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大 學(xué)
課 程 設(shè) 計(jì)（論 文）
題 目：Z3040搖臂鉆床主軸Z向進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)
院 （系）：
專(zhuān) 業(yè)：
班 級(jí)：
學(xué)生姓名：
導(dǎo)師姓名： 職稱(chēng)：
起止時(shí)間：
Z3040搖臂鉆床主軸Z向進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)
中文摘要
隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)的日趨成熟。加工技術(shù)在世界的工業(yè)范圍內(nèi)都有了顯著的提高。我國(guó)由于存在大量的金屬切削機(jī)床，把它們?nèi)刻蕴环衔覈?guó)國(guó)情，所以對(duì)金屬切削機(jī)床進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)控化改造，提高生產(chǎn)效率是最明智的選擇。本次設(shè)計(jì)是對(duì)臺(tái)式鉆床的工作臺(tái)進(jìn)行數(shù)控化改造。首先，了解臺(tái)式鉆床的結(jié)構(gòu)，確定改造方案。其次，選擇滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)和消隙齒輪等零件，來(lái)達(dá)到提高傳動(dòng)精度，減小加工誤差的目的。第三，采用芯片控制代替原有的電氣控制形式，達(dá)到提高控制精度、減小響應(yīng)時(shí)間和減小占地空間等目的，并且可視化的數(shù)控代碼編程和模擬加工過(guò)程，可以提前發(fā)現(xiàn)程序的紕漏。最后，利用PLC可編程控制器對(duì)液壓回路等進(jìn)行控制，方便工程技術(shù)人員編寫(xiě)和使用。本次設(shè)計(jì)的結(jié)果可以順利達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，完成X、Y兩方向單獨(dú)運(yùn)行和同時(shí)運(yùn)行，提高了加工效率。普通機(jī)床數(shù)控化改造的技術(shù)可以廣泛的應(yīng)用在機(jī)械加工行業(yè)中。工程技術(shù)人員也應(yīng)掌握并創(chuàng)新該項(xiàng)技術(shù)為振興我國(guó)機(jī)械制造業(yè)而努力。
關(guān)鍵詞：創(chuàng)新;改造;數(shù)控技術(shù)
Abstract
Along with the development of science and technology, the computer numeral control to technically is gradually maturing. The processing technology shows a remarkable progress in the industrial in the world. because of existence a great deal of metal machines in our country , eliminating all of them to not match our country, to carry on an appropriate number control to turn a reformation , and raise working is the most wise choice. This design is numeral control transformation for in table model drills .Firstly, understand the structure that the set table model drills, and make sure a reformation project. Secondly, the choice in Ball bearing guide screw and step-by-step electrical engineering and gear of control gap to attain an accuracy rising, and the purpose of reducing process error. The third, it adopts a chip control to replace original electricity control form, raising control accuracy and reduce the reaction to time and reduce covering space etc. And visual number control procedure code and emulation to process which can discover the error of procedure in advance. In the end, making use of the PLC programmable controller to hydro form etc. and it makes convenient for the engineering technical personnel to write with usage. The result of this design can smoothly attain a request of design and complete X, Y two directions circulate alone and circulate in the meantime and raise working efficiency. The common tool machine number controls technique can extensively be the applied in the manufacturing industry.
Engineering technical personnel should also master and enterprise techniques and make great effort for developing for our country in manufacturing industry.
Key word: Innovation; Transformation; NC Technology
目 錄
第一章 緒論 1
1.1 先進(jìn)制造技術(shù)的提出與發(fā)展 1
1.2 我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)缺點(diǎn) 1
1.4 本論文研究的內(nèi)容及目的 2
第二章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 3
2.1 確定尺寸及估計(jì)重量 3
2.2 縱向（Z向）設(shè)計(jì)計(jì)算 18
2.2.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 18
2.2.2 傳動(dòng)齒輪的相關(guān)計(jì)算 21
2.2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算及其步進(jìn)電機(jī)的選擇 22
2.2.4 齒輪的驗(yàn)算 25
第三章 軸的設(shè)計(jì)與校核 34
3.1 軸的材料選擇 34
3.2 初選滾動(dòng)軸承 34
3.3 初步確定傳動(dòng)軸的軸向、徑向尺寸 34
3.4 按彎扭合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度 34
第四章 零件校核計(jì)算 39
4.1 滾動(dòng)軸承的支反力計(jì)算 39
4.2 滾動(dòng)軸承的壽命校核 39
4.3 鍵的強(qiáng)度校核 39
第五章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 41
5.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介 41
5.2 單片機(jī)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 43
結(jié)論 47
致謝語(yǔ) 48
參考文獻(xiàn) 49
Z3040搖臂鉆床主軸Z向進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)
摘要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)的日趨成熟，加工技術(shù)在世界的工業(yè)范圍內(nèi)都有了顯著的提高。我國(guó)由于存在大量的金屬切削機(jī)床，把它們?nèi)刻蕴环衔覈?guó)國(guó)情，所以對(duì)金屬切削機(jī)床進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)控化改造是最明智的選擇。本次設(shè)計(jì)是對(duì)臺(tái)式鉆床的工作臺(tái)進(jìn)行數(shù)控化改造。首先，了解臺(tái)式鉆床的結(jié)構(gòu)，確定改造方案。其次，選擇滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)和消隙齒輪等零件，達(dá)到提高傳動(dòng)精度，減小加工誤差的目的。第三，采用芯片控制代替原有的電氣控制形式，從而達(dá)到提高控制精度、減少響應(yīng)時(shí)間和減小占地空間等目的，并且可視化的數(shù)控代碼編程和模擬加工過(guò)程可以提前發(fā)現(xiàn)程序的紕漏。最后，利用單片機(jī)對(duì)液壓回路等進(jìn)行控制，方便工程技術(shù)人員編寫(xiě)和使用。本次設(shè)計(jì)的結(jié)果可以順利達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，提高加工效率。普通機(jī)床數(shù)控化改造的技術(shù)可以廣泛的應(yīng)用在機(jī)械加工行業(yè)中，工程技術(shù)人員也應(yīng)掌握并創(chuàng)新該項(xiàng)技術(shù)為振興我國(guó)機(jī)械制造業(yè)而努力。
關(guān)鍵字：經(jīng)濟(jì)性數(shù)控鉆床 滾珠絲杠 滾動(dòng)軸承
第一章 緒論
1.1 先進(jìn)制造技術(shù)的提出與發(fā)展
1949年，在美國(guó)麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)研究室的協(xié)助下開(kāi)始數(shù)控機(jī)床研究，并于1952年試制成
功第一臺(tái)由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，不久即開(kāi)始正式生產(chǎn)。從1952年至今，
數(shù)控機(jī)床按數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了五代：
第一代 1955年，數(shù)控系統(tǒng)以電子管組成，體積大，功耗大；
第二代 1959年，數(shù)控系統(tǒng)以晶體管組成，廣泛采用印刷電路板；
第三代 1965年，數(shù)控系統(tǒng)采用小規(guī)模集成電路，其特點(diǎn)是體積小，功耗低，可靠性有了提高；
第四代 1970年，數(shù)控系統(tǒng)采用小型計(jì)算機(jī)取代專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，其部分功能由軟件實(shí)現(xiàn)，首次出現(xiàn)在
1970年美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，具有價(jià)格低，可靠性高和功能多等特點(diǎn)；
第五代 1974年，數(shù)控系統(tǒng)以微處理器為核心，不僅價(jià)格進(jìn)一步降低，體積進(jìn)一步縮小，使實(shí)現(xiàn)真
正意義上機(jī)電一體化成為可能。現(xiàn)在市場(chǎng)上數(shù)控系統(tǒng)都是以微處理器為核心系統(tǒng)，但數(shù)控系統(tǒng)的性能隨著CPU的不斷升級(jí)而不斷提高，這一代又可細(xì)分為六個(gè)發(fā)展階段。
1974年 系統(tǒng)以位片微處理器為核心，有字符顯示、自診斷功能，
1979年 系統(tǒng)采用CRT顯示、VLIC、大容量磁泡存儲(chǔ)器、可編程接口和遙控接口等，
1981年 具有人機(jī)對(duì)話功能、動(dòng)態(tài)圖形顯示、實(shí)時(shí)精度補(bǔ)償，
1986年 數(shù)字伺服控制誕生，大慣量的交直流電機(jī)進(jìn)入實(shí)用階段，
1988年 采用高性能的32位機(jī)作為主機(jī)的主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，
1994年 基于PC的NC系統(tǒng)誕生，使NC系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)入了開(kāi)放型、柔性化的新時(shí)代，
新型NC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期日益縮短?？梢哉f(shuō)它是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)里程碑。
1.2 我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起步較早，從1958年開(kāi)始研制，已經(jīng)歷了40年的發(fā)展歷程。但到1978年底，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展幾經(jīng)周折，走了不少?gòu)澛罚?dāng)年數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量?jī)H223臺(tái)。1979年開(kāi)始的改革開(kāi)放，為我國(guó)的機(jī)械工業(yè)開(kāi)辟了新時(shí)期，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展也進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。我國(guó)近幾年數(shù)控機(jī)床發(fā)展迅速，一大批性能較好，價(jià)格適宜的產(chǎn)品受到了用戶的歡迎，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在階段性的差距。就總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成比較落后，以普通精度加工為主的車(chē)床、鉆床所占比重大，以高精度加工為主的磨床、自動(dòng)化和高效率的加工中心所占比重小。國(guó)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)型、低價(jià)位的數(shù)控機(jī)床比重大，其性能和加工效率與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，中檔以上的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力較低。裝備各行業(yè)所需的數(shù)控機(jī)床，主要依靠進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率不高。
1.3 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)缺點(diǎn)
數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批、多變的零件加工問(wèn)題，是一種靈活的、高效能的自動(dòng)化機(jī)床，尤其對(duì)于約占機(jī)械加工總量80%的單件、小批量零件的加工，更顯示出其特有的靈活性。概括起來(lái)，采用數(shù)控機(jī)床有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：
第一 提高加工精度，結(jié)構(gòu)上引入滾珠絲桿、采用軟件精度補(bǔ)償技術(shù)、加工全程由程序控制加 工，減少人為因素對(duì)加工精度的影響，尤其提高了同批零件加工的一致性，使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；
第二 提高生產(chǎn)效率，一般約提高效率3-5倍，使用數(shù)控加工中心機(jī)床則可提高生產(chǎn)率5-10倍，
節(jié)約時(shí)間與資金；
第三 可加工形狀復(fù)雜的零件，如螺旋漿；
第四 減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)條件；
第五 有利于生產(chǎn)管理和機(jī)械加工綜合自動(dòng)化的發(fā)展。
但是數(shù)控機(jī)床也存在著以下缺點(diǎn)：
第一 由于費(fèi)用高昂，加工大批量零件不利；
第二 操作人員要求素質(zhì)高，工資成本高；
第三 系統(tǒng)復(fù)雜，修理復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用高，需要好的工作環(huán)境。
1.4 本論文研究的內(nèi)容及目的
本次設(shè)計(jì)是對(duì)臺(tái)式鉆床的工作臺(tái)進(jìn)行數(shù)控化改造。首先，了解臺(tái)式鉆床的結(jié)構(gòu)，確定改造方案；其次，選擇滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)和消隙齒輪等零件，來(lái)達(dá)到提高傳動(dòng)精度，減小加工誤差的目的；第三，采用芯片控制代替原有的電氣控制形式，達(dá)到提高控制精度、減小響應(yīng)時(shí)間和減小占地空間等目的，并且可視化的數(shù)控代碼編程和模擬加工過(guò)程，可以提前發(fā)現(xiàn)程序的紕漏；最后，利用單片機(jī)對(duì)液壓回路等進(jìn)行控制，方便工程技術(shù)人員編寫(xiě)和使用。本次設(shè)計(jì)的結(jié)果可以順利達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，完成Z、Y兩方向單獨(dú)運(yùn)行和同時(shí)運(yùn)行，提高了加工效率。
第二章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算
2.1 確定尺寸及估計(jì)重量
根據(jù)鉆床工作臺(tái)的尺寸初步確定：
Y軸方向移動(dòng)的工作臺(tái)尺寸重量約為200N，
Z軸方向移動(dòng)的工作臺(tái)尺寸重量約為150N，
ZY工作臺(tái)總重量（包括夾具及工件）不超過(guò)450N。
2.2 縱向（Z向）設(shè)計(jì)計(jì)算
2.3.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
1)強(qiáng)度計(jì)算
對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌的牽引力計(jì)算
F=KF+f,(F+2F+G)
取 K=1.4，f,=0.2
考慮工作臺(tái)在移動(dòng)過(guò)程中只受G影響
故 F=fG
=0.2×200
=40(N)
考慮工作臺(tái)在加工時(shí)靜止只受FZ影響
故 F= KF
=1.4× 500.4
=700.56 (N)
取 F= F
2) 計(jì)算最大動(dòng)載荷 C
初選螺母副導(dǎo)程 L0=6mm
絲杠的轉(zhuǎn)速 n=100r/min
L=
由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)取 T=15000 h
L=
=
=90
考慮滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中有沖擊振動(dòng)和考慮滾珠絲杠的硬度對(duì)壽命的影響。
由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)取f=1.2，f=1.0
Q=ffF
=×1.2×1×877.82
=4.72 (KN)
查看機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)選取W2506型滾珠絲杠（Ca=13.1KN > Q），剛度足夠。
3)效率計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η為
η=
摩擦角 Φ=10′
螺旋角γ=4°22′
η=
=
=0.963
滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高，這可使絲杠副的溫度變化較小，對(duì)減小熱變形，提高剛度、強(qiáng)度都起了很大作用。
4)剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠受工作載荷Fm引起的導(dǎo)程變化量
△L1=±
L=6 mm=0.6 cm
E=21×10 N/cm 2
F= 2π
=
=3.46(cm)
△L1=±
=±
=±5.78×10
滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量△L2很小，可忽略，即△L=△L1 所以導(dǎo)程變形總誤差△為
△=
=
=9.64(μm/m)
由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)知 E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（1m長(zhǎng)）為15 μm/m ，故剛度足夠。
5)穩(wěn)定驗(yàn)算
機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是軸向力的壓桿，若軸向力過(guò)大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生彎曲，依據(jù)《材料力學(xué)》中的歐拉公式計(jì)算
F=
式中截面慣性矩，對(duì)實(shí)心圓柱
J=
=
=0.95 (N·cm)
F=
=
=1972613.719 N
[n]=2.4～4
n=
=
=2815.77 > [n]
所以滾珠絲杠安全不至失穩(wěn)。
6) 滾珠絲杠副主要尺寸列表，見(jiàn)表3.2
主要尺寸
計(jì)算公式
計(jì)算結(jié)果
公稱(chēng)直徑 d0
——
25
基本導(dǎo)程 L0
——
6
滾珠直徑 d3
——
3.969
滾珠圓弧半徑 R
——
2.064
螺旋升角 γ
——
4°22′
滾道圓弧偏心距 e
——
0.056
絲杠大徑 d
——
——
絲杠小徑 d1
d1=d0+2e-2R
20.984
絲杠長(zhǎng)度 S
S〈700
——
螺母大徑 D
——
45
螺母小徑 D0
——
——
螺母長(zhǎng)度
——
58（2列）
表3.2 滾珠絲杠副主要尺寸列表
2.3.2 傳動(dòng)齒輪的相關(guān)計(jì)算
1)傳動(dòng)比的計(jì)算
i=
=
=2.5
2)初步分配傳動(dòng)比
按獲得最小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原則分配傳動(dòng)比
i=
i=ii
得 i=1.52，i=1.64
3)初步估計(jì)齒輪模數(shù)m=1.25
小齒輪 Z=27
大齒輪
Z=iZ1
=1.5227
=41
b=17mm，b=20mm
d=mZ
=1.2527
=33.75mm
d= mZ
=1.2541
=51.25(mm)
a=
=
=42.5(mm)
小齒輪 Z=30
大齒輪 Z4 = iZ
=1.6430
=49
b=26mm b=28mm
d= mZ
=1.2530
=37.5(mm)
d= mZ
=1.2549
=61.25(mm)
a=
=
=49.375(mm)
2.3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算及其步進(jìn)電機(jī)的選擇
工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J=()2·G
=()2×200
=29.18 (N·cm2)
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=7.8410PL
=7.8×10-4×24×48
=5.9904(N·cm2)
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=7.8410PL
=7.8×10-4×(3.775)4×1.7
=1.72(N·cm2)
J=7.8410PL
=7.8×10-4×(5.125)4×2
=1.076(N·cm2)
J=7.8410PL
=7.8×10-4×(3.75)4×2.6
=4(N·cm2)
J=7.8410PL
=7.8×10-4×(6.125)4×2.8
=30.738(N·cm2)
總傳動(dòng)慣量
J=++J+J
=++1.72+29.18
所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩: =44.396 (N·cm2)
1)快速空載時(shí)所需的力矩
M=M+M+M
當(dāng) n=n時(shí) M=M
n=
=
=416.67(r/min)
M=
=
=0.5 (N·cm2)
M=
=
=1.53(N·cm)
當(dāng)η=0.9時(shí) 預(yù)加載荷 P=，則
M=
=
=2.118 (N·cm)
M=
=
=33.45 (N·cm2)
2) 快速啟動(dòng)時(shí)所需力矩
M=M+M+M
=0.5+1.53+2.118
=4.148 (N·cm)
3) 切削時(shí)所需力矩
M=M+M+M+M
=0+0+2.118+33.45
=35.568 (N·cm)
由上分析計(jì)算可知
所需最大力矩M發(fā)生切削啟動(dòng)時(shí) M=M=35.568 N·cm
M=
=
=88.92 (N·cm)
為滿足最小步進(jìn)距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相三拍工作方式
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得 =0.886
M=
=102.68( N·cm)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高頻率 f=
=
=3333.33 (HZ)
選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。
2.3.4 齒輪的驗(yàn)算
1)材料的選擇
由機(jī)械設(shè)計(jì)表選擇小齒輪材料為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。
2)第一對(duì)齒輪按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)計(jì)算公式為
d
(1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值
①試選擇載荷系數(shù) K=1.3
②小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T=8000N·m
③由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)選出齒寬系數(shù)=0.5
④查得材料的彈性影響系數(shù)Z=189MPa
⑤按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度
=600MPa大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
=550MPa小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
⑥計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N=60nj h
=608331（2830015）
=3.610
N=
=608331（2830015）
=2.36810
⑦由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.92，K=0.96
⑧計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，得
[]=
=
=552(MPa)
[]=
=
=528( MPa)
(2)計(jì)算
①試算小齒輪分度園直徑d帶入[] 中較小的值
d
=2.32
=38.18(mm)
②計(jì)算圓周速度v
v=
=
=1.665(m/s)
③計(jì)算齒寬
b=
=0.538.18
=19.09(mm)
④計(jì)算齒寬與齒高之比 b/h
模數(shù) m=
=1.414(mm)
齒高 h=2.25m
=2.51.414
=3.18(mm)
=
6
⑤計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v=1.665m/s，7級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù)K=1.1，為直齒輪，假設(shè) 〈100N/mm，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得K= K=1.2，使用系數(shù)K=1。由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得7級(jí)精度小齒輪相對(duì)支承懸臂布置時(shí)
K=1.12+0.18（1+0.7）+0.2310b
=1.24
由=5.1 ，K=1.24查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得，K=1.28
故載荷系數(shù)
K=K K K
=11.11.21.24
=1.6368
⑥按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度園直徑，由下式得
d=d
=38.18
=41.23(mm)
⑦計(jì)算模數(shù)m
m=
=
=1.527(mm)
3)第一對(duì)齒輪按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式
m
(1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值
①由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa,大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 =380MPa
②查得彎曲疲勞壽命系數(shù)K=0.8，K=0.87
③計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞完全系數(shù)S=1.4
[]=
=
=307.14(MPa)
[]=
=
=236.14(MPa)
④計(jì)算載荷系數(shù)
K=K K KK
=11.11.21.28
=1.6896
⑤查取齒形系數(shù)
由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得Y=2.57，Y=2.39
⑥查取應(yīng)力校正系數(shù)
由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得Y=1.6，Y=1.672
⑦計(jì)算大，小齒輪的并加以比較
=
=0.0134
=
=0.0169
故大齒輪數(shù)值大。
(2)設(shè)計(jì)計(jì)算
m
=
=1.078
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.078〈m ，m=1.25，齒輪強(qiáng)度適合。
4）第二對(duì)齒輪按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式
d
(1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值
①試選擇載荷系數(shù)K=1.3
②小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T=i=13120(N·m)
③由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)選出齒寬系數(shù)=0.7
④查得材料的彈性影響系數(shù)Z=189MPa
⑤按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度
=600MPa大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
=550MPa小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
⑥計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N=60njh
=60457.691（2830015）
=1.97710
N=
=
=1.210
⑦由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.95，K=0.99
⑧計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，得
[]=
=
=570(MPa)
[]=
=
=544.5( MPa)
(2)計(jì)算
①試算小齒輪分度園直徑d，帶入[] 中較小的值
d
=2.32
=39.04(mm)
②計(jì)算圓周速度v
v=
=
=0.94(m/s)
③計(jì)算齒寬
b=
=0.739.04
=27.328(mm)
④計(jì)算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù) m=
=
=1.3(mm)
齒高 h=2.25m
=2.51.414
=3.18(mm)
=
9.34
⑤計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.94m/s，7級(jí)精度，得動(dòng)載系數(shù)K=1.06，為直齒輪，假設(shè) 〈100N/mm，得K= K=1.2
，使用系數(shù)K=1，7級(jí)精度小齒輪相對(duì)支承懸臂布置時(shí)
K=1.12+0.18（1+0.7）+0.2310b
=1.12+0.18（1+0.70.7）0.7+0.231027.328
=1.24
由=9.34 ，K=1.24由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得K=1.23
故載荷系數(shù) K=KK K K
=11.061.21.24
=1.57728
⑦按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度園直徑，由下式得
d=d
=39.04
=41.64(mm)
⑧計(jì)算模數(shù)m
m=
=
=1.388(mm)
5)按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
m
(1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值
①由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa,大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 =380MPa
②由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得彎曲疲勞壽命系數(shù)K=0.8，K=0.87
③計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞完全系數(shù)S=1.4
[]=
=
=300(MPa)
[]=
=
=233.43(MPa)
④計(jì)算載荷系數(shù)
K=K K KK
=11.061.21.23
=1.56456
⑤查取齒形系數(shù)
由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得Y=2.57，Y=2.39
⑥查取應(yīng)力校正系數(shù)
由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得Y=1.625，Y=1.696
⑦計(jì)算大，小齒輪的并加以比較
=
=0.0136
=
=0.0169
故大齒輪數(shù)值大。
(2)設(shè)計(jì)計(jì)算
m
=
=0.92
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.92〈m ，m=1.25，故齒輪強(qiáng)度適合。
第三章 軸的設(shè)計(jì)與校核
3.1 軸的材料選擇
選用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理
初步估計(jì)軸端直徑
d≥A
=
=
=12.33 (mm)
3.2 初選滾動(dòng)軸承
傳動(dòng)采用的是直齒輪，因其基本不受軸向力影響故采用深溝球軸承 6203。
3.3 初步確定傳動(dòng)軸的軸向、徑向尺寸
(1)考慮到初步估計(jì)的直徑與軸承內(nèi)圈的通用性的要求由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取，基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的深溝球軸承6203，故此段軸徑d=17mm。
(2)由于齒輪段與軸承段為非配合表面和考慮到同軸安裝的小齒輪Z不宜制作成齒輪軸，要保證d>2d,故取此段軸徑d=19mm，另一端同。
(3)齒輪段右端設(shè)計(jì)為軸環(huán)與齒輪段為配合表面d=d+(3 ～4)×C圓整為d=24mm。
(4)軸環(huán)的寬度為b≥1.4h，取軸環(huán)寬b=6.3mm。
(5)齒輪段考慮到套筒要能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)軸向定位，故軸寬要比齒輪的寬度小一些故設(shè)計(jì)為Z段，取b=19mm,Z段取b=24mm。
(6)考慮到齒輪距箱體內(nèi)壁之間有一定距離，考慮到軸承的潤(rùn)滑方式的影響，取Z的軸承段的距離l=30.5mm。
(7)確定軸上圓角和倒角尺寸。取軸端倒角為0.8×45°，各軸肩處的圓角半徑見(jiàn)后圖。
3.4 按彎扭合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度
確定軸支撐跨距L=99mm。
(1)繪制軸受力簡(jiǎn)圖，見(jiàn)圖3.1
圖a 軸簡(jiǎn)圖
圖b 受力簡(jiǎn)圖
圖c 水平受力
圖d 水平彎矩圖
圖e 垂直受力圖
圖f 垂直彎矩圖
圖g 扭矩圖
圖3.1 軸受力彎矩圖
由力矩平衡條件確定齒輪受力 F =
=
=512（N）
F =
=
=699.73（N）
F= Ftanα
=512×tan20°
=186.35（N）
F=Ftanα
=699.78×tan20 °
=254.68 （N）
(2)繪制垂直彎矩圖，見(jiàn)圖4.1
F× l-F×l+F×l=0
F=
=
=93.35 (N)
F= F+ F- F=25.02 (N)
截面A左側(cè)彎矩 M=F
=93.35
=1782.985 （N）
截面B右側(cè)彎矩 M=F
=25.02
=419.085 （N）
截面B左側(cè)彎矩 M=F- F
=93.35-254.68
=-1807.1755 (N·mm)
(3)繪制水平面彎矩圖，見(jiàn)圖3.1 Fl- Fl- Fl=0
F=
=
=602.99 (N)
F= F+ F- F
=699.73+512-602.99
=608.74 (N)
截面A左側(cè)彎矩 M=F
=602.99
=11517.109（N·mm）
截面B右側(cè)彎矩 M=-F
=-608.74
=-10196.345（N·mm）
截面B左側(cè)彎矩 M= F-F
=602.99-699.73
=10196.68（N·mm）
(4) 繪制合成彎矩圖，見(jiàn)圖3.1
M=
=
=11654.305 （N·mm）
M=
=
=10205（N·mm）
M=
=
=10205（N·mm）
(5) 繪制轉(zhuǎn)矩圖，見(jiàn)圖3.1
T=13120（N·mm）
第四章 零件校核計(jì)算
4.1 滾動(dòng)軸承的支反力計(jì)算
F=
=
=609.25（N·mm）
F=
=
=609.25（N·mm）
4.2 滾動(dòng)軸承的壽命校核
根據(jù)軸承壽命計(jì)算公式為
L=（）
(1)查機(jī)械零件手冊(cè)6203軸承所具有的徑向基本額定動(dòng)載荷 C=7500N
(2)由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證 P= F，P= F，取P= P=609.25 N
(3)對(duì)于球軸承ε=3
(4)轉(zhuǎn)速n=457.69r/min
L=（）
=67945.6(h)
L>30000h
故軸承合適。
4.3 鍵的強(qiáng)度校核
由機(jī)械設(shè)計(jì)可知鍵的強(qiáng)度校核公式為
σ=
式中的參數(shù)為
1) T=13120 (N·mm)=13.12 (N·m)
2) k=0.5h
=0.58
=4
3) l=L-b
=20-10
=10
l=L-b
=16-10
=6
4) d=38mm
故取 l= l因?yàn)辇X輪3的鍵能滿足條件齒輪2道的鍵亦滿足
σ=
=28.77 (MPa)
≤[σ]=110(MPa)
故鍵的強(qiáng)度合適。
第五章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
5.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介
1)8155，由以下三個(gè)部分組成：
(1)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：該部分是容量為256B的SRAM。
(2)并行I/O端口：可編程的8位I/O口PA-PA,可編程的8位I/O口PB- PB和可編程的6位I/O口PC-PC還允許寫(xiě)入8位命令寄存器和只允許讀出的8位狀態(tài)寄存器。
(3)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器：14位的二進(jìn)制減法器、定時(shí)器。它采用40線雙列直插式封根。AD-AD為三態(tài)地址數(shù)據(jù)線?？梢灾苯优cMCS-51系列單片機(jī)的P連接。地址鎖存允許（ALE）信號(hào)的下降沿8位地址鎖存在內(nèi)部地址寄存器中，該地址可以作為存儲(chǔ)器部分的低8位地址，也可以是I/O接口通道的地址，這將由輸入的IO/信號(hào)的狀態(tài)來(lái)決定的。在AD-AD引腳上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)是寫(xiě)入還是讀出8155，有系統(tǒng)控制信號(hào)和來(lái)決定的。RESET是8155的重復(fù)信號(hào)的輸入端。復(fù)位后三個(gè)I/O總是被置成輸入工作方式。ALE為地址鎖存允許信號(hào)輸入端。該控制信號(hào)由單片機(jī)發(fā)出，其下降沿將AD-AD線的地址，片選信號(hào)以及IO/信號(hào)鎖存8155片內(nèi)鎖存器。是片選信號(hào)，低電平有效。IO/為I/O和SRAM選擇信號(hào)。當(dāng)IO/=1時(shí)，選擇I/O口；當(dāng)IO/=0時(shí)選擇SRAM。是寫(xiě)選通信號(hào)，低電平有效；將AD-AD上的數(shù)據(jù)寫(xiě)入SRAM的莫一單元，或?qū)懭肽骋籌/O。為讀選信號(hào)，低電平有效時(shí)候、，將8155-SRAM某單元的內(nèi)容讀至數(shù)據(jù)總線或?qū)/O的內(nèi)容讀至數(shù)據(jù)總線。AD-AD為A口。8根通用I/O端線口。數(shù)據(jù)的輸入或輸出的方向由可編程的命令寄存器的內(nèi)容決定。PB- PB為B通用的I/O的端口線數(shù)據(jù)的輸入或輸出的方向由可編程程序命令寄存器的內(nèi)容決定。PC-PC為C口。6根線既有通用I/O口功能，有具有對(duì)端口A和B起某種控制功能。各種功能的實(shí)現(xiàn)均由可編程序的命令寄存器的內(nèi)容決定。TIMER IN定時(shí)器時(shí)鐘輸入端。TIMER OUT定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸出端，其輸出信號(hào)是矩形還是脈沖數(shù)輸出單個(gè)信號(hào)還是連續(xù)信號(hào)，則由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式?jīng)Q定。8155應(yīng)用于鍵盤(pán)接口電路和顯示接口電路。
2)8031：包含一個(gè)8位CPU，128字節(jié)的RAM，兩個(gè)16位的定時(shí)器，四個(gè)8位并行口，一個(gè)全雙功能串行口，可擴(kuò)展的外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量含64K字節(jié)，具有5個(gè)中斷源并配有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，還有21個(gè)特殊功能寄存器。他是一個(gè)有40根引腳的雙列直插式器件。
V編程和正常操作的電源電壓端，電壓為+5V；V地電平。
P口：8位雙向I/O口，既是數(shù)據(jù)線，又是低8位地址線，分時(shí)使用。
P口：8位雙向I/O口，可供用戶使用的接口。
P口：8位雙向I/O口，系統(tǒng)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，作高8位地址線使用，系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，也可供
用戶使用。
P口：8位雙向I/O口，是一個(gè)雙功能口；第一個(gè)功能和P一樣可以作為通用I/O口，工作于 第二功能時(shí)，各端口定義如下
P-RZD，串行輸入； P-TZD，串行輸出；
P-,外部中斷輸入； P-，外部中斷輸入；
P-T，定時(shí)器O外輸入端； P-T，定時(shí)器1外輸入端；
P-,寫(xiě)信號(hào)； P-,讀信號(hào)；
ALE/PROG:訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，，用于鎖定地址低8位字節(jié)的地址鎖存允許輸出。ALE提供一個(gè)定時(shí)信號(hào)，在與外部存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)時(shí)，把P口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中。PSEN：程序存儲(chǔ)器允許輸出，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選信號(hào)。/V:為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行程序內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。為低電平時(shí)CPU執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器指令。使用8031單片機(jī)必須接地。ZTAL1：振蕩器的反相放大器輸入，使用外部時(shí)必須接地；ZTAL2：振蕩器的反相放大器輸出，使用外部振蕩器時(shí)，接受外部震蕩信號(hào)；R/VDP：復(fù)位控制，在震蕩運(yùn)行時(shí)，使RST引腳至少保持；兩個(gè)機(jī)器周期為高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。VPD引腳是掉電電路輸入口。
3)6234：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，容量為8K字節(jié)。
A-A:地址輸入線，共13根；
IO-IO:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，共8根 ；
、:片選信號(hào)端，選通時(shí)是低電平，是高電平；
:選通信號(hào)輸入線，低電平有效；
:寫(xiě)選通信號(hào)輸入線，低電平有效；
V：+5V電源；
GND 地電平；
（CS）：高電平有效，可用于掉電保護(hù)。
4)2764：程序存儲(chǔ)器 容量為8KB。
A-A：地址輸入線，共13根；
D-D: 數(shù)據(jù)輸出線，共8根；
：片選線，低電平有效；
：數(shù)據(jù)輸出選通線，低電平有效；
:編程脈沖輸入線；
V：編程電源。
進(jìn)行片內(nèi)存儲(chǔ)單元的選擇，先把A-A引腳與地址鎖存器8位地址對(duì)應(yīng)連接，剩下的高位地址A-A與P口的P-P相連。這樣2764芯片內(nèi)存儲(chǔ)單元的選擇問(wèn)題就解決了。
5)74LS373：地址鎖存器單片機(jī)規(guī)定P口提供低8位地址線。同時(shí)又要作為數(shù)據(jù)線，所以P是一個(gè)分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)通道。為了把地址信息分離出來(lái)保存，，提供外接存儲(chǔ)器的低8位地址信息，Q-Q是輸出端，CE是片選端，選通端G與8031單片機(jī)的地址鎖存信號(hào)ALE連接， 當(dāng)選通端G=1時(shí)，74LS373的輸出端與輸入端相通，當(dāng)G端從高電平返回低電平時(shí)，輸入信息就被鎖存入Q-Q中。
6)74SL138 3-8譯碼器即對(duì)三個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行譯碼，得到8個(gè)輸出狀態(tài)；G、和為使能端或譯碼允許端，當(dāng)G=1時(shí)，==0時(shí)，該譯碼器可以譯碼，CBA為譯碼選擇端，即譯碼信號(hào)輸入。-為譯碼輸出信號(hào)，低電平有效。輸入端占用8031單片機(jī)的P-P三根高位地址線，剩余13根地址線用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)地址線。74LS138每一個(gè)輸出端可接一個(gè)外部芯片的片選端實(shí)現(xiàn)分時(shí)片選控制，因此一個(gè)74LS138的8根輸出端可以連接8個(gè)8K字節(jié)地址空間。
7)8255：是可編程通用并行接口芯片，具有40個(gè)引腳，雙列直插封裝，由+5V供電，ABC三個(gè)口線共24根，與外設(shè)相連，而8位的數(shù)據(jù)線D- D與P口連接，是雙向三態(tài)，在內(nèi)部經(jīng)數(shù)據(jù)總線緩沖電路后和各組控制寄存器及個(gè)端口數(shù)據(jù)寄存器連接。
為片選信號(hào)，由地址譯碼器產(chǎn)生，低電平有效。地址信號(hào)A、A由8255內(nèi)部譯碼生成四個(gè)口地址分別對(duì)應(yīng)A、B、C三個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)端口及一個(gè)公共控制端口。兩個(gè)低電平有效的信號(hào)和決定了CPU;當(dāng)=0時(shí)，由CPU寫(xiě)入8255.RESET為復(fù)位信號(hào)，高電平有效。復(fù)位后，控制存儲(chǔ)器的內(nèi)容被撤除，A、B、C三個(gè)端口全置成輸入方式且鎖存器也全清零。
方式選擇開(kāi)關(guān)通過(guò)接口芯片8255與8031單片機(jī)連接，選擇開(kāi)關(guān)動(dòng)片接地，選擇開(kāi)關(guān)的固定片接到并行PA口，將PA口設(shè)置成輸入方式PA的8個(gè)接口經(jīng)上拉電阻接+5V，故為高電平。若某個(gè)接口被選中，則被選中的接口經(jīng)動(dòng)片接地變?yōu)?/div>
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