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
1
12.5～12.6
课题调研及资料收集，研究问题及提出初步总体方案
2
12.7
总体方案论证及拟定
3
12.8～12.10
机械某些方案论证拟定及计算
4
12.11～12.13
电气某些方案论证拟定及设计
5
12.14～12.15
撰写论文及绘制有关图纸
6
12.16
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，.1
[2]韩建海.数控技术及装备（第三版）[M].华中科技大学出版社，.5
[3]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，.6
[4]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，.1
[5]成大先. 机械设计手册(第六版)[M]. 北京：化学工业出版社，.4
[6]坂本正文（日）.步进电机应用技术[M]. 北京：科学出版社，.6
[7]刘刚. 单片机原理及其接口技术[M]. 北京科学出版社，.7
[8]段正澄会.光机电一体化技术手册[M]. 北京：机械工业出版社，.6
[9]龚仲华.数控机床电气设计典例[M].北京：机械工业出版社，.7
[10]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，.9
[11]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
ZK
5125A
ZK
5125B
ZK
5125C
ZK
5140A
ZK
5140B
ZK
5140C
ZK
5150A
ZK
5150B
ZK
5150C
加速时间T
S
0.5
0.8
1.0
X向坐标行程
mm
500
550
600
700
800
900
900
950
1000
Y向坐标行程
350
400
350
400
350
400
500
450
500
工作台面(X×Y)
mm2
550×
300
600×
350
650×
300
750×
350
850×
300
950×
350
950×
450
1000×
400
1100×
450
工作台面以上承重
Kg
500
600
800
工作台快进速度
mm/min

2500
3000
脉冲当量
mm/pulse
0.01
0.02
0.03
定位精度
mm
0.03
0.04
0.05
重复定位精度
mm
0.02
0.03
0.04
最大钻孔直径
mm
25
40
50
每转进给量(钻削)
mm/r
0.25
0.32
0.4
钻孔刀具
麻花钻头
钻削加工材料
钢 σb=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230mm×230mm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650mm×300mm，大概为实例2倍，也就是除去工件重量总重量大概为500N×2=1000N，因此总重量为7840N+1000N≈9000N，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
①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650mm×300mm，X-Y方向加工范畴为700mm×350mm，考虑工作行程留有一定余量，选用导轨长度为：Y方向为1080mm。

②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
①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：
②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：
③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。
④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，。

⑤刚度验算
⑴X-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，
⑵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3×1，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。
⑶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315mm—400mm时，行程偏差容许达到25，可见丝杠刚度足够。
⑥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
①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
⑴求解：

式中，为丝杠公称直径；为丝杠长度；为密度。
⑵求解

式中，为Y以上总质量，为导程。
，。
从而求得，。
⑶求解
初步选取为SS2402E14A，步距角为，转动惯量为
则
②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=+=0.16
2） 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。