数控机床的设计.docx

目录一、 设计目的二、 设计要求三、 设计的内容和步骤（一） 总体设计方案（二） 机械部分改装设计① 设计机构的性能要求 ②待改装钻床型号的确定 ③控 制方式的确定 ④伺服系统的确定 ⑤工作台参数的初步选 定 ⑥导轨的选型思路 ⑦滚珠丝杠选型思路 ⑧丝杠和电 机连接零件的选取思路 ⑨支承座材料的选取 ⑩轴承类型 的选取思路（三） 计算部分 ①确定工作台的尺寸及其重量 ②支承座参数设计 ③滚珠丝杠参数设计④ 滚动导轨 参数设计⑤ 电机参数设计⑥ 联轴器的选着（四） 设计总结（五） 参考文献一、 设计的目的 通过本次设计，使我们全面地、系统地了解和掌握数控机 床 的基本内容和基本知识， 初步掌握数控机床的设计方法， 并学 会 运用手册标准等技术资料 同时培养我们学生的创新意识、 工 程意识和动手能力二、设计要求1、 改造后的钻床能够加工最大面积为200X 210mm 2,最大工 件重量为 150kg2、 数控 XY 工作台要求孔的定位精度在± 0.02mm 内，工作台 快进速度为2.4m/min，加速时间为：0.2秒三、设计的内容和步骤 题目：钻床数控改 装——数控 XY 工作台的设计 设计一套简易数控 XY 工作台， 固 定在某一钻床的工作台 上。

XY 工作台的位置控制采用步进电机数 控系统，通过上述方 案将该普通钻床改装成简易的经济型数控钻 床一）、总体设计方案1、 机电一体化机械系统应具备良好的伺服性能（即高精度、快速响应性和稳定性好）从而要求本次设计传动机构满足以 下几 方面：（1） 转动惯量小 在不影响机械系统刚度的前提下， 传动 机构的质量和转动惯量应尽量减小 否则，转动惯量大 会 对系统造成不良影响， 机械负载增大； 系统响应速度 降 低，灵敏度下降；系统固有频率减小， 容易产生谐振 所 以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量2） 刚度大 刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用 力大刚度对机械系统而言是有利的： ①伺服系统动力 损 失随之减小 ②机构固有频率高， 超出机构的频带宽 度， 使之不易产生共振 ③增加闭环伺服系统的稳定性 所以 在设计时应选用大的刚度的机构 3）阻尼合适 机械系统产生共振时， 系统的阻尼增大， 其最大振幅就越小且衰减也快， 但大阻尼也会使系统的 稳 态误差增大，精度降低，所以设计时，传动机构的阻 尼要选 着适当此外还要求摩擦小 （提高机构的灵敏度） 、共振性好（提 高机构的稳定性）、间隙小（保证机构的传动精度） ，特 别是其动态特性应与伺服电动机等其它环节的动态特 性相匹 配。

2、 将普通钻床改装成数控钻床，是一项技术性很强的工作必 须根据加工对象的要求和加工数量的大小实际情况，确定切 实可行的技术改造方案，搞好机床的改造设计进行改造的 可行性分析，针对某台钻床或钻床的某一部分的现况确定改 造方案根据本次课程设计改造范围，是设计一套简易的数控XY工作台，固定在某台钻床的工作台上，所以要对机床的改 动尽可能少，控制部分要有较高的动态特性，动态刚度， 阻尼精 度，耐磨性及抗热变形性能改造前要对原钻床的性 能，有关参 数，以便对机床的本身精度高低来确定改造后精 度和改造范围下面钻床是本设计要改装的机床：型号 Z4032最大钻孔直径（mm）32主轴变速级数及范围2 16 2OO —2 651最大攻丝直径（mm）M20主轴进给级数及范围3 (0.10.3)主轴最大行程（mm）160工作台有效工作面积（mm）450x390主轴中心线至立柱母线距离（mm）350底座有效工作面积（mm）405x395主轴端面至工作台距离（mm）主柱直径（mm）120主轴端面至底座工作面距离（mm）750工作台及托架最大行程（mm）三相双速交流电机功率（kw）1/1.5主轴箱旋转角度±45°包装尺寸 （cm）103x61x209主轴圆锥孔（莫氏）MT4毛净重（kgs）550/500总体改装思路如下：电机的选定滚珠丝杠副的选定及其支承形式 直线滚动导轨的选 定 工作台尺寸的要求 控制方式的选定 导轨支座的 设计3、数控系统按运动方式分为点位控制系统、直线控制系统、轮廓控 制系 统。

本设计的钻床工作台相对刀具运动时不进行任何切削， 只是在 点与点之间进行精确定位，所以可以选用点位控制4、 XY 工作台系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种 开环 的伺服系统采用步进电机驱动 , 系统没有检测装置 ; 半闭环 的伺 服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动 , 并在电机输 出轴安装 脉冲编码器 , 将速度反馈信号传给控制单元 ; 闭环的伺 服系统也 是采用交流或直流伺服电机驱动 , 位置检测装置安装 在工作台末 端 , 将位置反馈信号传给控制单元 闭环和半闭环伺 服系统价格 昂贵， 结构复杂，同时其可控分辨率也很高，但在本 次设计中，其 位置精度（土 0.02mm）要求不高，考虑到成本低，维修方便，工 作稳定等条件 选用步进电机伺服系统就可以满足 要求其 通过 单片机控制步进电机的驱动 , 经传动机构带动工作 台运动XY工作台系统总体框图如图所示：：控制器接口电路驱动装置传动机构作台5、工作台条件的确定 在老师给定的参数中，我选钻床能够加工的最大面积为200x 210mm2，最大工件重量150kg，所以留出 装夹的尺寸后工作台应该设计为280 X 290mm2，并且考虑到工件最大重量为150kg，所以我选工作台厚度为10mm，材料选45号刚，虽然在这里用铸铁就可以很好的完成其工作要求， 可是由 于铸件少 要专门制造砂型不合成本要求，而 45 号刚具有良好的 综合力学性能， 制造业比较方便， 故本设计中所用金属材料全部 为 45 号I刚，其密度为P =7.85g/cm3。

6、直线滚动导轨的选定 滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的 钢球， 使滑块 与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦， 大大降低二者之 间的运动 摩擦阻力，从而获得： 动、静摩擦力之差很小，随动性极好， 即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短， 有益于提高数控系 统的响 应速度和灵敏度 驱动功率大幅度下降，只相当于普通 机械的十分之 一 与 V 型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可 下降约 40 倍 适应 高速直线运动， 其瞬时速度比滑动导轨提高 约 10 倍 能实现高定位 精度和重复定位精度 能实现无间隙 运动，提高机械系统的运动刚度 成对使用导轨副时，具有 “误 差均化效应 ”，从而降低基础件（导轨 安装面）的加工精度要求， 降低基础件的机械制造成本与难度 导轨副 滚道截面采用合理 比值的圆弧沟槽， 接触应力小， 承接能力及刚度比 平面与钢球点 接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低 导轨 采用表面硬化处理， 使导轨具有良好的可校性； 心部保持良好的 机械性能 简化了机械结构的设计和制造①运动灵敏读高②定位精度高③牵引力小、移动轻便④精度保持性好⑤润滑系统简单、维修方便⑥摩擦系数小、动摩 擦系数很接近、不产生爬行现象。

7、滚珠丝杠副的选用及其支承形式 （1）滚珠丝杠副有如下特点： ①传动效率高②系统刚性好③传动精度高④使用寿命长⑤运 动具 有可逆性 （既可将回转运动转变为直线运动， 又可将直线 运动 变为回转运动， 且逆传动效率几乎与正传动效率相同⑥不 会自锁 ⑦可进行预紧和调隙（2） 常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式有三种：①垫片调隙式（该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，应 用广，但不准确，并且当滚道磨损时不能随意调整，除非更 换垫 圈）②螺纹调隙式（该形式结构紧凑，工作可靠，调整方便，缺 点是不很精确）③齿差调隙式（该形式调整精度很高，工作可 靠，但是结构复杂，加工和装配工艺性能差） ，其调整 时，先取 下两端的内齿圈，使两螺母产生相对角位移，相对地 产生轴向的 相对位移， 从而两螺母中的滚道中的滚珠分别贴在 螺旋滚道的两个相反侧面上， 然后将内齿圈复位固定， 故而达到消除间隙，产生算紧的目的调整间隙：S=kpz1z在本设计中，我选用第③种间隙调整方式，并且选外循环 滚珠丝杠做为工作台的传动机构，因为这种循环方式结构简单， 工艺性 好，承载能力强，成本低等优点3）支承形式：我选用两端固定形式（F—F），特点：①只要轴承无间隙， 丝杠的轴向刚度为一端固定的 4 倍 ②丝杠一 般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定的高 ③可 以预拉 伸，预紧拉伸后可减小丝杠自重的下垂和热补偿膨胀。

8、联轴器的选着 由于要求设计的工作台属于轻载型工作台，工作台上的负载折算到电机上的转动惯量不是很大， 所以电机与丝 杠 的连接用联轴器就可以满足要求这样大大简化了主轴的结 构，缩 短传动链，提高了传动精度同时有效地提高了主轴部件 的刚度9、导轨支承座的选着 10 、轴承的选着 由于丝杠主要受轴向力的作用， 为了保证其高速、 高精度可靠性 可选用“前后支承均采用高精度的单列向心推力 轴 承和一个深沟球轴承支承” 这样既保证了轴向载荷和径向载 荷 注：执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作 平稳 性在满载设计机构传动装配时， 通常提出低摩擦、 低惯量、 高 刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼的要求，所以设计时要 遵守 以下原则：1）缩短传动链，这样可以提高系统传动的传动刚度，减少传动 链误差，同时可以通过预紧方式提高传动精度2）工作台与导轨的安装要确保工作台与导轨的垂直度和平 行度 达到规定的精度3）控 制好两导轨的水平度和平行度， 否则导致工作台在移动 过程中出现卡死现象4）确保电机与丝杠连接时达到规定的同轴度及调节好电机 的定 位精度5）轴承的安装，确保预紧，提高传动精度。

二）、机械部分改装设计计算1、初步确定工作台的尺寸及其重量 我设计的工件尺寸为200x210mm2由于我们加工的时候要用夹具夹紧 工件所以我每边留出装夹具的尺寸40mm，所以最后确定工作 台尺寸为 280x290mm2 因为 工作台加工的最大工件重量为150kg，考虑到刚度和强度 问题，最后我选工作台的厚度为 H=10mm所以工作台的体积 V A・B・ H=280x 290x 10=812000mm3 =812cm3工作台质量：m= P X V=7.85 X812=6374.2g=6.37kg2、支承座的确定根据工作台的尺寸确定支承座的长度 ，如图所示 ：各边所取长度为 a=130mm b=70mm h=50mm h=10mm 丝杠上各部件的长度约为：联轴器40mm轴承15 x2mm丝杠螺母10x 2mm1=290+联轴器+轴承x 2+丝杠螺母x 2=290+40+15x 2+10x 2=380mm 考虑到其它因素放大到420mm 即 1=420mmV 1=ahl-b（h-h'）l=130x50x420-70x（50-10）x 420 =1554000mm3=1554cm3选用45号钢，密度p =7.85g/ cm3所以叫二V] P=1554x7.85=12198.9 g=12.2kg最低的那根丝杠以上的所有质量为：m总又对工作台上的各部件质 总量进行估算：联轴器 200g 轴承 300gx2 丝杠螺母 100gx2 过渡板 5kg x2 夹具 20kg 又知工件质量 。