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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(shū) 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(shū)要求的數(shù)控鉆床工作臺(tái)、控制原理框圖，撰寫(xiě)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 1 12.5～12.6 課題調(diào)研及資料收集，研究問(wèn)題及提出初步總體方案 2 12.7 總體方案論證及確定 3 12.8～12.10 機(jī)械部分方案論證確定及計(jì)算 4 12.11～12.13 電氣部分方案論證確定及設(shè)計(jì) 5 12.14～12.15 撰寫(xiě)論文及繪制相關(guān)圖紙 6 12.16 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，2013.1 [2]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，2016.5 [3]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(shū)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.6 [4]王金娥.機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2012.1 [5]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，2016.4 [6]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，2010.6 [7]劉剛. 單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M]. 北京科學(xué)出版社，2015.7 [8]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，2010.6 [9]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，2014.7 [10]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，2011.9 [11]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) ZK 5125A ZK 5125B ZK 5125C ZK 5140A ZK 5140B ZK 5140C ZK 5150A ZK 5150B ZK 5150C 加速時(shí)間T S 0.5 0.8 1.0 X向坐標(biāo)行程 mm 500 550 600 700 800 900 900 950 1000 Y向坐標(biāo)行程 350 400 350 400 350 400 500 450 500 工作臺(tái)面(XY) mm2 550 300 600 350 650 300 750 350 850 300 950 350 950 450 1000 400 1100 450 工作臺(tái)面以上承重 Kg 500 600 800 工作臺(tái)快進(jìn)速度 mm/min 2000 2500 3000 脈沖當(dāng)量 mm/pulse 0.01 0.02 0.03 定位精度 mm 0.03 0.04 0.05 重復(fù)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(jìn)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(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+1000N≈9000N，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 ①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(shū)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。 ②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 ①最大工作載荷的計(jì)算 根據(jù)任務(wù)書(shū)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： ②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： ③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。 ④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，。 ⑤剛度的驗(yàn)算 ⑴X-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， 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(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。 ⑶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315mm—400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25，可見(jiàn)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(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 ①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 ⑴的求解： 式中，為絲杠的公稱直徑；為絲杠的長(zhǎng)度；為密度。 ⑵的求解 式中，為Y以上的總質(zhì)量，為導(dǎo)程。 ，。 從而求得，。 ⑶的求解 初步選擇為SS2402E14A，步距角為，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 則 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 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(shū)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=+=0.16 2） 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(shū)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。