铣床的数控X-Y工作台设计

论文（设计）任务书

注：本表按自然班填写。于动员时发给学生。不够纸请另附页。

前言

设计目的

数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题---数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。

设计要求

课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。

课程设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机构（或装置）的设计、计算机I/O接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。

说明书的内容应包括：课程设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分配器等）的说明。

该课程设计的内容及方法，可以归纳如下：

1.采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。

2.选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。

3.精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。

4.学会使用手册及图表资料。

1.总体方案的确定

1.1设计参数

系统分辨率为0.01mm，其它设计参数如下表。

工作台草图

1.2初选步进电动机和丝杠

当传动比i=1时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由

i=

p

b L δθ360

(公式2-1) 错误！未找到引用源。，θb 为步进电机步距角Lo 为滚珠丝杠导程、p δ为系统脉冲当量。

选电动机型号为55BF009，其步矩角b θ=?9.0

选丝杠规格为2004-3(FYND) 其导程为4mm,

由传动比公式p

b L i δθ??=

3600得 101.03604

9.0=??=

i 故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。

预选由广州菱科自动化设备有限公司生产的LK13系列刚性联轴器（https://www.360docs.net/doc/2818567382.html, ）。

1.3初定工作台尺寸

查《机电一体化设计手册》，根据(GB/T 158-1996)选工作台T 型槽尺寸如下：

深度H=15mm

槽低宽度B ＝12mm 槽宽A ＝6mm C ＝6mm

槽数＝5，间隔＝40mm

；

由工作台加工范围200*150选工作台尺寸

240

1.4系统组成框图

2.机械部分的设计

2.1传动系统等效转动惯量计算

2.1.1机转子转动惯量查《指导书》表面2-18得20701.0cm kg J D ?=

2.1.2丝杠的转动惯量由《指导书》公式2-3有2341078.0cm kg L D J S ???=-得

234424.010340278.0cm kg J S ?=???=-

2.1.3工作台转动惯量G J

由于工作台材料为碳钢，故其质量为

kg v m 74.6220024108.73=????==-ρ

2220.0273.074.6)14

.324.0()2(cm

kg m L J G =??=??=π 由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计

2.1.4总转动惯量计算

25214.00273.0424.00701.0cm kg J J J J G S D ?=++=++=∑

2.2工作载荷分析及计算

铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用圆柱铣刀,铣刀材料选择高速钢.查《金属切削手册》P 398常用铣刀介绍表，选择细齿锥柄立铣刀， 其尺寸参数如下：D=16mm,齿数Z=4。 2.2.1

查《金属切削手册》P 417细齿锥柄立铣刀切削用量表得铣削速度min /20m v =

查《铣工》表2－4，初选f a ＝0.03mm 因此可得 m i n /3754

03.045

r Z a v n f =?=?=

查《机械制造基础课程设计指导书》表4-15立式铣床主轴转速表，选铣床型号X51，查其转速表并将转速圆整为min /380r n =

实际切削速度为min /1.191000

380

1614.31000

m n

d v =??=

??=π

故实际mm n Z v a f 0296.0380

445=?=?=

2.2.2

根据《指导书》表2-2得高速钢铣刀铣削公式为

z a d a a C F p f

e

FZ Z ?????=-86

.00

72

.086

.081.9

查《指导书》表2-3得铣削力系数2.68=FZ C

有N F Z 139.19552160296.052.6881.986.072

.086.0=??????=-

2.3进给工作台工作载荷计算

故有纵向进给方向

N F N F LS LN 625.175139.1959.0167.234139.1952.1=?==?=

工作台垂直进给方向N

F N F VS VN 11.156139.1958.054.58139.1953.0=?==?=

工作台横向进给方向N F F CS CN 055.78139.1954.0=?==

2.4滚珠丝杠螺母副的选型和校核

2.4.1最大工作载荷的计算

滚珠丝杠上的工作载荷m F 为走刀抗力，移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。 由于选择的导轨要求结构紧凑，间隙调整方便，摩损小，有良好的精度保持性且运动平稳，故选择直线滚动导轨，在此设计中还要求导轨能承受一定的颠覆力矩，所以选择燕尾导轨的实验公式进行计算，由式2-11

)2('G F F f kF F C V L m +?++= 4.1=k

2.0'=f

将所得数据代入公式有：

N F m 974.383)052.66055.78211.156(2.0167.2344.1=+?+?+?=

2.4.2最大动负载C 的计算及主要尺寸初选

滚珠丝杠最大运载荷m m F f L C ??=3 由《指导书》中可知6

10

60t

n L ??=

KN

C N C r L r L v n a 747.736.1661974.3832125.1010125.1010

15000

25.1160min

/25.114

045.010*********

0=<=??=?=??=

=?=?= 2.4.3传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率η为

)(?λλ

η+=tg tg 查得'

10'552==??λ（或可由00D arctgL ?=πλ算出） 946.0)

'10'552('

552=+??=

tg tg η

2.4.4刚度验算

丝杠的拉压变形量的计算 满载时拉压变形量：

mm A E L F m 00269.04

/5.1714.3106.20340

974.383241=????=??=

δ

滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2δ 由《指导书》式2-17得3

2

20013.0∑

???

=Z F D F YJ W m

δ

式中W D 为滚珠直径，mm D W 381.2=

∑Z 为滚珠总数量个列数圈数691323=??=??=∑Z Z

233)381

.220

14.3(

3)(

≈-?=-?=W

m

D d Z π

N F F m YJ 991.1273/974.3833/===为预紧力

m m 001.0698

.9991

.127381.28.9/974.3830013.03

2

2=??

?

=δ

滚珠丝杠副刚度的验算

丝杠总变形量mm 00369.0001.000269.021=+=+=δδδ 变形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005 δ=0.00369<0.005 因此符合设计要求。 2.4.5压杆稳定性验算

由《指导书》式2-18 失稳时的临界载荷K F 为 2/L I E f F Z K ???=π

丝杠截面惯量矩4

429.3190

64/20mm I =?=π 查《指导书》表2-11得0.2=Z f

N F K 49075300/29.3190106.2014.3224=????=

稳定性安全系数[]49.131974.383/49075/=>>===K m K K n F F n 故丝杠符合要求

2.5导轨的选型和计算

由于选择的导轨为直线滚动导轨由《指导书》式2-20

L ＝50（F C a

f

f f f W

C

T H ）3

每个滑块的的工作载荷N F G F

vs

h

993.954

11

.1568.749.64

=+=

+=

取硬度系数

f

H

＝0.53、

f

T

=1、

f

C

＝0.81、

f

W

＝2

预设导轨寿命L=50KM 则根据此寿命可算出

C

a

＝ 3267kN

故选导轨型号GDA20SV 符合要求，查《指导书》表2－16可知其

C

a

=12.4KN

2.6驱动电机的选用

根据脉冲当量和最大静转矩初选择电机 2.6.1步距角的选择

已知脉冲当量脉冲/01.0mm P =δ

由公式2-23

P P b i L δδθ==??≤??01.0360

14

9.03600代入数据得

2.6.2步进电机输出转矩的选择

查《指导书》表2-17得 步进电机启动转矩K M 与最大静转矩max j M 的关系有

707.0/max =j Kq M M

2.6.2.1加速度力矩

2max

10602-∑

∑????==t

n J J M Ka πε

cm

N M r v n ka P b ?=?????

==??=??=

-093.4101

.060750

14.325214.0min

/750360

01.09

.030003602max max δθ

2.6.2.2空载摩擦力矩（取传动系统总效率8.0=η）

.、cm N i L f G M kf ?=?????+=?????=

029.01

8.014.324

.0005.0)831.6052.66(2'0ηπ

N G 052.66＝工作台,N G 831.68.9697.0＝＝丝杠?

2.6.2.2附加摩擦力矩

cm N i L F M YJ ?=-????=-????=

876.1)9.01(1

8.014.324.0)3/974.383()1(222

000ηηπ

0η 为滚珠丝杠未预紧时的传动效率取9.00=η

故电机空载启动力矩

cm

N M M cm N M M M M kq j ka kf Kq ?===?=++=++=471.8707.0/989.5707.0/989.5876.1093.4029.01max 0

784

.008471.01max

作用在工作台的合力'

F 的计算，逆铣的时候合力大

N F F F F CS VS LS 867.188055.7811.156625.1752222

22'=++=++=

作用在工作台上的合力'

F 折算到电机上的转矩

cm N i L F M F ?=????=???=037.151

8.014.324.0867.18820''

ηπ 运动部件正常工作时的总负载转矩

cm 026.21'0?=+++=N M M M M M F ka kf Kq

故运动部件正常运行时需的最大静转矩2max j M

5.0~3.0/2max fq j M M = 此处取0.5代入得

cm N M j ?==

052.425

.0026

.212max 784.0.4205.02max <=m N M j

按步进电机最大静转矩选择要求

{}2

m ax 1

m ax m ax

,j j j M

M

Max M

≥

所以， 查表2-18选择步进电机55BF009

2.6.3启动矩频特性校核

查《指导书》图2-21步进电机启动矩频特性曲线

当启动力矩m N M kq ?=3278.0时对应的允许启动频率Hz f yq 8000>，而由表2-18查得电机的启动频率

Hz f q 8000=

yq q f f <

，保证了电机快速启动时不丢步。

运行矩频特性校核

快速进给运行矩频特性校核：

由式2-34得，快进力矩cm N M M M kf KJ ?=+=+=905.1876.1029.00 查《指导书》2-22得，允许快进频率Hz f ykj 8000> 由式2-33得电机最高快进频率

Hz v f P kj 500001

.0603

1000601000max =??=??=

δ