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寧波大學科技學院理工分院 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 胡宏達 學 號 084173914 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 17 2012 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 2012 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 2 1 方案擬定 2 2 X 軸步進電機參數(shù)確定及選擇 3 3 X 軸圓柱斜齒輪傳動設計 6 4 幾何尺寸計算 10 四 X 軸機械結(jié)構(gòu)總體設計計算 10 1 X 軸滾珠絲杠設計計算 10 2 X 軸滾動導軌設計計算 13 五 Y 軸方案及參數(shù) 計算 14 1 Y 軸步進電機參數(shù)確定及選擇 14 2 Y 軸聯(lián)軸器選擇 17 六 Y 軸機械結(jié)構(gòu)總 體設計計算 17 1 Y 軸滾珠絲杠設計計算 17 2 Y 軸滾動導軌設計計算 20 七 繪制裝配圖 21 八 電氣原理圖設計 22 1 典型數(shù)控工作臺電氣原理圖的說明 22 九 參考文獻 25 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(jié)構(gòu)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 典型工況下 工作臺速度 進給抗力及臺面上工作物重量 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 工作臺裝配圖一張 0 號 2 控制電器圖一張 1 號 3 設計說明書一份 10 20 頁 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(jié)構(gòu) 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(jié) 結(jié)構(gòu)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 X 參數(shù)選定與計算 vx 2 0 m min 0 033m s F x 120 N P x Fxvx 3 96W 1 脈沖當量選擇 初選五相電機 按五相十拍工作時 步矩角 0 36 初定脈沖當 量 0 004mm p 絲杠導程 tsP 5 mm 中間齒輪傳動比 i 為 i t sP 360 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 計算過程見 4 2 等效傳動慣量計算 不計傳動效率 小齒輪轉(zhuǎn)動慣量 Jg1 d 14b1 32 4 978 4 1 6 7 85 10 3 32 kg m 2 0 76 10 4 kg m2 式中 鋼密度 7 85 10 3 kg cm3 同理 大齒輪轉(zhuǎn)動慣量 J g2 1 7 10 4 kg m2 由書表 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)動慣量 Js d 04l 32 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軸上的轉(zhuǎn)動慣量 拖板及工作物重之和約 為 10 2 12kg Jw w g tsP 2 2 i2 12 5 10 3 2 2 1 25 2kg m2 4 86 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 76 10 6 4 86 10 6 170 10 6 60 10 6 1 25 2 2 2806 10 4 kg m2 3 等效負載轉(zhuǎn)矩計算 以下為折算到電機軸的轉(zhuǎn)矩 由書式 4 7 4 9 可知 Mt Fx F y tsP 2 i 120 0 06 120 0 005 2 0 8 1 25 0 101N m Mf Ff tsP 2 i W t sP 2 i 0 06 13 9 8 0 005 2 0 8 1 25 0 00609N m 上述式中 為絲杠預緊時的傳動效率取 0 8 為摩擦系數(shù)取 0 06 nmax V max 360 250 r min 取起動加速時間 t 0 03 s 初選電動機型號 90BF006 其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax 2 156N m 轉(zhuǎn)動慣 量 Jm 2 257 10 4 kg m2 fm 2400Hz 故 M0 Fp0tsp 2 i 1 02 1 3Fxtsp 2 i 1 02 1 3 120 0 005 2 0 8 1 25 1 0 9 2 0 0061 N m 式中 F p0 滾珠絲杠預加負荷 一般取 Fx 3 Fx 進給牽引力 N 0 滾珠絲杠未預緊時的傳動效率 取 0 9 J Je Jm 2 2806 10 4 kg m 2 2 257 10 4 kg m2 4 537 10 4 kg m2 M Je Jm 2 n max 60t 4 537 10 4 2 250 60 0 03 0 3957N m Mq M max 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 從計算可知 M q 最大 作為初選電動機的依據(jù) Mq Mjmax 0 189 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求 4 步進電機動態(tài)特性校驗 Je Jm 2 2806 2 257 1 01 f L fc V1max 60 200 60 0 004 833 2Kt T1 u 1 Z HZE 2 d a u H 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 1 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) d 0 3 3 由 1 圖 10 26 查得 a1 0 78 a2 0 8 則 a a1 a2 1 58 4 應力循環(huán)系數(shù)取 j 1 已知 V 1 0m min 滾珠絲杠的基本導程 P 5mm 則 nmax vmax 360 1000 0 004 0 36 360 250 r min 所以 N 1 60njLh 60 250 1 2 8 300 15 1 08 10 9 N2 N1 i 1 08 109 1 25 8 64 10 8 5 由 1 圖 10 19 查得接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1 0 86 K HN2 0 87 6 由 1 圖 10 21d 查得小齒輪接觸疲勞強度極限 Hlim1 600MPa 大齒輪的接觸疲勞強度極限 Hlim2 550MPa 7 計算疲勞強度許用應力 取安全系數(shù) S 1 H 1 K HN1 Hlim1 S 0 86 600 1 516MPa H 2 K HN2 Hlim2 S 0 87 550 1 478 5Mpa H H 1 H 2 2 497 25Mpa 8 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T1 9 55 106Px nx 77 9N mm b 計算 1 試算小齒輪分度圓直徑 d1t 2Kt T1 u 1 Z HZE 2 d a u H 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 計算圓周速度 v d 1tn1 60 1000 0 123 m s 3 計算齒寬 b 及模數(shù) mnt b dd1t 0 3 9 38 2 81mm mnt d1tcos Z 1 9 38 cos14 24 0 38mm h 2 25mnt 2 25 0 38mm 0 855mm b h 2 81 0 855 3 3 4 計算縱向重合度 0 318 d Z1 tan 0 318 0 3 24 tan14 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 0 123 m s 7 級精度 由書圖 10 8 查得動載系數(shù) Kv 1 01 由書表 10 4 查得 KH 的 計算公式 K H 1 12 0 18 1 0 67 d2 d2 0 23 10 3 b 1 14 由 b h 3 3 由書圖 10 13 查得 KF 1 08 由 1 表 10 3 查 得 KH KF 1 2 故載荷系數(shù) K kAKvKH KH 1 25 1 01 1 2 1 08 1 6362 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 9 38 1 6362 1 6 1 3 9 45mm 7 計算模數(shù) mn d1 cos Z 1 9 45 cos14 24 0 382mm 3 a 按齒輪彎曲強度設計 mn 2Kt1Y cos2 dZ12 YF YS F 1 3 1 計算載荷系數(shù) K KA Kv KF KF 1 25 1 01 1 2 1 04 1 6263 2 根據(jù)縱向重合度 0 57 由 1 圖 10 28 查得螺旋角影 響系數(shù) Y 0 87 3 計算當量齒數(shù) Zv1 Z1 cos3 24 cos 314 26 27 Zv2 Z2 cos3 30 cos 314 32 8 4 由 1 表 10 5 查出 YFa1 2 592 YSa1 1 596 YFa2 2 49 YSa2 1 629 因為 書圖 10 20c 小齒輪彎曲極限強度 FE1 500MPa 大齒輪 FE2 380MPa 書圖 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 F 1 K FN1 FE1 S 386 36MPa F 2 K FN2 FE1 S 304MPa 5 計算大 小齒輪 YFa1 YSa1 F 1 Y Fa2 YSa2 F 2并加以比 較 YFa1 YSa1 F 1 2 592 1 596 386 36 0 0107 YFa2 YSa2 F 2 2 49 1 629 304 0 013 取大齒輪數(shù)據(jù) b 設計計算 mn 2Kt1Y cos2 dZ12 YF YS F 1 3 2 1 6263 77 9 0 0133 cos14 2 0 3 24 2 1 58 1 3 0 23mm 對比計算結(jié)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 48mm 來計算應有的齒數(shù) 于是有 Z1 d1cos m n 48 cos14 2 23 28 取 Z1 24 則 Z2 i Z 1 1 25 24 30 4 幾何尺寸計算 1 中心距 a Z 1 Z2 mn 2 cos 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 arccos Z 1 Z2 mn 2a arccos 24 30 2 2 56 15 395 因 值改變不 多 故參數(shù) K Z H等不必修正 3 計算大 小齒輪分度圓直徑 d1 Z1mn cos 24 2 cos15 359 49 78 mm d2 Z2mn cos 30 2 cos15 359 62 22 mm 4 計算齒輪寬度 b dd1 0 3 49 78 14 934mm 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 四 X 軸機械結(jié)構(gòu)總體設計計算 1 X 軸滾珠絲杠設計計算 1 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型 1 滾珠循環(huán)方式 由書表 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 由 3 表 5 3 查得 采用絲杠直徑 20mm 導程為 5mm 30 滾珠絲杠精度等級確定 1 絲杠有效行程 由 3 表 5 4 查得 le 20 mm 導軌總長 Lu 210 120 20 350mm 所以絲杠總長 Lv 350 20 330mm 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 01 300 350 103 11 7 查書表 5 5 得 精度等級為 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 由書表 5 6 查得 采用一端固定一端游動 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 按額定動負荷 C C j 選擇滾珠絲杠副 C j Fefw fhftfafk 60Lhne 106 1 3 式中 C j 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 120 0 06 120 2 63 6N ne 絲杠當量轉(zhuǎn)速 r min n e 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 計算得 Caj 2 5N 6 滾珠絲杠副校核 1 臨界壓縮負荷 對于一端軸向固定受壓縮的滾珠絲杠 應進 行壓杠穩(wěn)定性校核計算 不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮負荷稱為臨界壓縮負荷 用 Fn 表示 Fn 3 4 1010 f1d24 L02 K1 式中 L 0 最長受壓長度 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 f 2 絲杠支承方式系數(shù) F S 取 3 927 Lc 臨時轉(zhuǎn)速計算長度 Lc 0 5m d2 絲杠螺紋底徑 取 17 6mm ncr 10758 9r min nmax取 同時驗算絲杠另一個臨界值 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(jié) 不動的一方稱作支承導軌 與機械的支承部 件聯(lián)結(jié) 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 滾動導軌 E 級精度 查得 fh 1 ft 1 fc 0 81 f 1 fw 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 L 2lsnz60Lh 103 2 0 31 8 60 38400 103 11428Km 計算四滑塊的載荷 工作臺及其物重約為 110N 計算需要的動載荷 C P 110 4 27 5N C fwP fh ft fc f L 50 1 3 208N 由書表 3 20 中選用 LY15AL 直線滾動導軌副 其 C 606N C0 745N 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 Y 參數(shù)選定與計算 vy 2 4m min 0 04 m s Fy 120N Py Fy Vy 4 8 W 1 脈沖當量選擇 初選五相電機 按五相十拍工作時 步矩角 0 36 初定脈沖當 量 0 004mm p 絲杠導程 tsP 4 mm 中間齒輪傳動比 i 為 i t sP 360 0 36 4 360 0 04 1 由 i 確定用剛性聯(lián)軸器 2 等效傳動慣量計算 不計傳動效率 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)動慣量 Js d 04l 32 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 16kg Jw w g tsP 2 2 i2 16000 980 0 4 2 2 1 2 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 76 10 6 7 10 6 170 10 6 20 10 6 1 2 2 73 10 4 kg m2 2 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 4 7 4 9 可知 Mt Fy F x tsP 2 i 100 0 06 120 0 004 2 0 8 1 0 08541N m Mf Ff tsP 2 i W t sP 2 i 0 06 17 9 8 0 004 2 0 8 1 0 008N m 上述式中 絲杠預緊時的傳動效率取 0 8 為摩擦系數(shù)取 0 06 nmax vmax 360 1000 0 004 0 36 360 250r min 取起動加速時間 t 0 03 s 初選電動機型號 75BF006A 其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax 1 98N m 轉(zhuǎn)動慣量 Jm 0 7 10 4 kg m2 fm 1450Hz 故 M0 Fp0tsp 2 i 1 02 1 3Fytsp 2 i 1 02 1 3 100 0 004 2 0 8 1 1 0 9 2 0 005 N m 式中 F p0 滾珠絲杠預加負荷 一般取 Fy 3 Fy 進給牽引力 N 0 滾珠絲杠未預緊時的傳動效率 取 0 9 J Je Jm 2 8 10 4 kg m2 M Je Jm 2 n max 60t 3 43 10 4 2 250 60 0 03 0 2992N m Mq M max 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 從計算可知 M q最大 作為初選電動機的依據(jù) Mq Mjmax 0 16 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求 4 步進電機動態(tài)特性校驗 Je Jm 3 9 f L fc v1max 60 100 60 0 004 417Fmax 2 臨界轉(zhuǎn)速 ncr 9910 f22d2 Lc2 式中 f 2 絲杠支承方式系數(shù) F S 取 3 927 Lc 臨時轉(zhuǎn)速計算長度 Lc 0 31m d2 絲杠螺紋底 徑 取 0 0176 m ncr 27989 r min nmax取 同時驗算絲杠另一個臨界值 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(jié) 不動的一方稱作支承導軌 與機械的支承部件聯(lián) 結(jié) 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 滾動導軌 E 級精度 查得 f h 1 ft 1 fc 0 81 f 1 fw 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 L 2lsnz60Lh 103 2 0 294 8 60 38400 103 10838 計算四滑塊的載荷 工作臺及其物重約為 130N P 130 4 32 5N 計算需要的動載荷 C C fwP fh ft fc f L 50 1 3 241N 由 3 表 3 20 中選用 LY15AL 直線滾動導軌副 其 C 606N C0 745N 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(gòu)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 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(gòu)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(jié)構(gòu)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 1 濮良貴主編 機械設計 第七版 北京 高等教育出版社 2001 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 4 尹志強等編著 機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書 北京 機械 工業(yè)出版社 2007 5 加個齒輪傳動 幫我說明書里面有些錯誤的數(shù)據(jù)改下 電動機錯了 幫我重新選一個 幫我說明書里面的也順便改下 數(shù)據(jù)都按說明書和任務書 上 X 軸絲杠 410mm Y 軸絲杠 310mm 余程皆為 20mm 工作臺 250 180