Z3040摇臂钻床主轴Z向进给系统改造设计

大大 学学 课课 程程 设设 计 论计 论 文 文 题 目 Z3040 摇臂钻床主轴 Z 向进给系统改造设计 院 系 专 业 班 级 学生姓名 导师姓名 职称 起止时间 中文摘要 随着科学与技术的发展 计算机数字控制技术的日趋成熟 加工技术在世界的工 业范围内都有了显著的提高 我国由于存在大量的金属切削机床 把它们全部淘汰不 符合我国国情 所以对金属切削机床进行适当的数控化改造 提高生产效率是最明智 的选择 本次设计是对台式钻床的工作台进行数控化改造 首先 了解台式钻床的结 构 确定改造方案 其次 选择滚珠丝杠 步进电机和消隙齿轮等零件 来达到提高 传动精度 减小加工误差的目的 第三 采用芯片控制代替原有的电气控制形式 达 到提高控制精度 减小响应时间和减小占地空间等目的 并且可视化的数控代码编程 和模拟加工过程 可以提前发现程序的纰漏 最后 利用 PLC 可编程控制器对液压回 路等进行控制 方便工程技术人员编写和使用 本次设计的结果可以顺利达到设计任 务的要求 完成 X Y 两方向单独运行和同时运行 提高了加工效率 普通机床数控化 改造的技术可以广泛的应用在机械加工行业中 工程技术人员也应掌握并创新该项技 术为振兴我国机械制造业而努力 关键词 创新 改造 数控技术 Abstract Along with the development of science and technology the computer numeral control to technically is gradually maturing The processing technology shows a remarkable progress in the industrial in the world because of existence a great deal of metal machines in our country eliminating all of them to not match our country to carry on an appropriate number control to turn a reformation and raise working is the most wise choice This design is numeral control transformation for in table model drills Firstly understand the structure that the set table model drills and make sure a reformation project Secondly the choice in Ball bearing guide screw and step by step electrical engineering and gear of control gap to attain an accuracy rising and the purpose of reducing process error The third it adopts a chip control to replace original electricity control form raising control accuracy and reduce the reaction to time and reduce covering space etc And visual number control procedure code and emulation to process which can discover the error of procedure in advance In the end making use of the PLC programmable controller to hydro form etc and it makes convenient for the engineering technical personnel to write with usage The result of this design can smoothly attain a request of design and complete X Y two directions circulate alone and circulate in the meantime and raise working efficiency The common tool machine number controls technique can extensively be the applied in the manufacturing industry Engineering technical personnel should also master and enterprise techniques and make great effort for developing for our country in manufacturing industry Key word Innovation Transformation NC Technology 目 录 第一章 绪论 1 1 1 先进制造技术的提出与发展 1 1 2 我国数控机床发展现状 1 1 3 数控机床的优缺点 1 1 4 本论文研究的内容及目的 2 第二章 机械部分设计与计算 3 2 1 确定尺寸及估计重量 3 2 2 纵向 Z 向 设计计算 18 2 2 1 滚珠丝杠设计计算 18 2 2 2 传动齿轮的相关计算 21 2 2 3 转动惯量计算及其步进电机的选择 22 2 2 4 齿轮的验算 25 第三章 轴的设计与校核 34 3 1 轴的材料选择 34 3 2 初选滚动轴承 34 3 3 初步确定传动轴的轴向 径向尺寸 34 3 4 按弯扭合成强度校核轴的强度 34 第四章 零件校核计算 39 4 1 滚动轴承的支反力计算 39 4 2 滚动轴承的寿命校核 39 4 3 键的强度校核 39 第五章 数控系统的硬件电路设计 41 5 1 单片机简介 41 5 2 单片机在设计中的应用 43 结论 47 致谢语 48 参考文献 49 Z3040 摇臂钻床主轴 Z 向进给系统改造设计 摘要 随着科学技术的发展 计算机数字控制技术的日趋成熟 加工技术在世界的工业范围内都有 了显著的提高 我国由于存在大量的金属切削机床 把它们全部淘汰不符合我国国情 所以对金属 切削机床进行适当的数控化改造是最明智的选择 本次设计是对台式钻床的工作台进行数控化改造 首先 了解台式钻床的结构 确定改造方案 其次 选择滚珠丝杠 步进电机和消隙齿轮等零件 达到提高传动精度 减小加工误差的目的 第三 采用芯片控制代替原有的电气控制形式 从而达 到提高控制精度 减少响应时间和减小占地空间等目的 并且可视化的数控代码编程和模拟加工过 程可以提前发现程序的纰漏 最后 利用单片机对液压回路等进行控制 方便工程技术人员编写和 使用 本次设计的结果可以顺利达到设计任务的要求 提高加工效率 普通机床数控化改造的技术 可以广泛的应用在机械加工行业中 工程技术人员也应掌握并创新该项技术为振兴我国机械制造业 而努力 关键字 经济性数控钻床 滚珠丝杠 滚动轴承 第 1 页 共 50 页 第一章 绪论 1 1 先进制造技术的提出与发展 1949 年 在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下开始数控机床研究 并于 1952 年试制成 功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床 不久即开始正式生产 从 1952 年至今 数控机床按数控系统的发展经历了五代 第一代 1955 年 数控系统以电子管组成 体积大 功耗大 第二代 1959 年 数控系统以晶体管组成 广泛采用印刷电路板 第三代 1965 年 数控系统采用小规模集成电路 其特点是体积小 功耗低 可靠性有了提高 第四代 1970 年 数控系统采用小型计算机取代专用计算机 其部分功能由软件实现 首次出现在 1970 年美国芝加哥国际机床展览会上 具有价格低 可靠性高和功能多等特点 第五代 1974 年 数控系统以微处理器为核心 不仅价格进一步降低 体积进一步缩小 使实现真 正意义上机电一体化成为可能 现在市场上数控系统都是以微处理器为核心系统 但数控 系统的性能随着 CPU 的不断升级而不断提高 这一代又可细分为六个发展阶段 1974 年 系统以位片微处理器为核心 有字符显示 自诊断功能 1979 年 系统采用 CRT 显示 VLIC 大容量磁泡存储器 可编程接口和遥控接口等 1981 年 具有人机对话功能 动态图形显示 实时精度补偿 1986 年 数字伺服控制诞生 大惯量的交直流电机进入实用阶段 1988 年 采用高性能的 32 位机作为主机的主从结构系统 1994 年 基于 PC 的 NC 系统诞生 使 NC 系统的研究开发进入了开放型 柔性化的新时代 新型 NC 系统的开发周期日益缩短 可以说它是数控技术发展的又一个里程碑 1 2 我国数控机床发展现状 我国数控机床的发展起步较早 从1958年开始研制 已经历了40年的发展历程 但到1978年底 数控机床的发展几经周折 走了不少弯路 当年数控机床的产量仅223台 1979年开始的改革开放 为我国的机械工业开辟了新时期 数控机床的发展也进入了一个崭新的阶段 我国近几年数控机床 发展迅速 一大批性能较好 价格适宜的产品受到了用户的欢迎 但与工业发达国家仍存在阶段性 的差距 就总体来说 我国数控机床的构成比较落后 以普通精度加工为主的车床 钻床所占比重 大 以高精度加工为主的磨床 自动化和高效率的加工中心所占比重小 国产的经济型 低价位的 数控机床比重大 其性能和加工效率与国外先进水平差距较大 中档以上的产品竞争力较低 装备 各行业所需的数控机床 主要依靠进口 国产数控机床的市场占有率不高 1 3 数控机床的优缺点 数控机床较好地解决了复杂 精密 小批 多变的零件加工问题 是一种灵活的 高效能的自 动化机床 尤其对于约占机械加工总量80 的单件 小批量零件的加工 更显示出其特有的灵活性 概括起来 采用数控机床有以下几方面的优点 第一 提高加工精度 结构上引入滚珠丝杆 采用软件精度补偿技术 加工全程由程序控制加 工 减少人为因素对加工精度的影响 尤其提高了同批零件加工的一致性 使产品质量稳定 第二 提高生产效率 一般约提高效率3 5倍 使用数控加工中心机床则可提高生产率5 10倍 第 2 页 共 50 页 节约时间与资金 第三 可加工形状复杂的零件 如螺旋浆 第四 减轻了劳动强度 改善了劳动条件 第五 有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展 但是数控机床也存在着以下缺点 第一 由于费用高昂 加工大批量零件不利 第二 操作人员要求素质高 工资成本高 第三 系统复杂 修理复杂 维护费用高 需要好的工作环境 1 4 本论文研究的内容及目的 本次设计是对台式钻床的工作台进行数控化改造 首先 了解台式钻床的结构 确定改造方案 其次 选择滚珠丝杠 步进电机和消隙齿轮等零件 来达到提高传动精度 减小加工误差的目的 第三 采用芯片控制代替原有的电气控制形式 达到提高控制精度 减小响应时间和减小占地空间 等目的 并且可视化的数控代码编程和模拟加工过程 可以提前发现程序的纰漏 最后 利用单片 机对液压回路等进行控制 方便工程技术人员编写和使用 本次设计的结果可以顺利达到设计任务 的要求 完成 Z Y 两方向单独运行和同时运行 提高了加工效率 第 3 页 共 33 页 第二章 机械部分设计与计算 2 1 确定尺寸及估计重量 根据钻床工作台的尺寸初步确定 Y 轴方向移动的工作台尺寸重量约为 200N Z 轴方向移动的工作台尺寸重量约为 150N ZY 工作台总重量 包括夹具及工件 不超过 450N 2 2 纵向 Z 向 设计计算 2 3 1 滚珠丝杠设计计算 1 强度计算 对于燕尾型导轨的牵引力计算 F KF f F 2F G m XZY 取 K 1 4 f 0 2 考虑工作台在移动过程中只受 G 影响 故 F fG 1m 0 2 200 40 N 考虑工作台在加工时静止只受 FZ影响 故 F KF 2mX 1 4 500 4 700 56 N 取 F F max 2m 2 计算最大动载荷 C 初选螺母副导程 L0 6mm 丝杠的转速 n 100r min L 6 10 60nT 由机床设计手册取 T 15000 h L 6 10 60nT 6 10 1500010060 90 考虑滚珠丝杠在运转过程中有冲击振动和考虑滚珠丝杠的硬度对寿命的影响 由机床设计手册取 f 1 2 f 1 0 WH Q ffF 3 L WH 第 4 页 共 50 页 1 2 1 877 82 3 90 4 72 KN 查看机床设计手册选取 W2506 型滚珠丝杠 Ca 13 1KN Q 刚度足够 3 效率计算 根据 机械原理 的公式 丝杠螺母副的传动效率 为 tan tan v v 摩擦角 10 螺旋角 4 22 tan tan v v 01224tan 224tan 0 963 滚珠丝杠的传动效率高 这可使丝杠副的温度变化较小 对减小热变形 提高刚度 强度都起了很 大作用 4 刚度验算 滚珠丝杠受工作载荷 Fm 引起的导程变化量 L1 ZF LFm 0 L 6 mm 0 6 cm 0 E 21 10 N cm 2 6 F 2 2 2 d 2 92 6 3 46 cm 2 L1 ZF LFm 0 46 3 1021 6 056 700 6 5 78 10 6 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2 很小 可忽略 即 L L1 所以导程变形总误差 为 第 5 页 共 33 页 0 1 100 L L 6 0 1078 5 100 6 9 64 m m 由机床设计手册知 E 级精度丝杠允许的螺距误差 1m 长 为 15 m m 故刚度足够 5 稳定验算 机床的进给丝杠通常是轴向力的压杆 若轴向力过大 将使丝杠失去稳定而产生弯曲 依据 材料力学 中的欧拉公式计算 F K 2 L ZJ 式中截面惯性矩 对实心圆柱 J 64 4 1 d 64 984 2014 3 0 95 N cm F K 2 L ZJ 2 62 101 95 0 1021 1972613 719 N n 2 4 4 K n K m K F F 56 700 719 1972613 2815 77 n K 所以滚珠丝杠安全不至失稳 6 滚珠丝杠副主要尺寸列表 见表 3 2 主要尺寸计算公式计算结果 公称直径 d0 25 第 6 页 共 50 页 基本导程 L0 6 滚珠直径 d3 3 969 滚珠圆弧半径 R 2 064 螺旋升角 4 22 滚道圆弧偏心距 e 0 056 丝杠大径 d 丝杠小径 d1 d1 d0 2e 2R20 984 丝杠长度 S S 700 螺母大径 D 45 螺母小径 D0 螺母长度 58 2 列 表 3 23 2 滚珠丝杠副主要尺寸列表 2 3 2 传动齿轮的相关计算 1 传动比的计算 i t P L 360 0 005 0 360 675 0 2 5 2 初步分配传动比 按获得最小转动惯量的原则分配传动比 i 2 2 1 i i i i t12 得 i 1 52 i 1 64 12 3 初步估计齿轮模数 m 1 25 小齿轮 Z 27 1 大齿轮 Z i Z1 21 1 52 27 41 b 17mm b 20mm 12 d mZ 11 第 7 页 共 33 页 1 2527 33 75mm d mZ 22 1 2541 51 25 mm a 1 2 21 dd 2 25 5175 33 42 5 mm 小齿轮 Z 30 3 大齿轮 Z4 i Z 23 1 6430 49 b 26mm b 28mm 34 d mZ 33 1 2530 37 5 mm d mZ 44 1 2549 61 25 mm a 2 2 43 dd 2 25 615 37 49 375 mm 4 2 3 3 转动惯量计算及其步进电机的选择 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 J 2 G 1 180 2 200 5 1 01 0 180 29 18 N cm2 丝杠的转动惯量 Js 7 8410P L 4 4 7 8 10 4 24 48 5 9904 N cm2 齿轮的转动惯量 J 7 8410P L 1Z 4 4 第 8 页 共 50 页 7 8 10 4 3 775 4 1 7 1 72 N cm2 J 7 8410P L 2Z 4 4 7 8 10 4 5 125 4 2 1 076 N cm2 J 7 8410P L 3Z 4 4 7 8 10 4 3 75 4 2 6 4 N cm2 J 7 8410P L 4Z 4 4 7 8 10 4 6 125 4 2 8 30 738 N cm2 总传动惯量 J J J 2 2 2 1 4 ii JJ ZS 2 1 23 i JJ ZZ 1Z1 1 72 29 18 22 64 152 1 74 30 4 13 2 52 1 76 1001 4 所需转动力矩 44 396 N cm2 1 快速空载时所需的力矩 M M M M maxaf0 当 n n时 M M maxmaxaa n max 0 max L iv 6 25100 416 67 r min M maxa 4 10 6 9 T Jn 4 10 025 0 6 9 67 416918 2 0 5 N cm2 M f i wLf 2 0 5 28 02 6 020016 0 1 53 N cm 当 0 9 时 预加载荷 P 则 0 3 X F 第 9 页 共 33 页 M 0 i LFX 6 1 2 00 5 28 06 9 016 056 700 2 2 118 N cm M t i LFX 2 0 5 28 02 6 056 700 33 45 N cm2 2 快速启动时所需力矩 M M M M maxaf0 0 5 1 53 2 118 4 148 N cm 3 切削时所需力矩 M M M M M atf0t 0 0 2 118 33 45 35 568 N cm 由上分析计算可知 所需最大力矩 M发生切削启动时 M M 35 568 N cm maxmax M q 4 0 max M 4 0 568 35 88 92 N cm 为满足最小步进距要求 电动机选用三相三拍工作方式 查机械设计手册得 0 886 jM q M M M jM 866 0 q M 102 68 N cm 步进电动机的最高频率 f max p v 60 max 第 10 页 共 50 页 005 0 60 1000 3333 33 HZ 选用 110BF003 型直流步进电机 能满足使用要求 2 3 4 齿轮的验算 1 材料的选择 由机械设计表选择小齿轮材料为 40Cr 调质 硬度为 280HBS 大齿轮材料为 45 钢 调质 硬度 为 240HBS 2 第一对齿轮按齿面接触强度设计 设计计算公式为 d t 12 1 2 11 1 32 2 Hd Et i ZiTK 1 确定公式内的各计算值 试选择载荷系数 K 1 3 t 小齿轮传递的转矩 T 8000N m 由机床设计手册选出齿宽系数 0 5 d 查得材料的弹性影响系数 Z 189MPa E 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度 600MPa 大齿轮的接触疲劳强度极限 1limH 550MPa 小齿轮的接触疲劳强度极限 2limH 计算应力循环次数 N 60n j h 11 608331 2830015 3 610 9 N 2 1 1 i N 608331 2830015 2 36810 9 由机床设计手册查得接触疲劳寿命系数 K 0 92 K 0 96 1HN2HN 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 得 H 1 S K HHN1lim 1 1 60092 0 552 MPa 第 11 页 共 33 页 H 2 S K HHN2lim 2 1 55096 0 528 MPa 2 计算 试算小齿轮分度园直径 d 带入 中较小的值 tH d t 12 1 2 11 1 32 2 Hd Et i ZiTK 2 32 2 2 528 52 1 5 0 8 189 152 1 80003 1 38 18 mm 计算圆周速度 v v 100060 11 nd t 100060 83318 38 1 665 m s 计算齿宽 b tdd1 0 538 18 19 09 mm 计算齿宽与齿高之比 b h 模数 m t 1 1 Z d t 1 414 mm 齿高 h 2 25mt 2 51 414 3 18 mm h b 735 3 09 19 6 计算载荷系数 根据 v 1 665m s 7 级精度 查得动载系数 K 1 1 为直齿轮 假设 100N mm 查 v b FK tA 第 12 页 共 50 页 机械设计手册得 K K 1 2 使用系数 K 1 由机床设计手册得 7 级精度小齿轮相对支承悬 H FA 臂布置时 K 1 12 0 18 1 0 7 0 2310b H 2 d 2 d 3 1 24 由 5 1 K 1 24 查机械设计手册得 K 1 28 h b H F 故载荷系数 K K K K A H H 11 11 21 24 1 6368 按实际的载荷系数校正所算得的分度园直径 由下式得 d d 1t 1 3 t K K 38 18 3 3 1 6368 1 41 23 mm 计算模数 m m 1 1 Z d 27 23 41 1 527 mm 3 第一对齿轮按齿根弯曲强度设计 得弯曲强度的设计公式 m 3 1 1 2 Fd SaFa Z YYKT 1 确定公式内的各计算值 由机床设计手册查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 500MPa 大齿轮的弯曲疲劳强度极限 1 FZ 380MPa 2 FZ 查得弯曲疲劳寿命系数 K 0 8 K 0 87 1 FN 2 FN 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳完全系数 S 1 4 1 F S K FZFN 11 第 13 页 共 33 页 4 1 50086 0 307 14 MPa 2 F S K FZFN 2 2 4 1 38087 0 236 14 MPa 计算载荷系数 K K K KK AV FFR 11 11 21 28 1 6896 查取齿形系数 由机床设计手册查得 Y 2 57 Y 2 39 1 Fa 2 Fa 查取应力校正系数 由机床设计手册查得 Y 1 6 Y 1 672 1 Sa 2 Sa 计算大 小齿轮的并加以比较 F SaFaY Y 1 11 F FaFaY Y 14 307 6 157 2 0 0134 2 2 2 F SaFa YY 14 236 62 139 2 0 0169 故大齿轮数值大 2 设计计算 m 3 1 1 2 Fd SaFa Z YYKT 3 2 27 5 0 0169 0 80006896 1 2 1 078 对比计算结果 由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数 由于齿轮 模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力 可取由弯曲强度算得的模数 1 078 m m 1 25 齿轮强度适合 4 第二对齿轮按齿面接触强度设计 第 14 页 共 50 页 由设计计算公式 d t 1 2 1 2 11 1 32 2 Hd Et i ZiTK 1 确定公式内的各计算值 试选择载荷系数 K 1 3 t 小齿轮传递的转矩 T i 13120 N m 121 T 由机床设计手册选出齿宽系数 0 7 d 查得材料的弹性影响系数 Z 189MPa E 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度 600MPa 大齿轮的接触疲劳强度极限 1limH 550MPa 小齿轮的接触疲劳强度极限 2limH 计算应力循环次数 N 60n jh 31 60457 691 2830015 1 97710 9 N 4 2 3 i N 64 1 10977 1 9 1 210 9 由机床设计手册查得接触疲劳寿命系数 K 0 95 K 0 99 3HN4KN 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 得 H 3 S K HHN3lim3 1 60095 0 570 MPa H 4 S K HHN4lim4 1 55099 0 544 5 MPa 2 计算 试算小齿轮分度园直径 d 带入 中较小的值 tH 第 15 页 共 33 页 d t 32 3 2 31 1 32 2 Hd Et i ZiTK 2 32 2 2 5 544 64 1 7 0 8 189 164 1 131203 1 39 04 mm 计算圆周速度 v v 100060 21 nd t 100060 69 45704 39 0 94 m s 计算齿宽 b tdd1 0 739 04 27 328 mm 计算齿宽与齿高之比 b h 模数 m t 3 3 Z d t 30 04 39 1 3 mm 齿高 h 2 25mt 2 51 414 3 18 mm h b 925 2 328 27 9 34 计算载荷系数 根据 v 0 94m s 7 级精度 得动载系数 K 1 06 为直齿轮 假设 100N mm 得 K K v b FK tA H 1 2 F 使用系数 K 1 7 级精度小齿轮相对支承悬臂布置时 A K 1 12 0 18 1 0 7 0 2310b H 2 d 2 d 3 1 12 0 18 1 0 70 7 0 7 0 231027 328 2 2 3 第 16 页 共 50 页 1 24 由 9 34 K 1 24 由机床设计手册得 K 1 23 h b H F 故载荷系数 K KK K K Av H H 11 061 21 24 1 57728 按实际的载荷系数校正所算得的分度园直径 由下式得 d d 3t 3 3 t K K 39 04 3 06 1 57728 1 41 64 mm 计算模数 m m 3 3 Z d 30 64 41 1 388 mm 5 按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式为 m 3 3 2 2 Fd SaFa Z YYKT 1 确定公式内的各计算值 由机床设计手册查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 500MPa 大齿轮的弯曲疲劳强度极限 3 FZ 380MPa 4 FZ 由机床设计手册查得弯曲疲劳寿命系数 K 0 8 K 0 87 3 FH 4 FN 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳完全系数 S 1 4 F 3 S K FZFN 33 4 1 50084 0 300 MPa F 4 S K FZFN 44 第 17 页 共 33 页 4 1 38086 0 233 43 MPa 计算载荷系数 K K K KK AV F F 11 061 21 23 1 56456 查取齿形系数 由机床设计手册查得 Y 2 57 Y 2 39 1 Fa 2 Fa 查取应力校正系数 由机床设计手册查得 Y 1 625 Y 1 696 3 Sa 4 Sa 计算大 小齿轮的并加以比较 F SaFaY Y 3 33 F FaFaY Y 300 625 1 52 2 0 0136 4 4 4 F SaFa YY 43 233 696 1 326 2 0 0169 故大齿轮数值大 2 设计计算 m 3 1 1 2 Fd SaFa Z YYKT 3 2 30 5 0 0169 0 56456 1 131202 0 92 对比计算结果 由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数 由于齿轮 模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力 可取由弯曲强度算得的模数 0 92 m m 1 25 故齿轮强度适合 第 18 页 共 50 页 第三章 轴的设计与校核 3 1 轴的材料选择 选用 45 号钢调质处理 初步估计轴端直径 d A0 3 n p 3 2 0 T T 3 352 0 13120 12 33 mm 3 2 初选滚动轴承 传动采用的是直齿轮 因其基本不受轴向力影响故采用深沟球轴承 6203 3 3 初步确定传动轴的轴向 径向尺寸 1 考虑到初步估计的直径与轴承内圈的通用性的要求由轴承产品目录中初步选取 基本游隙 组 标准精度级的深沟球轴承 6203 故此段轴径 d 17mm 2 由于齿轮段与轴承段为非配合表面和考虑到同轴安装的小齿轮 Z 不宜制作成齿轮轴 要保 3 证 d 2d 故取此段轴径 d 19mm 另一端同 a 3 齿轮段右端设计为轴环与齿轮段为配合表面 d d 3 4 C 圆整为 d 24mm 1 1 4 轴环的宽度为 b 1 4h 取轴环宽 b 6 3mm 5 齿轮段考虑到套筒要能准确实现轴向定位 故轴宽要比齿轮的宽度小一些故设计为 Z 段 2 取 b 19mm Z 段取 b 24mm 3 6 考虑到齿轮距箱体内壁之间有一定距离 考虑到轴承的润滑方式的影响 取 Z 的轴承段的 3 距离 l 30 5mm 7 确定轴上圆角和倒角尺寸 取轴端倒角为 0 8 45 各轴肩处的圆角半径见后图 3 4 按弯扭合成强度校核轴的强度 确定轴支撑跨距 L 99mm 1 绘制轴受力简图 见图 3 1 第 19 页 共 33 页 图 a 轴简图 Fr Ft Ft Fr n AB 图 b 受力简图 FRAV Fr2 FRBV Fr3 AB 图 c 水平受力 M BV MBV AB 图 d 水平弯矩图 Fr3 FRAVFRAV Fr3 AB 图 e 垂直受力图 MAH M BH MBH AB 图 f 垂直弯矩图 第 20 页 共 50 页 A T B 图 g 扭矩图 图 3 13 1 轴受力弯矩图 由力矩平衡条件确定齿轮受力 F 2t 2 2 2 d T 25 51 131202 512 N F 3t 3 3 2 d T 5 37 131202 699 73 N F Ftan 2r2t 512 tan20 186 35 N F Ftan 3r3t 699 78 tan20 254 68 N 2 绘制垂直弯矩图 见图 4 1 F l F l F l 0 RAV13r22r3 F RAV 1 3223 l lFlF rr 99 5 3335 186 8 6068 254 93 35 N F F F F 25 02 N RBVRAV2r3r 截面 A 左侧弯矩 M F AVRBV 2 3 l 93 35 2 2 38 1782 985 N 第 21 页 共 33 页 截面 B 右侧弯矩 M F BVRBV 2 3 l 25 02 2 5 33 419 085 N 截面 B 左侧弯矩 M F F BVRAV 2 2 l 3r 2 1 l 93 35 254 68 2 8 60 2 99 1807 1755 N mm 3 绘制水平面弯矩图 见图 3 1 Fl Fl Fl 0 RAH 13t 22t 3 F RAH 1 3223 l lFlF tt 99 5 33512 8 6073 699 602 99 N F F F F RBH3t2tRAH 699 73 512 602 99 608 74 N 截面 A 左侧弯矩 M F AHRAH 2 L 602 99 2 2 38 11517 109 N mm 截面 B 右侧弯矩 M F BHRBH 2 3 l 608 74 2 5 33 10196 345 N mm 截面 B 左侧弯矩 M F F 1BHRAH 2 2 l 3t 2 1 l 602 99 699 73 2 5 65 2 3 27 10196 68 N mm 4 绘制合成弯矩图 见图 3 1 M A 22 AHAV MM 第 22 页 共 50 页 22 109 11517985 1782 11654 305 N mm M B 22 BHBV MM 2 2 345 10196085 419 10205 N mm M 1B 22 BHBV MM 2 2 68 101961755 1807 10205 N mm 5 绘制转矩图 见图 3 1 T 13120 N mm 2 第 23 页 共 33 页 第四章 零件校核计算 4 1 滚动轴承的支反力计算 F RA 22 RAVRAH FF 22 35 9399 602 609 25 N mm F RB 22 RBHRBV FF 22 74 60802 25 609 25 N mm 4 2 滚动轴承的寿命校核 根据轴承寿命计算公式为 L h n 16670 r r P C 1 查机械零件手册 6203 轴承所具有的径向基本额定动载荷 C 7500N r 2 由结构设计上保证 P F P F 取 P P 609 25 N 1rRA2rRBr2r 3 对于球轴承 3 4 转速 n 457 69r min L h 69 457 16670 25 609 7500 3 67945 6 h L 30000h h 故轴承合适 4 3 键的强度校核 由机械设计可知键的强度校核公式为 p kld T 3 102 式中的参数为 1 T 13120 N mm 13 12 N m 2 k 0 5h 第 24 页 共 50 页 0 58 4 3 l L b 1 20 10 10 l L b 2 16 10 6 4 d 38mm 故取 l l 因为齿轮 3 的键能满足条件齿轮 2 道的键亦满足 2 3864 131202 28 77 MPa 110 MPa p 故键的强度合适 第 25 页 共 33 页 第五章 数控系统的硬件电路设计 5 1 单片机简介 1 8155 由以下三个部分组成 1 数据存储器 该部分是容量为 256B 的 SRAM 2 并行 I O 端口 可编程的 8 位 I O 口 PA PA 可编程的 8 位 I O 口 PB PB 和可编程的 7070 6 位 I O 口 PC PC 还允许写入 8 位命令寄存器和只允许读出的 8 位状态寄存器 50 3 定时器 计数器 14 位的二进制减法器 定时器 它采用 40 线双列直插式封根 AD AD 7 为三态地址数据线 可以直接与 MCS 51 系列单片机的 P 连接 地址锁存允许 ALE 信号的下降 00 沿 8 位地址锁存在内部地址寄存器中 该地址可以作为存储器部分的低 8 位地址 也可以是 I O 接 口通道的地址 这将由输入的 IO 信号的状态来决定的 在 AD AD 引脚上出现的数据是写入M 70 还是读出 8155 有系统控制信号和来决定的 RESET 是 8155 的重复信号的输入端 复位WRRD 后三个 I O 总是被置成输入工作方式 ALE 为地址锁存允许信号输入端 该控制信号由单片机发出 其下降沿将 AD AD 线的地址 片选信号以及 IO 信号锁存 8155 片内锁存器 是片选 70 CEMCE 信号 低电平有效 IO 为 I O 和 SRAM 选择信号 当 IO 1 时 选择 I O 口 当 IO 0MMM 时选择 SRAM 是写选通信号 低电平有效 将 AD AD 上的数据写入 SRAM 的莫一单元 或写WR 70 入某一 I O 为读选信号 低电平有效时候 将 8155 SRAM 某单元的内容读至数据总线或将RD I O 的内容读至数据总线 AD AD 为 A 口 8 根通用 I O 端线口 数据的输入或输出的方向由可 70 编程的命令寄存器的内容决定 PB PB 为 B 通用的 I O 的端口线数据的输入或输出的方向由可 70 编程程序命令寄存器的内容决定 PC PC 为 C 口 6 根线既有通用 I O 口功能 有具有对端口 A 50 和 B 起某种控制功能 各种功能的实现均由可编程序的命令寄存器的内容决定 TIMER IN 定时器 时钟输入端 TIMER OUT 定时器 计数器输出端 其输出信号是矩形还是脉冲数输出单个信号还是 连续信号 则由定时器 计数器的工作方式决定 8155 应用于键盘接口电路和显示接口电路 2 8031 包含一个 8 位 CPU 128 字节的 RAM 两个 16 位的定时器 四个 8 位并行口 一个全 双功能串行口 可扩展的外部程序存储器和数据存储器的容量含 64K 字节 具有 5 个中断源并配有 两个优先级 还有 21 个特殊功能寄存器 他是一个有 40 根引脚的双列直插式器件 V编程和正常操作的电源电压端 电压为 5V V地电平 ccss P 口 8 位双向 I O 口 既是数据线 又是低 8 位地址线 分时使用 0 P 口 8 位双向 I O 口 可供用户使用的接口 1 P 口 8 位双向 I O 口 系统外部存储器扩展时 作高 8 位地址线使用 系统扩展时 也可供 2 用户使用 P 口 8 位双向 I O 口 是一个双功能口 第一个功能和 P 一样可以作为通用 I O 口 工作 31 于 第二功能时 各端口定义如下 P RZD 串行输入 P TZD 串行输出 0 31 3 第 26 页 共 50 页 P 外部中断输入 P 外部中断输入 2 3 INTO 3 3 1INT P T 定时器 O 外输入端 P T 定时器 1 外输入端 4 305 31 P 写信号 P 读信号 6 3 WR 7 3 RD ALE PROG 访问外部存储器时 用于锁定地址低 8 位字节的地址锁存允许输出 ALE 提供一个定时 信号 在与外部存储器存取数据时 把 P 口的低位地址字节锁存到外接的锁存器中 PSEN 程序 0 存储器允许输出 是外部程序存储器的读选信号 V 为高电平时 CPU 执行程序内部程EA dd EA 序存储器的指令 为低电平时 CPU 执行外部程序存储器指令 使用 8031 单片机必须接地 EAEA ZTAL1 振荡器的反相放大器输入 使用外部时必须接地 ZTAL2 振荡器的反相放大器输出 使用 外部振荡器时 接受外部震荡信号 R VDP 复位控制 在震荡运行时 使 RST 引脚至少保持 ST 两个机器周期为高电平时 可实现复位操作 VPD 引脚是掉电电路输入口 3 6234 数据存储器 容量为 8K 字节 A A 地址输入线 共 13 根 012 IO IO 三态双向数据线 共 8 根 07 片选信号端 选通时是低电平 是高电平 1 CE 2 CE 1 CE 2 CE 选通信号输入线 低电平有效 OE 写选通信号输入线 低电平有效 WE V 5V 电源 cc GND 地电平 CS 高电平有效 可用于掉电保护 2 CE 4 2764 程序存储器 容量为 8KB A A 地址输入线 共 13 根 012 D D 数据输出线 共 8 根 07 片选线 低电平有效 CE 数据输出选通线 低电平有效 OE 编程脉冲输入线 PGM V 编程电源 pp 进行片内存储单元的选择 先把 A A 引脚与地址锁存器 8 位地址对应连接 剩下的高位地址 70 A A 与 P 口的 P P相连 这样 2764 芯片内存储单元的选择问题就解决了 12824 20 2 5 74LS373 地址锁存器单片机规定 P 口提供低 8 位地址线 同时又要作为数据线 所以 P 0 是一个分时输出低 8 位地址和数据通道 为了把地址信息分离出来保存 提供外接存储器的低 8 0 位地址信息 Q Q 是输出端 CE 是片选端 选通端 G 与 8031 单片机的地址锁存信号 ALE 连接 18 当选通端 G 1 时 74LS373 的输出端与输入端相通 当 G 端从高电平返回低电平时 输入信息就 pp 被锁存入 Q Q 中 18 6 74SL138 3 8 译码器即对三个输入信号进行译码 得到 8 个输出状态 G 和为使AG2BG2 能端或译码允许端 当 G 1 时 0 时 该译码器可以译码 CBA 为译码选择端 即译 1 AG2BG2 码信号输入 为译码输出信号 低电平有效 输入端占用 8031 单片机的 P P三根高位 0 Y 7 Y 5 27 2 地址线 剩余 13 根地址线用作数据存储器的内地址线 74LS138 每一个输出端可接一个外部芯片 的片选端实现分时片选控制 因此一个 74LS138 的 8 根输出端可以连接 8 个 8K 字节地址空间 第 27 页 共 33 页 7 8255 是可编程通用并行接口芯片 具有 40 个引脚 双列直插封装 由 5V 供电 ABC 三个 口线共 24 根 与外设相连 而 8 位的数据线 D D 与 P 口连接 是双向三态 在内部经数据总 070 线缓冲电路后和各组控制寄存器及个端口数据寄存器连接 为片选信号 由地址译码器产生 低电平有效 地址信号 A A 由 8255 内部译码生成四CS 10 个口地址分别对应 A B C 三个独立的数据端口及一个公共控制端口 两个低电平有效的信号 和决定了 CPU 当 0 时 由 CPU 写入 8255 RESET 为复位信号 高电平有效 复位后 RDWRWR 控制存储器的内容被撤除 A B C 三个端口全置成输入方式且锁存器也全清零 方式选择开关通过接口芯片 8255 与 8031 单片机连接 选择开关动片接地 选择开关的固定 片接到并行 PA 口 将 PA 口设置成输入方式 PA 的 8 个接口经上拉电阻接 5V 故为高电平 若某个 接口被选中 则被选中的接口经动片接地变为低电平 5 2 单片机在设计中的应用 1 方式选择开关 方式选择开关是一单刀 6 掷的波段开关 提供选择的方式有编辑 空运行 自动 手动 通信 和单段 总共 6 种功能 方式选择开关通过接口芯片 8255 与 8031 单片机连接 如图 3 所示 选择 开关动片接地 选择开关的动定片接到并行 PC 口 将 PC 口设为输入方式 PC 的 6 个接口经上位电 阻接 5V 故为高电平 若莫个接口被选中 则被选中的接口经动片接地 变为低平 图 5 15 1 控制面板方式选择开关控制电路 第 28 页 共 50 页 2 键盘接口设计 键盘和显示器是数控系统经常用的人机对话的外围设备 键盘可以完成程序数据的输入 显示 器显示计算机运行时的状态数据 键盘和显示器接口电路使用 8155 接口芯片 键盘接口电路 8155 和 8031 可以直接连接 因电 路中的 8155 只作为并行接口使用 不使用内部存储器 故 IO M 引脚直接经电阻 R 接高电平 8155 与键盘的连接如图 4 键盘排成 5 行 8 列矩阵 共 40 个键 PC0 PC4 是 5 根行线 PB0 PB7 是 8 根列线 在列线与行线的交叉点上安装有按键 PB 口的 8 根列线按一定时间隔轮流输出低电平