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1、先进制造技术方向课程设计计算说明书机电工程系AAAA2023年十二月目录第一局部 课程设计概述1.1 课程设计的目的1.2 课程设计的要求1.3 课程设计的步骤与内容其次局部 设计与训练经济型数控机床伺服驱动系统设计2.1 总体方案设计2.1.1 进给伺服系统机械局部2.1.2 伺服进给系统2.2 机械系统设计2.2.1 步进电机的选择2.2.2 滚珠丝杠的设计计算实例2.3 丝杠螺母的静态设计2.3.1 确定动载荷Ca2.3.2 确定静载荷.2.3.3 由轴向压力选取丝杠直径.2.3.4 转速限制2.3.5 选择丝杠直径：2.3.7 轴承的选择2.3.6 联轴器的选择:2.3 三维设计与数控
2、加工仿真第三局部 课程设计心得第一局部 课程设计内容及要求一、 课程设计目的：数控机床课程设计目的在于培育学生气械、电子、计算机及掌握的综合集成力量和工程应用能力。通过设计，运用所学过的根底课、技术根底课和专业课的理论学问，生产实习和试验等实践知 识，到达稳固、加深和扩大所学学问的目的。通过设计，分析比较机床横向和纵向进给机构的某些 典型机构，进展选择和论证，设计计算和编写技术文件，完成机床横向和纵向进给机构及其掌握系 统设计，到达学习设计步骤和方法的目的。通过设计，学习查阅有关的设计手册、设计标准和资料， 到达积存设计学问和提高设计力量的目的。通过机床课程设计，获得设计工作的根本技能的训练，
3、 提高分析和解决工程技术问题的力量。二、 课程设计要求：数控机床课程设计的内容，要求综合运用所学的理论学问，为设计经济型数控机床的横向和纵向进 给机构及其掌握系统。设计内容有设计图样、设计计算说明书、三维图。设计图样中，包括纵向、横向进给机构部件图(A0 号图纸)1 张，主要零件图3 张。设计和计算说明书，包括数控机床伺服传动系统原理说明，传动设计，主要传动件(轴、齿轮、轴承等)的计算与验算，设计的优缺点和改进等。成绩由图 纸、说明书、辩论、综合试验成绩综合得到。三、设计的步骤与要求1. 明确目的要求、查阅有关资料，弄清给定的条件、数据、所设计数控机床的类型、性能、应用 范围和规定的内容与要求
4、。查阅资料时，可查阅机床图册、机电设计手册和机床设计手册等。必要时还应到试验室和工厂实地调查，了解同类型机床的使用性能与操作，主传动部件与相邻部件的安 装关系等。2. 机械进给机构方案设计3. 进给机构设计计算3.1 滚珠丝杠设计计算3.2 步进电机的选择计算4. 传动系统三维设计四、说明书编写要求：1、 思路清楚、条理清楚，书写工整。2、 说明书后面附上课程设计心得体会。其次局部 设计与训练一、 设计任务：本设计完成经济型数控铣床纵向和横向伺服驱动系统设计1、纵向脉冲当量=0.02mm/stepp2、横向脉冲当量=0.02mm/stepp3、纵向快速进给速度V 2.4m/min，进给速度 1
5、0-500mm/minmax4、横向快速进给速度V 1.0m/min，进给速度 10-500mm/minmax5、电机类型步进电机，步距角as=0.51.5 主要技术规格如下：横向进给距离200-400mm纵向进给距离300-1000mm最大切削进给速度纵向0.5m/min横向0.25m/min机床进给部件重量估量纵向800-1200N横向200-600N机床定位精度0.01mm拖板与贴塑导轨之间的摩擦系数 =0.040.08，横向、纵向最大切削负载1000-2023N(与运动方向相反)轴向切削分力2023-4000N垂直于导轨滚珠丝杠名义直径10-40mm导程4-20mm丝杠总长100-15
6、00mm传动效率0.85-0.95二、 经济型数控机床设计内容：共三局部，即方案设计与计算、绘制伺服驱动装配图、绘制伺服驱动三维图并对典型零件进展数控仿真加工。2.1 总体方案设计1. 功能与技术参数分析设计的最初环节必需理解和分析设计任务所提出的主要功能和技术指标。比方，一般车床的数控化改造要求利用数控系统代替人工或机械凸轮、靠模来掌握车床的运动，提高车床的加工精度和自动化水 平，满足多品种小批量零件加工的功能要求。设计任务给出了纵向走刀、横向走刀的定位精度、走刀速度、主轴变速等诸技术参数。并且，要求能进展人机对话，编程及操作便利，诊断功能和纠错功能强， 具有显示和通信功能缩短非生产预备时间
7、，提高生产率。2. 原理构思和技术路线确定针对设计任务的主要功能和技术指标要求提出一些原理性的构思。比方，一般车床车削螺纹时为了 防止乱扣，进给与主轴旋转之间用挂轮来实现严格的机械传动关系，转变螺纹的螺距就需转变挂轮。数 控化改造后，省掉了挂轮，要提出合理的、先进的方法来解决进给与主轴旋转相协作的问题。要做到： 主轴转转，车刀准确移动一个螺距；螺纹加工不能一次切削完成时，每次进刀的位置必需一样；切 制多头螺纹时，能正确分度。有了原理性构思，还要提出实现该功能原理的技术途径。没有合理的可行 的技术途径来保障，好的原理性构思就成为空想。3. 拟定总体方案功能原理构思和技术路线确定后，对运动、布局、
8、传动、构造、掌握以及软件等方面作出总体方案设计。方案可以同时作几个，经过技术和经济评价后，选择其中一种较合理的作为最优方案加以承受。比方，一般车床的数控化改造方案应当在满足改造设计任务要求的前提下，尽可能对原一般车床作较少 的改动，这样可以降低改造本钱。2. 关键部件设计设备机电一体化改造设计或机电一体化产品设计都需要抓住关键部件的设计。比方，要做好一般 车床的数控化改造；纵向进给系统、横向进给系统改造；主轴调速系统改造；螺纹加工改造；数控系统的选型和配置设计等。不能把某个关键部件设计简洁地看做某个关键部件的构造设计。比方，纵向进给 系统改造将遇到承受什么驱动装置，怎样提高传动精度和效率，原有
9、的进给箱怎样处理，滚珠丝杠螺母 副怎样支承等问题的综合性解决方法，而不是孤立地设计一对齿轮，一个丝杠副。3. 现代设计手段的应用机电综合设计要承受CAD 手段，使设计者节约大量的计算和制图工作员。此外，要乐观承受优化设 计、有限元分析、仿真技术和专家系统等现代设计方法，使设计更科学、更合理。设计和制造要走一体化道路，即 CAD/CAM 一体化，大量的设计数据资料、图面信息都存入数据库中，使 CAD 和 CAM 的数据通信能便利进展。在生疏编程的一级方法与步骤、程序的构造与格式、常用功能指令代码的根底上，针对 车削的零件进展加工工艺设计和数控车削加工编程，程序的输入、编辑与修改。此外，还有信息存
10、储、数据交换2.1.1 进给伺服系统机械局部机械构造可参考两种方案：一种是将步进电机及减速箱安装在机床中部,固定轴机床中部,这样占据 丝杠空间。另一种构造是把步进电机及减速箱安装在机床尾部，并不占据丝杠空间，且这种构造是滚珠 丝杠转动，丝母不动，带动丝母上的工作台移动。由于这种构造紧凑，整个构造小巧。因此，承受这种构造方案，画出的传动原理图。螺旋传动主要用来把运动变为直线运动，或把直线运动变为旋转运动。在经济型数控机床进给系统中，螺旋传动主要用来实现周密进给运动，并广泛承受滚珠丝杠副传动机构。滚珠丝杠具有下述特点:(1) 传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副传动的效率为 0.92-0.96，比常
11、规的丝杠螺母副提高 3-4 倍，因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/4-1/3。(2) 运动灵敏，低速时无爬行。(3) 轴向刚度高，反向定位精度高。(4) 具有传动的可逆性。即丝杠和螺母都可以作为主动件。(5)磨损小，使用寿命长，精度保持性好。(6)工艺简单。目前已由特地的工厂集中生产。(7)不能自锁。故常需添加制动装置。基于以上特点，滚珠丝杠机构在机床上的应用越来越广泛，特别是在数控机床、周密机床上应用更为普遍。由于本设计中该机构主要以传动运动为主，要求有较高的传动精度和传动效率，又要求构造紧 凑，运动灵敏，所以选用滚珠螺旋传动机构作进给运动，以满足工作台的X、Y 向移动要求。为了提高
12、传动刚度和消退间隙，承受预加负荷的构造。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，因此在步 进电机与丝杠之间需承受一级齿轮降速传动。2.1.2 伺服进给系统数控机床的伺服进给系统有开环伺服系统及闭环伺服系统两大类。其中，开环伺服系统多用步进电 机作为执行元件，又称为开环伺服系统；闭环伺服系统常用直流伺服电机和沟通伺服电机作为执行元件。1闭环伺服系统闭环伺服系统主要由执行元件、测量反响装置、比较环节、驱动线路和机床运动部件五大局部组成.。以下图是闭环伺服系统的工作原理图。图 21 闭环伺服系统闭环伺服系统有位置反响系统，可以补偿机械传动装置中的各种误差、间隙和干扰的影响，因而可 以到达很高的定位
13、精度，同时还可能到达很高的速度。但是，由于很多的机械传动环节(尤其是惯量较 大的工作台等)包括在闭环掌握的环路内,各部件的摩擦特性、刚性及间隙等都是非线性的,直接影响伺 服系统的调整参数。测量装置价格较高，安装和调整都比较简单，设计和调整的不好，很简洁造成系统 的不稳定性。因而闭环掌握数控机床主要用于一些精度要求高和速度高的周密大型数控机床，如镗铣床、 超精车床、超精磨床等。(2)开环伺服系统目前，在经济型数控机床中广泛承受步进电机作为驱动执行元件的开环系统。步进电机掌握的系统构造比较简洁，由于不存在位置检测与反响掌握的问题，因而掌握系统的实现与调 试都比较简洁，修理也很便利。随着计算机技术的
14、进展，在改善步进电机掌握性能方面也取得了进展. 例如在驱动电路方面，承受凹凸压切换的双电压供电，有利于提高动态输出力矩，改善矩频和惯频特性； 承受自动升降速电路，以使步进电机能跟随较高的启停或突跳频率运行，提高伺服电机工作效率；在低 速运行中承受平滑或细分电路以削减低频(步进)转动对零件切削加工的精度和外表粗糙度的影响，也解 决了微量进给与快速移动之间的冲突。其它硬件电路也均可由软件实现，从而更简化了系统构造，降低 了本钱，提高了系统的牢靠性。固然，开环步进伺服系统在小功率驱动时工作效率降低的冲突还不突出，大功率驱动的步进电机空载启动频率和最高运行频率均不高，而且当负载力矩和惯量增加时，步进电
15、机的连续运行矩频特性和启动惯频特性都存在明显增加的趋势。另外,步进电机本质上是脉冲掌握，还将产生共振。以上因素使得开环步进数控系统适宜于在精度、速度要求不高的一般数控系统中应用。如经济型、中小型机床。图 22 开环伺服系统经过以上比较，打算承受步进电机开环伺服系统驱动X-Y 工作台。2.2 机械系统设计脉冲当量久和传动比i*根本计算传动系统等效转动惯量J2：工作载荷(在进给工作台上)FL(进给方向)、Fv(垂直方向)、Fc(横向) 滚珠丝杠螺母副的选型及校核*根本设计滚动导轨副的选型及校核步进电机的选型及校核包括：计算切削力、步进电机的计算和选型、滚珠丝杠螺母副的设计、轴承设计和选型、联轴器的选型等。2.2.1 步进电机的选择：拖板重量 W=600N，拖板与贴塑导轨之间的摩擦系数 =0.06，铣削时径向最大切削负载F =2800N(与运动方向相反)，轴向切削分力 FV=1800N垂直于导轨，要求进给速度 1=10z5
