资源描述
毕 业 设 计
学生姓名： 学 号：
学 院： 机械工程学院
专 业： 机械设计制造及其自动化
题 目： 大型铝铸件浇冒口切割机工作台设计
指导教师：
评阅教师：
2015年6月
毕业设计成绩评定表
姓 名
学 号
成 绩
专 业
机械设计制造及其自动化
题 目
大型铝铸件浇冒口切割机工作台设计
指导教师评语及成绩
指导教师：
年 月 日
评阅教师评语及成绩
评阅教师：
年 月 日
答辩小组评语及成绩
答辩小组组长：
年 月 日
答辩委员会意见
学院答辩委员会主任：
年 月 日
注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书中。
毕 业 设 计 中 文 摘 要
随着机械制造行业的发展，大型铸件制造业所占地位有了显著提高。在国防、航天航空、船舶、交通运输等诸多领域起着很大作用。同时大型铸件浇冒口的切割问题在一定程度上制约了它的发展。目前国内大型铸件浇冒口的切割基本采用人工式切割，存在着劳动强度大、效率低等问题，在这种条件下提出了设计大型铸件浇冒口切割机床。
本文主要进行大型铝合金铸件浇冒口切割机床的工作台部分设计，本机床采用龙门框架式机床结构，工作台部分主要参考着龙门刨、铣床工作台进行设计。工作台主要工件承载部件-工作平台、水平导向部件-导轨、传动装置-滚珠丝杠副、动力源-电机、总体支承件-床身等几部分组成。本文主要进行了工作平台、床身底座的设计及导轨、传动装置-滚珠丝杠副、驱动装置-伺服电机及其他标准零部件的选型，并做了必要的校核，确保各个部件在强度和刚度上基本满足要求。
该机床工作台部件重约10吨，床身底座约20吨，总重约30吨。最大承载量15吨，行程3500mm，最大移动速度4000mm/s，最小移动速度40mm/s。
关键词 机床、工作台、传动
毕 业 设 计 外 文 摘 要
Title Design of large aluminum castings poured
riser cutting machine worktable
Abstract
With the development of the mechanical manufacturing industry，manufacturing accounts for a large casting status has improved significantly.In the defense, aerospace, shipbuilding, transportation, and many other areas plays a big role.At the same time large castings poured riser cutting problems to a certain extent, restrict the development of it.The current domestic large castings poured riser cutting basic using artificial cut，There is a large labor intensity and low efficiency.Under the condition of the proposed design of large castings poured riser cutting machine tools
This article mainly includes the large aluminum alloy castings poured riser cutting machine workbench,this machine adopts the gantry frame type machine tool structure, the workbench part main reference to design the planer, milling machine workbench.Workbench is mainly composed of artifacts bearing parts - work platform, the horizontal turning parts - guide rail, gear - ball screw pair, the power source - motor, the overall support - bed, etc. This paper was carried out the design of lathe bed base and the guide rail, actuator ball screw pair, drive servo motor and other standard parts selection, and do the necessary checking, ensure the parts on the strength and stiffness meet basically the requirements.
The machine table parts weighing about 10 tons, about 20 tons of lathe bed base, gross weight around 30 tons. Maximum capacity of 15 tons of stroke, 3500 mm, maximum speed 4000 mm/s, the minimum speed of 40 mm/s.
Key Words Machine tool workbench drive
第 Ⅰ 页 共 Ⅰ 页
本科毕业设计
目 录
1 引言 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 国内外浇水口切割机的研究概况 1
2 本课题要解决的问题及其研究途径 4
2.1 任务分析 3
2.2 机床总体方案拟定 4
2.3 机床工作台整体布局 5
3 水平移动工作台设计 6
3.1 导轨 6
3.2 工作平台设计 10
3.3 传动设计 13
3.4 床身设计 26
4 夹具 33
4.1 夹具设计 33
4.2 确定固定夹具螺栓 34
结束语 36
致谢 37
参考文献 38
全套设计图纸 加 36396305
第 40 页 共 39 页
本科毕业设计
1 引言
1.1 课题背景及意义
熔融的金属液体流入预先做好的信模内，等到金属液凝固后将其取出，并除去浇冒口等，获得所需的铸件就是铸造。远在3500多年前人类就能能运用成熟的治炼技术来铸造出各种精美实用的铜器[1]。铸造是现代机械制造工业的基础,与此同时我国是铸造生产大国，可见铸造业在我国机械制造行业占据重要地位。其中大型铸件制造业是个特殊的行业，它的发展水平是衡量国家综合国力的重要标志，在我国的钢铁冶金、能源交通、石油化工、航空航天等多个领域的发展提供了大量的产品和服务，为我国现代化建设作出了重要贡献[2]。
将铸件从铸型中取出，清除掉本体以外的其他多余部分（主要指清除浇冒口），并将铸件内外表面打磨精整的过程成为铸件清理[3]。本文主要涉及的是大型铝合金铸件浇水口的切割系统，目前至今国内大型铸件浇冒口清除仍然采用手动切割机或半自动式切割机，操作工人穿着防护服、戴面具、隔热手套等装备手持工件进行切割，切割过程没有除尘装置，车间内灰尘杂质相当多，车间工作环境十分恶劣，污染十分严重[4]。国外一些发达国家大型铸件浇冒口清除已开始采用自动式切割机但进口设备价格昂贵，维护成本高。至此研发我国的大型铸件浇水口切割打磨机床已势在必行，对提高劳动生产力降低工人劳动强度意义重大。
1.2 国内外浇水口切割机的研究概况
1.2.1 国内浇水口切割机发展现状
国内已经有一些生产浇口切割机自动化水平较高的设备主要有东莞乔鑫自动化科技有限公司生产的铝合金浇冒口切割设备专用带锯机（如图1.2.1所示），和济南科瑞达铸造机械有限公司生产的浇冒口砂轮切割机床（如图1.2.2所示)。但这些设备只能小型铸件且只能达到半自动化程度，通用性差，在没有封闭切割室的情况下，工作的安全性没有保障，且烟尘污染严重。其它产品包括脚踏式切割机、手摇式切割机均属于纯手动切割机，同样存在以上问题。近期余姚市科创自动化设备有限公司和慈溪市晨升机械有限公司集合2家公司的力量，在成熟的自动钻孔机和自动冒口机技术基础上，于2014年2月正式完成了GZZ的量产标准化（如图1.2.3所示），该专业生产线是无人化作业、同时预留前后道自动物流平台，为以后实现摩托车铝轮粗加工整个过程的全部自动化提供了中间平台。但是这种生产线只适用于比较容易定位加紧且冒口分布规则的小型铸件的切割，通用性较差[4]。
图1.2.1 铝合金浇冒口切割设备专用带锯机
图1.2.2 浇冒口砂轮切割机床
图1.2.3 摩托车铝轮粗加工自动化生产线
1.2.2 国外浇水口切割机发展现状
国外早已有浇水口自动切割机，其中ASANT TM800 切割机（如图1.2.4所示）比较具有代表性的，该切割机是德国 Universal 公司生产的，目前是比较先进的浇口切割机。这种切割机驱动电机高达90KW ，使用切割片直径800mm，切割效率非常高。另外TS800全自动浇水口切割机更加先进，这是德国赖克曼父子公司生产的，这种切割机由110KW的电机驱动，采用直径815mm砂轮切割片，全过程自动夹紧，工件的装卸均由机械手完成。液压驱动工作台运动和砂轮升降，工作台既可以水平 XY 直线移动，又可以绕 Z 轴旋转，还可以绕 A 轴翻转，这种机切割非常灵活，具有5个自由度，可以切割各种复杂的铸件组，适用性较广。整机由 NC 控制器控制，实现了完全自动化，该机安装在独立的小房间里，配备有吸灰除尘装置，保障了安全性，解决了烟尘污染。该机配备砂轮直径达 815mm，厚度达13mm，适合切割大型铸件组。但由于其设备价格高昂维护成本高，没有引进到中国[5]。
图1.2.4 TS800全自动浇口切割机
2 本课题要解决的问题及其研究途径
2.1 任务分析
2.1.1 本课题的主要目的
（1）开发大型铝合金铸件浇冒口切割机工作台，与切割动力头运动定位机构和切割动力头等部件协调运动，完成对大型铝铸件浇冒口的自动切割。
（2）开发大型铝合金铸件浇冒口切割机工件夹具，完成对切割过程工件的定位与夹紧。
2.1.2 本课题的主要内容
针对目前国内对于大型铸件浇冒口的切割主要是人工切割，劳动强度大，工作条件差且效率低这种情况，提出了要设计一台切割大型铸件浇冒口的自动化设备，本课题主要负责设备的机械部分内容，重点是机床水平移动工作台设计。铸件材质铝合金，工件（如图2.1.1所示）外径1800mm内径1400mm长3500mm质量约14吨。本次任务需要解决的问题主要有采用什么样的切割方式进行浇冒口的清除和如何实现切割的动作，工作平台设计、床身底座设计、工作台怎么传动、采用哪种导轨、电机选择及校核等内容。
图2.1.1加工工件
2.1.3 本课题的主要技术要求
实现大型铝铸件浇冒口切割过程中的工件精确定位与行程内运动。
2.2 机床总体方案拟定
2.2.1 清除方法的确定
铸件浇冒口的清除方法分为冷清除法和热清除法两大类。其中锤击敲断法、机械折断法、机械切割法等属于冷清除法, 热清除法包括氧炔焰切割、电弧切割、等离子切割、导电切割及新型的超声波切割和水砂流切割等[6]。其中热清除主要试用于切割比较薄的零件，锤击敲断法生产效率低，劳动强度大，同时不能用于大型铸件浇冒口的清除故只适用于小型铸件[7]。对于大型铸件浇冒口切割可以采用砂轮切割、圆锯片切割、带锯切割。其中砂轮切割法具有效率较高，但同时所需转速较高电机功率较大，带锯切割机结构较复杂，综合考虑初步拟定采用砂轮切割的方法清除铸件浇冒口。
2.2.2 确定切割工艺
考虑加工过程可能出现干涉，初步拟定工件加工工艺：先切铸件两边竖直的浇口再切中间冒口最后切剩余浇口。
2.2.3 机床运动的分配
根据加工工件外形和加工工艺确定切割刀具与工件有5个相对自由度，动作分配如下：圆锯砂轮转动、工作台沿床身导轨移动、切割部件沿立柱导轨移动、切割部件沿横梁导轨移动、切割部件本身转动。
2.2.3 机床结构布局
机床结构布局设计是指确定机床的组成部件，以及各部件及其操纵、控制等辅助机构在整台机床中的配置方式。一般加工工件质量比较大时采用龙门框架式机床，同时由于加工工件长度较大，本次设计机床结构布局形式采用卧式，基础支承件形式采用龙门式，本次设计机床布局主要参考龙门铣床拟定，大致布局如图2.2.1所示。
图2.2.1机床大致布局
2.3 机床工作台整体布局
机床工作台作为机床整体的重要组成部分，机床工作时工件由夹具固定在工作台上，工件随工作台移动。其设计的合理性与否直接影响到整体机床的性能。由上述所述确定本次大小薄壁浇冒口切割机床采用龙门框架式机床。参考目前研究比较成熟的龙门框架式机床-龙门刨床、龙门铣床工作台的布局结构，根据加工工件的大小及其具体要求对本次机床工作台进行设计，本机床工作台主要有底座、工作台、驱动装置、传动装置、导轨防护罩等几部分组成。具体布置如图2.3.1所示。
图2.3.1机床工作台的整体布局形式
3 机床水平移动工作台设计
3.1 导轨
3.1.1 导轨的选择
常用的导轨形式为矩形、三角形、燕尾形、圆形四大类并可相互组合，每一类又分凹凸两种(如表3.1.1所示）。
表3.1.1 常见导轨形式
当导轨水平布置时，凸形导轨的优点是不易积存铁屑及脏物，但于此同时也不易存油，故润滑性比较一般，不是特别好，只宜用于低速移动；凹形导轨的优缺点与之相反，在导轨有较好的防止荡入铁屑及脏物的性能时，它可用于高速移动[8]。为提高导轨防止荡入铁屑及脏物的性能，本切割机床床身导轨选用凹形导轨。
矩形导轨两个方向各有自己的导轨面，优点是这样两个方向上的误差不会相互影响，此外矩形导轨承载能力强、刚度比较高、制造简单成本低。但是矩形导轨磨损后不能自动补偿，间隙调整起来比较麻烦；三角形导轨靠三角形二个侧面导向，导向性好，但三角形导轨水平和垂直两个方向上的误差相互影响，制造相对困难；燕尾形导轨适用于多层运动件的地方或要求速度低的场合，但其刚度较差且制造较复杂[8]。
组合导轨分双三角形导轨、双矩形导轨、三角形矩形导轨、矩形燕尾形导轨等。其中三角形和矩形导轨组合有有导向性好、刚度高和制造方便等诸多优点而应用很广，例如应用于龙门铣床、龙门刨床的导轨副等[8]。
根据滑动导轨的设计特点又分动压导轨、普通滑动导轨、静压导轨、载荷导轨等几类。本机床属于重型导轨，但精度要求一般选用普通滑动导轨。
综合考虑机床工作台导轨初步拟定为三角形矩形组合普通滑动导轨。三角形和矩形组合导轨的缺点是当摩擦系数相同时矩形导轨摩擦力和三角形导轨摩擦力不同，会使工作台产生扭转力矩，为使两边摩擦力相同取矩形导轨摩擦系数u=0.04三角形导轨摩擦系数u=0.03。
3.1.2 导轨材料选择
导轨的材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等，具体不同导轨材料的特点见表3.1.2，导轨材料应具有耐磨性好、工艺性好和成本低等特点。
表3.1.2 不同导轨材料的特点
材料
特点
应用
铸铁
易于铸造切削加工、成本低、有良好的减振性和耐磨性。
一般采用淬火的办法提高导轨表面的硬度。
钢
耐磨性好、有较强的防止撕伤、抗磨料磨损的能力。
一般采用淬火钢和氮化钢的镶钢导轨、铸铁一淬火钢导轨
有色金属
运动的平稳、防止撕伤、移动精度高。
大多采用与铸铁的支承导轨相配偶的形式，用于重型机床的动导轨上
塑料
耐磨性好、抗撕扯能力强、摩擦系数低、化学稳定性好、低速时不易出现爬行、加工性好、工艺简单、成本低。
塑料导轨不仅可与不淬硬的铸铁导轨组合，还可与镊钢导轨组合使用。
在导轨配偶副中，为了提高耐磨性，动导轨和支承导轨应尽量分别采用不同的材料。如果情况特殊必须采用相同的材料，也应采用不同的热处理使双方具有不同的硬度[8]。如果以不淬硬的铸铁一铸铁副的相对寿命为1时，则不淬火铸铁一淬火铸铁副为2—3，不淬火铸铁一淬火钢副大于2。塑料一铸铁副和有色金属板—铸铁副主要用于静压导轨、大型机床导轨和不易润滑的导轨，以保护支承导轨，提高其耐磨性。
导轨材料初步选用进口塑料贴塑导轨和铸铁导轨组合，其中工作台导轨采用贴塑导轨，床身导轨采用铸铁导轨，床身导轨需进行刮研处理。
3.1.3 确定导轨宽度
导轨的压强直接到影响导轨接触变形和耐磨性。设计导轨时，应根据导轨的具体工作情况，选择合适的压强许用值。取得过大，则会加剧导轨磨损；反之，又会增大导轨的尺寸[8]。重型机床和精密机床压强可按（表3.1.3）选取。专用机床许用压强比表中数值减少25%~30%。
表3.1.3 导轨压强
导轨种类
平均压强（MP）
最大压强(MP)
直线运动导轨
主运动导轨和滑动较大的进给运动导轨
中型机床
0.4~0.5
0.8~1.0
重型机床
0.2~0.3
0.4~0.6
滑动速度低的进给运动导轨
中型机床
1.2~1.5
2.5~3.0
重型机床
0.5
1.0~1.5
磨床
0.025~0.04
0.05~0.08
主运动和滑动速度较大的进给运动的圆导轨（D为导轨直径）
D<300
0.4
D>300
0.2~0.3
环状
0.15
依据设计的龙门式机床纵向导轨许用压强选择为。
图3.1.1 工作台导轨
根据图导轨工作示意图（如图3.1.1），加工过程中由于工作台与工件总质量很大，在此可视作导轨均匀受力，工作台与工件近似对称分布，则不考虑。力学模型如图3.1.2所示：
图3.1.2 受力简图
（1）确定矩形导轨宽度
P=F/A<[p]；
P-矩形导轨所受压强，Mpa；
F-矩形导轨所受压力，N；
A-矩形导轨面积，A=L×S，L-导轨接触长度，L=4000mm,S-导轨宽度；
[p]-矩形导轨需要压强，Mpa。
F=F1=F2=G/2=250000/2=125000N；
S>F/[p]L=150000/0.5X4000=62.5mm；
确定矩形导轨最小宽度为62.5mm。
（2）确定V型导轨宽度
对于V型导轨副，建立如（图3.1.3）所示模型
图3.1.3 受力简图
确定S1大小:
确定S:
矩形导轨与V型导轨宽度相同，同时参考载重量在15-20吨左右的龙门铣工作台导轨宽度（见表3.1.4），选定本次机床导轨为180mm。
表3.14 重型龙门铣导轨宽度
型号
最大加工重量/T
导轨宽度/mm
X2020D
15
150
X2020E
15
150
X2025A
20
180
X2025B
20
180
3.2 工作平台设计
3.2.1 工作平台介绍
工作平台是用来安装工件的，对于龙门刨铣床工作台的工作面一般为矩形，材料通常为HT200-300，工作面上根据要求一般开设T形槽。铸铁平台的整体规格不能太大，太大时为保证工作台的性能要求采用多块拼接的方法。对平台使用性能产生较大的影响的是材料的质量及热处理的水平，因此平台铸铁牌号的选择特别重要，此外为消除铸铁平台内的残余应力需经时效处理[9]。
3.2.2 工作平台详细设计
由工件大小及参考其他类型龙门铣床技术参数（如表3.2.1）确定工作台材料为HT250，尺寸初步拟定长为4000m宽为2000m厚220mm，有17排T型槽，T型槽宽18mm。根据前面导轨选择普通滑动导轨传动，同时参考一般龙门铣床工作台结构，本机床工作台平台和导轨铸成一体。
表3.2.1重型龙门铣工作台相关参数
型号
承载量/T
工作平台台大小/mm
导轨中心距/mm
X2020D
15
10000X1600X200
1100
X2020E
15
12000X1600X200
1100
X2025A
20
6000X2250X240
1200
X2025B
20
8000X2250X240
1200
X2025C
25
10000X2250X240
1200
X2025D
25
12000X2250X240
1200
根据《金属切削机床设计》龙门式机床床身导轨的跨距和工作平台宽度之比一般龙门刨床为0.49-0.7，龙门铣床为0.57-0.7，同时参考上表数据。初步确定导轨中心距为1200mm。
设计工作平台时，如果把工作平台设计成实心的则质量较大，同时又过于笨重，参考XMC2031C型号大型龙门刨床工作平台样式在工作台两侧和底部开洞，减轻了工作台质量，提高了其灵活性。另外工作台导轨选用的贴塑导轨，矩形导轨选用10块400180的夹布塑料导轨板，三角形导轨选用20块400120的夹布塑料导轨板（需加工成与三角形导轨正好贴合的导轨板），粘接好后用螺钉和销子固定。为使三角形和矩形导轨与工作台导轨接触均匀，首先应加工工作台平面确保其平面度，然后导轨贴塑后需在固定的模具上测量保证工作台面的平面度，达不到要求则修磨工作台导轨面直到满足要求。
3.2.3 工作平台校核
因为本机床工作平台基本是参考目前已经正在使用的龙门刨、铣床的工作平台设计的，不出意外强度、刚度等应该满足要求。但为确保工作平台设计的合理性，现在用UG有限元分析对其做个简单的校核。
首先创建工作台三维模型，指派材料HT250，划分单元格-对这种大型铸件一般选用3D四面体网格，添加载荷和约束见图3.2.1，由工件和夹具总质量15吨得载荷F=150000N，由四个V形块别作用在机床床身上。
图3.2.1 工作台载荷分布
经计算的得工作台变形量分布云图，如图3.2.2所示，最大变形量发生在工作台中心V形块作用位置，Lmax=0.00736mm。工作平台在竖直方向的最大变形量为-0.00728mm,一般平台在竖直方向的变形量占本身厚度的万分之一。经验证，该工作台基本满足要求。
图3.2.2 工作台变形量
如图3.2.3所示，最大应力为2.588Mpa,远小于与铸铁许用应力，证明工作台满足强度要求。
图3.2.3 工作台受载后应力分布
3.3 传动设计
3.3.1 传动方式确定
龙门框架类机床进给系统常用的机械传动方式有3种：滚珠丝杠副传动、静压蜗杆一蜗母条传动和双齿轮一齿条传动。各种传动形式特点见（表3.3.1）[10]。
表3.3.1一般机械传动方式的特点
类型
优点
缺点
滚珠丝杠副传动
制造工艺成熟、传递扭矩大、导程精度高、摩擦阻力小、传动效率高、响应灵敏度高、传动快捷等。
当丝杠较长且水平安装时，丝杠因自重会产生弯曲。
静压蜗杆一蜗母条传动
传动为液体摩擦，传动精度比较高。
需要另外再加一套注入压力油的液压系统。
双齿轮一齿条传动
有结构简单、效率高、移动速度高、行程长。
由于制造和装配精度的限制，位移精度和运动平稳性比较差。
综上所述结合目前重型龙门铣床刨床实际传动系统，一般铣床采用滚珠丝杠方式传动，刨床采用齿轮齿条方式传动，本次课题需要设计的机床工作台运动速度较慢，类似于龙门铣床工作台，初步拟定为滚珠丝杠方式传动（如图3.3.1所示）。
图3.3.1滚珠丝杠传动
3.3.2 滚珠丝杠选型
工作台质量10t,工件及夹具质量15t。工作台最大行程Lk=3500mm,工作台导轨摩擦系数u=0.04，快速进给速度为4m/min,全行程定位精度50um，电机转速最大2000r/min,传动比i=8。要求寿命15000h。重力加速度9.8m/s2，工件快进时要求0.25s达到最大速度。
（1）确定导程Ph
；
V-工作台移动速度，mm/min；
n-电机转速，r/min；
i-传动比。
(2) 滚珠丝杠的精度确定
滚珠丝杠副依据国标GB／T17587．3—1998，分为定位滚珠丝杠副(P)和传动滚珠丝杠副(T)两大类，精度等级共分七个等级，即l、2、3、4、5、7、10级，最高等级为1级精度，最低等级为10级精度[11]。
表3.3.2典型机床进给滚珠丝杠的精度等级选择
参考(表3.3.2)和机床设计要求，选用5级精度滚珠丝杠。
（3）确定当量载荷
工作台由静止经过0.25S加速到4m/min,工作台夹具和工件总质量25吨。导轨摩擦系数u=0.04[12]。
工作台去路加速过程中丝杠轴向载荷：
F1=umg+ma=0.04250009.8+250004/（600.25）=16467N；
去路匀速移动时丝杠轴向载荷：
F2=umg=0.04250009.8=9800N；
去路切割浇口时丝杠轴向载荷：
F3=umg+Fa=0.04250009.8+3000=12800N；
去路减速过程中丝杠的轴向载荷：
F4=umg-ma=0.04250009.8-250004/(600.25)=3133N；
回路加速过程中的丝杠轴向载荷：
F5=-（umg+ma）=-[0.04250009.8+250004/（600.25）]=-16467N；
回路匀速移动时丝杠轴向载荷：
F6=-umg=-（0.04250009.8）=-9800N；
回路减速过程中丝杠的轴向载荷：
F7=-umg+ma=-（0.04250009.8）+250004/(600.25)=-3133N；
工作台加速时丝杠轴向载荷最大Fmax=16467N，工作台减速时丝杠轴向载荷最小Fmin=3133N。
当量载荷：Fm==12022N。
（4) 确定当量转速
工作台快速移动时，速度最快Vmax=4m/min,则Nmax== 250r/min ；切割冒口时，工作台移动速度几乎为0，Nmin=0r/min。
当量转速：Nm==125r/min
(5）确定预期额定动载荷Cam
当滚珠丝杠副在较高转速下工作时，应按其使用寿命选择基本尺寸，如果丝杠的额定动负荷小于最大动负荷，则丝杠会产生疲劳损坏，达不到预期的工作寿命．按滚珠丝杠副的预期工作时间L(小时)[13]。
计算额定动载荷：Cam=；
查《机械设计手册》表12-1-43，在轻微冲击时载荷性质系数在1.2-1.5间，取fw=1.3；Lh-机床寿命，Lh=15000；表12-1-42，可靠性系数fe=1；表12-1-41,精度系数fH=0.8。
Cam==94308N；
若按滚珠丝杠副的预期运行距离Ls计算：
Cam1=；
Ls为预期运行距离，Ls=3500mm；
Cam1==117710N；
比较两值取较大值得Cam=117710N。
（6）滚珠丝杠选型
按照导程、最大动载荷Cam,参考滚珠丝杠样本，选定山东济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的滚珠丝杠，型号为：CDM10016-5，即外循环双螺母垫片预紧式滚珠丝杠，具体参数如表3.3.3所示。
表3.3.3 滚珠丝杠副详细参数
丝杠代号
公称直径
基本
导程
外径
底径
额定动载荷/N
额定静载荷/N
安装尺寸
d0/mm
Ph/mm
d1/mm
d3/mm
L/mm
B/mm
D/mm
CDM10016-5
100
16
98
88
121021
505169
302
28
234
（7）确定丝杠长度
确定丝杠螺纹长度，按下式计算：
＝lk＋l1＋2le+(2-4)la=3500+302+250+(2-4)16=3952mm；
式中：—螺母长度，mm；
lk—机床工作台有效行程，mm；
L1-滚珠螺母长度，mm；
le—余程[11]（见表3.3.4），mm；
La-安全行程，2-4倍的导程，mm；
表3.3.4 不同导程对于的余程
导程/mm
4
5
6
8
10
12
16
20
余程/mm
16
20
24
32
40
45
50
60
确定丝杠总长：
L=+两端支承长；
L=3952+174+314=4440,取L=4440mm。
（8）确定滚珠丝杠安装方式
滚珠丝杠安装方式及其特点见（表3.3.5）[14]。
表3.3.5 滚珠丝杠安装方式及其特点
安装方式
特点
一端固定一端自由
静态稳定性和动态稳定性低、结构简单、轴向刚度较小、适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装。
两端绞支
结构简单、轴向刚度小、对丝杠的热伸长较敏感、适用于中等回转速度。
一端固定一端绞支
静态稳定性和动态稳定性较高、适用于中等回转速度、轴向刚度大、结构稍复杂、适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装。
两端固定
静态稳定性和动态稳定性最高、结构复杂、轴向刚度最大、适用于较长丝杠且对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装。
本次设计的机床工作台传动所需丝杠较长且对刚度位移精度要求较高，综合考虑选用两端固定安装方式。支承单元轴承选用60度角接触推力球轴承，轴承组合选用两套串联和一套面对面三套配置，滚珠丝杠副具体安装形式见图3.3.1。
图3.3.1 滚珠丝杠副安装形式
（9）确定滚珠丝杠副预紧力Fp
为了消除轴向间隙，增加滚珠丝杠副的刚性和定位精度，应该在丝杠螺母间加以预加负荷Fp。过大将会引起滚珠丝杠副寿命下降、摩擦力矩增大；而Fp过小，会出现轴向间隙，影响定位精度[15]。一般情况下，Fp=Fmax/3=16467/3=5489N。
(10) 计算行程补偿值C
为了补偿因工作温度升高而引起的丝杠伸长，保证滚珠丝杠的定位精度和系统刚度，对精度要求较高滚珠丝杠副，其丝杠轴需进行预加负荷拉伸[13]。
滚珠丝杠轴在制造时，可提出目标行程的行程补偿值C，按《机械设计手册》中表12-1-14中公式：
C=a×△t×Lu =11.82.538500.001=112um；
△t-温度变化值．一般取2～3℃，本式取2.5；
Lu-丝杠的有效行程，取3850mm；
a丝杠的线膨胀系数11．810-3／度。
(11) 滚珠丝杠副安装时丝杠的拉伸力Ft
按《机械设计手册》中表12-1-40中公式：
Ft=1.95△t=1.95X2.5X882=37752N；
d2为丝杠螺纹底径(mm),查丝杠参数得d2=88mm。
（12）滚珠丝杠副临界转速ne的计算
f-支承系数，f=21.9
d2-丝杠内径，d2=88mm；
Le2-临界转速计算长度，Le2=3756mm。
（13）压杆稳定性校核
因丝杠最大轴向载荷Fmax=16467N小于丝杠的预拉伸力Ft=37752N，丝杠不会受压失稳，不用验算。
按《机械设计手册》表12-1-40中式（19）验算抗拉强度
远低于钢材的许用拉应力。
（14）丝杠的刚度校核
滚珠丝杠在轴向力的作用下，将产生伸长或压缩；在扭矩的作用下将产生扭转从而影响丝杠导程的变化，从而影响传动精度和定位精度，所以应验算满载时的变形量[14]。
滚珠丝杠在工作载荷F和扭矩T共同影响下，引起的每一导程变形量L为：
=0.17um；
E-钢的弹性模量，2.1XMPa
A-丝杠的最小横截面面积，；
T-扭矩,；
I-丝杠底径d2的抗弯截面惯性矩,I=；
总行程内变形量：
；
37um<50um，可用。
3.3.3 滚珠丝杠副的安全使用
1) 滚珠丝杠工作时需要润滑，一般润滑方式有两种：润滑脂润滑或润滑油润滑，丝杠工作时加润滑油不是很方便，选用润滑脂润滑。
2) 滚珠丝杠工作时需注意防尘，本丝杠采用唇形密封圈防尘，保证无污物进入。
3) 滚珠丝杠应在有效行程范围内运动，需在两端配置限位，本丝杠留有余程和安全行程，满足要求。
4) 丝杠在使用过程中必须保证两端轴承座和螺母座三点一线。
3.3.4 进给电机选型
工作台进给电机在工作过程中需要调速，一般选用异步变频电机、步进电机、伺服电机等几种电机。其中异步变频电机价格最低同时精度也最低。如对精度要求一般从降低成本角度考虑时可以选用；步进电机价格适中，精度较高，对精度要求较高的机器中比较常见。伺服电机价格最高同时精度也最高，同时我参考目前目前国内的龙门刨、铣床为增加机床精度大多采用伺服电机，综合考虑虽然伺服电机价格较高但就整台机床总成本而言所占比例不算太高，为增强机床总体性能选用伺服电机。
（1）电机最高转速
电机最高转速2000r/min。
（2）负载惯量计算
负载惯量指驱动系统的所有作旋转运动和直线运动的部件的惯量折算到电机轴上的惯量总和，通过计算各部件的惯量，并叠加起来即是负载惯量[15]。
1）驱动系统的滚珠丝杠在绕其中心旋转时惯量，计算公式：
Jn=；
Jn-滚珠丝杠转动惯量，kg·m2；
d-丝杠公称直径，m；
L-丝杠有效长度，m；
e-材料密度，7850kg/m3.
2）工作台及工件运动惯量，计算公式：
Jg=；
M-工作台及工件总质量；
Ph-丝杠导程。
3）减速器转动惯量：2.259kg·m2；
电机轴上的负载惯量：JL=k=12.1kg·m2
K-考虑低速级联轴器和轴承等的影响系数，k=1.2。
（3）负载转矩的计算
摩擦力矩：
M1=；
M1-加在电机轴上的负载转矩，N·m；
Fs-切割工件所需进给力，N；
-驱动系统的效率；Ph-丝杠螺距，m；
I-传动比，i=8；
快速空载启动时折算到马达主轴的加速力矩：
M2=N·m。
马达额定转矩：
；
K-影响系数，k=1.5。
（4）电机功率计算
1）运转功率计算：
Po=.
2）加速功率计算：
Pa==2.12kw.
3）电机功率：
Pn=k(Pa+po)=1.5（1.21+2.12）=5kw；
K-影响系数，k=1.5。
（5）电机选择
根据以上计算数据初步选择BONMET 2000r/min系列SM 150-230-20LFB电机。具体参数见下表3.3.6。
表3.3.6 伺服电机具体参数
电机型号
SM 150-230-20LFB
功率（kw)
5.5
额定转速（r/min)
2000
额定转矩（Nm)
27
额定电流（A）
20.5
转动惯量()
0.0094
机械时间常数（Ms）
1.95
质量（kg)
23.7
（6） 电机参数确认
1）验证转矩：
<。
2）验证功率[14]：
。
3）验证转速：20002000；
4）匹配惯量
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