CXK650数控多功能组合机床铣钻工作台设计(带CAD图）
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CXK650
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CXK650数控多功能组合机床铣钻工作台设计(带CAD图）,CXK650,数控,多功能,组合,机床,钻工,设计,CAD
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编号： 毕业设计(论文)任务书题 目： CXK650数控多功能组合机床 铣钻工作台设计 一、毕业设计（论文）的内容1、对CXK650数控多功能组合机床、铣钻工作台方案调研。2、伺服电机、线性导轨、轴承、滚珠丝杆、同步轮等产品选型以及它的设计要点。3、运动分析及理论计算。4、铣钻工作台总装配图设计。5、铣钻工作台轴承及轴的计算6、完成关键零件工作图设计。7、英文翻译。二、毕业设计（论文）的要求与数据1、铣钻工作台主要参数：1）定位精度：0.01mm，X轴方向行程550mm，Y轴方向行程300mm 2）最快速度3.5m/min，进给速度3mm/s 3）进给功率0.75KW，转数（无级）70-2000r/min2、铣钻工作台外形要求：美观实用、连接紧密可靠。3、铣钻工作台结构设计要求：设计合理、轴承选用及轴的设计合理。4、其他参数根据调研情况自行确定。4、结构设计要求合理，工作台要有足够的强度及使用寿命。5、工程图要有正确的标注，包括尺寸公差和形位公差，且符合国家标准。6、说明书格式要符合统一标准，要有英文翻译、目录、参考文献（至少一篇外文）。7、数据要求尽可能准确、合理（未给数据自定）。三、毕业设计（论文）应完成的工作1、完成1.5万字左右的毕业设计说明书（论文），要求将毕业设计的开题、调研、理论计算、方案选择、结构设计、通用部件选型、最终选定方案的总装设计、部件设计、零件设计等做出详尽说明；2、毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要；3、完成与课题相关，不少于2万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；4、绘出总装图，零件图：部分绘出工作台面、联轴器、端盖零件图。5、绘制工程设计图纸量：折合为2张0号图纸以上（含2张）。四、应收集的资料及主要参考文献1 王少怀.机械设计师手册M.北京：电子工业出版社，2006.2 周开勤.机械零件手册（第五版）M.北京：高等教育出版社，2001.3 祝莉平 翟栋.面向制造的机床并行公差优化设计J.制造技术与机床，2011(3).4 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册M.北京：北京高等教育出版社，2006.5 张接信.组合机床及其自动化M. 北京：人民交通出版社，2009.6 岑军健.非标准机械设计手册M.北京：国防工业出版社，2008. 7 隋秀凛，高安邦.实用机床设计手册M.北京：机械工业出版社，2010. 8 王凡.实用机械制造工艺设计手册M.北京：机械工业出版社，2008. 9 杨峻峰.机床及夹具M.北京：清华大学出版社，2005. 10 Serope Kalpakjian，Steven R.Schmid.Manufacturing Engineering and Technology（6th Edition）.London：Prentice Hall，2009.11 上海市金属切削技术协会主编.金属切削手册M.上海：上海科学技术出版社，2006.任务下达时间：2016年 12月 12 日毕业设计开始与完成时间：2016年 12月 12日至 2017 年 5月 19日组织实施单位：桂林电子科技大学信息科技学院机电工程系教研室主任意见：签字： 2016 年 12 月 9 日系领导小组意见：签字： 2016 年 12 月 10 日毕业设计（论文）进度计划表 学号：1353100225 姓名：黄冠华 序号起止日期计划完成内容实际完成内容检查日期检查人签名12016.12.12-12.18开题准备212.19-12.25校内/网上收集资料312.26-2017.01.02开题报告401.03-01.10开题调研502.27-03.05调研报告/资料整理603.06-03.12计算与理论分析703.13-03.19方案比较与选择803.20-03.26方案确定及总体布置903.27-04.02建模1004.03-04.09总装设计及绘制装配总图1104.10-04.16部件设计及绘制部件图纸1204.17-04.23拆分零件，绘制零件图纸1304.24-04.30拆分零件，绘制零件图纸1405.01-05.07毕业设计说明书编撰1505.08-05.14毕业设计/说明书整理装订1605.15-05.19毕业设计答辩准备与最终答辩任务下达时间：2016-12-12 编号： 毕业设计(论文)任务书题 目： CXK650数控多功能组合机床 铣钻工作台设计 毕业设计（论 文）开题报告1本课题的目的及研究意义 本课题的目的是对CXK650数控多功能组合机床的铣钻工作台的设计，对CXK650数控多功能组合机床的铣钻工作台方案进行调研。了解和掌握钻刻机床工作台的传递方式方面的设计，并且能有所创新。传统的机械加工都是用手工操作普通机床作业的，加工时用手摇动机械刀具切削金属，靠眼睛用卡尺等工具测量产品的精度的。现代工业早已使用电脑数字化控制的机床进行作业了，数控机床可以按照技术人员事先编好的程序自动对任何产品和零部件直接进行加工了。这就是我们说的数控加工。数控加工广泛应用在所有机械加工的任何领域，更是模具加工的发展趋势和重要和必要的技术手段。数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥良好的经济效果。本设计涉及到CXK650数控多功能组合机床的铣钻工作台的设计，解决遇到的问题，2本课题的国内外的研究现状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。铣钻工作台是CXK650数控多功能组合机床的重要组成部分，研究它的现状对它的未来发展方向是非常有意义的。目前在国内，铣钻工作台在数控机床上的使用是十分广泛的，几乎可以说是标配，它能够使零件的加工更加方便，快速。能够大大的减轻劳动力，缩短加工生产时间提高生产效率，已经广泛应用于数控机床及各类机电一体化产品上。但和国外的同等产品对比，我们可以发现有不少差距，尤其在其制造精度，高效性，多样性，复合功能等有明显差距，国外大量具备数字化，集成化，智能化的组合机床在不断出现，应用在各行各业，极大的促进了工业的发展，我国也必须跟上时代的潮流，我们的各行各业也对产品提出了更高的要求，而铣钻工作台也是其中一方面。毕业设计（论 文）开题报告3本课题的研究内容 本课题的研究内容主要是CXK650数控多功能组合机床的铣钻工作台进行设计，希望能够设计出更好的产品。先是对CXK650数控多功能组合机床的铣钻工作台方案调研。然后对其伺服电机、线性导轨、轴承、滚珠丝杆、同步轮等产品选型以及设计它的要点。对其运动进行分析然后进行设计。4本课题的实行方案、进度及预期效果本课题的实行方案是1、先进行对CXK650数控多功能组合机床的铣钻工作台方案调研。2、对铣钻工作台进行运动分析及理论计算。3、然后对其伺服电机、线性导轨、轴承、滚珠丝杆、同步轮等产品进行选型以及记录它的设计要点。4、完成关键零件工作图设计。5、进行铣钻工作台轴承及轴的计算。6、进行铣钻工作台总装配图设计。7、绘制总成图纸及各部系统零件图纸。8、撰写设计说明书。毕业设计（论 文）开题报告5、已查阅参考文献：（10篇以上中文，至少1篇英文） 1. 王少怀.机械设计师手册M.北京：电子工业出版社，2006. 2. 周开勤.机械零件手册（第五版）M.北京：高等教育出版社，2001. 3. 祝莉平 翟栋.面向制造的机床并行公差优化设计J.制造技术与机床，2011(3). 4. 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册M.北京：北京高等教育出版社，2006. 5. 张接信.组合机床及其自动化M. 北京：人民交通出版社，2009. 6. 岑军健.非标准机械设计手册M.北京：国防工业出版社，2008. 7. 隋秀凛，高安邦.实用机床设计手册M.北京：机械工业出版社，2010. 8. 王凡.实用机械制造工艺设计手册M.北京：机械工业出版社，2008. 9. 杨峻峰.机床及夹具M.北京：清华大学出版社，2005. 10.Serope Kalpakjian，Steven R.Schmid.Manufacturing Engineering and Technology（6th Edition）.London：Prentice Hall，2009. 11.上海市金属切削技术协会主编.金属切削手册M.上海：上海科学技术出版社，2006.指导教师意见 指导教师：2017年 1月3日开题小组意见开题小组组长（签字）：2017年 1 月 5日系审查意见 系领导（公章）： 2017年 1 月6日编号： 毕业设计(论文)题 目： CXK650数控多功能组合机床 铣钻工作台设计 摘 要通用多功能组合机床工作台数控设备的发展日新月异，高速化、高精度化、 复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化以成为数控机床发展的趋势和方向。中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资 源等方面的优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很 大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力缩短与发达国 家之间的差距。力争早日实现通用多功能组合机床工作台数控设备产品从低端到高端、从初级产品到高精尖端产品制作的变更。数控多功能组合机床工作台设计整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上，丝杆带动丝杆螺母，从而带动整机运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本论文研究内容：(1) 数控多功能组合机床工作台装置总体结构设计。(2) 数控多功能组合机床工作台装置工作性能分析。(3) 电动机的选择。(4) 数控多功能组合机床工作台装置的传动系统、执行部件设计。(5) 对设计零件进行设计计算分析和校核。(6) 绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词：CXK650，数控多功能，组合机床，工作台， 联轴器，滚珠丝杠 VAbstractDevelopment of numerical control machine table universal multifunction device changing, high speed, high precision, complex, intelligent, of open, parallel drive, network, extreme, green and direction to become the trend of development of CNC machine tools . China as a manufacturing country, mainly rely on advantages in labor, price, resources, and innovation and independent product development technology gap with foreign counterparts is still very great. China CNC industry can not be complacent, should seize the opportunity to continue to develop, and efforts to reduce the gap between developed countries. Strive for the early realization of universal multifunction machine table CNC equipment from low-end to high-end products, from primary products to sophisticated end products to make changes. NC multifunction machine table design the whole structure is mainly produced by the electric motor power the power needed to pass through the coupling to the screw, screw drive screw nut, so as to drive the whole movement, improve labor productivity and the level of automation . More show its superiority, it has a broad development prospects. Contents of this paper: (1) CNC machine tool table multifunction apparatus overall structural design. (2) NC table multifunction device performance analysis tool. (3) selection of the motor. (4) Transmission of CNC machine tool table multifunction apparatus performs part design. (5) Calculation of the design of the part design and analysis check. (6) Part two assembly drawing FIG important component assembly and the design part and FIG. Key words:CXK650, CNC multi-function, combined machine, table, couplings, ball screw目 录1 绪论11.1 课题的研究意义11.2 工作台的种类用途介绍11.3 数控多功能组合机床工作台的结构设计21.4 数控多功能组合机床工作台发展现状31.5 数控多功能组合机床工作台发展趋势42 数控多功能组合机床工作台装置总体结构设计62.1 设计的要求与数据62.2 总体结构设计63 工作台X方向结构及传动设计83.1 X向滚珠丝杆副的选择93.1.1导程确定93.1.2确定丝杆的等效转速93.1.3估计工作台质量及负重93.1.4确定丝杆的等效负载103.1.5确定丝杆所受的最大动载荷103.1.6精度的选择113.1.7选择滚珠丝杆型号113.2 校核123.2.1 临界压缩负荷验证123.2.2临界转速验证133.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率143.3 电机的选择143.3.1电机轴的转动惯量153.3.2电机扭矩计算164 工作台Y方向结构设计184.1 Y轴滚动导轨副的计算、选择184.2 滚珠丝杠计算、选择194.3 步进电机惯性负载的计算22结 论25参考文献26致 谢271 绪论1.1 课题的研究意义 数控设备是用数控指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技 术。它广泛应用于机械制造和自动化领域，数控设备的应用不但给传统的制造业 带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控设备的不断发展和应用领域的扩大，所以 通用多功能组合机床工作台数控工作台设计对国计民生的一些重要行业（IT 汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用。 目前国内中小企业多采用经济型通用多功能组合机床工作台数控系统，其加工速度慢、编程复杂、人机界面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。因此研制 和开发一套基于双单片机的 通用多功能组合机床工作台数控冲床数控系统， 用于装配新冲床或对经济型 数控冲床进行改造，能够有效的改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编 写用户加工程序， 对提高企业生产效率、 改善工人的工作环境有很大的实际意义, 工作台是机床上必不可少的部件，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳 动生产率。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改 造以后，不但可以提高加工精度和生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量 的市场需求，使之更有效的发挥经济效益和设计效益。 总而言之，目前，通用多功能组合机床工作台数控设备的发展日新月异，高速化、高精度化、 复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化以成为数控机 床发展的趋势和方向。中国作为一个制作大国，主要还是依靠劳动力、价格、资 源等方面的优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很 大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力缩短与发达国 家之间的差距。力争早日实现 通用多功能组合机床工作台数控设备产品从低端到高端、从初级产品到高精尖端产品制作的变更。1.2 工作台的种类用途介绍 作为机床上的主要部件，工作台的种类根据结构及用途的不同可以分成多种，根据工作台的传动形式的不同可以分为电动、气动、数控、液压以及机械传动等多种不同类型的工作台，讲述工作台各种不同类型的主要用途。1、直线工作台：是可为设备提供直线运动的机械装置，可以立式使用也可卧式使用，可以组合成特定的运动机构，比如组合成多功能组合机床工作台，把两组按照X轴和Y轴的方向交叉成十字型，故此而得名。它的工作原理是通过一组固定在另一组的滑块上。即把X轴固定在Y轴上， X轴的滑块作为运动对象，可以由Y轴控制滑块的Y方向运动，也可以由X轴控制滑块的X方向运动，通常由电机带动运行。2、电动工作台：也是直线工作台里面的一种，是由滑板和电机驱动的构成。通过电机带动工件自动线性运动，多方向轴组成运动机构，在业内通常叫做工业机械手、XYZ轴机械手等。3、液压工作台：它是机械工作台中的一种，是组合机床、对头铣床及一些专用机床的主体床身，是由电机作为传动源，丝杆传动在变速箱的作用下，可以得到多种进给速度。它的优点为刚度强，所以热变形小，加上进给稳定性强，精度高，结构简单，维修方便，在机床方面应用的比较多。4、机械工作台：机械工作台主要是用是机床的主要部件，采用双封闭结构精度高，刚度高热变形小，它的进给稳定性强，它的原理是在床身上进行纵向运动，困为它是丝杆传动再有变速箱的作用，可以使组合机床有多种可选择的速度。机械工作台的组成和工作原理，结构组成主要由工作台、滑座及电机、传动装置等主要部件组成。滑块在进给电机的带动下能够在机座上来回行走，考虑到在加工中需要倒退运行，所以对进给电机要有反转的操作控制。因为工作台是采用丝杠传动，在变速箱的作用下，可以获得多种快慢速度的运行，使之能够有着高精度的加工工艺。可以用来完成钻、铰、镗、攻丝、倒角、加工端面等多种工序。也可工作台上安装动力头或其它附件后，可对工件进行切削、钻削、镗削等多种操作，如果使用若干个不同规格的工作台组合，可以对比较复杂的工件进行加工，可以说它是是机械加中重要的机床附件，可根据工艺的要求配置动力箱、多轴箱、钻、镗、铣车、攻丝等工艺，在上面安装工件组成输送运动实现工作循环。1.3 数控多功能组合机床工作台的结构设计1.数控工作台的结构设计数控工作台的机械结构主要包括：交流步进电机、联轴器、滚珠丝杠、轴承、导轨、滑鞍等零部件的设计。所采用的机械结构具有如下特点：进给系统采用进给步进电机直接带动滚珠丝杠，取消了齿轮减速机构，使机械传动结构简单，提高位移精度，减少传动误差；轴承采用深沟球轴承，它主要承受径向载荷，亦能承受一定的双向轴向载荷，高转速时，可用来承受纯轴向载荷，并且价格便宜。机床整体结构的刚度较高，运动控制精确及传动平稳。2：数控工作台的总体设计方案对数控工作台而言，主要是纵横方向两个坐标的传动，根据设计任务要求，决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统，这样可以使控制系统简单，成本低，调试维修容易，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚珠滚动导轨，为尽量消除齿侧间隙。1.交流步进电机-交流电动机与直流步进电机相比，交流电动机输出功率可比直流电动机提高1070，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。2.联轴器采用机械式结构的联轴器，这种联轴器的特点是大扭矩承载、高扭矩刚性和卓越灵敏度；免维护、超强抗油和耐腐蚀性；零回转间隙；体积小巧的联轴器，总长度短，结构简单。3.滚珠丝杠选用的滚珠丝杠精度高，并通过使用高纯净度的合金钢并采取特殊的表面热处理方式，使产品具有优异的耐久性。4.丝杠螺母座采用径向安装尺寸小，安装简便的丝杠螺母座。1.4 数控多功能组合机床工作台发展现状 从20世纪60年代以前称为初期阶段，这个时期研制和开发还处于自发状态，电子技术还没有发展到一定水平，信息技术还处于萌芽阶段，因此机电技术还没广泛深入的发展。70年代至80年代为蓬勃发展阶段，这一时期，计算机技术、控制技术、通讯技术的发展，微机电一体化的发展奠定了技术基础。到了20世纪90年代后期，机电一体化技术向智能化自动化迈进了新的阶段，机电一体化进入了深入发展的阶段。并出现了虚拟制造（VM）、敏捷制造（AM）快速成型制造（RPM）、并行工程（CE）等新技术。随着科学技术的发展，机电一体化已从原来的以机械为主的领域拓展到目前的汽车、电站、仪表、化工、通信、冶金等多项领域。机电一体化产业覆盖面非常广，而我们的人力物力财力和技术都是有限的，因此我们在机电一体化产业发展时不能做到面面俱到，但应分清主次大胆取舍，在机电产业做到可持续发展壮大。我国机械制造装备中较多的采用了数控设备、机器人、柔性制造单元和系统高等技术的集成，来满足产品个性化和多样化的要求，以满足社会个消费群体的不同要求。目前机械技术已经发展到广泛采用微型计算机的阶段，今后也将不断出现“具有神经系统的机械”或“智能化的机械”。并且机电一体化技术贯穿于工程系统设计之中，从简单的单参数显示，到复杂的多参数、舵机控制，从简单的零件自动加工生产线，到各种现代机械设备的自动化生产等，机电一体化技术已应用到不同层次、覆盖面很广的应用领域。 数控设备综合运用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等方面的技术成果具有高柔性、高精度与高自动化的特点，因此它提高了机械制造的制造水平，解决了制造中的常规加工技术难以解决甚至无法解决的浮渣幸免零件加工，为社会提供了高质量、多品种及高可靠的机械产品取得了巨大的经济效益，目前，数控技术已逐步晋级，数控多功能组合机床工作台在工业生产中得到了广泛的应用，数控多功能组合机床工作台已成为机械自动化的一个重要发展方向。1.5 数控多功能组合机床工作台发展趋势 机电一体化是集机械、电子、光学、控制理论、计算机技术和信息技术等多学科交叉融合的产物，大力推进制造业信息化、网络化和绿色环保化，大幅度提高产品档次、技术含量和附加值，是机电一体化发展的重点方向。随着制造业生产模式的演变，对机械制造装备提出了不同的要求，使现代化数控系统装备的发展呈如下趋势：1）向高效、高速、高精度方向发展 效率、质量是先进制造技术的主体，高速和高精度加工时制造技术永无止境的追求。告诉。高精度加工技术可是数控系统能够进行高速插补、高实时运算，在高速运行中保持较高的定位精度，极大地提高效率提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高尺长竞争能力。2）多功能复合化、柔性自动化的产品成为发展的主流 从近几届国内外举办的国际机床展览上展出的装备情况来看，新颖的高技术含量的展品逐年增加。国际上多功能复合加工机床的发展不再以简单的零件加工为主，而是以结构复杂、形状各异的箱体类零件加工或更为复杂的零件加工为发展趋势。展出的机床类型很多、有最新的复合加工机床、五轴加工机床、纳米加工机床、新型并联加工机床等。展示出世界制造装备的精华，展示了世界制造技术发展的最新动向。3）智能制造技术和智能化装备方向发展 通过借助于现代的工具和方法，通过集成传统制造技术。计算机与自动化科学、信息技术和人工智能等发展了一种新型的制造技术与系统，他将人工智能应用与机械制造装备中，使机器智能化。及其职能化石智能之灾的主要研究内容之一，他是智能制造系统的物理基础，包括智能加工机床、工具和材料传送、监测和试验装备等，要求具有加工任务和加工环境的广泛适应性，能够在环境和自身的不确定变化中自主实现最佳行为策略。数控系统智能化是面向世纪的先进制造模式，当前智能机床是在数控设备和加工中心的基础上实现的，它与普通自动化机床的主要区别在于除了具有数控加工功能外，还具有感知、推理、决策、控制、通信、学习等智能功能。目前国外研究机构在产品结构越来越发杂，产品精度要求越来越高等情况下，提高加工设备的智能型、可靠性和加工精度是提高企业竞争力的主要途径。现代数控系统今后的发展将是以创新、提升、优化为主要模式，未来的中国制造业已不能仅仅满足与“制造”，而是要进一步发展成为“智造”，即用知识、技术、头脑去创新、去创造。172 数控多功能组合机床工作台装置总体结构设计2.1 设计的要求与数据随着科学技术的发展，常规抛光技术已不能满足各类应用对表面质量和功能特性的要求，如光学镜片和微结构模芯等。超精密抛光是一种新兴加工技术，可用于加工具有亚微米形状精度和纳米表面光洁度的复杂自由曲面而无材料本身的限制。以光学自由曲面元件为主要代表的复杂自由曲面零件的确定性制造是当今先进加工领域的一项尖端代表性技术，为实现被加工零件的表面功能，如何在自由抛光成形过程实现高效定量可控的材料去除过程成为急需克服的屏障。数控多功能组合机床主要用于抛光模具、产品等工件，数控多功能组合机床工作台是该设备的主要部件之一，要求工件固定在工作台上，能在X、Y两方面上产生可控运动。2.2 总体结构设计1系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。数控工作台在工作台移动过程中头并不进行孔加工，因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。2伺服系统的选择伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在普通立式工作台上进行设计，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。3执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下几点：1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等。2）尽量消除传动间隙。如步进电机上的传动齿轮采用偏心轴套式消隙结构。3）缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。X-Y工作台传动采用滚珠丝杠螺母传动副和滚动导轨。4计算机系统的选择计算机数控系统一般由微机部分、I/O接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。在简易数控系统中，大多采用8位微处理器的微型计算机。如何采用Z80CPU或MCS-51单片机组成的微机应用系统。CPU有芯片价廉，通用性强，维修方便等特点。MCS-51单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快和很高的性能价格比等特点。通过比较，对于简易数控机床推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。微机数控的X-Y工作台。由于X-Y工作台的运动部件重量，因此选用有预加载荷的滚珠导轨。采用滚动导轨可减小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。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm要求，需采用齿轮降速传动。综上所述，本文总体方案确定为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲步进电机经一级齿轮减速后，带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警，急停电路等，3 工作台X方向结构及传动设计表 3-1滚珠丝杆副支承支承方式简图特点一端固定一端自由结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。一端固定一端游动需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。两端固定只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。3.1 X向滚珠丝杆副的选择滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。1）定位精度：0.01mm，X轴方向行程550mm，Y轴方向行程300mm 2）最快速度3.5m/min，进给速度3mm/s 3）进给功率0.75KW，转数（无级）70-2000r/min设X向最大行程为400mm,最快进给速度为18m/min,大概质量为50kg,工作台大概质量为80kg,移动部件大概质量为30kg，工作台最大行程为300mm。3.1.1导程确定电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比i=1, 选择电机的最高转速，则丝杠的导程为 取Ph=6mm3.1.2确定丝杆的等效转速基本公式 最大进给速度是丝杆的转速 最小进给速度是丝杆的转速 丝杆的等效转速 式中取故3.1.3估计工作台质量及负重 估算测量物重量 工作台重量 移动部件重量 3.1.4确定丝杆的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.11.5，本课题中取1.3，则丝杆所受的力为其等效载荷按下式计算（式中取，）3.1.5确定丝杆所受的最大动载荷fw-负载性质系数，（查表：取fw=1.2）ft-温度系数（查表：取ft=1）fh-硬度系数（查表：取fh =1）fa-精度系数（查表：取fa =1）fk-可靠性系数（查表：取fk =1）Fm-等效负载nz-等效转速Th -工作寿命，取丝杆的工作寿命为15000h由上式计算得Car=17300N表3-1-1各类机械预期工作时间Lh表3-1-2精度系数fa表3-1-3可靠性系数fk表3-1-4负载性质系数fw3.1.6精度的选择滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），Z轴为25级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择X轴Y轴精度等级为3级，Z轴为4级。3.1.7选择滚珠丝杆型号 计算得出Ca=Car=17.3KN,则Coa=(23)Fm=（34.651.9）KN公称直径Ph=12mm则选择FFZD型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型号为FFZD40103。公称直径 d0=40mm 丝杆外径d1=39.5mm 钢球直径dw=7.144mm 丝杆底径d2=34.3mm 圈数=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 刚度kc=973N/m3.2 校核滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度KO有丝杆本身的拉压刚度KS，丝杆副内滚道的接触刚度KC，轴承的接触刚度Ka，螺母座的刚度Kn，按不同支撑组合方式计算而定。3.2.1 临界压缩负荷验证丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算：式中E-材料的弹性模量E钢=2.1X1011（N/m2）LO-最大受压长度（m）K1-安全系数，取K1=1.3Fmax-最大轴向工作负荷（N）f1-丝杆支撑方式系数：f1=15.1I=丝杆最小截面惯性距（m4）式中do-是丝杆公称直径（mm）dw-滚珠直径（mm），丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量Lu=300+148+20X2=488mm支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度Lu，选取LO=620mm代入上式计算得出Fca=5.8X108N可见FcaFmax，临界压缩负荷满足要求。3.2.2临界转速验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速： 式中：A-丝杆最小截面：A=-丝杠内径，单位；P-材料密度p=7.85*103(Kg/m)-临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为=148/2+300+(620-488)/2=440mm-安全系数，可取=0.8fZ-丝杠支承系数，双推-简支方式时取18.9经过计算，得出= 6.3*104，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。3.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式式中 A丝杠最小横截面，；螺母座刚度KH=1000N/m。当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L植分别为750mm和100mm。经计算得：式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m)； KH螺母座的刚度(N/m)；KH=1000 N/mKc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m)；KS丝杠本身的拉压刚度(N/m)；KB轴承的接触刚度(N/m)。经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。3.3 电机的选择 每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。3.3.1电机轴的转动惯量a、回转运动件的转动惯量上式中：d直径,丝杆外径d=39.5mmL长度=1mP钢的密度=7800经计算得b、X向直线运动件向丝杆折算的惯量上式中：M质量 P丝杆螺距（m）P=0.001m经计算得c、联轴器的转动惯量查表得 因此3.3.2电机扭矩计算a、折算至电机轴上的最大加速力矩上式中：J=0.0028kg/m2ta加速时间 KS系统增量，取15s-1,则ta=0.2s经计算得b、折算至电机轴上的摩擦力矩上式中：F0导轨摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32NP丝杆螺距（m）P=0.001m传动效率，=0.90I传动比，I=1经计算得c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩上式中P0滚珠丝杆预加载荷1500N0滚珠丝杆未预紧时的传动效率为0.9经计算的T0=0.05NM则快速空载启动时所需的最大扭矩 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7。4 工作台Y方向结构设计4.1 Y轴滚动导轨副的计算、选择设Y向最大行程为300mm,根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如下:额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够.4.2 滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm强度计算丝杠轴向力：(N)其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:寿命值：，其中丝杠转速(r/min)最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。查表得中等冲击时则:根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。其基本参数如下:其额定动载荷为14205N 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表名称计算公式结果公称直径20mm螺距mm接触角钢球直径3.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径23.212mm螺母内径（外循环）20.7mm（1） 传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。（2） 稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。（3） 刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为E级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m。4.3 步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，有：（1）等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：式中：为折算到电机轴上的惯性负载；为步进电机轴的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有：电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：步进电机的选用(）步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：式中为电机转角，为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取，则，且。所以：式中：为移动部件负载（N），G为移动部件质量（N），为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），为导轨摩擦系数，为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），.8，=279.23。考虑到重力影响，向电机负载较大，因此1200，所以有：考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：取系数为.，则： 对于工作方式为三相拍的步进电机： (） 步进电机的最高工作频率为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.电机有关参数如下:型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg转子转动惯量Kg.m外直径长度轴直径9014594.5176428结 论本课题结合目前国数控多功能组合机床工作台装置的研究现状和发展方向，具体阐述了一种数控多功能组合机床工作台装置开发过程。本文主要完成的工作如下：1、数控多功能组合机床工作台装置结构方案的确定。分析了数控多功能组合机床工作台装置的特点，确定了数控多功能组合机床工作台装置基本结构，并确定其基本尺寸。2、确定了数控多功能组合机床工作台装置技术指标及参数。对该数控多功能组合机床工作台装置进行了计算。3、零件的刚度和寿命计算与校核。对各个已设计零件进行刚度和寿命计算，确保满足使用要求，使该数控多功能组合机床工作台装置有足够的可靠性。通过本次毕业设计，不仅把大学所学到的理论知识很好的运用到毕业设计中，而且培养了自己认真思考的能力，在处理问题时有了新的认识和方法，并加强了和同学之间进行探讨和解决问题的能力。通过对专业知识的接触和深入学
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