數控機床課程設計說明書

1、廣西科技大學數控機床課程設計說明書課題名稱 X-Y數控工作臺設計 學 院 機械工程學院 專 業(yè) 機械工程及自動化 班 級 學 號 姓 名 指導教師 2015年 6 月 25 日摘要數控技術及數控機床在當今機械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國家基礎工業(yè)現(xiàn)代化中的戰(zhàn)略性作用，并已成為傳統(tǒng)機械制造工業(yè)提升改造和實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產的重要手段和標志。數控技術及數控機床的廣泛應用，給機械制造業(yè)的產業(yè)結構、產品種類和檔次以及生產方式帶來了革命性的變化。X-Y數控工作臺是數控機床的重要組成部分，其制造精度對數控機床的精度有著重要的影響。X-Y數控工作臺通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲

2、杠螺母副以及伺服電動機等部件構成。本次課程設計內容主要是對數控銑床的X-Y數控工作臺的滾珠絲杠螺母副、步進電機、導軌副的計算和選用。 關鍵詞： 數控機床 開環(huán)控制 滾珠絲杠 步進電動機 滾動導軌 目錄一、設計的目的1二、設計任務1三、設計主要步驟1（一） 確定設計總體方案11. 機械傳動部件的選擇。12. 控制系統(tǒng)的設計，完成進給控制系統(tǒng)原理框圖及步進電機的控制驅動。2（二）機械傳動部件的計算與選型21.導軌上移動部件的重量估算。22. 計算切削力。3（三） 滾珠絲杠傳動的設計計算及效驗。41. 最大工作載荷的計算。42. 最大計算動載荷的確定。43. 規(guī)格型號的初選。54. 傳動效率的計算。

3、65. 剛度的驗算。76. 穩(wěn)定性的驗算。87. 臨界轉速的驗算。88. 滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定。9（四）步進電動機的傳動計算及電動機選用。121.傳動計算122.步進電動機的計算及選型。123. 步進電動機轉軸上的等效負載轉矩M的計算。15（五）滾動導軌的設計計算181.工作載荷的計算。182. 小時額定工作壽命的計算。193. 距離額定壽命的計算。194. 額定動載荷計算。195. 導軌副選型206.安裝連接尺寸。21四、控制系統(tǒng)的設計22五、機械部分裝配圖的繪制22結束語23致謝23參考文獻24一、 設計的目的數控機床課程設計是一個重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，要求學生綜合運用所學理

4、論知識，獨立進行的設計訓練，主要目的是：1）通過本設計，使學生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數控機床的基本組成及其相關基本知識，學習總體方案擬定、分析與比較的方法。2）通過對機械系統(tǒng)的設計，掌握幾種典型傳動元件與導向元件的工作原理、設計計算方法及選用原則。3）通過伺服系統(tǒng)的設計，掌握常用伺服電動機的工作原理、計算選擇方法與控制驅動方式。4）培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題的能力，學習并初步樹立“系統(tǒng)設計”的思想。5）鍛煉提高學生應用手冊和標準、查閱文獻資料以及撰寫科技論文的能力。二、設計任務設計一套供立式數控銑床使用的X-Y數控工作臺，主要參數如下：1） 立銑刀最大直徑；立銑刀齒數；最大銑削寬度；最大

5、背吃刀量；加工材料為碳素鋼或有色金屬。2） X、Y方向的定位精度均為。3） 工作臺尺寸為，加工范圍為；4） 工作臺空載最快移動速度，工作臺進給最快移動速度，加減速0.4s。三、設計主要步驟（一） 確定設計總體方案1. 機械傳動部件的選擇。（1）絲杠螺母副的選用。由于該立式銑床為經濟型機床，由于精度要求不高，因此采用開環(huán)控制，在工作中需把電動機的旋轉運動轉換成直線運動，而且對定位精度有要求，因此選擇定位絲杠。由于需要達到的定位精度，初選的脈沖當量。而滑動絲杠副的定位精度普遍為，達不到所要求的定位精度，因此選擇滾珠絲杠螺母副，根據數控機床系統(tǒng)設計P95-P97可知滾珠絲杠螺母副具有摩擦損耗低、傳動

6、效率高、動/靜摩擦變化小、低速時無爬行及使用壽命長等優(yōu)點，并可通過絲杠螺母的預緊消除間隙，提高傳動剛度。1）精度等級的確定由現(xiàn)代數控機床設計典例P229選取滾珠絲杠的精度等級為P4。2）滾珠循環(huán)方式的確定由數控機床系統(tǒng)設計P96-P97可知外循環(huán)回路轉折平緩，便于滾珠循環(huán)，同時結構簡單，加工方便。因此滾珠絲杠螺母副的滾珠循環(huán)方式選擇外循環(huán)。3）預緊方式的選擇由數控機床設計實踐指南P105可知墊片預緊具有結構簡單、裝卸方便、剛度高等優(yōu)點，考慮到本機床為經濟型機床，定位精度要求不高，因此選擇墊片預緊。4）支承形式的選擇已知工作臺最快移動速度，定位精度為，加工范圍為，轉速不高，有位置精度要求，由現(xiàn)代

7、數控機床設計典例P57選擇一端固定，一端游動的支承形式。這種支承形式的特點是壓桿穩(wěn)定性更高和臨界轉速更高。（2） 導軌副的選用。由于本機床為經濟型數控機床，工作臺直線運動，載荷不大，運動速度低，定位精度要求為，由數控機床系統(tǒng)設計P180-P181可知滾動導軌運動靈敏度高，摩擦系數小，定位精度高等優(yōu)點，因此選擇雙導軌循環(huán)式滾珠導軌。由現(xiàn)代數控機床設計典例表2.4-1，選擇滾動導軌精度等級為P3，預載荷等級為P2，預載荷值為0.025C。（3） 伺服電動機的選用。由于本機床為經濟型立式數控銑床，伺服進給系統(tǒng)采用開環(huán)系統(tǒng)，定位精度要求較低，脈沖當量為，定位精度為，最快移動速度為。由數控機床系統(tǒng)設計P

8、107，從經濟實用角度出發(fā)，選用步進電機。（4） 減速裝置的選用。由于本機床為經濟型立式數控銑床，伺服進給系統(tǒng)采用開環(huán)系統(tǒng)，從而為了簡化機械結構，保證較高的傳動精度和傳動剛度，首先初定電動機通過聯(lián)軸器直接與絲杠聯(lián)接。2. 控制系統(tǒng)的設計，完成進給控制系統(tǒng)原理框圖及步進電機的控制驅動。根據機床設計要求，繪制進給控制系統(tǒng)原理框圖如圖伺服機構數控裝置控制介質工作臺（二）機械傳動部件的計算與選型 1.導軌上移動部件的重量估算。按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲桿副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為800N。2. 計算切削力。根據題目所給要

9、求，確定加工材料主要是碳素鋼或有色金屬，由切削用量簡明手冊表3.28可得切削力計算公式式中 銑刀直徑，由任務書中可知 ； 最大背吃刀量，； 每齒進給量，由目前刀具應用范圍，選擇機床所用刀具主要是硬質合金立銑刀，查數控加工工藝與編程表1-9選擇； 最大銑削寬度，由任務書中可知； 齒數，由任務書中可知； 轉速，由于切削力隨著主軸轉速的增大而減小，而數控銑床的主軸轉速普遍在以上，因此在此確定為切削力最大時的主軸轉速； 查切削用量簡明手冊表3.28可知； 查切削用量簡明手冊表3.28可知； 查切削用量簡明手冊表3.28可知； 查切削用量簡明手冊表3.28可知； 查切削用量簡明手冊表3.28可知； 查切

10、削用量簡明手冊表3.28可知； 查切削用量簡明手冊表3.28可知；代入數據計算可得由于銑削對象主要是碳素鋼和有色金屬，選擇銑削方式為不對稱逆銑，查金屬切削原理和刀具表15.4選擇各銑削分力的經驗比值如下水平進給力：垂直進給力：軸向進給力：代入數據計算可得水平進給力：垂直進給力：橫向進給力：（3） 滾珠絲杠傳動的設計計算及效驗。1. 最大工作載荷的計算。由經驗公式式中 水平進給力，由上可知； 垂直進給力，由上可知； 橫向進給力，由上可知； 工作臺重量，由上可知； 摩擦系數，查數控機床系統(tǒng)設計P180可得代入數據計算可得2. 最大計算動載荷的確定。（1） 初定絲杠導程查機械設計手冊第5卷 P34-

11、19，根據公稱導程的優(yōu)先系列，初定滾珠絲杠的導程。（2） 動載強度計算已知工作臺在進給時，最高速度為，根據轉速計算公式計算可得由數控機床系統(tǒng)設計P89可知當轉速時，滾珠絲杠螺母副的主要破壞形式是工作表面的疲勞點蝕，因此需要進行動載強度的計算。查數控機床設計實踐指南P114可得動載強度計算公式式中 動載荷系數，查數控機床設計實踐指南表4-14，由于機床承受的一般為中等沖擊，選擇； 硬度系數，查數控機床設計實踐指南表4-15，由硬度，選擇； 當量動載荷，查數控機床設計實踐指南P114得 式中 最大工作載荷，由上可得； 最小工作載荷，由上可得； 代入數據計算可得 壽命，以轉為1單位，查數控機床設計實

12、踐指南P114得 式中 使用壽命，一般數控機床工作年限為10年，每天工作8小時，因此； 當量轉速，由上可知； 代入數據計算可得最終代入數據計算可得3. 規(guī)格型號的初選。根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，上網查詢有關廠家產品資料，從經濟實用角度出發(fā)，選擇BSS2505的外循環(huán)插管式滾珠絲杠副，由廠家提供產品規(guī)格，我們可以得知：其公稱直徑為25mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為2.5圈×1列，由廠家提供的資料查得額定動載荷，滿足的要求。其詳細參數如表3-1。表3-1 滾珠絲杠主要尺寸絲杠滾道參數名稱符合計算公式公稱直徑導程接觸角鋼球直徑螺紋滾道法面半徑偏心距螺紋升角絲杠絲杠外徑絲杠內徑

13、螺桿接觸點直徑絲杠螺母螺母螺紋大徑螺母內徑4. 傳動效率的計算。查機電一體化技術基礎及應用P33可得傳動效率計算公式式中 螺紋升角，由表2.1可知 摩擦角，一般?。淮霐祿嬎憧傻?. 剛度的驗算。按最不利的情況考慮，螺紋螺距因受軸向力引起的彈性變形與受轉矩引起的彈性變形方向是一致的。查機電一體化技術基礎及應用P32可得彈性變形的計算公式式中 ，其中由上可知，代入計算； 摩擦系數，??； 絲杠內徑，由表2.1可知； 螺距，由上可知； 剪切模量，查實用機床設計手冊表1.1-4選擇； 彈性模量，查實用機床設計手冊表1.1-4選擇；代入數據計算可得每米螺紋上長度上的螺紋距離的彈性變形為查機械設計手冊第

14、5卷得有效行程內的平均偏差，行程變動量，平均行程變動量，已知定位精度為，即。因為，所以剛度驗算通過，絲杠螺母副剛度符合要求。6. 穩(wěn)定性的驗算。細長絲杠在受壓縮載荷時，應驗算壓桿穩(wěn)定性，不會發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮載荷為臨界載荷。查數控機床系統(tǒng)設計P100臨界載荷計算公式式中 絲杠公稱直徑，由上部分可知； 滾珠絲杠直徑，由上部分可知； 絲杠最大受壓長度，由于工作臺范圍最大為260mm，因此取絲杠有效行程為280mm，因此絲杠最大受壓長度為280mm，即0.28m。 絲杠支承方式系數，當一端固定，一端游動時，；代入數據計算可得因此經過穩(wěn)定性檢驗，所選絲杠符合要求。7. 臨界轉速的驗算。對于高速長絲杠有

15、可能發(fā)生共振，需要驗算其臨界轉速，不會發(fā)生共振的最高轉速為臨界轉速。查數控機床系統(tǒng)設計P100可得計算公式式中 臨界轉速計算長度，經查資料確定為支承間長度，由上部分可知螺母長度為67mm，由上可知絲杠有效行程為280mm，可知； 絲杠支承方式系數，當一端固定，一端游動時，；代入數據計算可得經驗算，轉速符合要求。8. 滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定。（1） 支承部件軸承座的選擇由于絲杠受用一端固定一端游動的支承方式，經查機械設計手冊第3卷P20-96確定在固定端選用成對角接觸球軸承（背對背），在游動端選擇深溝球軸承，這樣的軸承組合具有可承受較大的徑向和軸向載荷，結構簡單和調整方便等特點。經上

16、網查詢，從經濟實用和結構緊湊的角度考慮，廠家比對，固定端選用上海銳湛軸承有限公司生產的BK20軸承座，此類軸承座內含一對角接觸球軸承，背對背配置；游動端選用上海銳湛軸承有限公司生產的BF20軸承座，此類軸承座內含一個深溝球軸承，具體參數如圖3-1和3-2所示。圖3-1 BK系列軸承參數圖3-2 BF系列軸承參數（2） 聯(lián)軸器的選擇由于絲杠與電動機主軸相連，需考慮振動等情況，因此選用彈性膜片聯(lián)軸器，經上網查詢，選擇天津騰驥科技發(fā)展有限公司生產的TJ-A-050SA型的聯(lián)軸器。具體規(guī)格尺寸如圖3-1所示圖3-1 聯(lián)軸器規(guī)格和尺寸（3） 絲杠長度的計算查得絲杠長度計算經驗公式式中 有效行程長度，由上

17、可知； 螺母長度，由上可知； 聯(lián)軸器伸入長度，由上可知； 軸承座長度總和，由所選軸承座幾何參數可知； 余程，??；代入數據可得具體安裝尺寸如圖3-2和圖3-3所示圖3-2 滾珠絲杠尺寸示意圖 圖3-3 滾珠絲杠技術數據圖（四）步進電動機的傳動計算及電動機選用。1.傳動計算由于本機床要求的位置精度為，選用的脈沖當量為，由于總體方案中選擇電動機主軸通過聯(lián)軸器與絲杠相連，因此可知傳動比。查數控機床系統(tǒng)設計P110中可得計算公式式中 脈沖當量，由上可知； 傳動比，由上可知； 滾珠絲杠的導程，由上可知；代入數據計算可得因此需選擇步距角的步進電機。2.步進電動機的計算及選型。（1）步進電動機轉軸上的總轉動慣

18、量J的計算?？傓D動慣量J主要包括電動機轉子的轉動慣量、減速裝置與滾珠絲桿一級移動部件等折算到電動機轉軸上的轉動慣量等。1）旋轉運動部件慣量的計算 聯(lián)軸器的慣量由所選的聯(lián)軸器的生產廠家提供的參數可知； 絲杠轉動慣量的計算式中 圓柱體直徑，本式中按絲杠外徑計算，因此； 圓柱體長度，由上可知；代入數據計算可得2） 直線運動部件轉動慣量的計算查數控機床系統(tǒng)設計P123可得沿直線軸移動物體的慣量的計算公式式中 工作臺（含工件）質量，由任務書可知； 絲杠螺距，選擇得到絲杠為單頭螺紋，因此；代入數據計算可得3） 負載慣量的計算式中 絲杠慣量，； 聯(lián)軸器慣量，； 工作臺慣量，；代入數據計算可得查機械設計手冊第

19、5卷35-85選用BYG系列混合式步進電機，經過上網查詢廠家產品信息，根據步距角等要求，經過分析比對，初選北京和利時電機技術有限公司的90BYG550B-SAKRML-0307的步進電機。具體技術參數如圖3-4、圖3-5和圖3-6所示圖3-4 電動機技術數據圖3-5 電動機矩頻圖圖3-6 電動機外形尺寸4） 總轉動慣量查數控機床系統(tǒng)設計P124可知式中 負載慣量，由上可知； 電動機轉動慣量，由廠家提供的技術資料可知；代入數據計算可得查數控機床系統(tǒng)設計P126可得小慣量直流伺服電動機的匹配關系為，而因為，所以所選的步進電機滿足要求。3. 步進電動機轉軸上的等效負載轉矩M的計算。由于負載轉矩在不同

20、工況下是有區(qū)別的，而最大切削負載時所需力矩和快速空載啟動時所需力矩是最大的，因此考慮最大切削負載時電動機所需力矩。由數控機床系統(tǒng)設計P122可得最大切削負載時電動機所需力矩計算公式和快速空載啟動時所需力矩計算公式 式中 切削時折算到電動機軸上的加速力矩，查數控機床系統(tǒng)設計表5-5可得計算公式 （式中 折算到電動機軸上的總慣量，由上可知； 系統(tǒng)時間常數，由任務書中可知； 電機轉速，由上可知，； 代入數據計算可得） 折算摩擦力矩，查數控機床系統(tǒng)設計得計算公式 （式中 導軌摩擦力，由上可知 絲杠螺距，即； 齒輪降速比，由于本進給傳動系統(tǒng)沒有采用減速裝置，因此； 傳動鏈總效率，由數控機床系統(tǒng)設計P12

21、2取；代入數據計算可得） 由于絲杠預緊引起的折算到電動機軸上的附加摩擦力矩，查數控機床系統(tǒng)設計表5-5可得計算公式 （式中 最大軸向載荷，由上可知； 絲杠螺距，即； 齒輪降噪比，由上可知； 傳動鏈總效率，由上可知； 滾珠絲杠未預緊時的效率，??； 代入數據計算可得） 折算到電動機軸上的切削負載力矩，查數控機床系統(tǒng)設計表5-5得計算公式 （式中 進給方向的最大切削力，由上可得； 絲杠螺距，即； 齒輪降噪比，由上可知； 傳動鏈總效率，由上一個參數計算過程可知；代入數據計算可得）代入各部分數據計算可得從所選電機的生產參加提供的產品資料可查得電機的額定轉矩為，由于，因此所選的電機符合要求。（3） 步進電

22、動機的初選。由第（四）部分中的第2點可知初選北京和利時電機技術有限公司的90BYG550B-SAKRML-0307的步進電機。（4）步進電動機的性能校核。1）最快工作進給速度時電動機輸出轉矩校核。由（2）可知，因為，所以所選電動機最快工作進給速度時電動機輸出轉矩符合要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核。由（2）可知，因為，所以所選電動機最快空載移動時電動機輸出轉矩符合要求。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核。由機電一體化技術基礎及應用P137可得步進電機工作時最高運行頻率計算公式式中 機床運行最高速度，由任務書中可知； 脈沖當量，由上可知；代入數據計算可得由機械設計手冊第5卷P35-8

23、5可查得90BYG5502型的電動機的空載運行頻率為以上，由可知所選電動機符合要求。4）啟動頻率的校核。查機電一體化技術基礎及應用P139可得啟動頻率計算公式式中 、步進電機負載及空載時的起動頻率，由廠家提供的技術資料圖可得； 、步進電機轉子和負載的轉動慣量，由上可知，； 負載摩擦轉矩，由上可知； 電動機輸出轉矩，由廠家提供的矩頻特性圖可查得；代入數據計算可得因此要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有。綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用的北京和利時電機技術有限公司的90BYG550B-SAKRML-0307

24、的步進電機完全滿足設計要求。（五）滾動導軌的設計計算 1.工作載荷的計算。因為工作載荷是影響導軌副適用壽命的重要因素，對于水平布置的十字工作臺，多采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]到有可能在實際加工時發(fā)生的最不利的情況，即垂直于臺面的銑削力分力全部作用在其中一個滑塊上，則單個滑塊座上所承受的工作載荷為式中 移動部件重量，已知； 軸線進給力，由上可知；代入數據計算可得2. 小時額定工作壽命的計算。由上可知，。3. 距離額定壽命的計算。由額定工作壽命計算公式 可以反推出距離額定壽命計算公式式中 距離額定壽命，單位為km； 移動件每分鐘往復次數(可取4-6次/分鐘) 取5次每分鐘； 移動件行程長度，

25、一般與有效行程一致，因此；代入數據計算可得4. 額定動載荷計算。根據數控機床系統(tǒng)設計P185中的預期壽命計算公式反推出額定動載荷的計算公式式中 滾動導軌的預期壽命，由上可知； 導軌塊的工作載荷，由上可知； 硬度系數，由導軌面硬度系數普遍在58HRC以上可查數控機床系統(tǒng)設計P185得； 溫度系數，由于本機床工作環(huán)境低于，查數控機床系統(tǒng)設計P185得； 接觸系數，由于本導軌副具有四個導軌塊，查數控機床系統(tǒng)設計P185得； 載荷系數，由于本機床工作時，無明顯沖擊振動，而速度，查數控機床系統(tǒng)設計P185得；代入數據計算可得5. 導軌副選型根據額定動載荷計算公式可知若需滿足距離額定壽命，所選導軌副的額定

26、動載荷需滿足。根據機械設計手冊第2卷，上網查詢產品資料，選用南京工藝裝備制造廠生產的GGB20BA型導軌，由廠家提供的產品資料顯示，該型號額定動載荷為，滿足額定動載荷要求，具體結構幾何尺寸如圖3-7所示圖3-7 導軌結構尺寸6.安裝連接尺寸。由所選導軌副的產品資料可知安裝連接尺寸詳細如圖，其中導軌長度與絲杠長度相等，為。其他安裝連接尺寸如圖3-8所示。圖3-8 導軌安裝尺寸四、控制系統(tǒng)的設計根據任務書的要求，設計控制系統(tǒng)的時主要考慮以下功能：1. 接受操作面板的開關與按鈕信息；2. 接受限位開關信號；3. 控制X，Y向步進電動機的驅動器； 4. 與PC機的串行通信。（1）設計的X-Y工作臺準備

27、用在數控銑床上，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應該設計成連續(xù)控制型。（2）對于步進電動機的開環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機作為控制系統(tǒng)的CPU，應該能夠滿足任務書的相關指標。（3）要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴展程序存儲器、數據存儲器、鍵盤與顯示器、I/O接口電路、D/A轉換電路、串行接口電路等。（4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。（5）繪制總體方案圖，如圖4.1所示。 圖 4.1 總體方案圖五、機械部分裝配圖的繪制裝配圖見附件A1圖紙。結束語在為期兩周的數控機床課程設計中我進行了數控機床工作臺進給系統(tǒng)機械部分的設計，其中主要包括滾珠絲杠、電機、導軌的設計與選型，對過去所學