数控机床课程设计说明书样本

广前科技大老

《数控机床》课程设计阐明书

课题名称X・Y数控工作台设计

学院机械工程学院

专业机械.工程及自动化

班级_____________________

学号_____________________

姓名_____________________

指引教师_____________________

6月25日

摘要

数控技术及数控机床在当今机械制造业中重要地位和巨大效益，显示了其在国家

基本工业当代化中战略性作用，并己成为老式机械制，造工业提高改造和实现自动化、柔

性化、集成化生产重要手段和标志。数控技术及数控机床广泛应用，给机械制造业产业

构造、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性变化。X-Y数控工作台是数控机床重

要构成某些，其制造精度对数控机床精度有着重要影响。

X-Y数控工作台普通由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副以及伺服电动机

等部件构成。本次课程设计内容重要是对数控铳床X-Y数控工作台滚珠丝杠螺母副、步

进电机、导轨副计算和选用。

核心词：数控机床开环控制滚珠丝杠步进电动机滚动导轨

目录

一、设计目...................................................................0

二、设计任务.................................................................0

三、设计重要环节............................................................0

（一）拟定设计总体方案.................................................0

1.机械传动部件选取。.................................................1

2.控制系统设计，完毕进给控制系统原理框图及步进电机控制驱动。..........2

（二）机械传动部件计算与选型............................................2

1.导轨上移动部件重量估算。..........................................2

2.计算切削力。..........................................................3

（三）滚珠丝杠传动设计计算及效验。....................................3

1.最大工作载荷计算。................................................4

2.最大计算动载荷拟定。..............................................4

3.规格型号初选。....................................................5

4.传动效率计算。....................................................6

5.刚度验算。........................................................7

6.稳定性验算。......................................................8

7.临界转速验算。....................................................8

8.滚珠丝杠选型及安装连接尺寸拟定。.....................................9

（四）步进电动机传动计算及电动机选用。................................11

1.传动计算.........................................................11

2.步进电动机计算及选型。...........................................12

3.步进电动机转轴上等效负载转矩M计算。................................15

（五）滚动导轨设计计算.................................................18

1.工作载荷计算。...................................................19

2.小时额定工作寿命计算。...........................................19

3.距离额定寿命计算。...............................................19

4.额定动载荷计算。.................................................19

5.导轨副选型.......................................................20

6.安装连接尺寸。...................................................21

四、控制系统设计...........................................................22

五、机械某些装配图绘制.....................................................22

结束语......................................................................23

道谢........................................................................23

参照文献....................................................................24

一、设计目

《数控机床》课程设计是一种重要实践性教学环节，规定学生综合运用所学理论知识，独立进行

设计训练，重要目是：

1）通过本设计，使学生全面地、系统地理解和掌握数控机床基本构成及其有关基本知识，学习

总体方案拟定、分析与比较办法。

2）通过对机械系统设计，掌握几种典型传动元件与导向元件工作原理、设计计算办法及选用原

则。

3）通过伺服系统设计，掌握惯用伺服电动机工作原理、计算选取办法与控制驱动方式。

4）培养学生独立分析问题和解决问题能力，学习并初步树立“系统设计”思想。

5）锻炼提高学生应用手册和原则、查阅文献资料以及撰写科技论文能力。

二'设计任务

1）设计一套供立式数控铳床使用X-Y数控工作台，重要参数如下：

2）立铳刀最大直径d=15相〃”立铳刀齿数Z=3；最大铳削宽度《=15加〃；最大背吃刀量

%,=8；加工材料为碳素钢或有色金属。

3）X、Y方向定位精度均为±0.02〃〃〃。

4）工作台尺寸为，加工范畴为：

工作台空载最快移动速度，工作台进给最快移动速度，加减速0.4s。

三、设计重要环节

（-）拟定设计总体方案

1.机械传动部件选取。

（1）丝杠螺母副选用。

由于该立式铳床为经济型机床，由于精度规定不高，因而采用开环控制，在工作中需

把电动机旋转运动转换成宜线运动，并且对定位精度有规定，因而选取定位丝杠。由于

需要达到定位精度，初选脉冲当量。而滑动丝杠副定位精度普遍为，达不到所规

定定位精度，因而选取滚珠丝杠螺母副，依照《数控机床系统设计》P95-P97可知滚珠

丝杠螺母副具备摩擦损耗低、传动效率高、动/静摩擦变化小、低速时无爬行及使用寿

命长等长处，并可通过丝杠螺母预紧消除间隙，提高传动刚度。

1）精度级别拟定

由《当代数控机床设计典例》P229选用滚珠丝杠精度级别为P4。

2）滚珠循环方式拟定

由《数控机床系统设计》P96-P97可知外循环回路转折平缓，便于滚珠循环，同步构造

简朴，加工以便。因而滚珠丝杠螺母副滚珠循环方式选取外循环。

3）预紧方式选取

由《数控机床设计实践指南》P105可知垫片预紧具备构造简朴、装卸以便、刚度高等长

处，考虑到本机床为经济型机床，定位精度规定不高，因而选取垫片预紧。

4）支承形式选取

（2）已知工作台最快移动速度，定位精度为，加工范畴为，转速不高，有位置

精度规定，由《当代数控机床设计典例》P57选取一端固定，一端游动支承形式。这种

支承形式特点是压杆稳定性更高和临界转速更高。

（3）导轨副选用。

（4）由于本机床为经济型数控机床，工作台直线运动，载荷不大，运动速度低，定位

精度规定为，由《数控机床系统设计》P180-P181可知滚动导轨运动敏捷度高，摩擦

系数小，定位精度高等长处，因而选取双导轨循环式滚珠导轨。由《当代数控机床设计

典例》表2.4T,选取滚动导轨精度级别为P3,预载荷级别为P2,预载荷值为0.025C。

（5）伺服电动机选用。

（6）由于本机床为经济型立式数控铳床，伺服进给系统采用开环系统，定位精度规定

较低，脉冲当量为，定位精度为，最快移动速度为。由《数控机床系统设计》P107,

从经济实用角度出发，选用步进电机。

（7）减速装置选用。

2.由于本机床为经济型立式数控铳床，伺服进给系统采用开环系统，从而为了简化机

械构造，保证较高传动精度和传动刚度，一方面初定电动机通过联轴器直接与丝杠联

接。

控制系统设计，完毕进给控制系统原理框图及步进电机控制驱动。

依照机床设计规定，绘制进给控制系统原理框图如图

（二）机械传动部件计算与选型

1.导轨上移动部件重量估算。

2.按照下导轨上面移动部件重量来进行估算。涉及工件、夹具、工作平台、上层电动机、

减速箱、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等，预计重量约为800N。

3.计算切削力。

依照题目所给规定，拟定加工材料重要是碳素钢或有色金属，由《切削用量简要手册》

表3.28可得切削力计算公式

_卜pJ工e

c=-喈*~

式中一一铳刀直径，由任务书中可知；

——最大背吃刀量，；

——每齿进给量：由当前刀具应用范畴，选取机床所用刀具重要是硬质合金

立铳刀，查《数控加工工艺与编程》表1-9选取；

----最大铳削宽度，由任务书中可知；

一一齿数，由任务书中可知；

——转速，由于切削力随着主轴转速增大而减小，而数控铳床主轴转速普遍

在以上，因而在此拟定为切削力最大时主轴转速;

CF——查《切削用量简要手册》表3.28可知19；

——查《切削用量简要手册》表3.28可知/=1.0；

%—查《切削用量简要手册》表3.28可知力=0.75；

uF——查《切削用量简要手册》表3.28可知%.=0.85；

krFe——查《切削用量简要手册》表3.28可知⑥=1；

qF——查《切削用量简要手册》表3.28可知分=0.73；

1昨——查《切削用量简要手册》表3.28可知心=0.13；

代入数据计算可得

口史史泰竺穿X、1691.7N

c15O73X300-°,3

由于铳削对象重要是碳素钢和有色金属，选取铳削方式为不对称逆铳，查《金属切削原

理和刀具》表15.4选取各铳削分力经验比值如下

水平进给力:

垂直进给力:

轴向进给力:

代入数据计算可得

水平进给力:

垂直进给力:

（三）横向进给力:

（四）滚珠丝杠传动设计计算及效验。

1.最大工作载荷计算。

由经验公式

尸=%+〃（金+F+G）

式中水平进给力，由上可知；

——垂直进给力，由上可知；

——横向进给力，由上可知；

——工作台重量，由上可知；

——摩擦系数，查《数控机床系统设计》P180可得

代入数据计算可得

F=1860.87+0.003(422.93+642.85+800)=1866.47N

2.最大计算动载荷拟定。

(1)初定丝杠导程

(2)查《机械设计手册》第5卷P34-19,依照公称导程优先系列，初定滚珠丝杠导程

O

(3)动载强度计算

已知工作台在进给时，最高速度为，依照转速计算公式计算可得

n==8077min

5

由《数控机床系统设计》P89可知当转速时，滚珠丝杠螺母副重要破坏形式是工

作表面疲劳点蚀，因而需要进行动载强度计算。

查《数控机床设计实践指南》P114可得动载强度计算公式

式中一一动载荷系数，查《数控机床设计实践指南》表4T4,由于机床承受普通为

中档冲击，选取；

——硬度系数，查《数控机床设计实践指南》表4T5,由硬度，选取；

——当量动载荷，查《数控机床设计实践指南》P114得

式中一一最大工作载荷，由上可得；

——最小工作载荷，由上可得

代入数据计算可得

2xl866.47+2.4=1245J2yv

3

寿命，以转为1单位，查《数控机床设计实践指南》P114得

—106

式中使用寿命，普通数控机床工作年限为，每天工作8小时，因而；

当量转速，由上可知；

代入数据计算可得

60x80x24000

r==115.2(106)

io6

最后代入数据计算可得

C=Vn5?2xl.3xl.0xl245.12=78757V

3.规格型号初选。

依照计算出最大动载荷和初选丝杠导程，上网查询关于厂家产品资料，从经济实

用角度出发，选取BSS2505外循环插管式滚珠丝杠副，由厂家提供产品规格，咱们可以

得知：其公称直径为25mm,导程为5mni,循环滚珠为2.5圈X1歹山由厂家提供资料查

得额定动或荷，满足规定。其详细参数如表3-1。

表3-1滚珠丝杠重要尺寸

参数名称符合计算公式

公称直径425nvn

导程5irun

Ph

丝杠滚道接触角aa=45。

钢球直径a=3.175〃加

螺纹滚道法面半径兀=1.81/加

偏心距ee=0.71加〃

螺纹升角。0=3.64。

丝杠外径dd=24.5mm

丝杠内径4=2\Amm

丝杠4

螺杆接触点直径4dk=24mm

螺母螺纹大径DD=27.2mm

丝杠螺母

螺母内径□-25.13mm

4.传动效率计算。

查《机电一体化技术基本及应用》P33可得传动效率计算公式

tan2

n-

tan(A+pj

式中一一螺纹升角，由表2.1可知

——摩擦角，普通取；

代入数据计算可得

tan4550

=_——>KX)%=96.45%

tan(4.550+10')

5.刚度验算。

按最不利状况考虑，螺纹螺距因受轴向力引起弹性变形与受转矩引起弹性变形方

向是一致。查《机电一体化技术基本及应用》P32可得弹性变形计算公式

16平24Fs

c3=------!------1----------

$后Gd：TiEd；

式中，其中由上可知，，，，代入il算；

一一摩擦系数，取；

——丝杠内径，由表2.1可知；

——螺距，由上可知；

——剪切模量，查《实用机床设计手册》表LIT选取；

弹性模量，查《实用机床设计手册》表1.1-4选取

代入数据计算可得

016xl.03x(5xl0-3)2xl064x1.03x106x5x10-3

o------------------------------------------1---------------------------------------

5」2x83.3x10-x(21.1x107)4^x2.2xl0"x(21.1xl0-3)2

=2.53x105pim+6.69x102pm=6.70x102〃n

每米螺纹上长度上螺纹距离弹性变形为

R6.7x10-2

—=-------=13Auin/m

s5x10-31

查《机械设计手册》第5卷得有效行程内平均偏差，行程变动量，平均行程变

动量，已知定位精度为，即。由于

6.因此刚度验算通过，丝杠螺母副刚度符合规定。

7.稳定性验算。

细长丝杠在受压缩载荷时，应验算压杆稳定性，不会发生失稳最大压缩载荷为临

界载荷。查《数控机床系统设计》P1D0临界载荷计算公式

=3.4x1(),ox^-

A)

出=4)-L2。,，

式中一一丝杠公称直径，由上某些可知；

一一滚珠丝杠直径，由上某些可知；

——丝杠最大受压长度，由于工作台范畴最大为260mm,因而取丝杠有效行程为

280mm,因而丝杠最大受压长度为280n明即0.28m。

——丝杠支承方式系数，当一端固定，一端游动时;；

代入数据计算可得

=0.025-1.2x3.175x10-3=0.02119/H

死=34x1。隈誉翳=174870.5N

=174870.5N

F=140

“-1245.12N

8.因而通过稳定性检查，所选丝杠符合规定。

9.临界转速验算。

对于高速长丝杠有也许发生共振，需要验算其临界转速，不会发生共振最高转速

为临界转速。查《数控机床系统设计》P100可得计算公式

=9910^-

V

d2=d^-\2Dw

式中一一临界转速计算长度，经查资料拟定为支承间长度，由上某些可知螺母长

度为67mm,由上可知丝杠有效行程为280mm,可知

L=28()AW7Z+^1mm=347mm=0.347m；

——丝杠支承方式系数，当一端固定，一端游动时,

代入数据计算可得

3

d2=4-L2",=25-1.2x3.175=21.19/mz=21.19xlO-m

3.9272x21.19xlQ-3

=9910x=26894.7r/min

0.3472

n

e=26894.7r/min>neq=80r/min

10.经验算，转速符合规定。

11.滚珠丝杠选型及安装连接尺寸拟定。

(1)支承部件一轴承座选取

由于丝杠受用一端固定一端游动支承方式，经查《机械设计手册》第3卷P20-96拟定

在固定端选用成对角接触球轴承(背对背)，在游动端选取深沟球轴承，这样轴承组合

具备可承受较大径向和轴向载荷，构造简朴和调节以便等特点。经上网查询，从经济实

用和构造紧凑角度考虑，厂家比对，固定端选用上海锐湛轴承有限公司生产BK20轴承

座，此类轴承座内含一对角接触球轴承，背对背配备；游动端选用上海锐湛轴承有限公

司生产BF20轴承座，此类轴承座内含一种深沟球轴承，详细参数如图3T和3-2所示。

BK固定侧FixedSide7通孔丫沉头孔深z

4.Xdn'ithroughYcounterboredepthZ

单位(Unit):mm

H卜网"02丫IZ

d1L口L2L3C1C2BB1H1EPd2x

BK1010256317136603930223432.515465.56.6115

BK121225631713660433025353518465.56.6116.5

BK151527633715670483528403818545.56.6116.5

BK171735843919886644339505528686.69148.5

BK202035843919888604434525022706.69148.5

BK25254212521022101068053486470338591117.511

BK303045145511231112889645176783310211142013

BK353550146312261214096705288793511411142013

BK40406118711633141601108060100903713014182617.5

因A-1RK痣万ll蚓山叁粉

BF支持侧FloatedSide

2-X通孔Y沉头孔亥

2-XdrillthroughYcounterboredepthZ

单位（Uni：）：mm

b・os|h»o«

£1犒d1LBHBlH1EIPd2xYz

BF101020603930223432.515465.56.6115

BF12122060433025353518465.56.6116.5

BF15152070483528403818545.56.6116.5

BF1717238664433950552868669148.5

BF20202688604434525022706.69148.5

BF2525301068053486470338591117.511

BF30303212889645176783310211142013

BF35353214096705288793511411142013

BF4040371601108060100903713014182617.5

图3-2BF系列轴承参数

（2）联轴器选取

由于丝杠与电动机主轴相连，需考虑振动等状况，因而选用弹性膜片联轴器，经上网

查询，选取天津腾犍科技发展有限公司生产TJ-A-050sA型联轴器。详细规格尺寸如图

3-1所示

|尺1D

(3)丝杠长度计算图3-1联轴器规格和尺寸

查得丝杠长度计算经验公式

L=L自+%+L联+3轴+L余

式中一一有效行程长度，由上可知；

——螺母长度，由上可知；

——联轴器伸入长度，由上可知；

——轴承座长度总和，由所选轴承座几何参数可知；

练=预紧螺母宽度总和，选用M2O的螺母，B螺=12加

余程，取；

代入数据可得

L=280+48+20.5+69+55.5=413mm

详细安装尺寸如图3-2和图3-3所示

BSS25O5

0n_______________

51式—1-|L

BSS2510-700

OBSSE2510L420(冰林型河相伯)

O3SSE2510G420(冰排Gfi!阕:8脂)

精

指定单位浓珠

度型式基本飘定员较

1mm茶珠已中丝红底油向桢压用短州施

等y18环处

径心面径间俅N,cm方向

轻丝杠热外

3径C(si))kNCo(»)kN

L-

BSS300—995317525.8(225)9.422.20.005KIT60以F

12325圈

BSSL-1列0.005以下6OttF

300—1500(21)16.133.4右

BSSE1260.030以下-

4762526

BSS2L-0005以下6。以F

15B8

300^1500(21)10420.1

8SSE1261刎0.030以下-

Kof=N-O101972

阅AA漆竹:必h初未新城原I

（四）步进电动机传动计算及电动机选用。

1.传动计算

由于本机床规定位置精度为，选用脉冲当量为，由于总体方案中选取电动机

主轴通过联轴器与丝杠相连，因而可知传动比。查《数控机床系统设计》P110中可得

计算公式

360。3

a=-------

it

式中一一脉冲当量，由上可知；

——传动比，由上可知；

——滚珠丝杠导程，由上可知；

代入数据计算可得

^360^x0.01

1x5

因而需选取步距角二二0.72。步进电机。

2.步进电动机计算及选型。

(1)步进电动机转轴上总转动惯量J计算。

总转动惯量J重要涉及电动机转子转动惯量、减速装置与滚珠丝杆一级移动部件等

折算到电动机转轴上转动惯量等。

1)旋转运动部件惯量计算

①联轴器惯量

由所选联轴器生产厂家提供参数可知=76.26x10-6Ag.加2；

②丝杠转动惯量计算

J=0.77D4Ax1(r,2

式中一一圆柱体直径，本式中按丝杠外径计算，因而；

——圆柱体长度，由上可知；

代入数据计算可得

J=0.77x24.54x473x10-J1.34xICT4版/浮

2)直线运动部件转动惯量计算

查《数控机床系统设计》P123可得沿直线轴移动物体惯量计算公式

J=(—

)2MXJ0-6

27r

式中一一工作台(含工件)质量，由任务书可知；

一一丝杠螺距，选取得到丝杠为单头螺纹，因而；

代入数据计算可得

J=(—)2x81.6xl06=5.16xl05^-m2

24

3)负载惯量计算

人=」丝+,联+J工作台

式中一一丝杠惯量，；

——联轴器惯量，；

——工作台惯量，；

代入数据计算可得

乙=1.34x10"+76.26xlO'+5.16乂m=2.62x10%/加

查《机械设计手册》第5卷35-85选用BYG系列混合式步进电机，通过上网查询厂

家产品信息，依照步距角等规定，通过度析比对，初选北京和利时电机技术有限公

司90BYG550B-SAKRML-0307步进电机。

详细技术参数如图3-4.图3-5和图3-6所示

技术数据

静态

位

相

步

持

定

保转动

相相电空载启动重

距

货物编电

矩

矩惯量

转

规格型号流转频率量

角

码阻

(半步方式)2

|/°1.

数\(A)•0)(mH)(Nm)(Nm)(KHz)(Kg)(gem)

00027090BYG550A-SAKRML-030150.36/0.7230.22.02.00.132.22300

00028090BYG550B-SAKRML-030150.36/0.7230.44.04.00.22.73.44500

00030090BYG550C-SAKRML-030150.36/0.7231.67.96.01.02.44.68000

00031090BYG5200B-SAKRML-030150.09/0.1830.44.05.00.553.44500

00032090BYG5200D-SAKRML-030150.09/0.1830.88.0101.025.99000

图3-4电动机技术数据

嬲特性雌

90BYG550A-SAKRML-030190BYG550B.SAKRML-0301

E《

Z

》

期

我

0.5

图3-5电动机矩频图

外形尺寸[单位：mm]

A——A

90BYG550B

90BYG550A-SAKRML90BYG550C90BYG5200D

-SXKKRML90BYG5200B-SAKRML-SXKKRML

-SAKRML

9.59.59.511

4445

I75106137168

26262636

15151525

12121214

图3-6电动机外形尺寸

4）总转动惯量

查《数控机床系统设计》P124可知

J=JL+JM

式中——负载惯量，由上可知；

一一电动机转动惯量，由厂家提供技术资料可知；

代入数据计算可得

7=2.62x104+4.5x104=7.12xlO_4A:gw2

A=1^=0.59

几4.5

查《数控机床系统设计》P126可得小惯量直流伺服电动机匹配关系为，而由于，