35-二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 机械设计制造及其自动化 姓 名 童瑞甫 学 号 084173945 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 2012、 03 宁波大学科学技术学院 1 目录 一 （ 3） 二 数确定及选择 （ 3） （ 3） （ 3） （ 5） （ 5） （ 6） （ 6） （ 7） （ 9） （ 9） 三 数确定及选择 （ 9） （ 9） （ 9） （ 10） （ 10） （ 11） （ 11） 四、控制系统设计 （ 12） （ 12） （ 12） （ 12） 择 （ 12） （ 12） （ 15） （ 16） （ 16） 五、 参考文献 （ 17） 宁波大学科学技术学院 2 一、 总体 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。 二、 X 轴步进电机参数确定及选择 由已知设计参数： .0 m/s, 80N,则 脉冲当量选择 初选三相电机，按 三相六拍工 作时，步矩角 =,初定脉冲当 量 =p, 丝杠导程 间齿轮传动比 i=( (360 )=5 (360 1=20,2,模数 m=2齿轮 齿宽 0则 2 圆柱斜齿轮传动设计 (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 403） 1=20,1 i=20 42 (4） 初选 14o 轮强度计算 （ 1）按齿面接触疲劳强度设计 2 u 1） ( d a u H2(1/3) 1)t=查表可 得材料弹性影响系数 )材， 选取区域系数 选取齿宽系数 d 3). 查 表 得 a 波大学科学技术学院 3 4)j=1， 所以： 00 1500 1 (2 8 300 15) 109 1/u=109/109 5） 得接触疲劳寿命系数 6) 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, H1 =600/1 510 H2 =550/1 H= H1+ H2)/2=) 计算小齿轮传递的转矩： 105Px/105 500= 2） 计算 1） 2 （ 2） （ 1/3） ，取 )v= 60 1000) s 3) b= 7 0=h=mm b/h=) d 20 ),查 课本 得使用系数 据 v=m/s ,7级精度 ， 查得 动载系数 b/h=得 载荷系数 K=） d1=)(1/3)=7（ （ 1/3） =)mn=0=3） 按齿轮弯曲强度设计 (2 ) ( F)(1/3) 1） 计算载荷系数 ， K= 波大学科学技术学院 4 2） 根据纵向重合度 表 得螺旋角影响系数 ） 计算当量齿数 1/20/） 查 得 ,为小齿轮弯曲极限强度 00齿轮 380 得弯曲疲劳寿命系数安全系数 S= F1 =386 F2 304） 计算大、小齿轮 F1并加以比较 F1 86= F2=04 较后 取大齿轮数据 6） 设计计算 2 ()2/（ 202 （ 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 0来计算应有的齿数，于是有 Z1=0 20，则 i 24 42 轮 几何尺寸计算 中心距 a=( 2)2 =(20+42) 2/（ 2 63.9 以圆整为 64 按圆整后的中心距修正螺旋角 2)a=20+42) 2/(2 64) =o 计算大、小齿轮分度圆直径 1mn/20 2/2mn/30 2/ 计算齿轮宽度 b= 所以取 3齿轮 取 6效转 动惯量计算 (不计传动效率 ) 小齿轮转动惯量 32= 44 10 32 =10-4 中 钢密度 =10-3 kg/理 ,大齿轮转动惯量 10-4 查设计手册 初选滚珠丝杠 得到 0 l=430 珠丝杠转动 惯量 32= (2)4 43 10 32 10-4 =波大学科学技术学院 5 10-4 作重物为 12w=(w/g) (2 ) 2 =12 (2 ) 2 10-4 =10-6 此 ,折算到电机轴上的等效转动惯量 e= s) =10-4 效负载转矩计算 (以下为折算到电机轴的转矩 ) 查设计指导书 (4(4知 : ( (2 i)= (180+140) (2 f= (Ff (2 i)= ( W (2 i)=(12 10 (2 述式中 丝杠预紧时的传动效率取 = 为摩擦系数取 ) ( /360 )=(2000/ (60)=833 r/起动加速时间 s 初选电动机型号 70最大静转矩 m,转动惯量 10-4 600 (2 i) (12)= (1/3 (2 i) (12) =(1/3) 180 (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 =( 10-4 10-4 10-4 a=( 2 (60= q= m m m 从计算 可知 , 作为初选电动机的依据 . 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 取 9962r/ 同时验算丝杠另一个临界值 0*833=16660 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 宁波大学科学技术学院 11 取 26117r/ 轴承 选角接触球轴承 7001 (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 . 6 Y 轴滚动导轨设计计算 （ 1）选 滚动导轨 ， , （ 2） 寿命按 10年， 每年工作 300天 ,每 天 8h,开机率 额定寿命为 : 0 300 8 9200 h （ 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 . 四 、控制系统设计 (一 ) 设计内容 定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图； 接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等； 中要标明各器件的型号，管脚号及参数； （二） 设计步骤 数控系统的硬件电路由以下几部分组成： 1、 主控制器。即中央处理单元 、 总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。 宁波大学科学技术学院 12 3、 存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。 4、 接口。即 I/ 数控系统的硬件框图如下所示： 系列单片机是集中，端口及部分等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。 本次设计选用芯片作为主控芯片。 (）程序存储器的扩展 单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用芯片。其型号有： 外设： 键盘，显示器，打印机，器，打印机，磁盘机，磁盘机，通讯接口等 讯接口等 存储器 入 /输出 I/O 接口 信号变换 控制对象 外设： 键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等 宁波大学科学技术学院 13 2716， 2732， 2764， 27128， 27258，其容量分别为 k,4k,8k,16选择芯片时要考虑与时序的匹配。所能读取的时间必须大于所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素， 选择芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。 单片机规定 0口提供为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低位的地址信息，一般采用芯片 作为地址锁存器， 并由发出允许锁存信号 地址信息锁存入地址锁存器中。 由以上分析，采用 片的程序存储器扩展电路框图如下所示： 扩展 2764电路框图 (）数据存储器的扩展 由于内部只有字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用 6116,6262静态 次 设计选用芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示： 764 E 码电路 G 74波大学科学技术学院 14 扩展 6264电路框图 (）译码电路 在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的 地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于和容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。 （ 4）存储器扩展电路设计 8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。 该设计选用程序存储器 2764 和数据存储器 6264组成 8031 单片机的外存储器扩展电路， （ 5）扩展电路设计 (a) 单片机共有个位并行接口，但供用户使用的只有 1口及部分 3 口线。因此要进行口的扩展。与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。 (b)示器接口电路 A 1 7 6264 7 E 码电路 G 74波大学科学技术学院 15 键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。 数控系统中使用的显示器 主要有和。下图所示为采用接口管理的键盘，显示器电路。它有键和位显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及显示器的字位控制共用一个口，即共用的 盘的行线由口担任，显示器的字形控制由 8155的 键盘显示器接口电路如下所示： 4 步进电机驱动电路设计 (1）脉冲分配器 步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲 分配器和软件脉冲分配器。本设计采用 集成脉冲分配器 （ 2）光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下： （ 3）功率放大器 脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用 功率放大器。 5其它辅助电路设计 （）的时钟电路 单片机的时钟可以由两种方式产生： 内部方式和外部方式。 内部方式利用芯片的内部振荡电路，在 脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在 之间任意选择，耦合电容在 间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将 接接地， 时钟电路 （）复位电路 单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在 引脚上出现 8031 波大学科学技术学院 16 上的高电平，单片机就实现状态复位，之后便从单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用 位电路中取 ，取 ， 。 （）越界报警电路 为了防止工作台越 界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至的口 任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至的外部中断引脚（或）， 采用中断方式检查越界信号。 （三）数控系统硬件电路设计 该系统选用系列的作为主控制器。扩展存储电路为一片
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