40-二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)【CAD圖紙+word說(shuō)明書】
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寧波大學(xué)
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)械制造設(shè)計(jì)及自動(dòng)化
姓 名
洪 勇 平
學(xué) 號(hào)
084174008
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(shuō)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(shuō)明書草稿一份。
成 績(jī)
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.X軸方案及參數(shù)計(jì)算 ………………………………………（1）
1.方案擬定 ………………………………………………（1）
2.X軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 ………………………（1）
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 ………………………………（3）
2.X軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（4）
五.Y軸方案及參數(shù)計(jì)算 ………………………………………（5）
1.Y軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 …………………………（5）
2.Y軸聯(lián)軸器選擇 … ………………………………………（7）
六.Y軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（7）
1. Y軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（7）
2. Y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(guò)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(wèn)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(shuō)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①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；②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）數(shù)控工作臺(tái)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(shuō)明書（10～20）頁(yè) 1本；
所有圖樣均采用CAD繪制打印，設(shè)計(jì)說(shuō)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(jiǎn)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(guò)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(guò)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
計(jì)算及說(shuō)明
結(jié)果
X參數(shù)選定與計(jì)算
vx=1.5 m/min=0.025m/s, Fx=200N, Px=Fxvx=200×0.025=5W
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)／(360i)=0.36×5／(360×0.004)=1.25
由i確定齒輪齒數(shù)為Z1=24,Z2=24×1.25=30,模數(shù)m=2mm,齒寬B1=16mm，B2=15mm
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(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＝14o
2.（1）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＝0.78，εa2＝0.8，則εa＝εa1+εa2＝1.58
4).應(yīng)力循環(huán)系數(shù)取j=1， 所以：
N1=60n2jLh=60×375×1×(2×8×300×15)＝1.62×109
N2=N1/u=1.62×109/2.083＝1.29×109
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,大齒輪的接觸疲勞強(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,由式（10-12）得：
[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=95.5×105Px/nx=95.5×105×0.0055/375=140N.mm
（2）.計(jì)算
1）.試算小齒輪分度圓直徑d1t≥{2×1.6×140×2.25/（0.3×1.58×1.25）×（2.433×189.8/494.25）2）}（1/3）＝11.41 mm
2).計(jì)算圓周速度 v=лd1tn1/(60×1000)＝0.224m/s
3).計(jì)算齒數(shù)b及模數(shù)mnt： b=Φdd1t=0.3×11.41＝3.432 mm
mnt=d1tcosβ/Z1=11.41×cos14o/24=0.461
h=2.25mnt=2.25×0.461mm =1.037 mm
b/h=3.423/1.037=3.3
4).計(jì)算縱向重合度εβ＝0.318×Φd×Z1×tanβ=0.318×0.3×24×tan14o=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=0.211 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=3.3,(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=1.25×1.01×1.2×1.08＝1.6362
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)=11.41×（1.6362/1.6）（1/3）=11.5 mm
7).計(jì)算模數(shù)mn=d1×cosβ/Z1=11.5×cos14o/24=0.465 mm
3．按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
1).按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)mn≥{(2KT2YβCOS2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3)
①計(jì)算載荷系數(shù)，K=KA×Kv×KFα×KFβ=1.25×1.01×1.2×1.04＝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(jì)算當(dāng)量齒數(shù)Zv1=Z1/cos3β=24/cos314o=26.27
Zv2=Z2/cos3β=30/cos314o=32.8
④由（[1]表10-5）查得：YFa1=2.592,YSa1=1.596
YFa2=2.49, YSa2=1.629
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
⑤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=2.49×1.629/304＝0.013 取大齒輪數(shù)據(jù)
2).設(shè)計(jì)計(jì)算mn≥{2×1.6263×140×0.0133×(cos14°)2/（0.3×242×1.58）}（1/3）＝0.276m
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(lái)計(jì)算應(yīng)有的齒數(shù)，于是有
Z1=d1cosβ/mn=48×cos14o/2＝23.28，取Z1＝24
則Z2＝u×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×cos14o）＝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]=arcos[(24+30) ×2/(2×56) =15.395o
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/cos15.395o =49.78mm
d2=Z2mn/cosβ=30×2/cos15.395o =62.22mm
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
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Jg1=(πd14b1ρ)／32=[π(4.978)4×1.6×7.85×10-3]／32 =7.6×10-5 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=17×10-5 kg.m2
由[3]表3-13初選滾珠絲杠 CDM2005-2.5, 得到 d0=20 mm ,l=380 mm
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×360×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =6×10-5 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,
拖板重量及工作物重約為11kg
Jw=(G/g)×(tsP／2π) 2÷i2 =11×(0.005／2π) 2 ÷1.252 =4.458×10-6 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 =7.6×10-5 kg.m2+0.385×10-5 +(17×10-5 +6×10-5) ÷(1.25)2 =2.277×10-4 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(2-7)—(2-9)可知:
Mt=[(Fx+μFy) tsP]/(2πηi)= [(200+0.06×220) × 0.005]/(2π×0.8×1.25)=0.170N.m
Mf= (Ff tsP)/(2πηi)= (μWtsP)/(2πηi)=(0.06×11×10×0.005)/ (2π×0.8×1.25)=0.0053N.m
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°)=(1500/0.01) ×(0.36/360)=375 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)90BF006,矩頻特性如下圖所示,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=2.156N.m,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=2.257×10-4 kg．m2, fm=2400Hz.
故 M0=(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η02)= (1/3Fxtsp)÷(2πηi) ×(1-η02) =[(1/3) ×220×0.005]÷(2π×0.8×1.25) ×[1-0.92]=0.01N.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)= 2.27×10-4 kg．m2+2.257×10-4 kg.m2 =4.534×10-4 kg.m2
Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)= 4.534×10-4 ×(2π×375)÷(60×0.03)=0.593N.m
Mq= Mamax+ Mf+ M0=0.593+0.0053+0.01=0.0.6083N.m
Mc= Mt+ Mf+ M0=0.170+0.0053+0.01=0.1853N.m
Mk= Mf+ M0=0.0053+0.01=0.0153N.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=0.188 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=2.27/2.25=1.01<4 說(shuō)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=1692.83Hz
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)=1500/(60×0.01)=6250> fL
fc=v1max/(60δ)=300/(60×0.01)=1250< 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.
ZE＝189.8MPa
ZH=2.433
Φd＝0.3
T1=140N.mm
d1t≥11.41 mm
a=56mm
d0=20 mm
l=380 mm
Js=0.6×10-4 kg.m2
Jw=4.458×10-6
Je=2.277×10-4 kg.m
Mt=0.170N.m
Mf=0.0053N.m
nmax=375 r/min
M0=0.01 N.m
Ma= 0.593N.m
Mq=0.6083N.m
Mc=0.1853N.m
Mk=0.0153N.m
fL=1598 Hz
3.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(lái)選定聯(lián)軸器類型。本方案選擇套筒聯(lián)軸器。
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)
（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5mm, 絲杠外徑19.5mm，循環(huán)圈數(shù)2.5，基本動(dòng)載荷8451N，基本靜載荷18352N.
(3)滾珠絲杠精度等級(jí)確定
①絲杠有效行程 由導(dǎo)程查得余程le=20 mm，
得絲杠有效行程lv=lu-le，lu =380-20=360 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=0.02/300×360×103=31.3
由[2]表5-5得,精度等級(jí)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(jiǎn)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：Caj=[(Fefw)/(fhftfafk)]×[(60Lhne)/(106)]1/3
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=(200+0.06×220)/2=106.6N
ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=375/2=187.5r/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=0.90
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.
計(jì)算得Caj=3409NFmax
②臨界轉(zhuǎn)速
對(duì)于在高速下工作的長(zhǎng)絲杠，須驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，以防止絲杠共振.
ncr=9910(f22d2)/Lc2
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(zhǎng)度. Lc=500mm.
d2--絲杠螺紋底徑,取17.6mm
ncr= 10758.9r/min > nmax,同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值
d0n=20×833=7500<70000
③軸承選擇校核
由[1]表6-1選深溝球軸承6201.
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(rùn)滑 潤(rùn)滑劑用鋰基潤(rùn)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型滾動(dòng)導(dǎo)軌 ，E級(jí)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=10×300×2×8×0.8=38400 h
每分鐘往復(fù)次數(shù)nz=8
(3) L=(2lsnz60Lh)/(103)= 5898.24Km
計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺(tái)及其物重約為95N
故：P=95/4=23.75N
計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα
(4) Ca=( fwP)÷(fh ft fc fa)×(L/50)1/3=1438N
由[3]查表3—20選用NSK LY25AL型號(hào)滾動(dòng)導(dǎo)軌副,其Co=1740N. Coa=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(guò)盈配合,裝配時(shí),滾動(dòng)體、滾道及導(dǎo)軌之間有一定的過(guò)盈量.
(4)潤(rùn)滑與防護(hù)
潤(rùn)滑:采用脂潤(rùn)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
計(jì)算及說(shuō)明
結(jié)果
Y參數(shù)選定與計(jì)算
vy=1.25m/min=1/48 m/s, Fy=220N , Px=Fyvy=4.6W
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=0.005mm/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
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)
初選滾珠絲杠CDM2005-2.5, 得到 d0=20 mm ,l=370 mm
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×37×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =4.56×10-5 kg.m2
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,拖板及工作物重和導(dǎo)軌重之和約為12kg
Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2÷i2=12×(0.5／2π) 2÷12×10-4kg.m2
=7.6×10-6 kg.m2
因此,折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je
Je= Jw+Js =7.6×10-6+4.56×10-5=5.32×10-5 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(2-7)~(2-9)可知:
Mt=[(Fy+μFx) tsP]/(2πηi)= [(220+0.06×200) × 0.005]/(2π×0.8×1)=0.2309 N.m
Mf= (Ff tsP)/(2πηi)= (μW tsP)/(2πηi)=(0.06×12×9.8×0.005)/ (2π×0.8×1)=0.007N.m
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°)=(1250/0.01) ×(0.36/360)=125r/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,矩頻特性如下圖所示,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=1.98 N.m,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=0.7×10-4 kg．m2, fm=1450Hz.
M0=(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η02)= (1/3Fytsp)÷(2πηi) ×(1-η02) =[(1/3) ×220×0.005]÷(2π×0.8×1) ×[1-0.92]=0.0139 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
Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)= 5.32×10-5×(2π×125)÷(60×0.03)
=0.3N.m
Mq= Mamax+ Mf+ M0=0.33+0.007+0.0139=0.3509N.m
Mc= Mt+ Mf+ M0=0.2325+0.007+0.0139=0.2518N.m
Mk= Mf+ M0=0.007+0.0139=0.0209N.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=0.35/1.98=0.177 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=0.532/0.7=0.75<4 說(shuō)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=1096 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)=1250/(60×0.005)=4166.7> fL
fc=v1max/(60δ)=300/(60×0.005)=1000< 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.
Px=2.33W
d0=20 mm
l=370 mm
Js=0.395×10-4 kg.m2
Jw=7.6×10-6
Je=5.32×10-4 kg.m2
Mt=0.2309N.m
Mf=0.007N.m
nmax=125 r/min
選電動(dòng)機(jī)型號(hào)75BF006A
M0=0.0139 N.m
Ma= 0.3N.m
Mq=0.3509N.m
Mc=02518N.m
Mk=0.0209N.m
fL=1667Hz
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(lái)選定聯(lián)軸器類型。本方案選擇套筒聯(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)
（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5mm, 絲杠外徑19.5mm，循環(huán)圈數(shù)2.5，基本動(dòng)載荷8451N，基本靜載荷18352N.
(3)滾珠絲杠精度等級(jí)確定
①絲杠有效行程
由導(dǎo)程查得余程le=20 mm，
得絲杠有效行程lv=lu-le，lu =370-20=350 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=0.02/300×350×103=23.3
由[2]表5-5得,精度等級(jí)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(jiǎn)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：Caj=[(Fefw)/(fhftfafk)]×[(60Lhne)/(106)]1/3
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=166N
ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=62.5 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
計(jì)算得Caj=2363.7NFmax
②臨界轉(zhuǎn)速
對(duì)于在高速下工作的長(zhǎng)絲杠，須驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，以防止絲杠共振.
ncr=9910(f22d2)/Lc2
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(zhǎng)度. Lc=380mm.
d2--絲杠螺紋底徑,取17.6mm
ncr=18626.9r/min > nmax,同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值
d0n=20×125=2500<70000
③由[1]表6-1選深溝球軸承6201.
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(rùn)滑 潤(rùn)滑劑用鋰基潤(rùn)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).
(5) 選日本NSK 型滾動(dòng)導(dǎo)軌 ，E級(jí)精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1
(6) 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
(7) L=(2lsnz60Lh)/(103)= 4055.04Km
計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺(tái)及其物重約為117.6N
P=117.6/4=29.4N
計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα
(8) Cα=(fwP)÷(fhftfcfα)×(L/50)1/3=157.1N
由[3]查表3—20選用NSK LY25AL型號(hào)滾動(dòng)導(dǎo)軌副,其Co=1740N. Coa=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(guò)盈配合,裝配時(shí),滾動(dòng)體、滾道及導(dǎo)軌之間有一定的過(guò)盈量.
(4)潤(rùn)滑與防護(hù)
潤(rùn)滑:采用脂潤(rùn)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(shuō)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)；體積小；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(guò)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(shuō)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(wèn)題。面對(duì)不同字長(zhǎng)，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(guò)多功能和過(guò)高性能；另外要選擇那些在國(guó)內(nèi)有成熟的開發(fā)系統(tǒng)和穩(wěn)定的供貨來(lái)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(jiǎn)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(wú)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(chǎng)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(guò)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(yáng)極LED顯示塊拼成10位LED顯示器。為了簡(jiǎn)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(lái)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(jué)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(guò)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(lái)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(wú)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(guò)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(guò)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(cè)
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(cè)該信號(hào)的有無(wú)，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的換向與否的目的。
原理圖中通過(guò)8255（U5）的PA4~PA7口檢測(cè)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] 機(jī)械電子工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書
第 16 頁(yè)
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