GUIZHOUUNIVERSITY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(jí)：2013 任課教師：2016年12月10日大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)誠(chéng)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:序號(hào)計(jì)劃時(shí)間進(jìn)程112.5?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總體方案論證及確定312.8?12.10機(jī)械部分方案論證確定及計(jì)算412.11?12.13電氣部分方案論證確定及設(shè)計(jì)512.14?12.15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)：建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].理工大學(xué)，2013.1建海?數(shù)控技術(shù)及裝備（第三版）[M].華中科技大學(xué)，2016.5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)，2010.6王金娥?機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M].:大學(xué)，2012.1成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第六版）[M].:化學(xué)工業(yè)，2016.4坂本正文（日）.步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].：科學(xué)，2010.6剛.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].科學(xué)，2015.7段正澄會(huì).光機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)[M].：機(jī)械工業(yè)，2010.6龔仲華?數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)計(jì)典例[M].:機(jī)械工業(yè)，2014.7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)，2011.9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)說明單位量綱數(shù)控鉆床型號(hào)參數(shù)指標(biāo)ZKZKZKZKZKZKZKZKZK5125A5125B5125C5140A5140B5140C5150A5150B5150C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(XxY)mm2550x300600x350650x300750x350850x300950x350950x4501000x4001100x450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)自定步距角導(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)。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。第二章機(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230mmx230mm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650mmx300mm，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500NX2=1000N,所以總的重量為7840N+1000N~9000N，估計(jì)重量為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：F=CdzFfyFK(2-1)TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"fF F式中：F為軸向力，單位為N；C為軸向力系數(shù)；d為鉆頭直徑，單位為mm；z為軸f F F向力指數(shù)；f為每鉆進(jìn)給量，單位為mm/r；y為軸向力指數(shù)；k為修正系數(shù)。FFC二600，d=50mm，Z二1.0，f=0.4mm/r，Y二0.7，K二1F F F F從而求得：F=600x25ixO.25o.7x1?5684Nf2.1.3直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型滑塊承受工作載荷F的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取max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：F二—+F(2-2)max4式中：F為最大工作載荷；—為移動(dòng)部件的重量；F為外加載荷。maxG=9000N，F(xiàn)=F=5684Nf從而求得：F=9000+5684=7934N沁7.934kNmax4根據(jù)工作載荷F=18.5kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG35型,max其額定動(dòng)載荷C=32.5kN，額定靜載荷C=47.2kN。a 0a任務(wù)書上規(guī)定工作臺(tái)面的尺寸為650mmX300mm,X-Y方向的加工圍為700mmX

350mm，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100°C,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。L=(fHfTfCfRx-C^)3X50(2-3)fFWmax式中：L為距離額定壽命，單位為km；C為額定動(dòng)載荷，單位為kN；f為硬度系數(shù);aHF為滑塊上的工作載荷，單位為kN；f為溫度系數(shù)；f為接觸系數(shù)；f為精度系數(shù)；TCRf為載荷系數(shù)。Wf=1.0，f=1.0，f=0.81，f=1.5，f=0.9，C=32.5，F(xiàn)=7.934。TOC\o"1-5"\h\zH T C W R a max\o"CurrentDocument"1.0X1.0X0.81X0.9 32.5從而求得：L=( x )3x50=400km1.5 7.934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①最大工作載荷F的計(jì)算m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。F=卩G(2-4)m式中：F為最大工作載荷；卩為滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)；G為移動(dòng)部件的總重量。mR=0.005，G=9000N

從而求得：F二0.005x9000二45Nm②最大動(dòng)載荷F的計(jì)算Q設(shè)工作臺(tái)的最快進(jìn)給速度2000mm/min，初選絲杠導(dǎo)程P=5mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速hn=—(2-5)Ph式中：n為絲杠轉(zhuǎn)速；v為最快進(jìn)給速度；P為絲杠導(dǎo)程。h從而求得：20005=400r/min。60nT1062-7)式中：L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。0n=400r/min。因?yàn)檫@個(gè)機(jī)床為數(shù)控機(jī)床，所以取n=400r/min。從而求得：60x從而求得：60x400x1500010=360。F=3~LffF(2-8)Q' 0WHm式中：F為最大動(dòng)載荷；L為滾珠絲杠副的壽命；f為載荷系數(shù)；f為硬度系數(shù)；FQ 0 W H m為滾珠絲杠副的最大工作載荷。L=360，f=1.2，f=1.0，F(xiàn)=45N0 W H m從而求得：F=v360x1.2x1.0x45=384NQ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XI列，精度等級(jí)為5級(jí)，額定動(dòng)載荷Ca為9309N,大于Fq，滿足要求。傳動(dòng)效率耳的計(jì)算九=arctan[——i](2-9)(兀d)0式中：d為公稱直徑，P為導(dǎo)程，九為絲杠螺旋升角。0hP=5mm,d=20mm。h0從而求得，“arctan3i45莎=4°33'。n=唱(2—10)

tan(九+申)式中：耳為傳動(dòng)效率；九為絲杠螺旋升角；申為摩擦角九=4°33',申二10'從而求得，耳=96.4%。剛度的驗(yàn)算(1)X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支撐均采用“單推一單推”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E=2.1x105MPa;查表得，滾珠直徑D=3.175mm，絲杠底徑d=16.2mm，絲杠截面w2積S=唏(2—11)4式中，S為絲杠截面積；d為絲杠底徑。2從而求得：S= =206.12mm3。4絲杠在工作載荷F作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量mFa5=H(2—12)1ES式中，5為變形量；F為工作載荷。1m45x450從而求得，5= — =4.681x10-4mm1 2.1x105x206.12⑵根據(jù)公式Z=春-3(2—13)w式中，d為絲杠的公稱直徑；D為滾珠直徑；Z為單圈滾珠數(shù)0wd=20mm，D=3.175mm。0w從而求得：Z二3.14X20-3二17；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)X列數(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sFF二Im（2-14）Y13式中，F(xiàn)為軸向預(yù)緊力；F為工作載荷。Y1 m從而求得，F(xiàn)從而求得，F(xiàn)Y145二15N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5=0.00135=0.001322-15)10JDFZ2/10wYTs式中，5為滾珠與螺紋滾道之間的接觸變形；F為工作載荷；D為滾珠直徑；Z2 m w s為滾珠總數(shù)量；F為預(yù)緊力。YJ從而求得：5=0.0013x從而求得：5=0.0013x210x3：'3.175x15x2.746x10-4mm。o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5=1.873x10-4mm。2⑶將以上算出的5和5帶入5=5+5，求得絲杠的總變形量（對(duì)應(yīng)跨度為550mm）1 2 s1 25=4.681x10-4+1.873x10-4=0.6554pms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315mm—400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25pm，可見絲杠剛度足夠。2-16)壓桿穩(wěn)定性校核2-16)式中，F(xiàn)為臨界載荷；kf為絲杠支撐系數(shù)；K為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)；a為滾珠絲kk3Ka2杠兩端支撐間的距離；I為界面慣性矩。兀d4 314x1624K=3,a=450mm,I=—2= — =3379.17mm4,E-2.1x105。64 64從而求得，1—3.14—從而求得，1—3.14—3.14—2.1—105—3379.173—4502=1152N遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，F(xiàn)=55N，故絲m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。.aPi= h-.aPi= h-36082-17)式中，i為傳動(dòng)比；a為初選電機(jī)的步距角；P為滾珠絲杠的導(dǎo)程；8為脈沖當(dāng)量。h假設(shè)讓i=1，從而求a步距角的值。1=a—5解出了：a=0.72。。360—0.012.1.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型①總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的求解總J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)總機(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=J+J+J總轉(zhuǎn)子絲杠移動(dòng)部件⑴J絲杠的求解:=0.555kg?cm2mr2 pv—r2?！?lp3.14—24—45—=0.555kg?cm2= = = 0 =絲杠2 2 32 32式中，—為絲杠的公稱直徑；l為絲杠的長(zhǎng)度；p為密度。0⑵J移動(dòng)部件的求解移動(dòng)部件移動(dòng)部件式中，M為Y以上的總質(zhì)量，P為導(dǎo)程。hM=G= ?918kg，P=0.5cm。g9.8 h從而求得，J=918—( )2=6.01kg?cm2。移動(dòng)部件 2—3.14⑶J的求解轉(zhuǎn)子

初步選擇為SS2402E14A，步距角為0.72。，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2.8kg?cm2移動(dòng)部件貝UJ=J+J+J =2.8+6.01+0.555=9.365kg?cm2移動(dòng)部件總轉(zhuǎn)子絲杠②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T1）快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的ea1，包括二部分：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Teq1amax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Tf；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（4-12），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T1）快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的ea1，包括二部分：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Teq1amax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Tf；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（4-12），可知T0相對(duì)于Teal和Tamax很eq1 amax小，可以忽略不計(jì)。則有：Te1=Tamax+eq1= amax最大加速轉(zhuǎn)矩T2兀Jn1eq mX—amax 601 耳式中n――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rmint步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至n轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s其中：maxm 3608式中vmax空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為2000mmmin；a 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.72。8——脈沖當(dāng)量，為°.°1mm/pulse算得n=400rmm °丄丄丄丄丄丄設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至n轉(zhuǎn)速所需時(shí)間t=0.5s，傳動(dòng)鏈總效率為耳=0.7mn2兀x9.365x10-4x400“ 八則求得：T= N?m沁0.11N?mamax 60x0.5x0.7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=（Fz+G）Ph，式中卩——導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005；f 2兀qiF——垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0x可得：T二0可得：T二0?005x(0+9°00)xO.。05n.m.0.051N?mf 2兀x0.7xl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T=T+T=0.16N?meql amax f2）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T，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T;一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)t轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩T；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f力矩T，T相對(duì)于T和T很小，可以忽略不計(jì)。則有：T=T+T0 0 t f eq2t f因?yàn)殂@床沒有軸向力，所以只