XY数控机床设计说明书

1、数控机床课程设计说明书设计题目：X-Y 数控机床工作台设计学院：机械工程学院专业：机械自动化班级：机自Y126学号：3姓名：王舒恒指导老师：冰摘要当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以 下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息 处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感 技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新 一代的CNC（统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以

2、及轻量、微 型化方向发展。关键字： 机电一体化组成要素滚珠丝杠滚动导轨步进电机AbstractNow the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of mach

3、inery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing a

4、nd management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generations CNC system this kind of

5、model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops. key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.第一章 前言

6、1第二章设计主要步骤 2第一节确定设计总体方案 21、 机械传动部件的选择 22、 方案的比较及确定 2第二节机械传动部件的计算与选型 31、 导轨上移动部件的重量估算 32、 计算切削力 43、 滚珠丝杆传动的设计计算及效验 54、 步进电动机的传动计算及电机选用 105、 滚动导轨的设计计算 176、 其余附件的选择18第三章致 21参考文献 21第一章前言当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状在我国对外开放进一步深化的新环境下, 发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性, 并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点

7、看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度, 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备, 又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。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, 而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, 其技术围覆盖很多领域。数控机床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：一、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想关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。二、通过对机械系

8、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。三、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式。四、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。五、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。第二章设计主要步骤第一节 确定设计总方案、机械传动部件的选择（一）、丝杠螺母副的选择，选用滚珠丝杠循环方式（二）、导轨副的选用，选用直线滚动运动导轨。（三）、伺服电动机的选用，选用步进电动机。（一）、丝杠螺母副的选择，选用滚珠丝杠外循环方式（二）、导轨副的选用，选用直线滚动运动导轨。（三）、伺服电动机的选

9、用，选用交流伺服电动机。（一）、丝杠螺母副的选择，滑动丝杠副。（二）、导轨副的选用，选用圆周运动导轨。（三）、伺服电动机的选用，选用直流伺服电动机。二、方案的比较及确定（一）、螺母副的选择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，要满足0.005mm的脉冲当量和 0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。 这样能达到较高的精度要求，而且其摩擦力小，传动效率高，传动平稳，灵敏度高，低 俗无爬行，轴向刚度高，反向定位精度高，磨损小，寿命长，维护简单，传动具有可逆 性，不能自锁，同步性能好，有专业厂生产，选用配套方便。同时选用循环的形式，这样滚珠的回路短，滚

10、珠的数目少，流畅性好，摩擦力小，传动效率高，且径向尺寸紧凑，轴向精度高，但此种循环不能用于多头螺纹传动，回珠 器槽复杂。由于定位精度不高，故选用垫片调隙式调隙方式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。由于工作台最快移动速度v v 3000mm/ min ， 所以转速不高，故可以采用x max y max般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置方式（二）、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铳床，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。（三）、伺服电动机的选用

11、定位精度未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/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。根据以上比较，方案一比较合适，所以选择方案一。第二节机动传动部件的计算与选型一、导轨上移动部件的重量估计根据给定的有效行程，估算X向和Y向工作台承载重量 W和W。XY工作台如图所示X-Y数控工作台外形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、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N二、计算切削力根据设计任务，加工材

12、料为碳素钢或有色金属及如下参数:立铳刀最大直径d=15mm立铳刀齿数z=3最大切削宽度ac=15mm 最大背吃刀量ac=8mm设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铳刀，工件材料为碳素钢，由查是 简明切削手册表3-1式选用硬质合金铳刀由表3-17表3-27查的最大切削参数如下：每齿进给量fZ 0.23mm铳刀转速 n=1875r/ min查表3-28的立铳刀的切削时的切削力计算公式为:FcCFaXFfzyFaUFzaF Wf d0F n FkFc代如上式得：Fc 1166c采用立铳刀进行圆柱铳削时，各铳削力之间的比值可由查得，各铳削力之间的比值围如 下：Ff / Fc=(1.01.2)取 1

13、.1Ffn / Fc =(0.20.3)取 0.25Fe/Fc= (0.350.4)取 0.38考虑逆铳时的情况，因为逆铳的情况的受力最大的情况，为了安全考虑这种最危险 的工况。由此可估算三个方向的铳削力分别为：Ff 1.1Fc 1282.6N (与丝杠轴线平行)Fe 0.38Fc 443.8N (与工作台面垂直)Ffn 0.25Fc 291.5N (与丝杠轴线垂直)考虑立铳，则工作台受到垂直方向的铳削力Fz ,受到水平方向的铳削力分别为 弓和FnFX,径向铳削力为Fy今将水平方向较大的铳削力分配给工作台的纵向，则纵向铳削力Fx Ff 1282.6Fz Fe 443.08N三、滚珠丝杠传动的设

14、计计算及效验（一）、最大工作载荷的计算已知移动部件总重量G=800N按滚动导轨计算，滚动导轨上的摩擦系数查数控机 床系统设计（文怀兴、夏田：化工，2005.）中P170可知u=0.0025 0.005,现取u=0.005 , 求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Feq Fx u（Fy Fz G）=1282.6+0.005X （291.5+443.08+800）=1291N（二）、最大计算动载荷的确定设工作台在承受最大铳削力时的最快进给速度v=400mm/min初选丝杠导程P=6mm,则此时丝杠转速neq=v/P=100/3 r/min 。预计滚珠丝杠的工作5年，每年算300天，每天工作8小时，由此得

15、使用寿命为：T 5 300 8 12000h根据数控机床系统设计（文怀兴、夏田 ：化工，2005.）中P100,公式54得：60neqT106其中 T 使用寿命 12000 hN 循环次数neq 滚珠丝杠的当量转速 80r/min求得：丁,60 100 3 120006 、T 6 24 （ 106 r）10查数控机床系统设计（文怀兴、夏田 ：化工，2005.）中P99,表5-1、5-2得，受中等冲击载荷取值围fd 1.21.5,现取fd 1.3,滚道硬度为60HRCW,硬度影响系数取值fh 1.0,由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 ：化工，2005.）中P99,式5-3CcTfdfhFeq代入

16、数据得:Cc 3 24 1.3 1 1291 4841（三）、规格型号的初选Dimension Table tbj motion Ball Screws:DFU(OIN 690S1 FORM B) n -(flfUM ITEI: 看 Lead Da；璋晟 B泯 Dia n：taH Numbe* cF Ctxuits KJM Stiffness (Kgt/ym) Cc 农国M曾局 eaic的U州 sadCoa 第的定宜为 &asi State 痴咤 Load(KflT)K由利 (l.lmrv晶赢面解神格表ssd1Da0ABLWXHQ自CaCoaKDFLI01604-442aZ84010603S5

17、540MB1MW324064t DFuoieeM1653.175284810100345540M81x4138&305244t 口 FUOI 61g10XI7S234810tie3B5540MG1x31103240135MU02004 间3rt42 38136581080&7&44MB1X41066处751j DfUWWMcv53,175藉seIQtot476644M61x4 5513875弘口 FUO25O4T42 3814021080516.64BM61k4118037956Ct DFU02MW53 175如8210101516&4aMG1U1724*62DFUO25O6-C2561.M9

18、蚓能10IOS516.B4sMG1x4231B6Db7&4DFUOT50B-1e4?B2MB210120516E如MG1142963731367卜 OfU025W4104762406212MS516.648MG2954729507DFUO32O4-442 3415080uao65962MO1x4辎flk DFU032DX63.1755080121026598M6im19225M3740fU032W-463照950eo1210585962ue1耳426327979?8DFLMB2O&-4*JWe4 76250W12127962M61x4XM79622酿t DFU032104100.3550801

19、2162659酸we114480512208&2上 口 FU04005 闻s3.1756393IdW57S970MB1142110胸07DFU040C&440日3豪96393141087B970M61x4加73wn91DFINM008 4ry64J62$393141327B970MB1x4371311347%r Dfuoioio，06/S3931416578970MB1x45399155WW口 AJO50 gSO107511016VI11asU&1x4600410614H7t DFU050204207.14475IIOie2B093H05M8U47142建的侬t 口 FU0G3*106.359

20、412Sia182ioe1195MB114B71925350139DFUO63PO-463209 5259513S2029011513.5100MS1x41 144436653152根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料，选择市南海区中森精密机械 DFU02506-4型滚珠丝杠副，为循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为 25mm导程为6mm循环滚珠为3圈X 2系列，精度等级取5级，螺母安装尺寸L=105mm额定动载荷为11921N,大于最大计算动载荷Cc=4841N,满足要求。滚珠丝杠螺母副几何参数（单位mm名 称符号计算公式和结果丝杠滚 道

21、公称直往d025螺距P6钢球直径dw3.969偏心距ee 0.0449丝杆丝杠外径d24.6丝杠底径d222.7螺杆接触直 径dzdz dw db cos17.75丝杠螺 母螺母螺纹外 径DD d0 2e 2R 23.212螺母径（循环）Di20.14表（四）、传动效率的计算将公称直径d0=25mm程P=6mm，弋入入=arctanP/（ d0）,得丝杠螺旋升角入 =10 62。将摩擦角巾=10,代入”=tan入/tan（入+巾），得传动效率4=98.4%o（五）、刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定一-一端游动”的轴承配置形式。可知这种安装适用于较高精度、轻等载荷的

22、丝杠，一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承，这样能承受集中力偶丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。a、滚珠丝杠滚道间的接触变形量6 ,查机床设计手册（洪.：科学技术，1999） 中相关公式，根据公式Zd0/Dw,求得单圈滚珠数Z=20 ;该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为1 4,代入公式Z Z圈数列数，得滚珠总数量Z =80。丝杠预紧 时，取轴向预紧力Fy Feq/3=431N。查机床设计手册（洪.：科学技术，1999）中 相关公式，得，滚珠与螺纹滚道间接触变形1 0.0013Pa/3 JdwFyZ3式中Pa= i 0.0013Pa/3 jdwFyZ3 =0.0013 14

23、95/3.3.175 498 1203 0.0014。因为丝杠有预 紧力，且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可以减少一半，取 1=0.000307mmb、丝杠在工作载荷Fmax作用下的抗拉压变形2丝杠采用的是一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承的配置形式，轴 承的中心距a=450mm钢的弹性模量E=2.1 10 5 MPa,由表一中可知，滚珠直径 dw=3.969mm,丝杠底径d2=22.7mm,则丝杠的截面积S=u d2/4 =415.48mm2,由机电一 体化系统课程设计指导书（志强.:机械工业出版）中，式3-352 Feqa/ES其中，最大工作载荷Feq=1291N中心距

24、a=450mm弹性模量E=2.1 105MPa截面积 S=u d2/4=415.48mm2代入以上数据，得2=0.0067mm贝U总= 1+ 2= 0.0007+0.0172=0.0179mm=7.007 m这位滚动蛙放副有效行程内的平均温差e和行程变动量mb有期亍程1mM精度襁|12345VupVup*PVupVupg6 二931212附L52323 I3i&-400?6qS1312IBLT2525 J500630g7111116H22213025110甘二1312蜻IS旗2$3531 -18QO1(XX)119 二151321IT四2640331000-125013101814241934

25、29463s _J12501000151121172922403354如口1600200018IS251935254838日5512CW25W3215 二W2241295千4477as 3250051502617 J的荷W346952S309，口 150400032214531G2400050007611074140国 15000-6W一170119本例中，丝杠的有效行程取 300mm由机床设计手册（洪.：科学技术，1999）中 知，5级精度滚珠丝杠有效行程 315mm寸，行程偏差允许达到23 m,可见丝杠刚度足 够。（六）、稳定性的验算根据数控机床系统设计（文怀兴、夏田 ：化工，2005.）

26、中P100Fer 3.4 1010 华 L0d2 de 1.2Dw取支承系数f1=2;d。丝杆公称直径L0丝杆最大受压长度代入公式，得Pa=210900N大于Cc=4841N故不会失稳，满足使用要求。（七）、临界转速的验算对于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转 速入，由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 ：化工，2005.）中P100式5-10得:nc 9910吗Lc2其中d2 d0 1.2Dw 20-1.2 X 3.175=23.7mmLc为临界转速计算长度Lc d2 23.7f2为丝杠支承方式系数f2 =3.927 （一端固定，一端游动）代入数据得：nc =7

27、551r/min临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。（八）、滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定由以上验算可知，选用 DFU0250牌的丝杠，完全符合满足所需要求，故确定选用 该型号。由表一可知丝杠所需的安装连接尺寸。四、步进电动机的传动计算机电动机的选择（一）、传动计算传动计算根据加工精度确定脉冲当量、选择步距角、传动比。因为该铳床的加工 精度为 0.02mm脉冲当量为0.02mm/H考虑到最初决定不用减速箱取减速比i=1算的电机步距角：a =360i 6/Pb=1.2由于传动比为1,则不需要选用减速箱，采用电动机轴与丝杠通过联轴器联接的 方式。（二）、步进电动机的计算和选型a、步进电

28、动机转轴上的总转动惯量的计算总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到 电动机轴上的转动惯量。i、滚珠丝杠的转动惯量J由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 ：化工，2005.）中P123式5-28得：J 0.77D4L 10 12式中 D为丝杠公称直径D=25mmL为丝杠长度=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺 母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半 +裕量）0=300+80+20+140+40=530代入数据，得：J=0.77 X254 X 530X 10 12 =1.59 X 10 4 kg. m2ii、

29、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 ：化工，2005.）中式5-31得:J2 （）2M 10 62冗其中M为工作台的（包括工件）的质量 M=G 800=81.6kg g 9.8S为丝杠螺距S=5mm代入数据，得： V 26 4J2 （）M 102.98 102 n出、初选天创电子技术的TEC3913型混合式步进电动 机，可知其转子的转动惯量J3 3.48 10 4kg.m2所以Jd J1J2J3=1.59 X 10 4+2.98 X 10 4+3.48 X 10 4 =8.05 X 10 4 N m验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的围

30、，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般比值控制在1/4 1之间，J3 = 3.48 10 =0.73Jd 4.75 101 J由此可见：-J3 1,符合惯量匹配要求。 4 Jd（三）、步进电机轴上的等效负载转矩 M的计算a、承受的负载转矩在不同工况下是不同的，考虑最大切削负载时电动机所需力矩，由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 ：化工，2005.）中P122式5-27 得：M1 Mat Mf M0 Mt其中MatJrn96T其中：Jr为折算到电动机轴上的总惯量 Jr =Jd =8.05 x 10T系统时间常数，由任务书知为T=0.4Snt

31、切削时的转速为1875r/min48.05 101875得：Mat = 0.399.6 0.4Mf -F0S- 10 32兀i其中：F。为导轨摩擦力F0 (FZ G)u (468 800) 0.005 6.3NS为丝杠螺距S=5mmi为齿轮降速比，已计算出为1“为传动链总效率，4=0.7 0.8 ,取0.8代入数据得：M f 4.75 10 3 N mMoFa max2九S(1o) 10 3其中：Famax为最大轴向预紧力，Famax=Fz=431N0为滚珠丝杠未预紧时的效率，0=0.98 0.9其余数据同上代入数据得：M0 0.017 N - mFtS3Mtt- 102兀i其中：Ft进给方向

32、的最大切削Ft Fx 1282.6N ,其余参数同上。代入数据得：Mt 1249 N - m由此都得到等效负载转矩Mi Mat M f Mo Mt 1.68 N - mb、快速空载时电动机所需力矩M由数控机床系统设计(文怀兴、夏田 ：化工，2005.)中P132式5-24得:M Mamax Mf M加速力矩:M amaxJ r nmax9.6T其中：nmaxVmaxPT30005600r/min ,其余参数同上。代入数据得:M amax0.105 N m力矩摩擦:GSu 3Mf 1032兀i其中：u为导轨副的摩擦因数，滚动导轨取 u=0.005 ,其余参数同上。代入数据得:Mf0.0039NJ

33、- m附加摩擦力矩:M0去 (12)103其余参数同上。代入数据得:M0 0.017 N m所以可知快速空载时电机所需力矩:M2 Mamax Mf M0=0.1259N m比较M1和M2,取其较大者，就是最大等效负载，即： M =Mi=1.68N.M（四、步进电动机的初选考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降低时，其输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此按最大等效负载M考虑一定的安全系数入，取入=3,则步进电机的最大静转矩应满足：Timax 2M 2 1.68 3.36 N - m j max由所选的电机型号参数可知，最大转矩 Tjmax 5 N - m,可知满足要求

34、。（五）、步进电机性能校核a、最快工进速度时电动机时输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度 Vmaxf =400mm/min脉冲当量0.02mm/脉冲，求出电动机对应的运行频率fmaxf 400/（60 0.02）334Hz。从TEC3913型混合式步进电动机出卖商家信息可知在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf 6Nm远远大于最大工作负载转矩Teq2=1.44N m,满足要求。b、最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快空载移动速度%ax =3000mm/min求出其对应运行 频 f ma=3000/（60 X0.01）=2500 Hz。由TEC3913型混合式步进电动机出卖商

35、家信息可知在 此频率下，电动机的输出转矩Tmax=5N项大于快速空载起动时的负载转矩 Teq1=0.093N m, 满足要求。c、最快空载移动时电动机运行频率校核与快速空载移动速度vmax=3000mm/min对应的电动机运行频率为fmax 2500Hz。由TEC3913型混合式步进电动机出卖商家信息可知在此频率下的空载运行频率可达 15000Hz ,可见没有超出上限。（六）、起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq 8.05 10 4kgcm2,电动机转子的转动惯量Jm 3.5kg cm2,电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq 1800Hz。由式可知步进电动机克服惯性负载的起动

36、频率为：,fqfL q1799 Hz1 Jeq/Jm说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于 1799Hz 0实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用 TEC3913型混合式步进电动机， 完全满足设计要求。（七）、确定选型的步进电机的参数五、导轨副的设计计算（一）、最大工作载荷的计算工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导 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，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为：F G Fmax -6其中，

37、移动部件重量G=800N外加载荷外加载荷F Fe 443N得最大工作载荷800Fmax443 643N0.643kN6（二）、小时额定寿命计算预计工作台的工作寿命为 5年，一年365天，取工作时间为300天，每天工作8 小时，因此得到小时额定工作寿命Lh 5 300 8 12000h（三）、距离额定寿命计算 由公式由公式2LhnS 60从而得到L 3一10 式中：Lh为小时额定工作寿命。n为移动件每分钟往复次数（46）取5S为移动件行程长度，由加工围为 250m佛250mniR 300mm代入数据，得：L=2160km（四）、额定动载荷计算由数控机床系统设计（文怀兴、夏田 ：化工，2005.） P185L 50（ CfH fT fC ）3Ffwfw 11.5 fw载荷系数取1.2fc接触系数，装4个导轨，取0.66fT温度系数，在工作温度为1000cfH 1.0硬度系数，当导轨面硬度为5864HRC代入数据得：Ca =9562 N（五）、产品型号初选根据额定动载荷，选择滚动导轨，查滚动导轨生产厂家，选用银泰科技股份生产的SME（列的带保持器滚珠型导轨，尺寸是 SME 15EA动载荷为15KN相关尺寸如下 图所示：卫号r7胃.叫PvtdD ft d砧1