数控钻床二维工作台设计毕业设计.docx
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数控钻床二维工作台设计毕业设计
毕业设计（论文）
数控钻床二维工作台设计
姓名：
学号：
所在系部：
专业班级：
指导教师：
日期：
毕业设计（论文）任务书
系部
机械工程系
指导
教师
职
称
学生姓名
专业（班级）
学号
设计题目
数控铣床二维工作台设计
设
计
内
容
、
目
标
和
要
求
（设计内容目标和要求、设计进度等）
本课题设计经济型数控铣床二维工作台，应满足实用、和加工精度的要求。
1、调研：
了解各种数控机床进给伺服系统中二维工作台的工作性能和加工要求情况，了解开环伺服传动系统的组成和特点，提出应满足的技术要求和条件，分析、比较各种可能的方案并提出初步设计方案；
2、研究和确定数控二维工作台的总体设计方案，要求有必要的分析和计算过程；
3、结构设计，、要求画出总体结构图，关键零部件图并对关键零部件进行校核和验算；
4、控制系统设计，画出控制系统原理图；
5、撰写设计说明书（30-40左右页）；
6、基本技术要求：
结构尺寸：
参考普通铣床X52K
根据数控机床要求，由调研确定工作台定位精度和重复定位精度、脉冲当量等。
7、参考书：
《数控技术课程设计》范超毅主编华科大出版社
指导教师签名：
年月日
系部审核
毕业设计（论文）学生开题报告
课题名称
数控钻床二维工作台设计
课题类型
B_实践应用类
指导教师
学生姓名
学号
专业班级
本课题的研究现状、研究目的及意义
研究现状：
数控系统的选择。
数控铣床一般有三类型。
1步进电机拖动的开环系统；2异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统；3交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。
选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。
数控改造中主要机械部件改装探讨。
我主要对一些重要部分的探讨。
1滑动导轨副；2齿轮副；3滑动丝杠与滚珠丝杠；4安全防护；这些机械部件改装，也是要根据数控铣床改造后索要达到的各种精度要求和用户的要求。
研究目的：
1.减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省60％～80％的费用，改造费用低。
特别是大型、特殊机床尤其明显。
一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。
但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高2～3倍，与购置新机床相比，只能节省投资50%左右。
，2机械性能稳定可靠，结构受限；
所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。
但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造
3熟悉了解设备、便于操作维修；
购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。
改造则不然，可以精确地算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作使用和维修方面培训时间短，见效快。
改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。
4可充分利用现有的条件
可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基
5可以采用最新的控制技术
可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。
研究意义：
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。
数控机床的出现大大的减少劳动力。
同时也增加了机械零件的精度。
现在，随着社会和科学技术的发展，机械产品的日趋精密复杂，且需频繁改型。
普通机床已不能适应这些需求。
数控铣床是机械和电子技术相结合。
的产物，它的机械结构随着电子控制技术在铣床上的普及应用，以及对铣床性能提出的技术要求，而逐步发展变化。
数控铣削是机械加工中最常用和最主要的数控加工方法之一，它除了能铣削普通铣床所能铣削的各种零件表面外，还能铣削普通铣床不能铣削的需要2～5坐标联动的各表面轮廓和立体轮廓。
所以为了满足现在所要的精度要对数控铣床进行改造。
研究内容：
数控系统的选择
1、控制方式类型选择。
数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。
开环系统：
结构简单、工作可靠、造价低廉，但影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。
开环控制的定位精度一般为±0.01～±0.02
，不能满足横向最小运动单位0.005
/脉冲的要求。
闭环系统：
控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价较昂贵。
闭环控制的定位精度一般为±0.001～±0.003
，本设计属经济型数控改造，无须达到此精度。
开闭环系统：
结构简单、调整方便，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，故本设计采用开环控制。
2、步进电动机的选用
选用步进电动机，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小。
但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。
因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。
首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。
脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。
为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。
脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。
3、计算机系统
根据机床要求，采用8位微机。
由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性强、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8051单片机扩展系统。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。
系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。
4导轨的选择。
一、求较大刚度和承载能力时，采用矩形导轨；中小型卧式车床床身是由三角形和矩形导轨的组合；而重型车床上则采用双矩形导轨、以提高承裁能力；
二、要求导向精度高的机床采用三角形导轨。
能自动补偿间隙、导向性好；
三、矩形导轨和圆形导轨工艺性好；三角形导轨和燕尾形导轨工艺性差；
四、要求结构紧凑、高度小、调整方便的机床采用燕尾形导轨。
所以，根据导向精度、刚度、承载能力和制造工艺性等综合考虑，该数控立式铣床采用矩形滚动导轨作为机床的导轨方案一。
5滚珠丝杠支承轴承的设计计算。
滚珠丝杆支承轴承的设计计算。
一端固定、一端游动的支承方式（F-S方式），这种安装方式在一端装可以承受双向轴向载荷与径向载荷的推力角接触球轴承或推力滚针/圆柱滚子轴承，另一端装深沟球轴承，仅作径向支撑，轴向游动。
与G-Z方式相比，提高了临界转速的抗弯强度，可以防止丝杆高速旋转时的弯曲变形，其他方面与G-Z方式相似。
可以适用丝杆长度，行程较长的情况。
两端固定的方式（F-F方式），这种安装方式在两端都装可以承受双向轴向载荷和径向载荷的推力角接触球轴承或推力滚针轴承，丝杆两端采用双重支承，并进行预紧，提高了刚度。
这种结构方式可使丝杆的热变形转化为轴承的预紧力，但设计时要注意提高轴承的承载能力和支承刚度。
课题类型：
课题类型：
A-理论探究型B-实践应用型
本课题研究的实施方案、进度安排
数控系统的选择，我准备选择反应式异步电动机或流直流电机拖动，光栅测量反馈的开环数控系统。
合各种方面的要求我的实施方案：
主要是根据更高的速度。
更高的精度。
更高的驱动功率，更小的摩擦力，更高的安全性等方面的因素进行考虑的。
重点考虑机械和电气改造方案的设计。
数控系统的选配，伺服电机的选择。
6-8周主要计算导轨和滚珠丝杆支承轴承的设计计算，齿轮副等数据的计算。
7-10周主要设计数控钻床所选用的控制系统和计算机系统，伺服电机，电气原理的设计等方面。
11-12主要就是进行毕业设计的编写。
等一些细节方面。
查阅的主要参考文献
范超毅.赵天蝉.数控技术课程设计.华中科技大学出版社.2007.
范钦武.数控加工及应用[M].化学出版社.2004.
张新义.济型数控机床系统设计；机械工业出版社.2005.
成大先.械设计手册；化学工业出版社.2010.
黄华梁.文生，机械设计基础；高等教育出版社.2007.
指导教师意见
指导教师签名：
年月日
摘要
伴随着各行业对机加工产品要求的不断提高和数控技术的飞速发展，数控机床以其高精度、高效率和低劳动强度等诸多普通机床无法比拟的优势，成为当今制造业的主流加工设备，大多数企业的生产机床为普通机床，生产设备陈旧落后，用这种设备加工出来的产品普遍存在质量差，精度低，成本高，供货周期长等问题，已经不能适合当今企业所面临的竞争需要。
数控机床设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术”课程后应用的，它是培养我们能力的重要步骤。
本设计是以机电一体化的典型课题---数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养我们初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。
Abstract
WiththeindustrymachiningthecontinuousimprovementofproductrequirementsandrapiddevelopmentofNCtechnology,CNCmachinetoolswithhighprecision,highefficiencyandlowlaborintensity,andmanyothergeneralmachinetoolscannotmatchadvantage,becomethemainstreamofmanufacturingandprocessingequipment,Mostoftheproductionmachineforthegeneralmachinetools,productionequipment,outdated,Usethisequipmentoutoftheprevailingpoorqualityproducts,lowprecision,highcost,longleadandotherissues,cannolongersuitedtotoday'senterprisesfacetheneedforcompetition.CNCMechatronicscurriculumdesignisanimportantteachingpracticelink,XueshengxuewantechnicalcoursesandspecializedcoursesEspeciallythe"numericalcontroltechnology,"theapplicationofcourse,itistotrainstudentstointegratetheorywithpractice,solvingpracticalproblemsimportantstep.Thecoursedesignisbasedonatypicalmechatronicsystemdesigntopics---CNCprogramdevelopmentasthemainline,numericalcontrolsystemdesignbydevelopingtheoverallprogram,intothemechanicaldesignoftheservosystemCompositeapplicationsenablestudentstohavelearnedthemechanical,electronicandcomputerknowledge,toconductamechanicalandelectricalintegrationofallaspectsoftraining,whichstudentshavethecomputingpowerandthepreliminarydesignanalysisandprocessofproductioncapacityoftheproblemsencountered.
Keywords：
generalMillingNCmechanicalpartsservosystemdesigntransformation
摘要……………………………………………………………………i
Abstract………………………………………………………………………ii
绪论…………………………………………………………………………………1
1概述……………………………………………………………………………2
1.1数控铣床工作台（X-Y）轴参数………………………………………………2
1.2总体方案设计…………………………………………………………………2
2设计计算……………………………………………………………………5
2.1计算切削分力及其额定功率…………………………………………………5
2.2导轨摩擦力的计算…………………………………………………………6
2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力…………………………………………6
2.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算…………………………………………6
2.4.1确定滚珠丝杠的导程……………………………………………………6
2.4.2计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷…………………………6
2.4.3确定滚珠丝杠预期的额定功率…………………………………………7
2.4.4按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径……………………7
2.4.5初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号…………………………………8
2.4.6确定滚珠丝杠螺母副的预紧力…………………………………………8
2.4.7计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预紧伸力…………………8
2.4.8确定滚珠丝杠螺母副支撑用的规格型号………………………………9
3滚珠丝杠螺母副的承载能力校验……………………………10
3.1滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验……………………………………10
3.2滚珠丝杠螺母副临界转速的校验…………………………………………10
3.3滚珠丝杠螺母副寿命的校验………………………………………………11
4计算机械传动系统的刚度……………………………………11
4.1机械传动系统的刚度计算…………………………………………………11
4.2滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算…………………………………………12
5驱动电动机的选用与计算………………………………………13
5.1计算折算到电动机轴上的负载惯量………………………………………13
5.2计算折算到电动机轴上的负载力矩………………………………………13
5.3计算坐标折算到电动机轴上的各种所需的力矩…………………………14
5.4.选择驱动电动机的型号…………………………………………………15
6机械传动系统的动态分析………………………………………16
6.1计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率…………………………16
6.2计算扭转振动系统的最低固有频率………………………………………16
7机械传动系统的误差计算与分析……………………………17
7.1.计算机械传动系统的反向死区……………………………………………17
7.2.计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差………………17
7.3.计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差……………………………………17
8确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号………18
8.1.确定滚珠丝杠螺母副的精度等级…………………………………………18
8.2确定滚珠丝杠螺母副的规格型号…………………………………………19
9数控系统……………………………………………………………………19
9.1硬件设计……………………………………………………………………19
9.2步进电机开环伺服原理……………………………………………………20
9.3步进电机控制框图…………………………………………………………21
9.4软件程序设计………………………………………………………………22
结论………………………………………………………………………………24
参考文献………………………………………………………………………25
致谢………………………………………………………………………………26
绪论
进入21世纪，我国机床制造业即面临提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机，也遭受到进入WTO后激烈的市场竞争的压力，从技术层面上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。
数控机床及由数控机床组成凡人制造系统是改造传统产业，构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直受人们关注，数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术的中的一项核心技术。
另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升。
目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，当今数控机床正在朝着以下几个方向发展。
高速、精密是机床发展永恒的目标。
随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。
为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。
另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。
数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。
数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。
1概述
1.1数控铣床工作台（X、Y轴）参数：
1、工作台工作面积尺寸长×宽为1250mm×320mm;
2、工作台行程X、Y轴分别为680mm/240mm;
3、工作台、夹具及工件重力X、Y轴分别为2750N/4400N;
4、工作台快移速度X、Y轴分别为2.3/2.3m/min;
5、最大进给速度X、Y轴分别为0.6/0.6m/min;
6、走刀方/垂向最大切削力为1650N/1100N;
7、定位精度为0.01mm;
8、启动加速时间为30ms.
1.2总体方案设计
1.2.1设计参数
系统定位精度为0.01mm，其它设计参数如上表：
图2-1工作台简图
1.2.2初选步进电动机和丝杠
当传动比i=1时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。
由i=
（公式2-1），θb为步进电机步距角Lo为滚珠丝杠导程、
为系统脉冲当量。
选电动机型号为55BF009，其步矩角
=
选丝杠规格为2004-3（FYND） 其导程为4mm,
由传动比公式
得
故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。
预选由广州菱科自动化设备有限公司生产的LK13系列刚性联轴器。
1.2.3初定工作台尺寸
查《机电一体化设计手册》，根据（GB/T158-1996）选工作台T型槽尺寸如下：
深度H=15mm
槽低宽度B＝12mm
槽宽A＝6mm
C＝6mm
槽数＝5，间隔＝40mm
由工作台尺寸1250*320
1250
320
20
初定滚珠丝杠长度L＝1150mm
（1）
（2）B
B
50~60
Lx+B+10~2035~45
1.2.4系统组成框图
为了满足以上技术要求，采取以下技术方案
（1）工作台工作面尺寸（长×宽）1250×320；
（2）工作台的导轨采用矩形导轨，与之相配的动导轨滑动面上贴得尔赛（Turcite-B）塑料软带。
同时采用斜镶条消除导轨导向面得间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴塑；
（3）对滚珠丝杠螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杠进行预拉伸；
（4）采用伺服电动机驱动；
（5）采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。
2设计计算
2.1.计算切削分力及其额定功率
（1）计算各切削力分力
取横向方向最大切削分力是4000N，
即横向切削力Fc=4000N，
主切削力Fz=Fc/0.95=4210.53N
纵向切削力F1=0.4Fz=1684.21N
垂向切削力Fv=0.55Fz=2315.79N
（2）计算电动机的额定功率
若主传动的机械效率ŋm=0.8
V=πDn/60=1.78m/s
PE=FzV/ŋm=9.37KW
所以取电动机的额定功率PE=9.37KW
表2-3镶条紧固力推荐值
导轨形式
主电动机功率/kw
2.2
3.7
5.5
7.5
11
15
18
贴塑滑动导轨
500
800
1500
2000
2500
3000
3500
滚动直线导轨
25
40
75
100
125
150
175
2.2导轨摩擦力的计算
（1）按式（2-8a）计算在切削状态下的导轨摩擦力Fµ，导轨的动摩擦系数µ=0.15，查表2-3的镶条的紧固力fg=1500N
Fu=µ（W+fg+Fv+Fc）=1697.37N
（2）按式（2-9a）计算在不切削状态下的导轨摩擦力Fµ0=和导轨静摩擦力F0
Fµu0=µ（W+fg）=750N
F0=µ0（W+fg）=1000N
2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力
（1）按式（2-10a）计算最大轴向负载力Famax
Famax=F1+Fuµ=3381.58N
（2）按式（2-11a）计算最小轴向负载力Faｍｉｎ
Famin=Fµ0=750N
2.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算
2.4.1确定滚珠丝杠的导程
根据已知条件，题目给的工作台的快移速度2.3m/min实在过小，所以在接下来的计算中工作台的最高转速都用1400r/min来计算，
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