂直进给方向载荷Fv向下,逆铣时方向相反。图3.2表示对称端铣和不对称端铣。对称端铣分有顺铣和逆铣之分。在表1中，d。表示圆柱铣刀直径或端铣刀直径（mm）,表示每齿进给量（mm/齿），即铣刀每转一个齿间角时工件与铣刀的相对移动量。每齿进给量、每转进给量f和工作台的进给速度三者之间的关系为mm/min式中：Z-铣刀齿数；n-铣刀转速（r/min）3.1.2计算切削力（一）计算主铣削力最大直径的d=100mm立铣刀齿数Z=6最大切削宽度=60mm最大背吃刀量=0.18mm设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为钢。查书可知d=100mm的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：每齿进给量fz=0.1mm铣刀转速n=222r/min=3.7r/min采用端面铣刀在主轴上的计算转速下进行强力切削，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率。由得：查得立铣时切削力计算公式为：代如上式得：采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可查得，各铣削力之间的比值范围如下： （二）滚动导轨的设计由于滚动直线导轨副的特殊结构，使其具有垂直向上、向下、左右和水平四个方向额定载荷相等，且额定载荷大，刚性好，三个方向抗颠覆力矩能力大的特点，滚动导轨受力分析见图3.3。下层工作台的承载重约为5812.573N,。3434112图3.3滚动导轨受力分析式中的W为作用于同一平面内若干套导轨副的总载荷在这里，G=1470N.则W=将上面数据代入相应公式终可得到1974N滑块上工作载荷小时额定工作寿命的计算预期工作台的工作寿命为5年，一年365天，取工作时间为360天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命距离额定寿命计算由公式，从而得到式中：为小时额定工作寿命。 n为移动件每分钟往复次数。次S为移动件行程长度，由加工范围为320mm×210mm取352mm代入数据得：L=121km。额定动载荷计算查表的=1,,,从而得到：式中：为额定动载荷L为距离工作寿命，由上式可知为121kmF为滑块的工作载荷，由上式可知为4983N代入数据得：=13797N=13.8KN代入数据得：=13.8KN产品选型：根据额定动载荷，选择滚动导轨，查滚动导轨生产厂家，选用南京工艺装备制造有限公司的GGB258BA型，相关尺寸如下图3.4所示，图3.4可知其额定动载荷C=17.7KN，故可知满足要求。安装连接尺寸对于导轨的安装按照如图3.4所示相关尺寸安装。3.1.3滚珠丝杠螺母副的选型与计算（一）导轨摩擦力计算计算在切削状态下的立柱导轨摩擦力=公式中：-导轨摩擦系数，取=0.004；-导轨预紧力，其中=75N。由于要求设计的主轴箱采用平衡物，丝杠只能承受25%主轴箱重量，属于轻载型，已知选用主轴箱重量M=400kg，则主轴箱上的负载折算到丝杠上的重量为100kg,考虑到其他因素，取计算重量M=150kg,W=150*9.81470kg。则：==0.004*（1470+75+2741+4734）=36N计算不在切削状态下的导轨摩擦力。=6.18N（二）滚珠丝杠螺母副轴向负载力的计算在立柱上，滚珠丝杠螺母副轴向负载力是值滚珠丝杠螺母副在驱动主轴时滚珠丝杠所受的轴向力，也成为牵引力。最大轴向负载力=36+1.1*1993=2228.3N最小轴向负载力=6.8N最大计算动载荷的确定设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=2000mm/min，初选丝杠导程P=5mm,则此时丝杠转速=v/P=400r/min。预计滚珠丝杠的工作5年,每年算360天，每天工作8小时，由此得使用寿命为：T=5×360×8=14400h= 其中T——使用寿命14400h N——循环次数 ——滚珠丝杠的当量转速400r/min 求得：（）受中等冲击载荷范围，现取，滚道硬度为60HRC时，硬度影响系数取值，代入数据得：规格型号的初选根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查生产该型号的生产厂家的资料，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GDM系列3205-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为32mm，导程为5mm，循环滚珠为6圈×6系列，精度等级取5级，螺母安装尺寸L=113mm，额定动载荷为20202N，大于最大计算动载荷=147207.2N，满足要求。滚珠丝杠螺母副几何参数（单位mm）名称符号计算公式和结果丝杠滚道公称直径32螺距P5接触角钢球直径3.175螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角丝杆丝杠外径31.5丝杠底径28.2螺杆接触直径传动效率的计算将公称直径d0=32mm,导程P=5mm,代入λ=arctan[P/(d0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定—-一端支撑”的轴承配置形式。可知这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠，支撑端采用深沟球轴承，固定端采用一对背对背角接触球轴承,这样能承受集中力偶。丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。a、滚珠丝杠滚道间的接触变形量δ，根据公式-3,求得单圈滚珠数Z=29；该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为66，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=1044。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=743N。查相关公式，得，滚珠与螺纹滚道间接触变形式中=因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取=0.00009mm。b、丝杠在工作载荷作用下的抗拉压变形丝杠采用的是一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承的配置形式，轴承的中心距a=500mm,钢的弹性模量E=2.110MPa,由表一中可知，滚珠直径=3.175mm,丝杠底径=28.2mm，则丝杠的截面积S==624.58,其中最大工作载荷=2228.3NL=X轴行程+安全行程+2*余程+螺母长度=1.3*320+95+30*5=629mm中心距a=629mm弹性模量E=2.110MPa截面积S==624.58代入以上数据，得=0.0107mm则δ总=δ1+δ2=0.00009+0.0107=10.7图3.5本例中，丝杠的有效行程取352mm，由上图中知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，行程偏差允许达到25，可见丝杠刚度足够。稳定性的验算根据。取支承系数=2；由丝杠底径d2=16.2mm求得截面惯性矩31043mm；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L取最大值629mm。代入公式，得P=1084154N,大于=147207.2N，故不会失稳，满足使用要求。临界转速的验算对于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速， 其中32-1.2×3.175=28.19mm 为临界转速计算长度 为丝杠支承方式系数=3.927（一端固定，一端支撑） 代入数据得：5417r/min 临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定由以上验算可知，选用GDM2005型的丝杠，完全符合满足所需要求，故确定选用该型号。（三）步进电机的传动计算及电动机的选用传动计算因为该铣床的加工精度为±0.01mm，脉冲当量为0.005mm/Hz，考虑到最初决定不用减速箱取减速比i=1算的电机步距角：α=360iδ/Pb=0.36°由于传动比为1，则不需要选用减速箱，采用电动机轴与丝杠通过联轴器联接的方式。步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。ⅰ、滚珠丝杠的转动惯量J由【1】中P134式5-28得：式中D为丝杠公称直径D=32mm L为丝杠长度=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）629 代入数据，得：J=0.78×32×629×10=5.14*kg.㎡ⅱ、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量 其中M为工作台的（包括工件）的质量 S为丝杠螺距S=5mm代入数据，得： ⅲ、初选110BYG550B型混合式步进电动机，可知其转子的转动惯量: 所以=5.14×+3.76×+=18.1×10N·m验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般比值控制在1/4——1之间，eq\f(J3,Jd)=由此可见:,符合惯量匹配要求。步进电机轴上的等效负载转矩M的计算a、承受的负载转矩在不同工况下是不同的，考虑最大切削负载时电动机所需力矩： 其中其中:为折算到电动机轴上的总惯量==18.1×10N·mT系统时间常数，由任务书知为T=0.3S 切削时的转速为400r/min 得：Mat=得：Mat其中：为导轨摩擦力 S为丝杠螺距S=5mm i为齿轮降速比，已计算出为1 η为传动链总效率，η=0.7—0.8，取0.8代入数据得：N·m 其中：为最大轴向预紧力，Famax=Fz=4983N 为滚珠丝杠未预紧时的效率，=0.96≥0.9 其余数据同上代入数据得：N·m其中：进给方向的最大切削力其余参数同上。代入数据得：N·m由此都得到等效负载转矩N·mb、快速空载时电动机所需力矩M加速力矩其中： 其余参数同上代入数据得：N·m力矩摩擦其中：u为导轨副的摩擦因数，滚动导轨取u=0.005 其余参数同上。代入数据得：N·m附加摩擦力矩：其余参数同上代入数据得：N·m所以可知快速空载时电机所需力矩：=0.583N·m比较和，取其较大者，就是最大等效负载，即：==1.98N.m步进电机的初选考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降低时，其输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此按最大等效负载M考虑一定的安全系数λ，取λ=3，则步进电机的最大静转矩应满足：N·m由所选的电机型号参数可知，最大转矩N·m，可知满足要求。步进电机性能校核a、最快工进速度时电动机时输出转矩校核步进电机最高频率：为了不失步，采取降速措施工作台最快工进速度=2000mm/min，脉冲当量=0.005/脉冲，求出电动机对应的运行频率从110BYG550B-0301电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩8N·m，远远大于最大工作负载转矩,满足要求。b、最快空载移动时电动机输出转矩校核工作台最快空载移动速度=2000mm/min，求出其对应运行频fmax=3200Hz。由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩=8N·m，大于快速空载起动时的负载转矩=0.175N·m，满足要求。c、最快空载移动时电动机运行频率校核与快速空载移动速度=1000mm/min对应的电动机运行频率为查图3中相应表格，可知110BYG550B-0301电动机的空载运行频率可达35000，可见没有超出上限。起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。由式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于32437HZ。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有。所以满足设计要求。综上所述，X向选用的110BYG550B电动机，完全满足设计要求3.1.4联轴器的选择刚性联轴器结构比较简单，制造容易，免维护，超强抗油以及耐腐蚀，即使承受负载时也无任何回转间隙，即便是有偏差产生负荷时，刚性联轴器还是刚性传递扭矩。适用于安装底座刚性好、对中精度较高、冲击载荷不大、对减振要求不高的中小功率轴系传动。根据选出的电机和丝杠的参数，选用沈阳光宇科技有限公司的LK13-C32-1012型刚性联轴器。图3.63.2Z向进给系统设计计算3.2.1设计参数1、机床规格及参数2、Z向行程：300mm3、主轴箱总重：400kg4、最高运行速度：2m/min5、系统分辨率：开环模式：0.005mm/step6、Z向系统定位精度8um,重复定位精度为5um.3.2.2铣削力的计算（一）计算主铣削力立铣时切削力计算公式为：=5mm=0.18mm=100mm=60mm代如上式得：采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可查得，各铣削力之间的比值范围如下： 3.2.3导轨的设计与选型（一）滚动直线导轨副的计算根据要求，需要使用滚动导轨，并且滚动导轨在数控机床上应用非常广泛，因为其摩擦系数=；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度的变化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低度运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，所以选用滚动导轨。（1）、滚动导轨的额定动载荷的计算由于要计算额定动载荷首先需要计算出作用在滚动导轨副上的载荷,由资料文献可知作用在滚动导轨副上的载荷计算公式如下：图3.7工作台及导轨块的放置式中的为作用于同一平面内的若干套导轨副的总载荷在这里，。则式中、、、分别取，,，将上面的数据代入相应的公式中可得到滑块上的工作载荷一般是根据导轨的承载量，先根据经验确定导轨的规格，然后进行寿命计算。导轨的承载量与导轨规格一般有表3.2所列出的经验关系表3.2导轨的承载量与导轨规格经验关系承载量/N3000以下3000～50005000～1000010000～2500025000～5000050000～60000导轨规格303545556585根据工作载荷选HJG-K系列的导轨型号为DA30AL，其参数为，。（2）、滚动导轨副的额定寿命1、额定寿命计算其计算公式如下：式中——额定寿命；——额定动载荷；——滑块上的工作载荷；——温度系数；运行时的温度小于100查相关资料可的；——接触系数；导轨上的滑块数为2查相关资料；——精度系数；精度等级为4级查相关资料；——载荷系数；.3；——硬度系数；滚道硬度不得低于HRC58故通常取。使用寿命用公式式中——单向行程，=250；N——每分钟往返次数。初选直线导轨副型参为DA30AL额定动载C=3420N。代入公式计算得：2、寿命时间的计算>15000h故初选型号满足设计要求。3.2.4滚珠丝杠螺母副的设计计算与选型（一）导轨摩擦力计算（1）、计算在切削状态下的Z向（立柱）导轨摩擦力。=μ（++Fv+Fc）式中：Fv、Fc主切削力的垂向切削力（N）和横向切削力。W—移动部件的全部重量。μ—导轨摩擦系数，取μ=0.004；—导轨预紧力，其中=75N。由于要求设计的主轴箱采用平衡物，丝杠只承受25%主轴箱重量，属于轻载型，已知选用主轴箱重量M=400kg，则主轴箱上的负载折算到丝杠上的重量为100kg，考虑到其他因数，取计算重量M=150kg，W=150kg×9.8N/kg=1470N。则：=μ（++Fv+Fc）=0.004×（1470+75+2741+4734）=36N（2）、计算在不切削状态下的导轨摩擦力。=μ（W+）=0.004×（1470+75）N=6.8N（二）滚珠丝杠螺母副轴向负载力的计算在立柱上，滚珠丝杠螺母副轴向负载力是指滚珠丝杠螺母副在驱动主轴箱时滚珠丝杠所受的轴向力，也称为进给牵引力。（1）最大轴向负载力=+K=36+1.1×1993N=2228.3N（2）最小轴向负载力==6.8N（三）滚珠丝杠的动负载荷的计算与直径的估算（1）、确定滚珠丝杆的导程=mm式中：——移动部件的最高移动速度（mm/min）；i——传动比，当滚珠丝杆与电动机直接连接时i=1；——电动机的最高转速r/min根据已知条件,快速进给2m/min，取步进电动机的最高转速=600r/min有计算结果初步选用为5mm。（2）、计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷数控机床上使用的滚珠丝杠，应该是在变动转速和变动载荷的工作下工作，因此，在进行滚珠丝杠寿命计算时，必需将滚珠丝杠的变动转速和变动载荷折算成当量转速nm和当连载荷Fm。假设滚珠丝杠副在你n1，n2，…，nn各种转速下工作，各种转速的工作时间占用总时间的百分比分别为q1%，q2%，qn%，承受载荷为F1,F2,…，FN。则nm=r/minFm=N1、估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷将强力切削是的轴向载荷定为最大轴向载荷Famax，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷Famin。一般切削（粗加工）和精细切削（精加工）时，滚组丝杠螺母副的轴向载荷F2、F3分别可按下式计算F2=Famin+20%Famax；F3=Famin+5%Famax一般情况下，计算滚珠丝杠的当量转速nm和当量载荷Fm时，只取滚珠丝杠的最大、最小轴向载荷Famax、Famin，加工和精加工时的轴向载荷F2、F3以及相应的转速n2、n3的关系如下表所示：表3-4数控铣床滚珠丝杠的计算切削方式轴向载荷/N进给速度/（m/min）时间比例/（%）备注强力切削166.05v1=0.610F1=Famax粗加工39.39v2=0.830F2=Famin+20%Famax精加工14.48v3=150F3=Famin+5%Famax快移和钻镗定位6.18v4=210F4=Famin注：表3-4出处——《数控技术课程设计》中的表4-2。2、计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速。3、按式计算滚珠丝杠螺母副的平均（当量）转速nm4、按表计算滚珠丝杠螺母副的平均（当量）载荷FmF1=Famax=166.05NF2=Famin+20%Famax=15.45+20%×166.05N=39.39NF3=Famin+5%Famax=15.45+5%×166.05N=14.48NF4=Famin=6.18N按公式计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷Fm。（3）、确定滚珠丝杆预期的额定动载荷1、按预定工作时间估算。=N式中：——滚珠丝杠的当量转速，取=200r/min；——数控机床的预期工作时间，由已知条件可知道=20000h；——滚珠丝杠的当量载荷，取=66.26N——可靠性系数，一般情况下可靠性系数应达到97%，取=0.44；——精度系数，根据初步选择滚珠丝杠的精度等级为2级精度，取=1；——负荷系数，查表2-18，根据负荷性质，有轻微冲击，取=1.3。==1216.59N2、因为滚珠丝杠预期的额定动负荷。=N式中：——预加负荷系数，按中预载选取=4.5。==747.225N3、确定滚珠丝杠预期的额定动负荷取以上两种结果的最大值，=1216.6N（4）、按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径1、根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形量必须满足下式：=（~）重复定位精度m从定位精度的角度考虑，规定滚珠丝杠允许的最大轴向变形量必须满足下式：=（~）定位精度m已知机床的定位精度为8m，重复定位精度为5m，则=（~）×5m=（1.67～2,5）m=（~）×8m=（1.6～2）m取上述计算结果较小的值，=1.6m，即允许滚珠丝杠的最大轴向变形越小越好。2、估计允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径。滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定的支承方式，则10=㎜式中：L—滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离。L=行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承长度（1.2~1.4）行程+螺母长度+（25~30）=（1.4×300＋95+30×5）㎜=665㎜=1.83㎜（四）初步确定滚珠丝杠螺母副及相应轴承的规格型号(1)、确定滚珠丝杠螺母副根据计算所得的、、和结构的需要，按滚珠丝杠副的额定动载荷大于，≥1.83mm的原则，以及老师和前辈的经验，根据《实用数控机床技术手册》表2-3-5初步选择内循环双螺母4005-4型滚珠丝杠，具体参数如下：型号公称直径mm导程mm珠径mm珠圈数动负载N静负载N最小螺纹底径mm4005-44053.1754158875227137.7251、确定滚珠丝杠螺母副的预紧力==×166.05N=55.35N2、计算目标行程补偿值。==㎜式中：——温度变化值（2～3），取=2；——丝杠的线膨胀系数（m/），取=11×m/；——滚珠丝杠副的有效行程（㎜）。=Z轴行程+安全行程+2×余程+螺母长度=（300+101+2×10+95）㎜=516㎜===11×2×516×㎜=0.014㎜3、计算滚珠丝杠的预拉伸力===1.81N 式中：——滚珠丝杠螺纹底径（㎜），取=37.324㎜E——弹性模量（MPa），取E=2.1×MPaA——滚珠丝杠轴的截面积；——滚珠丝杠的温升变化值（2～3），取取=2。===1.81N=1.81×2×N=5043N（2）、确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号1、计算轴承所承受的最大轴向载荷。2、计算轴承的预紧力。3、计算轴承的当量轴向载荷。4、计算轴承的基本额定动载荷C。已知轴承的工作转速n==230r/min，轴承所承受的当量轴向载荷=1774.93N，轴承的基本额定寿命L=20000h。轴承的径向载荷和轴向载荷分别为因为，所以查《现代实用机床设计手册》949页表3-7-53得，径向系数X=1.9，轴向系数Y=0.54，故表3.3载荷因数组合列数2列3列4列承载列数1列2列1列2列3列1列2列3列4列组合形式DFDTDFDDFDDTDDFTDFFDFTDTT≤2.17X1.9—1.432.33—1.172.332.53—Y0.94—0.770.35—0.890.350.26—≥2.17X0.920.920.920.920.920.920.920.920.92Y1.01.01.01.01.01.01.01.01.0注1：表3.3出处——《现代实用机床设计手册》949页表3-7-535、确定轴承的规格型号。因为滚珠丝杠螺母副拟采取预拉伸措施，所以选用60°角接触球轴承组背对背安装，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由于滚珠丝杠的螺纹底径为37.324mm，所以选择轴承的内径d为30mm，以满足滚珠丝杠结构的需要。在滚珠丝杠的两个固定端均选择国产60°角接触球轴承两件一组背对背安装，组成滚珠丝杠的两端固定支承方式。轴承的型号为7306C，尺寸（内径×外径×宽度）为30mm×72mm×19mm，选用脂润滑。该轴承的预载荷能力为2900N，大于计算所得的轴承预紧力=1939.62N。并在脂润滑状态下的极限转速为8500r/min，高于滚珠丝杠的最高转速=2000r/min，故满足要求。该轴承的额定动载荷为=26.5KN，而该轴承在20000h工作总寿命下的基本额定动载荷C=24395N，也满足要求。（五）滚珠丝杠螺母副的承载能力校荷（1）、压杆稳定性的计算。由于滚珠丝杠属于细长杆，其螺纹长度（有效长度）=516mm，其长径比：λ=4μ/d2。表3.4螺杆支撑方式和系数螺杆支承方式螺杆支承简图长度系数μ系数一端固定，一端不完全固定0.64.730两端固定0.54.730一端固定，一端铰子0.73.927两端铰子1.03.112一端固定，一端自由2.02.875注2：表3.4出处——《现代实用机床设计手册》本丝杠采用2端固定方式取μ=0.5得，长径比λ=4μ/d2=4×0.5×516/37.324=27.65当λ≥40的时候需要进行压杆稳定性计算，由于丝杠采用淬火处理，可以按公式计算：Fc===464781.4NFc/Famax=464781.4/166.05=2799≥4，故满足要求。（2）、滚珠丝杠螺母副临界转速nc的校验。滚珠丝杠螺母副转动时不产生共振的最高转速为临界转速nc。对于数控机床来说，滚组珠丝杠螺母副的最高转速是指快速移动时的转速。因此，只要此时的转速不超过临界转速就可以了。为了安全期间，一般滚珠丝杠螺母副的最高转速应低于临界转速。临界转速可以按公式计算：=r/min式中：L2—临界转速的计算长度；E—滚珠丝杠弹性模量（Mpa），一般取E=2.1×105Mpa；ρ—滚珠丝杠密度（g/mm3），一般取ρ=×7.8×10-5N/mm3；g——重力加速度（g/），g=9.8×g/I—滚珠丝杠的最小惯性矩（mm4），一般取I=；A—滚珠丝杠的最小截面积（mm2），一般取A=；K1—安全系数，取K1=0.8λ—与支承方式有关的系数，查表表3.5螺杆支撑方式有关的系数支撑方式K2λf一端固定,一端自由0.251.8753.4一端固定,一端游动23.92715.1两端固定44.7321.9注2：表3.5出处——《数控技术课程设计》第61页表2-44。本丝杠采用两端固定方式，滚珠丝杠距离固定端最远距离L=570mm。滚珠丝杠的最小惯性矩为：I==mm4=95214.35mm4滚珠丝杠的最小截面积为：A==mm2=1093.57mm2则——安全系数，取=0.8；——与支撑有关的系数，由表3-16得=4.73===25226.5r/min本丝杠的最高转速为600r/min，小于其临界转速，故满足要求。3．滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验。滚珠丝杠螺母副的寿命主要是疲劳点蚀。它是一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杠在相同的条件下回转时，其中90%不发生疲劳脱落的情况下的总时间。劳寿命L和寿命时间的计算：L=r=h式中：——额定动负荷（N），查滚珠丝杠样本得=15887N——轴向载荷（N），取==166.05N——滚珠丝杠螺母副转速（r/min），取n==600r/min——运转条件系数；一般运转时取=1.2；L=r=5.1×r=h=14078708h一般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杠螺母副的总时间寿命20000h，故满足要求。3.2.5机械传动系统的刚度计算（一）机械传动系统抗拉刚度计算（1）、计算滚珠丝杠拉压刚度由已知得滚珠丝杠的支撑方式为两端固定，可由以下求出：＝＝6.6×Ｎ/式中：L——两支撑间的距离（㎜）；a——丝杠的螺母中心到支撑端的距离（㎜）；当a＝L/2时（即滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杠两支撑距离的中心位置时），滚珠丝杠螺母具有最小抗拉压刚度：＝6.6×＝6.6×=6.6××=1600.13Ｎ/当a＝或a＝时（即滚珠丝杠的螺母中心位于行程的两端位置时），滚珠丝杠螺母具有最大抗拉压刚度（＝135㎜，＝435㎜）：＝6.6×＝2231.06Ｎ/（2）计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度以知轴承接触角β=60°，滚动体直径为6.75mm，滚动体个数为Z=15，轴承的最大轴向工作载荷FBmax=5126.02N，查表：表3.6一个为预紧轴承的KB或一对预紧轴承的组合刚度KBO计算公式轴承类型未预紧KB/(N/μN)有预紧KBO/（N/μN）角接触球轴承2.34×2×2.34×表3.7滚珠丝杠螺母副支承刚度Kb的计算公式滚珠丝杠螺母副支承方式支承刚度Kb的计算公式一端固定，一端自由Kb=KBO一端固定，一端游动固定预紧时：Kb=KB两端支承预紧时Kb=KBO；未预紧时：Kb=KB两端固定固定预紧时Kb=2KBO注：表3.6、表3.7出处——《数控机床课程设计手册》64-65页表2-45、表2-46＝2=2×2×3.14×式中：——一对预紧轴承的组合刚度（N/）；——轴承接触角，取＝；——滚动体直径（㎜），取＝5㎜；Z——滚动体的个数，取Z＝17；——轴承的最大轴向工作载荷（Ｎ），取＝5126.02N＝2=2×2×3.14×=1850.14N/（3）.计算滚珠丝杠螺母副与滚道的接触刚度Kc滚珠丝杠螺母副有预紧时：＝N/式中：——滚珠丝杠与滚道的接触刚度（N/），查滚珠丝杠样本得，＝1680N/；——额定动负荷（N），查滚珠丝杠样本得，取=15887N；——滚珠、丝杠所承受的最大轴向载荷（N），取=166.05N。＝=791.36N/；（4）计算Z向进给传动系统的综合抗拉压刚度K。Z向进给系统传动系统的综合抗拉压刚度的最大值为=++=++=0.0023故=444.4N/Z向进给传动系统的综合抗拉压刚度的最小为=++=++=0.0024故=416.7N/（二）滚珠丝杠螺母副扭转刚度计算滚珠丝杠螺母副的扭转刚度可用下式计算：=N·m/rad式中：——扭转作用点之间的距离（m），即从丝杠端部（联轴器的中点处）到滚珠丝杠螺母的中心的距离，此时，螺母中心位于距离丝杠端部的位置最远，=435㎜；G——剪切模量（Pa），取G=8.1×MPa；——滚珠丝杠的底径（m），取=37.324×m；===35459.1N·m/rad3.2.6步进电机的选型与计算（一）计算折算到电动机轴上负载惯量（1）、计算滚珠丝杠的转动惯量==0.78××[×（9.1+13.1）+×9.1+×13.2+×7.1+×5.8]=28.68kg·c（2）、计算联轴器的转动惯量=0.78×（-）16.3=0.78×（）×16.3=15.48kg·c（3）、计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量JJ=kg·c式中：m——机床执行部件的总质量（kg），取m=150kg；L—电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离（㎝），取L=0.5㎝。J==kg·c㎡=0.95kg·c（4）、加在电动机轴上总的负载转动惯量的计算=++J=15.48+28.68+0.95=45.11kg·c（二）计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩分快速空载启动和承受最大工作载荷两种情况计算。（1）、快速空载启动时电动机的转轴所承受的负载转矩，包括三部分：一部分是快速空载启动时折算到电动机的转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机的转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机的转轴上的附加。因为滚珠丝杠副的传动效率很高，相对于和很小，可以忽略不计。则有：考虑传动链的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机的转轴上的最大加速转矩为：

式中——对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为；——步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。式中——空载最快移动速度，任务书指定为2；——步进电动机步距角，预选电动机为；——脉冲当量。将以上各值代入得设步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，传动链的总效率。则移动部件运动时，折算到电动机的转轴上的摩擦转矩为：式中——导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.004；——垂直方向的铣削力，空载为0；——传动链的总效率。则：得快速空载启动时电动机的转轴所承受的负载转矩：（2）、最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩，包括三部分：一部分是折算到电动机的转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机的转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机的转轴上的附加。因为滚珠丝杠副的传动效率很高，相对于和很小，可以忽略不计，则有：其中，折算到电动机的转轴上的最大工作负载转矩由式4-14计算。在对滚珠丝杠进行计算时，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷，则：再计算垂直方向承受最大工作负载的情况下，移动部件运动时折算到电动机的转轴上的摩擦转矩：最后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：则加在步进电动机转轴上的的最大等效负载转矩为:（三）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取，则步进电动机的最大静转矩应满足：上述初选的步进电动机型号为110BYG550B,查《实用数控机床技术手册》表3-2-20得该型号电动机的最大静转矩为。可见，满足要求。（四）步进电动机的性能校核（1）、转动惯量的匹配验算在数控机床进给伺服系统的设计中，最终折算到电动机轴上的负载惯量与电动机自身的转动惯量之比值，应控制在一定的范围内，既不能太大，也不能太小。如果这个比值太大，则进给伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，此时，由于工作条件的变化而引起的负载质量、刚度、阻尼等的变化，致使整个系统的综合性能变差；如果这个比值太小，则表明电动机的选择或进给系统的设计不太合理，经济性较差。为了使系统的负载惯量达到较合理的匹配，一般那将该比值控制在下式所规定的范围内，即：0.251在本例中，0.25=0.751，故满足惯量匹配要求。（2）、最快工进速度时电动机输出转矩校核工作台最快工进速度为，脉冲当量为，则电动机对应的运行频率为从110BYG550B电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩远大于最大工作负载转矩，满足要求。（3）、最快空载移动时电动机输出转矩校核工作台最快空载移动速度为，电动机对应的运行频率在此频率下，电动机的输出转矩，大于最大工作负载转矩，满足要求。（4）、最快空载移动时电动机运行频率校核与最快空载移动速度对应的电动机的运行频率。可知110BYG550B电动机的空载运行频率可达15000Hz,可见没有超出上限。（5）、启动频率计算已知电动机转轴上的转动惯量，电动机转子转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载启动频率。则步进电动机克服惯性负载的启动频率为：上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于11334Hz.综上所述，Z向选用的110BYG550B电动机满足设计要求。3.2.7联轴器的选型联轴器是把两轴直接联接在一起，在机器运转时两轴不能分离，只有在机器停止运转并将联轴器拆开后，两轴才能分离。选用精密膜片弹性联轴器。（一）精密膜片弹性联轴器的选用原则（1）

按结构要求和工作条件选定膜片弹性联轴器的型号。（2）

主、从动端轴径不一致时，应按大端直径选联轴器的规格。（3）

选择联轴器的主要依据是传递的最大扭矩，传递的最大扭矩应小于或等于表中许用扭矩值，最大扭矩的确定应考虑机器起制动所需加减速扭矩和过载扭矩。但是，往往因为在设计时资料不足或分析困难，最大扭矩不易确定。这种情况下，可按计算扭矩选用。即计算扭矩不超过表中许用扭矩值。（4）

选用联轴器规格时，还应注意扭转刚度和轴向刚度。当然如对此无严格要求时可放宽。（二）精密膜片弹性联轴器型号的选用根据要求选用GYS2型联轴器。4控制系统的设计设计控制系统的设计内容：按照总体方案及其机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案并绘制系统硬件电路图。选择计算机或中央处理器CPU的类型。根据控制系统具体要求设计存储器扩展电路。根据控制要求及其系统工作要求设计扩张I/O借口电路，转换电路及驱动电路等。选择控制电路中各器件及电器原件的参数和型号。数控系统基本硬件组成：任何一个数控系统都有硬件和软件组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。机床数控系统的硬件概况起来有以下四部分组成。主控制器：即中央处理器CPU。总线：包括数据总线（DB）、地址总线（AB）控制总线（CB）。存储器：包括只读可编程存储和随机读写存储器。接口：即I/O接口电路。其中CPU是数控系统的核心。其作用是发布命令以协调各部分电路正常工作。存储器用于存放系统软件以及运行工程中的各个数据。I/O接口是系统与瓦解进行信息交换的桥梁。三种线则是CPU与存储器、I/O接口以及其他各种转换电路连接的枢纽，是CPU与各部分电路进行信息交换和通讯的必经之路。除此之外，还要根据数控系统的要求配置一些外围设备和信号转换线路。其中CPU、存储器以及I/O接口是任何一个数控系统必不可少的环节，其余部分并非所有数控系统都具备。某一类机床数控系统可能只包括其中的一部分或几部分。通常CPU通过I/O接口可连接的人机交换外设键盘和打印机，磁带记录仪等通讯接口：信号转换电路是A/D转换，D/A转换的中间电路。这两部分可根据控制系统的要求选取。数控系统的硬件框图如下所示：中央处理单元CPU中央处理单元CPU存储器RAM存储器RAMROM外设：外设：键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等输入/输出I/O接口输入/输出I/O接口信号变换信号变换选择中央处理器的类型在微机控制系统中CPU选择主要考虑一下因素：时钟频率肯字长，这个指标将控制数据处理胡速度：可扩展存储的容量：指令系统功能，影响编程的灵活性：I/O接口扩展能力，即对外部设备控制的能力：开发手段，包括支持开发的软和硬件：此外，还应考虑到系统胡应用场合，控制对象对各种参数的要求以及经济性价比胡要求。综合考虑以上因素，这里选用8031芯片作为CPU4.1存储器扩展电路设计由于8031芯片内部无程序存储器需要扩展外部程序存储器支持，同时8031内部只有128B的数据存储器供用户使用，也不能满