浙江工业大学浙西分校
毕业设计（论文）
题 目： 数控雕铣机进给系统机械设计
作 者：系 （部）： 机电控制工程系
专业班级：指导教师： XX
职 称：
2010年 月 日
毕业设计（论文）任务书
数控雕铣机进给系统机械设计
摘 要
此次的设计任务为CGM4300小型数控雕铣机的设计，根据已知条件确定设计进给运动中各个零部件及分析其工作特点；选择合理的步进电机实现三个方向的进给运动以及进给运动的转速和功率扭矩特性；进给运动的部件和零件的如何选择；进给运动零件的计算校核；滚珠丝杠轴承的选择及定位轴向力如何传递；再利用CAD 完成雕铣机装配图。通过小组一起查阅资料，网上了解数控雕铣机的特点和研究方法，到学校数控基地增强对数控雕铣机系统和结构的认识，拆装并测绘数控雕铣机。随后去学校图书馆翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍再对其系统内部零件、机床主运动传动系统的设计，了解了各个主运动零件工作优点，机床主要零件部件设计计算。翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍，采用小组讨论的方法共同确定数控雕铣机的结构；并在指导老师的热心帮助完成了图纸的绘制和说明书的撰写。这次的毕业设计让我们回顾了一下以前学过的基础知识并深化，使自己的专业知识有了很大提高。在本文中详细描述了数控雕铣机伺服进给传统系统的设计方法, 包括传动系统拟定 ,滚珠丝杠及其支承组合方式 ,伺服电动机及其反馈装置选择, 精度验算等。
关键词：数控雕铣床，转速，滚珠丝杠，伺服传动系统，设计
目 录
第一章 前 言 ........................................................ 2
1.1数控机床发展现状综述 ........................................... 2
1.2设计要解决的问题和拟采用的研究方法 ............................. 3
1.3 解决思路及步骤 ................................................. 3
1.4机床参数 ....................................................... 4
第二章 X轴系统零部件的计算与校核 . ................................... 6
2.1 X 轴系统的重力计算 ............................................. 6
2.2 横向进给运动的设计 ............................................. 7
2.2.1切削力计算 ................................................. 7
2.2.2滚珠丝杠的设计 ............................................. 7
2.2.3横向步进电机的选用 ......................................... 9
2.3 滚珠丝杠的传动设计 ........................................... 10
2.3.1选取滚珠丝杠的型号 ........................................ 10
2.3.2丝杠传动扭矩校核 .......................................... 10
2.3.3校核丝杠的当量动载 ........................................ 12
2.3.4滚珠丝杠的校核 ............................................ 12
2.4 垂向进给系统的设计 ............................................ 14
2.4.1 滚珠丝杠设计 .............................................. 14
2.4.2 垂向步进电机的选用 ........................................ 15
第三章 结束语 ...................................................... 17
谢 辞 ............................................................. 18
参考文献 ........................................................... 19 - 1 -
第一章 前 言
1.1数控机床发展现状综述
我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上取得了很大的发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。据统计，目前我国可供市场的数控机床有1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。领域之广，可与日本、德国、美国并驾齐驱。这标志着国内数控机床已进入快速发展的时期。
目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在8000—10000r ∕min 以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD 等技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP 、MRP Ⅱ和电子商务。
但从国情来看，我国正处于工业化中期，即从解决短缺为主的开放逐步向建设经济强国转变，从脱贫向致富转变，煤炭、汽车、钢铁、房地产、建材、机械、电子、化工等一批以重工业为基础的高增长行业发展势头强劲，构成了对机床市场尤其是数控机床的巨大需要。据毕马威会计事务所分析，中国已经超过德国，成为世界第一大机床市场，数控机床已成为机床消费的主流。我国未来数控机床市场巨大，预计2010年数控机床消费仍将超过60亿美元，台数将超过10万台。专家指出，中高档数控机床的比例会大幅增加，经济型数控机床的比例不会有太大变化，而非数控的普通机床的需求将会大幅度减少。
近年，全国模具产值也有大幅增长。我国目前大型、精密、复杂、长寿命模具依然大量进口，模具市场主要集中在华东，大约占全国销售额的75%。最近，江苏苏州地区已在规划筹建亚洲最大的模具制造基地。模具制造业需要高速数控铣床、三坐标测量机、精密电加工机床、高精度加工中心、精密磨床等。
电子信息设备制造行业的装备99.5%依赖进口。该行业需求大批小型精密数控机床：如高速铣削中心、高速加工中心、小型精密车床、小型精密冲床、精密和超精密加工专用数控机床及精密电加工机床等。
近年党中央、国务院高度重视包括数控机床在内的装备制造业发展，相继出 - 2 -
台的一系列政策措施，进一步确立了数控机床产业的战略地位，为行业发展创造了有利条件。我国机床行业经过几十年的发展，形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系，具备了快速提升的基础，尤其是" 十五" 以来，面对持续高涨的国内市场需求和良好的政策环境，我国机床行业发展迅速，在质和量上都取得了飞跃。
1.2设计要解决的问题和拟采用的研究方法
此次的设计任务为小型数控雕铣床的设计，撰写一份详细的设计说明书、绘制一张小型数控雕铣床的装配图、若干零件图及PLC 电气控制原理图。
该设计主要解决如下问题：
1、设计进给运动中各个零部件及分析其工作特点；
2、选择合理的步进电机实现三个方向的进给运动；
3、滚珠丝杠轴承的选择及定位, 轴向力如何传递，间隙如何调整；
4、撰写设计说明书、绘制数控雕铣机的装配图、零件图。
拟采用的研究方法：
1）到学校数控基地增强对数控雕铣机系统和结构的认识；拆装并测绘数控雕铣机，使自己对数控机床有了感性的认识；
2）去学校图书馆翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍再对其系统内部零件进行设计：机床主运动传动系统的设计；各个主运动零件工作优点；机床主要零件部件设计计算。
3）翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍，采用小组讨论的方法共同确定数控雕铣机的结构，并进行相关工艺参数的校核。
4）独立完成工程图的绘制。
1.3 解决思路及步骤
解决思路如图1-1所示。
1、机床进给运动设计
丝杠传动的结构和特点，滚珠丝杠及轴承的选择，定位；由三个不同的步进 - 3 -
电机来控制三个方向进给运动过程。
2、机床主要零部件的设计
（1）步进电机的选择计算；
（2）滚珠丝杠的设计计算；
（3）滚珠丝杠的轴承的选取与校核；
图1-1 铣床设计框图
1.4机床参数
工作台尺寸（X/Y）………………………………………………………………………‥500/480毫米 最大行程（X/Y/Z）…………………………………………………………………‥400/400/150毫米 最大工件尺寸（X/Y/Z）……………………………………………………………………‥‥400毫米 最大刀具直径（Er20）………………………………………………………………………‥‥13毫米 主轴电机功率……………………………………………………………………………………‥3千瓦 最大进给速度………………………………………………………………………………… 5米/分钟 主轴转速范围……………………………………………………………………‥1500-24000转/分钟 分辨率……………………………………………………………………………‥ 士0.001毫米/脉冲 定位精度…………………………………………………………………………………… 士0.01毫米 重复定位精度…………………………………………………………………………… 士0.005 毫米 外型尺寸（长/宽/高）………………………………………………………‥ 1500/1500/1800毫米 机器总功率…………………………………………………………………………………………5 千瓦 机器轴联动数……………………………………………………………………………………… 3 - 4 -
第二章 X轴系统零部件的计算与校核
2.1 X轴系统的重力计算
主轴系统主要由三部分组成：3KW 主轴安装座、滑块及拖板。根据中的图纸分别计算3KW 主轴安装座、滑块的体积V 及其重量G 。
◆ 工业用铝合金的密度；
灰铸铁的密度ρH T 250=7. 0⨯103k g /m 3。
◆ 主轴安装座的体积V 1及重力G 1计算： ()
1⎛⎫V 1= 268⨯155⨯200-π⨯502⨯200-2⨯125⨯54⨯200-2⨯⨯40⨯40⨯200⎪⨯10-9≈3. 72⨯10-3m 3
2⎝⎭
G 1=m 1g =ρ铝合金V 1g =2. 7⨯103⨯3. 72⨯10-3⨯9. 8≈98N
◆ 滑块体积V 2及重力G 2计算：
V 2=(270⨯96⨯730-160⨯81⨯246-2⨯40⨯48⨯570-129⨯81⨯570-2⨯97⨯31⨯57)⨯10-9≈7. 25⨯10-3m 3G 2=m 2g =ρH T 250V 2g =7. 0⨯103⨯7. 25⨯10-3⨯9. 8=493. 75N
◆ 拖板体积V 3及重力G 3计算
V 3=(242⨯27⨯505+4⨯90⨯72-180⨯200⨯6-120⨯86⨯4⨯2-70⨯255⨯4)⨯10-9≈3. 24⨯10-3m 3G 3=m 3g =ρH T 250V 3g =7. 0⨯103⨯3. 24⨯10-3⨯9. 8≈222. 26N
- 5 -
2.2 横向进给运动的设计
2.2.1切削力计算
工作台约重30Kg
切削功率为：
N C =K ηN … … … …（2-1）
式中：N ——主电机功率，3Kw
η——主传动系统总功率系数，取0.6 K ——进给系统功率系数，取0.96 根据公式(2-1)可得：N C =1.728 Kw
又因为 N c =F Z V /6120，
则F Z =6120N C /V =1.058 KN
式中：V ——切削线速度，取100mm /min
故主切削力：F Z =1.058（0.6～0.9）F Z F 垂=（0.45～0.7）F Z KN 通常F 纵=
F 横=（0. ～50. ）5F 5z
F 纵=0. 6F Z =0.635KN
取：F 横=0. 45F z =0.476KN
F 垂=0. 5F z =0.529KN
2.2.2滚珠丝杠的设计
工作台横向进给丝杠的轴向力：
/ F 轴=K F （2-2） +（f 垂F +） w … … … 横
式中：K ——考虑颠覆力矩影响的实验系数，K =1. 1
w ——工作台，W =30kg =300N
- 6 -
f /——导轨上的摩擦系数，f /=0.15
F 横
KN ——横向切削力，F 横=0.476
根据公式（2-2）得：
F 轴=1. 1⨯0. 476+0. 15⨯(0. 529+0. 3)=0.65KN 强度计算
滚珠丝杠的转速：n =V f /p
式中：V f ——取60mm/min p ——滚珠丝杠螺距，6mm
则得：n =V f /p =10r /min 寿命值：L １ =60nT/106=9
式中：T ——寿命时间，15000h
最大负载：Q ＝（L 1f w f H F 轴 … … … …（2-3）
式中：f w ——运转系数，取1.2
f H ——硬度系数，取1.1 F 轴——轴向切削力，0.65KN
根据公式(2-3)可得： Q =(9) ⨯1. 2⨯1. 1⨯0. 65=1.7847KN
根据经验，选取滚珠丝杠的型号FDM236LH —1—T7，即内循环浮动式，双螺母垫片预紧，公称直径为23，螺距为6mm ，左旋，一圈二列，T 型7级精度，滚珠直径为3.82（取4）, 其额定动负荷为12.8KN ＞Ｑ，其强度够用。
摩擦角ϕ=t g
-1
1
3
13
f /
sin ∂2 … … … …（2-4）
根据滚珠丝杠的型号可查得其螺旋升角；α=4︒22/
/
f 式中：——滚动摩擦系数，取0.001
d 0
——滚珠直径,4mm
∂——滚珠与滚道的接触角，取45
根据公式(2-4)可得：ϕ=t g -1
0.001
=0.405 =24.3/
0.4
sin 45 2
则滚珠丝杠的传动效率：
0/0/
η=t g α/（t g α+）ϕ=t 4g 22（/t g 42+2
/
）24. =3
0. 915
2.2.3横向步进电机的选用 1、确定步距角：
取系统的脉冲当量δP =0.01mm /脉冲，选用步距角θb =0.720 2、启动力矩的计算： 丝杠牵引力：F s =F 横+1.414f 当W
=0. 55KN
式中：f 当——当量摩擦系数，0.01
设步进电动机等效负载力矩为M，负载力为F 负 ，根据能量守恒原理，电动机所做的功与负载所做的功相等，即M ψη=F 负L 则：M =
F 负L
ψη
又因F 负=F s +μ，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移（W +F 1）量L 为一个脉冲当量0.001cm ，这时电动机转过的负载的角度
ψ=2πθb /360
故M =
F 负L
ψη
=
360 ⨯σp [F s +μ(W +F 1) ]
2πθb η
=96. 04N /cm
式中：μ——机床导轨摩擦系数，取0.18
F 1
——与重力方向一致，作用在移部件上的负载力，1.165KN
如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩
M q =M /(0.3-0.5) 取安全系数为0.25，则M q =503.44N /Cm 对于工作方式为五相十拍的步进电动机：M max =M q /0.707=712.08N /Cm 3、步进电动机的最高频率：
取横向进给速度最大为V m a x =1m /m i n ，则步进电动机的最高频率为
f m a x =1000V m a x /(6⨯0σp =)
查《机械设计手册》16Hz 6。7根据以上数据和经验，
第5卷表35.2-10选用90BYG5502型步进电动机较合适，该电动机步距角为
0.36
，最大静转距为300N /Cm ，最高空载启动频率为2200Hz 。
0.72
2.3 滚珠丝杠的传动设计
2.3.1选取滚珠丝杠的型号
本机床主电机采用90BYG5502型混合式步进电机，电机的静扭矩为
0.36
300N /Cm ，步距角为，根据类比法选用内循环滚珠丝杠：FDM236LH
0.72
—1—T7
2.3.2丝杠传动扭矩校核
1、丝杠传动效率η：
η＝
tan ϕ
/
tan （ϕ＋p ）
式中：ϕ——中径处的螺纹升角ϕ=tan -1
S
πd 2
S—螺纹导程， 6mm
d 2
—丝杠中径，21mm
有 ϕ=tan -16=4.37︒
π21
p ——当量摩擦角p =tan
/
/-1
f /0
sin ∂2
f /—滚动摩擦系数，0.001 d 0—滚珠直径，取4mm ∂—滚珠与滚道的接触角，/ 有 p /
=tan
-1
f
2
sin ∂=tan -1
0.0012
sin 45 =0.405
所以 η=
tan 4.37︒
tan （4.37︒+0.405︒）
⨯100%=91.5%
2、丝杠驱动扭距： 根据M =
PS
2πη
… … … …（2-5） 式中：P ——所受轴向力，426N S——螺纹导程，6mm
η——传动效率，91.5%
根据公式(2-5)可得：M =426⨯0.006
2π⨯0.915
=0.445N ·
m 3、丝杠传递的扭矩M/
M/＝i /[M]＝1.2⨯10=12N ·
m M ＜M / ，故可以使用
45
2.3.3校核丝杠的当量动载
型号为FDM236LH —1—T7丝杠的当量动载为12.8KN 丝杠的寿命系数f h
L h 1
3
（根据f h = 5000
式中：L h ——预期寿命，15000h
⎛15000⎫
故有 f h = ⎪=1.44224
5000⎝⎭
1
3
转速系数f n
33.31
3
（根据f n =
n
式中：n ——当量转速
n =
11
n max =⨯50=25r /min 22
33.313
（=1.1 故有f n =
25
当量轴向载荷P d
11
P max =⨯757=378.5N 22 丝杠当量动载 C P d =C =
f n f d f h
⨯P d 1.1
3.11⨯1.6⨯1.0=⨯378.5
1.1
=1712.2N ＜12800N
安全
2.3.4滚珠丝杠的校核
1、滚珠与螺纹滚道之间的接触变形δ1
2
根据
δ1=
式中：p a ——轴向载荷，378.5N
d 0——滚珠直径，3.969mm Z ε——滚珠数量
Z ε=Z ⨯圈数⨯列数Z ——一圈的滚珠数
Z =
πD 0
d 0
-3=
π⨯25
3.969
-3=16.79
有Z ε=16.79⨯1⨯2=33.57，取Z ε=34 所以
δ1=2
=1.2⨯10-2mm 1
由于滚珠丝杠已预紧，故δ1/=⨯1.2⨯10-2=6μm
2
2、丝杠轴向拉伸压缩变形δ2 根据
δ2
L
=3⨯10-5
又因为L =250mm
所以δ2=250⨯3⨯10-5=7.5μm
3、支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3
根据
δ3=式中：
d a P a
——轴承的滚动体直径，3.6mm ——轴承的轴向载荷，378.5N
Z ——轴承的滚动体数，18
所以δ3==11.9μm
4、滚珠丝杠副总变形δ
δ=δ1/+δ2+δ3
=6+7.5+11.9
=25.4μm ＜
327
=27.25μm
0.04⨯300
符合要求
2.4 垂向进给系统的设计
2.4.1 滚珠丝杠设计
根据：F 垂=kF 垂+f '(F 垂+W)
式中：k —考虑颠覆力矩影响的实际系数，k =1.1
F 垂—垂向切削分力
f ' —导轨的摩擦系数，f ' =0.15 W —刀头重量W =10G =0.2
可得：F 垂=0.43KN
滚珠丝杠的转速n =Vf /p Vf 取60mm /min
滚珠丝杠螺距=6mm 故n =Vf /p =10r /min
取寿命时间T =15000h ，则寿命值L 1=60nT /106=9则运转系数f w =1.2，硬度系数f h =
1.1则最大负载Q =w f h F 垂' =1.181KN
根据经验选取滚珠丝杠的型号：FDM 256LH -1-T 7即内循环浮动式，双螺母垫片预紧，公称直径为25mm ，螺距6mm ，采用左旋、一圈二列、T 型7级精度，其额定动负荷12.8KN 〉Q ，其强度够用。 由于所选滚珠丝杠的螺旋升角α=4022' ，摩擦角ϕ=tg -1
f ' 0
sin α2
式中：f ' —导轨的摩擦系数，f ' =0.001 d 0—滚珠直径3.969mm
α—滚珠与滚道的接触角α=450 ϕ=tg -1
0. 001
' =24. 3
s i n 452
则滚珠丝杠的传动效率：
η=tg α/tg (α+ϕ) =tg 4022'/tg (4022' +24.3') =0.915=91.5%
2.4.2 垂向步进电机的选用 1、确定步距角
取系统的脉冲当量δP =0.01mm /脉冲，选用步距角θb =0.720 2、启动力矩
丝杠牵引力F S =F 横+1.414f 当W
式中：f 当—当量摩擦系数，f 当=0.01
因F S =0.32+1.414⨯0.01⨯ 1.6=0.343KN
该步进电动机等效负载力矩为M ，负载力为F 负，根据能量守恒原理，电动机所作的与负载所做的功相等
即M ϕη=F 负L 则 M =F 负L /ϕη
因F 负=F S +μ(W +F 1) ，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移量L 为一个脉冲当量0.001cm ，这时电动机转过的角度ϕ=2πθb /3600，代入得
= M =F L /ϕη360δp [F S +μW (+1F ]) /π2θb η负
=3600⨯0.01⎡⎣0.343+0.18(0.2+0.32)⎤⎦/2π⨯0.72⨯0.6
=29. 7N ⨯cm
式中：μ—机床导轨摩擦系数取μ=0.8 F 1=F 重=1. 165KN
如果不考虑启动时的运动部惯性的影响，则启动力矩M q =μ/0.3~0.5，取安
全系数为0.3，M q =99N ⨯cm ，对于工作方式为四相八拍的步进电机 3、步进电动机的最高频率
取横向进给速度最大为V max =1m /min ，则步进电动机的最高频率为
f max =1000V max /60δp =1667HZ ，根据以上数据和经验范围选用90BYG5502型步进电
0.36
动机较合适，该电动机步距角为，最大静转距为300N /Cm ，最高空载启动
频率为2200Hz 0.72
5表35.2-10）
（机械设计师手册
第三章 结束语
通过本次对数控雕铣机的设计，使我了解了很多关于这方面的知识，机床数控是一项综合性较强的工作，它的设计涉及机械、电气、计算机、伺服系统等诸多技术，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有很多特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。
在机械制造领域，机床的数控技术具有非常重要的意义。随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，产品的更新换代也不断加快。因此，对数控机床的设计也就显得比较重要，数控机床的设计与改造也成为工业发展的一个重要方面。数控机床，由于可以较好的解决形状复杂、精密小批量多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，因此，数控机床在世界各国得到了大力的发展，设计改造速度不断加快。
此次的设计任务为CGM4300小型数控雕铣床的设计，根据机械设计专业知识，通过小组一起查阅资料，网上了解数控雕铣机的特点和研究方法，并在指导老师的热心帮助完成了图纸的绘制和说明书的撰写。这次的毕业设计让我们回顾了一下以前学过的基础知识并深化，使自己在专业知识有了很大的提高。
通过本次对数控雕铣机主传动的设计，有机会使自己所学的知识和实践相联系，更加深刻体会了设计的快乐，也了解了自己诸多的不足，在老师的帮助以及在如今强大的网络支持下，一一解决了自己所遇到的所有问题，很高兴能有这样的机会让理论与实际得到了联系，更好的巩固了自己三年来所学的，为步入社会奠定了基础。
谢 辞
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！
通过此次的设计，得到了不少的收获。有了此次的设计不仅巩固了三年来所学的知识，而且学到了很多新的知识。通过设计，也对自己的能力有了更清楚的认识，为以后工作提供了很大的帮助。
回味起求学期间的点滴，历历涌上心头，时光匆匆飞逝，三年多的努力与付出，随着论文的完成，终于让我在大学的生活，得以划下了完美的句点。
论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢我的指导老师田敬讲师，因为论文是在XXX 老师的悉心指导下完成的。本论文从选题到完成，每一步都是在X 老师的指导下完成的，倾注了X 老师大量的心血。X 老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风、高度的事业心和责任感对我进行了全面的指导和培养，田老师指引我论文的写作的方向和架构，并为我提供了进行课题研究的条件和许多有益的相关资料，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，她一丝不苟的作风，将一直是我学习中的榜样。这不仅使我顺利完成了本文，也将使我受益终生。在此，谨向X 老师表示最衷心的感谢!
本次顶岗实习在**************完成，在实习期间，该公司的领导和师傅们对我非常关心，并学到了很多书本上学不到的知识，在此表示衷心感谢。
现在即将挥别我的学校、老师、同学，还有我三年的大学生活，虽然依依不舍，但是对未来的路，我充满了信心。最后，感谢在大学期间认识我和我认识的所有人，有你们伴随，才有我大学生活的丰富多彩，绚丽多姿！
XX X X
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参考文献
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[2]翁世修, 王良申, 金属切削机床——设计指导, 上海：交通大学出版社,1988.2
[3]毛谦德, 李振清, 主编机械设计师手册第二版, 北京：机械工业出版社,2004.1
[4]黄鹤汀, 主编金属切削机床上、下册 , 北京：机械工业出版社,2005.7
[5]李澄, 吴天生, 闻百桥主编工程制图第二版, 北京：高等教育出版社，2004.2
[6]郁汉琪, 主编机床电气控制技术, 北京：高等教育出版社,2006.1
[7]郁汉琪, 主编机床电气实验、课程设计指导书, 北京：高等教育出版2001.7
[8]中国纺织大学, 天津大学机床设计图册, 天津：科技技术出版社, 1979.6
[9]陈立德，主编机械设计基础，北京：高等教育出版社，2004.4
浙江工业大学浙西分校
毕业设计（论文）
题 目： 数控雕铣机进给系统机械设计
作 者：系 （部）： 机电控制工程系
专业班级：指导教师： XX
职 称：
2010年 月 日
毕业设计（论文）任务书
数控雕铣机进给系统机械设计
摘 要
此次的设计任务为CGM4300小型数控雕铣机的设计，根据已知条件确定设计进给运动中各个零部件及分析其工作特点；选择合理的步进电机实现三个方向的进给运动以及进给运动的转速和功率扭矩特性；进给运动的部件和零件的如何选择；进给运动零件的计算校核；滚珠丝杠轴承的选择及定位轴向力如何传递；再利用CAD 完成雕铣机装配图。通过小组一起查阅资料，网上了解数控雕铣机的特点和研究方法，到学校数控基地增强对数控雕铣机系统和结构的认识，拆装并测绘数控雕铣机。随后去学校图书馆翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍再对其系统内部零件、机床主运动传动系统的设计，了解了各个主运动零件工作优点，机床主要零件部件设计计算。翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍，采用小组讨论的方法共同确定数控雕铣机的结构；并在指导老师的热心帮助完成了图纸的绘制和说明书的撰写。这次的毕业设计让我们回顾了一下以前学过的基础知识并深化，使自己的专业知识有了很大提高。在本文中详细描述了数控雕铣机伺服进给传统系统的设计方法, 包括传动系统拟定 ,滚珠丝杠及其支承组合方式 ,伺服电动机及其反馈装置选择, 精度验算等。
关键词：数控雕铣床，转速，滚珠丝杠，伺服传动系统，设计
目 录
第一章 前 言 ........................................................ 2
1.1数控机床发展现状综述 ........................................... 2
1.2设计要解决的问题和拟采用的研究方法 ............................. 3
1.3 解决思路及步骤 ................................................. 3
1.4机床参数 ....................................................... 4
第二章 X轴系统零部件的计算与校核 . ................................... 6
2.1 X 轴系统的重力计算 ............................................. 6
2.2 横向进给运动的设计 ............................................. 7
2.2.1切削力计算 ................................................. 7
2.2.2滚珠丝杠的设计 ............................................. 7
2.2.3横向步进电机的选用 ......................................... 9
2.3 滚珠丝杠的传动设计 ........................................... 10
2.3.1选取滚珠丝杠的型号 ........................................ 10
2.3.2丝杠传动扭矩校核 .......................................... 10
2.3.3校核丝杠的当量动载 ........................................ 12
2.3.4滚珠丝杠的校核 ............................................ 12
2.4 垂向进给系统的设计 ............................................ 14
2.4.1 滚珠丝杠设计 .............................................. 14
2.4.2 垂向步进电机的选用 ........................................ 15
第三章 结束语 ...................................................... 17
谢 辞 ............................................................. 18
参考文献 ........................................................... 19 - 1 -
第一章 前 言
1.1数控机床发展现状综述
我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上取得了很大的发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。据统计，目前我国可供市场的数控机床有1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。领域之广，可与日本、德国、美国并驾齐驱。这标志着国内数控机床已进入快速发展的时期。
目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在8000—10000r ∕min 以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD 等技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP 、MRP Ⅱ和电子商务。
但从国情来看，我国正处于工业化中期，即从解决短缺为主的开放逐步向建设经济强国转变，从脱贫向致富转变，煤炭、汽车、钢铁、房地产、建材、机械、电子、化工等一批以重工业为基础的高增长行业发展势头强劲，构成了对机床市场尤其是数控机床的巨大需要。据毕马威会计事务所分析，中国已经超过德国，成为世界第一大机床市场，数控机床已成为机床消费的主流。我国未来数控机床市场巨大，预计2010年数控机床消费仍将超过60亿美元，台数将超过10万台。专家指出，中高档数控机床的比例会大幅增加，经济型数控机床的比例不会有太大变化，而非数控的普通机床的需求将会大幅度减少。
近年，全国模具产值也有大幅增长。我国目前大型、精密、复杂、长寿命模具依然大量进口，模具市场主要集中在华东，大约占全国销售额的75%。最近，江苏苏州地区已在规划筹建亚洲最大的模具制造基地。模具制造业需要高速数控铣床、三坐标测量机、精密电加工机床、高精度加工中心、精密磨床等。
电子信息设备制造行业的装备99.5%依赖进口。该行业需求大批小型精密数控机床：如高速铣削中心、高速加工中心、小型精密车床、小型精密冲床、精密和超精密加工专用数控机床及精密电加工机床等。
近年党中央、国务院高度重视包括数控机床在内的装备制造业发展，相继出 - 2 -
台的一系列政策措施，进一步确立了数控机床产业的战略地位，为行业发展创造了有利条件。我国机床行业经过几十年的发展，形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系，具备了快速提升的基础，尤其是" 十五" 以来，面对持续高涨的国内市场需求和良好的政策环境，我国机床行业发展迅速，在质和量上都取得了飞跃。
1.2设计要解决的问题和拟采用的研究方法
此次的设计任务为小型数控雕铣床的设计，撰写一份详细的设计说明书、绘制一张小型数控雕铣床的装配图、若干零件图及PLC 电气控制原理图。
该设计主要解决如下问题：
1、设计进给运动中各个零部件及分析其工作特点；
2、选择合理的步进电机实现三个方向的进给运动；
3、滚珠丝杠轴承的选择及定位, 轴向力如何传递，间隙如何调整；
4、撰写设计说明书、绘制数控雕铣机的装配图、零件图。
拟采用的研究方法：
1）到学校数控基地增强对数控雕铣机系统和结构的认识；拆装并测绘数控雕铣机，使自己对数控机床有了感性的认识；
2）去学校图书馆翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍再对其系统内部零件进行设计：机床主运动传动系统的设计；各个主运动零件工作优点；机床主要零件部件设计计算。
3）翻阅一些有关数控雕铣机的改造的书籍，采用小组讨论的方法共同确定数控雕铣机的结构，并进行相关工艺参数的校核。
4）独立完成工程图的绘制。
1.3 解决思路及步骤
解决思路如图1-1所示。
1、机床进给运动设计
丝杠传动的结构和特点，滚珠丝杠及轴承的选择，定位；由三个不同的步进 - 3 -
电机来控制三个方向进给运动过程。
2、机床主要零部件的设计
（1）步进电机的选择计算；
（2）滚珠丝杠的设计计算；
（3）滚珠丝杠的轴承的选取与校核；
图1-1 铣床设计框图
1.4机床参数
工作台尺寸（X/Y）………………………………………………………………………‥500/480毫米 最大行程（X/Y/Z）…………………………………………………………………‥400/400/150毫米 最大工件尺寸（X/Y/Z）……………………………………………………………………‥‥400毫米 最大刀具直径（Er20）………………………………………………………………………‥‥13毫米 主轴电机功率……………………………………………………………………………………‥3千瓦 最大进给速度………………………………………………………………………………… 5米/分钟 主轴转速范围……………………………………………………………………‥1500-24000转/分钟 分辨率……………………………………………………………………………‥ 士0.001毫米/脉冲 定位精度…………………………………………………………………………………… 士0.01毫米 重复定位精度…………………………………………………………………………… 士0.005 毫米 外型尺寸（长/宽/高）………………………………………………………‥ 1500/1500/1800毫米 机器总功率…………………………………………………………………………………………5 千瓦 机器轴联动数……………………………………………………………………………………… 3 - 4 -
第二章 X轴系统零部件的计算与校核
2.1 X轴系统的重力计算
主轴系统主要由三部分组成：3KW 主轴安装座、滑块及拖板。根据中的图纸分别计算3KW 主轴安装座、滑块的体积V 及其重量G 。
◆ 工业用铝合金的密度；
灰铸铁的密度ρH T 250=7. 0⨯103k g /m 3。
◆ 主轴安装座的体积V 1及重力G 1计算： ()
1⎛⎫V 1= 268⨯155⨯200-π⨯502⨯200-2⨯125⨯54⨯200-2⨯⨯40⨯40⨯200⎪⨯10-9≈3. 72⨯10-3m 3
2⎝⎭
G 1=m 1g =ρ铝合金V 1g =2. 7⨯103⨯3. 72⨯10-3⨯9. 8≈98N
◆ 滑块体积V 2及重力G 2计算：
V 2=(270⨯96⨯730-160⨯81⨯246-2⨯40⨯48⨯570-129⨯81⨯570-2⨯97⨯31⨯57)⨯10-9≈7. 25⨯10-3m 3G 2=m 2g =ρH T 250V 2g =7. 0⨯103⨯7. 25⨯10-3⨯9. 8=493. 75N
◆ 拖板体积V 3及重力G 3计算
V 3=(242⨯27⨯505+4⨯90⨯72-180⨯200⨯6-120⨯86⨯4⨯2-70⨯255⨯4)⨯10-9≈3. 24⨯10-3m 3G 3=m 3g =ρH T 250V 3g =7. 0⨯103⨯3. 24⨯10-3⨯9. 8≈222. 26N
- 5 -
2.2 横向进给运动的设计
2.2.1切削力计算
工作台约重30Kg
切削功率为：
N C =K ηN … … … …（2-1）
式中：N ——主电机功率，3Kw
η——主传动系统总功率系数，取0.6 K ——进给系统功率系数，取0.96 根据公式(2-1)可得：N C =1.728 Kw
又因为 N c =F Z V /6120，
则F Z =6120N C /V =1.058 KN
式中：V ——切削线速度，取100mm /min
故主切削力：F Z =1.058（0.6～0.9）F Z F 垂=（0.45～0.7）F Z KN 通常F 纵=
F 横=（0. ～50. ）5F 5z
F 纵=0. 6F Z =0.635KN
取：F 横=0. 45F z =0.476KN
F 垂=0. 5F z =0.529KN
2.2.2滚珠丝杠的设计
工作台横向进给丝杠的轴向力：
/ F 轴=K F （2-2） +（f 垂F +） w … … … 横
式中：K ——考虑颠覆力矩影响的实验系数，K =1. 1
w ——工作台，W =30kg =300N
- 6 -
f /——导轨上的摩擦系数，f /=0.15
F 横
KN ——横向切削力，F 横=0.476
根据公式（2-2）得：
F 轴=1. 1⨯0. 476+0. 15⨯(0. 529+0. 3)=0.65KN 强度计算
滚珠丝杠的转速：n =V f /p
式中：V f ——取60mm/min p ——滚珠丝杠螺距，6mm
则得：n =V f /p =10r /min 寿命值：L １ =60nT/106=9
式中：T ——寿命时间，15000h
最大负载：Q ＝（L 1f w f H F 轴 … … … …（2-3）
式中：f w ——运转系数，取1.2
f H ——硬度系数，取1.1 F 轴——轴向切削力，0.65KN
根据公式(2-3)可得： Q =(9) ⨯1. 2⨯1. 1⨯0. 65=1.7847KN
根据经验，选取滚珠丝杠的型号FDM236LH —1—T7，即内循环浮动式，双螺母垫片预紧，公称直径为23，螺距为6mm ，左旋，一圈二列，T 型7级精度，滚珠直径为3.82（取4）, 其额定动负荷为12.8KN ＞Ｑ，其强度够用。
摩擦角ϕ=t g
-1
1
3
13
f /
sin ∂2 … … … …（2-4）
根据滚珠丝杠的型号可查得其螺旋升角；α=4︒22/
/
f 式中：——滚动摩擦系数，取0.001
d 0
——滚珠直径,4mm
∂——滚珠与滚道的接触角，取45
根据公式(2-4)可得：ϕ=t g -1
0.001
=0.405 =24.3/
0.4
sin 45 2
则滚珠丝杠的传动效率：
0/0/
η=t g α/（t g α+）ϕ=t 4g 22（/t g 42+2
/
）24. =3
0. 915
2.2.3横向步进电机的选用 1、确定步距角：
取系统的脉冲当量δP =0.01mm /脉冲，选用步距角θb =0.720 2、启动力矩的计算： 丝杠牵引力：F s =F 横+1.414f 当W
=0. 55KN
式中：f 当——当量摩擦系数，0.01
设步进电动机等效负载力矩为M，负载力为F 负 ，根据能量守恒原理，电动机所做的功与负载所做的功相等，即M ψη=F 负L 则：M =
F 负L
ψη
又因F 负=F s +μ，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移（W +F 1）量L 为一个脉冲当量0.001cm ，这时电动机转过的负载的角度
ψ=2πθb /360
故M =
F 负L
ψη
=
360 ⨯σp [F s +μ(W +F 1) ]
2πθb η
=96. 04N /cm
式中：μ——机床导轨摩擦系数，取0.18
F 1
——与重力方向一致，作用在移部件上的负载力，1.165KN
如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩
M q =M /(0.3-0.5) 取安全系数为0.25，则M q =503.44N /Cm 对于工作方式为五相十拍的步进电动机：M max =M q /0.707=712.08N /Cm 3、步进电动机的最高频率：
取横向进给速度最大为V m a x =1m /m i n ，则步进电动机的最高频率为
f m a x =1000V m a x /(6⨯0σp =)
查《机械设计手册》16Hz 6。7根据以上数据和经验，
第5卷表35.2-10选用90BYG5502型步进电动机较合适，该电动机步距角为
0.36
，最大静转距为300N /Cm ，最高空载启动频率为2200Hz 。
0.72
2.3 滚珠丝杠的传动设计
2.3.1选取滚珠丝杠的型号
本机床主电机采用90BYG5502型混合式步进电机，电机的静扭矩为
0.36
300N /Cm ，步距角为，根据类比法选用内循环滚珠丝杠：FDM236LH
0.72
—1—T7
2.3.2丝杠传动扭矩校核
1、丝杠传动效率η：
η＝
tan ϕ
/
tan （ϕ＋p ）
式中：ϕ——中径处的螺纹升角ϕ=tan -1
S
πd 2
S—螺纹导程， 6mm
d 2
—丝杠中径，21mm
有 ϕ=tan -16=4.37︒
π21
p ——当量摩擦角p =tan
/
/-1
f /0
sin ∂2
f /—滚动摩擦系数，0.001 d 0—滚珠直径，取4mm ∂—滚珠与滚道的接触角，/ 有 p /
=tan
-1
f
2
sin ∂=tan -1
0.0012
sin 45 =0.405
所以 η=
tan 4.37︒
tan （4.37︒+0.405︒）
⨯100%=91.5%
2、丝杠驱动扭距： 根据M =
PS
2πη
… … … …（2-5） 式中：P ——所受轴向力，426N S——螺纹导程，6mm
η——传动效率，91.5%
根据公式(2-5)可得：M =426⨯0.006
2π⨯0.915
=0.445N ·
m 3、丝杠传递的扭矩M/
M/＝i /[M]＝1.2⨯10=12N ·
m M ＜M / ，故可以使用
45
2.3.3校核丝杠的当量动载
型号为FDM236LH —1—T7丝杠的当量动载为12.8KN 丝杠的寿命系数f h
L h 1
3
（根据f h = 5000
式中：L h ——预期寿命，15000h
⎛15000⎫
故有 f h = ⎪=1.44224
5000⎝⎭
1
3
转速系数f n
33.31
3
（根据f n =
n
式中：n ——当量转速
n =
11
n max =⨯50=25r /min 22
33.313
（=1.1 故有f n =
25
当量轴向载荷P d
11
P max =⨯757=378.5N 22 丝杠当量动载 C P d =C =
f n f d f h
⨯P d 1.1
3.11⨯1.6⨯1.0=⨯378.5
1.1
=1712.2N ＜12800N
安全
2.3.4滚珠丝杠的校核
1、滚珠与螺纹滚道之间的接触变形δ1
2
根据
δ1=
式中：p a ——轴向载荷，378.5N
d 0——滚珠直径，3.969mm Z ε——滚珠数量
Z ε=Z ⨯圈数⨯列数Z ——一圈的滚珠数
Z =
πD 0
d 0
-3=
π⨯25
3.969
-3=16.79
有Z ε=16.79⨯1⨯2=33.57，取Z ε=34 所以
δ1=2
=1.2⨯10-2mm 1
由于滚珠丝杠已预紧，故δ1/=⨯1.2⨯10-2=6μm
2
2、丝杠轴向拉伸压缩变形δ2 根据
δ2
L
=3⨯10-5
又因为L =250mm
所以δ2=250⨯3⨯10-5=7.5μm
3、支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3
根据
δ3=式中：
d a P a
——轴承的滚动体直径，3.6mm ——轴承的轴向载荷，378.5N
Z ——轴承的滚动体数，18
所以δ3==11.9μm
4、滚珠丝杠副总变形δ
δ=δ1/+δ2+δ3
=6+7.5+11.9
=25.4μm ＜
327
=27.25μm
0.04⨯300
符合要求
2.4 垂向进给系统的设计
2.4.1 滚珠丝杠设计
根据：F 垂=kF 垂+f '(F 垂+W)
式中：k —考虑颠覆力矩影响的实际系数，k =1.1
F 垂—垂向切削分力
f ' —导轨的摩擦系数，f ' =0.15 W —刀头重量W =10G =0.2
可得：F 垂=0.43KN
滚珠丝杠的转速n =Vf /p Vf 取60mm /min
滚珠丝杠螺距=6mm 故n =Vf /p =10r /min
取寿命时间T =15000h ，则寿命值L 1=60nT /106=9则运转系数f w =1.2，硬度系数f h =
1.1则最大负载Q =w f h F 垂' =1.181KN
根据经验选取滚珠丝杠的型号：FDM 256LH -1-T 7即内循环浮动式，双螺母垫片预紧，公称直径为25mm ，螺距6mm ，采用左旋、一圈二列、T 型7级精度，其额定动负荷12.8KN 〉Q ，其强度够用。 由于所选滚珠丝杠的螺旋升角α=4022' ，摩擦角ϕ=tg -1
f ' 0
sin α2
式中：f ' —导轨的摩擦系数，f ' =0.001 d 0—滚珠直径3.969mm
α—滚珠与滚道的接触角α=450 ϕ=tg -1
0. 001
' =24. 3
s i n 452
则滚珠丝杠的传动效率：
η=tg α/tg (α+ϕ) =tg 4022'/tg (4022' +24.3') =0.915=91.5%
2.4.2 垂向步进电机的选用 1、确定步距角
取系统的脉冲当量δP =0.01mm /脉冲，选用步距角θb =0.720 2、启动力矩
丝杠牵引力F S =F 横+1.414f 当W
式中：f 当—当量摩擦系数，f 当=0.01
因F S =0.32+1.414⨯0.01⨯ 1.6=0.343KN
该步进电动机等效负载力矩为M ，负载力为F 负，根据能量守恒原理，电动机所作的与负载所做的功相等
即M ϕη=F 负L 则 M =F 负L /ϕη
因F 负=F S +μ(W +F 1) ，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移量L 为一个脉冲当量0.001cm ，这时电动机转过的角度ϕ=2πθb /3600，代入得
= M =F L /ϕη360δp [F S +μW (+1F ]) /π2θb η负
=3600⨯0.01⎡⎣0.343+0.18(0.2+0.32)⎤⎦/2π⨯0.72⨯0.6
=29. 7N ⨯cm
式中：μ—机床导轨摩擦系数取μ=0.8 F 1=F 重=1. 165KN
如果不考虑启动时的运动部惯性的影响，则启动力矩M q =μ/0.3~0.5，取安
全系数为0.3，M q =99N ⨯cm ，对于工作方式为四相八拍的步进电机 3、步进电动机的最高频率
取横向进给速度最大为V max =1m /min ，则步进电动机的最高频率为
f max =1000V max /60δp =1667HZ ，根据以上数据和经验范围选用90BYG5502型步进电
0.36
动机较合适，该电动机步距角为，最大静转距为300N /Cm ，最高空载启动
频率为2200Hz 0.72
5表35.2-10）
（机械设计师手册
第三章 结束语
通过本次对数控雕铣机的设计，使我了解了很多关于这方面的知识，机床数控是一项综合性较强的工作，它的设计涉及机械、电气、计算机、伺服系统等诸多技术，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有很多特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。
在机械制造领域，机床的数控技术具有非常重要的意义。随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，产品的更新换代也不断加快。因此，对数控机床的设计也就显得比较重要，数控机床的设计与改造也成为工业发展的一个重要方面。数控机床，由于可以较好的解决形状复杂、精密小批量多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，因此，数控机床在世界各国得到了大力的发展，设计改造速度不断加快。
此次的设计任务为CGM4300小型数控雕铣床的设计，根据机械设计专业知识，通过小组一起查阅资料，网上了解数控雕铣机的特点和研究方法，并在指导老师的热心帮助完成了图纸的绘制和说明书的撰写。这次的毕业设计让我们回顾了一下以前学过的基础知识并深化，使自己在专业知识有了很大的提高。
通过本次对数控雕铣机主传动的设计，有机会使自己所学的知识和实践相联系，更加深刻体会了设计的快乐，也了解了自己诸多的不足，在老师的帮助以及在如今强大的网络支持下，一一解决了自己所遇到的所有问题，很高兴能有这样的机会让理论与实际得到了联系，更好的巩固了自己三年来所学的，为步入社会奠定了基础。
谢 辞
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！
通过此次的设计，得到了不少的收获。有了此次的设计不仅巩固了三年来所学的知识，而且学到了很多新的知识。通过设计，也对自己的能力有了更清楚的认识，为以后工作提供了很大的帮助。
回味起求学期间的点滴，历历涌上心头，时光匆匆飞逝，三年多的努力与付出，随着论文的完成，终于让我在大学的生活，得以划下了完美的句点。
论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢我的指导老师田敬讲师，因为论文是在XXX 老师的悉心指导下完成的。本论文从选题到完成，每一步都是在X 老师的指导下完成的，倾注了X 老师大量的心血。X 老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风、高度的事业心和责任感对我进行了全面的指导和培养，田老师指引我论文的写作的方向和架构，并为我提供了进行课题研究的条件和许多有益的相关资料，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，她一丝不苟的作风，将一直是我学习中的榜样。这不仅使我顺利完成了本文，也将使我受益终生。在此，谨向X 老师表示最衷心的感谢!
本次顶岗实习在**************完成，在实习期间，该公司的领导和师傅们对我非常关心，并学到了很多书本上学不到的知识，在此表示衷心感谢。
现在即将挥别我的学校、老师、同学，还有我三年的大学生活，虽然依依不舍，但是对未来的路，我充满了信心。最后，感谢在大学期间认识我和我认识的所有人，有你们伴随，才有我大学生活的丰富多彩，绚丽多姿！
XX X X
2010/#/#
参考文献
[1]范云涨, 陈兆年, 金属切削机床设计——简明手册, 北京：机械工业出版社,1994
[2]翁世修, 王良申, 金属切削机床——设计指导, 上海：交通大学出版社,1988.2
[3]毛谦德, 李振清, 主编机械设计师手册第二版, 北京：机械工业出版社,2004.1
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