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可任意分度的插齒機(jī)齒輪加工回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
the design of gear processing rotary table on random indexing gear shaper
摘要
插齒機(jī)作為齒輪加工機(jī)床的一種，已逐步體現(xiàn)出其加工的優(yōu)越性，在滾齒機(jī)、銑齒機(jī)上無法加工的一些齒輪，如雙聯(lián)齒輪和內(nèi)齒輪，在插齒機(jī)上可加工制造出來。在本課題的設(shè)計(jì)中，采用步進(jìn)電機(jī)控制回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)角。在單片機(jī)的控制下，步進(jìn)電機(jī)每秒鐘發(fā)出的脈沖數(shù)決定了工作臺(tái)的轉(zhuǎn)位角度，使該插齒機(jī)成為真正意義上的可任意分度加工，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)加工任意齒數(shù)的齒輪。
本課題所設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)發(fā)出，通過齒輪傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到蝸輪上，蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)再帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與主軸夾緊的工件的轉(zhuǎn)動(dòng)。所設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)用、簡(jiǎn)單、可靠、效率高。
關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī)；回轉(zhuǎn)工作臺(tái)；單片機(jī)；任意分度
Abstract
As one kind of the gear finishing lathes, the gear shaper has manifested the superiority in processing gradually, on the gear-hobbing machine, the gear cutter cann’t be true, for exampl- e,the twin gear and the annular gear, but they can be processed on the gear shaper. In this design, I use a step-by-step the electrical machinery to control the corner of rotary table. Under the control of monolithic integrated circuit, the number of pulse of the step-by-step electrical machinery each second can be sent out to decide the rotary table’s indexing angle, making the gear shaper to become the random indexing processing in the true sense .And then, the gear processing which is mentioned willfully might be realized.
The rotary table designed in this topic is controled by the monolithic integrated circuit to control the rotational speed of step-by-step electrical machinery, the step-by-step electrical machinery send out the power firstly, through the gear drive and the worm gear worm drive, then the power is transmisted to worm gear , and worm gear-rotating makes the main axle rotate the same time, and then,it comes to be realized that the work piece clamped with main axle come to rotate.In my opinion，this design of the rotary table is practical, simple, reliable, and the efficiency is high.
Keywords step-by-step the electrical machinery the rotary table the monolithic integrated circuit random indexing
I
目 錄
1 緒論 1
1.1 本課題的背景及應(yīng)解決的主要問題 1
1.2 本課題的研究目的和現(xiàn)實(shí)意義 1
1.3 插齒概述 2
1.4 插齒機(jī)類型與適用范圍 2
1.4.1 插齒機(jī)類型 2
1.4.2 各種插齒機(jī)的適用范圍 3
1.5插齒機(jī)的工作原理及其參數(shù) 3
1.5.1 插齒機(jī)的外觀圖 3
1.5.2 插齒機(jī)的工作原理 4
1.5.3 插齒機(jī)的參數(shù) 5
2 設(shè)計(jì)方案選擇 6
2.1 分度工作臺(tái) 6
2.2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 6
2.2.1 開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái) 6
2.2.2 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 7
3 工作臺(tái)設(shè)計(jì) 8
3.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇與控制 8
3.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類 8
3.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 9
3.1.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制 9
3.2 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算 14
3.2.1 蝸桿傳動(dòng)輸入?yún)?shù) 14
3.2.2 接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 15
3.2.3 確定蝸輪蝸桿的主要尺寸 16
3.2.4 確定蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率 16
3.2.5 選擇蝸輪蝸桿的精度等級(jí) 17
3.2.6 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算 17
3.3 齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.3.1 齒輪設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù) 18
3.3.2 齒輪的材料及熱處理 18
3.3.3 齒輪的基本參數(shù) 18
3.3.4 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 20
3.3.5 齒根彎曲強(qiáng)度校核 21
3.4 軸承設(shè)計(jì)計(jì)算 21
3.4.1 軸承方案選擇 21
3.4.2 軸承動(dòng)載荷和壽命計(jì)算 22
3.5 箱體設(shè)計(jì)計(jì)算 23
4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24
4.1 單片機(jī) 24
4.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 24
4.3 電源電路設(shè)計(jì) 25
4.4 程序設(shè)計(jì) 26
結(jié)論 32
致謝 33
參考文獻(xiàn) 34
附錄 35
34
1 緒論
1.1本課題的背景及應(yīng)解決的主要問題
齒輪是重要的基礎(chǔ)傳動(dòng)元件。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，盡管采用電氣、液壓傳動(dòng)裝置日益增多，對(duì)齒輪的需求仍有增無減。目前，中國(guó)齒輪市場(chǎng)的年銷售額超過了800億元。而齒輪加工機(jī)床也是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大的機(jī)床產(chǎn)品之一。世界進(jìn)入20世紀(jì)，齒輪的需求量迅速增長(zhǎng)，從而促進(jìn)了齒輪加工機(jī)床的開發(fā)和生產(chǎn)。20世紀(jì)70年代以后，由于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的功率、速度、噪聲與結(jié)構(gòu)尺寸等工作參數(shù)的提高，以及對(duì)加工可靠性的進(jìn)一步要求，目前齒輪裝置的制造精度和內(nèi)在質(zhì)量都提高了。齒輪加工技術(shù)在高精度、高效率、自動(dòng)化和柔性化等方面提出更高的要求。當(dāng)前齒輪機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)是：提高精度；提高剛度；提高效率；應(yīng)用數(shù)控技術(shù)增加柔性和擴(kuò)展工藝性能。
插齒機(jī)作為齒輪加工機(jī)床的一種，已逐步體現(xiàn)出其加工的特殊性，在滾齒機(jī)、銑齒機(jī)上無法加工的一些齒輪，如雙聯(lián)齒輪和內(nèi)齒輪，在插齒機(jī)上可加工制造出來。為了插齒機(jī)工作的可靠性、工藝適應(yīng)性，增強(qiáng)機(jī)床的柔性和自動(dòng)化程度、簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，特別是為滿足一些特殊齒輪加工需要，如各種非圓異形的內(nèi)嚙合齒輪加工，國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的插齒機(jī)產(chǎn)品早在80年代末就已全部數(shù)控化，近年來我國(guó)已開發(fā)了不同品種的數(shù)控插齒機(jī)，推向市場(chǎng)，逐步向機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展。
在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,如何擴(kuò)大插齒機(jī)的加工范圍和降低制造成本是提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。產(chǎn)品成本一般包括原材料、工具損耗、機(jī)床折舊、工人工資等各項(xiàng)管理費(fèi)用。他們與勞動(dòng)生產(chǎn)效率密切相關(guān),因此,擴(kuò)大機(jī)床加工范圍,提高產(chǎn)品加工效率是降低產(chǎn)品成本的有效途徑。
1.2本課題的研究目的和現(xiàn)實(shí)意義
在本課題的設(shè)計(jì)中，采用步進(jìn)電機(jī)控制回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)角。在單片機(jī)的控制下，步進(jìn)電機(jī)每秒鐘發(fā)出的脈沖數(shù)決定了工作臺(tái)的轉(zhuǎn)位角度，使該插齒機(jī)成為真正意義上的可任意分度加工，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)加工任意齒數(shù)的齒輪。
為了擴(kuò)大插齒機(jī)的加工性能，適應(yīng)某些齒輪加工的需要，插齒機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，除了X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之外，還可以繞X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，分別稱A、B、C軸。插齒機(jī)的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，一般由回轉(zhuǎn)工作臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。插齒機(jī)除了可以實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之外，還可以完成分度運(yùn)動(dòng)，一次裝夾即可多次加工，大大提高生產(chǎn)率。
一般插齒機(jī)等加工設(shè)備都配有回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等標(biāo)準(zhǔn)附件。標(biāo)準(zhǔn)附件的普通回轉(zhuǎn)工作臺(tái)不能調(diào)整中心,使用很不方便,在操作過程中必須把中心與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中心重合裝夾后,才能進(jìn)行加工。若如工件有多個(gè)中心位置需要加工,一次裝夾就無法完成。只能是逐個(gè)裝夾、調(diào)整和加工,這樣做使安裝和調(diào)整的時(shí)間大幅度增加,不但影響了加工的效率,也降低了工件的加工精度,增加產(chǎn)品的制造成本。
本課題設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，在加工多個(gè)中心的工件時(shí),顯示出它的優(yōu)越性,調(diào)整中心十分方便,省去了多次找正、調(diào)整和裝夾的麻煩。由于一次裝夾后實(shí)現(xiàn)了多個(gè)中心位置的加工,明顯地減少了因多次調(diào)整安裝所造成的積累誤差,所加工零件的尺寸精度比原先有大幅度的提高,工效提高3倍以上。
1.3插齒概述
插齒加工（如圖1-1所示）是由插齒刀具與工件齒輪之間作無間隙的嚙合運(yùn)動(dòng)，插齒刀具作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并繞本身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，在展成運(yùn)動(dòng)中加工出工件齒形。插齒是廣泛采用的切齒方法，用形狀為齒輪或齒條的插齒刀具，與被加工齒輪按一定的速比作嚙合運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，刀具沿齒寬方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成切削加工。
插齒運(yùn)動(dòng)包括：往復(fù)運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、分度運(yùn)動(dòng)和讓刀運(yùn)動(dòng)。插齒，能加工滾齒、銑齒等無法加工的一些齒輪，如雙聯(lián)齒輪和內(nèi)齒輪。
插齒方法最常見的是用齒輪型插齒刀插齒，其次是用齒條型插齒刀插齒。以上兩種方法為滾切法，此外還有成形法插齒。
圖1-1 插齒刀和插齒運(yùn)動(dòng)
1—插齒刀 2—齒坯
1.4插齒機(jī)類型與適用范圍
1.4.1插齒機(jī)類型
插齒機(jī)按其工件軸線的空間位置分為立式插齒機(jī)和臥式插齒機(jī)。立式插齒機(jī)又可分為工件（工作臺(tái)）讓刀和插齒刀（刀架）讓刀兩種。臥式插齒機(jī)又可分為單插齒刀和雙插齒刀兩種。臥式插齒機(jī)的刀具軸線與工件主軸軸線是水平布置的。
插齒機(jī)按其刀具形狀分為齒條刀插齒機(jī)和圓盤刀插齒機(jī)兩種型式。齒條刀插齒機(jī)也分立式和臥式兩種。立式齒條刀插齒機(jī)以一把齒條刀作為切削工具；臥式齒條刀插齒機(jī)以兩把齒條刀作為切削工具。齒條刀插齒機(jī)的生產(chǎn)廠家為數(shù)不多，主要以瑞士馬格公司為代表，絕大多數(shù)廠家都生產(chǎn)圓盤刀插齒機(jī)。
目前生產(chǎn)和使用得最多的是立式插齒機(jī)。立式插齒機(jī)與臥式插齒機(jī)的加工原理是相同的，但結(jié)構(gòu)形式差別很大。
1.4.2各種插齒機(jī)的適用范圍
插齒是加工范圍最廣的制齒方法之一。和滾齒機(jī)一樣，插齒機(jī)加工也采用展成原理，但插齒的主運(yùn)動(dòng)采用往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式，因此圓盤插齒刀軸不僅可在工件的外部——加工外齒輪，也可伸入到工件的內(nèi)部——加工內(nèi)齒輪；由于插齒刀切出工件端面只需很小的空間，所以它是加工臺(tái)階齒輪 ——雙聯(lián)或多聯(lián)齒輪的主要方法；此外，它還是目前加工齒條、尤其是7級(jí)精度以上齒條的最重要的方法。但是，當(dāng)用圓盤刀加工斜齒輪時(shí)，相應(yīng)于每一種螺旋角和旋向的斜齒輪需要一特定的斜齒插齒刀，并且在一般情況下，還需要設(shè)計(jì)專用的插斜齒附件——螺旋導(dǎo)軌。
齒條刀插齒機(jī)加工外齒輪時(shí)，由于齒條刀的長(zhǎng)度有限，當(dāng)插銷到一定齒數(shù)時(shí)工件必須自動(dòng)退回到原始位置，同時(shí)完成分齒動(dòng)作，因而滾切過程不是連續(xù)的，而是周期性的。用同一把齒條刀既可加工直齒又可加工斜齒，但螺旋角越大，刀具切出時(shí)需要的空間越大。齒條刀插齒機(jī)只有一對(duì)分度蝸輪副，并且齒條刀形狀簡(jiǎn)單容易達(dá)到高精度，所以加工精度較圓盤刀插齒機(jī)高。特別是當(dāng)切制大模數(shù)大直徑的外齒輪時(shí)，齒條刀插齒機(jī)的刀架和齒條刀的剛性都可得到加強(qiáng)，因而可獲得較高的加工精度和生產(chǎn)率。
圓盤刀插齒機(jī)主要用于加工內(nèi)、外嚙合直齒圓柱齒輪，當(dāng)?shù)都軗Q裝上螺旋導(dǎo)軌時(shí)，還可以加工相應(yīng)的斜齒圓柱齒輪。特別適宜于加工帶有臺(tái)階的雙聯(lián)或多聯(lián)齒輪。如采用特殊刀具和專用附件時(shí)，可加工各種多邊輪廓的工件：無聲鏈輪、棘輪、內(nèi)外花鍵、齒形帶輪、扇形齒輪、非完整齒齒輪和特殊齒形的離合器、齒條、端面齒輪和錐齒輪等。
1.5插齒機(jī)的工作原理及其參數(shù)
1.5.1插齒機(jī)的外觀圖
插齒機(jī)的外觀立體圖如圖1-2所示。
圖1-2 插齒機(jī)的外觀立體圖
1—插齒刀 2—刀架 3—橫梁 4—工件 5—工作臺(tái) 6—床身
1.5.2插齒機(jī)的工作原理
插齒加工按展成原理——滾切法。
插銷過程如同一對(duì)齒輪作無間隙的嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)，其中一個(gè)是工件，另一個(gè)是特殊的齒輪（插齒刀）。插齒刀本身如同一個(gè)修正齒輪，它在磨損后可重復(fù)刃磨使用。插齒刀的模數(shù)和壓力角必須與被加工齒輪的模數(shù)和壓力角相等，當(dāng)用圓盤刀插銷斜齒輪時(shí)兩者的螺旋角必須相等，加工外齒輪時(shí)兩者螺旋方向相反；加工內(nèi)齒輪時(shí)兩者螺旋方向相同。插齒刀每個(gè)刀齒的漸開線齒廓和齒頂都做出刀刃：一個(gè)頂刃和兩個(gè)側(cè)刃，它們有前角和后角。
為了在切削時(shí)實(shí)現(xiàn)滾切過程，插齒刀和齒坯（工件）按不同的方向各繞其本身的軸線回轉(zhuǎn)，它們的相互關(guān)系見式（1.1）：
n/n0=z0/z 式（1.1）
式中 n——工件轉(zhuǎn)速；
no——插齒刀轉(zhuǎn)速；
z——工件齒數(shù)；
z0——插齒刀齒數(shù)。
滾切運(yùn)動(dòng)是形成工件漸開線齒廓所必須的，插齒刀軸的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)（主運(yùn)動(dòng)）形成齒線。
此外，整個(gè)加工過程還需要插齒刀相對(duì)于工件作徑向進(jìn)給（切入）運(yùn)動(dòng)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)根據(jù)具體情況可分為一次至多次進(jìn)行。若采用一次進(jìn)給，則一次進(jìn)給到全齒深時(shí)為止。此后插齒刀與工件繼續(xù)對(duì)滾，當(dāng)工件轉(zhuǎn)過一整轉(zhuǎn)時(shí)，全部輪齒切到全齒深，加工結(jié)束。刀架或工作臺(tái)退出并回到原始位置。
通常，插齒刀軸向下運(yùn)動(dòng)為工作行程，向上運(yùn)動(dòng)為空行程。滾切運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和刀軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，為了避免插齒刀刮傷已加工的工件表面，在插齒刀空回行程時(shí)，插齒刀相對(duì)于工件還必須有一個(gè)讓刀運(yùn)動(dòng)，而在工作行程開始時(shí)插齒刀（或工件）必須回復(fù)到原來的位置。
1.5.3插齒機(jī)的參數(shù)
插齒機(jī)的主要聯(lián)系尺寸如圖1-3所示，機(jī)床的參數(shù)應(yīng)符合表1-1 的規(guī)定。
圖1-3 插齒機(jī)主要機(jī)床尺寸
表 1-1
最大工件直徑D mm
200
320
500（800）
1250（2000）
3150
最大模數(shù)m mm
4
6
8
12
16
最大加工齒寬B mm
50
70
100
160
240
插齒刀
主軸
軸頸D mm
31.743
31.743
31.743
31.743
80
錐孔
莫氏三號(hào)
——
——
——
1：20
插
齒
刀
孔徑d2 mm
60
80
100
180
240
T型槽槽數(shù)
——
4
4
8
16
槽寬 mm
——
12
14
22
36
注
1.括號(hào)內(nèi)參數(shù)主要用于變型產(chǎn)品。
2.當(dāng)D=1250mm時(shí)，刀軸應(yīng)增加軸頸直徑為88.9mm、101.6mm的接套；
當(dāng)D=3150mm時(shí)，刀軸應(yīng)增加軸頸直徑為31.743mm、889mm、101.6mm的接套
2設(shè)計(jì)方案選擇
回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是插齒機(jī)不可缺少的重要附件。它的作用是按照控制裝置的信號(hào)或指令作回轉(zhuǎn)分度或連續(xù)作回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以使插齒機(jī)能完成指定的加工工序。常用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有分度工作臺(tái)和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。
2.1 分度工作臺(tái)
分度工作臺(tái)的功能是完成回轉(zhuǎn)分度運(yùn)動(dòng)，即按照控制系統(tǒng)的指令，在需要分度時(shí)，將工作臺(tái)及其工作臺(tái)回轉(zhuǎn)一定角度。其作用是在加工中自動(dòng)完成工作的轉(zhuǎn)位換面，實(shí)現(xiàn)工件一次安裝完成幾個(gè)面的加工。按照采用的定位元件的不同，有定位銷式分度工作臺(tái)和鼠牙盤式分度工作臺(tái)。分度工作臺(tái)通常由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，僅能作規(guī)定好的度數(shù)的分度運(yùn)動(dòng)，不能連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床的分度結(jié)構(gòu)，它本身很難保證工作臺(tái)的分度的高精度的要求不適合本設(shè)計(jì)要求。
2.2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)
數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的功用有：
（1）使工作臺(tái)進(jìn)行圓周進(jìn)給完成切削工作；
（2）使工作臺(tái)進(jìn)行分度工作。
它按照控制系統(tǒng)的指令，在需要時(shí)候完成任務(wù)。其作用是既能作為數(shù)控機(jī)床的一個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，用于加工直線、曲線、圓弧或與直線坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)加工曲面，又能作為分度頭完成工作的轉(zhuǎn)位換面。這正式本設(shè)計(jì)所需要的。
再看數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)與分度工作臺(tái)的區(qū)別，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，從外形上看，與分度工作臺(tái)沒有什么區(qū)別，但在結(jié)構(gòu)上有以下一系列特點(diǎn)，現(xiàn)就開環(huán)數(shù)控工作臺(tái)和閉環(huán)數(shù)控工作臺(tái)分述如下：
2.2.1 開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)
開環(huán)系統(tǒng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)是由傳動(dòng)系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪夾緊裝置等組成。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)一般由電液脈沖馬達(dá)或功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)接到控制系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)指令后，首先要把蝸輪松開，然后開動(dòng)電—液脈沖馬達(dá)，按照指令脈沖來確定工作臺(tái)回轉(zhuǎn)的方向、回轉(zhuǎn)的速度快慢、回轉(zhuǎn)的角度大小以及回轉(zhuǎn)過程中速度的變化等參數(shù)。當(dāng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)完畢后，再把蝸輪夾緊恢復(fù)到原來的位置。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的分度定位是按控制系統(tǒng)所指定的脈沖數(shù)來決定轉(zhuǎn)位角度的，沒有其他的定位元件。因此，對(duì)開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的傳動(dòng)精度要求高，傳動(dòng)間隙應(yīng)盡量小。
數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)既沒有鼠牙盤，也沒有定位銷，它的定位精度完全是由控制系統(tǒng)來決定的。因此，對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，要求它的傳動(dòng)系統(tǒng)中沒有間隙，否則在反向時(shí)產(chǎn)生傳動(dòng)誤差而影響定位精度。
當(dāng)工作臺(tái)靜止時(shí)，必須處于鎖緊狀態(tài)。為此，在蝸輪底部的輻射方向裝有八對(duì)夾緊瓦，并在底座上均布同樣數(shù)量的小液壓缸。當(dāng)小液壓缸的上腔接通壓力油時(shí)，活塞便壓向鋼球，撐開夾緊瓦，并夾緊蝸輪。在工作臺(tái)需要回轉(zhuǎn)時(shí)，先使小液壓缸的上腔接通回油路，在彈簧的作用下，鋼球抬起，夾緊瓦將蝸輪松開。
回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的導(dǎo)軌面由大型滾動(dòng)軸承支承，并由圓錐滾柱軸承及雙列向心圓柱滾子軸承保持準(zhǔn)確的回轉(zhuǎn)中心。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定位精度主要取決于蝸桿副的傳動(dòng)精度，因而必須采用高精度蝸桿副。在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，可以在實(shí)際測(cè)量工作臺(tái)靜態(tài)定位誤差之后，確定需要補(bǔ)償角度的位置和補(bǔ)償?shù)闹?，記憶在補(bǔ)償回路中，由數(shù)控裝置進(jìn)行誤差補(bǔ)償。在全閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由高精度的圓光柵發(fā)出工作臺(tái)精確到位信號(hào)，反饋給數(shù)控裝置進(jìn)行控制。
回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)有零點(diǎn)，當(dāng)它作回零運(yùn)動(dòng)時(shí)，先用擋鐵壓下限位開關(guān)，使工作臺(tái)降速，然后由圓光柵或編碼器發(fā)出零位信號(hào)，使工作臺(tái)準(zhǔn)確地停在零位。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可以作任意角度的回轉(zhuǎn)和分度，也可以作連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
這種數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)采用開環(huán)系統(tǒng)，其定位精度主要取決于蝸桿蝸輪的運(yùn)動(dòng)精度，雖然采用高精度的五級(jí)蝸桿蝸輪副，但還是不能滿足機(jī)床的定位精度。因此還需要借助于數(shù)控裝置進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的導(dǎo)軌面是由大型滾柱軸承支承，徑向又有圓錐滾子軸承及雙列向心圓柱滾子軸承保證回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并有上述強(qiáng)力夾緊機(jī)構(gòu)。因此回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的剛度很好。
2.2.2 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)
閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)一般采用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)與開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)大致相同。區(qū)別在于：閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有角度測(cè)量元件（圓光柵或圓感應(yīng)同步器）。所測(cè)量的結(jié)果反饋與指令進(jìn)行比較，按閉環(huán)原理進(jìn)行工作，使回轉(zhuǎn)工作臺(tái)定位精度更高。
總結(jié)，對(duì)以上三種方案進(jìn)行分析，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，我選擇開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。另外，為了消除蝸輪副的傳動(dòng)間隙，采用雙導(dǎo)程蝸桿，通過移動(dòng)蝸桿的軸向位置來調(diào)整間隙。
在此設(shè)計(jì)中將采用此結(jié)構(gòu)來控制工作臺(tái)繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過變速齒輪和蝸桿傳遞動(dòng)力給大蝸輪，從而帶動(dòng)附加工作臺(tái)在Z軸方向的旋轉(zhuǎn)。
3工作臺(tái)設(shè)計(jì)
3.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇與控制
3.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類
3.1.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，既每當(dāng)電動(dòng)機(jī)的繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)與頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量，頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序，電動(dòng)機(jī)即可獲得所需的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下主要特點(diǎn)：
（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動(dòng)，電流的大小與波形的變化，溫度等）的影響，只要在他們的大小未引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生“丟失”現(xiàn)象之前，就不會(huì)影響其正常工作；
（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累計(jì)誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)之后，其累計(jì)誤差就會(huì)變?yōu)椤傲恪保虼瞬粫?huì)長(zhǎng)期積累；
（3）控制性能好，在啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟失”。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠的獲得較高的位置精度。
3.1.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多,有旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),也有直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī);從勵(lì)磁相數(shù)來分有三相,四相,五相,六相等步進(jìn)電動(dòng)機(jī).就常用的旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來說,可將其分為一下三種:
（1）可變磁阻型(VR-Variable Reluctance)
該類電動(dòng)機(jī)由定子繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉(zhuǎn)子作步進(jìn)驅(qū)動(dòng),故又稱作反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),其結(jié)構(gòu)原理為:其定子與轉(zhuǎn)子由鐵心構(gòu)成,沒有永久磁鐵,定子上嵌有線圈,轉(zhuǎn)子朝定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小方向轉(zhuǎn)動(dòng),并由此而得名可變磁阻型.這類電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速下的響應(yīng).由于VR型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的鐵心無極性,故不需要改變電流極性,為此多為單極性勵(lì)磁.
該類電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均不含永久磁鐵,故無勵(lì)磁時(shí)沒有保持力.另外,需要將氣隙做得盡可能小,例如幾個(gè)微米.這種電動(dòng)機(jī)具有制造成本高,效率低,轉(zhuǎn)子的阻尼差,噪聲大等缺點(diǎn).
（2）永磁型(PM-Permanent Magner)
PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵,定子采用軟磁鋼制成,繞組輪流通電,建立的磁場(chǎng)與永久磁鐵的恒定磁場(chǎng)相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,這種電動(dòng)機(jī)采用了永久磁鐵,即使定子繞組斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩,故具有記憶能力,可用作定位驅(qū)動(dòng).PM型電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是勵(lì)磁功率小,效率高,造價(jià)便宜,但由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制,難于制造,故步距角較大.
（3）混合型(HB-Hybrid)
這種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鐵,故可以說是永磁型步進(jìn)電動(dòng)機(jī),但從定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來看,又和可變磁組型相似,所以是永磁型和可變磁組型相結(jié)合的一種形式,故稱為混合型步進(jìn)電動(dòng)機(jī),它不僅具有VR型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角小,響應(yīng)頻率高的優(yōu)點(diǎn),而且還具有PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁功率小,效率高的優(yōu)點(diǎn).它的定子與VR型沒有多大的差別,只是在相數(shù)和繞組接線方面有其特殊的地方,例如,VR型一般都作成集中繞組的形式,每極上放有一套繞組,相對(duì)的兩極為一相,而HB型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組大多數(shù)為四相,而且每極同時(shí)繞兩相繞組或采用橋式電路繞一相繞組,按正反脈沖供電.
這種類型的電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子鐵心的凸極數(shù)和定子的副凸極數(shù)決定步距角的大小,可制造出步距角較小的電動(dòng)機(jī).永久磁鐵也可磁化軸向的兩極,可使用軸向各向異性磁鐵制成高效電動(dòng)機(jī).
3.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
本設(shè)計(jì)選用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其技術(shù)性能數(shù)據(jù)如下：
型號(hào)： 75BF001
相數(shù)： 3
步距角： 1.5/
電壓: 24V
相電流: 3A
最大靜轉(zhuǎn)矩 : 0.392（N.M）
空載起動(dòng)頻率: 1750步/S
電感: 19mH
電阻: 0.62
分配方式: 三相六拍
外形尺寸: 75x53(6)
轉(zhuǎn)子動(dòng)慣量： 1.274
重量： 1.1（Kg）
3.1.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制
控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出CP脈沖的頻率或者是換相的周期,系統(tǒng)可用兩種辦法來確定CP脈沖的周期,一種是延時(shí),一種是定時(shí)器.
（1）延時(shí)方法
這種方法是在每次換相后,調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序,待延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行換相子程序,延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間與換相子程序所用的時(shí)間的和就是CP脈沖的周期.
例如:
SV:LCALL CW; 正轉(zhuǎn)一步
LCALL OS; 調(diào)用延時(shí)子程序
SJMP SV; 返回繼續(xù)
（2）定時(shí)器方法
AT89S51芯片內(nèi)部有兩個(gè)定時(shí)器,都是可編程的利用定時(shí)器的定時(shí)功能就可以產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號(hào),從而可以方便地控制系統(tǒng)輸出CP脈沖周期.
我們將電動(dòng)機(jī)的換相子程序放在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中則定時(shí)器中斷一次電動(dòng)機(jī)就換相一次,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度控制,在本設(shè)計(jì)中,電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率是每秒2500步(2500PPS),則周期為400s.
計(jì)算裝載初值:
X=FE70H
由于從定時(shí)器申請(qǐng)中斷到系統(tǒng)響應(yīng)中斷,再到中斷服務(wù)程序中對(duì)定時(shí)器進(jìn)行裝載,都需要花費(fèi)一定的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間形成附加延時(shí),為實(shí)現(xiàn)精確定時(shí),應(yīng)將這個(gè)時(shí)間計(jì)算在內(nèi)。下面的程序定時(shí)器需要7個(gè)機(jī)器周期,因此先把FE7OH加上7后得FE77H作為裝載值先存在中間單元R6、R7中,R6存77H，R7存FEH。程序如下：
SPD：MOV R6，#77H
MOV R7，#FEH
LCALL CW
CLR TR0
MOVA， TL0
ADDA，R6
MOV TL0，A
MOVA，TH0
ADDA，R7
MOV TH0，A
SETB TR0
RET1
系統(tǒng)在反復(fù)執(zhí)行這個(gè)中斷程序時(shí)，所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的時(shí)鐘脈沖就是恒定的頻率。而且與設(shè)定值之間不存在誤差。
程序如下：（所列出的程序均通過編譯）
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 000BH
LJMP SPD
ORG 001BH
LJMP DISBUFF
ORG 0040H
MAIN： MOV SP，#60H
MOV TMOD，#O1H
MOV TCON，#01H
MOV RO,#8
MOV SCON,#00H
MOV TL1,#00H
MOV TH1,#00H
SETB TR1
PRO: LCALL KEY1
LCALL KP
SJMP PR0
SPD: MOV R6,#1FH
MOV R7,#0FCH
LCALL CW
LCALL DISBUFF
LCALL DISP
CLR TR0
MOV A, TL0
ADD A, R6
MOV TL0,A
MOV A,TH0
ADD A,R7
MOV TH0,A
SETB TR0
RET1
KEY1: ACALL KSY1
JNZ LK1
AJMP KEY1
LK1: ACALL TRMS
ACALL KS1
JNZ LK2
AJMP KEY1
LK2: MOV R2,#0FEH
MOV R4,#00H
LK4: MOV DPTR,#7FFCH
MOV A,R2
MOVX @DPTR,A
INC DPTR
INC DPTR
MOVX A,@DPTR
JB ACC.0,LONE
MOV A,#00H
AJMP LKP
LTWO: JB ACC.2,LTHR
MOV A,#16H
AJMP LKP
LTHR: JB ACC.3,NEXT
MOV A,#24H
LKP: ADD A,R4
PUSH ACC
LK3: ACALL KS1
JNZ LK3
POP ACC
RET
NEXT: INC R4
MOV A,R2
JNB ACC.7,KND
RL A
MOV R2,A
AJMP LK4
KND: AJMP KEY1
KS1: MOV DPTR,#7FFCH
MOV A,#00H
MOVX @DPTR,A
INC DPTR
INC DPTR
MOVX A,@DPTR
CPL A
ANL A,#0FH
RET
TRMS: MOV R7,#18H
TM: MOV R6,#0FFH
TM6: DJMZ R6,TM6
DJMZ R7TM
RET
KP: MOV R3,A
RL A
ADD A,R2
MOV DPTR,#JPTAB
JMP @A+DPTR
JPTAB:LJMP SPD
RET
CW: INC R0
CJNE R0,#8,CW1
MOV RO,#0
CW1: MOV A,RO
MOV DPTR,#7FFOH
MOVC A,@A+DPTR
MOV DPTR,#7FF0H
MOVX @DPTR,A
RET
DISBUFF:MOV R5,#15
DJNZ R5,T1S
MOV R1,#30H
MOV @R1,A
T1S: MOV TL1,#00H
MOV TH1,#00H
SETB TR1
RET1
DISP: SETB P1.0
MOV R7,#4
MOV R1,#30H
DISP0: MOV A,@R1
MOV DPTR,#6000H
MOVC A,@A+DPTR
MOV SBUF,A
DISP1: JNB T1,DISP1
CLR T1
INC R1
DJNZ R7,DISP0
CLR P1.0
RET
ORG 6000H
DB 0C0H,OF9H,0F9H,0A0H,0B0H,99H
DB 92H,82H,0F8H,80H,98H
ORG 7FF0H
DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H
END
3.2 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1 蝸桿傳動(dòng)輸入?yún)?shù)
蝸桿傳遞功率P: 0.7KW
蝸桿轉(zhuǎn)速n1: 800r/min
傳動(dòng)比i12： 50
傳動(dòng)比誤差： 0.00%
預(yù)定壽命H: 24000h
阿基米德類型蝸桿
工作載荷平穩(wěn)；
單向工作；
長(zhǎng)期連續(xù)工作；
噴油潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑情況良好；
自然通風(fēng)冷卻方式。
3.2.2 接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
材料及熱處理
蝸桿蝸輪材料：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-127，蝸桿：45，表面滲碳淬火，HRC 45～55
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-128，蝸輪：ZQSn10-1,金屬模鑄造，
選定蝸桿頭數(shù)Z1和蝸輪齒數(shù)Z2
Z1=1 所以： Z2=80
確定接觸許用應(yīng)力[σ]H
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-128 [σ]H=200MP
蝸輪軸轉(zhuǎn)矩T2
式（3.1）
確定模數(shù)mt及蝸桿直徑系數(shù)q
式（3.2）
K=1.1
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-119得： q=10
確定蝸桿螺旋升角λ
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-121得：
確定中心距a
式（3.3）
蝸桿蝸輪彎曲強(qiáng)度校核
許用彎曲強(qiáng)度
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-128得： =70MP
蝸輪當(dāng)量齒數(shù)Z`
式（3.4）
蝸輪齒形系數(shù)YF2
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-129得：YF2=1.41
彎曲強(qiáng)度校核
式（3.5）
所以強(qiáng)度夠。
3.2.3確定蝸輪蝸桿的主要尺寸
分度圓直徑d 式（3.6）
齒頂圓直徑da
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-142得：ha=3mm
所以：
式（3.7）
齒根圓直徑df
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-142得：hf=4mm
所以：
蝸桿螺紋長(zhǎng)度L
式（3.8）
蝸輪外徑de2
式（3.9）
蝸輪寬度b
b=1*da1=1*48=48mm 式（3.10）
軸向齒距極限累積誤差
軸向齒距極限偏差
蝸桿齒形公差、蝸桿螺牙跳動(dòng)公差分別為
蝸桿法向弦齒高和弦齒厚
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-142得：
3.2.4 確定蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率
因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中采用閉式蝸桿傳動(dòng)，其傳動(dòng)效率的計(jì)算公式為：
式（3.11）
因?yàn)槭俏仐U主動(dòng)，所以嚙合效率按下式計(jì)算：
式（3.12）
該式中：——蝸桿分度圓螺旋升角；
——為當(dāng)量摩擦角，
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-130得：取
所以，
攪油損失的效率，通常取=0.98
軸承的效率，對(duì)滾動(dòng)軸承常取=0.99
所以，蝸桿的傳動(dòng)效率為：
3.2.5 選擇蝸輪蝸桿的精度等級(jí)
本設(shè)計(jì)中，蝸桿蝸輪都選擇的是7級(jí)精度。
3.2.6 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算
該工作臺(tái)采用自然通風(fēng)冷卻方式，因此箱體表面散出的熱量折合的功率為：
式（3.13）
導(dǎo)熱系數(shù)，常取
傳動(dòng)裝置的散熱面積A:
式（3.14）
A1為內(nèi)面被油浸濺著而外面又被自然循環(huán)的空氣所冷卻的箱殼的面積，A2為A1計(jì)算表面的補(bǔ)強(qiáng)筋和凸座的表面以及安裝在金屬底座或機(jī)械框架上的箱殼底面積。
所以估算出：
達(dá)到熱平衡時(shí)，傳動(dòng)的發(fā)熱率應(yīng)和箱體的散熱率相等，依熱平衡條件得：
式（3.15）
式中 P1——蝸桿軸功率；
——潤(rùn)滑油的溫度，對(duì)蝸桿傳動(dòng)可以允許到95度，這里取30度；
——周圍空氣的溫度，一般取20度。
綜合以上數(shù)據(jù)，可以得出箱體表面散出的熱量估算為：
式（3.16）
可以滿足工作臺(tái)的正常工作需要。
3.3齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 齒輪設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)
傳遞功率： P=0.98 kw
齒輪1的轉(zhuǎn)速： n1=1500r/min
齒輪2的轉(zhuǎn)速： n2=800 r/min
傳動(dòng)比： i=1500/800=1.875
預(yù)定壽命： H=24000 h
原動(dòng)機(jī)載荷特性： 均勻平穩(wěn)
工作機(jī)載荷特性： 均勻平穩(wěn)
3.3.2 齒輪的材料及熱處理
齒面類型：軟齒面
熱處理質(zhì)量要求級(jí)別： MQ
（1）材料及熱處理：
齒輪1：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-78，齒輪1選擇材料為 45鋼；熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理。硬度范圍為：HB240-270本設(shè)計(jì)取硬度為： HB250
齒輪2：
為了提高齒輪的抗膠合性能，大齒輪和小齒輪應(yīng)選擇不同牌號(hào)的鋼來制造,根據(jù)這個(gè)原則，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-78齒輪2 選擇的材料為40Cr；熱處理為調(diào)質(zhì)處理。硬度范圍為：HB200-230 所以本設(shè)計(jì)選用硬度為：HB215
（2）機(jī)械性能：
齒輪1： 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-78得：
許用接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力：
許用彎曲強(qiáng)度極限應(yīng)力：
齒輪2： 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-78得：
許用接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力：
許用彎曲強(qiáng)度極限應(yīng)力：
3.3.3 齒輪的基本參數(shù)
模數(shù)m的選取，取模數(shù)為 m=2
齒數(shù)Z1、Z2的確定，取齒數(shù)為 Z1=24
所以
變位系數(shù)X：
由于齒輪有偏心調(diào)節(jié)環(huán)約束，所以取變位系數(shù) x=0，總變位系數(shù)
齒輪主要尺寸：
分度圓直徑：
式（3.17）
齒頂圓直徑： 取
所以 式（3.18）
齒根圓直徑：
式（3.19）
基圓直徑：
α取標(biāo)準(zhǔn)值為
節(jié)圓直徑：
標(biāo)準(zhǔn)中心距a:
式（3.20）
中心距變動(dòng)系數(shù)y：
y=-0.001
齒高變動(dòng)系數(shù)為0.001
小齒輪齒寬B：
式（3.21）
因取值為1，所以B=48mm
分度圓弦齒厚和弦齒高：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-57得：
對(duì)齒輪1：
對(duì)齒輪2：
固定弦齒厚和固定弦齒高：
查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-58得：
公法線跨齒數(shù)K和公法線長(zhǎng)度：
對(duì)齒輪1： K=3
對(duì)齒輪2： K=5
3.3.4齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
有關(guān)參數(shù)和系數(shù)的確定
確定圓周力Ft 式（3.22）
因 式（3.23）
所以 式（3.24）
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-74得：，因此
所以按V=，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-82選齒輪的精度為7級(jí)；
重合度的計(jì)算，重合度可由下公式算出：
因
所以
所以
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖5-26得：
由于齒輪對(duì)稱軸承布置，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖5-24得：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5-75得：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖5-24得：
核算齒面接觸疲勞強(qiáng)度
式（3.25）
因已知：許用接觸疲勞強(qiáng)度，，所以接觸強(qiáng)度足夠。
3.3.5齒根彎曲強(qiáng)度校核
確定有關(guān)參數(shù)和系數(shù)
與接觸強(qiáng)度相同；
查圖《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖5-29得：齒形系數(shù)
查圖《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖5-30得：重合度系數(shù)
因?yàn)槭侵饼X圓柱齒輪，所以螺旋角系數(shù)
核算齒根彎曲強(qiáng)度
式（3.26）
因許用齒根彎曲強(qiáng)度，，所以，齒跟彎曲強(qiáng)度足夠。
3．4 軸承的設(shè)計(jì)
3.4.1軸承方案的選擇
（1）方案1：兩端單向固定
常用于跨距L<400 mm的情況，支點(diǎn)常采用兩端單向固定的方式，每個(gè)軸承分別承受一個(gè)方向的軸向力。
（2）方案2：一端雙向固定， 一端游動(dòng)
為保證滾動(dòng)軸承系能正常傳遞軸向力且不發(fā)生竄動(dòng)，在軸上各零件定位固定的基礎(chǔ)上，必須合理設(shè)計(jì)軸系支點(diǎn)的軸向固定結(jié)構(gòu)。
軸上同時(shí)受徑向和軸向聯(lián)合載荷，一般選用角接觸軸承或圓錐滾子軸承。 但圓錐滾子軸承能同時(shí)受徑向和單向軸向載荷、承載能力，成對(duì)使用。 角接觸軸承能同時(shí)受徑向載荷和單向軸向載荷，由于角接觸軸承受徑向載荷會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的附加力，故應(yīng)成對(duì)使用。
為保證滾動(dòng)軸承能正常傳遞軸向力且不發(fā)生竄動(dòng)，在軸上各零件定位固定的基礎(chǔ)上，還要設(shè)計(jì)軸承的組合。
當(dāng)軸較長(zhǎng)或工作溫度較高時(shí)，軸的熱膨脹伸縮量大，宜采用一端雙向固定，一端游動(dòng)的支點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
綜合考慮本設(shè)計(jì)，方案1較適合。
3.4.2軸承的動(dòng)載荷和壽命計(jì)算
由上面所知徑向力F=150N，F(xiàn)=15N
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表18.7查取滾動(dòng)軸承當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算的X,Y值為X=1,Y=0
沖擊載荷系數(shù)fd:
考慮到是輕微沖擊,查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表18.8取=1.2
當(dāng)量動(dòng)載荷:
P=f=1.2(150+0)=180N 式（3.27）
L==1.510h 式（3.28）
該聯(lián)結(jié)為受拉緊聯(lián)結(jié)。
有公式: 式（3.29）
式中 ——螺栓總拉力；
——螺栓的預(yù)緊力；
——工作載荷；
——剩余預(yù)緊力；
——螺栓的相對(duì)剛度系數(shù)；
下列數(shù)據(jù)可供選擇時(shí)參考: 無變化時(shí), =(0.2～0.6)；
有變化時(shí), =(0.6～1.0)；
因?yàn)?100N,所以=(0.6～1.0)=(60～100)N，即=100+100=200N
強(qiáng)度校核公式:
式（3.30） 在這里選螺栓的材料為40Cr查《工程材料》=785Mpa；
為螺栓的許用拉應(yīng)力安全系數(shù),查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表6.3取=1.5；
d==mm=0.7mm 式（3.31）
= Mpa =523.3 Mpa 式（3.32）
3．5 箱體的設(shè)計(jì)
1. 零件尺寸設(shè)計(jì)
機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) ，機(jī)架設(shè)計(jì)中的鑄鐵箱體設(shè)計(jì)表28－8選用長(zhǎng)400mm ，寬400mm，垂直高160mm，最小壁厚選20mm,具體結(jié)構(gòu)及尺寸由零件圖知。
2. 設(shè)計(jì)計(jì)算
危險(xiǎn)截面確定
底座是主要起支撐作用的底座，所以主要承受壓力它所受的插削沖擊力傳遞給它，所以它的危險(xiǎn)截面在主軸于底座的接觸面上止推軸承與底座的接觸面可以近似看成一個(gè)長(zhǎng)為一圈軸承周長(zhǎng)，寬為軸承半徑r的一個(gè)矩形進(jìn)行大致的計(jì)算
接觸面的面積 s＝Dr
軸承的平均直徑 D=(D+D2)/2=(38+43)/2=40.5mm
r＝d/2 r＝2.5mm
S＝Dr 318mm2
＝F/s10Mpa
3. 選材
由于底座主要承受壓力的作用，鑄鐵相當(dāng)與鋼的受壓能力也較好，鑄鐵和鋼相比有較為便宜，鑄鐵又是箱體的首選材料，所以選用鑄鐵，選擇結(jié)果牌號(hào)為HT150，抗壓強(qiáng)度為150Mpa。
4. 校核
遠(yuǎn)遠(yuǎn)小與許用應(yīng)力，所以滿足條件
4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括單片機(jī)型號(hào)的選擇,程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展,鍵盤及顯示電路的設(shè)計(jì),越界報(bào)警電路的設(shè)計(jì),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),環(huán)形分配器的選擇。此外,還包括電源電路的設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。
4.1單片機(jī)
圖4-1 AT89S51引腳圖
AT89S51的選擇
首先ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器, ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，它可以和AT89S51單片機(jī)直接相連。ADC0809的各項(xiàng)指標(biāo)多與AT89S51匹配。其次目前市場(chǎng)比較常用AT89S51,是一個(gè)低功耗，高性能CMOS八位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。綜合與ADC0809的匹配、目前的單片機(jī)通用情況,最終我們選擇了AT89S51。
4.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)，其波形圖T1是一個(gè)高頻開關(guān)管，T2是開關(guān)管的發(fā)射極接一只小電阻R，電動(dòng)機(jī)繞組的電流經(jīng)過這個(gè)電阻到地，所以這個(gè)電阻是電流