贵州大学机电一体化专业课程设计项目说明指导书最终版.doc

课程设计设计题目：ZK5125C型立式数控钻床工作台设计课程名称： 机电一体化系统设计课程设计 学 院： 机械工程 专 业：机械设计制造及其自动化姓 名： 学 号： 年 级： 任课教师： 12月10日贵州大学本科课程设计诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交课程论文（设计），是在导师指引下独立进行研究所完毕。课程论文（设计）中凡引用她人已经刊登或未刊登成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名：日期：预期目的:设计出符合任务书规定数控钻床工作台、控制原理框图，撰写不低于20页左右设计论文，并附录有关资料及设计图纸。筹划进程:序号筹划时间进程112.512.6课题调研及资料收集，研究问题及提出初步总体方案212.7总体方案论证及拟定312.812.10机械某些方案论证拟定及计算412.1112.13电气某些方案论证拟定及设计512.1412.15撰写论文及绘制有关图纸612.16上交设计成果，答辩重要参照文献:1张建民. 机电一体化系统设计M.北京理工大学出版社，.12韩建海.数控技术及装备（第三版）M.华中科技大学出版社，.53尹志强.机电一体化系统设计课程设计指引书M. 北京：机械工业出版社，.64王金娥.机电一体化课程设计指引书M. 北京：北京大学出版社，.15成大先. 机械设计手册(第六版)M. 北京：化学工业出版社，.46坂本正文（日）.步进电机应用技术M. 北京：科学出版社，.67刘刚. 单片机原理及其接口技术M. 北京科学出版社，.78段正澄会.光机电一体化技术手册M. 北京：机械工业出版社，.69龚仲华.数控机床电气设计典例M.北京：机械工业出版社，.710文怀兴.夏田.数控机床系统设计(第二版) M. 北京：化学工业出版社，.911孙莹.数控机床伺服驱动系统设计与应用M. 北京：西南交通大学出版社,.4？型立式数控钻床工作台设计数据阐明参数指标单位量纲数控钻床型号ZK5125AZK5125BZK5125CZK5140AZK5140BZK5140CZK5150AZK5150BZK5150C加速时间TS0.50.81.0X向坐标行程mm5005506007008009009009501000Y向坐标行程350400350400350400500450500工作台面(XY)mm255030060035065030075035085030095035095045010004001100450工作台面以上承重Kg500600800工作台快进速度mm/min25003000脉冲当量mm/pulse0.010.020.03定位精度mm0.030.040.05重复定位精度mm0.020.030.04最大钻孔直径mm254050每转进给量(钻削)mm/r0.250.320.4钻孔刀具麻花钻头钻削加工材料钢 b=650Mpa步进电机步距角自定导轨类型自定滚珠丝杠螺距自定控制系统类型自定设备使用寿命；年均工作300天；每天10小时第一章 总体方案拟定1.1机械传动部件选取1.1.1导轨副选用：要设计X-Y工作台是用来配套立式数控钻床使用，需要承重载荷不大，无切削力（工作台移动中不作切削），设计数据所规定脉冲当量较小、定位精度普通。因而，决定选用直线滚动导轨副，它具备摩擦系数小，不易爬行、传动效率高、构造紧凑、安装预紧以便等长处。1.1.2丝杠螺母副选用：伺服电动机旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，选取滚珠丝杠螺母副，滚珠丝杠螺母副传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。第二章 机械传动部件计算与选型2.1导轨上移动部件重量估算2.1.1 Y方向导轨上移动部件重量估算按照导轨上面移动部件重量进行估算。涉及工件、夹具、工作平台、上层电动机、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，工件最大质量为800kg，重量为7840N，依照参照资料上实例可以看出，工作台尺寸为230mm230mm除去工件重量总重量大概为500N，ZK5125C型立式数控钻床工作台尺寸为650mm300mm，大概为实例2倍，也就是除去工件重量总重量大概为500N2=1000N，因此总重量为7840N+1000N9000N，预计重量为9000N。2.1.2 钻削力计算设零件加工方式为立式钻削，采用硬质合金立钻刀。工件材料为碳钢。立钻时钻削力计算公式为：（2-1）式中：为轴向力，单位为N；为轴向力系数；为钻头直径，单位为mm；为轴向力指数；为每钻进给量，单位为mm/r；为轴向力指数；为修正系数。，从而求得：2.1.3直线滚动导轨副计算与选型滑块承受工作载荷计算及导轨型号选用工作载荷是影响直线导轨副使用寿命重要因素。本例中X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块支撑形式。考虑最不利状况，即垂直于台面工作载荷所有由一种滑块承担，则单滑块所受最大垂直载荷为： （2-2）式中：为最大工作载荷；为移动部件重量；为外加载荷。，从而求得：依照工作载荷，初选直线滚动导轨副型号为KL系列JSA-LG35型，其额定动载荷，额定静载荷。任务书上规定工作台面尺寸为650mm300mm，X-Y方向加工范畴为700mm350mm，考虑工作行程留有一定余量，选用导轨长度为：Y方向为1080mm。距离额定寿命计算 上述选用KL系列JSA-LG35型导轨滚到硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度级别为4级，工作温度较低，载荷不大。（2-3）式中：为距离额定寿命，单位为km；为额定动载荷，单位为kN；为硬度系数；为滑块上工作载荷，单位为kN；为温度系数；为接触系数；为精度系数；为载荷系数。，。从而求得：不不大于盼望值50km，故距离额定寿命满足规定。2.1.4滚珠丝杠螺母副计算与选型最大工作载荷计算 依照任务书所说工作台移动中不作切削，因此滚动丝杠在运动中只需要克服滚动导轨摩擦力。（2-4）式中：为最大工作载荷；为滚动导轨摩擦因数；为移动部件总重量。，从而求得：最大动载荷计算设工作台最快进给速度，初选丝杠导程，则此时丝杠转速（2-5）式中：为丝杠转速；为最快进给速度；为丝杠导程。从而求得：。（2-7）式中：为滚珠丝杠副寿命；为使用寿命；为丝杠每分钟转速。由于这个机床为数控机床，因此取，。从而求得：。（2-8）式中：为最大动载荷；为滚珠丝杠副寿命；为载荷系数；为硬度系数；为滚珠丝杠副最大工作载荷。，从而求得：初选型号依照计算出最大动载荷和初选丝杠导程，选取济宁博特精密丝杠制造有限公司生产G系列-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器但螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈1列，精度级别为5级，额定动载荷为9309N，不不大于，满足规定。传动效率计算(2-9)式中：为公称直径，为导程，为丝杠螺旋升角。,。从而求得，。（2-10）式中：为传动效率；为丝杠螺旋升角；为摩擦角，从而求得，。刚度验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副支撑均采用“单推单推”方式，丝杠两端各采用一对推力角接触轴承，面对面组配，由于Y方向行程为350mm，考虑到安装和工作行程应当有一定余量，因此左、右支撑中心距离约为450mm；钢弹性模量；查表得，滚珠直径，丝杠底径，丝杠截面积（2-11）式中，为丝杠截面积；为丝杠底径。从而求得：。丝杠在工作载荷作用下产生拉/压变形量（2-12）式中，为变形量；为工作载荷。从而求得，依照公式（2-13）式中，为丝杠公称直径；为滚珠直径；为单圈滚珠数。，。从而求得：；该型号丝杠为单螺母，滚珠圈数列数为31，代入公式：=Z圈数列数，得滚珠总数量=45个，丝杠预紧时，取轴向预紧力（2-14）式中，为轴向预紧力；为工作载荷。从而求得，。求滚珠与螺纹滚道之间接触变形，由于丝杠有预紧力（2-15）式中，为滚珠与螺纹滚道之间接触变形；为工作载荷；为滚珠直径；为滚珠总数量；为预紧力。从而求得：。由于丝杠有预紧力，且为轴向力1/3，因此实际变形量可减少一半，取。将以上算出和带入，求得丝杠总变形量（相应跨度为550mm）本任务中，在Y方向，丝杠有效行程为350mm，由表中可知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315mm400mm时，行程偏差容许达到25，可见丝杠刚度足够。压杆稳定性校核（2-16）式中，为临界载荷；为丝杠支撑系数；为压杆稳定安全系数；为滚珠丝杠两端支撑间距离；为界面惯性矩。，。从而求得，远远不不大于，故丝杠不会失稳。综上所述，初选滚珠丝杠副满足使用规定。2.1.5步进电动机减速箱选用一方面假设传动比为1，由于这样可以简化构造，增长可靠性，提高传动效率。（2-17）式中，为传动比；为初选电机步距角；为滚珠丝杠导程；为脉冲当量。假设让，从而求步距角值。解出了：。2.1.6步进电动机计算与选型总转动惯量求解重要涉及电动机转子转动惯量，减速装置，滚珠丝杠以及移动部件等折算到电动机转轴上转动惯量。由于传动比为1，因此没有减速装置，即求解：式中，为丝杠公称直径；为丝杠长度；为密度。求解式中，为Y以上总质量，为导程。，。从而求得，。求解初步选取为SS2402E14A，步距角为，转动惯量为则计算加在步进电机转轴上等效负载转矩分迅速空载启动和承受最大工作载荷两种状况进行计算1） 迅速空载启动时电动机转轴所承受，涉及三某些：一某些是迅速空载启动时折算到电动机转轴上最大加速转矩；一某些是移动部件运动时折算到电动机转轴上摩擦转矩；尚有一某些是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上附加摩擦转矩。由于滚珠丝杠副传动效率很高，依照式（4-12），可知相对于和很小，可以忽视不计。则有：=+最大加速转矩=式中 相应空载最快移动速度步进电动机最高转速，单位为 步进电动机由静止到加速至转速所需时间，单位为s其中： 式中 空载最快移动速度，任务书指定为； 步进电动机步距角，预选电动机为 脉冲当量，为0.01算得=400设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.5s，传动链总效率为则求得：由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上摩擦力矩为：，式中 导轨摩擦因数，滚动导轨取0.005； 垂直方向铣削力，空载时取0； 传动链总效率，取0.7。可得：最后求得迅速空载启动时电动机转轴所承受负载转矩=+=0.162） 最大工作负载状态下电动机转轴所承受负载转矩，也涉及三某些：一某些是折算到电动机转轴上最大工作负载转矩；一某些是移动部件运动时折算到电动机转轴上摩擦转矩；尚有一某些是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上附加摩擦力矩，相对于和很小，可以忽视不计。则有：=+由于钻床没有轴向力，因此只计算垂直方向承受最大工作负载（=45N)状况下，移动运动部件运动时折算到电动机转轴上摩擦转矩： = 通过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上最大等效负载转矩应为： 3） 步进电动机最大静转矩选定 考虑到步进电动机驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压减少时，其输出转矩会下降，也许导致，丢步，甚至堵转。因而，依照来选取步进电动机最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安全系数K=4，则步进电动机最大静转矩应满足：。依照所选SS2402E14A型电动机，可知该电动机最大静转矩为0.83，满足规定。（4） 步进电动机性能校核1） 最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快移动速度为=，脉冲当量为。由此可得=。依照所选SS2402E14A型电动机，可知该电动机输出转矩不不大于工作转矩。2） 起动频率计算 始终电动机转轴上总转动惯量，电动机转子转动惯量，电动机空载时起动频率。则可求得：上式阐明，要想保证步进电动机起步时不失步，任何时候启动频率都必要不大于864。则所选SS2402E14A型电动机，完全满足设计规定。