立式数控镗床机械结构设计[毕业论文]

AbstractI 摘 要此次是设计完成一台立式数控镗床的机械部分。在设计中首先要合理的完成镗床总体结构布局，包括床身结构设计，立柱结构布局和工作台结构设计。其次对主轴系统和伺服系统进行分析并设计计算，其中主轴系统的包括主轴、齿轮、液压缸，伺服系统包括伺服电机、滚珠丝杠、轴承等。同时对滚动导轨和刀库进行了选型设计，最后对主轴、滚珠丝杠、轴承进行了强度等校核计算。因此要设计一台数控镗床，首先要了解数控镗床的结构与工作原理，其次操作、维修、改进数控镗床也至关重要。本文介绍了数控镗床的主轴系统、伺服进给系统、刀库转换系统等的设计要求及结构特点，对于系统各个部件也作了相关介绍。关键词：数控镗床；伺服电机；滚珠丝杠；轴承；液压缸AbstractI I关键词： AbstractIn design, you can see the machining part design of verteal machining center. In the design, we deal with such systerm problems as the selection of motors,ballscrew,bearing and such headshaft systerm as gear hydraulic pressure iar and lathebed worktable.We explain the choosing of the material of rarious kmds and the assembling of the whole machine. And we check and calculate of the whole machine . And we cheak and calculate the main machine compoents.Therefore study the structure and working principle is the premise of operate、maintain、improve Numerical-controlled millng machine, it is the basic of designing Numerical-controlled millng machine.Introduced the characteristics, the design request and the structure characteristicses of Principal axis system 、Servo system and Tools system of Numerical-controlled millng machine according to this text, also made a introduction for the system parts.KeyWords： Numerical control millng machine;Ballserew;Hydraulic pressure jar;Headshaft.目 录I II目 录摘 要 .I关键词： Abstract II1 综述 12 机械结构及布局设计 52.1 床身结构设计 52.1.1 对床身结构的基本要求 52.1.2 床身结构布局及截面形状 62.2 立柱的结构布局 62.2.1 对立柱的条件要求 62.2.2 立柱的结构布局 62.3 工作台的结构设计 72.3.1 T 形槽 .82.3.2 工作台其余结构 83 滚珠丝杠的设计 103.1 滚珠丝杠的传动特点 103.2 滚珠丝杠副的运动原理 113.2.1 x 向丝杠螺母副的设计 .114.2.2 y 向丝杠的选型 174.2.3 z 向丝杠螺母的设计 174.3 滚珠丝杠副的传动特点 174.4 电机的选型设计 184.4.1 伺服控制电机的基本要求 184.4.2 伺服电机的选型设计 183 数控机床的主传动系统设计 243.1 主轴组件设计 243.2 主轴组件需要满足的条件 243.2.1 回转精度 25目 录I III3.2.2 主轴的刚度 253.2.3 主轴的抗震性 253.2.4 主轴的温升 263.2.5 主轴的耐磨性 263.2.6 主轴的承载能力 263.3 主轴的设计 273.3.1 主轴的转动 273.3.2 主轴传动部件位置的合理布置 283.4 主轴的结构设计 293.4.1 主轴设计 293.4.2 主轴的设计计算 303.5 轴端设计 313.6 主轴的校核 323.6.1 主轴箱齿轮强度校核 323.6.2 齿轮接触疲劳强度的校核 333.6.3 主轴强度的校核 333.7 主轴箱的润滑 353.7.1 润滑剂的选择 353.7.2 管路设计 353.7.3 自动控制油温的选择 353.8 轴承的合理安排 353.9 主轴电机的选择 363.10 主轴轴承的选择和强度校核 363.10.1 支反力的计算 373.10.2 对于轴承使用寿命的计算 383.11 传动齿轮的设计 393.11.1 齿轮的尺寸 393.11.2 双联齿轮的设计 40目 录I IV3.11.3 齿轮的结构设计 413.11.4 齿轮的强度校核 415 液压缸的选择设计 .455.1 液压传动的特点 455.2 液压工作原理 465.3 液压缸的选取 465.4 液压缸的设计和计算 476 刀库的选择 .486.1 刀库的种类 486.2 刀库交换装置 486.3 刀具识别装置 496.4 刀库的换刀方式 496.5 刀库的选择 49结 论 50致 谢 51参考文献 52目 录I V买文档就送全套 CAD 图纸 加 414951605目 录I VI01 综述1.1 数控镗床的主要优点1. 能完成复杂型面的零件加工。2. 可以提高零件的加工精度,稳定产品的质量,由于数控机床是按照预定的程序 自动加工的，加工过程不需要人工干预,而且加工精度还可以利用软件来进行校正和修补,因此可以获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复精度。3.可以提高生产率.一般一台数控机床比普通机床可提高效率2-3倍。由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。4.可以一机多用,有的数控机床一次装夹可完成多部位的加工,可以替代5-7台普通机床,并节省了厂房面积。5.几乎不需要专用的工装卡具，可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，大大减少在制品数量,从而加速了流动资金的周转, 提高了经济效益。6. 大大减轻了工人的劳动强度。1.2 数控机床的发展方向机械制造业是一个民族经济的支柱产业，其技术水平高低已成为衡量一个地区甚至国家经济发展水平的重要标志。美国、日本等发达国家有很大部分的财富都来源于机械制造业，我国机械制造业也后来居上，可以说，机械制造业决定了国家的繁荣和昌盛。机械制造业的发展规模和水平也反映了一个国家的科学技术水平。工件的加工效率、所需的生产成本多少、加工质量的优劣是衡量机械制造业技术水平的标志，全面提高这几项行业将会得到飞跃式的发展。15 世纪出现了水力驱动的炮筒镗床。1774 年英国人 J.威尔金森发明了炮筒镗床，第二年用作瓦特蒸汽机加工汽缸体。1776 年他又制造了一台比较精确的气缸镗床。1880 年，德国开始生产带前后立柱和工作台的卧式镗床。为了适应特大、特重1工件的加工，20 世纪 30 年代发展出了落地镗床。随着铣削量的增加，50 年代出现了落地镗铣床。20 世纪初期，随着钟表仪器制造业的迅速发展，为了加工孔距误差较小的设备，在瑞士出现了坐标镗床。为了提高镗床的定位精度，现在已经广泛地采用光学读数头或数字显示装置。一些镗床还采用了数字控制系统实现坐标的定位和加工过程的自动化。数控镗床同其他机床一样，其技术水平的提高也表现在固有技术（如高速、高精度化等）的发展和新技能（如智能化、网络化等）的应用上。我国自从改革开放以来，加快了数控机床的引进和研制，由于技术并不完善，在国内大中型企业中数控机床并未得到广泛应用，因此极大地束缚了这类企业经济的迅速发展，本设计在保证精度准确的基础上，还最大限度的降低生产成本，既检验了我在大学四年中所学知识是否掌握并熟练运用，也是为步入职场铺下一块坚实的垫脚石。此设计包括：数控镗床总体结构布局、床身结构设计、立柱结构布局、工作台结构设计。滚珠丝杠选型设计、滚动导轨设计。滚动导轨选型设计、主轴箱结构设计、传动齿轮设计，轴承选型设计、液压缸选型设计，刀库选型设计、主要件的强度校核，伺服进给电机选型设计、联轴器选型设计。（1）数控镗床高速化，是指主轴转速、进给速度的高速化。以下措施可以实现机床主轴的高速：选用陶瓷轴承使用陶瓷材料 SiN 制成轴承滚动体，而内圈则仍用轴承钢制造的轴承。选用陶瓷作为滚动体，因为它重量轻，是轴承钢的 40%；热膨胀率低，是轴承钢的 25%；弹性膜量大，是轴承钢的 1.5 倍 10。2转速越高，滚动体引起的离心力和惯性滑移越高。选用陶瓷滚动体，大大地减少了离心力和惯性滑移，进一步地提高了主轴转速。但目前其价格昂贵，且寿命、可靠性等试验数据还未确定，扔需进一步改进和完善。但陶瓷轴承的优越性是不容置疑的，而且已应用于部分正式产品的数控机床上。 主轴轴承采用预紧量可调装置早期主轴的预紧方式是固定预紧量式，但由于轴承滚动体离心力的影响，主轴在低速区和高速区的刚性有所差异，从而影响了主轴在全转速范围内的稳定切削。随着主轴转速的高速化发展，要实现低速时的高刚性和高速时的低发热，固定预紧量方式已无法满足其要求，于是出现了随着转速自动改变轴承预紧量的结构。在低速区由活塞顶紧，实现高刚性固定预紧量式，而在高速区活塞松开，只靠弹簧预紧，实现顶压预紧。 改进主轴轴承润滑、冷却方式:以往，加工中心主轴轴承的润滑方式大多采用油脂封入式润滑。为了满足主轴转速向高速化发展的要求，相继开发了新型润滑、冷却方式。油气（oil air）润滑方式：这种润滑方式与油雾润滑相似，但两者有原则上的区别。油气润滑是定时定量地把油雾送入轴承空隙中，这样既保证了油雾润滑，又不会污染周围空气。喷注（jet）润滑：它用较大流量的恒温油（每个轴承 34L/min）喷注到主轴轴承，以实现润滑冷却的目的。喷注的油是用两台排油泵强制排出的。（2） 精密化 速度固然重要，但精确也必不可少。随着汽车、电子、航空等行业的迅猛发展，更要求我们所生产的工件达到极为精细的标准，这对加工设备精确性的不断提高是一个极大的挑战。因为急需一大批加工精度为“”级、主轴转速高于312000r/min、快移速度大于 40m/min 的高效高精镗床。为了顺应发展的趋势，满足各生产商的需求，镗床将会向着高精密方向发展。（3） 复合化复合化指的是功能的复合化与工序的复合化，新兴的数控机床已将粗加工与精加工紧密结合，同时把车，镗，铣，钻，磨等工序整合到一起，将非加工辅助时间减至最少，扩大了机床的试用范围，进一步提高了机床的生产效率。（4） 高可靠性数控机床的可靠性是衡量数控机床产品质量的一项关键性指标。可靠性的高低直接影响数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率以及最终的效益。(5) 智能化、网络化、柔性化智能化运用在数控系统的各个方面，如工艺参数自动生成、智能化主轴监控功能、智能化维护监控功能、智能化振动防止功能、语音导航功能、智能化平衡失调检测功能等。网络化数控装备是近年来比较被关注的一点。数控装备的网络化将极大地满足了制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如虚拟企业、全球制造等的基础条件。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各各国家制造业发展的一大趋势，是先进制造领域的基础技术。42 机械结构及布局设计2.1 床身结构设计主机：它是数控机床的主体，包括床身、立柱、主轴、进给机构等部件。它用于完成各种切削加工。 床身、床头箱的尾座应注意排屑、冷却、润滑、和维护。2.1.1 对床身结构的基本要求机床的床身是整个机床的基础支承件，用来放置导轨、主轴箱等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高可靠性和高自动化程度的要求，数控机床应比普通机床有更高的静、动刚度，更好的抗震性。因此数控机床在以下几个方面应有更高的要求。1) 很高的精度和精度保持性在床身上有许多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面自身精度和相对位置精度要求就很高，并且需要保持很长时间。此外机床在切削加工时，所有的静、动载荷最后往往都是传到床身上的，因此床身受力极为复杂。为保证零部件之间的相互位置和相对运动精度，除了满足几何尺寸、位置关系精度等要求外，还要满足静、动刚度和抗震性、热稳定性、工艺性等各方面技术要求。2) 应具有足够的静、动刚度静刚度包括床身结构刚度、局部刚度和接触刚度，应采取相应的措施，使它们最后都达到较高的性能。动刚度直接反应机床的动态特性，它保证了机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力，同时抵抗受迫振动及自激震动而产生的噪音。3) 较好的热稳定性对于高精度的数控机床来说，热稳定性是一个突出问题，必须在设计中考虑到整体的热变形状况，保证变形度达到最小，使其对精度的影响力尽可能达到最小。52.1.2 床身结构布局及截面形状1) 床身各种各样的结构形式。床身分为平床身、斜床身、平床身斜导轨和直立床身等四种类型。床身是基础支撑部件，必须具有足够高的静、动刚度保持性，肋板布置适当，又能保证良好的冷热加工工艺性。加工中心的床身有固定立柱式和移动立柱式两种，本次设计采用的是固定立柱式，由溜板和工作台来实现平面上 X、Y 坐标的移动，床身结构较为简单,一般适用于中小型立式和卧式加工中心。2) 床身肋板一般依据床身结构和载荷分布情况进行设计为了满足床身刚度和抗震性要求，V 形肋有利于加强导轨支撑部分的刚度，斜方肋和对角肋结构可明显增强床身的扭转刚度，且便于设计成全封闭的箱型结构。床身截面的形状受机床结构设计条件和铸造能力的约束，以及使用厂家习惯的影响，种类较多，主要有横向、纵向和斜向三类。纵向肋板可加强抗弯刚度，横向肋板对加强抗扭刚度有显著效果。斜向肋板对提高抗弯刚度有所帮助。当肋板厚度相同时，米字形肋板结构抗弯刚度接近“#”字形结构，而抗扭刚度则是“#”字形结构的数倍。此外纵向肋板和横向肋板分别对抗弯刚度有显著效果：米字形肋板和“#”字形肋板的抗弯刚度也较高，米字形肋板更为突出，但米字形肋板加工工艺性差，制造工时较长。2.2 立柱的结构布局2.2.1 对立柱的条件要求立柱必须在承受切削力、震动、温度变化等条件下依然保持正常工作。它必须支撑主轴箱体，使其能够顺着垂直方向上下移动。2.2.2 立柱的结构布局数控镗床的主轴箱在框式立柱中间，立柱应设计成对称形结构；同过比较分析并在设计中采用“X”形来布置隔板与筋条。61) 立柱和床身的连接立柱与床身的连接，一般采用螺栓紧固，圆锥销定位的方式。考虑到连接的实际应选取 12 个螺栓，连接草图如下：图 1. 立柱与工作台的布局立柱和机床身的连接采用螺栓与圆柱销的定位方式，是为了最大限度的提升立柱和机床身接触刚度，采用了以下方法：提高有效接触面的平面度，尽量减小其粗糙度。以此来提升集合强度;强紧得方法。2) 立柱的导轨精度立柱底面对主导面的垂直度：0.01mm直线度：0.0060.015mm安装底面与主导面的垂直度：0.050.001mm 16两导轨扭曲度：0.010.015 162.3 工作台的结构设计使用矩形的工作台，并开 T 形槽，且不做分度运动，如下图：立 柱 主轴箱7400600图 2. 工作台的结构2.3.1 T 形槽18H814302014图 3. T 型槽的结构和尺寸2.3.2 工作台其余结构1) 为了方便安装，应采用 Z 方向丝杆的螺母座与工作台分离式结构，具体的形式结构见总装配图；2) 为了防止切屑对防护罩造成影响，固在工作台的两边加上挡板；83) 为防止切屑对导轨造成影响，安装防护板，板的大小由加工工作要求来确定，详情见总装配图；4) 为便于安装，尽量减小零件，因此采用工作台在导轨上面滑动，应在工作台上面钻油孔，方便润滑；5) 工作台座的作用：(1) 安装 X 方向减速箱；(2) 作 Y 方向上进给运动的滑动体；(3) 安装 X 方向进给滚动导轨和该方向上丝杆螺母；(4) 支承工作台；(5) 容纳 X 方向上进给丝杆的润滑油；(6) 作 X 方向上的进给丝杆支撑箱体。93 滚珠丝杠的设计需按所设计机构的最大载荷、最高速度初选一个滚珠丝杠的公称直径，其中包括循环方式。再按马达的转速等要求初选滚珠丝杠的导程。然后根据定位精度的要求，作定位精度、重复定位精度、压杆稳定性、极限转速、极限寿命以及 Dn 值等各项校核试验并修正初选值。3.1 滚珠丝杠的传动特点1) 滚珠丝杠与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3：由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在作滚动运动，因此可以得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下，即达到同样运动结果动力只需为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很显著；2) 高精度的保证：采用歌德式（Gothic arch）沟槽形状、可将轴向间隙调整得很小，依旧能够轻便地传动。若加入适当预紧载荷，消除轴向间隙，可使丝杠具有更优良的刚性，在承载时减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，以便达到更高的精度；3) 微进给：由于滚珠丝杠副是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动中那样的爬行现象，能够保证实现精确的微进给。4) 无侧隙、刚性高：滚珠丝杠副可以加予压力，压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性（在实际用于机械装置时，滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力，滚珠间的斥力可使丝母部的刚性增强）；5) 高速进给：滚珠丝杠由于运动效率高、发热小，固可实现高速进给运动；6) 高可靠性：与其它传动机械、液压传动等相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也更为简单，只需进行一般的润滑和防尘即可。在特殊场合中可在无润滑状态下工作；7) 高耐用性：钢球滚动接触面均经过硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对磨损甚微，故具有较高的使用寿命，精度保持更为持久。由上面可以归纳出传动特点为：10(1) 传动可逆；(2) 使用可靠；(3) 同步性好；(4) 预紧性好；(5) 使用寿命长；(6) 定位精确；(7) 效率较高；(8) 运动稳定。3.2 滚珠丝杠副的运动原理滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以钢球为滚动体的螺旋转动部件，它将螺旋运动变为直线运动。滚动丝杠副的运动位置机理就是用滚动摩擦代替滑动摩擦。在丝杠和螺母副上有圆弧形螺旋槽，在丝杠与螺母旋合螺旋槽间放置适当数量的钢球作为中间转动体，借助滚珠返回通道，丝杠或螺母副转动时，震动滚珠沿着滚道导珠管不断循环从而实现周而复始的滚动。3.2.1 x 向丝杠螺母副的设计1) 型号选择 (参考的是南京工艺装备厂生产的精密滚珠丝杠)(1) 选择型号：FFZD 型浮动内循环垫片预紧式滚珠丝杠；(2) 滚珠丝杠的导程：电机与丝杠直接相连(3) 调整方法:改变垫片的厚度尺寸,使双螺母重新获得所需要的预紧力(41)3maxn10NVP式中： 电机最高的转速根据要求取ax min/150maxrN 工作台最高移动的速度根据要求取mVV固因此可以得出 Pn10112) 确定当量转速和当量载荷表 8. 各种切削方式下的参数切削方式 纵向切削力 Pxi(N)垂向切削力 Pzi(N)进给速度V1(m/min)工作时间百分比丝杠轴向载荷(N)丝杠转速r/min强力切削 2000 1200 0.6 10 1677 75一般切削 1000 500 0.8 30 1607 100精切削 500 200 1 50 1077 125快速进给 0 0 12 10 557 1500(1) 各种切削方式下丝杠转速Ni= PnVi13取 V1=0.6 V2=0.8 V3=1 V4=12则 N1=60r / min N2=80r / minN3=100r / min N4=1200r / min(2) 丝杠的轴向载荷各种情况下：(42)ziPWPF21xii经过查表可以得到： 01x102x503xP4xz 5z 2zz通过已知道的条件得： 工作台的最大行程：600mm. 工作台的重量： 917.N.8.0641定位精度 全行程m30/2m重复定位精度动摩擦因数： 静摩擦因数：.2.0要求寿命：20000h 工件和夹具的最大重量 KNW1快速进给速度 in/15V因此 NPWPFZX 321097.02121 451261.5323ZX 941412(3) 当量转速 mNmin/190/10/10/10/tn 432m rtntntn(4) 当量载荷 F(43) 3 433231m /t/t mm NFttF通过计算得出： N67m(5) 各种切削方式下丝杠转速选取 3nii10PV.601.82V1324V可以得出 in/rNmin/0rN343) 预计将要达到的额定动载荷 aC(1) 通过预期的工作时间可以估算：(44)cawm3hamf106FLNC通过机械设计手册查表：轻微的冲击 13 级取.31fw1fa已知 可靠性 固选取 2h 097540cN276./.315201963am (2) 通过选用预紧式滚珠丝杠副，依照最大的负载荷 计算可得maxF(45)maxaxFfCe通过查表 12 12 5.4Cam5.149325.4通过计算选择所求结果的最大值即 N764) 确定最小螺纹的底径(1) 估算丝杠允许的最大轴向变形量=(1/3 1/4) 重复定位精度m已知:重复定位精度 10 ,定位精度 20m=(1/3 1/4) 重复定位精度 3=(1/3 1/4)定位精度 6取以上两种的最小值 取 =3(2) 估算最小螺纹的底径 m2d(46)9.301d0m2LFEQ13(47)ph104.21L已知行程 351WF10L.2所以可以得到 m7.3/9.dm25) 对滚珠丝杠副规格的确定：(1) 通过 选取相对应的滚珠丝杠副aC2Wch5010 10nP.623d.74m2(2) 调整方法：通过衬套外循环的齿差来调节预紧双螺母的调节。(3) 滚珠丝杠副预紧力的确定max31FPN107pNF321max6) 行程的补偿(1) (48)3-t8.LC(49)ank2L上式中的 04nPm10k53n(2) 1356LC.52t预拉伸力为 2ttd.9F所以有 N89.74.t 7) 滚珠丝杠副支撑作用的轴承型号的确定(1) 紧力 ；B03/123/1maxbp(2) 选型为两端固定支撑背对背 60 度接触角推力角接触的球轴承；(3) 所选径 D 应该微小于 取整 ；.74d2 m4d(4) 轴向的载荷 NFB 120893tmaxa 通过计算选取轴承的型号 40TAC72A8) 计算丝杠上螺纹的长度(1) 通过查表可知 ；es2LU4eL(2) 端固定支撑的长度 ；139(3) 长度 187mm；(4) 固定点和起点的长度 ；m0(5) 丝杠的总体长度 。16L149) 传动系统的刚度(1) 轴承的组合刚度；(410)32max2sind4.2FZKQBD是预加载荷的 3 倍，amxFN9517Z604.dQ所以 NKBD 10946sin9543.17.322滚珠丝杠副的滚道与滚珠接触的刚度(411)/1caPCF通过已给的条件可以得到 FP10Ca380mNKc/140(2) 拉刚度(412)21smin0d.6LK最大的抗压刚度为：875134.2.6.21sin 01022smax4d.6LK所以可以得到 58smax10) 刚度的演算(413)scsminin11KK于是 30192851740csinin scsmaxax11KK于是 31092154870csaxax 15(1) 传动系统刚度的演算(414)反 向 差 值0min.6F1K12.67.0in 反 向 差 值 0.3510F因为 maxinK所以可以知道传动系统的刚度合格。(2) 传动系统刚度的变化引起的定位误差 k(415)maxin0k1-F m8.2631-2780-axin0k K(3) 丝杠精度的确定任意的 300mm 内的行程变动量 V300 因为 .7430因此 丝杠的精度选为 3 级。(4) 滚珠丝杠的确定选定的型号为 FFZD,丝杠全长 1700,公称直径 50,导程 10,螺纹长度 1393，P 类，3 级精度，代号：FFZD5010-3-P3/17001393(5) 演算强度因为 因此强合格.742d.362max(6) 传动效率的计算：(416)gt/其中 为螺旋升角丝杠的滚动摩擦系数 04,3.f为摩擦角丝杠滚动摩擦系数 f=0.003 0.0042.015gt .1所以摩擦角为 1019 1345 取整 12所以 0g 2.98.02./.t gt(7) 临界转速的演算16(417)7210CLdfnc通过样本 .4 mLc 13609012 查表可以得到 则9.f ax7254.4. cn4.2.2 y 向丝杠的选型通过 X 方向丝杠的选型确定 Y 方向丝杠的型号为 FFZD6312-4-P3/1200874 通过计算符合要求。4.2.3 z 向丝杠螺母的设计1) 所选丝杠型号为 FFZD 型公称直径为 50mm， 10nP2) 两端固定支承距离 m87462L丝杠全长为 230+874=1114mm 因为 Z 方向上丝杠长度应小于 X 方向，所以 Z 方向丝杠合格。因此 Z 放向丝杠的型号选为 FFZD5010-4-P3/170013934.3 滚珠丝杠副的传动特点1) 传动效率高；2) 运动平稳；3) 传动可逆；4) 可以预紧；5) 定位精度高；6) 重复定位精度高；7) 同步性好；8) 使用寿命长；9) 使用可靠。174.4 电机的选型设计现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。伺服驱动装置是许多机电系统的核心，因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。首先要选出满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机。4.4.1 伺服控制电机的基本要求1) 震动与噪音小；2) 功率密度与比率大即性能的密度大；3) 位置的控制精度高；4) 快速性好，即加减速扭矩小，频率特性好；5) 可靠性比较高。与此同时还应该具备：机械特性：要求伺服电机的速降小、刚度大;快速响应的要求：这在轮廓加工，特别对曲率大的加工对象进行高速加工时要求较严格；调速范围：这可以使数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质;适应于各种不同的加工工艺；一定的输出转矩，并要求一定的过载转矩。机床进给机械负载的性质主要是克服工作台的摩擦力和切削的阻力，因此主要是“恒转矩“的性质。4.4.2 伺服电机的选型设计1) 伺服电机应该满足的要求：(1) 电机的额定转矩应该大于最大切削力矩；(2) 快速进给频率应该在预期值以内；(3) 在进给调速范围内点电机的额定转矩应该大于空载进给力矩；(4) 加速时间应该满足预期的时间常数。2) X 方向伺服电机的选择：(1) 最高转速的选择 伺服电机最高的转速应该依据进给系统的快速进给速度丝杠螺距及传动系统的减速比来确定，计算公式：(418)min/nimaxrpVK： 工作台要求快速进给的速度， min/15V: 丝杠的螺距， PP0.118: 裕度系数， K3.1K: 传动系统减速比，因为是直连 I 1i所以 min/20.53.1maxrn(2) 负载转矩计算(419)iTPLFKTb10012双螺母滚珠丝杠的预紧力矩20预紧力通常会选择最大工作的载荷的 1/3 0F NF10732/0驱动力矩1T丝杠的预紧力矩的系数 0.1-0 选择 0.15 所以KmNL6.251075.02丝杠导程 选择 L0加在丝杠轴间的外载荷 PnWFP克服轴向外载荷所需的力矩12L法向载荷 W1移动部件的重量包括工作 1N06252.6导轨摩擦系数 N.uP78.1901.滚珠丝杠的效率 1530 mNPL357298.01721mNcTb 24.29：传动比 选取 因此 i 1iT 3.66041电机的选择根据 是伺服电机的额定转矩 根据设计手册选取 BESK10TSS额定转矩 11.8Nm 电机的输出功率为 1.8KW 最大转矩 78Nm3) 惯量匹配计算：负载惯量 与电动机的惯量 换算至电机的机轴之间有以下关系：1JmJ 1/4/1mlJ19(1) 工作台的转动惯量为：根据表 6.6-29 可知 1000kg 工作台换算到 的丝杠上转动的惯量是：10hP22cm.9kg1kg58.0(2) 确定联轴器的转动惯量：根据机床设计手册第 3 卷表 6.6-19 可以得到飞轮 因此可有 22cmkg48GD221 ckg14/84/ GDJ(3) 传动系统换算电机轴上面的总转动惯量： 2321 cmkg57.34.7.9JL(4) 惯量的匹配计算：根据表可以得出 2mckg50所以 3.16miJ1/4/mlJ由上面可以看出符合惯量匹配关系。(5) 伺服电机的加减速能力的校核(420)lmlat60n2JT当快速移动加速时候它的最大转矩用上面公式计算可以得到快速移动时候的电机转动速度 m min/r20n加减速度时间 at saKt3系统的开环增益 通常情况 25 到 8 sK加工中心通常 在这里选择20s 1s因此有 ta167.83“电动机转子的惯量 mJ 25cmkgJm负载的转矩 l .4L: LT321(421)0n上面式中：:移动体的摩擦转矩 1TmN1602/95.06.47:丝杠副的摩擦转矩220mNLFKTa213/2:轴承的摩擦力矩BV94L 1.202941633因此则有 mNT 2.01.057.5因此由上面计算可以选 BESK10 的最大转矩是 78Nm 符合条件4) Y 方向上伺服电机的选择(1) 最高的转速(422)0maxnLVin/r21.ax(2) 脉冲编码器的选择：(423)i0LI r/10/1.3P(3) 负载转矩的计算方法：(424)i20b0aLTFKT上式中 1PWPNF89326731max0a 5.0k4905.移动部件的重量（工作台，工作台架，工件）1W196051.8 NP27419605.10是丝杠的效率 内丝杠的预紧力的系数为8.K是支撑轴承的摩擦力矩 BTm.42NTB21(425)m9.428537.901245.1028931 NT通过机电一体化系统设计手册取 BESK10 重要的参数：额定的转矩 11.8Nm ；最大的转矩 78Nm；最高的转速 2000r/min;输出的功率 1.8KW;5) 惯量的匹配计算(1) 联轴器转动惯量通过机床设计手册3 卷表 66-19 可以看出22cmkg48GD1J(2) 移动部件的惯量 23 ckg5802.150J(3) 丝杠的转动惯量通过机床设计手册可以得到 242 cmkg57.1.0158. J(4) 换算到电动机的总转动惯量 2321 cmkg.457.1.85JJL电动机的转子惯量 2mckg0730JL即 可以看出符合要求。41mJL(5) 伺服电机加减能力的校核快速移动时的最大转矩(426)LLJJTmat60n2上面式子中：2mckg57.1L min/r150n6.0at 31TJ移动体摩擦转矩 1T mNa 213496052/0丝杠副的摩擦转矩 2 NKF32轴承摩擦转矩 BNB9422mNTBL6.221所以 mN 789.216.0157.50因此符合要求6) Z 方向上伺服电动机的选择(1) 脉冲编码器的选择 rLI /p1051.033-i0(2) 最高的转速为 min/20.max rPiVn(3) 负载转矩的计算(427)i2kb0a01 TLFPT其中 N.312738max0a (428)1PFPN78210所以选择 BESK10 伺服电机 主要数据：最大的转矩 78Nm； 输出的功率 1.8KW；最高的转速 2000r/min; 额定的转矩 11.8 Nm7) 计算转动惯量匹配(1) 联轴器的惯量 221cmkg14GDJ(2) 丝杠的转动惯量丝杠的主要数据 0hP14Lm50d2ckg9.46357.1LJ(3) 主轴箱的转动惯量即 .0.89mL 41mJL通过上面计算可以知道符合要求(4) 电动机快速移动能力的校核