数控机床x52k课程设计说明书

1、机电一体化课程设计计算说明书设计题目：立式铣床数控X52K横向工作台设计班 级：XXXX学院 姓 名： XXX 学 号： XXX 指导教师： XXXXXX 2014年 1月 17 日 XXXX 目录目录2一、课题来源的现实意义3二、设计任务4三、总体方案的确定51.机械传动部件的选择52.控制系统的设计6四、机械传动部件的计算与选型61 铣削力的计算62. 直线滚动导轨副的计算与选型73.滚珠丝杠螺母副的计算与选型84.步进电动机减速箱的选用115.步进电动机的计算与选型12五、齿轮的校核计算161.齿轮的校核计算16六、控制系统设计201.控制系统组成202.设计思路及器件选择21七、课程设

2、计心得体会24八、参考文献：25一、 课题来源的现实意义制造技术和自动化水平的高低已成为一个国家或地区经济发展水平的重要标志，而其中最具代表性的就是数控铣床。数控铣床是指铣床的操作命令以数值数字的形式描述工作过程按规定的程序自动进行的铣床。随着微电子技术，特别是计算机技术的发展，数控铣床迅速地发展起来。尽管数控铣床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量多品种零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率。但是目前我国数控铣床占有率与工业发达国家相比还非常低，机械制造业水平与发达国家相比相对落后，设备陈旧，技术水平差距大，国际竞争力弱，影响了生产力的发展。逐步提高数控铣床的占有率已经成为我国制造技术

3、发展的总趋势。提高铣床数控率有两个途径：一是增加新的数控铣床，价格昂贵，一次性投资大，目前各企业均有大量的普通铣床，完全用数控铣床替代根本不可能；二是对旧机床进行数控化改造。我国是一个机床拥有量极大的国家，但大部分铣床服役龄较长，采取对旧铣床进行改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个有效和实用的途径，是企业必走之路。我国现正处于以从劳动密集型产业为主向以技术密集型产业为主过渡的发展阶段，对自动化设备的需求会越来越大、越来越积极。利用现有普通机床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控铣床，是低成本实现自动化的行之有效的方法，具有非常重要的意义。首先，提高了生产效率。原普通机床经过数控

4、化改造后，就可以实现加工自动化，工作效率可以明显提高。其次，性能更稳定安全可靠。因为经改造的数控机床的各基础件经过长期工作，几乎不会产生因力变形而影响精度。再次，可以为生产厂家节省资金。普通机床的数控化改造和购买新的普通机床相比可以节省至少一半的资金，从大型和特殊设备上更能看出。最后对于复杂的零件而言，难度越高，功效提高的越高。且可不用或者少用工装，不但节约了费用，而且还可以缩短生产的准备时间。机床数控化改造后可以提高零件的加工精度和生产效率。数控机床不但设计精度较高，而且加工精度还可以靠闭环控制系统的反馈来校正和补偿。因此，可以获得较高的加工精度。机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效

5、率可比传统机床提高37倍。传统机床靠凸轮或挡块等可实现刚性自动化，且只有进行大批量生产时才经济合算；而数控机床只要更换一个程序就可以实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，故称之为“柔性自动化”。可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬动，降低工件的定位误差。这是自动化带来的效果，如加工中心在工件装夹好后，可实现钻、铣、攻螺纹、扩孔等多工序的加工。这些工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，提高了相关的加工精度。铣床数控化改造主要是对进给系统的数控化设计，进给传动是为了保证刀具或进给机械作精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，如直线、斜线、圆弧等。加工出符合要求的零部件

6、，对进给系统的要求一般为：高精度，即高的定位精度和重复定位精度以及加工零件的综合精度；高品质，即响应快，频带宽，动静态速降小，调速范围宽；高速度，即能快速定位，以提高效率；大功率，即能输出大的功率和力矩，以满足加工要求。立式铣床数控工作台的设计是基于传统X52K型立式铣床工作台进给系统的数控化设计，包含机械部分和控制系统的设计。二、 设计任务X52K立式铣床数控横向工作台设计参数如下：工作台尺寸：320X1250mm工作台横向行程：240mm工作台、夹具及工件重力：5000mm加工材料：以碳素钢为主定位精度：0.01mm最大进给速度：600mm/min空载最大移动速度：1600mm/min主电

7、机功率：7.5KW启动加速时间：30ms三、 总体方案的确定1. 机械传动部件的选择1) 导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的,承受的载荷不大,但脉冲当量小、定位精度高，滑动导轨静摩擦系数大，低速时易产生爬行现象，影响运动平稳性和定位精度，直线滚动导轨副具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便的优点。因此，决定选用直线滚动导轨副2) 丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动通过丝杠螺母副转换成直线运动，普通机床采用的普通丝杠虽有很多优点，但其摩擦阻力大，传动效率低（=0.20.4），动静摩擦系数相差大，在低速时容易出现爬行，而数控机床要求进给部分的移

8、动元件的灵敏度好，进度高，反应快，无爬行。要满足0.005 mm的脉冲当量和0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、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。 3) 减速装置的选用 步进电机与丝杠装配的关键在于保证同轴度要求，并消除齿轮侧隙以及丝杠和螺母间隙，丝杠要施加预紧力，连接后的工作台在整个行程内的任何位置上要求运动平稳、轻快、无阻滞现象。选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，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。为此，本例决定采用无间隙齿

9、轮传动减速箱。4) 伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未到微米级，空载最快移动速度也只有1600r/min。因此，本设计不采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一点的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。5) 监测装置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，可以达到其精度要求，所以决定采用开环控制方式。2. 控制系统的设计（1）、设计的横向工作台进给系统准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所

10、以控制系统应该设计成连续控制型。（2）、对于步进电动机的开环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C51作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。（3）、要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘和显示电路、I/O接口电路、串行接口电路等。（4）、选择合适的驱动电源，与步进电机配套使用。四、 机械传动部件的计算与选型1铣削力的计算已知条件：最大铣削宽度ae=15mm 最大吃刀量：ap=8mm 立铣刀最大直径：d0=15mm 立铣刀齿数：z=3查铣工实用技术手册可知： 每齿进给量fz=0.4mm铣床X2K的主轴转速为301500r/m

11、in，加工材料为碳素钢。取主轴转速n=600r/min 根据铣工实用技术手册选择硬质合金铣刀。立铣时的铣削力计算公式为： = 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可在铣工实用技术手册中查出。考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为： 立铣时，工作台受到的垂直方向的铣削力： 水平方向的铣削力：将水平方向较大的铣削力分配给工作台的横向，即丝杠的轴线方向 ，则 横向铣削力： 纵向铣削力：2.直线滚动导轨副的计算与选型1） 滑块承受工作载荷的计算 X-Y工作台水平布置，为防止侧向力矩的产生，选择双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的受力情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单

12、滑块所承受的最大垂直方向载荷为： 2） 导轨型号的选取a、初选导轨根据工作载荷,初选山东济宁博特公司的直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，额定动载荷为Ca=7.94KN,额定静载荷为Coa=9.5KN.b、型号校核 所选导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过150，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷较小。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-36表3-40，选择各系数：硬度系数fH=1.0 温度系数 接触系数 精度系数 载荷系数根据上述参数，计算距离寿命： 远大于期望值，故距离额定寿命满足要求，即所选导轨副型号合适。c、导轨长度根据JSA型导轨长度系

13、列选择：导轨长为580mm.3. 滚珠丝杠螺母副的计算与选型1） 最大工作载荷的计算 立铣时，工作台受到纵向的载荷，受到横向的载荷，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）。已知移动部件总重量，按矩形导轨进行计算，查实验计算公式，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：2） 最大动载荷的计算工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度，初选丝杠导程。则此时滚珠丝杠副的最大工作载荷：取滚珠丝杠的使用寿命，代入得丝杠寿命系数查表，取载荷系数最大动载荷：3） 初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查手册，选择山东博特精密丝杠制造有限公司生产的CDM系列32

14、05-5型滚珠丝杠副，外循环插管埋入式双螺母垫片预紧，其公称直径为32mm，导程为5mm，循环滚珠为22.52，精度等级取4级，额定动载荷为17998N，大于，故满足要求。4） 传动效率的计算 公称直径导程，则丝杠螺旋升角取摩擦角，代入得传动效率5） 刚度的校验 （1）横向工作台滚珠丝杠副的支承采用“单推-单推”的方式，丝杠的两端各采用一对成对串联安装的角接触球轴承，左、右支承的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量E=；查表知，所选滚珠丝杠的滚珠直径，丝杠底径，丝杠截面积。 丝杠在工作载荷作用下产生的拉伸或压缩变形量： 由于转矩M一般很小，忽略第二项，得mm（2）根据公式求得单圈滚珠数;该

15、型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为2.52，则滚珠总数量： 丝杠预紧时，取轴向预紧力。 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达轴向工作载荷的1/3时，值可减少一半左右。 （3）将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度750mm）丝杠有效行程为，查表可知：级精度滚珠丝杠有效行程正在时，行程偏差允许达到0，故丝杠刚度足够。（4） 压杆稳定性校核 根据公式，查取支撑系数；K=4，a=500mm；由丝杠底径，求得截面惯性矩 计算失稳时的临界载荷：临界载荷远远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。6） 螺纹长度选择：4. 步进电动机减速箱的选用为满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动

16、机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱，采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。根据所选丝杠导程，选择常州市新月电机有限公司生产的DJ-3型齿轮减速箱，齿轮传动比为25/12，齿数比为75:36，电机步距角 ，脉冲当量齿轮材料为40Cr调质处理，齿表面淬硬后为55HRC，模数为1mm减速箱中心距为 小齿轮厚度为20mm,双片大齿轮厚度均为10mm.5. 步进电动机的计算与选型1） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq已知条件：滚珠丝杠的公称直径d0=32mm 总长l=58

17、0mm 导程=5mm 材料密度 移动部件总重力G=5000N 传动比i=25/12 小齿轮宽度b1=20mm 直径d1=36mm 大齿轮宽度b2=20mm 直径d2=75mm计算各零部件的转动惯量：滚珠丝杠的转动惯量：工作台折算到丝杠上的转动惯量：小齿轮的转动惯量：大齿轮的转动惯量：初选森创110BYG2602型混合式步进电机，四相八拍驱动时步距角0.75度，该型号电动机转子转动惯量。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： 2） 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 a、快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 其中， ：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 ：移动部件运动时折算到

18、电动机转轴上的摩擦转矩 ：滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，由于滚珠丝杠副传动效率很高，可忽略不计。 快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：其中，对应空载最快移动速度的步进电动机的最高转速 设步进电动机由静止加速至所需时间ta=0.03s,传动链总效率，则移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： (其中FZ为垂直方向的铣削力，空载时取0）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：b、最大工作负载状态下电动机转轴所承受负载转矩其中，：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 ：可忽略不计故因此加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：3） 步进电动机最大静转矩的选定

19、 考虑到步进电机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=3，则步进电机的最大静转矩应满足： 上述初选的步进电动机型号为110BYG2602型混合式步进电机，由表查的该型号的最大静转矩。可见，满足要求。4） 步进电动机的性能校核(1) 最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度，脉冲当量，求得电动机所对应的运行频率 从110BYG2602型电动机的运行惯频特性曲线表可以看出，在2000Hz下输出转矩为Tmax=14Teq2，满足要求。(2) 最快空载

20、移动时电动机输出转矩校核 工作台最快空载移动速度，求得电动机所对应的运行频率 从110BYG2602型电动机的运行惯频特性曲线表可知，在此频率下输出转矩为，故满足要求。(3) 最快空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载移动速度对应的电动机运行频率为。查表可知110BYG2602型电动机的空载运行频率可达20000Hz，因此符合要求。(4) 起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量电动机转子转动惯量15电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率1800则求得步进电动机克服惯性负载的起动频率：故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 1209五、 齿轮的校核计算1. 齿轮的

21、校核计算闭式标准直齿圆柱齿轮传动。最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为，此时小齿轮转速667r/min，预期使用寿命5000h，传动比为2.5，齿轮悬臂布置，中等冲击，允许有一定点蚀。小齿轮用40Cr，调质处理，硬度260HB，大齿轮同样用40Cr，调质处理，硬度240HB。计算步骤如下：1）齿面接触疲劳强度计算（1）初步计算转矩T T=齿宽系数接触疲劳极限小齿轮和大齿轮均为40Cr接触疲劳极限 初步计算的许用接触应力Ad值 ，由表12.16， 取初步计算小轮直径取初步计算齿宽 ，取小齿轮齿宽为20mm（2）校核计算圆周速度v精度等级，选7级精度取Z1=36，Z2=iZ1=75，m=

22、1取使用系数KA =1.25取动载系数KV=1.2齿间载荷分配系数由此得 齿向载荷分布系数由表， 非对称分布载荷系数弹性系数，由表查得节点区域系数，由图查得接触最小安全系数，由表查得，较高可靠度，取总预期工作寿命t=5000h应力循环次数，估计，取m=8.78接触寿命系数由图查得，计算结果表明，接触疲劳强度合适，齿轮尺寸无需调整。2）齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数齿间载荷分配系数 由表查得，齿向载荷分配系数 b/h=20/(12.25)=8.9，由表查得， 载荷系数齿形系数 由图查得，应力修正系数 由图查得，弯曲疲劳极限 由图查得，弯曲最小安全系数查表得，弯曲寿命系数 由图查得，尺寸系数 查图

23、得，所以此对齿轮弯曲疲劳强度足够。传动无严重过载，故不做静强度校核。六、 控制系统设计数控系统采用CNC开环控制，由步进电机经一级齿轮变速箱后减速驱动。可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。采用AT89C51单片机组成微机控制系统，它的可靠性高、能在恶劣的环境下工作，适应能力较好,且功能强，速度高。采用AT89C51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出脉冲信号，信号经光电耦合和功率放大，驱动四相八拍混合式步进电机，然后由步进电动机驱动滚珠丝杠转动，从而实现横向的进给运动，对零件进行加工。1. 控制系统组成LED指示灯 系统结构组成框图如下：并行口8255X方向步进电动机步进电机驱动电路A

24、T89C51 6264存储器扩展 数码管显示屏并行口8155HMAX232RS232串行输出矩阵输入键盘2. 设计思路及器件选择 系统的工作过程：键入坐标读取键码数据处理信号传入驱动器控制电机运转驱动滚珠丝杠 1）、坐标键入及显示模块：加工时，需要输入要加工到的工件上点的坐标，实现人机交互，这一功能通过矩阵键盘来实现。矩阵键盘输入所要加工点的坐标后，CPU控制数码管显示屏显示出所输入的坐标，电路图如图所示：2）、数据输出模块： 实现定时将加工过程中的坐标通过串行口输出，要实现此功能，需用到MAX232驱动器，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使

25、用+5v单电源供电。将其与单片机相连，由单片机发出数据，经过MAX232芯片传输给RS232串行口，实现与其他器件的数据传输功能。此部分电路连接如图所示：3）、步进电机的驱动模块：由于本设计所选电机完全可满足系统精度的需求，所以无需再对步距角进行细分。通过扩展的8255芯片控制混合式步进电机四相绕组，然后驱动步进电机。电路采用光电耦合器隔离，抗干扰能力强。电路图如下：4）、静态存储器扩展模块由于AT89C51的内部存储器容量有限，它采用6264芯片扩充静态存储器容量。电路如下：5）、直流稳压电源模块供电电压为220v交流电，我们需要转化成220v直流电驱动步进电机。另外，控制部分需要5v直流电

26、做电源。220v直流电可由220v交流电直接经桥式整流获得，电路如下：直流5v可由变压器变压，经桥式整流和稳压获得，电路如下：七、 课程设计心得体会四个周的课程设计即将结束，在过去的四个周内，我感受了一个真正的设计工作者的艰辛与不易，四个周的课程设计让我对机电一体化设计有了更深刻的认识，对专业知识有了更深入的了解。 本次课程设计从实际出发，通过对立式铣床数控横向工作台的设计，让我更加深入地了解了机电产品的设计和加工过程。在设计的过程中通过对各种标准件的应用让我了解了各种标准，明白了在设计行业有很多规则要遵循，也对各种标准有了深刻的认识。我们需要考虑很多实际加工问题，通过与同学的讨论和查资料，我对各种加工工艺有了进一步的了解，在设计零件的时候，会考虑工艺和加工方法等各种方面，让我对机械产品的零件更加全面。设计中需要用到各种我们学过的还有没学过的知识，是一个非常综合的锻炼，加深了我们对各门知识的掌握。绘图时，我首先通过autocAD绘出了电子版的设计图，计算出合理的放置位置，然后在图纸上进行手工绘图，在手工绘图的过程中，遇到了一些在autocAD绘图中所没有遇到过的问题，这样锻炼了动手绘图的能力。 在刚开始的计算过程中我觉得设计基本上就是照着课本上的例子来填数，觉得设计很简单，