摘要摘要：小型數控立式銑床工作台公升降和制動裝置設計。數控工具機的加工系統、立體倉庫中堆垛機的平面移動系統、平面繪圖儀的繪圖系統等,儘管結構和功能各不相同,但基本原理相同。
機電一體化系統是將機械系統與微電子系統結合而形成的乙個有機整體。本文通過對小型立式銑床工作台的機械系統、控制系統及介面電路的設計,闡述了機電一體化系統設計中共性和關鍵的技術。
本次課程設計，主要設計和研究小型立式銑床工作台及其電氣原理圖。確定小型立式銑床工作台的傳動系統，選擇了螺旋傳動，驗算了螺旋傳動的剛度、穩定性，壽命等引數；還設計了導軌，根據其用途和使用要求，選擇了直線滾動導軌副，確定了其型別、轉動力矩、轉動慣量。
關鍵詞：小型立式銑床工作台；滾珠絲槓螺母副；直線滾動導軌；交流伺服電機；半閉環控制系統。
數控系統按運動方式可分為點位控制系統、點位/點線系統和連續控制系統。為了滿足小型立式銑床工作台運動定位,暫停,急停等功能,故選擇連續控制系統。伺服系統有開環、閉環和半閉環。
考慮到工作台實際位移的檢測，補償系統的誤差，故採用半閉環控制系統，利用交流伺服電機進行驅動。
為了實現設計要求的解析度，採用交流伺服電機轉動絲槓。為了保證一定的傳動精度和傳動平穩性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲槓螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除傳動間隙，採用有預加負荷的結構。
採用三菱plc伺服系統
圖1—1總體方案設計
1、工作台尺寸：長*寬=400*200
2、工作台公升降行程：200
3、工作台總重：600n
4、 最高執行速度：
步進電機執行方式：空載：0.6m/mim：切削：0.1m/min；
交流伺服電動機執行方式：空載：9m/mim：切削：2m/min；
5、系統解析度：開環模式0.01mm/step；半閉環模式 0.005mm/step；
6、系統定位精度：開環模式0.10mm；半閉環模式 0.01mm；
7、切削負載：x向400n；y向600n；z向1000n；
圖2-1 絲槓螺母副設計框圖
2.2.1 計算進給牽引力
作用在滾珠絲槓上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力在導軌上的摩擦力。因而其數值的大小與導軌的型式有關，由於在設計中採用的是加有導軌塊的滾動導軌，所以選擇的計算公式為綜合導軌的計算公式。
計算公式為：
式中 ---z向切削分力（n）；
---移動工作台總重（n）
導軌上的摩擦係數，隨導軌型式而不同；
考慮顛覆力矩影響的實驗係數；
綜合導軌的,，取，式中，，
代入計算得
2.2.2 計算最大動載荷c
選用滾珠絲槓副的直徑時，必須保證在一定軸向載荷作用下，絲槓在迴轉100萬轉（106轉）後，在它的滾道上不產生點蝕現象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲槓能承受的最大動負載，用下式計算選擇：
式中 --額定壽命，查表3-28可得其壽命為15000h；
--絲槓轉速，；
---負載性質係數，查表3—26， =1.0；
初選導程=6，由任務書可知最大切削力下的速度，則,代入公式可計算得
333.3
2.2.3 滾珠絲槓螺母副的選型
據所算得的最大動負載在設計指導書中的附錄a表1中選用型號為wd2506的滾珠絲槓，其名義直徑為,滾珠的排列為2.5圈1列，額定動載荷為，滿足前面進給方向的要求。
精度等級按《機電裝備設計課程設計指導書》表4-15選為4級。
2.2.4 傳動效率計算
滾珠絲槓螺母副的傳動效率：
式中 ---絲槓螺旋公升角；
摩擦角，滾珠絲槓的滾動摩擦係數，其摩擦角約等於。
由選用的wd2506的滾珠絲槓的相關資料可知絲槓螺旋公升角
代入公式計算得
2.2.5 剛度的驗算
先畫出此進給滾珠絲槓支承方式草圖,如圖所示.最大牽引力為 = 464.8n, 滾珠絲槓的導程=200mm，滾珠絲槓的余程=24mm,絲槓螺紋長度取= 200+24ｘ2+113=361mm,支撐跨度= 560mm,絲槓的全長l=660mm。
絲槓螺母及軸承均進行預緊,預緊力為最大軸向負載的1/3.
圖2-2 z向進給系統計算簡圖
滾珠絲槓副的軸向變行會影響進給系統的定位精度及運動的平穩性，因此應考慮以下引起軸向變形的因素：
1)、絲槓的拉伸或壓縮變形量
在總的變形量中佔的比重較大,可以用計算方法或查圖表的方法決定，查圖4-6，根據 =464.8n， 25mm
查出：式中 ---滾珠絲槓在支撐間的受力長度，.
計算得 =
（2)、滾珠與螺紋滾道間接觸變形
查表4-8，w系列1列3.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
因進行了預緊，
根據以上計算，小於要求的定位精度0.01mm，合乎設計的要求。
2.2.6 穩定性驗算
對已選定尺寸的絲槓在給定的支承條件下，承受最大軸向負載時，應驗算其有沒有產生縱向彎曲（失穩）的危險，產生失穩的臨界負載用下式計算
式中 ---絲槓材料彈性模量，對鋼;
截面慣性矩,絲槓截面慣性矩 (為絲槓螺紋的底徑)；
---絲槓兩支承端距離；
---絲槓的支承方式係數。
根據前面的相關資料可知上式中的截面慣性矩：
絲槓兩支承端距離，我所選用滾珠絲槓的支承方式是一端固定一端簡支,則查指導書中的表4-13可知則代入資料
算得 =
臨界負載與最大工作負載之比稱為穩定性安全係數，
式中 ----為許用穩定性安全係數;，
如果則絲槓不致失穩,在我所設計的方案中最大的，則
所以滿足設計要求。
2.2.8 滾珠絲槓副的幾何引數
表2-1滾珠絲槓的幾何引數
目前，滾動導軌在數控工具機上應用非常廣泛，因為其摩擦係數=；動、靜摩擦係數很接近，幾乎不受運動速度的變化的影響，運動輕便、靈活，所需驅動功率小，摩擦發熱小，磨損小，精度保持性好；低度運動時不易出現爬行現象，因而定位精度高，所以選用滾動導軌。
(1)、滾動導軌的額定動載荷的計算：
由於要計算額定動載荷首先需要計算出作用在滾動導軌副上的載荷,由資料文獻可知作用在滾動導軌副上的載荷計算公式如下：
圖2-3 工作台及導軌塊的放置
式中的為作用於同一平面內的若干套導軌副的總載荷在這裡我的設計任務中指出了，。則
式中、、、分別取，,，
將上面的資料代入相應的公式中可得到
對於全行程還應該計算除載荷
(2)、滾動導軌副的額定壽命
1、額定壽命計算
其計算公式如下：
式中 ---額定壽命；
---額定動載荷；
---計算載荷；
---溫度係數；執行時的溫度小於100查相關資料可的；
---接觸係數；導軌上的滑塊數為2查相關資料
---精度係數；精度等級為4級查相關資料
---載荷係數；
---硬度係數；滾道硬度不得低於hrc58故通常取
使用壽命
---單向行程=200
n---每分鐘往返次數
初選直線導軌副型參為sbg15fl 額定動載c=8500n
代入公式計算得：
=2、壽命時間的計算
故初選型號滿足設計要求。
2.3.2 直線導軌副的引數
選用交流伺服時，必須首先根據機械設計結構草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電機軸上的等效慣量，分別計算各種工況條件下所需的等效力矩，再根據交流伺服電機最大轉矩選擇合適的交流伺服電機。
(1）、絲槓的轉動慣量計算
由於用交流伺服電機則省去了齒輪的傳動比，以及齒輪的轉動慣量的計算所以只要計算絲槓本身的轉動慣量即可，雖然絲槓上有階梯但為了計算方便按乙個圓柱體來計算它的轉動慣量，而且絲槓與交流伺服電機直接相連則傳動比可近似為一，下面首先計算絲槓的轉動慣量，公式如下：
式中圓柱體直徑；
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