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原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 宁波大学科技学院理工分院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械设计制造及其自动化专业 机电模块课程设计机电模块课程设计 设计题目设计题目 二坐标数控工作台设计二坐标数控工作台设计 专专 业业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 姓姓 名名 胡宏达胡宏达 学学 号号 084173914 班班 级级 08 机械机械 1 班班 指导教师指导教师 胡利永胡利永 学学 期期 2011201120122012 学年第二学期学年第二学期 设计时间设计时间 2012、0202、17172012、0303、0909 内内 附附 资资 料料 1、课程设计说明书一份（含设计任务书） ；、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（、二坐标数控工作台装配图一张（A0） ；） ； 3、二坐标数控工作台电气控制原理图一张 （、二坐标数控工作台电气控制原理图一张 （A1） ；） ； 4、计算说明书草稿一份。、计算说明书草稿一份。 成成 绩绩 2012、03 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 目录目录 一、机电专业课程设计目的一、机电专业课程设计目的 3 二、机电专业课程设计的任务和要求二、机电专业课程设计的任务和要求 . 3 三、三、X 轴方案及参数计算轴方案及参数计算 3 1 方案拟定方案拟定 . 3 2. X 轴步进电机参数确定及选择轴步进电机参数确定及选择 . 4 3、X 轴圆柱斜齿轮传动设计轴圆柱斜齿轮传动设计 7 4 4几何尺寸计算几何尺寸计算 11 四、四、X X 轴机械结构总体设计计算轴机械结构总体设计计算 . 12 1.X1.X 轴滚珠丝杠设计计算轴滚珠丝杠设计计算 . 12 2.X2.X 轴滚动导轨设计计算轴滚动导轨设计计算 . 15 五、五、Y Y 轴方案及参数计算轴方案及参数计算 . 16 1.Y1.Y 轴步进电机参数确定及选择轴步进电机参数确定及选择 . 16 2.Y2.Y 轴联轴器选择轴联轴器选择 . 19 六、六、Y Y 轴机械结构总体设计计算轴机械结构总体设计计算 . 19 1.Y1.Y 轴滚珠丝杠设计计算轴滚珠丝杠设计计算 . 19 2.Y 轴滚动导轨设计计算轴滚动导轨设计计算 . 22 七、绘制装配图七、绘制装配图 23 八、电气原理图设计八、电气原理图设计 . 23 1.典型数控工作台电气原理图的说明 . 23 九、参考文献：九、参考文献： 27 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 一、机电专业课程设计目的一、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）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（1020 页 ） 所有图样均采用 CAD 绘制打印，设计说明书按规定撰写。 三、三、X 轴方案及参数计算轴方案及参数计算 1 方案拟定方案拟定 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。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 （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轴步进电机参数确定及选择 X 参数选定与计算 vx=2.0 m/min=0.033m/s，Fx=120 N，Px=Fxvx=3.96W 1）脉冲当量选择 初选五相电机，按五相十拍工作时，步矩角 =0.36,初定脉冲当量 =0.004mm/p, 丝杠导程 tsP=5 mm,中间齿轮传动比 i 为: i=( tsP)(360 )=0.365(3600.004)=1.25 由i确 定 齿 轮 齿 数 为Z1=24,Z2=30 ； 模 数m=2mm ， 齿 宽 B1=16mm,B2=15mm(计算过程见 4) 2)等效传动惯量计算(不计传动效率) 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 小齿轮转动惯量 Jg1=( d14b1 )32= (4.978)41.67.85 10-332kg.m2 =0.7610-4 kg.m2 式中：钢密度 =7.8510-3 kg/cm3 同理,大齿轮转动惯量 Jg2=1.710-4 kg.m2 由书表 3-13 初选滚珠丝杠 CDM2005-2.5 得到 d0=20 mm l=490 mm 滚珠丝杠转动惯量 Js=( d04l )32= (2)4497.8510-3 3210-4 kg.m2 =0.6 10-4 kg.m2 拖板及工作物重折算到电机轴上的转动惯量,拖板及工作物重之和约 为 10+2=12kg Jw=(w/g)(tsP2 ) 2 i2 =12(510 -32 ) 2(1.25)2kg.m2 =4.8610-6 kg.m2 因此,折算到电机轴上的等效转动惯量 Je Je= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) i2 =7610-6 +4.8610-6 +(17010-6 +6010-6) (1.25)2 =2.280610-4 kg.m2 3)等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩) 由书式(4-7)(4-9)可知: Mt=(Fx+ Fy) tsP/(2 i) = (120+0.06120) 0.005/(2 0.81.25) 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 =0.101N.m Mf= (Ff tsP)/(2 i) = ( W tsP)/(2 i) =(0.06139.80.005)/ (2 0.81.25) =0.00609N.m 上述式中 为丝杠预紧时的传动效率取 =0.8， 为摩擦系数取 0.06 nmax= （Vmax / ） ( /360)=250 r/min 取起动加速时间 t=0.03 s 初选电动机型号 90BF006 ,其最大静转矩 Mjmax=2.156Nm,转动惯量 Jm=2.25710-4 kgm2, fm=2400Hz. 故 M0=(Fp0tsp)(2 i) (1- 0 2) = (1/3Fxtsp)(2 i) (1- 0 2) =(1/3) 1200.005(2 0.81.25) 1-(0.9)2 =0.0061 N.m 式中 Fp0 滚珠丝杠预加负荷,一般取 Fx/3 Fx 进给牵引力(N) 0 滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取 0.9 J =( Je +Jm) = 2.280610-4 kgm2+2.25710-4 kg.m2 =4.53710-4 kg.m2 M=( Je +Jm)( 2 nmax)/(60t) 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 =4.53710-4 (2 250)(600.03) =0.3957N.m Mq = Mmax+ Mf+ M0 =0.3962+0.00609+0.0061 =0.40839N.m Mc = Mt+ Mf+ M0 =0.101+0.00609+0.0061 =0.11319 N.m Mk= Mf+ M0=0.01219N.m 从计算可知, Mq最大,作为初选电动机的依据. Mq/ Mjmax=0.189 满足所需转矩要求. 4)步进电机动态特性校验 Je /Jm=2.2806/2.257=1.01 fL fc=V1max/(60 )=200/(600.004)=833=2KtT1（u1）(ZHZE) 2/ dauH 2(1/3) （1）.试选 Kt=1.6, (由1表 10-6)得材料弹性影响系数 ZE 189.8MPa1/2 （2）.(由1图 10-30 得)选取区域系数 ZH=2.433,(由1表 10-7)选 取齿宽系数 d0.3， （3） . （由1图 10-26） 查得 a10.78， a2 0. 8， 则 aa1+a2 1.58 （4）.应力循环系数取 j=1 已知 V=1.0m/min，滚珠丝杠的基本导程 P=5mm，则 nmax=(vmax/ )( /360) =(1000/0.004) (0.36/360) =250 r/min 所以 N1=60njLh=602501(2830015)1.0810 9 N2=N1/i=1.0810 9/1.258.64108 (5).（由1图 10-19）查得接触疲劳寿命系数 KHN1=0.86，KHN2=0.87 (6).（由1图 10-21d）查得小齿轮接触疲劳强度极限 Hlim1=600MPa 大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2=550MPa 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 (7).计算疲劳强度许用应力，取安全系数 S=1 H1KHN1Hlim1/S=0.86600/1516MPa H2KHN2Hlim2/S=0.87550/1478.5Mpa H= （H1+H2）/2 =497.25Mpa (8).计算小齿轮传递的转矩 T1=9.5510 6Px/n x=77.9N.mm b b） 、计算） 、计算 （1）.试算小齿轮分度圆直径 d1t=2KtT1（u1）(ZHZE)2/d auH2(1/3) =21.677.92.25/（0.31.581.25）（2.433 189.8/494.25）2 （1/3） 9.38mm （2).计算圆周速度 v= d1tn1/(601000)0.123 m/s （3).计算齿宽 b 及模数 mnt, b=dd1t=0.39.382.81mm mnt=d1tcos /Z1=9.38cos14/24=0.38mm h=2.25mnt=2.250.38mm = 0.855mm b/h=2.81/0.855=3.3 （4).计算纵向重合度 0.318dZ1tan =0.3180.324 tan14=0.57 （5).计算载荷系数 K，查1表 10-2，得使用系数 KA=1.25,根据 v=0.123 m/s ,7 级精度， 由书图 10-8 查得动载系数 Kv=1.01,（由书表 10-4）查得 KH的计 算公式：KH=1.12+0.18(1+0.67d 2) d 2+0.2310-3b =1.14 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 由 b/h=3.3,(由书图 10-13)查得 KF=1.08, 由（1表 10-3）查得 KH=KF=1.2,故载荷系数 K=kAKvKHKH=1.251.011.21.08 1.6362 （6）.按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 d1=d1t(K/Kt) (1/3)=9.38（1.6362/1.6）（1/3）=9.45mm （7).计算模数 mn=d1cos /Z1=9.45cos14/24=0.382mm 3） 、a).按齿轮弯曲强度设计按齿轮弯曲强度设计 mn=(2Kt1Ycos 2 / dZ1 2 )(YFYS/F) (1/3) （1）.计算载荷系数，K=KAKvKFKF =1.251.011.2 1.04=1.6263 （2）.根据纵向重合度 =0.57，由（1图 10-28）查得螺旋角影 响系数 Y=0.87 （3）.计算当量齿数 Zv1=Z1/cos 3 =24/cos314=26.27 Zv2=Z2/cos 3 =30/cos314=32.8 （4）.由（1表10-5）查 出,YFa1=2.592,YSa1=1.596,YFa2=2.49,YSa2=1.629, 因为（书图 10-20c）小齿轮弯曲极限强度 FE1=500MPa,大齿轮 FE2380MPa, （书图 10-18）得弯曲疲劳寿命系数 KFN1=0.85 KFN2=0.88,取安 全系数 S=1.1 F1KFN1FE1/S=386.36MPa F2KFN2FE1/S=304MPa 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 （5）.计算大、小齿轮 YFa1 YSa1/F1 、YFa2 YSa2/F2并加以比较 YFa1 YSa1/F1=2.5921.596/386.36=0.0107 YFa2 YSa2/F2=2.491.629/3040.013 取大齿轮数据 b).b).设计计算设计计算 mn=(2Kt1Ycos 2 / dZ1 2 )(YFYS/F) (1/3) =21.626377.90.0133(cos14) 2/ （0.32421.58） （1/3） =0.23mm 对比计算结果， 由齿面接触疲劳强度计算得法面模数 mn大于齿根弯 曲疲劳强度计算得法面模数，取 mn2 mm，已可满足弯曲强度，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 d1=48mm ,来计算应有的齿数，于是有 Z1=d1cos /mn=48cos14/223.28，取 Z124，则 Z2i Z1=1.252430 4 4几何尺寸计算几何尺寸计算 （1）.中心距 a=(Z1+Z2)mn/(2cos )=(24+30)2/（2cos14） 55.65 mm 所以圆整为 56 mm （ 2 ） . 按 圆 整 后 的 中 心 距 修 正 螺 旋 角 arccos(Z1+Z2)mn/2a=arccos(24+30) 2/(256) =15.395, 因 值改变不多，故参数 、K、ZH等不必修 正 （3）.计算大、小齿轮分度圆直径 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 d1=Z1mn/cos =242/cos15.359=49.78 mm d2=Z2mn/cos =302/cos15.359 =62.22 mm （4） .计算齿轮宽度 b=dd1=0.349.7814.934mm 所以取 B2=15mm, 为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 B1=16mm 四、四、X X 轴机械结构总体设计计算轴机械结构总体设计计算 1.X1.X 轴滚珠丝杠设计计算轴滚珠丝杠设计计算 1）滚珠丝杠副的结构类型 （1）.滚珠循环方式 由书表 5-1 查得,选择外循环插管式 （2）.轴向间隙预紧方式 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 5-2 查得,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 5-3 查得,采用丝杠直径 20mm,导程为 5mm 30 滚珠丝杠精度等级确定 （1）.丝杠有效行程 由3表 5-4 查得 le=20 mm 导轨总长 Lu =210+120+20=350mm 所以丝杠总长 Lv =350-20=330mm （2）.精度等级 根据有效行程内的平均行程允许偏差 ep=0.01/30035010 3=11.7 查书表 5-5 得 精度等级为 T3 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4）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.滚珠丝杠副的支承主要约束丝杠的轴向串动, 其次才是径向约束。 由书表 5-6 查得,采用一端固定一端游动(F-S)支承形式. 5）滚珠丝杠副的选择 高速或较高转速情况 按额定动负荷 CC j选择滚珠丝杠副 C j=(Fefw)/(fhftfafk)(60Lhne)/(10 6)1/3 式中 C j-滚珠丝杠副的计算轴向动负荷(N) Fe-丝杠轴向当量负荷(N)，取进给抗力和摩擦力之和的一半. Fe=(120+0.06120)/2=63.6N ne-丝杠当量转速(r/min). ne=250r/min. Lh-丝杠工作寿命(h). 查考3表 5-7 得 Lh=15000 h. ft-温度系数. 查3表 5-8,得 ft=0.70. fa-精度系数. 查3表 5-9 得 fa=1.0 fw-负载性质系数. 查2表 5-10 得 fw=0.95 fh-硬度系数.查2表 5-11 得 fh=1.0 fk-可靠性系数.查2表 5-12 得 fk=0.21. 计算得 Caj=2.5N 6）滚珠丝杠副校核 （1） .临界压缩负荷 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. 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 不发生失稳的最大压缩负荷称为临界压缩负荷,用 Fn 表示 Fn=3.410 10(f 1d2 4)(L 0 2) K 1 式中 L0-最长受压长度.取 400 mm f1-丝杠支承方式系数, F-S 取 2 d2-丝杠螺纹底径,查43-32 取 17.6 mm k1 安全系数，取 1/3 Fn=13593NFmax （2）.临界转速 ncr=9910(f2 2d 2)/Lc 2 式中 f2-丝杠支承方式系数,F-S 取 3.927. Lc -临时转速计算长度. Lc =0.5m. d2-丝杠螺纹底径,取17.6mm ncr= 10758.9r/min nmax取,同时验算丝杠另一个临界值 d0n=20 833=7500 fL fc=v1max/(60 )=100/(600.004)=417Fmax （2）临界转速 ncr=9910(f2 2d 2)/Lc 2 式中 f2-丝杠支承方式系数,F-S 取 3.927. Lc -临时转速计算长度. Lc =0.31m. d2-丝杠螺纹底径, 取 0.0176 m ncr=27989 r/min nmax取,同时验算丝杠另一个临界值 d0n=20 250=500070000 （3）轴承选择校核 由1表 6-1 选择深沟球轴承 6201 由1表 6-6 选角接触球轴承 7001C. 校核(略) （4）定位精度验算(略) 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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.材 料为四氟乙烯,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. 2.Y 轴滚动导轨设计计算轴滚动导轨设计计算 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.支承部件用以支承和约束运动导轨,使之按功能要求作正确的运 动. (1)选日本 NSK 滚动导轨,E 级精度.查得,fh=1 ft=1 fc=0.81 f=1 fw=1 (2)寿命按每年工作 300 天,每天两班,每班 8h,开机率 0.8 计,额定寿命 为: Lh=10300280.8=38400 h,每分钟往复次数 nz=8 L=(2lsnz60Lh)/(103)=(20.29486038400)/ (103)=10838 计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为 130N P=1304=32.5N 计算需要的动载荷 C 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 C=( fwP)(fh ft fc f)(L/50)1/3=241N 由3表3-20中选用LY15AL直线滚动导轨副,其C=606N C0=745N (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、绘制装配图七、绘制装配图 1.标注装配图尺寸、 配合与精度等级。 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。 2.写出工作台的技术特征。 3.编写技术要求。 4.对所有零件进行编号。 5.列出零件明细表及标题栏。 6 检查装配图。 八、电气原理图设计八、电气原理图设计 1.典型数控工作台电气原理图的说明 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。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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 74LS373、 存储器 EPROM2764、RAM6264、地址译码器 74LS138、并行 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）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 MCS-51 系列的 8031 单片机作为 CPU，它具有良好的性能价格比，且易扩展。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 2）外部程序存储器的扩展）外部程序存储器的扩展 MCS-51 的程序存储器空间为 64K 字节。对于片内无 ROM 的单 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 EPROM、 EEPROM、 ROM 等在原理上都可用作单片机的外部程序存储器。 由于 EPROM 价格低 廉，性能可靠，所以单片机外部扩展的程序存储器一般为 EPROM 芯 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 MCS-51 的 PESN 信号匹配。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）外部数据存储器的扩展 对大多数控制性应用场合， MCS-51 系列单片机内部 RAM 已能满 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 A8A12 由 8031 的 P2.0P2.4 口线提 供，低 8 位地址线 A0A7 接地址锁存器 74LS373 输出端。读、写控 制信号分别接 8031 的 RD、WE。其片选信号通过地址译码法进行选 通。 4）I/O 口扩展电路口扩展电