1、 1 数控机床课程设计说明书 设计题目： X-Y 数控机床工作台设计 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械自动化 班 级： 机自 Y126 学 号： 201200608003 姓 名： 王舒恒 指导老师： 李冰 课程设计 2 摘 要 当今世界电子技术迅速发展，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
2、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： 机电一体化 组成要素 滚珠丝杠 滚动导轨 步进电机 Abstract Now the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormo
3、us 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 is the system technol
4、ogy, 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-intensive systems eng
5、ineering. 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: Integration of machinery foundation basic component el
6、ements characteristic trend of development. 目 录 第一章 前言 1 第二章 设计主要步骤 2 第一节 确定设计总体方案 2 一、 机械传动部件的选择 2 二、 方案的比较及确定 2 第二节 机械传动部件的计算与选型 3 一、 导轨上移动部件的重量估算 3 二、 计算切削力 4 三、 滚珠丝杆传动的设计计算及效验 5 四、 步进电动机的传动计算及电机选用 10 五、 滚动导轨的设计计算 17 六、 其余附件的选择 18 第三章 致谢 21 参考文献 21 第一章 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
7、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
8、知识，独立进行的设计训练，主要目的： 一、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。 二、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。 三、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式。 四、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。 五、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。 第二章 设计主要步骤 第一节 确定设计总方案 一、机械传动部件的选择 方案一 ： （一）、丝杠螺母 副的选择，选用滚珠丝杠内循
9、环方式。 （二）、导轨副的选用，选用直线滚动运动导轨。 （三）、伺服电动机的选用，选用步进电动机。 方案二： （一）、丝杠螺母副的选择，选用滚珠丝杠外循环方式。 （二）、导轨副的选用，选用直线滚动运动导轨。 （三）、伺服电动机的选用，选用交流伺服电动机。 方案三 ： （一）、丝杠螺母副的选择，滑动丝杠副。 （二）、导轨副的选用，选用圆周运动导轨。 （三）、伺服电动机的选用，选用直流伺服电动机。 二、方案的比较及确定 （一）、螺母副的选择 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成 直线运动，要满足 0.005mm 的脉冲当量和 0.02mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副
10、才能达到。这样能达到较高的精度要求，而且其摩擦力小，传动效率高，传动平稳，灵敏度高，低俗无爬行，轴向刚度高，反向定位精度高，磨损小，寿命长，维护简单，传动具有可逆性，不能自锁，同步性能好，有专业厂生产，选用配套方便。 同时选用内循环的形式，这样滚珠的回路短，滚珠的数目少，流畅性好，摩擦力小，传动效率高，且径向尺寸紧凑，轴向精度高，但此种循环不能用于多头螺纹传动，回珠器槽复杂。 由于定位精度不高，故选用 垫片调隙式调隙方式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。 由于工作台最快移动速度 m in/3000m a xm a x mmvv yx ，所以转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定
11、，一端游动的轴承配置方式。 （二）、导轨副的选用 要设计的 X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 （三） 、伺服电动机的选用 定位精度未达到微米级，空载最快移动速度也只 有 3000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性 /价比。 根据以上比较，方案一比较合适，所以选择方案一。 第二节 机动传动部件的计算与选型 一、导轨上
12、移动部件的重量估计 根据给定的有效行程 ,估算 X向和 Y向工作台承载重量 WX和 WY。 XY工作台如图所示 : X-Y 数控工作台外形 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、滚珠丝杆副、直线滚动 导轨副、导轨座等，估计重量约为 800N。 二、计算切削力 根据设计任务，加工材料为碳素钢或有色金属及如下参数： 立铣刀 最大直径 d=15mm 立铣刀齿数 z=3 最大切削宽度 Ca =15mm 最大背吃刀量 ca =8mm 设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢，由查是简明切削手册表 3-1 式选用硬质合 金铣刀 由表 3
13、-17 表 3-27 查的最大切削参数如下： 每齿进给量 mm23.0f Z 铣刀转速 n=1875r/ min 查表 3-28 的立铣刀的切削时的切削力计算公式为： cFFFFFFwaueyzxpFc knd zafaCF 0代如上式得： 1166cF 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由查得，各铣削力之间的比值范围如下： fF/cF =(1.01.2) 取 1.1 fnF / cF =(0.20.3) 取 0.25 eF / cF =（ 0.350.4） 取 0.38 考虑逆铣时的情况，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
14、为： NFF cf 6.12821.1 （与丝杠轴线平行） NFF ce 8.44338.0 （与工作台面垂直） NFF cfn 5.2 9 125.0 （与丝杠轴线垂直） 考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力 zF ，受到水平方向的铣削力分别为 fF 和 fnF ，今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力 xF ，径向铣削力为 yF 。 6.1282 fx FF NFF ez 08.443 三、滚珠丝杠传动的设计计算及效验 （一）、 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数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版
15、社， 2005.）中 P170 可知u=0.0025 0.005,现取 u=0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： )( GFFuFF zyxeq =1282.6+0.005 (291.5+443.08+800) =1291N （二） 、最大计算动载荷的确定 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v=400mm/min，初选丝杠导程 P=6mm,则此时丝杠转速 eqn =v/P=100/3 r/min。 预计滚珠丝杠的工作 5 年 ,每年算 300 天，每天工作 8小时，由此得使用寿命为： 5 3 0 0 8 1 2 0 0 0 hT 根据 数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化
16、工出版社， 2005.） 中 P100，公式 5 4得： 66010eqnTT 其中 T 使用寿 命 12000 h N 循环次数 eqn 滚珠丝杠的当量转速 80r/min 求得： 2410 1 2 0 0 031 0 0606 T（ 610r ） 查数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社， 2005.）中 P99，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 ，由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 北京：北京化工出版社， 2005.）中 P99，式 5-3 3 c d h eqC T
17、 f f F 代入数据得： 4 8 4 11 2 9 113.1243 cC (三 )、规格型号的初选 根据计算出的 最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料，选择佛山市南海区中森精密机械有限公司 DFU02506-4 型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为 25mm，导程为 6mm，循环滚珠为3 圈 2 系列，精度等级取 5 级，螺母安装尺寸 L=105mm，额定动载荷为 11921N，大于最大计算动载荷 cC =4841N，满足要求。 滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位 mm） 名 称 符 号 计算公式和 结果 丝杠滚道 公称直径 0d 2
18、5 螺距 P 6 钢球直径 wd 3.969 偏心距 e 0.0449e 丝杆 丝杠外径 1d 24.6 丝杠底径 2d 22.7 螺杆接触直径 zdc o s 1 7 .7 5z w bd d d 丝杠螺母 螺母螺纹外径 D 0 2 2 2 3 .2 1 2D d e R 螺母内径（内循环） 1D 20.14 表一 （四）、传动效率的计算 将公称直径 d0=25mm,导程 P=6mm,代入 =arctanP/( d0)，得丝杠螺旋升角 =10 62 。将摩 擦角 =10，代入 =tan /tan( + ),得传动效率 =98.4%。 （五）、 刚度的验算 X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“ 一端固定 -一端游动 ”的轴承配置形式。 可知这种安装适用于较高精度、轻等载荷的丝杠，一端采用深沟球轴承，一端
