ca6410车床数控改造.docx

课程设计说明书

题目：CA6140车床横向进给轴的数控化改造

院、 系： 机电工程学院
学科专业： 机械设计制造及其自动化
学 生： 蒋葳
学 号： 110210106
指导教师： 王沁

2014 年 7 月
机电系统设计课程设计任务书
（2013 — 2014 学年 第 2 学期）
课 题 名 称
CA6140车床横向进给轴的数控化改造
适用专业
机械设计制造及自动化
班级
110209
课程设计时间
2014 年 6 月 23日起 2014 年 7 月4日止
1． 课题内容简介及要求
本课程设计要求学生在熟悉典型车床（CA6140）进给机构的基础上，对其进行数控化改造。使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，由此不但可以提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短。具体要求如下：
（1）在综合考虑资金投入、车床性能的基础上，将普通车床的横向进给轴进行数控改造，确定系统改造方案；
（2）按照系统改造方案，应用提供的设计参数，选择、校核驱动电机、滚珠丝杠和传动齿轮，并对其他相关机械结构进行设计，设计完成时要求绘制出横轴的装配图，并撰写设计说明书。
注意：横轴结构设计要考虑与CA6140主体的安装问题。
2. 主要设计参数
滑架重量 300N;
直线脉冲当量 0.01mm /p;
最大工进速度：0.3m/min；
最快移动速度1.0m/min;
工作载荷 1000N;
摩檫系数：0.1;
横向最大行程：300mm.
驱动元件采用步进电机，运动转换元件采用滚珠丝杠副。
3 进度安排
① 设计准备0.5天 (包括题目讲解说明2小时)
② 总体方案设计 2天(包括资料搜集、系统分析与方案设计)
③ 伺服系统设计 5.5天(包括伺服机械传动系统计算，选型，校核、装配图绘制)
④ 编写设计说明书 1天
⑤、答辩 1天
4. 工作量要求
① 说明书字数：1.2万字
② 图纸工作量：1张A1图纸

指导教师 王沁

2014 年 6 月 23 日

摘要 1
第一章 课题研究背景及其意义 1
第二章、总体方案设计 4
2.1 功能分析法 4
2.1.1总功能的抽象化 4
2.1.2 功能元 5
2.1.3形态学矩阵 6
2.1.4方案选择与评价 6
2.2改造方案 11
第三章 机械传动部件的计算与选型 12
3.1切削力的计算 12
3.2直线贴塑滑动导轨选型 13
3.3滚珠丝杆副的计算与选型 14
3.3.1最大工作载荷Fm的计算 14
3.3.2 最大动工作载荷FQ的计算 14
3.3.3 初选型号 15
3.3.5 刚度验算 16
3.3.6 稳定性校核 19
3.3.7滚珠丝杠支撑及预紧方式选用 20
3.3.8轴承选用 22
3.3.9 轴承寿命计算 22
3.4步进电动机减速箱选用 23
3.5步进电动机的计算与选用 27
3.5.1计算加在步进电机转轴上的总转动惯量 27
3.5.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 29
3.5.3 步进电动机最大静转矩的选定 32
3.6联轴器 37
结束语 38
致谢 39

摘要
应用成熟的数控技术理论和成功经验，以低廉的成本对普通旧机床进行数控化改造，可恢复甚至提高原机床的精度，适应工业高速跨越式发展的要求，为此机床数控化改造在国际国内作为新的经济增长方式行业获得了很大的发展。本文以CA6140机床为研究对象，对该机床进行了数控化改造，主要研究内容如下：
对数控伺服系统的工作原理进行分析研究，简单了解了数控化改造过程中数控系统的选型，分析研究了CA6140机床的数控化改造方案，根据进给系统的要求，对切削力和滚珠丝杠进行了计算，并选配了合适的齿轮减速器和步进电机。对改造以后的机床精度进行了恢复，并给出伺服系统典型部件改造方案。
此次研究，为企业技术人员实现传统CA6140型车床数控化改造提供了行之有效的科学方法，对于企业其他传统设备的技术改在也有借鉴和参考价值。
关键词：数控改造;伺服系统;CA6140车床
第一章 课题研究背景及其意义
1.1课题背景
1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。
我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，
44

即我国机床数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6％。我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。
在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个"永恒"的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。
1.2机床改造的内容及意义
1.2.1研究意义
企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。
普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。
数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达±0.01至0.02mm，已能满足CW6140车床改造后加工零件的精度要求。
1.2.2主要研究内容及技术路线
(1)纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核。
(2)纵向和横向步进电机的选择。
(3)主轴交流伺服电机的选择与校核。
(4)其他元件的选择。
1.3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题
　　(1) 恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复。
(2) NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床。
(3) 翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新。
(4) 技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。
2 数控系统的选择
第二章、总体方案设计
机电一体化系统是机电一体化设备与产品的总称，它表示将这些设备与产品视为一个系统。机电一体化系统设计的第一个环节是总体设计，就是在具体设计之前对所要设计的机电一体化系统的各个方面，本着简单、实用、经济、安全、美观等基本原则所进行的综合性设计。其主要内容有：系统原理方案的构想，结构方案设计、总体布局与环境设计，主要参数及技术指标的确定，总体方案的评价与决策。
总体设计给具体设计规定了总的基本原理、原则和布局，指导具体设计的进行而具体设计则是在总体设计基础上进行的具体化，它还不断丰富和修改总体设计。两者相辅相成，有机结合，常交错进行，不可能断然分开。
2.1 功能分析法
2.1.1总功能的抽象化
抽象化的目的是，设计人员无需设计具体解决方案，就能清晰地掌握所设计的基本功能和主要约束条件，从而抓住了设计中的主要矛盾，这样就可以把思维注意力集中到关键问题上来，容易有突破和创新。
工程设计中常用的抽象方法是“黑箱”法。
对于所设计的机电一体化系统化系统来说，在求解之前，犹如一个看不清其内部结构的“黑箱”。通过“黑箱”可以明确所设计的系统与摄入输出量及外界环境的关系，这就便于拜托具体的东西而进行分析和思考。
CA6140数控化改造“黑箱”法

CA6140普通数控车床
（黑箱）
毛胚件 成型件
电能 机械能、摩擦能
加工要求 工作状态显示
将待求系统看作“黑箱”分析和比较系统的输入和输出物料流、能量流、信号流的差别和关系，继而反映出系统的总功能——加工。
总功能是系统整个过程的反映，将总功能分解就是将系统分解成分功能，便可画出如下功能树模型。
2.1.2 功能元
功能元是能直接从物理效应和逻辑关系找到可以满足功能要求的最小单位。机电一体化系统设计中常用的基本功能远可以分为：屋里功能元、逻辑功能元、数学功能元。

CA6140功能分析
总功能

功能元
加工
能量
电能
动力
电机
减速
齿轮减速
伺服传动
丝杆螺母副
联接
联轴器
支撑
轴承
辅助模块
防护罩

2.1.3形态学矩阵
功能解要实现功能元，功能解要尽可能的列举出来
CA 6140形态学矩阵
电机
交流异步电动机
直流电动机
步进电机

齿轮减速器
直齿圆柱齿轮
锥齿轮
斜齿圆柱齿轮
人字形圆柱齿轮
涡轮蜗杆减速
谐波齿轮减速器
滚珠丝杆
内循环
外循环

联轴器
凸缘联轴器
鼓形齿形联轴器
滚子联轴器
弹性套柱销联轴器

导轨
燕尾导轨
V型导轨
圆柱形导轨
平导轨
贴塑导轨

2.1.4方案选择与评价
方案的选择应该处理好以下两个问题：
各功能元原理方案之间在屋里上的相容性鉴别，可以从功能结构中的能量流、物料流、信号流能否不受干扰地连续流过，以及功能元的原理方案在几何学和运动学上是否有矛盾来进行直觉判断，从而提出那些不相容的方案。这些工作可以用计算机来做。
从技术、经济效益好的角度，初步挑选出几个比较有希望的方案进行进一步的比较。
借鉴类似设计和前期构思中形成的初步设想，再抓住以上两点，就可以再为数众多的原理方案中确定少数的几个较好的方案。
步进电机伺服驱动是电器伺服驱动装置中结构最简单，控制最容易，维修最方便，而且是全数字化的装置。同时由于步进电机伺服驱动不需另配反馈与那件，就可以进行伺服控制。因此合适数字控制（NC）的系统使用。
齿轮减速器对于数控机车的齿轮传动，应采用设计、结构和工艺均较简单，而且易获得高精度的平行轴渐开线圆柱齿轮传动。通常，齿轮传动链的传动级数少一些比较好，因为可以减少零部件的数目，简化传动链的结构，并且可以提高传动精度，减少空程误差，有利于提高传动效率。同时较小，一般模数取m=1~2，数控车取m=2。
外循环滚珠丝杠具有以下特点：
、传动效率高丝杠螺母副的传动效率为

式中——中径处的螺旋线升角
——当量摩擦角（对于本课题选用的滚珠丝杠约为10′）
滚动摩擦系数一般为0.0025~0.0035，因而传动效率很高，可达90%以上相当于普通滑动丝杠螺母副的3~4倍。滚珠丝杠副相对于滑动丝杠副来说，仅用较小的扭矩就能获得较大的轴向推力，而且功率损耗只有滑动丝杠副的1/4~1/3，这对于机械传动系统小型化、快速响应能力及节省能源等方面，都具有重要意义。
2传动的可逆性
一般的螺旋传动是指其正传动，即把回转运动转变成直线运动。而滚珠丝杠副不仅能实现正传动，还能实现逆传动。这种运动上的可逆性是滚珠丝杠螺母副所独有的。
3传动精度高
传动精度主要是指进给精度和轴向定位精度。
滚珠螺丝杠螺母副属于精密机械传动机构，丝杠与螺母经过淬硬和精磨后，本身就具有较高的定位精度和进给精度。高精度滚珠丝杠副，任意300㎜的导程累计误差为4μm/300㎜。
4磨损小、使用寿命长
滚动磨损要比滑动磨损小得多，而且滚珠、丝杠和螺母都经过淬硬，所以滚珠丝杠副长期使用仍能保持其精度，工作寿命比滑动丝杠副高5~6倍。从某种程度上可弥补滚珠丝杠副由于结构复杂、制造工艺复杂而造成成本较高的缺点。
凸缘联轴器属于刚性联轴器，是把两个带有凸缘的半联轴器用普通平键分别于两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体，以传递运动和转矩。但由于结构简单、成本低、可传递较大的转矩，故当转速低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好时常用。凸缘联轴器（亦称法兰联轴器）是利用螺栓连接两凸缘（法兰）盘式半联轴器，两个半联轴器分别键与两轴联接，以实现两周联接，传递转矩和运动。

贴塑导轨采用粘结剂将聚四氟乙烯导轨软带粘接在导轨在导轨面上，使得传统导轨的摩擦形式变成铸铁——塑料摩擦副聚四氟乙烯导轨软带的特点有：
耐磨性好
其动静摩擦系数基本接近，而且摩擦因素很低，能防止低速爬行是运动平稳。由于聚四氟乙烯塑料导轨软带材料中，本身具有润滑作用，对润滑的供油量要求不高，采用间歇供油即可
减振性能好
塑料的阻尼性能好，其减振消声性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义，最高进给速度可达15m/min。
工艺性能好
可降低对粘贴塑料的金属集体的硬度和表面质量的要求，而且塑料容易加工（铣、刨、磨、刮）以获得良好的导轨表面质量。
综合以上，本课题的方案选用：
步进电机、直齿圆柱齿轮、外循环滚珠丝杠、凸缘联轴器、贴塑导轨。
该方案这种改造方案成本较低，这种方案选用现代技术成就和先进经验，适应生产的需要，改变现有设备的结构（包括更换新部件、新装置、新附件等），改善现有设备的技术性能，使之全部或局部达到新设备的性能。该方案的优点：(1)降低了工人的劳动强度；(2)节省了劳动力（一个人可以看管多台机床）；(3)减少了工装；缩短了新产品试制周期和生产周期；(4)可对市场需求做出快速反应等等。
2.2改造方案
进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：
挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。
进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。
溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。
横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。
刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。
第三章 机械传动部件的计算与选型
3.1切削力的计算
车削外圆时的切削抗力有﹑﹑，主切削力与主切削速度方向一致
垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。
切削时总切削力的分解
纵切外圆时，车床的主切削力可以用下式计算：

=5360(N)
由《金属切削原理》知：

由于导向为贴塑导轨，则：k=1.4 f’=0.1,Fl为工作台进给方向载荷，
拖板上进给方向载荷：
拖板上垂直方向载荷：
拖板上横向方向载荷：
3.2直线贴塑滑动导轨选型
工作载荷是影响直线贴塑导轨副使用寿命的重要因素，本课题中工作台为水平布置，基于经济以及高精度的因素，在原有机床导轨上做改进，选用贴塑导轨。软带是以聚四氟乙烯为基本材料，添加合金粉和氧化物的高分子复合材料。
选用聚四氟乙烯因为它具有以下特点:
耐磨性和耐腐蚀性较高，是目前发现的固体物质中摩擦因素最小的一种，在承载1360Kg的情况下，摩擦因素达到0.01。具有很好的自润滑性。
抗爬行性能好，由于既有很好的自润滑特性，因此有效改善了导轨副的接触条件，减少了静摩擦力和动摩擦力的差值，从而避免了因爬行造成的对加工质量方面的影响。
具有异物可嵌入性。该材料能把铁屑、沙粒等异物埋嵌入塑料内部，避免了自身的磨损，且可以防止拉毛和研伤对磨金属表面，起到保护床身导轨的作用，提高了机床的完好率、延长了机床精度保持周期。
粘贴前先将床身导轨表面上涂抹上一层薄薄的机油或润滑脂，然后贴上一层纸，注意不要重叠，目的是防止床鞍配压是导轨胶留到机床导轨上，把床鞍与床身粘上。接着将调配好的导轨胶分别均匀的涂抹在4F软带和床鞍下导轨的被粘贴面上，涂层一般控制在0.05~0.1㎜厚度为宜。涂抹时，导轨面以纵向涂抹，使粘贴效果更好更可靠。粘贴式将4F软带多出来的部分用手拉住，从一端缓慢向另一端挤压，以便赶走气泡，使粘贴效果更可靠。然后将粘贴好的床鞍放在床身导轨上，在床鞍上家一定的配重直至粘贴剂固化。接触压力一般为0.05MPa~0.1MPa，固化时间在常温下一般为24H以上。在粘贴剂固化后去压力，用刮刀或者其他工具对4F软带边角进行修整，使其呈45b角坡形。
3.3滚珠丝杆副的计算与选型
3.3.1最大工作载荷Fm的计算
最大工作载荷：
Fm=kF1+f’(Fv+G)
=1.4×2144+0.1(5360+300)
=3567.6N
3.3.2 最大动工作载荷FQ的计算

n为丝杠转速（r/min）
Vs为最大切削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的~，取（m/min）

L0为丝杠的导程（mm）;
T为使用寿命（h）,对于数控机车T=15000h;
为运转系数，查表3—5《机电一体化专业课程设计指导书》取=1.3；取硬度60HRC，为硬度系数，取=1.0。
考虑到丝杠对加工精度和经济性的影响，L0应优先取5㎜导程。
丝杠转速
寿命
最大动载荷：

3.3.3 初选型号
考虑到工作要求，外循环插管式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副结构简单，工艺性好，安装尺寸小，刚度高等优点可以满足车床改造要求，故选汉江机床厂C1型滚珠丝杠。查《机电一体化技术手册》表7.2—13得相应的额定动载荷滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应满足< 。查表，选择以下验算：
当导程Lo=5㎜时，FQ=13913.64(N)，
表中额定动 载荷显示
滚珠丝杠系列代号2505—5，公称直径，螺旋角=，滚珠直径
列数圈数=22.5

3.3.4 传动效率的计算

式：——丝杠螺旋升角，由算得。
——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；
要求 满足设计要求。

——丝杠基本导程，
——丝杠公称直径
则滚珠丝杠副的摩擦角
当时，
==

满足要求；
3.3.5 刚度验算
丝杠的拉伸或压缩变形量

式中-----丝杠的最大工作载荷，单位为N；
-------丝杠两端支承间的距离，单位为mm；
--------丝杠材料的弹性模量，钢的E=；
S----------丝杠按底径确定的截面积，单位为；
M---------转矩，单位为；
I-----------丝杠按底径确定的截面积惯性矩（），单位为。
其中，“+”号用于拉伸，“－”用于压缩。由于转矩M一般较小，式中第2项在计算式可酌情忽略。
当=5mm时，
，取600mm

-----丝杠的公称直径，------偏心距，-------螺纹滚道的半径。

故

若两端采用止推轴承，且丝杠由进行了预紧，预紧力为最大工作载荷的1/3时，其拉伸刚度可比一端固定的丝杠提高4倍，其实际变形量为：

滚珠与螺纹滚道间接触变形mm（此项在总变形量中也占比较大的比重）
有预紧时：

式中：------滚珠直径，单位为；
-------滚珠总数量，；
--------单圈滚珠数，（外循环），
（内循环）
-------预紧力，单位为N。
Z：一圈的滚珠数（外循环）

取Z=40

当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，值可减少一半，即：

刚度验算
丝杠的总变形量。一般总变形量不应大于机床规定的精度一半。

符合条件要求
3.3.6 稳定性校核
滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果过轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷应满足：

式中： -----临界载荷，单位为N；
------丝杠支承系数；
------压杆稳定安全系数，一般取为2.5~4，垂直
安装时取最小值；
-------滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为。
-------丝杠材料的弹性模量，；
I--------丝杠按底径确定的截面积惯性矩（），单位为。
因丝杠两端固定，取丝杠支撑方式系数；
取600；
压杆稳定安全系数，取4；
；

故丝杠不失稳
3.3.7滚珠丝杠支撑及预紧方式选用
滚珠丝杠副的支撑方式：
双推——双推支撑方式
特点:
可以同时承受轴向和径向载荷，轴向刚度最高
预拉伸安装时，须加较小的轴向载荷
适宜高速、高刚度，高精度传动
单推——单推支撑方式
轴向刚度较高，主要用于承受轴向载荷
预拉伸安装时，须加较大的轴向载荷
适宜中速、精度较高的传动系统
双推——简支支撑方式
轴向刚度不高
固定端可以进行预拉伸安装
适宜中速，精度较高的长丝杠
双推——自由支撑方式
轴向刚度低
适宜中小载荷与低速，更适宜垂直安装的短丝杠
具有自定心作用
本课程要求横向直线脉冲当量0.005mm/p，而且丝杠有效形成400mm并不算是一个长丝杠，可以选用双推——双推支撑方式。这种支撑方式不经轴向径向刚度高，而且预拉伸安装时仅仅需要较小的拉力即可达到安装要求，且双推——双推有利于高精度传动。
滚珠丝杠预紧方式选用
滚珠丝杠的预紧方式一般有：双螺母预紧、偏置导程、大滚珠直径。
滚珠丝杠预紧的作用：
1--减小轴向间隙；
2--增加刚性
预紧方式的选用时考虑因素：
1--精度（精度越高的丝杠一般选预紧大一点，否则反之）；
2--负载（负载大的或频繁带负载正反转的场合可以考虑选预紧大一点，否则反之）；
3--寿命（同型产品，选择的预紧力越大寿命会越低，否则反之）
4--动力（驱动端动力裕量较大的传动系统可以选择大一点预紧力，否则可能出现因为初始力矩过大而导致动力不足的问题）。
由于本课程的精度要求，选用双螺母预紧。

3.3.8轴承选用
根据上一小节选用的丝杠支撑方式，丝杠应该采用两端各一对深沟球轴承和一对推力球轴承。而且在之前，就根据最大工作载荷已经确定了选用丝杠直径的丝杠。而丝杠两端选用结构比较简单的带键槽的直径mm光轴。
根据丝杠两端的直径初步选择轴承，根据《现在机械设计手册单行本——轴承》GB/T 276-1994可得到：
深沟球轴承初步选择61807，其基本额定动载荷是4.90KN
根据《现在机械设计手册单行本——轴承》GB/T 301-1995可得到：
推力球轴承初步选择51107，其基本额定动载荷是18.2KN
3.3.9 轴承寿命计算

式中C——基本额定动载荷，N（向心轴承为径向基本额定动载荷，推力轴承位轴向基本额定动载荷）;
P——当量动载荷，N（向心轴承位径向当量动载荷Pr，推力轴承为轴向当量动载荷Pa）;
——寿命指数（球轴承=3，滚子轴承=10/3）；
轴承以一定的转速使用时，轴承的疲劳寿命用时间来表示比较方便。
如将轴承的基本额定寿命以时间来表示，此时上式为：
或
式中 L10h——基本额定寿命，h
汽车等用轴承，基本额定寿命可用其行驶公里数表示。
经计算：
深沟球轴承基本额定寿命：

数控车床设计寿命T=15000h,轴承校核的寿命首先保证了该部位在试用期间内不首先损坏。
推力球轴承基本额定寿命：

同理，校核表明推力球轴承在使用期间不会产生疲劳破坏，提高了系统可靠性与稳定性。故选用四个61807深沟球轴承、四个51107推力球轴承。
3.4步进电动机减速箱选用
（一）减速比的确定
减速比为：
式中：为脉冲当量（mm/plus）;为滚珠丝杆的基本导程（mm）,步进电机的步距角
由系统的定位精度要求可确定系统的脉冲当量为：=0.005mm/plus
初选三相异步电动机：根据经济性要求，采用三相六拍工作方式的步进电机，步距角为=0.75。
i=0.75*5/(3600.005)=75/212.08333
取
考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可才用两级齿轮降速。齿轮传动比分配有三种方式：
对于传动精度要求高
按输出轴转角误差最小原则
对于要求运转平稳，启停频繁和动态性能好的
按最小转动惯量原则
对于要求负载质量尽可能小
按质量最小原则
根据本课题要求可知，进给系统的传动功率并不大，只是小功率传动而已，故鉴于经济、成本、精度高原则，采用重量最轻原则，两级传动相同
在机械原理中涉及到齿轮设计，齿数如果过小会产生根切现象，为避免根切现象，可以采用以下两个方式：制造过程中滚齿刀正变位或提高齿轮齿数。在本课题中，采用提高齿轮齿数避免根切现象的产生。一般模数取m=1~2，数控车取m=2。齿轮宽b=(3~6)m，为了消除齿侧隙，宽度可加大到（6~10）m，齿数Z≥17。
Z1=30
Z2=Z1*i12=30*1.45=43.5
Z3=Z1=30;Z4=Z2=44;
则

取

取
中心距
选小齿轮齿数，小齿轮的齿宽度，大齿轮齿数，大齿轮的齿宽度。圆柱齿轮因为生产、转配、运行等原因需要调整间隙，圆柱齿轮的间隙调整有三种方法：
偏心套调整法
通过转动偏心套，可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除齿轮正反转时的间隙，其特点是结构简单，刚性好，常用于电机轴与丝杠之间的齿轮传动，只能补偿齿厚误差与中心距误差引起的间隙，不能补偿齿轮制造的偏心引起的间隙。

轴向垫片调整法
利用双片齿轮制造时轴向距离和使用时轴向距离不同，改变了啮合时从动轮的齿厚，使间隙得到补偿。此法常用于斜齿轮。

双片薄齿轮错齿调整法
这种结构适用于一般负载传动，弹簧力产生的扭矩不应过大或过小。扭矩过大会加大齿面的间磨损，过小又起不到消隙作用，一般在满足反向精度要求的情况下使弹簧力产生的扭矩略小于齿轮副的计算扭矩。

根据该课题中要求可知道，进给系统传动属于一般负载传动，而且要求正、反转均不会卡死，以提高数控车床的精度。故选用双片薄齿轮错齿调整法。
3.5步进电动机的计算与选用
步进电动机的选型要以相应的数据作为依据，其中步进电动机转矩的选择选择步进电机的保持转矩，近似于传统电动机所称的“功率”。步进电动机转速的选择对于电机的转速也要特别考虑。因为，电机的输出转矩，与转速成反比。就是说，步进电动机在低速（每分钟几百转甚至更低转速，其输出转矩较大）步进电动机空载启动频率的选择步进电动机空载启动频率，通常称为“空起频率”。步进电动机的相数选择中，相数越多的步进电动机通常步距角就能够做的比较小。针对步进电动机使用环境来选择特种步进电动机能够防水防油，用于某些特殊场合。
3.5.1计算加在步进电机转轴上的总转动惯量
（1）齿轮、轴、丝杆等圆柱体惯量计算
齿轮的转动惯量

齿轮1的转动惯量:

齿轮2的转动惯量：

丝杠的转动惯量：

工作台转化在丝杠上的转动惯量：

将各个元件的转动惯量向电机轴上折算：

查表3.11《机电一体化系统设计》，因为选用电机限定工作方式的是三相六拍，步距角为，故符合的是：110BF003和110BF004。电机的转动惯量分别为：
110BF003:
110BF004:
系统总的转动惯量

110BF003:

110BF004:

3.5.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩
主要考虑快速空载起动时所需力矩和最大切削负载时所需力矩

电机的启动负载
空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩

式中：
-----传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量(kg.cm)
-----运动部件最大快进速度(mm/min)

------电机最大转速(r/min)

-----运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需时间(s)

综上有电机轴上的加速度力矩：

摩擦力矩

式中：
------导轨的摩擦力（N）
------垂直方向的切削力（N）
G-----运动部件的总重量(N) G=300N
-----导轨摩擦系数=0.1
i-----齿轮总减速比i=2.1
-----传动链总效率，一般可取
则有：
附加摩擦力矩

式中：
-----滚珠丝杆预加负载（N）,一般取工作载荷的

-----滚珠丝杆导程(cm)

-----滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取

则有：

（4） 折算到电机轴上的切削负载力矩

式中：-----进给方向最大切削力（N）

快速空载起动时所需力矩

最大切削负载时所需力矩

在、两种力矩中取大者为选择步进电机的依据。对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。
3.5.3 步进电动机最大静转矩的选定
首先根据最大静态转矩初选电机的型号
步进电机的起动转矩：
由〉，所以

电机的起动力矩与最大静态转矩之间具有以下关系，见《机电一体化专业课程设计指导书》表3—10）：，（因电机工作方式为三相六拍，故取=0.866）
查表3.11《机电一体化系统设计》，
110BF003：=784N.cm
110BF004：

因为，所以型号为110BF003和110BF004
均符合要求，但是，型号为110BF003的步进电机更符合要求，因为，裕度较大；且110BF003的最大静态转矩比110BF004的大，静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。故选型号为110BF003的三相六拍的步进电机。
3.5.4步进电动机的性能校核
最大空载起动频率

式中：
-----为运动部件最大快速进给速度（m/min），

故：

满足要求
切削时的最大工作频率

式中：
为最大切削进给速度（m/min）

故：

由上述计算可知：系统要求的空载起动转矩频率要大于电机的空载起动频率1500Hz,且很难找到空载起动频率满足要求的电机型号，可以采用调压起动等方式起动电机使电机的空载起动频率满足要求；而电机运行频率7000Hz可以满足系统要求。
校核步进电机
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
常推荐：

式中：-----步进电机的最大静态转矩（N.cm），见
《电机一体化系统设计》表3-11得：
（110BF003）
-----传动系统折算到电机轴上的负载转矩（N.m）；

-----步进电机转子的转动惯量(kg.m)，见《电机一体化系
统设计》表3-11得：

-----传动系统折算到步进电机转子上的等效转动惯量
()，。

故所选步进电机110BF003具有良好的起动能力及较快的响应速度，满足要求。
步进电机驱动方式
从矩角特性中可以知道，最大静转矩并非步进电机所能驱动的最大转矩。在单步运行状态时，步进电机所能带动的最大转矩是小于启动转矩的。而启动转矩是与最大静转矩、相数和拍数都是有关系的。通过矩角特性曲线，可以计算出不同相数和不同拍数的步进电动机的启动转矩。
从矩角特性曲线中分析最大静转矩、合成经转矩以及启动转矩是可以看出：多相通电方式优于单相通电，不易失步，但步进电动机消耗的功率要大一些。从拍数来看，拍数较多时不易失步，但转速有所下降。
步距角表示控制系统没发送一个脉冲信号，电机所转动的角度。当选用拍数较高的驱动方式时，可以降低步距角，在没有减速齿轮的情况下，对于一个脉冲信号，转子可以转过更小的角度。
综上因素以及已经选用的电动机自身的机械结构，本课题选用三相六拍控制方式。
步进电机驱动电路
机电一体化系统大多都是微型计算机控制的，步进电动机的驱动电