41-二坐標數(shù)控工作臺設計【CAD圖紙+word說明書】
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寧波大學科技學院
機電專業(yè)課程設計任務書
姓名
凌伊慧
學號
84174018
學院
機械工程與力學學院
班級
08機電1模塊班
專業(yè)
機電
題號
71
題目
二坐標數(shù)控工作臺設計
主要內(nèi)容及要求：
1、工作臺裝配圖一張(0號)
2、控制電氣圖一張(1號)
3、設計說明書一份(10-20頁)
4、具體設計參數(shù)
(1)臺面尺寸：190×175， 行程X：120，Y：110
(2)定位精度：X±0.018/300mm Y±0.013/300mm
(3)典型工藝參數(shù)：臺面速度X：1.6m/min，Y：1.45m/min；
進給抗力 X：70N；Y：75N；
工作物重：8kg。
指導教師
胡利永
2012年 2 月 18 日
教學組長
年 月 日
寧波大學
機械學院
機械設計制造及其自動化專業(yè)
機電模塊課程設計
設計題目
二坐標數(shù)控工作臺設計
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
姓 名
凌伊慧
學 號
084174018
班 級
08機械（1）班
指導教師
胡利永
學 期
2011～2012學年第二學期
設計時間
2012、02、19～2011、03、09
內(nèi)
附
資
料
1、課程設計說明書一份（含設計任務書）；
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
2011、03
目錄
一.機電專業(yè)課程設計目的 ……………………………………（1）
二.機電專業(yè)課程設計的任務和要求 …………………………（1）
三.X軸方案及參數(shù)計算 ………………………………………（1）
1.方案擬定 ………………………………………………（1）
2.X軸步進電機參數(shù)確定及選擇 ………………………（1）
3.X軸聯(lián)軸器選擇 ………………………………………（3）
四.X軸機械結構總體設計計算 ………………………………（3）
1.X軸滾珠絲杠設計計算 ………………………………（3）
2.X軸滾動導軌設計計算 ………………………………（4）
五.Y軸方案及參數(shù)計算 ………………………………………（5）
1.Y軸步進電機參數(shù)確定及選擇 …………………………（5）
2.Y軸聯(lián)軸器選擇 … ………………………………………（7）
六.Y軸機械結構總體設計計算 ………………………………（7）
1. Y軸滾珠絲杠設計計算 ………………………………（7）
2. Y軸滾動導軌設計計算 ………………………………（8）
七.繪制裝配圖 ……………………………………………………（9）
八.電氣原理圖設計 ………………………………………………（10）
九.參考文獻 ………………………………………………………（11）
一、機電專業(yè)課程設計目的
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）機械結構設計；4）電氣控制原理設計；5）機電綜合分析；6）繪工程圖；7）運動計算和精度計算；9）撰寫設計說明書；10）貫徹設計標準。
二、機電專業(yè)課程設計的任務和要求
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：
（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。
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，為簡化結構，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。結構緊湊，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
計算及說明
結果
X參數(shù)選定與計算
vx=1.45 m/min=0.0242m/s, Fx=70N, Px=Fxvx=1.69W
1）脈沖當量選擇
初選三相電機，按三相六拍工作時，步矩角α=0.72°,初定脈沖當量 δ=0.008mm/p, 絲杠導程tsP=6 mm,中間齒輪傳動比i為:
i=(αtsP)／(360δ)=0.72×5／(360×0.008)=1.25
由i確定齒輪齒數(shù)為Z1=24,Z2=30,模數(shù)m=2mm,齒寬b1=12mm,b2=10mm
X圓柱斜齒輪傳動設計如下：
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=24,Z2=Z1×i=24×1.25＝30
4）.選取螺旋角， 初選β＝14o
2.（1）按齒面接觸疲勞強度設計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＝189.8MPa
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).應力循環(huán)系數(shù)取j=1， 所以：
N1=60n2jLh=60×1500×1×(2×8×300×15)＝6.480×109
N2=N1/u=6.480×109/1.25＝5.184×109
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度極限σHlim1=600MPa,大齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim2=550MPa,
7).計算接觸疲勞強度許用應力：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) 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：
T1=95.5×105Px/nx=95.5×105×0.00693/1500=44.121N.mm
（2）.計算
1）.試算小齒輪分度圓直徑d1t≥{2×1.6×44.121×3.083/（0.3×1.630×1.25）×（2.433×189.8/494.25）2）}（1/3）＝12.0 mm
2).計算圓周速度 v=лd1tn1/(60×1000)＝0.942m/s
3).計算齒數(shù)b及模數(shù)mnt： b=Φdd1t=0.3×12＝3.6 mm
mnt=d1tcosβ/Z1=12×cos14o/24=0.485
h=2.25mnt=2.25×0.485mm =1.091 mm
b/h=3.6/0.655=3.3
4).計算縱向重合度εβ＝0.318×Φd×Z1×tanβ=0.318×0.3×24×tan14o=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=0.033 m/s ,7級精度，由（[1]圖10-8）查得動載系數(shù)Kv=1.01,（由[1]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[1]圖10-13)查得KFβ=1.14, 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）.按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑d1=d1t(K/Kt)(1/3)=12×（1.73/1.6）（1/3）=12.32 mm
7).計算模數(shù)mn=d1×cosβ/Z1=12.32×cos14o/24=0.50 mm
3．1).按齒輪彎曲強度設計mn>={(2KT2YβCOS2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3)
①計算載荷系數(shù)，K=KA×Kv×KFα×KFβ=1.25×1.01×1.2×1.14＝1.73
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=0.93
③計算當量齒數(shù)Zv1=Z1/cos3β=24/cos314o=26.27
④由（[1]表10-5）查出,YFa1=2.592,YSa1=1.596,YFa2=2.3,YSa2=1.715.
因為小齒輪彎曲極限強度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).設計計算mn>={2×1.73×44.121×0.93×0.013×(cos14°)2/（0.3×242×1.63）}（1/3）＝0.168m
對比計算結果，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=20mm ,來計算應有的齒數(shù)，于是有
Z1=d1cosβ/mn=20×cos14o/2＝9.76，取Z1＝24，則Z2＝u×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×cos14o）＝55.6 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) =15.36o, 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/cos15.36o =49.7mm
d2=Z2mn/cosβ=30*2/cos15.36o =62.2mm
④計算齒輪寬度b=Φdd1=0.3*49.7＝14.91 mm所以取B2=15mm,為易于補償齒輪軸向位置誤差，應使小齒輪寬度大于大齒輪寬度，所以小齒輪約為B1=16mm
2)等效傳動慣量計算(不計傳動效率)
小齒輪轉(zhuǎn)動慣量Jg1=(πd14b1ρ)／32=[π(2.06)4×1.2×7.85×10-3]／32 =0.017×10-4 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=0.272×10-4 kg.m2
由[3]表3-13初選滾珠絲杠 CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=430 mm
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×43×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.53×10-4 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,
拖板重量12kg
工作物重約為8kg
Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2 =12×(0.6／2π) 2 ÷1.252×10-4 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 =0.017×10-4 kg.m2+0.07×10-4 kg.m2
+(0.272×10-4 kg.m2 +0.197×10-4 kg.m2
) ÷(1.25)2 =0.387×10-4 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[3]式(2-7)~(2-9)可知:
Mt=[(Fx+μFy) tsP]/(2πηi)= [(70+0.06×75) × 0.006]/(2π×0.8×1.25)=0.0757N.m
Mf= (Ff tsP)/(2πηi)= (μW tsP)/(2πηi)=(0.06×12×9.8×0.006)/ (2π×0.8×1.25)=0.0067N.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°)=(2000/0.008) ×(1.5/360)=694 r/min
取起動加速時間tα=0.03 s
初選電動機型號70BF003,矩頻特性如下圖所示,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=0.784N.m,轉(zhuǎn)動慣量Jm=0.2×10-4 kg．m2, fm=1600Hz.
故
M0=(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η02)= (1/3Fxtsp)÷(2πηi) ×(1-η02) =[(1/3) ×70×0.006]÷(2π×0.8×1.25) ×[1-0.92]=0.0042 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)= 0.387×10-4 kg．m2+0.2×10-4 kg.m2 =0.587×10-4 kg.m2
Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)= 0.587×10-4 ×(2π×694÷(60×0.03)= 0.142N.m
Mq= Mamax+ Mf+ M0=0.142+0.0067+0.0042=0.1529N.m
Mc= Mt+ Mf+ M0=0.0757+0.0067+0.0042=0.0866N.m
Mk= Mf+ M0=0.0067+0.0042=0.0109N.m
從計算可知, Mq最大,作為初選電動機的依據(jù).
Mq/ Mjmax=0.195<0.9 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求.
4)步進電機動態(tài)特性校驗
Je /Jm=0.387/0.2=1.935<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=933.9.4Hz
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)=2000/(60×0.008)=3333.3> fL
fc=v1max/(60δ)=500/(60×0.008)=915.3< fL
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.
ZE＝189.8MPa
ZH=2.433
Φd＝0.3
T1=44.121N.mm
d1t≥12.0 mm
a=56mm
d0=20 mm
l=430 mm
Js=0.197×10-4 kg.m2
Jw=7×10-6
Je=0.387×10-4 kg.m
Mt=0.12728N.m
Mf=0.0067N.m
nmax=694 r/min
M0=0.0042 N.m
Ma= 0.142N.m
Mq=0.1529N.m
Mc=0.0866N.m
Mk=0.0109N.m
fL=933.9 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。本方案選擇套筒聯(lián)軸器。
四、X軸機械結構總體設計計算
1. X軸滾珠絲杠設計
（1）滾珠絲杠副的結構類型
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
采用絲杠公稱直徑 20mm,導程為6mm, 絲杠外徑19.5mm，絲杠底徑17.76mm，循環(huán)圈數(shù)2.5，基本動載荷7417N，基本靜載荷15311N，剛度376N/um.
(3)滾珠絲杠精度等級確定
①絲杠有效行程 由導程查得余程le=20 mm，
得絲杠有效行程lv=lu-le，lu =430-20=410 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=0.02/300*140*103=9.33
由[2]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[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，按額定動負荷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=111N
ne--絲杠當量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進給轉(zhuǎn)速 ne=166.6 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=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（可靠度99%）
計算得Caj=3.811KNFmax
②臨界轉(zhuǎn)速
對于在高速下工作的長絲杠，須驗算其臨界轉(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)速計算長度. Lc =0.26m.
d2--絲杠螺紋底徑,取0.016m
ncr= 36138r/min > nmax,同時驗算絲杠另一個臨界值
d0n=20*833=16660<70000
③軸承選擇校核由[1]表6-6選角接觸球軸承7001AC.
參考[1]中有關內(nèi)容，計算略
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,不動的一方稱作支承導軌,與機械的支承部件聯(lián)結.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型滾動導軌 ，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
(3) L=(2lsnz60Lh)/(103)=5160.96Km
計算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為200N
計算需要的動載荷Cα
(4) Ca=( fwP)÷(fh ft fc fa)×(L/50)1/3=1800N
選用NSK LY30AL型號滾動導軌副,其Co=2570N. Coa=3840N
(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
計算及說明
結果
Y參數(shù)選定與計算
vy=1.6m/min, Fy=75N , Px=Fyvy=2W
1）脈沖當量選擇
初選五相電機，按五相五拍工作時，步矩角α=0.72°,初定脈沖當量 δ=0.005mm/p, 絲杠導程tsP=5 mm,中間齒輪傳動比i為:
i=(αtsP)／(360i)=0.72×5／(360×0.005)=2
由i確定齒輪齒數(shù)為Z1=20,Z2=40,模數(shù)m=2mm,齒寬b1=12mm,b2=10mm(計算見后)
2)等效傳動慣量計算(不計傳動效率)
Jg1=(πd14b1ρ)／32=[π(4)4×1.2×7.85×10-3]／32 =0.2×10-4kg.m2
式中 鋼密度ρ=7.85×10-3 kg/cm3
同理,大齒輪轉(zhuǎn)動慣量 Jg2=0.481×10-4 kg.m2
由[3]表3-13初選滾珠絲杠CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=420 mm
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×38×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.468×10-4 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25kg
Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2 =25×(0.5／2π) 2 ÷22×10-4 kg.m2 =15.6×10-6 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 =0.2×10-4 kg.m2+0.03962×10-4 kg.m2
+(0.481×10-4 kg.m2 +0.468×10-4 kg.m2
) ÷12 =0.477×10-4 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[3]式(2-7)~(2-9)可知:
Mt=[(Fy+μFx) tsP]/(2πηi)= [(75+0.06×70) × 0.005]/(2π×0.8×2)=0.042N.m
Mf= (Ff tsP)/(2πηi)= (μW tsP)/(2πηi)=(0.06×25×9.8×0.005)/ (2π×0.8×2)=0.0073N.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°)=(2500/0.005) ×(0.72/360)=1000r/min
取起動加速時間tα=0.03 s
初選電動機型號75BF006A,矩頻特性如下圖所示,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=1.95N.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) ×200×0.005]÷(2π×0.8×2) ×[1-0.92]=0.0063 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)= 0.477×10-4 kg．m2+0.7×10-4 kg.m2 =1.177×10-4 kg.m2
Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)=1.177×10-4 ×(2π×1000)÷(60×0.03)= 0.411N.m
Mq= Mamax+ Mf+ M0=0.411+0.0073+0.0063=0.4246N.m
Mc= Mt+ Mf+ M0=0.016+0.0073+0.0063=0.1196N.m
Mk= Mf+ M0=0.0073+0.0063=0.0136N.m
從計算可知, Mq最大,作為初選電動機的依據(jù).
Mq/ Mjmax=0.21<0.9 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求.
4)步進電機動態(tài)特性校驗
Je /Jm=0.477/0.7=0.68<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=1118.7 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)=2500/(60×0.005)=8333.3> fL
fc=v1max/(60δ)=300/(60×0.005)=1000< fL
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.
Px=2W
d0=20 mm
l=420 mm
Js=0.468×10-4 kg.m2
Jw=15.6×10-6
Je=0.776×10-4 kg.m2
Mt=0.042N.m
Mf=0.0073N.m
nmax=1000 r/min
選電動機型號75BF006A
M0=0.0063 N.m
Ma= 0.411N.m
Mq=0.4246N.m
Mc=0.1196N.m
Mk=0.0136N.m
fL=1118.7Hz
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。本方案選擇套筒聯(lián)軸器。
六、Y軸機械結構總體設計計算
1. Y軸滾珠絲杠設計計
（1）滾珠絲杠副的結構類型
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
采用絲杠公稱直徑 20mm,導程為5mm, 絲杠外徑19.5mm，絲杠底徑17.76mm，循環(huán)圈數(shù)5，基本動載荷14205N，基本靜載荷38244N，剛度730N/um.
(3)滾珠絲杠精度等級確定
①絲杠有效行程 由導程查得余程le=20 mm，
得絲杠有效行程lv=lu-le，lu =140-20=300 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=0.015/300*120*103=6
由[2]表5-5得,精度等級為T1
(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[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，按額定動負荷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=106.3N
ne--絲杠當量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進給轉(zhuǎn)速 ne=100 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=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（可靠度99%）
計算得Caj=3078.6NFmax
②臨界轉(zhuǎn)速
對于在高速下工作的長絲杠，須驗算其臨界轉(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)速計算長度. Lc =0.32m.
d2--絲杠螺紋底徑,取0.0175m
ncr= 26117.6r/min > nmax,同時驗算絲杠另一個臨界值
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]中有關內(nèi)容，計算略
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,不動的一方稱作支承導軌,與機械的支承部件聯(lián)結.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.
(5) 選日本NSK 型滾動導軌 ，E級精度，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,開機率0.8計,額定壽命為:
Lh=10×300×8×0.8=38400 h
每分鐘往復次數(shù)nz=5
(7) L=(2lsnz60Lh)/(103)= 2764.8Km
計算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為245N
計算需要的動載荷Cα
(8) Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=1.79N
選用NSK LY30AL型號滾動導軌副,其Co=2570N. Coa=3840
(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.寫出工作臺的技術特征。
3.編寫技術要求。
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)控制領域得到廣泛應用，特別是隨著數(shù)字技術的發(fā)展，它在很大程度上改變了傳統(tǒng)的設計方法。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
設計單片機應用系統(tǒng)，首先要設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呢？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，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。
（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。
（3）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。
（4）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）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。
（6）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構是一樣的。
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。
九、參考文獻：
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[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] 樓應侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編 . 機械電子工程專業(yè)課程設計指導書
第 15 頁
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