《回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置課程設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置課程設(shè)計(jì)（60頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第1章 緒論 課程設(shè)計(jì)是《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，其目的是使學(xué)生能在傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品更新?lián)Q代和新的機(jī)電一體化產(chǎn)品研制開發(fā)領(lǐng)域掌握必要的實(shí)驗(yàn)技能，目的在于培養(yǎng)學(xué)員對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力，另外還包括： 1） 通過課程設(shè)計(jì)，理解機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本知識(shí)。 2） 掌握元部件的正確選擇方法和特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的硬件一般由機(jī)械主體部分、傳感器、信息處理、計(jì)算機(jī)及電路部分和執(zhí)行元件等構(gòu)成，其設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法基本上可歸納為以下幾個(gè)方面： 1） 采用微型計(jì)算機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和控制 主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選

2、用、接口電路、軟件編制。 2） 選用驅(qū)動(dòng)控制電路，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制 主要考慮電動(dòng)機(jī)的選擇及驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算及控制電動(dòng)機(jī)電路的設(shè)計(jì)。 3） 精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 主要考慮數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)問題。要弄清機(jī)構(gòu)或機(jī)械執(zhí)行的主要功能（如傳遞運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、位置控制、微調(diào)、精密定位或高速運(yùn)轉(zhuǎn)等），進(jìn)行力（力矩）、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、慣性（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）、加（減）速控制和誤差計(jì)算。提出裝配圖和零件加工圖。提出電動(dòng)機(jī)和計(jì)算機(jī)控制要求。 4） 采用傳感器進(jìn)行反饋控制或作為測(cè)量敏感部位。 5） 學(xué)會(huì)使用手冊(cè)和圖表資料。 本次課程設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置，通過此次課程設(shè)計(jì)，學(xué)員應(yīng)具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能

3、力，初步建立了正確的設(shè)計(jì)思想，學(xué)會(huì)運(yùn)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料，培養(yǎng)了分析問題和解決實(shí)際問題的能力。 第二章 回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置總體方案分析 回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置是一種測(cè)量回轉(zhuǎn)體外形輪廓的機(jī)電一體化系統(tǒng)，其基本工作原理利用檢測(cè)光幕傳感器檢測(cè)位于其中的回轉(zhuǎn)體?；剞D(zhuǎn)體一般是柱形工件，由卡盤夾緊并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)經(jīng)減速器使其旋轉(zhuǎn)，對(duì)于較長的工件，還要求有尾架，并在尾架上安裝頂尖，支頂較長的工件。檢測(cè)光幕傳感器在回轉(zhuǎn)軸方向（Z向）可以來回移動(dòng)，能對(duì)回轉(zhuǎn)體每個(gè)截面的輪廓進(jìn)行測(cè)量。 此次任務(wù)給定的參數(shù)如下： 行程范圍

4、 Z向350mm C向可正反轉(zhuǎn)連續(xù)回轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)分辨率 Z向由于0.01mm C向優(yōu)于0.1 Z向最大移動(dòng)速度 2200mm/min C向最大選擇速度 130r/min 被檢測(cè)工件最大尺寸（材料為鋼） φ50mm350mm 外形尺寸（參考） 700mm400mm320mm 2.1回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置總體方案確定 回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置總體方案的確定包括系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等。 1、 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制方式、點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)?；?/p>

5、轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置要求快速定位，保證定位精度，因此選擇點(diǎn)位控制系統(tǒng)。 2、伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試和維修比較方便，因此在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。半閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)造價(jià)高、結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，適用于精度要求較高的場(chǎng)合。 回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置由于速度不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定 任務(wù)給定Z向分辨率為0.01mm/脈沖，為實(shí)現(xiàn)所要求的分辨率，決定采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪減速

6、機(jī)構(gòu)再傳動(dòng)絲杠帶動(dòng)檢測(cè)光幕傳感器在Z向移動(dòng)。為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。C向分辨率為0.1，為實(shí)現(xiàn)所要求的分辨率，同樣決定采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)卡盤旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。 為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 4、計(jì)算機(jī)的選擇 根據(jù)任務(wù)要求，決定采用8位微機(jī)。由于MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，決定采用MCS—51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功率放大電路等組成

7、。系統(tǒng)控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 2.2總體方案框圖 第3章 回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案說明 分析回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置的功能可知，它應(yīng)該具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，即 1） 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元，即電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的單元； 2） 旋轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動(dòng)單元，即電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器再通過旋轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動(dòng)變換裝置帶動(dòng)測(cè)量光幕傳感器的做直線運(yùn)動(dòng)的單元。 每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元都由不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元由電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動(dòng)單元由電

8、機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動(dòng)變換裝置構(gòu)成。圍繞這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行初步確定，然后在進(jìn)行細(xì)化計(jì)算。 3.1電動(dòng)機(jī) 在第一章總體方案設(shè)計(jì)中已經(jīng)選擇了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。下面就選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)做一些必要的說明。 電動(dòng)機(jī)可分為直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和無刷電動(dòng)機(jī)等幾大類，每一大類又可以分許多不同的小類，其具體分類見表3-1。 表3-1 電動(dòng)機(jī)分類 電 動(dòng) 機(jī) 直流電動(dòng)機(jī) 一般直流電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī) 直流力矩電動(dòng)機(jī) 交流電動(dòng)機(jī) 三相異步電動(dòng)機(jī) 鼠籠式 繞線式 單相異步電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)

9、 永磁同步電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 反應(yīng)式 單段式 多段式 軸向磁路式 徑向磁路式 永磁式 永磁反應(yīng)式 無刷電動(dòng)機(jī) 選用電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件的突出的特點(diǎn)是精度高，易于在閉環(huán)系統(tǒng)中獲得很高的連續(xù)路徑驅(qū)動(dòng)。不同類型的電機(jī)有不同的應(yīng)用場(chǎng)合，一般要從控制性、功率大小、轉(zhuǎn)速、精度以及性價(jià)比等方面選擇。 一般，對(duì)于要求不高的開環(huán)固定轉(zhuǎn)速場(chǎng)合應(yīng)選用結(jié)構(gòu)簡單、廉價(jià)的交流異步電動(dòng)機(jī)。 對(duì)于需要連續(xù)控制且精度要求較高的場(chǎng)合，目前較成熟的選用直流電動(dòng)機(jī)。直流電機(jī)具有扭矩慣量比大的特點(diǎn)，可直接帶動(dòng)負(fù)載，簡化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，避免了傳動(dòng)間隙，提高傳動(dòng)精度等優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，交流電動(dòng)機(jī)的變

10、頻調(diào)速成為了一種理想的選擇。對(duì)于要求壽命長，嚴(yán)禁火花，同時(shí)控制精度要求高的特殊場(chǎng)合，通常考慮無刷電動(dòng)機(jī)。 對(duì)于數(shù)字控制、精度增量控制且振動(dòng)要求不高的場(chǎng)合，常采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)在開環(huán)數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、軋鋼機(jī)等控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 本次設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置由于速度、精度等要求都不是很高，因而采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。 3.2 減速機(jī)構(gòu) 齒輪系及蝸桿副是一種發(fā)展歷史悠久、現(xiàn)在仍然廣泛使用的一種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它工作可靠、傳動(dòng)比恒定、結(jié)構(gòu)成熟，但制造復(fù)雜。齒輪系及蝸桿副可按表3-2分類。 表3-2 齒輪系及蝸桿副分類 傳動(dòng)軸平行 傳動(dòng)軸相交 傳動(dòng)軸交錯(cuò) 傳動(dòng)軸同軸

11、線 圓柱直齒輪 直齒錐齒輪 交錯(cuò)軸斜齒輪 擺線針輪 圓柱斜齒輪 斜齒錐齒輪 雙曲線錐齒輪 諧波齒輪 人字齒輪 弧齒錐齒輪 圓柱蝸桿 圓弧點(diǎn)嚙合圓周齒輪 零度弧齒錐齒輪 環(huán)面蝸桿 行星齒輪 圓弧點(diǎn)嚙合錐齒輪 齒輪齒條 根據(jù)傳動(dòng)軸的特點(diǎn)，可選用不同的齒輪系及蝸桿副做減速機(jī)構(gòu)。用于平行軸之間的傳遞運(yùn)動(dòng)的正齒輪易于設(shè)計(jì)制造、成本低，使用最為廣泛。斜齒輪可用于高速、重載、要求噪聲低的場(chǎng)合，但斜齒輪存在較大的軸向推力；人字齒輪則由于左右推力平衡而不產(chǎn)生軸向推力，其中一個(gè)齒輪的安裝應(yīng)有一定的軸向間隙以便安裝。相交軸傳動(dòng)中直齒錐齒輪為線接觸，傳

12、動(dòng)效率較高。交錯(cuò)軸斜齒輪有滑動(dòng)作用，傳動(dòng)效率低，同時(shí)為點(diǎn)接觸，只能承受較輕負(fù)載。行星齒輪尺寸小，重量輕、效率高且能傳遞較大的功率，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 蝸桿副為線接觸，可傳遞較大的功率、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、可自鎖，但傳動(dòng)效率低。 諧波齒輪具有傳動(dòng)比大、速比范圍寬、傳動(dòng)效率高、重疊系數(shù)大、嚙合好、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕、精度高、承載能力大、功率范圍寬、間隙易于消除，可通過密封壁傳動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在高技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。 對(duì)比上述各種齒輪系及蝸桿副的傳動(dòng)特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置選用圓柱直齒輪傳動(dòng)作為減速機(jī)構(gòu)。 3.3旋轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動(dòng)裝置 能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)

13、機(jī)構(gòu)有螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。 螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分為普通螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和滾珠絲杠螺母副等。普通螺旋傳動(dòng)廣泛的用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)，但由于螺母和螺桿之間的摩擦為滑動(dòng)摩擦，在磨損和精度等方面不能滿足一些高精度機(jī)電一體化系統(tǒng)的要求，滾珠絲杠螺母副則是為了克服普通螺旋傳動(dòng)的缺點(diǎn)發(fā)展起來的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它用滾動(dòng)摩擦螺旋取代了滑動(dòng)摩擦螺旋，具有磨損小、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、壽命長、精度高、溫升低等優(yōu)點(diǎn)。它具有的運(yùn)動(dòng)摩擦小、便于消除傳動(dòng)間隙等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于機(jī)電一體化系統(tǒng)性能的改善。 本次設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置主要以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，要求有較高的傳動(dòng)精度并結(jié)構(gòu)緊湊，因此選用滾珠絲杠螺母副來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

14、轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。 3.4導(dǎo)軌 導(dǎo)軌用于引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件的走向。它對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的影響通常是由摩擦特性決定的，主要影響定位精度和低速均勻性。 導(dǎo)軌主要分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌。滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，阻尼系數(shù)大，剛度大；但易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象，易磨損。滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)不大于滑動(dòng)導(dǎo)軌的1/10，因此不存在低速爬行現(xiàn)象，可采用較小功率的電動(dòng)機(jī)，但剛度小，阻尼系數(shù)小，可能引起振蕩。液體靜壓導(dǎo)軌無磨損，無靜摩擦，無低速爬行現(xiàn)象，阻尼系數(shù)大，但設(shè)計(jì)、制造、使用均較復(fù)雜。氣浮導(dǎo)軌無磨損，無靜摩擦，無低速爬行現(xiàn)象，無需回氣導(dǎo)管，不產(chǎn)生污染，但剛度小，阻尼系數(shù)小，容易引起振蕩。 由于滾動(dòng)導(dǎo)

15、軌的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置決定采用滾動(dòng)導(dǎo)軌。由于采用了齒輪減速結(jié)構(gòu)，從而可以克服滾動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)阻尼系數(shù)小，容易產(chǎn)生振蕩的缺點(diǎn)。 3.5軸承及支承方式 本次設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置決定采用滾動(dòng)軸承作為軸的支承。對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元，只有齒輪減速箱用到滾動(dòng)軸承，由于沒有軸向載荷，因此選用深溝球軸承作為齒輪的徑向支承。對(duì)于旋轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動(dòng)單元，其齒輪減速箱和滾珠絲杠都要采用滾動(dòng)軸承支承，齒輪減速箱中的齒輪采用深溝球軸承來支承，滾珠絲杠則由于有軸向載荷，因此要對(duì)絲杠的徑向和軸向都進(jìn)行支承。支承方式選擇兩端固定的支承方式，每一端選擇一個(gè)深溝球軸承和一個(gè)推力球軸承組合進(jìn)行支承。

16、 第4章 回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置共有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，一個(gè)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元，一個(gè)是旋轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動(dòng)單元，組成這個(gè)兩個(gè)單元的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不盡相同，因此計(jì)算的思路和步驟也不盡相同。下面就每一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元分別進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 4.1.1旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元傳動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、齒輪減速箱和夾具組成，夾具采用三角自定心卡盤。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算步驟大體可分為以下幾步： 1） 根據(jù)給定的旋轉(zhuǎn)精度，初步確定

17、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角； 2） 根據(jù)旋轉(zhuǎn)精度和步距角，確定齒輪減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比以及齒輪的參數(shù)； 3） 計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩，選定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)。 1、 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角qb 對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度就叫步距角。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角越小，它所能達(dá)到的位置精度越高。此次要求的旋轉(zhuǎn)精度是0.1度，為不使傳動(dòng)比過大，齒輪級(jí)數(shù)過多，因此決定初步選則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.36。如果選擇的步距角不合適，則重新再選擇。 2、 計(jì)算傳動(dòng)比i 旋轉(zhuǎn)精度qp為0.1，步距角qb為0.36，則旋轉(zhuǎn)運(yùn)

18、動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比i 確定傳動(dòng)比i后，接下來確定齒輪傳動(dòng)的級(jí)數(shù)及各齒輪的參數(shù)。 一般，隨著齒輪傳動(dòng)的級(jí)數(shù)的增加，齒輪傳動(dòng)的總慣量減少，但傳動(dòng)效率要降低，齒隙和摩擦的來源也會(huì)有隨之增加。因此應(yīng)在傳動(dòng)級(jí)數(shù)和傳動(dòng)比的分配上綜合權(quán)衡。一般，當(dāng)傳動(dòng)比1≤i＜2時(shí)，選用一級(jí)傳動(dòng)；2≤i<4時(shí)選用二級(jí)傳動(dòng)，此次的傳動(dòng)比為3.6，因此決定選用兩級(jí)傳動(dòng)。設(shè)第一級(jí)傳動(dòng)比為i1=Z2/Z1，第二級(jí)傳動(dòng)比為i2=Z4/Z3，根據(jù)齒輪系最佳速比分配近似條件 計(jì)算得 由于齒輪直徑不能太大，故齒數(shù)不能完全根據(jù)最佳傳動(dòng)比來選擇。為便于選擇齒輪齒數(shù)，將各級(jí)傳動(dòng)比稍作修改為 選擇Z1=20，根據(jù)i1=Z

19、2/Z1可計(jì)算出Z2=36；取整得Z3=20，則Z4=40。由于傳遞的功率不大，取齒輪的模數(shù)m=2。采用雙層齒輪法消除齒輪間隙。齒輪有關(guān)參數(shù)參照表4-1。 表4-1傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù) 齒 數(shù) Z 20 36 20 40 分度圓 40 72 40 80 齒頂圓 44 76 44 84 齒根圓 35 67 35 75 齒 寬 (6~10)m 20 20 20 20 中心距 56 60 3、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)選擇 （1） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 根據(jù)被檢測(cè)工件最大尺寸（材料為鋼）為φ50mm350mm，確定三角自定心卡盤的最大

20、外徑為100mm，其厚度為40mm，過渡件的外徑也為100mm，厚度為10mm，其材質(zhì)均為鋼。 對(duì)于鋼質(zhì)圓柱體，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 其中，D——圓柱體直徑（cm）； L——圓柱體長度（cm）。 負(fù)載各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下: 其中，J1、J2、J3——齒輪Z1、Z2、Z3及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； J4——齒輪Z4的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； J工——工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； J夾——夾具的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）。 負(fù)載折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS（kgcm2）為 (2)估算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 在此次回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元傳動(dòng)系統(tǒng)中，負(fù)載的加

21、速度轉(zhuǎn)矩占起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的比例較大，因此根據(jù)負(fù)載的加速度轉(zhuǎn)矩乘以一定的安全系數(shù)來估算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，然后初步選定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)。 設(shè)電機(jī)起動(dòng)加速到最大轉(zhuǎn)速的起動(dòng)加速時(shí)間ta=0.03s，則最大負(fù)載加速度轉(zhuǎn)矩Tlmax（Ncm） 式中， J——負(fù)載折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； ε——電機(jī)最大角加速度（rad/s2)； nmax——電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（r/min）； nlmax——工件最大轉(zhuǎn)速（r/min）； i——傳動(dòng)比。 進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq（Ncm）由式子 進(jìn)行估算。其中k為安全系數(shù)，由于在計(jì)算起動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)沒有加入電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，因此根據(jù)慣量

22、匹配，選取k=1.3~1.5，這是比較合理的。 代入數(shù)據(jù)得 （3）計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax 最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所能承受的最大靜態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，與啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系見表4-2。最大靜轉(zhuǎn)矩與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式有關(guān)，可根據(jù)它在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)手冊(cè)中初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 表4-2步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 相數(shù) 三相 四相 五相 六項(xiàng) 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 取步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式為五相10拍，則最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax

23、 （4）計(jì)算最高起動(dòng)頻率fk 式中， nlmax——工件最大轉(zhuǎn)速（r/min）； qp——旋轉(zhuǎn)精度（/步）。 （5）初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào) 根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)手冊(cè)中查出90BF006的最大靜轉(zhuǎn)矩為215.6Ncm大于五相10拍時(shí)的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=170.962Ncm，因此決定選用90BF006步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。但從表中看出，90BF006步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高空載起動(dòng)頻率為2400Hz,，不能滿足fk（7800Hz）的要求，此項(xiàng)指標(biāo)可暫不考慮，可以采用軟件升降速程序來解決。 （6） 校核轉(zhuǎn)矩 90BF006的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM=1.8Ncm

24、，因此傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS（kgcm2）為 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq（Ncm） 最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax 它小于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)90BF006的最大靜轉(zhuǎn)矩為215.6Ncm，且有較大的的余量，因此該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是合適的。 4.1.2旋轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動(dòng)單元傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 1、 移動(dòng)部件尺寸及重量估算 根據(jù)采用的光幕傳感器LS-7070的外形尺寸，確定承載光幕傳感器的連接臺(tái)的尺寸（長寬高）為30010887，材質(zhì)為鋼，計(jì)算其重量為 光幕傳感器LS-7070的重量約為20N，因此移動(dòng)部件的總重量G=(220+20)N=240N。 2、 滾動(dòng)導(dǎo)軌的確定 （1）滾動(dòng)

25、導(dǎo)軌形式 滾動(dòng)導(dǎo)軌形式選擇雙V型滾珠鋼制淬火導(dǎo)軌。 （2）導(dǎo)軌長度 根據(jù)350mm的行程范圍及連接臺(tái)的尺寸，確定： 動(dòng)導(dǎo)軌長度 lB=100mm 動(dòng)導(dǎo)軌行程 l=350mm 支承導(dǎo)軌長度 L=lB＋l=450mm 保持架長度 lG=lB＋l/2=275mm （3） 滾動(dòng)體尺寸與參數(shù)的確定 滾珠直徑取d=6mm，滾珠數(shù)目 式中，G為導(dǎo)軌所支承的重量；d為滾珠直徑（cm）。動(dòng)導(dǎo)軌的長度為lB=100mm，取Z=11，兩滾珠之間的距離t=9mm。 （4） 許用負(fù)荷驗(yàn)算 平均每個(gè)滾珠上的最大負(fù)載Pmax（N） 式中

26、，PH為導(dǎo)軌的預(yù)加負(fù)荷，按最大負(fù)荷的1/2計(jì)算。代入數(shù)據(jù)得 對(duì)于滾珠導(dǎo)軌，滾珠上的許用負(fù)載[P]（N），可用下式計(jì)算 式中，d——滾珠直徑（mm）； K——作用在滾動(dòng)體橫截面上的假定應(yīng)力（N/cm2），參加表4-3； ζ——考慮到導(dǎo)軌硬度的修正系數(shù)，參加表4-4。 表4-3 滾動(dòng)體橫截面上的假定應(yīng)力K 導(dǎo)軌形式 K（N/cm2） 氮化導(dǎo)軌 鋼制高頻淬火導(dǎo)軌 鋼制淬火導(dǎo)軌60~62HRC 鑄鐵導(dǎo)軌 200HBC 滾珠導(dǎo)軌 40 50 60 2 短滾柱導(dǎo)軌b/d=1 1500 1800 2000 200 長滾柱導(dǎo)軌b/d≥3 1000

27、 1300 1500 150 表4-4 導(dǎo)軌硬度的修正系數(shù) 鑄鐵導(dǎo)軌 HBS 160 180 200 220 ζ 0.6 0.8 1 1.7 鋼制淬火導(dǎo)軌 HRC 50 55 57 60 ζ 0.52 0.70 0.80 1 由于選用的是滾珠鋼制淬火導(dǎo)軌，因此選擇K=60（N/cm2），ζ=1，代入公式得 因?yàn)镻max=15.427＜[P]，故導(dǎo)軌可用。 3、 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）計(jì)算絲杠軸向力Fm 回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置是點(diǎn)位控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，要求能快速移動(dòng)，因此作用在滾珠絲杠的軸向的力應(yīng)該以移動(dòng)部件的慣

28、性力為主，同時(shí)包括移動(dòng)部件的重量作用在滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦力。設(shè)系統(tǒng)要求移動(dòng)部件能在10ms內(nèi)從正向最大移動(dòng)速度加速到反向最大移動(dòng)速度，其產(chǎn)生的慣性力F慣 式中，m——移動(dòng)部件的質(zhì)量（kg）； vlmax——移動(dòng)部件最大移動(dòng)速度（m/s）； G——移動(dòng)部件的重量（N）； g——重力加速度; ta——加速時(shí)間（s）。 移動(dòng)部件的重量作用在滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦力F摩 f為滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，f=0.0025~0.005，此處取0.005。 絲杠軸向力Fm （2）最大動(dòng)負(fù)載C 選用滾珠絲杠螺母副的直徑d0時(shí)，必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后，

29、在它的滾到上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載C，可用下面的公式計(jì)算： 式中，L——壽命，以106轉(zhuǎn)為一單位； n——絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）； vs ——為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min），此處就取最高移動(dòng)速度的1/2； Lo——絲杠導(dǎo)程（mm），根據(jù)表4-5，初選為5mm； T——使用壽命（h），對(duì)數(shù)控機(jī)床取15000h； fw——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，無沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)情況取1.0~1.2，取1.2。 具體計(jì)算如下： 表4-5 滾珠絲杠螺母副的公稱直徑d0和基本導(dǎo)程L0 公稱直徑d0 導(dǎo) 程 L0 1 2

30、 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 180 200 === = = ○ ○ = = = = = = = = = ○ ○ ○ ○ = = = = = = = = = = = ○ ○

31、 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 注：應(yīng)優(yōu)先采用有=的組合，優(yōu)先組合不夠用時(shí)，推薦選用○的組合；只有優(yōu)先組合和推薦組合都不夠用時(shí)，才選用黑框內(nèi)的普通組合。 （3）選擇滾珠絲杠螺母副 根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載，查滾珠絲杠螺母副標(biāo)準(zhǔn)，可知W1D2005 2.5圈l列外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾母絲杠副，額定動(dòng)荷為8800N，可滿足要求，選定精度為3級(jí)。表4-6為W1D2005 2.5圈l列外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾母的幾何參數(shù)。 （4）絲杠副傳動(dòng)效率計(jì)算 滾

32、珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 式中，γ——絲杠螺旋升角； j——摩擦角，滾珠絲杠螺母副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角約等于10。 W12004滾珠絲杠螺母副的螺旋升角為339，代入傳動(dòng)效率公式得 表4-6 W1D2005滾珠絲杠幾何參數(shù) 參數(shù)名稱 符號(hào) 關(guān)系式 W1D2005 螺紋滾道 公稱直徑 d0 20 導(dǎo)程 L0 5 接觸角 β 339′ 鋼球直徑 dq 3.175 滾到法面半徑 R R=0.52dq 1.651 偏心距 e 0.045 螺紋升角 γ 339′

33、 螺桿 外徑 d 19.4 內(nèi)徑 d1 16.788 接觸直徑 dz 16.835 螺母 螺紋直徑 D 23.212 內(nèi)徑 D1 20.653 （5）剛度驗(yàn)算和穩(wěn)定性核算 由于杠軸向力Fm小，且絲桿的長度較短，因此只要對(duì)絲杠螺母及支承絲杠的軸承進(jìn)行預(yù)緊，剛度和穩(wěn)定性是滿足系統(tǒng)要求的。 4、 滾動(dòng)軸承的選擇 （1）深溝球軸承的選擇和驗(yàn)算 根據(jù)絲杠的公稱直徑d0=20mm可知，絲杠軸頸必定要小于20mm，因此初步選定61802型深溝球軸承，其公稱內(nèi)徑d=15mm，公稱外徑D=24mm，內(nèi)、外圈公稱寬度B=5mm，其他尺寸查看表

34、4-7。 圖4-1深溝球軸承的結(jié)構(gòu)圖 表4-7 常用深溝球軸承的基本尺寸與數(shù)據(jù)（部分） 基本尺寸/mm 安裝尺寸/mm 其他尺寸/mm 基本額定載荷/kN 極限轉(zhuǎn)速/rmin-1 重量/kg 軸承代號(hào) d D B da min Da max ra max d2 ≈ D2 ≈ r min 徑向基本額定動(dòng)載荷 Cr 徑向基本額定靜載荷 Cor 脂 油 W ≈ 6000型 15 24 5 17 22 0.3 17.6 21.4 0.3 2.10

35、 1.30 22000 30000 0.005 61802 28 7 17.4 26 0.3 18.3 24.7 0.3 4.30 2.30 20000 26000 0.012 61902 32 8 17.4 29.6 0.3 20.2 26.8 0.3 5.60 2.80 19000 24000 0.023 16002 32 9 17.4 29.6 0.3 20.4 26.6 0.3 5.58 285 19000 24000 0.031 6002 35 11 20.0 32 0.6 21

36、.6 29.4 0.6 7.65 3.72 18000 22000 0.045 6202 42 13 21.0 37 1 24.3 34.7 1 11.5 5.42 16000 20000 0.080 6302 17 26 5 19 24 0.3 19.6 23.4 0.3 2.20 1.5 20000 28000 0.007 61803 30 7 19.4 28 0.3 20.3 26.7 0.3 4.60 2.6 19000 24000 0.014 61903 35 8

37、19.4 32.6 0.3 22.7 29.3 0.3 6.00 3.3 18000 22000 0.028 16003 35 10 19.4 32.6 0.3 22.9 29.1 0.3 6.00 3.25 17000 21000 0.040 6003 40 12 22.0 36 0.6 24.6 33.4 0.6 9.58 4.78 16000 20000 0.064 6203 47 14 23.0 41.0 1 26.8 38.2 1 13.5 6.58 15000 18000 0.1

38、09 6303 62 17 24.0 55.0 1 31.9 47.1 1.1 22.7 10.8 11000 15000 0.268 6403 軸承的尺寸可根據(jù)額定動(dòng)載荷來選擇。如果軸承的預(yù)期壽命Lh和轉(zhuǎn)速n已知，可按下列公式求取軸承所需基本額定動(dòng)載荷C 式中，Lh——預(yù)期壽命，對(duì)于機(jī)床，取值為20000~30000h； P——當(dāng)量動(dòng)載荷（N）； ft——溫度系數(shù)，見表4-8； e——壽命指數(shù)，球軸承e=3； Fr——徑向載荷（N）； Fa——軸向載荷（N）； X——徑向動(dòng)載荷系數(shù)； Y——軸向動(dòng)載荷

39、系數(shù)。 深溝球軸承當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算系數(shù)X，Y的取值見表4-9。 根據(jù)基本額定動(dòng)載荷C可以很方便從表3-3選定基本額定動(dòng)載荷C≥C的軸承型號(hào)。 表4-8 溫度系數(shù)ft 工作溫度/℃ ＜120 125 150 175 200 225 250 300 ft 1 0.95 0.9 0.85 0.80 0.75 0.70 0.60 表4-9深溝球軸承載荷系數(shù)X、Y 相對(duì)軸向載荷 單列 雙列 e X Y X Y X Y X Y 0.014 0.028 0.056 0.084 0.11 0.1

40、7 0.28 0.42 0.56 0.172 0.345 0.698 1.03 1.38 2.07 3.45 5.17 6.89 1 0 0.56 2.30 1.99 1.71 1.55 1.45 1.31 1.15 1.04 1.00 1 0 0.56 2.30 1.99 1.71 1.55 1.45 1.31 1.15 1.04 1.00 0.19 0.22 0.26 0.28 0.30 0.34 0.38

41、0.42 0.44 下面開始具體計(jì)算： 1） 軸向載荷Fa 軸向載荷等于絲杠的進(jìn)給牽引力，為180.79N； 2） 徑向載荷Fr 移動(dòng)部件的總重量240N，絲杠由2個(gè)深溝球軸承支承著。為簡便計(jì)算，并從安全的角度考慮，取每個(gè)深溝球軸承的徑向載荷為120N。 3） 載荷系數(shù)X、Y 61802的徑向基本額定靜載荷C0r=1300N， 查表4-9，得e=0.32。因?yàn)檫x擇的是單列深溝球軸承，計(jì)算 因此選擇X=0.56，Y=1.38，當(dāng)量動(dòng)載荷 4） 溫度系數(shù)ft選擇為1 5） 轉(zhuǎn)速n在前面求絲杠的最大動(dòng)負(fù)載時(shí)已經(jīng)求的，為n=220r/min 6) 基本額定動(dòng)載

42、荷 故61802型軸承滿足要求。 2、 推力球軸承的選擇和驗(yàn)算 初步選定了51102推力球軸承，下面驗(yàn)算它是否滿足要求。 對(duì)于51000型推力球軸承，當(dāng)量動(dòng)載荷P就等于絲杠的進(jìn)給牽引力。其基本額定動(dòng)載荷 其中，Ca為軸向基本額定動(dòng)載荷，通過查表4-10得到。因此，該推力球軸承滿足要求。 圖4-2 51000型推力球軸承 表4-10 單向球軸承的基本尺寸與數(shù)據(jù)（部分） 基本尺寸/mm 安裝尺寸/mm 其他尺寸/mm 基本額定載荷/kN 極限轉(zhuǎn)速/rmin-1 重量/kg 軸承代號(hào) d D T da min Da max

43、ra max d1 ≈ D1 ≈ r min 軸向基本額定動(dòng)載荷 Ca 軸向基本額定靜載荷 Coa 脂 油 W ≈ 51000型 10 24 9 18 16 0.3 11 24 0.3 10.0 14.0 6300 9000 0.019 51100 26 11 20 16 0.6 12 26 0.6 12.5 17.0 6000 8000 0.028 51200 12 26 9 20 18 0.3 13 26 0.3 10.2 15.2 6000

44、8500 0.021 51101 28 11 22 18 0.6 14 28 0.6 13.2 19.0 5300 7500 0.031 51201 15 28 9 23 20 0.3 16 28 0.3 10.5 16.8 5600 8000 0.022 51102 32 12 25 22 0.6 17 32 0.6 16.5 24.8 4800 6700 0.041 51202 17 30 9 25 22 0.3 18 30 0.3 10.8 18.2 5300 7500

45、0.024 51103 35 12 28 24 06 19 35 06 17.0 27.2 4500 6300 0.048 51203 20 35 10 29 26 0.3 21 35 0.3 14.2 24.5 4800 6700 0.036 51104 40 14 32 28 0.6 22 40 0.6 22.2 37.5 3800 5300 0.075 51204 47 18 36 31 1 22 47 1 35.0 55.8 3600 4500 0.15 51304 2

46、5 42 11 35 32 0.6 26 42 0.6 15.2 30.2 4300 6000 0.055 51105 47 15 38 34 0.6 27 47 0.6 27.8 50.5 3400 4800 0.11 51205 52 18 41 36 1 27 52 1 35.5 61.5 3000 4300 0.17 51304 60 24 46 39 1 27 60 1 55.5 89.2 2200 3400 0.31 51405 51102單向推力球軸承的公稱外徑D=2

47、8mm，大于所選擇的61802深溝球軸承的公稱外徑D=24mm，因此有必要把深溝球軸承的外徑選擇大一點(diǎn)，因此重新選擇深16002溝球軸承型號(hào)，它是滿足設(shè)計(jì)要求的，無需再次驗(yàn)算。 5、 傳動(dòng)比計(jì)算 已確定脈沖當(dāng)量δp=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程L0=5mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角為0.75，計(jì)算傳動(dòng)比i 采用一級(jí)降速，由 得 齒輪的模數(shù)取m=2。由于只有一級(jí)齒輪，因此選用調(diào)整中心距的方法來消除齒輪間隙。齒輪有關(guān)參數(shù)參照表4-11。 表4-11傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù) 齒 數(shù) Z 24 25 48 50 分度圓 48 50 96 100 齒頂圓

48、 52 54 100 104 齒根圓 43 45 91 95 齒 寬 (3~5)m 10 10 10 10 中心距 49 98 6、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)慣性體時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程為： 式中，JM——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量（kgcm2）； JL——負(fù)載折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； ω——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)角速度（rad/s)； TL——等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Ncm）； Ta——加速轉(zhuǎn)矩（Ncm）； T——步進(jìn)電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩（Ncm）。 加速轉(zhuǎn)矩Ta在變速區(qū)內(nèi)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)根據(jù)加減速而定。如圖4-3所示。

49、 圖4-3 直線加速、減速圖形 直線加速時(shí)加速轉(zhuǎn)矩Ta 式中， f1——自啟動(dòng)區(qū)的脈沖速度（pps)； f2——變速區(qū)的脈沖速度（pps)； t1——加速時(shí)間（s）； qb——步距角（/步）。 根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)慣性體時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程來計(jì)算所需轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要知道等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL、加速轉(zhuǎn)矩Ta、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM及加速時(shí)間t1。由于尚未選取具體型號(hào)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM是未知的，因此計(jì)算時(shí)加速轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM不加進(jìn)去，算出來后的再乘以一個(gè)1.3的安全系數(shù)就是所需的加速轉(zhuǎn)矩。下面進(jìn)行具體的計(jì)算。 （1）等效負(fù)載慣量JL 負(fù)載折算到

50、電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL（kgcm2） 式中，J1——齒輪Z1其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； J4——齒輪Z4的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； Js——絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； L0——絲杠導(dǎo)程（cm）； G——移動(dòng)部件重量（N）。 對(duì)于鋼質(zhì)圓柱體，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 其中，D——圓柱體直徑（cm）； L——圓柱體長度（cm）。 齒輪的直徑級(jí)寬度前面已經(jīng)算出，絲杠的長度根據(jù)行程范圍及移動(dòng)部件的尺寸確定為500mm，齒輪與絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下： G=240N 代入公式得 (2) 估算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq（Ncm） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)

51、矩Tq（Ncm） 式中，TL——等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Ncm）； Tamax——最大加速轉(zhuǎn)矩（Ncm）。 最大加速轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)負(fù)載的最大加速轉(zhuǎn)矩乘以一定的安全系數(shù)來估算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，然后初步選定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)。 設(shè)電機(jī)起動(dòng)加速到最大轉(zhuǎn)速的起動(dòng)加速時(shí)間ta=0.03s，則最大負(fù)載加速度轉(zhuǎn)矩TLamax（Ncm） 式中，JL——負(fù)載折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； ε——電機(jī)最大角加速度（rad/s2)； nmax——電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（r/min）； vmax——最大移動(dòng)速度轉(zhuǎn)速（mm/min），2200mm/min； ta——加速時(shí)間（s

52、），0.03s； qb——步距角（/步），0.75/步； δp——脈沖當(dāng)量（mm/步），0.01mm/步。 起動(dòng)加速轉(zhuǎn)矩Tamax（Ncm）等于負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩TLamax（Ncm）乘以一個(gè)1.3的安全系數(shù)估算得到 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL（Ncm）可以由下式計(jì)算： 式中，Tf——等效摩擦轉(zhuǎn)矩（Ncm）； To——附加摩擦轉(zhuǎn)矩（Ncm）； Fo——導(dǎo)軌的摩擦力（N）； G——橫向移動(dòng)部件的重量，單位為N； f——導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)； Lo——滾珠絲杠導(dǎo)程（cm）； i——齒輪傳動(dòng)比； Fpo——滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷（

53、N），一般軸向力的1/3； ηo——滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取≥0.9 η——傳動(dòng)鏈總效率，一般可取0.7~0.85。 由于軸向力和摩擦力都比較小，因此在估計(jì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩可以忽略，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩近似等于最大加速轉(zhuǎn)矩，即 （3）計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax 最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所能承受的最大靜態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，與起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系見表4-12。最大靜轉(zhuǎn)矩與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式有關(guān)，可根據(jù)它在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)手冊(cè)中初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 表4-12步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 相數(shù) 三相 四相 五相 六項(xiàng) 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10

54、 6 12 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 若取三相6拍，則 若取五相10拍，則 （4）最高起動(dòng)頻率fk（Hz） 式中， vmax——最大移動(dòng)速度（m/min），為2.2m/min； δp——脈沖當(dāng)量（mm/步），為0.01mm/步。 （5）初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào) 根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)手冊(cè)中查出90BF004的最大靜轉(zhuǎn)矩為245Ncm大于五相10拍時(shí)的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=53.48Ncm，而且有較大的余量，因此決定選用90BF004步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。從表中看出，

55、90BF004步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高空載起動(dòng)頻率為4000Hz,，能滿足fk（3666.7Hz）的要求。 （6） 校核轉(zhuǎn)矩 90BF004的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM=1.8Ncm，因此傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS（kgcm2）為 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq（Ncm） 最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax（Ncm） 90BF004的最大靜轉(zhuǎn)矩為245Ncm大于五相10拍時(shí)的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=71.42Ncm，而且有較大的余量，因此90BF004滿足轉(zhuǎn)矩要求。 因?yàn)? 因此滿足負(fù)載匹配要求。 最后，選擇90BF004步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為旋轉(zhuǎn)—運(yùn)動(dòng)單元傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 4.2機(jī)械部

56、分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 經(jīng)過計(jì)算，此次回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置回轉(zhuǎn)單元采用90BF006型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過兩對(duì)齒輪減速，齒輪齒數(shù)Z1=20，Z2=36，Z3=20，Z4=40，模數(shù)m=2；直線單元采用90BF004型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，經(jīng)一對(duì)齒輪減速，齒輪齒數(shù)Z1=24，Z2=25，模數(shù)m=2，滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，滾絲杠螺母副選用的是W1D2005 2.5圈l列外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠螺母副。 附圖A為回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置裝配圖，設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮以下問題： 1、 為減小摩擦力，直線單元采用雙V型滾動(dòng)導(dǎo)軌，用方頭長圓柱緊定螺釘66對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行預(yù)緊，調(diào)好以后，再用內(nèi)六角圓柱頭螺釘69鎖緊。一共采用了

57、14個(gè)方頭長圓柱緊定螺釘和16各內(nèi)六角圓柱頭螺釘對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行預(yù)緊和鎖緊。 2、 滾珠絲杠兩端通過軸承和軸承座進(jìn)行支承，為保證滾珠絲杠與滾動(dòng)導(dǎo)軌在垂直面的平行度，需要利用軸承座螺釘過孔來調(diào)整。調(diào)整方法是，先調(diào)松軸承座緊固螺釘45，然后左右微微移動(dòng)兩個(gè)軸承座，指導(dǎo)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)靈活后，調(diào)緊緊固螺釘45，并打入圓錐銷48定位。滾珠絲杠與滾動(dòng)導(dǎo)軌在水平面的平行度靠刮研軸承座底面，或通過在軸承座和底座之間加裝墊片，靠修磨墊片的厚度來保證水平方向的平行度。 3、滾珠絲杠左右各采用一個(gè)深溝球軸承和推力球軸承，以支承絲杠和進(jìn)行軸向固定。當(dāng)絲杠受到向左的軸向力時(shí)，，通過絲杠右端的圓螺母傳給推力球軸承動(dòng)圈、鋼球，經(jīng)不

58、動(dòng)圈傳給軸承座端蓋再傳到底座。當(dāng)絲杠受到向右的軸向力時(shí)，通過絲杠左端的圓螺母傳給推力球軸承動(dòng)圈、鋼球，經(jīng)不動(dòng)圈傳給軸承座端蓋再傳到底座。回轉(zhuǎn)單元的主軸采用兩個(gè)深溝球軸承和一個(gè)推力球軸承來進(jìn)行支承和軸向固定。由于主軸只有在一個(gè)方向有軸向力的作用，因此只采用了一個(gè)推力球軸承，其軸向固定的過程是這樣的，當(dāng)主軸受到頂尖通過工件作用的向左的軸向力時(shí)，主軸的軸頸就作用推力球軸承的動(dòng)圈，經(jīng)過鋼球傳到不動(dòng)圈、擋圈、深溝球軸承外圈、軸承端蓋，最后到主軸箱。向右的軸向力非常小，深溝球也具有承受一定的軸向載荷的能力，因此不再采用推力球軸承。必須注意絲杠所受的軸向力必須傳到底座上，另外要注意推力球軸承不動(dòng)圈和軸頸之間

59、必須畫出空隙。 4、本設(shè)計(jì)中回轉(zhuǎn)單元齒輪的消除間隙采用了兩個(gè)薄片齒輪，中間開有三個(gè)月牙形的槽放入壓簧，并用三個(gè)內(nèi)六角圓柱頭螺釘8固定。這種消隙齒輪的裝配順序是：首先將雙片齒輪相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距，使雙片齒輪的齒對(duì)齊，彈簧受壓，上緊螺釘，裝入箱體后，將螺釘松開，彈簧將雙片齒輪沿周向錯(cuò)開，以消除齒輪間隙，然后將螺釘上緊。因而在設(shè)計(jì)時(shí)，要留有可伸入六角扳手的孔。彈簧兩端用削編的銷子壓住。直線單元齒輪的間隙采用調(diào)整中心距法來消除。因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)90BF004是以Ф70H8/h7止口在齒輪箱56上定位，刮研齒輪箱56的底座，可使電機(jī)及小齒輪31的中心下降，這樣就減少大小齒輪的中心距，消除齒輪的間隙。當(dāng)然，

60、也可以在齒輪箱56和底座之間加墊片，用修磨墊片的厚度來改變兩齒輪的中心距，從而消除齒輪間隙。 第五章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 5.1單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容 當(dāng)前，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中廣泛采用美國Intel 公司的MCS-51系列單片計(jì)算機(jī)，因此本章著重介紹用MCS-51系列單片微機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，方法及步驟。 單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括以下幾部分內(nèi)容： 1、繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。 數(shù)控系統(tǒng)是由

61、硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。 車床硬件電路由以下五部分組成。 （1）主控制器，即中央處理單元CPU （2）總線，包括數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線。 （3）存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 （4）接口，即I/O輸入/輸出接口電路。 （5）外圍設(shè)備，如鍵盤，顯示器及光電輸入機(jī)等。見圖3.1 圖4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)） 2、選擇中央處理單元CPU的類型 在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選型應(yīng)考慮以下因素： （1）時(shí)鐘頻率和字長，這個(gè)指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度。 （2）可擴(kuò)

62、展存儲(chǔ)器（包括ROM和RAM）的容量。 （3）指令系統(tǒng)功能，影響編程的靈活性。 （4）I/O擴(kuò)展的能力，即對(duì)外設(shè)控制的能力。 （5）開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。 此外還要考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合、控制對(duì)象對(duì)各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價(jià)格比等經(jīng)濟(jì)性的要求。 目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，推薦使用MCS-51系列單片微機(jī)作為主控制器。 3、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)應(yīng)該包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。 在選擇程序存儲(chǔ)器芯片時(shí)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲(chǔ)器的容量等問題。 在存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)中還應(yīng)該包括地址鎖存器和譯碼電

63、路的設(shè)計(jì)。 4、I/O即輸入/輸出接口電路設(shè)計(jì) 應(yīng)包括接口芯片的選擇，步進(jìn)電機(jī)控制電路，鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計(jì)（例如復(fù)位電路，越界報(bào)警電路，掉電保護(hù)電路等）。 此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設(shè)，這些部分的電路設(shè)計(jì)也應(yīng)包括。 5.2 MCS-51系列單片機(jī)簡介 MCS-51系列單片微機(jī)是美國Intel公司在MCS-48系列單片微機(jī)基礎(chǔ)上推出的產(chǎn)品，于1980年問世，它的集成度很高，是集片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)輸入/輸出部件和CPU于一體的優(yōu)良的單片機(jī)系統(tǒng)，在我國已廣泛地應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。 MCS-51系列單片機(jī)主要有三種型號(hào)的產(chǎn)品：8031、8051和8751。三種型

64、號(hào)的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8751具有片內(nèi)EPROM,但價(jià)格是8051的10～15倍，所以適合于開發(fā)樣機(jī)，小批量生產(chǎn)和需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步完善的場(chǎng)合。8051的EPROM程序是Intel公司制作芯片時(shí)為用戶置備的，因此在國內(nèi)很難采用8051型芯片。而8031片內(nèi)無ROM，適用于需擴(kuò)展ROM，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場(chǎng)合，其價(jià)格低，使用靈活，非常適合在我國使用。因此選用8031芯片。 1、8031單片機(jī)的基本特征 8031單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： （1）具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（CPU）。 （2）片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生器（6或12MHz）、每執(zhí)行一條指令時(shí)間為2或1。

65、 （3）片內(nèi)具有128字節(jié)RAM。 （4）具有21個(gè)特殊寄存器。 （5）可擴(kuò)展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器。 （6）具有4個(gè)I/O口，32根I/O線。 （7）具有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 （8）具有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。 （9）具有一個(gè)全雙工串行接口。 （10）具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。 圖4.2 8031芯片引腳及功能圖 從上述特性可以看出，一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU、一塊RAM，一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機(jī)系統(tǒng)。可以看出這種芯片集成度高，功能強(qiáng)，只需增加少量外圍器件就可

66、以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)系統(tǒng)。 2、8031芯片引腳及其功能 8031芯片具有40根引腳，其引腳圖如圖4.2所示 40根引腳按其功能可分為四類： （1） 電源線2根 Vcc：編程和正常操作時(shí)的電源電壓，接+5V。 Vss：地電平。 （2） 晶振：2根 XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入。使用外部震蕩器是必須接地。 XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào)。 （3） I/O口共有p0、p1、p2、p3四個(gè)8位口，32根I/O線，其功能如下： 1）P0.0～P0.7 （AD0～AD7） 是I/O端口O的引腳，端口O是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端口分時(shí)地用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口。（在此時(shí)內(nèi)部上拉電阻有效） 2）P1.0～P1.7 端口1的引腳，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。 3）P2.