小型数控立式铣床工作台升降和制动装置设计说明

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）工作台升降行程：320mm；（2）工作台尺寸：长⨯宽=600mm⨯320mm；（3）工作台总重：1000N；（4）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=1000N3.1.2 铣削力N F x 800= N F y 1000= N F z 1500=3.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型(1) 最大工作载荷m F 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：)(G F K F F z y m ++=μ式中： z F ——Z 向切削分力（N ），N F Z 1500=；y F ——Y 向切削力（N ），N F y 1000=；G ——移动工作台总重（N ）N G 1000=；μ——导轨的摩擦系数，查[1]中表3-29，取005.0=μ；K ——颠覆力矩影响系数，查[1]中表3-29，取15.1=K ；代入公式计算得：)10001500(15.11000005.0+⨯+⨯=m F = 2755N（2）最大动载荷Q F 的计算选用滚珠丝杠副的直径0d 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Q F ，计算公式如下： m H W Q F f f L F 30=式中 0L ——滚珠丝杠螺母副的寿命，单位为r 610。

6010/60nT L =其中：T ——使用寿命，普通机床取h T 10000~5000=，数控机床及一般机电装备取h T 15000=，则T=15000hn ——丝杠每分钟转数，hP v n =；初选丝杠导程mm P h 5=；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min /1.0m v =（采用步进电动机运行方式；则n=005.01.0=20 r/min 则r L 660101810150002060⨯=⨯⨯= W f ——载荷系数，查表3-30，运转状态为中等冲击时，取2.1=W f ； H f ——硬度系数，HRC 58≥时，取11.1=H f ；m F ——滚珠丝杠螺母副的最大工作载荷，N F m 2755=。

代入公式计算得：2.230311.12.1183⨯⨯⨯=Q FN 17.8664≈（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：N F C Q a 17.8664=≥额定静载荷：N N F C m oa 8265~5510)3~2(=≥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 ＞Q F ，满足要求。

（4）传动效率η的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率η：)tan(tan ϕλλη+= 式中 λ——丝杠螺旋升角，o h d P 64.3)]25/(5arctan[)]/(arctan[0=⨯==ππλ； ϕ——摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数005.0~003.0=f ，其摩擦角约等于'10。

代入公式计算得：%6.95)60/1064.3tan(64.3tan =+=η （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： 轴承型号基本尺寸 极限转数 额定负荷 参考重量d D B 脂 油 动 静 7303AC 17 47 14 26000 35000 13.80 7.30 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mm l v 320=，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mm l e 20=，所选轴承的宽度mm B 14=。

支撑跨度mm mm B l l a e v 388284032022=++=++=，可取mm a 500=，丝杠的全长mm L 550=。

① 丝杠的拉伸或压缩变形1δ1δ在总变形量中占的比重较大，可按下式计算：IEMa ES a F m πδ221±±= 由于转矩M 一般较小，式中第二项可忽略。

ESa F m ±=1δ 式中 m F ——丝杠的最大工作载荷，N F m 2755=；a ——丝杠两端支撑间的距离，mm a 500=；E ——丝杠材料的弹性模量，钢的弹性模量MPa E 5101.2⨯=； S ——丝杠按底径2d 确定的截面积，mm d 2.212=，22299.3524/mm d S ==π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。

代入公式计算得 mm 0186.099.352101.2500275551=⨯⨯⨯=δ ② 滚珠与螺纹滚道之间的接触变形量2δ因进行了预紧，故由下式计算; 32210100013.0εδZ F D F YJ w m ⨯⨯= 式中：m F ——工作负荷，即进给牵引力)(NYJ F ——预紧力)(N ；取N F F m YJ 3.9183==w D ——滚珠直径()mm ；取mm D w 175.3=εZ ——滚珠数量，Z Z =ε×圈数×列数；661322=⨯⨯=Z Z ——圈的滚珠数，w D d Z 0π=（外循环），30-=w D d Z π（内循环）；选内循环得72.213175.32514.3≈-⨯=Z ，取整为22 0d ——滚珠丝杠公称直径()mm ；mm d 250=代入公式计算得 32210663.918175.31027550013.0⨯⨯⨯⨯=δ= 0.0033mm由于预紧力为达轴向工作载荷的1/3，2δ减小一半，即2δ=0.00165mm③ 刚度校验丝杠的总变形量m mm μδδδ2002.021==+=，查[1]中表3-27可估计丝杠的有效行程>315mm~400mm ，则在标准公差等级为5级时，滚珠丝杠副允许的偏差为25m μ。

由于m m μμδ2520<=，则丝杠刚度足够。

(7) 压杆稳定性校核滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。

失稳时的临界载荷k F 满足：m k k F Ka f F ≥EI ∏=22 式中： k F ——临界载荷（N ）k f ——丝杠支承系数，由[1]中表3-34取k f =1K ——压杆稳定安全系数，一般取为2.5~4，垂直安装时取K=2.5 a ——滚珠丝杠两端支承间距离，a =500 mmI ——截面惯性矩，444247.9915642.2114.364mm d I =⨯=∏= E ——丝杠材料的弹性模量，钢的弹性模量MPa E 5101.2⨯=；代入公式计算得 N F k 6.328795005.247.9915101.214.31252=⨯⨯⨯⨯⨯= 由于N F F m k 2755=≥，则满足校核。

3.1.4 直线滚动导轨副的计算与选型(1) 滑块承受工作载荷m ax F 的计算和导轨型号的选取采用双导轨、四滑块的支承形式，滑块受力图如下：则滑块受力为： 02412~L L W P P ⨯= 0312L L W P t ⨯= 式中： W ——外加载荷（N ），W=N G F z 250010001500=+=+0L ——如图距离，约为100mm2L ——如图距离，约为200mm3L ——如图距离，约为300mm41~P P ——垂直于运动平面的支反力t t P P 21~——平行于运动平面且垂直于导轨的支反力代入公式计算得： N P P 250010020022500~41=⨯= N P P T T 375010030022500~41=⨯= 则=max F N P P T T 3750~41==3.75KN ，查[1]中表3-41，根据滑块承受工作载荷m ax F ，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JSA —LG15型，其额定动载荷KN C a 94.7=，额定静载荷KN C oa 5.9=。

由工作台尺寸600mm ⨯320mm ，工作台升降行程为320mm ，考虑工作台升降应留有余量，查[1]中表3-35，按标准系列JSA —LG15型导轨，选取导轨长度为460mm 。