數(shù)控回轉(zhuǎn)臺課程設計

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1、 目錄 1. 摘要·······················1 2. 任務與分析····················2 3. 總體方案的設計··················3 3.1機械部分的設計················4 3.1.1步進電機的選擇···············4 3.2.1蝸輪蝸桿的配合···············6 3.2.2齒輪傳動的設計···············8 3.2.3軸的校核與計算···············9 3.2.4角接觸球軸承的選擇·············10 3.2.5齒輪上鍵的選取與校核····

2、········10 3.3驅(qū)動電路的設計················10 3.4控制系統(tǒng)的設計················12 3.4.1操作控制面板的功能設計及按鈕的布局設計···12 4.總結·······················16 5.參考文獻·····················17 第1章 摘要 隨著數(shù)控技術的普及，越來越多的設備都離不開這項技術了。本課程設計說明書圍繞數(shù)控技術展開了一系列的討論和說明。首先，為滿足設計的要求，控制系統(tǒng)采用的是MCS—51單片機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的性能較好，價格也還算公道，比較適

3、合完成此課程設計（即數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的數(shù)控化改造）的相關任務。但由于MCS—51單片機的驅(qū)動能力有限，不能直接帶動工作臺旋轉(zhuǎn)，所以還必須外接一個驅(qū)動器，所以驅(qū)動電路的設計在此說明書中占有比較大的比例，根據(jù)任務書的要求，可采用開環(huán)控制的步進電機驅(qū)動電路。當然整個系統(tǒng)離不開機械系統(tǒng)的支持，所以機械部分的設計也尤為重要，此說明書主要針對步進電機，軸的校核與計算，蝸輪與蝸桿的選用與校核，齒輪傳動的設計以及機械部分的設計與計算等。  第2章 任務與分析 為進一步鞏固與機電一體化相關的知識，特撰寫了這本關于利用MCS—51單片機控制的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的設計說明書。該設計以數(shù)控技術為核心展開

4、了一系列的討論，主要包括機械部分的設計和控制系統(tǒng)的設計兩大部分，此畢業(yè)設計以“簡約而不簡單”的總原則，設計出了一套性價比高，勞動強度弱，操作簡單及可靠性好的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，該數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺所能達到的功能主要包括以下幾點：1.工作臺回轉(zhuǎn)角度為：0～360；2. 工作臺最大回轉(zhuǎn)半徑：200mm；3. 工作臺所能承受的最大重量：20kg；4. 工作臺分度精度：100//；5. 由鍵盤輸入回轉(zhuǎn)角度；6. 分度角度顯示5位；7. 工作臺最大回轉(zhuǎn)最大速度：20r/min。它所應用的領域比較廣泛，主要用于精密的機械加工設備，各類醫(yī)療設備，各類軍事設備等。需要說明的是，該說明書上許多東西都是理論上的，還缺乏足

5、夠的實際應用，該設備目前還未投產(chǎn)。  第3章 總體方案設計 數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺根據(jù)其特點，大致包括以下主要部件： 1. 完成最終功能的機械執(zhí)行部分（即產(chǎn)品的機械裝置） 2. 操作者操縱產(chǎn)品的工作以及了解產(chǎn)品的工作狀態(tài)的操作面板 3. 處理操作指令的控制系統(tǒng) 4. 對控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號進行放大以及驅(qū)動相應設備的驅(qū)動電路 圖 3-1 圖3-2

6、 3．1機械部分的設計 3．1．1步進電機的選擇 首先必須要明白步進電機的工作原理，它將是電脈沖信號變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，所以步進電機常用于開環(huán)系統(tǒng)的控制，這一點剛好能滿足畢業(yè)設計中開環(huán)控制的要求。 要正確地選擇步進電機，還必須清楚它的特性，主要有以下幾點：1. 步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機停止，如果加入適當?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比；2.步進電機電機具有瞬時啟動和急速停止的優(yōu)越特點；3.改變脈沖的順序，可以方便地對步進電機進行調(diào)整。 要根據(jù)轉(zhuǎn)矩和步矩角選擇合適的步進電機，綜上所述

7、，可選擇型號為DM39系列的步進電機，步矩角為1.2度，保持轉(zhuǎn)矩為7.6N .m，步進最高轉(zhuǎn)速為900轉(zhuǎn)/分鐘。 表3-1  3.2.1渦輪蝸桿的配合 蝸輪蝸桿配合常用來傳遞兩交錯軸之間的運動和動力，它主要有以下的一些特點：1.可以得到很大的傳動比（i可達7—80），比交錯軸斜齒輪機構緊湊；2.兩輪嚙合面為線接觸，其承載能力大大高于交錯軸斜齒輪機構；3.蝸桿傳動相當于螺旋傳動，故傳動平穩(wěn)，噪音很??；4.具有自鎖性。當蝸桿的導程角小于嚙合輪間的當量角時，機構具有自鎖性，可實現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動蝸輪，而不能用蝸輪帶全保護作用；5.傳動效率

8、低，磨損較嚴重；6.蝸桿軸向力大；7.常用于間歇工作的場合。蝸桿傳動的這些特點剛好符合本畢業(yè)設計的相關要求。另外，還必須清楚蝸桿傳動的基本參數(shù)包括模數(shù)m，壓力角，蝸桿直徑系數(shù)，導程角，蝸桿頭數(shù)，蝸輪齒數(shù)，齒頂高系數(shù)以及頂隙系數(shù)。其中，模數(shù)和壓力角是指蝸桿軸面的模數(shù)和壓力角，即蝸輪端面的模數(shù)和壓力角，且均為標準值：蝸桿直徑系數(shù)q為蝸桿分度圓直徑與其模數(shù)的比值。 蝸桿傳動比i=蝸桿的轉(zhuǎn)速/蝸輪的轉(zhuǎn)速，蝸桿的轉(zhuǎn)速即是步進電機的轉(zhuǎn)速，蝸輪的轉(zhuǎn)速即是回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)速。回轉(zhuǎn)工作臺的最高轉(zhuǎn)速：要求為20轉(zhuǎn)/分鐘，由于步進電機的最高轉(zhuǎn)速為900轉(zhuǎn)/分鐘，由此能計算出蝸桿傳動比為900/20=45。 1.選

9、擇蝸桿傳動類型 根據(jù)GB/T10085-1988推薦,采用漸開線蝸桿 2.選擇材料 考慮到蝸桿傳動效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼，為達到更高的效率和更好的耐磨性，要求蝸桿螺旋齒面淬火，硬度為45-55HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅金屬制造，為節(jié)省貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。 3.按齒面解除疲勞強度設計 根據(jù)閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距： (3-1) (1)確定作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)矩 按=2，估取效率=0.8.，則 =T××i=2.39×0.8×45

10、=86.04N.m (3-2) (2)確定載荷系數(shù)K 因工作載荷較穩(wěn)定，故載荷分布不均勻系數(shù)=1;由使用系數(shù)表選取=1.15；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(shù)=1.1，則 K==1.2651.27 (3-3) (3)確定彈性影響系數(shù) 選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配 （4）確定接觸系數(shù) 先假設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距a的比值/a=0.30從而可以查出=3.12 （5）確定許用應力 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅，金屬模制造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，從而可查得蝸輪的基本許用應力 （3-4） （6）計算中心距

11、 （3-5） 4.蝸桿 直徑系數(shù)q=17.92;分度圓直徑=22.4mm,蝸桿頭數(shù)=1，分度圓導程角=3°11′38″ 蝸桿軸向齒距：=3.94mm (3-6) 蝸桿齒頂圓直徑： （3-7） 蝸桿軸向齒厚： （3-8） 5.蝸輪 蝸輪齒數(shù)=45，變位系數(shù)X=0 蝸輪分度圓直徑 =m=1.25×45=56.25mm (3-9) 蝸輪喉圓直

12、徑 =+2=72.25mm (3-10) 6.校核齒根彎曲疲勞強度 （3-11） 當量齒數(shù) （3-12） （3-13） （3-14） =4.29Mpa

13、 （3-15） 所以彎曲強度是滿足要求的。 3.2.2齒輪傳動的設計 由于前述所選電機可知T=2.39N.m傳動比設定為i=3，效率=0.97，工作日安排在300工作日/年，壽命為10年。 根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用直齒輪傳動的形式。 1.選擇材料 考慮到齒輪傳動效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼；為達到更高的效率和更好的耐磨性，要求齒輪面硬度為45-55HRC。 2.按齒面接觸疲勞強度設計 先按齒

14、面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。 傳遞轉(zhuǎn)矩:=9.55×=(9.55××0.75/3000)=2.39N.m (3-16) 載荷系數(shù)K:因載荷平穩(wěn)，取K=1.2 齒寬系數(shù)：取=1 許用接觸壓力：== 220Mpa (3-17) 傳動比: =3 將以上代入公式得 3.確定齒輪的主要參數(shù)與主要尺寸 1）齒數(shù) 取=22，則=i×=3×22=66 （3-18） 2)模數(shù) m==32.88/22=1.49mm，取標準值 m=1.5 （3-19） 3）中心距 標準

15、中心距a=m/2(+)=60.5mm （3-20） 4）其他主要尺寸 分度圓直徑 =m=1.5×22=33 （3-21） =m=1.5×66=99 （3-22） 齒頂圓直徑 =+2m=33+3=36mm （3-23） =+2m=99+3=102mm （3-24） 齒寬 b==1×3

16、3=33mm取=40mm （3-25） 4.確定齒輪傳動精度 齒輪圓周速度v=/(60×1000)=3.68m/s （3-26） 則可確定公差組為8級 5.齒輪及結構設計 小齒輪 =33mm 采用實心式齒輪 大齒輪 =99mm 采用腹板式齒輪 3.2.3軸的校核與計算 1.受力簡圖 計算出：R1=46.6N R2=26.2N 2.畫出扭矩圖 T= 3.畫出彎矩圖 由此可知軸的最大危險截面所在 組合彎矩

17、 (3-27) 3.2.4角接觸球軸承的選擇 由于此機構主要承受軸向方向的載荷，以及部分的徑向載荷，在此部分選擇角接觸球軸承是最合適不過的了，因為角接觸球軸承可同時承受徑向載荷和軸向載荷。要知道接觸角是角接觸球軸承中一個很重要的參數(shù)，它直接決定了角接觸球軸承軸向方向的承載能力，接觸角越大，軸向承載能力越大，但精度回略微減小。單列的角接觸球軸承只能承受一個方向的軸向負載，在承受徑向負荷時，將引起附加軸向力，并且只能限制軸或外殼在一個方向的軸向位移，這不是我們想要的，若是成隊雙聯(lián)安裝，使一對軸承的外圈相對，

18、即寬端面對寬端面，窄端面對窄端面，這樣既可避免引起附加軸向力，而且可在兩大載荷為20Kg，分度精度為100”，可選擇接觸角為25度的，7000AC型的角接觸球軸承，最好選擇進口的SKF軸承（因為該軸承相對于其他軸承而言，性能更好），為避免產(chǎn)生附加的軸向力，采用成隊雙聯(lián)安裝方式，保持架的材質(zhì)可選擇性能優(yōu)異，壽命相對較長的合成樹脂。 3.2.5齒輪上鍵的選取與校核 1.取鍵連接的類型號尺寸 因其軸上鍵的作用是傳遞扭矩，用平鍵連接就可以了，由資料可查出鍵的截面尺寸為:寬度b=5mm，高度h=5mm，由聯(lián)軸器的寬度并參考鍵的長度系列，從而取鍵長L=10mm。 2.鍵的連接強度

19、 3.3驅(qū)動電路的設計 在步進電機已選擇好的情況下，再來對驅(qū)動電路進行設計，因為步進電機對驅(qū)動電路有如下要求：1. 驅(qū)動電路的通電數(shù)、通電方式、驅(qū)動電壓、驅(qū)動電流都必須能滿足步進電機的要求；2. 驅(qū)動電路的設計要滿足步進電機啟動頻率和連續(xù)運行的要求；3.能最大限度抑制步進電機的振蕩；4.工作可靠，抗干擾能力強，能承受一定的過載；5.成本低，效率高，安裝和維護方便。 另外，還必須知道步進電機驅(qū)動電路的基本組成部分，主要包括：脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖功率放大器三個部分，具體執(zhí)行情況如下：指令—脈沖發(fā)生器—脈沖分配器—脈沖功率放大器—步進電機。在不同的機電應用系統(tǒng)中，步進電機各部

20、分有所不同。根據(jù)課程設計的要求，選擇脈沖的產(chǎn)生和分配均由MCS—51單片機來完成的方式，輸出脈沖信號經(jīng)功率放大器放大再進入步進電機。 經(jīng)過多方綜合的考慮，選擇繼電器驅(qū)動方式（因為繼電器方式的開關量輸出是最常見的輸出方式，通過弱電控制外界的交流或直流的高電壓、大電流設備，繼電器驅(qū)動電路的設計要根據(jù)所用繼電器線圈的吸和電壓和電流而定，控制電流一定要大于繼電器的吸和電流才能使繼電器可靠地工作），具體的接口電路如圖（3-3） 圖3-3 繼電器的動作由單片機的P0.0端控制，P0.0端輸出低電平時，繼電器J吸和；P0.0端輸出高電

21、平時，繼電器J釋放，采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸和。低電平時，V導通，繼電器吸和；當P0.0端輸出高電平時，V截止，繼電器斷開。在繼電器吸和到斷開的瞬間，由于線圈中的電流不能突變，將在線圈產(chǎn)生較高的下正上負的感應電壓，使晶體管集電極承受較高電壓，有可能燒壞驅(qū)動三極管V。為此在繼電器J線圈兩端并接一個續(xù)流二極管VD，使線圈產(chǎn)生的感應電流有二極管VD流回。正常工作時，線圈上的電壓上正下負，二極管VD截止，對電路沒有影響。機械繼電器可在繼電器節(jié)電兩端并接火花抑制電路，減少電火花影響，如圖（3-3）中的0.0Uf的電容。 4N25使兩部分的電信號獨立。UCC是單片機系

22、統(tǒng)電源，UDD是供繼電器的電源。輸出部分的地線接機殼或接大地，而單片機系統(tǒng)的電源地線—數(shù)字地（浮空的）不與交流電源的地線相接。這樣可避免輸出部分電源變化對單片機電源的影響，減少系統(tǒng)所受的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 3.4控制系統(tǒng)的設計 3.4.1操作控制面板的功能設計及按鈕的布局設計 布局如圖3-4，包括LCD顯示器（用于顯示五位分度角度）、數(shù)字鍵0~9（用于輸入分度角度）、Left和Right鍵（用于左右移動光標）、Up和Down鍵（用于增加和減少每一位的數(shù)值）、回零按鈕（用于分度轉(zhuǎn)臺的機械回零）、顯示器開關按鈕、報警指示燈、串口RS232指示燈以及Enter鍵（完成輸入分度角度

23、之后，按下此鍵分度轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過相應角度）。 圖3-4 圖3-5串行通訊電路接線圖 3-6串行通訊PCB接線圖 由于單片機具有以下特點： 1.優(yōu)異的性價比； 2.集成度高、體積小、可靠性高。單片機把各功能部件集中在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結構，減少了各芯片之間的連續(xù)，大大提高了

24、計算機的可靠性與抗干擾能力，另外，其體積小，對于強磁環(huán)境，易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作； 3.控制功能強。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中有豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O的邏輯操作以及位處理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機； 4.低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品； 5.單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。由于單片機具有以上的特點，微處理器可選擇MCS-51的單片機。 MCS-51的單片機具有四個8位的并行I/O口，分別記作P0 、P1、 P2、 P3也就是說一共有32個接口，這四個8位的并行I/O口都有相同的特殊

25、功能寄存器，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能，每一個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器，其中P0口的驅(qū)動能力最強，可驅(qū)動八個LSTTL負載，其他只能驅(qū)動四個，另外P3口具有第二功能（包括RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1 WR、RD） MCS-51的單片機與控制面板的鏈接設計如圖3-7 圖3-7 ，境小的ia、

26、 第4章 總結 經(jīng)過兩個月的努力，課程設計終于完成了。在這個過程中我對書本有了更深的了解，學到了很多有價值的東西，能達到這樣的效果是所有曾經(jīng)指導過我的老師、幫助過我的同學、一直支持著我的家人，對我的教誨、幫助和鼓勵的結果，我要在這里對他們表示深深的謝意！ 首先，要特別感謝我的指導老師陳建剛，陳老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，樸實無華，平易近人的人格魅力對我影響深遠，使我對完成這門課程設計有了很大的興趣，同時明白了許多待人接物與為人處事的道理。 其次，要感謝陜西理工學院所有曾經(jīng)為

27、我們機自專業(yè)任課的老師，老師們教會我的不僅僅是專業(yè)知識，更多的是對待學習，對待生活的態(tài)度。 第三，感謝我的父母親，你們是我力量的源泉，只要有你們，不管面對什么樣的困難，我都不會害怕，謝謝你們對我的支持與鼓勵！ 再次，感謝在這次設計中幫助我的室友、隊友及班級好友，因為有你們的幫助，我的畢業(yè)設計得以順利完成。我們之間相互探討，相互激勵，使我總能攻克困難。再我不開心時你們總會安慰我，我開心的時候總能有你們陪伴，我不會忘記，謝謝你們！ 最后對老師、同學、對友及家人再次致以我最衷心的感謝！教導過我的老師，你們的人格魅力永記我心間。身邊的同學和朋友，有你們我的大學才算完整。寢室的密友，你們的天賦猶如

28、上天恩賜，有了你們我的生活更加精彩！ 我由衷的感謝在設計過程中所有提供幫助的人，我一定會拿出自己最好的設計來回報他們的。 第5章 參考文獻 [1] 任玉田，機床計算機數(shù)控技術，北京理工大學出版社，1999 [2] 張柱銀，數(shù)控原理與數(shù)控機床，化學工業(yè)出版社，2003 [3] 林宋，現(xiàn)代數(shù)控機床，化學工業(yè)出版社，2002 [4] 張毅剛，MCS—51單片機應用設計，哈爾濱工業(yè)大學出版社，2001 [5] 鄧中成，王燕，單片機原理與應用技術，西安電子科技大學出版社，2007 [6] 全國數(shù)控培訓網(wǎng)絡天津分中心編，數(shù)控機床，北京：機械工業(yè)出版社，1997 [7] 隋明陽，機械設計基礎，機械工業(yè)出版社，2005