X-Y数控机床工作台设计

《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：机械工程数控技术方向班 级：机械Y138班学 号：201300107266姓 名：李 强指导老师：李 冰2016年6月19日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mm a c 15=；最大背吃刀量mm a p 8=；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mm mm 230230×，加工范围为mm mm 250250×4、工作台空载进给最快移动速度：min /3000max max mm v v y x ==，工作台进给最快移动速度:min /400max max mm v v y x ==，加减速0.4s 。

摘要本设计是在数控机床工作原理之上设计一台简单的、经济型的X —Y 数控工作台。

设计任务是完全围绕数控机床工作原理而展开的，本设计充分体现了机械零部件之间的连接、装配关系，同时也体现了数控机床机械设备部分与电气设备部分的紧密结合。

X-Y 数控工作台设计包括总体方案的设计、机械零部件的计算与选型、 步进电机的选用、传动装置的设计。

本设计的经济型数控工作台精度并不高，采用开环系统；机械传动部分采用步进电机直接连接滚珠丝杠，从而驱动工作台进给。

关键词： 数控机床 开环系统 传动装置设计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 machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensingmeasurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and 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 generation's CNC system this kind of 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.目录一、设计内容 (4)二、设计主要步骤 (4)（一）确定设计总体方案 (4)1、机械传动部件的选择 (4)2、方案的对比分析 (5)3、最终设计方案 (5)（二）机械传动部件的计算与选型 (6)1、导轨上移动部件的重量估算 (6)2、计算切削力 (6)3、滚珠丝杆传动的设计计算及效验 (7)4、步进电动机的传动计算及电机选用 (12)5、滚动导轨的设计计算 (18)（三）其余附件的选择 (19)（四）控制系统的设计 (21)第一章致谢 (25)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、设计主要步骤（一）确定设计总体方案1、初拟机械传动部件方案：方案一:①、丝杠螺母副的选择：滚珠丝杠（内循环）②、导轨副的选择：滑动导轨③、伺服电动机的选择：步进电机④、减速装置的选择：消隙式齿轮减速箱方案二：①、丝杠螺母副的选择：滚珠丝杠（外循环）②、导轨副的选择：滚动导轨（滚珠）③、伺服电动机的选择：步进电机④、减速装置的选择：无（直接用联轴器将电动机与丝杠连接，变速直接由脉冲频率来控制）方案三：①、丝杠螺母副的选择：滚珠丝杠（外循环）②、导轨副的选择：滑动导轨（滚珠）③、伺服电动机的选择：步进电机④、减速装置的选择：无2、方案对比分析：（1）丝杠螺母副的选择：对于设计条件X、Y方向定位精度均为mm±，由《数控机床系统设计》02.0P99可得，丝杠的精度要比定位精度要高，可见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。

经对比，最终选择内循环滚珠丝杠，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。

由于安装定位精度不是很高，故选用垫片消隙式进行调隙，这种方法结构简单、刚性好、装卸方便，适用于一般精度的机构。

⑵、导轨副的选择：要设计的数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，对于设计任务精度要求为±，要求精度较高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不mm.002易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。

⑶、伺服电动机的选择：为保证定位精度，选用步进电机作为伺服电机，由《数控机床系统设计》P107得，步进电机精度很高，开环接入也满足本设计精度要求，根据任务要求，空载最快移动速度为3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电机，综合考虑之后选用的电机为混合式步进电机，提高产品经济性。

⑷、减速装置的选择：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。

但步进电机本身就有调速功能，此处设计工作台很小，输出扭矩与惯量负载都很小，步进电机可以承受，所以此处不需要额外减速装置。

3、最终设计方案：①、丝杠螺母副的选择： 滚珠丝杠（内循环）②、导轨副的选择： 滚珠导轨③、伺服电动机的选择： 步进电机（混合式）④、减速装置的选择： 无（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G=800N 。

XY 工作台如图所示:X-Y 数控工作台外形2、 计算切削力根据任务条件1、立铣刀最大直径的d=15mm ；立铣刀齿数Z=3；最大铣削宽度mm a c 15=；最大背吃刀量mm a p 8=；加工材料为碳素钢或有色金属。

设铣刀为硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢，由《切削用量简明手册》查阅 可知d=15mm 的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：由《数控加工工艺与编程》P24表1-9查得，每齿进给量z f =0.15mm 由《数控加工工艺与编程》P24表1-10差得，粗取铣刀切削速度m in /70m v c =计算得min /1486π1000r dv n c ==，查《切削用量简明手册》P111得, 取n=15000r/min由《切削用量简明手册》P110表3.28查得立铣时切削力计算公式为： f f f f f w q u e y z x p F c n d za f a C F 0=将以上各值代入得： N F c 232411801531515.0811913.073.083.075.01=××××=— 采用立铣刀进行圆柱铣削时，查得各切削了之间的关系为：c f F F /=(1.0~1.2) 取1.1c fn F F /=(0.2~0.3) 取0.25c e F F /=（0.35~0.4）取0.38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：N F F c f 25561.1==（与丝杠轴线平行）N F F c fn 58125.0==（与丝杠轴线垂直）N F F c e 88338.0==（与工作台面垂直）相对于工作台，以上各分力方向分别对应：纵向铣削力N F F f x 2556==径向铣削力N F F fn y 581==垂直工作台切削力N F F e z 883==3、滚珠丝杠传动设计计算及校验⑴、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《数控机床系统设计》P180得，滚动导轨上的摩擦系数中可知μ=0.0025-0.005,为安全考虑现取μ=0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：N G F F F F e fn f 2567)800853561(005.02470)(005.0max =+++=+++=⑵、最大计算动载荷的确定任务条件提出工作台进给最快移动速度为V=400mm/min ，初选丝杠导程P=5mm,则此时丝杠转速min /805/4/r oo P V n eq ===。