小型数控立式铣床工作台 升降和制动装置设计
第一章、设计目的与意义
《专业综合设计2》课程设计是机械设计制造及其自动化专业实践性非常强的教学环节之一，是机械类高年级学生综合应用基础课、技术基础课、专业课等知识体系，将机械、驱动、传感及计算机控制有机地集成融合在一起，独立设计一种具有特定功能的机电装备。
通过本次课程设计，培养学生运用所学《机电装备设计》课程的知识，对典型机电装备的工作原理、组成要素及核心技术问题的分析能力；
培养学生用《机电装备设计》的知识及相关知识体系，掌握如何将机械和电气驱动、检测技术和计算机控制融合在一起，如何构成一种性能优良、工作可靠及结构简单的机电装备的一般设计方法和规律，提高设计能力；
通过设计实践，熟悉设计过程，学会正确使用资料、正确使用图书特别是电子图书资源、网络资源，查阅技术文献、设计计算、分析设计结果及绘制机械、电气图样，在机电一体化技术的运用上得到训练；
通过课程设计的全过程，为学生提供一个较为充分的设计空间，使其在巩固所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领悟机电装备设计的内涵。
第二章、设计要求
2.1 技术参数
（1） （2） （3） （4）
工作台升降行程：320mm；
工作台尺寸：长?宽=600mm?320mm； 工作台总重：1000N； 最高运行速度：
步进电动机运行方式：空载：0.5 m/min ；切削：0.1 m/min ； 交流伺服电机运行方式：空载：8 m/min ；切削：2 m/min ；
（5） 系统分辨率：开环模式0.01 mm/step ；半闭环模式0.005 mm/step ； （6） 系统定位精度：开环模式?0.10 mm ；半闭环模式?0.01mm ； （7） 切削负载：X向800N； Y向1000N； Z向1500N；
2.2 设计要求
（1） 实现垂直平稳升降，具有快速升降功能； （2） 用步进电机或交流伺服电机作驱动元件；
（3） 工作时离合器脱开，主轴不工作时，离合器锁死，主轴箱停在任意位
置；
（4） 具有行程越位报警功能； （5） 采用滚动导轨块作支承；
（6） 具有断电锁紧功能。
第三章、设计内容
3.1机械传动部件的计算与选型
3.1.1 导轨上移动部件的重量估算 工作台总重: G=1000N 3.1.2 铣削力
N Fz?150N0 Fx?800N Fy?1000 3.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (1) 最大工作载荷Fm的计算
作用在滚珠丝杠上的力包括滚珠丝杠螺母副的进给力、移动部件的重力，以
及作用在导轨上的切削分力所产生的摩擦力。根据设计中所选用的导轨为加有导轨块的滚动导轨采用综合导轨的计算公式。查[1]中表3-29得到计算公式：
Fm??Fy?K(Fz?G)
51式中： Fz——Z向切削分力（N），FZ?0N；
Fy——Y向切削力（N），Fy?1000N；
G——移动工作台总重（N）G?1000N；
?——导轨的摩擦系数，查[1]中表3-29，取??0.005；
K——颠覆力矩影响系数，查[1]中表3-29，取K?1.15；
?0.005?1000?1.15?(1500?1000)
代入公式计算得：Fm = 2755N （2）最大动载荷FQ的计算
选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转后，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FQ，计算公式如下：
FQ?3L0fWfHFm
式中 L0——滚珠丝杠螺母副的寿命，单位为106r。 L0?60nT/106
其中：T——使用寿命，普通机床取T?5000~10000h，数控
机床及一般机电装备取T?15000h，则T=15000h
n——丝杠每分钟转数，n?v；初选丝杠导程PhPh?5mm；由设计要求可知工作台在承受
最大铣削力的最高运行速度v?0.1m/min（采用
0.1步进电动机运行方式；则n==20 r/min
0.00560?20?150006L??18?10r 06则10 fW——载荷系数，查表3-30，运转状态为中等冲击时，取fW?1.2； fH——硬度系数，?58HRC时，取fH?1.11；
Fm——滚珠丝杠螺母副的最大工作载荷，Fm?2755N。 代入公式计算得：FQ?318?1.2?1.11?2303.2
?8664.17N
（3）滚珠丝杠螺母副的选型
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查[1]中表3-31，应使滚珠丝杠副的额定动载荷：Ca?FQ?8664.17N
额定静载荷：Coa?(2~3)Fm?5510N~8265N
则选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2505-3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25mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈?1列，精度等级按[1]中表3-25取5级，额定动载荷为9309N＞FQ，满足要求。
（4）传动效率?的计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率?：
??tan?
tan?(??)式中 ?——丝杠螺旋升角，??arctan[Ph/(?d0)]?arctan[5/(??25)]?3.64o； ?——摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数f?0.003~0.005，其摩擦角约
等于10'。
代入公式计算得：??tan3.64?95.6%
tan(3.64?10/60)（5）轴承的选择
根据所选滚珠丝杠螺母副的直径及设计要求选择能够承受轴向载荷，丝杠支承的轴承型号选为7303AC的角接触球轴承，其外形图如下：
其技术参数如下表： 轴承型号 7303AC d 17 基本尺寸 D 47 B 14 极限转数 脂 26000 油 35000 额定负荷 动 13.80 静 7.30 参考重量 0.21 (6) 刚度的验算
滚珠丝杠在工作时会发热，为了补偿热膨胀，须将丝杠预拉伸。则上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推—单推”的方式，丝杠两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配。
工作台升降行程为lv?320mm，根据所选滚珠丝杠螺母副导程查[2]中表3-21查的导程余量为le?20mm，所选轴承的宽度B?14mm。支撑跨度
a?lv?2le?2B?320?40?28mm?388mm，可取a?500mm，丝杠的全长
L?550mm。
① 丝杠的拉伸或压缩变形?1
?1在总变形量中占的比重较大，可按下式计算：
FmaMa2?1???
ES2?IE由于转矩M一般较小，式中第二项可忽略。
Fa?1??m
ES式中 Fm——丝杠的最大工作载荷，Fm?2755N； a——丝杠两端支撑间的距离，a?500mm；
E——丝杠材料的弹性模量，钢的弹性模量E?2.1?105MPa； S——丝杠按底径d2确定的截面积，d2?21.2mm，
2S??d2/4?352.99mm2
其中，“+”号用于拉伸，“—”号用于压缩。由于转矩一般较小，式中第2
项可以忽略。
2755?500 代入公式计算得 ?1??0.0186mm
2.1?105?352.99 ② 滚珠与螺纹滚道之间的接触变形量?2 因进行了预紧，故由下式计算;
?2?0.0013?10?3FmDwFYJZ?2
10式中：Fm——工作负荷，即进给牵引力(N)
FYJ——预紧力(N)；取FYJ?Fm3?918.3N
Dw——滚珠直径?mm?；取Dw?3.175mm
Z?——滚珠数量，Z?Z×圈数×列数；Z?22?3?1?66
?Z——圈的滚珠数，Z?内循环得Z??d0Dw（外循环），Z??d0Dw?3（内循环）；选
3.14?25?3?21.72，取整为22
3.175d0——滚珠丝杠公称直径?mm?；d0?25mm
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