貴州大學(xué)機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書最終版.doc

課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：ZK5125C型立式數(shù)控鉆床工作臺(tái)設(shè)計(jì)課程名稱： 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)械工程 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化姓 名： 學(xué) 號(hào)： 年 級(jí)： 2013 任課教師： 2016年12月10日貴州大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)誠(chéng)信責(zé)任書本人鄭重聲明：本人所呈交的課程論文（設(shè)計(jì)），是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所完成。課程論文（設(shè)計(jì)）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：日期：預(yù)期目標(biāo):設(shè)計(jì)出符合任務(wù)書要求的數(shù)控鉆床工作臺(tái)、控制原理框圖，撰寫不低于20頁(yè)左右設(shè)計(jì)論文，并附錄相關(guān)資料及設(shè)計(jì)圖紙。計(jì)劃進(jìn)程:序號(hào)計(jì)劃時(shí)間進(jìn)程112.512.6課題調(diào)研及資料收集，研究問(wèn)題及提出初步總體方案212.7總體方案論證及確定312.812.10機(jī)械部分方案論證確定及計(jì)算412.1112.13電氣部分方案論證確定及設(shè)計(jì)512.1412.15撰寫論文及繪制相關(guān)圖紙612.16上交設(shè)計(jì)成果，答辯主要參考文獻(xiàn):1張建民. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京理工大學(xué)出版社，2013.12韓建海.數(shù)控技術(shù)及裝備（第三版）M.華中科技大學(xué)出版社，2016.53尹志強(qiáng).機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.64王金娥.機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M. 北京：北京大學(xué)出版社，2012.15成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第六版)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.46坂本正文（日）.步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)M. 北京：科學(xué)出版社，2010.67劉剛. 單片機(jī)原理及其接口技術(shù)M. 北京科學(xué)出版社，2015.78段正澄會(huì).光機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.69龔仲華.數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)計(jì)典例M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.710文懷興.夏田.數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)(第二版) M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.911孫瑩.數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用M. 北京：西南交通大學(xué)出版社,2014.4？型立式數(shù)控鉆床工作臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)說(shuō)明參數(shù)指標(biāo)單位量綱數(shù)控鉆床型號(hào)ZK5125AZK5125BZK5125CZK5140AZK5140BZK5140CZK5150AZK5150BZK5150C加速時(shí)間TS0.50.81.0X向坐標(biāo)行程mm5005506007008009009009501000Y向坐標(biāo)行程350400350400350400500450500工作臺(tái)面(XY)mm255030060035065030075035085030095035095045010004001100450工作臺(tái)面以上承重Kg500600800工作臺(tái)快進(jìn)速度mm/min200025003000脈沖當(dāng)量mm/pulse0.010.020.03定位精度mm0.030.040.05重復(fù)定位精度mm0.020.030.04最大鉆孔直徑mm254050每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(鉆削)mm/r0.250.320.4鉆孔刀具麻花鉆頭鉆削加工材料鋼 b=650Mpa步進(jìn)電機(jī)步距角自定導(dǎo)軌類型自定滾珠絲杠螺距自定控制系統(tǒng)類型自定設(shè)備使用壽命12年；年均工作300天；每天10小時(shí)第一章 總體方案的確定1.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇1.1.1導(dǎo)軌副的選用：要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)是用來(lái)配套立式數(shù)控鉆床使用，需要承重的載荷不大，無(wú)切削力（工作臺(tái)移動(dòng)中不作切削），設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)所要求的脈沖當(dāng)量較小、定位精度一般。因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。1.1.2絲杠螺母副的選用：伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，選擇滾珠絲杠螺母副，滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。第2章 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型2.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算2.1.1 Y方向?qū)к壣弦苿?dòng)部件的重量估算按照導(dǎo)軌上面的移動(dòng)部件的重量進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，工件的最大質(zhì)量為800kg，重量為7840N，根據(jù)參考資料上的實(shí)例可以看出，工作臺(tái)尺寸為230mm230mm的除去工件重量的總重量大約為500N，ZK5125C型立式數(shù)控鉆床工作臺(tái)的尺寸為650mm300mm，大約為實(shí)例的2倍，也就是除去工件重量的總重量大約為500N2=1000N，所以總的重量為7840N+1000N9000N，估計(jì)重量為9000N。2.1.2 鉆削力的計(jì)算設(shè)零件的加工方式為立式鉆削，采用硬質(zhì)合金立鉆刀。工件的材料為碳鋼。立鉆時(shí)的鉆削力計(jì)算公式為：（2-1）式中：為軸向力，單位為N；為軸向力系數(shù)；為鉆頭直徑，單位為mm；為軸向力指數(shù)；為每鉆進(jìn)給量，單位為mm/r；為軸向力指數(shù)；為修正系數(shù)。，從而求得：2.1.3直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取工作載荷是影響直線導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支撐形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直載荷為： （2-2）式中：為最大工作載荷；為移動(dòng)部件的重量；為外加載荷。，從而求得：根據(jù)工作載荷，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG35型，其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷。任務(wù)書上規(guī)定工作臺(tái)面的尺寸為650mm300mm，X-Y方向的加工范圍為700mm350mm，考慮工作行程留有一定的余量，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為：Y方向?yàn)?080mm。距離額定壽命的計(jì)算 上述選取的KL系列的JSA-LG35型導(dǎo)軌的滾到硬度為60HRC，工作溫度不超過(guò)100，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度等級(jí)為4級(jí)，工作溫度較低，載荷不大。（2-3）式中：為距離額定壽命，單位為km；為額定動(dòng)載荷，單位為kN；為硬度系數(shù)；為滑塊上的工作載荷，單位為kN；為溫度系數(shù)；為接觸系數(shù)；為精度系數(shù)；為載荷系數(shù)。，。從而求得：大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。2.1.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型最大工作載荷的計(jì)算 根據(jù)任務(wù)書所說(shuō)工作臺(tái)移動(dòng)中不作切削，所以滾動(dòng)絲杠在運(yùn)動(dòng)中只需要克服滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦力。（2-4）式中：為最大工作載荷；為滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)；為移動(dòng)部件的總重量。，從而求得：最大動(dòng)載荷的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)的最快進(jìn)給速度，初選絲杠導(dǎo)程，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速（2-5）式中：為絲杠轉(zhuǎn)速；為最快進(jìn)給速度；為絲杠導(dǎo)程。從而求得：。（2-7）式中：為滾珠絲杠副的壽命；為使用壽命；為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速。因?yàn)檫@個(gè)機(jī)床為數(shù)控機(jī)床，所以取，。從而求得：。（2-8）式中：為最大動(dòng)載荷；為滾珠絲杠副的壽命；為載荷系數(shù)；為硬度系數(shù)；為滾珠絲杠副的最大工作載荷。，從而求得：初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列的2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器但螺母式，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級(jí)為5級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N，大于，滿足要求。傳動(dòng)效率的計(jì)算(2-9)式中：為公稱直徑，為導(dǎo)程，為絲杠螺旋升角。,。從而求得，。（2-10）式中：為傳動(dòng)效率；為絲杠螺旋升角；為摩擦角，從而求得，。剛度的驗(yàn)算X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支撐均采用“單推單推”的方式，絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸軸承，面對(duì)面組配，因?yàn)閅方向的行程為350mm，考慮到安裝和工作行程應(yīng)該有一定的余量，所以左、右支撐的中心距離約為450mm；鋼的彈性模量；查表得，滾珠直徑，絲杠底徑，絲杠截面積（2-11）式中，為絲杠截面積；為絲杠底徑。從而求得：。絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量（2-12）式中，為變形量；為工作載荷。從而求得，根據(jù)公式（2-13）式中，為絲杠的公稱直徑；為滾珠直徑；為單圈滾珠數(shù)。，。從而求得：；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式：=Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=45個(gè)，絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力（2-14）式中，為軸向預(yù)緊力；為工作載荷。從而求得，。求滾珠與螺紋滾道之間的接觸變形，因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力（2-15）式中，為滾珠與螺紋滾道之間的接觸變形；為工作載荷；為滾珠直徑；為滾珠總數(shù)量；為預(yù)緊力。從而求得：。因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向力的1/3，所以實(shí)際變形量可減少一半，取。將以上算出的和帶入，求得絲杠的總變形量（對(duì)應(yīng)跨度為550mm）本任務(wù)中，在Y方向，絲杠的有效行程為350mm，由表中可知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315mm400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。壓桿穩(wěn)定性校核（2-16）式中，為臨界載荷；為絲杠支撐系數(shù)；為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)；為滾珠絲杠兩端支撐間的距離；為界面慣性矩。，。從而求得，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。2.1.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用首先假設(shè)傳動(dòng)比為1，因?yàn)檫@樣能夠簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，增加可靠性，提高傳動(dòng)效率。（2-17）式中，為傳動(dòng)比；為初選電機(jī)的步距角；為滾珠絲杠的導(dǎo)程；為脈沖當(dāng)量。假設(shè)讓，從而求步距角的值。解出了：。2.1.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的求解主要包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減速裝置，滾珠絲杠以及移動(dòng)部件等折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因?yàn)閭鲃?dòng)比為1，所以沒(méi)有減速裝置，即的求解：式中，為絲杠的公稱直徑；為絲杠的長(zhǎng)度；為密度。的求解式中，為Y以上的總質(zhì)量，為導(dǎo)程。，。從而求得，。的求解初步選擇為SS2402E14A，步距角為，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為則計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩分快速空載啟動(dòng)和承受最大工作載荷兩種情況進(jìn)行計(jì)算1） 快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的，包括三部分：一部分是快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式（4-12），可知相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有：=+最大加速轉(zhuǎn)矩=式中 對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s其中： 式中 空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為2000； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為 脈沖當(dāng)量，為0.01算得=400設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間=0.5s，傳動(dòng)鏈總效率為則求得：由式（4-10）可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦力矩為：，式中 導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005； 垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0； 傳動(dòng)鏈總效率，取0.7。可得：最后求得快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=+=0.162） 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，也包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦力矩，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有：=+因?yàn)殂@床沒(méi)有軸向力，所以只計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（=45N)的情況下，移動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： = 經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： 3） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成，丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：。根據(jù)所選SS2402E14A型電動(dòng)機(jī)，可知該電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為0.83，滿足要求。（4） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1） 最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺(tái)最快移動(dòng)速度為=2000，脈沖當(dāng)量為。由此可得=。根據(jù)所選SS2402E14A型電動(dòng)機(jī)，可知該電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大于工作轉(zhuǎn)矩。2） 起動(dòng)頻率的計(jì)算 一直電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)空載時(shí)起動(dòng)頻率。則可求得：上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起步時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于864。則所選的SS2402E14A型電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。