数控车床设计说明书汇总

1、层4屛圾殳摩 Guangxi University of Science and Technology 课程设计 课程名称：数控技术课程设计 学 院： 机械学院专 业： 机械电子工程 姓 名：学 号： 年 级：任课教师： 2013 年 9 月 12 日 摘要1 第一章前言2 第二章设计任务 -1 - 第三章设计主要步骤 -2 - 3.1确定设计总方案 -2 - 3.1.1 机械传动部件的选择 -2 - 3.1.2控制系统的设计 .错误！未定义书签。 3.2 机械传动部件的计算和选择 -3 - 3.2.1 工作台外形尺寸及重量初步估算 -3 - 3.2.2 计算切削力 -3 - 3.2.3 滚动

2、导轨的设计计算 -4 - 3.2.4 滚珠丝杠传动设计计算及校验 -6 - 3.2.5步进电机的传动计算及电动机的选用 -10 - 第四章 控制系统的设计 错误！未定义书签。 4.1进给控制系统原理框图 .错误！未定义书签。 4.2驱动电路流程设计 错误！未定义书签。 4.3 驱动电源的选用，及驱动电源与控制器的接线方式 错误！未定义书签。 第五章 驱动电路设计 -16 - 5.1 驱动电路的时间常数-16 - 5.2 电源电路的确定 -16 - 5.3元器件的确定-17 - 5.3.1确定三极管-17 - 5.3.2 确定 R2 和 R3- 17 - 第六章 机械部分装配图的绘制 错误！未定

3、义书签。 第七章结论-18 - 参考文献-19 - 致谢-18 - 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。 关键字：机电一体化的基础基本组成要素 发展趋势

4、滚珠丝杠 滚动导轨 步进电机 Abstract Now the world electro nic tech no logy rapidly expa nd, the microprocessor, the microcomputer obta in the widespread applicati on in various area of tech no logy, to various doma ins tech no logy developme nt eno rmous promoti on effect. A perfect in tegrati on of mach inery

5、system, should contain the followi ng several base eleme nts: Basic mach ine, power and actuati on part, impleme nting age ncy, sensing measureme nt comp onent, con trol and in formati on process ing part. The in tegratio n of mach inery is the system tech no logy, the computer and the in formati on

6、 process ing and man ageme nt tech no logy, the automatic con trol tech no logy, the exam in ati on sensing tech no logy, the servo drive tech no logy and the mecha ni cal skill and so on multi-discipli nary area of tech no logy syn thesis overlapp ing tech no logy-i nten sive systems engin eeri ng.

7、 New gen erati ons CNC system this kind of model in tegrati on of mach inery product toward the high performanee, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the micro mini aturized directi on develops. key words: Integration of machinery foundation basic component ele

8、ments characteristic tre nd of developme nt. i 第一章 前言 当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状 在我国对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造 业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数 控技术及装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数 控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备，又是 当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程 进行控制的技术，而数

9、控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制 造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。 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关知 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

10、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 第二章设计任务 设计一套供立式数控铣床使用的 X-Y数控工作台，主要参数如下： 1、立铣刀最大直径的d=15mm,立铣刀齿数Z=3,最大铣削宽度ac=15mm 最大背吃刀量ap=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土 0.02 mm。 3、工作台面尺寸为 230mm x 230mm，加工范围为 250mm x 250mm 4、 工作台空载进给最快移动速度：Vxmax = Vymax = 3000mm/min，工作台进给最快移 动速度：Vxmaxf =Vymax f = 400mm/min，加减速 0.4s。

11、第三章设计主要步骤 3.1确定设计总方案 3.1.1机械传动部件的选择 方案一： 丝杠螺母副的选择： 滑动丝杠副 导轨副的选用：直线滚动导轨 伺服电机的选用：交流伺服电动机 减速装置的选用：齿轮减速箱 万案一： 丝杠螺母副的选择： 滚动丝杠副 导轨副的选用： 直线滚动导轨 伺服电机的选用： 步进电动机 减速装置的选用： 齿轮减速箱 方案对比并确定最终方案 、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，因为定位精度土 0.02mm对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2 的定位精度，现取为1/2，即是土 0.01mm和土

12、 0.02mm的定位精度，相对于滑动丝杠副， 滚珠丝杆副的传动精度高，传动效率可达 0.92 0.96，运动平稳，低速无爬行现象，动 态响应快、寿命长、预紧后可消除反向间隙。维护简单，同步性好有专业厂生产，选用 配套方便，故选用滚珠丝杠螺母副。 同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，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 Vmax = Vymax =3000口口肝力所需的转速不高，故可以采用 一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。 、导轨副的选用 要设

13、计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，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。 、伺服电机的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给 的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电 网的影响而失步，决定采用开环控制，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/mi n故本设计不必采用高档次 的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。 、减速装置的选用 选择了步进电

14、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。 3.2机械传动部件的计算和选择 3.2.1工作台外形尺寸及重量初步估算 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。 3.2.2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： 立铣刀最大直径的d=15mm 立铣刀齿数Z=3 最大切削宽度ae=15mm 最大背吃刀量ap =8mm

15、设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢。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 -19 - 由【6】中P48表3-5可得铣刀切削速度 Vc=75m/min 1000 Vc 15二 1000 75 15 二 =1592 r/min 由【1】,查得立铣时切削力计算公式为： 0.850.75 0.73 1.00.10 , Fc =118ae fz d_ ap n Z 代如上式得：Fc=1 18 150.85 0.10.75 15亠73 81.0 15920.10 3N 1457N 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由【2】中

16、查得，各铣削力之间的 比值范围如下： Ff / 巳=(1.01.2) 取1.1 Ffn/Fc=(0.20.3) 取 0.25 F./ Fc= ( 0.350.4) 取0.4 考虑逆铣时的情况，因为逆铣的情况的受力最大的情况，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： Ff =1.1Fc 1603N （与丝杠轴线平行） Fe =0.4Fc : 582.8N （与工作台面垂直） Ffn =0.25Fc 364.25N （与丝杠轴线垂直） 考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力 E，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn 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

17、力 Fx，径向铣削力为Fy 由丝杠底径d2=16.2mm求得截面惯性矩I -/64 ：、9915 mm 压杆稳定安全系数K取2 （丝杠卧式水平安装）； 滚动螺母至轴向固定处的距离 L取最大值900mm 代入公式，得Pa=27089N=F大于Q=7533N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 f 2d 速nc，由【2】中P100式5-10得：=9910丄 Lc 其中d2 二 d。-1.2Dw =20-1.2 x 3.175=16.19mm Lc为临界转速计算长度Lc =d2 =16.2 f2为丝杠支承方式系数f2

18、=3.927 （一端固定，一端游动） 代入数据得：nc =4998r/mi n 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 由以上验算可知，选用 GDM250型的丝杠，完全符合满足所需要求，故确定选用该 3.2.5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土 0.02mm脉冲当量为0.01mm/Hz 考虑到最初决定不用减速箱取减速比i=1算的电机步距角： 0.75 /1.5 由于传动比为1,则不需要选用减速箱，采用电动机轴与丝杠通过联轴器联接的 方式。 、步进电动机的计算和选型 a、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。 总转动惯

19、量J主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到 电动机轴上的转动惯量。 i、滚珠丝杠的转动惯量J 由【2】中 P123式 5-30 得：J =0.77D4L 102 式中 D为丝杠公称直径D=25mm L为丝杠长度=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承 宽度+锁紧螺母宽度+裕量)+动力输入连接长度(如果使用联轴器则大致是联轴器长度 的一半 + 裕量)=330+80+25+140+40=615 代入数据，得：J=0.77 X 204 X 615X 10 J2 =9.4 X 10, kg. m2 ii、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量 由【2】中式5

20、-31得：J2 =(2)2M 10- 2冗 其中M为工作台的(包括工件)的质量 m二空=81.6kg g 9.8 S为丝杠螺距S=5mm 代入数据，得：J2=(2)2 81.6 10- =5.2 10-kg.m2 2冗 iii、初选常州宝马前杨电机电器有限公司的90YG2602型混合式步进电动机, 可知其转子的转动惯量J3 =40kgm 所以 Jd =J1 J2 J3 =9.4 X 10 J+5.2 X 10 +4X 10*=5.5 X 10* N m 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

21、配合，一般比值控制在1/4 1之间，申=10-4 =0.73 Jd 5.3X 10 由此可见：1 主1,符合惯量匹配要求。 4 Jd 、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【2】中P122式5-27得：M1 =Mat M f M 0 Mt 其中Mat =也 9.6T 其中： Jr为折算到电动机轴上的总惯量 Jr =Jd =5.5 X 10 * T系统时间常数，由任务书知为 T=0.4S n切削时的转速为1592r/min 5.5 10，1592 得：Mat =得：Mat =0.228 N m 9.6 74 F S

22、M f10 f 2冗i 其中：-0为导轨摩擦力 F。= (-Z G)u = (582.8 800) 0.005 二 6.9N S为丝杠螺距S=5mm i为齿轮降速比，已计算出为1 n为传动链总效率，n =0.7 0.8，取0.8 代入数据 得：M f =6.8 10J N m Mo F amaxS23 二一 0)10 其中：Famax为最大轴向预紧力，Famax=Fz=582.8 N 0为滚珠丝杠未预紧时的效率，0 =0.96 0.9 其余数据同上 代入数据 得：M 二0.044 N m M FtS 10其中：Ft进给方向的最大切削力Ft=Fx=1603N 2冗i 其余参数同上。 代入数据得：

23、Mt =1.595 N m 由此都得到等效负载转矩M1 =Mat Mf M0 M1.44 N m b、快速空载时电动机所需力矩M 由【2】中 P122式 5-26 得：M -Mamax M f M0 加速力矩M amax二如其中：咲二二販0 = 600r/min 9.6TPh5 其余参数同上 代入数据得：Mamax =0.102 N m 力矩摩擦Mfd 10；其中：u为导轨副的摩擦因数，滚动导轨取 2冗 i u=0.005 其余参数同上。 代入数据得：M f = 0.004 N m 附加摩擦力矩： M卩诃亦0 10； 02冗i 其余参数同上 代入数据得：M 所以可知快速空载 0 =0.038

24、N m 戈时电机所需力矩：M2二Mamax M f M=0.195N m 比较M1和M2，取其较大者，就是最大等效负载，即：M =M1=1.87N.M 、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M考虑一定的安全系数 入，取入=3,则步进电机的最大静转矩应满足： Tjmax _3M =3 1.873=5.61 N m 由所选的电机型号参数可知，最大转矩 Tjmax =6 N m可知满足要求。 、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 Vmaxf =

25、400mm/min脉冲当量6 = 0.01mm/脉冲， 求出电动机对应的运行频率 fmaxf =400 /(60 0.01) 667Hz。从90BYG260电动机的运 行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩 Tmaxf : 4N - m远远大于最 大工作负载转矩T；q2=1.87Nm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vmax=3000mm/min求出其对应运行频 f max=3000/(60 X 0.01) =5000Hz。由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩 Tmax=2.5N m大于快速空载起动时的负载转矩 Teq1 =0.0

26、93N m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Vmax=3000mm/min对应的电动机运行频率为 hx = 5000Hz。查图3 中相应表格，可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达 20000Hz，可见没有超出上 限。 综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG550步进电动机，完全满 足设计要求。 、确定选型的步进电机的参数 所选电动机参数如下图所示： 永就感应子式步进电机-BYG/HB M0T0RS90BYG 山灼 ODEC.) 电压 (V) (A) QI. m) 空戟启动频龜 QiHZ) 持动惯疑 (kg. cm) mK 90BYG2

27、501 2/4 0.9 /1.8 50 4 3.50 15 2.4 3.5 1 90BYG2502 2/4 0.9 /I. 8 lULI 4 6. 0 2Q 4 6 1 90BYG2601 2/4 0,75s m 50 4 3,50 15 2,4 3.5 1 90BYG2602 2/4 0.75 /1.5s 100 4 6.0 20 斗 咅啓一 II 6NwnoHCH DRYG55C1 1OW 9GBYG2bO2 90BYG5502 图3 参考网址 http:/www.cz- n=Detail&ID=28 3.3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

28、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，冈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LK13-C32-1012 型刚性联轴器。 参考网址 http:/ 窒僮捋建IS坯辛拧式 WS； -T我糸羽金屈M塔乐电器 车旦ET可详 近!7严耳淳廿三狂碍岂左全冃冃 iHjW V 5 dl SJi2 雄毎 1 1 11 E. 担遇 (*) * :rpn. 疋 MH. (KffP) i?宙 (K*x? jas. 33j 5 鹽 jr .b 至莹 X? LE1

29、-M15- 15.5 21 0.7 0.2 O 4 13000 3L OXiar* 35 0, 1 1 埠 6 IS IO SLK1-M15- - a 3 a 6 5. TXXO 0 X 4 n 左 Ul*i Br*_ LKl-lS-_ _ _ _ . 曲 耳 15. 5 3 S 1 n 0.2 A JBi Wi. 1JQQO 自，2x io s. fix 如 3*6 J 4 0, I 1- 5 0, is 10 50 1O-17T i 1T & 3. 1 0.T 0. 3 a越 1I&O0 E. 1 X L(5T *5 d i 1.5 匕 *s 12 器Kin 亜 0,4 am 1,5X 1

30、0 150 常 LK1TA亠匕 StIi-10- S & B署 19. 5 5 昌 3弐 HM 1 E 4 T J a吉 0.9 0-5 1 ： 1.0000 Mil： QX 如 IK y., 1. 1, 5 士G Z5 1. V 枣鼻切柯黑 第四章 驱动电路设计 4.1驱动电路的时间常数 五相十拍工作方式的控制脉冲，每相工作五拍改变一次通电状态，为使每一拍都能 正常工作，每拍脉冲宽度的2/3时间内相电流上升至额定电流的60%即l=0.6ln1.5A1/fy=0.455(ms) 4.2电源电路的确定 若选用线路简单的串联电阻法改善电流上升沿，其时间常数为 则 其中 T =L/(Rm + R0)

31、 R0=(L T Rm)/ T T =0.455 (ms) 所以 0,003-0.455 X 0.8 X10-3 R_0.45 5 X10-3- 5,8) 需要串联如此一个电阻，在该电阻上损失功率为52.2W，显然不合理，所以采用低压电源直接驱 动。 4.3元器件的确定 4.3.1确定三极管 为了使电路简单、紧凑，功率放大级的和T2选用达林管GO201.当标色绿点时其性能见表5-1 Uf (V) Ir (yA) Ifm (mA) Icso (yA) Uces (V) U(BR)CEO (V) PcM (mW) Ctr (%) tr/t (yS l 30 75 100200 200500 500 w 50 表5-1 4.3.2确定R2和R3 从Ti和T2性能数据知UBe2.5V，故Ur32.5V，而负载电流l=3A，取Il=3A , Ti基极 电流Ib为 lB=lL/hFE=3/3000=1 (mA) 式中：hFE电流放大倍数。 因此T1等效输入电阻为RT1=UBE/lB=2.5k 从等效电路可得 VCC 光耦合器光敏三极管的输入等效电路见图5-1. lC1=l3+ Ib l3R3=U be=2.5 lc1R2=En Ube=27.5(V) 选光耦合器输入电流li=10mA(最大电流50mA),电流传输比 Ctr=30%，所