30-二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)【CAD圖紙+word說明書】,CAD圖紙+word說明書,30,坐標(biāo),數(shù)控,工作臺(tái),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(tái)設(shè)計(jì) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名 黃海生 學(xué) 號(hào) 084173917 班 級(jí) 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(tái)裝配圖一張（A0）； 3、二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)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 ……………………………………（2） 二.機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 …………………………（2） 三.X軸方案及參數(shù)計(jì)算 ………………………………………（2） 1.方案擬定 ………………………………………………（2） 2.X軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 ………………………（3） 3.X軸聯(lián)軸器選擇 ………………………………………（3） 四.X軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（3） 1.X軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（6） 2.X軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（7） 五.Y軸方案及參數(shù)計(jì)算 ………………………………………（7） 1.Y軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 …………………………（7） 2.Y軸聯(lián)軸器選擇 … ………………………………………（9） 六.Y軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（9） 1. Y軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（9） 2. Y軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（10） 七.繪制裝配圖 ……………………………………………………（11） 八.電氣原理圖設(shè)計(jì) ………………………………………………（11） 九.參考文獻(xiàn) ………………………………………………………（12） 二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì) 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(shí)；（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(tái)設(shè)計(jì)工作。原始數(shù)據(jù)包括錯(cuò)誤！未找到引用源。典型工況下，工作臺(tái)速度、進(jìn)給抗力及臺(tái)面上工作物重量；錯(cuò)誤！未找到引用源。工作臺(tái)定位精度、臺(tái)面尺寸和行程。 設(shè)計(jì)具體要求完成以下工作： （1）工作臺(tái)裝配圖一張（0號(hào)） （2）控制電器圖一張（1號(hào)） （3）設(shè)計(jì)說明書一份（10～20頁 ） 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、X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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)X方向采用一級(jí)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(tái)Y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. 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 vx=1.8 m/min=0.03m/s，F(xiàn)x=65 N，Px=Fxvx=1.95W 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/p, 絲杠導(dǎo)程tsP=5 mm,中間齒輪傳動(dòng)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；d1= 49.78mm, d2 =62.22mm；模數(shù)m=2mm 齒寬B1=16mm,B2=15mm(計(jì)算過程見3) 2)等效傳動(dòng)慣量計(jì)算(不計(jì)傳動(dòng)效率) Jg1=(πd14b1ρ)／32={[π(4.978)4×1.6×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.757×10-4 kg.m2 式中：鋼密度ρ=7.85×10-3 kg/cm3 同理,大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jg2=1.732×10-4 kg.m2 由[4]表3-32初選滾珠絲杠 CDM2005-2.5 得到 d0=20 mm l=400 mm 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×40×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.493×10-4 kg.m2 拖板及工作物重折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,拖板及工作物重之和約為 9+3=12kg Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2 =(12000/980)×(5×10-3／2π) 2÷(1.25)2×10-4 kg.m2 =6.24×10-6 kg.m2 因此,折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je Je= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) ÷i2 =75.7×10-6 +6.24×10-6 +(173.2×10-6 +49.3×10-6) ÷(1.25)2 =2.24×10-4 kg.m2 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: Mt=[(Fx+μFy) tsP]/(2πηi) = [(65+0.06×55) × 0.005]/(2π×0.8×1.25) =0.054N.m Mf= (Ff tsP)/(2πηi) = (μW tsP)/(2πηi) =(0.06×12000×0.005)/ (2π×0.8×1.25) =0.57N.m 上述式中η為絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取 η=0.8 μ為摩擦系數(shù)取 μ=0.06, 已知nmax=(vmax/δ)×(α/360°)=(1800/0.004) ×(0.36/360)=450 r/min 取起動(dòng)加速時(shí)間tα=0.03 s 初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)75BF006A ,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. M0=(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η02) = (1/3Fxtsp)÷(2πηi) ×(1-η02) =[(1/3) ×65×0.005]÷(2π×0.8×1.25) ×[1-(0.9)2] =0.0033 N.m 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) = 2.24×10-4 kg．m2+0.7×10-4 kg.m2 =2.94×10-4 kg.m2 Mα=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα) =2.94×10-4 ×(2π×450)÷(60×0.03) =0.45N.m Mq = Mαmax+ Mf+ M0 =0.45+0.57+0.0033 =1.0233N.m Mc = Mt+ Mf+ M0 =0.054+0.57+0.0033 =0.6273 N.m Mk= Mf+ M0=0.57+0.0033=0.5733 N.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=0.51 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=2.24/0.7=3.2<4 說明慣量可以匹配 電機(jī)慣量最大起動(dòng)頻率 fL=fm/(1+ Je /Jm)1/2=708 Hz 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)=1800/(60×0.004)=7500Hz> fL fc=V1max/(60δ)=150/(60×0.004)=625Hz< fL 所以,與fc對(duì)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(hào)步進(jìn)電機(jī),具有一定的裕量. 3、X軸圓柱斜齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 1）.選定齒輪精度、材料、齒數(shù)及螺旋角 （1）.選精度為7級(jí) （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(qiáng)度設(shè)計(jì) 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＝189.8MPa （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＝0.71，εa2 ＝0.69，則εa＝εa1+εa2 ＝1.40 （4）.應(yīng)力循環(huán)系數(shù)取j=1 已知V=1.8m/min，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程L0=5mm，則 nmax=(vmax/δ)×(α/360°) =(1800/0.004) ×(0.36/360) =450 r/min 所以 N1=60njLh=60×450×1×(2×8×300×15)＝1.944×109 N2=N1/i=1.8×109/1.25＝1.555×109 (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(qiáng)度極限 σHlim1=600MPa 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim2=550MPa (7).計(jì)算疲勞強(qiáng)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 設(shè)效率η=0.8 Px = Fy×v/(1000η)=65×1.8/(1000×0.8×60)=0.0024kw (8).計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=9.55×106Px/nx=51.7N.mm b）、計(jì)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) ={2×1.6×51.7×2.25/（0.3×1.40×1.25）×（2.433×189.8/497.25）2}}（1/3） ＝ 11.78mm （2).計(jì)算圓周速度 v=лd1tn1/(60×1000)＝0.27 m/s （3).計(jì)算齒寬b及模數(shù)mnt, b=Φdd1t=0.3×11.78＝3.53mm mnt=d1tcosβ/Z1=11.78×cos14°/24=0.48mm h=2.25mnt=2.25×0.48mm = 1.08mm b/h=3.53/1.08=3.27 （4).計(jì)算縱向重合度εβ＝0.318×Φd×Z1×tanβ=0.318×0.3×24×tan14°=0.57 （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=0.27 m/s ,7級(jí)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=1.12+0.18(1+0.67Φd2)Φd2+0.23×10-3×b=1.14 由b/h=3.27,(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=kAKvKHαKHβ=1.25×1.01×1.2×1.14＝1.727 （6）.按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 d1=d1t(K/Kt)(1/3)=11.78×（1.727/1.6）（1/3）=12.08mm 取d1=48mm （7).計(jì)算模數(shù)mn=d1×cosβ/Z1=48×cos14°/24=1.94mm 3）、a).按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) mn>={(2Kt1Yβcos2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3) （1）.計(jì)算載荷系數(shù)，K=KA×Kv×KFα×KFβ=1.25×1.01×1.2×1.08=1.63 （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(jì)算當(dāng)量齒數(shù)Zv1=Z1/cos3β=24/cos314°=26.27 Zv2=Z2/cos3β=30/cos314°=32.84 （4）.由（[1]表10-5）查出,YFa1=2.6,YSa1=1.595,YFa2=2.49,YSa2=1.629, 因?yàn)椋╗1]圖10-20c）小齒輪彎曲極限強(qiáng)度σFE1=500MPa,大齒輪σFE2＝380MPa, （[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＝KFN1×σFE1/S=386.36MPa [σF]2＝KFN2×σFE1/S=304MPa （5）.計(jì)算大、小齒輪YFa1 YSa1/[σF]1 、YFa2 YSa2/[σF]2并加以比較 YFa1 YSa1/[σF]1=2.6×1.595/386.36=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(jì)計(jì)算 mn>={(2Kt1Yβcos2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3) ={2×1.63×144.0×0.87×0.013×(cos14°)2/（0.3×242×1.40）}（1/3） =0.276mm 對(duì)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=48mm ,來計(jì)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(jì)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) =15.359°, 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=24×2/cos15.359°=49.78 mm d2=Z2mn/cosβ=30×2/cos15.359°=62.22 mm （4）.計(jì)算齒輪寬度b=Φdd1=0.3×49.78＝14.934mm所以取B2=15mm,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=16mm 四、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)算 1）滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型 （1）.滾珠循環(huán)方式 由[3]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 由[3]表5-3查得,采用絲杠直徑20mm,導(dǎo)程為5mm 30滾珠絲杠精度等級(jí)確定 （1）.絲杠有效行程 由[3]表5-4查得le=20 mm Lv = lu-le=400-20=380 mm （2）.精度等級(jí) 根據(jù)有效行程內(nèi)的平均行程允許偏差 ep=2×lv/300×v300p=2×380/300×6=25，查[3]表5-5得 精度等級(jí)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[3]表5-6查得,采用一端固定一端游動(dòng)(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(dòng)負(fù)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(jì)算軸向動(dòng)負(fù)荷(N) Fe--絲杠軸向當(dāng)量負(fù)荷(N). Fe=34.15N ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min). ne=450r/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=0.9 fw--負(fù)載性質(zhì)系數(shù). 查[3]表5-10得fw=0.95 fh--硬度系數(shù).查[3]表5-11得fh=1.0 fk--可靠性系數(shù).查[3]表5-12得fk=0.21 計(jì)算得Cαj=1814.28N 6）滾珠絲杠副校核 （1）.臨界壓縮負(fù)荷 對(duì)于一端軸向固定受壓縮的滾珠絲杠,應(yīng)進(jìn)行壓杠穩(wěn)定性校核計(jì)算. 不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮負(fù)荷稱為臨界壓縮負(fù)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17.6mm k1 安全系數(shù)，取1/3 Fn=8379.3N>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(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算長度. Lc =0.3m. d2--絲杠螺紋底徑,取17.6mm ncr= 29885 r/min > nmax取,同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值d0n=20×4500=9000 < 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7001C. 校核(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)。 （1）選日本NSK滾動(dòng)導(dǎo)軌,E級(jí)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(jī)率0.8計(jì),額定壽命為: Lh=10×300×2×8×0.8=38400 h ,每分鐘往復(fù)次數(shù)nz=8 L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.13×8×60×38400)/ (103)=4792Km 計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺(tái)及其物重約為2KN 計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα P=2/4=0.5KN Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=2.8 KN 由[3]表3-20中選用LY35AL直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副,其Cα=3590N, C0α=5220N. （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、Y軸方案及參數(shù)計(jì)算 1.Y軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 Y參數(shù)選定與計(jì)算 vy=1.4m/min=0.023 m/s, Fy=55N, Py=Fy Vy=1.28 W 1）脈沖當(dāng)量選擇 初選五相電機(jī)，按五相五拍工作時(shí)，步矩角α=0.72°,初定脈沖當(dāng)量δ=0.005mm/p， 絲杠導(dǎo)程tsP=5 mm,中間齒輪傳動(dòng)比i為: i=(αtsP)／(360δ)=0.36×5／(360×0.005)=1 由i確定用剛性聯(lián)軸器. 由[4]表3-32初選滾珠絲杠 CDM2005-2.5, 得到 d0=20mm ,l=420 mm 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×42×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.12×10-4 kg.m2 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,拖板及工作物重和導(dǎo)軌重之和約為12kg Jw =(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2 =(12000/980)×(0.5／2π) 2÷(1)2×10-4 kg.m2 =7.76×10-6 kg.m2 因此,折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je Je = Jg1+ Jw+( Jg2+Js) ÷i2 =75.7×10-6 +7.76×10-6 +(173.2×10-6 +12×10-6) ÷(1)2 =2.69×10-4 kg.m2 2)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: Mt =[(Fy+μFx) tsP]/(2πηi) =[(55+0.06×65) × 0.005]/(2π×0.8×1) =0.059N.m Mf =(Ff tsP)/(2πηi) =(μW tsP)/(2πηi) =(0.06×12000×0.005)/ (2π×0.8×1) =0.716N.m 上述式中 η—絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取 η=0.8 nmax=(vmax/δ)×(α/360°)=(1200/0.005) ×(0.36/360)=240r/min 取起動(dòng)加速時(shí)間tα=0.03 s 初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)75BF006A ,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 M0 =(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η02) =(1/3Fytsp)÷(2πηi) ×(1-η02) =[(1/3) ×55×0.005]÷(2π×0.8×1) ×[1-(0.9)2] =0.0035 N.m 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)=2.69×10-4 kg．m2+0.7×10-4 kg.m2 =3.39×10-4 kg.m2 Mα =( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)=3.39×10-4 ×(2π×240)÷(60×0.03)=0.2838N.m Mq = Mαmax+ Mf+ M0=0.2838+0.716+0.0035=1.0033 N.m Mc = Mt+ Mf+ M0=0.059+0.716+0.0035=0.7785 N.m Mk = Mf+ M0=0.716+0.0035=0.7195N.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=0.51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 =3.84 < 4 說明慣量可以匹配 電機(jī)慣量最大起動(dòng)頻率 fL = fm/(1+ Je /Jm)1/2=658.9Hz 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)=1200/(60×0.005)=4000Hz> fL fc=v1max/(60δ)=150/(60×0.005)=500Hz< fL 所以,與fc對(duì)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(hào)步進(jìn)電機(jī),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(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。 Py= Fx×v/1000η=1.28/(1000×0.8)=0.0016kw T1=9.55×106Py/ny==0.1273N.m 由（[1]表14-1）查得工作情況系數(shù)KA＝1.5， 轉(zhuǎn)矩Tca=KAT1=1.5×0.1273=0.191N.m 查[4]表4-4得電動(dòng)機(jī)輸出軸直徑d=8 mm 故由（[2]表8-2）選型號(hào)為GY3型的凸緣聯(lián)軸器。 六、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)算 1) 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型 （1）滾珠循環(huán)方式 由[3]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 由[3]表5-3查得,采用絲杠直徑20mm,導(dǎo)程為5mm 3) 滾珠絲杠精度等級(jí)確定 （1）絲杠有效行程 由[3]表5-4查得le=20 mm lv=lu-le=420-20=400 mm （2）精度等級(jí) 根據(jù)有效行程內(nèi)的平均行程允許偏差ep=2×lv/300×v300p =2×400/300×6=20，查[3]表3-5得,精度等級(jí)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[3]表5-6查得,采用一端固定一端游動(dòng)(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(dòng)負(fù)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(jì)算軸向動(dòng)負(fù)荷(N) Fe--絲杠軸向當(dāng)量負(fù)荷(N). Fe=29.45 N ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min). ne=240 r/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=0.9 fw--負(fù)載性質(zhì)系數(shù). 查[3]表5-10得fw=0.95 fh--硬度系數(shù).查[3]表5-11得fh=1.0 fk--可靠性系數(shù).查3]表5-12得fk=0.21 計(jì)算得Cαj=1268.82N 6) 滾珠絲杠副校核 （1）臨界壓縮負(fù)荷 對(duì)于一端軸向固定受壓縮的滾珠絲杠,應(yīng)進(jìn)行壓杠穩(wěn)定性校核計(jì)算. 不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮負(fù)荷稱為臨界壓縮負(fù)荷,用Fn表示 Fn=3.4×1010(f1d24)÷(L02) ×K1 式中 L0–--最長受壓長度.取400 mm=0.4m f1--絲杠支承方式系數(shù), F-S取2 d2--絲杠螺紋底徑,取16.2 mm=0.0176m k1=1/3 Fn=2586.1N >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(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算長度. Lc =0.4m. d2--絲杠螺紋底徑,取0.0176 m ncr=36896.1 r/min > nmax取,同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值d0n=20×240=4800<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(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滾動(dòng)導(dǎo)軌,E級(jí)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(jī)率0.8計(jì),額定壽命為: Lh=10×300×2×8×0.8=38400 h,每分鐘往復(fù)次數(shù)nz=8 L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.1×8×60×38400)/ (103)=3686.4 計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺(tái)及其物重約為0.12 KN P=0.12÷4=0.03 KN 計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=155.3N 由[3]表3-20中選用LY25AL直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副,其Cα=1740N C0α=2650N (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(jí)。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(tái)的技術(shù)特征。 3.編寫技術(shù)要求。 4.對(duì)所有零件進(jìn)行編號(hào)。 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) 1.典型數(shù)控工作臺(tái)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??；功耗低；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(tái)電氣原理圖。它由8031型單片機(jī)、數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、存儲(chǔ)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?cè)谡麄€(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(duì)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。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(tái)，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(chǔ)器的擴(kuò)展 MCS-51的程序存儲(chǔ)器空間為64K字節(jié)。對(duì)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(chǔ)器容量不夠時(shí)，進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展是必不可缺的。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)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(chǔ)器一般為EPROM芯片（紫外線可擦除、電可編程的只讀存儲(chǔ)器），掉電后信息不會(huì)丟失。在選擇外部程序存儲(chǔ)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(hào)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(chǔ)器。 3）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。對(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(hào)分別接8031的RD、WE。其片選信號(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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(hào)的通斷，然后由單片機(jī)系統(tǒng)檢測該信號(hào)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。 九、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(cè).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 [4] 尹志強(qiáng)等編著.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書.北京.機(jī)械工業(yè)出版社,2007.5 14