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1、ZX7型数控钻铣床工作台设计数据说明参数指标单位量纲钻铣床型号ZX1ZX2ZX3ZX4ZX5ZX6ZX7ZX8加速时间TS0.10.10.20.20.30.30.40.4Y向以上质量（含台面、工件及夹具等）Kg5055606570758090X向坐标行程 mm100150200200240250250300Y向坐标行程 80100120150160200240250工作台面(XY)mm2120100180150220150220180280200280220280260320280工作台最快快速进给速度（快进）mm/min1000150020002500工作台最大切削进给速度（工进）40050
2、0500600脉冲当量mm/pulse0.01定位精度mm0.05重复定位精度mm0.03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目 录摘 要5第一章前 言6第二章总体方案的设计与论证8 2.1研究问题.8 2.2总体方案的拟定与论证8 2.2.1丝杠螺母副的选择.8 2.2.2步进电机的选择.8 2.2.3、导轨副的选用.8 2.2.4减速装置的选用.9 2.2.5 工作台的结构简图.9
3、2.2.6控制系统的设计.10第三章工作台传动装置的设计计算11 3.1 基本参数的初始设置.11 3.1.1设计一套数控钻铣床使用的X-Y数控工作台.11 3.1.2 导轨上移动部件的重量估算.11 3.1.3铣削力的计算.11 3.2 滚动导轨的设计计算.13 3.2.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取.13 3.3滚珠丝杆副设计计算和其型号与直径选择以及传动效率的计算.17 3.3.1滚珠丝杠螺母副的计算.17 3.3.2滚珠丝杠螺母副型号与直径选择.18 3.3.3传动效率的计算.19 3.4 滚珠丝杠副刚度的验算.20 3.4.1滚珠丝杠螺母副几何参数.20 3.4.2刚度的验
4、算.20 3.5丝杠的支承方式及轴承的选择.22 3.5.1 丝杠的支承方式.22 3.5.2、轴承的选择.22 3.6 滚珠丝杠副稳定性运算.24 3.7 滚珠丝杠副预紧力Fp确定.24 3.7.1螺纹连接时丝杠预紧力的确定.24 3.8 滚珠丝杠轴预紧拉伸力Fp1的确定.25 3.9临界转速的验算.25 3.10计算电机轴上的惯量和转矩，选取步进电机.26 3.10.1 步进电机的传动计算.26 3.10.2 计算折算到电动机轴上的负载转矩.27 3.10.3 步进电机最大静转矩的选定.28 3.10.4 步进电机性能校核.28 3.11 设计中的其他问题.30 3.11.1 机械传动部件
5、的防护.30 3.11.2 机械传动部件的润滑.30 3.11.3 联轴器的选择.30第四章 控制系统的设计. 33 4.1 控制系统结构的确定.33 4.2主要芯片介绍.34 4.2.1 STC89C52RC单片机.34 4.2.2 74ls165芯片.34 4.3硬件方案的选择和确定.35 4.4设计电路原理图.36 4.5 各个部分具体硬件设计.36 4.5.1最小系统设计.36 4.5.2端口分配.37 4.5.3 按键电路.37 4.5.4液晶显示电路.39 4.5.5 74ls165芯片电路.39 4.5.6限位开关电路.40 4.5.7存储器电路. 41 4.5.8 步进电机驱动
6、电路设计控制. 42第五章 加工程序. 44 5.1 相关软件流程设计. 44 5.2 零件加工程序. 45第六章 机械部分与电气部分相关图纸的绘制.47装配图见附件一CAD A0图纸ZX7型数控钻铣床工作台三维图见附件二ZX7型数控钻铣床工作台电气原理图见附件三第七章 总结与致谢.48参 考 文 献49ZX7型数控钻铣床工作台设计摘 要 当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。数控技术是用数字程序控制数控机械实现自动控制的技术，本次设计的数控工作台主要包含包含机械总体方案的确定、动力与驱动部分、执行机构、控制及信息处理
7、部分。主要是结合了机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。数控技术能够较好的解决多品种、小批量和复杂零件的加工以及生产过程自动化等问题，能够大大的减轻劳动力，缩短加工生产时间提高生产效率，数控技术已经广泛应用于数控机床及各类机电一体化产品上。而数控钻铣床是数控机床的典型代表，因此进行数控钻铣床工作台的设计具有非常重要的意义！关键词：数控技术， 数控钻铣床， 滚珠丝杠 ，滚动导轨 ，步进电机 第一章 前 言现代科学技术的不断发展，极
8、大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。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
9、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。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚
10、珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 本次设计是一个及其重要的而且很有必要的教学环节，要求学生综合的运用所学的理
11、论知识，独立进行的设计训练，其主要目的是：1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法；2、通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式；3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式；4、培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想；5、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。第二章 总体方案的设计与论证2.1研究问题总体方案的设计主要包括机械部件的选择及设计，控制系统的设计和选择。根据设计任务确定系统的总体
12、机械和控制系统方案：进行系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。得出合理的系统设计方案！2.2总体方案的拟定与论证2.2.1、丝杠螺母副的选择步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满0.01mm/pulse的脉冲当量，因为定位精度0.05mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是0.025mm的定位精度，滑动丝杠副的定位精度大于0.06mm，因此滑动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命
13、长、效率高、预紧后可消除反向间隙。如果滚珠丝杆副采用内循环方式，则具有摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高等特点，所以选择滚珠内循环方式。另外由于定位精度要求不是太高，故选择的调整间隙方式是垫片调整式，这种调整方式结构简单，刚性好，装卸方便。由于工作台最快快速进给速度（快进）Vxmax = Vymax =2500mm/min，工作台最大切削进给速度（工进）=600mm/min，所需的转速并不是很高，故可以采用一般的安装方法，即选用双推-简支式支承方式。2.2.2步进电机的选择因为重复定位精度为0.03mm，对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电
14、网的影响而失步，决定采用开环控制系统完全满足控制要求，任务书初选的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2500mm/min,故本此设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比，混合式步进电机应用最广泛。2.2.3、导轨副的选用要设计数控钻铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度虽然不是很高，但是我们选择了开环控制，因此要减少开环控制带来的影响，所以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、寿命长、
15、润滑方便等优点，由专门的厂家生产，使用时直接按照标准选取即可，但滚动导轨的抗震性较差，对防护要求较高，因此后面单独对防护作了很高的要求。 2.2.4减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。现在很多步进电机直接与减速装置组合在一起，后面通过计算，如果确定需要减速装置的话，我们可根据所选步进电机选择对应厂家的减速器，之后校核步进电机输出的力矩是否满足驱动要求。2.2.5 工作台的结构简图1. X-Y数控工作台机械结构简图：
16、机械结构简图2. X-Y数控工作台系统总体结构如下所示： 系统总体框图2.2.6控制系统的设计本次设计的XY数控工作台用于数控钻铣床，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STC系列的8位单片机STC89C52RC作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。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 工作台传动装置的设计计算 3.1 基本参数的
17、初始设置3.1.1设计一套数控钻铣床使用的X-Y数控工作台主要参数如下：1、立铣刀最大直径的d=15mm，立铣刀齿数Z=3，最大铣削宽度最大背吃刀量=8mm，加工材料为碳素钢或有色金属。2、X、Y方向的定位精度均为0.05mm。3、工作台面尺寸为280mm260mm。 4 X向坐标行程为250mm，Y向坐标行程为240mm。5、工作台空载进给最快移动速度： Vxmax = Vymax =2500mm/min，工作台进给最快移动速度:Vxmax = Vymax =600mm/min，加速时间T为0.4s。6、 Y向以上质量（含台面、工件及夹具等）为80Kg7、 脉冲当量为0.01mm/pulse
18、，设备使用寿命为10年；年均工作280天；每天8小时。3.1.2 导轨上移动部件的重量估算Y向以上重量（含台面、工件及夹具等）G=mg=80*9.8=784N上导轨（含电机，丝杠）的重量估计为：300N所以运动部件的总重量为：784+300=1084N考虑一定的安全系数运动部件的总重量为：1.25*1084N=1355N所以估算下导轨中丝杠承受重量G为：1400N3.1.3铣削力的计算 零件采用的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳素钢或有色金属。查下表3-1可得立铣时的铣削力计算公式为：表3-1硬质合金铣刀铣削力的计算公式（单位N）铣刀类型工件材料铣削力计算公式面铣刀碳素钢
19、灰铸铁可锻铸铁圆柱铣刀碳素钢灰铸铁三面刃铣刀碳素钢两面刃铣刀立铣刀查数控技术课程设计指导书P13、14页，=0.1-0.2mm*z-1取铣刀每齿进给量=0.15；铣刀转速=500r/min,其他参数设计已经给出，数值如下：立铣刀最大直径：d=15mm立铣刀齿数：Z=3最大铣削宽度：最大背吃刀量：所以最大铣削力：=2120N 采用立铣刀进行圆柱逆铣时各铣削力相对比较大，计算逆铣时各铣削力满足要求之后，则顺铣时也满足铣削要求，逆铣时各铣削力之间的比值查数控技术课程设计指导书P13页可得出：=(1.01.2) /=(0.20.3) /=（0.350.4） 分别计算出三个方向铣削力为：Ff=1.1Fc
20、=1.1*2120=2332N （与丝杠轴线平行）Ffn=0.25Fc=0.25*2120=530N （与丝杠轴线垂直）Fe=0.38*Fc=0.38*2120=806N （与工作台面垂直）由于是立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=806N，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Fx=Ff=2332N,径向铣削力Fy=Ffn=530N。3.2滚动导轨的设计计算3.2.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取、工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、四滑块的支承形式
21、。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，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量G=1400N,外加载荷外加载荷F=Fe=806N;得最大工作载荷Fmax=1400/4+806=1156N=1.156KN。、小时额定工作寿命的计算预期工作台的工作寿命为10年，年均工作280天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命Lh=10*280*8=22400h、距离额定寿命计算由数控设计指导书知公式，从而得到式中：L为距离工作寿命 为小时额定工作寿命。 n为移动件每分钟往复次数（46）取5 S为移动件行程长度，由加工范围为250mm240mm取280mm 代入数据
22、 得：L=3763km 、额定动载荷计算由公式从而得到：式中：为额定动载荷 L为距离工作寿命，由上式可知为3763km F为滑块的工作载荷，由上式可知为1156N代入数据得： =9761N、产品选型 根据计算出的额定动载荷初选符合要求的直线滚动导轨副的型号。 查数控课程设计指导P49，根据选取原则，选择型号为JSA-LG20的直线滚动导轨副。具体结构尺寸如下所示：JSA-LG系列参数列表其额定动载荷C=11.5KN，额定静载荷C0=14.5KN。均大于9761N，故可知满足要求，工作台尺寸为280mm260mm，加工范围为250mm240mm，考虑工作行程应留有一定的余量，根据型号为JSA-L
23、G20初选导轨长度为640mm。3.3滚珠丝杆副设计计算和其型号与直径选择以及传动效率的计算3.3.1滚珠丝杠螺母副的计算1.最大工作载荷的计算 由之前计算知，在立铣时工作台受到进给方向的载荷Fx=Ff=2332N，受到横向的载荷Fy=Ffn=530N，受到垂直方向的载荷Fz=Fe=806N。已知移动部件总重量G=1400N，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u=0.00250.005取。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为： =1.1*2332+0.004*（530+806+1400）=2576N参考公式2.最大动载荷的计算 本次设计工作台在承受最
24、大铣削力时的最快进给速度v=600mm/min，根据下表选丝杠导程P=6mm（经计算知选择5mm不能满足要求，故选择6mm）,则此时丝杠转速=v/P=100r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=10*280*8=22400h，根据数控课程设计指导书得：其中 T为使用寿命 22400h 为滚珠丝杠的当量转速 100r/min 求得：T=60*100*22400/106=134.4查下表得，受中等冲击载荷取值范围fw=1.2-1.5，现取fw=1.3，滚道硬度为60HRC时，硬度影响系数取值，根据数控课程设计指导书得 (fd=fw)代入数据得：Cc=5.12*1.3*1.0*2576=17146N载
25、荷系数3.3.2滚珠丝杠螺母副型号与直径选择根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查下表选取FFZD3206-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副其公称直径=32mm，外径=31.2mm,底径=27.2mm，导程=6mm，循环滚珠为4圈2系列，滚珠直径为3.969mm，螺母的安装尺寸L=60mm，精度等级取5级，基本额定动载荷为18292N，基本额定静载荷为47148N均大于计算的丝杠最大动载荷=17146N，所以滚珠丝杠螺母副型号选择满足载荷要求。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=250+60=310mm；为安全行程，=5Lp=30mm
26、；为余程，=2Lp=12mm。则计算得：Lq=Lu+2+2=310+60+24=394mm3.3.3传动效率的计算将公称直径d0=32mm,导程P=6mm,代入=arctanP/(d0)，得丝杠螺旋升角=3.420。摩擦角一般取=10，代入=tan/tan(+),求得传动效率=95.4%。满足滚珠丝杠螺母副的传动效率92%-98%的传动要求。3.4 滚珠丝杠副刚度的验算3.4.1滚珠丝杠螺母副几何参数相关参数来源于机电一体化系统设计一书。滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位mm）名 称符 号计算公式和结果 丝杠滚道公称直径32导程Ph6接触角钢球直径3.969螺纹滚道法面半径R=0.52dw=0.5
27、2*3.969=2.064偏心距e=0.0449螺纹升角=arctanPh/(d0)=3.420丝杆丝杠外径31.2丝杠底径27.2丝杠螺母螺母螺纹外径32-2*0.0449+2*2.064 =36.04螺母内径（内循环）大径-1.25*螺距*0.866=25.513.4.2刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“双推-简支式”的轴承配置形式。可知这种安装适用于较高精度与中速、中等载荷的丝杠，一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承。丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。1.滚珠丝杠滚道间的接触变形量，查数控课程设计中相关公式，根据公式，求得单圈滚珠数Z=22；该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为42，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=176。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=2576/3=858.7N。查数控课程设计3-27得滚珠与螺纹滚道间接触变形
