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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
胡宏達(dá)
學(xué) 號(hào)
084173914
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 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軸圓柱斜齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 6
4．幾何尺寸計(jì)算 10
四、X軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)計(jì)算 10
1.X軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 10
2.X軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 13
五、Y軸方案及參數(shù)計(jì)算 14
1.Y軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 14
2.Y軸聯(lián)軸器選擇 17
六、Y軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)計(jì)算 17
1.Y軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 17
2.Y軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 20
七、繪制裝配圖 21
八、電氣原理圖設(shè)計(jì) 22
1.典型數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖的說(shuō)明 22
九、參考文獻(xiàn)： 25
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）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(shuō)明書(shū)一份（10～20頁(yè) ）
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
X參數(shù)選定與計(jì)算
vx=2.0 m/min=0.033m/s，F(xiàn)x=120 N，Px=Fxvx=3.96W
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；模數(shù)m=2mm，齒寬B1=16mm,B2=15mm(計(jì)算過(guò)程見(jiàn)4)
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}kg.m2 =0.76×10-4 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=1.7×10-4 kg.m2
由書(shū)表3-13初選滾珠絲杠 CDM2005-2.5
得到 d0=20 mm l=490 mm
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×49×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.6×10-4 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 10+2=12kg
Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2
=12×(5×10-3／2π) 2÷(1.25)2kg.m2
=4.86×10-6 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
=76×10-6 +4.86×10-6 +(170×10-6 +60×10-6) ÷(1.25)2
=2.2806×10-4 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)
由書(shū)式(4-7)~(4-9)可知:
Mt=[(Fx+μFy) tsP]/(2πηi)
= [(120+0.06×120) × 0.005]/(2π×0.8×1.25)
=0.101N.m
Mf= (Ff tsP)/(2πηi)
= (μW tsP)/(2πηi)
=(0.06×13×9.8×0.005)/ (2π×0.8×1.25)
=0.00609N.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0.06
nmax=（Vmax /δ）×(α/360°)=250 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 ,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) ×120×0.005]÷(2π×0.8×1.25) ×[1-(0.9)2]
=0.0061 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)
= 2.2806×10-4 kg．m2+2.257×10-4 kg.m2
=4.537×10-4 kg.m2
Mα=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)
=4.537×10-4 ×(2π×250)÷(60×0.03)
=0.3957N.m
Mq = Mαmax+ Mf+ M0
=0.3962+0.00609+0.0061
=0.40839N.m
Mc = Mt+ Mf+ M0
=0.101+0.00609+0.0061
=0.11319 N.m
Mk= Mf+ M0=0.01219N.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=0.189 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=2.2806/2.257=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=1692.83 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)=1000/(60×0.004)=4167> fL
fc=V1max/(60δ)=200/(60×0.004)=833< 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＝189.8MPa1/2
（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
已知V=1.0m/min，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程P=5mm，則
nmax=(vmax/δ)×(α/360°)
=(1000/0.004) ×(0.36/360)
=250 r/min
所以 N1=60njLh=60×250×1×(2×8×300×15)＝1.08×109
N2=N1/i=1.08×109/1.25＝8.64×108
(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
(8).計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=9.55×106Px/nx=77.9N.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)
={2×1.6×77.9×2.25/（0.3×1.58×1.25）×（2.433×189.8/494.25）2}}（1/3）
＝ 9.38mm
（2).計(jì)算圓周速度 v=лd1tn1/(60×1000)＝0.123 m/s
（3).計(jì)算齒寬b及模數(shù)mnt, b=Φdd1t=0.3×9.38＝2.81mm
mnt=d1tcosβ/Z1=9.38×cos14°/24=0.38mm
h=2.25mnt=2.25×0.38mm = 0.855mm
b/h=2.81/0.855=3.3
（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=0.123 m/s ,7級(jí)精度，
由書(shū)圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)Kv=1.01,（由書(shū)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,(由書(shū)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=1.25×1.01×1.2×1.08＝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)=9.38×（1.6362/1.6）（1/3）=9.45mm
（7).計(jì)算模數(shù)mn=d1×cosβ/Z1=9.45×cos14°/24=0.382mm
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=1.25×1.01×1.2×1.04=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/cos314°=26.27
Zv2=Z2/cos3β=30/cos314°=32.8
（4）.由（[1]表10-5）查出,YFa1=2.592,YSa1=1.596,YFa2=2.49,YSa2=1.629,
因?yàn)椋〞?shū)圖10-20c）小齒輪彎曲極限強(qiáng)度σFE1=500MPa,大齒輪σFE2＝380MPa,
（書(shū)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=2.592×1.596/386.36=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)
={2×1.6263×77.9×0.0133×(cos14°)2/（0.3×242×1.58）}（1/3）
=0.23mm
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×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) =15.395°, 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
由書(shū)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
導(dǎo)軌總長(zhǎng)Lu =210+120+20=350mm 所以絲杠總長(zhǎng)Lv =350-20=330mm
（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=0.01/300×350×103=11.7查書(shū)表5-5得
精度等級(jí)為T3
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。
由書(shū)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)，取進(jìn)給抗力和摩擦力之和的一半. Fe=(120+0.06×120)/2=63.6N
ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min). ne=250r/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=1.0
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=2.5N
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(zhǎng)受壓長(zhǎng)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17.6 mm
k1 安全系數(shù)，取1/3
Fn=13593N>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(zhǎng)度. Lc =0.5m. d2--絲杠螺紋底徑,取17.6mm
ncr= 10758.9r/min > nmax取,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[2]表6-1選擇深溝球軸承6201,由[2]表6-6選角接觸球軸承7001AC.
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(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(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
L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.31×8×60×38400)/ (103)=11428Km
計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺(tái)及其物重約為110N
計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα
P=110/4=27.5N
Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=208N
由書(shū)表3-20中選用LY15AL直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副,其Cα=606N, C0α=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。
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=2.4m/min=0.04 m/s, Fy=120N, Py=Fy Vy=4.8 W
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=4 mm,中間齒輪傳動(dòng)比i為:
i=(αtsP)／(360δ)=0.36×4／(360×0.04)=1
由i確定用剛性聯(lián)軸器.
2）等效傳動(dòng)慣量計(jì)算(不計(jì)傳動(dòng)效率)
由表3-32初選滾珠絲杠 CDM2005-2.5, 得到 d0=20mm ,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 =0.20×10-4 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16kg
Jw =(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2
=(16000/980)×(0.4／2π) 2÷(1)2×10-4 kg.m2
=7×10-6 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
=76×10-6 +7×10-6 +(170×10-6 +20×10-6) ÷(1)2
=2.73×10-4 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)
=[(100+0.06×120) × 0.004]/(2π×0.8×1)
=0.08541N.m
Mf =(Ff tsP)/(2πηi)
=(μW tsP)/(2πηi)
=(0.06×17×9.8×0.004)/ (2π×0.8×1)
=0.008N.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°)=(1000/0.004) ×(0.36/360)=250r/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) ×100×0.004]÷(2π×0.8×1) ×[1-(0.9)2]
=0.005 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)=2.8×10-4 kg.m2
Mα =( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)=3.43×10-4 ×(2π×250)÷(60×0.03)=0.2992N.m
Mq = Mαmax+ Mf+ M0=0.2992+0.008+0.005=0.3122 N.m
Mc = Mt+ Mf+ M0=0.0854+0.008+0.005=0.0984 N.m
Mk = Mf+ M0=0.008+0.005=0.013 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=0.16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 =3.9 < 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=655 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)=1000/(60×0.004)=4167> fL
fc=v1max/(60δ)=100/(60×0.004)=417< 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(lái)選定聯(lián)軸器類型。 本方案選型號(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
由書(shū)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。
由書(shū)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
由書(shū)表5-3查得,采用絲杠直徑20mm,導(dǎo)程為4mm
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=16 mm
導(dǎo)軌總長(zhǎng)Lu =190+120+16=326mm 所以絲杠總長(zhǎng)Lv =326-16=310mm
（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=0.008/300×326×103=8.7 查書(shū)表5-5得,精度等級(jí)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(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。
由書(shū)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=53.6N
ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min). ne=250 r/min.
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=0.70.
fa--精度系數(shù). 查表5-9得fa=1.0
fw--負(fù)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=1.0
fk--可靠性系數(shù).查表5-12得fk=0.21
計(jì)算得Cαj=2107 N
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(zhǎng)受壓長(zhǎng)度.取300 mm=0.3m
f1--絲杠支承方式系數(shù), F-S取2
d2--絲杠螺紋底徑,取17.6 mm=0.0176m
k1=1/3
Fn=24166N >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(zhǎng)度. Lc =0.31m. d2--絲杠螺紋底徑,取0.0176 m
ncr=27989 r/min > nmax取,同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值d0n=20×250=5000<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(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).
(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(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
L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.294×8×60×38400)/ (103)=10838
計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺(tái)及其物重約為130N
P=130÷4=32.5N
計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα
Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=241N
由[3]表3-20中選用LY15AL直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副,其Cα=606N C0α=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。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)：
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