数控铣床X-Y工作台结构设计

数控铣床X-Y工作台结构设计说明书

目录

摘要 (1)

Abstract (2)

第1章绪论 (3)

1.1 课题来源及研究目的和意义 (4)

1.2 数控铣床的现状及趋势 (4)

1.3 数控铣床进给机构的方案分析..........................

错误！未定义书签。

1.3.1 机械结构分析....................................

错误！未定义书签。

1.3.2 机械结构总体方案和布局..........................

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第2章机械结构的设计..................................错误！未定义书签。

2.1滚珠丝杠的设计 (13)

2.2滚珠丝杠副丝杠副传动法面截形，循环方式等的确定 (14)

2.3滚珠丝杠的预紧 (15)

2.4滚珠丝杠选取与校核 (17)

第3章滚动轴承的选取与计算 (20)

3.1 轴向滚珠丝杠轴和径向滚珠丝杠轴受力分析 (20)

3.2 计算轴承寿命 (22)

3.3当量载荷 (23)

第4章步进电机的选取及设计计算 (26)

4.1转动惯量计算 (26)

4.2将负载质量换算成电机输出轴上的转动惯量 (27)

4.3计算电机输出的总力矩 (27)

4.4负载起动频率估算 (27)

第5章联轴器的选取 (28)

第6章齿轮减速器的选取 (28)

第七章进给系统精度校核 (33)

7.1支承滚珠丝杠轴承的变形 (33)

7.2支承滚珠丝杠轴承的轴向变形 (34)

第八章关于Solidworks设计 (35)

8.1 草图绘制 (36)

8.2基准特征，参考几何体的创建 (37)

8.3拉伸、旋转、扫描和放样特征建 (38)

8.4工程图的设计 (39)

8.5装配设计 (40)

第九章三维设计总结 (41)

结论 (39)

参考文献 (42)

致谢 (43)

摘要

X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单。实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本，是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。X-Y数控工作台机电系统设计是利用8031单片机，及2764, 6264存储器及8155芯片等硬件组成，在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能。

其基本思想是通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工，每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转，同时通8155将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀，电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构简单，条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构采用模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多处理方向发展。

X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场;由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以

实现转子带动丝杠作相应的运动。本题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用。

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。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的X—Y工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液旅驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。例如：可倾回转工作台，它可以实现用于数控机床和加工中心机床上，可利用原机床的两个控制坐

标控制转台的回转和倾斜，也可直接利用本转台配套的数控装置与机床联接完成所需的工作循环。它可以完成任意角度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并可达到较高的精度另外也可用于非数控钻、铣镗类机床上，独立完成等分和不等分的角度分度工作。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，

国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。

因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此工作台的设计具有重要意义，我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。

absraote

X-Y Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working X-Y environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.

This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading.X-Y The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.

s. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building,

metallurgy, electronics, light industry and atomic .The principle, technical pare-maters, transmiting system and main parts structure of mincing ma-chine were introduced. The productingcapacity was analysed.Keywords Mincing machine Holds plate Cutting blade Transfer auger

This paper discusses the meat processing machinery - crusher working principle, main technical parameters, transmission system, the typical parts of the structure design and production capacity analysis.umatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working X-Y environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.

This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and

regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.

s. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic .The principle, technical pare-maters, transmiting system and main parts structure of mincing ma-chine were introduced. The productingcapacity was analysed.Keywords Mincing machine Holds plate Cutting blade Transfer auger

This paper discusses the meat processing machinery - crusher working principle, main technical parameters, transmission system, the typical parts of the structure design and production capacity analysis.

Small twisted paper broken machine for ordinary home, not only can be used for minced meat, can also be used with crushed peanuts, crushed ice, spices and other foo

Small twisted paper broken machine for ordinary home, not only can be used for minced X-Y meat, can also be used with crushed peanuts, crushed ice, spices and other food, small power requirements, powered by the motor drive, reasonable structure design, can meet the family kitchen generally meat

food consisting mainly of minced required.

Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom.

第1章绪论

1.1 课题的来源及研究的目的和意义

本设计所设计的X-Y工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过MCS-51单片机来控制步进电机，使X-Y工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。本设计所设计的X-Y工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加工，所以其功能远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品。通过对X-Y工作台的设计，能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过课程设计，初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。

在本设计中着重介绍了如何对X-Y工作台进行设计，对导轨、丝杠、电机、选用和数控控制电路的设计和其控制程序的编制等方面进行了深入的分析。

数控技术的发展历程：数控铣床品种繁多，规格不一，可按通用铣床的分类方法分为以下3类：

数控立式铣床：数控立式铣床主轴轴线垂直于水平面，这种铣床占数控铣床的大多数，应用范围也最广。目前三坐标数控立式铣床占数控铣床的大多数，一般可进行三轴联动加工。

卧式数控铣床：卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面。

为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转台或万能数控转台的方式来实现四轴和五轴联动加工。这样既可以加工工件侧面的连续回转轮廓，又可以实现在一次装夹中通过转台改变零件的加工位置也就是通常所说的工位，进行多个位置或工作面的加工。

立卧两用转换铣床：这类铣床的主轴可以进行转换，可在同一台数控铣床上进行立式加工和卧式加工，同时具备立、卧式铣床的功能。铣床是用铣刀进行切削加的机床,铣床的加工情况如图1-1所示。在铣床上，用不同铣刀可以对平面、斜面、沟槽、台阶、T形槽、燕尾槽等表面进行加工，另外配上分度头或回转台还可以加工齿轮、螺旋面、花键轴、凸轮等各种成型表面。故铣床的万能性强，应用范围很广。铣床的主参数是工作台面宽度及长度。图1-1铣床上的典型工作铣床的工艺特点如下：

(1)铣床的主轴带动铣刀作旋转主运动；

(2)铣刀是多齿、多刃连续进行切削；

(3)多数铣床由工作台带动工件作直线进给运动；

(4)铣刀在切削时，每个刀齿的切削过程是断续的，同时参加切削的齿数是变化的，每个刀齿的切削厚度也是变化的，因此容易引起机床振动；

(5)铣削时，铣刀同时参加切削的齿数较多，便于采用较大的铣削速度和进给给量，因而生产效率高。我国的数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期。也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国外先进水平。目前，已新开发出数控系统80种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。

我国数控机床产业面临的挑战是国内市场占有率偏低。据有关资料表明,年国产数控机床的市场占有率仅为38.88%。造成这种严峻的形势,除客观原因外,主要是产品的质量、可靠性不过硬。“十五”期间,我国机械制造工业正朝着精密化、柔性化、集成化、自动化、智能化方面迅速发展,国内数控机床需求强劲,我国数控机床产业适逢极好的发展机遇。然而,我国加入ＷＴＯ后,

国外生产的数控机床将会更多的进入我国市场市场竞争更为激烈。提高国产数控机床市场占有率,关键在于提高质量和可靠性。几年来,经过对国内外数控机床的机械结构剖析和使用性能的调研,探索和总结了数控机床机械结构设计和制造的新技术。现时主要存在有以下几个问题：

（1）缺乏产业规模

（2）缺乏发展数控产业的政策和技术配套体系

（3）缺乏技术创新，产品更新和产业调整的内在动力

（4）面临国外强手竞争的巨大压力

回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个阶段叫做NC阶段，经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自1970年开始小型计算机开始用于数控系统就进入了第二个阶段，叫做CNC阶段，成为第四代数控系统：从1974年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展，数控系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高。实际上从20世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而第六代——开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥越来越重要的作用。

1.2数控铣床的现状及趋势

随着科学技术的发展、制造技术的进步和人类生活水平的提高，以及社会对产品质量和品种的多样化的要求趋势日益增强。中、小批量生产的比例明显增加，对数控机床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地构筑面向用户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求具有网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式。为此，近10年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。就体系结构而言，当今世界上的数控系统大致分为4种类型：传统数控系统、“PC嵌入N C结构的数控系统、“N C 嵌入PC”结构的开放式数控统、开放式数控系统。特别是进入20

世纪90年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正在不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就。目前外数控机床的性能正朝着高速化、高精度、高效率、高柔性、高自动化、高可靠性、智能化、复合化、网络化、开放式体系结构等方向迅速发展这将对数控机床机械结构设计和制造的质量和可靠性提出更高的要求。“十五”期间,我国机械制造行业必须瞄准国际数控机床发展的科学前沿,开拓创新,消化吸收国外先进技术,开创我国数控机床设计和制造技术的新局面。

1.3 数控铣床进给机构的方案分析

1.3.1机械结构分析

本课题是设计一种数控铣床X-Y工作台的机构，此工作台可以在X,Y轴两个方向自由移动，由电动机控制，人们只需启动和关闭开关，即可实现病床在任意位置的停止，可以实现将工件移动到指定的位置，为加工提供方便。

由于为了进给机构可以实现多种方案，本课题升降装置采用电机驱动滚珠丝杆的方式来带动工作台的平移，现提供以下设计方案：

图1 步进电机驱动滚珠丝杆进给机构方案1 此种方案为传统的的进给机构设计方案，此种方案步进电机与滚珠丝杆通过联轴器固结，丝杆螺母装在滚珠丝杆上面，保持滚珠丝杆与工作台通过螺纹连接，，这种方法由于滚珠丝杆动，从而带动丝杆螺母转动，从而实现工作台的平移，可以做X、Y方向的移动，从而实现钻床工作台的快速进给。此种方案结构简洁，造价低廉，定位精准，可靠，符合此次设计的要求，因此此种方案虽然是传统的设计方法，但切合实际，我们优先考虑。

图3 X-Y 工作台大体布局图

1.3.2机械结构总体方案和布局

本课题选用的是滚珠丝杠螺母副。因为滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构，在数控机床上得到广泛应。它的传动特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母之间装有滚珠作为中间传动元件。当丝杠和螺母相对运动时，滚珠沿丝杠螺旋槽滚道滚动，因此丝杠和螺母之间基本上为滚动摩擦。并且滚珠丝杠螺母副的动（静）摩擦系数相差极小，配以滚动导轨，起动力矩很小，运动灵敏，低速时不会出现爬行。滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互动的传动装。它具有以下优点:

（1）摩擦损失小、传动效率高传动效率可达92%--96%，是普通丝杠传动的3～4倍，而驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的25%。

（2）运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行由于主要存在的是滚动摩擦，不仅动、静摩擦因数都很小，且其差值小，因而启动转矩小，动作灵敏。

工作台安装架

（3）轴向刚度高、反向定位精度高由于可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度高，反向时无空行程，定位精度高。

4）滚珠丝杠螺母副主要零件均经过热处理，其滚面的硬度值可达602H R C，因而耐磨性好，寿命长，精度稳定性好。

（5）磨损小、寿命长、维护简单使用寿命是普通滑动丝杠的4～10倍。

（6）传动具有可逆性、不能自锁由于摩擦因数小、不能自锁，因面使该机构的传动具有可逆性，可以把旋转运动转化为直线运动，还可以把直线运动转化为旋转运动。由于不能自锁，在作垂直运动时应附加装或防止逆转的装置防止工作台因自重而下降。因为滚珠丝杠螺母副与普通丝杠螺母副相比有这么多的优点，因此，本题目选用滚珠丝杠螺母副。

第2章机械结构的设计

2.1滚珠丝杠的设计

滚珠丝杆具有以下特点：

（1）传动效率高

滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%～98%，为传统的滑动丝杠系统的2～4倍，能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、

动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。

（3）高精度

滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和

对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和 钢球滚动接触处均经硬化（HRC58～63）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命同步性好由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很性 与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。

一般来说滚珠丝杠在工作中应该预紧以提高丝杠的刚度，从而提 高传动精度，但在本机械系统中由于丝杠所承受的弯矩很小，所以我觉得没必要进行预紧，所以安装方式是一端固定一端游动的形式。X 轴向的工作台与其上面所安装的机械结构重力约10N ，焊枪在焊接时由于电流作用与工件之间的相互吸引力约2N 。

2.2滚珠丝杠副丝杠副传动法面截形，循环方式等的确定

查《机械传动设计手册》，根据滚珠丝杠副螺纹滚道法面截形、参数和特点的比较选择如下：

（1）确定选择螺纹滚道法面截形为单圆弧，参数公式见表8.2-11，接触角为 =45°。其特点是：磨削滚道的砂轮成形简便，可得到较高的加工精度。有较高的接触强度，但比值s r /W D 小，运行时摩擦损

失增大。接触角α随初始间隙和轴向载荷的大小变化，为保证α=o 45，

必须严格控制径向间隙。图示如图2

图2 单圆弧法面截形

（2）单圆弧法面截形要求消除间隙和调整预紧必须采用双螺母结构。

（3）根据机床的特点，选用内循环浮动式反向器，其特点是径向尺寸小，循环通道短，摩擦损失小，传动效率高。

2.3 滚珠丝杠的预紧

滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有要求，以保证其反向传动的精度。我们通常采用双螺母结构预紧方式（图3）

图3 双螺母结构预紧示意图

双螺母预紧的结构通常有三种：

1.垫片调隙式(图4)

图4 垫片调隙式

调整方法：调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。为便于调整，垫片常制成剖分式。

特点：结构简单，装卸方便，刚度高；但调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧。适用于高刚度重载传动。

2.螺纹调隙式(图5)

图5 螺纹调隙式

调整方式：调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。

特点：结构紧凑，工作可靠，调整方便；但准确性差，且易于松动。用于刚度要求不高或需随时调节预紧力的传动。

3.齿差调隙式(图6)