貴州大學(xué)機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)匯本說明書最終版

1、GUIZHOU UNIVERSITY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:學(xué)號(hào)：年級：2013任課教師：2016年12月10日大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)誠信責(zé)任書本人重聲明：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:廳P計(jì)劃時(shí)間進(jìn)程112

2、.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212.7思體力某論證及確定312.8 12.10機(jī)械部分方案論證確定及計(jì)算412.11 12.13電汽部分力某論證確定及設(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建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.理工大學(xué)，2013.12建海.數(shù)控技術(shù)及裝備（第三版）M.華中科技大學(xué)，2016.53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.:機(jī)械工業(yè)，2010.64王金娥.機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M.:大學(xué),2012.15成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第六版）M.:化學(xué)工業(yè)，2016.46坂本正文（日）.步進(jìn)電機(jī)

3、應(yīng)用技術(shù)M.:科學(xué)，2010.67剛.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)M.科學(xué)，2015.78段正澄會(huì).光機(jī)電一體化技術(shù)手冊M.:機(jī)械工業(yè)，2010.69龔仲華.數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)計(jì)典例M.:機(jī)械工業(yè)，2014.710文懷興.夏田.數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第二版）M.:化學(xué)工業(yè)，2011.911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.:西南交通大學(xué)，2014.4? ? ?型立式數(shù)控鉆床工作臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)說明參數(shù)指標(biāo)單位 量綱數(shù)控鉆床型號(hào)ZK 5125AZK5125BZK5125CZK 5140AZK5140BZK5140CZK5150AZK5150BZK5150C加速時(shí)間TS0.50.81.0X向坐標(biāo) 行程mm500

4、5506007008009009009501000丫向坐標(biāo) 行程350400350400350400500450500工作臺(tái)面(X W)mm2550 X300600 X350650 X300750 X350850 X300950 X350950 X4501000 X4001100 X450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

5、鉆頭鉆削加工 材料鋼 =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) 回自定設(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機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇導(dǎo)軌副的選用：要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)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(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)。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)

6、平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后 可消除反向間隙。第二章機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算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勺除去工件重量的總重量 大約為500N, ZK5125C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 500NX 2=1000N,所以總的重量為7840N+1000N 弋9000N,估計(jì)重

7、量為9000N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：Ff CFdzFfyFKF (2-1)式中：Ff為軸向力，單位為N; Cf為軸向力系數(shù)；d為鉆頭直徑，單位為mm Zf為軸向力指數(shù)；f為每鉆進(jìn)給量，單位為 mm/r； yF為軸向力指數(shù)；kF為修正系數(shù)。Cf 600, d 50mm, Zf 1.0, f 0.4mm/r, Yf 0.7, Kf 1從而求得：Ff 600 251 0.2507 1 5684N直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型滑塊承受工作載荷Fmax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

8、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。考慮最不利的情況，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：Fmax G F (2-2)4式中：Fmax為最大工作載荷；G為移動(dòng)部件的重量；F為外加載荷。G 9000N , F Ff 5684N從而求得：Fmax 9000 5684 7934N 7.934kN 4根據(jù)工作載荷Fmax 18.5kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為 KL系列的JSA-LG35,其額定動(dòng)載荷Ca 32.5kN ,額定靜載荷C0a 47.2kN。任務(wù)書上規(guī)定工作臺(tái)面的尺寸為650mm 300mm X-Y方向的加工圍為 700mm(350m

9、m考慮工作行程留有一定的余量，選取導(dǎo)軌的長度為：Y方向?yàn)?080mm距離額定壽命L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100C,每根導(dǎo)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。L ( fH fT fC fR J3 50(2-3)fWF max式中：L為距離額定壽命，單位為km； Ca為額定動(dòng)載荷，單位為kN； L為硬度系數(shù)；F為滑塊上的工作載荷，單位為kN； fT為溫度系數(shù)；fC為接觸系數(shù)；fR為精度系數(shù)；fW為載荷系數(shù)。fH 1.0, fT 1.0, fC 0.81, fW 1.5, fR 0.9, Ca 32.5, Fmax

10、 7.934。1.0 1.0 0.81 0.932.5、3從而求得： L ( ) 50 400 km1.57.934大于期望值50kmi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Fm的計(jì)算根據(jù)任務(wù)書所說工作臺(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。Fm G (2-4)式中：Fm為最大工作載荷；為滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)；G為移動(dòng)部件的總重量。0.005 , G 9000N從而求得：Fm 0.005 9000 45N最大動(dòng)載荷Fq的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)的最快進(jìn)給速度2000mm/min ,初選絲杠導(dǎo)程Ph 5mm ,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速v n (2-5)Ph式中

11、：n為絲杠轉(zhuǎn)速；v為最快進(jìn)給速度；Ph為絲杠導(dǎo)程從而求得：n空400r/min 05L060nT106(2-7)式中：Lo為滾珠絲杠副的壽命；T為使用壽命；n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 T 1500Oh , n 400r/min 從而求得：60 400 615000 360。10FqVLo fW fH Fm (2-8)式中：Fq為最大動(dòng)載荷；Lo為滾珠絲杠副的壽命；fW為載荷系數(shù)；fH為硬度系數(shù)；Fm 為滾珠絲杠副的最大工作載荷。Lo 360, fW 1.2, fH 1.0, Fm 45 N從而求得：Fq 3 360 1.2 1.0 45 384N初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的最大

12、動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程， 選擇博特精密絲杠制造生產(chǎn)的 G系列 的2005-3型滾珠絲杠副，為循環(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X 1歹I，精度等級為5級，額定動(dòng)載荷Ca為9309N,大于Fq ,滿足要求。傳動(dòng)效率的計(jì)算(2-9)r Pharctan(do)式中：do為公稱直徑，Ph為導(dǎo)程，為絲杠螺旋升角Ph5mm , do20mm 。5從而求行， arctan 4 33。3.14 20tan tan(2 (2-10)式中：為傳動(dòng)效率；為絲杠螺旋升角;為摩擦角4 33 ,10從而求得，96.4% 0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“單推一

13、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?yàn)?Y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E 2.1 105MPa；查表得，滾珠直徑Dw 3.175mm,絲杠底徑d2 16.2mm,絲杠截面d2積 S (2-11 )4式中，S為絲杠截面積；d2為絲杠底徑。2從而求得：S . 206.12mm3。4絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量1 Fma (2-12)ES式中，1為變形量；Fm為工作載荷。從而求得，145 4502.1 105 206.124.681 10 4mm根據(jù)公式Z -d0 3 (2-1

14、3)Dw式中，d0為絲杠的公稱直徑；Dw為滾珠直徑；Z為單圈滾珠數(shù)。d0 20mm , Dw 3.175mm。從而求得：Z 3.14 20 3 17; 3.175該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù) X列數(shù)為3X1,代入公式：z =zx圈數(shù)澄1數(shù),得滾珠總數(shù)量Z =45個(gè)，絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力Fy1 與(2-14)3式中，F(xiàn)y1為軸向預(yù)緊力；Fm為工作載荷。從而求得，F(xiàn)Y1竺15 N。3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)0.0013 Fm103. DwFytZ2 /10式中，2為滾珠與螺紋滾道之間的接觸變形；Fm為工作載荷；Dw為滾珠直徑；Z為滾珠總數(shù)量；Fyj為預(yù)緊力

15、。, 454從而求得：2 0.0013 ,= 2.746 10 mm。10 3 3.175 15 4510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42 1.873 10 mm。將以上算出的1和2帶入 1 2，求得絲杠的總變形量(對應(yīng)跨度為550mm4-4-4.681 101.873 100.6554 m本任務(wù)中，在Y方向，絲杠的有效行程為350mm由表中可知，5級精度滾珠絲杠 有效行程在315mm-400mmi寸，行程偏差允許達(dá)到25 m ,可見絲杠剛度足夠。壓桿穩(wěn)定性校核Fkfk 2eiKa2(2-16)式中，F(xiàn)k為臨界載荷；fk為絲杠支撐系數(shù)；K為壓桿穩(wěn)定安全系

16、數(shù)；a為滾珠絲 杠兩端支撐間的距離；I為界面慣性矩。fk 1 , K 3, a 450mm, I支643.14 16.2464453379.17mm , E 2.1 10 。51 3.14 3.14 2.1 10 3379.17從而求得， Fk 2 1152 N MM大于， Fm 55 N , 故絲3 450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@樣能夠簡化結(jié)構(gòu)，增加可靠性，提高傳動(dòng)效率。i P (2-17)360式中，i為傳動(dòng)比；為初選電機(jī)的步距角；R為滾珠絲杠的導(dǎo)程；為脈沖當(dāng)量。假設(shè)讓i 1,從而求 步距角的值。5 .一

17、 ,一1 5解出了： 0.72 。360 0.012.1.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J總的求解J總主要包括電動(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,所以沒有減速裝置，即J總J轉(zhuǎn)子J絲杠J移動(dòng)部件J絲杠的求解:J絲杠22mr v r22d04l323.14 24 45 7.85 10 33220.555kg ?cm式中,d。為絲杠的公稱直徑;l為絲杠的長度;為密度。J移動(dòng)部件的求解J移動(dòng)部件式中，M為Y以上的總質(zhì)量,Ph為導(dǎo)程。M G 9000 918kg, Ph 0.5cm。g 9.8從而求得，J移動(dòng)部件0.522918 ()6

18、.01kg? cm。2 3.14J轉(zhuǎn)子的求解初步選擇為SS2402E14A步距角為0.72 ,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2.8kg?cm2則J總 J轉(zhuǎn)子 J絲杠J移動(dòng)部彳牛2.8 6.01 0.555 9.365kg?cm2計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq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 Teq1,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 T amax ； 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T f ；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T0。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式（4-

19、12）,可知T0相對于Teq1和Tamax很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq1=T amax+T f最大加速轉(zhuǎn)矩Tamax1 amax=60tn式中nm 對應(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rminta 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至 nm轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s其中：nm vmajnm 360式中Vmax 空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為2000mmmin ；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角,預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.72脈沖當(dāng)量，為0.01 mmpulse算得 nm=400rmin設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至 nm轉(zhuǎn)速所需時(shí)間tn=0.5S，傳動(dòng)鏈總效率為0.7口29.365 104 4002則求得：Tamax N

20、?m 0.11N?mamax 60 0.5 0.7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：T f （Fz G）Ph ,式中一一導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取 0.005 ;f 2 iF x垂直方向的銃削力，空載時(shí)取 0；傳動(dòng)鏈總效率，取0.7。e陽.0.005 （0 9000） 0.005 M可得：T f N ?m 0.051 N ?m20.7 1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TeqTamax+Tf =0.16 N ?m2）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Tea2 ,也包括三部分：一部分是eq2折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt ； 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)矩丁一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T。，To相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有： Teq2=Tt+Tf因?yàn)殂@床沒有軸向力，所以只計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（Fm=45N