立式数控铣床X-Y工作台设计

新疆工程学院

数控方向课程设计说明书

数控铣床X-Y数控工作台的设计

院（系）机械工程学院

专业机械工程及自动化

班级

学生

指导老师

2013 年 1 月 1 日

数控方向课程设计任务书

兹发给机械班学生设计任务书，内容如下：

1．设计题目：

2．应完成的项目：

（1）确定设计总方案

（2）机械传动部件的计算与选择

（3）控制系统的设计

（4）驱动电路的设计

（5）机械部分装备图的绘制

（6）编写20页左右的详细说明书

3．参考资料以及说明：

（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）杨建明. 《数控加工工艺与编程》北京：北京理工大学出版社，2009.

4．本设计任务书于2012年11 月14日发出，应于2012年12月21日前完成，然后进行答辩。

指导教师签发年月日课程设计评语：

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课程设计总评成绩：

指导教师签字：

年月日

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目录

第一章前言 0

第二章设计任务 (1)

第三章设计主要步骤 (1)

3.1 确定设计总方案 (1)

3.1.1机械传动部件的选择 (1)

3.1.2 控制系统的设计 (2)

3.2 机械传动部件的计算和选择 (3)

3.2.1 工作台外形尺寸及重量初步估算 (3)

3.2.2 计算切削力 (4)

3.2.3滚动导轨的设计计算 (5)

3.2.4 滚珠丝杠传动设计计算及校验 (7)

3.2.5 步进电机的传动计算及电动机的选用 (11)

第四章控制系统的设计 (18)

4.1 进给控制系统原理框图 (19)

4.2 驱动电路流程设计 (19)

4.3 驱动电源的选用，及驱动电源与控制器的接线方式 (20)

第五章驱动电路设计 (21)

5.1 驱动电路的时间常数 (21)

5.2 电源电路的确定 (21)

5.3 元器件的确定 (22)

5.3.1 确定三极管 (22)

5.3.2 确定R2和R3 (22)

第六章机械部分装配图的绘制 (23)

第七章结论 (23)

参考文献 (24)

致谢 (25)

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 ,其技术范围覆盖很多领域。

《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：

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

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

第二章 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c a =15mm

最大背吃刀量p a =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±0.04mm 。

3、工作台面尺寸为250mm ×250mm ，加工范围为300mm ×120mm

4、工作台空载进给最快移动速度： V xmax = V ymax =1500mm/min ，工作台进给最快移动速度:max ymax 400mm /min x f f V V ==，加减速0.3s 。

第三章 设计主要步骤

3.1 确定设计总方案

3.1.1 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±0.04mm ，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±0.02mm 和±0.04mm 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V xmax = V ymax =1500mm/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。

○

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1500mm/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。

3.1.2 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。

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4、选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。