最新贵州大学机电一体化课程设计说明书最终版.doc

1、最新贵州大学机电一体化课程设计说明书最终版设计题目：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：2013任课教师：2016年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：本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导下 独立进行研究所完成。课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、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LI标：设计出符合任务书要求的数控钻床工作台、控制原理框图，撰写不低于20 页左右设计论文，并附录相关资料及设讣图纸。计划进程:序号计

2、划时间进程112.5 12.6课题调研及资料收集，研究问题及提出初步总体方案212.7总体方案论证及确定312.8 12. 10机械部分方案论证确定及讣算412. 11 12. 13电气部分方案论证确定及设计512. 1412.15撰写论文及绘制相关图纸612. 16上交设计成果，答辩主要参考文献：1 张建民.机电一体化系统设iHMj.北京理工大学出版社，2013. 12 韩建海.数控技术及装备（第三版）M.华中科技大学出版社，2016. 53 尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书M.北京：机械工业出版社，2010.64 王金娥.机电一体化课程设计指导书M.北京：北京大学岀版社，2012.

3、 15 成大先.机械设计手册（第六版）M.北京：化学工业岀版社，2016. 46 坂本正文（日）.步进电机应用技术M.北京：科学出版社，2010. 67 刘刚.单片机原理及其接口技术M.北京科学出版社，2015. 78 段正澄会.光机电一体化技术手册M.北京：机械工业岀版社，2010. 69 龚仲华.数控机床电气设计典例M.北京：机械工业岀版社，2014. 710 M.北京：化学工业出版社，2011.911 孙莹.数控机床伺服驱动系统的设计与应用M.北京：西南交通大学出版社,2014. 4? ? ?型立式数控钻床工作台设计数据说明参数指标单位 量纲数控钻床型号ZK5125 AZK5125BZK

4、5125CZK5140 AZK5 MOBZK5140CZK515OAZK5150BZK515OC加速时间TS0.50.81.0X向坐标 行程mm5005506007008009009009501000Y向坐标行程350400350400350400500450500工作台而(XxY)mnr550x300600x350650x300750x350850x300950x350950x450lOOOx400llOOx450工作台而 以上承重Kg500600800工作台快 进速度mni/min200025003000脉冲当量mm/pulse0.010.020.03定位精度nun0.030.040.05

5、重复泄位 精度mm0.020.030.04最大钻孔 直径mm254050每转进给 量(钻削)mni/r0.250.320.4钻孔刀具麻花钻头钻削加工 材料钢 ab=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12年：年均工作300天；每天10小时第一章总体方案的确定机械传动部件的选择要设计的X-Y工作台是用来配套立式数控钻床使用，需要承重的载荷不大，无切削 力（工作台移动中不作切削），设计数据所要求的脉冲当量较小、定位精度一般。因此, 决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安 装预紧方便等优点。伺服电动机的旋

6、转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，选择滚珠丝杠螺母 副，滚珠丝杠螺母副的传动精度高、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的计算与选型2. 1导轨上移动部件的重量估算方向导轨上移动部件的重量估算按照导轨上面的移动部件的重量进行估算。包括工件、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，工件的最大质量为800kg,重量为7840N, 根据参考资料上的实例可以看出，工作台尺寸为230mmx230mm的除去工件重量的总重量 大约为500N, ZK5125C型立式数控钻床工作台的尺寸为650mmx300mm,大约为实例的2 倍，也

7、就是除去工件重量的总重量大约为500NX2二1000N,所以总的重量为7840N+1000N 9000N,估计重量为9000N。钻削力的计算设零件的加工方式为立式钻削，釆用硬质合金立钻刀。工件的材料为碳钢。立钻时 的钻削力计算公式为：巧（2-1）式中：耳为轴向力，单位为N； Cp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mnvr： *为轴向力指数；你为修正系数。CF =600 , d = 50mm, Zf = 1.0, f = 0Anun/r YF =0.1, Kr = 1从而求得：F（ = 600x 25* x 0.257 x 1 5684/V 滑块承受

8、工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y工作台为水平布置，采 用双导轨、四滑块的支撑形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一 个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直载荷为：几仝+F （2-2）4式中：Fmax为最大工作载荷；G为移动部件的重量；F为外加载荷。G = 9000N, F = Fz. = 5684N如9000,从而求得：代屮=+ 5684 = 7934Na7934&7Vmax 4根据丄作载荷Fmax = 18.5KN ,初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG35型,其额定动载荷C。= 32.5RN ,额定静载

9、荷COfl = 47.2RN。任务书上规定工作台面的尺寸为650mmX300mm, X-Y方向的加工范围为700mmX 350mm,考虑工作行程留有一定的余量，选取导轨的长度为：Y方向为1080mm 距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列的JSA-LG35型导轨的滚到硬度为60HRC,工作温度不超过100C, 每根导轨上配有两只滑块，精度等级为4级，工作温度较低，载荷不大。l = (A7tJcA x_)3x50 (2-3)fw 仏式中：厶为距离额定寿命，单位为km； C。为额定动载荷，单位为kN：九为硬度系数;F为滑块上的工作载荷，单位为kN;斤为温度系数；几为接触系数：办为精度系数;fw为载

10、荷系数。九=1.0,齐=1.0, /c=0.81, A =1.5, A =0.9, 32.5, Fmax = 7.934 o从而求得：L =(L532.57.934)3x50 = 400肋2大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求。最大工作载荷巴的计算根据任务书所说工作台移动中不作切削，所以滚动丝杠在运动中只需要克服滚动导 轨的摩擦力。(2-4)式中：耳为最大工作载荷；“为滚动导轨的摩擦因数：G为移动部件的总重量。/ = 0.005, G = 9000N从而求得：,=0.005 x 9000 = 45 最大动载荷的计算设工作台的最快进给速度2000m/min ,初选丝杠导程弘=叫 则此时丝杠

11、转速n = (2-5 )Ph式中：为丝杠转速；”为最快进给速度；儿为丝杠导程。从而求得:2000= 400/7 min o60/? 7106(2-7)式中：厶为滚珠丝杠副的寿命；T为使用寿命；为丝杠每分钟转速。/? = 400/7 min。因为这个机床为数控机床，所以取了 = 15005,从而求得：厶=60x400x1500010=360 o(2-8)式中：为最大动载荷；厶为滚珠丝杠副的寿命；几为载荷系数；九为硬度系数；Fm 为滚珠丝杠副的最大工作载荷。厶=360 9 fw =1.2 9 fl =1.0,尸小=45 N 从而求得：Fq = 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济

12、宇博特精密丝杠制造有限公司 生产的G系列的2005-3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X 1列，精度等级为5级，额定动载荷匚为9309N, 大于，满足要求。 传动效率的计算唸心9)式中：。为公称直径，壮为导程，久为丝杠螺旋升角。Ph = 5mm , d = 20mm。 从而求得，a*& = 433。=tan 2tan(2 + (p)(2-10)式中：为传动效率；2为丝杠螺旋升角；为摩擦角Z = 433, 0 = 10从而求得， =96.4%。 刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“单推一单推”的方式，丝杠的两 端各采

13、用一对推力角接触轴承，面对面组配，因为Y方向的行程为350mm,考虑到安装 和工作行程应该有一定的余量，所以左、右支撑的中心距离约为450mm；钢的弹性模量 E = 2xlOMP“；查表得，滚珠直径Dw=3A15mm ,丝杠底径d2=6.2mm，丝杠截面积 S =- (2-11)4式中，S为丝杠截面积；厶为丝杠底径。3 14x16 92从而求得：S=206.12加。4丝杠在工作载荷凡作用下产生的拉/压变形量F a认=空(2-12)ES式中，禹为变形量；耳为工作载荷。从而求得，=45： 45()= 4681 x J0-4mm12.1x105x206.12根据公式Z =啦-3 (2-13)2式中，

14、厶为丝杠的公称直径；为滚珠直径；Z为单圈滚珠数。dQ = 20nun , Dw = 3.175 nun。从而求得：Z = 3-14-2()-3 = 17；3.175该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数x列数为3x1,代入公式：Zz=Zx圈数X列数,得滚珠总数量Zz=45个，丝杠预紧时，取轴向预紧力=y (2-14)式中，F和为轴向预紧力；为工作载荷。从而求得，Fy、=E = 5N o求滚珠与螺纹滚道之间的接触变形，因为丝杠有预紧力心=0.0013,川 =(2-15)io#qj0zl/io式中，为滚珠与螺纹滚道之间的接触变形；你为工作载荷；0,为滚珠直径；Zz 为滚珠总数量；F”为预紧力。因为丝杠有预

15、紧力，且为轴向力的1/3,所以实际变形量可减少一半，取 =1.873 X104o将以上算出的和带入冬=4+6，求得丝杠的总变形量（对应跨度为550mm） g = 4.681 x IO-4 +1.873 x IO-4 = 0.6554本任务中，在Y方向，丝杠的有效行程为350mm,由表中可知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315mm400mm时，行程偏差允许达到25“，可见丝杠刚度足够。 压杆稳定性校核式中，行为临界载荷；/；为丝杠支撑系数；K为压杆稳定安全系数；为滚珠丝 杠两端支撑间的距离；/为界面惯性矩。人=1, K = 3, d = 45（W”，I =，4 x 16= 3379 门加J, f

16、= 2.1xl0。3 x 4502杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。首先假设传动比为1，因为这样能够简化结构，增加可黑性，提高传动效率。3600式中，j为传动比；&为初选电机的步距角；/为滚珠丝杠的导程；5为脉冲当量。 假设让,=1,从而求a步距角的值。1 = - -5 -解出了： a = 0.72o360x0.01 总转动惯量丿的求解丿总主要包括电动机转子的转动惯量，减速装置，滚珠丝杠以及移动部件等折算到电动 机转轴上的转动惯量。因为传动比为1,所以没有减速装置，即丿总斗转了 +厶杠+丿移动部件 儿杠的求解：式中，心为丝杠的公称直径；/为丝杠的长度；。为密度。丿移动部件的求

17、解式中，M为Y以上的总质量，几为导程。M = =- 918/: , Ph = 0.5c/h og 9.8从而求得，丿移动部件=918x（了兴吕尸=6.01kgc7?F。丿转了的求解初步选择为SS2402E14A,步距角为0.72,转动惯量为2.Skgcm2贝 I J 匕=/廿子 + 扎绑 + 丿移动部件=2.8+6.01+0.555 = 9.365kg cnr 计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩7；g分快速空载启动和承受最大工作载荷两种惜况进行计算1）快速空载启动时电动机转轴所承受的厂诃，包括三部分：一部分是快速空载启动时 折算到电动机转轴上的最大加速转矩丁； 一部分是移动部件运动时折算到电

18、动机转 轴上的摩擦转矩卩/ ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转 矩几。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）,可知几相对于和八*很小，可以忽略不计。则有：Teql=Tamax + T /最大加速转矩心宀丄6 匚 77式中ta步进电动机山静止到加速至弘转速所需的时间，单位为对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为%in其中:式中-Vmaxg n,n 3605iax空载最快移动速度，任务书指定为2000% ； a步进电动机步距角，预选电动机为0.72。5脉冲当量，为0.01%“仪算得弘二400 %伽经注吐型N川0皿7则求得：Tmax设步进电动机山静止到加速至

19、血转速所需时间九二0. 5s,传动链总效率为 = 0.7山式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦力矩为:T严計式中导轨的摩擦因数，滚动导轨取。遊Fx垂直方向的铳削力，空载时取o；“一一传动链总效率，取0.7。可得：T =1 f2 龙 x07xl最后求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩T呵二Twz十二16加2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩7；说，也包括三部分：一部分是 折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩7； 一部分是移动部件运动时折算到电动机 转轴上的摩擦转矩7；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦 力矩7；相对于7；和7很小，可以忽略不计。则有：Ttl2=T,+Tf因为钻