轻型车差速器内球面直径智能化测量仪设计

长春工业大学本科毕业设计论文摘 要本设备主要用于测量轻型卡车差速器壳体球面直径，机械系统主要分为测量控制部分和数据采集和处理部分，测量控制部分主要控制检测装置的各方向运动（包括X方向、Y方向和旋转方向），从而使数据采集装置能达到所需位置完成数据采集工作。数据采集和处理系统包括带有传感器的侧头及数据的输入输出装置，功能是采集系统数据，并把数据送到控制系统进行分析处理，得出检测结果，并对有关参数进行修正。量仪的控制系统采用MCS-51单片机控制，能够实现测量数据自动采集、分析、处理、现实和输出测量过程的自动化；同时可以根据数据模拟出相应的球面曲线，以便直观观察球面的加工质量。控制系统将设置键盘和显示器，操作者可以通过显示器、键盘和网络通讯等方式了解系统的工作状况，且可以发出指令控制系统工作。整个系统采用机电一体化设计方案，综合运用了所学过的机械、电子和计算机知识，是一项机电结合的基本训练。设计过程中，动力装置采用步进电机。控制程序采用常用的控制语言单片机汇编语言编写，机械执行机构采用滚珠丝杠副结构完成机床的横、纵向运动，机械导向机构采用滚珠导轨与滑动导轨相结合的方式完成横、纵向导向。关键词: 差速器壳体球面直径; MCS-51单片机；步进电机Title Differential shell-meter sphere intelligent design abstractAbstract：The device used to measure light vehicles differential spherical shell diameter, mechanical systems into the main part of measurement and control data acquisition and processing of measurement and control of the main control detection of X, Y collection devices in all directions campaign (including the direction of X, Y direction and direction of rotation ), so that data collection devices to achieve the desired location for data collection . Data acquisition and processing systems ,including sensors with the probe and the date input and output devices, data acquisition systems is functional , and data to the control systems analysis , that test results and parameters of the amendment. Gauge the control system uses MCS-51 MCU control , measurement data can be achieve automatically collection , analysis, processing, display and output measurement process automation at the same time simulation based on data corresponding to the spherical curve , in order to observe the sphere of the visual processing quality . Control system will be set up on the keyboard and monitor, the operator can monitor , keyboard and network communications systems , including understanding of the working conditions and may issue a command control system . Integration of the entire system uses mechanical and electrical design , the integrated use of the school by a mechanical ,electronic and computer knowledge , is a mechanical and electrical integration of basic training . The design process , is powered by a stepper motor . Control procedures used by the control of languagelanguage prepared by the compilation of SCM, machinery adopted by the Executive Vice ball screw machine tools to complete the structure of the horizontal , vertical movement , machineoriental organizations to adopt Ball Guides and sliding rails completion of a combination of Horizontal , vertical orientation . Keywords : differential spherical shell diameter；MCS51 single micro-computer; Stepbtep the elecystrical machinery 目 录1绪论11.1本文研究的目的和意义11.2国外现状及发展前景21.2.1国外现状21.2.2国内现状31.2.3测量技术的发展前景31.3量仪的主要用途及系统组成51.3.1机械系统设计51.3.2控制系统设计。51.4 量仪设计的重要技术要求51.5系统的工作原理61.6课题的重点和难点62总体研究方案72.1量仪设计的任务72.2零件结构介绍72.3零件设计标准72.4方案可行性分析82.5总体方案的确定82.5.1系统运动方式的确定82.5.2伺服系统的选择92.5.3执行机构传动方式的确定92.5.4计算机系统的选择93机械部分的设计及计算113.1确定系统脉冲当量113.2X-Y工作台机械部分的设计113.2.1工作台外型尺寸及重量估算113.2.2运动导轨的参数确定113.2.3滚珠丝杠的设计计算133.2.4步进电机的选用143.2.5确定齿轮传动比163.2.6确定齿轮模数及有关尺寸163.2.7步进电机惯性负载的计算163.2.8蜗杆轴的计算174电气控制部分设计204.1电气系统的基本组成204.2电气系统的设计214.2.1电气系统设计总述214.2.2存储器的选择与接线214.2.3其他外设的选择及接口配置224.2.4控制或与其它电源复位引脚8031单片机有40 个引脚，8031引脚图见图4.2224.2.5 6264静态RAM芯片234.2.6锁存器74LS373芯片244.2.7译码器74LS138芯片264.2.8 8155引脚图及其引脚功能274.2.9光电隔离电路原理及驱动接口设计295程序设计325.1程序介绍325.2程序清单32总 结36致 谢37参考文献38401绪论1.1本文研究的目的和意义汽车制造业现在已经成为我国的支柱产业，它直接影响我过得国民经济发展。近几年来汽车产业虽然发展迅速，但是由于加工方法和检测手段的落后制约了我国汽车制造业的发展。汽车差速器壳体球面加工及检测就是国内急需要更新的加工工艺。随着汽车制造业的蓬勃发展，尤其是民用轿车的迅猛发展，人们对提高汽车差速器壳体零件的加工精度的要求变得越来越迫切。而差速器壳体零件中关键的技术即球面的加工及检测，是决定改零件质量的最重要的环节，它一直困扰着厂家，没有得到很好的解决。差速器是轻型载人载货卡车的关键部件。它是一种可以将发动机输出扭矩一分为二的装置，允许转向时输出两种不同的转速。其功用是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右驱动车轮以不同的转速滚动，既保证两侧驱动车轮作纯滚动运动。差速器壳体是差速器的主要支撑零件之一，其内腔是内球面。内球面除主要用来保证行星齿轮的啮合精度外，同时还用来保证差速器在高速运转状态下的承载性能，所以差速器壳体内球面都设计有较高的尺寸和形位精度。可是作为差速齿轮支撑的内球面处于一个半封闭的空间中，常规检测是不可能的，而这一球面又必须检测。了解到目前国内外还无合理可行的检测方法及仪器，生产厂家为了获得内球面的加工质量情况，采用粗糙的“卡规”，凭借检测人员的感觉来评定质量的好坏。而只用这样的检测方法检测产品显然得不到高质量的成品，因此整车的质量也会随之下降。因此，一种专门测量轻型卡车差速器壳体内球面直径精度的智能化量仪的研究开发就显得极其重要了。1.2国外现状及发展前景现代测量技术，是一门集误差理论，光学技术，电子技术，激光技术，传感技术，计算机技术以及A/D和D/A 技术等为一体的交叉综合型学科。现代测量技术的主流就是通过相应测量仪器，系统使被测物理量由其敏感的传感器转变成电信号，经过适当的处理，以敏感物理量的单位准确显示出来或实施定量控制。1.2.1国外现状近年来国外的测量技术已经发展至一个变革性的阶段。主要体现在以下几点：（1） 测量仪器、测量系统的计算机化，实现了以键盘输入代替各种调节旋钮输入；实现了仪器本身的自切换、自校准、自调零、自适应、自检测甚至自维修的功能，从而为测量的自动化创造了条件。（2） HP-IB总线的问世与普及，标志着接口母线系统的通用化以及测量的自动化成为现实。（3） 红外技术的应用，实现了遥测遥感成象、卫星云图的接受、长距离测量以及夜间观察和瞄准等。（4） 激光技术的应用，为超精密测距、测长、测量加工一体化及遥测等提供了保证。（5） 光磁盘的应用，大大地提高了计算机的储存信息容量。（6） CMOS芯片及光电隔离器的应用，保证了测试系统中信号的远距离传送。（7） CAT（计算机辅助测试）技术在现代测量领域中的应用，使三维测量技术上了一个新台阶，并为测量仪器、测量系统的网络化以及测量走向智能化起到了积极的推动作用。（8） 动态测试技术的迅速发展，揭开了当代超精密测量的序幕。（9） LSI、VLSI的应用，促进了测量的自动化、集成化。1.2.2国内现状近来国内在测试技术的研究、测量仪器的研制等方面均有一定的进展。例如激光遥测技术、数控三坐标测量技术、全息测量技术、光外差测量技术及红外遥感成像测量技术等的应用，十分有效地推动了我国测量技术的迅速发展但从总体而言，与国外先进水平相比，还有较大差距。如国内在动态测量中所利用的瞬态记录系统、动态测试分析仪器及相应的微计算机等主要靠进口。又如国外的非接触型测头技术不断进展，电子测头、激光测头和连续扫描测头等相继问世。因此我们一方面要研究和借鉴国外的新技术，另一方面要立足于国内，脚踏实地发展好我国的测量事业。1.2.3测量技术的发展前景分析和研究国内外测量技术及其相应的测量仪器的现状，可大体归纳出未来的测量技术及其仪器有如下发展前景。（1） 精密化在现代测量领域内，随着光学元件（如各种精密棱镜）、电子元件（如A/D,D/A等）、红外和超声传感器以及光电子传感器CCD和激光等的广泛应用，使得现代测量精度不再主要地取决于测量仪器和系统的机械结构，而是主要地取决于光、电子元件及相应传感器的本身精度，由于电子技术可以通过信息的反馈消除系统的误差和减少环境的干扰，因此现代测量方法正不断向高精度方向发展。（2） 高速化VXI总线和MMS总线的出现，不仅实现了模块间的高速通信和多通道数据采集，而且实现了模块间的精确定时和知识源的共享；光导纤维传输信息的速度最大可达1.6GB/S以上；高速A/D变换器，1012位，采样速率高达110MHz；控制测量设备各计算机可通过通信卫星实现联网；计算机进行数学计算、统计评定和推理决策的速度不断提高等等。所有这一切，决定着现代测量技术必然走向高速化。（3） 自动化微计算机、HP-IB,VXI总线以及LSI和VLSI在测量技术中的应用，实现和推动着测量仪器、测量系统的自动化。将为计算机同测量仪器、测量系统有机地融为一体，利用灵活的卓有成效的计算机软件代替仪器、系统本身的固化的硬件功能，会在很大程度上提高测量自动化的程度及其柔性。HP-IB等通用总线的采用，使测量自动化的功能增强（如何一同实现自适应、自调零、自检测、自校准、自切换和自维修等功能），并使自动化的范围从单个测量仪器设备拓宽到整个测量系统甚至测量网络。随着高速LSI和VLSI的出现，高速自动测量问题亦将随之得到解决。（4） 集成化测量集成化首先在于测量信息的集成，这是实现数据与知识共享所必需的，因此大力开发高存储信息容量的磁盘及存储器是测量技术飞速发展的需要。其次在于测量设备的集成，这一方面表现在构成测量设备的各种硬件的高度集成以及所用软件的合理固化；另一方面表现在由计算机有机地控制着数控测量装置、机器人、工作台以及被测件等等，使他们协调地按既定目标工作。再次在于测量中控制部分的集成，这是通过远程信息传输技术和国际间通信技术使各地区的计算机实现联网。目前测量集成化最典型的例子是与计算机化制造系统集成的三坐标测量机。（5）智能化测量智能化不仅指测量仪器、系统能自动地输出经过处理的便于人们感觉和理解的测量信息，而且指仪器、系统能按先前的体验进行“自学习”即具有自适应的行为，同时还包括仪器、系统能对不可测量的进行估计的行为。因此，测量智能化所面临的主要问题是如何实现知识的表示、知识的获取、搜索策略和推理机制等知识领域。（6） 经济化测量经济化，从生产测量设备的厂家、公司而言，希望赚得最多的钱，获得最佳经济效益；而从用户而言，有希望花最少的钱购买得既有广泛用途又有高性能的测量设备。在当今充满竞争的形势下，决定着生产设备方要想获得最大利润，必须生产适销对路的性能价格比高的新一代先进测量设备来。因此，廉价、实用的经济型测量设备是当前世界上不可忽视的动作。（7） 非接触化非接触化测量技术是近年来迅速发展起来的一种尖端的测量技术。它正以其无与伦比的优越性在测量领域中逐渐占据主要地位。非接触化测量，将省去各种测量触头（触针）、夹具和连接器具等。以图像传感器或全息技术为基础并以激光作为扫描光源的测量系统，是典型的非接触化测量系统的例子。对于目前已研制成的自动视觉测量系统和热图像处理技术，前者采用摄像机采集被侧目标的图像信息，通过计算机分析处理，完成预定功能；后者利用红外线扫描，获得并分析被测目标的热图像信息，以达到预定测量目的。（8） 多功能化随着测量仪器设备附加组件或插件的不断完善和发展，测量仪器的测量测试功能相应增多。例如测量仪器从单CPU的集中处理，发展到多CPU的分布式处理，克服了单CPU处理能力有限（既不能使测量仪器同时实现几种功能，也不能提高测量速度等局限性）。当今发展迅速的程控测量仪器、个人测量仪器等便是具有多CPU分布式处理系统的最好例子。测量仪器的多功能化，还体现在软件和相应外设的多样化上。1.3量仪的主要用途及系统组成差速器壳体内球面智能化量仪主要用于测量轻型车差速器壳体内球面直径精度，量仪主要由机械系统、测量控制系统和数据处理系统组成。1.3.1机械系统设计机械系统要求运动精确、操作灵活、工作稳定可靠。机械系统主要分为测量控制部分和数据采集和处理部分，测量控制部分主要控制检测装置的各方向运动（包括X方向、Y方向和旋转方向），从而使数据采集装置能达到所需位置完成数据采集工作。数据采集和处理系统包括带有传感器的测头及数据的输入输出装置。它的功能是采集系统所需要的数据，并把所采集的数据送到控制系统进行分析处理，从而得出检测结果，并对有关参数进行修正。1.3.2控制系统设计。 量仪的控制系统采用MCS-51单片机来控制，能够实现测量过程的自动化，测量数据自动采集、分析、处理、显示和输出。同时可以根据数据模拟出相应的球面曲线，以便直观观察出球面的加工质量。控制系统将设置键盘和显示器，操作者可以通过显示器、键盘和网络通讯等方式了解系统的工作状况，且可以发出指令控制系统工作。整个系统采用机电一体化设计方案，综合运用了所学过的机械、电子和计算机知识，是一项机电结合的基本训练。1.4 量仪设计的重要技术要求（1） 所测量轻型车差速器壳体内球面直径为120（9级精度）。（2） 整个系统测量分辨率为0.005mm，直径的测量精度为0.01mm。（3） 所设计量仪可以应用于实际工作现场，用于流水线上的大批量检测。要求量仪操作容易，工作安全可靠，故障率低，维护方便，辅助费用低。（4） 具有与计算机通信功能。1.5系统的工作原理 当差速器壳体完成所有加工工艺后，用传送带运送给差速器内球面智能化量仪。当运送中经过行程开关时，行程开关将向量仪的控制系统发送信号。这时两步进电机将通过齿轮减速然后通过工作台上X向和Y向两个滚珠丝杠的传动使量仪测头实现X-Y向的直线运动，使测头与轴线呈40进入差速器壳体内部。当测头达到初始位置后，另一个电机会控制测头在X-Y平面内旋转一定的角度，使其接触到内球面壁，由于测头接触到内球面时传感器接收到的压力不同导致传感器转化成的电流信号不同，从而使X-Y工作台调整位置寻找球心，当控制系统控制工作台运动使测头的中心与球心重合时开始进行直径测量。测头继续旋转采集不同点的数据，传感器把采集到的数据通过接口电路传给数据处理系统从而实现直径的检测工作。最后测头再以与轴线40退出壳体，准备进行下一个零件的测量工作。1.6课题的重点和难点汽车行驶过程中车轮对路面的相对运动有两种状态滚动和滑动，其中滑动又有滑转和滑移两种当汽车转弯或在不平路面上直线行驶时内外两侧车轮中心在同一时间内移过的曲线距离显然不同，即外侧车轮移过的距离大于内测车轮。若两侧车轮都固定在同一刚性轴上，两轮角速度相等，则此时外轮必然是边滚动边滑转。因此，为了使两侧驱动轮可用不同角度旋转，以保证其纯滚动状态，就必须将两侧车轮的驱动轴断开，而由主减速器从动齿轮通过一个差速齿轮系统差速器分别驱动两侧半轴和驱动轮。差速器通过其内部的行星齿轮和固定齿轮机结构的差速运动，使其两端输出轴的转速不等从而使汽车在转弯时内侧轮低速而外侧轮高速，保证了汽车转弯时的稳定性。从差速器的工作原理来看，它内部的行星轮和固定轮工作在高负荷下，固定轮的轴承是一个内球面，内装衬垫，内球面的直径相对于装配基准的位置度大大地影响内部的齿轮系运动平稳性、传动效率和工作寿命。然而由于差速器壳体整个结构是一个半封闭的回转体，被测的半球面处于这个半封闭的壳腔中，因此不能使用常规的检测方法对其测量。另外由于差速器壳体的工艺窗很小，使传感器不能进入壳体内直接测量。因此量仪的设计既要考虑到差速器壳体的特殊结构，也要考虑到测量数据采集的实现。2总体研究方案2.1量仪设计的任务本次设计的设计内容是智能化量仪的机械和电器设计。具体内容如下：（1） 数控装置总体方案的确定1. 数控装置设计参数的确定。2. 方案的分析、比较、论证。（2） 机械部分的设计1. 确定脉冲当量。2. 机械总体尺寸及重量的初步估算。3. 传动元件及导向元件的设计、计算和选用。4. 确定伺服电机。5. 绘制机械结构装配图。6. 系统等效惯量的计算。（3） 数控系统的设计1. 微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计。2. I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用。3. 系统控制软件的设计。控制软件包括主要程序框图和一部分汇编程序。2.2零件结构介绍差速器壳体整体结构是一个半封闭的回转体。壳体外部两端有两个45n7的动力轴端，他和法兰盘一起为该工件的加工定为基准。内球面直径的设计尺寸为1200+0.087，45mm的轴线也是内球面球心位置度的检测基准。壳体外部两侧分别有一个8454的工艺窗口，以便于加工时刀具的进出。壳体上部还有两个19的孔，它既是差速齿轮的装配基准又是刀杆的出入通道。零件材料为QT-450-10，实效处理。2.3零件设计标准量仪的所有零部件均采用标准件。设计遵循国家标准和相应规范以及各部委的有关规定。非标准件应尽量采用成本低的通用件，以方便修配和换件。设计时绘制有关图纸和标注有关尺寸也应遵循制图标准。制造时采用通用设备以降低成本。2.4方案可行性分析对于汽车后桥差速器壳内球面位置度的问题，在国内至今还没有比较科学而准确的测量方法。原因是球面处于差速器壳体内部测量不方便，同时球面仅为两个很小的对称半球面环带，测量范围及面积都很小。经过调研得知目前有以下几种方法在国内外应用比较广泛。(1)用球径样板，即用线切割机床切割出位移为零的球径过端和止端两块样板，进行检测。但是用样板检测误差较大而且不能得出球径和位移量的具体数值。因此不能很好地指导生产。(2)在检测平台上用高度尺和量块来实现弦高的测量，通过计算求出球径和位移量。但是这种检测方法检测时工作效率低、计算复杂，对零件或产品亦不能够准确、快速地进行大批量的测量。(3)使用三坐标测量机直接测量，多点采样，通过计算坐标，拟和曲面。虽然三坐标测量机测量精度高，广泛应用于精密加工和科学实验当中。但是它成本太高且抗干扰能力差，尤其不适合应用于有各种干扰的生产现场。而且，由于内球面的空间很小，所以不适合使用该机器。综上所述，经过实地考察及理论论证，我决定采用如下设计方案，具体要求为：1. 采用直径直接接触测量，从而减少数学计算误差。2. 以圆代替曲面，减少定位误差和基准不重合误差。由于刀纹相似，因此这点在成型刀具加工上是允许的。3. 传感器采用压电阻式传感器，并安装在测头两侧。考虑测头体积及工作窗口尺寸及工作环境等因素，我们使用曲柄连杆机构将测头倾斜一定角度进入壳体，并直接与球面接触测量。4. 在对信号的处理上采用相对测量。将测头设定为标准直径的上限，测头与曲面接触后，通过压力的变化来确定尺寸。即：实际尺寸=标定尺寸上限变化量。5. 测量时要注意减轻对测头的冲击，因为测头是能否达到检测要求的关键。6. 运动轨迹不能干涉，并且尽量减少阻力和形变。另外，要尽量避开两个19的孔。2.5总体方案的确定2.5.1系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。由于量仪的工作台在工作时要求测头沿各坐标轴的运动有精确的运动关系，因此选用连续控制系统。2.5.2伺服系统的选择伺服系统分为开环伺服系统和闭环伺服系统。开环控制伺服系统由于没有检测和反馈部件，因此不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，因此应用于速度和精度要求不太高的场合。闭环控制伺服系统具有装在机器移动部件上的检测反馈原件来检测实际位移量，能补偿系统的传动误差，因而伺服控制精度高。闭环系统造价高，结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。由于智能化量仪对系统精度要求较高，因此伺服系统选择闭环控制系统。2.5.3执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装配时，通常要求低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。根据以上要求，结合智能化量仪的自身特点，执行机构传动方式选用滚珠丝杆螺母传动副。2.5.4计算机系统的选择计算机数控系统一般由微机部分、I/O接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路功率放大等几个部分组成。在智能化量仪控制系统中采用MCS-51系列单片机组成的微机应用系统。系统的总体框图如下 测头传感器处理电路接口电路微机系统功率放大器进给系统图2-1 微机系统总框图3机械部分的设计及计算机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性计算，确定伺服电机、传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械图等。3.1确定系统脉冲当量脉冲当量是量仪移动部件相对于每个进给脉冲信号的位移量，因此本题中取脉冲当量值为0.005mm。3.2X-Y工作台机械部分的设计3.2.1工作台外型尺寸及重量估算取X向导轨支撑钢球的中心距为185mm，X向拖板尺寸：长*宽*高 139*176*55重量：按重量=体积*材料比重估算139*176*55*10-3*7.8*10-298.16（N）Y向拖板尺寸：长*宽*高 170*130*55重量：按重量=体积*材料比重估算 170*130*55*10-3*7.8*10-294.81（N）上导轨座（连电机）重量：（436*170*12+267*176*25）*7.8*10-2*10-3161.01（N）测头，测杆及传感器：约100NX-Y工作台运动部分总质量：98.16+94.81+161.01+100=453.98（N）3.2.2运动导轨的参数确定(1) 导轨型式：双V型滚珠导轨。(2) 导轨长度： 上导轨（X）向取导轨长度 lB=180mm动导轨行程 l=160mm支撑导轨的长度 L= lB+l=180+160=340mm保持器长度 lG= lB+l2=180+120*12=260mm 下导轨（Y）向取导轨长度 lB=200mm动导轨行程 l=120mm支撑导轨的长度 L= lB+l=200+120=320mm保持器长度 lG= lB+l2=200+120*12=260mm(1) 滚动体尺寸与数目的确定滚珠直径d=6mm，数目根据ZG30d决定，上导轨 Gx=98.16+100=198.16(N)所以 Zx198.16300.68.53X向导轨长度lB=180mm,取Zx=8,两滚珠之间的间距t=24.下导轨 Gy=94.81+100=194.81(N)所以 Zy194.81300.68.38因为lB=200mm，取Zy=8，两滚珠之间的间距t=24.(1) 许用载荷的验算平均每个滚珠上的最大负载Pmax=PGZ,而PG=22（PH+G2)式中：PH-导轨的预加负荷，按最大工作载荷的12计算。X向导轨最大载荷Pmax x=22(GxZx)=0.707*198.168=17.51(N)Y向导轨最大载荷Pmax y=22(GyZy)=0.707*194.818=17.22(N)许用载荷 P=kd2查表得=1，得P=90*0.62*1=32.4 （N）Pmax x=17.51NP Pmax y =17.22P3.2.3滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的载荷包括运动部件的重量引起的进给阻力，因此按进给阻力计算。(1) 最大动载荷Q的计算 Q=3LfmfHp查表得系数fm=2，fH=1，寿命值 L=60nT106查表的使用寿命时间T=15000h,初选丝杠螺距t=5mm，得丝杠转速 n=1000Vmaxt=1000*1.25=240（r/min）所以X向丝杠牵引力 Px=1.414f当Gx=1.414*0.01*198.16=2.81(N)Y向丝杠牵引力 Py=1.414f当Gy=1.414*0.01*194.81=2.76（N）(当量摩擦系数f当-当量摩擦系数)所以最大动载荷X向 Qx=3216*2*1*2.81=33.72(N)Y向 Qx=3216*2*1*2.76=33.12(N)查表，取滚珠丝杠公称直径d0=20，选用滚珠丝杠螺母副的型号为LL20*5-2.5(两只)，其额定动载荷为8630N,足够用。（1） 滚珠丝杠螺母副的几何参数计算，参数如下表格3.1 表3-1 滚珠丝杠螺母副几何参数表名 称符号 计算公式和结果（mm） 螺纹滚道公称直径 d0 20 螺 距 t 5 接 触 角 45 钢球直径 da 3.175螺纹滚道法平面直径 RR=0.52dq=1.651偏心距 e e=(R- dq/2)sin=0.0449 螺纹升角 =arctgtd0=19.302 螺杆螺杆外径 d d=d0-(0.20.25) dq=19.032 螺杆内径 d1d1= d0+2e-2R=16.79 螺杆接触直径 de de= d0- dqcos=17.76 螺母螺母螺纹外径 D D= d0-2e+2R=23.21螺母内径（外循环） D1 D1=d0+(0.20.255) dq=20.7(3)传动效率计算 =tgtg(+)=tg433tg(433+10)=0.96式中：-摩擦角 -丝杠螺纹升角；刚度验算丝杠受工作载荷P引起的导程L0的变化量L1=PL0EF X向所受牵引力大，故应用X向参数计算 P=2.71 (N) L0=0.5 (cm) E=20.6*106 （N/cm2）（材料为钢） F=R2=3.14(1.6792)2=2.213 (cm2)所以量L1=2.17*0.520.6*2.213*106=0.024*10-6 （cm）因此，导程总误差 =L100L0=0.024*10-6*1000.5=4.8 （m/m）查表知E级精度的丝杠允许误差15m，故刚度足够。3.2.4步进电机的选用（1）步进电机的步距角b 取系统脉冲当量p=0.005mm/step,初选步进电机的步距角b=1.5。（2）步进电机启动力矩的计算 设步进电机的等效负载力为T，负载力为P,根据能量守恒定律，电机所做的功与负载力做的功有如下关系： T=Ps式中：-电机转角s-移动部件的相应位移。-机械传动效率若取=b，则s=p且P=Ps+（G+Pz）,所以T=360pPs+（G+Pz）2b （Ncm）式中：Ps-移动部件负载（N）； G-移动部件重量（N）； Pz-与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； -导轨摩擦系数； b-步进电机步距角（rad）； T-电机轴负载力矩（Ncm）其中，取=0.03，=0.96，Ps为丝杠牵引力，P=2.71（N）。考虑重力影响，X向电机负载较大，因此取G=Gx190.91(N)，所以T=36*0.01*（2.71+0.03*190.91）2*1.5*0.96=0.336 （Ncm）若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩Tq=T0.30.5取安全系数为0.3，则Tq=0.3360.3=1.12 （Ncm）对于工作方式为三相六拍的三相步进电机Tmax=Tq0.866=1.31 （Ncm）步进电机的最高工作频率fmax =1000Vmax60p=1000*1.260*0.005=4000(Hz)查表选用两个45BF005型步进电机。电机的有关参数如下，表 3-2 电机参数 型号相数 步距角 电压相电流最大静转矩 运行频率45BF005 31.5DC24-40V 2.5A 0.2 Ncm 4000Hz3.2.5确定齿轮传动比 因步进电机步距角b=1.5，滚珠丝杠螺距t=5mm,要实现脉冲当量 p=0.005mm/step,在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比=Z1Z2=p*360bt=0.005*3601.5*5=0.24选 Z1=12，Z2=503.2.6确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭矩较小，取模数m=1mm，齿轮有关尺寸见下表：表3-3 齿轮参数Z 12 50 d=mz (mm) 12 50 da=d+2m (mm) 14 52 df=d-2*1.5 (mm) 9.5 47.5 b=(36)m (mm) 6 4 a=(d1+d2)/2 (mm) 313.2.7步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，得： Jd=J0+J1+(Z1Z2)2*(J2+J3)+M (p180b) 2式中：Jd-折算到电机轴上的惯性负载（kg.cm2）；J0-步进电机转轴上的转动惯量（kg.cm2）；J1-齿轮Z1的转动惯量（kg.cm2）；J2-齿轮Z2的转动惯量（kg.cm2）；J3-滚珠丝杆的转动惯量（kg.cm2）；M-移动部件质量（kg）；对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算：J=0.78*10-3D4L （kg.cm2）式中：D-圆柱零件直径（cm）；L-零件长度（cm）；所以 J1=0.78*10-3*1.24*0.5=0.809*10-3 （kg.cm2） J2=0.78*10-3*5.04*0.6=29.25*10-2 （kg.cm2） J3=0.78*10-3*2.04*30.5=38.06*10-3 （kg.cm2）电机轴转动惯量很小，可以忽略，则Jd=0.809*10-3+(1250)2 (29.25+38.06)* 10-2+41.23 (0.0051801.5) 2=16.32（kg.cm2）14 JdJm 1 所以合适3.2.8蜗杆轴的计算(1) 轴径的初步计算按照扭转强度计算条件计算，轴的扭转强度条件为：t = TWt 955000pn0.23 t式中： t-扭转切应力，单位为Mpa; T-轴所受的扭矩，单位为Nm； Wt-轴的抗扭截面系数，单位为mm； n-轴的转速，单位为r/min； p-轴的传递功率，单位为Kw； D-计算截面处的直径，单位为mm；t-许用扭转切应力，单位为Mpa；由上式可得轴的直径： d 3955000p0.2t = 39550000.2t * 3pn = A0 3pn其中： d-轴的直径 p-轴所传递的功率 n-轴的工作转速 A-系数 查表选取 A： 126103 则取A=110由电机确定的p=0.196Kw，n不超过3000转，将n=3000代入公式：D=A 30.1963000 =4.43设置安全系数为4，并考虑到轴端在键槽以及联轴器的选择和不超过的情况，再确定：d=26mm; (2) 轴的加工及装配工艺性轴的结构应便于加工，测量，装配和维修，因此在轴的结构设计时，应考虑以下几个问题：1) 考虑加工工艺性必须的结构要素（如中心孔，螺纹退刀槽等）2) 合理确定轴与零件的配合性质，加工精度和表面粗糙度。3) 轴的配合直径一般应改按GB/T2822-1981 圆整为标准值。4) 确定轴段长度时应尽可能使结构紧凑，并注意转动零件不得与其他零件相碰，与轮毂相配的轴段长度一般应略小于轮毂23mm，以保证轴向定位可靠。5) 除特殊要求者外，一般轴上所有零件都应该无过盈地到达配合部位。6) 为便于导向和避免擦伤配合面，轴两端及有过盈配合的台阶处应制成倒角。7) 轴上不同部位的键槽应开在同一母线上，以利加工。同时注意不要开到圆角或者过盈配合的边缘处，以避免应力集中过大。8) 为减少加工刀具的种类和提高劳动生产率，轴上的倒角，圆角，键槽，等应尽量取相同尺寸。9) 尽量避免悬臂结构，如需采用则应将悬臂长度减至最低程度，以减少弯曲应力。(3) 轴的强度计算由机械设计手册得知：Ft2 = Fa1 = 2F2D2 =2*2134.1540=106.21 NFa2 = Ft1 = 2T2D1 =2*14820 =14.8 NFr2 = Ft2tg=106.21*tg2.861) 计算支点反力FBX = Ft1/2 =14.8/2 =7.4N垂直反力MB = 0FBX = Fr1*30+Fa1*d/260 = 5.3*30+106.21*1060=20.35 N同理：MA=0FBZ = Fa1*d/2+Fr1*3060 = 106.21*10-5.3*3060 =15.05 N2) 计算弯矩水平弯矩：MCX = FCX * 30 = 7.4 * 30 = 222 Nmm垂直弯矩：MCZ1 = FAZ * 30 = 20.35 * 30 = 610.5 NmmMCZ2 = FBZ * 30 = 15.05 * 30 = 451.5 Nmm合成弯矩：MCZ1 =MCX2+MCZ12 = 2222+610.52 = 649.61 NmMCZ2 =MCX2+MCZ22 = 2222+451.52 = 503.13 Nm由机械设计手册查得，满足要求。4 电气控制部分设计4.1电气系统的基本组成智能化量仪数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成：（1） 主控制器。即中央处理单元（CPU）。（2） 总线。包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。（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/O，输入/输出接口电路。其中CPU是数据系统的核心。其作用是发布命令以协调各部分电路正常工作。存储器用于存放系统软件（即程序）以及运行过程中的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。三总线则是CPU与存储器、接口以及其他各种转换电路联结纽带，是CPU与各部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。除此之外，还要根据数控系统的要求配备一些外围设备和信号变换电路。如图4.1所示为数控系统硬件结构图。其中CPU、存储器及I/O接口是任何一个数控系统必不可少的环节。通常，CPU通过I/O接口可连接的入机交换外设是键盘、打印机等通讯接口；信号变换电路是A/D转换。D/A转换、光电隔离、功率放大等，是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。 图 4-1 数控系统硬件图4.2电气系统的设计4.2.1电气系统设计总述数控系统用MCS-51 系列单片机控制，其典型代表为8031，8051，8751，经过比较，采用具有价格低，功能强，使用灵活等优点的8031有扩展系统的单片机。即用外接2864（ROM），6264，（RAM）及8155（扩展I/0口）等芯片扩展成一个较简单的微机控制系统。编制的用户程序由键盘输入，修改程序也由键盘来完成。程序存入外部RAM。