机电一体化课程设计

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：100kg

B．进给速度：快进2240mm/min

工进400mm/min

C．主切削力：Fz 1400N

D．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—5FFFH

B．ROM全译码地址范围：0000H—1FFFH

C. 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=1390N

2）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)≈0.009482mm

2）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 w2/10

3）=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=fkπ2

EI/（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