数控机床课程设计-xy数控工作台设计-毕业论文.doc

《数控机床》课程设计说明书

课题名称 X-Y数控工作台设计

学 院 机械工程学院
专 业 机械工程及自动化
班 级
学 号
姓 名
指导教师
2015年 6 月 25 日

摘要
数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。X-Y数控工作台是数控机床的重要组成部分，其制造精度对数控机床的精度有着重要的影响。
X-Y数控工作台通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副以及伺服电动机等部件构成。本次课程设计内容主要是对数控铣床的X-Y数控工作台的滚珠丝杠螺母副、步进电机、导轨副的计算和选用。
关键词： 数控机床 开环控制 滚珠丝杠 步进电动机 滚动导轨

I

目录
一、设计的目的 1
二、设计任务 1
三、设计主要步骤 1
（一） 确定设计总体方案 1
1. 机械传动部件的选择。 1
2. 控制系统的设计，完成进给控制系统原理框图及步进电机的控制驱动。 2
（二）机械传动部件的计算与选型 2
1.导轨上移动部件的重量估算。 2
2. 计算切削力。 3
（三） 滚珠丝杠传动的设计计算及效验。 4
1. 最大工作载荷的计算。 4
2. 最大计算动载荷的确定。 4
3. 规格型号的初选。 5
4. 传动效率的计算。 6
5. 刚度的验算。 7
6. 稳定性的验算。 8
7. 临界转速的验算。 8
8. 滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定。 9
（四）步进电动机的传动计算及电动机选用。 12
1.传动计算 12
2.步进电动机的计算及选型。 12
3. 步进电动机转轴上的等效负载转矩M的计算。 15
（五）滚动导轨的设计计算 18
1.工作载荷的计算。 18
2. 小时额定工作寿命的计算。 19
3. 距离额定寿命的计算。 19
4. 额定动载荷计算。 19
5. 导轨副选型 20
6.安装连接尺寸。 21
四、控制系统的设计 22
五、机械部分装配图的绘制 22
结束语 23
致谢 23
参考文献 24

II

一、 设计的目的
《数控机床》课程设计是一个重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学理论知识，独立进行的设计训练，主要目的是：
1）通过本设计，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相关基本知识，学习总体方案拟定、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、设计计算方法及选用原则。
3）通过伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。
4）培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思想。
5）锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以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使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：
1） 立铣刀最大直径；立铣刀齿数；最大铣削宽度；最大背吃刀量；加工材料为碳素钢或有色金属。
2） X、Y方向的定位精度均为。
3） 工作台尺寸为，加工范围为；
4） 工作台空载最快移动速度，工作台进给最快移动速度，加减速0.4s。
三、设计主要步骤
（一） 确定设计总体方案
1. 机械传动部件的选择。
（1）丝杠螺母副的选用。
由于该立式铣床为经济型机床，由于精度要求不高，因此采用开环控制，在工作中需把电动机的旋转运动转换成直线运动，而且对定位精度有要求，因此选择定位丝杠。由于需要达到的定位精度，初选的脉冲当量。而滑动丝杠副的定位精度普遍为，达不到所要求的定位精度，因此选择滚珠丝杠螺母副，根据《数控机床系统设计》P95-P97可知滚珠丝杠螺母副具有摩擦损耗低、传动效率高、动/静摩擦变化小、低速时无爬行及使用寿命长等优点，并可通过丝杠螺母的预紧消除间隙，提高传动刚度。
1）精度等级的确定
由《现代数控机床设计典例》P229选取滚珠丝杠的精度等级为P4。
2）滚珠循环方式的确定
由《数控机床系统设计》P96-P97可知外循环回路转折平缓，便于滚珠循环，同时结构简单，加工方便。因此滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式选择外循环。
3）预紧方式的选择
由《数控机床设计实践指南》P105可知垫片预紧具有结构简单、装卸方便、刚度高等优点，考虑到本机床为经济型机床，定位精度要求不高，因此选择垫片预紧。
4）支承形式的选择
已知工作台最快移动速度，定位精度为，加工范围为，转速不高，有位置精度要求，由《现代数控机床设计典例》P57选择一端固定，一端游动的支承形式。这种支承形式的特点是压杆稳定性更高和临界转速更高。
（2） 导轨副的选用。
由于本机床为经济型数控机床，工作台直线运动，载荷不大，运动速度低，定位精度要求为，由《数控机床系统设计》P180-P181可知滚动导轨运动灵敏度高，摩擦系数小，定位精度高等优点，因此选择双导轨循环式滚珠导轨。由《现代数控机床设计典例》表2.4-1，选择滚动导轨精度等级为P3，预载荷等级为P2，预载荷值为0.025C。
（3） 伺服电动机的选用。
由于本机床为经济型立式数控铣床，伺服进给系统采用开环系统，定位精度要求较低，脉冲当量为，定位精度为，最快移动速度为。由《数控机床系统设计》P107，从经济实用角度出发，选用步进电机。
（4） 减速装置的选用。
由于本机床为经济型立式数控铣床，伺服进给系统采用开环系统，从而为了简化机械结构，保证较高的传动精度和传动刚度，首先初定电动机通过联轴器直接与丝杠联接。
2. 控制系统的设计，完成进给控制系统原理框图及步进电机的控制驱动。
根据机床设计要求，绘制进给控制系统原理框图如图

伺服机构
数控装置
控制
介质
工作台

（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、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。
2. 计算切削力。
根据题目所给要求，确定加工材料主要是碳素钢或有色金属，由《切削用量简明手册》表3.28可得切削力计算公式

式中 ——铣刀直径，由任务书中可知 ；
——最大背吃刀量，；
——每齿进给量，由目前刀具应用范围，选择机床所用刀具主要是硬质合金立铣刀，查《数控加工工艺与编程》表1-9选择；
——最大铣削宽度，由任务书中可知；
——齿数，由任务书中可知；
——转速，由于切削力随着主轴转速的增大而减小，而数控铣床的主轴转速普遍在以上，因此在此确定为切削力最大时的主轴转速；
—— 查《切削用量简明手册》表3.28可知；
—— 查《切削用量简明手册》表3.28可知；
—— 查《切削用量简明手册》表3.28可知；
——查《切削用量简明手册》表3.28可知；
——查《切削用量简明手册》表3.28可知；
——查《切削用量简明手册》表3.28可知；
——查《切削用量简明手册》表3.28可知；
代入数据计算可得

由于铣削对象主要是碳素钢和有色金属，选择铣削方式为不对称逆铣，查《金属切削原理和刀具》表15.4选择各铣削分力的经验比值如下
水平进给力：
垂直进给力：
轴向进给力：
代入数据计算可得
水平进给力：
垂直进给力：
横向进给力：
（三） 滚珠丝杠传动的设计计算及效验。
1. 最大工作载荷的计算。
由经验公式

式中 ——水平进给力，由上可知；
——垂直进给力，由上可知；
——横向进给力，由上可知；
——工作台重量，由上可知；
——摩擦系数，查《数控机床系统设计》P180可得
代入数据计算可得

2. 最大计算动载荷的确定。
（1） 初定丝杠导程
查《机械设计手册》第5卷 P34-19，根据公称导程的优先系列，初定滚珠丝杠的导程。
（2） 动载强度计算
已知工作台在进给时，最高速度为，根据转速计算公式计算可得

由《数控机床系统设计》P89可知当转速时，滚珠丝杠螺母副的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此需要进行动载强度的计算。
查《数控机床设计实践指南》P114可得动载强度计算公式

式中 ——动载荷系数，查《数控机床设计实践指南》表4-14，由于机床承受的一般为中等冲击，选择；
——硬度系数，查《数控机床设计实践指南》表4-15，由硬度，选择；
——当量动载荷，查《数控机床设计实践指南》P114得

式中 ——最大工作载荷，由上可得；
——最小工作载荷，由上可得；
代入数据计算可得

——寿命，以转为1单位，查《数控机床设计实践指南》P114得

式中 ——使用寿命，一般数控机床工作年限为10年，每天工作8小时，因此；
——当量转速，由上可知；
代入数据计算可得

最终代入数据计算可得

3. 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，上网查询有关厂家产品资料，从经济实用角度出发，选择BSS2505的外循环插管式滚珠丝杠副，由厂家提供产品规格，我们可以得知：其公称直径为25mm，导程为5mm，循环滚珠为2.5圈×1列，由厂家提供的资料查得额定动载荷，满足的要求。其详细参数如表3-1。
表3-1 滚珠丝杠主要尺寸
丝杠滚道
参数名称
符合
计算公式
公称直径

导程

接触角

钢球直径

螺纹滚道法面半径

偏心距

螺纹升角

丝杠
丝杠外径

丝杠内径

螺杆接触点直径

丝杠螺母
螺母螺纹大径

螺母内径

4. 传动效率的计算。
查《机电一体化技术基础及应用》P33可得传动效率计算公式

式中 ——螺纹升角，由表2.1可知
——摩擦角，一般取；
代入数据计算可得

5. 刚度的验算。
按最不利的情况考虑，螺纹螺距因受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起的弹性变形方向是一致的。查《机电一体化技术基础及应用》P32可得弹性变形的计算公式

式中 ，其中由上可知，，，，代入计算；
——摩擦系数，取；
——丝杠内径，由表2.1可知；
——螺距，由上可知；
——剪切模量，查《实用机床设计手册》表1.1-4选择；
——弹性模量，查《实用机床设计手册》表1.1-4选择；
代入数据计算可得

每米螺纹上长度上的螺纹距离的弹性变形为

查《机械设计手册》第5卷得有效行程内的平均偏差，行程变动量，平均行程变动量，已知定位精度为，即。因为
，
所以刚度验算通过，丝杠螺母副刚度符合要求。
6. 稳定性的验算。
细长丝杠在受压缩载荷时，应验算压杆稳定性，不会发生失稳的最大压缩载荷为临界载荷。查《数控机床系统设计》P100临界载荷计算公式

式中 ——丝杠公称直径，由上部分可知；
——滚珠丝杠直径，由上部分可知；
——丝杠最大受压长度，由于工作台范围最大为260mm，因此取丝杠有效行程为280mm，因此丝杠最大受压长度为280mm，即0.28m。
——丝杠支承方式系数，当一端固定，一端游动时，；
代入数据计算可得

因此经过稳定性检验，所选丝杠符合要求。
7. 临界转速的验算。
对于高速长丝杠有可能发生共振，需要验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速。查《数控机床系统设计》P100可得计算公式

式中 ——临界转速计算长度，经查资料确定为支承间长度，由上部分可知螺母长度为67mm，由上可知丝杠有效行程为280mm，可知
；
——丝杠支承方式系数，当一端固定，一端游动时，；
代入数据计算可得

经验算，转速符合要求。
8. 滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定。
（1） 支承部件——轴承座的选择
由于丝杠受用一端固定一端游动的支承方式，经查《机械设计手册》第3卷P20-96确定在固定端选用成对角接触球轴承（背对背），在游动端选择深沟球轴承，这样的轴承组合具有可承受较大的径向和轴向载荷，结构简单和调整方便等特点。经上网查询，从经济实用和结构紧凑的角度考虑，厂家比对，固定端选用上海锐湛轴承有限公司生产的BK20轴承座，此类轴承座内含一对角接触球轴承，背对背配置；游动端选用上海锐湛轴承有限公司生产的BF20轴承座，此类轴承座内含一个深沟球轴承，具体参数如图3-1和3-2所示。
图3-1 BK系列轴承参数

图3-2 BF系列轴承参数

（2） 联轴器的选择
由于丝杠与电动机主轴相连，需考虑振动等情况，因此选用弹性膜片联轴器，经上网查询，选择天津腾骥科技发展有限公司生产的TJ-A-050SA型的联轴器。具体规格尺寸如图3-1所示
图3-1 联轴器规格和尺寸

（3） 丝杠长度的计算
查得丝杠长度计算经验公式

式中 ——有效行程长度，由上可知；
——螺母长度，由上可知；
——联轴器伸入长度，由上可知；
——轴承座长度总和，由所选轴承座几何参数可知；

——余程，取；
代入数据可得

具体安装尺寸如图3-2和图3-3所示
图3-2 滚珠丝杠尺寸示意图

图3-3 滚珠丝杠技术数据图

（四）步进电动机的传动计算及电动机选用。
1.传动计算
由于本机床要求的位置精度为，选用的脉冲当量为，由于总体方案中选择电动机主轴通过联轴器与丝杠相连，因此可知传动比。查《数控机床系统设计》P110中可得计算公式

式中 ——脉冲当量，由上可知；
——传动比，由上可知；
——滚珠丝杠的导程，由上可知；
代入数据计算可得

因此需选择步距角的步进电机。
2.步进电动机的计算及选型。
（1）步进电动机转轴上的总转动惯量J的计算。
总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与滚珠丝杆一级移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量等。
1）旋转运动部件惯量的计算
① 联轴器的惯量
由所选的联轴器的生产厂家提供的参数可知；
② 丝杠转动惯量的计算

式中 ——圆柱体直径，本式中按丝杠外径计算，因此；
——圆柱体长度，由上可知；
代入数据计算可得

2） 直线运动部件转动惯量的计算
查《数控机床系统设计》P123可得沿直线轴移动物体的惯量的计算公式

式中 ——工作台（含工件）质量，由任务书可知；
——丝杠螺距，选择得到丝杠为单头螺纹，因此；
代入数据计算可得

3） 负载惯量的计算

式中 ——丝杠惯量，；
——联轴器惯量，；
——工作台惯量，；
代入数据计算可得

查《机械设计手册》第5卷35-85选用BYG系列混合式步进电机，经过上网查询厂家产品信息，根据步距角等要求，经过分析比对，初选北京和利时电机技术有限公司的90BYG550B-SAKRML-0307的步进电机。
具体技术参数如图3-4、图3-5和图3-6所示
图3-4 电动机技术数据

图3-5 电动机矩频图

图3-6 电动机外形尺寸

4） 总转动惯量
查《数控机床系统设计》P124可知

式中 ——负载惯量，由上可知；
——电动机转动惯量，由厂家提供的技术资料可知；
代入数据计算可得

查《数控机床系统设计》P126可得小惯量直流伺服电动机的匹配关系为，而因为，所以所选的步进电机满足要求。
3. 步进电动机转轴上的等效负载转矩M的计算。
由于负载转矩在不同工况下是有区别的，而最大切削负载时所需力矩和快速空载启动时所需力矩是最大的，因此考虑最大切削负载时电动机所需力矩。
由《数控机床系统设计》P122可得最大切削负载时电动机所需力矩计算公式和快速空载
启动时所需力矩计算公式

式中 ——切削时折算到电动机轴上的加速力矩，查《数控机床系统设计》表5-5可得计算公式

（式中 ——折算到电动机轴上的总惯量，由上可知；
——系统时间常数，由任务书中可知；
——电机转速，由上可知，；
代入数据计算可得
）
——折算摩擦力矩，查《数控机床系统设计》得计算公式

（式中 ——导轨摩擦力，由上可知
——丝杠螺距，即；
——齿轮降速比，由于本进给传动系统没有采用减速装置，因此；
——传动链总效率，由《数控机床系统设计》P122取；
代入数据计算可得
）

——由于丝杠预紧引起的折算到电动机轴上的附加摩擦力矩，查《数控机床系统设计》表5-5可得计算公式

（式中 ——最大轴向载荷，由上可知；
——丝杠螺距，即；
——齿轮降噪比，由上可知；
——传动链总效率，由上可知；
——滚珠丝杠未预紧时的效率，取；
代入数据计算可得
）
——折算到电动机轴上的切削负载力矩，查《数控机床系统设计》表5-5得计算公式

（式中 ——进给方向的最大切削力，由上可得；
——丝杠螺距，即；
——齿轮降噪比，由上可知；
——传动链总效率，由上一个参数计算过程可知；
代入数据计算可得
）
代入各部分数据计算可得

从所选电机的生产参加提供的产品资料可查得电机的额定转矩为，由于，因此所选的电机符合要求。
（3） 步进电动机的初选。
由第（四）部分中的第2点可知初选北京和利时电机技术有限公司的90BYG550B-SAKRML-0307的步进电机。
（4）步进电动机的性能校核。
1）最快工作进给速度时电动机输出转矩校核。
由（2）可知，因为，所以所选电动机最快工作进给速度时电动机输出转矩符合要求。
2）最快空载移动时电动机输出转矩校核。
由（2）可知，因为，所以所选电动机最快空载移动时电动机输出转矩符合要求。
3）最快空载移动时电动机运行频率校核。
由《机电一体化技术基础及应用》P137可得步进电机工作时最高运行频率计算公式

式中 ——机床运行最高速度，由任务书中可知；
——脉冲当量，由上可知；
代入数据计算可得

由《机械设计手册》第5卷P35-85可查得90BYG5502型的电动机的空载运行频率为以上，由可知所选电动机符合要求。
4）启动频率的校核。
查《机电一体化技术基础及应用》P139可得启动频率计算公式

式中 、——步进电机负载及空载时的起动频率，由厂家提供的技术资料图可得；
、——步进电机转子和负载的转动惯量，由上可知，；
——负载摩擦转矩，由上可知；
——电动机输出转矩，由厂家提供的矩频特性图可查得；
代入数据计算可得

因此要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有。
综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用的北京和利时电机技术有限公司的90BYG550B-SAKRML-0307的步进电机完全满足设计要求。
（五）滚动导轨的设计计算
1.工作载荷的计算。
因为工作载荷是影响导轨副适用寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台，多采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑到有可能在实际加工时发生的最不利的情况，即垂直于台面的铣削力分力全部作用在其中一个滑块上，则单个滑块座上所承受的工作载荷为

式中 ——移动部件重量，已知；
——轴线进给力，由上可知；
代入数据计算可得

2. 小时额定工作寿命的计算。
由上可知，。
3. 距离额定寿命的计算。
由额定工作寿命计算公式 可以反推出距离额定寿命计算公式

式中 ——距离额定寿命，单位为km；
——移动件每分钟往复次数(可取4-6次/分钟) 取5次每分钟；
——移动件行程长度，一般与有效行程一致，因此；
代入数据计算可得

4. 额定动载荷计算。
根据《数控机床系统设计》P185中的预期寿命计算公式

反推出额定动载荷的计算公式

式中 ——滚动导轨的预期寿命，由上可知；
——导轨块的工作载荷，由上可知；
——硬度系数，由导轨面硬度系数普遍在58HRC以上可查《数控机床系统设计》P185得；
——温度系数，由于本机床工作环境低于，查《数控机床系统设计》P185得；
——接触系数，由于本导轨副具有四个导轨块，查《数控机床系统设计》P185得；
——载荷系数，由于本机床工作时，无明显冲击振动，而速度，查《数控机床系统设计》P185得；
代入数据计算可得

5. 导轨副选型
根据额定动载荷计算公式

可知若需满足距离额定寿命，所选导轨副的额定动载荷需满足。根据《机械设计手册》第2卷，上网查询产品资料，选用南京工艺装备制造厂生产的GGB20BA型导轨，由厂家提供的产品资料显示，该型号额定动载荷为，满足额定动载荷要求，具体结构几何尺寸如图3-7所示
图3-7 导轨结构尺寸

6.安装连接尺寸。
由所选导轨副的产品资料可知安装连接尺寸详细如图，其中导轨长度与丝杠长度相等，为。其他安装连接尺寸如图3-8所示。
图3-8 导轨安装尺寸

四、控制系统的设计
根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能：
1. 接受操作面板的开关与按钮信息；
2. 接受限位开关信号；
3. 控制X，Y向步进电动机的驱动器；
4. 与PC机的串行通信。
（1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。
（2）对于步进电动机的开环控制，选用MCS-51系列的8位单片机作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书的相关指标。
（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示器、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。
（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
（5）绘制总体方案图，如图4.1所示。

图 4.1 总体方案图

五、机械部分装配图的绘制
装配图见附件A1图纸。

结束语
在为期两周的数控机床课程设计中我进行了数控机床工作台进给系统机械部分的设计，其中主要包括滚珠丝杠、电机、导轨的设计与选型，对过去所学的专业知识进行了综合的运用。在设计的过程中我不断地温习所学过的知识，锻炼了自己的分析和解决实际问题的能力，巩固、加深了专业知识；而在另一方面，由于在设计过程中需要自己不断思考、创新，又需要查阅现有的资料，借鉴他人的设计经验，锻炼了查阅和使用标准、规范、手册、专业书籍以及借鉴同类设计并加以创新的能力。而本次课程设计需要手工作图，因此锻炼自己手工绘图的能力。并在做设计的过程中树立正确的工程设计思想，培养独立、全面、科学的机械设计能力。
致谢
课程设计是对我们所学的专业知识运用能力的一次全面的考核，也是对我