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1、前言毕业设计是实现高等院校培养目标所不可缺少的教学环节，是教学计划中的一个有机组成部分，是培养我们学生综合运用所学的基本理论、基本知识和基本技能，分析解决实际问题能力的重要一环。它与其它教学环节紧密配合，相辅相成，是前面各个教学环节的继续和发展。机电一体化占据主导地位是制造产业发展的必然趋势而制造展业是整个个学技术和国家经济发展的基础工业，因此机电一体化在当前激烈的国际政治、军事、经济竞争中有举足轻重的作用，受到工业国家极大重视。CA6140 车床进行改造，让我们综合的运用机电一体化系统设计课程和其他有关先修课程的理论及生产实践的知识去分析和解决机电一体化系统设计问题，有效锻炼我们对机械设计及
2、接口电路的设计能力，培养正确的设计思想和分析问题，同时锻炼我们运用标准、规范、手册、图册和查阅资料等，培养机电一体化系统设计的基本技能，并使所学过的知识得到进一步巩固和深化。目 录一、 计算切削力-3二、滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型-4最大进给力计算-4计算最大负载C-4滚珠丝杆的选择型号-5传动效率计算-6刚度验算-6稳定校核-8滚珠丝杆的几何参数-9三、齿轮传动比计算和选择-9四、步进电机的计算和选择-10(1)等效转动惯量计算-10（2）刀架台折算到丝杠的传动惯量-11（3）电机力矩的计算-12（4）计算电机空载起动频率-16五,设计小结-18一 计算切削力：CA614 普通车床横轴
3、的脉冲当量为 0.005,刀具的补偿量为099.99mm,机床定位精度为0.015.横轴最大切削进给速度为 0.3/min,刀架最快移动速度为 1.2m/min.按经验公式计算主 Fz(n) 可用纵轴计算公式先算出纵轴的主切削力如下纵切外圆：Fz=0.67Dmax1.5(N)Dmax为最大加工直径（mm）Fz（n）=0.67 Dmax1.5=0.67 4001.5=5360（N）而横切削主力：FZ=0.5 FZ(n)FZ=0.5 5360 =2680（N）计算走刀扛里抗力 Fy；吃刀抗力 Fx按以下比例：Fz：Fy：Fx=1： 0.25： 0.4Fy=26800.25=670（N）Fx=268
4、00.4=1072（N）二， 滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型。（1） 受力和稳定性横向刀架导轨选择燕尾型导轨，所以，最大进给力： Fm=K Fy+f、(FZ+2 Fx+G)上式中 G 为移动件重量（Ncm） ，f、为导轨摩擦系数，随导轨的形式而不同，K 为考虑颠复力矩影响的实验系数。取 K=1.4，f、=0.2Fm=1.4Fy+0.2（FZ+2 Fx+600）=1.4670+0.2（2680+21072+600）=2023（N）（2）计算最大动负载 C：所谓的最大动负载为当所选丝杠副d0时， 必须保证在一定的轴向负载作用下丝杠在回转 100 万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。根据公式：C=
5、3 LfwFm上式中：L-丝杠寿命，以 106转为一单位,n=1000VsL0Vs-为最大切削条件下的进给速度（mmm） ，可取最大进给速度的 0.50.33，即：Vs=0.30.5=0.15L0-丝杠的导程（mm）取 L0=5mm（初选）T -机床的设计寿命（h） ，对于数控机床取 T=15000hfW-运转系数， 根据设计说明书中的表 3-5 运转系数表取fW=1.5n=1000VsL0=10000.30.5=30 rmmL=61060Tn=610150003060=27C=3 LfWFm=3271.22023=7283 N（3）滚珠丝杠的选择型号：查阅 机电一体化设计手册 ， 可选用 F
6、YC2D2005-2.5，1 列 2.5 圏外循环螺纹预紧滚珠丝杠副额定动载荷为8630N,可满足要求选用精度为 3 级。(4)传动效率计算： =)tan(tan +式中：-丝杆螺旋升脚-摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004 其摩擦角约等于 10。=)tan(tan +=)10334tan(334tan00+=0.965（5）刚度验算:最大进给力率引力为 2023N，支承间距 L=500，丝杠螺母轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 1/3。丝杠的拉伸或压缩变形量1，查机械设计宝典图 3.23 有：Fm=2023 N, D0=20mm,L/L=4.210-5,1=L/L5
7、00=4.210-5500=2.1102mm由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预紧拉伸，所以，其拉压刚度可以提高四倍，其实际变形量S为：S=1/42.110-2=0.50210-2mm滚珠与螺纹道接触变形量2，查机电一体化设计手册相关图表，w 系列 1 列 2.5 圈滚珠和螺纹道接触变形量Q=8.510-3因进行了预紧，故2=1/28.510-3=4.2510-3mm支轴滚珠丝杠轴承的轴向接触变形量3 ，采用 8012型推力球轴承，d1=15 mm,滚动体直径=4.763 mm,滚动体数量z=12故e=0.002422/3ZdmFFm=202.3;d=4.763 ；Z=12e=9.4
8、10因施加预紧力故：3=1/2e=1/29.410-3=4.710-3综合以上的几项变形量之和：总=S+2+3=（5.02+4.25+4.7）10-3总=1.39710-2而设计机床的定位精度为：0.015 mm因此，以上材料满足要求。稳定性校核计算临界负载FK:FK=22LEIfz上式中：E-丝杠弹性摸量，对于钢 E=20.6106N/cm2I-为截面惯性矩（cm4）,丝杠截面惯性矩I=64d4 1(d1为丝杠螺纹的底径)L-丝杠两支承端距离，单位 cm.fz -丝杠支承方式系数，两端固定 fz=4.0I =64d4 1=6414. 316.7884=0.3899FK=22LEIfz=262
9、503899. 0106 .2014. 34=123706 Nnk=FK FM=1237062023=61.1 NK(一般情况NK=2.54)，此滚珠丝杠不会产生失稳。、横向滚珠丝杠副的几何参数三、齿轮转动比计算：已确定横向进给脉冲当量 p=0.005mm ,滚珠丝杠导程 L0=5 m, 初步选步进电机步距角 0.75o,可计算出传动比:i =360p bL0=3600.0050.755=0.48名称符号计算公式FYC2D2005-2.5螺纹滚道公称直径d020 螺距L05 接触角4o33 钢球直径dq3.175 滚道发面 半径RR=0.5 dq2 dq1.651偏心距Ee =R-dq2sin
10、0.045螺纹升角Vv =arctanL0 d04o33螺杠螺杠外径Dd =d0-0.23 dq19.5 螺杠内径d1d1= d0+ 2e-2R16.788 螺杠接触 直径dzdz= d0- dqcos16.865螺母螺母螺纹 直径DD=d0-2e +2R23.212螺纹内经D1D1=d0 +(0.20.25)d20.635i =Z1Z2=2450=0.48Z1=24 , Z2= 50, 因进运动齿轮受力不是很大，模数m 取，齿轮有关参数如下：齿数2450分度圆d =mz48100齿顶圆da=d +2m52104齿根圆df=d - 21.25m4395齿宽(610)m2020中心距a =(d1
11、+d2)/2124四、进步电机的计算和选型(1)等效转动惯量计算：计算简图可参考毕业设计宝典一书图 3.2.4。传动系统折算到电机轴上的总传动的传动惯量J（kg*cm2）J= J1+(Z1 Z2)2(J2+JS) +Gg（L0 2）2式中：J1、J2齿轮 Z1、Z2的传动惯量（kg*cm2）JS-滚珠丝杠传动惯量由齿轮、轴、丝杠等圆柱体的惯量计算公式：J=MD28=0.78D4L10-4（kg*cm2）M-圆柱体质量 kgD-圆柱体直径 cmL-圆柱体长度或厚度 cm（2）刀架台折算到丝杠的传动惯量：JG=(V 2n)2Gg=（L0 2）2G g式中：v-工作台移动速度 cm/minn-丝杠转
12、转速 r/minG-工作台重量 Ng-重力加速度 9.8m/s2L0-丝杠导程 cmJG=（0.5 2）2600 N 9.8 m/s2=0.388 kg/cm2JS=0.7810-32450=0.624 kg/cm2J1=0.7810-34.842=0.828 kg/cm2J2=0.7810-31042 = 16.5 kg/cm2因此，到电机轴上的转动惯量为：J= J1+(Z1 Z2)2(J2+JS) +Gg（L0 2）2=0.828 +0.482(15.6+0.624) + 0.388=0.828 +0.23 16.612=4.65 kg/m2（3） 电机力矩的计算：快速空载起动时所需要力M
13、起= Mamax+ Mf+M0(N*cm)快速进给所需要力矩M快= Mf+M0(N*cm)最大切削负载时所需要力矩M切= Mf+M0+Mt(N*cm)空载时折算到电机轴上的加速力矩 Mamax为：Mamax=J2nmax 60ta10-2上式中：J-为转动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量。 nmax-电机最大转速 （r/min） ta-运动部件从停止到起动力速到最大进给速度所需要时间 (ta= 0.03s)nmax=vmax Pb 360(vmax运动部件最大快进速度vmax=1200 mm/min,b为步进电机步矩角 0.75，p为脉冲当量，取p=0.005mm/脉冲)nmax=vmax Pb360=1200 0.0050.75360=500r/minMamax=J2nmax 60ta10-2=4.6523.14500600.0310-2=118.6 N*cm摩擦力矩Mf的计算：Mf=F0L0 2i=f L0(FZ+G) 2i（N*cm）式中：F0-导轨的摩擦系力（N）FZ-垂直方向的切削力G-为运动部
