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寧波大學科技學院理工分院
機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)
機電模塊課程設(shè)計
設(shè)計題目
二坐標數(shù)控工作臺設(shè)計
專 業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
姓 名
胡宏達
學 號
084173914
班 級
08機械1班
指導教師
胡利永
學 期
2011～2012學年第二學期
設(shè)計時間
2012、02、17～2012、03、09
內(nèi)
附
資
料
1、課程設(shè)計說明書一份（含設(shè)計任務(wù)書）；
2、二坐標數(shù)控工作臺裝配圖一張（A0）；
3、二坐標數(shù)控工作臺電氣控制原理圖一張（A1）；
4、計算說明書草稿一份。
成 績
2012、03
目錄
一、機電專業(yè)課程設(shè)計目的 1
二、機電專業(yè)課程設(shè)計的任務(wù)和要求 1
三、X軸方案及參數(shù)計算 2
1． 方案擬定 2
2. X軸步進電機參數(shù)確定及選擇 3
3、X軸圓柱斜齒輪傳動設(shè)計 6
4．幾何尺寸計算 10
四、X軸機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計計算 10
1.X軸滾珠絲杠設(shè)計計算 10
2.X軸滾動導軌設(shè)計計算 13
五、Y軸方案及參數(shù)計算 14
1.Y軸步進電機參數(shù)確定及選擇 14
2.Y軸聯(lián)軸器選擇 17
六、Y軸機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計計算 17
1.Y軸滾珠絲杠設(shè)計計算 17
2.Y軸滾動導軌設(shè)計計算 20
七、繪制裝配圖 21
八、電氣原理圖設(shè)計 22
1.典型數(shù)控工作臺電氣原理圖的說明 22
九、參考文獻： 25
一、機電專業(yè)課程設(shè)計目的
本課程設(shè)計是學生在完成專業(yè)課程學習后，所進行的機電一體化設(shè)備設(shè)計的綜合性訓練。通過該環(huán)節(jié)達到下列目的：（1）鞏固和加深專業(yè)課所學的理論知識；（2）培養(yǎng)理論聯(lián)系實際，解決工程技術(shù)問題的動手能力；（3）進行機電一體化設(shè)備設(shè)計的基本功訓練，包括以下10方面基本功：1）查閱文獻資料；2)分析與選擇設(shè)計方案；3）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；4）電氣控制原理設(shè)計；5）機電綜合分析；6）繪工程圖；7）運動計算和精度計算；9）撰寫設(shè)計說明書；10）貫徹設(shè)計標準。
二、機電專業(yè)課程設(shè)計的任務(wù)和要求
在規(guī)定時間內(nèi)，按設(shè)計任務(wù)書給定的原始數(shù)據(jù)，在教師指導下，獨立完成二坐標數(shù)控工作臺設(shè)計工作。原始數(shù)據(jù)包括①典型工況下，工作臺速度、進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)計具體要求完成以下工作：
（1）工作臺裝配圖一張（0號）
（2）控制電器圖一張（1號）
（3）設(shè)計說明書一份（10～20頁 ）
所有圖樣均采用CAD繪制打印，設(shè)計說明書按規(guī)定撰寫。
三、X軸方案及參數(shù)計算
1． 方案擬定
方案擬定即確定工作臺傳動的形式和控制方式及主要部件或器件的類型。
（1）驅(qū)動控制方式 由給定的工作臺精度要求較低，為簡化結(jié)構(gòu)，故采用單片機控制的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。主要由步進電機、單片機驅(qū)動控制電路、滾珠絲杠副組成。
（2）傳動形式確定
工作臺X方向和Y方向兩個坐標分別采用步進電機單獨驅(qū)動。
工作臺X方向采用一級齒輪傳動方式，可以通過降速擴大轉(zhuǎn)矩輸出，匹配進給系統(tǒng)慣量，獲得要求的輸出機械特性，同時減小脈沖當量。
工作臺Y方向采用直接傳動方式，電機通過剛性聯(lián)軸器與滾珠絲杠聯(lián)結(jié)。結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高。絲杠轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出完全與電機的輸出特性一致。
2. X軸步進電機參數(shù)確定及選擇
X參數(shù)選定與計算
vx=2.0 m/min=0.033m/s，F(xiàn)x=120 N，Px=Fxvx=3.96W
1）脈沖當量選擇
初選五相電機，按五相十拍工作時，步矩角α=0.36°,初定脈沖當量δ=0.004mm/p,
絲杠導程tsP=5 mm,中間齒輪傳動比i為:
i=(αtsP)／(360δ)=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(計算過程見4)
2)等效傳動慣量計算(不計傳動效率)
小齒輪轉(zhuǎn)動慣量 Jg1=(πd14b1ρ)／32={[π(4.978)4×1.6×7.85×10-3]／32}kg.m2 =0.76×10-4 kg.m2
式中：鋼密度ρ=7.85×10-3 kg/cm3
同理,大齒輪轉(zhuǎn)動慣量 Jg2=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)動慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(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軸上的轉(zhuǎn)動慣量,拖板及工作物重之和約為 10+2=12kg
Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2
=12×(5×10-3／2π) 2÷(1.25)2kg.m2
=4.86×10-6 kg.m2
因此,折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量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)等效負載轉(zhuǎn)矩計算(以下為折算到電機軸的轉(zhuǎn)矩)
由書式(4-7)~(4-9)可知:
Mt=[(Fx+μFy) tsP]/(2πηi)
= [(120+0.06×120) × 0.005]/(2π×0.8×1.25)
=0.101N.m
Mf= (Ff tsP)/(2πηi)
= (μW tsP)/(2πηi)
=(0.06×13×9.8×0.005)/ (2π×0.8×1.25)
=0.00609N.m
上述式中η為絲杠預緊時的傳動效率取 η=0.8，μ為摩擦系數(shù)取0.06
nmax=（Vmax /δ）×(α/360°)=250 r/min 取起動加速時間tα=0.03 s
初選電動機型號90BF006 ,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=2.156N·m,轉(zhuǎn)動慣量Jm=2.257×10-4 kg·m2, fm=2400Hz.
故M0=(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η02)
= (1/3Fxtsp)÷(2πηi) ×(1-η02)
=[(1/3) ×120×0.005]÷(2π×0.8×1.25) ×[1-(0.9)2]
=0.0061 N.m
式中 Fp0 — 滾珠絲杠預加負荷,一般取Fx/3
Fx — 進給牽引力(N)
η0 — 滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,取0.9
J =( Je +Jm)
= 2.2806×10-4 kg．m2+2.257×10-4 kg.m2
=4.537×10-4 kg.m2
Mα=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)
=4.537×10-4 ×(2π×250)÷(60×0.03)
=0.3957N.m
Mq = Mαmax+ 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
從計算可知, Mq最大,作為初選電動機的依據(jù).
Mq/ Mjmax=0.189 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求.
4)步進電機動態(tài)特性校驗
Je /Jm=2.2806/2.257=1.01<4 說明慣量可以匹配
電機慣量最大起動頻率 fL=fm/(1+ Je /Jm)1/2=1692.83 Hz
步進電機工作時最大空載起動頻率和切削時最大工作頻率
fq=Vmax/(60δ)=1000/(60×0.004)=4167> fL
fc=V1max/(60δ)=200/(60×0.004)=833< fL
所以,與fc對應(yīng)的Mc按電機最大靜轉(zhuǎn)矩校核,顯然滿足要求.
綜上所述,可選該型號步進電機,具有一定的裕量.
3、X軸圓柱斜齒輪傳動設(shè)計
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=24，Z2=Z1×i=24×1.25＝30
（4）.選取螺旋角，初選β＝14°
2）.a）、按齒面接觸疲勞強度設(shè)計
d1t>={2Kt×T1×（u＋1）×(ZHZE)2/[Φd×εa×u×[σH]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＝189.8MPa1/2
（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)Φd＝0.3，
（3）.（由[1]圖10-26）查得εa1＝0.78，εa2 ＝0. 8，則εa＝εa1+εa2 ＝1.58
（4）.應(yīng)力循環(huán)系數(shù)取j=1
已知V=1.0m/min，滾珠絲杠的基本導程P=5mm，則
nmax=(vmax/δ)×(α/360°)
=(1000/0.004) ×(0.36/360)
=250 r/min
所以 N1=60njLh=60×250×1×(2×8×300×15)＝1.08×109
N2=N1/i=1.08×109/1.25＝8.64×108
(5).（由[1]圖10-19）查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.86，KHN2=0.87
(6).（由[1]圖10-21d）查得小齒輪接觸疲勞強度極限 σHlim1=600MPa
大齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim2=550MPa
(7).計算疲勞強度許用應(yīng)力，取安全系數(shù)S=1
[σH]1＝KHN1×σHlim1/S=0.86×600/1＝516MPa
[σH]2＝KHN2×σHlim2/S=0.87×550/1＝478.5Mpa
[σH]= （[σH]1+[σH]2）/2 =497.25Mpa
(8).計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=9.55×106Px/nx=77.9N.mm
b）、計算
（1）.試算小齒輪分度圓直徑
d1t>={2Kt×T1×（u＋1）×(ZHZE)2/[Φd×εa×u×[σH]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).計算圓周速度 v=лd1tn1/(60×1000)＝0.123 m/s
（3).計算齒寬b及模數(shù)mnt, b=Φdd1t=0.3×9.38＝2.81mm
mnt=d1tcosβ/Z1=9.38×cos14°/24=0.38mm
h=2.25mnt=2.25×0.38mm = 0.855mm
b/h=2.81/0.855=3.3
（4).計算縱向重合度εβ＝0.318×Φd×Z1×tanβ=0.318×0.3×24×tan14°=0.57
（5).計算載荷系數(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級精度，
由書圖10-8查得動載系數(shù)Kv=1.01,（由書表10-4）查得KHβ的計算公式：KHβ=1.12+0.18(1+0.67Φd2)Φd2+0.23×10-3×b =1.14
由b/h=3.3,(由書圖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=kAKvKHαKHβ=1.25×1.01×1.2×1.08＝1.6362
（6）.按實際的載荷系數(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).計算模數(shù)mn=d1×cosβ/Z1=9.45×cos14°/24=0.382mm
3）、a).按齒輪彎曲強度設(shè)計
mn>={(2Kt1Yβcos2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3)
（1）.計算載荷系數(shù)，K=KA×Kv×KFα×KFβ=1.25×1.01×1.2×1.04=1.6263
（2）.根據(jù)縱向重合度εβ=0.57，由（[1]圖10-28）查得螺旋角影響系數(shù)Yβ=0.87
（3）.計算當量齒數(shù)Zv1=Z1/cos3β=24/cos314°=26.27
Zv2=Z2/cos3β=30/cos314°=32.8
（4）.由（[1]表10-5）查出,YFa1=2.592,YSa1=1.596,YFa2=2.49,YSa2=1.629,
因為（書圖10-20c）小齒輪彎曲極限強度σFE1=500MPa,大齒輪σFE2＝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
[σF]1＝KFN1×σFE1/S=386.36MPa
[σF]2＝KFN2×σFE1/S=304MPa
（5）.計算大、小齒輪YFa1 YSa1/[σF]1 、YFa2 YSa2/[σF]2并加以比較
YFa1 YSa1/[σF]1=2.592×1.596/386.36=0.0107
YFa2 YSa2/[σF]2=2.49×1.629/304＝0.013 取大齒輪數(shù)據(jù)
b).設(shè)計計算
mn>={(2Kt1Yβcos2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3)
={2×1.6263×77.9×0.0133×(cos14°)2/（0.3×242×1.58）}（1/3）
=0.23mm
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算得法面模數(shù)mn大于齒根彎曲疲勞強度計算得法面模數(shù)，取mn＝2 mm，已可滿足彎曲強度，但為了同時滿足接觸疲勞強度，需按接觸疲勞強度計算得的分度圓直徑d1=48mm ,來計算應(yīng)有的齒數(shù)，于是有
Z1=d1cosβ/mn=48×cos14°/2＝23.28，取Z1＝24，則Z2＝i×Z1=1.25×24＝30
4．幾何尺寸計算
（1）.中心距 a=(Z1+Z2)mn/(2×cosβ)=(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β＝arccos[(Z1+Z2)mn/2a]=arccos[(24+30) ×2/(2×56) =15.395°, 因β值改變不多，故參數(shù)εα、Kβ、ZH等不必修正
（3）.計算大、小齒輪分度圓直徑
d1=Z1mn/cosβ=24×2/cos15.359°=49.78 mm
d2=Z2mn/cosβ=30×2/cos15.359° =62.22 mm
（4）.計算齒輪寬度b=Φdd1=0.3×49.78＝14.934mm所以取B2=15mm,為易于補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軸機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計計算
1.X軸滾珠絲杠設(shè)計計算
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）.軸向間隙預緊方式
預緊目的在于消除滾珠螺旋傳動的間隙,避免間隙引起的空程,從而提高傳動精度.
由[3]表5-2查得,采用雙螺母墊片預緊方式。
2）滾珠絲杠副直徑和基本導程系列
由[3]表5-3查得,采用絲杠直徑20mm,導程為5mm
30滾珠絲杠精度等級確定
（1）.絲杠有效行程 由[3]表5-4查得le=20 mm
導軌總長Lu =210+120+20=350mm 所以絲杠總長Lv =350-20=330mm
（2）.精度等級 根據(jù)有效行程內(nèi)的平均行程允許偏差
ep=0.01/300×350×103=11.7查書表5-5得
精度等級為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)選用運轉(zhuǎn)精度高,軸向剛度高、摩擦力距小的滾動軸承.滾珠絲杠副的支承主要約束絲杠的軸向串動,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(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 按額定動負荷Cα≥Cαj選擇滾珠絲杠副
Cαj=[(Fefw)/(fhftfafk)]×[(60Lhne)/(106)]1/3
式中 Cαj--滾珠絲杠副的計算軸向動負荷(N)
Fe--絲杠軸向當量負荷(N)，取進給抗力和摩擦力之和的一半. Fe=(120+0.06×120)/2=63.6N
ne--絲杠當量轉(zhuǎn)速(r/min). ne=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.
計算得Caj=2.5N
6）滾珠絲杠副校核
（1）.臨界壓縮負荷 對于一端軸向固定受壓縮的滾珠絲杠,應(yīng)進行壓杠穩(wěn)定性校核計算.
不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮負荷稱為臨界壓縮負荷,用Fn表示
Fn=3.4×1010(f1d24)÷(L02) ×K1
式中 L0–--最長受壓長度.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 f2--絲杠支承方式系數(shù),F-S取3.927.
Lc --臨時轉(zhuǎn)速計算長度. Lc =0.5m. d2--絲杠螺紋底徑,取17.6mm
ncr= 10758.9r/min > nmax取,同時驗算絲杠另一個臨界值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）.定位精度驗算(略)
7）滾動導軌副的防護
（1）.滾珠絲杠副的防護裝置 ,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軸滾動導軌設(shè)計計算
導軌的功用是使運動部件沿一定的軌跡運動,并承受運動部件上的載荷,即起導向和承載作用,導軌副中,運動的一方稱作運動導軌,與機械的運動部件聯(lián)結(jié),不動的一方稱作支承導軌,與機械的支承部件聯(lián)結(jié).支承部件用以支承和約束運動導軌,使之按功能要求作正確的運動。
（1）選日本NSK滾動導軌,E級精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,fα=1,fw=1.
（2）壽命按每年工作300天,每天兩班,每班8h,開機率0.8計,額定壽命為:
Lh=10×300×2×8×0.8=38400 h ,每分鐘往復次數(shù)nz=8
L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.31×8×60×38400)/ (103)=11428Km
計算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為110N
計算需要的動載荷Cα
P=110/4=27.5N
Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=208N
由書表3-20中選用LY15AL直線滾動導軌副,其Cα=606N, C0α=745N.
（3）滾動導軌間隙調(diào)整
預緊可以明顯提高滾動導軌的剛度,預緊采用過盈配合,裝配時,滾動體、滾道及導軌之間有一定的過盈量。
（4）潤滑與防護
潤滑:采用脂潤滑,使用方便,但應(yīng)注意防塵。
防護裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進入導軌,以提高導軌壽命。
防護方式用蓋板式。
五、Y軸方案及參數(shù)計算
1.Y軸步進電機參數(shù)確定及選擇
Y參數(shù)選定與計算
vy=2.4m/min=0.04 m/s, Fy=120N, Py=Fy Vy=4.8 W
1）脈沖當量選擇
初選五相電機，按五相十拍工作時，步矩角α=0.36°,初定脈沖當量δ=0.004mm/p，
絲杠導程tsP=4 mm,中間齒輪傳動比i為:
i=(αtsP)／(360δ)=0.36×4／(360×0.04)=1
由i確定用剛性聯(lián)軸器.
2）等效傳動慣量計算(不計傳動效率)
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)動慣量
Js=(πd04lρ)／32={[π(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軌折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量,拖板及工作物重和導軌重之和約為16kg
Jw =(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2
=(16000/980)×(0.4／2π) 2÷(1)2×10-4 kg.m2
=7×10-6 kg.m2
因此,折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量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)等效負載轉(zhuǎn)矩計算(以下為折算到電機軸的轉(zhuǎn)矩)
由[3]式(4-7)~(4-9)可知:
Mt =[(Fy+μFx) tsP]/(2πηi)
=[(100+0.06×120) × 0.004]/(2π×0.8×1)
=0.08541N.m
Mf =(Ff tsP)/(2πηi)
=(μW tsP)/(2πηi)
=(0.06×17×9.8×0.004)/ (2π×0.8×1)
=0.008N.m
上述式中 η—絲杠預緊時的傳動效率取 η=0.8 μ為摩擦系數(shù)取0.06
nmax=(vmax/δ)×(α/360°)=(1000/0.004) ×(0.36/360)=250r/min
取起動加速時間tα=0.03 s
初選電動機型號75BF006A ,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=1.98N.m 轉(zhuǎn)動慣量Jm=0.7×10-4 kg.m2 fm=1450Hz
故
M0 =(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η02)
=(1/3Fytsp)÷(2πηi) ×(1-η02)
=[(1/3) ×100×0.004]÷(2π×0.8×1) ×[1-(0.9)2]
=0.005 N.m
式中 Fp0—滾珠絲杠預加負荷,一般取Fy/3
Fy—進給牽引力(N)
η0—滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,取0.9
J =( Je +Jm)=2.8×10-4 kg.m2
Mα =( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)=3.43×10-4 ×(2π×250)÷(60×0.03)=0.2992N.m
Mq = Mαmax+ 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
從計算可知, Mq最大,作為初選電動機的依據(jù).
Mq/ Mjmax=0.16滿足所需轉(zhuǎn)矩要求.
4)步進電機動態(tài)特性校驗
Je /Jm =3.9 < 4 說明慣量可以匹配
電機慣量最大起動頻率 fL = fm/(1+ Je /Jm)1/2=655 Hz
步進電機工作時最大空載起動頻率和切削時最大工作頻率
fq=vmax/(60δ)=1000/(60×0.004)=4167> fL
fc=v1max/(60δ)=100/(60×0.004)=417< fL
所以,與fc對應(yīng)的Mc按電機最大靜轉(zhuǎn)矩校核,顯然滿足要求.
綜上所述,可選該型號步進電機,具有一定的裕量.
2.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、安全保護等功能。因此要根據(jù)傳動裝置工作要求來選定聯(lián)軸器類型。 本方案選型號為GY3型的凸緣聯(lián)軸器。
六、Y軸機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計計算
1.Y軸滾珠絲杠設(shè)計計算
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）軸向間隙預緊方式
預緊目的在于消除滾珠螺旋傳動的間隙,避免間隙引起的空程,從而提高傳動精度。
由書表5-2查得,采用雙螺母墊片預緊方式。
2) 滾珠絲杠副直徑和基本導程系列
由書表5-3查得,采用絲杠直徑20mm,導程為4mm
3) 滾珠絲杠精度等級確定
（1）絲杠有效行程 由[3]表5-4查得le=16 mm
導軌總長Lu =190+120+16=326mm 所以絲杠總長Lv =326-16=310mm
（2）精度等級
根據(jù)有效行程內(nèi)的平均行程允許偏差ep=0.008/300×326×103=8.7 查書表5-5得,精度等級為T2
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)選用運轉(zhuǎn)精度高,軸向剛度高、摩擦力距小的滾動軸承。滾珠絲杠副的支承主要約束絲杠的軸向串動,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(F-S)支承形式。
5)滾珠絲杠副的選擇
（1）高速或較高轉(zhuǎn)速情況 按額定動負荷Cα≥Cαj選擇滾珠絲杠副
Cαj=[(Fefw)/(fhftfafk)]×[(60Lhne)/(106)]1/3
式中 Cαj -–滾珠絲杠副的計算軸向動負荷(N)
Fe--絲杠軸向當量負荷(N). Fe=53.6N
ne--絲杠當量轉(zhuǎn)速(r/min). ne=250 r/min.
Lh--絲杠工作壽命(h). 查表5-7得Lh=15000 h.
ft--溫度系數(shù). 查表5-8,得ft=0.70.
fa--精度系數(shù). 查表5-9得fa=1.0
fw--負載性質(zhì)系數(shù). 查表5-10得fw=0.95
fh--硬度系數(shù).查表5-11得fh=1.0
fk--可靠性系數(shù).查表5-12得fk=0.21
計算得Cαj=2107 N
6) 滾珠絲杠副校核
（1）臨界壓縮負荷 對于一端軸向固定受壓縮的滾珠絲杠,應(yīng)進行壓杠穩(wěn)定性校核計算.
不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮負荷稱為臨界壓縮負荷,用Fn表示
Fn=3.4×1010(f1d24)÷(L02) ×K1
式中 L0–--最長受壓長度.取300 mm=0.3m
f1--絲杠支承方式系數(shù), F-S取2
d2--絲杠螺紋底徑,取17.6 mm=0.0176m
k1=1/3
Fn=24166N >Fmax
（2）臨界轉(zhuǎn)速
ncr=9910(f22d2)/Lc2
式中 f2--絲杠支承方式系數(shù),F-S取3.927.
Lc --臨時轉(zhuǎn)速計算長度. Lc =0.31m. d2--絲杠螺紋底徑,取0.0176 m
ncr=27989 r/min > nmax取,同時驗算絲杠另一個臨界值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）定位精度驗算(略)
7) 滾動導軌副的防護
（1）滾珠絲杠副的防護裝置 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軸滾動導軌設(shè)計計算
導軌的功用是使運動部件沿一定的軌跡運動,并承受運動部件上的載荷,即起導向和承載作用,導軌副中,運動的一方稱作運動導軌,與機械的運動部件聯(lián)結(jié),不動的一方稱作支承導軌,與機械的支承部件聯(lián)結(jié).支承部件用以支承和約束運動導軌,使之按功能要求作正確的運動.
(1)選日本NSK滾動導軌,E級精度.查得,fh=1 ft=1 fc=0.81 fα=1 fw=1
(2)壽命按每年工作300天,每天兩班,每班8h,開機率0.8計,額定壽命為:
Lh=10×300×2×8×0.8=38400 h,每分鐘往復次數(shù)nz=8
L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.294×8×60×38400)/ (103)=10838
計算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為130N
P=130÷4=32.5N
計算需要的動載荷Cα
Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=241N
由[3]表3-20中選用LY15AL直線滾動導軌副,其Cα=606N C0α=745N
(3) 滾動導軌間隙調(diào)整
預緊可以明顯提高滾動導軌的剛度,預緊采用過盈配合,裝配時,滾動體、滾道及導軌之間有一定的過盈量.
(4) 潤滑與防護
潤滑:采用脂潤滑,使用方便,但應(yīng)注意防塵.
防護裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進入導軌,以提高導軌壽命.
防護方式用蓋板式.
七、繪制裝配圖
1.標注裝配圖尺寸、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.對所有零件進行編號。
5.列出零件明細表及標題欄。
6檢查裝配圖。
八、電氣原理圖設(shè)計
1.典型數(shù)控工作臺電氣原理圖的說明
單片機是把微型計算機的主要部分都集成在一個芯片上的單芯片微型計算機,因而可以把它看成是一個不帶外部設(shè)備的微型計算機。不同系列的單片機共同的特點是：控制功能強；體積小；功耗低；成本低。
由于上述優(yōu)越性能，單片機已在工業(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)計方法。在軟件和擴展接口支持下，單片機可以代替以往由模擬和數(shù)字電路實現(xiàn)的系統(tǒng)。
如電氣原理圖所示的就是通過單片機及其外圍接口實現(xiàn)的二坐標數(shù)控工作臺電氣原理圖。它由8031型單片機、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控制部分中的功能、用法及其選擇原則。
1）單片機的選擇
設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)，首先要設(shè)計其核心的單片機系統(tǒng)。從一開始就有一個單片機芯片選型問題。面對不同字長，如4位、8位、16位，各具特色的單片機芯片如何進行選擇。首先要滿足所設(shè)計系統(tǒng)的功能和性能要求；其次要選擇價格較低的芯片，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)計目的是設(shè)計一種經(jīng)濟型的二坐標數(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單片機作為CPU，它具有良好的性能價格比，且易擴展。
2）外部程序存儲器的擴展
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（如8031），或當單片機內(nèi)部程序存儲器容量不夠時，進行程序存儲器的擴展是必不可缺的。半導體存儲器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作單片機的外部程序存儲器。由于EPROM價格低廉，性能可靠，所以單片機外部擴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），掉電后信息不會丟失。在選擇外部程序存儲器電路時，應(yīng)注意電路的讀取時間能否與MCS-51的PESN信號匹配。其片選端接地。
由于本設(shè)計程序容量不大，因而選用2764作為外部程序存儲器。
3）外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展
對大多數(shù)控制性應(yīng)用場合，MCS-51系列單片機內(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)，就需要在單片機的外部擴展數(shù)據(jù)存儲器。
在電氣原理圖中根據(jù)設(shè)計功能要求選用一片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行選通。
4）I/O口擴展電路
本課程設(shè)計因采用步進電機作為驅(qū)動裝置。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)動步進電機的功能，同時完成與鍵盤/顯示器的接口操作功能。
5）顯示器接口設(shè)計
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I/O口線控制，實現(xiàn)各位的分時選通。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，導致人眼看不清，必須根據(jù)人眼視覺暫留現(xiàn)象，選擇一個合適的掃描頻率。圖中選用74LS07進行同相驅(qū)動。
6）鍵盤接口電路設(shè)計
鍵盤實質(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）步進電機的接口電路設(shè)計
對于本課程設(shè)計中選用的步進電機，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)于步進電機的一相。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方向步進電機的五相。對于Y軸步進電機通過8255（U6）的PC0~PC4分別控制Y方向步進電機的五相。
8）其他
（1）電源 整個系統(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)時可根據(jù)額定電壓、額定電流、開啟頻率、觸點數(shù)等參數(shù)進行。選擇行程開關(guān)，安裝于導軌的兩端。其作用是控制信號的通斷，然后由單片機系統(tǒng)檢測該信號的有無，實現(xiàn)控制電機的換向與否的目的。
原理圖中通過8255（U5）的PA4~PA7口檢測步進電機是否到位，從而采取相應(yīng)的控制措施。
九、參考文獻：
[1] 濮良貴主編.機械設(shè)計.第七版.北京：高等教育出版社,2001
[2] 吳宗澤主編.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊.第二版.北京.高等教育出版社.1999
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[4] 尹志強等編著.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書.北京.機械工業(yè)出版社,2007.5