数控原理
双坐标数控工作台机械伺服结构设计
及控制电路设计
课题：有效行程400×250，实际工作时工件及夹具重最大120公斤，最大空运行速度Vmax≤4m/min，最大加工速度Vmax≤2m/min，定位精度±0.02mm/300mm，重复定位精度±0.01mm，脉冲当量δ=0.01mm，寿命40000 小时。
要求完成的内容：
1）双坐标数控工作台机械伺服结构数字化三维建模；
2）双坐标数控工作台机械伺服结构装配图(A1图)1张；
3）工作台托板零件图(A3)1张；
4）选做内容：运动控制电路原理图设计(A3)1张；
5）设计计算说明书一份（1万字左右，20～25页）。
目录
第一章滚珠丝杠副的选择 (3)
1.1 滚珠丝杠副的支撑形式 (3)
1.2 滚珠丝杠副的特点 (4)
1.3 滚珠丝杠副的设计计算 (4)
1.4 选择滚珠丝杠副 (5)
1.5 稳定性验算 (7)
1.6 刚度验算 (9)
1.7 效率验算 (10)
第二章导向机构的设计 (11)
2.1 导轨的功用 (11)
2.2 滚动直线导轨的选择程序 (11)
2.2 直线运动滚动支承系统负荷的计算 (11)
2.4 导轨的选择 (12)
第三章步进电动机的选择 (14)
3.1 步进电动机的工作原理 (14)
3.2 选择电动机 (15)
第四章滚动轴承的计算 (18)
4.1 支撑方案的确定 (18)
4.2 轴承的校核 (18)
总结 (19)
参考文献 (20)
附录 (21)
第一章滚珠丝杠副的选择
1.1 滚珠丝杠副的支承形式
支承应限制丝杠的轴向窜动.较短的丝杠或垂直安装的丝杠,可以一端固定,一端无支承.水平安装丝杠较长时, 可以一端固定,一端游动;对于精密和高精度机床的滚珠丝杠副,为了提高丝杠的拉压刚度,可以两端固定.为了补偿热膨胀和减少丝杠下垂,两端固定丝杠时还可以进行预拉伸。
一般情况下,应以固定端作为轴向定位基准,从固定端起计算丝杆杠副的长度误差.此外,应尽可能固定端作为驱动端。
考虑到本设计的结构与要求,我们决定采用一端固定一端游动(F-S)的支承形式, 如图1.1所示。
一端固定一端游动（F~S）。固定端采用深沟球轴承2和双向推力球轴承4，可分别承受径向和轴向负载，螺母1、挡圈3、轴肩、支撑座5台肩、端盖7提供轴向限位，垫圈6可调节推力轴承4的轴向预紧力。游动端需径向约束，轴向无约束。采用深沟球轴承8，其内圈由挡圈9限位，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩。
图1.1一端固定一端游动支承
这种支承形势有以下一些特点：
1.需保持螺母与两端支撑同轴,故结构较复杂,工艺较困难。
2.丝杠的轴向刚度较高。
3.压杆稳定性和临界转速较高。
4.丝杠有热膨胀的余地。
5.适用于较长的卧式安装丝杠。
1.2 滚珠丝杠副的特点
1.传动效率高效率高达90%~95%,耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。
2.运动具有可逆性即可将回转运动变为直线运动,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。
3.系统刚度好通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度,可满足各种机械传动要求,无爬行现象,始终保持运动的平稳性和灵敏性。
4.传动精度高经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,丝杆副工作时温升和热变形小,容易获得较高的传动精度。
5.使用寿命长滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动,磨损极小,长期使用后仍能保持其精度,因而寿命长,且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高5~6倍。
6.不能自锁特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动装置。
7.制造工艺复杂滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。
由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价,因而已成为数控机床,精密机械,各种省力机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。
1.3 滚珠丝杠副的设计计算
有效行程400*250，实际工作时工件及夹具重最大120公斤，最大空运行速
度,最大加工速度定位精度,重复定位精度,脉冲当量,寿命40000小时。
（1）步距角，，，。
先假设p=。
表1.1
切削力速度时间比（2）丝杠转速快速点定位30%，加工70%。
（3）当量转速
加工
点定位
（4）丝杠负荷
当量载荷导轨摩擦力,。
精密加工=500N，
加工时总载荷=507.2N
快速点定位==7.2N
（5）当量负荷
1.4 选择滚珠丝杠副
（1）
小时，由机电一体化系统设计手册表2.8-63，2.8-64，查得：
------寿命系数，。
------转速系数，。
------ 综合系数，
其中为温度系数，查表1-2得＝1；
为硬度系数，查表1-3得＝1.0；
为精度系数，查表1-4得＝1.0（丝杠精度为1～3级）；
为负荷性质系数，查表1-5得＝1.3；
为可靠性系数，查表1-6得＝0.53（可靠性为90%）。
可得：。
表1-2 温度系数
硬度系数
动负荷硬度影响系数
系数
精度系数
负荷性质系数
可靠性系数
（2）根据选择滚珠丝杠副
1）假设选用FC1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于的原整查教材表2-9选以下型号规格：
FC1-2505-2.5 ，Ca=9610N
由教材表2-9得丝杠副数据：
公称直径
导程
螺旋角=
滚珠直径
2）按教材表2-1中尺寸公式计算：
滚道半径
偏心距
丝杠直径
1.5 稳定性验算
1）由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应
验算其安全系数S ，其值应大于丝杠副传动机构允许安全系数
（见表1.2）。
表1.7
丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷按下式计算：
式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于刚，E=206GPa ；为丝杠工作长度（m ）; 为丝杠危险截面的轴惯性矩
；
为长度系数，见表1.2。
依题意，
取，则
安全系数
。查表1.2，=2.5~3.3 。 ，
丝杠是安全的，不会失稳。
2）高速丝杠工作时可能发生共振，因此需要验算其不会发生共振的最高转速——临界转速
。要求丝杠的最大转速。
临界转速
可按下式计算
式中，为临界转速系数，见表1.2。取，，则
=834r/min。所以丝杠工作时不会发生共振。
3）此外滚珠丝杠副还会受值的限制，通常要求。
所以该丝杠副工作稳定。
1.6 刚度验算
滚珠丝杠在工作负载和转矩共同作用下引起每个导程的变形量为
式中，A------为丝杠面积，；
------为丝杠的极惯性距，；
G------为丝杠的切变模量，对钢；
------为转矩。
式中，------为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；
------为平均工作负载。
取摩擦系数
按最不利的情况取（其中）
则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为
通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即
该丝杠的满足上式，所以其刚度可满足要求。
1.7 效率验算
滚珠丝杠副的传动效率为
要求在90%~98%之间，所以该丝杠副合格。
经上述验证，FC1-2505-2.5各项性能均符合要求，可选用。
第二章导向机构的设计
2.1 导轨的功用
机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确的完成其特定方向的运动。这个任务就由导向机构来完成。机电一体化产品的导向机构是导轨，其作用是支承和导向。
2.2 滚动直线导轨的选择程序
在设计选用滚动直线导轨时，除应对其使用条件，包括工作载荷、精度要求、速度、工作行程、预期工作寿命进行研究外，还须对其刚度、摩擦特性及误差平均、阻尼特性等综合考虑，从而达到正确合理的选用，以满足主机技术性能的要求。
2.3 直线运动滚动支承系统负荷的计算
直线运动支承系统的负荷与导轨配置形式(水平、竖直、倾斜等),移动件的重心和力作用点的位置,导轨上移动件牵引力作用点的位置,启动及停止时的惯性力以及切削力等有关。
本设计的直线运动导轨安装形式为水平,采用卧式导轨、滑块座移动。
图2.1导轨
2.4 导轨的选择
由机床设计要求可知对该导轨设计的基本要求为：
作用在滑座上的载荷，滑座个数，单向行程长度
，每分钟往复次数为4，用于轻型机床的工作台。
导轨的额定工作时间寿命=40000小时
表2-1 硬度系数
/
计算额定动载荷
滑座的运动速度最大为5m/min<15m\min，工作温度在100以下，导轨滚道硬度为60HRC，无明显冲击和振动，每根导轨上滑块配置数为2。
由得：
因滑块座M=4,所以每根导轨上2个，由表2-1~2-4确定，，
, , 则由式
得
其中
选用的是HJG-D系列滚动直线导轨,查其产品手册知, HJG-D型号的导轨的Ca值为17500N,能满足五年的使用要求,所以可选用。
第三章步进电机的选择
步进电机在自动控制系统中作执行元件。是位与电气控制装置和机械执行装置接点部位的一种能量转换装置，它能在控制装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换成机械能。
3.1 步进电机的工作原理
三相反应式步进电机的工作原理如图5.3所示，其中步进电机的定子上有6个齿，其上分别缠有、、三相绕组,构成三对磁极,转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流供电。当、、三相绕组轮流通电时，通过电磁力吸引步进电动机转子一步一步地旋转。
图3.1
3.1.1 步进电动机的通电方式和步距角
如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余断电，这种通电方式称为单相通电方式。
如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，这种通电方式称为双相通电方式。
步距角是指步进电动机每一拍转过的角度。一个m相步进电动机，如其转子
上有z个齿，则其步距角可通过下式计算，式中是通电方式系数，当采用单相或双相通电方式时，＝１，当采用单双向轮流通电方式是，＝２。
3.2 选电动机
3.2.1 电动机转动惯量的计算
滚珠丝杠的转动惯量，已知名义直径，螺距p=10mm.长度L=2741mm.则查表6.6-28（机床设计手册）可得1m长的丝杠转动惯量为35.76kg.cm。那么次滚珠丝杠的转动惯量J=35.76×2.741=98.01kg.cm。
丝杠折算到电动机轴上的转动惯量
J=(20÷30)×98.01=43.56kg.cm。
工作台折算到丝杠的惯量，已知导程10mm，工作台以上负载1000kg。，查表6.6-29得：重10000N的转动惯量JG=25.80kg.cm。
丝杠传动是传动系统折算到电动机轴上的总的转动惯量
式中J—船工系统折算到电动机轴上的转动惯量（kg.cm）
J1—齿轮Z1的转动惯量（kg.cm）
J2--齿轮Z2转动惯量（kg.cm）
JS—丝杠的转动惯量（kg.cm）
m—工作台及共建等移动部件的质量（N）
L0—丝杠得导程（cm）
J1=0.78D1L1×10=0.78×（5.988）×3×10=3kg.cm
J2=0.78D2L2×10=0.78×（9.02）×3×10=15.5kg.cm
JZ=JM+9.34+=81.06kg.cm
3.2.2 电机力矩的计算
由于此纵向进给系统不做切削运动，故只计算快速空载和快速进给力矩。快速空载启动时所需力矩Mq=MA+Mf+M0
Mq—快速空载时的启动力
Mf—折算到电动机上的摩擦力矩（N.m）
M0—由于丝杠的预紧折算到电动机轴上的附加摩擦力矩（N.m）
快速进给时所需力矩MJ
MJ=Mf+MO
因为MJ
Mq= JZ=81.06×=424.214N.cm 摩擦力矩Mf（N.㎝）
Mf=,
式中F0—导轨的摩擦力（N）
i--齿轮降速比
--传动链效率，一般可取=0.7～0.85
Mf===6.6N.cm
附加力矩M0=
式中F—滚轴丝杠预加负荷，这里取FM=5000N.
L0—滚珠丝杠导程（㎝）
--滚珠丝杠未预紧时传动效率，一般取大于0.9，这里取0.95
M0== =60.8N.cm
Mq=MA+Mf+M0=424.214+6.6+60.8=491.65N.㎝=4.92N.m
3.2.3 电机的选型
查表得，选择电动机120MB100A，它的启动转矩9.31N.m。
120MB100A属于CB/MB系列交流伺服电机采用了高性能磁性材料和优化的正弦波磁路设计，具有小型化、全密封、高精度、高相应、低噪音、地震动的特点，特别适合于对动态和稳态定性要求高的场合。
技术特点
A、高性能铷铁硼永磁材料，纯正弦波磁路设计。
B、铝合金精美外观，体积紧凑。
C、小惯量CB系列和中惯量MB系列。
D、动态性能好。
E、过载能力强。
以上数据《机电一体化系统设计手册》
第四章滚动轴承的计算
4.1 支撑方案的确定
考虑滚珠丝杠在轴向的伸缩变形，故考虑在支撑方面采用一端固定，一端游动。在综合考虑后，决定用角接触球轴承完成支承。固定端用一对背靠背接触球轴承，而用单个角接触球轴承支于游动端。
在选择了滚珠丝杠的型号后，由于我们采用的是现存的丝杠。所以尺寸都已经确定，初选固定端7307B/DB背对背型号内径d=35㎜，D=80㎜,B=42㎜。
游动端采用7307B型号B=21㎜
轴承座连接孔14442、M12-4
4.2 轴承型号选型及校核
轴向力Fa=383.3N 径向力Fr=10000/2=5000N
因为Fa/Fr=5000/383.3〉1.14（查机械设计第七版表13-5）
则X=0.35,Y=0.57。 fp取1.5（中等冲击或中等惯性力..查表13-6同上）动载荷P=fp(XFr+YFa)=1.5×（0.35×5000+0.57×883.3）=3380.25N
预计寿命Lh=5000h,转速n=1000r/min÷1.5=666.7
计算基本额定动载荷
C=
滚动轴承受理分析图
因为C=19768.15< P>
总结
本次课程设计是以毕业设计之前的准备，是为了更好的完成毕业设计打好一个坚实的基础，是我们对数控冲车床有了进一步的认识，对我们以后的学习工作有很好的帮助。
历程2周的课题设计,在老师和自己共同努力下,完成了预期的工作。在这个过程中遇到很多困难，但是通过查阅资料，最终解决了问题，提高了我们解决问题的能力。
在查阅相关的数控机床资料，类比同类机床的进给系统结构，以及机床厂提供的相关零部件资料的基础上，用AutoCAD进行总装图的优化设计和绘制。零件的绘制。通过要求完成了毕业论文书写内容。对机床设计过程有了深刻的了解和认识。
通过此次毕业设计,使我们的综合运用能力进一步加强,把大学四年来所学的专业理论知识与实践很好的结合起来，从方案确定到选型、校核、画图等一系列都在很大程度上开发了我们的设计思维和应用能力。
当然这次课程设计中我们也认识到自身的不足之处。虽然在设计中能够认真独立地思考、分析问题。但知识面不够广泛以及实际经验欠缺等诸多因素,造成设计中很多疏漏的地方以及大多方案都停留在已有基础上,创新很少。而且在优化设计方面做得很少，可以说整个设计很粗糙，当然我会在以后的工作学习生产不断积累经验，争取做得更好，敬请原谅本次设计中的不足之处。
参考文献
[1]廖念钊主编.互换性与技术测量(第四版)，中国计量出版社，20002.7
[2]齐占庆.燕山大学.机床电气控制技术(第三版)，机械工业出
[3]清华大学.华中工学院.郑州工学院.铸造设备，机械工业出版社
[4]大连理工大学工程画教研室.机械制图，高等教育出版社
[5]龚桂义.机械设计课程设计指导书，高等教育出版社
[6]濮良贵.纪名刚.机械设计(第六版)，西北工业大学，高等教育出版社, 1996
[7]徐颖.机械设计手册(第2版) (第三卷)，机械工业出版社
[8]徐颖.机械设计手册(第2版) (第四卷)，机械工业出版社
[9]大连组合机床研究所.组合机床设计（第三册，电气部分），机械工业出版社