0009-全自动盘形凸轮轮廓绘制教仪的机械结构、电控系统设计与制作【全套15张CAD图+说明书】
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全自动盘形凸轮轮廓绘制教仪 Automatic disc cam contour drawing instrument 5开题报告全自动盘形凸轮轮廓绘制教仪的机械结构、电控系统设计与制作 1. 论文结构1.1 总体结构的设想 论文的总体结构将做如下安排: 1.综述目前传统机械原理课堂的教学方法,特别是凸轮章节采用的教学手段教学思想。 2.研究凸轮章节的核心方法、凸轮教学的核心内容。采用机械电子的设计思路寻找新的手段完成凸轮的教学任务。3. 设计全自动盘形凸轮轮廓绘制教仪的机械结构、电控系统。4制造全自动盘形凸轮轮廓绘制教仪。1.2 主要解决的问题 1.研究械原理课堂的教学方法,特别是凸轮章节采用的教学手段教学思想。2分析盘形凸轮廓形自绘仪工作原理。选择合适的机械结构。3.设计凸轮廓形自绘仪方案分析和具体结构设计。1.3 主要工作1.分析凸轮教学的难点、重点,明确教学仪器的重要性及必要性。2.研究各种现有教学仪器的特点分析现有教学仪器的不足,在性能和价格对比分析的基础上,选择新的思路设计凸轮廓形自绘仪。3.确定凸轮廓形自绘仪设计方案,进行凸轮廓形自绘仪结构设计、控制部分的设计。4.设计凸轮廓形自绘仪结构尺寸,电传部分。5.分析凸轮廓形自绘仪实际工作的特点,解决加工制造过程中可能出现的实际突发问题。6.完成凸轮廓形自绘仪的制造装配。2. 文献综述 2.1综述目前传统机械原理课堂的教学方法,特别是凸轮章节采用的教学手段教学思想机械专业最重要的专业基础课莫过于机械原理和机械设计,而这两门课中介绍了各种机构包括连杆机构、齿轮机构、轮系、凸轮机构、带传动等运动规律及设计原则;然而这些作为基础的原理由于抽象而让学生难以形成实感而不易理解。高校机械原理课程实验室中所有的教具一般只有这些机构的运动规律的实物演示,而设计方法的演示则不多,尤其是凸轮部分,作为机械原理中的难点,各大高校均缺凸轮反转法原理及绘制凸轮廓线演示教具。反转法则是图解法设计凸轮廓线的理论基础,其重要性不言而喻。2.2研究凸轮章节的核心方法、凸轮教学的核心内容。采用机械电子的设计思路寻找新的手段完成凸轮的教学任务如图1所示,对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构,当凸轮绕轴以等角速度顺时针方向转动时,欲设计凸轮轮廓使从动件按预期的运动规律运动,可假设凸轮静止不动,即在整个机构上加上一个(-),保证各构件间的相对运动不变,也相当于将凸轮固定在纸面上;从动件与导路一方面绕凸轮轴以(-)角速度转动;另一方面从动件按运动规律在导路中移动,从动件在各位置端点的连线便是凸轮廓线。这就是凸轮轮廓线设计的反转法原理,称之为反转法。图1反转法是图解法设计凸轮轮廓线的理论基础偏置直动尖顶推杆凸轮机构中,已知凸轮的基圆半径r0,角速度和推杆的运动规律和偏心距,设计该凸轮轮廓曲线由于这种方法是假定凸轮固定不动而使从动件连同推杆一起反转,故称反转法(或运动倒置法)。凸轮机构的形式多种多样,反转法原理适用于各种凸轮轮廓曲线的设计。课堂上凸轮章节讲解时,老师只能在动画演示的基础上辅以讲解,这种方式可以演示推杆的运动规律,但对于利用“反转法”来设计凸轮轮廓却无能为力,因为动画中机架与推杆一起转动只是一种假设,而现实中到底怎么实现运动是不容易理解的,这部分知识也随之不易被消化吸收。可见,用一种科学的设计方法来设计用料最省、结构又能完全满足机械原理课堂教学的仪器试非常必要的。因此我们设计这个作品一方面演示当凸轮运动时,推杆随凸轮轮廓线的运动规律;另一方面展示利用“反转法”绘制凸轮轮廓线的原理。此外考虑到偏置式推杆的问题,特地设计了滑动的推杆来适应不同的偏置要求以满足教学的需要。2.3 现有教学仪器的特点分析现有教学仪器的不足现有的凸轮教具大多以图2为主。只能够演示推杆随凸轮转动的规律,却不能清晰的阐述利用“反转法”设计凸轮轮廓。于此,我们设计了一种可以自主绘制凸轮廓形的仪器。图22.4凸轮廓形自绘仪的设计思路设计反转一直是整个设计过程的核心问题,我们的设计灵感主要来源于钟表结构,当钟表自己转动时,再给整个钟表加上一个反向的转动,则表针就是静止的,然后我们根据此灵感,设计了这种反转机构。既然已经实现了反转,那么只需要再对推杆进行控制,那么就可以实现凸轮廓形的绘制了,我们呢在设计时针对推杆的运动规律,使用单片机集成驱动板控制一个带有丝杆的步进电机,在电机的丝杆上安装推杆。只要往单片机里面输入推杆的运动方程,那么就可以得到推杆的实际运动。1控制部分设计控制部分的时候想到采用实用价廉的单片机。单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用。单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此选择单片机来控制一个步进电机来控制推杆的往复运动,利用两个直流减速电机来实现凸轮的反转。2实际组成部分控制部分包括步进电机、直流电机。盘形凸轮廓形绘制机构仪利用带丝杆的步进电机实现推杆沿凸轮的径向移动和直流电机带动连接机构实现推杆的圆周运动,直观的利用反转法,实现凸轮轮廓的绘制。3.绘制部分绘制画板用有机玻璃做成,用记号笔将轨迹画在透明板上,这样就会清晰明了。2.5 凸轮廓形自绘仪机架材料的选择由于整个仪器的质量很轻,所以采用一般的尼龙材料,我们所选用的是MC尼龙。MC尼龙是一种新型的工程塑料,由于它的优秀综合性能,使它在工程塑料中的地位迅速上升,成为重要材料,使用量日益扩大。MC 尼龙又称浇铸尼龙,它是在常压下,将熔融的原料己内酰胺单体C6H11NO用碱性的物质作催化剂,与活化剂等助剂一起制成待聚单体,直接注入预热到一定温度的模具中,使物料在模具内很快地进行聚合反应,凝结成坚韧的固体胚件,再经过有关工艺处理,得到预定的制品。MC尼龙制品作为工程塑料之一,“以塑代钢、性能卓越”,用途极其广泛。它具有重量轻、强度高、自润滑、耐磨、防腐,绝缘等多种独特性能是应用广泛的工程塑料,几乎遍布所有的工业领域。这种尼龙综合性能好,刚度、硬度高,抗蠕变、耐磨、耐热老化,机加工性能好,而且价格适宜。2.6凸轮廓形自绘仪工作原理概述凸轮廓形自绘仪在使用时,将从动减速直流电机通电转动,通过挠性联轴器带动从动轴转动,从而使从动轴上的凸轮转动,将推杆脱离距离控制步进电机的导轨架,凸轮转动时,使推杆上下移动,展示推杆的运动规律。将原动减速直流电机与从动减速直流电机同时通电启动,使它们运动速度相同但运动方向相反,原动转向控制减速直流电机带动反转轮转动,反转轮带动与其配合固定的步进电机架和与步进电机架固定的距离控制步进电机、推杆、画笔产生沿凸轮圆周方向运动。将推杆安装在距离控制步进电机的导轨架上,给距离控制步进电机通电使其启动,使与距离控制步进电机上导轨架配合安装的推杆产生沿凸轮径向的运动。画笔在两种运动复合下便可绘制出不同凸轮轮廓的轨迹。2.7产品优势第一是该机构运动结构简单,操作方便,自动化程度高,控制精确度好,且体积适宜,便于携带,讲解者可以在讲解过程中随时为学习者实时演示反转法的原理。第二是该机构形象具体。现如今大多数绘制凸轮轮廓的教学动画都是以最后凸轮一直处于静止状态的方式来展现反转法。我们的盘形凸轮廓形自动绘制仪在凸轮以一定角速度转动的同时给整个凸轮组结构整体加一个反向大小相等的角速度,将抽象的概念具体形象的从根本上演示出来。3. 文献综述 1李建勇机电一体化技术M北京:科学出版社,2004.2李运华机电控制M北京航空航天大学出版社,2003.3芮延年机电一体化系统设计M北京机械工业出版社,2004.4王中杰,余章雄,柴天佑智能控制综述J基础自动化,2006;(6).5章浩,张西良,周士冲机电一体化技术的发展与应用J农机化研究,2006;(7).6梁俊彦,李玉翔机电一体化技术的发展及应用J科技资讯,2007;(9). 7谢存禧.机电一体化生产系统设计.北京:机械工业出版社,1999.8机电一体化技术手册编委会.机电一体化技术手册.北京:机械工业出版社,1994.9胡泓、姚伯威主编.机电一体化原理及应用.北京:国防工业出版社,1994.10梁景凯主编.机电一体化技术与系统.北京:机械工业出版社,1997.11徐志毅主编.机电一体化实用技术.上海:上海科学技术文献出版社,1995.12秦曾煌主编.电工学.北京:高等教育出版社,1999.7摘要机械专业最重要的课程当属机械原理,而凸轮机构及其设计又是机械原理课程的重点。在各种机械,特别是自动机和自动控制装置中,广泛采用着各种形式的凸轮机构。该节课程中,凸轮轮廓曲线设计所依据的基本原理是“反转法”原理。该原理理论性强,并且可以配合严格数学计算。但是不够直观,不便于初学者理解。本设计是在对“反转法原理”的深入地研究下完成的。通过对市面上现有教学仪器的调研,现有的凸轮教具大多只能够演示推杆随凸轮转动的规律,却不能清晰的阐述利用“反转法”设计凸轮轮廓。于此,我们设计了一种可以自主绘制凸轮廓形的仪器。本设计将凸轮带动的推杆的运动规律、反转法原理和反转法设计凸轮轮廓线的多功能教具。易于学生理解反转法和凸轮廓形的设计。成品检验结果表明,该教具性能可靠,工作稳定,装卸方便,功能实现效果好。关键字:教具,凸轮;推杆;反转法的实现;轮廓AbstractThe most important course of mechanical engineering is the mechanical principle, the cam mechanism and its design are the key of the course of mechanical principle. In a variety of machines, particularly automatic and automatic control device, widely used in a variety of forms of cam mechanism. The lesson, the basic principles of the cam profile design is based on the reversal process principle. The theory of this principle is strong, and can be matched with the strict mathematical calculation. But not intuitive, not easy for beginners to understand.This design is done in depth study of the reversal process principle. By teaching equipment available in the market research, the existing cam aids mostly only able to demonstrate the law of the plunger with the cam is rotated, but cant clearly articulated using the reversal design of the cam profile. In this, we have designed a kind of instrument that can draw the cam profile independently.The design will be the movement of the cam-driven plunger principle reversal and reversal cam profile design versatility aids. Ease of students to understand the reversal and cam contour design. Product testing results show that the aids reliable, stable, easy handling, good function to achieve results.Key Words:Aids cam putt to achieve reversal process Contour目 录摘要I关键字IAbstractII1导言11.1设计背景11.2设计来源11.3市场调研12设计综述22.1整体效果图22.2部件设计32.2.1主轴动力32.2.2推杆部分32.2.3反转机构32.3绘制凸轮廓形42.3.1设计思路42.3.2运动情况43具体结构53.1结构图53.2固定支撑部分63.3控制部分83.3.1设计思路83.3.2实际组成83.3.3演示绘制部分83.4动力传输部分93.4.1设计思路93.4.2实际组装104原理部分114.1凸轮114.2反转法原理124.2.1对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构124.2.2偏置直动尖顶推杆凸轮机构134.3单片机134.4工作原理145材料与加工方式选择155.1凸轮155.1.1材料选择155.1.2加工方式的选择155.2机架185.2.1材料选择185.2.2加工方式的选择186电机与驱动程序196.1电动机选择196.2步进电机参数206.3步进电机驱动程序217展望23参考文献24附录:开题报告25致谢3211 导言1.1 设计背景机械专业最重要的专业基础课莫过于机械原理和机械设计,而这两门课中介绍了各种机构包括连杆机构、齿轮机构、轮系、凸轮机构、带传动等运动规律及设计原则;然而这些作为基础的原理由于抽象而让学生难以形成实感而不易理解。高校机械原理课程实验室中所有的教具一般只有这些机构的运动规律的实物演示,而设计方法的演示则不多,尤其是凸轮部分,作为机械原理中的难点,各大高校均缺凸轮反转法原理及绘制凸轮廓线演示教具。反转法则是图解法设计凸轮廓线的理论基础,其重要性不言而喻。根据运动、传力特性要求、结构条件,确定了凸轮机构运动参数,就可以绘制凸轮的轮廓曲线。凸轮轮廓线的设计是凸轮机构设计的核心和重点。在凸轮轮廓设计时,其数学模型的建立都是依据机构的反转法原理。凸轮反转法的重要性也说明了实物演示教具的必要性,我们由此出发,设计出一种将凸轮带动的推杆的运动规律、反转法原理和反转法设计凸轮轮廓线结合到一起、易于理解的教具。1.2 设计来源课堂上凸轮章节讲解时,老师只能在动画演示的基础上辅以讲解,这种方式可以演示推杆的运动规律,但对于利用“反转法”来设计凸轮轮廓却无能为力,因为动画中机架与推杆一起转动只是一种假设,而现实中到底怎么实现运动是不容易理解的,这部分知识也随之不易被消化吸收。因此我们设计这个作品一方面演示当凸轮运动时,推杆随凸轮轮廓线的运动规律;另一方面展示利用“反转法”绘制凸轮轮廓线的原理。此外考虑到偏置式推杆的问题,特地设计了滑动的推杆来适应不同的偏置要求以满足教学的需要。1.3 市场调研现有的凸轮教具大多以图1-1为主。只能够演示推杆随凸轮转动的规律,却不能清晰的阐述利用“反转法”设计凸轮轮廓。于此,我们设计了一种可以自主绘制凸轮廓形的仪器。图1-1 现有教学仪器2 设计综述2.1 整体效果图图2-1 渲染图2.2 部件设计2.2.1 主轴动力给凸轮一个动力源,带动凸轮的转动,所以本设计是利用一个直流减速电机来为凸轮提供动力。2.2.2 推杆部分电机带动凸轮转动,从而使推杆做往复运动,如图2-2所示图2-2 推杆部分2.2.3 反转机构主电机以-w的角速度带动整体做旋转运动,副电机以w的角速度带动凸轮转动,从而使凸轮静止,演示反转原理。如图2-3所示图2-3 反转原理2.3 绘制凸轮廓形2.3.1 设计思路既然已经实现了反转,那么只需要再对推杆进行控制,那么就可以实现凸轮廓形的绘制了,我们呢在设计时针对推杆的运动规律,使用单片机集成驱动板控制一个带有丝杆的步进电机,在电机的丝杆上安装推杆。只要往单片机里面输入推杆的运动方程,那么就可以得到推杆的实际运动。2.3.2 运动情况主电机以-的角速度带动整体做旋转运动,副电机以的角速度带动凸轮转动,从而使凸轮静止,同时步进电机带动推杆做往复运动,三个电机同时触发,从而绘制出凸轮廓形。如图2-4、2-5所示图2-4 运动情况图2-5 轮形绘制3 具体结构3.1 结构图图3-1 结构图3.2 固定支撑部分设计过程中为了保证机架的可调量,及几个机架的同轴度,和机构的安装和拆卸,从动轴机架为可移动机架,底座上的滑动槽使从动轴机架可以在底板上沿左右移动。如图3-2图3-2 固定底板图3-3 机架部分固定支撑部分包括底板、机架。所有机架通过螺栓连接固定于底板上,并在机架的对角安装定位销来保证机架的准确定,从动轴机架为可移动机架,底座上的滑动槽使从动轴机架可以在地板上沿左右移动,如图3-4、3-5所示:图3-3 侧视图图3-4 机架装配3.3 控制部分3.3.1 设计思路图3-5 推杆运动设计控制部分的时候想到采用实用价廉的单片机来控制一个步进电机来控制推杆的往复运动,利用两个直流减速电机来实现凸轮的反转。3.3.2 实际组成控制部分包括步进电机、两个减速直流电机。盘形凸轮廓形绘制机构仪利用带丝杆的步进电机实现推杆沿凸轮的径向移动和直流电机带动连接机构实现推杆的圆周运动,直观的利用反转法,实现凸轮轮廓的绘制。3.3.3 演示绘制部分演示绘制部分,如图3-7所示。包括盘形凸轮、推杆与画板、画笔,推杆在电机丝杆的带动下将直线运动与圆周运动复合绘制凸轮廓形。画板用有机玻璃做成,用记号笔将轨迹画在透明板上,清晰明了。图3-6 演示画板3.4 动力传输部分3.4.1 设计思路由于为了展现反转法,所以整体的转向和凸轮的转向是相反的,那么承载凸轮的轴和承载整体的轴的转向就是相反的,所以这两个轴必然是两段轴,所以我们设计的轴分为主动轴,从动轴,这两段轴靠反转轮和副电机架进行连接,这个连接方式的设计灵感来源于凸缘联轴器,因为凸台和凹槽的配合能够很好的保证同轴度。各轴与电机之间的连接采用联轴器来连接。如图3-8、图3-9所示图3-8 联轴器图3-9 连接部分3.4.2 实际组装动力传输部分,包括步进电机架与反转轮、原动轴、从动轴。反转轮上装有减速直流电机。原动轴安装在机构左端,原动轴的具体安装方法为:利用一对深沟球轴承将原动轴安装在原动轴机架上,并利用阶梯孔和轴肩予以固定,使原动轴得到径向和轴向的固定。4 原理部分4.1 凸轮凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。凸轮机构一般是由凸轮从动件和机架三个构件组成的高副机构。凸轮通常作连续等速转动,从动件根据使用要求设计使它获得一定规律的运动。凸轮机构能实现复杂的运动要求,广泛用于各种自动化和半自动化机械装置中。只需设计适当的凸轮轮廓,便可使从动件得到任意的预期运动,而且结构简单、紧凑、设计方便,因此在自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、食品机械、包装机械和机电一体化产品中得到广泛应用。图4-1 凸轮4.2 反转法原理4.2.1 对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构如图4-2所示,对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构,当凸轮绕轴以等角速度顺时针方向转动时,欲设计凸轮轮廓使从动件按预期的运动规律运动,可假设凸轮静止不动,即在整个机构上加上一个(-),保证各构件间的相对运动不变,也相当于将凸轮固定在纸面上;从动件与导路一方面绕凸轮轴以(-)角速度转动;另一方面从动件按运动规律在导路中移动,从动件在各位置端点的连线便是凸轮廓线。这就是凸轮轮廓线设计的反转法原理,称之为反转法。反转法是图解法设计凸轮轮廓线的理论基础!图4-2 反转法原理4.2.2 偏置直动尖顶推杆凸轮机构如图4-3中,偏置直动尖顶推杆凸轮机构中,已知凸轮的基圆半径r0,角速度和推杆的运动规律和偏心距,设计该凸轮轮廓曲线。由于这种方法是假定凸轮固定不动而使从动件连同推杆一起反转,故称反转法(或运动倒置法)。凸轮机构的形式多种多样,反转法原理适用于各种凸轮轮廓曲线的设计。图4-34.3 单片机单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了I/O设备。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词“智能型”。单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。4.4 工作原理图4-4 工作原理图4-2中可以看出,盘形凸轮廓形自绘仪在使用时,将从动减速直流电机通电转动,通过挠性联轴器带动从动轴转动,从而使从动轴上的凸轮转动,将推杆脱离距离控制步进电机的导轨架,凸轮转动时,使推杆上下移动,展示推杆的运动规律。将原动减速直流电机与从动减速直流电机同时通电启动,使它们运动速度相同但运动方向相反,原动转向控制减速直流电机带动反转轮转动,反转轮带动与其配合固定的步进电机架和与步进电机架固定的距离控制步进电机、推杆、画笔产生沿凸轮圆周方向运动。将推杆安装在距离控制步进电机的导轨架上,给距离控制步进电机通电使其启动,使与距离控制步进电机上导轨架配合安装的推杆产生沿凸轮径向的运动。画笔在两种运动复合下便可绘制出不同凸轮轮廓的轨迹。如图4-4所示。5 材料与加工方式选择5.1 凸轮5.1.1 材料选择仪器中多数凸轮所采用的材料为中碳钢或中碳合金钢,一般尺寸不大的平板凸轮可用45号钢板制造,进行调制处理。要求高的凸轮可用45钢或40Cr钢制造,进行表面淬火。同时一些承载较小的凸轮可以采用尼龙等工程塑料或玻璃纤维增强尼龙等复合材料制造。但考虑到本设计为教学仪器,若采用密度较大的金属不便于使用;若采用尼龙材料,其强度和硬度又不能满足要求。综上考虑,本设计中的凸轮采用价格低廉,加工方便的铝合金。5.1.2 加工方式的选择盘形凸轮的毛料为铝合金薄板,传统加工方式为铣削加工。凸轮的轮廓复杂,加工较复杂的工件,加工成本会大大增加,很多复杂工件、薄壁工件、深窄槽加工、微细加工等加工难度较大,甚至无法加工。本设计有一定的外观要求,即在加工中对凸轮的表面粗糙度有一定要求,若采用铣削加工需要昂贵的高精度、高刚性的机床,机床成本是电火花机床的35倍。对于内边角加工无法实现,存在刀具干涉、无合适刀具等原因,还需用电火花加工或钳工二次加工处理。在本设计中,凸轮加工采用“低速单向走丝电火花线切割”加工。低速走丝线切割机电极丝以铜线作为工具电极,一般以低于0.2m/s的速度作单向运动,在铜线与铜、钢或超硬合金等被加工物材料之间施加60至300V的脉冲电压,并保持5到50um间隙,间隙中充满脱离子水(接近蒸馏水)等绝缘介质,使电极与被加工物之间发生火花放电,并彼此被消耗、腐蚀,在工件表面上电蚀出无数的小坑,通过NC控制的监测和管控,伺服机构执行,使这种放电现象均匀一致,从而达到加工物被加工,使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。目前精度可达0.001mm级,表面质量也接近磨削水平。电极丝放电后不再使用,而且采用无电阻防电解电源,一般均带有自动穿丝和恒张力装置。工作平稳、均匀、抖动小、加工精度高、表面质量好。图5-1是凸轮的加工工程图图5-1 凸轮加工图在具体操作中采用CAXA软件辅助生成加工代码和参数选择。在具体参数的选择中,轮廓精度选为1mm,采用两次切割完成最终加工。样条拟合方式为圆弧。其他的参数如图5-2所示图5-2 参数选择参数正确选择后验证G代码,进行仿真测试。在工厂完成全部加工。5.2 机架5.2.1 材料选择由于整个仪器的质量很轻,所以采用一般的尼龙材料,我们所选用的是MC尼龙。其摩擦系数比钢低8.8倍,比铜低8.3倍,而比重仅为铜的七分之一。MC尼龙可直接取代原铜不锈钢、铝合金等金属制品。多年来生产的MC尼龙滑轮、滑块、齿轮、蜗轮、托轮、支承轮、走轮、水泵叶轮、轴套、轴瓦、柱销、活塞阀体、挡胶板、皮带轮、转动轮、棒材、管材、板材等,不仅较好地取代了相应的金属品,而且使用户降低了成本,延长了整机及零件的使用寿命,经济效益有显著提高。MC尼龙在机械方面作为减振耐磨材料代替有色金属及合金钢,一个400公斤尼龙制品,它的实际体积相当于2.7吨钢或3吨青铜,采用MC尼龙零部件,不仅提高了机械效率,减少保养,而且一般使用寿命可提高4-5倍。这种尼龙综合性能好,刚度、硬度高,抗蠕变、耐磨、耐热老化,机加工性能好,而且价格适宜。5.2.2 加工方式的选择MC尼龙的机械加工性能好,并且机架的几何形状相对简单。机架加工采用数控铣。图5-3 数控加工现场6 电机与驱动程序6.1 电动机选择直流减速电机的选择凸轮质量:m1=50g凸轮最大半径(远休处的半径):Rmax=45mm则T1= m1g Rmax=2.205N/cm电池质量:m2=70g反转轮半径:R0=75mm则T2= m2g R0=5.145N/cm所需扭矩T=T1+T2=7.35N/cm所以我们根据T选择了JGA25-310微型直流减速电机 电机参数,如表1所示电压 空载负载转矩堵转减速器重量范围电压转速电流转速电流扭矩功率扭矩电流减速比尺寸单位RangeVrpmmArpmmAkg.cmWkg.cmA1:00mmg3-12V67255704.50.2180.25500772表6-1电机参数6.2 步进电机参数由于推杆的采用尼龙制成,质量较轻,所以采用一般的微型步进电机足以提供所需动力。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能像普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。图6-1 步进电机我们设计的凸轮的升程是18mm,所选电机的丝杆的有效行程是37mm,满足需求。步距角为18,丝杆导程为0.5mm,控制精准。6.3 步进电机驱动程序根据设计需求确定步进电机一个周期内工作状态。周期T=9.6秒第一步:电机在0-T/3内正转,一共走18mm的路程,电机上面的丝杆的倒程是0.5mm,也就是转36转。第二步:电机在T/3-T/2时间内停止转动第三步:电机在T/2-T5/6内反转,一共走18mm的路程,电机上面的丝杆的倒程是0.5mm,也就是反转36转,刚好回到原来的位置。第四步:电机在T5/6-T时间内不转动。步进电机给电运行,断电停止,一直循环上面的4步。步进电机参数确定后,根据选用的参数编步进电机单片机控制程序。在4.3中确定在本设计中选用51单片机。51的编程语言常用的有二种,一种是汇编语言,一种是C语言。汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性却并不强,复杂一点的程序就更是难读懂,而C语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当,但可读性和可移植性却远远超过汇编语言,而且C语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题。对于开发周期来说,中大型的软件编写用C语言的开发周期通常要小于汇编语言很多。图6-2 Visual Studio根据设计要求编写C程序,烧录至单片机。图6-3 C语言控制程序7 展望首先是该机构运动结构简单,操作方便,自动化程度高,控制精确度好,且体积适宜,便于携带,讲解者可以在讲解过程中随时为学习者实时演示反转法的原理。第二是该机构形象具体。现如今大多数绘制凸轮轮廓的教学动画都是以最后凸轮一直处于静止状态的方式来展现反转法。我们的盘形凸轮廓形自动绘制仪在凸轮以一定角速度转动的同时给整个凸轮组结构整体加一个反向大小相等的角速度,将抽象的概念具体形象的从根本上演示出来。参考文献1力学环境试验技术编者委员会.力学环境试验技术M.西安:西北大学出版社,2003.2刘鸿文主编.材料力学M.北京:高等教育出版社,2004.3审永胜主编.机械原理教程M.北京:清华大学出版社,2005.4陈经斗等主编.画法几何及机械制图M.天津:天津大学出版,2002.5机械设计/邱宣怀等编著M.北京:高等教育出版社,2006.6董景新,赵长德.控制工程基础M.北京:清华大学出版社,1990.7孙庚山,兰西柱.工程模糊控制M.北京:机械工业出版社,1995.8濮良贵,纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,2006:307-325.9邹建奇.董云峰.工程力学M.大连:大连理工大学出版社,2009.10莫雨松,廖念钊,李硕根.互换性与技术测量M.北京:中国计量出版,2012.11苓岗.AUTOCAD基础教程M.北京:冶金工业出版社,1998.12黄宗益.工业机械CADM.上海:同济大学出版社,1997.13赵志刚.材料力学M.天津:天津大学出版社,2001:58-91.14张福润.机械制造技术基础M.武汉:华中科技大学出版社,2000:128-140.15吴宗泽.机械零件设计手册M.北京:机械工业出版社,2004:490-494.16张黎骅,郑严.新编机械设计手册M.北京:人们邮电出版社,2008:528-560.17顾绳谷.电机及拖动基础M.北京:机械工业出版社,2001.18赵韩,爵曾,梁锦华.凸轮机构设计M.北京:高等教育出版社,1993.17石永刚,徐振华.凸轮机构.上海:上海科学技术出版社,1995.18Yilmaz,YukselJ.Vibration of Disc Cam mechamism.Mech Mach 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