數控工具機課程設計說明書

設計課題：鑽床數控改裝用數控x、y工作台設計

院別：機械工程學院

專業班級

學號姓名指導老師

時間：2023年12月29日--2023年1月 4

目錄一、設計目的 2

二、設計內容和要求 2

三、設計的內容和步驟 2

（一）總體設計方案 2

1、設計機構的效能要求 2

2、待改裝鑽床型號的確定 2

3、控制方式的確定 3

4、伺服系統的確定 4

5、工作台引數的初步確定 4

6、導軌的選型思路 4

7、滾珠絲杆選型思路 4

8、絲杆和電機連線零件的選取思路 4

9、支承座材料的選取 5

10、軸承型別的選取 5

（二）機械部分改裝設計與計算 5

1、確定工作台的尺寸及其重量 5

2、切削力的計算 6

3、傳動系統設計6

4、滾珠絲槓設計及選型 6

5、滾動導軌引數計算與選型 10

6、步進電動機設計引數及選型 13

7、聯軸器的選擇18

四、設計總結 22

五、參考文獻 23

一、設計目的

通過本次設計，能夠全面地、系統地了解和掌握數控工具機的基本內容和基本知識，初步掌握數控工具機的設計方法，並能學會運用手冊、標準的資料。同時，培養相應的創新意識工程意識和動手能力。

2、設計內容和要求

內容：設計一套簡易數控xy工作台，固定在某一鑽床的工作台上；xy工作台的位置控制採用步進電機數控系統。通過上述方案將該普通鑽床改裝成簡易的經濟型數控鑽床。

設計要求改造後的鑽床能夠加工最大面積為290mmx290mm的工件，最大工件重量200kg；數控xy工作台要求孔的定位精度在±0.02mm內，快進速度為3.6m/min，加減速時間為0.

1秒。三、設計的內容和步驟

（1）總體設計方案

1、設計機構的效能要求

（1）具有高的靜、動態剛度和良好的抗振效能

（2）具有較高的幾何精度、傳動精度、定位精度和熱穩定性

（3）具有實現輔助操作自動化的結構部件

2、待改裝鑽床型號的確定

待改裝鑽床的型號及其引數如下表：

3、控制方式的確定

控制方式按運動軌跡分類，可分為點位控制、直線控制和輪廓控制三種。點位控制的特點是只控制刀具相對於工件定位點的位置精度，不控制點與點之間的運動軌跡，在移動過程中刀具不進行切削；直線控制的特點是除了控制起點與終點之間的準確位置外，而且要求刀具由一點到另一點之間的運動軌跡為直線，並能控制位移的速度；輪廓控制的特點是能夠對兩個或兩個以上的座標軸方向同時進行連續控制，並能夠對位移和速度進行嚴格地、不斷地控制。因數控鑽床上刀具在運動過程中沒有進行切削，工件相對於工作台沒有相對運動，而且點與點之間沒有嚴格的運動軌跡要求，因而本控制系統宜採用點位控制。

4、伺服系統的確定

開環伺服系統在負載不大時多採用功率步進電機作為伺服電機。開環控制系統由於沒有檢測反饋部件，因而不能糾正系統的傳動誤差。但是開環系統結構簡單，調整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應用，考慮到運動精度要求不高，為簡化結構，降低成本，本系統宜採用步進電機開環伺服系統驅動。

5、工作台引數的初步確定

由於工作台的加工範圍為x=290mm,y=290mm，而工作台尺寸一般為工作台最大加工工件尺寸的1.1倍，所以初步確定工作台面積引數為： mm， mm,厚度初定為30mm。

6、導軌的選型思路

由於工作台的運動部件重量和工作載荷不大，故選用直線滾動導軌副，從而減小工作台的摩擦係數，提高運動平穩性。

7、滾珠絲杆選型思路

為了保證一定的傳動精度和平穩性以及結構的緊湊，採用滾珠絲槓螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，採用有預加載荷的結構。

8、絲杆和電機連線零件的選取思路

為了減少零件的數目和中間環節的影響，簡化機械結構，提高傳動的精度和功率輸出，因而本系統採用電動機經過聯軸器直接與絲槓聯接。

9、支承座材料的選取

初選支承座材料為灰鑄鐵ht150，因其耐磨耐腐蝕，剛度高，抗震性好。

10、軸承型別的選取

為了防止熱變形造成絲槓伸長的影響，初步設計滾珠絲槓的支承的安裝採用一端固定，一端游動的形式。軸承主要承受軸向載荷，所以固定端選用向心推力軸承，支援端選用深溝球軸承。保證軸向載荷和徑向載荷。

（2）機械部分改裝設計與計算

1、確定工作台的尺寸及其重量

根據設計要求，所能夠加工的工件的最大面積為290mm×290mm，最大工件的重量為200kg，初步確定工作台尺寸為：320mm×320mm×30mm。工作台的材料為45號鋼，其密度為7.

8g/cm ,取g=10n/kg,因此：

1.1 工作台（x向托板）重量：

1.2 取y向托板重量=x向托板：

1.3 上導軌座重量

初步取導軌座的長700mm，寬為250mm，高為90mm。但導軌座中間有很大的空缺，空缺部分尺寸大約為： mm。因此：

1.4 總重量：

2、切削力的計算

由於鑽床切削時產生的切削力是很小的，並且工作台是點位控制系統，滾珠絲槓運動與靜止時都不受到由於切削而引起的軸向阻力，故工作台工作時的切削阻力可以忽略不計。因此，工作台及滾珠絲槓的負荷只有工作台的重量所引起的摩擦阻力。

3、傳動系統的設計

按jb3162.2-91《滾珠絲槓副的驗收技術條件》規定，滾珠絲槓螺母副的精度可分為1～7和10七個等級，1級精度最高，依次遞減。滾珠絲槓螺母副的精度主要根據工具機定位精度的要求選擇，通常取滾珠絲槓允許的平均行程變動量約佔工具機定位誤差的1/3～1/2。

因此：

根據上述原理圓整取

δ=0.005mm

3.2 因為是用聯軸器傳動，因此它的傳動比為i=1，取絲槓的導程為：

p=5mm

4、滾珠絲槓引數計算與選型

4.1 計算最大靜載荷

當轉速時，滾珠絲槓螺母副的主要破壞形式為滾珠接觸面上產生較大塑性變形，影響正常工作。為此應進行靜載強度計算，最大計算靜載荷為：

式中：——硬度影響係數，見《數控工具機系統設計》第二版p99 表5-2；

——動載荷係數，見《數控工具機系統設計》第二版p100 表；

5-1；

——滾珠絲槓螺母副的精度係數，取1.0

——絲槓工作時的軸向阻力

根據：其中，為淬火鋼的摩擦係數，見《數控工具機設計》p182。因此：

4.2 計算滾珠絲槓的當量動載荷

滾珠絲槓最大動載荷c可用下式計算：。

式中： ——額定動載荷

l ——工作壽命，單位為r,l=；

n ——絲槓的最高轉速

——最大靜載荷

在選擇滾珠絲槓螺母副的規格和尺寸時，相應的額定動載荷ca不得小於最大動載荷，即ca>c。

按每年工作250天，每天兩班次，每班次工作8小時，使用壽命不低於5年，則計算可得：

式中的n為絲槓的最高轉速，因為設計要求工作台快速進給的速度為3.6m/s，因此去計算為：

所以：n4.3滾珠絲槓的選取

ffb型內迴圈浮動式變位導程預緊滾珠絲槓副尺寸系列：

**資料**：

根據動載荷、靜載荷和導程的核對，最後選取的滾珠絲槓型號為：

ffb2005-2，其中公稱直徑為20mm，公稱導程為5mm，鋼球直徑為3.5mm，動載荷為6.4kn，靜載荷為12.2kn。

4.4滾道半徑、偏心距計算

在上表中查得，鋼球直徑為3.5mm，絲槓底徑為16.9mm，則：

滾到半徑r=

偏心距4.5傳動效率計算

滾珠絲槓螺母副的傳動效率計算公式為：見專業課程設計指導書式2-15

其中，為螺旋公升角；

為摩擦角

滾珠絲槓的螺母副滾動摩擦係數一般為=0.003-0.004，其摩擦角約為。

所以滾珠絲槓螺母副的傳動效率較高，一般為0.8-0.9之間，由此刻知，上式傳動效率計算有效。

4.6壓桿穩定性計算

因螺桿較長，所以應進行壓桿穩定性的計算。壓桿穩定性刻可按下式求臨界載荷：

式中：e——螺桿材料的彈性模量，查《材料力學》表2-2，取e=200gpa

i——螺桿危險截面的軸慣性矩

——為長度係數，查《機電一體化設計手冊》得

絲槓有效長度為320mm

i=f=

所以，在壓桿穩定性範圍內。

5、滾動導軌引數計算與選型

導軌是數控工具機的重要組成部分之一，他在很大程度上決定數控工具機的剛度、精度以及精度保持性。滾動直線導軌副是由導軌、滑塊、鋼球、方向器、保持架、密封端蓋及擋板組成，其結構組成如下圖：

5.1導軌工作壽命

滾動導軌壽命的計算與滾動軸承相類似，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支承不發生點蝕為依據，這個載荷稱為額定動載荷，行走的距離稱為額定壽命。滾動導軌的預期壽命除了與額定動載荷和導軌的實際工作載荷有關外，還還與導軌的硬度、滑塊部分的工作溫度以及每根導軌上的滑塊數目有關。導軌是承受力的主要部件，除工件和工作台以外，還有鑽床的軸向切削力，普通高速鋼鑽頭鑽孔時的軸向力約為fz=4280n（見《數控工具機設計實踐指南》表3-2）。

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