XY数控工作台机电系统设计《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：姓名：指导教师：广西工学院机电一体化教研室2010年6 月名目一、《数控机床》课程设计目的 (3)二、设计任务 (3)三、设计要紧步骤 (3)1、确定设计总体方案 (4)（1）、机械传动部件的选择 (4)（2）、操纵系统的设计 (4)2、机械传动部件的运算与选型 (5)（1）、导轨上移动部件的重量估算 (5)（2）、运算切削力 (5)（3）、滚珠丝杠传动的设计运算及校验 (6)（4）、步进电机的传动运算及电动机的选用 (9)（5）、滚动导轨的设计运算 (15)3、其余附件的选择 (16)四、操纵系统的设计 (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刻性教学环节，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，要紧目的：1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和把握数控机床的差不多组成及其想怪知识，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，把握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计运算及选用的方式 3、通过对机械系统的设计，把握常用伺服电机的工作原理、运算操纵方法与操纵驱动方式 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、 锤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，要紧参数如下：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±0.02mm 。

3、工作台面尺寸为230mm 230mm ⨯，加工范畴为250mm 250mm ⨯;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、设计要紧步骤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 ，关于机械传动要有一定的精度缺失，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、预紧后可排除反向间隙。

同时选用内循环的形式，因为如此摩擦缺失小，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/minxV V==，所需的转速不高，故能够采纳一样的安装方法，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，需要承担的载荷不大，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，可选开环操纵，也可选闭环操纵。

任务书所给的精度关于步进电动机来说依旧偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的阻碍而失步，决定采纳开环操纵，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,故本设计不必采纳高档次的伺服电机，因此能够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，假如要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。

⑵、操纵系统的设计①、设计的X-Y工作台预备用在数控铣床上，其操纵系统应该具有轮廓操纵，两坐标直线插补与圆弧插补的差不多功能，因此操纵系统设计成连续操纵型。

②、关于步进电动机的开环操纵系统，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为操纵系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。

③、要设计一台完整的操纵系统，在选择CPU之后，还要扩展程序储备器，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、机械传动部件的运算和选择（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，估量重量约为800N 。

（2）、运算切削力依照设计任务，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，采纳硬质合金铣刀，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,查得立铣时切削力运算公式为：0.850.750.73 1.00.10c e z p 118a fd a n Z F -=代如上式得： 0.850.750.73 1.00.10c 118150.11583003N 1229N F -=⨯⨯⨯⨯⨯⨯≈采纳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范畴如下：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考虑逆铣时的情形，因为逆铣的情形的受力最大的情形，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 =≈考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力z F ，受到水平方向的铣削力分别为f F 和fn F今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力x F ，径向铣削力为y F 。

x f F F 1352N == y fn F F 307N ==z e F F 467N ==（3）、滚珠丝杠传动设计运算及校验①、最大工作载荷的运算已知移动部件总重量G=800N ，按滚动导轨运算，由【3】中P389，取颠覆力阻碍系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数查【1】中P194可知u=0.0025—0.005,现取u=0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：x F F (F F )eq y Z k u G =+++=1.1×1352+0.005×(307+467+800)=1500N②、最大运算动载荷的确定设工作台在承担最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min ，初选丝杠导程P=5mm,则现在丝杠转速eq n =v/P=80r/min 。

估量滚珠丝杠的工作五年,每天工作八小时，由此得使用寿命为T=5×360 ×8=14400h ，依照【1】中P110，公式5—4得：'66010eq n T T ==610N -其中 T ——使用寿命 14400 h N ——循环次数eq n ——滚珠丝杠的当量转速 80r/min求得：'660801440010T ⨯⨯=≈72 （610r ） 查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等冲击载荷取值范畴 1.2~1.5d f =，现取 1.3d f =，滚道硬度为60HRC 时，硬度阻碍系数取值 1.0h f =，由【1】中P109，式5-3 3c d h eq C f F =代入数据得：3 1.3 1.01495C=⨯⨯≈8112Nc②、规格型号的初选依照运算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料，选择济宁博特周密丝杠制造生产的GDM系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈×2系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于最大运算动载荷C=7971，满足要求。

c参考网址： :// jsinfo .cn/3ji.asp?id=37滚珠丝杠螺母副几何参数（单位mm）3.1750.52=表一④、传动效率的运算=20mm,导程P=5mm,代入λ=arctan[P/(∏d0)]，得丝杠螺旋升角将公称直径dλ=4°33′。

将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。

⑤、刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采纳“一端固定，一端游动”的轴承配置形式。

由【1】中P109，可知这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠，一端采纳深沟球轴承，一端采纳一对背对背角接触球轴承,如此能承担集中力偶。

丝杠螺母的刚度的验算能够用接触量来校核。

a 、滚珠丝杠滚道间的接触变δ，查【3】中相关公式，依照公式0/W Z d d π=，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数⨯列数为3⨯2，代入公式Z ∑=Z ⨯圈数⨯列数，得滚珠总数量Z ∑=120。

丝杠预紧时，取轴向预紧力eq Fy F =/3=498N 。

查【3】中相关公式，得， 滚珠与螺纹滚道间接触变形 310.0013/Pa δ=式中 Pa=310.0013/Pa δ==30.00131495/0.0014⨯=。

因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，因此实际变形量能够减少一半，取1δ=0.0007mm 。

b 、丝杠在工作载荷max F 作用下的抗拉压变形2δ丝杠采纳的是一端采纳深沟球轴承，一端采纳一对背对背角接触球轴承的配置形式，轴承的中心距a=560mm,钢的弹性模量E=2.1⨯105MPa,由表一中可知，滚珠直径w d =3.175mm,丝杠底径2d =16.2mm ，则丝杠的截面积S=22d /4π=206.122mm ,由【7】中，式3-352F /eq a ES δ=其中， 最大工作载荷F eq =1495N中心距a=560mm 弹性模量E=2.1⨯105MPa截面积S=22d /4π=206.122mm代入以上数据，得 2δ=0.019mmd 、则120.00070.0190.019719.7mm um δδδ=+=+==总本例中，丝杠的有效行程为500mm ，由【3】中知，5级精度滚珠丝杠有效行程在400~500mm 时，行程偏差承诺达到30m μ，可见丝杠刚度足够。