机械机床毕业设计28CA6140车床进行改造设计

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
⑴最大进给力计算----------------------------------------------4
⑵计算最大负载C-----------------------------------------------4
⑶滚珠丝杆的选择型号----------------------------------------5
⑷传动效率计算-------------------------------------------------6
⑸刚度验算-------------------------------------------------------6
⑹稳定校核-------------------------------------------------------8
⑺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普通车床横轴的脉冲当量为0.005,刀具的补偿量为0~~99.99mm,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F z(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：F z=0.67D max1..5 (N)
D max为最大加工直径（mm）
F z（n）=0.67 D max1..5 =0.67×4001..5=5360（N）
而横切削主力：F
Z =0.5 F
Z
(n)
∴ F
Z
=0.5 ×5360 =2680（N）
计算走刀扛里抗力F y；吃刀抗力F x按以下比例：F z：F y：F x=1 ：0.25 ：0.4
F y=2680×0.25=670（N）
F x=2680×0.4=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：
+2 F x+G)
F m=K F y+f、(F
Z
上式中G为移动件重量（N·cm），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、=0.2
∴F m=1.4×F y+0.2（F Z+2 F x+600）
=1.4×670+0.2×（2680+2×1072+600）
=2023（N）
（2）计算最大动负载C：
时，必须保证在一定所谓的最大动负载为当所选丝杠副d
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=3L f w F m
上式中：
L-----丝杠寿命，以106转为一单位, n=1000Vs／L0
Vs------为最大切削条件下的进给速度（m ／mm ），
可取最大进给速度的0.5~0.33，即： Vs=0.3×0.5=0.15
L 0-----丝杠的导程（mm ）取L 0=5mm （初选）
T ---------机床的设计寿命（h ），对于数控机床
取T=15000h
f W
-----运转系数，根据设计说明书中的表3-5运转系数
表取f W =1.5 ∴
n =1000Vs ／L 0=1000×0.3×0.5=30 r ／mm
L=6
1060T n ⨯⨯=6
10150003060⨯⨯=27
∴
C =3
L f W
F m =
3
27×1.2×2023=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FYC 2D2005-2.5，1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：
η=)
tan(tan ϕγγ
+ 式中：γ----丝杆螺旋升脚
ϕ------摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003~~0.004 其摩擦角约等于10′。

η=
)
tan(tan ϕγγ
+=
)
10334tan(33
4tan 00‘
+=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。

①丝杠的拉伸或压缩变形量δ1，查《机械设计宝典》图3.23有：F m =2023 N, D 0=20 mm , δL /L=4.2×10-5
, δ
1=δL /L ×500=4.2×10
-5
×500=2.1×102-mm
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δS 为：
δS=1/4×2.1×10-2=0.502×10-2 mm
②滚珠与螺纹道接触变形量δ2，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δQ=8.5×10-3
因进行了预紧，
故δ2=1/2×8.5×10-3=4.25×10-3 mm
③支轴滚珠丝杠轴承的轴向接触变形量δ 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δe=0.0024 2
2/
Fθ
m
d
3Z
Fm=202.3;dθ=4.763 ；Z=12
∴δe=9.4×10
因施加预紧力故：
δ3=1/2δe=1/2×9.4×10-3=4.7×10-3
综合以上的几项变形量之和：
δ总=δS+δ2+δ3=（5.02+4.25+4.7）×10-3
δ
总=1.397×10
-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。

⑹稳定性校核
计算临界负载F K :
F K =
2
2L EI f z π
上式中：
E----丝杠弹性摸量，对于钢 E=20.6×106
N/cm 2
I----为截面惯性矩（cm 4
）,丝杠截面惯性矩
I=64
πd 4
1(d 1为丝杠螺纹的底径)
L----丝杠两支承端距离，单位cm. f z ------丝杠支承方式系数，两端固定f z =4.0 I =64πd 4
1=64
14.3×16.7884
=0.3899
F K =
22L EI f z π=2
62503899.0106.2014.34⨯⨯⨯⨯ =123706 N
n
k =F K F M =
123706
2023
=61.1 >> [N K ] (一般情况[N K ]=2.5—4)，此滚珠丝杠不会产生失稳。

⑺、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δp=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 = 360δp
δb L0
=
360×0.005
0.75×5
=0.48
i =Z1
Z2=
24
50=0.48
∴Z1=24 , Z2 = 50, 因进运动齿轮受力不是很大，模数m 取２，齿轮有关参数如下：
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Jε（kg*cm2）
Jε=J1 +(Z1
Z22
{(J2 +J S) +
G
g
（
L0
2π
）2
式中：
J1、J2—齿轮Z1、Z2的传动惯量（kg*cm2）J S----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= MD2
8
=0.78×D4L×10-4（kg*cm2）
M---圆柱体质量kg
D---圆柱体直径cm
L----圆柱体长度或厚度cm
（2）刀架台折算到丝杠的传动惯量：
J G =(V
2πn )2
G
g=（
L0
2π
）2
G
g
式中：
v-----工作台移动速度cm/min
n-----丝杠转转速r/min
G----工作台重量N
g----重力加速度9.8m/s2
L0---丝杠导程cm
∴J G =（0.52π）2×600 N
9.8 m/s2
=0.388 kg/cm2 J S =0.78×10-3×24×50=0.624 kg/cm2
J1 =0.78×10-3×4.84×2=0.828 kg/cm2 J2 =0.78×10-3×104×2 = 16.5 kg/cm2
因此，到电机轴上的转动惯量为：
Jε=J1 +(Z1
Z22
{(J2 +J S) +
G
g
（
L0
2π
）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起= M amax + M f +M0 (N*cm)
快速进给所需要力矩
M快= M f +M0 (N*cm)
最大切削负载时所需要力矩
M切= M f +M0 +M t (N*cm)
①空载时折算到电机轴上的加速力矩M amax为：
M amax=Jε2πn max
60t a
×10-2
上式中：
Jε----为转动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量。

n max---电机最大转速（r/min）
t a---运动部件从停止到起动力速到最大进给速度所需要时间 (t a = 0.03s)
n max =v max
δP×
θb
360
(v max运动部件最大快进速度
v max=1200 mm/min,θ b 为步进电机步矩角0.75 ，δp为脉冲当量，取δp=0.005mm/脉冲)
n max =v max
δP×
θb
360
=
1200
0.005
×
0.75
360
=500 r/min
M amax=Jε2πn max
60t a
×10-2
=4.65×2×3.14×500
60×0.03
×10-2–=118.6 N*cm
②摩擦力矩M f的计算：
M f =F 0L 02πηi =f L 0(F Z +G)2πηi （N*cm ）
式中：F 0-------导轨的摩擦系力（N ）
F Z -----垂直方向的切削力
G-----为运动部件的总重量
f -----为导轨摩擦系数,燕尾凿导轨取f=0.2
i-----齿轮降速比，i= Z 2Z 1 =5024
=2.08 η----转动链总效率，一般可取0.7--0.85
M f = f L 0[F Z +G]2πηi =0.2×0.5(2680+600)2×3.14×0.8×2.08 =31.4 N*cm ③附加摩擦力矩M 0的计算
M 0 = F P0L 02πηi η02) （N*cm ）
F P0-----为滚珠丝杠预加负载（N ）,一般取进给引力的1/3 L 0---为滚珠丝杠导程 cm η0---滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般η0大于等于
0.9
因此 M 0 = F P0L 02πηi (1-η02)
= 1/3×2023×0.5
2×3.14×0.8×2.08
(1-0.92) =6.175 N*cm
④折算到电机轴上的切削负载力矩M t
M t=F t L0
2πηi
N*cm
=1072×0.5
2×3.14×0.8×2.08
=51.3 N*cm
因此，快速空载起动时所需要力
M q= M amax + M f +M0 (N*cm)
=118.6 + 31.4 +6.17
=156.2 N*cm
快速进给所需要力矩
M k = M f +M0 (N*cm)
=31.4 + 6.175
=36.6 N*cm
最大切削负载时所需要力矩
M j = M f +M0 +M t (N*cm)
=31.4 +6.175 +51.3
=88.9 N*cm
从上面计算可以看出，M q 、M k 、M j 三种工况下，以快速空转启动所需要力矩最大，以此项作选步进电机的
依据。

从设计指导书表3—10 最大静转矩M jma x与M q
之间的关系中，当步进电机为五相十拍时
M jmax= 156.2
0.951=164.2 N/cm =1.642 N*m
按转矩从设计指导书的附件三：反应式步进电机技术指标的图表中可以查出，90BF004 型的最大静转矩为2.45 N*m 大于所需最大静转矩，可作为初选型号。

（4）计算电机空载起动频率：
①最大空载起动频率：
f k =1000v max
60δp =
1000×1.2
60×0.005
=4000 Hz
上式中v max ------运动部件最大快速进给速度等于1.2 m/min δp------脉冲当量横轴0.005mm/脉冲-
②切削时的最大工作频率:
f c=1000v s
60δp =
1000×0.15
60×0.005
=500 Hz
上式中V s-----最大切削进给速度为0.15m/min
⑸校核步进电机
①校核步进电机转矩和惯量的匹配条件
为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速度，
通常要求满足M L
M Jmax≤ 0.5 及Jε
J m≤ 4
式中：M jmax--- 步进电机的最大静转矩（N*m）M L------- 转动系统折算到电机轴上的负载转矩(N*m) J m------步进电机转子的最大转动惯量(g/m2)
Jε------转动系统折算到电机转子的等效惯量(g/m2)
所以
M L
M Jmax=
0.889
2.45=0.363 ≤ 0.5
JεJ m=4.65
2.45=1.9 < 4 复合校核要求的条件.
②校核起矩特性和运动矩频特性:
根据以上算出的最大空载起动频率和切削时最大工作频率在90BF004 的启动矩频特性和运行矩特性的图表,在步
进电机不失步的情况下查出所允许最大力矩M dme和M dmk,与M起和M切的关系如下:
M切< M dme
M起> M dmk
因此,必须采用升降速措施, 采用高低压驱动功放电路,将步进电机起动力矩再扩大一倍左右,步进电机能满足使用.
五,毕业设计小结
此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工程师重要的一步。

从最初的选题，开题到计算、绘图直到完成设计。

其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。

通过这次实践，我了解了冷凝器的用途及工作原理，熟悉了冷凝器的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。

此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。