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毕业设计说明书
题 目：锯片刀具工具磨床进给系统设计
摘 要
随着现代科技的发展，机械制造业面临着高速度、高精度的新的挑战，高速进给系统成为高速 高精度工具磨床的关键环节之一。由于进给系统刚度低、惯量大，难以获得高进给速度和高加速度， 为了提高高速高精度工具磨床的定位精度和传动精度，除了正确设计、选择进给系统部件，精确计 算其强度、稳定性、和驱动力矩外，还要对进给系统的刚度进行合理设计，减少因刚度引起的失动 量，以确保加工定位精度。
进给系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是工具磨床的重要组成部分。它包含 机械、电子、电机（早期产品还包含液压）等各个部件，并涉及到强点与弱点的控制，是一个比较 复杂的控制系统。锯片刀具工具磨床的性能很大程度上取决于进给伺服系统的，因此研究和开发高 性能的伺服进给系统，是锯片刀具工具磨床的设计成败的关键之一。本文对锯片刀具工具磨床的进 给系统进行了详细分析和计算设计，对其伺服电机也进行了选择和计算，对进给系统的精度和刚度 进行了验算，保证了可靠性。
关键词：锯片刀具工具磨床 进给系统 数控
Abstract
With the development of modern technology, machinofacture industry new challenge of high speed and high-precision, high speed becomes one of the key links in tool grinder of high-precision. Due to the feeding system with low steel grade, high inertia, it’s difficult to get high-feeding and accelerated speed. in order to enhance positioning and spreading precision of high speed and precision tool grinder, except the exact designing, selecting components of feeding system, calculating its strength, stability and drive moment precisely, also the reasonable design to the strength of feeding system, reducing lose momentum caused by strength, to ensure the positioning precise during processing.
Feeding system is the connection between the components of numerical control device and tool mechanical device, also the important parts of tool grinder. It’s a complex control system, which contains the component parts of machinery, electron, dynamo (the previous one contains hydraumatic), referring to the control of strengthens and weakness. The property of tool grinder’s saw bit highly depends on feeding servo system, so researching and developing high property feeding servo system, is the key to success or failure of tool grinder’s saw bit design .This text analyses in detail and designs calculation to the tool grinder’s saw bit, also chooses and calculates to the servo motor, makes checking computations to the precise and strength to feeding system, ensures reliability.
Key words: tool grinders saw bit feeding system numerical control
第一章 概 述
1.1 锯片刀具工具磨床的简介
现在市场上国产锯片磨齿机占了很大份额，改变了前些年进口机（主要是台湾机） 的一统天下格局。国内锯片刀具工具磨床又被称为锯片磨齿机，一般采用固定电机与砂 轮组合体对锯片进行磨削，这种结构的磨齿机实现了机械磨锯片的高效运行，包括一导 轨座、一砂轮工作装置、一齿轮工作装置以及一拨齿装置，砂轮工作装置包括一传动电 机和一砂轮，传动电机带动砂轮转动，导轨座与拨齿装置均安装在工作台上，其特征在 于：在所述的砂轮工作装置与导轨座之间设置一用于在纵向上调转动电机纵向角度的调 节座，在所述的调节座上设置一可调节其水平位置角度的角度调节机构，可以对砂轮进 行各个方向的角度调整。
1.2 锯片刀具工具磨床的工作原理与种类
连续磨齿：连续磨削的磨齿机，砂轮为蜗杆形，称为蜗杆砂轮磨齿机，砂轮相当于 滚刀，相对工件作展成运动，磨出渐开线。工件作轴向直线往复运动，以磨削直齿圆柱 齿轮的轮齿，如果作倾斜运动，就可磨削斜齿圆柱齿轮。砂轮的转速很高，展成链不能 用机械方法联系砂轮和工件。目前常用的方法有两种：
（1）用两个同步电动机分别拖动砂轮主轴和工件主轴，用挂轮换置；一种用数控 的方法，即在砂轮主轴上装脉冲发生器，发出与主轴旋转成正比的的脉冲，脉冲经数控 系统调制后经伺服系统和伺服电动机驱动工件主轴，在工件主轴上装反馈信号发生器。
（2）分度磨齿：这类磨齿机根据砂轮形状又可分为蝶形砂轮型、大平面砂轮型和 锥形砂轮型三种。它们都是利用齿条和齿轮的啮合原理，用砂轮代替齿条来磨削齿轮。 齿条的齿廓是直线，形状简单，易于保证砂轮的修整精度。加工时被切齿轮在想象中的 齿条上滚动。每往复滚动一次，完成一个或两个齿面的磨削。因此需多次分度才能磨完 全部齿面。
1.3 锯片刀具工具磨床进给系统的深入研究
进给系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控磨床的重要组成部 分。它包含机械、电子、电机(早期产品还包含液压)等各种部件，并涉及到强电与弱电 控制，是一个比较复杂的控制系统。提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控磨床 具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一 进给传动系统承担了数控磨床砂轮进给的定位，以及进给系统的传动精度、灵敏度 和稳定性，它直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。进给单元包括伺服驱动部 件、滚动单元、位置监测单元等。要求进给单元运转灵活，分辨率高，定位精度高，没 有爬行， 既要适合加工锯片时的快速进给， 又要有较大的加速度， 又要有足够大的推力 ， 刚性高，动态响应快，定位精度好。数控机床普遍采用旋转电机(交直流伺服电机)与滚 动丝杠组合的轴向进给方案。
1.3.1 传动系统的选择
数控机床的伺服系统是连接数控系统和机床主体的重要部分，在设计中，在伺服方 式上选择最广泛应用的半闭环方式。采用螺旋传动，计算滚珠丝杠副尺寸规格，接着进 行丝杠的校核并进行精度等验算，根据计算的扭矩选择伺服电机.
机床进给系统采用直线电动机直接驱动与原旋转电动机传动方式的最大区别是取 消了从电动机到工作台（拖板）之间的一切机械中间传动环节。即把机床进给传动链的 长度缩短为零。故这种传动方式即称“直接驱动” 。带来了原旋转电动机驱动方式无法 达到的性能指标和一定优点。但也带来了新的矛盾和问题。
它有响应速度快、精度高、传动刚度高、推力平稳、速度快、加减速过程短等优点。
但也存在着滑台要保持高刚度的同时还要轻、环境要求、冷却问题、隔磁及防护问 题等。
所以要综合考虑价格方面直线电机的价格要高出很多，这也是限制直线电机被更广 泛应用的原因。
并且直线电机在提供同样转矩时的能耗是“旋转伺服电机+滚珠丝杠”一倍以上， 旋转伺服电机+滚珠丝杠”属于节能、增力型传动部件，直线电机可靠性受控制系统稳 定性影响，对周边的影响很大必须采取有效隔磁与防护措施，隔断强磁场对滚动导轨的 影响和对铁屑磁尘的吸附。
从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或 更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。电机应具有大的较长时间的过载能力，以满 足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。
为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可 能的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s 2 以上的角加速度的能力，才能保 证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。电机应能随频繁启动、制动和反转。
随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始 采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数 字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字 PID，使用灵 活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精 度和品质大大提高。
所以根据对比直线电机传动系统和滚珠丝杠传动系统，并依据于要加工的元件和要 求和设计要求，我们最终选择伺服电机+滚珠丝杠的结构（如图1.1）。
图1.1 传动系统简图
运动进给系统主要构成：大规格预负载直线滚柱导轨支撑运动部件、大扭矩伺服电 机直连大直径预负荷滚珠丝杠驱动运动部件、高精度直线光栅尺实现全闭环位置控制。
传动方式的选择：
滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系。以传动形式 分为两种：
（1）将回转运动转化成直线运动
（2）将直线运动转化成回转运动。
传动效率高：滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%～98%，为传统的滑动丝杠系统 的 2～4 倍，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运 动可逆）。
运动平稳：滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、 启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。
高精度：滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行 预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。
高耐用性：钢球滚动接触处均经硬化（HRC58～63）处理，并经精密磨削，循环体系 过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。
同步性好：由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传 动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。
高可靠性：与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修 保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。
无背隙与高刚性：滚珠丝杠传动系统采用歌德式沟槽形状，使钢珠与沟槽达到最佳 接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力，消除轴向间隙，可使滚珠有更佳的刚性，减 少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。
交流伺服电机：交流伺服电机通常都是单相异步电动机，有鼠笼形转子和杯形转子
两种结构形式。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕 组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。固定和保护定子的机座 一般用硬铝或不锈钢制成。笼型转子交流伺服电机的转子和普通三相笼式电机相同。杯 形转子交流伺服电机的结构如图3-12由外定子4，杯形转子3和内定子5三部分组成。 它的外定子和笼型转子交流伺服电机相同，转子则由非磁性导电材料（如铜或铝）制成 空心杯形状，杯子底部固定在转轴7上。空心杯的壁很薄（小于0.5mm），因此转动惯量 很小。内定子由硅钢片叠压而成，固定在一个端盖 1、8 上，内定子上没有绕组，仅作 磁路用。电机工作时，内﹑外定子都不动，只有杯形转子在内、外定子之间的气隙中转 动。对于输出功率较小的交流伺服电机，常将励磁绕组和控制绕组分别安放在内、外定 子铁心的槽内。
交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机 必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时， 它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普 通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。
当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产 生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大 小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁） 并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场 作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦 控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机 内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁 场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场 大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转 子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转 者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增 强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变 大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180o，旋 转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消 失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。
为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得
， 特别大，使它的临界转差率 Sk 大于 1。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零” 励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向 旋转磁场的合成。假设电动机原来在单一正向旋转磁场的带动下运行于A点，此时负载 力矩是。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向
旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线3运行。由于转子的惯性，运行点由A点移到 B 点，此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反的制动力矩。在负载力矩和制动 力矩的作用下使转子迅速停止。
必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对 称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目 的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。
可见，为了适应高密度、高速度的磨床发展，在以下几个方面应重点研究：
（1）减少运动部件的摩擦阻力小；
（2）提高传动精度和刚度；
（3）运动部件惯量小；
a.根据所给参数，和一些相关资料，对锯片刀具工具磨床进行整体设计，在经过运 动分析、受力分析、和强度校核的前提下，设计出锯片刀具工具磨床的主要结构和布局 特点。
b.用cad设计出进给系统的结构，作出二维图。根据零件图和产品装配图，对零件 进行分析。
c.掌握进给系统的传动情况，了解该系统的主要机电部件，并设计出各部件之间联 系的总体构想。
d.分析选用零件的特点，以各部件的尺寸精度、形状精度、位置精度、等方面的技 术要求；对全部技术要求应进行归纳整理。
e.确定零件的选用和配合方法。
f.如何保证滚珠丝杠螺母副的防护与润滑。
g.分析伺服电机+滚珠丝杠与直线电机的优缺点，并选取最优化的设计。
1.3.2 研究方向和内容
对锯片刀具工具磨床的进给系统进行了解研究和设计。
伺服电机+滚珠丝杠的结构的进给传动系统的主要机电部件有：
(1)运动部件；(如工作台、导轨、横梁、立柱等)
(2)伺服电动机；
(3)检测元件；
(4)联轴节；
（5)丝杠轴承；
(6)滚珠丝杠螺母副(或齿轮齿条副)；
(7)减速机构(齿轮副和带轮)；
图1.2 进给系统示意图
1.4 设计方法实现及预期目标
为了实现本次课程设计的目标，首先要对锯片刀具工具磨床的进给系统的基本原 理进行研究，提出问题。其次，提出针对问题的研究方案，并对依据锯片刀具工具磨床 进给系统的工作原理和加工要求进行合理分析，细化设计方案。
用CAD软件绘制出装配图，保证设计要求：
（1）设计横向进给行程为30mm，进给速度为0.1mm/s—20mm/s；
（2）检测进给部分设计的合理性，是否能够满足高速加工环境以及进给精度。
为了实现此次课题研究的设计要求，在本论文中将对锯片刀具工具磨床进给系统的 几个部件进行研究设计。
1.4.1 滚珠丝杠螺母副
是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形 的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道， 将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋 转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。
滚珠丝杠螺母副具有以下特点：
（1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92-0.96，比普通 丝杠高3-4倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的1/4-/3.
（2）若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除 空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。
（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。
（4）具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成 旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。
（5）磨损小，使用寿命长。
（6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要
求高，故制造成本高。
（7）不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不同，下降时当 传动切断后，不能立即停止运动，故还需要增加制动装置。
本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副，精度为2级，两端采用了小圆螺母为轴向 定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。它是在滚珠螺母体内的两列循 环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错 位而实现预紧。这种调隙方法结构简单，但载荷量须预先设定而且不能改变。
滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的 轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由 的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于 较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高 精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此课题中采用两端固定（F-F） 的方式如图1.3，以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。
图1.3 滚珠丝杠副定位方式
此种形式的特点和应用有以下几点：
1.需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难；
2.只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的四倍；
3.丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高；
4.可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但需要一套预拉伸 机构，结构及其工艺都比较复杂；
5.需要进行预拉伸的丝杠，起目标行程略小于公称行程，减少量等于拉伸量；
6.适用于对刚度和位移精度要求搞的场合。
1.4.2 丝杠中常用的滚动轴承
有以下几种（表1.1）：
60°角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同 向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差， 又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较 易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。
滚珠丝杠螺母副的选择：螺母是分为单螺母和双螺母，一般单螺母的承载负荷是没 有双螺母大，使用周期也没有双螺母寿命长，在以后的保养和维护也没有双螺母方便。
所以选型要根据设备的要求，满足做设备的条件，才是最好的，不要盲目追求高精 度，高负荷的丝杆，会对机器的成本增加很多，丝杆的一个级别价格就会相差好多。
表1.1 滚珠丝杠常用支承常用轴承特点及应用 滚动轴承类型 轴向刚度 轴承安装 预载调整 摩檫力矩
应 用
60°接触角推
力角接触球轴
承
大 简 单 不需要 小 应用广泛刚度要求变动 场合 双向推力角接
触球轴承
中 简 单 不需要 小 轴向刚度要求较高的场 合 圆锥滚子轴承
小 简 单 内圈间有 隔套时需 要调整 大 轴向刚度要求不高的场 合 滚针和推力滚
子组合轴承
特大 简 单 不需要 较大 用于大牵引力高刚度的 大型、重型机床 深沟球轴承和
推力轴承组合 大 复 杂 麻 烦 小 应用较少
1.4.3 滚珠丝杠螺母副的支撑形式
双推——自由式，刚度、临界转速、压杆稳定性低。设计时尽量使丝杠受拉力。适 用于较短及垂直安装的丝杠。（如下图1.4）
图1.4 双推-自由式
双推——简支式，临界转速、压杆稳定性高。丝杠有热膨胀的余地。适用于较长的、 卧式安装的丝杠。（如下图1.5）
图1.5 双推——简支式
双推——双推式，丝杠的轴向刚度高。丝杠一般不会受压，无压杆稳定性问题。 可用预拉伸减小因丝杠自重引起的下垂。适用于对刚度和位移精度要求高的场合。（如 图1.6）
图1.6 双推——双推式
1.5 交流伺服电机的选择
目前,交流伺服系统广泛应用于数控机床,机器人等领域,在这些要求高精度,高动
态性能以及小体积的场合,应用交流伺服系统具有明显优势。 交流伺服电机具有较高的 动态性能、高可靠性及非常低的维护要求,以其坚固耐用、经济性能好等优点越来越广 泛地应用于数控龙门加工中心的进给系统。 交流伺服电机的动力学参数分析及选型,与 进给机构正常、可靠运行及制造成本密切相关。
选择电机主要应考虑满足转速、转矩的要求，其中负载惯量的计算涉及因素比较复 杂。
交流伺服电机的优点，在这里将步进电机与交流伺服电机作比较:
(1)控制精度不同，两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°，五相混合
式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。 如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公 司生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、 0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步 距角。
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺 服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技 术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接 收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角 为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
(2)低频特性不同，步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和 驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工 作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速 时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采 用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流 伺服系统具有共振抑制功能， 可涵盖机械的刚性不足， 并且系统内部具有频率解析机能， 可检测出机械的共振点，便于系统调整。
(3)矩频特性不同，步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧 下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其 额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上就 是为恒功率输出。
(4)过载能力不同，步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能 力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转 矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能 力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工 作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。
(5)运行性能不同，步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢 步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理 好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号 进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控 制性能更为可靠。六、速度响应性能不同，步进电机从静止加速到工作转速需要200～ 400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静 止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。
1.6 进给精度的保证
随着现代科技的发展, 机械制造业面临着高速度、高精度等新的挑战, 高速进给系 统成为高速高精度数控车床的关键环节之一。由于进给系统刚度低、惯量大, 难以获得 高进给速度和高加速度, 同时还产生较大的失动量, 使传动误差增大, 影响机床加工 精度; 由于各传动部件之间存在间隙、摩擦、弹性变形, 以及电动机运行误差等因素引 起的失动量, 导致执行部件滞后或引发振荡。为了提高高速高精度数控车床的定位精度 和传动精度, 除了正确设计、选择进给系统部件, 精确计算其强度、稳定性和驱动力矩 外, 还要对进给系统的刚度进行合理设计, 减少因刚度引起的失动量, 以确保加工定 位精度。
1.7 直线滚动导轨副的选择
直线滚动导轨副具有摩擦因数小、不易爬行、便于安装和预紧、结构紧凑等优点， 广泛应用于精密机床、数控机床和测量仪器等。其缺点是抗震性较差、成本较高。
直线滚动导轨副由导轨和滑块两部分组成，一般滑块中装有两组滚珠，当滚珠从工 作轨道滚到滑块端部时，会经端面挡板和滑块中的返回轨道返回。在导轨和滑块之间的 滚道内循环滚动。
装配时经常将两根导轨固定在支撑件上，每根导轨上一般有两个滑块，滑块固定在 移动件上。若移动件较长，可在一根导轨上安装两个以上的滑块；若移动件较宽，可选 可选用两根以上的导轨。两根导轨中，一根为基准导轨，另一根为从动导轨，基准导轨 上有基准面 A 其上滑块有基准面 B。安装时先固定基准导轨，之后以基准导轨校正从动 导轨，达到装配要求时再紧固从动导轨。
产品选型，从产品样本中选定导轨型号后，可根据给定的额定动载荷计算出导轨副 的距离额定寿命和小时额定寿命。常见的球导轨的距离期望寿命为 50km，滚子导轨为 100km。若所得结果大于导轨的预期寿命，则初选的型号满足设计要求。当然，也可先 给出导轨副的期望寿命，再反推出额定动载荷，据此选择合适的型号。
当滚动导轨的工作速度较低、静载荷较大时，选型时还应考虑相应的额定静载荷不 小于工作静载荷的两倍。
第二章 锯片刀具工具磨床进给系统的整体设计
设计机床的第一步，是确定总体方案。总体方案是机床部件和零件的设计依据，对 整个设计的影响较大。因此，在拟定总体方案的过程中，必须全面地、周密地考虑，使 所定方案技术先进、经济合理。
首先对锯片刀具工具磨床进给系统进行全方面的了解，并深入了解其横向进给系统 的结构和原理，在图书馆、网上、期刊各种渠道获取相关知识，并实地参观机床总体布 局，归纳总结出最优的方案，设计出锯片刀具工具磨床横向进给的相关数据和图形。
2.1 工作负载的分析
锯片刀具工具磨床的特征是主运动为砂轮绕自身轴线的高速回转运动，砂轮在垂直 于砂轮轴线方向作往复进给运动。
2.2 进给系统主要技术参数
（1）进给运动行程：30mm（最大刃磨行程为20mm）
（2）进给速度范围：0.1mm/s—20mm/s
（3）最大进给力：2000N
（4）定位精度：0.004mm/300mm
（5）重复定位精度：0.002mm/300mm
（6）滑板、砂轮架、电机等重量：假设砂轮架重量为20kg，溜板为20kg，电机重 量为85kg.
2.3 伺服进给系统设计
2.3.1 确定滚珠丝杆导程 h
P 根据工作台最高移动速度 max V =20mm/s，电机最高转速 max n =1000r/min，传动比等 确定 h P ，按下式计算，取较大圆整值。
max
max
n i V P h × = 式中i 为传动比。电机与滚动丝杆副直联时，i=1，则：
r mm P h / 2 . 1 1000 1 1200 = ×
= 2.3.2 滚珠丝杆副载荷及转速计算
这里的载荷及转速是指，滚珠丝杆的当量载荷 m F 与当量转速 m n
。当负荷与转速接 近正比变化时，各种转速使用机会均等，可按下列公式计算：
3
2 min max F F F + =
假设砂轮架重量为20kg，溜板为20kg，电机重量为85kg
fmg
F = max 式中 f 为滚动摩擦系数，取 004 . 0 = f ，则 N
F 5 10 ) 85 20 20 ( 004 . 0 min = × + + × = min
max F + = 进给 F F 则 N F 2005 5 2000 max = + = 。故 N F m 33 . 1338 3
5 2005 2 = + × = h
m P v v n n n 2 2 min max min max + = + = 则 min / 375 . 8 1.2
2 0.1 20 m r n = × + = 2.3.
3 确定预期额定动载荷
（1）按滚珠丝杆副预期工作时间 h L 计算： h L h 20000
= c
a w
m h m am f f f F L n C 100 60 3 × = 其中： a f 为精度系数，1、2、3级取1.0； w f 为负荷系数，无冲击取1.2； c f 为可靠性 系数，90%可靠性取1.0.则 N C am 78 . 3465 1
1 100
2 . 1 3
3 . 1338 20000 375 . 8 60 3 = × × × × × = （2）拟采用预加负荷的滚珠丝杆副，按最大轴向负荷 max F 计算
max
F f C e am = 查得轻预载预加负荷系数 e f 取6.7，则 N C am 5 . 13433 2005 7 . 6
= × = 。经比较，取以上 两种结果的最大值： N C am 5 . 13433
= 。 2.3.4 按精度要求确定允许的滚珠丝杆最小螺纹底径 m d
2 2.3.4.1估算丝杆允许的最大轴向变形量
)4 1 ~ 3 1( ≈ δ m 重复定位精度 00067 . 0 ~ 0005 . 0 002 . 0 )4
1 ~ 3 1( = × = ,取 0006 . 0 δ = m 。 )5 1 ~ 4 1( ≈ δ m 定位精度 001 . 0 ~ 0008 . 0 004 . 0 ) 5
1 ~ 4 1( = × = ,取 0009 . 0 δ = m 。 比较以上结果，取最小值： 0006 . 0
δ = m 。 2.3.4.2估算最小螺纹底径
拟定滚珠丝杆副安装为两端固定形式，
m
m m L F E L F d δ 039 . 0 πδ 10 10 0 0 2 = = 式中L 为两个固定支承之间的距离（mm）。
) 2 . 1 ~ 1 . 1 ( ≈ L 行程 h P
) 14 ~ 10 ( + 则 mm L 4 . 47 2 . 1 12 30 1 . 1 = × +
× = 静摩擦力 0
F W
F 0 0 μ = 式中 004 . 0 μ 0 = ， min 0 F F = ，即 N F 5 0
= ，故 775 . 0 6
. 0 4 . 47 5 039 . 0 2 = × = m d 2.3.5 确定滚珠丝杠副规格代号
按照计算出的 h P ， am C ，在南京工艺装备制造有限公司-FFZD 型内循环浮动式垫片 预紧滚珠丝杠副样本中选取FF2D2505-3,其参数为： 5 = h P ， am a C KN C > = 2 . 10 ， m d mm d 2 2 25 > = 。
2.3.6 确定预紧滚珠丝杠副预紧力 p F 当选择预紧螺母型式的滚珠丝杠副时，需确定预紧力 p F 。当最大轴向工作载荷 max F 能确定时
max 3
1 F F p = 则 N F p 3 . 668 2005 3
1 = × = 。 2.3.7 计算行程补偿值 C 和预拉伸力 F。
考虑到丝杠运转过程中温升对丝杠副导程精度的影响，在精度要求较高的场合，应 对滚珠丝杠副适当的预拉伸，对预拉伸的滚珠丝杠副规定目标行程值C，并计算预拉伸 力。
6 10 Δ 8 . 11 Δ α ×
× × = = u u L t L t C 式中， t Δ 为温度变化值 ℃ 3 ~ 2 ； u L 为滚珠丝杠副的有效行程（mm）
， h u P L ） （ 行程 两个安全行程 螺母长度 工作台行程 14 ~ 8 ≈ ≈ + + + ，即
mm L u 8 . 46 2 . 1 14 30
= × + = ,则 mm C 9 6 10 38 . 1 10 8 . 46 5 . 2 8 . 11 × = × × × =
2 2
Δ 95 . 1 d t F t = 则 N F 88 . 3046
25 5 . 2 95 . 1 2 = × × = 。 2.3.8 确定滚珠丝杠副支承用轴承规格型号
（1）计算轴承所受的最大轴向载荷 max
B F max
max F F F t B + = 故 N F B 88 . 5051 2005 875 . 3046
max = + = （2）按滚珠丝杠副支承的要求选择轴承的型号
两端固定的支撑方式，选60°角接触球轴承。
（3）确定轴承内径及预紧力
为便于丝杠加工，轴承内径最好不大于滚珠丝杠的大径。在选用内循环滚珠丝杠副 时，必须有一端轴承内径略小于丝杠底径 2 d 。
其次，轴承样本上规定的预紧力应大于轴 承所承受最大载荷 max F 的 3 1 ，故取 mm d 17 = ， Bp F ≥ N 96 . 1683 88 . 5051 3
1 = × 。 （4）按样本选择轴承规格型号
当 mm d 17 = 时，预紧力大于1683.96N 时，可以选择日本NSK 公司17TAC47轴承， 采用二列组合，则预加负荷为2200N，基本额定动载荷 N C 37700 = 。
2.3.9 滚珠丝杠副工作图设计
滚珠丝杠副的螺纹长度 e u s L L L 2 + = ，其中， 螺母长度 行程+ = u L ， e L 为余程，则
mm L s 156 20 2 86 30
= × + + = 。按样本查出螺母安装连接尺寸，由工作图得：丝杠全长 mm L 377 = ，两固定支承距离 mm L 225 1
= ，行程起点距离固定支承距离 mm L 5 . 34 0 = 。 2.3.10 电机的选择
（1）惯量计算 工作台折算到丝杠上的转动惯量
6
2 10 )π
2 ( × = M P J t 由其得 2
5 6 2 10 92 . 7 10 125 )π
2 5 ( m kg J t × = × × = 丝杠的转动惯量
12
4 10 77 . 0 × = L D J p
则 2 4 12 4 10 13 . 1 10 377 25 77 . 0 m kg J p × = ×
× × = 。 丝杠折算到电机轴上的转动惯量 r
J 2
i J J J p
t r + = 因丝杠和电机直连，故 1 = i 。则 2 4 4 5 10 92 . 1 10 13 . 1 10 92 . 7 m kg J r × = × + × = 。
（2）力矩计算
空载启动时所需力矩 M T ：
3 2 0 0 max 0 max 10 ) η 1 ( πη 2 6 . 9 × + = + + = i
P F t n J T T T T r f a M 则 m N T M 14 . 1 10 ) 9 . 0 1 (1
9 . 0 π 2 5 2005 10 1 8 . 0 π 2 5 5 025 . 0 6 . 9 1000 10 92 . 1 3 2 3 4 = × × × × + × × × × + × × × = 因此，选用三洋P60B13100HXS,技术指标为：电机转子惯量 2 4 10 6 . 5 m kg × ，瞬间 最大转矩 m N 15 ，额定转矩 m N 5 。电机的转动惯量应满足： r M J J ) 4 ~ 1 (
= 。因 r J m kg 92 . 2 10 6 . 5 4 = × ，故惯量匹配。
总惯量J
M
r J J J + = 故 2 4 4 4 10 52 . 7 10 6 . 5 10 92 . 1 m kg J × = × + × = 。
（3）加速度性能验算
工作台能达到的最大加速度a ：
π
2 max h
P J T a × = 则 2 3
4 / 87 . 1
5 π
2 10 5 10 52 . 7 15 s m a = × × × = 。经过检验，满足加速性能要求。 2.3.11 传动系统刚度计算
2.3.11.1滚珠丝杠副抗压刚度
（1）滚珠丝杠副的最小抗压刚度 min
a K
2 1
2 2 min 10 6 . 6 L d K a = 则 m N K a μ / 3
3 . 1833 10 225
25 6 . 6 2 2 min = × × = 。 （2）滚珠丝杠副的最小抗压刚度 max
a K 2 0 1 0 1 2 2 max 10 )
( 4 6 . 6 × = L L L L d K a 则 m N K a μ / 47 . 3530 10 ) 5 . 34 225 ( 5 . 34 4 225 25 6 . 6 2
2 max = × × × × × = 。 2.3.11.2支承轴承组合刚度
一对预紧轴承的组合刚度可由样本查出。17TAC47A 轴承采用二列组合（DF）是，轴 向刚度 m N K BO μ / 760 = ， 因采用两端固定支承 ， 故支承轴承组合刚度 m N K K BO b μ / 1520 2 = = 。
滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 c K ，由样本查出 m N K c μ / 910
= 。 2.3.12 传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择
（1）转动系统的刚度K。
c
min min 1 1 1 1 K K K K b a + + = 则 m N K μ / 0027 . 0 657
1 1520 1 33 . 1833 1 1 min = + + = 。 c
max max 1 1 1 1 K K K K b a + + = 则 m N K μ / 0025 . 0 657
1 1520 1 47 . 3530 1 1 min = + + = 。 （2）验算传动系统刚度。
重复定位精度
min 6 . 1 F K = 则 m N K μ / 4 2
5 6 . 1 min = × = 。 （3）传动系统刚度变化引起的误差。
) 1 1 ( δ max
min 0 K K F k = 则 m k μ 001 . 0 ) 0025 . 0 0027 . 0 ( 5
δ = × = 。 （4）确定精度。
任意 mm 300 内的行程变动量对半闭环系统而言，
300 V ≤ k
δ 8 . 0 定位精度 × 即 300 V ≤ m μ 20 . 3 001 . 0 4 8 . 0 = × ，故丝杠精度取1级。
（5）确定滚珠丝杠副的规格代号。
已确定的型号：FFZD；公称直径：25mm；导程：5mm，螺纹长度：156mm；丝杠全长： 377mm；P 类1级精度，FFZD2505-4- 156 377
/ 1 ′ P 。 2.3.13 联轴器的选择
根据传动装置的工作条件拟选用HL 型弹性柱销联轴器（GB/T 5014-2003）。计算转 矩 c T m N T c × = ′ ′ = 78 . 4 2000
1 5 . 1 9550 因为伺服电机的额定功率为 1KW，额定转速为 2000r/min。查表的工作情况系数
K=1.5。则 m N T c 78 . 4 2000
1 5 . 1 9550 = × × = 。 伺服电机轴直径为 22mm，滚珠丝杠端直径为 14mm，根据以上条件，选取 LH1 型联轴器 （ m N T n 160
= ， n r n > = min / 7100 ] [ ），其轴孔径 mm d ) 22 ~ 12 ( = ，可满足要求。 2.3.14 滚动导轨的选择
导轨是两个相对运动部件接合面组成的滑动副，一般由机床的支承部件（床身、立 柱、横梁）和执行部件（主轴箱、溜板箱、刀架）匹配而成。在支承部件上的导轨称称 支承导轨或固定导轨，简称下导轨；在执行部件上的导轨称运动导轨或懂导轨，简称上 导轨。
导轨是机床的重要部件之一，它在很大程度上决定机床的刚度、精度与精度的保持 性。综合此次锯片刀具工具磨床的设计，采用滚动导轨。
图2.1 导轨安装及其受力简图