数控教学设计（精选5篇）_数控专业教学设计

数控教学设计（精选5篇）由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“数控专业教学设计”。

第1篇：数控编程基础教学设计

数控编程基础教学设计

一、教学准备 1.大纲分析

本课程要求学生不仅了解计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)的基本概念,建立CAD/CAM系统的过程和方法、CAD/CAM系统组成以及CAD/CAM的发展趋势,而且还要了解开发CAD/CAM系统所必须的数据处理方法、图形变换、几何造型、数控加工原理与数控编程。学完本课程学生应具有应用高端软件（UG、PRO/E、MASTERCAM、CAXA等）进行零件设计造型和数控加工编程能力。2.教材分析

本章节教材主要是介绍了计算机辅助数控加工编程，主要内容有：数控编程基础、APT语言编程技术、图形交互式自动编程技术、数控程序的检验与仿真。本节课主要讲解数控编程基础。数控编程基础主要包含以下六个内容： ①数控加工编程的概念； ②数控编程的方法； ③数控加工程序编程的内容； ④数控加工程序编程的步骤；

⑤计算机辅助数控加工编程的一般原理； ⑥数控铣削编程实例 3.学生分析

经过前面对编程软件的学习，同学们可以对简单的图形进行绘制和造型。但这只是自动编程的基本知识，要真正实现加工自动化，还需要对数控编程的概念、方法、步骤等内容进行学习。只有掌握了编程的方法、学会数控编程的工艺分析，才能编写出合理的加工程序。4.教学目标

（1）学会用软件编写简单的二维图形的加工程序；

（2）掌握数控加工编程的概念和编程的一般原理，了解数控编程的方法和步骤； 5.教学重点和难点

重点：数控编程的概念、方法、内容、步骤； 难点：数控编程的工艺分析。6.教学策略

通过详细讲解零件的加工工艺以及加工方案，举一反三，培养学生的拓展思维能力和解决问题的基本能力。坚持以学生为主体，教师为辅的教学理念，努力为学生创造良好的学习氛围。

7.教学用具 多媒体、PPT、板书

二、课堂系统部分---教学过程（80分钟）1、课前探究部分

（1）、数控加工编程的概念

在数控机床上加工零件时，要预先根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数和走刀运动数据，然后编制加工程序，传输给数控系统，在事先存入数控装置内部的控制软件支持下，经处理与计算，发出相应的进给运动指令信号，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动，进行零件的加工。2、新课导入部分（1）、数控编程方法

可以分为两类：一类是手工编程，另一类是自动编程。手工编程---手工编程是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图纸分析、工艺决策、确定加工路线和工艺参数、计算刀位轨迹坐标数据、编写零件的数控加工程序单直至程序的检验，均由人工来完成。

自动编程---自动编程是采用计算机辅助数控编程技术实现的，需要一套专门的数控编程软件，现代数控编程软件主要分为以批处理命令方式为主的各种类型的语言编程系统和交互式CAD／CAM 集成化编程系统。3、师生互动部分

（1）、数控加工程序编程的内容

数控编程过程主要包括：分析零件图样、工艺处理、数学处理、编写程序单、输入数控程序及程序检验（2）、数控加工程序编程的步骤

1）加工工艺决策 ①确定加工方案 ②工夹具的设计和选择 ③选择合理的走刀路线 ④选择合理的刀具 ⑤确定合理的切削用量 2）刀位轨迹计算

3）编制或生成加工程序清单 4）程序输入

5）数控加工程序正确性校验

（3）、计算机辅助数控加工编程的一般原理（如图所示）

（4）、数控铣削编程实例（例题1-1）

根据图样要求，确定工艺方案及加工路线→选择刀具→确定切削用量→确定工件坐标系与对刀点→编制程序

例题1-14、课堂总结部分

通过本节课的学习，同学们应该做到：（1）能看懂零件图纸并学会分析加工工艺；（2）能够按照零件图的要求完成数控程序的编写。5、课后作业部分

1）、零件图的分析主要包括哪些内容？ 2）、确定加工方案的原则有哪些？

3）、根据题目要求，完成对下面零件的加工程序的编程。（作业1-2）①平面铣削②外形铣削③挖槽铣削

作业1-2

三、教学后记

本节课，根据教学要求和学生的实际情况，坚持以学生为主体，教师为导，较好地实现了教学的目标。但本节课的课堂教学也存在一定的不足，如：由于教学内容比较多，学生比较难理解和消化课堂的内容；教学例题比较简单，没有什么悬念，不易激发学生的学习兴趣。在以后的教学中，我将会更加努力去改正和完善自己的课堂教学，争取做到更好。

第2篇：教学反思数控

教学反思

在数控专业课程的教学实践中，采用基于工作过程导向教学法，把理论教学与实际有机地结合起来，充分发掘学生的潜能，提高学生分析问题和解决实际问题的能力。工作过程导向教学法为学生提供了良好的学习环境，在实施过程中更体现了中职教育的特点与特征，是促进中职学校学生全面发展的一种有效教学方法。

一、问题提出

随着现代科学技术的迅猛发展及社会体系、经济体系和教育体系的不断改革与变化，社会对高素质技术人才的需求也在不断发生变化。中等职业教育肩负着向特定的行业和岗位培养合格的第一线的操作技能型的专门人才和高素质的劳动者的使命，如何提高学生的技能水平和综合素质，是中等职业学校一直在探索的一个具有现实意义的课题。

二、基于工作过程导向教学法的涵义

基于工作过程导向教学法是中职课程改革的方向，其核心追求是：不再把教师掌握的现有知识技能传递给学生作为追求的目标，或者说不是简单的让学生按照教师的安排和讲授去得到一个结果，而是在教师的指导下，学生去寻找得到这个结果的途径，学习的重点在学习过程而非学习结果，他们在这个过程中锻炼各种能力。教师已经不再是教学中的主导者，而应成为学生学习过程中的引导者、指导者和监督者。

三、基于工作过程导向教学法在数控编程课程中的实际应用

数控编程课程是一门理论与实践性较强的学科，其主要任务是训练学生数控编程和数控加工的能力。在教学中，教师应如何处理好理论教学与实践教学的关系，更好地激发学生的学习兴趣，使学生既能学到理论知识，又能培养动手能力，以达到提高分析问题和解决问题的能力，是摆在教师面前的一道必须探索的、不可回避的重要课题。采用基于工作过程导向教学法，可以达到教与学共同提高的目的。例如在数控车床编程教学中我们选用了轴类零件、套类零件等作为载体，让学生通过编制车削加工程序，掌握编程的基本方法、各种指令及代码的使用、加工工艺方案的选择等，提高了学生学习的兴趣，教学的效果自然会很好。

数控教学反思

采用基于工作过程导向教学法，有利于培养学生的多种能力。在本门课的实施过程中，既提高了学生的基础理论、职业素养、编程能力、又提高了交流能力、管理能力、协作能力等的认知能力，为学生今后的发展奠定基础。提高了学生的学习兴趣，有利于自我学习能力的养成。尤其是中等以及中等偏下的学生。有利于更加全面地评价学生。评价系统更加注重了过程性的评价。

（一）情境的选取是基于工作过程导向教学法成功的关键

情境的选取要以教学的内容为依据，既要与书本知识紧密结合，又要和实际应用有联系，让学生既能运用所学的知识，又可以自主创新，情境的难易程度要针对学生的实际水平来确定。总之，情境的确定不是一件轻松随便的事，需要教师们经过多次的研讨，紧紧结合岗位能力的要求来确定。

（二）情境实施过程是基于工作过程导向教学法的核心环节

情境确定后，进行实施动员，教师要做好学生的学习动员工作，让学生了解情境活动教学的意义、情境应完成的功能、情境活动所需的技术与学习方法、实施流程及考核办法等。教师先期实施完成该情境，一方面对情境有全面的了解，便于更好地指导学生；另一方面可以展示案例效果，以增强启发学生的学习兴趣，使学生能够积极主动地参与到情境活动教学中来。教师在实施情境活动时，要充分设计好各个环节的活动，提前做好准备，并在实施情境活动中根据学生的情况灵活安排，在情境活动具体实施过程中，经常需要临时调整教学计划。因此，在工作过程导向教学法的实践中，要求教师有极大的创造性和应变能力。

（三）总结评估是基于工作过程导向教学法的重要环节

情境完成后的总结评估是必不可少的重要环节。首先，让学生表达、分享自己都学会了什么，总结教学活动对他们的意义。通过总结，使学生找到自己理论及操作技巧上的不足，以及在情境活动实施过程的最大收获与体会。然后，教师要在评估中指出情境活动存在的问题及解决的方法。教师要总结比较各组的特点，引导学生相互学习各自的长处，使学生的综合能力在总结评估中得到提高。最后，进行情境完成后的综合评定，由学生自我评价、相互评价及教师的评价结合，对学生个人在情境活动实施过程中的参与程度、所起的作用、合作能力、团队精神及成果等方面进行综合评价。

结束语：由于技术的飞速发展，现代化知识迅猛增多，教学不能面面俱到，而学生要从中学会终身学习，继续学习，这对教师来讲是一个完全崭新的情景。这就要求教育者更加要重视教学方法，而不是教学内容，重视的是教学过程，而不是教学结果，重视的不是学什么，而是怎样学，从而在学生的人生当中，建立一套学习方法，使他们能适应社会的要求。在教学中，要培养出具有独立工作能力和较强实践能力的学生，教师就要转变传统观念，在教学中大胆引入能适应当前教育形势的新的教学方法。

第3篇：数控教学反思

数控教学反思

篇1：数控教学反思

又是一个月的数控课上下来了，这个月当中，我们讲了比较多的内容：有复合循环指令，以及切槽指令，还有螺纹循环指令等等，虽然同学们总体对知识的掌握还是相当不错的，但是还是存在着这样一些问题，这里既有我个人的问题，也有学生本身所存在的问题。

首先，从我个人角度来讲，这一个月下来，我发现自己在给学生们上实践课时候缺少一些示范操作，上课的时候更多的只是在旁边给他们指点，这样学生接受起来可能相对难度大一点。熟话说的好，有怎么样的师傅就有怎么样的徒弟，特别对于这些本身学习素质不是很好的学生，应该更加给他们更多的示范。还有一个就是对于8台机床2种数控系统的教学示范不方便。

其次，从学生角度来讲得话，他们高一时候应该已经学过普通车床，但是在讲切槽指令的时候用到切槽刀，却都不会磨，导致最后好多同学没有完成本来应该完成的任务，所以我打算以后的几节课，我应该先给他们训练下磨刀，至少对于切槽刀这样比较容易磨砺的刀，我们应该把大致的形状磨出来。普车是数控的基础，磨刀是普车和数车共同的基础，所以，磨好刀对以后数控车的学习将会至关重要。

篇2：数控教学反思

在数控加工中，工件坐标系确定后，还要确定刀尖点在工件坐标系中的位置，即常说的对刀问题。在数控车床上，前，常用的对刀方法为试切对刀。下面以FANUC—6T系统为例，介绍试切对刀的方法。将工件安装好之后，先用MDI方式操纵机床，用已选好的刀具将工件端面车一刀，然后保持刀具在纵向（Z向）尺寸不变，沿横向（X向）退刀。当取工件右端面O为工件原点时，对刀输入为ZO；当取工件左端面O，为工件原点时，需要测量从内端面到加工面的长度尺寸J，此时对刀输入为Zδ，用同样的方法，再将工件外圆表面车一刀，然后保持刀具在横向上的尺寸不变，从纵向退刀，停止主轴转动，再量出工件车削后的直径值φv，根据β和φv值即可确定刀具在工件坐标系中的位置。其它各刀都需要进行以上操作，从而确定每把刀具在工件坐标系中的位置。

由于这种调整方法简单、可靠，所以得到了广泛的应用。

篇3：数控教学反思

传统的数控车编程与操作课程主要是学生先进行一学期的理论学习，沿用“以教师为中心”的注入式教学模式，学生学习各类型数控机床的编程方法；在第二学期进行实践性环节的学习，学生获得对数控车床感性认识，基本掌握数控车床的操作技能，能综合应用所学知识，对数控车床典型零件进行数控编程，并在数控车床上加工出零件。这种教学方法最大的弊端就是理论教学与实际操作脱节。学生在进行理论教学时，因为没有实际操作的感性认识，理解较费力，学习进程缓慢，在第二学期进行实践性教学环节时，由于时间跨度较大，理论知识容易遗忘，需要老师大量的时间进行编程理论的复习，造成学生实际教学数控车床操作练习时间减少，事倍功半，达不到预期效果。

那么这学期我们就是针对这样一个弊端，对于数控课进行了一个教学改革，我们采取教学课与实践课相结合的教学方法：一节理论课，后接两节实践课。

从这两个月的时间下来，这个方法还是取得了一定的效果：

首先，学生对于编程指令的掌握要比以前要好很多，因为实践操作让学生能够更加深刻的记住指令，而且不容易遗忘。

其次，学生对于刚学的指令能够马上得到验证，学习积极性有很大提高，能够更好的培养学生对于数控车的学习兴趣。

再次，分组任务驱动的学习方法能够给学生以一个既定的目标，使学生对于完成目标的渴望更加强烈。

以上是数控课教学改革后的一些显着的优点。但是，这两个月下来，我在教学中也发现了一些缺点：针对我们的学生，很多时候理论课上完后去直接上实践课，学生可能对于指令的掌握还不是很透彻，导致对任务的完成到来很大的难度。对于一些基础比较差的学生，基本上很少有大量的时间让给他们来进行实践操作，基本真正的操作都是那些学习比较好的学生，导致可能两极分化会更加严重。

在以后的教学中，我会尽量避免这个缺点，能更多的抽出时间来让所有的学生都能够真正的学到东西。

第4篇：数控毕业设计前言

前言

毕业设计是学生在校期间一个重要的综合型实验教学环节，是成的一份总结性的大作业。它的目的在于培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识;帮助学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法，准确使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力;引导学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。

通过两年多来对数控专业知识的学习和一段时间的实习，在一定程度上积累相关验和方法，可以设计出一般性零件的加工工艺路线和程序的生成以及数控机床的运用，利用这次毕业设计的机会可以更好的锻炼自己的才能，巩固所学的知识，发现并解决遗留下来的问题，弥补知识缺陷，这样就达到了自己预期设定的目标。

本课题结合数控专业培养目标,是生产实际应用中中等复杂的盘类零件，其结构由外圆弧面、内圆弧面、台阶、通孔、沟槽、凸台、内螺纹等以不同的方式组成。此类零件用于数控铣削加工工艺分析与编程，难易程度适中，符合毕业设计大纲要求，能使数控技业学生得到较充分的锻炼。有利于提高毕业生的就业竞争力。

毕业设计说明书是高等院校毕业生提交的一篇论文，是大学生完成学业的标志性作业，是对学习成果的综合性总结和检阅，是我系工科学生从事工程设计的最初尝试，是在教师指导下所取得的实际成果的文字记录，也是检验学生对知识的长我程度，分析问题和解决问题基本能力的一份综合答卷。

因为是初次设计，所以其中难免会有疏漏和错误，恳请老师帮助指正。

学生 朱益飞

第5篇：数控XY工作台设计

机电一体化课程设计说明书

题目：

X-Y数控工作台机电系统设计

班级：11级机械2班 姓名：xxq 学号

指导老师：

日期：2014年6月30日

X-Y数控工作台机电系统设计

任务书

题目：X-Y数控工作台机电系统设计

设计任务：设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台 设计要求：

1、每6人一组数据，要求独立完成。

2、图纸要求：机械系统设计图纸2张（A2），控制原理图一张（A1）3、设计计算说明书1份（手写或电子版）第八组主要参数：

1.立铣刀最大直径的d=12mm； 2.立铣刀齿数Z=2;3.最大铣削宽度ae=10mm;4.最大背吃刀量ap=8mm;5.加工材料为碳钢。

6.X、Y方向的脉冲当量x=0.01 mm/脉冲，y=0.005mm/脉冲;7.X、Z方向的定位精度均为0.01mm;8.工作台导轨长度为900mm;9.工作台空载进给最快移动速度：vx=3000 mm/min，vy=6000mm/min;10.工作台进给最快移动速度: vmaxfx400mm/min,vmaxfy800mm/min;11.移动部件总重量为960N； 12.丝杠有效行程为950mm；

目录

1.引言： 5 2.设计任务........5 3.总体方案的确定..4

3.1 机械传动部件的选择..4 3.1.1导轨副的选用 3.1.2丝杠螺母副的选用 3.1.3减速装置的选用 3.1.4伺服电动机的选用 3.1.5检测装置的选用

3.2 控制系统的设计......4 3.3 绘制总体方案图......7 4.机械传动部件的计算与选型.....7

4.1 导轨上移动部件的重量估算.........7 4.2 铣削力的计算........7 4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）..8

F4.3.1 块承受工作载荷max的计算及导轨型号的选取

4.3.2 距离额定寿命L的计算

4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型......7 4.4.1 最大工作载荷Fm的计算 4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算 4.4.3 初选型号 4.4.4 传动效率η的计算 4.4.5 刚度的验算 4.4.6 压杆稳定性校核

4.5 步进电动机减速箱的选用 10 4.6 步进电动机的计算与选型.8 4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 4.6.4 步进电动机的性能校核

5.增量式旋转编码器的选用......12 6.绘制进给传动系统示意图.....12 7．工作台控制系统的设计.......12 8．步进电动机的驱动电源选用...14 9.致谢.15 参考文献.........15

1.引言：

现代科学技术的不断发展，极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。

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。

2.设计任务

题目：数控X-Y工作台机电系统设计

任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：

9.立铣刀最大直径的d=12mm； 10.立铣刀齿数Z=2;11.最大铣削宽度ae=10mm;12.最大背吃刀量ap=8mm;13.加工材料为碳钢。

14.X、Y方向的脉冲当量x=0.01 mm/脉冲，y=0.005mm/脉冲;15.X、Z方向的定位精度均为0.01mm;16.工作台导轨长度为900mm;9.工作台空载进给最快移动速度：vx=3000 mm/min，vy=6000mm/min;10.工作台进给最快移动速度: vmaxfx400mm/min,vmaxfy800mm/min;11.移动部件总重量为960N； 12.丝杠有效行程为950mm；

3.总体方案的确定

3.1 机械传动部件的选择

3.1.1导轨副的选用

腰设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。

3.1.2丝杠螺母副的选用

伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.004mm冲当量和0.01mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，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、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。

3.1.3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，选用无间隙齿轮传动减速箱。3.1.4伺服电动机的选用

任务书规定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因此3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。3.1.5检测装置的选用

选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。

考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。

3.2 控制系统的设计

1）设计的X-Z工作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。

2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。

3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，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。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

3.3 绘制总体方案图

总体方案图如图所示：

微型机接口电路功放电路执行元件机械传动机构机械执行机构

总体方案图

4.机械传动部件的计算与选型

4.1 导轨上移动部件的重量估算

按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为800N

4.2 铣削力的计算

设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：

0.850.750.731.00.13Fc118aefzdapnZ(6-11)今选择铣刀的直径为d=12mm，齿数Z=2,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为ae=10mm，背吃刀量ap=8mm，每齿进给量fz0.1mm，铣刀转速n=300r/min。则由式（6-11）求的最大铣削力：

Fc=118×120.85×0.10.75×10-0.73×81.0×3000.13×2N≈1280N 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff1.1Fc1408N,Fe0.38Fc486N，Ffn0.25Fc320N。图3-4a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力FzFe486N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力FxFf1408N，径向铣削力为FyFfn320N。

4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）

4.3.1 块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取

工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。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，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：

GF(6-12)4Fmax

其中，移动部件重量Ｇ＝800N，外加载荷F=Fz486N，代入式（6-12），得最大工作载荷Fmax=686N=0.686kN。

查表根据工作载荷Fmax=0.686kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca7.94kN，额定静载荷C0a9.5kN。

任务书规定加工范围为200×150㎜，考虑工作行程应留有一定余量，查表选取导轨的长度为520mm。

4.3.2 距离额定寿命L的计算

上述所取的KL系列JSA-LG25系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100C，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数fH=1.0，温度系数fT=1.00，接触系数fc=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数fw=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：

L=(fhftfcfrCa3)505625Km

fwFmax

远大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型

4.4.1 最大工作载荷Fm的计算

如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1408N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=320N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=486N.已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.11408+0.005(486+320+800)]N1557N 4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算

则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/min。

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106r）。

查表，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入式（3-23），求得最大动载荷：

FQ=3L0fwfHFm7773N

4.4.3 初选型号

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈*1系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于FQ，满足要求。

4.4.4 传动效率η的计算

将公称直径d0=20mm,导程Ph=5mm,代入λ=arctan[Ph/(d0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。4.4.5 刚度的验算

(1)X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a=500mm；钢的弹性模量E=2.1х10Mpa;查表得滚珠直径Dw=3.175mm，丝杠底径d2=16.2mm,丝杠截面积S=d22/4=206.12mm2。

忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量

5设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,1Fma/(ES)[1557500/(2.1105206.12)]mm=0.0180mm.。

(2)根据公式Z(d0/DW)3，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式ZZ圈数列数，得滚珠总数量Z=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJFm/3=519N。则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量20.0024mm。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取2=0.0012mm。(3)将以上算出的1和2代入总12，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）总=0.0192mm=19.2m

本例中，丝杠的有效行程为330mm，由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，行程偏差允许达到25m，可见丝杠刚度足够。4.4.6 压杆稳定性校核

根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷FK。取支承系数fk=1；由丝杠底径d2=16.2mm求得截面惯性矩Id24/643380.88mm4；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式（3-28），得临界载荷FK=1557N，故丝杠不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

4.5 步进电动机减速箱的选用

为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。

已知工作台的脉冲当量=0.004mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm，初选步进电动机的步距角=0.75°。根据式（3-12），算得减速比：

i(Ph)/(360)=（0.755）/（3600.004）=25/10 本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：30，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为[（75+30）1/2]mm=57mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。

4.6 步进电动机的计算与选型

4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq

已知：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长l=500mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/cm2;移动部件总重力G=800N；小齿轮齿宽b1=20mm.，直径d1=30mm，大小齿轮齿宽b2=20mm，直径d2=75mm；传动比i=25/10。

如表4-1所示，算得各个零部件的转动惯量如下：

JS

LR22 JZ10

bR22

滚珠丝杠的转动惯量Js=0.617kg·cm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.517kg·cm2;小齿轮的转动惯量Jz1=0.125 kg·cm2；大齿轮的转动惯量Jz2=4.877 kg·cm2。

初选步进电动机的型号为90YBG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=4 kg·cm2。

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

JeqJmJZ1(JZ2JWJS)/i2=5.087 kg·cm

24.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。

1)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1由式（4-8）可知，Teq1包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：

Teq1=Tamax+Tf（6-13）

根据式（4-9），考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：

Tamax=

2Jeqnm60ta1(6-14)

其中： nm

vmax=1562.5r/min(6-15)360式中Vmax—空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min；

—步进电动机步距角，预选电动机为0.75；

—脉冲当量，本例=0.004mm/脉冲。

设步进电机由静止加速至nm所需时间ta0.4s，传动链总效率0.7。则由式（6-14）求得：

25.0871041562.5Tamax=0.297Nm

600.40.7

由式（4-10）知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：Tf=(FzG)Ph0.005(0800)0.0050.0018Nm2i20.725/10(6-16)

式中——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005 Fz——垂直方向的铣削力，空载时取0

90BYG2602电动机的运行矩

频特性曲线

——传动链效率，取0.7 最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

Teq1=Tamax+Tf=0.2988Nm(6-17)2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2

由式（4-13）可知，Teq2包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠

T0相对于Tf和Tt很小，丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0，可以忽略不计。则有：

Teq2=Tt+Tf（6-18）

其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt由公式（4-14）计算。有：

14080.005Tt0.64Nm

2i20.725/10

再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载(Fz556N)情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：

FfPhTf(FzG)Ph0.005(486800)0.0050.0029Nm

2i20.725/10

Teq2=Tt+Tf=0.643N/m（6-19）最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩： 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：

Teqmax{Teq1,Teq2}0.643Nm4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定

考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足：

Tjmax4Teq40.6432.572Nm（6-20）

初选步进电动机的型号为90BYG2602，查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=6Nm。可见，满足要求。

4.6.4 步进电动机的性能校核

1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核

任务书给定工作台最快工进速度Vmaxf=400mm/min，脉冲当量0.004mm/脉冲，由式（4-16）求出电动机对应的运行频率fmaxf[400/(600.004)]1667Hz。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf5.6Nm，远远大于最大工作负载转矩Teq2=0.643Nm，满足要求。

2）最快空载移动时电动机输出转矩校核

任务书给定工作台最快空载移动速度vmax=3000mm/min，求出其对应运行频率fmax[3000/(600.004)]12500HZ。在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=1.7Nm，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=0.2988Nm，满足要求。

3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度vmax=3000mm/min对应的电动机运行频率为fmax12500HZ。查表知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超出上限。

4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq5.087kgcm2，电动机转子的转2动惯量Jm4kgcm，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq1800Hz。由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：

fq1Jeq/JmfL1194.24Hz

说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1194.24Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz。

综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。

5.增量式旋转编码器的选用

本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角0.750，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。

此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H 盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每秒输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。

6.绘制进给传动系统示意图

进给传动系统示意图如图所示。

从动齿轮主动齿轮工作台伺服电动机滚珠丝杠

进给传动系统示意图

7．工作台控制系统的设计

根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：（1）接收键盘数据，控制LED显示（2）接受操作面板的开关与按钮信息；（3）接受车床限位开关信号；

（4）接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；（5）控制X，Z向步进电动机的驱动器；（6）控制主轴的正转，反转与停止；（7）控制多速电动机，实现主轴有级变速；（8）控制交流变频器，实现主轴无级变速；（9）控制切削液泵启动/停止；（10）控制电动卡盘的夹紧与松开；（11）控制电动刀架的自动选刀；（12）与PC机的串行通信。

X-Y数控工作台的控制系统设计，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。本设计CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52，由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了X﹑Y方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与PC机的串行通信经过MAX233，可以采用PC机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素：方向﹑转角和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，而转速则取决于控制器发出的步进脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中，CPU不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零，无需升降频控制。当步进电动机的运行频率（为步进电动机有载起动时的起动频率）时，若直接用 起动，由于频率太高，步进电动机会失步，甚至会丢步，甚至停转；同样在 频率下突然停止，步进电动机会超程。因此，当步进电动机在运行频率 下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电动机从起动频率开始，逐渐加速升到运行频率，然后进入匀速运行，停止前的降频可以看作是升频的逆过程。虽然本设计采用了半闭环控制，加入了增量式编码器作为反馈信号，但是在编程过程中仍需设计升降频的部分，以使步进电动机运行平稳、精确。根据需要，可编写出驱动步进电动机的程序。AT89S52指令与80C51指令完全兼容。

控制系统原理框图如图所示。复位电路晶振电路芯片隔离放大隔离放大向步进电动机向步进电动机刀架电动机卡盘电动机主轴电动机切削电动机方刀架位信号限位开关信号 芯片6264并行接口芯片8255隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大单片机键盘与显示接口芯片8279串行口芯片233/转换芯片0832螺纹光栅信号交流变频器主轴电动机操作面板开关/按钮信号

控制系统原理框图

8.步进电动机的驱动电源选用

设计中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为1000VAC，相电流为4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图所示。

BD28Nb型驱动电源接线图

9.致谢

在此感谢帮助我的同学和老师，这次课程设计的完成，离不开老师和同学的指导、帮助和鼓励。通过这次的课程设计，我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。

近两年的学习就要告一段落，感谢那些爱我的人真诚的陪伴……

参考文献

（1）《机电一体化系统课程设计指导书》 尹志强等编著 北京:机械工业出版社

（2）《机电一体化系统设计》 曾励主编 北京:高等教育出版社