二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)2
二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)2,坐標(biāo),數(shù)控,工作臺(tái),設(shè)計(jì)
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
學(xué) 號(hào)
班 級(jí)
指導(dǎo)教師
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.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(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。
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=5.94W
1 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α=0.75°,初定脈沖當(dāng)量
δ=0.005mm/p, 絲杠導(dǎo)程tsP=5 mm,中間齒輪傳動(dòng)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(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=Z1×i=20×2.1＝42
(4）.選取螺旋角， 初選β＝14o
2.1 齒輪強(qiáng)度計(jì)算
（1）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)d1t>={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(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)Φd＝0.3，
3). 查表得εa1＝0.78，εa2 ＝0.85，則εa＝εa1+εa2 ＝1.63
4).應(yīng)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(qiáng)度極限σHlim1=600MPa,大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim2=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,
[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(jì)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(jì)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(jì)算圓周速度 v=лd1tn1/(60×1000)＝0.55m/s
3).計(jì)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(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(jì)算模數(shù)mn=d1×cosβ/Z1=7.13×cos14o/20=0.35 mm
(3）按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
mn>={(2KT2YβCOS2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3)
1）計(jì)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(jì)算當(dāng)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?yàn)樾↓X輪彎曲極限強(qiáng)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(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算mn>={2×1.69×37.82×0.91×0.013×(cos14°)2/（0.3×202×1.63）}（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=20mm ,來(lái)計(jì)算應(yīng)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(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)慣量計(jì)算(不計(jì)傳動(dòng)效率)
小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量 Jg2=0.498×10-4 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=(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(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je
Je= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) ÷i2 =0.807×10-4 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(shū)(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(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)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(dòng)加速時(shí)間tα=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=0.3×10-4 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(yù)加負(fù)荷,一般取Fy/3
Fy—進(jìn)給牽引力(N)
η0—滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)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(jì)算可知, Mq最大,作為初選電動(dòng)機(jī)的依據(jù).
Mq/ Mjmax=0.446<0.9 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<4 說(shuō)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(lái)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
①滾珠循環(huán)方式
由設(shè)計(jì)指導(dǎo)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
①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
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=0.02/300*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(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
②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0.016m
ncr= 9962r/min > nmax,
同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值 d0n=20*833=16660<70000
③軸承選角接觸球軸承7001AC.
(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.
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(kāi)機(jī)率0.8計(jì),額定壽命為:
Lh=10×300×8×0.8=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(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.
外設(shè)：
鍵盤，顯示器，打印機(jī)，磁盤機(jī)，通訊接口等
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