机械二坐标运动平台课程设计-二坐标数控工作台设计

宁波大学第 1 页机械学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 名学 号班 级指导教师学 期设计时间内附资料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（A0） ；3、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。成 绩2011、03宁波大学第 2 页目 录一.机电专业课程设计目的 （1）二.机电专业课程设计的任务和要求 （1）三.X 轴方案及参数计算 （1）1.方案拟定 （1）2.X 轴步进电机参数确定及选择 （1）3.X 轴联轴器选择 （3）四.X 轴机械结构总体设计计算 （3）1.X 轴滚珠丝杠设计计算 （3）2.X 轴滚动导轨设计计算 （4）五.Y 轴方案及参数计算 （5）1.Y 轴步进电机参数确定及选择 （5）2.Y 轴联轴器选择 （7）六.Y 轴机械结构总体设计计算 （7）1. Y 轴滚珠丝杠设计计算 （7）2. Y 轴滚动导轨设计计算 （8）七.绘制装配图 （9）八.电气原理图设计 （10）宁波大学第 3 页九.参考文献 （11）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 比例或 0图幅） 1 张；（2）数控系统电气原理图（2图幅） 1 张；（3）设计说明书（1020）页 1 本；所有图样均采用 CAD 绘制打印，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。宁波大学第 4 页2. X 轴步进电机参数确定及选择计算及说明 结果X 参数选定与计算vx=2.0 m/min=0.033m/s, Fx=210N, Px=Fxvx=6.93W1）脉冲当量选择初选三相电机，按三相六拍工作时，步矩角 =0.75,初定脉冲当量 =0.01mm/p, 丝杠导程 tsP=6 mm,中间齿轮传动比 i 为: i=(t sP)(360)=1.55(3600.01)=1.25由 i 确定齿轮齿数为 Z1=24,Z2=30,模数 m=2mm,齿宽 b1=12mm,b2=10mmX 圆柱斜齿轮传动设计如下：1.选定齿轮精度、材料、齿数及螺旋角1）.选精度为 7 级2）.选小齿轮为 40Cr（调质） ，硬度为 280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调质）,硬度为 240HBS，两者硬度差为 40HBS3）.选择齿数 Z1=24,Z2=Z1i=241.25304）.选取螺旋角， 初选 14 o2.（1）按齿面接触疲劳强度设计 d1t=2KtT1（u1）(Z HZE)2/ d au H2(1/3)1).试选 Kt=1.6, (由1表 10-6)得材料弹性影响系数 ZE189.8MPa2).(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 a10.780， a2 0.85，则 a a1+ a2 1.6304).应力循环系数取 j=1， 所以： N1=60n2jLh=6015001(2830015)6.48010 9 N2=N1/u=6.480109/1.255.18410 95）.（由1图 10-19）查得接触疲劳寿命系数 KHN1=0.85,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,7).计算接触疲劳强度许用应力：取失效概率为 1%，取安全系数 S=1, H1K HN1 Hlim1/S=0.85600/1510MPa H2K HN2 Hlim2/S=0.87550/1478.5MPa H= （ H1+ H2)/2=494.25 MPa8) 计算小齿轮传递的转矩：T1=95.5105Px/nx=95.51050.00693/1500=44.121N.mm（2）.计算 1）.试算小齿轮分度圆直径d1t21.644.1213.083/（0.31.6301.25）（2.433189.8/494.25） 2） （1/3） 12.0 mm ZE189.8MPaZH=2.433 d0.3T1=44.121N.mmd1t12.0 mm宁波大学第 5 页2).计算圆周速度 v=d 1tn1/(601000)0.942m/s3).计算齿数 b 及模数 mnt： b= dd1t=0.3123.6 mmmnt=d1tcos/Z 1=12cos14o/24=0.485 h=2.25mnt=2.250.485mm =1.091 mmb/h=3.6/0.655=3.34).计算纵向重合度 0.318dZ 1tan=0.3180.324tan14 o=0.575).计算载荷系数 K,（查1表 10-2）得使用系数 KA=1.25,根据v=0.033 m/s ,7 级精度，由（1图 10-8）查得动载系数Kv=1.01,（由1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由 b/h=3.3,(由1图 10-13)查得 KF =1.14, 由（1表 10-3）查得KH =KF =1.2,故载荷系数 K=KAKvKH KF =1.251.011.21.141.736）.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)=12（1.73/1.6） （1/3） =12.32 mm7).计算模数 mn=d1cos/Z 1=12.32cos14o/24=0.50 mm31).按齿轮弯曲强度设计 mn=(2KT2Y COS2/ dZ12 )(YF YS / F)(1/3)计算载荷系数，K=K AKvKF KF =1.251.011.21.141.73根据纵向重合度 0.57，由（1图 10-28）查得螺旋角影响系数Y =0.93计算当量齿数 Zv1=Z1/cos3=24/cos 314o=26.27由（1表 10-5）查出,Y Fa1=2.592,YSa1=1.596,YFa2=2.3,YSa2=1.715.因为小齿轮弯曲极限强度 FE1=500MPa,大齿轮 FE2380MPa,由（1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 F1K HN1 FE1/S=386.36MPa F2K HN2 FE1/S304MPa计算大、小齿轮 YFa1 YSa1/ F1 并加以比较YFa1 YSa1/ F12.5921.596/386.36=0.0107YFa2YSa2/ F2=2.301.715/3040.013 取大齿轮数据2).设计计算 mn=21.7344.1210.930.013(cos14)2/（0.324 21.63） （1/3） 0.168m 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=20mm ,来计算应有的齿数，于是有Z1=d1cos/m n=20cos14o/29.76，取 Z124，则Z2uZ 1=1.2524304几何尺寸计算中心距 a=(Z1+Z2)mn/(2cos)=(24+30)2/（2cos14 o）55.6 mm 所以圆整为 56 mm按圆整后的中心距修正螺旋角 arccos(Z 1+Z2)mn/2a=arcos(24+30)*2/(2*56) =15.36o, 因 值改变不多，故参数 、K 、Z H等不必修正 a=56mm宁波大学第 6 页计算大、小齿轮分度圆直径d1=Z1mn/cos=24*2/cos15.36 o =49.7mmd2=Z2mn/cos=30*2/cos15.36 o =62.2mm计算齿轮宽度 b= dd1=0.3*49.714.91 mm 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=16mm2)等效传动惯量计算(不计传动效率)小齿轮转动惯量 Jg1=(d 14b1)32=(2.06) 41.27.8510-332 =0.01710-4 kg.m2式中 钢密度 =7.8510 -3 kg/cm3同理,大齿轮转动惯量 J g2=0.27210-4 kg.m2 由3表 3-13 初选滚珠丝杠 CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=430 mm滚珠丝杠转动惯量 Js=(d 04l)32=(2) 4437.8510-33210 -4 kg.m2 =0.5310-4 kg.m2拖板及工作物重和导轨折算到电机轴上的转动惯量,拖板重量 12kg工作物重约为 7kgJw=(w/g)(tsP2) 2 i2 =12(0.62) 2 1.25210-4 kg.m2 =710-6 kg.m2因此,折算到电机轴上的等效转动惯量 JeJe= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) i2 =0.01710-4 kg.m2+0.0710-4 kg.m2+(0.27210-4 kg.m2 +0.19710-4 kg.m2) (1.25)2 =0.38710-4 kg.m2 3)等效负载转矩计算(以下为折算到电机轴的转矩)由3式(2-7)(2-9)可知:Mt=(Fx+F y) tsP/(2i)= (210+0.06200) 0.006/(20.81.25)=0.12728N.mMf= (Ff tsP)/(2i)= (W tsP)/(2i)=(0.06129.80.006)/ (20.81.25)=0.0067N.m上述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8为摩擦系数取 0.06nmax=(vmax/)(/360)=(2000/0.01) (1.5/360)=833 r/min取起动加速时间 t =0.03 s初选电动机型号 70BF003,矩频特性如下图所示,其最大静转矩 Mjmax=0.784N.m,转动惯量 Jm=0.210-4 kgm 2, fm=1600Hz.故 M0=(Fp0tsp)(2i) (1- 02)= (1/3Fxtsp)(2i) (1- 02) d0=20 mm l=430 mmJs=0.19710-4 kg.m2Jw=710-6Je=0.38710-4 kg.mMt=0.12728N.mMf=0.0067N.mnmax=833 r/minM0=0.0127 N.m宁波大学第 7 页=(1/3) 2100.006(20.81.25) 1-0.92=0.0127 N.m式中 F p0滚珠丝杠预加负荷,一般取 Fy/3Fy进给牵引力(N) 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取 0.9J=( Je +Jm)= 0.38710-4 kgm 2+0.210-4 kg.m2 =0.58710-4 kg.m2Ma=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t )= 0.58710-4 (2833)(600.03)= 0.171N.mMq= Mamax+ Mf+ M0=0.171+0.0067+0.0127=0.14668N.mMc= Mt+ Mf+ M0=0.12728+0.0067+0.0127=0.14668N.mMk= Mf+ M0=0.0067+0.0127=0.0194N.m从计算可知, M q最大,作为初选电动机的依据.Mq/ Mjmax=0.243 f Lfc=v1max/(60)=500/(600.01)=833.3Fmax宁波大学第 9 页临界转速 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. ncr=9910(f22d2)/Lc2式中 f 2-丝杠支承方式系数,F -S 取 3.927 Lc -临界转速计算长度. L c =0.26m. d2-丝杠螺纹底径,取 0.016mncr= 36138r/min nmax,同时验算丝杠另一个临界值d0n=20*833=16660 f Lfc=v1max/(60)=300/(600.005)=1000Fmax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. ncr=9910(f22d2)/Lc2宁波大学第 13 页式中 f 2-丝杠支承方式系数,F -S 取 3.927 Lc -临界转速计算长度. L c =0.32m. d2-丝杠螺纹底径,取 0.0175mncr= 26117.6r/min nmax,同时验算丝杠另一个临界值d0n=20*500=1000070000轴承选择由1表 6-6 选角接触球轴承 7001AC. 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.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.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.(5)选日本 NSK 型滚动导轨 ，E 级精度，f h=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1(6)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=1030080.8=38400 h 每分钟往复次数 nz=5(7)L=(2lsnz60Lh)/(103)= 2764.8Km计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为 245N计算需要的动载荷 C(8)C=( fwP)(fh ft fc f)(L/50)1/3=1.79N选用 NSK LY30AL 型号滚动导轨副,其 Co=2570N. Coa=3840(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。宁波大学第 14 页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。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 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。（2）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。宁波大学第 15 页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。