33-二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)【CAD圖紙+word說(shuō)明書(shū)】,CAD圖紙+word說(shuō)明書(shū),33,坐標(biāo),數(shù)控,工作臺(tái),設(shè)計(jì),cad,圖紙,word,說(shuō)明書(shū),仿單 寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院 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 錢凱 學(xué) 號(hào) 084173940 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(shū)一份（含設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)）； 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(shū)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(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；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(shū)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(shū)（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(shū)按規(guī)定撰寫(xiě)。 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=1.6 m/min=0.027m/s, Fx=75N, Px=Fxvx=2.025W 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=5mm,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,模數(shù)m=2mm,齒寬b1=12mm,b2=10mm 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 ＝0.81，則εa＝εa1+εa2 ＝1.590 4).應(yīng)力循環(huán)系數(shù)取j=1， 所以： N1=60n2jLh=60×400×1×(2×8×300×15)＝1.728×109 N2=N1/u=1.728×109/1.25＝1.38×109 5）.（由圖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, [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*0.002025/400=48.35N.mm （2）.計(jì)算 1）.試算小齒輪分度圓直徑d1t≥{2×1.6×48.35×2.25/（0.3×1.590×1.25）×（2.433×189.8/494.25）2）}（1/3）＝8 mm 2).計(jì)算圓周速度 v=лd1tn1/(60×1000)＝0.167m/s 3).計(jì)算齒數(shù)b及模數(shù)mnt： b=Φdd1t=0.3×8＝2.4mm mnt=d1tcosβ/Z1=8×cos14o/24=0.323 h=2.25mnt=2.25×0.323mm =0.72675 mm b/h=2.4/0.72675=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=0.167m/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=1.14, 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(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)=8×（1.73/1.6）（1/3）=8.21 mm 7).計(jì)算模數(shù)mn=d1×cosβ/Z1=8.21×cos14o/24=0.33 mm 3．1).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=1.25×1.01×1.2×1.14＝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(jì)算當(dāng)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?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=2.30×1.715/304＝0.013 取大齒輪數(shù)據(jù) 2).設(shè)計(jì)計(jì)算mn>={2×1.73×48.35×0.93×0.013×(cos14°)2/（0.3×242×1.590）}（1/3）＝0.191m 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=20mm ,來(lái)計(jì)算應(yīng)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(jì)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(jì)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(jì)算齒輪寬度b=Φdd1=0.3*49.7＝14.91 mm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(4.97)4×1.2×7.85×10-3]／32 =0.564×10-4 kg.m2 式中 鋼密度ρ=0.138×10-3 kg/cm3 同理,大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)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=365mm 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×365×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.5398×10-4 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, 拖板和導(dǎo)軌重量27.33kg 工作物重約為11kg Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2 =38.33×(0.5／2π) 2 ÷1.252×10-4 kg.m2 =15.6×10-6 kg.m2 因此,折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je Je= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) ÷i2 =0.564×10-4 kg.m2+0.156×10-4 kg.m2 +(1.38×10-4 kg.m2 +0.5398×10-4 kg.m2 ) ÷(1.25)2 =1.948×10-4 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)= [(75+0.06×70) × 0.005]/(2π×0.8×1.25)=0.0631N.m Mf= (Ff tsP)/(2πηi)= (μW tsP)/(2πηi)=(0.06×383.3×0.005)/ (2π×0.8×1.25)=0.0183N.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°)=(1600/0.004) ×(0.36/360)=400 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,矩頻特性如下圖所示,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)= (1/3Fxtsp)÷(2πηi) ×(1-η02) =[(1/3) ×75×0.005]÷(2π×0.8×1.25) ×[1-0.92]=0.003774 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)= 1.948×10-4 kg．m2+0.7×10-4 kg.m2 =2.648×10-4 kg.m2 Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)= 2.648×10-4 ×(2π×400)÷(60×0.03)= 0.3695N.m Mq= Mamax+ Mf+ M0=0.3695+0.0183+0.003774=0.3916N.m Mc= Mt+ Mf+ M0=0.0631+0.0183+0.003774=0.08517N.m Mk= Mf+ M0=0.0183+0.003774=0.022074N.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=0.1978<0.9 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=19.48/7=2.78<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=745.88Hz 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)=1600/(60×0.004)=6666.67> fL fc=v1max/(60δ)=160/(60×0.004)=666.667< 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=48.65N.mm d1t≥8.0 mm a=56mm d0=20 mm l=365 mm Js=5.398×10-5 kg.m2 Jw=0.156×10-4 Je=19.48×10-5 kg.m Mt=0.0631N.m Mf=0.0183N.m nmax=400 r/min M0=0.003774 N.m Ma= 0.3695N.m Mq=0.3916N.m Mc=0.08517N.m Mk=0.022074N.m fL=745.88Hz 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) （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，絲杠底徑17.76mm，循環(huán)圈數(shù)2.5，基本動(dòng)載荷5862N，基本靜載荷1436N (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 =225+120-20=325 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=0.008*2/300*325*103=17.33 由[2]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[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=39.6N ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=400 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=0.90 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（可靠度99%） 計(jì)算得Caj=2022.8KNFmax 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 =0.345m. ncr= 22469.6r/min > nmax,同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值 d0n=20*400=8000<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(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(kāi)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)=3686.4Km 計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺(tái)及其物重約為383.3N （4）計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα Ca=( fwP)÷(fh ft fc fa)×(L/50)1/3=496.064N 選用NSK LY30AL型號(hào)滾動(dòng)導(dǎo)軌副,其Co=605N. Coa=745N (5)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. (6)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=1.5m/min, Fy=70N , Px=Fyvy=1.75W 1）脈沖當(dāng)量選擇 初選五相電機(jī)，按五相五十拍工作時(shí)，步矩角α=0.36°,初定脈沖當(dāng)量 δ=0.004mm/p, 絲杠導(dǎo)程tsP=4 mm,中間齒輪傳動(dòng)比i為: i=(αtsP)／(360i)=0.36×4／(360×0.004)=1 2)等效傳動(dòng)慣量計(jì)算(不計(jì)傳動(dòng)效率) 由[3]表3-13初選滾珠絲杠CDM2004-2.5, 得到 d0=20 mm ,l=280 mm 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jg=(πd14b1ρ)／32=[π(2)4×28.2×7.85×10-3]／32 =0.345×10-4kg.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38.33kg Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2 =38.33×(0.4／2π) 2 ÷1×10-4 kg.m2 =1.555×10-5 kg.m2 因此,折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je Je= Jg+ Jw =1.555×10-5 kg.m2+3.45×10-5 kg.m2 =5.005×10-5 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)= [(75+0.06×70) × 0.004]/(2π×0.8×1)=0.6005 N.m Mf= (Ff tsP)/(2πηi)= (μW tsP)/(2πηi)=(0.06×383.3×0.004)/ (2π×0.8×1)=0.0183N.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°)=(1500/0.004) ×(0.36/360)=375r/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=1.98N.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) ×70×0.004]÷(2π×0.8×1) ×[1-0.92]=0.00353 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)= 5.005×10-5 kg．m2+0.7×10-4 kg.m2 =12.005×10-5 kg.m2 Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)=12.005×10-5 ×(2π×375)÷(60×0.03)= 0.1507N.m Mq= Mamax+ Mf+ M0=0.1507+0.0183+0.00353=0.1789N.m Mc= Mt+ Mf+ M0=0.6005+0.0183+0.00353=0.62233N.m Mk= Mf+ M0=0.0183+0.00353=0.02183N.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=0.0903<0.9 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=5.005/0.7=0.715<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=1107.23 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)=1500/(60×0.004)=6250> fL fc=v1max/(60δ)=150/(60×0.005)=625< 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=1.75W d0=20 mm l=280 mm Jw=1.555×10-5 Je=5.005×10-5 kg.m2 Mt=0.106N.m Mf=0.6005N.m nmax=375r/min 選電動(dòng)機(jī)型號(hào)75BF006A M0=0.00353 N.m Ma= 0.15707N.m Mq=0.1789N.m Mc=0.62233N.m Mk=0.02183N.m fL=1107.23 Hz 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4mm, 絲杠外徑19.5mm，絲杠底徑17.76mm，循環(huán)圈數(shù)2.5，基本動(dòng)載荷5862N，基本靜載荷14361N (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=16 mm， 得絲杠有效行程lv=lu-le，lu =170+13016=284mm 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=0.01*2/300*284*103=18.93 由[2]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[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=37.25N ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=375 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（可靠度99%） 計(jì)算得Caj=1862.29NFmax 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 =0.3m. d2--絲杠螺紋底徑,取0.0175m ncr= 29380.26r/min > nmax,同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)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(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). (4) 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 (5) 壽命按每年工作300天,每天兩班,每班8h,開(kāi)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 (6) L=(2lsnz60Lh)/(103)= 3686.4Km 計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺(tái)及其物重約為383.3N 計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα (7) Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=496.06N 選用NSK LY15AL型號(hào)滾動(dòng)導(dǎo)軌副,其Co=605N. Coa=745N (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(xiě)出工作臺(tái)的技術(shù)特征。 3.編寫(xiě)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(xiě)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(pán)/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(pán)接口電路設(shè)計(jì) 鍵盤(pán)實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合。電氣原理圖中采用矩陣式鍵盤(pán)接口，鍵盤(pán)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(pán)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(kāi)關(guān)及其反饋信號(hào)檢測(cè) 選擇限位開(kāi)關(guān)時(shí)可根據(jù)額定電壓、額定電流、開(kāi)啟頻率、觸點(diǎn)數(shù)等參數(shù)進(jìn)行。選擇行程開(kāi)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] 樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國(guó)、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(shū) 第 21 頁(yè)