一、总体方案设计1.1 设计任务（1）题目CA6140车床X轴进给系统的机电一体化改造（2）机械部分给定参数A．横向运动部件总质量：100kgB．进给速度：快进2240mm/min工进400mm/minC．主切削力：Fz 1400ND．步进电动机的步进脉冲当量：0.005mm/脉冲E．工作台导轨采用原导轨（3）微机控制系统给定参数A．RAM全译码地址范围：4000H—5FFFHB．ROM全译码地址范围：0000H—1FFFHC. 控制步进电机的脉冲分配方式：硬环分D．驱动步进电机的功率放大方式：单电压E．键盘显示器接口方式: 8279芯片1.2 总体方案的确定(1)系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动过程中没有进行切削，故应用点位空控制系统。

定位方式采用增量坐标控制。

位了简化结构，减低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动工作台。

(2)计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。

它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。

控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。

系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。

LED显示数控工作台的状态。

（3）传动链纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率（4）车床X、Z轴传动方式为了保证一定的传动精度和平稳性，有要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

总体方案设计图如下图（2）所示：进给伺服系统总体方案方框图如图（3）所示：图（2）数控车床改造的总体方案示意图微机光电隔离光电隔离功率放大功率放大Z向步进电机步进电机X向床鞍及拖板中拖板图（3）经济性数控车床进给伺服系统方案框图二、机械系统设计2.1 设计参数横向运动部件的总质量：100Kg；快进速度：2240mm/min，工进速度：400mm/min；主切削力：1400N；步进电机的步进脉冲当量：0.005mm/脉冲；工作台导轨采用原导轨。

2.2 其他要求（1）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。

（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。

进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力2.3 滚珠丝杠螺母副的设计和计算滚珠丝杠的负荷包括车削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。

应按车削时的情况计算。

(1)脉冲当量的确定选择脉冲当量为0.005mm/脉冲(2)切削力的计算给定主切削力Fc=1400N。

由经验公式Fc：Ff：Fp=1：0.35：0.4，算得横向进给切削力Ff=490N，Fp=560N。

(3)滚珠丝杠螺母副的计算1）工作载荷计算已知移动部件总重G=1000N，车削力Fc=1400，Ff=490N，Fp=560N。

根据Fz=Fc，Fy=Fp，Fx=Ff的对应关系，可得Fz=1400，Fx=490N，Fy=560N。

因为采用原导轨为燕尾槽导轨，查表3—29，取k=1.4，u=0.2，代入Fm=kFx+u(Fz+2Fy+G)，得Fm=1390N2）最大动载荷设机床在承受最大切削力的情况下以最快的进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程Ph=6mm，则此时丝杠转速n=1000v/Ph=66.7r/min。

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入Lo=60nT/106，得寿命系数Lo=60。

3fwfHFm，查表3—30，取载荷系数fw=1.2，硬度系数fH=1，代入式FQ=√Lo得FQ=6531N。

3）初选型号根据计算出的最大动载荷，查表3—33，选择FL2505型滚珠丝杠。

其公称直径为25mm，基本导程为5mm，双螺母滚珠总圈数为3x2=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为8.4kN，满足要求。

4）传动效率的计算将公称直径do=25mm，基本导程Ph=5mm，代入λ=arctan[Ph/(πdo)]，得丝杠螺旋升角λ=3.64°，将摩擦角φ=10’，代入η=tanλ/tan（λ+φ），得传动效率η=95.8%.（5）刚度的验算1）横向滚珠螺母副的支撑，采用一端固定，另一端简支的方式，固定采用一对推力球轴承，面对面安装。

丝杠加上接杆后，左右支撑的距离约为a=520；钢的弹性模量E=2.1x105 MPa；查表3—33，得滚珠丝杠直径Dw=3.5mm，算得丝杠底径d2=公称直径do-滚珠直径Dw=21.5mm，则丝杠横截面积S=πd22/4≈363m m2。

忽略式3—25中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm的作用下产生的拉压变形量δ1=Fm a/(ES)≈0.009482mm2）根据公式Z=（πdo/Dw）—3，求得单圈滚珠数目Z=20；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数6，则滚珠总数量Z∑=20*6=120。

滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力Fyj=Fm/3≈463.3N。

则由式3—27，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2=0.0013Fm/（10√DwFyj D w2/103）=0.000681mm。

3）将以上计算出的δ1和δ2代入δ=δ1+δ2，求得丝杠总的变形量（对应跨度650mm），δ总=0.010844mm=10.844um。

由表3—27知，4级精度滚珠丝杠任意300mm轴向行程的变动范围允许16um，而对于跨度为520mm的滚珠丝杠，总的变形量为10.844um，可见刚度足够。

（6）压杆稳定性的校核根据式3—28计算失稳时的临界载荷Fk。

查表3—34，取支撑系数fk=2；由丝杠底径d2=21.5mm，求得界面惯性矩I=πd24/64=10488.75m m4；压杆稳定安全系数取k=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520mm。

代入式3—28，得临界载荷Fk=fkπ2EI/（K a2）=53597.5N,，远大于工作载荷Fm（1390N），故丝杠不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足要求。

2.4 同步带减速器的设计为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中长采用减速传动。

横向减速箱选用同步带传动。

CA6140车床纵向步进电机的最大静转矩通常在20Nm左右。

初选电机型号110BYG2502，二相混合式，最大静转矩为20Nm，八拍驱动时步距角0.9°(1)传动比i的确定已知电动机步进角ɑ=0.9°，脉冲当量δx=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph=5mm。

根据式（3—12）算得传动比i=ɑPh/(360°δ（2）主动轮最高转速n1 由横向床鞍的最快移动速度Vmax=2240mm/min ，可以计算出主动轮最高转速n1=（Vmax/δx ）x ɑ/360=1120r/min（3）确定带的设计功率Pd 预选的步进电机在转速n1时，对应的步进脉冲频率为fmax=1120x360/(60x ɑ)=7467Hz.从图6—4查得，当脉冲频率在7500Hz 时，电动机的输出转矩约为4N m •，对应的输出功率为Pout=nT/9.55≈469w 。

从表3—18中取工作情况系数Ka=1.2，则由式3—14，求得带的设计功率Pd=Ka P=1.2x469w=0.5628kw 。

（4）选择带型和节距Pb 根据带的设计功率Pd 和主动轮的最高转速，从图3—14中选择同步带，型号为L 型节距Pb=9.525mm 。

（5）确定小带轮齿数和小带轮节圆直径d1 取z1=16，则小带轮节圆直径d1=Pbz1/π=45.48。

当n1达到最高转速1120r/min 时，同步带的速度v=πd1 n160x1000=2.67m/s ，没有超过带的极限速度35m/s 。

（6）确定大带轮齿数z2和大带轮节圆直径d2 大带轮齿数z2=iz1=40，节圆直径d2=id1=114.2mm 。

（7）初选中心距a 0、带的长度L 0p 、带的齿数z b 初选中心距a 0=1.1（d1+d2）=175.65mm,圆整后取a 0=175.则带的节线长度为L 0p ≈2a 0+π2(d1+d2)+(d2−d1)24a 0=632.66mm.根据表3—13，选取接近的标准节线长度L p =635mm ，相应齿数z b =66.（8）计算实际中心距 实际中心距a ≈a 0+L p −L 0p 2 =176.17mm 。

（9）校验带与小带轮的啮合齿数z m z m =ent[z12-Pbz12π2a (z2-z1)]=6,满足要求。

（10）计算基准额定功率PoPo=（T a −mv 2）v 1000式中 Ta —带宽为b s0时的需用工作拉力，由表3-21查得Ta=244.46N m —带宽为b s0时的单位长度的质量，由表3—21查得m=0.095kg/m ； v —同步带的带速，由上述（5）可知v=2.67m/s 。

算得Po=0.65kw 。

（11）确定实际所需要同步带宽度b sb s ≥b s0（Pd KzPo ）1/1.14式中 b s0—选定型号的基准宽度，由表3—21查得b s0=25.4mm ； Kz —小带轮啮合齿数系数，由表3—22查得Kz=1。

由上式算得b s ≥22.39mm ，再根据表3—11选定带宽 b s =25.4mm（12）带的工作能力验算 根据式（3—22），计算同步带额定功率P 的精P=（K z K w T a —bs b s0mv 2）v x 10−3 式中 K w 为齿宽系数：K w =（b s b s0）1.14=1经计算的P=0.65kw 。

满足P ≥Pd ，因此，带的工作能力合格。

2.5 步进电机的计算和选型（1）计算加载步进电机上面转轴上的总转动惯量J eq已知：滚珠丝杠的公称直径d0=25mm ，总长（带接杆）550mm ，导程5mm ，材料密度ρ=7.85310-⨯3kg cm /；横向移动部件总重量G=1000N ；同步带减速箱大带轮宽度21.1mm ，节径114.2mm ，孔径20mm ，轮毂外径38mm ，宽度15mm ；小带轮宽度21.1mm ，孔径14mm ，轮毂外径24mm ，宽度10mm ；传动比i=2.5。

参照表4—1，可以计算各个零部件的转动惯量如下：1) 滚珠丝杠的转动惯量S J =28j m D =1.6562kg cm •2) 床鞍折算到丝杠的转动惯量W J =2()2h i P m π=0.6332kg cm • 3) 小带轮的转动惯量1Z J =0.7122kg cm •4) 大带轮的转动惯量2Z J =27.8542kg cm •5) 步进电机110BYG2502型号的转子转动惯量m J =152kg cm •则加在步进电机转轴上的总转动惯量为eq J =122()/z m z w S J J J J J i ++++=20.532kg cm •（2）计算加载步进电机转轴上的等效负载转矩eq T分快进空载和承受最大工作载荷两种情况计算。