36-二坐標(biāo)數(shù)控工作臺設(shè)計(jì)【CAD圖紙+word說明書】,CAD圖紙+word說明書,36,坐標(biāo),數(shù)控,工作臺,設(shè)計(jì),cad,圖紙,word,說明書,仿單 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)控工作臺設(shè)計(jì) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名 王 特 捷 學(xué) 號 084173947 班 級 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)控工作臺裝配圖一張（A0）； 3、二坐標(biāo)數(shù)控工作臺電氣控制原理圖一張（A1）； 4、計(jì)算說明書草稿一份。 成 績 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.Y軸方案及參數(shù)計(jì)算 ………………………………………（1） 1.方案擬定 ………………………………………………（1） 2.Y軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 ………………………（1） 3.Y軸聯(lián)軸器選擇 ………………………………………（3） 四.Y軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（3） 1.Y軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（3） 2.Y軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（4） 五.X軸方案及參數(shù)計(jì)算 ………………………………………（5） 1.X軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 …………………………（5） 2.X軸聯(lián)軸器選擇 … ………………………………………（7） 六.X軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（7） 1. X軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（7） 2. X軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（8） 七.繪制裝配圖 ……………………………………………………（9） 八.電氣原理圖設(shè)計(jì) ………………………………………………（10） 九.參考文獻(xiàn) ………………………………………………………（11） 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；（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)控工作臺設(shè)計(jì)工作。原始數(shù)據(jù)包括①典型工況下，工作臺速度、進(jìn)給抗力及臺面上工作物重量；②工作臺定位精度、臺面尺寸和行程。 設(shè)計(jì)具體要求完成以下工作： （1）數(shù)控工作臺裝配圖（1：1比例或0＃圖幅） 1張； （2）數(shù)控系統(tǒng)電氣原理圖（2＃圖幅） 1張； （3）設(shè)計(jì)說明書（10～20）頁 1本； 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、 Y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 由給定的工作臺精度要求較低，為簡化結(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Y方向采用一級齒輪傳動(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X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．Y軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 計(jì)算及說明： Y參數(shù)選定與計(jì)算 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α=0.36°,初定脈沖當(dāng)量δ=0.002mm/p, 絲杠導(dǎo)程tsP=4 mm,中間齒輪傳動(dòng)比i為: 由i確定齒輪齒數(shù)為Z1=20,Z2=40,模數(shù)m=2mm,齒寬b1=14mm,b2=13mm X圓柱斜齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)如下： 1.選定齒輪精度、材料、齒數(shù)及螺旋角 1）.選精度為7級 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＝40 4）.選取螺旋角， 初選β＝14o 2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) （1）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 1).試選Kt=1.6, 由[1]表10-6得：材料彈性影響系數(shù)ZE＝189.8MPa 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)Φd＝0.3， 3).由[1]圖10-26查得：εa1＝0.780，εa2 ＝0.85；則εa＝εa1+εa2 ＝1.630 4).應(yīng)力循環(huán)系數(shù)取j=1， 所以： N1=60njLh=60×500×1×(2×8×300×15)＝2.16×109 N2=N1/i=2.16×109/2＝1.08×109 5).由[1]圖10-19查得: 接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.85,KHN2=0.87, 6).由[1]圖10-21d查得:小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim1=600MPa, 大齒輪接觸疲勞強(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＝478.5MPa [σH]= （[σH]1+[σH]2)/2=494.25 MPa 8) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩： T1=95.5×105PY/nY=95.5×105×0.003/500=57.3N.mm (2).計(jì)算 1).試算小齒輪分度圓直徑d1t 2).計(jì)算圓周速度 3).計(jì)算齒數(shù)b及模數(shù)mnt： b=Φdd1t=0.3×22.5＝6.75 mm mnt=d1tcosβ/Z1=22.5×cos14o/20=1.09 h=2.25mnt=2.25×1.09mm =2.456mm b/h=6.75/2.456=2.75 4).計(jì)算縱向重合度εβ＝0.318×Φd×Z1×tanβ=0.318×0.3×20×tan14o=0.475 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=0.589 m/s ,7級精度；由[1]圖10-8查得:動(dòng)載系數(shù)Kv=1.01；由[1]表10-4查得：KHβ的計(jì)算公式：KHβ=1.14 由b/h=2.75,由[1]圖10-13查得：KFβ=1.08； 由[1]表10-3查得：KHα=KFα=1.2； 故載荷系數(shù)K=KAKvKHαKFα=1.25×1.01×1.2×1.14＝1.73 6）.按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 7).計(jì)算模數(shù)mn=d1×cosβ/Z1=23.09×cos14o/20=1.12 mm 3．按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 1).按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) ①計(jì)算載荷系數(shù)，K=KA×Kv×KFα×KFβ=1.25×1.01×1.2×1.08＝1.6362 ②根據(jù)縱向重合度εβ＝0.475，由 [1]圖10-28查得:螺旋角影響系數(shù)Yβ=0.87 ③計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)Zv1=Z1/cos3β=20/cos314o=21.9 ④由 [1]表10-5查出,YFa1=2.592,YSa1=1.596,YFa2=2.49,YSa2=1.629 ， ⑤因?yàn)樾↓X輪彎曲極限強(qiáng)度σFE1=500MPa,大齒輪σFE2＝380MPa, 由[1]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 [σF]1＝KHN1×σFE1/S=386.36MPa [σF]2＝KHN2×σFE1/S=304MPa ⑥計(jì)算大、小齒輪YFa1 YSa1/[σF]1并加以比較 YFa1 YSa1/[σF]1＝2.592×1.596/386.36=0.0107 YFa2YSa2/[σF]2=2.30×1.715/304＝0.013 ∴ 取大齒輪數(shù)據(jù) 2).設(shè)計(jì)計(jì)算 對比計(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 ,來計(jì)算應(yīng)有的齒數(shù)，于是有 Z1=d1cosβ/mn=40×cos14o/2＝19.4，取Z1＝20，則Z2＝i×Z1=2×20＝40 4．幾何尺寸計(jì)算 ①中心距 a=(Z1+Z2)mn/(2cosβ)=(20+40)×2/（2×cos14o）＝61.8 mm 將中心距圓整為62 mm ②按圓整后的中心距修正螺旋角β＝arccos[(Z1+Z2)mn/2a]=arcos[(20+40)*2/(2*62) =14.59o, 因β值改變不多，故參數(shù)εα、Kβ、ZH等不必修正 ③計(jì)算大、小齒輪分度圓直徑 d1=Z1mn/cosβ=20*2/cos14.59o =41.33mm d2=Z2mn/cosβ=40*2/cos14.59o =82.66mm ④計(jì)算齒輪寬度b=Φdd1=0.3*41.33＝12.4mm所以取B2=13mm,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=14mm 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 式中 鋼密度ρ=7.85×10-3 kg/cm3 同理,大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jg2=3.596×10-4 kg.m2 由[3]表3-13初選滾珠絲杠 CDM2004-2.5, 得到 d0=20 mm ,L=301 mm 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 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, 拖板和導(dǎo)軌重量301 工作物重約為12kg ∴W=12+27=39 kg 因此,折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je 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[3]式(4-7)~(4-9)可知: 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°)=(1000/0.002) ×(0.36/360)=500r/min 取起動(dòng)加速時(shí)間tα=0.03 s 初選電動(dòng)機(jī)型號75BF006A,根據(jù)矩頻特性圖所示, 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 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)= 12.89×10-5 kg．m2+7×10-5 kg.m2 =19.89×10-5 kg.m2 Ma=(Je +Jm)(2πnmax)/(60tα)= 19.89×10-5 ×(2π×500)÷(60×0.03)= 0.346N.m Mq= Mamax+ Mf+ M0=0.346+0.00811+0.00454=0.346N.m Mc= Mt+ Mf+ M0=0.0755+0.00811+0.0454=0.359N.m Mk= Mf+ M0=0.00811+0.0454=0.01265N.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=0.181<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=12.86/7=1.837<4 說明慣量可以匹配 電機(jī)慣量最大起動(dòng)頻率 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)最大空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)最大工作頻率 fq=vmax/(60δ)=1000/(60×0.002)=8333.3> fL fc=v1max/(60δ)=100/(60×0.002)=833.3< fL 所以,與fc對應(yīng)的Mc按電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩校核,顯然滿足要求. 綜上所述,可選該型號步進(jìn)電機(jī),具有一定的裕量. 3.Y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)裝置工作要求來選定聯(lián)軸器類型。本方案選擇套筒聯(lián)軸器。 四、 Y軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)計(jì)算 1. Y軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì) (1)滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型 ①滾珠循環(huán)方式 由[2]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 采用絲杠公稱直徑 20mm,導(dǎo)程為4mm, 絲杠外徑19.7mm，絲杠底徑19.7mm，循環(huán)圈數(shù)2.5基本動(dòng)載荷5862N，基本靜載荷14361N. (3)滾珠絲杠精度等級確定 ①絲杠有效行程 由導(dǎo)程查得余程le=16 mm， 得絲杠有效行程lv=lu-le，lu =185+100+16=301 mm ②精度等級 根據(jù)有效行程內(nèi)的平均行程允許偏差ep=0.008×2/300×301×103=16.05 由[2]表5-5得,精度等級為T4 (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[2]表5-6查得,采用兩端簡支(F-S)支承形式. (5)滾珠絲杠副的選擇 本方案屬于高速或較高轉(zhuǎn)速情況，按額定動(dòng)負(fù)荷Ca≥Caj選擇滾珠絲杠副 由[2]式（3-2）可知： 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=94.8N ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=500 r/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=0.9 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=5216.5NFmax ②臨界轉(zhuǎn)速 對于在高速下工作的長絲杠，須驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，以防止絲杠共振. 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)算長度. Lc =0.301m. d2--絲杠螺紋底徑,取0.0175m ncr= 32926.365r/min > nmax, 同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值 d0n=20×500=10000<70000 ③軸承選擇由[1]表6-6選角接觸球軸承7001AC. 參考[1]中有關(guān)內(nèi)容，計(jì)算略 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滾珠絲杠副的潤滑 潤滑劑用鋰基潤滑劑. 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 型滾動(dòng)導(dǎo)軌 ，E級精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=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=10×300×8×0.8=38400 h 每分鐘往復(fù)次數(shù)nz=8 (3) L=(2lsnz60Lh)/(103)= 3686.4 km 計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為390N P=390/4=97.5N 計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα (4) (5) 選用NSK LY15AL型號滾動(dòng)導(dǎo)軌副,其Co=605N. Coa=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)潤滑與防護(hù) 潤滑:采用脂潤滑,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、 X軸方案及參數(shù)計(jì)算 1．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 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α=0.36°,初定脈沖當(dāng)量δ=0.004mm/s, 絲杠導(dǎo)程tsP=4 mm,中間齒輪傳動(dòng)比i為: 故采用直接傳動(dòng)方式；采用剛性聯(lián)軸器直接帶動(dòng)絲杠。 2)等效傳動(dòng)慣量計(jì)算(不計(jì)傳動(dòng)效率) 由[3]表3-13初選滾珠絲杠 CDM2004-2.5, 得到 d0=20 mm ,L=386 mm 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 式中 鋼密度ρ=7.85×10-3 kg/cm3 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, 拖板和導(dǎo)軌重量及工作物重約為W=12+27=39 kg 因此,折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je 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[3]式(4-7)~(4-9)可知: 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°)=(1300/0.004) ×(0.36/360)=325r/min 取起動(dòng)加速時(shí)間tα=0.03 s 初選電動(dòng)機(jī)型號75BF006A,根據(jù)矩頻特性圖所示, 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 式中 Fp0—滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷,一般取Fx/3 Fx —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)= 5.74×10-5 kg．m2+7×10-5 kg.m2 =12.74×10-5 kg.m2 Ma=(Je +Jm)(2πnmax)/(60tα)= 12.74×10-5 ×(2π×325)÷(60×0.03)= 0.14446N.m Mq= Mamax+ Mf+ M0=0.14446+0.018632+0.00807=0.17116N.m Mc= Mt+ Mf+ M0=0.136+0.018632+0.00807=0.1627N.m Mk= Mf+ M0=0.018632+0.00807=0.0267N.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=0.085<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=5.74/7=0.82<4 說明慣量可以匹配 電機(jī)慣量最大起動(dòng)頻率 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)最大空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)最大工作頻率 fq=vmax/(60δ)=1300/(60×0.004)=5416.67> fL fc=v1max/(60δ)=130/(60×0.004)= 541.667< fL 所以,與fc對應(yīng)的Mc按電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩校核,顯然滿足要求. 綜上所述,可選該型號步進(jìn)電機(jī),具有一定的裕量. 2. 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)裝置工作要求來選定聯(lián)軸器類型。本方案選擇套筒聯(lián)軸器。 六、 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) (1)滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型 ①滾珠循環(huán)方式 由[2]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 采用絲杠公稱直徑 20mm,導(dǎo)程為4mm, 絲杠外徑19.7mm，絲杠底徑19.7mm，循環(huán)圈數(shù)2.5基本動(dòng)載荷5862N，基本靜載荷14361N. (3)滾珠絲杠精度等級確定 ①絲杠有效行程 由導(dǎo)程查得余程le=16 mm， 得絲杠有效行程lv=lu-le，lu =240+130+16=386 mm ②精度等級 根據(jù)有效行程內(nèi)的平均行程允許偏差ep=0.01×2/300×386×103=25.73 由[2]表5-5得,精度等級為T5 (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[2]表5-6查得,采用兩端簡支(F-S)支承形式. (5)滾珠絲杠副的選擇 本方案屬于高速或較高轉(zhuǎn)速情況，按額定動(dòng)負(fù)荷Ca≥Caj選擇滾珠絲杠副 由[2]式（3-2）可知： 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=85.4N ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=325 r/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=0.9 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=4070.65NFmax ②臨界轉(zhuǎn)速 對于在高速下工作的長絲杠，須驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，以防止絲杠共振. 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)算長度. Lc =0.386m. d2--絲杠螺紋底徑,取0.0175m ncr= 17436.92r/min > nmax, 同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值 d0n=20×500=10000<70000 ③軸承選擇由[1]表6-6選角接觸球軸承7001AC. 參考[1]中有關(guān)內(nèi)容，計(jì)算略 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滾珠絲杠副的潤滑 潤滑劑用鋰基潤滑劑. 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). (6) 選日本NSK 型滾動(dòng)導(dǎo)軌 ，E級精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1 (7) 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=10×300×8×0.8=38400 h 每分鐘往復(fù)次數(shù)nz=8 (8) L=(2lsnz60Lh)/(103)= 3686.4 km 計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為390N P=390/4=97.5N 計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα (9) (10) 選用NSK LY15AL型號滾動(dòng)導(dǎo)軌副,其Co=605N. Coa=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)潤滑與防護(hù) 潤滑:采用脂潤滑,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。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.寫出工作臺的技術(shù)特征。 3.編寫技術(shù)要求。 4.對所有零件進(jìn)行編號。 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) 典型數(shù)控工作臺電氣原理圖的說明 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?。还牡?；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)控工作臺電氣原理圖。它由8031型單片機(jī)、數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、存儲器EPROM2764、RAM6264、地址譯碼器74LS138、并行I/O接口8255等集成電路構(gòu)成。下面分別說明它們在整個(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。面對不同字長，如4位、8位、16位，各具特色的單片機(jī)芯片如何進(jìn)行選擇呢？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，其功能比較簡單，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）外部程序存儲器的擴(kuò)展 MCS-51的程序存儲器空間為64K字節(jié)。對于片內(nèi)無ROM的單片機(jī)（如8031），或當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部程序存儲器容量不夠時(shí)，進(jìn)行程序存儲器的擴(kuò)展是必不可缺的。半導(dǎo)體存儲器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作單片機(jī)的外部程序存儲器。由于EPROM價(jià)格低廉，性能可靠，所以單片機(jī)外部擴(kuò)展的程序存儲器一般為EPROM芯片（紫外線可擦除、電可編程的只讀存儲器），掉電后信息不會(huì)丟失。在選擇外部程序存儲器電路時(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作為外部程序存儲器。 （3）外部數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 對大多數(shù)控制性應(yīng)用場合，MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部RAM已能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲的要求。對需要較大容量數(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、寫控制信號分別接8031的RD、WE。其片選信號通過地址譯碼法進(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)及其反饋信號檢測 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。其作用是控制信號的通斷，然后由單片機(jī)系統(tǒng)檢測該信號的有無，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口檢測步進(jìn)電機(jī)是否到位，從而采取相應(yīng)的控制措施。 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 .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 16