36-二坐標(biāo)數(shù)控工作臺設(shè)計(jì)【CAD圖紙+word說明書】
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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)控工作臺設(shè)計(jì)
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
姓 名
王 特 捷
學(xué) 號
084173947
班 級
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)說明書一份（含設(shè)計(jì)任務(wù)書）；
2、二坐標(biāo)數(shù)控工作臺裝配圖一張（A0）；
3、二坐標(biāo)數(shù)控工作臺電氣控制原理圖一張（A1）；
4、計(jì)算說明書草稿一份。
成 績
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.Y軸方案及參數(shù)計(jì)算 ………………………………………（1）
1.方案擬定 ………………………………………………（1）
2.Y軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 ………………………（1）
3.Y軸聯(lián)軸器選擇 ………………………………………（3）
四.Y軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（3）
1.Y軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（3）
2.Y軸滾動導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（4）
五.X軸方案及參數(shù)計(jì)算 ………………………………………（5）
1.X軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇 …………………………（5）
2.X軸聯(lián)軸器選擇 … ………………………………………（7）
六.X軸機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（7）
1. X軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（7）
2. X軸滾動導(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；（2）培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際，解決工程技術(shù)問題的動手能力；（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)動計(jì)算和精度計(jì)算；9）撰寫設(shè)計(jì)說明書；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)控工作臺設(shè)計(jì)工作。原始數(shù)據(jù)包括①典型工況下，工作臺速度、進(jìn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)說明書（10～20）頁 1本；
所有圖樣均采用CAD繪制打印，設(shè)計(jì)說明書按規(guī)定撰寫。
三、 Y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(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。主要由步進(jìn)電機(jī)、單片機(jī)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(gè)坐標(biāo)分別采用步進(jìn)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動。
工作臺Y方向采用一級齒輪傳動方式，可以通過降速擴(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X方向采用直接傳動方式，電機(jī)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(jī)的輸出特性一致。
2．Y軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇
計(jì)算及說明：
Y參數(shù)選定與計(jì)算
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=0.002mm/p, 絲杠導(dǎo)程tsP=4 mm,中間齒輪傳動比i為:
由i確定齒輪齒數(shù)為Z1=20,Z2=40,模數(shù)m=2mm,齒寬b1=14mm,b2=13mm
X圓柱斜齒輪傳動設(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
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=20,Z2=Z1×i=20×2＝40
4）.選取螺旋角， 初選β＝14o
2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（1）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
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(yīng)力循環(huán)系數(shù)取j=1， 所以：
N1=60njLh=60×500×1×(2×8×300×15)＝2.16×109
N2=N1/i=2.16×109/2＝1.08×109
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(qiáng)度極限σHlim1=600MPa,
大齒輪接觸疲勞強(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=95.5×105PY/nY=95.5×105×0.003/500=57.3N.mm
(2).計(jì)算
1).試算小齒輪分度圓直徑d1t
2).計(jì)算圓周速度
3).計(jì)算齒數(shù)b及模數(shù)mnt：
b=Φdd1t=0.3×22.5＝6.75 mm
mnt=d1tcosβ/Z1=22.5×cos14o/20=1.09
h=2.25mnt=2.25×1.09mm =2.456mm
b/h=6.75/2.456=2.75
4).計(jì)算縱向重合度εβ＝0.318×Φd×Z1×tanβ=0.318×0.3×20×tan14o=0.475
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=0.589 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(jì)算公式：KHβ=1.14
由b/h=2.75,由[1]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=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
7).計(jì)算模數(shù)mn=d1×cosβ/Z1=23.09×cos14o/20=1.12 mm
3．按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
1).按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
①計(jì)算載荷系數(shù)，K=KA×Kv×KFα×KFβ=1.25×1.01×1.2×1.08＝1.6362
②根據(jù)縱向重合度εβ＝0.475，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=20/cos314o=21.9
④由 [1]表10-5查出,YFa1=2.592,YSa1=1.596,YFa2=2.49,YSa2=1.629 ，
⑤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
⑥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
對比計(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 ,來計(jì)算應(yīng)有的齒數(shù)，于是有
Z1=d1cosβ/mn=40×cos14o/2＝19.4，取Z1＝20，則Z2＝i×Z1=2×20＝40
4．幾何尺寸計(jì)算
①中心距 a=(Z1+Z2)mn/(2cosβ)=(20+40)×2/（2×cos14o）＝61.8 mm
將中心距圓整為62 mm
②按圓整后的中心距修正螺旋角β＝arccos[(Z1+Z2)mn/2a]=arcos[(20+40)*2/(2*62) =14.59o, 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=20*2/cos14.59o =41.33mm
d2=Z2mn/cosβ=40*2/cos14.59o =82.66mm
④計(jì)算齒輪寬度b=Φdd1=0.3*41.33＝12.4mm所以取B2=13mm,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=14mm
2)等效傳動慣量計(jì)算(不計(jì)傳動效率)
小齒輪轉(zhuǎn)動慣量
式中 鋼密度ρ=7.85×10-3 kg/cm3
同理,大齒輪轉(zhuǎn)動慣量 Jg2=3.596×10-4 kg.m2
由[3]表3-13初選滾珠絲杠 CDM2004-2.5, 得到 d0=20 mm ,L=301 mm
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量
拖板及工作物重和導(dǎo)軌折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量,
拖板和導(dǎo)軌重量301
工作物重約為12kg
∴W=12+27=39 kg
因此,折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量Je
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:
上述式中 η—絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動效率取 η=0.8
μ——為摩擦系數(shù)取0.06
nmax=(vmax/δ)×(α/360°)=(1000/0.002) ×(0.36/360)=500r/min
取起動加速時(shí)間tα=0.03 s
初選電動機(jī)型號75BF006A,根據(jù)矩頻特性圖所示,
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
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)的傳動效率,取0.9
J=(Je +Jm)= 12.89×10-5 kg．m2+7×10-5 kg.m2 =19.89×10-5 kg.m2
Ma=(Je +Jm)(2πnmax)/(60tα)= 19.89×10-5 ×(2π×500)÷(60×0.03)= 0.346N.m
Mq= Mamax+ Mf+ M0=0.346+0.00811+0.00454=0.346N.m
Mc= Mt+ Mf+ M0=0.0755+0.00811+0.0454=0.359N.m
Mk= Mf+ M0=0.00811+0.0454=0.01265N.m
從計(jì)算可知, Mq最大,作為初選電動機(jī)的依據(jù).
Mq/ Mjmax=0.181<0.9 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求.
4)步進(jìn)電機(jī)動態(tài)特性校驗(yàn)
Je /Jm=12.86/7=1.837<4 說明慣量可以匹配
電機(jī)慣量最大起動頻率
步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)最大空載起動頻率和切削時(shí)最大工作頻率
fq=vmax/(60δ)=1000/(60×0.002)=8333.3> fL
fc=v1max/(60δ)=100/(60×0.002)=833.3< fL
所以,與fc對應(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,可選該型號步進(jìn)電機(jī),具有一定的裕量.
3.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、 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(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19.7mm，絲杠底徑19.7mm，循環(huán)圈數(shù)2.5基本動載荷5862N，基本靜載荷14361N.
(3)滾珠絲杠精度等級確定
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 =185+100+16=301 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=0.008×2/300×301×103=16.05
由[2]表5-5得,精度等級為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(fù)荷Ca≥Caj選擇滾珠絲杠副
由[2]式（3-2）可知：
式中 Caj -–滾珠絲杠副的計(jì)算軸向動負(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=94.8N
ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=500 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=5216.5NFmax
②臨界轉(zhuǎn)速
對于在高速下工作的長絲杠，須驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，以防止絲杠共振.
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)算長度. Lc =0.301m.
d2--絲杠螺紋底徑,取0.0175m
ncr= 32926.365r/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(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算
導(dǎo)軌的功用是使運(yùn)動部件沿一定的軌跡運(yùn)動,并承受運(yùn)動部件上的載荷,即起導(dǎo)向和承載作用,導(dǎo)軌副中,運(yùn)動的一方稱作運(yùn)動導(dǎo)軌,與機(jī)械的運(yùn)動部件聯(lián)結(jié),不動的一方稱作支承導(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)動導(dǎo)軌,使之按功能要求作正確的運(yùn)動.
(1) 選日本NSK 型滾動導(dǎo)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(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
(3) L=(2lsnz60Lh)/(103)= 3686.4 km
計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為390N
P=390/4=97.5N
計(jì)算需要的動載荷Cα
(4)
(5) 選用NSK LY15AL型號滾動導(dǎo)軌副,其Co=605N. Coa=745N
(3)滾動導(dǎo)軌間隙調(diào)整
預(yù)緊可以明顯提高滾動導(dǎo)軌的剛度,預(yù)緊采用過盈配合,裝配時(shí),滾動體、滾道及導(dǎo)軌之間有一定的過盈量.
(4)潤滑與防護(hù)
潤滑:采用脂潤滑,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、 X軸方案及參數(shù)計(jì)算
1．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
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/s, 絲杠導(dǎo)程tsP=4 mm,中間齒輪傳動比i為:
故采用直接傳動方式；采用剛性聯(lián)軸器直接帶動絲杠。
2)等效傳動慣量計(jì)算(不計(jì)傳動效率)
由[3]表3-13初選滾珠絲杠 CDM2004-2.5, 得到 d0=20 mm ,L=386 mm
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量
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)動慣量,
拖板和導(dǎo)軌重量及工作物重約為W=12+27=39 kg
因此,折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量Je
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:
上述式中 η—絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動效率取 η=0.8
μ——為摩擦系數(shù)取0.06
nmax=(vmax/δ)×(α/360°)=(1300/0.004) ×(0.36/360)=325r/min
取起動加速時(shí)間tα=0.03 s
初選電動機(jī)型號75BF006A,根據(jù)矩頻特性圖所示,
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
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)的傳動效率,取0.9
J=(Je +Jm)= 5.74×10-5 kg．m2+7×10-5 kg.m2 =12.74×10-5 kg.m2
Ma=(Je +Jm)(2πnmax)/(60tα)= 12.74×10-5 ×(2π×325)÷(60×0.03)= 0.14446N.m
Mq= Mamax+ Mf+ M0=0.14446+0.018632+0.00807=0.17116N.m
Mc= Mt+ Mf+ M0=0.136+0.018632+0.00807=0.1627N.m
Mk= Mf+ M0=0.018632+0.00807=0.0267N.m
從計(jì)算可知, Mq最大,作為初選電動機(jī)的依據(jù).
Mq/ Mjmax=0.085<0.9 滿足所需轉(zhuǎn)矩要求.
4)步進(jìn)電機(jī)動態(tài)特性校驗(yàn)
Je /Jm=5.74/7=0.82<4 說明慣量可以匹配
電機(jī)慣量最大起動頻率
步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)最大空載起動頻率和切削時(shí)最大工作頻率
fq=vmax/(60δ)=1300/(60×0.004)=5416.67> fL
fc=v1max/(60δ)=130/(60×0.004)= 541.667< fL
所以,與fc對應(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,可選該型號步進(jìn)電機(jī),具有一定的裕量.
2. 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、 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)
(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(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19.7mm，絲杠底徑19.7mm，循環(huán)圈數(shù)2.5基本動載荷5862N，基本靜載荷14361N.
(3)滾珠絲杠精度等級確定
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 =240+130+16=386 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=0.01×2/300×386×103=25.73
由[2]表5-5得,精度等級為T5
(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(fù)荷Ca≥Caj選擇滾珠絲杠副
由[2]式（3-2）可知：
式中 Caj -–滾珠絲杠副的計(jì)算軸向動負(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=85.4N
ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=325 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=4070.65NFmax
②臨界轉(zhuǎn)速
對于在高速下工作的長絲杠，須驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，以防止絲杠共振.
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)算長度. Lc =0.386m.
d2--絲杠螺紋底徑,取0.0175m
ncr= 17436.92r/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(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算
導(dǎo)軌的功用是使運(yùn)動部件沿一定的軌跡運(yùn)動,并承受運(yùn)動部件上的載荷,即起導(dǎo)向和承載作用,導(dǎo)軌副中,運(yùn)動的一方稱作運(yùn)動導(dǎo)軌,與機(jī)械的運(yùn)動部件聯(lián)結(jié),不動的一方稱作支承導(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)動導(dǎo)軌,使之按功能要求作正確的運(yùn)動.
(6) 選日本NSK 型滾動導(dǎo)軌 ，E級精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1
(7) 壽命按每年工作300天,每天兩班,每班8h,開機(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
(8) L=(2lsnz60Lh)/(103)= 3686.4 km
計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為390N
P=390/4=97.5N
計(jì)算需要的動載荷Cα
(9)
(10) 選用NSK LY15AL型號滾動導(dǎo)軌副,其Co=605N. Coa=745N
(3)滾動導(dǎo)軌間隙調(diào)整
預(yù)緊可以明顯提高滾動導(dǎo)軌的剛度,預(yù)緊采用過盈配合,裝配時(shí),滾動體、滾道及導(dǎo)軌之間有一定的過盈量.
(4)潤滑與防護(hù)
潤滑:采用脂潤滑,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。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(shù)特征。
3.編寫技術(shù)要求。
4.對所有零件進(jìn)行編號。
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)
典型數(shù)控工作臺電氣原理圖的說明
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)控工作臺電氣原理圖。它由8031型單片機(jī)、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(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)。從一開始就有一個(gè)單片機(jī)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(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(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，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(jī)作為CPU，它具有良好的性能價(jià)格比，且易擴(kuò)展。
（2）外部程序存儲器的擴(kuò)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(jī)（如8031），或當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部程序存儲器容量不夠時(shí)，進(jìn)行程序存儲器的擴(kuò)展是必不可缺的。半導(dǎo)體存儲器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作單片機(jī)的外部程序存儲器。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(shí)，應(yīng)注意電路的讀取時(shí)間能否與MCS-51的PESN信號匹配。其片選端接地。
由于本設(shè)計(jì)程序容量不大，因而選用2764作為外部程序存儲器。
（3）外部數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展
對大多數(shù)控制性應(yīng)用場合，MCS-51系列單片機(jī)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(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(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(jìn)電機(jī)的功能，同時(shí)完成與鍵盤/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(yīng)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(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。
（6）鍵盤接口電路設(shè)計(jì)
鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)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(jìn)電機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)
對于本課程設(shè)計(jì)中選用的步進(jìn)電機(jī)，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(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8255（U5）的PB0~PB4分別控制X方向步進(jìn)電機(jī)的五相。對于Y軸步進(jìn)電機(jī)通過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）限位開關(guān)及其反饋信號檢測
選擇限位開關(guān)時(shí)可根據(jù)額定電壓、額定電流、開啟頻率、觸點(diǎn)數(shù)等參數(shù)進(jìn)行。選擇行程開關(guān)，安裝于導(dǎo)軌的兩端。其作用是控制信號的通斷，然后由單片機(jī)系統(tǒng)檢測該信號的有無，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的換向與否的目的。
原理圖中通過8255（U5）的PA4~PA7口檢測步進(jìn)電機(jī)是否到位，從而采取相應(yīng)的控制措施。
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