数控技术毕业设计[1]的

消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 系统总体方案框图见图3-1。

图1 经济型数控车床总体方案框图

第四章 机床进给伺服系统机械部分设计计算

伺服系统机械部分设计计算内容包括:确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件

惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下:

第一节、确定系统脉冲当量

一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.01—0.005mm/脉冲，经济型数控磨床经常采用脉冲当量为0.002—0.00lmm/脉冲。脉冲当量有时也由设计任务书中直接给出。

第二节、切削力计算

在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，常用的计算切削力的方法有：

1、用经验公式计算主切削力：简单而实用。 2、按切削用量计算切削力：较准确。 3、按照机床主电机功率计算：

上面介绍的按切削用量计算切削力虽然比较准确，但只能适用于加工某种工件的专用机床，对于通用机床的数控化改造或设计通用的经济型数控机床来说，切削用量选择的范围较大，这样将会导致切削力计算结果差别很大；这就需要按照进行数控改造设计的普通车床的主电机功率来计算切削力。

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第三节、 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型

滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型:确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括:公称直径d。(或丝杠外径d)、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级等。

滚珠丝杠副的计算步骤如下: 一、计算进给率引力Fm:

作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分

力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。

二、计算最大动负载C

选用滚珠丝杠副的直径d0 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C。

三、计算最大静负载C

当滚珠丝杠副在静态或低速 (n≤lOr/min)情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形，当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。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量时的负载称为

允许的最大静负载C。 四、传动效率计算 五、刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑引起轴向变形的各种因素。包括：

1、 的拉伸或压缩变形量δ1 在总的变形量中占的比重较大。

2、 滚珠与螺纹滚道间接触变形量δ2 在总变形量中也占比较大的比重。 3、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形量δ3。 4、滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量δ4。 5、螺母座及轴承支座的变形。

因此，滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算δ1、δ2和δ3之和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。 六、稳定性验算。

对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生

向弯曲 (失稳)的危险。

七、滚珠丝杠螺母副几何参数计算。 八、滚珠丝杠副的精度等级。

九、 滚珠丝杠副的标注方法。

滚珠丝杠副的种类、结构、计算方法和参数，可在网上查到，国内的生产厂家很多，常用的有：济宁丝杠厂、南京工艺设备厂等。

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第四节、 滚动导轨的计算和选型

目前，滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛，因为其摩擦系数小，f=0.0025-0.005;

动、静摩擦系数很接近，且几乎不受运动速度变化的影响，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,低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高。 滚动导轨的设计包括选择结构形式，确定预紧方式，计算和确定几何参数。 一、选择滚动导轨的结构形式

滚动导轨可分为滚动体不作循环运动的直线运动导轨和滚动体作循环运动的直线运动导轨两大类。

二、滚动导轨预紧方式的确定

常用的预紧方法有两种:采用过盈配合或采用调整元件， 三、滚动导轨几何参数的确定 包括：

1、滚动体尺寸和数目的选择

2、滚动导轨的长度

四、滚动导轨承载能力的计算

计算承载能力时，要求滚动体的最大载荷不得超过许用载荷，其计算步骤如下: (1)、计算最大载荷时所需原始数据

Fx、Fy、Fz: X、Y、Z坐标方向的切削力 (N); G： 运动部件 (包括工件)重力 (N);

Xp、Yp、Zp: 在不利的工作条件下切削力作用点的坐标 (cm); Xg、Yg: 运动部件 (包括工件)重心的坐标 (cm);

(2)、计算导轨所承受力矩：Mx、My、Mz

(3)、计算导轨反作用力A、B、C和滚动体的平均负载

(4)、计算导轨端部滚动体的最大负载 (5)、滚动体许用负载的计算

五、滚动导轨的刚度验算。

滚动导轨应验算其接触刚度，即验算接触变形δ的大小。

第五节、 进给伺服系统传动计算

由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载

惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足一走的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。

当机床脉冲当量滚珠丝杠导程L。确定以后，可以先初选步进电机的步距角，用下式计算进给伺服系统的传动比i： i=(360δp)/(θbL0) 式中: δp : 脉冲当量 (mm/步);

L。: 滚珠丝杠的基本导程 (mm); θb : 步进电机的步距角。

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第六节、 步进电机的计算和选用

选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴

上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，再根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。包括： 一、转动惯量计算

1、齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算。 2、丝杠折算到电机轴上的转动惯量。 3、工作台折算到丝杠轴上的转动惯量。

4、丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量。 二、电机力矩的计算

电机的负载力矩在各种工况下是不同的，须分别计算快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩和最大切削负载时所需力矩等几部分。

三、步进电机的选择

1、首先根据最大静转矩，初选电机型号。

必须特别注意，这样初选出来的步进电机型号并不一定能满足实际工作时的要求，也就是说，尽管最大静转矩坞瞄数值能满足要求，但是并不能保证在快速空载起动和运行时不失步。所以还必须用起动矩频特性和运行矩频特性两条重要的性能曲线来检查所选步进电机的型号是否能满足要求。 2、计算电机工作频率

可以分别计算快速进给时步进电机的最大空载起动频率和切削时的最大工作频率。 3、校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。

步进电机由于本身性能的限制，其起动频率一般都较低，带负载时的起动频率约为数百赫芝。而数控系统要求的工作频率通常都远远大于起动频率。因此必须采用升降速措施。步进电机以较低的频率起动后，逐渐升速，以保证不失步，升速到规定的运行频率后，开始恒速运行，在到达终点前，要逐步降速，降到起动频率以下，以保证准确定位。升降速控制是由软件实现。在采用升降速控制以后，如果步进电机起动力矩还不能满足要求，还可采用高低压驱动功放电路，将步进电机起动力矩再扩大一倍左右。

国内生产步进电机的厂家很多，可在网上查到相关资料。

第七节、 进给伺服系统机械部分的结构设计

在对伺服系统进行了运动和动力计算，已选定滚珠丝杠螺母副规格型号，步进电机型号，降速齿轮几何参数之后，就可进行结构设计。对于经济型数控机床进给伺服系统设计和普通车床微机数控化改造设计中，应该注意以下问题: 一、尽量减少普通车床数控化改造设计时的改动量

对于普通车床数控化改造设计时在满足机床总体布局的前提下应尽可能利用原来的零、部件，尽量减少改动量。尤其是对机床上较大的部件，例如床身、床鞍、工作台等，尽量利用原来的部件，作少量的加工改造。这样可以大大的降低成本，缩短制造周期。 在进行经济型数控机床设计时，虽然结构尺寸不像改造设计那样限制严格，但也应参考同类型机床。在初步计算以后，再进行类比，使结构尺寸比较紧凑合理。

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