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課程設計 設計題目：ZK5125C型立式數(shù)控鉆床工作臺設計 課程名稱： 機電一體化系統(tǒng)設計課程設計 學 院： 機械工程 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 姓 名： 學 號： 年 級： 2013 任課教師： 2016年12月10日 貴州大學本科課程設計 誠信責任書 本人鄭重聲明：本人所呈交的課程論文（設計），是在導師的指導下獨立進行研究所完成。課程論文（設計）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。 特此聲明。 論文（設計）作者簽名： 日期： 預期目標: 設計出符合任務書要求的數(shù)控鉆床工作臺、控制原理框圖，撰寫不低于20頁左右設計論文，并附錄相關(guān)資料及設計圖紙。 計劃進程: 序號 計劃時間 進程 1 12.5～12.6 課題調(diào)研及資料收集，研究問題及提出初步總體方案 2 12.7 總體方案論證及確定 3 12.8～12.10 機械部分方案論證確定及計算 4 12.11～12.13 電氣部分方案論證確定及設計 5 12.14～12.15 撰寫論文及繪制相關(guān)圖紙 6 12.16 上交設計成果，答辯 主要參考文獻: [1]張建民. 機電一體化系統(tǒng)設計[M].北京理工大學出版社，2013.1 [2]韓建海.數(shù)控技術(shù)及裝備（第三版）[M].華中科技大學出版社，2016.5 [3]尹志強.機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.6 [4]王金娥.機電一體化課程設計指導書[M]. 北京：北京大學出版社，2012.1 [5]成大先. 機械設計手冊(第六版)[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2016.4 [6]坂本正文（日）.步進電機應用技術(shù)[M]. 北京：科學出版社，2010.6 [7]劉剛. 單片機原理及其接口技術(shù)[M]. 北京科學出版社，2015.7 [8]段正澄會.光機電一體化技術(shù)手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.6 [9]龔仲華.數(shù)控機床電氣設計典例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.7 [10]文懷興.夏田.數(shù)控機床系統(tǒng)設計(第二版) [M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2011.9 [11]孫瑩.數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設計與應用[M]. 北京：西南交通大學出版社,2014.4 ？？？型立式數(shù)控鉆床工作臺設計 數(shù)據(jù)說明 參數(shù)指標 單位 量綱 數(shù)控鉆床型號 ZK 5125A ZK 5125B ZK 5125C ZK 5140A ZK 5140B ZK 5140C ZK 5150A ZK 5150B ZK 5150C 加速時間T S 0.5 0.8 1.0 X向坐標行程 mm 500 550 600 700 800 900 900 950 1000 Y向坐標行程 350 400 350 400 350 400 500 450 500 工作臺面(XY) mm2 550 300 600 350 650 300 750 350 850 300 950 350 950 450 1000 400 1100 450 工作臺面以上承重 Kg 500 600 800 工作臺快進速度 mm/min 2000 2500 3000 脈沖當量 mm/pulse 0.01 0.02 0.03 定位精度 mm 0.03 0.04 0.05 重復定位精度 mm 0.02 0.03 0.04 最大鉆孔直徑 mm 25 40 50 每轉(zhuǎn)進給量(鉆削) mm/r 0.25 0.32 0.4 鉆孔刀具 麻花鉆頭 鉆削加工材料 鋼 σb=650Mpa 步進電機步距角 自定 導軌類型 自定 滾珠絲杠螺距 自定 控制系統(tǒng)類型 自定 設備使用壽命 12年；年均工作300天；每天10小時 第一章 總體方案的確定 1.1機械傳動部件的選擇 1.1.1導軌副的選用： 要設計的X-Y工作臺是用來配套立式數(shù)控鉆床使用，需要承重的載荷不大，無切削力（工作臺移動中不作切削），設計數(shù)據(jù)所要求的脈沖當量較小、定位精度一般。因此，決定選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預緊方便等優(yōu)點。 1.1.2絲杠螺母副的選用： 伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，選擇滾珠絲杠螺母副，滾珠絲杠螺母副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。 第2章 機械傳動部件的計算與選型 2.1導軌上移動部件的重量估算 2.1.1 Y方向?qū)к壣弦苿硬考闹亓抗浪? 按照導軌上面的移動部件的重量進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，工件的最大質(zhì)量為800kg，重量為7840N，根據(jù)參考資料上的實例可以看出，工作臺尺寸為230mm230mm的除去工件重量的總重量大約為500N，ZK5125C型立式數(shù)控鉆床工作臺的尺寸為650mm300mm，大約為實例的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+1000N≈9000N，估計重量為9000N。 2.1.2 鉆削力的計算 設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。立鉆時的鉆削力計算公式為： （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直線滾動導軌副的計算與選型 ①滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 工作載荷是影響直線導軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支撐形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，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，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG35型，其額定動載荷，額定靜載荷。 任務書上規(guī)定工作臺面的尺寸為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，選取導軌的長度為：Y方向為1080mm。 ②距離額定壽命的計算 上述選取的KL系列的JSA-LG35型導軌的滾到硬度為60HRC，工作溫度不超過100℃，每根導軌上配有兩只滑塊，精度等級為4級，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算與選型 ①最大工作載荷的計算 根據(jù)任務書所說工作臺移動中不作切削，所以滾動絲杠在運動中只需要克服滾動導軌的摩擦力。 （2-4） 式中：為最大工作載荷；為滾動導軌的摩擦因數(shù)；為移動部件的總重量。 ， 從而求得： ②最大動載荷的計算 設工作臺的最快進給速度，初選絲杠導程，則此時絲杠轉(zhuǎn)速 （2-5） 式中：為絲杠轉(zhuǎn)速；為最快進給速度；為絲杠導程。 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。 因為這個機床為數(shù)控機床，所以取，。 從而求得：。 （2-8） 式中：為最大動載荷；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： ③初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇濟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，導程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級為5級，額定動載荷為9309N，大于，滿足要求。 ④傳動效率的計算 (2-9) 式中：為公稱直徑，為導程，為絲杠螺旋升角。 ,。 從而求得，。 （2-10） 式中：為傳動效率；為絲杠螺旋升角；為摩擦角 ， 從而求得，。 ⑤剛度的驗算 ⑴X-Y工作臺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推力角接觸軸承，面對面組配，因為Y方向的行程為350mm，考慮到安裝和工作行程應該有一定的余量，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， ⑵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，絲杠預緊時，取軸向預緊力 （2-14） 式中，為軸向預緊力；為工作載荷。 從而求得，。 求滾珠與螺紋滾道之間的接觸變形，因為絲杠有預緊力 （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；為預緊力。 從而求得：。 因為絲杠有預緊力，且為軸向力的1/3，所以實際變形量可減少一半，取。 ⑶將以上算出的和帶入，求得絲杠的總變形量（對應跨度為550mm） 本任務中，在Y方向，絲杠的有效行程為350mm，由表中可知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315mm—400mm時，行程偏差允許達到25，可見絲杠剛度足夠。 ⑥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，，遠遠大于，，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 2.1.5步進電動機減速箱的選用 首先假設傳動比為1，因為這樣能夠簡化結(jié)構(gòu)，增加可靠性，提高傳動效率。 （2-17） 式中，為傳動比；為初選電機的步距角；為滾珠絲杠的導程；為脈沖當量。 假設讓，從而求步距角的值。 解出了：。 2.1.6步進電動機的計算與選型 ①總轉(zhuǎn)動慣量的求解 主要包括電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，減速裝置，滾珠絲杠以及移動部件等折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量。因為傳動比為1，所以沒有減速裝置，即 ⑴的求解： 式中，為絲杠的公稱直徑；為絲杠的長度；為密度。 ⑵的求解 式中，為Y以上的總質(zhì)量，為導程。 ，。 從而求得，。 ⑶的求解 初步選擇為SS2402E14A，步距角為，轉(zhuǎn)動慣量為 則 ②計算加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 分快速空載啟動和承受最大工作載荷兩種情況進行計算 1） 快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的，包括三部分：一部分是快速空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式（4-12），可知相對于和很小，可以忽略不計。則有：=+ 最大加速轉(zhuǎn)矩= 式中 ——對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為 ——步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s 其中： 式中 ——空載最快移動速度，任務書指定為2000； ——步進電動機步距角，預選電動機為 ——脈沖當量，為0.01 算得=400 設步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間=0.5s，傳動鏈總效率為 則求得： 由式（4-10）可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦力矩為：，式中 ——導軌的摩擦因數(shù)，滾動導軌取0.005； ——垂直方向的銑削力，空載時取0； ——傳動鏈總效率，取0.7。 可得： 最后求得快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩=+=0.16 2） 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩，也包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦力矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有：=+ 因為鉆床沒有軸向力，所以只計算垂直方向承受最大工作負載（=45N)的情況下，移動運動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： = 經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩應為： 3） 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成，丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應滿足：。根據(jù)所選SS2402E14A型電動機，可知該電動機最大靜轉(zhuǎn)矩為0.83，滿足要求。 （4） 步進電動機的性能校核 1） 最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務書給定工作臺最快移動速度為=2000，脈沖當量為。由此可得=。根據(jù)所選SS2402E14A型電動機，可知該電動機輸出轉(zhuǎn)矩大于工作轉(zhuǎn)矩。 2） 起動頻率的計算 一直電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機空載時起動頻率。則可求得： 上式說明，要想保證步進電動機起步時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于864。則所選的SS2402E14A型電動機，完全滿足設計要求。