数控铣床工作台设计-精品

1、第 1章 绪 论1.1 数控系统的发展及趋势1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和 部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是 增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基 础。6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第 一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控 系统经历了两个阶段和六代的发展。数控 NC 阶段（ 1952 年-1970 年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大， 但不能适应机床实时控制的要求。 人们不得不采用数字逻辑电路 搭 成一

2、台 机床专用计算机作为数控系统， 被称为硬件连接数控 （ HARD-WIRED NC ）， 简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代电子管； 1959年的第二代晶体管； 1965 年的第三代小规模 集成电路。计算机数控（CNC）阶段（1970年-现在）到 1970 年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的“通用 ”两个字省略了） 。到 1971 年，美国 INTEL 公司在世界 上第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集 成电路技术集成在一块芯片

3、上，称之为微处理器（ MICROPROCESSOR）， 又可称为中央处理单元（简称 CPU）。到 1974 年微处理器被应用于数控系统。 这是因为小型计算机功能太强， 控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控） ，不 如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微 处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微 处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了 1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到 很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入 了基于PC的阶段。总之，计算机数控阶段也经历

4、了三代。即 1970 年的第四代小型计算机；1974年的第五代一微处理器和 1990年的第六代一基于 PC (国外称为 PC-BASED )。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控(即 CNC )了，而我 国仍习惯称数控( N C )。所以我们日常讲的 数控，实质上已是指 计算机 数控 了。3.数控未来发展的趋势(1) 继续向开放式、基于 PC的第六代方向发展基于 PC 所具有的开放性、 低成本、 高可靠性、 软硬件资源丰富等特点， 更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。 PC 机所具有的友好的

5、人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远 程诊断和维修将更加普遍。(2) 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。(3) 向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程 度将不断提高。1.2 数控铣床加工的基本原理数控控制( Numerical Control )是用数字化信号对机床的运动及其加工 过程进行控制的一种控制方法。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，是现 代化工业生产中的一门新型的，发展十分迅速的高新技术。数控装备是以 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，即所

6、谓的数字化装备，其技术范围所覆盖的领域又：机械制 造技术；微电子技术；信息处理加工传输技术；自动控制技术；伺服驱动 技术；检验监控技术；传感技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新 兴高新技术产业和尖端工业的是能技术和最基本的装备。在提高生产率， 降低成本，保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点； 特别是在适应机械产品迅速更新换代，小批量，多品种生产方面，各类数 控装备是实现先进制造技术的关键。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处联盟( International Federation of Information Processing, IE

7、IP )第 五技术委员会，对数控机床作了如下的定义：数控机床是一种装了程序控 制系统的机床。该系统能逻辑的处理具有使用码或其他符号编码指令规定 的程序。数控铣床是发展最早的一种数控机床，以主轴位于垂直方向的立式铣 床居多。铣床的主轴只作旋转运动，工作台带动工件作纵，横，垂直三个 方向的进给运动，称为升降台式铣床。为了提高刚度，目前多采用主轴既 作旋转主运动，又随主轴箱升降台作垂直进给运动，工作台只作纵横 2 个 方向的进给运动的不升降类型铣床。立式数控铣床加工平面凸轮零件，只 需要工作台沿横纵 2 个坐标协调运动，即可以同时到达平面曲面的某一点 这种加工轨迹的控制，称为两坐标联动控制（两轴联动

8、） 。当加工圆锥台零 件时，依靠工作台纵横两坐标协调运动完成圆周加工，加工完一圈后，再 沿锥台高度方向提升一个高度，接着改变圆的直径 （X,Y 的合成值） 加工另 一圆周，如此下去，直至加工出整个锥台，这称为两轴半控制。如果在圆 锥上加工一条螺旋槽曲线，则要求 3 个坐标进给每时每刻都必须协调运动， 即同时到达空间的某一点，这称为三坐标联动控制即三轴联动。三轴联动 即可加工复杂的空间曲面。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前 3 坐标数控立式铣床仍占大多数。一般可进行 3 坐标联动加工，但也有部分 机床只能进行 3 坐标中的任意两坐标联动加工。此外，还有机床主轴可以 绕 X、Y、Z 坐标轴中

9、其中一个或两个轴作数控摆角运动的4坐标和 5坐标数控立式铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐 标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而 来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程难度更大，设备 的价格也更高。数控立式铣床可以附加数控转盘、采用自动交换台、增加 靠模装置等来扩大数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提 高生产效率。1.3 课题研究的目的和意义我国近几年数控铣床工作台虽然发展较快，但与国际先进水平还存在 一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应 变能力差。针对传统数控铣床工作台的不足之处及生产中存在

10、的问题， 有必要在传 统机床的基础上研究出新型数控铣床工作台。通过对传统铣床手动的进给 系统、夹紧系统及传动系统的创新设计，加入新技术，从而提高产品质量 和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。数控铣床工作台的发展现状和趋势是：在规格上将向两头延伸，即开 发小型和大型工作台；在性能上将研制以钢为材料的工作台，大幅度提高 工作台的承载能力；在形式上继续研制多轴并联，甚至于五轴并联的工作 台。综上所诉， 数控工作台的开发和设计具有很高研究的意义 .本课题采用类 似的机床结构设计成果的方法，进行数控铣床工作台的设计，使其能够实现 更好的工业生产自动化。本课题对数控铣床工作台部件进行了设计，研究

11、数控铣床的结构，主要 部件及典型零件的设计方法，其意义如下：1、通过对数控机床的结构设计和研究掌握机构设计的一般步骤和方法；2、通过对课题的研究，了解国内外有关数控机床的技术现状和发展趋 势；3、通过毕业设计培养自己的创新精神，提供分析问题和解决问题的能 力。34 / 25第2章设计的内容及要求2.1设计题目已知条件：定位精度：).01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=20000h , 中等冲击X轴方向行程650丫轴方向行程400最快速度4.5m/min3mm/s进给速度2.2设计的内容2.2.1数控装置总体方案的确定(1) .数控装置设计参数的确定；.方案的分析，比较，论证。2.2.2机械部

12、分的设计(1) .确定脉冲当量；(2) .机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(3) .传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(4) .确定伺服电机；(5) .绘制机械结构装配图；(6) .系统等效惯量计算；(7) .系统精度分析。2.2.3编写课程设计说明书(1)说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括提方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，选用元器件参数 的说明；(2) 说明书不少于 12000 字，尽量用计算机完成第3章 工作台总体方案的确定3.1机械传动部件的选择3.1.1导轨副的选用要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位 精度高，因

13、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。3.1.2丝杠螺母副的选用伺服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0.001mm冲当量和-.01mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，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、预紧后可消除反向间隙。3.1.3减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，考虑到传动精度和缓和减速机工作时轴上的扭转冲击及减轻轴的扭转振动，所以采用联轴器。3.1.4伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到 0.001m m，定位精度也未达到微

14、米级， 空载最快移动速度也只有因此 3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺 服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。3.1.5检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还是偏高，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，决定采用闭环控制，拟在电动 机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。 增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、丫两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为 了减少设计工作量，X、丫两个坐标的导轨副、丝杠

15、螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。3.2绘制总体方案图总体方案图如图所示。微型机机电揍口驱动电路步进电机步进电机X方向传 动机构人机接口其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑 块和工作平台在导轨上运动， 完成工作台在X、丫方向的直线移动。导轨副、 滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只 需根据工作载荷选取即可。第4章 机械系统的设计计算4.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计（ X 向）铣床工作台的进给运动，由进电机的转动，然后带动车床丝杠传动。 在数控车床上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也还有应用滚珠丝杠 来转动。原因

16、是普通丝杠传动摩，但总是不太稳定。所以，在数控车床上要擦系数大，效率低，传动中有间隙。虽然传动 中的间隙可以用一些办法来补偿，修正采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动 有一系列的优点，但制造工艺较为复杂，成本高，在某些应用上受到一定 的限制，但随着数控车床的发展，它的使用将会更加广泛。滚珠丝杠传动都使用防护罩，以防止空气中的尘土和其它杂物等进入。 滚珠丝杠和滚珠螺母组成滚珠丝杠螺母副，它是把步进电机的转动 角位移，变换成数控车床工作台的的直线位移。滚珠丝杠螺母副，也简称为滚珠丝杠副，是一种新的传动机构，它是 在丝杠和螺母的螺旋槽之间装有滚珠，以此作为中间元件的一种传动机构。4.1.1 滚珠丝杠副的传

17、动原理 丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽 , 这两个圆弧形的螺旋槽对合起来 就形成螺旋线的滚道 , 在滚道内装有许多滚珠 . 当丝杠旋转时 , 滚珠相对于 螺母上的滚道滚动 , 因此丝杠与螺母之间滚道的摩擦为滚动摩擦 . 为防止滚 珠从螺母中吊出来 , 在螺母的螺旋槽两端应用挡住器挡住 , 并设有回路滚道 是他的两端连接起来 . 使滚珠从滚道的一端滚出后 , 沿着这个回路滚道从新 返回到滚道的另一端 , 可以循环进行不断地滚动。4.1.2 滚珠丝杠副的传动特点滚珠丝杠副的优点是 : 传动效率高 , 因为它是滚动摩擦 , 传动效率可达 0.920.96,比普通的丝杠传动提高 34倍. 由此带来了一

18、系列的优点 , 如功率 损耗小,传动平稳 ,磨损小 ,无爬行现象等等 .除此而外还有两个特点 ,一是: 一般的丝杠传动总是有间隙 , 而滚珠丝杠可以消除间隙 , 所以当丝杠转动反 向时 ,可以没有空程 ,提高了反向的定位精度 , 也增强了传动刚度 . 二是:一 般的丝杠传动只能使旋转运动转变为直线运动 , 而滚珠丝杠副由于传动的 摩擦系数小 ,所以既能把旋转运动转变为直线运动 , 也可以从直线运动转变 为螺旋运动，具有传动的可逆性，因此可以作为主动件，也可以作为从动件. 它也有缺点，主要是元件的精度要求高，光洁度要求也高，所以制造工 艺很复杂，成本也高对于丝杠和螺母上的螺旋槽，一般要求磨削成型

19、，因而 制造困难，也限制了使用.又由于传动的可逆性，所以不能自锁，当应用在垂直传动装置时，由于 自重和惯性的关系，在下降过程中不能立刻停止，因此还需要备有制动装4.1.3滚珠丝杠副的结构与调整滚珠丝杠副的结构尽管在形式上有很多类型，但其主要区别是在螺纹滚 到的型面形状，滚珠循环的方式，轴向间隙的调整和加预紧力的方法等 三个方面。（1）螺纹滚道型面的形状螺纹滚道型面的形状有很多种，目前国内正式投产的，仅有单圆弧型面和 双圆弧型面两种，如图所示。滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂 线之间的夹角，称为接触角（）0（a）单圆弧（b）双圆弧图4-1滚珠丝杠副螺纹滚道型面的截形（2）单圆弧型面一般滚道

20、的圆弧半径要比滚柱的半径稍大一些。对于单圆弧型面的螺 纹滚道，接触角是随着轴向负载大小而变化的，当轴向负载为零时，接触 角也为零；当负载逐渐增大，接触角也逐渐增大。实验证明：当接触角增 大时，传动效率，轴向刚度，承载能力都随之增大。（3）双圆弧型面双圆弧型面螺纹滚道的接触角是不变的。在偏心距（e）决定后，滚珠与滚道的圆弧角接处，会有很小的空隙。这些空隙虽然能容纳一些脏物，但不至于堵塞，反而对滚柱的滚动有利。从传动效率，轴向刚度，承载能 力等要求出发，接触角大一些好，但接触角过大制造就会困难。一般接触 角为45，滚道的圆弧半径也同样比滚柱的半径稍大一些。滚珠的循环方式目前国内常用的滚珠循环方式由

21、外循环和内循环两种。（1外循环方式如图所示为外循环方式，滚柱在循环过程中与丝杠脱离接触，通过外 面的循环回路称为外循环（W系列）。这种外循环是直接在螺母的外圆上铣 出螺旋槽，用挡珠器从螺母内部切断螺纹滚道，挡珠滚珠的去路，迫使滚 珠导入通向外圆螺旋槽中，构成了外面的旋环回路。外循环的结构和制造 较为简单容易，因此应用较广，他可以制成单列或式双列两种的结构形式。（2）内循环方式滚柱在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环（N系列），如图所示。这种内循环是在螺母外侧孔中装了一个接通相邻滚道的反向器，借 助这个反向器迫使滚珠翻过丝杠的牙顶，而进入相邻的滚道。内循环滚珠 丝杠副回路短，工作滚珠数目少

22、，结构尺寸紧凑，流畅性好，摩擦磨损小， 传动效率高，轴向刚度和承载能力都较高，具有一系列优点，但制造困难， 结构复杂，所以不及外循环方式应用的广泛。图4-2外循环的滚珠丝杠图4-3内循环的滚珠丝杠4.1.4轴向间隙的调整和加预紧力的方法对于滚珠丝杠副，除了单一方向的进给传动精度有一定的要求外，对 它的轴向间隙也有严格的要求，以保证反向传动的精度。要把轴向间隙完 全消除，也是相当困难的。通常采用双螺母，并加预紧力的方法来消除其 轴向间隙。双螺母经加预紧力调整后，能基本上消除轴向间隙。单螺母的 滚珠丝杠副是不能调整轴向间隙和预紧力的，其轴向间隙只能依靠滚珠丝 杠副本的精度和安装时丝杠和螺母的连接精

23、度来保证。双螺母加预紧力消除轴向间隙必须注意两点，一是：通过预紧后产生 的力，可促使预拉变形，以减少弹性变形所引起的位移。但预紧力不能太 大，否则会使驱动力矩增大，传动效率反而降低，使用寿命也随之缩短。 二是：轴向间隙的消除，不能忽视丝杠的安装部分和驱动部分的轴向间隙， 应同时调整是它减少到最小。目前常用的双螺母预紧力调整方法有下面三 种。（1垫片调隙式如图所示为垫片调隙式，一般用螺钉来连接滚珠丝杠上的两个螺母的凸缘 处，在中间加垫片。垫片的厚度是螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙 和产生预紧力的目的。这种结构特点是结构简单，可靠，装拆方便。但缺点是调整很费时，在 工作状态下不能随意调整，因为

24、要更换不同厚度的垫片才能消除间隙，所 以是用于一般精度的机构中使用。（2）螺纹调隙式如图所示为螺纹调隙式。它是一个螺母的外端有凸缘，而另一个螺母 的外端没有凸缘，车有螺纹，它伸出在套筒外，并用两个圆螺母调整好间 隙后，再用一圆螺母锁紧螺母锁紧就可以了。这种结构的特点是结构紧凑，调整方便，所以应用广泛，但调整的位 移量不太精确。图4-4垫片调隙式图4-5螺纹调隙式齿差调隙式如图所示为齿差调隙式。它是在两个螺母的凸缘上各有圆齿轮2，两者的齿数值相差一个齿，装入内齿圆3中，内齿圆3是用螺钉1和定位销4固定在套筒5上的。调整是先取下内齿圆3,转动圆柱齿轮2,在两个滚柱螺母相对于滚筒 5转动时，可以使两

25、个螺母相互产生角位移，这样滚柱螺 母对于滚珠丝杠的螺旋滚道也相对移动是两个螺母中的滚柱分别贴近在螺 旋滚到的两个相反的侧面上。消除间隙并产生预紧力后，把内齿圆3套上用定位销4固定这种结构的特点是调整精确可靠，定位精度高，但结构复杂，仅在高精 度的数控机床有所应用。51螺钉； 2 圆柱齿轮；3 内齿圆;4 定位销；5套筒。图4-6 齿差调隙式4.1.5滚珠丝杠的选型与计算由技术要求,丝杠工作长度L=600mm ,工作寿命L 20000 h,传动精度要求0.001mm（1）求计算载荷Fc = Kf Kh KAFm =1.2 1.0 1.0 1500 =1800N由条件，查机电一体化系统设计表2-6

26、取Kf =1.2,查表2-6取Kh =1.0,表2-4取D精度，查表2-6取心=1.0, Fm（N）为平均工作载荷，更具已知条件 估计工作载荷为1500N.（2）计算额定动载荷计算值Ca由式（2-4）CaFcnm L h1.67 104二(1800380 200001.67 104)N:8236N设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min,初选丝杠导程Ph=5mm则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/min。（5）根据Ca 选择滚珠丝杠副假设选用FC1型号,按滚珠丝杠的lS额定动载荷Ca等于或稍大于Ca的原则，查表2-9选FC1-2005-2.5以下型 号规格额定载荷/N静态

27、力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷Ca静载荷CoTaTbTcKgKg /mL(mm)8630182411981982880.603.1780表4-1 FC1型号滚珠丝杠参数每分钟往复次数滑座个数单向行程长度M0.6导轨的额定动载荷Ca =8630N满足要求公称直径D20mm 导程P=5mm螺旋角二4 33 滚珠直径d0 = 3. 1 7m m按表2-1中尺寸计算滚道半径 R=O.52do=o.52 3.175=1.651mme = 0.07( R - %) = 0.07(1.651 -= 0.0044mm偏心距22丝杠内径 d12e-2R=202 0.0044 -2 1.651 =16

28、.71mm表4-2滚珠丝杠螺母副几何参数名称符号计算公式和结果螺纹滚道公称直径do10螺距t4接触角P P45钢球直径dq2螺纹滚道法面半径RR = 0.52dq =0.52x3.175 = 1.651偏心距ed0e = 0.007(R-) = 0.00442螺纹升角YY = arctg = 7.26螺杆螺杆外径dd = d0 -(0.2 0.25)dq = 9.5螺杆内径didi = D。-2e+2R = 23.293螺杆接触直径dzdz = d0 -dqcosP = 8.59螺母螺母螺纹外径DD = D0 +2e-2R = 16.71螺母内径(外循环)DiD1 = d0 + (0.2 0.

29、255 )dq = 10.5(4)稳定性验算1 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数FcrEl丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷(7)2其中 E=206GpaL=0.6m= n 0.01671 . 3.90 10m46464-2Fcr则n 206 109 3.90 10*(2S 丝杠是安全的,不会失稳2高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高= 9910转速-临界转速要求丝杠的最大转速nmaxjcrcr式中，fc为临界转速系数，见表2-10。本题fc = 3.927 , 2/3，则 nmax

30、jcr所以丝杠不会发生共振cr= 99103.9272 0.0167120.6此外滚珠丝杠副还受Don值的限制，通常要求4D0nv7 10 mm r /min34D0n =20 80mm r / min =1.6 10 mm r /min 710 mm r / min所以该丝杠副工作平稳(5)刚度验算滚珠丝杠在工作负载 F(N)和转矩T(N m)共同作用下引起每个导程的变形pFp2T=-! EA 2 GJC1 2 2 di (m ); Jc,A= 4为丝杠的极惯性量丄0(m)为,A 为丝杠截面积144矩,JCdi (m );32G为丝杠切变模量,对钢G=83.3GPa;T( N m)为转矩.T

31、 二 FmD2tan(0式中，为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；Fm为平均工作载荷取摩擦系数为tan P =0.0025 则得 P = 840”T =1800 20 10” tan 2 118 44” N m=0.628N m2按最不利的情况取(F=Fm)EA 2n3JCd2nGcC4x5x0% 180016疋(5疋10二)x0.628 3.12010 (0.01671 (3.14)X方向导轨汉83.3汉 109沢(0.016714 = 0.332 10Jm则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为L =1 丄 -0.6 0.332m0.398 mp5汇10通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即1 1=L 1.7534,可见该电动机可满足要求。4.4.4步进电动机的性能校核(1) 最快工进速度时电动机时电动机的输出转矩校核该工作台的最快工进速度Vmax = 400mm/nin,=0.