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本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文題目:
電解小孔加工機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
English Title:
Electrolytic structure design of small hole machining tool
學(xué) 院：
機(jī)械工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 機(jī)械
學(xué)生姓名：
XXX
學(xué) 號(hào)：
XXXXXXXXXX
指導(dǎo)教師：
XXXXXX
年 月
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要
電解小孔加工機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要：電解加工是金屬工件在電解液中發(fā)生陽(yáng)極溶解以達(dá)到加工目的的一種加工方法。從加工機(jī)理上講，電解加工是以“離子”方式去除金屬材料的一種加工工藝，因此這種微去除方式使得電解加工在微、納米加工領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Α．?dāng)今世界各國(guó)都十分關(guān)注電化學(xué)加工的研究，目前我國(guó)在電解加工方面的研究處于起步階段，如何利用電解“離子”級(jí)的蝕除機(jī)理，挖掘電解加工的加工能力，向精密、加工進(jìn)軍是一個(gè)需要迫切解決的重要問題。研究和掌握電解加工的關(guān)鍵技術(shù)，研制開發(fā)電解加工系統(tǒng)，深入研究電解加工工藝，具有重要意義。
完成了電解小孔加工機(jī)床加工樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)備具包括 X、Y、Z直線運(yùn)動(dòng)軸繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)工具電極旋轉(zhuǎn)的 R 軸。機(jī)床的主要設(shè)計(jì)工作包括兩部分，一是機(jī)床主體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)方式、工作液循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及機(jī)床零部件三維圖和二維圖的繪制；二是機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的理論計(jì)算與校核，包括直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服電機(jī)的理論計(jì)算和選型等；主要有以下幾個(gè)方面：X、Y,Z工作臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是滾珠絲杠的運(yùn)用；機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，了解優(yōu)缺點(diǎn)，充分考慮主要矛盾，擇優(yōu)選取，進(jìn)一步熟悉其應(yīng)用。
關(guān)鍵詞: 電解加工，電解小孔，加工機(jī)床，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，滾珠絲杠
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要
Electrolytic structure design of small hole machining tool
Abstract: Electrolyte for electrochemical machining of metal artifacts in Anodic dissolution in order to attain a processing method for processing purposes. Speaking from the mechanism, electrochemical machining with "ion" means a process for removal of metallic, removed thus this micro-electrochemical micro-machining in micro-and nano-processing sector has great potential for development. Countries all over the world are very concerned about the study on electrochemical machining of current research in electrochemical machining in the initial stage, how to use electrolysis "ion"-level mechanism of ablation, electrolytic processing of mining and processing capacity. Study and master the key technology of electrolytic process, research and development of ECM system, in-depth study of electrochemical machining process, is of great significance.
Completing electrolysis structure design of small hole drilling machine prototype, the equipment includes x, y, z-linear motion shaft rotary tool around the z axis the r axis of rotation. Machine of main design work including two part, a is machine subject structure, and drive way, and work liquid circulatory system of design and machine parts three dimensional figure and II dimension figure of draws; II is machine drive system of theory calculation and check, including line guide, and ball screw, and servo motor of theory calculation and selection,; main has following several aspects: x, and Y,Z table of drive institutions design, main is ball screw of using; machine overall structure of design, understand advantages and disadvantages, full consider contradiction, preferred selected And become more familiar with its application.
Key words: ECM electrolytic hole, machine tools, design, drive, ball screw
目 錄
電解小孔加工機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) II
Electrolytic structure design of small hole machining tool III
第1章 緒論 1
1.1微小孔加工技術(shù)研究現(xiàn)狀 1
1.2 對(duì)電解小孔加工機(jī)床的技術(shù)要求 6
第2章 電解小孔整體方案設(shè)計(jì) 8
2.1 總體要求 8
2.2 電解加工原理 8
2.3 機(jī)床總體布局選型 10
2.4 傳動(dòng)方式的選擇 11
2.5 床身 13
2.6 滑枕頭 13
2.7 進(jìn)給系統(tǒng) 13
2.8 工作箱 14
圖 2.8 工作箱 14
2.9 工作臺(tái) 14
2.10 導(dǎo)電系統(tǒng) 14
2.11 工作原理 15
第3章 電解小孔加工機(jī)床的設(shè)計(jì)和計(jì)算 16
3.1 電動(dòng)機(jī)介紹及選型 16
3.2 同步帶的傳動(dòng)計(jì)算 18
3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22
3.4 進(jìn)給傳動(dòng)的計(jì)算 24
3.5 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 36
3.6 圓柱直齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與校核 39
3.7 聯(lián)軸器的選擇 41
3.8 軸承的選擇 42
3.9 步進(jìn)電機(jī)的選擇 43
結(jié) 論 45
參考文獻(xiàn) 46
致 謝 48
淮海工學(xué)院二〇一七屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 48 頁(yè) 共 43 頁(yè)
第1章 緒論
1.1微小孔加工技術(shù)研究現(xiàn)狀
隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，關(guān)鍵零部件出現(xiàn)越來越多微小孔結(jié)構(gòu)，其加工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
①零件材料一般多為高強(qiáng)度高硬度的難加工材料，如高溫合金、鈦合金、金屬間化合物等；
②由于孔徑小，所以微小孔長(zhǎng)徑比往往較大；
③對(duì)孔壁的金相組織有特殊要求，如要求孔壁無(wú)重鑄層、無(wú)微裂紋等。為了克服這些困難，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者研究并嘗試了多種方法來制造微小孔構(gòu)件，如機(jī)械鉆孔加工、機(jī)械沖孔加工、電解放電加工、電化學(xué)加工、激光加工等，見表 1.1。需要根據(jù)微小孔精度、粗糙度、小孔孔徑以及加工材料的不同來選擇合適的加工方法。
表1.1微小孔的主要加工方法
1.1.1 機(jī)械加工方法
1.1.1.1 機(jī)械鉆孔加工
機(jī)械鉆孔是應(yīng)用最普遍的孔加工技術(shù)，與許多特種加工方法相比，機(jī)械鉆孔加工可以加工任何導(dǎo)電或非導(dǎo)電材料，因而已成為微小孔加工的主要工藝方法之一，應(yīng)用非常廣泛。機(jī)械鉆孔加工具有生產(chǎn)效率高、加工精度好、加工深徑比大等優(yōu)點(diǎn)，但在加工微小孔時(shí)，也需要克服許多技術(shù)難點(diǎn)：①鉆頭的強(qiáng)度和剛度隨著加工孔徑的減小而降低明顯，容易在切削力和機(jī)床振動(dòng)的作用下折斷；②加工深小孔時(shí)，由于容屑空間小，排屑和散熱困難，容易導(dǎo)致刀具的變形和損壞，降低刀具的壽命；③在加工孔徑極小的微孔時(shí)，鉆頭也變得較細(xì)剛度較小，受力后容易偏移，導(dǎo)致在孔位和孔徑方面產(chǎn)生加工誤差；④被加工材料硬度大于刀具材料時(shí)，鉆孔加工將不再適用，而目前高硬度高強(qiáng)度的合金材料等難加工材料應(yīng)用越來越廣泛。
為了解決上述技術(shù)難點(diǎn)，主要從加工機(jī)械設(shè)備、加工工藝方法和加工刀具等三方面加以改進(jìn)。機(jī)械方面，隨著電主軸的設(shè)計(jì)制造越來越精密、主軸轉(zhuǎn)速越來越高，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速也得到了大幅度提高，利用這些先進(jìn)的新型電主軸部件和進(jìn)給機(jī)構(gòu)，以制造出更為先進(jìn)的微小孔鉆孔加工設(shè)備。工藝方面，主要通過優(yōu)化鉆孔速度、進(jìn)給量、冷卻條件等切削參數(shù)獲得，振動(dòng)鉆孔技術(shù)的提出，也為解決微小孔鉆孔的技術(shù)難點(diǎn)指明了新方向。振動(dòng)鉆孔的原理如下：鉆頭在受激勵(lì)后做振動(dòng)，這種振動(dòng)是周期性的，因而在傳統(tǒng)機(jī)械鉆孔基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)切削用量按需求的規(guī)律改變，最終改善切削效能。采用這種工藝方法的好處是不僅鉆頭壽命顯著增加，小孔加工的精度和表面質(zhì)量也得到了提升。加工刀具方面，目前利用 WEDG (Wire Electrode Discharge Grinding)技術(shù)可以制作出直徑約 10μm 的鉆頭，如圖 1.2 所示。
圖 1.2 機(jī)械鉆孔加工中的微型鉆頭
1.1.1.2 機(jī)械沖孔加工
機(jī)械沖孔加工需要制造專用的模具，設(shè)備投資較大，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，加工成本高，與鉆孔加工不同的是沖孔加工更適用于板件上的大量孔加工。沖孔加工的優(yōu)點(diǎn)有：①在成批量加工小孔時(shí)，成本遠(yuǎn)低于鉆孔加工；②加工穩(wěn)定性好，加工用的模具使用壽命長(zhǎng)。沖孔加工也存在不足之處，如當(dāng)加工的小孔孔徑小于 1mm，且板厚大于 1mm 時(shí)，沖孔加工就會(huì)變得非常困難，
不僅加工效率很低，而且造成工件的加工變形。圖 1.3 所示是機(jī)械沖孔加工出的直徑為 25μm的微孔。
1.1.2 特種加工方法
1.1.2.1 高速電解穿孔加工
高速電解穿孔加工是一種利用電腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行加工的方法，它通過在工具電極和工件之間施加脈沖電壓，利用火花放電時(shí)產(chǎn)生的局部高溫來去除多余的金屬材料，進(jìn)而達(dá)到一定加工要求。小孔加工是高速電解穿孔加工的一種典型應(yīng)用，尤其在加工非沖模類的小孔、深孔、群孔、異型孔和微孔時(shí)，具有相當(dāng)實(shí)用、經(jīng)濟(jì)性好、效率高的優(yōu)勢(shì)。高速電解穿孔加工，高速流動(dòng)的工作液從中空管狀電極內(nèi)噴出，充滿加工區(qū)域，并配合以工具電極旋轉(zhuǎn)進(jìn)給的方式進(jìn)行加工。高速電解穿孔加工速度快，深徑比大，最大加工深度可達(dá) 60mm，加工穩(wěn)定性好，成本較低，正越來越多的應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上氣膜冷卻孔的加工中。 高速電解穿孔加工會(huì)在孔壁上產(chǎn)生再鑄層、微裂紋等，影響零件的使用性能和壽命，通
過優(yōu)化加工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)高速電解加工后較少的再鑄層，再鑄層厚度在 40μm 以下，采用高速電解穿孔加工后的氣膜冷卻孔還需進(jìn)行后期再處理，以去除再鑄層，圖 1.4 為電解穿孔加工葉片氣膜冷卻孔。
（a）加工導(dǎo)向葉片 （b）加工工作葉片
圖 1.4 電解穿孔加工葉片氣膜冷卻孔
1.1.2.2 管電極電解加工
管電極電解加工，電解液一般為酸性 H2SO4、HCL 溶液或中性 Na NO3、Na Cl 溶液及其混合溶液等，使用中空狀的金屬管作為工具陰極，工具電極由主軸帶動(dòng)向下進(jìn)給，同時(shí)高速流動(dòng)的工作液從管電極內(nèi)部流出充滿加工間隙（正流方式），利用電解作用持續(xù)腐蝕去除工件多余材料，從而加工出預(yù)定的孔型，圖 1.5 是管電極電解加工示意圖。
圖 1.5 管電極電解加工示意圖
管電極電解加工時(shí)，進(jìn)給裝置帶動(dòng)工具電極進(jìn)給，由于電場(chǎng)的發(fā)散性，小孔入口周圍不需要加工的側(cè)面區(qū)域也會(huì)造成一定量的去除，形成類似喇叭狀的小孔入口，形成雜散腐蝕現(xiàn)象，使工件表面粗糙度增大，引起孔型變化，影響小孔加工精度。通常采用兩種方法來提高電解加工的定域能力，從而提高加工精度：一是通過控制加工參數(shù)（電壓、電流）或陰極進(jìn)給速度來控制極間間隙，研究表明陰陽(yáng)極間間隙越小，加工精度越高；二是對(duì)電極進(jìn)行絕緣性處理，改變電極的邊緣條件，以減弱電極側(cè)壁電場(chǎng)的影響。在管電極電解加工中，管電極要有適宜的外形和尺寸，以達(dá)到加工出預(yù)定孔型的要求；絕緣層要涂覆均勻且與管壁間有良好的結(jié)合力，在承受電解液的高速?zèng)_刷和加工熱的作用不會(huì)脫落，且絕緣層內(nèi)不允許有氣孔和雜質(zhì)等缺陷。側(cè)壁涂絕緣層的管電極電解加工出的小孔，如圖 1.6 所示。
（a）垂直于工件表面加工的小孔 （b）呈一定角度加工的斜孔
圖 1.6 管電極電解加工小孔
1.1.2.3 復(fù)合加工
復(fù)合加工是組合了兩種或兩種以上的加工方法而產(chǎn)生的新型工藝方法。復(fù)合加工利用了不同加工方法的優(yōu)點(diǎn)，可獲得較高的加工效率與加工質(zhì)量。目前常用的微小孔復(fù)合加工方法有微細(xì)電解-電解加工、微細(xì)超聲-電解加工、微細(xì)激光-電解復(fù)合加工技術(shù)等。
Minh Dang Nguyen等人利用微細(xì)電解-電解加工技術(shù)（SEDCM milling）加工微小孔，以低電導(dǎo)率的去離子水作為工作液，利用微細(xì)電解加工去除材料和電解加工對(duì)電解加工后的側(cè)壁進(jìn)行光整，進(jìn)行微小孔加工，得到了表面質(zhì)量好，孔型精度高的微孔。采用脈沖頻率500k Hz，占空比 30%，進(jìn)給速度 0.2μm/s 的加工參數(shù)，在 14min內(nèi)加工出直100μm 左右的微孔，如圖 1.7 所示。由加工時(shí)間 14min可見采用低電導(dǎo)率的去離子水作為工作液，進(jìn)行微細(xì)電解-電解加工效率較低，不適合大量微小孔的加工。
圖 1.7 利用電解-電解復(fù)合加工出的微孔
南京航空航天大學(xué)朱荻教授課題組采用超低濃度鹽溶液作為工作液，以中空狀的管電極為陰極進(jìn)行微小孔電解-電解復(fù)合加工，充分利用電解高速穿孔加工效率高的優(yōu)勢(shì)和電解加工去除再鑄層的優(yōu)點(diǎn)，得到了加工效率高、表面質(zhì)量較好，材料去除率較高和再鑄層厚度較小的微孔。 圖 1.8 為電解加工后和電解-
電解復(fù)合加工后的小孔金相照片對(duì)比，從小孔端面和孔深方向可以看到電解加工后分布的白色再鑄層組織，而電解-電解復(fù)合加工后白色的再鑄層組織已大多被去除。
圖 1.8 小孔再鑄層去除效果對(duì)比
1.2 對(duì)電解小孔加工機(jī)床的技術(shù)要求
本文研制的微小孔電解-電解復(fù)合加工機(jī)床用于渦輪葉片氣膜冷卻孔的加工，小孔加工精度與機(jī)床性能、幾何精度等因素相關(guān)?？紤]電解-電解復(fù)合加工技術(shù)的要求，該設(shè)備平臺(tái)具備下列特點(diǎn)：
（1）良好的耐腐蝕性。本文提出的復(fù)合加工方法采用了超低濃度的中性鹽溶液作為工作液，雖然其濃度極低，但也有可能對(duì)金屬材料產(chǎn)生一定腐蝕。現(xiàn)有的大多數(shù)電解加工機(jī)床，床身采用鑄鐵鑄造，故需對(duì)復(fù)合加工機(jī)床進(jìn)行一定的防腐處理，同時(shí)在與工作液接觸的部位采用具備良好耐腐蝕性能的不銹鋼材料。
（2）高工作液壓力。高的工作液壓力有利于加工產(chǎn)物的排出，尤其是采用管電極內(nèi)沖加工時(shí)，由于管電極直徑較細(xì)，其內(nèi)徑更小，高的工作液壓力能確保工作液的流速，及時(shí)帶走產(chǎn)物，所以本機(jī)床的循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了高壓泵供液系統(tǒng)。
（3）良好的循環(huán)過濾裝置。復(fù)合加工過程中將產(chǎn)生電蝕顆粒和電解產(chǎn)物，因此需對(duì)工作液進(jìn)行有效凈化，故設(shè)備中配置了循環(huán)過濾裝置。
（4）多軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)多角度小孔加工要求?？紤]到氣膜冷卻孔的角度分布，機(jī)床應(yīng)有較多的運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)軸，覆蓋盡可能大的空間范圍，才能夠滿足葉片氣膜冷卻孔加工的位置要求。同時(shí)各軸均需由數(shù)控系統(tǒng)控制，以保證機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度，運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)可調(diào)。
（5）更為有效的脈沖電源。例如可以采用高低壓復(fù)合脈沖電源用于復(fù)合加工，實(shí)現(xiàn)高效率高質(zhì)量加工。高壓時(shí)主要進(jìn)行電解加工，用于快速去除材料，低壓時(shí)主要進(jìn)行電解作用，用于去除電解加工產(chǎn)生的再鑄層。高低壓復(fù)合脈沖電源的峰值電流、脈寬、脈間、進(jìn)給速度等分檔可調(diào)，實(shí)現(xiàn)多檔位選擇。
第2章 電解小孔整體方案設(shè)計(jì)
2.1 總體要求
本設(shè)計(jì)的的研究目的主要在于研制專用孔的加工裝置。技術(shù)要求為：加工孔徑?≤3mm,深徑比約為1:30。本設(shè)計(jì)需要采用C型立式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)機(jī)床的主要部件如床身、滑枕頭、進(jìn)給系統(tǒng)、工作箱、工作臺(tái)和導(dǎo)電系統(tǒng)。對(duì)各個(gè)主要部件要進(jìn)行認(rèn)真分析計(jì)算和設(shè)計(jì)，從而達(dá)到較好的設(shè)計(jì)效果。
2.2 電解加工原理
電化學(xué)制造技術(shù)按原理可分為兩類，一類是基于陰極沉積原理的增材制造技術(shù)，如精密電鑄、刷鍍等，另一類是基于陽(yáng)極溶解原理的減材制造技術(shù)，如電解加工、電解拋光等。這兩類技術(shù)有一個(gè)共同點(diǎn)，無(wú)論是材料的減少還是增加，加工過程都是以離子的形式進(jìn)行的。要實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工，首先要解決其加工單位的微細(xì)化問題，既單位加工量盡可能地少。在電解加工過程中，材料的轉(zhuǎn)移是以離子尺度進(jìn)行，由于金屬離子的尺寸非常微小(10-1nm級(jí))，這在加工原理上解決材料“切削量”的微細(xì)化問題。因此，相對(duì)于其它“微團(tuán)”去除材料方式(如微細(xì)電解、微細(xì)機(jī)械磨削)，這種以“離子”方式去除材料的微去除方式使得電化學(xué)加工技術(shù)在微、納米加工領(lǐng)域存在著極大的研究探索空間。
圖2-1為微細(xì)電解加工原理圖。電解加工系統(tǒng)是一個(gè)由兩類導(dǎo)體串聯(lián)形成的電化學(xué)系統(tǒng)，電子得失的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在兩類導(dǎo)體界面，即電極的雙電層。由于雙電層的形成，在界面上就產(chǎn)生一定的電位差，即電極電位，在一定外加電壓下，電極電位偏離，使界面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。其導(dǎo)電過程的機(jī)理是在外電場(chǎng)作用下，金屬導(dǎo)體中的自由電子定向運(yùn)動(dòng)，電解液中的正、負(fù)離子分別向陰極、陽(yáng)極移動(dòng)，在雙電層上進(jìn)行有電子參與的電化學(xué)反應(yīng)，既電極反應(yīng)，如此而形成完整的導(dǎo)電回路。
圖2.1 液態(tài)介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)圖
由于雙電層電荷間距為10-10m數(shù)量級(jí)，雙電層場(chǎng)強(qiáng)相當(dāng)大，使本來不能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)變得可以進(jìn)行。工件作陽(yáng)極，在其表面的金屬原子M失去電子成為金屬正離子M+n溶入電解液而逐層地被電解下來，使工件尺寸、形狀發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)加工的目的。
從加工機(jī)理上來說是離子去除，因此可達(dá)到微細(xì)加工的目的。根據(jù)法拉第定律，陽(yáng)極金屬溶解的質(zhì)量（M）和溶解的體積（V）分別為：
（2-1）
（2-2）
式中 M——陽(yáng)極溶解的質(zhì)量；
V——陽(yáng)極溶解的體積；
Q——通過界面的電量；
к——質(zhì)量電化當(dāng)量；
I——電流強(qiáng)度；
t——電流通過的時(shí)間；
ρ——陽(yáng)極金屬的密度；
ω——電化學(xué)當(dāng)量。
由式（2-1）和（2-2）可知，只要控制電流密度大小、電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域和電流通過的時(shí)間，就可以控制工件的去除量和去除速度，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)微細(xì)溶解，又由于電解過程中沒有宏觀作用力產(chǎn)生，不需考慮工件材料的強(qiáng)度、硬度等機(jī)械特性，加工表面不產(chǎn)生應(yīng)力，因而具備實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工的基本條件。電解加工技術(shù)具有優(yōu)良的加工機(jī)理，在微細(xì)加工領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但電解加工的雜散腐蝕及間隙中電場(chǎng)、流場(chǎng)的多變性嚴(yán)重制約了其加工精度，加工間隙大，其加工的微細(xì)程度目前還不能與電化學(xué)沉積的微細(xì)電鑄相比，因此需要在加工工藝和裝置上不斷創(chuàng)新，才能實(shí)現(xiàn)微細(xì)電解加工。
2.3 機(jī)床總體布局選型
本機(jī)床選擇C 型立式結(jié)構(gòu)，因?yàn)楸倦娊鈾C(jī)床受力較小，屬小型機(jī)床，此種布局簡(jiǎn)單、清晰、結(jié)構(gòu)聯(lián)接件較少。機(jī)床支撐采用立柱式結(jié)構(gòu)，用螺釘緊固在工作臺(tái)面上，橫梁固定安裝在立柱上。主軸進(jìn)給采用步進(jìn)電機(jī)，由滾珠絲杠傳動(dòng)，直線滾珠導(dǎo)軌上下移動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)與絲杠用剛性聯(lián)軸器相接。無(wú)減速機(jī)構(gòu)，直接用電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主軸頭上下運(yùn)動(dòng)。
本設(shè)計(jì)為了使電極旋轉(zhuǎn)，從而使加工孔徑均勻、質(zhì)量提高，故在主軸頭上加了一附件（旋轉(zhuǎn)電機(jī)），采用V 帶傳動(dòng)，帶動(dòng)電極轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)見裝配圖。
采用C 型立式結(jié)構(gòu)有下列優(yōu)點(diǎn)：
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)聯(lián)接件較少，采用直線滾珠導(dǎo)軌易于保證直線度和垂直度。
采用步進(jìn)電機(jī)價(jià)格低廉，無(wú)積累誤差，易于數(shù)字控制，傳動(dòng)剛度和靈敏度都可滿足，加工穩(wěn)定，加工精度可以保證。
圖2.1 機(jī)床總體布局
1.床身 2.工作臺(tái)
3.工作箱 4.滑枕頭
5.電機(jī) 6.輸液系統(tǒng)
7.導(dǎo)電系統(tǒng)
2.4 傳動(dòng)方式的選擇
機(jī)械傳動(dòng)方式主要有齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)等。傳動(dòng)方式的選
擇主要取決于主軸的轉(zhuǎn)速、所傳遞的轉(zhuǎn)矩、對(duì)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的要求以及結(jié)構(gòu)緊湊、裝卸維修方便等要求
(1)齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是：齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)，使用的功率、速度和尺寸范圍大
優(yōu)點(diǎn)：
1：傳動(dòng)效率高；
2：傳動(dòng)比大；
3：傳遞扭矩大；
4：壽命長(zhǎng)。
缺點(diǎn)：
1：重量大；
2：噪音大；
3：傳動(dòng)距離較??；
4：需要經(jīng)常潤(rùn)滑。
（2）帶傳動(dòng)
帶傳動(dòng)是由固聯(lián)于主動(dòng)軸上的帶輪（主動(dòng)輪）、固聯(lián)于從動(dòng)軸上的帶輪（從動(dòng)輪）和緊套在輪上的傳動(dòng)帶組成的.
⑴ 帶傳動(dòng)的類型：
常見的傳動(dòng)類型有：平帶傳動(dòng)、V型帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng).
① 平帶傳動(dòng)是帶傳動(dòng)中最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),適用于中心距較大的情況,但它不適合于高速傳動(dòng).
② V帶傳動(dòng)（俗稱三角帶）：V傳動(dòng)有較大的摩擦力且傳動(dòng)平穩(wěn)應(yīng)用廣泛.
③ 多楔帶傳動(dòng)：它兼有平帶和V帶的優(yōu)點(diǎn),柔性好,摩擦力大,適用于傳遞功率較大而又要求結(jié)構(gòu)緊湊的場(chǎng)合.
④ 同步帶傳動(dòng)：他是嚙合傳動(dòng),轉(zhuǎn)速高,精度高,適合高精度儀器裝置中.
⑵ 帶傳動(dòng)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用維護(hù)方便；過載時(shí),帶會(huì)在帶輪上打滑,避免損壞其它零件,有過載保護(hù)作用；運(yùn)行平穩(wěn)噪音小、振動(dòng)??；制造安裝精度要求不高.
缺點(diǎn):由于彈性且靠摩擦力傳動(dòng),因此帶與帶輪之間存在彈性滑動(dòng),不能保證準(zhǔn)確傳動(dòng)比；由于傳動(dòng)中存在彈性滑動(dòng),消耗了部分功率,傳動(dòng)效率較低；使用壽命較短；與嚙合傳動(dòng)相比,張緊力和軸上壓力較大,軸易受損；不適宜高溫、易燃、易爆、油污的場(chǎng)所.
（3）電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)
普通的伺服電機(jī)要實(shí)現(xiàn)低速大扭矩輸出時(shí)，必須加減速機(jī)等減速機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩。雖然這種解決辦法可以實(shí)現(xiàn)低速大扭矩的運(yùn)行，但在此過程中，由于加入了減速機(jī)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的精度及效率。給系統(tǒng)帶來了能量損耗、精度損失、噪音等等不良后果。電動(dòng)機(jī)的也現(xiàn)，完美的解決了此類問題的發(fā)生。電動(dòng)機(jī)本身為低速大扭矩輸出，不用減速機(jī)構(gòu)，直接與負(fù)載相連。消除了由于減速機(jī)構(gòu)所帶來的不良后果，整體上提高了系統(tǒng)的精度。另外，由于電動(dòng)機(jī)本身的高定位精度、高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，更好的保證和提高了系統(tǒng)的精度，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，也節(jié)省成本。
綜合以上傳動(dòng)方式比較，在此次設(shè)計(jì)的機(jī)床中，因?yàn)樵陔娊饧庸ぶ袔缀鯚o(wú)任何切削力，機(jī)床功率較小，故選擇V 帶傳動(dòng)。其具有安裝容易、占地面積小、傳動(dòng)效率高和噪音小等優(yōu)點(diǎn)，在整個(gè)傳動(dòng)領(lǐng)域中占有重要地位 。
2.5 床身
選擇C 型結(jié)構(gòu)：特點(diǎn)：剛性尚且還可以，穩(wěn)定性好，工作箱可達(dá)性好，操
作方便。
設(shè)計(jì)要求:
(1)確保床身縱向剛度，防止在電解加工中受軸向力而撓曲變形。
(2)床身工作臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)防止工作臺(tái)受壓變形。
(3)床身工作臺(tái)對(duì)滑枕的安裝基面垂直度要求公差≤0.025mm。
(4)床身外表面途耐蝕絕緣漆，并加陰極保護(hù)。
2.6 滑枕頭
選擇滾珠絲杠。
選用直線滾珠導(dǎo)軌（具體見零部件設(shè)計(jì)）。
設(shè)計(jì)要求:
滑枕頭導(dǎo)軌面與工作臺(tái)面垂直度公差0.01mm.
滾珠絲杠副與絲杠螺母副相比較，絲杠螺母不但要清除傳動(dòng)的間隙的復(fù)雜程
度高，而且耐磨性、潤(rùn)滑性不好，使用不耐久，精度低，而采用滾珠絲杠副傳動(dòng)
平穩(wěn)，摩擦系數(shù)較小，形位精度高，運(yùn)動(dòng)靈活，傳動(dòng)精度高，剛性強(qiáng)。
2.7 進(jìn)給系統(tǒng)
選擇步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)數(shù)字控制系統(tǒng)
技術(shù)要求：
⑴進(jìn)給靈敏度高，分辨率高，位置分辨度：0.01mm，速度分辨度：0.01mm/min。
⑵進(jìn)給穩(wěn)定，不爬行，飄移小于0.01mm.
(3)速度特性硬：空載到滿載Dv<0.025mm/min。
特點(diǎn)：
⑴精度較高
⑵功率較小
(3)調(diào)速范圍較寬采用此系統(tǒng)對(duì)于加工盲孔具有很大優(yōu)點(diǎn)，能夠較為準(zhǔn)確的加工盲孔的深度。
2.8 工作箱
采用整體玻璃鋼板裝配式。此結(jié)構(gòu)耐蝕性好，輕便，省料，但易變行（高溫
時(shí)）。工作箱的設(shè)計(jì)主要考慮密封和防腐蝕兩方面問題。工作箱上部與皮套相配合，達(dá)到全封閉效果。為防酸液濺出傷人，在工作箱上開有通氣孔和管接頭孔。箱體設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，結(jié)構(gòu)如圖2.8 所示，面與面之間用鉸鏈相連，中間鑲嵌玻璃鋼，并考慮密封裝置，在其中一面之上設(shè)計(jì)一類似于門的結(jié)構(gòu)，以便更換零件，考慮加密封墊。
圖 2.8 工作箱
2.9 工作臺(tái)
選擇工作臺(tái)X、Y 向運(yùn)動(dòng)部件(t 拖動(dòng)、傳動(dòng)及導(dǎo)軌部件)夾層充油密封圈。
設(shè)計(jì)要求：
⑴ 剛性強(qiáng)。
⑵ 耐蝕、絕緣好。
(3) 定位面平面度高。
(4)有高精度定位鍵定位孔及分布廣的螺孔或梯形孔。
此種結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件使用效果較好，只適用于小行程運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
2.10 導(dǎo)電系統(tǒng)
選用實(shí)心電纜。 特點(diǎn)：⑴簡(jiǎn)單、耐蝕性尚可。
⑵散熱差，電流密度低，導(dǎo)線多。
由于此機(jī)床為小型機(jī)床，電流小，熱量產(chǎn)生少，電流密度低，故可行。
2.11 工作原理
介質(zhì)從銅孔通過放電和工件，該金屬的目的穿孔腐蝕，孔加工超硬的鋼，硬質(zhì)合金，銅，鋁和任何導(dǎo)電材料。
第3章 電解小孔加工機(jī)床的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.1 電動(dòng)機(jī)介紹及選型
一般原動(dòng)機(jī)的類別，如果沒有特別說明的，我們大都會(huì)選擇用交流電動(dòng)機(jī)來作原動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)是系列化的產(chǎn)品。在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，我們只需要根據(jù)工作機(jī)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，從而進(jìn)行選取適用的電動(dòng)機(jī)的容量，轉(zhuǎn)速，以及類型等，從而提出詳細(xì)的電動(dòng)機(jī)型號(hào)來。電動(dòng)機(jī)實(shí)物如下圖所示
圖3.1 電動(dòng)機(jī)
一般在實(shí)際的選取中，若沒有特別的說明，我們大都會(huì)選用Y系列的三相交流異步電動(dòng)機(jī)。而對(duì)于在一些需要電動(dòng)機(jī)具備比較強(qiáng)的超載能力和不大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，比如起重物體，我們可以選用起重用途的三相異步電動(dòng)機(jī)，而在現(xiàn)實(shí)中我們使用頻率比較多的是YZR型或者YZ型號(hào)的電動(dòng)機(jī)。
在實(shí)際的選取電動(dòng)機(jī)的過程中，功率是一個(gè)非常重要的參數(shù)，其大小對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作性能和節(jié)約性上均上作用非比尋常。如果選的大了，則會(huì)由于效率低下而造成資源的浪費(fèi)，并且大功率的，其價(jià)格也會(huì)很高，作用無(wú)法完全體現(xiàn)出來；而如果其功率選的小了，則又無(wú)法確保設(shè)備能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，亦或?qū)е码姍C(jī)由于負(fù)荷過大而早早地就會(huì)出故障。因而，在選取過程中，我們必須選取功率大小適合的電機(jī)，而對(duì)于那些能夠持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的機(jī)器設(shè)備，一般我們僅需要使得電動(dòng)機(jī)的額定功率稍微大于其所需的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)功率即可。
粗略計(jì)算所需電動(dòng)機(jī)的功率
假設(shè)重量為m=10kg
g=10N/kg
則總重力G1=mg=10*10=100N （3.1）
經(jīng)查表3.1得摩擦系數(shù)為0.04
表3.1 摩擦系數(shù)表
作用在一個(gè)滾子上的載荷（包括滾子自重） N
物品與接觸的底面材料
金屬
木材
硬底板
0～110
0.04
0.045
0.05
110～450
0.035
0.035
0.05
450～900
0.025
0.03
0.045
≥900
0.02
0.025
0.05
（1）驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算
則工件受到的摩擦力為：
4N （3.2）
則驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需牽引力為：
N （3.3）
假設(shè)直徑d=100mm
假設(shè)額定轉(zhuǎn)速na=1400r/min
則的線速度vω=πdna=π×0.1×1400/60=7.4m/s （3.4）
設(shè)功率安全系數(shù)為1.2，驅(qū)動(dòng)裝置的效率為0.8，則需要的驅(qū)動(dòng)功率為：
kW （3.5）
（2）電動(dòng)機(jī)總效率η
ηc—聯(lián)軸器效率，ηc=0.99
ηb—滾動(dòng)軸承效率，ηb=0.99
ηv—皮帶效率，ηv=0.97
則傳動(dòng)系統(tǒng)總效率
η=ηvηb^4ηcηcy=0.97×0.99^4×0.99=0.92 (2.6)
（3）所需電動(dòng)機(jī)的功率Pd (kW)
Pd=Pd/η=0.044/0.92=0.05 kW (2.7)
為了保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)有足夠的功率余量，且綜合考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸，重量以及價(jià)格等因素，這里選擇額定功率為0.37kW的YS7124型電機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)列于下表中。
表3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)
電動(dòng)機(jī)型號(hào)
額定功率（kW）
轉(zhuǎn)速（r/min）
YS7124
0.37
1400
3.2 同步帶的傳動(dòng)計(jì)算
3.2.1 同步帶的計(jì)算選型
（1）確定其功率
同步帶所需要的設(shè)計(jì)功率由作用在帶上的類型，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)，帶輪每日的工作周期大小，以及其所要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的原功率大小等一起影響的，具體公式為：
（3.8）
上式中 ——同步帶所需傳遞的名義功率 kW ；
——使用系數(shù)，根據(jù)下面圖表數(shù)值，可選取為=1.7；
圖表2-5使用系數(shù)
(2) 確定帶的型號(hào)以及其節(jié)距
由傳動(dòng)裝置的Pd'以及其轉(zhuǎn)速n1，可查其參數(shù)圖表以鎖定其要的參數(shù)
由上面已求得Pd=0.63kw，n1=1400r/min。經(jīng)查圖表2-6
圖表2-6
所以可選取同步帶的型號(hào)為H：，節(jié)距為：Pb=8.00mm
(3) 選擇帶輪的齒數(shù)Z1，Z2
圖表2-7
經(jīng)實(shí)際查表2-7查得小帶輪最小齒數(shù)18。
而實(shí)際中所用到的齒數(shù)需要比此數(shù)值要大
所以初選z1=34，則大帶輪的齒數(shù)就是：z2=i×z1=1×z1=34 （2-9）
所以為z1=34 ，且z2=34
（4）兩帶輪的節(jié)圓直徑d1，d2
小帶輪的節(jié)圓直徑為：d1=Pbz1/π=8.00×34/3.14≈86.6mm (2.10)
大帶輪的節(jié)圓直徑為：d2=Pbz2/π=8.00×34/3.14≈86.6mm (2.11)
（5）驗(yàn)算帶輪的速度v
根據(jù)式v=πd1n1/60000 （3.12）
m/s﹤vmax=40 m/s,而vmax=40m/s根據(jù)圖表2-8所求。
圖表2-8
（6）帶輪嚙合齒數(shù)計(jì)算
由于此畢業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中我用到的傳動(dòng)比是1，因此這里的帶與帶輪之間的嚙合齒數(shù)即是其本身數(shù)量的一半，則=17
e) 帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)軸的載荷
N (2.13)
3.2.2 主要的內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分
（1）節(jié)距
概念：節(jié)距是指帶上緊靠在一起的兩個(gè)帶齒的所在處在節(jié)線方向測(cè)出的數(shù)值。示意圖如下圖所示。
圖2-6 帶的節(jié)距示意圖
在設(shè)計(jì)同步帶及同步帶輪時(shí)，我們要考慮的因素和參數(shù)很多，但在這些技術(shù)和尺寸圖形參數(shù)中，節(jié)距卻是最重要的一個(gè)，其值過大，則其他部分的數(shù)值也要隨之變大，其能擔(dān)負(fù)的工作強(qiáng)度也會(huì)變大。在此次設(shè)計(jì)中，我們選用的是梯形帶，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各部分標(biāo)準(zhǔn)參考值如下所示。
（2）節(jié)線長(zhǎng)
帶內(nèi)部繩的中心線就是我們通常所說的節(jié)線，在其進(jìn)行傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其數(shù)值應(yīng)始終是一定值，而其輪廓長(zhǎng)度之和就是它的節(jié)線長(zhǎng)度。在工作機(jī)進(jìn)行工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其數(shù)值大小是一個(gè)我們必須要考慮到的技術(shù)數(shù)據(jù)。在實(shí)際設(shè)計(jì)運(yùn)用中，其值大小已被規(guī)定在一個(gè)的區(qū)域之中，具體如下。
3.2.3 繪制所需圖
此處，根據(jù)實(shí)際具體的畢業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)要求和相關(guān)的尺寸參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所繪制的平面示意圖如下圖所示。
3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.3.1 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求
進(jìn)給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī)床的一個(gè)特殊部分。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。
(1) 穩(wěn)定性
伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)信號(hào)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行,或者在輸入的指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)（如慣性、剛度、阻尼、增益等），，與外界的作用信號(hào)（包括指令信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)）的性質(zhì)或形式無(wú)關(guān)。
(2) 精度
伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在三種誤差：動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實(shí)際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標(biāo)就行。
(3) 快速響應(yīng)性
快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對(duì)指令輸入信號(hào)的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，傳動(dòng)裝置的加速能力。它直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。
3.3.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面有：
(1) 能夠克服摩擦力和負(fù)載
(2) 很小的進(jìn)給位移量
(3) 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度
(4) 足夠的調(diào)速范圍
(5) 進(jìn)給速度均勻，在速度很低時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象
在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求有：
(1) 具有足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩
(2) 具有良好的動(dòng)態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量
(3) 負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能小
對(duì)于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件則有以下要求
(1) 被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有較小的慣量
(2) 高的剛度
(3) 良好的阻尼
(4) 傳動(dòng)部件在拉壓剛度 扭轉(zhuǎn)剛度 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能
小的非線性
3.3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析
(1). 時(shí)間響應(yīng)特性
進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時(shí)間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。
時(shí)間響應(yīng)特性是用來描述系統(tǒng)對(duì)迅速變化的指令能否迅速跟蹤的特性，它由瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)兩部分組成。由于系統(tǒng)包含一些儲(chǔ)能元件，所以當(dāng)輸入量作用于系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)輸出不能立刻跟隨輸入量變化，而是在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定之前表現(xiàn)為瞬態(tài)響應(yīng)過程（或叫過渡過程）。穩(wěn)定響應(yīng)是指當(dāng)時(shí)間t趨向無(wú)窮大時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。若在穩(wěn)定時(shí)，輸出和輸入不能完全吻合，就認(rèn)為系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。
(2) 頻率響應(yīng)特性
時(shí)間響應(yīng)特性是從微分方程出發(fā)，研究系統(tǒng)響應(yīng)隨時(shí)間的變化的規(guī)律，即在已知傳遞函數(shù)的前況下，從系統(tǒng)在階越輸入及斜坡輸入時(shí)間應(yīng)速度及振蕩過程的狀態(tài)中來獲得動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。然而在很多情況下，傳遞函數(shù)不清楚，所以只能由試驗(yàn)的方法來求取動(dòng)態(tài)特性。因此出現(xiàn)頻率響應(yīng)特性法。所謂頻率響應(yīng)特性,就是系統(tǒng)對(duì)正眩輸入信號(hào)的響應(yīng)，即它通過研究系統(tǒng)對(duì)正眩輸入信號(hào)的響應(yīng)規(guī)律來獲得啟動(dòng)態(tài)特性。
(3) 快速性分析
所謂快速性分析是指分析系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，快速性反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)質(zhì)量。
對(duì)于線性進(jìn)給伺服系統(tǒng)，由于它包含各種電路、機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都有時(shí)間常數(shù)，對(duì)高頻信號(hào)來不及反應(yīng)，只是一個(gè)地通漏波器。這種系統(tǒng)的通頻寬帶，對(duì)高頻信號(hào)響應(yīng)速度快，所以從開環(huán)頻率特性圖看，提高系統(tǒng)的截止頻率，則可以提高閉環(huán)回路的響應(yīng)速度。
3.4 進(jìn)給傳動(dòng)的計(jì)算
3.4.1 X軸滾珠絲杠副
(1) 精度
要求：進(jìn)給精度
快速進(jìn)給精度
(2) 疲勞強(qiáng)度
絲鋼的最大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力，最大進(jìn)給力為1625N,工作臺(tái)質(zhì)量700kg,則：
1） 摩擦力
根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》
計(jì)算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級(jí)精度
則：
2） 計(jì)算額定動(dòng)載荷
取絲杠的工作壽命為,
3） 選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計(jì)算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4） 穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5） 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況?。ㄆ渲校?
則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為：
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即
該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。
6） 效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。
3.4.2 Y軸滾珠絲杠副
（1） 精度
要求：進(jìn)給精度
快速進(jìn)給精度
（2） 疲勞強(qiáng)度
絲鋼的最大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力，最大進(jìn)給力為1625N,工作臺(tái)質(zhì)量900kg,則：
1）摩擦力
根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》
計(jì)算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級(jí)精度
則：
2）計(jì)算額定動(dòng)載荷
取絲杠的工作壽命為,
3）選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計(jì)算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4）穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5）剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況?。ㄆ渲校?
則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為：
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即
該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。
6）效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。
3.4.3 Z軸滾珠絲杠副
（1）精度
要求：進(jìn)給精度
快速進(jìn)給精度
（2）疲勞強(qiáng)度
絲鋼的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進(jìn)給力的垂直分力。主軸重量為300kg,則：
1）摩擦力
根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》
計(jì)算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級(jí)精度
則：
2）計(jì)算額定動(dòng)載荷
取絲杠的工作壽命為,
3）選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計(jì)算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4）穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5）剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況?。ㄆ渲校?
則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為：