50-二坐标数控工作台设计【CAD图纸+word说明书】
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宁波大学宁波大学工学院机械设计制造及其自动化专业机电模块课程设计设计题目二坐标数控工作台设计专 业机械设计制造及其自动化姓 名潘立学 号084174002班 级08机械1班指导教师胡利永学 期2011学年第二学期设计时间内附资料1、课程设计说明书一份(含设计任务书);2、二坐标数控工作台装配图一张(A0);3、计算说明书草稿一份。成 绩目录一.机电专业课程设计目的 (1)二.机电专业课程设计的任务和要求 (1)三.X轴方案及参数计算 (1)1.方案拟定 (1)2.X轴步进电机参数确定及选择 (1)3.X轴联轴器选择 (3)四.X轴机械结构总体设计计算 (3)1.X轴滚珠丝杠设计计算 (3)2.X轴滚动导轨设计计算 (4)五.Y轴方案及参数计算 (5)1.Y轴步进电机参数确定及选择 (5)2.Y轴联轴器选择 (7)六.Y轴机械结构总体设计计算 (7)1. Y轴滚珠丝杠设计计算 (7)2. Y轴滚动导轨设计计算 (8)七.绘制装配图 (9)八.电气原理图设计 (10)九.参考文献 (11)一、机电专业课程设计目的本课程设计是学生在完成专业课程学习后,所进行的机电一体化设备设计的综合性训练。通过该环节达到下列目的:(1)巩固和加深专业课所学的理论知识;(2)培养理论联系实际,解决工程技术问题的动手能力;(3)进行机电一体化设备设计的基本功训练,包括以下10方面基本功:1)查阅文献资料;2)分析与选择设计方案;3)机械结构设计;4)电气控制原理设计;5)机电综合分析;6)绘工程图;7)运动计算和精度计算;9)撰写设计说明书;10)贯彻设计标准。二、机电专业课程设计的任务和要求在规定时间内,按设计任务书给定的原始数据,在教师指导下,独立完成二坐标数控工作台设计工作。原始数据包括典型工况下,工作台速度、进给抗力及台面上工作物重量;工作台定位精度、台面尺寸和行程。设计具体要求完成以下工作:(1)数控工作台装配图(1:1比例或0图幅) 1张;(2)设计说明书(1020)页 1本;所有图样均采用CAD绘制打印,设计说明书按规定撰写。三X轴方案及参数计算1 方案拟定方案拟定即确定工作台传动的形式和控制方式及主要部件或器件的类型。(1)驱动控制方式 由给定的工作台精度要求较低,为简化结构,故采用单片机控制的步进电机驱动系统。主要由步进电机、单片机驱动控制电路、滚珠丝杠副组成。(2)传动形式确定工作台X方向和Y方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动。工作台X方向采用直接传动方式,电机通过刚性联轴器与滚珠丝杠联结。结构紧凑,传动效率高。丝杠转速与转矩输出完全与电机的输出特性一致。工作台Y方向采用直接传动方式,电机通过刚性联轴器与滚珠丝杠联结。结构紧凑,传动效率高。丝杠转速与转矩输出完全与电机的输出特性一致。2. X轴步进电机参数确定及选择X参数选定与计算vx=2.2 m/min=36.67mm/s, Fx=280N, Px=Fxvx=10.27W1)脉冲当量选择初选五相电机,按五相十拍工作时,步矩角=0.36,初定脉冲当量 =0.005mm/p, 丝杠导程tsP=5 mm,中间齿轮传动比i为1,则计算的脉冲当量 =0.005mm/p, 符合脉冲当量在定位精度的1/3到1/2范围内2.X轴联轴器选择联轴器除联接两轴并传递转矩外,有些还有补偿两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移的功能,以及具有缓冲、吸振、安全保护等功能。因此要根据传动装置工作要求来选定联轴器类型。本方案选择套筒联轴器。四、X轴机械结构总体设计计算1. X轴滚珠丝杠设计计(1)滚珠丝杠副的结构类型滚珠循环方式 由2表5-1查得,选择外循环插管式 轴向间隙预紧方式 预紧目的在于消除滚珠螺旋传动的间隙,避免间隙引起的空程,从而提高传动精度.由3表5-2查得,采用双螺母垫片预紧方式. (2)滚珠丝杠副直径和基本导程系列采用丝杠公称直径 20mm,导程为5mm, 丝杠外径19.5mm,循环圈数2.5,基本动载荷8451N,基本静载荷18352N.(3)滚珠丝杠精度等级确定丝杠有效行程 由导程查得余程le=20 mm,得丝杠有效行程lv=lu-le,lu =180+140+20+22=362 mm精度等级 根据有效行程内的平均行程允许偏差ep=0.026/300382103=33.1由2表5-5得,精度等级为T5(4)滚珠丝杠副支承形式选择滚珠丝杠主要承受轴向载荷,应选用运转精度高,轴向刚度高、摩擦力距小的滚动轴承.滚珠丝杠副的支承主要约束丝杠的轴向串动,其次才是径向约束.由2表5-6查得,采用两端简支(F-S)支承形式.(5)滚珠丝杠副的选择本方案属于高速或较高转速情况,按额定动负荷CaCaj选择滚珠丝杠副由2式(3-2)可知:Caj=(Fefw)/(fhftfafk)(60Lhne)/(106)1/3式中 Caj -滚珠丝杠副的计算轴向动负荷(N) Fe-丝杠轴向当量负荷(N). 取进给抗力和摩擦力之和的一半Fe=(280+0.06280)/2=148.4N ne-丝杠当量转速(r/min).取最大工作进给转速 ne=7.33*60=440r/min. Lh-丝杠工作寿命(h). 查考2表5-7得Lh=15000 h. ft-温度系数. 查2表5-8,得ft=0.70 fa-精度系数. 查2表5-9得fa=0.90 fw-负载性质系数. 查2表5-10得fw=0.95 fh-硬度系数.查2表5-11得fh=1.0 fk-可靠性系数.查2表5-12得fk=0.21.计算得Caj=7821.57NFmax临界转速 对于在高速下工作的长丝杠,须验算其临界转速,以防止丝杠共振. ncr=9910(f22d2)/Lc2式中 f2-丝杠支承方式系数,F -S取3.927 Lc -临界转速计算长度. Lc=500mm. d2-丝杠螺纹底径,取17.6mmncr= 10758.9r/min nmax,同时验算丝杠另一个临界值d0n=20833=750070000轴承选择校核由1表6-1选深沟球轴承6201.由1表6-6选角接触球轴承7001AC.参考1中有关内容,计算略定位精度验算(略)(7)滚动导轨副的防护滚珠丝杠副的防护装置 ,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管.滚珠丝杠副的密封 滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示.材料为四氟乙烯,这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力.滚珠丝杠副的润滑 润滑剂用锂基润滑剂.2.X轴滚动导轨设计计算导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动,并承受运动部件上的载荷,即起导向和承载作用,导轨副中,运动的一方称作运动导轨,与机械的运动部件联结,不动的一方称作支承导轨,与机械的支承部件联结.支承部件用以支承和约束运动导轨,使之按功能要求作正确的运动.(1) 选日本NSK型滚动导轨 ,E级精度,fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1(2) 寿命按每年工作300天,每天两班,每班8h,开机率0.8计,额定寿命为:Lh=10300280.8=38400 h 每分钟往复次数nz=8(3) L=(2lsnz60Lh)/(103)= 5898.24Km计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为95N故:P=95/4=23.75N计算需要的动载荷C(4) Ca=( fwP)(fh ft fc fa)(L/50)1/3=1438N由3查表320选用NSK LY25AL型号滚动导轨副,其Co=1740N. Coa=2650N(3)滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度,预紧采用过盈配合,装配时,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量.(4)润滑与防护润滑:采用脂润滑,使用方便,但应注意防尘.防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨,以提高导轨寿命.防护方式用盖板式.五、Y轴方案及参数计算1Y轴步进电机参数确定及选择初选五相电机,按五相十拍工作时, 步矩角=0.36,初定脉冲当量 =0.005mm/p, 丝杠导程tsP=5 mm,中间齿轮传动比i为1,则计算的脉冲当量=0.005mm/p, 符合脉冲当量在定位精度的1/3到1/2范围内。2.Y轴联轴器选择联轴器除联接两轴并传递转矩外,有些还有补偿两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移的功能,以及具有缓冲、吸振、安全保护等功能。因此要根据传动装置工作要求来选定联轴器类型。本方案选择套筒联轴器。六、Y轴机械结构总体设计计算1. Y轴滚珠丝杠设计计(1)滚珠丝杠副的结构类型滚珠循环方式 由2表5-1查得,选择外循环插管式 轴向间隙预紧方式 预紧目的在于消除滚珠螺旋传动的间隙,避免间隙引起的空程,从而提高传动精度.由3表5-2查得,采用双螺母垫片预紧方式. (2)滚珠丝杠副直径和基本导程系列采用丝杠公称直径 20mm,导程为5mm, 丝杠外径19.5mm,循环圈数2.5,基本动载荷8451N,基本静载荷18352N.(3)滚珠丝杠精度等级确定丝杠有效行程 由导程查得余程le=20 mm,得丝杠有效行程lv=lu-le,lu =120+20+150+20=310 mm精度等级 根据有效行程内的平均行程允许偏差ep=0.02/300310103=20.7由2表5-5得,精度等级为T5(4)滚珠丝杠副支承形式选择滚珠丝杠主要承受轴向载荷,应选用运转精度高,轴向刚度高、摩擦力距小的滚动轴承.滚珠丝杠副的支承主要约束丝杠的轴向串动,其次才是径向约束.由2表5-6查得,采用两端简支(F-S)支承形式.(5)滚珠丝杠副的选择本方案属于高速或较高转速情况,按额定动负荷CaCaj选择滚珠丝杠副由2式(3-2)可知:Caj=(Fefw)/(fhftfafk)(60Lhne)/(106)1/3式中 Caj滚珠丝杠副的计算轴向动负荷(N) Fe-丝杠轴向当量负荷(N). 取进给抗力和摩擦力之和的一半Fe=127.2N ne-丝杠当量转速(r/min).取最大工作进给转速 ne=300r/min. Lh-丝杠工作寿命(h). 查考2表5-7得Lh=15000 h. ft-温度系数. 查2表5-8,得ft=0.70 fa-精度系数. 查2表5-9得fa=0.9 fw-负载性质系数. 查2表5-10得fw=0.95 fh-硬度系数.查2表5-11得fh=1.0 fk-可靠性系数.查2表5-12得fk=0.21计算得Caj=5903NFmax临界转速 对于在高速下工作的长丝杠,须验算其临界转速,以防止丝杠共振. ncr=9910(f22d2)/Lc2式中 f2-丝杠支承方式系数,F -S取3.927 Lc -临界转速计算长度. Lc=380mm. d2-丝杠螺纹底径,取17.6mmncr=690r/min nmax,同时验算丝杠另一个临界值d0n=20125=250070000由1表6-1选深沟球轴承6201.由1表6-6选角接触球轴承7001AC. 参考1中有关内容,计算略定位精度验算(略)(7)滚动导轨副的防护滚珠丝杠副的防护装置 ,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管.滚珠丝杠副的密封 滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示.材料为四氟乙烯,这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力.滚珠丝杠副的润滑 润滑剂用锂基润滑剂.2.Y轴滚动导轨设计计算导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动,并承受运动部件上的载荷,即起导向和承载作用,导轨副中,运动的一方称作运动导轨,与机械的运动部件联结,不动的一方称作支承导轨,与机械的支承部件联结.支承部件用以支承和约束运动导轨,使之按功能要求作正确的运动.(5) 选日本NSK 型滚动导轨 ,E级精度,fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1(6) 寿命按每年工作300天,每天两班,每班8h,开机率0.8计,额定寿命为:Lh=1030080.8=38400 h 每分钟往复次数nz=8(7) L=(2lsnz60Lh)/(103)= 4055.04Km计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为117.6NP=117.6/4=29.4N计算需要的动载荷C(8) C=(fwP)(fhftfcf)(L/50)1/3=157.1N由3查表320选用NSK LY25AL型号滚动导轨副,其Co=1740N. Coa=2650N(3)滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度,预紧采用过盈配合,装配时,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量.(4)润滑与防护润滑:采用脂润滑,使用方便,但应注意防尘.防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨,以提高导轨寿命.防护方式用盖板式.七、绘制装配图1.标注装配图尺寸、配合与精度等级。包括特性尺寸、最大体形尺寸、安装尺寸和主要零件的配合尺寸。2.写出工作台的技术特征。3.编写技术要求。4.对所有零件进行编号。5.列出零件明细表及标题栏。6检查装配图。 八、电气原理图设计1.典型数控工作台电气原理图的说明单片机是把微型计算机的主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机,因而可以把它看成是一个不带外部设备的微型计算机。不同系列的单片机共同的特点是:控制功能强;体积小;功耗低;成本低。由于上述优越性能,单片机已在工业、民用、军用等工业控制领域得到广泛应用,特别是随着数字技术的发展,它在很大程度上改变了传统的设计方法。在软件和扩展接口支持下,单片机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统。如电气原理图所示的就是通过单片机及其外围接口实现的二坐标数控工作台电气原理图。它由8031型单片机、数据锁存器74LS373、存储器EPROM2764、RAM6264、地址译码器74LS138、并行I/O接口8255等集成电路构成。下面分别说明它们在整个控制部分中的功能、用法及其选择原则。(1)单片机的选择设计单片机应用系统,首先要设计其核心的单片机系统。从一开始就有一个单片机芯片选型问题。面对不同字长,如4位、8位、16位,各具特色的单片机芯片如何进行选择呢?首先要满足所设计系统的功能和性能要求;其次要选择价格较低的芯片,不要盲目追求过多功能和过高性能;另外要选择那些在国内有成熟的开发系统和稳定的供货来源。如采用流行普遍使用的芯片,资料丰富,能有效地缩短开发周期。本课程设计目的是设计一种经济型的二坐标数控工作台,其功能比较简单,成本低。因而这里选用MCS-51系列的8031单片机作为CPU,它具有良好的性能价格比,且易扩展。(2)外部程序存储器的扩展MCS-51的程序存储器空间为64K字节。对于片内无ROM的单片机(如8031),或当单片机内部程序存储器容量不够时,进行程序存储器的扩展是必不可缺的。半导体存储器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作单片机的外部程序存储器。由于EPROM价格低廉,性能可靠,所以单片机外部扩展的程序存储器一般为EPROM芯片(紫外线可擦除、电可编程的只读存储器),掉电后信息不会丢失。在选择外部程序存储器电路时,应注意电路的读取时间能否与MCS-51的PESN信号匹配。其片选端接地。由于本设计程序容量不大,因而选用2764作为外部程序存储器。(3)外部数据存储器的扩展对大多数控制性应用场合,MCS-51系列单片机内部RAM已能满足系统对数据存储的要求。对需要较大容量数据缓冲器的应用系统,就需要在单片机的外部扩展数据存储器。在电气原理图中根据设计功能要求选用一片6264作为外部数据存储器。图中其高5位地址线A8A12由8031的P2.0P2.4口线提供,低8位地址线A0A7接地址锁存器74LS373输出端。读、写控制信号分别接8031的RD、WE。其片选信号通过地址译码法进行选通。(4)I/O口扩展电路本课程设计因采用步进电机作为驱动装置。为了降低成本,特采用可编程外围并行接口芯片8255。使其不仅完成驱动步进电机的功能,同时完成与键盘/显示器的接口操作功能。(5)显示器接口设计电气原理图中,由10片共阳极LED显示块拼成10位LED显示器。为了简化硬件电路,采用动态显示方式。即所有位的段选线相应地并联在一起,由8031的P1.0P1.7口来控制LED显示器的段码,而各位的位选线分别由相应的I/O口线控制。即PC0PC7、PB6PB7共10个I/O口线控制,实现各位的分时选通。为了保证各位LED能够显示出本位相应的显示字符,而不出现闪烁,导致人眼看不清,必须根据人眼视觉暂留现象,选择一个合适的扫描频率。图中选用74LS07进行同相驱动。(6)键盘接口电路设计键盘实质上是一组按键开关的集合。电气原理图中采用矩阵式键盘接口,键盘接口电路通过8255(U5)的PA0PA3和PC0PC7、PB6PB7构成行、列线。按照逐行逐列地检查键盘状态(即扫描)来确定闭合键的位置。(7)步进电机的接口电路设计对于本课程设计中选用的步进电机,为五相,无论它工作在什么方式,都需要五路控制电路,并且每一路对应于步进电机的一相。而每一路控制电路的结构是一样的。电气原理图中通过8255(U5)的PB0PB4分别控制X方向步进电机的五相。对于Y轴步进电机通过8255(U6)的PC0PC4分别控制Y方向步进电机的五相。(8)其他1)电源 整个系统的供电部分由3图4-11提供。2)限位开关及其反馈信号检测选择限位开关时可根据额定电压、额定电流、开启频率、触点数等参数进行。选择行程开关,安装于导轨的两端。其作用是控制信号的通断,然后由单片机系统检测该信号的有无,实现控制电机的换向与否的目的。原理图中通过8255(U5)的PA4PA7口检测步进电机是否到位,从而采取相应的控制措施。九、参考文献:1 濮良贵主编 . 机械设计 . 第七版 . 北京: 高等教育出版社 , 20012 吴宗泽主编 . 机械设计课程设计手册 .第二版 .北京 .高等教育出版社 . 19993 机械电子工程专业课程设计指导书第 11 页
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