44-二坐标数控工作台设计【CAD图纸+word说明书】
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二坐标数控工作台设计 一、机电专业课程设计目的 本课程设计是学生在完成专业课程学习后，所进行的机电一体化设备设计的综合性训练。通过该环节达到下列目的：（ 1）巩固和加深专业课所学的理论知识；（ 2）培养理论联系实际，解决工程技术问题的动手能力；（ 3）进行机电一体化设备设计的基本功训练，包括以下 10方面基本功： 1）查阅文献资料； 2)分析与选择设计方案； 3）机械结构设计； 4）电气控制原理设计； 5）机电综合分析； 6）绘工程图； 7）运动计算和精度计算； 9）撰写设计说明书；10）贯彻设计标准。 二、机电专业课程设计的任务 和要求 在规定时间内，按设计任务书给定的原始数据，在教师指导下，独立完成二坐标数控工作台设计工作。原始数据包括 错误 !未找到引用源。 典型工况下，工作台速度、进给抗力及台面上工作物重量； 错误 !未找到引用源。 工作台定位精度、台面尺寸和行程。 设计具体要求完成以下工作： （ 1）工作台装配图一张（ 0 号） （ 2）控制电器图一张（ 1 号） （ 3）设计说明书一份（ 10 20 页 ） 所有图样均采用 制打印，设计说明书按规定撰写。 三、 X 轴方案及参数计算 1 方案拟定 方案拟定即确定工作台传动的形式和控制方式及主要部件或器件的类型。 （ 1）驱动控制方式 由给定的工作台精度要求较低，为简化结构，故采用单片机控制的步进电机驱动系统。主要由步进电机、单片机驱动控制电路、滚珠丝杠副组成。 （ 2）传动形式确定 工作台 X 方向和 Y 方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动。 工作 台 X 方向采用一级齿轮传动方式，可以通 过降速扩大转矩输出，匹配进给系统惯量，获得要求的输出机械特性，同时减小脉冲当量。 工作台 Y 方向采用直接传动方 式， 电机通过刚性联轴器与滚珠丝杠联结。结 构紧凑，传动效率高。丝杠转速与转矩输出完全与电机的输出特性一致。 2. X 轴步进电机参数确定及选择 X 参数选定与计算 .0 m/s， 25 N， ）脉冲当量选择 初选五相电机，按五相十拍工作时，步矩角 =,初定脉冲当量 =p, 丝杠导程 间齿轮传动比 i 为 : i=( (360 )=5 (360 1=24,0； 数 m=2宽 62=15、 X 轴圆柱斜齿轮传动设计 1） 料、齿数及螺旋角 （ 1） 级 （ 2） 0质），硬度为 280齿轮材料为 45钢（调质 ） ,硬度为 240者硬度差为 40 3） 1=24， 1 i=24 30 （ 4） 选 14 2） 按齿面接触疲劳强度设计 2 u 1） ( d a u H2(1/3) （ 1） t=(由 1表 10材料弹性影响系数 2） .(由 1图 10 )选取区域系数 由 1表 10取齿宽系数 d （ 3） .（由 1图 10得 a 4） j=1 已知 V=珠丝杠的基本导程 ) ( /360 ) =(2000/ (60) =500 r/以 00 500 1 (2 8 300 15) 109 1/i=109/109 (5).（由 1图 10得接触疲劳寿命系数 6).（由 1图 10得小齿轮接触疲劳强度极限 00齿轮的接触疲劳强度极限 507)应力，取安全系数 S=1 H1 =600/1 516 H2 =550/1 478 H= （ H1+ H2） /2 =497效率 =x = v/(1000 )=150 2/(1000 60)=8)1=106Px/b）、计算 （ 1） 2（ u 1） ( d a u H2(1/3) =2 （ 97） 2（ 1/3） 2)v= 60 1000) s （ 3) b= b/h= 4) d 24 = 5)，查 1表 10使用系数 据 v=m/s ,7级精度， 由（ 1图 10得动载系数 由 1表 10得 计算公式：+ 10b= b/h=由 1图 10得 由（ 1表 10得 载荷系数 K= 6） d1=)(1/3)= （ 1/3） = 取 8 （ 7)mn=8 ） 、 a)(2 ) ( F)(1/3) （ 1） K= 2） =（ 1图 10得螺旋角影响系数 3） 1/24/=2/30/= （ 4） 1表 10出 ,因为（ 1图 10齿轮弯曲极限强度 00齿轮 380（ 1图 10弯曲疲劳寿命系数 安全系数 S= F1 = F2 = 5） 齿轮 F1 、 F2并加以比较 F1= F2=大齿轮数据 b)(2 ) ( F)(1/3) =2 ()2/（ 242 （ 1/3） =对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算得法面模数 2 可满足弯 曲强度，但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度计算得的分度圆直径 8来计算应有的齿数，于是有 Z1=8 24，则 i 24 30 4几何尺寸计算 （ 1） a=(2)2 =(24+30) 2/（ 2 以圆整为 56 2） 2)a=24+30) 2/(256) =, 因 值改变不多，故参数 、 （ 3） 齿轮分度圆直径 1mn/24 2/=mm 2mn/30 2/= 4） b= 2=15易于补偿齿轮轴向位置误差，应使小齿轮宽度大于大齿轮宽度，所以小齿轮约为 6、 1）滚珠丝杠副 的结构类型 （ 1） 由 3表 5选择外循环插管式 （ 2） 预紧目的在于消除滚珠螺旋传动的间隙 ,避免间隙引起的空程 ,从而提高传动精度 . 由 3表 5采用双螺母垫片预紧方式。 2）滚珠丝杠副直径和基本导程系列 由 3表 5采用丝杠直径 20程为 50滚珠丝杠精度等级确定 （ 1） 由 3表 50 v = 3010 2） 根据有效行程内的平均行程允许偏差 00 410/300 6=3表 5 精度等级为 ）滚珠丝杠副支承形式选择 滚珠丝杠主要承受轴向载荷 ,应选用运转精度高 ,轴向刚度高、摩擦力距小的滚动轴承 其次才是径向约束。 由 3表 5采用一端固定一端游动 (承形式 . 5）滚珠丝杠副的选择 高速或较高转速情况 按额定动负荷 C C j=( (60(106)1/3 式中 C N) N). r/ 25r/h). 查考 3表 5h=15000 h. 查 3表 5 查 3表 5.0 查 3表 5.9 查 3表 5 .0 查 3表 5）滚珠丝杠副校核 （ 1） 对于一端轴向固定受压缩的滚珠丝杠 ,应进行压杠稳定性校核计算 . 不发生失稳的最大压缩负荷称为临界压缩负荷 ,用 示 1010( ( 中 取 430 mm 查 43全系数， 取 1/3 803N 2） 910(中 取 20209 r/ 同时验算丝杠另一个临界值 0 425=8500 fL fc=60 )=300/(60 2）临界转速 910(中 取 m 7612 r/ 同时验算丝杠另一个临界值 0 280=560070000 （ 3）轴承选择校核 由 1表 6择深沟球轴承 6201 由 1表 6角接触球轴承 7001C. （ 4）定位精度验算 7) 滚动导轨副的防护 （ 1）滚珠丝杠副的防护装置 采用专业生产的伸缩 式螺旋弹簧钢套管 . （ 2）滚珠丝杠副的密封 滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示 这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力 . （ 3）滚珠丝杠副的润滑 润滑剂用锂基润滑剂 . 滚动导轨设计计算 导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动 ,并承受运 动部件上的载荷 ,即起导向和承载作用 ,导轨副中 ,运动的一方称作运动导轨 ,与机械的运动部件联结 ,不动的一方称作支承导轨 ,与机械的支承部件联结 使之按功能要求作正确的运动 . (1)选日本 动导轨 ,E 级精度 1 (2)寿命按每年工作 300 天 ,每天两班 ,每班 8h,开机率 ,额定寿命为 : 0 300 2 8 8400 h,每分钟往复次数 L=(2(103)=(2 8 60 38400)/ (103)=算四滑块的载荷 ,工作台及其物重约为 125N P=125 4=N 计算需要的动载荷 ( (fh ft fc (L/50)1/3=167N 由 3表 3线滚动导轨副 ,其 1740N 2650N (3) 滚动导轨间隙调整 预紧可以明显提高滚动导轨的刚度 ,预紧采用过盈配合 ,装配时 ,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量 . (4) 润滑与防护 润滑 :采用脂润滑 ,使用方便 ,但应注意防尘 . 防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨 ,以提高导轨寿命 . 防护方式用盖板式 . 七、绘制装配图 合与精度等级。包括特性尺寸、最大体形尺寸、安装尺寸和主要零件的配合尺寸。 要求。 6 检查装配图。 八、电气原理图设计 单片机是把微型计算机的主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机 ,因而可以把它看成是一个不带外部设备的微型计算机。不同系列的单片机共同的特点是：控制功能强；体积小；功耗低；成本低。 由于上述优越性能，单片机已在工业、民用、军用等工业控制领域得到广泛应用，特别是随着数字技术的发展，它在很大程度上改变了传统的设计方法。在软件和扩展接口支持下，单片机可以代替以往由模拟和数字电 路实现的系统。 如电气原理图所示的就是通过单片机及其外围接口实现的二坐标数控工作台电气原理图。它由 8031 型单片机、数据锁存器 74储器 址译码器 74行 I/O 接口 8255 等集成电路构成。下面分别说明它们在整个控制部分中的功能、用法及其选择原则。 1）单片机的选择 设计单片机应用系统，首先要设计其核心的单片机系统。从一开始就有一个单片机芯片选型问题。面对不同字长，如 4 位、 8 位、 16 位，各具特色的单片机芯片如何进行选择。首先要满足所设计系统的功能和性 能要求；其次要选择价格较低的芯片，不要盲目追求过多功能和过高性能；另外要选择那些在国内有成熟的开发系统和稳定的供货来源。如采用流行普遍使用的芯片，资料丰富，能有效地缩短开发周期。 本课程设计目的是设计一种经济型的二坐标数控工作台，其功能比较简单，成本低。因而这里选用 列的 8031 单片机作为 具有良好的性能价格比，且易扩展。 2）外部程序存储器的扩展 程序存储器空间为 64K 字节。对于片内无 单片机（如 8031），或当单片机内部程序存储器容量不够时，进行程序存储器的扩展是 必不可缺的。半导体存储器在原理上都可用作单片机的外部程序存储器。由于 格低廉，性能可靠，所以单片机外部扩展的程序存储器一般为 片（紫外线可擦除、电可编程的只读存储器），掉电后信息不会丢失。在选择外部程序存储器电路时，应注意电路的读取时间能否与 号匹配。其片选端接地。 由于本设计程序容量不大，因而选用 2764 作为外部程序存储器。 3）外部数据存储器的扩展 对大多数控制性应用场合， 列单片机内部 能满足系统对数据存储的要求。对需要较大容量数据缓冲器的应用系统，就需要在单片机的外部扩展数据存储器。 在电气原理图中根据设计功能要求选用一片 6264 作为外部数据存储器。图中其高 5 位地址线 031的 8位地址线 7接地址锁存器 74、写控制信号分别接 8031 的 片选信号通过地址译码法进行选通。 4） I/O 口扩展电路 本课程设计因采用步进电机作为驱动装置。为了降低成本，特采用可编程外围并行接口芯片 8255。使其不仅完成驱动步进电机的功能，同时完成与键盘 /显 示器的接口操作功能。 5）显示器接口设计 电气原理图中，由 10 片共阳极 示块拼成 10 位 示器。为了简化硬件电路，采用动态显示方式。即所有位的段选线相应地并联在一起，由 8031 的 来控制示器的段码，而各位的位选线分别由相应的 I/O 口线控制。即 0 个 I/O 口线控制，实现各位的分时选通。为了保证各位 够显示出本位相应的显示字符，而不出现闪烁，导致人眼看不清，必须根据人眼视觉暂留现象，选择一个合适的扫描频率。图中选用 74行同相驱动 。 6）键盘接口电路设计 键盘实质上是一组按键开关的集合。电气原理图中采用矩阵式键盘接口，键盘接口电路通过 8255（ 成行、列线。按照逐行逐列地检查键盘状态（即扫描）来确定闭合键的位置。 7）步进电机的接口电路设计 对于本课程设计中选用的步进电机，为五相，无论它工作在什么方式，都需要五路控制电路，并且每一路对应于步进电机的一相。而每一路控制电路的结构是一样的。 电气原理图中通过 8255（ 别控制 X 方向步进电机的五相。对于 过 8255（ 别控制 Y 方向步进电机的五相。 8）其他 （ 1）
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