毕业设计精密数控车床进给系统设计及精度分析.docx

本科生毕业论文（设计）题 目 精密数控车床进给系统设计及精度分析 学 院 制造科学与工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化专业 学生姓名 胡 小 林 学 号 年级 2023级 指导教师 樊 庆 文 教务处制表 二一一年 六 月 三 日精密数控车床进给系统及精度分析专业：机械设计制造及其自动化学生：胡小林 指导教师：樊庆文摘要：伺服进给系统是数控机床的重要组成部分，对机床整体性能有着决定性的影响。越来越多的研究人员在进给伺服系统的研究中投入大量精力。研究设计进给系统的结构，并进行误差计算和精度分析，有助于进一步了解进给系统的原理和设计方法，进而探求也许的优化设计。设计了以滚珠丝杠螺母副为核心元件的精密数控车床十字工作台进给系统。通过机床设计和精密机械设计理论，一方面进行了进给系统的总体方案设计，选择合适的滚珠丝杠螺母副，并通过计算选择进给系统的其他相关元器件；另一方面对传动系统的刚度、惯量匹配等进行了校核验算；然后进行了滚珠丝杠螺母副传动系统的误差来源分析，计算了所设计系统的定位精度，证明计算得出的结果较好得满足了提出的设计规定。研究了进给系统的误差来源，叙述了现有的误差补偿技术，分析了其补偿原理，对比了不同补偿方法的优缺陷；最后运用Auto CAD软件绘制了相关的零件图和装配图。论文系统研究了精密数控车床的进给系统，得出了一个较为合理的设计结果，并完毕了其结构的图纸绘制，研究了各种因素对进给系统性能，特别是系统精度的影响，较为清楚地理解了进给系统的结构、设计方法和精度原理，达成了预期的目的。关键词：精密数控车床 进给伺服系统 滚珠丝杠螺母副 精度分析The Design and Precision Analysis of CNC Lathes FeedingSystemMajor：Machine Design Manufacture and AutomationUndergraduate：Hu Xiao Lin Tutor：Fan Qing WenAbstract: Servo system is an important part of NC machine tools, having adecisive influence on the overall performance of machine tool. More and more researchers devote a great deal of energy in the study of servo system. Studying on design of feeding system structure, error calculation and precision analysis are helpful for understanding the feed system principle and design method, then exploring possible optimization design. Designed feeding system of core precision CNC lathe cross workbench with ball screw nut pair of components. Through the machine design and precision mechanical design theory, first having the overall scheme design of the feeding system, selected the appropriate ball screw nut vice, and through the computation selected feeding system other related components; Second checked the inertia matching of the transmission system such as the stiffness; analysis error sources of ball screw nut pair of transmission system, designed location accuracy and repositioning precision of the system , proofed the good result calculated meeting the design requirements of the proposed. Studied the error sources of feed system, and introduced the existing error compensation technology, analyzes its compensation principle, compared the advantages and disadvantages of different compensation method; Finally, using the Auto CAD software rendering the related parts graph and assembly drawing. Paper studied precision CNC lathe system of feeding system, obtained a reasonable design results, and completed its structure drawing, study of the various factors on feeding system properties, especially the influence of system precision, relatively clearly understand the feeding system structure, the design method and accuracy principle, achieved the expected purpose.Keywords: Precision CNC lathes Servo System Ball screw pair Accuracy Analysis第1章 绪论11.1数控机床概述11.2伺服进给传动系统21.2.1数控机床伺服进给系统的基本组成31.2.2进给伺服系统的基本要求31.2.3进给伺服系统的设计要求4第2章 机床精度要求和进给系统的总体设计52.1 机床的主要性能参数52.2进给系统的精度要求及主要工作参数62.3 进给传动方案设计72.4 伺服方案设计8第3章Z轴（纵向）进给系统设计93.1 滚珠丝杠螺母副的选择与计算93.1.1 主切削力的计算93.2.2 滑板质量估计及摩擦力的确定103.1.3滚珠丝杠螺母副的静态设计4103.2 滚珠丝杠支承轴承的选择143.3 Z轴进给伺服电机的选择计算153.3.1扭矩计算153.3.2功率计算163.4联轴器的选择163.5导轨的选择计算173.6相关验算和校核203.6.1滚珠丝杠螺母副传动刚度及谐振频率验算203.6.2临界转速验算3213.6.3惯量匹配验算3421第4章 X轴（横向）进给系统设计234.1滚珠丝杠螺母副的计算与选择234.2 滚珠丝杠支承轴承的选择244.3 X轴进给伺服电机的选择与计算245.4联轴器的选择254.5直线滚动导轨副的选择与计算。254.6 相关验算和校核264.6.1滚珠丝杠螺母副传动刚度及谐振频率校核264.6.2临界转速验算264.6.3转动惯量匹配验算27第5章进给系统精度分析285.1数控机床误差分析285.1.1误差形成和误差源分析285.1.2 影响滚珠丝杠定位精度的因素295.2滚珠丝杠进给系统变形计算和误差分析295.2.1Z轴精度计算9305.2.2 X轴精度计算315.3 误差补偿技术32第6章总结34参考文献35致谢36第1章 绪论1.1数控机床概述随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋剧烈，产品更新速度越来越快，实际应用中复杂零件越来越多，精度规定越来越高，多品种、小批量生产的比重明显增长。剧烈的市场竞争使得产品研发周期越来越短。传统的加工设备和制造方法已难以适应这种多样化、柔性化与零件形状复杂的高质量加工规定。因此近几十年来，世界各国十分重视发展能有效解决复杂、精密、小批量多变零件的数控加工技术，以微电子技术和计算机技术为基础的数控技术被大量应用于加工设备中。目前，数控技术正在发生主线性的变革，它集成了微电子、计算机、信息解决、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点。对实现制造业柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。传统的专业机床和通用机床在其历史舞台上扮演过重要的角色，但是对于现代社会提出的加工规定，它们却往往无能为力，专用机床生产准备周期长，产品改性不易，难以适应当今社会产品迅速的更新换代步伐，而通用机床自动化限度不高，基本上由人进行操作，难以提高生产效率和保证产品质量，特别是一些由曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用于手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很多的限制。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量规定而产生的，它为单件、小批量生产的精密复杂另加提供了自动化加工手段。数控技术是实现制造业自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上的，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木。同时，数控技术的运用情况关系到国家的国防大计，是体现国家综合国力水平的重要基础产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化限度的核心标志，实现加工机床及生产过程自动化，已成为当今制造业的发展方向。1数控机床具有很多传统机床无法比拟的优点，其结构组成和设计生产方法也和传统机床迥然不同。它具有加工对象改性的适应性强、加工精度高、生产效率高、自动化限度高、经济效益好、利于现代化生产管理等特点。同时数控机床在应用中也有其不利的一面，如价格昂贵，导致了起始投资大；设备的维护规定较高；设备操作人员技术水平规定较高等。数控机床由数控装置对执行部件进行控制，控制装置接受零件的几何信息和工艺信息后，通过数控装置的解决、计算，按各坐标轴的分量输送到各轴的驱动电路，通过转换、放大进行伺服电机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与共建及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出所需零件轮廓。数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。2控制介质即携带和传输所需的各种控制信息的媒介，由穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等，也可以直接通过通讯接口直接输入所需的各种信息。数控装置是数控机床的核心，一般由输入装置、控制器、运算器和输出装置等组成。数控装置根据输入的程序和数据，通过系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑解决后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行预定的、有序的动作。数控装置分为普通数控系统（NC）和计算机数控系统（CNC）两大类。伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。每个作进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统由开环、半闭环和闭环之分。在半闭环和闭环驱动系统中，使用了位置检测装置，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。机械部件涉及主运动部件；进给运动执行部件；拖板及其传动部件；床身、立柱等支承部件；以及冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。数控机床机械部件的组成与普通机床类似，但传动结构更为简朴，在精度、刚度、抗振性等方面规定更高。1精密机床是精密加工不可或缺的一环，现代机械工业之所以致力于提高加工精度，其重要因素在于：提高制造精度后可以提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。21.2伺服进给传动系统进给伺服系统（Feed Servo System），是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，是数控系统的重要子系统。进给伺服系统重要涉及电动机及其控制和驱动装置组成。伺服电动机是进给系统的动力部件，它提供执行部件运动所需的动力，伺服电动机有步进电机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动机等。目前，数控机床采用的进给伺服系统一般是由伺服电动机滚珠丝杠移动部件组成的方案。在轻载设备上，有些已采用直线电动机来直接驱动移动部件再导轨上移动，国外逐渐开始再数控机床上采用直线电动机用于伺服机构的驱动。1.2.1数控机床伺服进给系统的基本组成进给伺服驱动系统重要由一下几个部分组成：位置控制单元、速度控制单元、驱动元件、检测与反馈元件和机械执行部件。伺服进给系统的作用是接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流、功率步进电动机或电液脉冲光马达等）和机械传动机构驱动机床的工作台、主轴箱等执行部件实现工作进给和快速移动。驱动元件的作用是将进给指令转换为驱动执行部件所需要的信号形式，机械执行元件则将该信号转换为相应的机械位移。检测与反馈单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动工作台移动。1.2.2进给伺服系统的基本规定 进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于普通机床的一个特殊部分。数控机床对进给系统的性能指标可归纳为：定位精度要高，跟踪指令信号响应要快，系统稳定性要好。3（1） 稳定性规定所谓稳定的系统，即系统在输入量改变、启动状态或外界干扰下，其输出量能迅速稳定再新的或者原有的稳定状态下。是进给系统能正常工作的基本条件。适当选择系统的机械参数和电气参数，并使它们达成最佳匹配，是进给伺服系统的设计目的之一。（2） 精度规定进给伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确限度。常用的精度指标有定位精度、反复定位精度和轮廓跟随精度。（3） 快速响应规定快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速限度。它包含系统的响应时间、传动装置的加速能力，会直接影响机床的加工精度和生产率。（4） 负载特性好规定在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。（5） 低速大扭矩规定机床经常需要在低转速的情况下进行重切削，这就规定伺服系统具有低速大扭矩的特性。1.2.3进给伺服系统的设计规定（1）静态设计方面的规定：可以克服摩擦阻力和负载；很小的进给位移量；高静态扭转刚度；足够的调速范围；进给速度均匀，低速时无爬行现象。（2）动态设计方面的规定：具有足够的加速和制动转矩，以便快速完毕起停；具有良好的动态传递性能；负载引起的轨迹误差应尽也许小。（3）对机械传动部件的规定：被加速的部件具有较小的惯量；高刚度；良好的阻尼；传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等方面有尽也许小的非线性。3第2章机床精度规定和进给系统的总体设计2.1 机床的重要性能参数本设计对精密数控车床的进给系统进行了设计，该车床重要用于小尺寸的轴类零件和盘类零件的精密加工。该精密数控车床具有刚度高、排屑功能流畅、运转噪音低、传动效率高、精度保持性好、有效寿命长等优点。为保证机床运转的稳定性，采用了高精密孔式主轴结构和大功率交流伺服主轴电机，并具有良好的抗振性设计。车床的进给伺服系统采用交流伺服电机驱动，选用精密数控系统，并合理选用高精度元器件，保证了伺服系统达成规定的精度、反复定位精度，并使其具有高刚度和良好的稳定性。车床的重要技术参数如表1所示。表1 车床重要技术参数序 号项 目子 项 目单 位参 数 值1加工范围回转直径mm430床鞍上回转直径mm210最大工件长度mm285(顶尖距)最大车削工件长度mm180最大车削工件直径mm130（轴类），200（盘类）2主轴主轴通孔直径mm52主轴内孔锥度莫氏6号主轴头部形式A2-5主轴转速范围r.p.m1006000主轴电机功率kw3.7/5.5(连续、30min)3床鞍倾斜角度度 30 X轴行程mm125Z轴行程mm230X轴快速移动速度m/min30Z轴快速移动速度m/min304尾座尾座套筒直径mm60尾座套筒内孔锥度莫氏6号尾座套筒行程mm85表1 续序 号项 目子 项 目单 位参 数 值5刀架刀架刀尾数8外径刀具尺寸mm2023内径刀具尺寸mm25转一刀位并锁紧时间s0.45刀架预紧力kgf1600刀架反复定位精度mm0.0036加工精度圆度mm0.004圆柱度mm0.006平面度mm0.008表面粗糙度Ra值0.87电源kVA182.2进给系统的精度规定及重要工作参数进给伺服系统的精度对机床的加工精度有很大的影响，良好的电气部件设计和机械结构设计，能保证进给伺服系统的精度和稳定性。本设计着重进行进给伺服系统的机械结构设计、传动设计。本车床精度较高，能进行微米级加工，能获得高质量的加工表面。进给系统采用滚珠丝杠螺母副传动，Z、X两轴联动，单轴具有较高的定位精度和反复定位精度。表2给出了进给轴的精度规定。表2 进给轴精度规定项 目单位进给轴参 数 值定位精度mmZ0.006X0.005反复定位mmZ0.004X0.003机床工作时，按照加速工进减速方向加速工进减速加速这样一个过程循环。工进速度为0.1m/s，两轴快进速度皆为30m/min，两轴最大加速度皆为4m/s，滚珠丝杠最大转速为2500r/min，钢的密度为7.8510kg/m。2.3 进给传动方案设计本车床具有较高的精度规定，为了保证精度，在选用精密元器件和精密数控系统的同时，应尽量减小传动链，并需要保证较高的刚度，提高传动系统效率，以减小温升的影响。用滚珠丝杠螺母副直连电机传动的方案。并采用“双推支承”丝杠支承方式。“双推支承”方式可以避免丝杠自重引起的弯曲，以及高速回转时自由端的晃动，符合本设计的设计条件。X、Z两轴分别用独立电机驱动。滚珠丝杠螺母副是一种将旋转运动转化为直线运动的抱负传动件，因其具有螺纹丝杠无法比拟的优点，被广泛应用于各行业，更是普通数控机床、精密机床不可或缺的零部件。兼具高效率、高精度、可逆性的特点。滚珠丝杠螺母副具有驱动力矩小、精度高、可实现微进给、无侧隙、刚度高、告诉等优点。进给伺服系统的传动方案示意图如图1所示。大拖板滚珠丝杠螺母副联轴器Z轴驱动电机(a)小拖板滚珠丝杠螺母副联轴器X轴驱动电机(b)(a)Z轴传动系统(b)X轴传动系统图1 进给系统传动框图对于驱动电机，由于系统规定精度高，不宜采用步进电机驱动，因此选用交流伺服电机。图2 进给伺服系统原理图2.4 伺服方案设计数控机床规定达成预定的精度规定以外，还规定具有良好的稳定性和快速响应能力。基于这些规定，本设计采用闭环控制方式，包含位置反馈环合速度反馈环闭环控制可以较好地减小误差，有助于提高机床性能。伺服系统控制原理图如图2所示。第3章Z轴（纵向）进给系统设计3.1 滚珠丝杠螺母副的选择与计算3.1.1 主切削力的计算切削力的大小可以用各种仪器测得，也可以用实验得出的近似公式计算： （1） （2） （3）式中，系数，由工件的材料和加工方法决定，一定的切削条件（一定）下，为常数。大表达工件的材料加工性差，小，表达工件的材料加工性好；总体修正系数，见表3；工件材料对的修正系数，见表3；切削速度对的修正系数，见表3；主偏角对的修正系数，见表3；前角对的修正系数，见表3；刀具磨损限度对的修正系数，见表3；指数，表达吃刀深度对切削力的影响要比走刀量对切削力的影响大。表3 切削力计算时各系数和指数系数及指数工件材料结构钢1671.00.75修正系数工件材料40-5050-6060-7070-8080-9090-1000.840.900.951.01.041.09切削速度501002003004005001.00.900.820.770.740.71主偏角30456070901.081.00.940.940.89前角+20+100-10-200.901.01.101.201.30表3续后刀面磨损限度0.9-1.21.5-2.01.01.05指定切削条件：刀具材料为硬质合金，工件材料为碳素结构钢，后刀面磨损限度，车削时不用冷却液，车削外圆。计算切削力。如表3所示，取其中参数的最大值来估算切削力，取=167，=1.0，=0.75，=1.09，=0.9，=1.08，=1.3，=1.05，取切深=5mm，进给量S=0.3mm/r，代入公式（3）中，得：N故主切削力=4800N，进给力=0.25=1200N，径向力=0.4=1920N。3.2.2 滑板质量估计及摩擦力的拟定车窗采用Z轴电机驱动大滑板、小滑板及刀架完毕往复运动。小滑板的电机及传动部件布置在大滑板上。估计大滑板尺寸为400mm200mm80mm，其余部件质量为35kg，估计小滑板的尺寸为200mm200mm200mm，小滑板上其余质量为3kg。可以计算出大小滑板的估计质量：大滑板质量=7.+35=85kg；小滑板质量=7.85+3=65kg。由于精度规定高，Z、X两轴进给都采用直线滚动导轨副支承，直线滚动导轨副动摩擦系数很低，一般取0.00250.005，在这里，取=0.0025进行计算。导轨的摩擦力： （4） （5）式中，Z轴导轨摩擦力，N；X轴导轨摩擦力，N；导轨动摩擦因素；床鞍倾角，度。代入数值，得：=3.18N，=1.38N。3.1.3滚珠丝杠螺母副的静态设计4机床工作时，按照加速工进减速方向加速工进减速加速这样一个过程循环，图3给出了Z轴进给电机转矩在一个工作周期内随时间变化的情况。图3 Z轴伺服电机转矩变化图（1）拟定动载荷由图3可见，工作循环周期T由加速时间和加工时间组成，计算过程如下所示： （6） （7） （8）式中，工进速度，m/s；工作行程，m；加速时间，s；加工时间，s。代入数值，得：T=4.7s。计算在减速期间的平均速度，可以用下式进行计算 （9）式中，滚珠丝杠导程，可由最大进给速度和丝杠最大转速计算出导程为12mm；代入数值，得=250r/min。再计算工进时的转速： （10）代入数值，得，=500r/min。然后计算当量转速，按照下式计算: （11）代入数值，得=495r/min。 求解当量载荷，按下式计算： （12） （13）式中，最大惯性力，N；Z轴最大进给加速度，；代入数值，可得，=1190N。按照滚珠丝杠副预期工作寿命来选择滚珠丝杠副，滚珠丝杠副的预期工作寿命如表4所示。4表4 滚珠丝杠副的预期工作寿命主机类别预期寿命/一般机床、组合机床1000数控机床、精密机床1500工程机械5000-10000自动控制系统15000测量系统15000根据表4，取滚珠丝杠螺母副的工作寿命为1500小时，据此计算滚珠丝杠副的动载荷： （14）式中，当量转速，r/min；滚珠丝杠螺母副预期工作寿命，；当量载荷，N；载荷系数，见表5；滚珠丝杠副的动载荷，kN。代入数值，得=5.06kN。表5 载荷系数使用条件平稳、无冲击运动1.0-1.2一般运动1.2-1.5随着着冲击和振动的运动1.5-2.0（1） 拟定静载荷由于摩擦阻力很小，最大轴向受力可按最大加工受力进行计算，即。静载荷按下式计算： （15）式中，静载荷，kN；静态安全系数，见表6；最大轴向力，N。根据表6，取=2，代入相关数值，得=2.4kN。表6 静态安全系数使用条件下限值一般运动1-2随着着冲击和振动的运动2-3（2） 根据丝杠轴向压力选取丝杠底径，由下式计算： （16）式中，Z轴滚珠丝杠底径，mm；压弯临界载荷，N；丝杠支承距离，一般取=1.1行程+（1014），mm与丝杆支承方式有关的临界载荷系数，见表7。表7 系数和支承方式双推-双推21.920.3双推-支承15.110.2单推-单推9.75.1双推-自由3.41.3计算值，mm，为保证强度和精度，估取mm进行计算。将各项数值代入式（19），得：mm。（3） 最大转速限制滚珠丝杠的最大转速应满足下式的规定： （17）式中，丝杠底径，mm；丝杠最大转速，r/min；常取=5000070000.已知丝杠最大转速为=2500r/min，取=70000计算，得：mm。（4） 选择丝杠直径，由上述计算结果，可以得知选取的滚珠丝杠螺母副须满足一下限制：5.06kN2.4kNmmmm查阅机械设计手册螺旋传动篇，并为保证最大拉压刚度，初选南京工艺装备制造厂3206-3型滚珠丝杠螺母副，选取C0级精度。丝杠副采用内循环方式，浮动式反向器，单螺母变位导程预紧，预紧力为最大轴向力的1/3，即=400N。丝杠副的重要技术参数如表8所示。表8 Z轴滚珠丝杠螺母副的重要技术参数规格代号底径（mm）公称直径（mm）导程（mm）额定动载荷（kN）额定静载荷（kN）螺母刚度（）螺母长度（mm）3206-327.9321214.533.7839993.2 滚珠丝杠支承轴承的选择计算动态等效载荷：表9 径向载荷系数（）和轴向载荷系数 （）4组合列数2列3列4列组合形式代号DFDTDFDDTDDFTDFFDFTDTT承受轴向载荷的列数1列2列1列2列3列1列2列3列4列1.91.432.331.172.332.530.540.770.350.890.350.260.920.920.920.920.920.920.920.920.92动态等效载荷： （18）式中，径向载荷，N；轴向载荷，N；径向载荷系数，见表9；轴向载荷系数，见表9。计算动载荷： （19）代入数值，得12638N。查阅机械设计手册，可差得底径为27.9mm的滚珠丝杠，其轴端轴承安装轴直径为20mm，故应选取轴承内径为20mm，查阅参考文献4的表1-4、1-5、1-6，选定滚动轴承型号为20TAC47A型，其额定动载荷为17930N，大于计算动载荷，临界轴向载荷为20870N，大于轴向载荷。满足设计规定。20TAC47A型轴承的重要参数如下：安装方式为双列面对面安装（DF），预紧力为2160N，轴向接触刚度为760，启动力矩为0.15Nm。3.3 Z轴进给伺服电机的选择计算选择的进给系统的伺服电机，应满足如下规定：1、在所有进给速度范围内（涉及快速移动），空载进给力矩应小于电动机额定转矩；2、最大切削力矩小于电动机额定转矩；3、加、减速时间应符合所希望的时间常数；4、快速进给频繁度应在希望值之内。为选取满足上述规定的电动机，需要进行负载扭矩计算，功率计算，加减速扭矩计算，并进行惯量匹配验算。在此，依据功率规定和转矩规定进行电机选型，之后进行惯量匹配计算。3.3.1扭矩计算滚珠丝杠克服外部载荷P作等速运动所需力矩为： （20） （21）式中，等速运动时的驱动力矩，Nm；滚珠丝杠预紧力矩,Nm;预紧力，N;丝杠导程，mm；滚珠丝杠预紧力矩系数，取0.10.2；加在丝杠上的外部载荷，N；作用于丝杠上的切削力，N；滚珠丝杠的效率；未加预紧的丝杠效率；丝杠底径，mm；丝杠导程，mm；单对支承轴承启动力矩，Nm；支承轴承对数。代入数据，得，=2.84 Nm。电机的转矩应满足，即规定2.84 Nm。加、减速移动时，惯性力小于轴向工作载荷，其驱动力矩也相应小于，不再反复计算。3.3.2功率计算工进时所需功率： （22）式中，工进时所需功率，kW；工进时进给速度，m/s；进给力，N。代入数值，得：=0.12kW。快进至最大速度时所需功率： （23）式中，快进最大需求功率，kW；快进速度，m/s，惯性力，N。代入数值，得：=0.3kW。故电动机的功率要满足下式的关系： （24）式中，进给传动系统机械效率，综合考虑丝杠预紧、导轨、联轴器效率的影响，取0.85；电机超载时的允许系数，一般取1.25。代入数值，得0.28kW。综上计算，选择的电机应满足转矩和功率两方面规定，满足转矩：2.84 Nm，功率0.28kW。选择深圳众为兴公司ACH系列ACH13100C电机。重要技术参数如下：额定电压：220V；额定功率：1kW；额定转矩4 Nm；最大转矩12 Nm；额定转速：2500r/min；转子惯量：0.00085；电机轴直径：22mm。3.4联轴器的选择电机通过联轴器直接与滚珠丝杠连接，依据机械设计手册，选取膜片式联轴器，膜片式联轴器是一种用不锈钢膜片作为挠性组件的挠性联轴器，具有结构简朴、尺寸小、重量轻、承载能力大、传动效率高、精度高、强度高、等优点，可用于高、低温，高、中速，大转矩和有油和水的场合。在此，根据电机轴直径、长度和丝杠链接尺寸来选定型号，所选型号为：。该联轴器转子惯量为0.0007。563.5导轨的选择计算本设计选用直线滚动导轨副，滚动体为滚珠，带保持架。直线滚动导轨副较滑动导轨而言，具有很多明显的优势。其摩擦系数非常小，一般小于0.005，这使机床的温升更小，噪音更低，寿命更长，精度更高，显著提高了整体性能，直线滚动导轨副静、动摩擦因素很接近，因此不会产生爬行现象，可以使用油脂进行润滑。但滚动导轨副也有成本较高，阻尼比小等缺陷。3直线滚动导轨副具有如下特点：1、长寿命，因导轨摩擦系数很低，磨损小，寿命很长；2、高速性；3、等速性；4、低噪音；5、低发尘性；6、长期免维护免保养。直线滚动导轨的设计，一般先对其进行受力分析，然后根据导轨工作条件和寿命规定计算动载荷，在次基础上进行选型。为分析方便，进行受力分析时将斜床鞍等效为水平床鞍，其受力情况不变。Z轴进给系统采用两根平行导轨，每根导轨条上分别布置两个滑块，由四个滑块共同支承大滑板。拟定两根导轨距离为277mm，Z向上滑块间距为140mm。滑块中心到切削点的垂直距离为150mm，丝杠中心轴到X方向两滑块中点的距离为0。对四个导轨滑块进行受力分析，如图4所示。图4 Z轴导轨滑块受力分析 根据力的独立作用原理，分别考虑、对每个滑块的影响，再将每个力对同一滑块所施加的力和力矩相加，求出各滑块所承受的载荷。