数控车床设计说明书
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课程设计
课程名称：数控技术课程设计
学院：机械学院专业：机械电子工程
姓名：学号：
年级：任课教师：
2013年9月12日
摘
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系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。
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,其技术范围覆盖很多领域。
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
第
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
3.2.2
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。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
由【6】中P48表3-5可得铣刀切削速度Vc=75m/min
其中T——使用寿命17280 h
N——循环次数
——滚珠丝杠的当量转速80r/min
求得： ≈83（ ）
查【2】中P99，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【2】中P109，式5-3
代入数据得： ≈9586N
、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2505-4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25mm，导程为5mm，滚珠，精度等级取5级，螺母安装尺寸L=80mm，额定动载荷为11921N，大于最大计算动载荷 =9586N，满足要求。
关键字：机电一体化的基础基本组成要素发展趋势滚珠丝杠滚动导轨步进电机
Abstract
Now 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, sensing measurement 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.
其中，移动部件重量G=800N,外加载荷外加载荷
得最大工作载荷 。
、小时额定工作寿命的计算
预期工作台的工作寿命为6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
、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330mm
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230mm×230mm，加工范围为250mm×250mm
4、工作台空载进给最快移动速度：Vxmax=Vymax=3000mm/min，工作台进给最快移动速度: ，加减速0.4s。
第三章
3.1
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
25
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
24.4
丝杠底径
21.2
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
、传动效率的计算
将公称直径d0=25mm,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%。
key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.
第一章
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看法。
、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。
3.
3.2.1
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。
3.1.1
方案一：丝杠螺母副的选择：滑动丝杠副
导轨副的选用：直线滚动导轨
伺服电机的选用：交流伺服电动机
减速装置的选用：齿轮减速箱
方案二：
丝杠螺母副的选择：滚动丝杠副
导轨副的选用：直线滚动导轨
伺服电机的选用：步进电动机
减速装置的选用：齿轮减速箱
方案对比并确定最终方案
、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，相对于滑动丝杠副，滚珠丝杆副的传动精度高，传动效率可达0.92—0.96，运动平稳，低速无爬行现象，动态响应快、寿命长、预紧后可消除反向间隙。维护简单，同步性好有专业厂生产，选用配套方便，故选用滚珠丝杠螺母副。
图4
可知其额定动载荷C=11.6KN，大于6696N，故可知满足要求。
3.2.4
、最大工作载荷的计算
已知移动部件总重量G=800N，滚动导轨上的摩擦系数查【2】中P180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：
=1603+0.005×(367.25+582.8+800)
=1690.5N
、最大计算动载荷的确定
设工作台在承受最大铣削力时wenku.baidu.com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6年,每年算360天，每天工作8小时，由此得使用寿命为：
T=6×360×8=17280h，根据【2】中P100，公式5—4得： =
代入数据得：L=3421km.
、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3421km
F为滑块的工作载荷，由上式可知为782.8N
代入数据得： =6696N
、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，
、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。
、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。
《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
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Vxmax= Vymax=3000mm/min，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。
（与丝杠轴线平行）
（与工作台面垂直）
（与丝杠轴线垂直）
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 。
3.2.3
、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：
r/min
由【1】,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0.4
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：
课程名称：数控技术课程设计
学院：机械学院专业：机械电子工程
姓名：学号：
年级：任课教师：
2013年9月12日
摘
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系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。
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,其技术范围覆盖很多领域。
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
第
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
3.2.2
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。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
由【6】中P48表3-5可得铣刀切削速度Vc=75m/min
其中T——使用寿命17280 h
N——循环次数
——滚珠丝杠的当量转速80r/min
求得： ≈83（ ）
查【2】中P99，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【2】中P109，式5-3
代入数据得： ≈9586N
、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2505-4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25mm，导程为5mm，滚珠，精度等级取5级，螺母安装尺寸L=80mm，额定动载荷为11921N，大于最大计算动载荷 =9586N，满足要求。
关键字：机电一体化的基础基本组成要素发展趋势滚珠丝杠滚动导轨步进电机
Abstract
Now 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, sensing measurement 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.
其中，移动部件重量G=800N,外加载荷外加载荷
得最大工作载荷 。
、小时额定工作寿命的计算
预期工作台的工作寿命为6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
、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330mm
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230mm×230mm，加工范围为250mm×250mm
4、工作台空载进给最快移动速度：Vxmax=Vymax=3000mm/min，工作台进给最快移动速度: ，加减速0.4s。
第三章
3.1
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
25
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
24.4
丝杠底径
21.2
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
、传动效率的计算
将公称直径d0=25mm,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%。
key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.
第一章
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看法。
、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。
3.
3.2.1
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。
3.1.1
方案一：丝杠螺母副的选择：滑动丝杠副
导轨副的选用：直线滚动导轨
伺服电机的选用：交流伺服电动机
减速装置的选用：齿轮减速箱
方案二：
丝杠螺母副的选择：滚动丝杠副
导轨副的选用：直线滚动导轨
伺服电机的选用：步进电动机
减速装置的选用：齿轮减速箱
方案对比并确定最终方案
、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，相对于滑动丝杠副，滚珠丝杆副的传动精度高，传动效率可达0.92—0.96，运动平稳，低速无爬行现象，动态响应快、寿命长、预紧后可消除反向间隙。维护简单，同步性好有专业厂生产，选用配套方便，故选用滚珠丝杠螺母副。
图4
可知其额定动载荷C=11.6KN，大于6696N，故可知满足要求。
3.2.4
、最大工作载荷的计算
已知移动部件总重量G=800N，滚动导轨上的摩擦系数查【2】中P180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：
=1603+0.005×(367.25+582.8+800)
=1690.5N
、最大计算动载荷的确定
设工作台在承受最大铣削力时wenku.baidu.com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6年,每年算360天，每天工作8小时，由此得使用寿命为：
T=6×360×8=17280h，根据【2】中P100，公式5—4得： =
代入数据得：L=3421km.
、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3421km
F为滑块的工作载荷，由上式可知为782.8N
代入数据得： =6696N
、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，
、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。
、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。
《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
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Vxmax= Vymax=3000mm/min，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。
（与丝杠轴线平行）
（与工作台面垂直）
（与丝杠轴线垂直）
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 。
3.2.3
、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：
r/min
由【1】,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0.4
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：