数控极坐标工作台.docx

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1、前 言掌握机械设计的一般设计过程及方法。如：如何进行原理方案设计及选择；总体设计及布局；参数确定；结构设计及计算等。进行设计的基本训练。如：计算；绘图；试验；设计资料的选取；编写技术文件等。综合运用已学过的知识和理论，进一步进行自学能力和实际动手能力的训练。使理论联系实际的分析问题、解决问题的能力和实际操作能力得到进一步提高。培养学生的团队合作精神。完成从被动接受课堂教学的学习模式到自主学习、独立工作的设计工作形式的转变，并为毕业设计打好基础。精确性要求：提高机电产品的测量精度、机械运动精度、机械电子设备的加工精度等精度要求是机电一体化系统的基本要求。因此设计机电一体化系统时，更多地是从刚度理

2、论（尤其是动态刚度）而不是从度理论出发去进行机械构件设计。同时，机电一体化系统中机械结构的小型化、轻量化、高效率、高可靠性也对零部件的加工、装配提出了更高的精度指标。数字化要求：对于测量和控制而言，由于模拟量存在与生具来的精度低、抗干扰差等缺陷，因此包括将模拟量控制转变为数字量控制，将目视刻度、模拟量仪表转变为数字显示在内的数字化要求，已经成为机电一体化系统的基本特征。智能化要求：控制工程理论尤其是模糊控制理论的发展与实际应用，使机电一体化系统具有了主动测量、闭环控制、能够自主分析与决策的智能化特点。因此，设计者应对系统的信号反馈与处理及信号分析与决策有预先的整体考虑。稳定性和可靠性要求：对机

3、电一体化系统来说，系统工作的稳定性和可靠性要求不仅是针对机械构件，更多地是针对完成测量、数据传递和控制任务的电子构件而言的。这其中主要包括系统对环境（温度、湿度）的要求、抗干扰性、使用安全性和平均无故障时间等较具体的要求。小型化和最优化要求：即减小产品的体积和质量，优化结构设计。例如：将台式仪器转变为便携式仪器，增加对环境的适应性。优化传动机构设计，提高平稳性，延长使用寿命等。简 介 目前国内外凸轮加工方法大致分两大类：一种是利用手工、机床等装置进行加工。另外一种是通过仿形法进行加工。现仿形法是现在大量使用的加工方式。手工、机床的加工方式精度较高，适合中小批量的生产。仿形法精度不如上一种，但生

4、产技术比较成熟，可利用车床，铣床，磨床进行大批量的生产。国内外生产凸轮轴的主要方法有：采用钢质锻造毛坯经切削加工后，凸轮桃尖部分经高频淬火形成马氏体层的工艺。20世纪 70年代末，德国和法国相继开发了凸轮轴氩弧重熔新工艺；另有以美国为主的可淬硬铸铁凸轮轴；以日本和法国为主的冷硬铸铁凸轮轴；以及凸轮部位用 Cr-Mn-Mo 合金涂料进行铸件表面合金化的生产工艺等。凸轮的样式大体分三种：普通凸轮，应用最为广泛。端面凸轮，对于执行件行程小的时候占用空间相对较小。槽凸轮，不仅使执行件有上下的运动，也使得执行件有左右的运动。此外还有特殊的凸轮：如用来做主动件的凸轮轴和凸轮分割器等。此次我们小组做的是普通

5、凸轮用于立式铣床上的数控工作台。目录一.设计题目及要求51.1设计题目51.2主要功能要求51.3主要技术参数要求5二.方案选择及论证62.1整体结构选择62.2电机选择62.3传动齿轮的选择72.4上工作台机构选择82.5下工作台机构选择92.6轴承选择102.7导轨副选择102.8机床防尘罩选择112.9辅助标准件选择122.10控制系统选择 122.11总体结构布局图 14三.计算部分 14 3.1上工作台14 3.2下工作台16四.程序及框图20五.设计小结23六.参考文献23一.设计题目及要求 1.1设计题目：数控极坐标工作台设计能够安装在万能铣床、工具铣床上，用微机控制的凸轮加工附

6、件。普通铣床安装该附件后，可实现盘形、端面和圆柱凸轮的加工。 1.2主要功能要求： 该装置应能实现平面极坐标形式（旋转+直线移动）的连续运动。 可以显示运动位置参数（角度和直线移动位置）。 既可以自动运行也可以手动调整。 控制电路应包括步进电机驱动功能。 控制方式可以是开环、闭环或半闭环系统。 1.3主要技术参数要求（表11）表11 序 号 技 术 项 目 技 术 要 求 备 注 1工作台最大移动距离70mm 2工作台最高移动速度3m/min 3旋转工作台最高转速7.5r/min 4旋转工作台直径100mm 5工件最大重量2Kg 6最大轴向切削力50Kg 7最大径向切削力50Kg 8旋转工作台

7、中心孔锥度莫氏四号 9旋转工作台最小分度值1 10最大承受扭矩10Kgm 11分度精度20” 12主轴回转精度6 13分度形式360 14工作台定位精度0.02mm 15旋转工作台面T型槽宽8mm 16铣床工作台尺寸（长宽）1250320mm 17铣床工作台 T型槽宽18mm 18铣床工作台 T型槽间距60mm 19铣床工作台最大升降高度400mm二方案选择及论证2.1整体结构选择方案1多用于机床辅助配件：分度头方案2可用于加工等独立完成的动作讨论：方案1结构小，节约空间，但稳定性不如“十”字形结构，根据要求，工作台的直线运动精度为0.01毫米，而选用的步进电机响应时间短，所以方案1在极限位置

8、已产生振荡，故选用方案2。2.2电机选择：步进电机是一种可将电脉冲信号变为相应角位移或直线位移的同步电机，其基本工作原理为：以一定的方式给其定子上的控制绕组依次通入电流，就会在空间产生一步一步的旋转磁场，其转子就会跟随旋转磁场一步一步的旋转，因此称为步进电机。对应一个脉冲转子转过的角度称为步距角。同时因步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，时间上与输入脉冲同步。只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可获得所需转角的转速和转动方向，因而可构成直接数字控制。另一方面，步进电机自身的动态特性和驱动方式对快速动作及工作可靠性影响很大，它的动态输出转矩是随控制脉冲频率的不同而改变的，脉

9、冲频率增加，动态转矩变小，这称为步进电机的矩频特性。步进电机大致可以分成三种类型。即转子无绕组，步进运行是由定子绕组通电激磁产生的反应力矩作用来实现的反应式步进电机（基本特点为：结构简单、工作可靠、运行频率高、步距角小）。转子为圆周多极磁化的永磁铁，靠与定子绕组产生的电磁力相互吸引或相斥来实现运行的永磁型步进电机（基本特点为：控制功率小、效率高、造价低、无励磁也具有保持力、电机频率响应低、步距角较大）。结合了反应式与永磁式步进电机两种基本结构特点的混合式步进电机（基本特点为：步距角小、工作频率高、控制功率小、无励磁也具有保持力、结构相对复杂、成本相对较高）。由以上对步进电机的简单介绍可看出，步

10、进电机伺服驱动具有结构简单、控制容易、而且是全数字化装置的特点，因此在小容量、工作速度低、精度要较高的场合使用较多。依据我们设计要求，最终选择混合式步进电机。初选型号：86BYG250B-SASSBL-02022.3传动齿轮的选择讨论：1.效率高,在常用的机械传动中，以齿轮传动效率最高，鄙视传动效率为96%99%，这对大功率传动有很大的经济意义。2. 结构紧凑比带、链传动所需的空间尺寸小。3. 传动比稳定,传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，正是由于其具有这一特点。 4.工作可靠、寿命长,设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一二十年，这也是

11、其它机械传动所不能比拟的。方案1双片齿轮消隙传动图所示为一种双片齿轮结构。该齿轮的两部分之间可以沿周向相互错动。松开紧定螺钉，调整活动部分使两片齿轮充满与之相啮合齿轮的全部齿间，然后用紧固螺钉将两片齿轮固定。这种方法可以传递较大扭矩，结构简单，但磨损后不能自动调整间隙。这种齿轮一般用于中小功率传动中高速级的被动齿轮。方案2偏心轴齿轮消隙传动图所示为一种可调中心距的齿轮传动结构示意图。装配时利用转动偏心轴来调整两齿轮之间的中心距，使齿侧间隙达到最小。这种方法的特点是结构简单、刚性好，但只能补偿齿厚误差和中心距误差引起的间隙，不能补偿齿轮制造的偏心误差引起的间隙。除去图2.2心轴齿轮消隙传动以外，

12、还可以将偏心轴改为偏心套形式。通过转动偏心套来改变齿轮的中心距。为了节省空间，采用偏心轴齿轮消隙传动。2.4上工作台机构的选择方案一：消隙蜗轮蜗杆1.传动比大，结构紧凑；2. 传动平稳，无噪声；有自锁性；3. 可作为一种轴向移动式消隙结构。如图2.3，这一方案中，蜗杆被分成了两部分，利用弹簧可使活动的蜗杆产生轴向移动，从而达到消除间隙的目的。此方案结构简单、可以自动补偿因磨损而产生齿隙，但由于弹簧刚度有限，所以此种结构仅用于小扭矩传动，而且弹簧刚度必须要加以校核。方案二：同步齿形带1. 同样具有固定的传动比2. 可承受较大的扭矩3. 但外形尺寸较大，不适合用在小型控制台上方案确定：选择消隙蜗轮

13、蜗杆2.5下工作台机构选择方案一：滚珠丝杠 滚珠丝杠螺母副是为适应机电一体化设备的高速度、高效率、高精度的要求而发展起来的一种新型传动机构。它在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间元件，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺旋槽滚动，滚珠在丝杠上滚过数圈后，通过回程引导装置，逐个滚回最初的起点，构成了一个闭环的循环回路。滚珠丝杠副与普通滑动丝杠副相比有明显的特点：1、传动效率高、摩擦损失小滚珠丝杠副的摩擦系数一般为0.00250.0035，传动效率可达90%以上。2、 传动具有可逆性一般的螺旋传动是将回转运动变为直线运动（正传动），而滚珠丝杠还可将直线运动变为回转运动，即逆传动，同时滚珠丝杠副的逆传动

14、效率同样可达90%。3、传动精度高滚珠丝杠副属精密机械传动机构，高精度滚珠丝杠副导程累计误差4、磨损小、寿命长5、滚珠丝杠副不能自锁因为滚珠丝杠副传动具有可逆性，因此在一些不允许产生逆运动的地方必须设制动或自锁机构才能使用。初选型号：1604-2.5方案二：齿轮齿条1. 制造成本低齿轮齿条在机械直线传动中应用非常广泛，所以制造技术非常成熟2. 可承载较大的力3. 不适用于较为精确地传动方案确定由此我们可以很明显的看出滚珠丝杠的优越性，因此我们在丝杠的选择上我们选择了滚珠丝杠。2.6 轴承选择讨论：角接触轴承可用一端固定，也可用两端固定。是一种能承受很大轴向力的特殊轴承。其基本结构形式可以理解为

15、两个向心推力球轴承均大端向外组合安装，但其接触角为60度，增加了滚珠数目，相应减小了滚珠直径，刚度是一般轴承的两倍，成对使用。内外环的厚度在出厂时已调整好，装配后用压紧元件压紧后即可获得需要的刚度。使用方便，是很有发展前途的专用轴承。 综上所述，通过各个方面的比较，我们选择了用圆锥轴承的支撑方式。2.7导轨副的选择讨论：直线滚珠导轨是为适应数控机械需要而发展的一种导轨形式。它的优点是：1、将直线式滚动导轨副制成标准部件，只要安装在相对运动的导轨平面上，就可组成合适的导轨，因而设计和装配简单、方便；2、在所有方向均能承受载荷；3、通过预加负荷，可以得到高刚度、高精度及能承受切削负荷的动刚度；4、

16、具有自动调整功能，因而可达微米级的运动精度。因此我们选择了山东济宁博特精密丝杠制造有限公司滚动直线导轨副。选型号：JSA-LG152.8机床防尘罩讨论：为防止导轨副和丝杠螺母副在运动时其表面被铁屑、灰尘等污物污染，进而造成工作面的划伤，机床导轨副和丝杠螺母副一般都要安装防护罩。防护罩一般有风琴式、伸缩板式、卷帘式等。风琴式防护罩通常使用皮革或人造革制造，具有价格低廉、安装简单等特点，但风琴式防护罩的缝隙中容易存留污物，而且清扫较费时；伸缩板式防护罩具有外观美观、及不易存留污物的优点，也有占用空间较大、成本相对较高的缺陷；卷帘式防护罩占用空间小、安装简单、不易存留污物，同时防护效果低于伸缩板式防

17、护罩、结构相对复杂、防护面积较小是这种防护罩缺陷。机床防护罩已有专业生产厂生产，使用时可根据实际需要订货加工。初选沧州远东机床附件厂的风琴式防尘罩。2.9辅助标准件：2.10控制系统的选择：控制系统分为：开环系统、半闭环系统和闭环系统，设计时可根据控制精度要求和预期成本进行选择。方案1开环系统凡是不使用误差调节控制的系统，即为开环系统。这种系统不使用位置检测元件和反馈元件，计算机将算出的坐标位置指令送入减法计数器，经减速电路由脉冲发生器产生连续的脉冲序列，与门一面将脉冲经驱动电路使步进电机运行、一方面将脉冲送回减法计数器，使计数器减1。当计数器的内容减为零时，判零电路发出信号，关掉与门，使步进

18、电机停止。开环系统的基本特点是：控制系统结构简单、容易控制、成本低廉、控制精度偏低（一般可达到0.01mm、定位精度误差大于0.02mm）。方案2半闭环系统亦称增量闭环系统。这种系统虽然使用了位置检测元件，但是因交、直流伺服电机都是连续运动元件，只能藉助于测量元件检测位移量，所以检测元件的安装位置通常在电机的尾部。由于检测元件不是检测运动零件的最终输出位置（速度），所以这种在传动链中间有反馈的系统称为半闭环系统。在工作时计算机给减法计数器置数后就使电机转动，每转过一个单位距离，脉冲编码器就发出一个脉冲，该脉冲使减法计数器减一，计数器内容减为零时，判零电路发出停止信号，切断电机驱动控制，使电机停

19、止转动，工作台定位。当然，检测元件也可安装在传动链的中间，间接测量工作负载的位置、速度，并反馈到位置（速度）比较电路，电机控制电路输出的是位置指令（插补器插补后的输出）与工作负载实际位置的差值，系统仅可以补偿整个传动链的部分累计误差，这也是半闭环系统的一种工作方式。半闭环系统的特点是：驱动功率大、运动速度快、起制动迅速、控制精度高于开环系统，但低于闭环系统。方案3闭环系统与半闭环系统不同，闭环系统的检测元件安装在传动链的末端，直接测量工作负载的位置、速度，并反馈到位置（速度）比较电路，电机控制电路输出的是位置指令（插补器插补后的输出）与工作负载实际位置的差值，系统可以补偿整个传动链的全部累计误

20、差，系统精度只取决于测量元件的制造精度和安装精度，因此闭环系统可获得高伺服精度。目前，闭环系统的分辨率多数为1m，定位精度可达0.003mm；高精度闭环系统分辨率可达0.1m。讨论：速度，精度，动态特性方案1比2和3都要差，而方案2结构过于复杂，故选择方案3。步进电动机减速器滚珠丝杠步进电动机减速器回转工作台蜗轮蜗杆X方向传动机构回转机构模块计算机机电接口驱动电路人机接口图1. 系统总体方案结构框图2.11总体结构布局图三.计算部分3.1上工作台3.1.3齿轮基本参数模数 M=1.5齿轮1齿数 Z1=21齿轮1齿宽 B1=20（mm）齿轮2齿数 Z2=42齿轮2齿宽 B2=15（mm）标准中心

21、距 A0=47.25(mm)齿数比 U=2齿轮1分度圆直径 d1=31.5(mm)齿轮1齿顶圆直径 da1=34.5(mm)齿轮1齿根圆直径 df1=27.75(mm)齿轮2分度圆直径 d2=63(mm)齿轮2齿顶圆直径 da2=66（mm)齿轮2齿根圆直径 df2=59.25(mm)齿顶高系数 ha*=1.00顶隙系数 c*=0.25压力角 *=20(度)齿轮1硬度 HB1=300齿轮2硬度 HB2=2003.1.5蜗轮蜗杆相关数据实际中心距a：68mm齿根高系数ha*:1齿根高系数c*:0.2蜗杆分度圆直径d1：36.75mm蜗杆齿顶圆直径da1：38.5mm蜗杆齿根圆直径df1：33.7

22、5mm蜗轮分度圆直径d2：100mm法面模数mn：2mm蜗轮齿根圆直径df2：97mm蜗轮齿顶圆弧半径Ra2：15.75mm蜗轮齿根圆弧半径Rf2：20.15mm蜗杆导程角：3.2253.1.6步进电机选型工作台折算到电机轴上的转动惯量丝杠折算到电机轴上的转动惯量齿轮折算到电机轴上的转动惯量总的转动惯量电机启动加速力矩导轨摩擦折算至电机的转矩切削力折算至电机力矩总力矩最大静力矩Mmax之前初选电机型号为86BYG250A-SASSBL-0202，其最大静扭矩Tm=5Nm,转子转动惯量Jm=3000gcm2，所选型号电机是符合设计要求的。3.2下工作台3.2.3齿轮基本参数模数 M=1.5齿轮1

23、齿数 Z1=25齿轮1齿宽 B1=20(mm)齿轮2齿数 Z2=50齿轮2齿宽 B2=15(mm)标准中心距 A0=112.5(mm)齿数比 U=2.0齿轮1分度圆直径 d1=37.5(mm)齿轮1齿顶圆直径 da1=40. 5（mm)齿轮1齿根圆直径 df1=33.75(mm)齿轮2分度圆直径 d2=75(mm)齿轮2齿顶圆直径 da2=78(mm)齿轮2齿根圆直径 df2=71.25(mm)齿顶高系数 ha*=1.00顶隙系数 c*=0.25压力角 *=20(度)齿轮1硬度 HB1=300齿轮2硬度 HB2=2003.2.6丝杠螺母选型由技术要求,平均载荷F=800N,丝杠工作长度L=70

24、mm工作寿命,传动精度要求设导程P=5 mm ,则(1)(2) 求计算载荷 由条件,查机电一体化系统设计表2-6取=1.2, 查表2-6取=1.2, 表2-4取D精度, 查表2-6取=1.0(3) 计算额定动载荷计算值Ca由式(2-4)(4) 根据选择滚珠丝杠副 假设选用FC1型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于的原则,查表选以下型号规格滚珠丝杠选：1604-2.5 Ca=3.5KN(5) 稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。 (5)刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为式中,A为丝杠截面积,A=为丝杠的极惯性矩, G

25、为丝杠切变模量,对钢G=83.3GPa;T(Nm)为转矩. 式中, 为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数; 为平均工作载荷.取摩擦系数为,则得按最不利的情况取(F=)则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2,即该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求.(6)效率验算要求在90%-95%之间,所以该丝杠副合格.经上述计算验证,2510-3各项性能均符合题目要求,可选用.3.2.5步进电机选型工作台折算到电机轴上的转动惯量丝杠折算到电机轴上的转动惯量齿轮折算到电机轴上的转动惯量总的转动惯量电机启动加速力矩导轨摩擦折算至电机的转矩切削力折算至电机力矩总力矩

26、最大静力矩Mmax之前初选电机型号为86BYG250B-SASSBL-0202，其最大静扭距Tm=5N m,转子转动惯量Jm=1540gcm2。为了使步进电机具有良好的启动个能力及较快的响应速度，应有Tm/TL2;J/Jm4，所得结果满足条件。四.程序及框图4.1原理图4.2程序框图4.3 LED显示4.3.1原理图4.3.2程序框图4.4键盘输入4.4.1原理图4.4.2程序框图五.设计小结本次课程设计作为毕业设计前最后一个课程设计，具有很好的练习作用。我们经过基础课，技术课和专业课的学习，到最终完成这次设计任务，从中获得了很多的知识。本次课程设计比较综合的，系统的应用了从前所学的知识，我们

27、学会了怎样运用知识去解决实际中的具体问题，这对我们来说是一次再学习的延伸，也是一次难得的实践机会。在设计过程成中，指导老师给了我们比较全面的指导，他总能以启发的方式给予我帮助，让我们充分发挥了自己的独立设计能力，使我们理论联系实际的分析问题和解决问题的能力得到进一步培养，完成了理论联系实际的过程。同一组的同学相互帮助，也让我们充分的体会到团结协作的重要性，这都为以后走上工作岗位和继续学习打下了良好的基础。通过本次设计，我们认识到了机械设计技术人员在社会生活中所发挥的巨大作用，并且感觉到了自己在很多方面的欠缺，我们认识到了只有通过不断的学习，努力提高自己的设计水平，才能适应社会发展的需求，当今社

28、会新技术，新思想不断涌现，新的设计理念也不断出现。本次设计虽然只用了传统的设计方法，在有些方面也显示了繁杂和精度太低，但从中可以体会那种严谨认真的思想，是以后机械设计及其他工作必不可少的。一个国家的机械设计水平，不仅代表一个国家的机械水平，还直接影响国民经济生产建设中的发展因素，我为即将成为一名机械设计人员而自豪，同时也感到了责任重大，我要不断学习新设计理念，努力提高自己的设计水平，为祖国的工业现代化建设奉献自己的力量。六.参考文献1.尤丽华主编,测试技术,机械工业出版社, 20062.张迎新等主编,单片机初级教程,北京航空航天大学出版社,1999.3.郑堤,唐可洪主编,机电一体化设计基础,机械工业出版社4.成大先主编,机械设计图册,化学工业出版社,20005.成大先主编,机械设计手册(减速器.电机与电器),化学工业出版社,20046.机电一体化技术手册编委会编,机电一体化技术手册,机械工业出版社,199927