数控技术课程设.docx

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1、目 录摘 要4第一章 前 言51.1数控技术及数控机床概述5第二章 总体方案的拟定62.1主要设计要求及参数62.2总体方案的拟定6第三章 工作台传动装置设计73.1铣削力的计算73.2导轨副的设计及计算93.2.1滑块承受工作载荷的计算及导轨副型号的选取93.2.2导轨长度设计103.2.2导轨副额定寿命和时间寿命的计算103.3滚珠丝杠副设计123.3.1导轨副额定寿命和时间寿命的计算123.3.2初选型号143.4滚珠丝杠副刚度的验算153.4.1滚珠丝杠刚度校核153.4.2滚珠丝杠螺母副承载能力的校核163.5丝杠支撑方式及轴承的选择183.5.1丝杠支撑方式的选择183.5.2轴承

2、的选择183.6滚珠丝杠副的预紧力的确定213.8机械传动刚度的计算和校核213.8.1丝杠轴支承刚度的确定213.8.2滚珠丝杠拉压刚度的确定213.8.3滚珠与滚道的接触刚度223.8.4机械传动综合抗压刚度 ，的计算223.8.5机械传动刚度变化引起的定位误差的校验233.8.6进给系统的死区误差的校验233.9计算电机轴上的惯量和转矩，选取步进电机233.9.1传动比及步矩角的确定233.9.2计算折算到电动机轴上的负载惯量243.9.3计算折算到电动机轴上的负载转矩243.9.4步进电机的选择253.9.5联轴器的选择27第四章 工作台电气控制设计294.1工作台电气控制总体方案设计

3、294.2控制器的选择294.3步进电机驱动器的选择304.4总体控制电气接线设计和分析31第五章 编程设计325.1零件加工编程应用32第六章 结论33参 考 文 献36致 谢37ZX4型数控床工作台课程设计摘 要 本次课程设计,主要设计对数控钻铣床十字工作台进行设计。主要设计方法是选用现有模块和自定模块组合设计。随着各种零件开始标准化和规范化，进行选用现有模块进行机械设计是一个比较理想的方案。是的，机械部分的发展越来越规范，但是电气控制部分还存在很大差异，因此设计电气控制部分将是一个相对困难的环节。为了降低难度，本设计的电气控制部分也是采用选用模块化设计，并且使用开环控制。由此，可知本设计

4、的主要设计方法是模块化设计，并主要有机械部分设计和电气控制部分组成。关键字：模块,规范,控制 ,开环第一章 前 言1.1 数控技术及数控机床概述 从数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。它具有普通机床无法比拟的优点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，自动化程度高，劳动力要求低，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件。一个国家工业化发展的程度，很大程度在于数控机床的应用上。我国是制造业大国，在世界物质生产中占有很大比例，但是作为“世界工厂”数控机床的普及率确远远低于发达国家，传统

5、落后的普通机床加工已经落后于时代，大力发展数控机床技术势在必行。和发达国家相比，我国数控机床的应用主要存在以下问题： 低端产品国产化，但竞争激烈，互相靠压价促销； 高技术水平、全功能产品主要依靠进口； 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要依靠进口； 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用； 自行开发能力较差，较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。十字工作台是许多机床上必不可少的部件，而数控十字工作台已经广泛的应用于各种数控机床上，它在提高机床加工精度，减轻劳动强度，提高劳动生产率上发挥了很大作用。第二章 总体方案的拟定2.1主要设计要求及参数型号：ZX4加速时间：0.2

6、SY向以上质量（含台面、工件及夹具等）：65Kg工作台尺寸(X Y)：220X180X坐标行程：200mmY坐标行程：150mm脉冲当量：0.01mm/pluse定位精度：0.05mm重复定位精度：0.03mm工作台空载最快移动速度：1500 mm/min工作台进给最快移动速度：500 mm/min设计参数步进电机步距角自定导轨类型自定滚珠丝杠螺距自定控制系统类型自定设备使用寿命10年；年均工作280天；每天8小时加工参数立铣刀最大直径D=15mm立铣刀齿数Z=3大铣削宽度铣削深度每齿进给量0.1mm铣刀转速500r/min加工材料碳素钢或有色金属2.2总体方案的拟定该设计主要由机械部分和电气

7、控制部分组成。本次设计的十字工作台所配合的是数控铣床，脉冲当量较小，要求定位精度较高而负载较小，因此考虑选用滚动直线导轨。与滑动导轨相比，它具有灵敏度高，运动平稳，低速移动时不易出现爬行现象，定位精度高，摩擦阻力小，移动轻便，磨损小、精度保持性好的优点，但滚动导轨的抗震性较差，对防护要求较高。由于设计要求脉冲当量为0.01mm/pluse，定位精度为0.05mm，所以要求较高。且相对于滑动摩擦机构，滚动摩擦机构具有传动效率高(达92%98%)，灵敏度高（无颤动、无爬行，同步性好），定位精度高(可以实现无间隙传动，刚度强，温升小)，使用寿命长（是普通滑动丝杠的4倍以上，磨损小，精度保持期长）等优

8、点。虽然相对于滑动丝杠价位偏高，但是性价比较高，也更加符合设计所需满足条件，因此还是选用滑动丝杠螺母机构。而对于电机部分，要求的精度对于步进电动机来说可以满足，因此本设计不必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。采用开环控制也能满足精度要求，以降低成本，提高性价比。然后根据所选用的步进电动机和滚珠丝杠机构，计算传动比来确定是否需要安装减速装置。对于电气控制部分设计的XY数控工作台用于数控铣床，其控制系统应该具有轮廓控制、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。对于步进电动机的开环控制，选用ATMEL公司的的8位单片机MEGA16作为控制系统的

9、CPU，能够满足任务书给定的相关指标。最后，还要选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。第三章 工作台传动装置设计工作台传动装置是保证传动精度的硬件要求，因此选择传动装置非常重要。3.1 铣削力的计算零件采用的加工方式为立式铣削，采用高速钢立铣刀，工件的材料为虑镁合金。查下表3-1可得立铣时的铣削力计算公式为：表3-1高速钢铣刀铣削力的计算公式（单位N）工件材料铣刀类型铣削力计算公式碳素钢、可锻铸铁、铝合金、青铜面铣刀立铣、圆柱铣刀三面刃铣刀、锯片铣刀灰铸铁面铣刀立铣、圆柱铣刀三面刃铣刀、锯片铣刀查数控技术课程设计指导书P13、14页，取铣刀每齿进给量=0.1mm/z，切削力系数：；其他参数

10、设计已经给出，数值如下：立铣刀最大直径：d=6mm立铣刀齿数：Z=？最大背吃刀量： 最大铣削宽度： 所以最大铣削力：采用立铣刀进行圆柱逆铣时，各铣削力之间的比值查机电一体系统设计课程设计指导书P16页表3-5可得出：图3.1 圆柱铣刀工作作用力图=(1.01.2) /=(0.20.3) /=（0.350.4） 分别计算出三个方向铣削力为：纵向进给力：垂直进给力：横向进给力：由于是立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力,径向铣削力。3.2 导轨副的设计及计算3.2.1滑块承受工作载荷的计算

11、及导轨副型号的选取本设计中的XY工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，查机械设计手册 第二卷P9127页得则单滑块所受的最大垂直方 向载荷为，即=0.6KN 其中，G工作台移动部件重量。根据计算出的工作载荷初选符合要求的直线滚动导轨副的型号。 查THK公司的SR型LM滚动导轨尺寸说明书，根据选取原则，选择THK公司的SR型的SR15W2MPM-四方向等载荷窄型滚动直线导轨副。3.2.2导轨长度设计其额定动载荷，额定静载荷。工作台尺寸为220mm180mm，加工范围为200mm150mm，因此初选导轨长度为LY=426mm,L

12、X=566mm。设LX为最底滑块。3.2.2导轨副额定寿命和时间寿命的计算1.距离额定寿命的计算上述选取的SR15W型导轨每根导轨上配有两个滑块，精度为4 级，工作速度较低，载荷不大，一般用钢球的直线系统其寿命定为50km。 因此，为导轨额定动载荷；为硬度系数，查图1取=1.0；为计算载荷；查下表温度系数图2可得为温度系数，=1，为接触系数，查下表2取=0.66，为精度系数，取=0.9，为载荷系数，下表3取=1.2，则： 远大于期望值50km，设计符合要求。2. 时间额定寿命的计算要求设备寿命为10年；年均工作280天；每天8小时，则使用寿命为T=22400h，时间额定寿命可按下式进行计算其中

13、为行程长度，XY工作台行程为200mm150mm，取270mm计算；由于该速度很小，所以为每分钟移动部件往返次数取3次，则满足设计要求。3.3 滚珠丝杠副设计3.3.1滚珠丝杆副额定寿命和时间寿命的计算1.最大工作载荷的计算 如前面所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷，受到横向的载荷，受到垂直方向的载荷。已知移动部件总重量G=650，按矩形导轨进行计算，查实用机床设计手册颠覆力影响系数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为：表4.参考公式2.最大动载荷的计算 本次设计工作台最快进给速度，初选丝杠导程，则此时丝杠转速。已知要求滚珠丝杠的使用寿命为T=22400h，代

14、入得丝杠寿命系数()查上述图1，取载荷系数，轨道硬度为60HRC时，取硬度系数，代入得表5.载荷系数3.3.2初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查THK公司滚珠丝杠BIF型尺寸说明书选BNFN2005-5型滚珠丝杠副，其公称直径为20mm，外径为20mm,底径为17.2mm，导程为5mm，滚珠直径为3.55mm，螺母的安装尺寸L=106mm，精度等级取5级，基本额定动载荷为15.1KN，大于计算的丝杠最大动载荷，选择适合。确定滚珠丝杠副的螺纹长度：上式中，为有效行程，=行程+螺母长度=200+106=306mm；为安全行程，=5=25mm；为余程，=2=10mm。其中=Ph;则计

15、算得：3.4 滚珠丝杠副刚度的验算3.4.1滚珠丝杠刚度校核滚珠丝杠在轴向力的作用下，将产生伸长或压缩，在切向力的作用下将产生扭转和弯曲会使丝杠导程发生变化，影响到传动及定位精度，工作台滚珠丝杠副安装采用“两端固定”的方式。这种安装适合于高精度，高刚度的丝杠。查表3-4可知滚珠直径，丝杠底径。丝杠的拉伸或压缩在总变形量中的比重较大，可按下式计算式中为丝杠的最大工作载荷；为钢的弹性模量，为2.1MPa；为丝杠的最小截面积，即丝杠底径截面积；为丝杠两端支承间的距离=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度1.4行程+30=1.4200+305=430mm，则滚珠丝杠滚道间的接触变形量在有预紧时的

16、计算公式如下：FFZD3205-3型滚珠丝杠螺母副单圈滚珠数,；为滚珠总数，。丝杆预紧时，取轴向预紧力。因此，总变形量，当有效行程小于等于315mm时，5级精度的允许行程变量为0.023mm，总变形量满足设计要求。3.4.2滚珠丝杠螺母副承载能力的校核1. 滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验查数控技术课程设计指导P61页，按下列公式计算上式中，为丝杆螺母副的螺纹底径；为丝杆螺母副最大受压长度为321mm，为安全系数，丝杠垂直安装时=1/2，丝杆水平安装取=1/3 。为安全系数，与支承方式有关。滚珠丝杠副支承方式选择双推-双推式，这种方式适合于高刚度、高转速、高精度的丝杠传动，与本次设计符合，则=

17、4。远大于，因此丝杠稳定性满足设计要求。与支承方式有关的系数2. 滚珠丝杠螺母副临界转速的校验滚珠丝杠螺母副转动时不产生共振的最高转速称为临界转速。其计算公式参考数控技术课程设计指导P61页：上式中，为临界转速的计算长度，取=321mm；为弹性模量，取；为丝杠密度，取，；为滚珠丝杠最小惯性矩；为滚珠丝杠的最小截面积，取；为安全系数，取=0.8；为与支承方式有关的系数，可见上表，取=4.73。则带入参数后上式计算得：3. 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验滚珠丝杠螺母副的寿命，主要是指疲劳寿命。参照数控技术课程设计指导P62页，滚珠丝杠螺母副的疲劳寿命和时间寿命按一下公式计算：式中为额定动载荷，查表得

18、15100N；为轴向载荷，前面计算为1719N；为滚珠丝杠螺母副的转速；为运转条件系数，无冲击运转取1.01.2.一般运转取1.21.5，有冲击运转取1.53.0。则经计算得大于22400h，因此丝杠螺母副的寿命满足要求。3.5丝杠支撑方式及轴承的选择3.5.1丝杠支撑方式的选择由于本次设计的是数控铣床工作台，设计精度较高，为了提高滚珠丝杠的拉压刚度，因此选用两端固定的“双推-双推式”支承，虽然其结构复杂，工艺困难，但丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍，刚度和精度都很高，特别适用于数控机床。两端固定支承3.5.2轴承的选择实践证明，丝杠的轴承组合及轴承座以及其他零件的连接刚性不足，将严重影响滚珠丝

19、杠副的传动精度和刚度，因此在设计安装时应认真考虑。为了提高轴向刚度，因此本次设计采用以角接触球轴承组合来支承丝杠。因为滚珠丝杠螺母副拟采用预拉伸措施，所以选用60角接触球轴承组背对背安装，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由于丝杠底径=20mm，查THK滚动丝杠外部设备说明书，选用BK15型丝杠外部设备（包括轴承和轴承支撑件等参数）中的7002HTDFGMP5型轴承，其中接触角推力角接触球轴承作为安装轴承，并选用了BK1推荐轴端形状J型参数，其具体参数如下：表3.5.2 固定支撑单元参数 表3.5.3 轴端加工参数轴承参数轴承名称轴承型号内径d外径D宽度B安装尺寸安装尺寸额定动载荷角接触球轴承

20、7002HTDFGMP515mm32mm9mm30mm17mm6.15KN3.6滚珠丝杠副的预紧力的确定为了消除轴向间隙，增加丝杠副的刚性和定位精度，在丝杠螺母间加以预紧力。过大的值将引起滚珠丝杠寿命下降及磨擦力矩增大，而偏小，会产生轴向载荷作用下出现间隙影响定位精度。因此，一般情况下取：上式中，为最大轴向工作载荷。3.8机械传动刚度的计算和校核3.8.1丝杠轴支承刚度的确定滚珠丝杠支承刚度分两步计算，首先由于本设计的轴承有预紧，因此查数控指导可知角接触球轴承有预紧时的组合刚度公式。然后由于是两端固定，因此查表可得。上式中为滚动体直径，已知=3.5mm；为轴承接触角，轴承为60角接触球轴承，所

21、以=60；为滚动体个数，前面已算出=15；最大轴向工作载荷=1897N。计算得：3.8.2滚珠丝杠拉压刚度的确定当丝杠支承方式为两端固定时，查数控指导得公式：其中为丝杠固定端之间的距离，即轴承间的距离=389mm；为滚珠丝杠的螺母中心到固定端支承中心的距离。当丝杠螺母中心位于滚珠丝杠支承中心时，拉压刚度最小：当丝杠螺母中心距其中一个固定端最近时，拉压刚度最大：其中为螺母中心到最近的固定端的距离，=94.5mm。3.8.3滚珠与滚道的接触刚度在滚珠丝杠有预紧时，有公式： 上式中为滚珠丝杠刚度值，查前面数据得=826；为滚珠丝杠轴向工作载荷，=15100N。计算得：3.8.4机械传动综合抗压刚度

22、，的计算3.8.5机械传动刚度变化引起的定位误差的校验查数控指导P68页，最大定位误差计算公式如下：上式中为由机床执行部件重量引起的静摩擦力，；，分别为进给传动系统在行程范围内的最大、最小综合拉压刚度。应在定位误差的1/51/4范围内，即0.01mm之内，以上计算值满足条件。3.8.6进给系统的死区误差的校验机床执行部件反向时的最大反向死区误差可按下式计算：=2= 上式中为由机床执行部件重量引起的静摩擦力。=2= 已知脉冲当量为0.01mm，因此满足条件。3.9计算电机轴上的惯量和转矩，选取步进电机3.9.1传动比及步矩角的确定 本次设计拟采用步进电机直接连接丝杠的方式，因此传动比为=1；脉冲

23、当量为0.01mm/pluse；丝杠导程=5。则步矩角为： 0.723.9.2计算折算到电动机轴上的负载惯量1、 滚珠丝杠的转动惯量上式中为丝杠公称直径，=32mm； 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）=200+106+35+38x2+20=437mm。数据来源参考上表3.5.32和表3.5.3；则计算得:2、 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沿直线轴移动物体的惯量为：= （3-18）上式中为丝杠导程；M为移动部件总质量。数据都为已知，则计算得=3、 总转动惯

24、量=+3.9.3计算折算到电动机轴上的负载转矩 1.计算切削负载力矩上式中为丝杠导程=0.005m，进给系统的总效率=0.90，=1779N。计算得：2. 计算摩擦负载力矩上式中为空载时导轨摩擦力，=5.2N，其它数据与上面相同。则计算得：3. 计算由滚珠丝杠副的预紧而产生的附加负载力矩上式中为滚珠丝杠副的预紧力=573N；为丝杠基本导程=0.005m；为滚珠丝杠副效率=0.94。则计算得：4. 各坐标轴折算到电机轴上的负载力矩的计算空载时：切削时：3.9.4步进电机的选择根据以上计算，查步进电机数据，选择北京和利时机电技术有限公司的90BYG550C-SAKRAML-0301混合式五相步进电

25、机，其步距角为0.72。具体参数如下：该电动机的额定力矩为6N.m，大于空载及切削时电动机轴的负载力矩，因此本电动机满足驱动要求。3.9.5联轴器的选择根据丝杠与电机末端的直经分别为12和12所以选择了沧州天硕公司的TS3D-44 -1212联轴器. 为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载总惯量与步进电动机的转动惯量之比一般应满足：上面已经计算出=，因此，满足匹配要求。第四章 工作台电气控制设计4.1 工作台电气控制总体方案设计 图4.1 控制总方案设计图4.2 控制器的选择根据十字工作台的控制要求和精度和充分使用资源以达到最佳效果方面考虑,我选用了ATMEL公司的Mega16

26、微控制器。以下为Mega16的简介：8位AVR微控制器具有16KB系统内可编程Flash的8位AVR微控制器ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的数据吞吐率。4

27、.3 步进电机驱动器的选择由于本设计我选用了森创科技有限公司的90BYG550C-SAKRAML-0301五相混合式步进电机，因此选择该公司的电机驱动器便是一个最佳的选择，因为它们的兼容性和稳定性会相对选择其他家驱动器要好一些。所以我选择了森创科技的五相混合式SH-50806B步进电机驱动器。其特点和参数如下：图4.3 步进电机驱动器的特点和性能指标4.4 总体控制电气接线设计和分析因为该控制部分设计是选配式控制方案，因此其接线相对简单和安全可靠，但有些部分还需简单设计，例如单片机的最小系统设计和电源部分需要设计者自行设计和优化。而驱动器部分就比较可靠了，因为它是一个成熟的产品，最重要的是它自

28、身带利用光电耦合器把微控制器（低压）和驱动部分（高压）隔离，保证了整个控制部分稳定和安全。图4.4 控制接线图第五章 编程设计5.1 零件加工编程应用 图6.1 零件加工图立铣刀直径20mm， 程序如下： O0001； 程序代号； N01 G00 G90 X100 Y50 Z50； 绝对值输入，快速进给到X-5 Y0.0 Z50； N02 X-5 Y0.0 M13 S500； 快速进给到X-5Y0.0切削液开，主轴正转，转速 500r/min； N03 Z-11； 快速向下进给到Z-11； N04 G01 G41 X50.0 Y0.0 H012 F100； 直线插补到X50 Y0， 进给速度1

29、00mm/s，刀具半径左补偿 H012=10mm； N05 G02 X58 Y30 R21； 顺圆插补到X58 Y30，半径为21mm； ； N06 G03 X50 Y58 R8； 逆圆插补到X50 Y58，半径为8mm； N11 G01 X11 Y20； 直线插补到X11 Y20； N05 G02 X0 Y0 R20； 顺圆插补到X0 Y0，半径为20mm； N13 G00 X-5 Z50； 快速进给到X-5 Z50； N14 M30； 程序结束，系统复位；第六章 结论该数控十字工作台机电一体化系统总体方案主要包括十字工作台机械结构部分和电气控制卡电气控制两部分.虽然十字工作台机械部分的设计

30、和技术已经很成熟了,但是做为一名机电工程的学生，应该经过这样的机械和电气一体化设计才能学真正的习到机电一体化知识。该设计虽然采用的是开环控制系统，但控制精度并不算低，在设计时，需要对导轨、丝杠、步进电机的选择进行充分考虑。因此，对工作台上各部分的受力分析进行了大量的计算和校核，以保证工作台各部件在负载下能够正常工作。在各个机械部件的选择上，尽量以高标准选取，而控制系统设计，则尽量选用成熟且性价比较高的产品。在本次设计中，我翻阅了大量的资料，经过三周的日夜奋战，终于在满足各项规定的设计参数的情况下完成了任务。本次设计对我们这几年来所学的知识进行了一次回顾，不管是机械还是电气部分都有涉及，还有以前

31、学过的画图软件及电路方面软件也都得到了很好的复习，这为我们下学期开展的毕业设计打下了很好的基础。参 考 文 献1李斌. 数控技术M.华中科技大学出版社，2013.12尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书，2007.73成大先. 机械设计手册(单行本 机械传动)M. 北京：化学工业出版社，2004.14 沈爱琴. 数控技术课程设计指导书Z. 贵阳：贵州工业大学机电教研室，1998.95 张毅刚. 单片机原理及应用M. 北京：高等教育出版社，2004.16 机电一体化技术手册编委会. 机电一体化技术手册M. 北京：机械工业出版社，1999.97 陆昆，奚大顺，李之权等. 电子设计技术M. 北京：电子科技大学出版社，1998.10 8森创科技有限公司. http:/www.syn- 9 苏州梯爱取开精密机械有限公司.http:/www.thk-10 尹志强. 机电一体化系统设计课程设计指导书. 机械工业出版社致 谢这次课程设计虽然时间很短，但我从中受益甚多，特别感谢杨老师和胡老师的耐心指导，和各位同学热心帮助。 吴稳 2013年12月