目录
1 概述 (3)
1.1 零件技术要求 (3)
1.2 总体方案设计 (3)
2 设计计算 (3)
2.1主切削力及其切削分力计算 (3)
2.2 导轨摩擦力计算 (4)
2.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 (4)
2.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 (4)
3 工作台部件的装配图设计 (9)
4 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 (9)
4.1 滚珠丝杠螺母副临界转速压缩载荷的校验 (9)
n的校验 (10)
4.2 滚珠丝杠螺母副临界转速
c
4.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验 (10)
5 计算机械传动系统的刚度 (10)
5.1 机械传动系统的刚度计算 (10)
5.2 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 (12)
6 驱动电动机的选型与计算 (12)
6.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量 (12)
6.2 计算折算到电动机上的负载力矩 (13)
6.3 计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩 (13)
6.4选择驱动电动机的型号 (14)
7 机械传动系统的动态分析 (15)
7.1 计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率 (15)
7.2 计算扭转振动系统的最低固有频率 (15)
8 机械传动系统的误差计算与分析 (16)
8.1 计算机械传动系统的反向死区 (16)
8.2 计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 (16)
8.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 (16)
9 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 (16)
9.1 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 (17)
9.2 确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 (17)
课程设计总结
通过此次数控编程课程设计，我对立式数控铣床的进给系统有了个基本的了解，加深了对立式数控铣床的认识。通过立式数控铣床进给系统的设计，使我在装配结构和制造结构的各种方案以及在机械设计制图、零件计算和编写技术文件等方面得到了综合训练，培养了我的初步的结构分析与结构设计计算能力。
虽然只有一周的时间，在很仓促的情况下完成了这次数控编程的课程设计，但收获却很大，使我初步具备了设计的能力，并且我相信我在这方面的设计能力会逐渐成熟起来。
参考文献
1.范超毅．数控技术课程设计．武汉：华中科技大学出版社，2006
2.王爱玲．机床数控技术．北京：高等教育出版社，2006
1. 概述
1.1 零件技术要求
工作台、工件和夹具的总质量m=918kg，其中，工作台的质量510kg；工作台的最大行程Lp=600mm；工作台快速移动速度20000mm/min；工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数0.15，静摩擦系数均为0.2；工作台的定位精度为30μm，重复定位精度为10μm；机床的工作寿命为20000h（即工作时间为10年）。机床采用主轴伺服电动机,额定功率为5.5kw，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径125mm，主轴转速300r/min。
表1 数控铣床的切削状态
时间比例/(%) 备注
切削方式进给速度
/(m/min)
强力切削0.6 10 主电动机满功率条件下切削
一般切削0.8 30 粗加工
精加工切削 1 50 精加工
快速进给15 10 空载条件下工作台快速进给
1.2 总体方案设计
为了满足以上技术要求,采取以下技术方案。
(1)工作台工作面尺寸（宽度×长度）确定为400mm×1200mm。
(2)工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙烯（PT-FE）导轨板。同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴塑。
(3)对滚珠丝杠螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杠采用预拉伸。
(4)采用伺服电动机驱动。
(5)采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。
2. 设计计算
2.1 主切削力及其切削分力计算
(1)计算主切削力Fz
根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径D=125mm）时，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率。此时，铣刀的切削速度为
s m s m Dn
v /96.1/603001012514.3603=???==-π
若主传动链的机械效率0.8m =η，按式（2-6）可计算主切削力Fz ： N v P F m
m z 9.22441096
.15.58.01033=??=?=η (2)计算各切削分力。
根据表2-1可得工作台纵向切削力1F 、横向切削力c F 和垂向切削力v F 分别为 N N F F z 96.8979.22444.04.01=?==
N F F z c 655.21329.224495.095.0=?==
N N F F z v 695.12349.224455.055.0=?==
2.2 导轨摩擦力的计算
(1)按式（2-8a ）计算在切削状态下的导轨摩擦力F μ。此时，导轨动摩擦系数0.15μ=，查表2-3得镶条紧固力1500g f N =，则
N N F F f W F v c g 56.2079)695.1234655.213215004.8996(15.0)(=+++?=+++=μμ
(2)按式（2-9a ）计算在不切削状态下的导轨摩擦力0F μ和导轨静摩擦力0F 。 N N f W F g 46.1574)15004.8996(15.0)(0=+?=+=μμ
N N f W F g 28.2099)15004.8996(2.0)(00=+?=+=μ
2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力
(1)按式（2-10）计算最大轴向负载力max a F 。
N N F F F a 52.2977)56.207996.897(1max =+=+=μ
(2)按式（2-11a ）计算最小轴向负载力min a F 。
N F F a 46.15740min ==μ
2.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算
1)确定滚珠丝杠的导程
根据已知条件，取电动机的最高转速错误！未找到引用源。，则由式（2-16）得
2)计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷
(1)估算在各切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷。
将强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷max a F ，快速移动和钻镗定位时的轴向
载荷定为最小载荷min a F ，一般切削(粗加工)和精细切削(精加工)时，滚珠丝杠螺母副的
轴向载荷2F 、3F 分别可按下式计算：
max 00min 220a a F F F +=，3min max 5%a a F F F =+
并将计算结果填入表4-2
表4-2 数控铣床滚珠丝杠的计算 切削方式 轴向载荷
/N
进给速度/(m/min) 时间比例/(%) 备注 强力切削
2977.52 10.6v = 10 1max a F F = 一般切削(粗加
工)
2169.964 20.8v = 30 max 00min 220a a F F F += 精细加工(精加
工)
1723.336 31v = 50 3min max 5%a a F F F =+ 快移和钻镗定位 1574.46 4max v v = 10 4min a F F =
(2)计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速i n 。
110
60/min v n r L == 220
80/min v n r L == 330
100/min v n r L =
=
min 0
442000r L v n == (3)按式(2-17)计算滚珠丝杠螺母副的平均转速m n 。 min 44332211280100
100100100r m n q n q n q n q n =+++= (4)按式(2-18)计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷m F 。
33311223121763.59100100100
n n m n m m m n q n q n q F F F F N n n n =+++= 3)计算滚珠丝杠预期的额定动载荷am C
(1)按照预定工作时间估算。查表2-28得载荷性质系数 1.3w f =。已知初步选择的滚珠丝杠的精度等级为2级，查表2-29得精度系数1a f =，查表2-30得可靠性系数0.44c f =，则由式(2-19)得
N f f f F L n C c
a w m h m am 42.36224100603== (2)因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按式(2-21)估算最大轴向载荷。查表2-31得预加载荷系数 4.5e f =，则
N N F f C a am 84.1339852.29775.4max '=?==ε
(3)确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 取以上两种结果的最大值，即N C am 42.36224=。
4)按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2m d 。
(1)根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。 已知工作台的定位精度为30μm ，重复定位精度为10μm ，根据式(2-23)、(2-24)以及定位精度和重复定位精度的要求，得
错误！未找到引用源。 ()max 2113067.554m m δμμ??=?= ???
取上述计算结果的最小值错误！未找到引用源。 m μδ33.3max =
(2)估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2m d 。
本机床工作台(X 轴)滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定方式。
滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为
L ＝行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承长度
≈(1.2～1.4)行程+(25～30)L
取
L=1.4×行程+030L
错误！未找到引用源。
又N F 84.20990=，由式(2-26)得 mm mm L
F d m 068.3333
.311402100039.0039.0max 02=??=?≥δ (5)初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号
根据计算所得的0L 、am C 、2m d ，初步选择FFZD 型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副FFZD4010-5，其公称直径0d 、基本导程0L 、额定动载荷a C 和丝杠底径2d 如下:
040d mm =、错误！未找到引用源。
N C N C am a 42.3622446500=>=
mm d mm d m 068.333.3422=>=
故满足式(2-27)的要求。
6)由式(2-29)确定丝杠螺母副的预紧力p F
N F F a p 51.99252.29773
131max =?== 7)计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预拉伸力
(1)按式(2-31)计算目标行程补偿值t δ。
已知温度变化2t ?=℃，丝杠的线膨胀系数61110/m αμ-=?℃，滚珠丝杠螺母副的有效行程
u L =工作台行程+安全行程+2×余程+螺母长度
=(600+100+2×20+146)mm=886mm
故: 02.0886210116=???=?=-u t tL αδ
(2)按式(2-32)计算滚珠丝杠的预拉伸力t F 。
已知滚珠丝杠螺纹底径mm d 3.342=，滚珠丝杠的温升变化值t ?=2℃，则
N N td F t 89.42583.34281.181.1222=??=?=
8)确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号
(1)按式(2-33)计算轴承所承受的最大轴向载荷max B F 。
N N F F F a t B 65.5747)52.29772
189.4258(21max max =?+=+= (2)计算轴承的预紧力Bp F 。 N F F B Bp 88.19153
1max == (3)计算轴承的当量轴向载荷Bam F 。
N F F F m Bp Bam 47.3679=+=
(4)按式(2-25)计算轴承的基本额定动载荷C 。
已知轴承的工作转速错误！未找到引用源。min 280r m n n ==,轴承所承受的当量轴向载荷N F Bam 47.3679=，轴承的基本额定寿命L=20000h 。轴承的径向载荷F τ和轴向载荷a F 分别为
N F F Bam 735.183960cos == τ
N F F Bam a 42.318660sin == 因为17.273.1735
.183942.3186<==τF F a ，所以查表2-25得，径向系数X=1.9，轴向系数Y=0.54，故
N YF XF P a 16.5216
=+=τ N nL P C h 02.3626360100
3== (5)确定轴承的规格型号。
因为滚珠丝杠螺母副拟采取预拉伸措施，所以选用60°角接触球轴承组背对背安装，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由于滚珠丝杠的螺纹底径2d 为34.3mm ，所
以选择轴承的内径d 为30mm ，以满足滚珠丝杠结构的需要。
在滚珠丝杠的两个固定端均选择国产60°角接触球轴承两件一组背对背安装，组成滚珠丝杠的两端固定支承形式。轴承的型号760306TNI/P4DEB ，尺寸(内径×外径×宽度)为30mm ×72mm ×19mm ，选用脂润滑。该轴承的预载荷能力BP F '为2900N ，大于计算所得轴承预紧力N F Bp 88.1915=。并在脂润滑状态下的极限转速为2500r/min ，高于滚珠丝
杠的最高转速min /2000max r n =，故满足要求。该轴承的额定动载荷为N C 36500
'=，而该轴承在20000h 工作寿命的基本额定动载荷C=36263.02N ，也满足要求。
3. 工作台部件的装配图设计
将以上计算结果用于工作台部件的装配图设计(见图)，其计算简图如图1所示。
图1 立式数控铣床工作台计算简图
4. 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验
4.1 滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验
本工作台的滚珠丝杠支承方式采用预拉伸结构，丝杠始终受拉而不受压。因此，不存在压杆不稳定问题。
4.2 滚珠丝杠螺母副临界转速c n 的校验 由图1得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度2L =919.5mm ，其弹性模量E=2.1×510MPa ，
已知材料密度ρ=1g
×7.8×510-N/3mm ，重力加速度g=9.8 ×310mm/2s ， 安全系数1K =0.8 ，由表2-44得与支承有关的系数λ=4.37.。
滚珠丝杠的最小惯性矩为
44442679093.3464
14.364mm mm d I =?==π
滚珠丝杠的最小截面积为 2222254.9233.344
14.34mm mm d A =?==
π 由式（2-36）得 c n =2
12
2602EI K L πλρA
=0.8×253
2
560 2.19.82 3.147.8-?4.73?10?56097??10??919.5?10?839.39 =8493.05r/min
本工作台滚珠丝杠螺母副的最高转速为2000r/min,远小于其临界转速，故满足要求。
4.3 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验
查附录A 表A-3得滚珠丝杠的额定动载荷a C =46500N ，轴向载荷a F =2977.52N ，运转条件系数w f =1.2，滚珠丝杠的转速 n=2000r/min ，根据式（2-37）、式（2-38）得 L=3
a a w C F f ?? ???×610=1.89×910r h L =60L n
=21000h 一般来讲，应保证滚珠丝杠螺母副的总工作寿命20000h L h ≥，故满足要求。
5. 计算机械传动系统的刚度
5.1机械传动系统的刚度计算
(1)计算滚珠丝杠的拉压刚度s K
本机床工作台的丝杠支承方式为一端固定、一端游动。由图1可知，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杠两支承的中心的位置(a=L/2，L=1140mm)时,滚珠丝杠螺母副具有
最小拉压刚度min a K ，由式(2-45a)得
当919.5Y a L mm ==或319.5J a L mm ==时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度m a x s K ，由公式（2-45b ）得
()22
2max 116.6104s d L K L L L =?-
=767.25N/μm
(2)计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度b K 。 已知轴承接触角β=060，滚动体直径Q d =7.144mm ，滚动体个数Z=17，轴承的最大轴向工作载荷max B F =5361.41N ，由表2-45和表2-46得，
b K =4×2.34×()1253
max sin Q B d Z F β=1654.30 N/μm (3)计算滚珠与滚道的接触刚度c K 。
查附录A 表A-3得滚珠丝杠的刚度K=1585 N/μm ，额定动载荷a C =46500N ，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷max a F =2981.18N ，由式（2-46b ）得
c K =K 13
max 0.1a a F C ?? ???
=1390.00 N/μm
(4)计算进给传动系统的综合拉压刚度K 。
由式（2-47a ）得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为
max 1K = max 1s K + 1b K + 1c K =0.00263 故max K =380.23 N/μm
由式（2-47b ）得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为
min 1K =min 1s K + 1b K + 1c
K =0.0030
故min K =333.33 N/μm
5.2 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算
由图1可知，扭转作用点之间的距离2L = 919.5mm 。已知剪切模量G=8.1 ×410MPa ，
滚珠丝杠的底径2d =32.7mm ，故由式（2-48）得
K φ= 42232d G
L π= 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。N ·m/rad=8844.51 N ·m/rad
6. 驱动电动机的选型与计算
6.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量
(1)计算滚珠丝杠的转动惯量r J 。
已知滚珠丝杠的密度ρ=7.8×310-Kg/ 3cm ，故由式（2-63）得
r J =0.78×34
110n
i i
i D L -=∑ =()344420.7810238.94100.9 2.5 5.2kg cm -????+?+?
=21.43Kg ·2cm
(2)计算联轴器的转动惯量0J
0J =0.78×310-（4D --4d ）L
=11.62Kg ·2cm
(3)计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量L J
已知机床执行部件（即工作台、工件和夹具）的总质量m=918Kg,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离 L=10mm=1cm ，则由式(2-65)得
L J =m 2
2L π?? ???
=23.28Kg ·2cm （4）由公式（2-66）计算加在电动机轴上总的负载转动惯量d J d J = r J +0J +L J =（21.43+11.62+23.28）=56.33 Kg ·2cm
6.2 计算折算到电动机轴上的负载力矩
(1)计算切削负载力矩c T 。
已知切削状态下坐标轴的轴向负载力a F = max a F =2977.52N ， 电动机每转一圈，机
床执行部件在轴向移动的距离L=10mm=0.010m ，进给传动系统的总效率η=0.90，则
c T =
2a F L πη
=5.3N ·m (2)计算摩擦负载力矩T μ 已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力）01575F N μ=，由式(2-55)得
T μ= 02F L μπη=2.79N ·m
(3)计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩f T 。
已知滚珠丝杠螺母副的预紧力N F p 51.992=，滚珠丝杠螺母副的基本导程0120.012L mm m ==，0.01滚珠丝杠螺母副的效率0η=0.94，由式（2-56）得
f T = 0
2p F L πη（1—20η）=0.20N ·m
6.3 计算坐标轴折算到电动机轴上各种所需的力矩
(1)计算线性加速力矩1a T
已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速max n =2000r/min ，电动机的转动惯量m J =62Kg ·2cm ，坐标轴的负载惯量d J =56.33Kg ·2cm 。取进给伺服系统的位置环增益s k =20Hz ，则加速时间a t = 3s
k = 320s=0.15s ，由式(2-58)得 al T = max 260980a
n t π?（m J + d J ）（1-- s a k t e -） =2 3.142000609800.15
?????（62+65.36）×（1-200.15e -?）Kgf ·cm =12.1N ·m
(2)计算阶跃加速力矩。
已知加速时间a t =1s
k =120s=0.05s ，由由式(2-59)得 ap T =max 260980a
n t π?（m J +d J ） =37.42N ·m
(3)计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。
①由式（2-61）计算线性加速时的空载启动力矩q T 。
q T =1a T +（T μ+f T ）=（12.1+2.79+0.20）N ·m=15.09N ·m
②由式（2-61）计算阶跃加速时的空载启动力矩 q T '。
q T '=ap T +（T μ+f T ）=（37.42+2.79+0.20）N ·m=40.41N ·m
③由式（2-57a ）计算空载时的快进力矩 kJ T 。
kJ T =T μ+f T =2.79+0.20=2.99N ·m
④由式（2-61）计算切削时的工进力矩GJ T
GJ T = C T + f T =（5.3+0.20） N ·m =5.50N ·m
6.4 选择驱动电动机的型号
(1)选择驱动电动机的型号
根据以上计算和表2-47，选择日本FANUC 公司生产的a12/3000i 型交流伺服电动机为驱动电动机。其主要技术参数如下：额定功率3KW ；最高转速3000r/min ；额定力矩12N ·m ；转动惯量62 Kg ·2cm ；质量18Kg 。
交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的5～10倍，若按5倍计算，该电动机的加速力矩为60N ·m ，均大于本机床工作台线性加速时的空载启动力矩q T =15.09N ·m 以及阶跃加速时的空载启动力矩q T ' =40.41N ·m,所以，不管采用何种加速方式，本电动机均满足加速力矩要求。
该电动机的额定力矩为12N ·m ，均大于本机床工作台的快进力矩kJ T =3.0N ·m 以及工进力矩GJ T =5.73N ·m 。因此，不管是快进还是工进，本电动机均满足驱动力矩要求。
(2)惯量匹配验算.。
为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电机的转动惯量之比一般应满足式（2-67），即
0.25≤d m
J J ≤1 而d m
J J =56.6662=0.91∈【0.25，1】故满足惯量匹配要求。 7. 机械传动系统的动态分析
7.1 计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率nc ω
已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度0K =min K =333.33×610 N /m ，滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为d m =m +13
s m ，其中m 、s m 分别为机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量，已知m=918Kg,则
s m =4
π×24×123.9×7.8×310-Kg=12.14Kg d m =m +13
s m =922Kg nc ω=0d
K m =635rad/s 7.2计算扭转振动系统的最低固有频率nt w
折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为
s J =r J +0J =(21.43+11.62)Kg ·2cm =33.05Kg ·2cm =0.003Kg ·2m
又丝杠的扭转刚度s K =K φ=8844.5N ·m/rad ，
则
nt w =s s
K J =1637.1rad/s 由以上计算知道，丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率nc ω=635rad/s ，扭转振动系统的最低固有频率nt w =1831rad/s 都比较高。一般按nc ω=300rad/s 的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。
8. 机械传动系统的误差计算与分析
8.1 计算机械传动系统的反向死区△
已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值min K =371.27×610N/mm ，导轨的静摩擦
力0F =1575N ，由式（2-52）得
△=2μδ=0min
2F K ×310mm=8.48×310-mm 即△=8.48μm ＜10μm ，满足要求。
8.2 计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差
由式（2-53）得
3max 11min max k o F K K ??δ=-?10 ???
=0.675×310-mm
即max k δ =0.675μm ＜6μm, 故满足要求。
8.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差
(1)计算由快速进给扭矩KJ T 引起的滚珠丝杠螺母副的变形量θ。 已知负载力矩T= KJ T =2990Nmm 。由图1得扭矩作用点之间的距离2L =919.5mm ，丝杠底径 2d =34.3mm ，由式(2-49)得
θ=7.21×210-242
TL d =00.15 (2)由该扭矩变形量θ引起的轴向移动滞后量δ将影响工作台的定位精度。有式(2-50)得
δ=360o L θ=0.0042mm=4.2μm
9. 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号
(1)确定滚珠丝杠螺母副的精度等级。
本机床工作台采用半闭环控制系统，300p V P e 应满足下列要求：
300p V ≤0.8×(定位精度-max k δ-δ)=0.8×(30-0.9-4.2)μm=19.9μm
P e ≤0.8×(定位精度-max k δ-δ)=19.9μm
滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为2级，查表2-20得300p V =8 μm ＜19.9μm ；查
表2-21得，当螺纹长度为850mm 时，P e =15μm ＜19.9μm ，故满足设计要求。
(2)确定滚珠丝杠螺母副的规格型号
滚珠丝杠螺母副的规格型号为FFZD4010-5-P2/1140×850，其具体参数如下。公称直径与导程：40mm ，10mm ；螺纹长度850mm ，丝杠长度1140mm ；类型与精度：P 类，2级精度。
课程设计总结:
通过此次数控编程课程设计，我对立式数控铣床的进给系统有了个基本的了解，加深了对立式数控铣床的认识。通过立式数控铣床进给系统的设计，使我在装配结构和制造结构的各种方案以及在机械设计制图、零件计算和编写技术文件等方面得到了综合训练，培养了我的初步的结构分析与结构设计计算能力。
虽然只有一周的时间，在很仓促的情况下完成了这次数控编程的课程设计，但收获却很大，使我初步具备了设计的能力，并且我相信我在这方面的设计能力会逐渐成熟起来。
参考文献
1.范超毅．数控技术课程设计．武汉：华中科技大学出版社，2006
2.王爱玲．机床数控技术．北京：高等教育出版社，2006
数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计 1 引言 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。 X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的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。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X 、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 2 设计任务 题目：数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计 任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下： 1. 立铣刀最大直径的d=15mm ； 2. 立铣刀齿数Z=3; 3. 最大铣削宽度e a =15mm; 4. 最大背吃刀量p a =8mm; 5. 加工材料为碳素钢活有色金属。 6. X 、Y 方向的脉冲当量x y δδ==0.01mm;
7. X 、Z 方向的定位精度均为0.04mm; 8. 重复定位精度为0.02mm; 9. 工作台尺寸 250×250㎜; 10.X 坐标行程 300mm; 11.Y 坐标行程 120mm; 12.工作台空载进给最快移动速度：V xmaxf =V zmaxf =1500mm/min; 13.工作台进给最快移动速度:max max 400mm /min x f z f V V ==; 3 总体方案确定 3.1机械传动部件的选择 3.1.1导轨副的选用 要设计数控车床X-Z 工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度不是很高，因此选用直线滑动导轨副，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。 3.1.2丝杠螺母副的选用 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，需要满足0.004mm 冲当量和01.0±mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，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、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。 3.1.3伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0.01mm ，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此1500mm/min ，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。 3.1.4减速装置的选用 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，需要设置减速装置，且应有消间隙机构。因此决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 3.1.5检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所
目录 1.概述 (1) 1.1技术要求 (1) 1.2总体设计方案 (2) 2.滚珠丝杠螺母副的选型和计算 (2) 2.1主切削力及其切削分力计算 (2) 2.2导轨摩擦力的计算 (3) 2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 (3) 2.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 (3) 3.工作台部件的装配图设计 (7) 4.滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 (8) 4.1滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验 (8) 4.2滚珠丝杆螺母副临界转速的校验 (8) 4.3滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验 (8) 5.计算机械传动系统的刚度 (9) 5.1机械传动系统的刚度计算 (9) 5.2滚珠丝杠螺母副扭转刚度的计算 (10) 6.驱动电动机的选型与计算 (10) 6.1计算折算到电动机轴上的负载惯量。 (10) 6.2计算折算到电动机轴上的负载力矩 (11) 6.3计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩 (12) 6.4选择驱动电动机的型号 (13) 7.确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 (13) 7.1确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 (13) 7.2滚珠丝杠螺母副的规格型号 (14) 8.课程设计总结 (14) 9.参考文献 (14)
1.概述 1.1技术要求 工作台、工件和夹具的总质量m=918kg，其中，工作台的质量510kg；工作台的最大行程Lp=600mm;工作台快速移动速度18000mm/min；工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数为0.15，静摩擦系数为0.12；工作台的定位精度为30μm，重复定位精度为15μm；机床的工作寿命为20000h（即工作时间为10年）。机床采用主轴伺服电动机，额定功率为5.5kw，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径125mm，主轴转速310r/min。切削状况如下： 数控铣床的切削状况 切削方式进给速度时间比例（%）备注 强力切削0.610主电动机满功率条件下切削 一般切削0.830粗加工 精加工切削150精加工 快速进给2010空载条件下工作台快速进给 1.2总体设计方案 为了满足以上技术要求，采取以下技术方案： （1）工作台工作面尺寸（宽度×长度）确定为400mm×1200mm。 （2）工作台导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动画面上贴聚四氟乙烯导轨板。同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴膜。（3）对滚珠丝杠螺母副采用预紧，并对滚珠丝杠进行拉伸预。 （4）采用伺服电动机驱动。 （5）采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠连接。 2.滚珠丝杠螺母副的选型和计算 2.1主切削力及其切削分力计算 （1）计算主切削力Fz。
机械工程学院 《数控机床编程》课程设计 题目：“王”字凸台 专业：机械设计制造及其自动 班级：机制1201 姓名：王超 学号： 1209331031 成绩： 指导教师：丽娟 2015年4月25日
目录 一、任务书 (1) 二、设计零件 (2) 三、数控加工工艺分析 (4) 四、程序清单 (5) 五、零件加工 (6) 六、设计小结 (7) 七、参考文献 (8) 八、感想 (9)
一、任务书 1.课程设计概述 《数控机床编程》课程设计是机械设计制造及其自动化专业的必修课程之一，它可以提高学生的动手能力，丰富学生的理论知识。是一门理论与实践相结合的综合性专业基础课。通过《数控机床编程》课程设计的学习，要求学生能够设计常用的轴类零件和型腔壳体类零件，并能够合理的选择卡具和加工设备，独立分析工艺，独立编程及完成其加工。通过数控机床编程课程设计，使学生提高数控机床实际操作和手工编程能力。同时还要求学生掌握数控机床的组成及其控制原理和方法。为以后的工作和学习打下坚实的基础。 2.课程设计目的 通过本次课程设计，掌握数控机床进行机械加工的基本方法，巩固数控加工编制的相关知识，将理论知识与实际工作相结合，并最终达到独立从事数控加工程序编制的工作能力。 3．课程设计任务 根据本任务书相关技术要求，完成零件设计，零件工艺分析，加工工序卡的编制，数控加工程序的编制，最后用HNC-21M数控系统机床加工出所设计的工件。
二、设计零件 我要做的零件是在金属块上刻一个“王”字。由于我是第一次将所学理论用于实践，因此我选择笔画相对较少的“王’字来做。本次编程我打算用顺时钟圆弧指令G02和直线指令G01来刻画这个字。
前言........................................................................................................................ 3 1 机床进给传动控制方向的选择 .. (4) 1.1 开环控制系统 ...................................................................................... 4 1.2 闭环控制系统 ...................................................................................... 4 1.3 半闭环控制系统 .................................................................................. 4 2 传动系统的设计 .. (5) 2.1 直联传动系统 ...................................................................................... 5 2.2 带传动系统 .......................................................................................... 5 2.3 传动系统图 .......................................................................................... 5 3 数控车床伺服进给系统X 轴设计 . (6) 3.1 确定滚珠丝杠副的导程()mm P h ......................................................... 6 3.2 确定当量转速与当量载荷 .................................................................. 6 3.3 预期额定动载荷()N C am ..................................................................... 7 3.4 确定允许的最小螺纹底径 .................................................................. 8 3.5 确定滚珠丝杠副的规格代号 .............................................................. 9 3.6 确定滚珠丝杠副预紧力()N F p ......................................................... 10 3.7 对预拉伸的滚珠丝杠副 .................................................................... 10 3.8 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格 .................................... 10 3.9 滚珠丝杠副工作图设计 .................................................................... 11 3.10 伺服电动机的选择 .......................................................................... 11 3.11 传动系统刚度 .................................................................................. 12 4 验算 .. (14) 4.1 传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择 ................................ 14 4.2 验算滚珠丝杠副临界压缩载荷()N F c .............................................. 15 4.3 验算滚珠丝杠副的临界转速()min n n c ........................................... 15 4.4 验算n D ............................................................................................... 15 4.5 基本轴向额定静载荷oa C 验算： (16)
摘要 数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。 本文主要对XK5040数控立式铣床及控制系统进行设计，首先分析立式铣床的加工特点和加工要求确定其主参数，包括运动和动力参数；根据主参数和设计要求进行主运动系统、进给系统和控制系统硬件电路设计。主要进行主运动系统和进给系统的机械结构设计及滚珠丝杠和步进电机的选型和校核；对于控制系统由于这里主要针对经济型数控铣床的设计，这里采用步进电机开环控制，计算机系统采用高性能价格比的MCS-51系列单片扩展系统，主要进行中央处理单元的选择、存储器扩展和接口电路设计。 由于本文采用8031单片机控制系统，因此，设计出的立式铣床性能价格比高，满足经济性要求。可实用于加工精度较高的场合。 关键词数控技术，立式铣床，设计
ABSTRACT The numerical control engine bed is the digital process control engine bed, is one kind of automated engine bed, the numerical control technology is the core which the numerical control engine bed studies, is the manufacturing industry realization automation, the network, the flexibility, the integrated foundation. Along with the manufacture technology development, the modern numerical control engine bed with the aid of the modern design technology, the working procedure intensification and the new function part caused the engine bed the processing scope, the dynamic performance, the processing precision and the reliability had the enormous enhancement . This article mainly carries on the design to the XK5040 numerical control vertical milling machine and the control system, first analyzes the vertical milling machine the processing characteristic and the processing request determines its host parameter, including movement and dynamic parameter; Carry on the host kinematic scheme according to the host parameter and the design request, enters for the system and the control system hardware circuit design. Mainly carries on the host kinematic scheme and enters for the system mechanism design and the ball bearing guide screw and electric stepping motor shaping and the examination; Regarding control system because here mainly aims at the economy numerical control milling machine the design, here uses electric stepping motor open-loop control, the computer system uses the high performance price compared to the MCS-51 series monolithic expansion system, mainly carries on the central processing element the choice, the memory expansion and the connection circuit design . Because this article uses 8,031 monolithic integrated circuits control system, therefore, designs the vertical milling machine performance price is higher than, satisfies the efficient request. But practical to processing precision higher situation . Key words：Numerical control technology，Vertical milling machine，Design
目录 1 概述 (3) 1.1 零件技术要求 (3) 1.2 总体方案设计 (3) 2 设计计算 (3) 2.1主切削力及其切削分力计算 (3) 2.2 导轨摩擦力计算 (4) 2.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 (4) 2.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 (4) 3 工作台部件的装配图设计 (9) 4 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 (9) 4.1 滚珠丝杠螺母副临界转速压缩载荷的校验 (9) n的校验 (10) 4.2 滚珠丝杠螺母副临界转速 c 4.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验 (10) 5 计算机械传动系统的刚度 (10) 5.1 机械传动系统的刚度计算 (10) 5.2 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 (12) 6 驱动电动机的选型与计算 (12) 6.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量 (12) 6.2 计算折算到电动机上的负载力矩 (13) 6.3 计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩 (13) 6.4选择驱动电动机的型号 (14) 7 机械传动系统的动态分析 (15) 7.1 计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率 (15) 7.2 计算扭转振动系统的最低固有频率 (15) 8 机械传动系统的误差计算与分析 (16) 8.1 计算机械传动系统的反向死区 (16) 8.2 计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 (16) 8.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 (16)
9 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 (16) 9.1 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 (17) 9.2 确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 (17) 课程设计总结 通过此次数控编程课程设计，我对立式数控铣床的进给系统有了个基本的了解，加深了对立式数控铣床的认识。通过立式数控铣床进给系统的设计，使我在装配结构和制造结构的各种方案以及在机械设计制图、零件计算和编写技术文件等方面得到了综合训练，培养了我的初步的结构分析与结构设计计算能力。 虽然只有一周的时间，在很仓促的情况下完成了这次数控编程的课程设计，但收获却很大，使我初步具备了设计的能力，并且我相信我在这方面的设计能力会逐渐成熟起来。 参考文献 1.范超毅．数控技术课程设计．武汉：华中科技大学出版社，2006 2.王爱玲．机床数控技术．北京：高等教育出版社，2006
液压传动课程设计 中国矿业大学机电学院 选修课
设计参数： 不计惯性负载 题目：在某专用机床上有一夹紧进给液压系统，完成工件的先夹紧后、后进给任务，工作原理如下： 夹紧油缸： 快进→慢进→达到夹紧力后启动进给油缸工作 进给油缸： 快进→慢进→达到进给终点→快速退回 夹紧油缸快速退回。 夹紧缸快进速度：0.05m/s 夹紧缸慢进速度：8mm/s 最大夹紧力：40KN 进给油缸快进速度：0.18m/s 进给油缸慢进速度：0.018m/s 最大切削力：120KN 夹紧缸行程：用行程开关调节（最大250mm） 进给缸行程：用行程开关调节（最大1000mm） 一、工况分析： 1．负载分析
已知最大夹紧力为40KN，则夹紧油缸工作最大负载 140 F KN = 已知最大切削力为120KN，则进给油缸工作最大负载 2120 F KN = 根据已知负载可画出负载循环图1(a) 根据已知快进、快退速度及工进时的速度范围可画出速度循环图1(b) 图1(a) 图1(b)
2.确定液压缸主要参数 根据系统工作原理可知系统最大负载约为120KN 参照负载选择执行元件工作压力和主机类型选择执行元件工作压力最大负载宜选取18p MPa =。动力滑台要求快进、快退速度相等，选用单杆液压缸。此时液压缸无缸腔面积1A 与有缸腔面积2A 之比为2，即用活塞杆直径d 与活塞直径D 有d=的关系。为防止液压缸冲击，回油路应有背压2P ，暂时取MPa P 6.02=。 从负载循环图上可知，工进时有最大负载，按此负载求液压缸尺寸。根据液压缸活塞力平衡关系可知： M e F A p A p η+= 2211 212A A = 其中，M η为液压缸效率，取95.0=M η 2 46 2 111046.8910)3.04(95.031448)2 (m p p F A M e -?=?-= - = η m A D 1067.014 .31046.894441 =??== -π m D d 075.0707.0== 将D 和d 按GB2348-30圆整就近取标准值，即
摘要 数控机床及其制造系统的柔性化、集成化和网络化水平进一步得到提高，可按照市场需求，实现生产能力快速重组，以适应用户多品种变批量生产的需求，更要在精度上满足客户的需求。 一台机床的精度主要分散在进给系统上，所以若能在进给系统有更高精度的突破，高精度、反向误差小、高负载能力、高可靠性、运行平稳。若满足这些机床的性能指标，从而提高数控机床加工质量和刀具的使用寿命。经济型数控车床适宜加工各种形状复杂的轴、套、盘类零件, 如车削内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、切槽、倒角、车螺纹等，工艺适应性强，加工效率高，精度高，加工质量稳定，可降低对工人技术熟练程度的要求。数控加工编程容易，操作简单，可广泛适用于汽摩配件、家电、液压气动、轴承、仪器仪表、五金阀门等制造业中、小型零件的批量加工，是理想的中小型机械加工设备。 通过技术调研，我们认为经济型数控机床的开发具有可行性。该项目的实施过程，是根据国内市场的需求分析及调研的结果，确定产品的性能，进行总体设计，部件研制，安装，以及整机的调试等一系列过程，需要设计，制造，供应，机加工，装配等一系列的密切配合。 关键词：数控；经济型；设计
目录 摘要 (1) 目录 (2) 1. 总体方案设计 (3) 1.1 设计任务 (3) 1.2 总体方案确定 (3) 2．经济型数控车床进给运动机械部件设计 (3) 2.1 系统脉冲当量 (4) 2.2 切削力计算 (4) 2.2.1 纵车外圆 (4) 2.2.2 横切端面 (5) 2.3 滚动螺旋副选型计算与验算 (5) 2.3.1 纵向进给丝杠 (5) 2.3.2 横向进给丝杠 (7) 2.3.3 滚珠丝杠副几何参数 (9) 2.4 齿轮传动比计算 (9) 2.4.1 纵向进给齿轮传动比计算 (9) 2.4.2 横向进给齿轮传动比计算 (10) 2.5 步进电机的计算与选型 (10) 2.5.1 等效转动惯量计算 (10) 2.5.2 电机力矩计算 (11) 2.5.3 步进电机性能验算 (12) 2.5.4 步进电机型号确定及主要参数列表： (13) 3. 电气控制原理图设计 (14) 3.1 CPU的选择 (14) 3.2 芯片的介绍 (15) 4. 数控加工编程设计 (18) 4.1 加工零件图 (18) 4.2 加工工艺卡的编写 (19) 4.2 加工程序的编写 (20) 总结 (25) 参考文献 (26)
课程设计 课程名称：数控技术课程设计 学院：机械学院专业：机械设计制造及其自动化姓名：学号： 年级：任课教师： 2012年 1 月 16 日
课程设计任务书
课程设计（论文）任务书 学生姓名：指导教师： 任务书发出时间2011年12月25日 设计时间2011年12月26日——2012年1月16日 设计（论文）题目数控技术课程设计 设计（论文）内容 ①结合设计任务的要求拟定总体机械和电气控制设计方案。 ②根据拟定的机械设计方案进行二坐标数控工作台的机械结构设计计算和元件的 选用。 ③根据拟定的电气设计方案进行数控系统控制电路的框图设计及驱动控制电路的 计算和元件选用。 ④根据指定要求进行有关软件的流程图设计。 ⑤对指定的软件程序进行编写。 ⑥进行机械结构的工程图和电气原理图的绘制。 ⑦编写设计说明书。 设计（论文）的要求（含说明书页数、图纸份量） ①方案拟定正确。 ②设计计算根据来源可靠，计算数据准确无误。 ③元气件选用正确规范符合国家颁布标准。 ④机械结构图纸绘制视图完整、符合最新国家标准，图面整洁、质量高。 ⑤电气部份图纸要求符合国家标准，图面布局合理、整洁、质量高。 ⑥机械和电气部份图纸总量为 1.5 张“0”号图量，其中含机械装配图1～2张、 电气控制原理框图及计算机I/O接口和驱动控制电路等电气原理图1～2张。 ⑦课程设计说明书应阐述整个设计内容：如课题来源现实意义、总体方案确定、 系统框图分析、电气执行元件的选用说明、机械传动和驱动电路的设计计算以 及机械和电气的其它部分。说明书要突出重点和特色，图文并茂、文字通畅、 计算正确、字迹清晰、内容完整。说明书页数不少于 20 页
数控机床进给系统设计
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 1.1、伺服系统对伺服电机的要求 （1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min 或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 （2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。 （4）电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 1.2、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反
馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。 直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。 交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。 1.3、主要设计任务参数 车床控制精度：0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度：V max=5m/min。最大加工直径为D =400mm，工作台及刀架重：110㎏；最大轴，向力=160㎏；导轨静摩擦系数=0.2； max 行程=1280mm；步进电机：110BF003；步距角：0.75°；电机转动惯量：J=1.8×10-2㎏.m2。
摘要 本文完成了对数控铣床伺服进给系统的设计。首先确定了总体设计方案，和X、Y、Z三个方向的运动参数，之后根据运动参数确定了数控机床的传动方案，由导程、当量动载荷、最小螺纹底径确定了X、Y、Z三个方向的滚珠丝杠以及由最大切削负载转矩、负载转动惯量等确定了X、Y、Z三个方向的伺服电机，并且校验了X、Y、Z三个方向的伺服进给系统。 确定了结构方案后，用CAXA 实体设计软件对结构中丝杠、导轨、伺服电机等零件进行了3D建模，之后装配出X、Y、Z三个方向的伺服进给系统，并生成出数控铣床伺服进给系统的二维工程图，最后对其进行了运动仿真。 关键词：进给系统；滚珠丝杠；伺服电机；CAXA实体设计
Abstract In this paper, the machine servo systems of the CNC milling are designed. First,overall design scheme is determined，and the motion parameters of the X,Y,Z three directions are determined，then according to the motion parameters，the transmission scheme of the CNC machine is determined，and by the lead, equivalent dynamic load, and bottom diameter of the smallest screw，the ball screws of the X, Y, Z three directions are determined and by the maximum cutting load torque, moment of inertia of the load ，the servo motors of the X, Y, Z three directions are determined，and the servo feed systems of the X, Y, Z three directions are checked. After determining the program of the structure，three-dimensional modeling of the screws 、rails 、servo motors and other parts in the structure are set up by using CAXA physical design software，then the servo systems of the X, Y, Z three directions are assembled，and two-dimensional engineering drawings of the servo systems of the CNC milling machine are generated，finally the motion simulation is set up. Keywords : Feed system;Ball Screw;Servo motor;CAXA physical design
太原科技大学数控技术课程设计 学院：机械工程学院 专业：机械电子工程 班级：机电091201班 姓名：崔世君 学号：200912010103 指导教师：贾育秦 时间：2013年1月15号
数控技术课程设计任务书 一、课程设计题目： 设计轴类零件数控加工工艺规程及数控技术仿真 二、课程设计目的： 通过数控加工工艺课程设计，掌握零件的数控加工工艺的编制及加工方法。 三、课程设计内容： 1.毛坯图一张 2.零件图一张 3.机械加工工艺过程卡一张 4.机械加工工序卡四张 5.仿真结果图一张 6.设计说明书一份 班级：机电091201 学生：崔世君 学号：200912010103 指导教师：贾育秦宋建军 教研室主任：贾育秦
目录 一、前言第3页 二、零件图的工艺分析第3页 1.加工内容第4页 2.毛坯的选择第4页 3.定位基准的确定第4页 4.加工顺序的确定第4页 5.加工工序、工步的确定第5页 三、机床的选择第6页 四、刀具的选择第6页 五、夹具的选择第7页 六、量具的选择第7页 七、切削用量的确定第7页 八、机械加工时间的计算第8页 九、编写数控部分程序第9页 十、数控仿真及其结果第10页十一、总结第13页十二、参考文献第14页
一、前言 制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术是制造业实现自动化、集成化的基础，是提高产品质量，提高劳动生产率不可少的物资手段。数控技术的广泛应用给传统制造业的生产方式、产品结构带来了深刻的变化。也给传统的机械、机电专业的人才带来新的机遇和挑战。 随着我国综合国力的进一步加强。我国经济全面与国际接轨，并逐步成为全球制造中心。现如今，我国企业广泛应用现代化数控技术参与国际竞争。这就体现了学好数控技术的重要性。 这次课程设计让我们更好的熟悉数控车床、确定加工工艺、学会分析零件、学会简单的程序编程以及数控仿真，为走上工作岗位打下坚实的基础。 二、零件图的工艺分析
数控机创进给系统 数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作。 伺服进给系统的作用是根据数控系统传来的指令信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对于工件的移动位置和轨迹。因此，数控机床进给系统，尤其是轮廓控制系统，必须对进给运动的位置和运动的速度两方面同时实现自动控制。 数控机床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。 一个典型的数控机床闭环控制的进给系统组成：位置比较、放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分。 机械传动装置：是指将驱动源旋运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、丝杠螺母副等中间传动机构。 第一节概述 一、数控机床对进给传动系统的要求 1．减少摩擦阻力：在数控机床进给系统中，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副，滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。 2．减少运动惯量 3．高的传动精度与定位精度设计中，通过在进给传动链中加入减速齿轮，以减小脉冲当量(即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离)，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法，可达到提高传动精度和定位精度的目的。 4．宽的进给调速范围：伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可达3～6000mm／min(调速范围1：2000)。 5．响应速度要快：所谓快响应特性是指进给系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象 6．无间隙传动：进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度。因此，应尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法。 7．稳定性好、寿命长：稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。所谓进给系统的寿命，主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，即各传动部件保持其原来制造精度的能力。 8．使用维护方便 二、联轴器 联轴器是用来连接进给机构的两根轴使之一起回转，以传递转矩和运动的一种装置。机器运转时，被连接的两轴不能分离，只有停车后，将联轴器拆开，两轴才能脱开。 联轴器的类型：有液压式、电磁式和机械式；而机械式联轴器是应用最广泛的一种，它借助于机械构件相互间的机械作用力来传递转矩，
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 1.1、伺服系统对伺服电机的要求 （1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 （2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。 （4）电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 1.2、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。
1前言 我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例.但我国在五轴加工技术、高速加工技术、精密加工技术等方面与国外方面还有很大的差距。主要问题有：1缺乏系统深入的科研工作, 难以对各种技术资料进行积累, 设计方法旧。2、缺乏实事的科学精神, 忽视了数控机床本身的技术特点、发展规律, 没有实事地制定数控机床发展的规划, 盲目性大。3、没有合理地运用资源。各个研究所孤军奋战,不通力合作,并且床行业人员素质低, 缺乏各方面人才。4、我国制造业大环境的制约。我国依靠引进和合作生产来发展各类主机, 至今我国许多高性能、新结构的数控机床大都为合作产品, 基本处于仿制阶段。 国产数控机床及其功能部件无论在技术参数上，还是在各种动态指标上，与工业发达国家的同类产品均存在一定差距。目前，国机床集团在引进技术的基础上成功开发出BW60HS／I型系列高速卧式加工中心，并已批量进入市场。该机采用电主轴，主轴最高转速16 000 r／min，由零至最高转速的时间为l s，快速移动速度60 m／min。宁江集团开发的高速加工中心主轴转速高达40 000 r／min。 当前，在数控机床精密化方面，美国的水平最高，不仅生产中小型精密机床，而且由于国防和尖端技术的需要，研究开发了大型精密机床。其代表产品有LLL 实验室研制成功的DTM一3型精密车床和LODTM大型光学金刚石车床，它们是世界公认水平最高的、达到当前技术最前沿的大型精密机床。其它国家也相应研制成功各种类似的装备，如英国的Cran·field、日本的东芝机械等。近年来我国对超精密机床的研制也一直在进行。机床研究所研制成功了JCS一027型超精密车床、JCS一03型超精密铣床、JCS一035型数控超精密车床等。