35-二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)【CAD圖紙+word說明書】
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寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院寧波大學(xué)科技學(xué)院理工分院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)機(jī)電模塊課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化姓 名童瑞甫學(xué) 號(hào)084173945班 級(jí)08機(jī)械(1)班指導(dǎo)教師胡利永學(xué) 期20112012學(xué)年第二學(xué)期設(shè)計(jì)時(shí)間2012、02、172012、03、09內(nèi)附資料1、課程設(shè)計(jì)說明書一份(含設(shè)計(jì)任務(wù)書);2、二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)裝配圖一張(A0);3、二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)電氣控制原理圖一張(A1);4、計(jì)算說明書草稿一份。成 績(jī)2012、03目錄一.總體方案擬定 (3)二X軸參數(shù)確定及選擇 (3)1.脈沖當(dāng)量選擇 (3)2.圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) (3)2.1齒輪強(qiáng)度計(jì)算 (5)2.2齒輪尺寸計(jì)算 (5)2.3等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 (6)2.4等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 (6)3.X軸聯(lián)軸器選擇 (7)4.x軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 (9)5.X軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 (9)三.Y軸參數(shù)確定及選擇 (9)1.脈沖當(dāng)量選擇 (9)2.等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 (9)3.等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 (10)4.Y軸聯(lián)軸器選擇 (10)5.Y軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 (11)6.Y軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 (11)四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) (12)1.設(shè)計(jì)內(nèi)容 (12)2.設(shè)計(jì)步驟 (12)3.總體方案擬定 (12)3.1主控CPU選擇 (12)3.2存儲(chǔ)擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) (12)3.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) (15)3.4其他輔助設(shè)計(jì) (16)4.數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) (16)五、參考文獻(xiàn) (17)一、 總體方案擬定方案擬定即確定工作臺(tái)傳動(dòng)的形式和控制方式及主要部件或器件的類型。(1)驅(qū)動(dòng)控制方式 由給定的工作臺(tái)精度要求較低,為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),故采用單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。主要由步進(jìn)電機(jī)、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路、滾珠絲杠副組成。(2)傳動(dòng)形式確定工作臺(tái)X方向和Y方向兩個(gè)坐標(biāo)分別采用步進(jìn)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。工作臺(tái)X方向采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)方式,可以通過降速擴(kuò)大轉(zhuǎn)矩輸出,匹配進(jìn)給系統(tǒng)慣量,獲得要求的輸出機(jī)械特性,同時(shí)減小脈沖當(dāng)量。工作臺(tái)Y方向采用直接傳動(dòng)方式,電機(jī)通過剛性聯(lián)軸器與滾珠絲杠聯(lián)結(jié)。結(jié)構(gòu)緊湊,傳動(dòng)效率高。絲杠轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出完全與電機(jī)的輸出特性一致。二、X軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇由已知設(shè)計(jì)參數(shù):vx=2.0 m/min=0.033m/s, Fx=180N,則 Px=Fxvx=5.94W1 脈沖當(dāng)量選擇初選三相電機(jī),按三相六拍工作時(shí),步矩角=0.75,初定脈沖當(dāng)量=0.005mm/p, 絲杠導(dǎo)程tsP=5 mm,中間齒輪傳動(dòng)比i為: i=(tsP)(360)=0.755(3600.005)=2.1由i確定齒輪齒數(shù)為Z1=20,Z2=42,模數(shù)m=2mm,大齒輪齒寬b2=10mm ,則b1=12mm2 圓柱斜齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)(1).選精度為7級(jí)(2).選小齒輪為40Cr(調(diào)質(zhì)),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì)),硬度為240HBS,兩者硬度差為40HBS(3).選擇齒數(shù)Z1=20,Z2=Z1i=202.142 (4).選取螺旋角, 初選14o2.1 齒輪強(qiáng)度計(jì)算(1)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)d1t=2KtT1(u1)(ZHZE)2/dauH2(1/3)1).試選Kt=1.6, 查表可得材料彈性影響系數(shù)ZE189.8MPa2).查機(jī)械設(shè)計(jì)教材,選取區(qū)域系數(shù)ZH=2.433, 選取齒寬系數(shù)d0.3,3). 查表得a10.78,a2 0.85,則aa1+a2 1.634).應(yīng)力循環(huán)系數(shù)取j=1, 所以: N1=60n2jLh=6015001(2830015)6.480109 N2=N1/u=6.480109/2.13.081095).查表得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.85,KHN2=0.89,6).查表得小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限Hlim1=600MPa,大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hlim2=550MPa,7).計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力:取失效概率為1%,取安全系數(shù)S=1, H1KHN1Hlim1/S=0.85600/1510MPaH2KHN2Hlim2/S=0.87550/1489.5MPaH=H1+H2)/2=499.75 MPa8) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩:T1=95.5105Px/nx=95.51050.00594/1500=37.82N.mm(2) 計(jì)算 1).試算小齒輪分度圓直徑d1t21.644.1213.083/(0.31.6301.25)(2.433189.8/494.25)2)(1/3)6.94mm ,取d1t=7.0mm2).計(jì)算圓周速度 v=d1tn1/(601000)0.55m/s3).計(jì)算齒數(shù)b及模數(shù)mnt: b=dd1t=0.372.1mmmnt=d1tcos/Z1=7cos14o/20=0.34 h=2.25mnt=2.250.34mm =0.76 mmb/h=2.1/0.76=2.84).縱向重合度0.318dZ1tan=0.3180.320tan14o=0.485).計(jì)算載荷系數(shù)K,查課本得使用系數(shù)KA=1.25,根據(jù)v=0.033 m/s ,7級(jí)精度,查得動(dòng)載系數(shù)Kv=1.01,由b/h=2.8,查得KH=KF=1.2,故載荷系數(shù)K=KAKvKHKF=1.251.011.21.21.696).分度圓直徑d1=d1t(K/Kt)(1/3)=7(1.69/1.6)(1/3)=7.13 mm7).計(jì)算模數(shù)mn=d1cos/Z1=7.13cos14o/20=0.35 mm(3)按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)mn=(2KT2YCOS2/dZ12)(YFYS/F)(1/3)1)計(jì)算載荷系數(shù),K=KAKvKFKF=1.251.011.21.21.692)根據(jù)縱向重合度0.48,查表得螺旋角影響系數(shù)Y=0.913)計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)Zv1=Z1/cos3=20/cos314o=21.24)查得,YFa1=2.763,YSa1=1.592,YFa2=2.375,YSa2=1.672因?yàn)樾↓X輪彎曲極限強(qiáng)度FE1=500MPa,大齒輪FE2380MPa,查得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85,KFN2=0.87,取安全系數(shù)S=1.1,則F1KHN1FE1/S=386MPaF2KHN2FE1/S304MPa5)計(jì)算大、小齒輪YFa1 YSa1/F1并加以比較YFa1 YSa1/F12.7631.562/386=0.0112YFa2YSa2/F2=2.3751.672/3040.013比較后取大齒輪數(shù)據(jù)6)設(shè)計(jì)計(jì)算mn=21.6937.820.910.013(cos14)2/(0.32021.63)(1/3)0.187m 對(duì)比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算得法面模數(shù)mn大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算得法面模數(shù),取mn2 mm,已可滿足彎曲強(qiáng)度,但為了同時(shí)滿足接觸疲勞強(qiáng)度,需按接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算得的分度圓直徑d1=20mm ,來計(jì)算應(yīng)有的齒數(shù),于是有Z1=d1cos/mn=20cos14o/29.7,取Z120,則Z2iZ1=2.124422.2 齒輪幾何尺寸計(jì)算中心距 a=( Z1+Z2)mn/(2cos)=(20+42)2/(2cos14o)63.9 mm 所以圓整為64 mm按圓整后的中心距修正螺旋角arccos(Z1+Z2)mn/2a=arcos(20+42)2/(264) =14.36 o 計(jì)算大、小齒輪分度圓直徑d1=Z1mn/cos=202/cos14.36o =41.29mmd2=Z2mn/cos=302/cos14.36o =86.7mm計(jì)算齒輪寬度b=dd1=0.341.2912.36 mm,所以取B2=13mm,小齒輪取B1=16mm2.3等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算(不計(jì)傳動(dòng)效率)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg1=(d14b1)32=441.47.8510-332 =0.27610-4 kg.m2式中 鋼密度=7.8510-3 kg/cm3同理,大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jg2=0.49810-4 kg.m2 查設(shè)計(jì)手冊(cè)初選滾珠絲杠 CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=430 mm滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=(d04l)32=(2)4437.8510-33210-4 kg.m2 =0.5310-4 kg.m2工作重物為12kgJw=(w/g)(tsP2) 2 i2 =12(0.52) 2 2.1210-4 kg.m2 =1.7110-6 kg.m2因此,折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je Je= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) i2 =0.80710-4 kg.m2 2.4 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算(以下為折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩)查設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(4-7)(4-9)可知:Mt=(Fx+Fy) tsP/(2i)= (180+0.06140)0.005/(20.82.1)=0.089N.mMf= (Ff tsP)/(2i)= (W tsP)/(2i)=(0.0612100.005)/ (20.82.1)=0.00341N.m上述式中 絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取 =0.8為摩擦系數(shù)取0.06nmax=(vmax/)(/360)=(2000/0.005) (0.75/360)=833 r/min取起動(dòng)加速時(shí)間t=0.03 s初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)70BF003,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=0.784N.m,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=0.310-4 kgm2, fm=1600Hz.M0=(Fp0tsp)(2i) (1-02)= (1/3Fxtsp)(2i) (1-02) =(1/3) 1800.006(20.82.1) 1-0.92=0.054 N.m式中 Fp0滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷,一般取Fy/3 Fy進(jìn)給牽引力(N) 0滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,取0.9J=( Je +Jm)= 0.80710-4 kgm2+0.310-4 kg.m2 =1.10710-4 kg.m2Ma=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)= 0.2926N.mMq= Ma+ Mf+ M0=0.2926+0.00341+0.054=0.35N.mMc= Mt+ Mf+ M0=0.089+0.00341+0.054=0.1464N.mMk= Mf+ M0=0.00341+0.054=0.05741N.m從計(jì)算可知, Mq最大,作為初選電動(dòng)機(jī)的依據(jù).Mq/ Mjmax=0.4460.9 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求.4)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性校驗(yàn) Je /Jm4 說明慣量可以匹配綜上所述,可選該型號(hào)步進(jìn)電機(jī)3.X軸聯(lián)軸器選擇聯(lián)軸器除聯(lián)接兩軸并傳遞轉(zhuǎn)矩外,有些還有補(bǔ)償兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能,以及具有緩沖、吸振、安全保護(hù)等功能。因此要根據(jù)傳動(dòng)裝置工作要求來選定聯(lián)軸器類型。本方案選擇套筒聯(lián)軸器。4. X軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)(1)滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型滾珠循環(huán)方式 由設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表5-1查得,選擇外循環(huán)插管式 軸向間隙預(yù)緊方式 預(yù)緊目的在于消除滾珠螺旋傳動(dòng)的間隙,避免間隙引起的空程,從而提高傳動(dòng)精度.由表5-2查得,采用雙螺母墊片預(yù)緊方式. (2)滾珠絲杠副直徑和基本導(dǎo)程系列采用絲杠公稱直徑 20mm,導(dǎo)程為5mm, 絲杠外徑19.5mm,絲杠底徑17.76mm,循環(huán)圈數(shù)2.5,基本動(dòng)載荷7417N,基本靜載荷15311N,剛度376N/um.(3)滾珠絲杠精度等級(jí)確定絲杠有效行程 由導(dǎo)程查得余程le=20 mm,得絲杠有效行程lv=lu-le,lu =150-20=130 mm精度等級(jí) 根據(jù)有效行程內(nèi)的平均行程允許偏差ep=0.02/300*130*103=8.6由表5-5得,精度等級(jí)為T2(4)滾珠絲杠副支承形式選擇滾珠絲杠主要承受軸向載荷,應(yīng)選用運(yùn)轉(zhuǎn)精度高,軸向剛度高、摩擦力距小的滾動(dòng)軸承.滾珠絲杠副的支承主要約束絲杠的軸向串動(dòng),其次才是徑向約束.由表5-6查得,采用一端固定一段游動(dòng)(F-S)支承形式.(5)滾珠絲杠副的選擇高速或較高轉(zhuǎn)速情況,按額定動(dòng)負(fù)荷CaCaj選擇滾珠絲杠副由式(3-2)可知:Caj=(Fefw)/(fhftfafk)(60Lhne)/(106)1/3式中 Caj -滾珠絲杠副的計(jì)算軸向動(dòng)負(fù)荷(N) Fe-絲杠軸向當(dāng)量負(fù)荷(N). 取進(jìn)給抗力和摩擦力之和的一半Fe=162N ne-絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=200r/min. Lh-絲杠工作壽命(h). 查考2表5-7得Lh=15000 h. ft-溫度系數(shù). 查2表5-8,得ft=0.70 fa-精度系數(shù). 查2表5-9得fa=1.0 fw-負(fù)載性質(zhì)系數(shù). 查2表5-10得fw=0.95 fh-硬度系數(shù).查2表5-11得fh=1.0 fk-可靠性系數(shù).查2表5-12得fk=0.21(可靠度99%)計(jì)算得Caj=5.11KNFmax臨界轉(zhuǎn)速 對(duì)于在高速下工作的長(zhǎng)絲杠,須驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速,以防止絲杠共振. ncr=9910(f22d2)/Lc2式中 f2-絲杠支承方式系數(shù),F -S取3.927 Lc -臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度. Lc =0.25m. d2-絲杠螺紋底徑,取0.016mncr= 9962r/min nmax,同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值 d0n=20*833=1666070000軸承選角接觸球軸承7001AC. (7)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的防護(hù)滾珠絲杠副的防護(hù)裝置 ,采用專業(yè)生產(chǎn)的伸縮式螺旋彈簧鋼套管.滾珠絲杠副的密封 滾珠絲杠副兩端的密封圈如裝配圖所示.材料為四氟乙烯,這種接觸式密封須防止松動(dòng)而產(chǎn)生附加阻力.滾珠絲杠副的潤(rùn)滑 潤(rùn)滑劑用鋰基潤(rùn)滑劑.5.X軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算(1) 本方案選擇HJG-D35型滾動(dòng)導(dǎo)軌 ,E級(jí)精度,fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1(2) 壽命按十年,每年工作300天,每天工作8h,開機(jī)率0.8計(jì),額定壽命為:Lh=1030080.8=19200 h 3)滾動(dòng)導(dǎo)軌間隙調(diào)整預(yù)緊可以明顯提高滾動(dòng)導(dǎo)軌的剛度,預(yù)緊采用過盈配合,裝配時(shí),滾動(dòng)體、滾道及導(dǎo)軌之間有一定的過盈量.(4)潤(rùn)滑與防護(hù)潤(rùn)滑:采用脂潤(rùn)滑,使用方便,但應(yīng)注意防塵.防護(hù)裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進(jìn)入導(dǎo)軌,以提高導(dǎo)軌壽命.防護(hù)方式用蓋板式.三、Y軸方案及參數(shù)計(jì)算Y軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇Y參數(shù)選定與計(jì)算vy=1.45m/min=0.024m/s , Fy=140N , Px=Fyvy=3.38W1 脈沖當(dāng)量選擇初選五相電機(jī),按五相五拍工作時(shí),步矩角=0.72,初定脈沖當(dāng)量=0.005mm/p, 絲杠導(dǎo)程tsP=5 mm,中間齒輪傳動(dòng)比i為: i=(tsP)(360i)=0.725(3600.005)=2由i確定齒輪齒數(shù)為Z1=20,Z2=40,模數(shù)m=2mm,齒寬b1=12mm,b2=10mm2 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算(不計(jì)傳動(dòng)效率)Jg1=(d14b1)32=(4)41.27.8510-332 =0.210-4kg.m2式中 鋼密度=7.8510-3 kg/cm3同理,大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jg2=0.48110-4 kg.m2 初選滾珠絲杠CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=380 mm滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=(d04l)32=(2)4387.8510-33210-4 kg.m2 =0.46810-4 kg.m2Jw=(w/g)(tsP2) 2 i2 =25(0.52) 2 2210-4 kg.m2 =3.96210-6 kg.m2因此,折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JeJe= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) i2 =0.47710-4 kg.m2 3 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算(以下為折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩)由指導(dǎo)書(4-7)(4-9)可知:Mt=(Fy+Fx) tsP/(2i)= (140+0.06180) 0.005/(20.82)=0.075 N.mMf= (Ff tsP)/(2i)= (W tsP)/(2i)=(0.061200.005)/ (20.82)=3.5810-3N.m上述式中 絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取 =0.8為摩擦系數(shù)取0.06nmax=(vmax/)(/360)=(1450/0.005) (0.72/360)=580r/min取起動(dòng)加速時(shí)間t=0.03 s初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)75BF006A,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=1.95N.m,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=0.710-4 kgm2, fm=1450Hz.故 M0=(Fp0tsp)(2i) (1-02)= (1/3Fytsp)(2i) (1-02) =(1/3) 1400.005(20.82) 1-0.92=0.0044 N.m式中 Fp0滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷,一般取Fy/3 Fy進(jìn)給牽引力(N) 0滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,取0.9J=( Je +Jm)= 0.47710-4 kgm2+0.710-4 kg.m2 =1.17710-4 kg.m2Ma=( Je +Jm)( 2nmax)/(60t)=1.17710-4 (2580)(600.03)= 0.238N.mMq= Ma+ Mf+ M0=0.238+0.00358+0.0044=0.2459N.mMc= Mt+ Mf+ M0=0.0075+0.00358+0.0044=0.01548N.mMk= Mf+ M0=0.00358+0.0044=0.00798N.m從計(jì)算可知, Mq最大,作為初選電動(dòng)機(jī)的依據(jù).Mq/ Mjmax=0.140.9 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求.4)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性校驗(yàn)Je /Jm=0.477/0.7=0.684 說明慣量可以匹配綜上所述,可選該型號(hào)步進(jìn)電機(jī),具有一定的裕量.4 Y軸聯(lián)軸器選擇聯(lián)軸器除聯(lián)接兩軸并傳遞轉(zhuǎn)矩外,有些還有補(bǔ)償兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能,以及具有緩沖、吸振、安全保護(hù)等功能。因此要根據(jù)傳動(dòng)裝置工作要求來選定聯(lián)軸器類型。本方案選擇套筒聯(lián)軸器。5 Y軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)(1)滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型滾珠循環(huán)方式 由表5-1查得,選擇外循環(huán)插管式 軸向間隙預(yù)緊方式 預(yù)緊目的在于消除滾珠螺旋傳動(dòng)的間隙,避免間隙引起的空程,從而提高傳動(dòng)精度.由表5-2查得,采用雙螺母墊片預(yù)緊方式. (2)滾珠絲杠副直徑和基本導(dǎo)程系列采用絲杠公稱直徑 20mm,導(dǎo)程為5mm, 絲杠外徑19.5mm,絲杠底徑17.76mm,循環(huán)圈數(shù)5,基本動(dòng)載荷14205N,基本靜載荷38244N,剛度730N/um.(3)滾珠絲杠精度等級(jí)確定絲杠有效行程 由導(dǎo)程查得余程le=20 mm,得絲杠有效行程lv=lu-le,lu =100-20=80 mm精度等級(jí) 根據(jù)有效行程內(nèi)的平均行程允許偏差ep=0.015/300*80*103=4由表5-5得,精度等級(jí)為T1(4)滾珠絲杠副支承形式選擇由表5-6查得,采用一端固定一端游動(dòng)(F-S)支承形式.(5)滾珠絲杠副的選擇本方案屬于高速或較高轉(zhuǎn)速情況,按額定動(dòng)負(fù)荷CaCaj選擇滾珠絲杠副Caj=(Fefw)/(fhftfafk)(60Lhne)/(106)1/3式中 Caj -滾珠絲杠副的計(jì)算軸向動(dòng)負(fù)荷(N) Fe-絲杠軸向當(dāng)量負(fù)荷(N). 取進(jìn)給抗力和摩擦力之和的一半Fe=126N ne-絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=145 r/min. Lh-絲杠工作壽命(h). 查考2表5-7得Lh=15000 h. ft-溫度系數(shù). 查2表5-8,得ft=0.70 fa-精度系數(shù). 查2表5-9得fa=1.0 fw-負(fù)載性質(zhì)系數(shù). 查2表5-10得fw=0.95 fh-硬度系數(shù).查2表5-11得fh=1.0 fk-可靠性系數(shù).查2表5-12得fk=0.21(可靠度99%)計(jì)算得Caj=3854.9NFmax臨界轉(zhuǎn)速 對(duì)于在高速下工作的長(zhǎng)絲杠,須驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速,以防止絲杠共振. ncr=9910(f22d2)/Lc2式中 f2-絲杠支承方式系數(shù),F -S取3.927 Lc -臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度. Lc =0.32m. d2-絲杠螺紋底徑,取0.0175mncr= 26117r/min nmax,軸承選角接觸球軸承7001AC. (7)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的防護(hù)滾珠絲杠副的防護(hù)裝置 ,采用專業(yè)生產(chǎn)的伸縮式螺旋彈簧鋼套管.滾珠絲杠副的密封 滾珠絲杠副兩端的密封圈如裝配圖所示.材料為四氟乙烯,這種接觸式密封須防止松動(dòng)而產(chǎn)生附加阻力.滾珠絲杠副的潤(rùn)滑 潤(rùn)滑劑用鋰基潤(rùn)滑劑.6 Y軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算(1)選HJG-D35 型滾動(dòng)導(dǎo)軌 ,E級(jí)精度,fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1(2)壽命按10年,每年工作300天,每天8h,開機(jī)率0.8計(jì),額定壽命為:Lh=1030080.8=19200 h (3)滾動(dòng)導(dǎo)軌間隙調(diào)整預(yù)緊可以明顯提高滾動(dòng)導(dǎo)軌的剛度,預(yù)緊采用過盈配合,裝配時(shí),滾動(dòng)體、滾道及導(dǎo)軌之間有一定的過盈量.(4)潤(rùn)滑與防護(hù)潤(rùn)滑:采用脂潤(rùn)滑,使用方便,但應(yīng)注意防塵.防護(hù)裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進(jìn)入導(dǎo)軌,以提高導(dǎo)軌壽命.防護(hù)方式用蓋板式.四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) (一) 設(shè)計(jì)內(nèi)容.按照總統(tǒng)方案以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求,確定硬件電路的方案,并繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖;.選擇計(jì)算機(jī)或中央處理單元的類型;.根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路;.根據(jù)控制對(duì)象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計(jì)擴(kuò)展接口電路,檢測(cè)電路,轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動(dòng)電路等;.選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號(hào);.繪制出一張清晰完整的電氣原理圖,圖中要標(biāo)明各器件的型號(hào),管腳號(hào)及參數(shù);.說明書中對(duì)電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行詳細(xì)的原理說明和方案論證。(二) 設(shè)計(jì)步驟.確定硬件電路的總體方案。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成:1、 主控制器。即中央處理單元CPU2、 總線。包括數(shù)據(jù)總線,地址總線,控制總線。3、 存儲(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。4、 接口。即I/O輸入輸出接口。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示:存儲(chǔ)器RAMROM外設(shè):鍵盤,顯示器,打印機(jī),磁盤機(jī),通訊接口等輸入/輸出I/O接口信號(hào)變換控制對(duì)象.主控制器的選擇系列單片機(jī)是集中,端口及部分等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng),并且開發(fā)手段齊全,指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大,編程靈活,硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用芯片作為主控芯片。.存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)()程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用芯片。其型號(hào)有:2716,2732,2764,27128,27258,其容量分別為k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時(shí)要考慮與時(shí)序的匹配。所能讀取的時(shí)間必須大于所要求的讀取時(shí)間。此外,還需要考慮最大讀出速度,工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí),盡量選擇大容量芯片,以減少芯片數(shù)量以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。綜合以上因素,選擇芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。單片機(jī)規(guī)定0口提供為位地址線,同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用,所以為分時(shí)用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口,為了把地址信息分離出來保存,以便為外接存儲(chǔ)器提高低位的地址信息,一般采用芯片作為地址鎖存器,并由發(fā)出允許鎖存信號(hào)ALE的下降沿,將地址信息鎖存入地址鎖存器中。由以上分析,采用EPROM芯片的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路框圖如下所示: A12 A8 2764A7A0 D7 D0 P1.7 P1.0 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 譯碼電路G74LS372擴(kuò)展2764電路框圖()數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于內(nèi)部只有字節(jié),遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)選用芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。其擴(kuò)展電路如下所示: P2.4 P2.0ALE P0.7 P0.0 A12 A8A7 6264A0D7D0 D0譯碼電路G74LS372擴(kuò)展6264電路框圖()譯碼電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,所有外圍芯片都通過總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址,因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜??刹捎镁€選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨(dú)的地址線接到外圍芯片的片選端上,只要該地址線為低電平,就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但它所用片選線都是高位地址線,它們的權(quán)值較大,地址空間沒有充分利用,芯片之間的地址不連續(xù)。對(duì)于和容量較大的應(yīng)用系統(tǒng),當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí)候,多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址,而用譯碼器對(duì)高位地址線進(jìn)行譯碼,譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。(4)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)8031單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)起程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。該設(shè)計(jì)選用程序存儲(chǔ)器2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264組成8031單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路,(5)擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)(a).通用可編程接口芯片單片機(jī)共有個(gè)位并行接口,但供用戶使用的只有1口及部分3 口線。因此要進(jìn)行口的擴(kuò)展。與微機(jī)接口較簡(jiǎn)單,是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。 (b).鍵盤,顯示器接口電路鍵盤,顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備,可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。通常,數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤,即用口線組成行,列結(jié)構(gòu),按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有和。下圖所示為采用接口管理的鍵盤,顯示器電路。它有鍵和位顯示器組成。為了簡(jiǎn)化秒電路,鍵盤的列線及顯示器的字位控制共用一個(gè)口,即共用的P口進(jìn)行控制,鍵盤的行線由口擔(dān)任,顯示器的字形控制由8155的PB口擔(dān)任。鍵盤顯示器接口電路如下所示:4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)(1)脈沖分配器步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn),其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組,實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器YB013。(2)光電隔離電路在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中,脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連,將會(huì)引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離,通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下:(3)功率放大器脈沖分配器的輸出功率很小,遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要,必須將其輸出信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率,才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器,需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。本設(shè)計(jì)選用功率放大器。5其它輔助電路設(shè)計(jì)()的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生:內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路,在XTAL1,XTAL2引腳上外接定時(shí)元件,如下圖所示。晶體可以在.之間任意選擇,耦合電容在pF之間,對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式時(shí),可將XTAL1直接接地,XTAL2接外部時(shí)鐘源。8031XTAL1XTAL2時(shí)鐘電路()復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘工作后,只要在引腳上出現(xiàn)ms以上的高電平,單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位,之后便從單元開始執(zhí)行程序。在實(shí)際運(yùn)用中,若系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與復(fù)位要求一致時(shí),可以直接相連。當(dāng)晶振頻率選用z時(shí),復(fù)位電路中取,取,取。()越界報(bào)警電路為了防止工作臺(tái)越界,可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。利用光電耦合電路,將行程開關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極,光敏三極管的輸出接至的口1.0。當(dāng)任何一個(gè)行程開關(guān)被壓下的時(shí)候,發(fā)光二極管就發(fā)光,使光敏三極管導(dǎo)通,由低電平變成高電平。可利用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢查有無越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至的外部中斷引腳(或),采用中斷方式檢查越界信號(hào)。(三)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)選用系列的作為主控制器。擴(kuò)展存儲(chǔ)電路為一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為。的片選控制端直接接地,該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位以后,CPU從0000H開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端由譯碼器(74LS138)的Y2輸出提供。所以6264的空間地址為4000。系統(tǒng)的擴(kuò)展I/O接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155。8155的片選端接至譯碼器(74LS138)的Y4的輸出端,故8155控制命令寄存器及PA,PB,PC口的地址號(hào)分別為8000H及8001H,8002H,8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H80FFH。8155的A口為控制工作抬X,Y向電機(jī)的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾,不步進(jìn)電機(jī)接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤與顯示器設(shè)計(jì)在一起,8155的PC口擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制;PB口的PB0PB3為鍵盤的行線。8031的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4X6共24個(gè)行列式鍵盤和6位8段共陰極LED顯示器。為了增加數(shù)碼管顯示亮度,分別在字形口和字位口加74LS07進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。PB口剩余的I/O線PB4PB7分別作為工作臺(tái)+X,+Y,-X,-Y四個(gè)方向的行程限位控制信號(hào)。在軟件設(shè)計(jì)上8155的PA口,PC口設(shè)置為輸出,PB口設(shè)置為輸入。計(jì)算機(jī)隨時(shí)巡回檢測(cè)PB4PB7的電平,當(dāng)某I/O線為0時(shí),應(yīng)立即停止X,Y向電機(jī)的驅(qū)動(dòng),并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。九、參考文獻(xiàn):1 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