数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计
院系工程技术学院
专业年级08级机化
设计者周少程
指导教师谭为民
成绩
2011年5月28日
目录
一、设计的目的 (3)
二、设计任务 (3)
三、总体方案的确定 (4)
四、机械传动部件的计算与选型 (4)
五、控制系统设计 (13)
六、总结 (14)
一、设计的目的
课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：
1、通过设计，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知识，学习总体的方案拟定、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、设计计算及选用的方式
3培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想4锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力
二、设计任务
题目：X —Y 数控工作台机电系统设计
任务：设计一种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d=20mm；
2）立铣刀齿数Z=3；
3）最大铣削宽度mm a e 15=；
4）最大背吃刀量mm a p 10=；
5）加工材料为碳素钢；
6）X、Y 方向的脉冲当量mm y x 005.0==δδ/脉冲；
7）X、Y 方向的定位精度均为mm 02.0±；
8）工作台尺寸230mmX230mm,加工范围为250mmX250；
9）工作台空载最快移动速度min /2000mm v v y x ==；
10）工作台进给最快移动速度min /250max max mm v v f y f x ==；
11）移动部件总重量为1000N；
12）每齿进给量mm
f z 1.0=13）铣刀转速n=300r/min
三、总体方案的确定
1机械传动部件的计算与选型
1.1导轨副的选用要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
1.2丝杆螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量mm
±和的定位精度，滑动滑动丝
02
.0
杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。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。
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，为了使机床精度更高决定不使用减速装置，而选择步距角较小的步进电机或用运动控制卡进行细分。
1.4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，空载最快速度也只有2000mm/min。因此，本设计不必采用高档
次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。
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。任务书所给的精度对于步进电动机来说不是很高的，为了节约成本，决定采用开
环控制。
2.控制系统的设计
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)对于步进电动机的半闭环控制，选用8031控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。
3)要设计一台完整的控制系统，在选择CPU 之后，还需要扩展程序储存器、数据存储器、键盘与显示电路、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。四、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、滚珠丝杠副、直线滚动导轨
副、导轨座等，估计重量约为1000N。
2.铣削力的计算
设零件的加工方式为立式铣削，采用硬
质合金立铣刀，工件的材料为碳素钢。则由
表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：
Z n a d f a F p z e c 13.00.173.075.085.0118−=(1)
今选择铣刀直径d=20mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削的情况下，取得最大铣削宽度mm a e 15=，背吃刀量mm a p 10=，每齿进给量mm f z 1.0=，铣刀转速n=300r/min。则由(1)式求得最大铣削力：
N
N F c 1482330010201.01511813.00.173.075.085.0≈××××××=−采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：N F F c f 16311.1≈=，
N F F c e 56338.0≈=，。图3-4a 为卧铣情况，现在考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力N F F e z 563==，受到水平方向的铣削力N F F c fn 37125.0≈=分别f F 和fn F 。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杆轴线方向），则纵向铣削力N F F f x 1631==，径向铣削力N F F fn y 563==。
3.直线滚动导轨副的计算与选型
（1）滑块承受工作载荷max F 的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：
F G F +=4max (2)
其中，移动部件重量G=1000N，外加载荷N F F z 563==，代入式（2），得最大工作载荷kN N F 813.0813max ==。
（1）查表3-41，根据工作载荷KN F 813.0max =，初选直线滚动导轨副的型
号为KL 系列的JSA-LG15型，其额定动载荷kN G a 94.7=，额定静载荷kN G a 5.90=。
（2）由于工作台面尺寸为mm mm 230230×，加工范围为mm mm 250250×，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35得，选取导轨的长度为520mm 。（3）距离额定寿命L 的计算
上述选取的KL 系列JSA —LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC ，工作温度不超过100摄氏度，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大，查表分别取，硬度系数
5.19.081.000.10.1=====W R c T H f f f f f 、载荷系数、精度系数、接触系数、温度系数，得距离寿命:
km F C f f f f f L a W R c T H 534650(3max
≈ו=远大于期望值50km ，故距离额定寿命满足要求。
4滚珠丝杠螺母副的计算与选型
（1）最大工作载荷m F 的计算
