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第三章 数控铣床机械部分设计的一般过程第三章 数控铣床机械部分设计的一般过程3.1 铣削力的计算现假设刀具材料为高速钢，工作材料为碳钢()Z轴铣削工作时铣削力的计算：最大铣削直径，最小直径由《实用机床手册》得：铣削功率铣削力铣削力修正系数其中工件材料系数高速钢铣刀,前角系数主偏角= =1.0 因此—工件材料的抗拉强度；—铣削深度；—毎齿进给量；—铣削宽度；—铣削直径；Z—铣刀齿数，现取=0.05mm/Z =4mm Z=4 =10mm =8mm n=400r/min ，=64240.0581040.9255=907.8N=3.1410400/1000=12.56mm/s=907.812.56/60000=0.193.2 主轴电机的选择选主轴电机时按铣削计算，因为铣削时最大的铣削力为：=64240.058440.9255=1996.3N=3.1441600/1000=20.1m/s=1996.320.1/60000=0.68主轴功率P= =0.68/0.88=0.77所以选电动机为=1.1，型号：Y90S—4型3.3 X、Y轴铣削力的计算主转动中主轴功率P=0.77KW，则=0.77/1.1=0.7电动机的额定功率=1.1KW。

铣削力同样遇刀具材料、被铣削工件的材料、切削量等因素有关，现以刀具材料为高速钢，共建材料为碳钢进行计算主传动功率P包括铣削功率，空载功率，附加功率三部分，即：P =++，对于一般轻载高速的中、小型机床，取=0.5P，故总功率为：P=+0.5 P+（1－），=0.5P/(2－)，在进给传动中铣削功率，查机床设计手册得k=0.85那么=0.850.51.1/(2－0.7)=0.36切削时主轴上的扭矩为：则主轴上最大扭矩为：=974000.36/400=876.6（）铣刀的最大直径为：10mm主切削力=876.6/1=876.6N铣削加工时主切削力与铣削进给抗力之间的值由《机床设计手册》查得/=1.0~1.2，取/=1.2则=1.2=1051.9N，垂直分力与的比值为0.75~0.8，取/=0.8，=0.8=841.5N3.4 步进电机的选择步进电动机又称脉冲电动机它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得所需的转角转速及转向，很容易用微机实现数字控制。

1）应用中需要注意的几点：①步进电机应用于低速场合——每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低②步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大③由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升④转动惯量大的负载应选择大机座号电机⑤电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度⑥高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少⑦电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决⑧电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动⑨应遵循先选电机后选驱动的原则。

2）步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了①步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）电机的步距角应等于或小于此角度目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等选用1.5度②静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来③电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）综上所述选择电机一般应遵循步骤如图3-1所示： 图3-1 选择电机的步骤④力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=ΩMΩ=2n/60P=2nM/60其中P为功率，单位为瓦；Ω为每秒角速度，单位为弧度；n为每分钟转速；M为力矩，单位为牛顿米。

P=2fM/400(半步工作)其中f为每秒脉冲数（简称PPS）3）混合式步进电机控制系统优缺点混合式步进电机控制系统的优点正是由混合式步进电机特殊的结构所带来的，简而言之它具有稳定可靠、性能好、运行平稳等优点，以和最具有可比性的反应式步进电机系统相比为例首先，混合式步进电机系统可靠性和稳定性较高，由于驱动器是系统中可靠性最薄弱的一个部分，所以系统可靠性和稳定性主要是由驱动器的可靠性来决定的混合式电机转子上有永磁体，部分磁场已由转子上的磁钢产生，所以混合式电机绕组电流可以设计得比较小，而反应式电机磁场完全由绕组电流产生，故欲和混合式电机产生相同的转矩，在电机体积相差不太大的情况下，反应式电机所需电流就要大得多在当前电力电子器件水平限制下，混合式电机的驱动器就比反应式电机的驱动器要可靠得多，同时由于大的绕组电流，反应式电机本体的发热情况也要严重的多实际上，为产生相同的转矩，反应式电机不仅线圈电流大，而且定子线圈匝数多，电机体积大，绕组电感也大由于绕组电感大，反应式驱动器必须要以高压驱动才会有比较好的高频性能，但这样驱动器的可靠性会明显变差；如果反应式驱动器取和混合式驱动器一样的驱动电压时，电机的高频转矩明显要小，这也是反应式电机系统性能比混合式电机系统差的一个重要原因。

混合式步进电机一般步距角θ较小，再加上混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，在控制步进电机升降频规律一致的情况下，运行要比反应式步进电机稳定混合式步进电机系统的缺点在于混合式步进电机的制造比较复杂，电机的成本相对较高；其次是虽然混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，但依然影响性能脉冲当量应根据系统精度要求来确定，一般取为0.01~0.02mm如取得太大，无法满足系统精度要求，如取得太小，或者机械系统难以实现，或者对其精度和动态性能提出过高要求，使经济性降低所以根据数控钻铣床的精度要求，步进电动机脉冲当量：，步角距由于无减速装置，所以由=/360可知，滚珠丝杠螺距，即基本导程=4mm一般来讲，反应式步进电机步距角较小，运行频率高，价格较低，但功耗较大，永磁式步进电机功耗较小，断电后仍有制动力矩，但步距角较大，启动和运行频率较低，混合式步进电机由上述两种电机的优点，但价格较高考虑到该机床垂直进给方向需用自锁机构，所以选用具有自锁功能的混合式步进电机4）计算选择①步进电机转轴上启动力矩的计算铣削时：=1051.9N, =841.5N，分别取=0.03，G=300N,=1.8mm/step=360.01[1051.9+0.03（300+841.5）]/(21.80.7) =49.4由手册可知：/=0.866，步进电机最大静转矩=/0.866=49.4/0.866=57 ②确定步进电机最高工作频率，假定=0.025m/s=10000.025/0.02=1250根据以上参数，初选混合式步进电机。

57BYGH6403采用两相四拍的通电方式相数，3；步距角，；电流，2.5A；静力矩,110；转动惯量，280；引线数，43.5 滚珠丝杠的选择（一） 滚珠丝杠的特点滚珠丝杠螺母副（以下简称滚珠丝杠副）是回转运动与直线运动相互转话的一种新型传动机构，在数控铣床中得到了广泛的应用它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠，使丝杠和螺母之间的运动成为滚动，以减少摩擦在数控机床的传动中，经常用于代替滑动丝杠，以提高传动精度丝杠螺母副的特点：（1）用较小的扭矩转动丝杠（或螺母），可使螺母（或丝杠）获得较大的轴向牵引力2）可达到很大的降速比，使降速机构大为简化，传动链的以缩短3）能达到较高的传动精用于进给机构时,还可兼作测量元件，通过刻度盘读出直线位移的尺寸，最小数值可达0.0001mm4）传动效率高，摩擦损失小滚珠丝杠的传动效率=0.92~0.96,而一般的常规（滑动）丝杠螺母副的=0.20~0.40所以滚珠丝杠的传动效率比常规丝杠的传动效率提高了3~4倍因此功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/3~1/45）给予适当的预紧，可消除丝杠和螺母螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区，反向定位精度高。

与常规丝杠螺母副比较有较高的轴向精度6）运动平稳，无爬行现象，传动精度高滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小几乎和运动速度完全无关，这样就可以保证运动的平稳性由于滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，与常规丝杠螺母副比较不宜出现爬行现象，故传动精度高7）有可逆性，由于滚珠丝杠副摩擦系数小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以由直线运动转换为旋转运动丝杠和螺母都可以作为主动件，也可以作为从动件8）制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求较高，光洁度要求也高，故制造成本高例如丝杠和螺母上的螺旋槽滚道，一般都要求磨削成型表面的9）不能自锁，特别是垂直丝杠，由于自重惯性力的关系，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需要添加制动装置在设计滚珠丝杠时，首先要确定其名义直径、螺距及滚珠直径等确定滚珠丝杠的上述参数时，目前采用的方法是，在防止疲劳点蚀的基础上，即滚性丝杠在工作过程中受轴向负载时，在滚珠和滚道型面间使产生接触应力在这种交变接触应力的作用下，经过一定的应力循环次数后，就要使滚珠或滚道型面产生疲劳剥伤，而使滚珠副丧失其工作性能，这是滚球丝杠副的主要破坏形式在设计滚珠丝杠副时，必须保证在一定的轴向负载作用下，这种名义直径D和螺距t的滚珠丝杠在回转一百万转后，在他的滚道上由于受滚珠的压力而不致有点蚀现象，这个负载的最大值称为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载。

二） 滚珠丝杠的选择计算（1）动载荷C的计算其中—载荷系数取为1.0，—硬度系数取为1.2，—最大的工作负载L—使用寿命工作负载F是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，他的数据可用进给牵引力的实验公式计算：对于类似燕尾型寻轨的机。