目录摘要 (3)前言 (3)第一节原始参数 (4)第二节设计计算 (4)1. 确定脉冲当量 (4)2. 计算纵向外圆切削力 (4)3. 滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向） (5)4. 同步减速器的设计 (7)5. 步进电机的计算和选型（纵向） (10)6. 同步带传递功率的校核 (13)第三节绘制进给传动机构的装配图 (15)第四节设计小结 (16)参考文献 (16)C623普通车床的经济数控化改造设计——纵向进给机械结构设计摘要针对现有常规C623普通车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产效率。

改造过程如下：机械部分改造，主要是纵向进给方向机械结构的改造。

主要包括对滚珠丝杆螺母副及反应式步进电机的设计选择及纵向机构装配图方案的制定。

关键词：数控步进电机滚珠丝杠改造前言机电一体化系统设计课程设计是在我们学完了机电一体化之后进行的，这次通过设计让我们获得综合运用过去所学过知识，独立进行一次机电结合的设计训练，学会了进给传动系统设计计算，并且通过课程设计掌握与本设计有关的各种资料的名称、出处，能够做到熟练运用。

由于能力所限，设计尚有许多不足之处，恳请老师给予批评指教。

第一节原始参数一、设计题目：C623普通车床的经济数控化改造设计——纵向进给机械结构设计二、设计原始资料：主轴转速： 30~2240r/min(无级)最大回转直径； 460mm最大加工长度： 1000mm溜板及刀架重量： 2000N刀架快速运动速度：纵向 8m/min 横向 6m/min最大进给速度：纵向 60mm/r 横向 45mm/r主电机功率： 7.5kW机床定位精度：±0.015mm三、设计工作内容：（1）进给传动系统设计计算（2）纵向进给系统装配图A0 1张（3）综合课程设计说明书 1份第二节设计计算1、确定脉冲当量在进行机电一体化系统设计时，一般应根据伺服进给系统所要求的定位精度来确定脉冲当量。

考虑到传动系统存在误差，脉冲当量通常要小于定位精度值【1】。

则纵向的脉冲当量取0.01mm/脉冲。

2、计算纵向外圆切削力设工件材料为碳素结构钢,选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角r k =60°，前角0r =10°，刃倾 角0s 5λ=-；切削用量为：背吃刀量p a =3mm ，进给量f=0.6mm/r ，切削速度c v =105m/min 。

查表3-1[1]，得：c CF =2795,Fc x =1.0,Fc y =0.75,Fc n =-0.15；查表3-3[1]，得：主偏角Kr 的修正系数Fc k r k =0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。

由经验公式（1）fffff PP P PP C CC CC F nF cyF xF pF f F nF c yF xF p F P F nF c yF xF p F c K v fa C F K v fa C F K v fa C F ===式中 C F C 、P F C 、f F C ---与被加工材料和切削条件相关的切削力系数C F x 、C F y 、C F n 、P F x 、P F y 、P F n 、f F x 、f F y 、f F n ---分别为三个分力公式中，被吃刀量p a 、进给量f 和切削速度c v 的指数C F K 、P F K 、f F K ---当实际加工条件与经验公式的实验条件不相符时，各种影响因素对各切削分力的修正系数的乘积，即F r F F F K MF k k k k k s r ελγ0c v ---切削速度，单位为m/min算得纵向主切削力c F =2673.4N ，由经验公式p f c F F F ::=1:0.35:0.4,纵向进给切削力f F =935.69N ，背向力p F =1069.36N3、滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向）3.1工作载荷Fm 的计算)('G F f KF F z x m ++= （2） 纵向进给导轨为综合型导轨K 取1.15查表3-29； 滑动导轨摩擦系数0.15~0.18取16.0'=f ；溜板及刀架重力G=2000N ；x F =f F =935.69N ，y F =p F =1069.36N ，z F =c F =2673.4N 代入公式（2）得1.15935.690.16(2673.42000)1823.8m F N =⨯+⨯+=3.2 计算最大动负载Q F最大切削力下的纵向最大进给速度为60mm/min,丝杠导程选mm P h 6=,则滚珠丝杠的平均速度为：hsP V n 1000=（3） 数据代入公式（3）得 10000.0610/min 6n r ⨯==滚珠丝杠的使用寿命T 取15000h由61060nT L = （4）代入公式（4）得66010150009r 10L ⨯⨯== 查表3-30[1]得载荷系数w f 一般运转取1.2~1.5，则w f =1.2 再取硬度系数H f =1m H W Q F f f L F 3= (5) 代入公式（5）得1.211823.84552.4Q F N =⨯⨯=3.3 滚珠丝杆螺母副的选型根据计算出的最大动载荷，查表3-33[1]选择采用FL4006型滚珠丝杠副。

其公称直径为40mm ,基本导程为6mm,双螺母滚珠总圈数为3³2圈=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N3.4 传动效率计算()[]0arctan /arctan 6/3.1440273h P d λπ==⨯=⎡⎤⎣⎦’tan tan 273'%%97.1%tan()tan(273'10')γηγφ=⨯==++ 其中'10=ϕ3.5 刚度验算（1）纵向滚珠丝杆副的支撑，采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一对推力球轴承，面对面组配。

左右支撑丝杆的间距a=1497mm ；钢的弹性模量52.110E MPa =⨯ ；查表3-33[1]得滚珠直径mm D w 9688.3= ，算得丝杆底径W 02D 滚珠直径公称直径-=d d =36.0312mm ，则丝杆的截面积222264.10194/0312.3614.34/mm d S =⨯==π ，即算得丝杆在工作载荷m F 作用下产生的拉/压变形量51/()1823.8149m F a E Sm m δ==⨯⨯⨯= ; （2）根据公式3)/(0-=w D d Z π （6）代入公式（6）得单圈滚珠数目Z=29，该型号丝杆为双螺母，滚珠总圈数3³2=6，则滚珠总数量174629=⨯=εZ ;丝杆及轴承均必须进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3,即/3586.6yj m F F N == ,则由公式（7）2δ= （7）得20.00119mm δ= ， 因为丝杆加有预紧力，且为轴向的1/3，所以实际变形量可减少一半，取20.000595mm δ=（3）将以上算出的21δδ和 代入21δδδ+=总 ，求得丝杆的总变形量0.012895mm δ=总由表3-27[1]知，4级精度滚珠丝杆任意300mm 轴向行程内的行程变动量允许m μ16 ，而对于跨度为1497mm 的滚珠丝杆，总的变形量为0.012895mm,故丝杆的刚度足够了。

3.6 压杆稳定性校核根据公式m k k F KaEI f F ≥=22π (8)其中压杆稳定安全系数K=3(丝杆卧式水平安装)查表3-34[1]， 取支承系数2=k f ，由丝杆底径d2=36.0312mm ，得444215.8273464/031.3614.364/mm d I =⨯==π ，代入公式（8）得N F k 50959= ,由于该临界载荷远大于工作载荷 （1759.8N ）,故丝杆不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杆副满足使用要求。

4、同步减速器的设计为了减小冲击和调整步进电机的输出速度，在步进电机和丝杠之间加一个减数器。

在此只对减速器的齿轮做设计，其他部件如支承齿轮的轴和轴承等根据实际情况而定。

4.1 确定传动比由设计要求可知纵向进给系统的脉冲当量 ，滚珠丝杠的导程为6mm 。

今初选的步进电机的型号为130BYG5501，五相混合式，最大静力矩为20 N ²m ，步进角为0.720 ，脉冲当量z δ=0.01mm/脉冲，滚珠丝杆导程h P =6mm,由此可计算传动比如下：zhP i δα 360=（9）式中 α ——电动机步距角 h P ——滚珠丝杠导程z δ——Z 方向（纵向）的脉冲当量代入公式得 000.7261.23600.01i ⨯==⨯ 4.2 主动轮最高转速根据公式0max 1360/)/(αδ⨯=z z V n （10） 床鞍的最快移动速度max 8/min 8000/min z V m mm ==，代入公式（10）得1(8000/0.01)0.72500/min 360n r ︒=⨯=4.3 确定带的设计功率预选的步进电动机在转速为500r/min 时，对应的步进脉冲频率为 ()()α⨯⨯=60/36001max n f （11） 代入公式（11）得0max (500360)(600.72)4166.7f Hz ︒=⨯⨯=由图[1]64-当脉频率为4166.7时，电动机的输出转矩约为可得对应输出的功率1/9.5550018/9.55942.40.9424OUT P nT W W KW ==⨯⨯≈=今取0.9424d P KW =，查表3-18[1]得工作情况系数K=1.2,则带的设计功率1.20.9424 1.131d a P K P KW KW ==⨯= 4.4 选择带型和节距根据带的设计功率 1.131d P KW = 和主动轮最高转速1500/min n r = 由图3-14[1]中选择同步带及表3-20选择节距，型号为L ，其节距12.700b P mm = 。

4.5 确定小轮1Z 和小带轮节圆直径1d取151=Z ，则小带轮节圆直径1112.71560.673.14b P Z d mmπ⨯===。

当达到最高转速500r/min时，同步带的速度为113.1460.675001.588/601000601000d n v m sπ⨯⨯===⨯⨯ ，没有超过H 型带的极限转速35m/s 。

4.6 确定大带轮1Z 和大带轮节圆直径2d大带轮的齿数21 1.21518Z iZ ==⨯= ,节圆直径21 1.260.6772.80d id mm ==⨯=。

4.7 初选中心距0a 、带的节线长度p L 0、带的齿数b Z初选中心距0121.1()146.82a d d mm =+= ，圆整后取0a =147mm 。