31-二坐標數(shù)控工作臺設計【CAD圖紙+word說明書】【150-120】,CAD圖紙+word說明書,150-120,31,坐標,數(shù)控,工作臺,設計,cad,圖紙,word,說明書,仿單 目錄 一．概述 ……………………………………………………… 1 1 本課題設計的目的和意義 ……………………………… 1 2 本課題設計的任務和要求 …………………………… 1 3 總體方案設計 ………………………………………… 1 3.1 驅(qū)動控制方式 ………………………………… 1 3.2 傳動形式確定 …………………………………… 1 二．機械系統(tǒng)的設計計算 ………………………………… 2 1 工作臺外形尺寸及重量估算 …………………………… 2 2 X軸機械結(jié)構(gòu)總體設計計算 …………………………… 2 2.1 X軸滾珠絲杠設計計算 ………………………… 2 2.2 X軸滾動導軌設計計算 ………………………… 3 2.3 X軸聯(lián)軸器選擇 ……………………………… 4 3 Y軸機械結(jié)構(gòu)總體設計計算 …………………………… 4 3.1 Y軸滾珠絲杠設計計算 ………………………… 4 3.2 Y軸滾動導軌設計計算 ………………………… 5 3.3 Y軸聯(lián)軸器選擇 …………………………………… 6 4 步進電機參數(shù)確定及選擇 …………………………… 6 四.繪制裝配圖 …………………………………………… 9 五.電氣原理圖設計 …………………………………… 10 六.參考文獻 ………………………………………… 11 一．概述 1 本課題設計的目的和意義 本課程設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備設計的綜合性訓練。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）進行機電一體化設備設計的基本功訓練，包括以下10方面基本功： 1）查閱文獻資料； 2) 分析與選擇設計方案； 3）機械結(jié)構(gòu)設計； 4）電氣控制原理設計； 5）機電綜合分析； 6）繪工程圖； 7）運動計算； 8) 動力計算和和精度計算 9）撰寫設計說明書； 10）貫徹設計標準。 2 本課題設計的任務和要求 在規(guī)定時間內(nèi)，按設計任務書給定的原始數(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。 設計具體要求完成以下工作： 序號 工作內(nèi)容 要求 數(shù)量 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 設計說明書 10～20頁 1本 所有圖樣均采用CAD繪制打印，設計說明書按規(guī)定撰寫。 3 總體方案設計 3.1 驅(qū)動控制方式 由給定的工作臺精度要求較低，為了簡化結(jié)構(gòu)，采用單片機控制的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，經(jīng)聯(lián)軸器后，帶動滾珠絲桿傳動，從而實現(xiàn)二維數(shù)控精密工作臺的縱向（Y軸）、橫向（X軸）進給運動。 3.2 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Y方向和X方向都采用直接傳動方式，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。 二．機械系統(tǒng)的設計計算 1 工作臺外形尺寸及重量估算 根據(jù)臺面尺寸為230×180，根據(jù)課程設計指導書，初步估計取工作臺厚度30mm，則重量：按重量=體積×材料比重估算（其中工作臺為鑄鐵，密度為 7.8×Kg/m3,重力加速度10N/Kg X向拖板（上拖板）: 取Y向拖板= X向拖板 估計上絲桿長度，，為余程查表5-4取20mm，--絲杠螺紋全長140（mm）,電動機約2kg，導座中間中空部分尺寸為200mm×100mm,托板和導軌合估計為 工作臺運動部分為: 工作物重為,另外絲杠和聯(lián)軸器約為20N 所以總重量 2 X軸機械結(jié)構(gòu)總體設計計算 2.1 X軸滾珠絲杠設計計算 （1）滾珠循環(huán)方式和軸向間隙預緊方 查表5-1, 選擇外循環(huán)插管式 查表5-2查得,采用雙螺母墊片預緊方式. 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. （2）滾珠絲杠的選擇 取基本導程為5mm ,由導程查得余程le=20 mm， 絲杠有效行程lv=120mm 定位精度 所以有效行程內(nèi)的平均行程誤差 查表5-5 有效行程120 315mm ，允許偏差 所以絲杠的精度等級為T1 級 滾珠絲杠副的選擇： 本方案屬于高速或較高轉(zhuǎn)速情況，按額定動負荷Ca≥Caj選擇滾珠絲杠副 Fe--絲杠軸向當量負荷(N). 取進給抗力和摩擦力之和的一半 進給抗力 =80N 滾動導軌的摩擦系數(shù) ne--絲杠當量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進給轉(zhuǎn)速 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=0.005mm/p(選擇過程在電動機的選擇中說明) 所以 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=1 fa--精度系數(shù). 查表5-9得fa=1 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 fk--可靠性系數(shù).查[2]表5-12得fk=0.21（可靠度為99%） 計算得 按核定動載荷選擇滾珠絲杠副，所以查指導書表3-13，選擇北京機床研究所JCS系列的CDM2005—2.5，它的基本動載荷=8451N 基本靜載荷=18352N，足夠用。 2.2 X軸滾動導軌設計計算 導軌型式：直線滾動導軌 取動導軌長度 動導軌行程 余程 支承導軌長度 假設目標壽命為10年，根據(jù)題意得 有效行程 所以滑塊每分鐘往返次數(shù)：次 額定壽命 計算四滑塊的載荷 計算需要的動載荷 查機電一體化書表2-14表2-18 得： 代入數(shù)據(jù)得，查指導書表2-20，選擇日本NSK滾動導軌，型號為LY15AL,基本額定動載荷=605N 基本額定靜載荷=745N，滿足要求。 2.3 X軸聯(lián)軸器選擇 公稱轉(zhuǎn)矩： 查機械設計書P351 表14-1得 轉(zhuǎn)矩： 查表得 取A23型柔性彈性聯(lián)軸器，許用轉(zhuǎn)矩為0.5N·m 許用轉(zhuǎn)速25000r/min 直徑d 在之間，滿足要求。 3 Y軸機械結(jié)構(gòu)總體設計計算 3.1 Y軸滾珠絲杠設計計算 （1）滾珠循環(huán)方式和軸向間隙預緊方 查表5-1, 選擇外循環(huán)插管式 查表5-2查得,采用雙螺母墊片預緊方式. 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. (2)（2）滾珠絲杠的選擇 由表5-3 初步選擇基本導程為5mm ,由導程查得余程le=20 mm， 絲杠有效行程lv=120mm 定位精度 所以有效行程內(nèi)的平均行程誤差 查表5-5 有效行程120 315mm ，所以絲杠的精度等級為T1 級 滾珠絲杠副的選擇： 本方案屬于高速或較高轉(zhuǎn)速情況，按額定動負荷Ca≥Caj選擇滾珠絲杠副 Fe--絲杠軸向當量負荷(N). 取進給抗力和摩擦力之和的一半 進給抗力 =80N 滾動導軌的摩擦系數(shù) ne--絲杠當量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進給轉(zhuǎn)速 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=0.005mm/p, 所以 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=1 fa--精度系數(shù). 查表5-9得fa=1 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 fk--可靠性系數(shù).查[2]表5-12得fk=0.21（可靠度為99%） 計算得 按核定動載荷選擇滾珠絲杠副，所以查指導書表3-13，選擇北京機床研究所JCS系列的CDM2005—2.5，它的基本動載荷=8451N 基本靜載荷=18352N，足夠用。 3.2 Y軸滾動導軌設計計算 導軌型式：直線滾動導軌 取動導軌長度 動導軌行程 余程 支承導軌長度 假設目標壽命為10年，根據(jù)題意得 有效行程 所以滑塊每分鐘往返次數(shù)：次 額定壽命 計算四滑塊的載荷 計算需要的動載荷 查機電一體化書表2-14表2-18 得： 代入數(shù)據(jù)得 查指導書表2-20，選擇日本NSK滾動導軌，型號為LY15AL,基本額定動載荷=605N 基本額定靜載荷=745N，滿足要求。 3.3 Y軸聯(lián)軸器選擇 公稱轉(zhuǎn)矩： 查機械設計書P351 表14-1得 轉(zhuǎn)矩： 查表得 取A23型柔性彈性聯(lián)軸器，許用轉(zhuǎn)矩為0.5N·m 許用轉(zhuǎn)速25000r/min 直徑d 在之間，滿足要求。 4 步進電機參數(shù)確定及選擇 根據(jù)裝配結(jié)構(gòu)，Y向電機負載較大，因此確定此向電機 4.1脈沖當量選擇 初選五相電機，按五相十拍工作時，步距角，由于要求平臺定位精度： ，取定位精度的（）， X方向： Y方向： 所以XY方向脈沖當量都可以取 中間齒輪傳動比為 所以都可以采用直接傳動方式 4.2等效轉(zhuǎn)動慣量計算 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量（不計傳動效率） 查表指導書表2-9，型號為CDM2005-2.5的絲杠，公稱直徑d=20mm 鋼的密度為 絲杠長度為340mm Y以上平臺和工作物重總重折算到軸上的轉(zhuǎn)動慣量 因此，折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量 4.3 等效負載轉(zhuǎn)矩計算(以下均為折算到電機軸的轉(zhuǎn)矩） 由式（4-7）-（4-9）可知： ——滾珠絲杠預緊時的傳動效率，取0.8 ——絲杠未預緊時的傳動效率，取0.9 ——預緊力，取 絲杠預緊引起的折算到電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩： 所以 取啟動加速時間 查指導書，初選電動機型號90BF006 最大靜轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動慣量 , =2400Hz. 所以可以得到： 加速轉(zhuǎn)矩 快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩 最大工作負載所需轉(zhuǎn)矩 快速進給所需轉(zhuǎn)矩 從上可知，一般情況做為初選電動機的依據(jù) 滿足所需的轉(zhuǎn)矩要求 4.4 步進電機動態(tài)特性校驗 說明慣量可以匹配 電機帶慣量最大啟動頻率 所以,與fc對應的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. 四.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。 五.電氣原理圖設計 5.1典型數(shù)控工作臺電氣原理圖說明 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,不同系列的單片機共同的特點是：控制功能強；體積??；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)控制領域得到廣泛應用.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。 5.2 單片機的選擇 設計單片機應用系統(tǒng)，首先要設計其核心的單片機系統(tǒng)。選擇單片機，首先要滿足所設計系統(tǒng)的功能和性能要求；其次要選擇價格較低的芯片，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。 本課程設計目的是設計一種經(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。 5.3 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，在選擇外部程序存儲器電路時，應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。由于本設計程序容量不大，因而選用2764作為外部程序存儲器。 5.4外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展 對大多數(shù)控制性應用場合，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。 5.5 I/O口擴展電路 本課程設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。 5.6 顯示器接口設計 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。 5.7鍵盤接口電路設計 鍵盤實質(zhì)上是一組按鍵開關的集合。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。 5.8 步進電機的接口電路設計 對于本課程設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。 5.9限位開關及其反饋信號檢測 選擇限位開關時可根據(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，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，從而采取相應的控制措施。 六.參考文獻 [1] 機械電子工程專業(yè)課程設計指導書 [2] 吳宗澤主編 . 機械設計課程設計手冊 .第二版 .北京 .高等教育出版社 . 1999 [3] 濮良貴主編 . 機械設計 . 第七版 . 北京： 高等教育出版社 . 2001 [4] 鄭堤，唐可洪主編. 機電一體化設計基礎. 北京機械出版社. 11