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可任意分度的插齒機齒輪加工回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計
the design of gear processing rotary table on random indexing gear shaper
摘要
插齒機作為齒輪加工機床的一種，已逐步體現(xiàn)出其加工的優(yōu)越性，在滾齒機、銑齒機上無法加工的一些齒輪，如雙聯(lián)齒輪和內(nèi)齒輪，在插齒機上可加工制造出來。在本課題的設(shè)計中，采用步進電機控制回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)角。在單片機的控制下，步進電機每秒鐘發(fā)出的脈沖數(shù)決定了工作臺的轉(zhuǎn)位角度，使該插齒機成為真正意義上的可任意分度加工，進而可實現(xiàn)加工任意齒數(shù)的齒輪。
本課題所設(shè)計的回轉(zhuǎn)工作臺是用單片機作為控制系統(tǒng)來控制步進電機的轉(zhuǎn)速，動力由步進電機發(fā)出，通過齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動，將動力傳遞到蝸輪上，蝸輪的轉(zhuǎn)動再帶動主軸轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)與主軸夾緊的工件的轉(zhuǎn)動。所設(shè)計的回轉(zhuǎn)工作臺實用、簡單、可靠、效率高。
關(guān)鍵詞 步進電機；回轉(zhuǎn)工作臺；單片機；任意分度
Abstract
As one kind of the gear finishing lathes, the gear shaper has manifested the superiority in processing gradually, on the gear-hobbing machine, the gear cutter cann’t be true, for exampl- e,the twin gear and the annular gear, but they can be processed on the gear shaper. In this design, I use a step-by-step the electrical machinery to control the corner of rotary table. Under the control of monolithic integrated circuit, the number of pulse of the step-by-step electrical machinery each second can be sent out to decide the rotary table’s indexing angle, making the gear shaper to become the random indexing processing in the true sense .And then, the gear processing which is mentioned willfully might be realized.
The rotary table designed in this topic is controled by the monolithic integrated circuit to control the rotational speed of step-by-step electrical machinery, the step-by-step electrical machinery send out the power firstly, through the gear drive and the worm gear worm drive, then the power is transmisted to worm gear , and worm gear-rotating makes the main axle rotate the same time, and then,it comes to be realized that the work piece clamped with main axle come to rotate.In my opinion，this design of the rotary table is practical, simple, reliable, and the efficiency is high.
Keywords step-by-step the electrical machinery the rotary table the monolithic integrated circuit random indexing
I
目 錄
1 緒論 1
1.1 本課題的背景及應(yīng)解決的主要問題 1
1.2 本課題的研究目的和現(xiàn)實意義 1
1.3 插齒概述 2
1.4 插齒機類型與適用范圍 2
1.4.1 插齒機類型 2
1.4.2 各種插齒機的適用范圍 3
1.5插齒機的工作原理及其參數(shù) 3
1.5.1 插齒機的外觀圖 3
1.5.2 插齒機的工作原理 4
1.5.3 插齒機的參數(shù) 5
2 設(shè)計方案選擇 6
2.1 分度工作臺 6
2.2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 6
2.2.1 開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺 6
2.2.2 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 7
3 工作臺設(shè)計 8
3.1 步進電機的選擇與控制 8
3.1.1 步進電動機的特點與種類 8
3.1.2 步進電動機的選擇 9
3.1.3 步進電動機的控制 9
3.2 蝸輪蝸桿設(shè)計計算 14
3.2.1 蝸桿傳動輸入?yún)?shù) 14
3.2.2 接觸疲勞強度計算 15
3.2.3 確定蝸輪蝸桿的主要尺寸 16
3.2.4 確定蝸輪蝸桿的傳動效率 16
3.2.5 選擇蝸輪蝸桿的精度等級 17
3.2.6 蝸輪蝸桿傳動的熱平衡計算 17
3.3 齒輪設(shè)計計算 18
3.3.1 齒輪設(shè)計輸入?yún)?shù) 18
3.3.2 齒輪的材料及熱處理 18
3.3.3 齒輪的基本參數(shù) 18
3.3.4 齒面接觸疲勞強度校核 20
3.3.5 齒根彎曲強度校核 21
3.4 軸承設(shè)計計算 21
3.4.1 軸承方案選擇 21
3.4.2 軸承動載荷和壽命計算 22
3.5 箱體設(shè)計計算 23
4 控制系統(tǒng)設(shè)計 24
4.1 單片機 24
4.2 驅(qū)動電路的設(shè)計 24
4.3 電源電路設(shè)計 25
4.4 程序設(shè)計 26
結(jié)論 32
致謝 33
參考文獻 34
附錄 35
附錄1 35
附錄2 42
46
1 緒論
1.1本課題的背景及應(yīng)解決的主要問題
齒輪是重要的基礎(chǔ)傳動元件。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，盡管采用電氣、液壓傳動裝置日益增多，對齒輪的需求仍有增無減。目前，中國齒輪市場的年銷售額超過了800億元。而齒輪加工機床也是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大的機床產(chǎn)品之一。世界進入20世紀(jì)，齒輪的需求量迅速增長，從而促進了齒輪加工機床的開發(fā)和生產(chǎn)。20世紀(jì)70年代以后，由于現(xiàn)代機械設(shè)備的功率、速度、噪聲與結(jié)構(gòu)尺寸等工作參數(shù)的提高，以及對加工可靠性的進一步要求，目前齒輪裝置的制造精度和內(nèi)在質(zhì)量都提高了。齒輪加工技術(shù)在高精度、高效率、自動化和柔性化等方面提出更高的要求。當(dāng)前齒輪機床的發(fā)展趨勢是：提高精度；提高剛度；提高效率；應(yīng)用數(shù)控技術(shù)增加柔性和擴展工藝性能。
插齒機作為齒輪加工機床的一種，已逐步體現(xiàn)出其加工的特殊性，在滾齒機、銑齒機上無法加工的一些齒輪，如雙聯(lián)齒輪和內(nèi)齒輪，在插齒機上可加工制造出來。為了插齒機工作的可靠性、工藝適應(yīng)性，增強機床的柔性和自動化程度、簡化機械傳動結(jié)構(gòu)，特別是為滿足一些特殊齒輪加工需要，如各種非圓異形的內(nèi)嚙合齒輪加工，國外先進工業(yè)國家的插齒機產(chǎn)品早在80年代末就已全部數(shù)控化，近年來我國已開發(fā)了不同品種的數(shù)控插齒機，推向市場，逐步向機電一體化產(chǎn)品發(fā)展。
在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,如何擴大插齒機的加工范圍和降低制造成本是提高產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵所在。產(chǎn)品成本一般包括原材料、工具損耗、機床折舊、工人工資等各項管理費用。他們與勞動生產(chǎn)效率密切相關(guān),因此,擴大機床加工范圍,提高產(chǎn)品加工效率是降低產(chǎn)品成本的有效途徑。
1.2本課題的研究目的和現(xiàn)實意義
在本課題的設(shè)計中，采用步進電機控制回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)角。在單片機的控制下，步進電機每秒鐘發(fā)出的脈沖數(shù)決定了工作臺的轉(zhuǎn)位角度，使該插齒機成為真正意義上的可任意分度加工，進而可實現(xiàn)加工任意齒數(shù)的齒輪。
為了擴大插齒機的加工性能，適應(yīng)某些齒輪加工的需要，插齒機的進給運動，除了X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的直線進給運動之外，還可以繞X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的圓周進給運動，分別稱A、B、C軸。插齒機的圓周進給運動，一般由回轉(zhuǎn)工作臺來實現(xiàn)。插齒機除了可以實現(xiàn)圓周進給運動之外，還可以完成分度運動，一次裝夾即可多次加工，大大提高生產(chǎn)率。
一般插齒機等加工設(shè)備都配有回轉(zhuǎn)工作臺等標(biāo)準(zhǔn)附件。標(biāo)準(zhǔn)附件的普通回轉(zhuǎn)工作臺不能調(diào)整中心,使用很不方便,在操作過程中必須把中心與回轉(zhuǎn)工作臺中心重合裝夾后,才能進行加工。若如工件有多個中心位置需要加工,一次裝夾就無法完成。只能是逐個裝夾、調(diào)整和加工,這樣做使安裝和調(diào)整的時間大幅度增加,不但影響了加工的效率,也降低了工件的加工精度,增加產(chǎn)品的制造成本。
本課題設(shè)計的回轉(zhuǎn)工作臺，在加工多個中心的工件時,顯示出它的優(yōu)越性,調(diào)整中心十分方便,省去了多次找正、調(diào)整和裝夾的麻煩。由于一次裝夾后實現(xiàn)了多個中心位置的加工,明顯地減少了因多次調(diào)整安裝所造成的積累誤差,所加工零件的尺寸精度比原先有大幅度的提高,工效提高3倍以上。
1.3插齒概述
插齒加工（如圖1-1所示）是由插齒刀具與工件齒輪之間作無間隙的嚙合運動，插齒刀具作往復(fù)運動，并繞本身軸線轉(zhuǎn)動，在展成運動中加工出工件齒形。插齒是廣泛采用的切齒方法，用形狀為齒輪或齒條的插齒刀具，與被加工齒輪按一定的速比作嚙合運動的同時，刀具沿齒寬方向作往復(fù)運動形成切削加工。
插齒運動包括：往復(fù)運動、圓周運動、徑向進給運動、分度運動和讓刀運動。插齒，能加工滾齒、銑齒等無法加工的一些齒輪，如雙聯(lián)齒輪和內(nèi)齒輪。
插齒方法最常見的是用齒輪型插齒刀插齒，其次是用齒條型插齒刀插齒。以上兩種方法為滾切法，此外還有成形法插齒。
圖1-1 插齒刀和插齒運動
1—插齒刀 2—齒坯
1.4插齒機類型與適用范圍
1.4.1插齒機類型
插齒機按其工件軸線的空間位置分為立式插齒機和臥式插齒機。立式插齒機又可分為工件（工作臺）讓刀和插齒刀（刀架）讓刀兩種。臥式插齒機又可分為單插齒刀和雙插齒刀兩種。臥式插齒機的刀具軸線與工件主軸軸線是水平布置的。
插齒機按其刀具形狀分為齒條刀插齒機和圓盤刀插齒機兩種型式。齒條刀插齒機也分立式和臥式兩種。立式齒條刀插齒機以一把齒條刀作為切削工具；臥式齒條刀插齒機以兩把齒條刀作為切削工具。齒條刀插齒機的生產(chǎn)廠家為數(shù)不多，主要以瑞士馬格公司為代表，絕大多數(shù)廠家都生產(chǎn)圓盤刀插齒機。
目前生產(chǎn)和使用得最多的是立式插齒機。立式插齒機與臥式插齒機的加工原理是相同的，但結(jié)構(gòu)形式差別很大。
1.4.2各種插齒機的適用范圍
插齒是加工范圍最廣的制齒方法之一。和滾齒機一樣，插齒機加工也采用展成原理，但插齒的主運動采用往復(fù)運動形式，因此圓盤插齒刀軸不僅可在工件的外部——加工外齒輪，也可伸入到工件的內(nèi)部——加工內(nèi)齒輪；由于插齒刀切出工件端面只需很小的空間，所以它是加工臺階齒輪 ——雙聯(lián)或多聯(lián)齒輪的主要方法；此外，它還是目前加工齒條、尤其是7級精度以上齒條的最重要的方法。但是，當(dāng)用圓盤刀加工斜齒輪時，相應(yīng)于每一種螺旋角和旋向的斜齒輪需要一特定的斜齒插齒刀，并且在一般情況下，還需要設(shè)計專用的插斜齒附件——螺旋導(dǎo)軌。
齒條刀插齒機加工外齒輪時，由于齒條刀的長度有限，當(dāng)插銷到一定齒數(shù)時工件必須自動退回到原始位置，同時完成分齒動作，因而滾切過程不是連續(xù)的，而是周期性的。用同一把齒條刀既可加工直齒又可加工斜齒，但螺旋角越大，刀具切出時需要的空間越大。齒條刀插齒機只有一對分度蝸輪副，并且齒條刀形狀簡單容易達到高精度，所以加工精度較圓盤刀插齒機高。特別是當(dāng)切制大模數(shù)大直徑的外齒輪時，齒條刀插齒機的刀架和齒條刀的剛性都可得到加強，因而可獲得較高的加工精度和生產(chǎn)率。
圓盤刀插齒機主要用于加工內(nèi)、外嚙合直齒圓柱齒輪，當(dāng)?shù)都軗Q裝上螺旋導(dǎo)軌時，還可以加工相應(yīng)的斜齒圓柱齒輪。特別適宜于加工帶有臺階的雙聯(lián)或多聯(lián)齒輪。如采用特殊刀具和專用附件時，可加工各種多邊輪廓的工件：無聲鏈輪、棘輪、內(nèi)外花鍵、齒形帶輪、扇形齒輪、非完整齒齒輪和特殊齒形的離合器、齒條、端面齒輪和錐齒輪等。
1.5插齒機的工作原理及其參數(shù)
1.5.1插齒機的外觀圖
插齒機的外觀立體圖如圖1-2所示。
圖1-2 插齒機的外觀立體圖
1—插齒刀 2—刀架 3—橫梁 4—工件 5—工作臺 6—床身
1.5.2插齒機的工作原理
插齒加工按展成原理——滾切法。
插銷過程如同一對齒輪作無間隙的嚙合運轉(zhuǎn)，其中一個是工件，另一個是特殊的齒輪（插齒刀）。插齒刀本身如同一個修正齒輪，它在磨損后可重復(fù)刃磨使用。插齒刀的模數(shù)和壓力角必須與被加工齒輪的模數(shù)和壓力角相等，當(dāng)用圓盤刀插銷斜齒輪時兩者的螺旋角必須相等，加工外齒輪時兩者螺旋方向相反；加工內(nèi)齒輪時兩者螺旋方向相同。插齒刀每個刀齒的漸開線齒廓和齒頂都做出刀刃：一個頂刃和兩個側(cè)刃，它們有前角和后角。
為了在切削時實現(xiàn)滾切過程，插齒刀和齒坯（工件）按不同的方向各繞其本身的軸線回轉(zhuǎn)，它們的相互關(guān)系見式（1.1）：
n/n0=z0/z 式（1.1）
式中 n——工件轉(zhuǎn)速；
no——插齒刀轉(zhuǎn)速；
z——工件齒數(shù)；
z0——插齒刀齒數(shù)。
滾切運動是形成工件漸開線齒廓所必須的，插齒刀軸的上下往復(fù)運動（主運動）形成齒線。
此外，整個加工過程還需要插齒刀相對于工件作徑向進給（切入）運動。這個運動根據(jù)具體情況可分為一次至多次進行。若采用一次進給，則一次進給到全齒深時為止。此后插齒刀與工件繼續(xù)對滾，當(dāng)工件轉(zhuǎn)過一整轉(zhuǎn)時，全部輪齒切到全齒深，加工結(jié)束。刀架或工作臺退出并回到原始位置。
通常，插齒刀軸向下運動為工作行程，向上運動為空行程。滾切運動、進給運動和刀軸往復(fù)運動同時進行，為了避免插齒刀刮傷已加工的工件表面，在插齒刀空回行程時，插齒刀相對于工件還必須有一個讓刀運動，而在工作行程開始時插齒刀（或工件）必須回復(fù)到原來的位置。
1.5.3插齒機的參數(shù)
插齒機的主要聯(lián)系尺寸如圖1-3所示，機床的參數(shù)應(yīng)符合表1-1 的規(guī)定。
圖1-3 插齒機主要機床尺寸
表 1-1
最大工件直徑D mm
200
320
500（800）
1250（2000）
3150
最大模數(shù)m mm
4
6
8
12
16
最大加工齒寬B mm
50
70
100
160
240
插齒刀
主軸
軸頸D mm
31.743
31.743
31.743
31.743
80
錐孔
莫氏三號
——
——
——
1：20
插
齒
刀
孔徑d2 mm
60
80
100
180
240
T型槽槽數(shù)
——
4
4
8
16
槽寬 mm
——
12
14
22
36
注
1.括號內(nèi)參數(shù)主要用于變型產(chǎn)品。
2.當(dāng)D=1250mm時，刀軸應(yīng)增加軸頸直徑為88.9mm、101.6mm的接套；
當(dāng)D=3150mm時，刀軸應(yīng)增加軸頸直徑為31.743mm、889mm、101.6mm的接套
2設(shè)計方案選擇
回轉(zhuǎn)工作臺是插齒機不可缺少的重要附件。它的作用是按照控制裝置的信號或指令作回轉(zhuǎn)分度或連續(xù)作回轉(zhuǎn)進給運動，以使插齒機能完成指定的加工工序。常用的回轉(zhuǎn)工作臺有分度工作臺和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。
2.1 分度工作臺
分度工作臺的功能是完成回轉(zhuǎn)分度運動，即按照控制系統(tǒng)的指令，在需要分度時，將工作臺及其工作臺回轉(zhuǎn)一定角度。其作用是在加工中自動完成工作的轉(zhuǎn)位換面，實現(xiàn)工件一次安裝完成幾個面的加工。按照采用的定位元件的不同，有定位銷式分度工作臺和鼠牙盤式分度工作臺。分度工作臺通常由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，僅能作規(guī)定好的度數(shù)的分度運動，不能連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動。機床的分度結(jié)構(gòu)，它本身很難保證工作臺的分度的高精度的要求不適合本設(shè)計要求。
2.2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺
數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的功用有：
（1）使工作臺進行圓周進給完成切削工作；
（2）使工作臺進行分度工作。
它按照控制系統(tǒng)的指令，在需要時候完成任務(wù)。其作用是既能作為數(shù)控機床的一個回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，用于加工直線、曲線、圓弧或與直線坐標(biāo)軸聯(lián)動加工曲面，又能作為分度頭完成工作的轉(zhuǎn)位換面。這正式本設(shè)計所需要的。
再看數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺與分度工作臺的區(qū)別，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，從外形上看，與分度工作臺沒有什么區(qū)別，但在結(jié)構(gòu)上有以下一系列特點，現(xiàn)就開環(huán)數(shù)控工作臺和閉環(huán)數(shù)控工作臺分述如下：
2.2.1 開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺
開環(huán)系統(tǒng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺是由傳動系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪夾緊裝置等組成。數(shù)控轉(zhuǎn)臺一般由電液脈沖馬達或功率步進電機驅(qū)動，當(dāng)接到控制系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)指令后，首先要把蝸輪松開，然后開動電—液脈沖馬達，按照指令脈沖來確定工作臺回轉(zhuǎn)的方向、回轉(zhuǎn)的速度快慢、回轉(zhuǎn)的角度大小以及回轉(zhuǎn)過程中速度的變化等參數(shù)。當(dāng)回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)完畢后，再把蝸輪夾緊恢復(fù)到原來的位置。數(shù)控轉(zhuǎn)臺的分度定位是按控制系統(tǒng)所指定的脈沖數(shù)來決定轉(zhuǎn)位角度的，沒有其他的定位元件。因此，對開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的傳動精度要求高，傳動間隙應(yīng)盡量小。
數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺既沒有鼠牙盤，也沒有定位銷，它的定位精度完全是由控制系統(tǒng)來決定的。因此，對于開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，要求它的傳動系統(tǒng)中沒有間隙，否則在反向時產(chǎn)生傳動誤差而影響定位精度。
當(dāng)工作臺靜止時，必須處于鎖緊狀態(tài)。為此，在蝸輪底部的輻射方向裝有八對夾緊瓦，并在底座上均布同樣數(shù)量的小液壓缸。當(dāng)小液壓缸的上腔接通壓力油時，活塞便壓向鋼球，撐開夾緊瓦，并夾緊蝸輪。在工作臺需要回轉(zhuǎn)時，先使小液壓缸的上腔接通回油路，在彈簧的作用下，鋼球抬起，夾緊瓦將蝸輪松開。
回轉(zhuǎn)工作臺的導(dǎo)軌面由大型滾動軸承支承，并由圓錐滾柱軸承及雙列向心圓柱滾子軸承保持準(zhǔn)確的回轉(zhuǎn)中心。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的定位精度主要取決于蝸桿副的傳動精度，因而必須采用高精度蝸桿副。在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，可以在實際測量工作臺靜態(tài)定位誤差之后，確定需要補償角度的位置和補償?shù)闹担洃浽谘a償回路中，由數(shù)控裝置進行誤差補償。在全閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由高精度的圓光柵發(fā)出工作臺精確到位信號，反饋給數(shù)控裝置進行控制。
回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)有零點，當(dāng)它作回零運動時，先用擋鐵壓下限位開關(guān)，使工作臺降速，然后由圓光柵或編碼器發(fā)出零位信號，使工作臺準(zhǔn)確地停在零位。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可以作任意角度的回轉(zhuǎn)和分度，也可以作連續(xù)回轉(zhuǎn)進給運動。
這種數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的驅(qū)動采用開環(huán)系統(tǒng)，其定位精度主要取決于蝸桿蝸輪的運動精度，雖然采用高精度的五級蝸桿蝸輪副，但還是不能滿足機床的定位精度。因此還需要借助于數(shù)控裝置進行誤差補償。
回轉(zhuǎn)工作臺的導(dǎo)軌面是由大型滾柱軸承支承，徑向又有圓錐滾子軸承及雙列向心圓柱滾子軸承保證回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并有上述強力夾緊機構(gòu)。因此回轉(zhuǎn)工作臺的剛度很好。
2.2.2 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺
閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺一般采用直流或交流伺服電機驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)與開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺大致相同。區(qū)別在于：閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺有角度測量元件（圓光柵或圓感應(yīng)同步器）。所測量的結(jié)果反饋與指令進行比較，按閉環(huán)原理進行工作，使回轉(zhuǎn)工作臺定位精度更高。
總結(jié)，對以上三種方案進行分析，它們各有優(yōu)缺點，為了達到設(shè)計要求，我選擇開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。另外，為了消除蝸輪副的傳動間隙，采用雙導(dǎo)程蝸桿，通過移動蝸桿的軸向位置來調(diào)整間隙。
在此設(shè)計中將采用此結(jié)構(gòu)來控制工作臺繞Z軸的轉(zhuǎn)動，采用步進電機驅(qū)動，通過變速齒輪和蝸桿傳遞動力給大蝸輪，從而帶動附加工作臺在Z軸方向的旋轉(zhuǎn)。
3工作臺設(shè)計
3.1 步進電機的選擇與控制
3.1.1 步進電動機的特點與種類
3.1.1.1 步進電動機的特點
步進電動機又稱為脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，既每當(dāng)電動機的繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)與頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量，頻率以及電動機繞組的通電順序，電動機即可獲得所需的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。步進電動機具有以下主要特點：
（1）步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動，電流的大小與波形的變化，溫度等）的影響，只要在他們的大小未引起步進電動機產(chǎn)生“丟失”現(xiàn)象之前，就不會影響其正常工作；
（2）步進電動機的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的步數(shù)以后也會出現(xiàn)累計誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)之后，其累計誤差就會變?yōu)椤傲恪?，因此不會長期積累；
（3）控制性能好，在啟動、停止、反轉(zhuǎn)時不易“丟失”。因此，步進電動機被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠的獲得較高的位置精度。
3.1.1.2 步進電動機的種類
步進電動機的種類很多,有旋轉(zhuǎn)式步進電動機,也有直線步進電動機;從勵磁相數(shù)來分有三相,四相,五相,六相等步進電動機.就常用的旋轉(zhuǎn)式步進電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來說,可將其分為一下三種:
（1）可變磁阻型(VR-Variable Reluctance)
該類電動機由定子繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉(zhuǎn)子作步進驅(qū)動,故又稱作反應(yīng)式步進電動機,其結(jié)構(gòu)原理為:其定子與轉(zhuǎn)子由鐵心構(gòu)成,沒有永久磁鐵,定子上嵌有線圈,轉(zhuǎn)子朝定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小方向轉(zhuǎn)動,并由此而得名可變磁阻型.這類電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單,轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速下的響應(yīng).由于VR型步進電動機的鐵心無極性,故不需要改變電流極性,為此多為單極性勵磁.
該類電動機的定子與轉(zhuǎn)子均不含永久磁鐵,故無勵磁時沒有保持力.另外,需要將氣隙做得盡可能小,例如幾個微米.這種電動機具有制造成本高,效率低,轉(zhuǎn)子的阻尼差,噪聲大等缺點.
（2）永磁型(PM-Permanent Magner)
PM型步進電動機的轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵,定子采用軟磁鋼制成,繞組輪流通電,建立的磁場與永久磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,這種電動機采用了永久磁鐵,即使定子繞組斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩,故具有記憶能力,可用作定位驅(qū)動.PM型電動機的特點是勵磁功率小,效率高,造價便宜,但由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制,難于制造,故步距角較大.
（3）混合型(HB-Hybrid)
這種電動機轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鐵,故可以說是永磁型步進電動機,但從定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來看,又和可變磁組型相似,所以是永磁型和可變磁組型相結(jié)合的一種形式,故稱為混合型步進電動機,它不僅具有VR型步進電動機步矩角小,響應(yīng)頻率高的優(yōu)點,而且還具有PM型步進電動機勵磁功率小,效率高的優(yōu)點.它的定子與VR型沒有多大的差別,只是在相數(shù)和繞組接線方面有其特殊的地方,例如,VR型一般都作成集中繞組的形式,每極上放有一套繞組,相對的兩極為一相,而HB型步進電動機的定子繞組大多數(shù)為四相,而且每極同時繞兩相繞組或采用橋式電路繞一相繞組,按正反脈沖供電.
這種類型的電動機由轉(zhuǎn)子鐵心的凸極數(shù)和定子的副凸極數(shù)決定步距角的大小,可制造出步距角較小的電動機.永久磁鐵也可磁化軸向的兩極,可使用軸向各向異性磁鐵制成高效電動機.
3.1.2 步進電動機的選擇
本設(shè)計選用反應(yīng)式步進電動機，其技術(shù)性能數(shù)據(jù)如下：
型號： 75BF001
相數(shù)： 3
步距角： 1.5/
電壓: 24V
相電流: 3A
最大靜轉(zhuǎn)矩 : 0.392（N.M）
空載起動頻率: 1750步/S
電感: 19mH
電阻: 0.62
分配方式: 三相六拍
外形尺寸: 75x53(6)
轉(zhuǎn)子動慣量： 1.274
重量： 1.1（Kg）
3.1.3 步進電動機的控制
控制步進電動機的運行速度實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出CP脈沖的頻率或者是換相的周期,系統(tǒng)可用兩種辦法來確定CP脈沖的周期,一種是延時,一種是定時器.
（1）延時方法
這種方法是在每次換相后,調(diào)用一個延時子程序,待延時結(jié)束后再次執(zhí)行換相子程序,延時子程序的延時時間與換相子程序所用的時間的和就是CP脈沖的周期.
例如:
SV:LCALL CW; 正轉(zhuǎn)一步
LCALL OS; 調(diào)用延時子程序
SJMP SV; 返回繼續(xù)
（2）定時器方法
AT89S51芯片內(nèi)部有兩個定時器,都是可編程的利用定時器的定時功能就可以產(chǎn)生任意周期的定時信號,從而可以方便地控制系統(tǒng)輸出CP脈沖周期.
我們將電動機的換相子程序放在定時器中斷服務(wù)程序中則定時器中斷一次電動機就換相一次,從而實現(xiàn)對電動機的速度控制,在本設(shè)計中,電動機的驅(qū)動頻率是每秒2500步(2500PPS),則周期為400s.
計算裝載初值:
X=FE70H
由于從定時器申請中斷到系統(tǒng)響應(yīng)中斷,再到中斷服務(wù)程序中對定時器進行裝載,都需要花費一定的時間,這個時間形成附加延時,為實現(xiàn)精確定時,應(yīng)將這個時間計算在內(nèi)。下面的程序定時器需要7個機器周期,因此先把FE7OH加上7后得FE77H作為裝載值先存在中間單元R6、R7中,R6存77H，R7存FEH。程序如下：
SPD：MOV R6，#77H
MOV R7，#FEH
LCALL CW
CLR TR0
MOVA， TL0
ADDA，R6
MOV TL0，A
MOVA，TH0
ADDA，R7
MOV TH0，A
SETB TR0
RET1
系統(tǒng)在反復(fù)執(zhí)行這個中斷程序時，所產(chǎn)生的驅(qū)動步進電動機的時鐘脈沖就是恒定的頻率。而且與設(shè)定值之間不存在誤差。
程序如下：（所列出的程序均通過編譯）
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 000BH
LJMP SPD
ORG 001BH
LJMP DISBUFF
ORG 0040H
MAIN： MOV SP，#60H
MOV TMOD，#O1H
MOV TCON，#01H
MOV RO,#8
MOV SCON,#00H
MOV TL1,#00H
MOV TH1,#00H
SETB TR1
PRO: LCALL KEY1
LCALL KP
SJMP PR0
SPD: MOV R6,#1FH
MOV R7,#0FCH
LCALL CW
LCALL DISBUFF
LCALL DISP
CLR TR0
MOV A, TL0
ADD A, R6
MOV TL0,A
MOV A,TH0
ADD A,R7
MOV TH0,A
SETB TR0
RET1
KEY1: ACALL KSY1
JNZ LK1
AJMP KEY1
LK1: ACALL TRMS
ACALL KS1
JNZ LK2
AJMP KEY1
LK2: MOV R2,#0FEH
MOV R4,#00H
LK4: MOV DPTR,#7FFCH
MOV A,R2
MOVX @DPTR,A
INC DPTR
INC DPTR
MOVX A,@DPTR
JB ACC.0,LONE
MOV A,#00H
AJMP LKP
LTWO: JB ACC.2,LTHR
MOV A,#16H
AJMP LKP
LTHR: JB ACC.3,NEXT
MOV A,#24H
LKP: ADD A,R4
PUSH ACC
LK3: ACALL KS1
JNZ LK3
POP ACC
RET
NEXT: INC R4
MOV A,R2
JNB ACC.7,KND
RL A
MOV R2,A
AJMP LK4
KND: AJMP KEY1
KS1: MOV DPTR,#7FFCH
MOV A,#00H
MOVX @DPTR,A
INC DPTR
INC DPTR
MOVX A,@DPTR
CPL A
ANL A,#0FH
RET
TRMS: MOV R7,#18H
TM: MOV R6,#0FFH
TM6: DJMZ R6,TM6
DJMZ R7TM
RET
KP: MOV R3,A
RL A
ADD A,R2
MOV DPTR,#JPTAB
JMP @A+DPTR
JPTAB:LJMP SPD
RET
CW: INC R0
CJNE R0,#8,CW1
MOV RO,#0
CW1: MOV A,RO
MOV DPTR,#7FFOH
MOVC A,@A+DPTR
MOV DPTR,#7FF0H
MOVX @DPTR,A
RET
DISBUFF:MOV R5,#15
DJNZ R5,T1S
MOV R1,#30H
MOV @R1,A
T1S: MOV TL1,#00H
MOV TH1,#00H
SETB TR1
RET1
DISP: SETB P1.0
MOV R7,#4
MOV R1,#30H
DISP0: MOV A,@R1
MOV DPTR,#6000H
MOVC A,@A+DPTR
MOV SBUF,A
DISP1: JNB T1,DISP1
CLR T1
INC R1
DJNZ R7,DISP0
CLR P1.0
RET
ORG 6000H
DB 0C0H,OF9H,0F9H,0A0H,0B0H,99H
DB 92H,82H,0F8H,80H,98H
ORG 7FF0H
DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H
END
3.2 蝸輪蝸桿設(shè)計計算
3.2.1 蝸桿傳動輸入?yún)?shù)
蝸桿傳遞功率P: 0.7KW
蝸桿轉(zhuǎn)速n1: 800r/min
傳動比i12： 50
傳動比誤差： 0.00%
預(yù)定壽命H: 24000h
阿基米德類型蝸桿
工作載荷平穩(wěn)；
單向工作；
長期連續(xù)工作；
噴油潤滑方式，潤滑情況良好；
自然通風(fēng)冷卻方式。
3.2.2 接觸疲勞強度計算
材料及熱處理
蝸桿蝸輪材料：
查《機械設(shè)計手冊》表5-127，蝸桿：45，表面滲碳淬火，HRC 45～55
查《機械設(shè)計手冊》表5-128，蝸輪：ZQSn10-1,金屬模鑄造，
選定蝸桿頭數(shù)Z1和蝸輪齒數(shù)Z2
Z1=1 所以： Z2=80
確定接觸許用應(yīng)力[σ]H
查《機械設(shè)計手冊》表5-128 [σ]H=200MP
蝸輪軸轉(zhuǎn)矩T2
式（3.1）
確定模數(shù)mt及蝸桿直徑系數(shù)q
式（3.2）
K=1.1
由《機械設(shè)計手冊》表5-119得： q=10
確定蝸桿螺旋升角λ
由《機械設(shè)計手冊》表5-121得：
確定中心距a
式（3.3）
蝸桿蝸輪彎曲強度校核
許用彎曲強度
查《機械設(shè)計手冊》表5-128得： =70MP
蝸輪當(dāng)量齒數(shù)Z`
式（3.4）
蝸輪齒形系數(shù)YF2
查《機械設(shè)計手冊》表5-129得：YF2=1.41
彎曲強度校核
式（3.5）
所以強度夠。
3.2.3確定蝸輪蝸桿的主要尺寸
分度圓直徑d 式（3.6）
齒頂圓直徑da
查《機械設(shè)計手冊》表5-142得：ha=3mm
所以：
式（3.7）
齒根圓直徑df
查《機械設(shè)計手冊》表5-142得：hf=4mm
所以：
蝸桿螺紋長度L
式（3.8）
蝸輪外徑de2
式（3.9）
蝸輪寬度b
b=1*da1=1*48=48mm 式（3.10）
軸向齒距極限累積誤差
軸向齒距極限偏差
蝸桿齒形公差、蝸桿螺牙跳動公差分別為
蝸桿法向弦齒高和弦齒厚
查《機械設(shè)計手冊》表5-142得：
3.2.4 確定蝸輪蝸桿的傳動效率
因為本設(shè)計中采用閉式蝸桿傳動，其傳動效率的計算公式為：
式（3.11）
因為是蝸桿主動，所以嚙合效率按下式計算：
式（3.12）
該式中：——蝸桿分度圓螺旋升角；
——為當(dāng)量摩擦角，
查《機械設(shè)計手冊》表5-130得：取
所以，
攪油損失的效率，通常取=0.98
軸承的效率，對滾動軸承常取=0.99
所以，蝸桿的傳動效率為：
3.2.5 選擇蝸輪蝸桿的精度等級
本設(shè)計中，蝸桿蝸輪都選擇的是7級精度。
3.2.6 蝸輪蝸桿傳動的熱平衡計算
該工作臺采用自然通風(fēng)冷卻方式，因此箱體表面散出的熱量折合的功率為：
式（3.13）
導(dǎo)熱系數(shù)，常取
傳動裝置的散熱面積A:
式（3.14）
A1為內(nèi)面被油浸濺著而外面又被自然循環(huán)的空氣所冷卻的箱殼的面積，A2為A1計算表面的補強筋和凸座的表面以及安裝在金屬底座或機械框架上的箱殼底面積。
所以估算出：
達到熱平衡時，傳動的發(fā)熱率應(yīng)和箱體的散熱率相等，依熱平衡條件得：
式（3.15）
式中 P1——蝸桿軸功率；
——潤滑油的溫度，對蝸桿傳動可以允許到95度，這里取30度；
——周圍空氣的溫度，一般取20度。
綜合以上數(shù)據(jù)，可以得出箱體表面散出的熱量估算為：
式（3.16）
可以滿足工作臺的正常工作需要。
3.3齒輪設(shè)計計算
3.3.1 齒輪設(shè)計輸入?yún)?shù)
傳遞功率： P=0.98 kw
齒輪1的轉(zhuǎn)速： n1=1500r/min
齒輪2的轉(zhuǎn)速： n2=800 r/min
傳動比： i=1500/800=1.875
預(yù)定壽命： H=24000 h
原動機載荷特性： 均勻平穩(wěn)
工作機載荷特性： 均勻平穩(wěn)
3.3.2 齒輪的材料及熱處理
齒面類型：軟齒面
熱處理質(zhì)量要求級別： MQ
（1）材料及熱處理：
齒輪1：
查《機械設(shè)計手冊》表5-78，齒輪1選擇材料為 45鋼；熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理。硬度范圍為：HB240-270本設(shè)計取硬度為： HB250
齒輪2：
為了提高齒輪的抗膠合性能，大齒輪和小齒輪應(yīng)選擇不同牌號的鋼來制造,根據(jù)這個原則，查《機械設(shè)計手冊》表5-78齒輪2 選擇的材料為40Cr；熱處理為調(diào)質(zhì)處理。硬度范圍為：HB200-230 所以本設(shè)計選用硬度為：HB215
（2）機械性能：
齒輪1： 查《機械設(shè)計手冊》表5-78得：
許用接觸強度極限應(yīng)力：
許用彎曲強度極限應(yīng)力：
齒輪2： 查《機械設(shè)計手冊》表5-78得：
許用接觸強度極限應(yīng)力：
許用彎曲強度極限應(yīng)力：
3.3.3 齒輪的基本參數(shù)
模數(shù)m的選取，取模數(shù)為 m=2
齒數(shù)Z1、Z2的確定，取齒數(shù)為 Z1=24
所以
變位系數(shù)X：
由于齒輪有偏心調(diào)節(jié)環(huán)約束，所以取變位系數(shù) x=0，總變位系數(shù)
齒輪主要尺寸：
分度圓直徑：
式（3.17）
齒頂圓直徑： 取
所以 式（3.18）
齒根圓直徑：
式（3.19）
基圓直徑：
α取標(biāo)準(zhǔn)值為
節(jié)圓直徑：
標(biāo)準(zhǔn)中心距a:
式（3.20）
中心距變動系數(shù)y：
y=-0.001
齒高變動系數(shù)為0.001
小齒輪齒寬B：
式（3.21）
因取值為1，所以B=48mm
分度圓弦齒厚和弦齒高：
查《機械設(shè)計手冊》表5-57得：
對齒輪1：
對齒輪2：
固定弦齒厚和固定弦齒高：
查表《機械設(shè)計手冊》表5-58得：
公法線跨齒數(shù)K和公法線長度：
對齒輪1： K=3
對齒輪2： K=5
3.3.4齒面接觸疲勞強度校核
有關(guān)參數(shù)和系數(shù)的確定
確定圓周力Ft 式（3.22）
因 式（3.23）
所以 式（3.24）
查《機械設(shè)計手冊》表5-74得：，因此
所以按V=，查《機械設(shè)計手冊》表5-82選齒輪的精度為7級；
重合度的計算，重合度可由下公式算出：
因
所以
所以
查《機械設(shè)計手冊》圖5-26得：
由于齒輪對稱軸承布置，查《機械設(shè)計手冊》圖5-24得：
查《機械設(shè)計手冊》表5-75得：
查《機械設(shè)計手冊》圖5-24得：
核算齒面接觸疲勞強度
式（3.25）
因已知：許用接觸疲勞強度，，所以接觸強度足夠。
3.3.5齒根彎曲強度校核
確定有關(guān)參數(shù)和系數(shù)
與接觸強度相同；
查圖《機械設(shè)計手冊》圖5-29得：齒形系數(shù)
查圖《機械設(shè)計手冊》圖5-30得：重合度系數(shù)
因為是直齒圓柱齒輪，所以螺旋角系數(shù)
核算齒根彎曲強度
式（3.26）
因許用齒根彎曲強度，，所以，齒跟彎曲強度足夠。
3．4 軸承的設(shè)計
3.4.1軸承方案的選擇
（1）方案1：兩端單向固定
常用于跨距L<400 mm的情況，支點常采用兩端單向固定的方式，每個軸承分別承受一個方向的軸向力。
（2）方案2：一端雙向固定， 一端游動
為保證滾動軸承系能正常傳遞軸向力且不發(fā)生竄動，在軸上各零件定位固定的基礎(chǔ)上，必須合理設(shè)計軸系支點的軸向固定結(jié)構(gòu)。
軸上同時受徑向和軸向聯(lián)合載荷，一般選用角接觸軸承或圓錐滾子軸承。 但圓錐滾子軸承能同時受徑向和單向軸向載荷、承載能力，成對使用。 角接觸軸承能同時受徑向載荷和單向軸向載荷，由于角接觸軸承受徑向載荷會產(chǎn)生相應(yīng)的附加力，故應(yīng)成對使用。
為保證滾動軸承能正常傳遞軸向力且不發(fā)生竄動，在軸上各零件定位固定的基礎(chǔ)上，還要設(shè)計軸承的組合。
當(dāng)軸較長或工作溫度較高時，軸的熱膨脹伸縮量大，宜采用一端雙向固定，一端游動的支點結(jié)構(gòu)。
綜合考慮本設(shè)計，方案1較適合。
3.4.2軸承的動載荷和壽命計算
由上面所知徑向力F=150N，F(xiàn)=15N
根據(jù)《機械設(shè)計手冊》表18.7查取滾動軸承當(dāng)量動載荷計算的X,Y值為X=1,Y=0
沖擊載荷系數(shù)fd:
考慮到是輕微沖擊,查《機械設(shè)計手冊》表18.8取=1.2
當(dāng)量動載荷:
P=f=1.2(150+0)=180N 式（3.27）
L==1.510h 式（3.28）
該聯(lián)結(jié)為受拉緊聯(lián)結(jié)。
有公式: 式（3.29）
式中 ——螺栓總拉力；
——螺栓的預(yù)緊力；
——工作載荷；
——剩余預(yù)緊力；
——螺栓的相對剛度系數(shù)；
下列數(shù)據(jù)可供選擇時參考: 無變化時, =(0.2～0.6)；
有變化時, =(0.6～1.0)；
因為=100N,所以=(0.6～1.0)=(60～100)N，即=100+100=200N
強度校核公式:
式（3.30） 在這里選螺栓的材料為40Cr查《工程材料》=785Mpa；
為螺栓的許用拉應(yīng)力安全系數(shù),查《機械設(shè)計手冊》表6.3取=1.5；
d==mm=0.7mm 式（3.31）
= Mpa =523.3 Mpa 式（3.32）
3．5 箱體的設(shè)計
1. 零件尺寸設(shè)計
機械設(shè)計手冊 ，機架設(shè)計中的鑄鐵箱體設(shè)計表28－8選用長400mm ，寬400mm，垂直高160mm，最小壁厚選20mm,具體結(jié)構(gòu)及尺寸由零件圖知。
2. 設(shè)計計算
危險截面確定
底座是主要起支撐作用的底座，所以主要承受壓力它所受的插削沖擊力傳遞給它，所以它的危險截面在主軸于底座的接觸面上止推軸承與底座的接觸面可以近似看成一個長為一圈軸承周長，寬為軸承半徑r的一個矩形進行大致的計算
接觸面的面積 s＝Dr
軸承的平均直徑 D=(D+D2)/2=(38+43)/2=40.5mm
r＝d/2 r＝2.5mm
S＝Dr 318mm2
＝F/s10Mpa
3. 選材
由于底座主要承受壓力的作用，鑄鐵相當(dāng)與鋼的受壓能力也較好，鑄鐵和鋼相比有較為便宜，鑄鐵又是箱體的首選材料，所以選用鑄鐵，選擇結(jié)果牌號為HT150，抗壓強度為150Mpa。
4. 校核
遠遠小與許用應(yīng)力，所以滿足條件
4控制系統(tǒng)設(shè)計
控制系統(tǒng)的設(shè)計包括單片機型號的選擇,程序存儲器的擴展,數(shù)據(jù)存儲器的擴展,鍵盤及顯示電路的設(shè)計,越界報警電路的設(shè)計,步進電動機驅(qū)動電路的設(shè)計,環(huán)形分配器的選擇。此外,還包括電源電路的設(shè)計和程序設(shè)計。
4.1單片機
圖4-1 AT89S51引腳圖
AT89S51的選擇
首先ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器, ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，它可以和AT89S51單片機直接相連。ADC0809的各項指標(biāo)多與AT89S51匹配。其次目前市場比較常用AT89S51,是一個低功耗，高性能CMOS八位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。綜合與ADC0809的匹配、目前的單片機通用情況,最終我們選擇了AT89S51。
4.2驅(qū)動電路的設(shè)計
本設(shè)計采用斬波恒流驅(qū)動，其波形圖T1是一個高頻開關(guān)管，T2是開關(guān)管的發(fā)射極接一只小電阻R，電動機繞組的電流經(jīng)過