42-二坐标数控工作台设计【CAD图纸+word说明书】
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宁波大学 第 1 页 宁波大学科技学院理工分院 机械设计制造及其自动化专业 机电模块课程设计 设计题目 二坐标数控工作台设计 专 业 机械电子工程 姓 名 罗文 学 号 084174022 班 级 08 机械（ 1）班 指导教师 胡利永 学 期 2011 2012学年第二学期 设计时间 2012、 02、 17 2012、 03、 09 内 附 资 料 1、课程设计说明书一份（含设计任务书）； 2、二坐标数控工作台装配图一张（ 3、二坐标数控工作台电气控制原理图一张（ 4、计算说明书草稿一份。 成 绩 宁波大学 第 2 页 目录 一 （ 3） 二 （ 3） 三 （ 3） （ 3） 步进电机参数确定及选择 （ 4） 联 轴器选择 （ 7） 四 （ 7） 滚珠丝杠设计计算 （ 8） 滚动导轨设计计算 （ 9） 五 （ 9） 步进电机参数确定及选择 （ 9） 联轴器选择 （ 11） 六 （ 11） 1. （ 11） 2. （ 13） 七 （ 13） 八 （ 14） 九 （ 15） 宁波大学 第 3 页 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 典型工况下，工作台速度、进给抗力及台面上工作物重量； 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）数控工作台装配图（ 1： 1比例） 1张； （ 2）数控系统电气原理图（ 2图幅） 1张； （ 3）设计说明书（ 10 20）页 1本； 所有图样均采用 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 方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动。 工作台 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 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 宁波大学 第 4 页 计算及说明 结果 m/s, 45N, 45 ）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=( (360i)=5 (360 1=24,4 0,模数 m=2宽 62=15圆柱斜齿轮传动设计如下： 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） 1=24,1 i=24 30 4） 初选 14o 2.（ 1）按齿面接触疲劳强度设计 2 u 1） ( d a u H2(1/3) 1)t=查表 得材料弹性影响系数 2)取区域系数 表得 选取齿宽系数 d ).（由 1图）查得 a )j=1， 所以： 00 375 1 (2 8 300 15) 109 1/u=109/109 5).（由 1图）查得接触疲劳寿命 系数 6).（由 1图 ） 查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)失效概率为 1%，取安全系数 S=1,由式得： H1 =600/1 510 H2 =550/1 H= （ H1+ H2)/2=) 计算小齿轮传递的转矩： 105Px/105 75= 2） 1） 2 140 （ 2） （ 1/3） 2)v= 60 1000) s 3) b= mm 4=h=1=162=15E H= d 0.3 波大学 第 5 页 b/h=) d 24),（查 1表）得使用系数 据 v=m/s ,7级精度，由（ 1图）查得动载系数 由 1表）查得 计算公式： + 10b= b/h=由 1图 3)查得 由（ 1表）查得 载荷系数 K=） d1=)(1/3)= （ 1/3） =11.5 )mn=4=按齿根弯曲强度设计 1). 按 齿 轮 弯 曲 强 度 设 计 (2 ) ( F)(1/3) 计算载荷系数， K= 根据纵向重合度 （ 1图）查得螺旋角影响系数 计算当量齿数 1/24/2/30/ 由（ 1表）查得 ： 为小齿轮弯曲极限强度 00齿轮 380（ 1图）得弯曲疲劳寿命系数 安全系数 S= F1 = F2 304 计算大、小齿轮 F1并加以比较 F1 F2=04 大齿轮数据 2)2 140 ()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 u 24 30 4几何尺寸计算 中心距 a=(2)2 =(24+30) 2/（ 2 以圆整为 56 按圆整后的中心距修正螺旋角 2)a=24+30) 2/(2 56) = 值改变不多，故参数 、 计算大、小齿轮分度圆直径 1mn/24 2/2mn/30 2/a=32mm 2 宁波大学 第 6 页 计算齿轮宽度 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)等效传动惯量计算 (不计传动效率 ) 小齿轮转动惯量 32= ( 1032 =10-5 中 钢密度 =10-3 kg/理 ,大齿轮转动惯量 7 10-5 由 3表 3得到 0 l=400 珠丝杠转动惯量 32= (2)4 49 10 32 10-4 =6 10-5 板及工作物重和导轨折算到电机轴上的转动惯量 , 工作物重约为 12w=(G/g) (2 ) 2 =12 (2 ) 2 10-6 此 ,折算到电机轴上的等效转动惯量 e= s) =10-5 10(17 106 10 ( =10-4 3)等效负载转矩计算 (以下为折算到电机轴的转矩 ) 由 指导书 (4 (4知 : ( (2 i)= (145+140) (2 f= (Ff (2 i)= ( (2 i)=(12 (2 述式中 丝杠预紧时的传动效率取， = 为摩擦系数取 ) ( /360 )=(2250/ (60)=562.5 r/起动加速时间 s 初选电动机型号 90频特性如下图所示 ,其最大静转矩 m,转动惯量 10-4 400故 (2 i) (12)= (1/3 (2 i) (12) =(1/3) 145 (2 中 滚珠丝杠预加负荷 ,一般取 进给牵引力 (N) 0 滚珠丝杠未预紧时的传动效率 ,取 a=( 2 (60= （ 10 (2 375) (60 q= m 0 l=400 s=6 10-5 w= 10-6 e= 10-4 t=f=m 62.5 r/0=a= 波大学 第 7 页 m m 从计算可知 , 作为初选电动机的依据 . 满足所需转矩要求 . 4)步进电机动态特性校验 fL fc=60 )=300/(60 1250 临界转速 对于在高速下工作的长丝杠，须验算 其临界转速，以防止丝杠共振 . 910(中 F 00 取 波大学 第 9 页 时验算丝杠另一个临界值 0 833=7500 fL fc=60 )=300/(60 1000 临界转速 对于在高速下工作的长丝杠，须验算其临界转速，以防止丝杠共振 . 910(中 F 80 取 时验算丝杠另一个临界值 0 125=250070000 由 1表 6201. 宁波大学 第 13 页 由 1表 6001 参考 1中有关内容，计算略 定位精度验算 (略 ) (7)滚动导轨副的防护 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 . 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 . 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 . (5) 选日本 滚动导轨 ， , (6) 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 8 8400 h 每分钟往复次数 (7) L=(2(103)= 算四滑块的载荷 ,工作台及其物重约为 =算需要的动载荷 (8) ( ( (L/50)1/3= 3查表 3 20 选用 号滚动导轨副 ,其 740N. 650N (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。 宁波大学 第 14 页 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呢？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 031 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 64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 储器。由于 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 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位地址宁波大学 第 15 页 线 031的 8位地址线 7接地址锁存器 74出端。读、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/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 10位 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 各位的位选线分别由相应的 I/O 口线控制。即 10个 I/现各位的分时选通。为了保证各位 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 （ 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。
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