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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 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 機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計(jì)目的 1 二 機(jī)電專業(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)電氣原理圖的說明 22 九 參考文獻(xiàn) 25 一 機(jī)電專業(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 通過該環(huán)節(jié)達(dá)到下列目的 1 鞏固和加深 專業(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 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 撰寫設(shè)計(jì)說明書 10 貫 徹設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 二 機(jī)電專業(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)說明書一份 10 20 頁 所有圖樣均采用 CAD 繪制打印 設(shè)計(jì)說明書按規(guī)定撰寫 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 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)算過程見 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 由書圖 10 8 查得動(dòng)載系數(shù) Kv 1 01 由書表 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)?書圖 10 20c 小齒輪彎曲極限強(qiáng)度 FE1 500MPa 大齒輪 FE2 380MPa 書圖 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)類型 1 滾珠循環(huán)方式 由書表 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 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 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 寫出工作臺(tái)的技術(shù)特征 3 編寫技術(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 始就有一個(gè)單片機(jī)芯片選型問題 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 過多功能和過高性能 另外要選擇那些在國內(nèi)有成熟的開發(fā)系統(tǒng)和 穩(wěn)定的供貨來源 如采用流行普遍使用的芯片 資料豐富 能有效 地縮短開發(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 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 寫控 制信號(hào)分別接 8031 的 RD WE 其片選信號(hào)通過地址譯碼法進(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 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 鍵盤接口電路設(shè)計(jì) 鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合 電氣原理圖中采用矩陣式鍵 盤接口 鍵盤接口電路通過 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狀態(tài) 即掃描 來確定閉合鍵的位置 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 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 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 限位開關(guān)及其反饋信號(hào)檢測(cè) 選擇限位開關(guān)時(shí)可根據(jù)額定電壓 額定電流 開啟頻率 觸點(diǎn)數(shù) 等參數(shù)進(jìn)行 選擇行程開關(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 實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的 換向與否的目的 原理圖中通過 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 胡利永等編 機(jī)械電子工程專 業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 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 北京 機(jī)械 工業(yè)出版社 2007 5