摘要数控机床及其制造系统的柔性化、集成化和网络化水平进一步得到提高，可按照市场需求，实现生产能力快速重组，以适应用户多品种变批量生产的需求，更要在精度上满足客户的需求。

一台机床的精度主要分散在进给系统上，所以若能在进给系统有更高精度的突破，高精度、反向误差小、高负载能力、高可靠性、运行平稳。

若满足这些机床的性能指标，从而提高数控机床加工质量和刀具的使用寿命。

经济型数控车床适宜加工各种形状复杂的轴、套、盘类零件, 如车削内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、切槽、倒角、车螺纹等，工艺适应性强，加工效率高，精度高，加工质量稳定，可降低对工人技术熟练程度的要求。

数控加工编程容易，操作简单，可广泛适用于汽摩配件、家电、液压气动、轴承、仪器仪表、五金阀门等制造业中、小型零件的批量加工，是理想的中小型机械加工设备。

通过技术调研，我们认为经济型数控机床的开发具有可行性。

该项目的实施过程，是根据国内市场的需求分析及调研的结果，确定产品的性能，进行总体设计，部件研制，安装，以及整机的调试等一系列过程，需要设计，制造，供应，机加工，装配等一系列的密切配合。

关键词：数控；经济型；设计目录摘要 (1)目录 (2)1. 总体方案设计 (3)1.1 设计任务 (3)1.2 总体方案确定 (3)2．经济型数控车床进给运动机械部件设计 (3)2.1 系统脉冲当量 (4)2.2 切削力计算 (4)2.2.1 纵车外圆 (4)2.2.2 横切端面 (5)2.3 滚动螺旋副选型计算与验算 (5)2.3.1 纵向进给丝杠 (5)2.3.2 横向进给丝杠 (7)2.3.3 滚珠丝杠副几何参数 (9)2.4 齿轮传动比计算 (9)2.4.1 纵向进给齿轮传动比计算 (9)2.4.2 横向进给齿轮传动比计算 (10)2.5 步进电机的计算与选型 (10)2.5.1 等效转动惯量计算 (10)2.5.2 电机力矩计算 (11)2.5.3 步进电机性能验算 (12)2.5.4 步进电机型号确定及主要参数列表： (13)3. 电气控制原理图设计 (14)3.1 CPU的选择 (14)3.2 芯片的介绍 (15)4. 数控加工编程设计 (18)4.1 加工零件图 (18)4.2 加工工艺卡的编写 (19)4.2 加工程序的编写 (20)总结 (25)参考文献 (26)1. 总体方案设计1.1 设计任务设计一个经济型数控车床进给系统机械部件及数控加工编程设计。

主要内容：（1）经济型数控车床进给运动机械部件设计：部件装配图2张：（横向，纵向各一张）；电气控制原理图1~2张。

（2）数控加工编程：绘制教师指定的数控加工零件图；填写数控加工走刀路线图、数控加工工艺卡；完成零件的数控程序编制。

具体要求：经济型数控车床进给系统设计参数：（1）纵向进给系统：工作台质量W=750N，行程S=700mm，脉冲当量δ=0.01mm/setp，快速进给速度V快=2m/min，最大切削进给速度V进=0.6m/min；（2）横向进给系统: 工作台质量W=320N, 行程S=230mm, 脉冲当量δ=0.005mm/setp, 快速进给速度V快=1m/min, 最大切削进给速度V进=0.3m/min.1.2 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。

定位方式采用增量坐标控制。

为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。

（2）计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。

它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。

控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。

系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。

LED显示数控工作台的状态。

（3）X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。

采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。

2．经济型数控车床进给运动机械部件设计经济型数控车床进给运动机械部件设计内容包括：系统脉冲当量确定，切削力计算，滚动螺旋副选型计算与验算，滚动导轨选型计算与验算，步进电机选型计算和验算等几个部分，下面是进给系统的设计计算，已知设计参数：纵向进给系统：工作台质量 W=750N 行程 S=700mm 脉冲当量 δ=0.01mm/setp 快速进给速度 V 快=2m/min 最大切削进给速度 V 进=0.6m/min 横向进给系统：工作台质量 W=320N 行程 S=230mm 脉冲当量 δ=0.005mm/setp 快速进给速度 V 快=1m/min 最大切削进给速度 V 进=0.3m/min2.1 系统脉冲当量脉冲当量是相对于每一脉冲信号的机床运动部件的位移量，又称作最小设定单位脉冲当量。

脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。

根据设计任务书确定脉冲当量：纵向为δ=0.01mm/setp ，横向为δ=0.005mm/setp 。

2.2 切削力计算2.2.1 纵车外圆根据经验公式计算主切削力，对于车削外圆加工时的主切削力可由下式进行估算：51MAXz D 670F ..=MAX D —车床床身上的最大加工直径，由已知条件行程S=700mm ，得出mm D MAX 750=,经计算得N N F z 1240875067.05..1=⨯= 再按照以下比例计算轴向分力Fz 和径向分力Fx ：402501F F F Y X Z .:.:::=,故F X =3102N, F Y =4963N 2.2.2 横切端面主切削力可取为纵切削力的1/2：N F F Z Z 620421'==此时走刀抗力为'Y F ,吃刀抗力为'X F 。

仍按上述比例粗略计算：402501F F F Y X Z .:.:::'''=故'Y F =1551N ,'X F =2481N2.3 滚动螺旋副选型计算与验算滚动螺旋副工作原理：滚动螺旋副是一种在丝杠和螺母之间放入滚动体 — 滚珠的一种丝杠螺母副。

由于放入滚珠，故，当丝杠相对螺母转动时，滚珠则在螺旋滚道内即自转又循环转动，迫使丝杠螺母之间产生轴向相对运动，于是将丝杠的旋转运动变为螺母的直线运动或将螺母的旋转运动变为丝杠的直线运动。

滚动螺旋副特点：优点：传动效率高，所需驱动转矩小；传动精度高，反向精度高，定位精度高；传动刚度高；传动平稳，快速响应好，无爬行； 磨损小，精度保持性好，寿命长；具有运动可逆性；缺点：制造成本高；不能自锁，铅垂进给时需加制动机构。

滚动螺旋副的设计步骤是：计算进给牵引力，预选主要尺寸参数，计算最大动负荷，计算最大静负荷，初选滚珠丝杠副型号及列表主要参数，绘制进给系统计算简图，验算轴向刚度，验算传动效率，确定滚珠丝杠副型号。

2.3.1 纵向进给丝杠 （1）进给系统牵引力计算纵向进给为综合型导轨，有)('G F f KF F Z X m++=式中：K —考虑颠覆力矩时的影响系数，综合型导轨取K=1.15；f '—导轨摩擦系数，f '=0.15~0.18（取f '=0.16）；G —移动部件重量，G=750N 代入公式计算得()N F m 56727501240816.0310215.1=+⨯+⨯=（2）滚珠丝杠副最大动负荷计算m w F f L C 3=最大切削进给速度min /1m V =进 最大切削力条件下的进给速度min /)3.0~5.0(min /1)3/12/1()3/12/1(m m V V s =⨯-=-=进 取s V =0.4m/min 滚珠丝杠转速01000sv n L =，其中：滚珠丝杠导程初选06L mm =， 则min /6.66r n = 滚珠丝杠寿命值66010n T L ⨯⨯=，其中使用寿命假设为T=15000h ，则)10(606转=L 运转状态系数w f ，按一般运转取21f w .=故N F f L C m w 2.2022443052.16033=⨯⨯== （3）滚珠丝杠螺母副的选型查阅设计手册，可采用W 1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N ，精度等级选为3级。

（4）传动效率计算 ()ϕγγη+=tan tan式中：γ——丝杠螺母升角；ϕ——摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004,其摩擦角约等于10´。

本设计中：94010442442.)tan(tan '''''=+= η （5）刚度验算先画出此纵向进给系统的示意图，如附图一所示。

最大进给率引力为4304N ，支承间距L=1500mm 。

丝杠螺母级轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向力的1/3。

丝杠的拉伸或压缩变形量δ1。

查手册，根据Fm=2530N,D 0=40mm ，查出δL/L=1.2×10-5,可算出 mm 1081150010211500L25L1--⨯=⨯⨯=⨯=..δδ由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。

其实际变形量为：mm 1045041211-⨯=⨯=.'δδ ②滚珠与螺纹滚道间接触变形2δ。

查《机械设计手册》相关图表，W 系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量Q δ: mm 10463Q -⨯=.δ因进行了预紧，故 mm 10231046502133Q 2--⨯=⨯⨯==...δδ③支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3δ。

采用8107型推力球轴承，mm 35d 1=，滚动体直径mm 356d Q .=，滚动体数量Z=18,故mm 10571835625300240Z d F0024032232Q 2m3e -⨯=⨯⨯==....δ因施加预紧力，故mm 1083503e 3-⨯=⨯=..δδ 根据以上计算轴向总变形量为：mm 105113321-⨯=++=.'δδδδ 即轴向总变形小于定位精度。

（6）稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承并施加预紧，不会产生失稳现象，不需要进行稳定性校核。

2.3.2 横向进给丝杠 （1）横向进给率引力'm F横向导轨为燕尾型，计算如下：()()NG F F f F F X Z y m 263032024812620404.015514.124.1'''''=+⨯++⨯=+++=（2）最大动负荷计算NF f L C T n L r L v n m w s 104898.29132.12727101500030601060min /3055.03.010*********60=⨯⨯===⨯⨯=⨯⨯==⨯⨯==(3)滚珠丝杠螺母副的选型查阅设计手册，可采用W 1L2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为8800N ，精度等级选为3级。