1、 数控机床课程设计说明书 设计课题 ： X-Y数控工作台 设计 院 别 ： 专业班级 ： 学 号 ： 姓 名 ： 指导老师 ： i 目录 摘要 . II 一 前言 . 1 二 设计任务 . 1 三 设计主要步骤 . 2 （一） 确定设计总体方案 . 2 1、初拟机械传动部件方案： . 2 2、方案对比分析： . 2 3、最终方案： . 3 （二） 机械传动部件的计算与选型 . 3 1 导轨上移动部件的重量估算。 . 3 2 计算切削力 . 3 3 滚珠丝杠传动设计计算及校验 . 5 4 步进电机的传动计算及电动机的选用 . 10 5 滑动导 轨的设计计算 . 16 6 其余部件的选取 . 17
2、 结论 . 20 致谢 . 21 参考文献 . 21 ii 摘要 21 世纪以来，人类经济高速发展，人们生活发生了日新月异的变化， 微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动 技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的 CNC 系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 关键字：十字 工
3、作台； 滚 珠丝杠；滚动导轨；步进电机 iii Abstract Since the 21st century, the human economy has developed high speed, the people live have had the change which changes with each new day, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technolo
4、gy development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery
5、is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-
6、intensive systems engineering. New generations CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops. key words: Cross table Ball screw Rolling gu
7、ide Stepper motor1 一 前言 当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状 在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的
8、渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 数控机床课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的： 1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。 2、通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工 作原理、设计计算及选用的方式 3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理 4、培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想 5、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力 二 设计任务 设计一套供立式数控铣床
9、使用的 X-Y 数控工作台，主要参数如下： 1、 立铣刀最大直径的 d=15mm； 立铣刀齿数 Z=3； 最大铣削宽度 ca =15mm； 最大背吃刀量 pa =8mm；加工材料为碳素 钢或有色金属。 2、 X、 Z方向的定位精度均为 0.02mm。 3、 工作台面尺寸为 230mm 230mm，加工范围为 250mm 250mm 4、工作台空载进给最快移动速度： m a x y m a x 3 0 0 0 m m / m i nxVV ，工作台进给最快移动速度 : m a x y m a x 4 0 0 m m / m inxVV ，加减速 0.4s。 2 三 设计主要步骤 （一） 确定设计
10、总体方案 1、 初拟机械传动部件方案 ： 方案一： 、丝杠螺母副的选择： 滚珠丝杠（内循环） 、导轨副的选择： 滑动 导轨 、伺服电动机的选择： 步进电机 、减速装置的选择： 消隙式齿轮减速箱 方案二： 、丝杠螺母副的选择 ： 滚珠丝杠（外循环） 、导轨副的选择 ： 滚动导轨（滚珠 ） 、伺服电动机的选择 ： 步进电机 、减速装置的选择 ： 无（直接用联轴器将电动机与丝杠连接，变速直接由脉冲频率来控制） 2、 方案对比分析： （ 1）丝杠螺母副的选择： 对于设计条件 X、 Y方向定位精度均为 0.02mm，丝杠的精度要比定位精度要高，可见只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、
11、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 经对比，最终选择内循环滚珠丝杠，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。 由于安装定位精度不是很高，故选用垫片消隙式进行调隙，这种方法结构简单、刚性好、装卸方便，适用于一般精度的机构。 、导轨副的选择： 要设计 的 数控铣床工作台，需要承受的载荷不大， 对于设计任务精度要求为 0.02mm， 要求精度较高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。 、伺服电动机的选择： 为保证定位精度， 选用步进电机作为伺服电机，步进电机精度很高，开环接入也满3 足本设计精度
12、要求，根据任务要求，空载最快移动速度为 3000mm/min， 故本设计不必采用高档次的伺服电机， 综合考虑之后选用的电机为混合式步进电机，提高产品经济性。 、减速装置的选择： 选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电 动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。 但步进电机本身就有调速功能，此处设计工作台很小，输出扭矩与惯量负载都很小， 步进电机可以承受，所以此处不需要额外减速装置。 3、 最终方案： 、丝杠螺母副的选择： 滚珠丝杠（内循环） 、导轨副的选择： 滚珠 导轨 、
13、伺服电动机的选择： 步进电机 （混合式） 、减速装置的选择： 无 （二） 机械传动部件的计算与选型 1 导轨上移动部件的重量估算。 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为 800N。 2 计算切削力 根据任务条件 1、立铣刀最大直径的 d=15mm；立铣刀齿数 Z=3；最大铣削宽度ca =15mm；最大背吃刀量 pa =8mm；加工材料为碳素钢或有色金属。 设铣刀为硬质合金铣刀，工件材料 为碳素钢 ，由【 2】 P170 表 10-1 4 可知 d=15mm 的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：
14、每齿进给量 fz=0.15mm 粗 取 铣刀转速 n=300r/min 查得立铣时切削力计算公式为： 0 .8 5 0 .7 5 0 .7 3 1 .0 0 .1 0c e z p1 1 8 a f d a n ZF 将以上各值代入得： 0 . 8 5 0 . 7 5 0 . 7 3 1 . 0 0 . 1 0c 1 1 8 1 5 0 . 1 5 1 5 8 3 0 0 3 NF 1671N 采用立铣刀进行圆柱铣削时， 由上表可得各切削了之间的关系为： fF/cF =(1.01.2) 取 1.1 fnF / cF =(0.20.3) 取 0.25 eF / cF =（ 0.350.4） 取
15、0.38 5 因为逆铣的情况的受力最大的情况，为了安全考虑这种最危险的工况。由此可估算三个方向的铣削力分别为： 1.1 1838fcF F N（与丝杠轴线平行） 0 .2 5 4 1 8fn cF F N（与丝杠轴线垂直） 0 .3 8 6 3 5ecF F N（与工作台面垂直） 相对于工作台，以上各分力方向分别对应： 纵向 铣削力 xfF =F =1838N 径向铣削力 y fnF =F =418N 垂直工作台切削力 zeF =F =635N 3 滚珠丝杠传动设计计算及校验 、最大工作载荷的计算 已知移动部件总重量 G=800N，按滚动导轨计算，滚动导轨上的摩擦系数查【 3】中 P194 可
16、知 =0.0025 0.005,为安全考虑现取 =0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： 6 xF F ( F F )eq y ZuG =1838+0.005（ 418+635+800） =1847N 、最大计算动载荷的确定 任务条件提出 工作台进给最快移动速度为 V=400mm/min， 初选丝杠导程 P=5mm,则此时丝杠转速 eqn =v/P=80r/min。 有网上收集资料得知，每天工作 8小时，每年工作 360 天，一 般滚珠丝杠的精度在3到 5年后严重下降，所以预计滚珠丝杠工作寿命为 4年， 所以 使用寿命为： T=4 360 8=11520h 根据【 3】 p110 中公式
17、5-4得： 66010eqnTT = 610N 其中 T 使用寿命 11520 h N 循环次数 eqn 滚珠丝杠的当量转速 80r/min 求得： 66 0 8 0 1 1 5 2 010T 55（ 610r ） 查【 3】中 P110，表 5-1、 5-2 得，受中等冲击载荷取值范围 1.21.5df ，现取 1.3df ，滚道硬度为 60HRC时，硬度影响系数取值 1.0hf ，由【 3】中 P109，式 5-3 3 c d h eqC T f f F 将以上数据代入得 ： 3 55 1. 3 1. 0 18 47cC 9131N 、型号规格的初选 表（ 1） 山东博 特精工股份有限公司 G、 GD系列滚珠丝杠
