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机床纵向机械部分设计计算
日期：2010年01月12 来源：沈阳第一机床厂 关键字：机床
数控机床要求机械传动系统尽量采用低摩擦的传动副；机床尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差；缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度，摇臂钻床选用最佳的降速比；为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能快速地达到跟踪指令。
对纵向(X向)进给机构的机械结构进行改造时，将原机床的丝杠拆掉换成滚珠丝杠；把原机床的旧电动机更换成步进电动机。由于原机床的轴承已经严重磨损，精度达不到要求，也一起更换。改造后机床纵向机械传动如图3-11所示。
1．切削力计算
切削力是对机床传动系统影响最大的因素。它的大小直接关系到机床三个方向联动协调动作，影响丝杠的型号选择。因此，根据机床现有的条件计算切削力的大小，是对机械系统改造的第一步。
2．滚珠丝杠副的选择计算
滚珠丝杠的选择要根据机机床床的实际情况及工作负载情况，计算出丝杠工作时的最大动载荷及丝杠的工作寿命等参数，然后根据这些参数进行选择。最大动载荷必须小于丝杠的额定动载荷。滚珠丝杠螺母副是标准化生产，其规格型号都是按国标查表得出的。
轴承的选择。滚珠丝杠的左端设计了一个专用轴承支承座，采用一个轴套式滑动轴承作为径向支承，在滑动轴承的两侧分别布置一对推力球轴承，承受两个方向的轴向力。滚珠丝杠右端通过联轴套和减速箱的输出轴连接，在丝杠托架上布置一个轴套式滑动轴承作为径向支承。滚珠丝杠的中间支承为滚珠螺母，与床鞍直接连接。
为了满足机床所要求的精度及刚度，传动系统的机床丝杠采用一端轴向固定，另一端浮动的结构形式，使丝杠的轴向位移留有移动的空间，这样可以减小机床的振动和传动的误差，避免轴承卡死以及丝杠受热伸长变形情况的发生，这种安装方式适用于较长的卧式安装丝杠。固定端采用一对角接触球轴承，选择7602035TVP轴承面对面组配，成对使用，能限制两个方向的轴向位移。
根据一般的设计原则，为了提高传动精度，应尽量减少传动级数，并且尽量避免采用升速的传动比。为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，同时也防止外来的废屑进入到齿轮中，采用闭式设计装置。
由于滚珠丝杠随工作台运动，而伺服电动机不随工作台运动，这样给运动的传递造成困难。如果x轴与丝杠之间也需要相对运动，会增加传动齿轮与丝杠之间的传动间隙，且机床不易消除。在本设计中，使用一级传动来实现设计的要求。但为了消除传动间隙、尽可能减小误差，要采用一系列措施来消隙，以保证传动平稳。具体说明在后续设计中会详细论述。
3．伺服电动机选择计算
伺服电动机作为伺服系统的执行元件，应该具有精度高、响应快、调速范围广及转矩大等特性。数控机床还有一个很重要的特点是要实现无级调速，这是异步或者同步电动机无法实现的。经过改造的X63铣床，要实现轮廓的控制，就必须有能快速响应且调速性能好的伺服电动机。在进给系统中，对进给伺服电动机的要求主要有以下几点：
1)调速范围宽和低速平稳性，要求速比应大于1：10机床000，速度达0．1r／min时无爬行。
2)负载特性要硬。要求即使在低速时也具有大的负载能力和过载能力。
3)反应速度快，保证电动机在0．2s以内以静止起动，升速到1500r／min，因此要求电动机惯量小、堵转力矩大、机电时间常数和起动电压小、加速度达4000rad／s2以上。
4)可以频繁起动、制动和反转。
从经济性及系统要求方面综合考虑，选用步进电动机作为伺服系统的执行元件。
(4)步进电动机驱动器的选择机床。选用步进电动机时，通常希望步进电动机的输出转矩大，起动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但从数控装置输出口或环形分配器输出的信号输出功率很小，需进行功率放大，使脉冲电流达1—10A才足以驱动步进电动机旋转。
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