第1章绪论
1.1数控系统的发展及趋势
1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。
数控NC阶段（1952年-1970年）
早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代—电子管；1959年的第二代—晶体管；1965年的第三代—小规模集成电路。
计算机数控（CNC）阶段（1970年-现在）
到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的“通用”两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件—运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。
到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。
到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。
总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代—小型计算
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机；1974年的第五代—微处理器和1990年的第六代—基于PC（国外称为PC-BASED）。
还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的"数控"，实质上已是指"计算机数控"了。
3.数控未来发展的趋势
(1) 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展
基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。
(2) 向高速化和高精度化发展
这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。
(3) 向智能化方向发展
随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。
1.2 数控铣床加工的基本原理
数控控制（Numerical Control）是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种控制方法。
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，是现代化工业生产中的一门新型的，发展十分迅速的高新技术。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，即所谓的数字化装备，其技术范围所覆盖的领域又：机械制造技术；微电子技术；信息处理加工传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；检验监控技术；传感技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的是能技术和最基本的装备。在提高生产率，降低成本，保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；特别是在适应机械产品迅速更新换代，小批量，多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技术的关键。
数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处联盟（International Federation of Information Processing, IEIP）第
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五技术委员会，对数控机床作了如下的定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑的处理具有使用码或其他符号编码指令规定的程序。
数控铣床是发展最早的一种数控机床，以主轴位于垂直方向的立式铣床居多。铣床的主轴只作旋转运动，工作台带动工件作纵，横，垂直三个方向的进给运动，称为升降台式铣床。为了提高刚度，目前多采用主轴既作旋转主运动，又随主轴箱升降台作垂直进给运动，工作台只作纵横2个方向的进给运动的不升降类型铣床。立式数控铣床加工平面凸轮零件，只需要工作台沿横纵2个坐标协调运动，即可以同时到达平面曲面的某一点这种加工轨迹的控制，称为两坐标联动控制（两轴联动）。当加工圆锥台零件时，依靠工作台纵横两坐标协调运动完成圆周加工，加工完一圈后，再沿锥台高度方向提升一个高度，接着改变圆的直径（X,Y的合成值）加工另一圆周，如此下去，直至加工出整个锥台，这称为两轴半控制。如果在圆锥上加工一条螺旋槽曲线，则要求3个坐标进给每时每刻都必须协调运动，即同时到达空间的某一点，这称为三坐标联动控制即三轴联动。三轴联动即可加工复杂的空间曲面。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前3坐标数控立式铣床仍占大多数。一般可进行3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3坐标中的任意两坐标联动加工。此外，还有机床主轴可以绕X、Y、Z坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的4坐标和5坐标数控立式铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程难度更大，设备的价格也更高。数控立式铣床可以附加数控转盘、采用自动交换台、增加靠模装置等来扩大数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。
1.3 课题研究的目的和意义
我国近几年数控铣床工作台虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。
针对传统数控铣床工作台的不足之处及生产中存在的问题，有必要在传统机床的基础上研究出新型数控铣床工作台。通过对传统铣床手动的进给
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系统、夹紧系统及传动系统的创新设计，加入新技术，从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。
数控铣床工作台的发展现状和趋势是：在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型工作台；在性能上将研制以钢为材料的工作台，大幅度提高工作台的承载能力；在形式上继续研制多轴并联，甚至于五轴并联的工作台。
综上所诉，数控工作台的开发和设计具有很高研究的意义.本课题采用类似的机床结构设计成果的方法，进行数控铣床工作台的设计，使其能够实现更好的工业生产自动化。
本课题对数控铣床工作台部件进行了设计，研究数控铣床的结构，主要部件及典型零件的设计方法，其意义如下：
1、通过对数控机床的结构设计和研究掌握机构设计的一般步骤和方法；
2、通过对课题的研究，了解国内外有关数控机床的技术现状和发展趋势；
3、通过毕业设计培养自己的创新精神，提供分析问题和解决问题的能力。
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第2章设计的内容及要求
2.1 设计题目
已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=20000h，中等冲击
X轴方向行程650
Y轴方向行程400
最快速度4.5m/min
进给速度3mm/s
2.2 设计的内容
2.2.1数控装置总体方案的确定
(1).数控装置设计参数的确定；
(2).方案的分析，比较，论证。
2.2.2机械部分的设计
(1).确定脉冲当量；
(2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；
(3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用；
(4).确定伺服电机；
(5).绘制机械结构装配图；
(6).系统等效惯量计算；
(7).系统精度分析。
2.2.3编写课程设计说明书
(1) 说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括
提方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，选用元器件参数的说明；
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(2) 说明书不少于12000字，尽量用计算机完成。
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第3章 工作台总体方案的确定
3.1 机械传动部件的选择
3.1.1 导轨副的选用
要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，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。
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0.001mm 冲当量和01.0 mm 的定位精度，滑动丝杠副为能为力，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 减速装置的选用
选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，考虑到传动精度和缓和减速机工作时轴上的扭转冲击及减轻轴的扭转振动，所以采用联轴器。
3.1.4 伺服电动机的选用
任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm ，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此3000mm/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。
3.1.5 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。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。
考虑到X 、Y 两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X 、Y 两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺
服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。
3.2绘制总体方案图
总体方案图如图所示。
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。
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第4章机械系统的设计计算
4.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计（X向）
铣床工作台的进给运动，由进电机的转动，然后带动车床丝杠传动。在数控车床上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也还有应用滚珠丝杠来转动。原因是普通丝杠传动摩，但总是不太稳定。
所以，在数控车床上要擦系数大，效率低，传动中有间隙。虽然传动中的间隙可以用一些办法来补偿，修正采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动有一系列的优点，但制造工艺较为复杂，成本高，在某些应用上受到一定的限制，但随着数控车床的发展，它的使用将会更加广泛。
滚珠丝杠传动都使用防护罩，以防止空气中的尘土和其它杂物等进入。
滚珠丝杠和滚珠螺母组成滚珠丝杠螺母副，它是把步进电机的转动－角位移，变换成数控车床工作台的的直线位移。
滚珠丝杠螺母副，也简称为滚珠丝杠副，是一种新的传动机构，它是在丝杠和螺母的螺旋槽之间装有滚珠，以此作为中间元件的一种传动机构。
4.1.1 滚珠丝杠副的传动原理
丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽,这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线的滚道,在滚道内装有许多滚珠.当丝杠旋转时,滚珠相对于螺母上的滚道滚动,因此丝杠与螺母之间滚道的摩擦为滚动摩擦.为防止滚珠从螺母中吊出来,在螺母的螺旋槽两端应用挡住器挡住,并设有回路滚道是他的两端连接起来.使滚珠从滚道的一端滚出后,沿着这个回路滚道从新返回到滚道的另一端,可以循环进行不断地滚动。
4.1.2 滚珠丝杠副的传动特点
滚珠丝杠副的优点是:传动效率高,因为它是滚动摩擦,传动效率可达0.92~0.96,比普通的丝杠传动提高3~4倍.由此带来了一系列的优点,如功率损耗小,传动平稳,磨损小,无爬行现象等等.除此而外还有两个特点,一是:一般的丝杠传动总是有间隙,而滚珠丝杠可以消除间隙,所以当丝杠转动反向时,可以没有空程,提高了反向的定位精度,,也增强了传动刚度.二是:一般的丝杠传动只能使旋转运动转变为直线运动,而滚珠丝杠副由于传动的摩擦系数小,所以既能把旋转运动转变为直线运动,也可以从直线运动转变
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为螺旋运动,具有传动的可逆性,因此可以作为主动件,也可以作为从动件.
它也有缺点,主要是元件的精度要求高,光洁度要求也高,所以制造工艺很复杂,成本也高.对于丝杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困难,也限制了使用.
又由于传动的可逆性,所以不能自锁,当应用在垂直传动装置时,由于自重和惯性的关系,在下降过程中不能立刻停止,因此还需要备有制动装置.
4.1.3 滚珠丝杠副的结构与调整
滚珠丝杠副的结构尽管在形式上有很多类型，但其主要区别是在螺纹滚到的型面形状，滚珠循环的方式，轴向间隙的调整和加预紧力的方法等三个方面。
（1）螺纹滚道型面的形状
螺纹滚道型面的形状有很多种，目前国内正式投产的，仅有单圆弧型面和双圆弧型面两种，如图所示。滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂线之间的夹角，称为接触角（ ）。
（a）单圆弧 (b) 双圆弧
图4-1 滚珠丝杠副螺纹滚道型面的截形
（2）单圆弧型面
一般滚道的圆弧半径要比滚柱的半径稍大一些。对于单圆弧型面的螺纹滚道，接触角是随着轴向负载大小而变化的，当轴向负载为零时，接触角也为零；当负载逐渐增大，接触角也逐渐增大。实验证明：当接触角增大时，传动效率，轴向刚度，承载能力都随之增大。
（3）双圆弧型面
双圆弧型面螺纹滚道的接触角是不变的。在偏心距（e）决定后，滚珠与滚道的圆弧角接处，会有很小的空隙。这些空隙虽然能容纳一些脏物，
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但不至于堵塞，反而对滚柱的滚动有利。从传动效率，轴向刚度，承载能力等要求出发，接触角大一些好，但接触角过大制造就会困难。一般接触45，滚道的圆弧半径也同样比滚柱的半径稍大一些。
角为
滚珠的循环方式
目前国内常用的滚珠循环方式由外循环和内循环两种。
（1）外循环方式
如图所示为外循环方式，滚柱在循环过程中与丝杠脱离接触，通过外面的循环回路称为外循环（W系列）。这种外循环是直接在螺母的外圆上铣出螺旋槽，用挡珠器从螺母内部切断螺纹滚道，挡珠滚珠的去路，迫使滚珠导入通向外圆螺旋槽中，构成了外面的旋环回路。外循环的结构和制造较为简单容易，因此应用较广，他可以制成单列或式双列两种的结构形式。
（2）内循环方式
滚柱在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环（N系列），如图所示。这种内循环是在螺母外侧孔中装了一个接通相邻滚道的反向器，借助这个反向器迫使滚珠翻过丝杠的牙顶，而进入相邻的滚道。内循环滚珠丝杠副回路短，工作滚珠数目少，结构尺寸紧凑，流畅性好，摩擦磨损小，传动效率高，轴向刚度和承载能力都较高，具有一系列优点，但制造困难，结构复杂，所以不及外循环方式应用的广泛。
图4-2 外循环的滚珠丝杠图4-3 内循环的滚珠丝杠
4.1.4 轴向间隙的调整和加预紧力的方法
对于滚珠丝杠副，除了单一方向的进给传动精度有一定的要求外，对它的轴向间隙也有严格的要求，以保证反向传动的精度。要把轴向间隙完全消除，也是相当困难的。通常采用双螺母，并加预紧力的方法来消除其轴向间隙。双螺母经加预紧力调整后，能基本上消除轴向间隙。单螺母的滚珠丝杠副是不能调整轴向间隙和预紧力的，其轴向间隙只能依靠滚珠丝杠副本的精度和安装时丝杠和螺母的连接精度来保证。
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双螺母加预紧力消除轴向间隙必须注意两点，一是：通过预紧后产生的力，可促使预拉变形，以减少弹性变形所引起的位移。但预紧力不能太大，否则会使驱动力矩增大，传动效率反而降低，使用寿命也随之缩短。二是：轴向间隙的消除，不能忽视丝杠的安装部分和驱动部分的轴向间隙，应同时调整是它减少到最小。目前常用的双螺母预紧力调整方法有下面三种。
（1）垫片调隙式
如图所示为垫片调隙式，一般用螺钉来连接滚珠丝杠上的两个螺母的凸缘处，在中间加垫片。垫片的厚度是螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。
这种结构特点是结构简单，可靠，装拆方便。但缺点是调整很费时，在工作状态下不能随意调整，因为要更换不同厚度的垫片才能消除间隙，所以是用于一般精度的机构中使用。
（2）螺纹调隙式
如图所示为螺纹调隙式。它是一个螺母的外端有凸缘，而另一个螺母的外端没有凸缘，车有螺纹，它伸出在套筒外，并用两个圆螺母调整好间隙后，再用一圆螺母锁紧螺母锁紧就可以了。
这种结构的特点是结构紧凑，调整方便，所以应用广泛，但调整的位移量不太精确。
图4-4 垫片调隙式图4-5螺纹调隙式齿差调隙式
如图所示为齿差调隙式。它是在两个螺母的凸缘上各有圆齿轮2，两者的齿数值相差一个齿，装入内齿圆3中，内齿圆3是用螺钉1和定位销4固定在套筒5上的。调整是先取下内齿圆3，转动圆柱齿轮2，在两个滚柱螺母相对于滚筒5转动时，可以使两个螺母相互产生角位移，这样滚柱螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道也相对移动是两个螺母中的滚柱分别贴近在螺旋滚到的两个相反的侧面上。消除间隙并产生预紧力后，把内齿圆3套上
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用定位销4固定。
这种结构的特点是调整精确可靠，定位精度高，但结构复杂，仅在高精度的数控机床有所应用。
1——螺钉； 2——圆柱齿轮； 3——内齿圆；
4——定位销； 5——套筒。
图4-6 齿差调隙式
4.1.5 滚珠丝杠的选型与计算
由技术要求, ,丝杠工作长度L=600mm ,
工作寿命h L h 20000
=,传动精度要求mm 001.0±=? （1）求计算载荷
N F K K K F m A H F c 180015000.10.12.1=???==
由条件,查《机电一体化系统设计》表2-6取F K =1.2, 查表2-6取H K =1.0, 表2-4取D 精度, 查表2-6取A K =1.0,)(N F m 为平均工作载荷，更具已知条件估计工作载荷为1500N .
（2）计算额定动载荷计算值Ca`由式(2-4)
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N N L n F C h m C a 8236)1067.120000801800(1067.13434''≈??=?=
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Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/min 。
（5）根据Ca '选择滚珠丝杠副 假设选用FC1型号,按滚珠丝杠的额定动载荷Ca 等于或稍大于Ca '的原则,查表2-9选FC1-2005-2.5以下型号规格
表4-1 FC1型号滚珠丝杠参数
导轨的额定动载荷N C a 8630=满足要求
公称直径mm D 200= 导程5P m m = 螺旋角'334 =λ 滚珠直径
0 3.175d m m =
按表2-1中尺寸计算
滚道半径 R=0..520d =0.52?3.175=1.651mm
偏心距0 3.1750.07()0.07(1.651)0.004422d e R mm =-=-=
丝杠内径mm R e D d 71.16651.120044.02202201=?-?+=-+=
表4-2 滚珠丝杠螺母副几何参数
(4)稳定性验算
〈1〉由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数
丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷
2
2
()
a cr
EI F
l
π
μ
=
其中E=206Gpa
L=0.6m
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