35-二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)【CAD圖紙+word說明書】
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寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院
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
童瑞甫
學(xué) 號(hào)
084173945
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)說明書一份（含設(shè)計(jì)任務(wù)書）；
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)算說明書草稿一份。
成 績(jī)
2012、03
目錄
一.總體方案擬定 ………………………………… （3）
二．X軸參數(shù)確定及選擇 ……………………… （3）
1.脈沖當(dāng)量選擇 ……………………………………… （3）
2.圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) ………………………………（3）
2.1齒輪強(qiáng)度計(jì)算 ………………………………（5）
2.2齒輪尺寸計(jì)算 ………………………………（5）
2.3等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 ………………………………（6）
2.4等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 ………………………………（6）
3.X軸聯(lián)軸器選擇 ………………………………（7）
4.x軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（9）
5.X軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（9）
三.Y軸參數(shù)確定及選擇 ………………………………（9）
1.脈沖當(dāng)量選擇 ………………………………（9）
2.等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 ………………………………（9）
3.等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 ………………………………（10）
4.Y軸聯(lián)軸器選擇 ………………………………（10）
5.Y軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（11）
6.Y軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………（11）
四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ………………………………（12）
1.設(shè)計(jì)內(nèi)容 ………………………………（12）
2.設(shè)計(jì)步驟 ………………………………（12）
3.總體方案擬定 ………………………………（12）
3.1主控CPU選擇 ………………………………（12）
3.2存儲(chǔ)擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) ………………………………（12）
3.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ………………………………（15）
3.4其他輔助設(shè)計(jì) ………………………………（16）
4.數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ………………………………（16）
五、參考文獻(xiàn) … …………………………………………………（17）
一、 總體方案擬定
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。
二、X軸步進(jìn)電機(jī)參數(shù)確定及選擇
由已知設(shè)計(jì)參數(shù)：vx=2.0 m/min=0.033m/s, Fx=180N,則 Px=Fxvx=5.94W
1 脈沖當(dāng)量選擇
初選三相電機(jī)，按三相六拍工作時(shí)，步矩角α=0.75°,初定脈沖當(dāng)量
δ=0.005mm/p, 絲杠導(dǎo)程tsP=5 mm,中間齒輪傳動(dòng)比i為:
i=(αtsP)／(360δ)=0.75×5／(360×0.005)=2.1
由i確定齒輪齒數(shù)為Z1=20,Z2=42,模數(shù)m=2mm,大齒輪齒寬b2=10mm ，則b1=12mm
2 圓柱斜齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
(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=20,Z2=Z1×i=20×2.1＝42
(4）.選取螺旋角， 初選β＝14o
2.1 齒輪強(qiáng)度計(jì)算
（1）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, 查表可得材料彈性影響系數(shù)ZE＝189.8MPa
2).查機(jī)械設(shè)計(jì)教材，選取區(qū)域系數(shù)ZH=2.433, 選取齒寬系數(shù)Φd＝0.3，
3). 查表得εa1＝0.78，εa2 ＝0.85，則εa＝εa1+εa2 ＝1.63
4).應(yīng)力循環(huán)系數(shù)取j=1， 所以：
N1=60n2jLh=60×1500×1×(2×8×300×15)＝6.480×109
N2=N1/u=6.480×109/2.1＝3.08×109
5）.查表得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.85,KHN2=0.89,
6).查表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＝489.5MPa
[σH]=[σH]1+[σH]2)/2=499.75 MPa
8) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：
T1=95.5×105Px/nx=95.5×105×0.00594/1500=37.82N.mm
（2） 計(jì)算
1）.試算小齒輪分度圓直徑
d1t≥{2×1.6×44.121×3.083/（0.3×1.630×1.25）×（2.433×189.8/494.25）2）}（1/3）＝6.94mm ，取d1t=7.0mm
2).計(jì)算圓周速度 v=лd1tn1/(60×1000)＝0.55m/s
3).計(jì)算齒數(shù)b及模數(shù)mnt： b=Φdd1t=0.3×7＝2.1mm
mnt=d1tcosβ/Z1=7×cos14o/20=0.34
h=2.25mnt=2.25×0.34mm =0.76 mm
b/h=2.1/0.76=2.8
4).縱向重合度εβ＝0.318×Φd×Z1×tanβ=0.318×0.3×20×tan14o=0.48
5).計(jì)算載荷系數(shù)K,查課本得使用系數(shù)KA=1.25,根據(jù)v=0.033 m/s ,7級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù)Kv=1.01,由b/h=2.8,查得KHα=KFα=1.2,故載荷系數(shù)K=KAKvKHαKFα=1.25×1.01×1.2×1.2＝1.69
6）.分度圓直徑d1=d1t(K/Kt)(1/3)=7×（1.69/1.6）（1/3）=7.13 mm
7).計(jì)算模數(shù)mn=d1×cosβ/Z1=7.13×cos14o/20=0.35 mm
(3）按齒輪彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
mn>={(2KT2YβCOS2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3)
1）計(jì)算載荷系數(shù)，K=KA×Kv×KFα×KFβ=1.25×1.01×1.2×1.2＝1.69
2）根據(jù)縱向重合度εβ＝0.48，查表得螺旋角影響系數(shù)Yβ=0.91
3）計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)Zv1=Z1/cos3β=20/cos314o=21.2
4）查得,YFa1=2.763,YSa1=1.592,YFa2=2.375,YSa2=1.672
因?yàn)樾↓X輪彎曲極限強(qiáng)度σFE1=500MPa,大齒輪σFE2＝380MPa,查得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85,KFN2=0.87,取安全系數(shù)S=1.1，則
[σF]1＝KHN1×σFE1/S=386MPa
[σF]2＝KHN2×σFE1/S＝304MPa
5）計(jì)算大、小齒輪YFa1 YSa1/[σF]1并加以比較
YFa1 YSa1/[σF]1＝2.763×1.562/386=0.0112
YFa2YSa2/[σF]2=2.375×1.672/304＝0.013
比較后取大齒輪數(shù)據(jù)
6）設(shè)計(jì)計(jì)算mn>={2×1.69×37.82×0.91×0.013×(cos14°)2/（0.3×202×1.63）}（1/3）＝0.187m
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=20mm ,來計(jì)算應(yīng)有的齒數(shù)，于是有
Z1=d1cosβ/mn=20×cos14o/2＝9.7，取Z1＝20，則Z2＝i×Z1=2.1×24＝42
2.2 齒輪幾何尺寸計(jì)算
①中心距 a=( Z1+Z2)mn/(2×cosβ)=(20+42)×2/（2×cos14o）＝63.9 mm 所以圓整為64 mm
②按圓整后的中心距修正螺旋角β＝arccos[(Z1+Z2)mn/2a]=arcos[(20+42)×2/(2×64) =14.36 o
③計(jì)算大、小齒輪分度圓直徑
d1=Z1mn/cosβ=20×2/cos14.36o =41.29mm
d2=Z2mn/cosβ=30×2/cos14.36o =86.7mm
④計(jì)算齒輪寬度b=Φdd1=0.3×41.29＝12.36 mm，所以取B2=13mm,小齒輪取B1=16mm
2.3等效轉(zhuǎn)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=[π44×1.4×7.85×10-3]／32 =0.276×10-4 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=0.498×10-4 kg.m2
查設(shè)計(jì)手冊(cè)初選滾珠絲杠 CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=430 mm
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×43×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.53×10-4 kg.m2
工作重物為12kg
Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2 =12×(0.5／2π) 2 ÷2.12×10-4 kg.m2 =1.71×10-6 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 =0.807×10-4 kg.m2
2.4 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)
查設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(4-7)~(4-9)可知:
Mt=[(Fx+μFy) tsP]/(2πηi)= [(180+0.06×140)×0.005]/(2π×0.8×2.1)=0.089N.m
Mf= (Ff tsP)/(2πηi)= (μW tsP)/(2πηi)=(0.06×12×10×0.005)/ (2π×0.8×2.1)=0.00341N.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°)=(2000/0.005) ×(0.75/360)=833 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)70BF003,其最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax=0.784N.m,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=0.3×10-4 kg．m2, fm=1600Hz.
M0=(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η02)= (1/3Fxtsp)÷(2πηi) ×(1-η02) =[(1/3) ×180×0.006]÷(2π×0.8×2.1) ×[1-0.92]=0.054 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)= 0.807×10-4 kg．m2+0.3×10-4 kg.m2 =1.107×10-4 kg.m2
Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)= 0.2926N.m
Mq= Ma+ Mf+ M0=0.2926+0.00341+0.054=0.35N.m
Mc= Mt+ Mf+ M0=0.089+0.00341+0.054=0.1464N.m
Mk= Mf+ M0=0.00341+0.054=0.05741N.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=0.446<0.9 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<4 說明慣量可以匹配
綜上所述,可選該型號(hào)步進(jìn)電機(jī)
3.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(dòng)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。
4. X軸滾珠絲杠設(shè)計(jì)
（1）滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型
①滾珠循環(huán)方式
由設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表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5mm, 絲杠外徑19.5mm，絲杠底徑17.76mm，循環(huán)圈數(shù)2.5，基本動(dòng)載荷7417N，基本靜載荷15311N，剛度376N/um.
(3)滾珠絲杠精度等級(jí)確定
①絲杠有效行程 由導(dǎo)程查得余程le=20 mm，
得絲杠有效行程lv=lu-le，lu =150-20=130 mm
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=0.02/300*130*103=8.6
由表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.由表5-6查得,采用一端固定一段游動(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Ca≥Caj選擇滾珠絲杠副
由式（3-2）可知：Caj=[(Fefw)/(fhftfafk)]×[(60Lhne)/(106)]1/3
式中 Caj -–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=162N
ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=200r/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=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（可靠度99%）
計(jì)算得Caj=5.11KNFmax
②臨界轉(zhuǎn)速
對(duì)于在高速下工作的長(zhǎng)絲杠，須驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，以防止絲杠共振.
ncr=9910(f22d2)/Lc2
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(zhǎng)度. Lc =0.25m.
d2--絲杠螺紋底徑,取0.016m
ncr= 9962r/min > nmax,
同時(shí)驗(yàn)算絲杠另一個(gè)臨界值 d0n=20*833=16660<70000
③軸承選角接觸球軸承7001AC.
(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.
5.X軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算
(1) 本方案選擇HJG-D35型滾動(dòng)導(dǎo)軌 ，E級(jí)精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1
(2) 壽命按十年，每年工作300天,每天工作8h,開機(jī)率0.8計(jì),額定壽命為:
Lh=10×300×8×0.8=19200 h
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)緊采用過盈配合,裝配時(shí),滾動(dòng)體、滾道及導(dǎo)軌之間有一定的過盈量.
(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.
三、Y軸方案及參數(shù)計(jì)算
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=1.45m/min=0.024m/s , Fy=140N , Px=Fyvy=3.38W
1 脈沖當(dāng)量選擇
初選五相電機(jī)，按五相五拍工作時(shí)，步矩角α=0.72°,初定脈沖當(dāng)量δ=0.005mm/p, 絲杠導(dǎo)程tsP=5 mm,中間齒輪傳動(dòng)比i為:
i=(αtsP)／(360i)=0.72×5／(360×0.005)=2
由i確定齒輪齒數(shù)為Z1=20,Z2=40,模數(shù)m=2mm,齒寬b1=12mm,b2=10mm
2 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算(不計(jì)傳動(dòng)效率)
Jg1=(πd14b1ρ)／32=[π(4)4×1.2×7.85×10-3]／32 =0.2×10-4kg.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=0.481×10-4 kg.m2
初選滾珠絲杠CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=380 mm
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×38×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.468×10-4 kg.m2
Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2 =25×(0.5／2π) 2 ÷22×10-4 kg.m2 =3.962×10-6 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 =0.477×10-4 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)
由指導(dǎo)書(4-7)~(4-9)可知:
Mt=[(Fy+μFx) tsP]/(2πηi)= [(140+0.06×180) × 0.005]/(2π×0.8×2)=0.075 N.m
Mf= (Ff tsP)/(2πηi)= (μW tsP)/(2πηi)=(0.06×120×0.005)/ (2π×0.8×2)=3.58×10-3N.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°)=(1450/0.005) ×(0.72/360)=580r/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=1.95N.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) ×140×0.005]÷(2π×0.8×2) ×[1-0.92]=0.0044 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)= 0.477×10-4 kg．m2+0.7×10-4 kg.m2 =1.177×10-4 kg.m2
Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)=1.177×10-4 ×(2π×580)÷(60×0.03)= 0.238N.m
Mq= Ma+ Mf+ M0=0.238+0.00358+0.0044=0.2459N.m
Mc= Mt+ Mf+ M0=0.0075+0.00358+0.0044=0.01548N.m
Mk= Mf+ M0=0.00358+0.0044=0.00798N.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=0.14<0.9 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=0.477/0.7=0.68<4 說明慣量可以匹配
綜上所述,可選該型號(hào)步進(jìn)電機(jī),具有一定的裕量.
4 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)裝置工作要求來選定聯(lián)軸器類型。本方案選擇套筒聯(lián)軸器。
5 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5mm, 絲杠外徑19.5mm，絲杠底徑17.76mm，循環(huán)圈數(shù)5，基本動(dòng)載荷14205N，基本靜載荷38244N，剛度730N/um.
(3)滾珠絲杠精度等級(jí)確定
①絲杠有效行程 由導(dǎo)程查得余程le=20 mm，
得絲杠有效行程lv=lu-le，lu =100-20=80 mm
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=0.015/300*80*103=4
由表5-5得,精度等級(jí)為T1
(4)滾珠絲杠副支承形式選擇
由表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
本方案屬于高速或較高轉(zhuǎn)速情況，按額定動(dòng)負(fù)荷Ca≥Caj選擇滾珠絲杠副
Caj=[(Fefw)/(fhftfafk)]×[(60Lhne)/(106)]1/3
式中 Caj -–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=126N
ne--絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min).取最大工作進(jìn)給轉(zhuǎn)速 ne=145 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=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（可靠度99%）
計(jì)算得Caj=3854.9NFmax
②臨界轉(zhuǎn)速
對(duì)于在高速下工作的長(zhǎng)絲杠，須驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，以防止絲杠共振.
ncr=9910(f22d2)/Lc2
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(zhǎng)度. Lc =0.32m.
d2--絲杠螺紋底徑,取0.0175m
ncr= 26117r/min > nmax,
③軸承選角接觸球軸承7001AC.
(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.
6 Y軸滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）選HJG-D35 型滾動(dòng)導(dǎo)軌 ，E級(jí)精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1
（2）壽命按10年，每年工作300天,每天8h,開機(jī)率0.8計(jì),額定壽命為:
Lh=10×300×8×0.8=19200 h
（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)緊采用過盈配合,裝配時(shí),滾動(dòng)體、滾道及導(dǎo)軌之間有一定的過盈量.
(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.
四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
(一) 設(shè)計(jì)內(nèi)容
１.按照總統(tǒng)方案以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖；
２.選擇計(jì)算機(jī)或中央處理單元的類型；
３.根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路；
４.根據(jù)控制對(duì)象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計(jì)擴(kuò)展Ｉ／Ｏ接口電路，檢測(cè)電路，轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動(dòng)電路等；
５.選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號(hào)；
６.繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標(biāo)明各器件的型號(hào)，管腳號(hào)及參數(shù)；
７.說明書中對(duì)電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行詳細(xì)的原理說明和方案論證。
（二） 設(shè)計(jì)步驟
１.確定硬件電路的總體方案。
數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：
1、 主控制器。即中央處理單元CPU
2、 總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。
3、 存儲(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
4、 接口。即I/O輸入輸出接口。
數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：
存儲(chǔ)器RAM
ROM
外設(shè)：
鍵盤，顯示器，打印機(jī)，磁盤機(jī)，通訊接口等
輸入/輸出
I/O接口
信號(hào)變換
控制對(duì)象
２.主控制器ＣＰＵ的選擇
ＭＣＳ－５１系列單片機(jī)是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用８０３１芯片作為主控芯片。
３.存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
(１）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型號(hào)有：
2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為２k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時(shí)要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時(shí)序的匹配。８０３１所能讀取的時(shí)間必須大于ＥＰＲＯＭ所要求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。
單片機(jī)規(guī)定Ｐ0口提供８為位地址線，同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時(shí)用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲(chǔ)器提高低８位的地址信息，一般采用７４ＬＳ３７３芯片作為地址鎖存器，并由ＣＰＵ發(fā)出允許鎖存信號(hào)ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。
由以上分析，采用２７６４EPROM 芯片的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路框圖如下所示：
A12
↓
A8
2764
A7
↓
A0
D7
↓
D0
P1.7
↓
P1.0
P2.4
↓
P2.0
ALE
P0.7
↓
P0.0
譯碼電路
G
74LS372
擴(kuò)展2764電路框圖
(２）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
由于８０３１內(nèi)部ＲＡＭ只有１２８字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)選用６２６４芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。其擴(kuò)展電路如下所示：
P2.4
↓
P2.0
ALE
P0.7
↓
P0.0
A12
↓
A8
A7
↓ 6264
A0
D7
↓
D0
↓
D0
譯碼電路
G
74LS372
擴(kuò)展6264電路框圖
(３）譯碼電路
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址，因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜。可采用線選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨(dú)的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對(duì)于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí)候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對(duì)高位地址線進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。
（4）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
8031單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)起程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。
該設(shè)計(jì)選用程序存儲(chǔ)器2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264組成8031單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路，
（5）Ｉ／Ｏ擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
(a).通用可編程接口芯片８１５５
８０３１單片機(jī)共有４個(gè)８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用戶使用的只有Ｐ1口及部分Ｐ3 口線。因此要進(jìn)行Ｉ／Ｏ口的擴(kuò)展。８１５５與微機(jī)接口較簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。
(b).鍵盤，顯示器接口電路
鍵盤，顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用Ｉ／Ｏ口線組成行，列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。
數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有ＬＥＤ和ＬＣＤ。下圖所示為采用８１５５接口管理的鍵盤，顯示器電路。它有４Ｘ８鍵和６位ＬＥＤ顯示器組成。為了簡(jiǎn)化秒電路，鍵盤的列線及ＬＥＤ顯示器的字位控制共用一個(gè)口，即共用８１５５的PＡ口進(jìn)行控制，鍵盤的行線由８１５５Ｃ口擔(dān)任，顯示器的字形控制由8155的PB口擔(dān)任。
鍵盤顯示器接口電路如下所示：
4．步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
(1）脈沖分配器
步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器YB013。
（2）光電隔離電路
在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下：
（3）功率放大器
脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，，必須將其輸出信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。本設(shè)計(jì)選用功率放大器。
5．其它輔助電路設(shè)計(jì)
（１）８０３１的時(shí)鐘電路
單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。
內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1,XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如下圖所示。晶體可以在１.２～１２之間任意選擇，耦合電容在５～３０pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。
8031
XTAL1
XTAL2
時(shí)鐘電路
（２）復(fù)位電路
單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引腳上出現(xiàn)
１０ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后ＣＰＵ便從００００Ｈ單元開始執(zhí)行程序。在實(shí)際運(yùn)用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與８０３１復(fù)位要求一致時(shí)，可以直接相連。當(dāng)晶振頻率選用６ＭＨz時(shí)，復(fù)位電路中Ｃ?。玻玻疲胰。玻埃?，?。保埃埃啊?
（３）越界報(bào)警電路
為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至８０３１的Ｉ／Ｏ口Ｐ1.0。當(dāng)任何一個(gè)行程開關(guān)被壓下的時(shí)候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變成高電平。８０３１可利用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢查有無越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至８０３１的外部中斷引腳（ＩＮＴ０或ＩＮＴ１），采用中斷方式檢查越界信號(hào)。
（三）數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)選用ＭＣＳ－５１系列的８０３１作為主控制器。擴(kuò)展存儲(chǔ)電路為一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為４Ｋ，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為８Ｋ。
２７３２的片選控制端直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位以后，CPU從0000H開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端由譯碼器（74LS138）的Y2輸出提供。所以6264的空間地址為4000 ～５ＦＦＦＨ。
系統(tǒng)的擴(kuò)展I/O接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155。8155的片選
端接至譯碼器（74LS138）的Y4的輸出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址號(hào)分別為8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H—80FFH。
8155的A口為控制工作抬X，Y向電機(jī)的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不步進(jìn)電機(jī)接口與功率放大器之間采用光電隔離。
鍵盤與顯示器設(shè)計(jì)在一起，8155的PC口擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制；PB口的PB0—PB3為鍵盤的行線。8031的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4X6共24個(gè)行列式鍵盤和6位8段共陰極LED顯示器。為了增加數(shù)碼管顯示亮度，分別在字形口和字位口加74LS07進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
PB口剩余的I/O線PB4 —PB7分別作為工作臺(tái)+X，+Y，-X，-Y四個(gè)方向的行程限位控制信號(hào)。在軟件設(shè)計(jì)上8155的PA口，PC口設(shè)置為輸出，PB口設(shè)置為輸入。計(jì)算機(jī)隨時(shí)巡回檢測(cè)PB4 —PB7的電平，當(dāng)某I/O線為0時(shí)，應(yīng)立即停止X，Y向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
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