数控工作台机电系统设计说明书.docx

广西工学院机械工程系

《数控机床》课程设计说明书

设计题目： X-Y数控工作台机电系统设计
班级：
姓名：
指导教师：

广 西 工 学 院
机电一体化教研室
2010年 6 月

目录

一、《数控机床》课程设计目的………………………………………………3
二、设计任务………………………………………………………………………3
三、设计主要步骤……………………………………………………………………3
1、确定设计总体方案………………………………………………………………4
（1）、机械传动部件的选择……………………………………………………4
（2）、控制系统的设计…………………………………………………………4
2、机械传动部件的计算与选型……………………………………………………5
（1）、导轨上移动部件的重量估算……………………………………………5
（2）、计算切削力………………………………………………………………5
（3）、滚珠丝杠传动的设计计算及校验………………………………………6
（4）、步进电机的传动计算及电动机的选用…………………………………9
（5）、滚动导轨的设计计算……………………………………………………15
3、其余附件的选择…………………………………………………………………16
四、控制系统的设计………………………………………………………………17
五、机械部分装配图的绘制………………………………………………………19
六、参考文献…………………………………………………………………………20
七、总结体会…………………………………………………………………………20

一、设计的目的
《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：
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想怪知识，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、 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
4、 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
5、 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
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、 立铣刀最大直径的d=15mm，立铣刀齿数Z=3，最大铣削宽度=15mm
最大背吃刀量=8mm，加工材料为碳素钢或有色金属。
2、X、Z方向的定位精度均为±0.02mm。
3、工作台面尺寸为，加工范围为;
4、工作台空载进给最快移动速度：，工作台进给最快移动速度:，加减速0.4s。

三、设计主要步骤
1、确定设计总方案
⑴、机械传动部件的选择
①、 丝杠螺母副的选择
步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度±0.02mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是±0.01mm和±0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无法做到，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。
同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。
由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。
由于工作台最快的移动速度，所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。
②、导轨副的选用
要设计数控铣床工作台，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、伺服电机的选用
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低，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，决定采用开环控制，任务书初选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3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。
④、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，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。

⑵、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轮廓控制，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。
②、对于步进电动机的开环控制系统，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，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，还要扩展程序存储器，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。

2、机械传动部件的计算和选择
（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800N。
（2）、计算切削力
根据设计任务，加工材料为碳素钢或有色金属及如下参数：
立铣刀 最大直径的d=15mm，
立铣刀齿数Z=3，
最大切削宽度=15mm
最大背吃刀量=8mm，
设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢。由【5】中P13页的表中，可知d=15mm的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：
每齿进给量fz=0.1mm
铣刀转速n=300r/min
由【2】中P200,查得立铣时切削力计算公式为：

代如上式得：
采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由【2】中查得，各铣削力之间的比值范围如下：
=(1.0~1.2) 取1.1
/=(0.2~0.3) 取0.25
/=（0.35~0.4） 取0.38
考虑逆铣时的情况，因为逆铣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铣削力分别为：

考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和
今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削力为。

（3）、滚珠丝杠传动设计计算及校验
①、 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，由【3】中P389，取颠覆力影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数查【1】中P194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：

=1.1×1352+0.005×(307+467+800)
=1500N
②、最大计算动载荷的确定
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P=5mm,则此时丝杠转速=v/P=80r/min。
预计滚珠丝杠的工作五年,每天工作八小时，由此得使用寿命为T=5×360
×8=14400h，根据【1】中P110，公式5—4得：=
其中 T——使用寿命 14400 h
N——循环次数
——滚珠丝杠的当量转速 80r/min
求得：≈72 （）
查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等冲击载荷取值范围，现取，滚道硬度为60HRC时，硬度影响系数取值，由【1】中P109，式5-3
代入数据得：≈8112N
②、 规格型号的初选
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，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GDM系列2005-3型滚珠丝杠副，为内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20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈×2系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于最大计算动载荷=7971，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
公称直径

20
螺距
P
5
接触角

钢球直径

3.175
螺纹滚道法面半径

偏心距

螺纹升角

丝杆
丝杠外径

19.3
丝杠底径

螺杆接触直径

丝杠螺母
螺母螺纹外径

螺母内径（内循环）

表一
④、传动效率的计算
将公称直径d0=20mm,导程P=5mm,代入λ=arctan[P/(d0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。
⑤、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，一端游动”的轴承配置形式。由【1】中P109，可知这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠，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δ，查【3】中相关公式，根据公式，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32，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=120。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=498N。查【3】中相关公式，得， 滚珠与螺纹滚道间接触变形
式中 Pa=
=。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=0.0007mm。
b、 丝杠在工作载荷作用下的抗拉压变形
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=560mm,钢的弹性模量E=2.110MPa,由表一中可知，滚珠直径=3.175mm,丝杠底径=16.2mm，则丝杠的截面积S==206.12,由【7】中，式3-35

其中， 最大工作载荷=1495N
中心距a=560mm
弹性模量E=2.110MPa
截面积S==206.12
代入以上数据，得 =0.019mm
d、则本例中，丝杠的有效行程为500mm，由【3】中知，5级精度滚珠丝杠有效行程在400~500mm时，行程偏差允许达到30，可见丝杠刚度足够。
⑥、稳定性的验算
根据【3】中 式5.7-17 。
取支承系数=2；
由丝杠底径d2=16.2mm求得截面惯性矩3380.88；
压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；
滚动螺母至轴向固定处的距离L=a取最大值560mm。
代入公式，得P=14896kg.f=14896N大于=7533N，故不会失稳，满足使用要求。
⑦、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，由【1】中P111式5-10得：
其中 20-1.2×3.175=1mm
为临界转速计算长度
为丝杠支承方式系数=3.927（一端固定，一端游动）
代入数据得：
临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。
⑧、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GDM2005型的丝杠，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
（4）、步进电机的传动计算及电动机的选用
①传动计算
因为该铣床的加工精度为±0.02mm，考虑到机械传动部分造成的精度损失，故选用铣床的脉冲当量为0.01mm/Hz，
初选步进电动机的步距角α=0.72°。由【1】中P121式5-18得：传动比i=
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。
② 步进电动机的计算和选型
a、步进电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【1】中P134式5-28得：
式中 D为丝杠公称直径D=20mm
L为丝杠长度L=560mm
代入数据，得：J=0.77×20×560×10=6.9×10kg.㎡
ⅱ、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【1】中式5-29得：
其中 M为工作台的（包括工件）的质量M==81.6kg
S为丝杠螺距S=5mm
代入数据，得：
ⅲ、初选常州宝马前杨电机电器有限公司的90YG5502型混合式步进电动机，可知其转子的转动惯量
所以=6.9×10+5.2×10+4×10=5.16×10 N·m
验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，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，
由此可见:,符合惯量匹配要求。
②、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【1】中P132式5-25得：
其中
其中: 为折算到电动机轴上的总惯量==5.16×10
T系统时间常数，由任务书知为T=0.4S
切削时的转速为300r/min
得： N·m

其中： 为导轨摩擦力

S为丝杠螺距S=5mm
i为齿轮降速比，已计算出为1
η为传动链总效率，η=0.7—0.8，取0.8
代入数据 得： N·m

其中： 为最大轴向载荷，
为滚珠丝杠未预紧时的效率，=0.95≥0.9
其余数据同上
代入数据 得： N·m
其中：进给方向的最大切削力
其余参数同上。
代入数据得： N·m
由此都得到等效负载转矩 N·m
b、快速空载时电动机所需力矩M
由【1】中P132式5-24得：
加速力矩其中：
其余参数同上
入数据得： N·m
力矩摩擦其中：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：N·m
附加摩擦力矩：
其余参数同上
代入数据得： N·m
所以可知快速空载时点击所需力矩：
=0.06+0.0004+0.048
=0.1084 N·m
比较和，取其较大者，就是最大等效负载，即：==1.46N.M
③、步进电机的初选
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λ，取λ=3，则步进电机的最大静转矩应满足：
N·m
由所选的电机型号参数可知，最大转矩 N·m，可知满足要求。
④、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=400mm/min，脉冲当量/脉冲，求出电动机对应的运行频率。从90BYG5502电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩4N·m，远远大于最大工作负载转矩=1.46N·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=3000mm/min，求出其对应运行频。由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩=3.5N·m，大于快速空载起动时的负载转矩=0.1084N·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=3000mm/min对应的电动机运行频率为。查图3中相应表格，可知90BYG5502电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。
④ 、起动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。由式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：

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。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有。
综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG5502步进电动机，完全满足设计要求。
⑤、确定选型的步进电机的参数
所选电动机参数如下图所示：

图2
外形尺寸安装接线图和和矩频特性如图3所示

图3

图3
（5）、、滚动导轨的设计计算
①、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：

其中，移动部件重量G=800N,外加载荷F==503N
代入上式，得：
② 、小时额定工作寿命的计算
预期工作台的工作寿命为5年，一年365天，取工作时间为360天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命
③、距离额定寿命计算
由公式，从而得到
式中，为小时额定工作寿命。
n为移动件每分钟往复次数（4—6）取5
S为移动件行程长度，由加工范围为250mm×250mm取520mm
代入数据 得：
④、额定动载荷计算
由公式
从而得到：
式中：为额定动载荷
L为距离工作寿命，由上式可知为4493km
F为滑块的工作载荷，由上式可知为669N
代入数据得：
⑤、产品选型
根据额定动载荷，选择滚动导轨，查滚动导轨生产厂家，选用南京工艺装备制造有限公司的GGB20BA型，相关尺寸如下图4所示，
参考网址：

图4
可知其额定动载荷C=11.6KN，大于5.593KN，故可知满足要求。
⑥、安装连接尺寸。
对于导轨的安装按照如图4所示相关尺寸安装。
3、其余附件的选择
1、联轴器的选择
刚性联轴器结构比较简单，制造容易， 免维护，超强抗油以及耐腐蚀，即使承受负载时也无任何回转间隙，即便是有偏差产生负荷时，刚性联轴器还是刚性传递扭矩。适用于安装底座刚性好、对中精度较高、冲击载荷不大、对减振要求不高的中小功率轴系传动。根据选出的电机和丝杠的参数，选用沈阳光宇科技有限公司的LK13-C32-1012型刚性联轴器。
参考网址

图5

四、控制系统的设计
根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能：
（1） 接受操作面板的开关与按钮信息；
（2） 接受限位开关信号；
（3） 控制X，Y向步进电动机的驱动器；
（4） 与PC机的串行通信。
CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片。W27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展AT89S52的RAM存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。

1、 进给控制系统原理框图

图6

2、 驱动电路流程设计
步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进给0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。

图7 步进电机驱动电路图
该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。
由于步进电机采用的是五相十拍的工作方式（五个线圈A、B、C、D、E），其正转时通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A……….其反转的通电顺序为：A-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A………。
3、驱动电源的选用，及驱动电源与控制器的接线方式
设计中X、Y向步进电动机均为90BYG5502型，生产厂家为常州宝马前杨电机电器有限公司。查步进电动机的资料，选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为50V AC，相电流为3A，分配方式为五相十拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图8所示：

图8

五、机械部分装配图的绘制
装配图见附件CAD A1图纸

六、参考文献
【1】、文怀兴、夏田 .《数控机床系统设计》 北京：北京化工出版社，2005.
【2】、韩荣第 .《金属切削原理与刀具》 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.
【3】、李洪 .《机床设计手册》北京：辽宁科学技术出版社，1999.
【4】、陈家芳.《金属切削工艺手册》 上海：上海科学技术出版社, 2005.
【5】、杨建明. 《数控加工工艺与编程》北京：北京理工大学出版社，2009.
【6】、张新义.《经济型数控机床系统设计》北京：机械工业出版社，2000
【7】、尹志强.《机电一体化系统课程设计指导书》北京:机械工业出版社，2007.

七、总结体会
我觉得这次《数控机床》课程设计是对过去所学专业知识的一个全面的综合的运用。在设计的过程中我全面地温习了以前所学过的知识，包括机械设计基础和机械制图方面的基础知识，还有刚学过的数控机床这门课，经过复习整理所学得专业知识使得设计思路清晰系统。通过设计使我更加接近生产实际，锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的能力，巩固、加深了有关机械设计方面的知识。
还有很重要的一点是让我体会到了一个设计者的精神。在设计过程中既要自己不断思考、创造，又要注意借用现有的资料，掌握了查阅和使用标准、规范、手册、图册、及相关技术资料的基本技能以及计算、绘图、数据处理等方面的能力。
通过对通用机械零件、常用机械传动或简单机械的设计，掌握了一般机械设计的程序和方法，有助于树立正确的工程设计思想，培养独立、全面、科学的机械设计能力。
最后对在整个设计过程中对老师认真、耐心辅导表示衷心的感谢

.（.....）成立于2004年，专注于企业管理培训。