X_Y数控工作台机电系统设计说明

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：

：

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

a=15mm

c 最大背吃刀量

a=8mm，加工材料为碳素钢或有色金属。

p

2、X、Z方向的定位精度均为±0.02mm。

3、工作台面尺寸为230mm230mm

⨯;

⨯，加工围为250mm250mm

4、工作台空载进给最快移动速度：max max 3000mm /min x y V V ==，工作台进给最快移动速度:max ymax 400mm /min x f f V V ==，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max ymax 3000mm /min x V V ==，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e a =15mm 最大背吃刀量p a =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：

0.850.750.73 1.00.10

c e z p 118a f

d a n Z F -=

代如上式得： 0.850.750.73 1.00.10c 118150.11583003N 1229N F -=⨯⨯⨯⨯⨯⨯≈

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围如下：

f F /c F =(1.0~1.2) 取1.1 fn F /c F =(0.2~0.3) 取0.25 e F /c F =（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： f c F 1.1F 1356N =≈ e c F 0.38F 468N =≈

fn c F 0.25F 308N =≈