小型立式铣床工作台升降和制动装置设计

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date小型立式铣床工作台升降和制动装置设计一、滚珠丝杠螺母副的计算与选型目 录摘 要2第一章 总体设计方案拟定31.1系统运动方式的确定与伺服系统的选择31.2机械传动方式31.3计算机系统选择3第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算42.1 设计参数42.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型42.2.1 计算进给牵引力42.2.2 计算最大动载荷52.2.3 滚珠丝杠螺母副的

2、选型52.2.4 传动效率计算62.2.5 刚度的验算62.2.6 稳定性验算82.2.7 滚珠丝杠副的几何参数92.3滚动导轨的计算与选择102.3.1滚动导轨副的额定寿命102.3.2 直线导轨副的参数122.4 步进电机的计算与选择122.4.1步进电动机减速箱的选用122.4.2步进电动机的计算与选型13第三章 微机数控系统硬件电路设计183.1控制系统183.2步进电机介绍183.3可编程逻辑控制器193.4工作台升降控制20主要参考文献22摘 要【摘要】：小型立式铣床工作台升降和制动装置设计。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能

3、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。本文通过对小型立式铣床工作台的机械系统、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。本次课程设计，主要设计和研究小型立式铣床工作台及其电气原理图。确定小型立式铣床工作台的传动系统，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】：小型立式数控铣床；滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电动机；第一章 总体设计方案拟定1.1系统运动方式的确定与伺服系统的选择数控系统按运动方

4、式可分为点位控制系统、直线控制系统和连续控制系统。为了满足小型立式铣床工作台运动定位,暂停,急停等功能,故选择连续控制系统。伺服系统有开环和半闭环。考虑到工作台实际位移的检测，补偿系统的误差，采用开环控制系统，利用步进电机进行驱动。1.2机械传动方式 为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机转动丝杠。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，为了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计算机系统选择 三菱PLC具有结构灵活，传输质量高、速度快、带宽稳定，范围广，低成本，适用面广等优点。因此我们采用三菱PLC。第二章 机床进给伺服系统机械部分设计

5、计算2.1 设计参数1、工作台尺寸：长*宽=500*3202、工作台升降行程：250 3、工作台总重：4、最高运行速度：步进电机运行方式：空载：0.5m/mim；切削：0.1m/min；交流伺服电动机运行方式：空载：8m/mim；切削：2m/min；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0.10mm；半闭环模式0.01mm；7、切削负载：X向600N；Y向800N；Z向 1200N。2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型2.2.1 计算进给牵引力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在

6、导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为矩形导轨的计算公式。计算公式为： （2-1）式中 X向切削分力（N）；Y向切削分力（N）；Z向切削分力（N）；移动工作台总重（N）； 导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同； 颠覆力矩影响系数。矩形导轨的,式中，,。代入计算得 （2-2）2.2.2 计算最大动载荷选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载，用下式计算选择： （2-3） （2-4）式中 额定寿命

7、，15000h； 丝杠转速，； 温度系数，查表3-23，工作温度小于100，取=1； 硬度系数，查表3-24，=1；精度系数，查表3-25，取=0.9； 负载性质系数，查表3-26，=1.3；可靠性系数，查表3-27，取=0.62，可靠度为95。初选导程=5，由任务书可知最大切削力下的速度，则代入公式可计算得 =20 （2-5） （2-6） （2-7）2.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型根据以上算得的最大动负载在设计指导书中选用型号为GD2004-3的滚珠丝杠，其名义直径为,滚珠的排列为4圈2列，额定动载荷为，满足前面进给方向的要求。精度等级按机电装备设计课程设计指导书表4-15选为4级。2.2.

8、4 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率： （2-8）式中 丝杠螺旋升角； 摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。由选用的GD2004-3的滚珠丝杠的相关数据可知丝杠螺旋升角为： （2-9）代入公式计算得 ： （2-10）2.2.5 刚度的验算先画出此进给滚珠丝杠支承方式草图,如图所示.最大牵引力为, 滚珠丝杠的有效行程=250mm，滚珠丝杠的余程=16mm,丝杠螺纹长度取= 250+162+72=354mm,支撑跨度= 550mm,丝杠的全长L=650mm。图2-1 Z向进给系统计算简图 G ML滚珠丝杠副的轴向变行会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变

9、形的因素：1)、丝杠的拉伸或压缩变形量在总的变形量中占的比重较大,可以用计算方法或查图表的方法决定，查图4-6，根据下式计算： （2-11）式中 丝杠的最大工作载荷，单位为N；a滚珠丝杠两支承间的距离；E丝杠材料的弹性模量，钢的；S丝杠按底经确定的截面积，单位为。 （2-12）计算得 （2-13）2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形丝杠螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负载的1/3.由于一端双向推力球轴承，一端采用深沟球轴承，而且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍实际变形量。有预紧时按下式计算： （2-14）式中 滚珠直径，单位为mm； 滚珠总数量，； 单圈滚珠数，（内循环），（外循环

10、）； 预紧力，单位为N。 （2-15） （2-16） （2-17） （2-18）根据以上计算得： （2-19）由表3-27得4精度滚珠丝杠的有效行程在315以下时，行程允许的偏差为，小于要求的定位精度0.01mm合乎设计的要求。2.2.6 稳定性验算对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险，产生失稳的临界负载用下式计算： （2-20）式中 丝杠材料弹性模量，对钢； 截面惯性矩,丝杠截面惯性矩(为丝杠螺纹的底径)；丝杠两支承间距离；丝杠的支承方式系数，由表3-34，取=1；压杆稳定安全系数，一般取为2.54，取=3。根据前面的相关数据可知

11、上式中的截面惯性矩： （2-21） 丝杠两支承端距离，我所选用滚珠丝杠的支承方式是双推-双推,则查指导书中的表3-34可知则代入数据算得： = （2-22） （2-23）满足设计要求。2.2.7 滚珠丝杠副的几何参数表2-1滚珠丝杠的几何参数名称符号公式WD4506螺纹滚道公称直径20导程4接触角钢球直径2.381滚道法面半径1.238偏心距0.003螺纹升角螺杆螺杆外径19.524螺杆内径17.533螺杆接触直径17.624螺母螺纹直径22.467螺母内径20.4762.3滚动导轨的计算与选择目前，滚动导轨在数控机床上应用非常广泛，因为其摩擦系数=；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度的变

12、化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低度运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，所以选用滚动导轨。2.3.1滚动导轨副的额定寿命(1)、滚动导轨的额定动载荷的计算：由于要计算额定动载荷首先需要计算出作用在滚动导轨副上的载荷,由资料文献可知作用在滚动导轨副上的载荷计算公式如下：图2-3 工作台及导轨块的放置 式中的为作用于同一平面内的若干套导轨副的总载荷在这里我的设计任务中指出了，。则式中、分别取，,，将上面的数据代入相应的公式中可得到 （2-24）滑块上的工作载荷根据工作载荷选型号为SBG15FL的导轨，其参数为，。 (2)、滚动导轨副的额定寿命1、额定

13、寿命计算其计算公式如下： （2-25） 式中 额定寿命； 额定动载荷； 滑块上的工作载荷；温度系数；运行时的温度小于100查相关资料可的；接触系数；导轨上的滑块数为2查相关资料；精度系数；精度等级为4级查相关资料；载荷系数；.3；硬度系数；滚道硬度不得低于HRC58故通常取。使用寿命用公式 （2-26）式中 单向行程，=250；N每分钟往返次数。 （2-27）初选直线导轨副型参为SBG15FL 额定动载C=8500N。代入公式计算得： （2-28）2、寿命时间的计算 15000h （2-29） 故初选型号满足设计要求。2.3.2 直线导轨副的参数2.4 步进电机的计算与选择2.4.1步进电动机

14、减速箱的选用为了满足脉冲当量的设计要求，增大的步进电动机输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮连接，滚珠丝杆的轴头与大齿轮连接。已知工作台的脉冲当量 ，滚珠丝杆的导程为，初选步进电动机的步距角为，算得减速比： （2-30） 本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm,齿数比为75:45，材料为45调质钢，齿表面硬后达55HRC。减速箱中心距为，小齿轮厚度为20mm，大齿轮厚度为20 mm。2.4.2步进电动机的计算与选型（1）计算加

15、在步进电动机的转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杆的公称直径，总长为，导程为，材料密度，工作台总重为，小齿轮宽度为，直径为，大齿轮宽度为，直径为；传动比为。由表4-1，算得各部件的转动惯量如下：1）滚珠丝杠的转动惯量为 （2-31）式中 圆柱体直径； 圆柱体长度或原度； 钢材的密度从设计的零件中可知丝杠的公称直径为2cm，把丝杠近似的看成一个圆柱体则，考虑到我的任务书中的尺寸比较大，对与丝杠支撑端以外的丝杠对总体的影响较小所以忽略不记，则取。根据以上的数据代入公式算得： （2-32）2）工作台折算到丝杠上的转动惯量 其公式为： （2-33）式中 工作台重量；，重力加速度（9.8m/s2）； 丝杠导

16、程 ;代入公式 （2-34）3）小齿轮的转动惯量为： （2-35）4）大齿轮的转动惯量为： （2-36）初选步进电动机的型号为90BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量则加在步进电动机的转轴上的总转动惯量为： （2-37） （2）计算加在步进电动机的转轴上的等效负载转矩 分快速空载启动和承受最大工作载荷两种情况计算。1）快速空载启动时电动机的转轴所承受的负载转矩，包括三部分：一部分是快速空载启动时折算到电动机的转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机的转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折

17、算到电动机的转轴上的附加。因为滚珠丝杠副的传动效率很高，相对于和很小，可以忽略不计。则有： （2-38）考虑传动链的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机的转轴上的最大加速转矩为： （2-39） 式中 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为； 步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。 （2-40）式中 空载最快移动速度，任务书指定为0.5； 步进电动机步距角，预选电动机为； 脉冲当量。将以上各值代入得 （2-41）设步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，传动链的总效率。则 （2-42）移动部件运动时，折算到电动机的转轴上的摩擦转矩为： （2-43）式中 导轨的摩擦因数，滚

18、动导轨取0.004；垂直方向的铣削力，空载为0；传动链的总效率。则： （2-44）得快速空载启动时电动机的转轴所承受的负载转矩：2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩，包括三部分：一部分是折算到电动机的转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机的转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机的转轴上的附加。因为滚珠丝杠副的传动效率很高， 相对于和很小，可以忽略不计，则有： （2-45）其中，折算到电动机的转轴上的最大工作负载转矩由式4-14计算。在对滚珠丝杠进行计算时，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷，则： （2-46）再计算垂直方向承受最大工作负载的情

19、况下，移动部件运动时折算到电动机的转轴上的摩擦转矩： （2-47）最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： （2-48）则加在步进电动机转轴上的的最大等效负载转矩为: （2-49）（3）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取，则步进电动机的最大静转矩应满足： （2-50）上述初选的步进电动机型号为90BYG2602,由表4-5差得该型号电动机的最大静转矩为。可见，满足要求。（4）步进电动机的性能校核1）最快工进速度时电动机输

20、出转矩校核工作台最快工进速度为，脉冲当量为，则电动机对应的运行频率为 （2-51）从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩，远大于最大工作负载转矩，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核工作台最快空载移动速度为，电动机对应的运行频率 （2-52）在此频率下，电动机的输出转矩，大于最大工作负载转矩，满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核与最快空载移动速度对应的电动机的运行频率。查表4-5可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz,可见没有超出上限。4）启动频率计算已知电动机转轴上的转动惯量，电动机转子转动惯量，电动机转

21、轴不带任何负载时的空载启动频率。则步进电动机克服惯性负载的启动频率为： （2-53）上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于1107Hz.综上所述，工作台选用的90BYG2602电动机，完全满足设计要求。第三章 微机数控系统硬件电路设计3.1控制系统随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功能等，有人将其称为现代工业控制的三大支柱(即PIE，机器人，CADCAM)之一。目前PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的

22、工具。由于步进电机具有精度高、惯性小、工作可靠，能实现高精度快速开环控制的特点，被广泛应用在各种不同的运动控制系统中。步进电机作为一种常用的电气执行元件，广泛应用于自动化控制领域。对于步进电机的控制通常有两种方法：一种是采用专用控制器，这种控制器主要由脉冲信号发生器、环形脉冲分配器和功率放大器组成；另一种是用PLC主控单元加位控单元实现步进电机控制，该方法提高了通用化程度，单位控单元价格昂贵，甚至远高于主控单元。控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数控系统，但对于一些在运行过程中移动距离和速度均需确定的具体设备，采用PLC是一种理想的技术方案。在操作面板上设定移动距离、速度和方向，通过PLC

23、的运算产生脉冲、方向信号，控制步进电机的驱动电源，达到对距离、速度、方向控制的目的。操作面板上的位置旋钮控制移动的距离，速度旋钮控制移动的速度，方向按钮控制移动的方向，启停按钮控制电机的启动与停止。在实际系统中，位置与速度往往需要分成几挡，故位置、速度旋钮可选用波段开关，通过对波段开关的不同跳线进行编码，可减少操作面板与PLC的连线数量，同时也减少了PLC的输入点数，节省了成本。3.2步进电机介绍步进电机是将脉冲信号转换成直线位移或角位移。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。其速度与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配

24、到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有以下几个优点：一是过载性好。其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，步进电机使用时对速度和位置都有严格要求。 二是控制方便。步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显。 三是整机结构简单。传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电动机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。测速电机是将转速转换成电压，并传递到输入端作为反馈信号。测速电机为一种辅助型电机，在普通直流电机的尾端安装测速电机，通过测速电机所产生

25、的电压反馈给直流电源，来达到控制直流电机转速的目的。因此，步进电动机主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。步进电机分三种：永磁式、反应式和混合式。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相、三相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角

26、一般为 0.72度，混合式步进电机随着相数（通电绕组数）的增加，步进角减小，精度提高，这种步进电机的应用最为广泛。我们根据设计要求和计算选用90BYG2602型步进电动机，查表4-14，选择与之配套的驱动器为BD28Nb。3.3可编程逻辑控制器PLC即可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。PLC具有以下鲜明的特点： (1) 系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也

27、能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如 DDC 和 DCS 等，实现生产过程的综合自动化。 (2) 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 (3) 能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。FX2N系列：是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。3.4工作台升降控制根据设计要求，通过控制实现工作台的快进、工进、复位。输

28、入端输出端启动X0快进Y0手动/自动X1工进Y1工快进转换X2快退Y2Z向终点行程开关X3Z向起点行程开关X4急停X5其控制的梯形图为：主要参考文献1 林述温等. 机电装备设计M.北京：机械工业出版社，2002.2 机床设计手册组.机床设计手册（三分册）M.北京：机械工业出版社，1986.3 王爱玲.现代数控机床结构与设计M.北京：兵器工业出版社，1999.4 尹志强等.机电一体化系统设计课程设计指导书M.北京：机械工业出版社，200975 滚珠丝杠、线性滑轨OL. 汉意精工.http:/www.taiwan-6 滚珠丝杠、线性滑轨OL.天津海特传动机械有限公司.http:/www.hit-7 步进电机及驱动器OL.北京斯达微步控制技术有限公司.8 步进电机及驱动器、交流伺服电机及系统OL.步进机电有限公司.http:/www.step-9 伺服电机相关技术、直线运动产品、光电传感器OL.深圳市湘聚事业有限公司，10 RORZE高精度步进电机及驱动器OL.北京伟恒升级团.11 步进联轴器，编码器联轴器，微型电机联轴器OL.广州菱科自动化设备有限公司：12 日本富士、美国Copley等交流伺服电机OL.重庆钧智自动化仪器控制有限公司13 山东博特精工股份有限公司：14 台达交流伺服电机等. OL. 台湾电子工业股份有限公司:.tw/-