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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(zhuān)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(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名 胡宏達(dá) 學(xué) 號(hào) 084173914 班 級(jí) 08 機(jī)械 1 班 指導(dǎo)教師 胡利永 學(xué) 期 2011 2012 學(xué)年第二學(xué)期 設(shè)計(jì)時(shí)間 2012 02 17 2012 03 09 內(nèi) 附 資 料 1 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份 含設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 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(shuō)明書(shū)草稿一份 成 績(jī) 2012 03 目錄 一 機(jī)電專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)目的 1 二 機(jī)電專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 1 三 X 軸方案及參數(shù)計(jì)算 2 1 方案擬定 2 2 X 軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 3 3 X 軸圓柱斜齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 6 4 幾何尺寸計(jì)算 10 四 X 軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)計(jì)算 10 1 X 軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 10 2 X 軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 13 五 Y 軸方案及參數(shù) 計(jì)算 14 1 Y 軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 14 2 Y 軸聯(lián)軸器選擇 17 六 Y 軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總 體設(shè)計(jì)計(jì)算 17 1 Y 軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 17 2 Y 軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 20 七 繪制裝配圖 21 八 電氣原理圖設(shè)計(jì) 22 1 典型數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖的說(shuō)明 22 九 參考文獻(xiàn) 25 一 機(jī)電專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)目的 本課程設(shè)計(jì)是學(xué)生在完成專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)后 所進(jìn)行的機(jī)電一體化設(shè) 備設(shè)計(jì)的綜合性訓(xùn)練 通過(guò)該環(huán)節(jié)達(dá)到下列目的 1 鞏固和加深 專(zhuān)業(yè)課所學(xué)的理論知識(shí) 2 培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際 解決工程技術(shù)問(wèn) 題的動(dòng)手能力 3 進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)備設(shè)計(jì)的基本功訓(xùn)練 包括 以下 10 方面基本功 1 查閱文獻(xiàn)資料 2 分析與選擇設(shè)計(jì)方案 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 電氣控制原理設(shè)計(jì) 5 機(jī)電綜合分析 6 繪工程圖 7 運(yùn)動(dòng)計(jì)算和精度計(jì)算 9 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 10 貫 徹設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 二 機(jī)電專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 在規(guī)定時(shí)間內(nèi) 按設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給定的原始數(shù)據(jù) 在教師指導(dǎo)下 獨(dú) 立完成二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)工作 原始數(shù)據(jù)包括 典型工況下 工作臺(tái)速度 進(jìn)給抗力及臺(tái)面上工作物重量 工作臺(tái)定位精度 臺(tái)面尺寸和行程 設(shè)計(jì)具體要求完成以下工作 1 工作臺(tái)裝配圖一張 0 號(hào) 2 控制電器圖一張 1 號(hào) 3 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份 10 20 頁(yè) 所有圖樣均采用 CAD 繪制打印 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)按規(guī)定撰寫(xiě) 三 X 軸方案及參數(shù)計(jì)算 1 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(lèi)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(guò)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(guò)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 2 X 軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 X 參數(shù)選定與計(jì)算 vx 2 0 m min 0 033m s F x 120 N P x Fxvx 3 96W 1 脈沖當(dāng)量選擇 初選五相電機(jī) 按五相十拍工作時(shí) 步矩角 0 36 初定脈沖當(dāng) 量 0 004mm p 絲杠導(dǎo)程 tsP 5 mm 中間齒輪傳動(dòng)比 i 為 i t sP 360 0 36 5 360 0 004 1 25 由 i 確定齒輪齒數(shù)為 Z1 24 Z2 30 模數(shù) m 2mm 齒寬 B1 16mm B2 15mm 計(jì)算過(guò)程見(jiàn) 4 2 等效傳動(dòng)慣量計(jì)算 不計(jì)傳動(dòng)效率 小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jg1 d 14b1 32 4 978 4 1 6 7 85 10 3 32 kg m 2 0 76 10 4 kg m2 式中 鋼密度 7 85 10 3 kg cm3 同理 大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J g2 1 7 10 4 kg m2 由書(shū)表 3 13 初選滾珠絲杠 CDM2005 2 5 得到 d0 20 mm l 490 mm 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js d 04l 32 2 4 49 7 85 10 3 32 10 4 kg m2 0 6 10 4 kg m2 拖板及工作物重折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 拖板及工作物重之和約 為 10 2 12kg Jw w g tsP 2 2 i2 12 5 10 3 2 2 1 25 2kg m2 4 86 10 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 76 10 6 4 86 10 6 170 10 6 60 10 6 1 25 2 2 2806 10 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 由書(shū)式 4 7 4 9 可知 Mt Fx F y tsP 2 i 120 0 06 120 0 005 2 0 8 1 25 0 101N m Mf Ff tsP 2 i W t sP 2 i 0 06 13 9 8 0 005 2 0 8 1 25 0 00609N m 上述式中 為絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取 0 8 為摩擦系數(shù)取 0 06 nmax V max 360 250 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) 90BF006 其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax 2 156N m 轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量 Jm 2 257 10 4 kg m2 fm 2400Hz 故 M0 Fp0tsp 2 i 1 02 1 3Fxtsp 2 i 1 02 1 3 120 0 005 2 0 8 1 25 1 0 9 2 0 0061 N m 式中 F p0 滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷 一般取 Fx 3 Fx 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 9 J Je Jm 2 2806 10 4 kg m 2 2 257 10 4 kg m2 4 537 10 4 kg m2 M Je Jm 2 n max 60t 4 537 10 4 2 250 60 0 03 0 3957N m Mq M max 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 從計(jì)算可知 M q 最大 作為初選電動(dòng)機(jī)的依據(jù) Mq Mjmax 0 189 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 2 2806 2 257 1 01 f L fc V1max 60 200 60 0 004 833 2Kt T1 u 1 Z HZE 2 d a u H 2 1 3 1 試選 Kt 1 6 由 1 表 10 6 得材料彈性影響系數(shù) ZE 189 8MPa 1 2 2 由 1 圖 10 30 得 選取區(qū)域系數(shù) ZH 2 433 由 1 表 10 7 選取齒寬系數(shù) d 0 3 3 由 1 圖 10 26 查得 a1 0 78 a2 0 8 則 a a1 a2 1 58 4 應(yīng)力循環(huán)系數(shù)取 j 1 已知 V 1 0m min 滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 P 5mm 則 nmax vmax 360 1000 0 004 0 36 360 250 r min 所以 N 1 60njLh 60 250 1 2 8 300 15 1 08 10 9 N2 N1 i 1 08 109 1 25 8 64 10 8 5 由 1 圖 10 19 查得接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1 0 86 K HN2 0 87 6 由 1 圖 10 21d 查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)算疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力 取安全系數(shù) S 1 H 1 K HN1 Hlim1 S 0 86 600 1 516MPa H 2 K HN2 Hlim2 S 0 87 550 1 478 5Mpa H H 1 H 2 2 497 25Mpa 8 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T1 9 55 106Px nx 77 9N mm b 計(jì)算 1 試算小齒輪分度圓直徑 d1t 2Kt T1 u 1 Z HZE 2 d a u H 2 1 3 2 1 6 77 9 2 25 0 3 1 58 1 25 2 433 189 8 494 25 2 1 3 9 38mm 2 計(jì)算圓周速度 v d 1tn1 60 1000 0 123 m s 3 計(jì)算齒寬 b 及模數(shù) mnt b dd1t 0 3 9 38 2 81mm mnt d1tcos Z 1 9 38 cos14 24 0 38mm h 2 25mnt 2 25 0 38mm 0 855mm b h 2 81 0 855 3 3 4 計(jì)算縱向重合度 0 318 d Z1 tan 0 318 0 3 24 tan14 0 57 5 計(jì)算載荷系數(shù) K 查 1 表 10 2 得使用系數(shù) KA 1 25 根據(jù) v 0 123 m s 7 級(jí)精度 由書(shū)圖 10 8 查得動(dòng)載系數(shù) Kv 1 01 由書(shū)表 10 4 查得 KH 的 計(jì)算公式 K H 1 12 0 18 1 0 67 d2 d2 0 23 10 3 b 1 14 由 b h 3 3 由書(shū)圖 10 13 查得 KF 1 08 由 1 表 10 3 查 得 KH KF 1 2 故載荷系數(shù) K kAKvKH KH 1 25 1 01 1 2 1 08 1 6362 6 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 d1 d1t K Kt 1 3 9 38 1 6362 1 6 1 3 9 45mm 7 計(jì)算模數(shù) mn d1 cos Z 1 9 45 cos14 24 0 382mm 3 a 按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) mn 2Kt1Y cos2 dZ12 YF YS F 1 3 1 計(jì)算載荷系數(shù) K KA Kv KF KF 1 25 1 01 1 2 1 04 1 6263 2 根據(jù)縱向重合度 0 57 由 1 圖 10 28 查得螺旋角影 響系數(shù) Y 0 87 3 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù) Zv1 Z1 cos3 24 cos 314 26 27 Zv2 Z2 cos3 30 cos 314 32 8 4 由 1 表 10 5 查出 YFa1 2 592 YSa1 1 596 YFa2 2 49 YSa2 1 629 因?yàn)?書(shū)圖 10 20c 小齒輪彎曲極限強(qiáng)度 FE1 500MPa 大齒輪 FE2 380MPa 書(shū)圖 10 18 得彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1 0 85 KFN2 0 88 取 安全系數(shù) S 1 1 F 1 K FN1 FE1 S 386 36MPa F 2 K FN2 FE1 S 304MPa 5 計(jì)算大 小齒輪 YFa1 YSa1 F 1 Y Fa2 YSa2 F 2并加以比 較 YFa1 YSa1 F 1 2 592 1 596 386 36 0 0107 YFa2 YSa2 F 2 2 49 1 629 304 0 013 取大齒輪數(shù)據(jù) b 設(shè)計(jì)計(jì)算 mn 2Kt1Y cos2 dZ12 YF YS F 1 3 2 1 6263 77 9 0 0133 cos14 2 0 3 24 2 1 58 1 3 0 23mm 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 mn 2 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 48mm 來(lái)計(jì)算應(yīng)有的齒數(shù) 于是有 Z1 d1cos m n 48 cos14 2 23 28 取 Z1 24 則 Z2 i Z 1 1 25 24 30 4 幾何尺寸計(jì)算 1 中心距 a Z 1 Z2 mn 2 cos 24 30 2 2 cos14 55 65 mm 所以圓整為 56 mm 2 按圓整后的中心距修正螺旋角 arccos Z 1 Z2 mn 2a arccos 24 30 2 2 56 15 395 因 值改變不 多 故參數(shù) K Z H等不必修正 3 計(jì)算大 小齒輪分度圓直徑 d1 Z1mn cos 24 2 cos15 359 49 78 mm d2 Z2mn cos 30 2 cos15 359 62 22 mm 4 計(jì)算齒輪寬度 b dd1 0 3 49 78 14 934mm 所以取 B2 15mm 為易于補(bǔ)償齒輪軸向位置誤差 應(yīng)使小齒輪寬度大 于大齒輪寬度 所以小齒輪約為 B1 16mm 四 X 軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)計(jì)算 1 X 軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 1 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類(lèi)型 1 滾珠循環(huán)方式 由書(shū)表 5 1 查得 選擇外循環(huán)插管式 2 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 3 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 由 3 表 5 3 查得 采用絲杠直徑 20mm 導(dǎo)程為 5mm 30 滾珠絲杠精度等級(jí)確定 1 絲杠有效行程 由 3 表 5 4 查得 le 20 mm 導(dǎo)軌總長(zhǎng) Lu 210 120 20 350mm 所以絲杠總長(zhǎng) Lv 350 20 330mm 2 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 01 300 350 103 11 7 查書(shū)表 5 5 得 精度等級(jí)為 T3 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 由書(shū)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 高速或較高轉(zhuǎn)速情況 按額定動(dòng)負(fù)荷 C C j 選擇滾珠絲杠副 C j Fefw fhftfafk 60Lhne 106 1 3 式中 C j 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 120 0 06 120 2 63 6N ne 絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速 r min n e 250r min Lh 絲杠工作壽命 h 查考 3 表 5 7 得 Lh 15000 h ft 溫度系數(shù) 查 3 表 5 8 得 ft 0 70 fa 精度系數(shù) 查 3 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 計(jì)算得 Caj 2 5N 6 滾珠絲杠副校核 1 臨界壓縮負(fù)荷 對(duì)于一端軸向固定受壓縮的滾珠絲杠 應(yīng)進(jìn) 行壓杠穩(wěn)定性校核計(jì)算 不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮負(fù)荷稱(chēng)為臨界壓縮負(fù)荷 用 Fn 表示 Fn 3 4 1010 f1d24 L02 K1 式中 L 0 最長(zhǎng)受壓長(zhǎng)度 取 400 mm f1 絲杠支承方式系數(shù) F S 取 2 d2 絲杠螺紋底徑 查 4 3 32 取 17 6 mm k1 安全系數(shù) 取 1 3 Fn 13593N Fmax 2 臨界轉(zhuǎn)速 ncr 9910 f22d2 Lc2 式中 f 2 絲杠支承方式系數(shù) F S 取 3 927 Lc 臨時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 Lc 0 5m d2 絲杠螺紋底徑 取 17 6mm ncr 10758 9r min nmax取 同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值 d0n 20 833 7500 70000 3 軸承選擇校核 由 2 表 6 1 選擇深溝球軸承 6201 由 2 表 6 6 選角接觸球軸承 7001AC 校核 略 4 定位精度驗(yàn)算 略 7 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的防護(hù) 1 滾珠絲杠副的防護(hù)裝置 采用專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)的伸縮式螺旋彈簧鋼 套管 2 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 3 滾珠絲杠副的潤(rùn)滑 潤(rùn)滑劑用鋰基潤(rùn)滑劑 2 X 軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 導(dǎo)軌的功用是使運(yùn)動(dòng)部件沿一定的軌跡運(yùn)動(dòng) 并承受運(yùn)動(dòng)部件上 的載荷 即起導(dǎo)向和承載作用 導(dǎo)軌副中 運(yùn)動(dòng)的一方稱(chēng)作運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 與機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件聯(lián)結(jié) 不動(dòng)的一方稱(chēng)作支承導(dǎo)軌 與機(jī)械的支承部 件聯(lián)結(jié) 支承部件用以支承和約束運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 使之按功能要求作正確 的運(yùn)動(dòng) 1 選日本 NSK 滾動(dòng)導(dǎo)軌 E 級(jí)精度 查得 fh 1 ft 1 fc 0 81 f 1 fw 1 2 壽命按每年工作 300 天 每天兩班 每班 8h 開(kāi)機(jī)率 0 8 計(jì) 額 定壽命為 Lh 10 300 2 8 0 8 38400 h 每分鐘往復(fù)次數(shù) nz 8 L 2lsnz60Lh 103 2 0 31 8 60 38400 103 11428Km 計(jì)算四滑塊的載荷 工作臺(tái)及其物重約為 110N 計(jì)算需要的動(dòng)載荷 C P 110 4 27 5N C fwP fh ft fc f L 50 1 3 208N 由書(shū)表 3 20 中選用 LY15AL 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副 其 C 606N C0 745N 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(guò)盈配合 裝配時(shí) 滾動(dòng)體 滾道及導(dǎo)軌之間有一定的過(guò)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 五 Y 軸方案及參數(shù)計(jì)算 1 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 2 4m min 0 04 m s Fy 120N Py Fy Vy 4 8 W 1 脈沖當(dāng)量選擇 初選五相電機(jī) 按五相十拍工作時(shí) 步矩角 0 36 初定脈沖當(dāng) 量 0 004mm p 絲杠導(dǎo)程 tsP 4 mm 中間齒輪傳動(dòng)比 i 為 i t sP 360 0 36 4 360 0 04 1 由 i 確定用剛性聯(lián)軸器 2 等效傳動(dòng)慣量計(jì)算 不計(jì)傳動(dòng)效率 由表 3 32 初選滾珠絲杠 CDM2005 2 5 得到 d0 20mm l 400 mm 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js d 04l 32 2 4 40 7 85 10 3 32 10 4 kg m2 0 20 10 4 kg m2 拖板及工作物重和導(dǎo)軌折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 拖板及工作物重 和導(dǎo)軌重之和約為 16kg Jw w g tsP 2 2 i2 16000 980 0 4 2 2 1 2 10 4 kg m2 7 10 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 76 10 6 7 10 6 170 10 6 20 10 6 1 2 2 73 10 4 kg m2 2 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 3 式 4 7 4 9 可知 Mt Fy F x tsP 2 i 100 0 06 120 0 004 2 0 8 1 0 08541N m Mf Ff tsP 2 i W t sP 2 i 0 06 17 9 8 0 004 2 0 8 1 0 008N 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 06 nmax vmax 360 1000 0 004 0 36 360 250r 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 98N m 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm 0 7 10 4 kg m2 fm 1450Hz 故 M0 Fp0tsp 2 i 1 02 1 3Fytsp 2 i 1 02 1 3 100 0 004 2 0 8 1 1 0 9 2 0 005 N m 式中 F p0 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 9 J Je Jm 2 8 10 4 kg m2 M Je Jm 2 n max 60t 3 43 10 4 2 250 60 0 03 0 2992N m Mq M max Mf M0 0 2992 0 008 0 005 0 3122 N m Mc Mt Mf M0 0 0854 0 008 0 005 0 0984 N m Mk Mf M0 0 008 0 005 0 013 N m 從計(jì)算可知 M q最大 作為初選電動(dòng)機(jī)的依據(jù) Mq Mjmax 0 16 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 3 9 f L fc v1max 60 100 60 0 004 417Fmax 2 臨界轉(zhuǎn)速 ncr 9910 f22d2 Lc2 式中 f 2 絲杠支承方式系數(shù) F S 取 3 927 Lc 臨時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 Lc 0 31m d2 絲杠螺紋底 徑 取 0 0176 m ncr 27989 r min nmax取 同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值 d0n 20 250 5000 70000 3 軸承選擇校核 由 1 表 6 1 選擇深溝球軸承 6201 由 1 表 6 6 選角接觸球軸承 7001C 校核 略 4 定位精度驗(yàn)算 略 7 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的防護(hù) 1 滾珠絲杠副的防護(hù)裝置 采用專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)的伸縮式螺旋彈簧鋼套 管 2 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 3 滾珠絲杠副的潤(rùn)滑 潤(rùn)滑劑用鋰基潤(rùn)滑劑 2 Y 軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 導(dǎo)軌的功用是使運(yùn)動(dòng)部件沿一定的軌跡運(yùn)動(dòng) 并承受運(yùn)動(dòng)部件上 的載荷 即起導(dǎo)向和承載作用 導(dǎo)軌副中 運(yùn)動(dòng)的一方稱(chēng)作運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 與 機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件聯(lián)結(jié) 不動(dòng)的一方稱(chēng)作支承導(dǎo)軌 與機(jī)械的支承部件聯(lián) 結(jié) 支承部件用以支承和約束運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 使之按功能要求作正確的運(yùn)動(dòng) 1 選日本 NSK 滾動(dòng)導(dǎo)軌 E 級(jí)精度 查得 f h 1 ft 1 fc 0 81 f 1 fw 1 2 壽命按每年工作 300 天 每天兩班 每班 8h 開(kāi)機(jī)率 0 8 計(jì) 額定壽命 為 Lh 10 300 2 8 0 8 38400 h 每分鐘往復(fù)次數(shù) nz 8 L 2lsnz60Lh 103 2 0 294 8 60 38400 103 10838 計(jì)算四滑塊的載荷 工作臺(tái)及其物重約為 130N P 130 4 32 5N 計(jì)算需要的動(dòng)載荷 C C fwP fh ft fc f L 50 1 3 241N 由 3 表 3 20 中選用 LY15AL 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副 其 C 606N C0 745N 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(guò)盈配合 裝配時(shí) 滾 動(dòng)體 滾道及導(dǎo)軌之間有一定的過(guò)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 七 繪制裝配圖 1 標(biāo)注裝配圖尺寸 配合與精度等級(jí) 包括特性尺寸 最大體形尺 寸 安裝尺寸和主要零件的配合尺寸 2 寫(xiě)出工作臺(tái)的技術(shù)特征 3 編寫(xiě)技術(shù)要求 4 對(duì)所有零件進(jìn)行編號(hào) 5 列出零件明細(xì)表及標(biāo)題欄 6 檢查裝配圖 八 電氣原理圖設(shè)計(jì) 1 典型數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖的說(shuō)明 單片機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)的主要部分都集成在一個(gè)芯片上的單芯片 微型計(jì)算機(jī) 因而可以把它看成是一個(gè)不帶外部設(shè)備的微型計(jì)算機(jī) 不同系列的單片機(jī)共同的特點(diǎn)是 控制功能強(qiáng) 體積小 功耗低 成本低 由于上述優(yōu)越性能 單片機(jī)已在工業(yè) 民用 軍用等工業(yè)控制領(lǐng) 域得到廣泛應(yīng)用 特別是隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展 它在很大程度上改 變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 在軟件和擴(kuò)展接口支持下 單片機(jī)可以代替 以往由模擬和數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng) 如電氣原理圖所示的就是通過(guò)單片機(jī)及其外圍接口實(shí)現(xiàn)的二坐標(biāo) 數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖 它由 8031 型單片機(jī) 數(shù)據(jù)鎖存器 74LS373 存儲(chǔ)器 EPROM2764 RAM6264 地址譯碼器 74LS138 并行 I O 接口 8255 等集成電路構(gòu)成 下面分別說(shuō)明它們?cè)谡麄€(gè)控制 部分中的功能 用法及其選擇原則 1 單片機(jī)的選擇 設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 首先要設(shè)計(jì)其核心的單片機(jī)系統(tǒng) 從一開(kāi) 始就有一個(gè)單片機(jī)芯片選型問(wèn)題 面對(duì)不同字長(zhǎng) 如 4 位 8 位 16 位 各具特色的單片機(jī)芯片如何進(jìn)行選擇 首先要滿足所設(shè)計(jì)系 統(tǒng)的功能和性能要求 其次要選擇價(jià)格較低的芯片 不要盲目追求 過(guò)多功能和過(guò)高性能 另外要選擇那些在國(guó)內(nèi)有成熟的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和 穩(wěn)定的供貨來(lái)源 如采用流行普遍使用的芯片 資料豐富 能有效 地縮短開(kāi)發(fā)周期 本課程設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)型的二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái) 其功能 比較簡(jiǎn)單 成本低 因而這里選用 MCS 51 系列的 8031 單片機(jī)作為 CPU 它具有良好的性能價(jià)格比 且易擴(kuò)展 2 外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 MCS 51 的程序存儲(chǔ)器空間為 64K 字節(jié) 對(duì)于片內(nèi)無(wú) ROM 的單 片機(jī) 如 8031 或當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器容量不夠時(shí) 進(jìn)行程 序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展是必不可缺的 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 EPROM EEPROM ROM 等在原理上都可用作單片機(jī)的外部程序 存儲(chǔ)器 由于 EPROM 價(jià)格低廉 性能可靠 所以單片機(jī)外部擴(kuò)展 的程序存儲(chǔ)器一般為 EPROM 芯片 紫外線可擦除 電可編程的只 讀存儲(chǔ)器 掉電后信息不會(huì)丟失 在選擇外部程序存儲(chǔ)器電路時(shí) 應(yīng)注意電路的讀取時(shí)間能否與 MCS 51 的 PESN 信號(hào)匹配 其片選 端接地 由于本設(shè)計(jì)程序容量不大 因而選用 2764 作為外部程序存儲(chǔ)器 3 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 對(duì)大多數(shù)控制性應(yīng)用場(chǎng)合 MCS 51 系列單片機(jī)內(nèi)部 RAM 已能 滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求 對(duì)需要較大容量數(shù)據(jù)緩沖器的應(yīng)用系 統(tǒng) 就需要在單片機(jī)的外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 在電氣原理圖中根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求選用一片 6264 作為外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 圖中其高 5 位地址線 A8 A12 由 8031 的 P2 0 P2 4 口線提 供 低 8 位地址線 A0 A7 接地址鎖存器 74LS373 輸出端 讀 寫(xiě)控 制信號(hào)分別接 8031 的 RD WE 其片選信號(hào)通過(guò)地址譯碼法進(jìn)行 選通 4 I O 口擴(kuò)展電路 本課程設(shè)計(jì)因采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置 為了降低成本 特采 用可編程外圍并行接口芯片 8255 使其不僅完成驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功 能 同時(shí)完成與鍵盤(pán) 顯示器的接口操作功能 5 顯示器接口設(shè)計(jì) 電氣原理圖中 由 10 片共陽(yáng)極 LED 顯示塊拼成 10 位 LED 顯示 器 為了簡(jiǎn)化硬件電路 采用動(dòng)態(tài)顯示方式 即所有位的段選線相 應(yīng)地并聯(lián)在一起 由 8031 的 P1 0 P1 7 口來(lái)控制 LED 顯示器的段碼 而各位的位選線分別由相應(yīng)的 I O 口線控制 即 PC0 PC7 PB6 PB7 共 10 個(gè) I O 口線控制 實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通 為了保證各位 LED 能夠顯示出本位相應(yīng)的顯示字符 而不出現(xiàn)閃爍 導(dǎo)致人眼看不清 必須根據(jù)人眼視覺(jué)暫留現(xiàn)象 選擇一個(gè)合適的掃 描頻率 圖中選用 74LS07 進(jìn)行同相驅(qū)動(dòng) 6 鍵盤(pán)接口電路設(shè)計(jì) 鍵盤(pán)實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合 電氣原理圖中采用矩陣式鍵 盤(pán)接口 鍵盤(pán)接口電路通過(guò) 8255 U5 的 PA0 PA3 和 PC0 PC7 PB6 PB7 構(gòu)成行 列線 按照逐行逐列地檢查鍵盤(pán)狀態(tài) 即掃描 來(lái)確定閉合鍵的位置 7 步進(jìn)電機(jī)的接口電路設(shè)計(jì) 對(duì)于本課程設(shè)計(jì)中選用的步進(jìn)電機(jī) 為五相 無(wú)論它工作在什么 方式 都需要五路控制電路 并且每一路對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)的一相 而每一路控制電路的結(jié)構(gòu)是一樣的 電氣原理圖中通過(guò) 8255 U5 的 PB0 PB4 分別控制 X 方向步 進(jìn)電機(jī)的五相 對(duì)于 Y 軸步進(jìn)電機(jī)通過(guò) 8255 U6 的 PC0 PC4 分 別控制 Y 方向步進(jìn)電機(jī)的五相 8 其他 1 電源 整個(gè)系統(tǒng)的供電部分由 3 圖 4 11 提供 2 限位開(kāi)關(guān)及其反饋信號(hào)檢測(cè) 選擇限位開(kāi)關(guān)時(shí)可根據(jù)額定電壓 額定電流 開(kāi)啟頻率 觸點(diǎn)數(shù) 等參數(shù)進(jìn)行 選擇行程開(kāi)關(guān) 安裝于導(dǎo)軌的兩端 其作用是控制信 號(hào)的通斷 然后由單片機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)該信號(hào)的有無(wú) 實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的 換向與否的目的 原理圖中通過(guò) 8255 U5 的 PA4 PA7 口檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)是否到位 從而采取相應(yīng)的控制措施 九 參考文獻(xiàn) 1 濮良貴主編 機(jī)械設(shè)計(jì) 第七版 北京 高等教育出版社 2001 2 吳宗澤主編 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 第二版 北京 高等教育出版 社 1999 3 樓應(yīng)侯 潘曉彬 鄭堤 崔玉國(guó) 胡利永等編 機(jī)械電子工程專(zhuān) 業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū) 4 尹志強(qiáng)等編著 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū) 北京 機(jī)械 工業(yè)出版社 2007 5