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1、小型数控卧式镗铣床主轴箱沿着X轴升降。数控机床的加工系统、立体仓库 中堆垛机的升降系统、平面绘图仪的绘图系统等，尽管结构和功能各不相同，但基 本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机 整体。本文通过对小型数控卧式镗铣床主轴箱的机械系统、控制系统及接口电路 的设计，阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。本说明书简要明确的说明了小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置设 计的过程及内容，包括机械传动系统和电气控制系统的设计， 其中机械传动系统 部分包含了确定系统脉冲当量和切削力，滚珠丝杠螺母副的计算和选型，电机的 计算和选型。本次课程设计，主要设计和研究小型数控卧
2、式镗铣床主轴箱升降和制动装置 及其电气原理图。确定小型数控卧式镗铣床主轴箱升降的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据 其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯 量。关键词：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；伺服电机；PLC第一章总体方案设计1.1系统的运动方式与伺服系统的选择为了实现镗铣床主轴箱升降和制动，运动定位、暂停、急停等功能，故选择 连续控制系统。考虑到对工作台实际位移的检测， 补偿系统的误差，故采用半闭 环控制系统，利用交流伺服电机进行驱动。半闭环控制系统如图所示。1.2机械传动方式为了实现设计要求的分
3、辨率，采用伺服电机传动丝杠。为了保证一定的传动 精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动 刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。1.3电气控制系统方案设计采用三菱PLC伺服系统1.4总体方案的确定数控机床总体方案设计，主轴箱升降总体方案设计见图第二章机床进给伺服系统机械部分设计计2.1 设计参数1、主轴箱垂直提升行程：500;2、 主轴箱尺寸：长X宽乂高=500X 400X 250;3、 主轴箱总重：1000N;4、最高运行速度：步进电机运行方式：空载：0.8m/min ;切削：0.3m/min ；交流伺服电机运行方式： 空载：10m/min；切削：2m/mi
4、n；5、 系统分辨率：开环模式：0.01mm/step;半闭环模式：0.005mm/step;6、 系统定位精度：开环模式：土 0.10mm半闭环模式：土 0.01mm7、切削负载： X 向500N; 丫向800N; Z向1200N2.2滚动导轨设计2.2.1作用于滚动直线导轨副工作载荷的计算工作载荷是影响导轨副使用寿命的重要因素。对于升降工作台，多采用双导 轨、四滑块的支承结构。采用双导轨，四滑块的支撑形式。查机电一体化系统设计课程设计指导书P38，表3 29Fm实验计算公式及参考系数，考虑最不利的情况，即垂直于工 作台的最大垂直方向载荷为：G Fy 其中G主轴箱总重 G =1000NFy
5、丫向切削负载Fy =800NFm =1000800 =1800N垂直轴IJ,500J mm2,250L2mm2L =400mm 贝U：2GL3“cc 4001000亠=200N ,2504 -2Rt讥5讥兀“cc 5001000 -J =500N ,250 4 -2查表3-41，根据工作载荷Fm = 1800 N18009.8kgf = 183.67kgfFm318003= 600N根据主轴箱垂直提升行程：500mm估计导轨长度L - 500 250二750mm型号标准长度SBG15160220280460640820FG最 大 长 度100124148220602030000000初定导轨长
6、为820mm2.2.2距离额定寿命L的计算直线滚动导轨副的寿命计算，是以在一定载荷下行走一定距离后，90%的支撑不发生点蚀为依据。这个载荷称为额定动载荷Ca，该行走距离称为距离额定寿命，滚动体为球时：L = 50( fh ft fcfr -C)3fw Fm式中：L距离额定寿命，单位为kmCa 额定动载荷，Ca=850*9.8=8330N=8.33KN;Fm滑块上的工作载荷，Fm = 1.8KN ；fh-硬度系数，如表336所示，fh=1.0 ；ft温度系数，如表3 37所示，ft =1.00;fc接触系数，如表338所示，fc=0.66;fr精度系数，如表339所示，fr =0.9 ；运转系数
7、，按一般运转取fw=11.5，计算取1.5 ;L = 50詐=8308 .77 km见P47，远远大于滚子期望值50KM故距离额定寿命满足。2.2.3小时额定寿命计算L 1032nS 60式中Lh寿命时间，单位为h;L距离额定寿命，L=8308.77km；S移动件行程长度，单位为0.5m； n移动件每分钟移动次数,一般选6次BJjaa01.450.233, Lx1O 8308.77x10 “wc c“Lh23079.92 h2nS 602 6 0.5 602.2.4导轨的尺寸与滑块的尺寸选择高承载小型导轨选型SL型：初步选定：SBG 15 SL型,SBGI5SL$号0HEWLLKTBxJ馭!m
8、TiNSBG15SL292,659.53458,82図6郦538.825.358i5滑块尺寸如下:st融wAW1 HlFdxDxhuLwcM盼陽15 IS604.5x7.5x5,J3側ss137015导轨尺寸:LC校核静载荷一 _ fo ( fo在不常运动时取11.3，常运动时取11.5 )Pckgf =91.84kgf9.8则 Co _ f0FC =1.5 600 = 900N91.84 乞 C0 =1370 kgf因此SBG 15 SL型满足选择要求2.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠螺母副的设计归结为滚珠丝杠副型号 的选择。2.3.1滚珠丝杠螺母副的计算(1
9、 )计算进给牵引力Fm N作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的 重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，其数值大小和导轨的型式有关。选用综合导轨，则进给牵引力：Fm二K(Fy G)(Fx Fz)其中G主轴箱总重 G =1000NFxX向切削负载Fx =500NFy 丫向切削负载Fy =800NFzZ向切削负载Fz =1200N颠覆力矩影响系数K=1.15导轨的摩擦因素=0.0030.005，取=0.0.004代入数据得：Fm =2076.8N 。(2)最大动负载Fq计算Fq= 3CfwfhFmL。60nT1061000vsPh式中 Ph 滚珠丝杠导程，初选 Ph=6mm
10、Vs最大切削力下的进给速度此处：Vs=2m/min ；T 使用寿命，按15000h;fw 载荷系数，查表3-30，按一般运转取fw=1.21.5，取fw=1.2 ; fh 硬度系数，取fh =1 ；L 滚珠丝杠副的寿命，单位为106r1000vs1000 2n-(r/mi n)333.33r/minPh660 n T60 333.3 15000106106二 300r / minFq 二 fwfhFm3 L =16683.34N所计算出来的最大动负荷Fq应小于滚珠丝杆的额定动载荷Ca。验证所初步选择的滚珠丝杠螺母副是否符合要求。(3)初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表 3-3
11、1得，选择济宁博特 精密丝杠制造有限公司生产的 G系列3206 4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向 器单螺母式，其公称直径为32mm导程为6mm循环滚珠为4圈1列，精度等级 取5级，额定动载荷为18292N,大于.，满足要求。螺纹长度：Ln =500 60 2 24 = 608mm、625mm，由机电装备设计 P41，表 3-21 得;螺旋钢带防护罩规格:LGB规格 SpecLmaxmmLmin mmD1mmD2mm40- 800- 80800804065角接触球轴承代号D/mmD/mmB/mmR/mmn /mm7205C/AC/B25521510.3深沟球轴承:代号|D/mmD/mmB/mmR
12、/mm62052552151轴承宽度B=26mm支撑跨距：a =625 2 80 26 = 811mm;丝杠全长：L = 950mm由机电装备设计R43得，采用“一端双向推力球轴承，一端采用深沟球轴承”支撑方式。所以满足要求（5级精度）。（4 ）传动效率滚珠丝杠螺母副的传动效率一般在 0.80.9之间，由下式计算。二 tgtg（:）错误！未找到引用源。=arctan错误！未找到引用源。/ （错误！未找到引用源o）式中：公称直径 错误！未找到引用源。=32mm导程为Ph = 6mm错误！未找到引用源。一一丝杠螺旋升角；摩擦角，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数 f =0.0030.004 ,其摩擦角约等于10 o错误！未找到引用源。=arctan错误！未找到引用源。/ （错误！未找到引用源o）=错误！未找到引用源。3.42 =3 25二 一 =0.9534 =95.34%tg（：）（5 ）系统刚度验算滚珠丝杆副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动平稳性。因此，应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量、滚珠与螺纹滚道 间接触变形讥1 ）丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量2,Fma（由于M非常小，此项忽略）ES 2J.式中：Fm 丝杠最大工作载荷Fm =2076.8 N ；a 上下支承的中心距离为 a = 811mmE 钢的弹性模量 E=2.1 105Mpa，
