数控机床课程设计-- X-Y数控工作台设计

《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

I 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

II 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。 .................................................. 7

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

1 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mmd15；立铣刀齿数3Z；最大铣削宽度mmac15；最大背吃刀量8pa；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mm02.0。

3）工作台尺寸为mmmm240220，加工范围为mmmm260240；

4）工作台空载最快移动速度min/3000maxmaxmmvvyx，工作台进给最快移动速度min/400maxmaxmmvvyx，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mm02.0的定位精度，初选mm01.0的脉冲当量。而滑动丝杠副的定位精度普遍为mm05.0，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

2 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min/3000mmv，定位精度为mm02.0，加工范围为mmmm260240，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mm02.0，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mm01.0，定位精度为mm02.0，最快移动速度为min/3000mm。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

（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、上层电控制

介质 数控装置 伺服机构 工作台