二坐標數(shù)控工作臺設計2,坐標,數(shù)控,工作臺,設計 寧波大學科技學院理工分院 機械設計制造及其自動化專業(yè) 機電模塊課程設計 設計題目 二坐標數(shù)控工作臺設計 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 姓 名 學 號 班 級 指導教師 學 期 2011～2012學年第二學期 設計時間 2012、02、17～2012、03、09 內(nèi) 附 資 料 1、課程設計說明書一份（含設計任務書）； 2、二坐標數(shù)控工作臺裝配圖一張（A0）； 3、二坐標數(shù)控工作臺電氣控制原理圖一張（A1）； 4、計算說明書草稿一份。 成 績 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.脈沖當量選擇 ……………………………………… （3） 2.圓柱齒輪傳動設計 ………………………………（3） 2.1齒輪強度計算 ………………………………（5） 2.2齒輪尺寸計算 ………………………………（5） 2.3等效轉(zhuǎn)動慣量計算 ………………………………（6） 2.4等效負載轉(zhuǎn)矩計算 ………………………………（6） 3.X軸聯(lián)軸器選擇 ………………………………（7） 4.x軸滾珠絲杠設計計算 ………………………………（9） 5.X軸滾動導軌設計計算 ………………………………（9） 三.Y軸參數(shù)確定及選擇 ………………………………（9） 1.脈沖當量選擇 ………………………………（9） 2.等效轉(zhuǎn)動慣量計算 ………………………………（9） 3.等效負載轉(zhuǎn)矩計算 ………………………………（10） 4.Y軸聯(lián)軸器選擇 ………………………………（10） 5.Y軸滾珠絲杠設計計算 ………………………………（11） 6.Y軸滾動導軌設計計算 ………………………………（11） 四、控制系統(tǒng)設計 ………………………………（12） 1.設計內(nèi)容 ………………………………（12） 2.設計步驟 ………………………………（12） 3.總體方案擬定 ………………………………（12） 3.1主控CPU選擇 ………………………………（12） 3.2存儲擴展電路設計 ………………………………（12） 3.3步進電機驅(qū)動電路設計 ………………………………（15） 3.4其他輔助設計 ………………………………（16） 4.數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 ………………………………（16） 五、參考文獻 … …………………………………………………（17） 一、 總體方案擬定 方案擬定即確定工作臺傳動的形式和控制方式及主要部件或器件的類型。 （1）驅(qū)動控制方式 由給定的工作臺精度要求較低，為簡化結(jié)構(gòu)，故采用單片機控制的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。主要由步進電機、單片機驅(qū)動控制電路、滾珠絲杠副組成。 （2）傳動形式確定 工作臺X方向和Y方向兩個坐標分別采用步進電機單獨驅(qū)動。 工作臺X方向采用一級齒輪傳動方式，可以通過降速擴大轉(zhuǎn)矩輸出，匹配進給系統(tǒng)慣量，獲得要求的輸出機械特性，同時減小脈沖當量。 工作臺Y方向采用直接傳動方式，電機通過剛性聯(lián)軸器與滾珠絲杠聯(lián)結(jié)。結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高。絲杠轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出完全與電機的輸出特性一致。 二、X軸步進電機參數(shù)確定及選擇 由已知設計參數(shù)：vx=2.0 m/min=0.033m/s, Fx=180N,則 Px=Fxvx=5.94W 1 脈沖當量選擇 初選三相電機，按三相六拍工作時，步矩角α=0.75°,初定脈沖當量 δ=0.005mm/p, 絲杠導程tsP=5 mm,中間齒輪傳動比i為: i=(αtsP)／(360δ)=0.75×5／(360×0.005)=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=12mm 2 圓柱斜齒輪傳動設計 (1）.選精度為7級 (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=Z1×i=20×2.1＝42 (4）.選取螺旋角， 初選β＝14o 2.1 齒輪強度計算 （1）按齒面接觸疲勞強度設計d1t>={2Kt×T1×（u＋1）×(ZHZE)2/[Φd×εa×u×[σH]2]}(1/3) 1).試選Kt=1.6, 查表可得材料彈性影響系數(shù)ZE＝189.8MPa 2).查機械設計教材，選取區(qū)域系數(shù)ZH=2.433, 選取齒寬系數(shù)Φd＝0.3， 3). 查表得εa1＝0.78，εa2 ＝0.85，則εa＝εa1+εa2 ＝1.63 4).應力循環(huán)系數(shù)取j=1， 所以： N1=60n2jLh=60×1500×1×(2×8×300×15)＝6.480×109 N2=N1/u=6.480×109/2.1＝3.08×109 5）.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度極限σHlim1=600MPa,大齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim2=550MPa, 7).計算接觸疲勞強度許用應力：取失效概率為1%，取安全系數(shù)S=1, [σH]1＝KHN1×σHlim1/S=0.85×600/1＝510MPa [σH]2＝KHN2×σHlim2/S=0.87×550/1＝489.5MPa [σH]=[σH]1+[σH]2)/2=499.75 MPa 8) 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩： T1=95.5×105Px/nx=95.5×105×0.00594/1500=37.82N.mm （2） 計算 1）.試算小齒輪分度圓直徑 d1t≥{2×1.6×44.121×3.083/（0.3×1.630×1.25）×（2.433×189.8/494.25）2）}（1/3）＝6.94mm ，取d1t=7.0mm 2).計算圓周速度 v=лd1tn1/(60×1000)＝0.55m/s 3).計算齒數(shù)b及模數(shù)mnt： b=Φdd1t=0.3×7＝2.1mm mnt=d1tcosβ/Z1=7×cos14o/20=0.34 h=2.25mnt=2.25×0.34mm =0.76 mm b/h=2.1/0.76=2.8 4).縱向重合度εβ＝0.318×Φd×Z1×tanβ=0.318×0.3×20×tan14o=0.48 5).計算載荷系數(shù)K,查課本得使用系數(shù)KA=1.25,根據(jù)v=0.033 m/s ,7級精度，查得動載系數(shù)Kv=1.01,由b/h=2.8,查得KHα=KFα=1.2,故載荷系數(shù)K=KAKvKHαKFα=1.25×1.01×1.2×1.2＝1.69 6）.分度圓直徑d1=d1t(K/Kt)(1/3)=7×（1.69/1.6）（1/3）=7.13 mm 7).計算模數(shù)mn=d1×cosβ/Z1=7.13×cos14o/20=0.35 mm (3）按齒輪彎曲強度設計 mn>={(2KT2YβCOS2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3) 1）計算載荷系數(shù)，K=KA×Kv×KFα×KFβ=1.25×1.01×1.2×1.2＝1.69 2）根據(jù)縱向重合度εβ＝0.48，查表得螺旋角影響系數(shù)Yβ=0.91 3）計算當量齒數(shù)Zv1=Z1/cos3β=20/cos314o=21.2 4）查得,YFa1=2.763,YSa1=1.592,YFa2=2.375,YSa2=1.672 因為小齒輪彎曲極限強度σFE1=500MPa,大齒輪σFE2＝380MPa,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 [σF]1＝KHN1×σFE1/S=386MPa [σF]2＝KHN2×σFE1/S＝304MPa 5）計算大、小齒輪YFa1 YSa1/[σF]1并加以比較 YFa1 YSa1/[σF]1＝2.763×1.562/386=0.0112 YFa2YSa2/[σF]2=2.375×1.672/304＝0.013 比較后取大齒輪數(shù)據(jù) 6）設計計算mn>={2×1.69×37.82×0.91×0.013×(cos14°)2/（0.3×202×1.63）}（1/3）＝0.187m 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算得法面模數(shù)mn大于齒根彎曲疲勞強度計算得法面模數(shù)，取mn＝2 mm，已可滿足彎曲強度，但為了同時滿足接觸疲勞強度，需按接觸疲勞強度計算得的分度圓直徑d1=20mm ,來計算應有的齒數(shù)，于是有 Z1=d1cosβ/mn=20×cos14o/2＝9.7，取Z1＝20，則Z2＝i×Z1=2.1×24＝42 2.2 齒輪幾何尺寸計算 ①中心距 a=( Z1+Z2)mn/(2×cosβ)=(20+42)×2/（2×cos14o）＝63.9 mm 所以圓整為64 mm ②按圓整后的中心距修正螺旋角β＝arccos[(Z1+Z2)mn/2a]=arcos[(20+42)×2/(2×64) =14.36 o ③計算大、小齒輪分度圓直徑 d1=Z1mn/cosβ=20×2/cos14.36o =41.29mm d2=Z2mn/cosβ=30×2/cos14.36o =86.7mm ④計算齒輪寬度b=Φdd1=0.3×41.29＝12.36 mm，所以取B2=13mm,小齒輪取B1=16mm 2.3等效轉(zhuǎn)動慣量計算(不計傳動效率) 小齒輪轉(zhuǎn)動慣量Jg1=(πd14b1ρ)／32=[π44×1.4×7.85×10-3]／32 =0.276×10-4 kg.m2 式中 鋼密度ρ=7.85×10-3 kg/cm3 同理,大齒輪轉(zhuǎn)動慣量 Jg2=0.498×10-4 kg.m2 查設計手冊初選滾珠絲杠 CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=430 mm 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×43×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.53×10-4 kg.m2 工作重物為12kg Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2 =12×(0.5／2π) 2 ÷2.12×10-4 kg.m2 =1.71×10-6 kg.m2 因此,折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量Je Je= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) ÷i2 =0.807×10-4 kg.m2 2.4 等效負載轉(zhuǎn)矩計算(以下為折算到電機軸的轉(zhuǎn)矩) 查設計指導書(4-7)~(4-9)可知: Mt=[(Fx+μFy) tsP]/(2πηi)= [(180+0.06×140)×0.005]/(2π×0.8×2.1)=0.089N.m Mf= (Ff tsP)/(2πηi)= (μW tsP)/(2πηi)=(0.06×12×10×0.005)/ (2π×0.8×2.1)=0.00341N.m 上述式中 η—絲杠預緊時的傳動效率取 η=0.8 μ——為摩擦系數(shù)取0.06 nmax=(vmax/δ)×(α/360°)=(2000/0.005) ×(0.75/360)=833 r/min 取起動加速時間tα=0.03 s 初選電動機型號70BF003,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=0.784N.m,轉(zhuǎn)動慣量Jm=0.3×10-4 kg．m2, fm=1600Hz. M0=(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η02)= (1/3Fxtsp)÷(2πηi) ×(1-η02) =[(1/3) ×180×0.006]÷(2π×0.8×2.1) ×[1-0.92]=0.054 N.m 式中 Fp0—滾珠絲杠預加負荷,一般取Fy/3 Fy—進給牽引力(N) η0—滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,取0.9 J=( Je +Jm)= 0.807×10-4 kg．m2+0.3×10-4 kg.m2 =1.107×10-4 kg.m2 Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)= 0.2926N.m Mq= Ma+ Mf+ M0=0.2926+0.00341+0.054=0.35N.m Mc= Mt+ Mf+ M0=0.089+0.00341+0.054=0.1464N.m Mk= Mf+ M0=0.00341+0.054=0.05741N.m 從計算可知, Mq最大,作為初選電動機的依據(jù). Mq/ Mjmax=0.446<0.9 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求. 4)步進電機動態(tài)特性校驗 Je /Jm<4 說明慣量可以匹配 綜上所述,可選該型號步進電機 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、安全保護等功能。因此要根據(jù)傳動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軸滾珠絲杠設計 （1）滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型 ①滾珠循環(huán)方式 由設計指導書表5-1查得,選擇外循環(huán)插管式 ②軸向間隙預緊方式 預緊目的在于消除滾珠螺旋傳動的間隙,避免間隙引起的空程,從而提高傳動精度.由表5-2查得,采用雙螺母墊片預緊方式. (2)滾珠絲杠副直徑和基本導程系列 采用絲杠公稱直徑 20mm,導程為5mm, 絲杠外徑19.5mm，絲杠底徑17.76mm，循環(huán)圈數(shù)2.5，基本動載荷7417N，基本靜載荷15311N，剛度376N/um. (3)滾珠絲杠精度等級確定 ①絲杠有效行程 由導程查得余程le=20 mm， 得絲杠有效行程lv=lu-le，lu =150-20=130 mm ②精度等級 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,應選用運轉(zhuǎn)精度高,軸向剛度高、摩擦力距小的滾動軸承.滾珠絲杠副的支承主要約束絲杠的軸向串動,其次才是徑向約束.由表5-6查得,采用一端固定一段游動(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，按額定動負荷Ca≥Caj選擇滾珠絲杠副 由式（3-2）可知：Caj=[(Fefw)/(fhftfafk)]×[(60Lhne)/(106)]1/3 式中 Caj -–滾珠絲杠副的計算軸向動負荷(N) Fe--絲杠軸向當量負荷(N). 取進給抗力和摩擦力之和的一半Fe=162N ne--絲杠當量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進給轉(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%） 計算得Caj=5.11KNFmax ②臨界轉(zhuǎn)速 對于在高速下工作的長絲杠，須驗算其臨界轉(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)速計算長度. Lc =0.25m. d2--絲杠螺紋底徑,取0.016m ncr= 9962r/min > nmax, 同時驗算絲杠另一個臨界值 d0n=20*833=16660<70000 ③軸承選角接觸球軸承7001AC. (7)滾動導軌副的防護 ①滾珠絲杠副的防護裝置 ,采用專業(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而產(chǎn)生附加阻力. ③滾珠絲杠副的潤滑 潤滑劑用鋰基潤滑劑. 5.X軸滾動導軌設計計算 (1) 本方案選擇HJG-D35型滾動導軌 ，E級精度，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,開機率0.8計,額定壽命為: Lh=10×300×8×0.8=19200 h 3)滾動導軌間隙調(diào)整 預緊可以明顯提高滾動導軌的剛度,預緊采用過盈配合,裝配時,滾動體、滾道及導軌之間有一定的過盈量. (4)潤滑與防護 潤滑:采用脂潤滑,使用方便,但應注意防塵. 防護裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進入導軌,以提高導軌壽命.防護方式用蓋板式. 外設： 鍵盤，顯示器，打印機，磁盤機，通訊接口等 8