数控机床课程设计说明书

数控机床课程设计 说明书 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 要参数如下： 1、 立铣刀最大直径的 d=15铣刀齿数 Z=3，最大铣削宽度5大背吃刀量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 3、工作台面尺寸为 2 3 0 m m 2 3 0 m m ，加工范围为 2 5 0 m m 2 5 0 m m ; 4、工作台空载进给最快移动速度：m a x m a x 3 0 0 0 m m / m i ，工作台进给最快移动速度 :m a x y m a x 4 0 0 m m / m i nx f ，加减速 、设计主要步骤 2 1、确定设计总方案 、机械传动部件的选择 、丝杠螺母副的选择 根据设计任务要求 ,此立式数控铣床工作台为小型工作台 ,要求 X、 Y ， 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 为定位精度 于机械传动要有一定的精度损失，大约是 1/3的定位精度，现取为 1/2，即是 度要求较高，现选用滚珠丝杆副。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。 滚珠丝杠螺母副的结构：根据条件要求 ,选用内循环的形式，内循环的回路短 ,滚珠数目少 ,流畅性好 ,摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高 ,适用于各种 高灵敏、高刚度的精密进给定位系统。 滚珠丝杠螺母副的预紧：由于次立式工作台有一定的定位精度要求，载荷不大，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，尺寸紧凑，但调整不方便。 滚珠丝杠螺母副的支撑及轴端形式：由于丝杠为卧式安装，工作台行程不长，其最快的移动速度为m a x y m a x 3 0 0 0 m m / m i ，所需的转速不高，且有一定的精度要求，故可以采用一端固定，一端游动的支承形式。 、导轨副的选用 要设计 要承受的载荷不大，行程短，而且脉冲当量小，定位精度适中，因此选用直线滚动导轨副，它具有运动灵敏度高，牵引力小，移动轻便；定位精度高，磨损小，无爬行现象，精度保持性好，润滑系统简单，维修方便，。 、伺服电机的选用 设计要求工作台的 X、 Y 方向的定位精度均为 ，精度要求较高， 现初选混合式步进电机作为伺服驱动电机。步进电机结构简单，维修方便，成本低，性价比高，可以满足设计任务书的传动要求。选用步进电机以后，可以 选开环控制， 也可选半闭环和闭环控制。由于开环控制系统可以达到 的精度，且结构简单、工作稳定、使用维修方便及成本低等优点，可以满足任务书精度要求，且开环控制能够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。 3 、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。 、控制系统的设计 、设计的 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。 、对于步进电动机的开环控制系统，选用 位单片机 为控制系统的 够满足任务书给定的相关指标。 、要设计一台完整的控制系统，在选择 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。 、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 、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。 、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 d 立铣刀齿数 Z 最大切削宽度 15件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由 由 中 查得立铣切削力计算公式为 ： 4 8 （ 1） 由【 5】中 知 d=15 每齿进给量 铣刀转速 n= 则由（ 1）式求的最大铣削力： 5 7 839 0 8 铣削功率 04 0 01 5 7 8 3 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由金属切削原理与刀具表 10各铣削力之间的比值范围如下： fF/eF/ 虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为： 进给力： ； 背向力： ； 垂直进给力： 。 考虑立铣，工作台受到垂直方向的铣削力 84，受到水平方向的铣削力分别为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 736，径向铣削力为 95。 5 、滚珠丝杠传动设计计算及校验 滚珠丝杠的选择包括其精度选择、尺寸规格、支承方式等几个方面的内容。滚珠丝杠副的承载能力用额定动载荷和额定静载荷来表示，在设计中一般按额定动载荷来确定它的尺寸规格。 、最大工作载荷的计算 如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行） 736N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直） 95N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直） 84N。 已知移动部件总重量 G=800N，丝杠承受按滚动导轨计算，由数控机床设计实践指南中 动载荷系数 K=动导轨上的摩擦系数查 毕业设计宝典 中 取 u=得滚珠丝杠副的最大工作载荷： ( F F )e q y Zk u G =1736+(395+584+800) = 、最大计算动载荷的确定 工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v=400mm/选丝杠导程 P=5此时丝杠转速v/P=80r/ 预计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，根据数控机床设计实践指南中 式 4 13得： 66010 = 610N 其中： T 使用寿命 14400 h ； N 循环次数； 滚珠丝杠的当量转速 80r/得： 4 4008060 6 T（ 610r ） 查 数控机床设计实践指南 中 44中等冲击载荷取值范围 ，现取 2.1道硬度为 60度影响系数取值 ，由数控机床设计实践 6 指南中 4 c d h f f F代入数据得： 、规格型号的初选 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查数控机床设计实践指南 选丝杠为内循环、浮动反相器、螺母垫片预紧。型号为 具体参数如下： 型号 d l A B L W H X Y Z Q n Ca(K 5 5 0 63 11 51 51 46 8 4 1280 3110 35 额定动载荷为 1280于最大计算动载荷 于额定动载荷，满足要求。 丝杠长度 :丝杠螺纹部分长度 等于工作台最大行程（ 250螺母长度（ 43两端余程（ 即 3 5 0 精度等级的选择：根据开环系统中使用的滚珠丝杠，任意 300程变动量 ，由于设计要求定位精度为 手册数控机床课程设计 级的精度。 7 、传动效率的计算 将公称直径 50 ,导程 ,代入 )/(a rc ta n 0dP h ，得丝杠螺旋升角383o 。将摩擦角 10 ，代入 ) ,得传动效率 % 。 、刚度的验算 丝杠拉压刚度 它与丝杠螺母机构的安装形式有关。由于 端固定，一端游动”的轴承配置形式。由数控机床设计指南 )m/(4 式中： E 弹性模量（ 一般取 E=105 滚珠丝杠的底径（ a 滚珠丝杠的螺母中心到固定端支撑中心的距离（ )m/( 滚珠丝杠螺母副的轴向接触刚度 滚珠丝杠螺母副接触变形可以计算出轴向接触刚度。由于选用了标准的滚珠丝杠，其值为 )m/(328 轴承的接触刚度：角接触球轴承的轴向刚度按下式计算 313152 )s 式中： z 滚动体个数，这里 Z=15； a 接触角，这里为 60度 滚动体直径，这里为 轴向预紧力，这里为 584N 故 ）（ /427584)0 0 9 2 i 13152 8 系统总刚度 K： 427 1328 1111 m a x 得 推 方式。丝杠的两端各采用对面组配，左、右支承的中心距约为 00 ；钢的弹性模量 ； 查 表 得 滚 珠 直 径 丝 杠 底 径 丝 杠 截 面 积222 64/ 。查机床实用设计手册算得丝杠在工作载荷 用下产生的拉 /压变形量 0 9 (1 根据公式 )3/( ，求得单圈滚珠数 Z=19；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数 列数为 23 ，代入公式 ZZ 圈数 列数，得滚珠总数量 Z=114。丝杠预紧时，取轴向预紧力YJ 3=下式求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 8 1 1 80 0 1 2 因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的 1/3，所以实际变形量可以减少一半，取2= 将以上算出的1和2代入12 总，求得丝杠总变形量（对应跨度 500总=m 。 本例中丝杠的有效行程为 400表知 4 级精度滚珠丝杠有效行程在 400800，行程偏差允许达到 40 m ，可见丝杠刚度足够。 、稳定性的验算 根据数控机床设计指南 中 式 4 。 式中： ；0d 丝杠公称直径； 滚珠直径； 0L 丝杠最大受压长度 9 1f 丝杠支承方式系数，在此由于为一端固定，一端游动，取 1f = 4310 ）（此计算值远远大于设计载荷，故可用。 由丝杠底径 2 / 6 4 压杆稳定安全系数 （丝杠卧式水平安装）； 滚动螺母至轴向固定处的距离 L=00 代入公式，得 4896N 大于533N，故不会失稳，满足使用要求。 、临界转速的验算 对于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速 数控机床设计实践指南中 222c 2 9 1 0 其中 2 0 wd d 1 252 2端固定，一端游动） 代入数据得： 781n 临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。 、滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定 丝杠长度 :丝杠螺纹部分长度250螺母长度（ 43两 10 端余程（ 即 3 5 0 1：略大于 00 、步进电机的传动计算及电动机的选用 、传动计算 因为该铣床的加工精度为 虑到机械传动部分造成的精度损失，故选用铣床的脉冲当量为 z， 初选步进电动机的步距角 =由【 1】中 、步进电动机的计算和选型 、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。 总转动惯量 珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。 、滚珠丝杠的转动惯量 J 由数控机床设计实践指南中 4 1 20 . 7 7 1 0J D L 式中： =25 =350 代入数据，得： J=204 560 1012 =10 作台拆算到丝杠上的转动惯量 由【数控机床设计实践指南中 5 622 10)2( 11 其中： 括工件）的质量 M= =5入数据，得： )( 5( 26622 杠拆算到电机轴上的转动惯量：根据数控机床设计实践指南 据丝杠的选择类型，可知其转子的转动惯量 ）（ 243 1020.2 p 所以 )07 6 446432 r 验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般比值控制在 1/4 1 之间， ）（ 2443 由此可见 :31 14,符合惯量匹配要求。 、步进电机轴上的等效负载转矩 M 的计算 a、承受的负载转矩在不同工况下是不同的，考虑最大切削负载时电动机所需力矩，由数控机床设计指南中 10a t f M M M 其中 : 4r 10767.3 任务书知为 T=00r/： 0 2 9 m 摩擦力矩30 102f i 12 其中： 0； 00584()(0 ；=5 计算出为 1； 为传动链总效率， = 入数据 得： m 附加摩擦力矩 23m a 1 ) 1 02 i 其中 ：a ；0为滚珠丝杠未预紧时的效率，0= 其余数据同上 代入数据 得： m 切削力矩3102 SM i 其中：736t ，其余参数同上。 代入数据得： N m 由此都得到等效负载转矩 M N m b、快速空载时电动机所需力矩 M 由数控机床设计指南中 m a x 0 M M 加速力矩m a xm a x 9 其中：m a xm a x 3000 6 0 0 / m i 其余参数同上 13 带入数据得： a 02f i 其中： 动导轨取 u= 代入数据得： F N m 附加摩擦力矩：23m a 1 ) 1 02 i ；参数同上 代入数据得： 2 m a x 0 M M = m 比较1其较大者，就是最大等效负载，即： M =1M=、步进电机的初选 考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降低时，其输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此按最大等效负载 =3，则步进电机的最大静转矩应满足： a ，具体参数如下： 规格型号 相数 步距角 (O) 静态相电流(A) 相电阻（） 保持转矩（ N m） 定位转矩（ N m） 空载启动频率（ 重量（ 转动惯量（ 90 000 14 最大转矩 6m 体图如下： 、步进电机性能校核 a 、最快工进速度时电动机时输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度00mm/冲当量 /脉冲，求出电动机对应的运行频率m a x 4 0 0 / ( 6 0 0 . 0 1 ) 6 6 7 z 。从 90动机的运行矩频特 15 性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩4N m，远远大于最大工作负载转矩2m，满足要求。 b、最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度000mm/出其对应运行频m a x 3 0 0 0 / ( 6 0 0 . 0 1 ) 5 0 0 0f H z 。由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩m，大于快速空载起动时的负载转矩1m，满足要求。 c、最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度000mm/应的电动机运行频率为 000601000 m a x 空。查图 3中相应表格，可知 900000可见没有超出上限。 d、起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量 23 kg ，电动机转子的转动惯量22 kg ，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 q 2000 。由式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为： 1 1 4 1 . 2 81/q 说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于 实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有 100 综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用 90进电动机，完全满足设计 要 求 。 它 的 结 构 尺 寸 如 下 图 ： 16 3、滚动导轨的设计计算 、工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工 作台多采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为：m 其中，移动部件重量 G=800N,外加载荷 F=84N 代入上式，得： 784m 、小时额定工作寿命的计算 预期工作台的工作寿命为 5 年，一年 365 天，取工作时间为 360 天，每天工作 8 小时，因此得到小时额定工作寿命 1440017 、距离额定寿命计算 由公式 3102 6 0h LL ，从而得到32 6 010hL 式中：4 6）取 5 加工范围为 25025020入数据 得： 4493hL 、额定动载荷计算 由公式 36 ( / ) F，从而得到： 3 / 6 L式中：上式可知为 4493为滑块的工作载荷，由上式可知为 784N 代入数据得： 、产品选型 根据额定动载荷，选择滚动导轨，查滚动导轨生产厂家，选用 南京工艺装备制造有限公司的 A 四方向等载荷窄型滚动直线导轨副型号为 关尺寸如下图4所示，（参考网址： ） 18 可知其额定动载荷 C=于 可知满足要求。 4、其余附件的选择 、联轴器的选择 刚性联轴器结构比较简单，制造容易， 免维护，超强抗油以及耐腐蚀，即使承受负载时也无任何回转间隙，即便是有偏差产生负荷时，刚性联轴器还是刚性传递扭矩。适用于安装底座刚性好、对中精度较高、冲击载荷不大、对减振要求不高的中小功率轴系传动。根据选出的电机和丝杠的参数，选用沈阳光宇科技有限公司的 韩国 性联轴器 ,型号为参考网址 ） 19 型号 d1 L 纹螺栓 最大扭距m 最大推力 高转速r p m 螺栓锁紧扭矩 m 0 20 53 56 61 41 50 6 4500 、 控制系统的设计 根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能： （ 1） 接受操作面板的开关与按钮信息； （ 2） 接受限位开关信号； （ 3） 控制 X， （ 4） 与 位单片机 用 8279，和 6264 芯片做为I/O 和存储器扩展芯片。 做程序存储器，存放监控程序； 6264用来扩展 8279用做键盘和 盘主要是输入工作台方向， 统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。 1、进给控制系统原理框图 微型机光电隔离光电隔离功率放大功率放大步进电机步进电机联轴器联轴器X 向 工 作 台Y 向 工 作 台2、驱动电路流程设计 步 进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为 进电机每走一步，工作台直线行进给 进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有 20 较强的抗干扰性，而且具有保护 功放电路出现故障时，不会将大的电压加在 步进电机驱动电路图 该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当 A 相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管 D 起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放 ，从而保护功放管。与绕组 W 串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。 由于步进电机采用的是五相十拍的工作方式（五个线圈 A、 B、 C、 D、 E），其正转时通电顺序为： . 其反转的通电顺序为： 。 3、驱动电源的选用，及驱动电源与控制器的接线方式 设计中 X、 0步进电动机的资料，选择与之匹配的驱动电源为 入 电压为 80V 电流为 6A，分配方式为五相十拍。该驱动电机接线图如下： ： 21 22 五、参考文献 【 1】、文怀兴、夏田 .数控机床系统设计 北京：北京化工出版社， 2005. 【 2】、韩荣第 .金属切削原理与刀具 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2007. 【 3】、 李洪 .机床设计手册北京： 辽宁科学技术出版社 ， 1999. 【 4】、陈家芳 .金属切削工艺手册 上海： 上海科学技术出版社 , 2005. 【 5】、杨建明 . 数控加工工艺与编程北京：北京理工大学出版社， 2009. 【 6】、张新