數(shù)控回轉(zhuǎn)臺課程設(shè)計

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1、目錄1. 摘要12. 任務(wù)與分析23. 總體方案的設(shè)計33.1機(jī)械部分的設(shè)計43.1.1步進(jìn)電機(jī)的選擇43.2.1蝸輪蝸桿的配合63.2.2齒輪傳動的設(shè)計83.2.3軸的校核與計算93.2.4角接觸球軸承的選擇103.2.5齒輪上鍵的選取與校核103.3驅(qū)動電路的設(shè)計103.4控制系統(tǒng)的設(shè)計123.4.1操作控制面板的功能設(shè)計及按鈕的布局設(shè)計124.總結(jié)165.參考文獻(xiàn)17第1章 摘要隨著數(shù)控技術(shù)的普及，越來越多的設(shè)備都離不開這項技術(shù)了。本課程設(shè)計說明書圍繞數(shù)控技術(shù)展開了一系列的討論和說明。首先，為滿足設(shè)計的要求，控制系統(tǒng)采用的是MCS51單片機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的性能較好，價格也還算公道，比較

2、適合完成此課程設(shè)計（即數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的數(shù)控化改造）的相關(guān)任務(wù)。但由于MCS51單片機(jī)的驅(qū)動能力有限，不能直接帶動工作臺旋轉(zhuǎn)，所以還必須外接一個驅(qū)動器，所以驅(qū)動電路的設(shè)計在此說明書中占有比較大的比例，根據(jù)任務(wù)書的要求，可采用開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。當(dāng)然整個系統(tǒng)離不開機(jī)械系統(tǒng)的支持，所以機(jī)械部分的設(shè)計也尤為重要，此說明書主要針對步進(jìn)電機(jī)，軸的校核與計算，蝸輪與蝸桿的選用與校核，齒輪傳動的設(shè)計以及機(jī)械部分的設(shè)計與計算等。 第2章 任務(wù)與分析為進(jìn)一步鞏固與機(jī)電一體化相關(guān)的知識，特撰寫了這本關(guān)于利用MCS51單片機(jī)控制的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計說明書。該設(shè)計以數(shù)控技術(shù)為核心展開了一系列的討論，主要包括機(jī)

3、械部分的設(shè)計和控制系統(tǒng)的設(shè)計兩大部分，此畢業(yè)設(shè)計以“簡約而不簡單”的總原則，設(shè)計出了一套性價比高，勞動強(qiáng)度弱，操作簡單及可靠性好的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，該數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺所能達(dá)到的功能主要包括以下幾點：1.工作臺回轉(zhuǎn)角度為：0360；2.工作臺最大回轉(zhuǎn)半徑：200mm；3.工作臺所能承受的最大重量：20kg；4.工作臺分度精度：100/；5.由鍵盤輸入回轉(zhuǎn)角度；6.分度角度顯示5位；7.工作臺最大回轉(zhuǎn)最大速度：20r/min。它所應(yīng)用的領(lǐng)域比較廣泛，主要用于精密的機(jī)械加工設(shè)備，各類醫(yī)療設(shè)備，各類軍事設(shè)備等。需要說明的是，該說明書上許多東西都是理論上的，還缺乏足夠的實際應(yīng)用，該設(shè)備目前還未投產(chǎn)。 第3章

4、 總體方案設(shè)計數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺根據(jù)其特點，大致包括以下主要部件：1. 完成最終功能的機(jī)械執(zhí)行部分（即產(chǎn)品的機(jī)械裝置）2. 操作者操縱產(chǎn)品的工作以及了解產(chǎn)品的工作狀態(tài)的操作面板3. 處理操作指令的控制系統(tǒng)4. 對控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號進(jìn)行放大以及驅(qū)動相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動電路 圖 3-1 圖3-231機(jī)械部分的設(shè)計311步進(jìn)電機(jī)的選擇首先必須要明白步進(jìn)電機(jī)的工作原理，它將是電脈沖信號變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，所以步進(jìn)電機(jī)常用于開環(huán)系統(tǒng)的控制，這一點剛好能滿足畢業(yè)設(shè)計中開環(huán)控制的要求。要正確地選擇步進(jìn)電機(jī)，還必須清楚它的特性，主要有以下幾點：1. 步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，

5、沒有脈沖的時候，步進(jìn)電機(jī)停止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比；2.步進(jìn)電機(jī)電機(jī)具有瞬時啟動和急速停止的優(yōu)越特點；3.改變脈沖的順序，可以方便地對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。要根據(jù)轉(zhuǎn)矩和步矩角選擇合適的步進(jìn)電機(jī)，綜上所述，可選擇型號為DM39系列的步進(jìn)電機(jī)，步矩角為1.2度，保持轉(zhuǎn)矩為7.6N .m，步進(jìn)最高轉(zhuǎn)速為900轉(zhuǎn)/分鐘。 表3-13.2.1渦輪蝸桿的配合蝸輪蝸桿配合常用來傳遞兩交錯軸之間的運(yùn)動和動力，它主要有以下的一些特點：1.可以得到很大的傳動比（i可達(dá)780），比交錯軸斜齒輪機(jī)構(gòu)緊湊；2.兩輪嚙合面為線接觸，其承載能力大大高于交錯軸斜齒輪機(jī)構(gòu)；3.

6、蝸桿傳動相當(dāng)于螺旋傳動，故傳動平穩(wěn)，噪音很?。?.具有自鎖性。當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪間的當(dāng)量角時，機(jī)構(gòu)具有自鎖性，可實現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動蝸輪，而不能用蝸輪帶全保護(hù)作用；5.傳動效率低，磨損較嚴(yán)重；6.蝸桿軸向力大；7.常用于間歇工作的場合。蝸桿傳動的這些特點剛好符合本畢業(yè)設(shè)計的相關(guān)要求。另外，還必須清楚蝸桿傳動的基本參數(shù)包括模數(shù)m，壓力角，蝸桿直徑系數(shù)，導(dǎo)程角，蝸桿頭數(shù)，蝸輪齒數(shù)，齒頂高系數(shù)以及頂隙系數(shù)。其中，模數(shù)和壓力角是指蝸桿軸面的模數(shù)和壓力角，即蝸輪端面的模數(shù)和壓力角，且均為標(biāo)準(zhǔn)值：蝸桿直徑系數(shù)q為蝸桿分度圓直徑與其模數(shù)的比值。蝸桿傳動比i=蝸桿的轉(zhuǎn)速/蝸輪的轉(zhuǎn)速，蝸桿的轉(zhuǎn)速

7、即是步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，蝸輪的轉(zhuǎn)速即是回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)速?；剞D(zhuǎn)工作臺的最高轉(zhuǎn)速：要求為20轉(zhuǎn)/分鐘，由于步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為900轉(zhuǎn)/分鐘，由此能計算出蝸桿傳動比為900/20=45。1.選擇蝸桿傳動類型根據(jù)GB/T10085-1988推薦,采用漸開線蝸桿2.選擇材料考慮到蝸桿傳動效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼，為達(dá)到更高的效率和更好的耐磨性，要求蝸桿螺旋齒面淬火，硬度為45-55HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅金屬制造，為節(jié)省貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。3.按齒面解除疲勞強(qiáng)度設(shè)計根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。

8、傳動中心距：(3-1)(1)確定作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)矩按=2，估取效率=0.8.，則 =Ti=2.390.845=86.04N.m (3-2)(2)確定載荷系數(shù)K因工作載荷較穩(wěn)定，故載荷分布不均勻系數(shù)=1;由使用系數(shù)表選取=1.15；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(shù)=1.1，則K=1.2651.27 (3-3)(3)確定彈性影響系數(shù)選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配（4）確定接觸系數(shù)先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動中心距a的比值/a=0.30從而可以查出=3.12（5）確定許用應(yīng)力根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅，金屬模制造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，從而可查得蝸輪的基本許用應(yīng)力（3-4）（6）計算中心

9、距 （3-5）4.蝸桿直徑系數(shù)q=17.92;分度圓直徑=22.4mm,蝸桿頭數(shù)=1，分度圓導(dǎo)程角=31138蝸桿軸向齒距：=3.94mm (3-6)蝸桿齒頂圓直徑： （3-7）蝸桿軸向齒厚： （3-8）5.蝸輪蝸輪齒數(shù)=45，變位系數(shù)X=0蝸輪分度圓直徑 =m=1.2545=56.25mm (3-9)蝸輪喉圓直徑 =+2=72.25mm (3-10)6.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 （3-11）當(dāng)量齒數(shù) （3-12） （3-13） （3-14） =4.29Mpa （3-15）所以彎曲強(qiáng)度是滿足要求的。3.2.2齒輪傳動的設(shè)計由于前述所選電機(jī)可知T=2.39N.m傳動比設(shè)定為i=3，效率=0.97，工

10、作日安排在300工作日/年，壽命為10年。根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用直齒輪傳動的形式。1.選擇材料 考慮到齒輪傳動效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼；為達(dá)到更高的效率和更好的耐磨性，要求齒輪面硬度為45-55HRC。2.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳遞轉(zhuǎn)矩:=9.55=(9.550.75/3000)=2.39N.m (3-16)載荷系數(shù)K:因載荷平穩(wěn)，取K=1.2齒寬系數(shù)：取=1許用接觸壓力：= 220Mpa (3-17)傳動比: =3將以上代入公式得3.確定齒輪的主要參數(shù)與主要尺寸1）齒數(shù) 取=22，則=i=322=66

11、 （3-18）2)模數(shù) m=32.88/22=1.49mm，取標(biāo)準(zhǔn)值m=1.5 （3-19）3）中心距 標(biāo)準(zhǔn)中心距a=m/2(+)=60.5mm （3-20）4）其他主要尺寸分度圓直徑 =m=1.522=33 （3-21） =m=1.566=99 （3-22）齒頂圓直徑 =+2m=33+3=36mm （3-23） =+2m=99+3=102mm （3-24）齒寬 b=133=33mm取=40mm （3-25）4.確定齒輪傳動精度齒輪圓周速度v=/(601000)=3.68m/s （3-26）則可確定公差組為8級5.齒輪及結(jié)構(gòu)設(shè)計小齒輪 =33mm 采用實心式齒輪大齒輪 =99mm 采用腹板式齒

12、輪3.2.3軸的校核與計算1.受力簡圖計算出：R1=46.6N R2=26.2N2.畫出扭矩圖T=3.畫出彎矩圖由此可知軸的最大危險截面所在組合彎矩 (3-27)3.2.4角接觸球軸承的選擇由于此機(jī)構(gòu)主要承受軸向方向的載荷，以及部分的徑向載荷，在此部分選擇角接觸球軸承是最合適不過的了，因為角接觸球軸承可同時承受徑向載荷和軸向載荷。要知道接觸角是角接觸球軸承中一個很重要的參數(shù)，它直接決定了角接觸球軸承軸向方向的承載能力，接觸角越大，軸向承載能力越大，但精度回略微減小。單列的角接觸球軸承只能承受一個方向的軸向負(fù)載，在承受徑向負(fù)荷時，將引起附加軸向力，并且只能限制軸或外殼在一個方向的軸向位移，這不是

13、我們想要的，若是成隊雙聯(lián)安裝，使一對軸承的外圈相對，即寬端面對寬端面，窄端面對窄端面，這樣既可避免引起附加軸向力，而且可在兩大載荷為20Kg，分度精度為100”，可選擇接觸角為25度的，7000AC型的角接觸球軸承，最好選擇進(jìn)口的SKF軸承（因為該軸承相對于其他軸承而言，性能更好），為避免產(chǎn)生附加的軸向力，采用成隊雙聯(lián)安裝方式，保持架的材質(zhì)可選擇性能優(yōu)異，壽命相對較長的合成樹脂。3.2.5齒輪上鍵的選取與校核1.取鍵連接的類型號尺寸因其軸上鍵的作用是傳遞扭矩，用平鍵連接就可以了，由資料可查出鍵的截面尺寸為:寬度b=5mm，高度h=5mm，由聯(lián)軸器的寬度并參考鍵的長度系列，從而取鍵長L=10mm

14、。2.鍵的連接強(qiáng)度3.3驅(qū)動電路的設(shè)計在步進(jìn)電機(jī)已選擇好的情況下，再來對驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計，因為步進(jìn)電機(jī)對驅(qū)動電路有如下要求：1. 驅(qū)動電路的通電數(shù)、通電方式、驅(qū)動電壓、驅(qū)動電流都必須能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求；2. 驅(qū)動電路的設(shè)計要滿足步進(jìn)電機(jī)啟動頻率和連續(xù)運(yùn)行的要求；3.能最大限度抑制步進(jìn)電機(jī)的振蕩；4.工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，能承受一定的過載；5.成本低，效率高，安裝和維護(hù)方便。另外，還必須知道步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的基本組成部分，主要包括：脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖功率放大器三個部分，具體執(zhí)行情況如下：指令脈沖發(fā)生器脈沖分配器脈沖功率放大器步進(jìn)電機(jī)。在不同的機(jī)電應(yīng)用系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)各部分有所不同。

15、根據(jù)課程設(shè)計的要求，選擇脈沖的產(chǎn)生和分配均由MCS51單片機(jī)來完成的方式，輸出脈沖信號經(jīng)功率放大器放大再進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)。經(jīng)過多方綜合的考慮，選擇繼電器驅(qū)動方式（因為繼電器方式的開關(guān)量輸出是最常見的輸出方式，通過弱電控制外界的交流或直流的高電壓、大電流設(shè)備，繼電器驅(qū)動電路的設(shè)計要根據(jù)所用繼電器線圈的吸和電壓和電流而定，控制電流一定要大于繼電器的吸和電流才能使繼電器可靠地工作），具體的接口電路如圖（3-3）圖3-3繼電器的動作由單片機(jī)的P0.0端控制，P0.0端輸出低電平時，繼電器J吸和；P0.0端輸出高電平時，繼電器J釋放，采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復(fù)位或單片機(jī)受控復(fù)位時不吸和。低電平時，

16、V導(dǎo)通，繼電器吸和；當(dāng)P0.0端輸出高電平時，V截止，繼電器斷開。在繼電器吸和到斷開的瞬間，由于線圈中的電流不能突變，將在線圈產(chǎn)生較高的下正上負(fù)的感應(yīng)電壓，使晶體管集電極承受較高電壓，有可能燒壞驅(qū)動三極管V。為此在繼電器J線圈兩端并接一個續(xù)流二極管VD，使線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流有二極管VD流回。正常工作時，線圈上的電壓上正下負(fù)，二極管VD截止，對電路沒有影響。機(jī)械繼電器可在繼電器節(jié)電兩端并接火花抑制電路，減少電火花影響，如圖（3-3）中的0.0Uf的電容。4N25使兩部分的電信號獨(dú)立。UCC是單片機(jī)系統(tǒng)電源，UDD是供繼電器的電源。輸出部分的地線接機(jī)殼或接大地，而單片機(jī)系統(tǒng)的電源地線數(shù)字地（浮空的

17、）不與交流電源的地線相接。這樣可避免輸出部分電源變化對單片機(jī)電源的影響，減少系統(tǒng)所受的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。3.4控制系統(tǒng)的設(shè)計3.4.1操作控制面板的功能設(shè)計及按鈕的布局設(shè)計 布局如圖3-4，包括LCD顯示器（用于顯示五位分度角度）、數(shù)字鍵09（用于輸入分度角度）、Left和Right鍵（用于左右移動光標(biāo)）、Up和Down鍵（用于增加和減少每一位的數(shù)值）、回零按鈕（用于分度轉(zhuǎn)臺的機(jī)械回零）、顯示器開關(guān)按鈕、報警指示燈、串口RS232指示燈以及Enter鍵（完成輸入分度角度之后，按下此鍵分度轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度）。圖3-4 圖3-5串行通訊電路接線圖3-6串行通訊PCB接線圖 由于單片機(jī)具有以下

18、特點：1.優(yōu)異的性價比；2.集成度高、體積小、可靠性高。單片機(jī)把各功能部件集中在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連續(xù)，大大提高了計算機(jī)的可靠性與抗干擾能力，另外，其體積小，對于強(qiáng)磁環(huán)境，易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作；3.控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)；4.低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；5.單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。由于單片機(jī)具有以上的特點，微處理器可選擇MCS-51的單片機(jī)。MCS-51的單片機(jī)

19、具有四個8位的并行I/O口，分別記作P0 、P1、 P2、 P3也就是說一共有32個接口，這四個8位的并行I/O口都有相同的特殊功能寄存器，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能，每一個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器，其中P0口的驅(qū)動能力最強(qiáng)，可驅(qū)動八個LSTTL負(fù)載，其他只能驅(qū)動四個，另外P3口具有第二功能（包括RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1 WR、RD） MCS-51的單片機(jī)與控制面板的鏈接設(shè)計如圖3-7圖3-7，境小的ia、 第4章 總結(jié)經(jīng)過兩個月的努力，課程設(shè)計終于完成了。在這個過程中我對書本有了更深的了解，學(xué)到了很多有價值的東西，能達(dá)到這樣的效果是所有曾經(jīng)指導(dǎo)過

20、我的老師、幫助過我的同學(xué)、一直支持著我的家人，對我的教誨、幫助和鼓勵的結(jié)果，我要在這里對他們表示深深的謝意！ 首先，要特別感謝我的指導(dǎo)老師陳建剛，陳老師淵博的專業(yè)知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，樸實無華，平易近人的人格魅力對我影響深遠(yuǎn)，使我對完成這門課程設(shè)計有了很大的興趣，同時明白了許多待人接物與為人處事的道理。其次，要感謝陜西理工學(xué)院所有曾經(jīng)為我們機(jī)自專業(yè)任課的老師，老師們教會我的不僅僅是專業(yè)知識，更多的是對待學(xué)習(xí)，對待生活的態(tài)度。第三，感謝我的父母親，你們是我力量的源泉，只要有你們，不管面對什么樣的困難，我都不會害怕，謝謝你們對我的支持與鼓勵！再次，感謝在這次設(shè)計中幫助我的室友、隊友及班級好友，因為

21、有你們的幫助，我的畢業(yè)設(shè)計得以順利完成。我們之間相互探討，相互激勵，使我總能攻克困難。再我不開心時你們總會安慰我，我開心的時候總能有你們陪伴，我不會忘記，謝謝你們！最后對老師、同學(xué)、對友及家人再次致以我最衷心的感謝！教導(dǎo)過我的老師，你們的人格魅力永記我心間。身邊的同學(xué)和朋友，有你們我的大學(xué)才算完整。寢室的密友，你們的天賦猶如上天恩賜，有了你們我的生活更加精彩！我由衷的感謝在設(shè)計過程中所有提供幫助的人，我一定會拿出自己最好的設(shè)計來回報他們的。第5章 參考文獻(xiàn)1 任玉田，機(jī)床計算機(jī)數(shù)控技術(shù)，北京理工大學(xué)出版社，19992 張柱銀，數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床，化學(xué)工業(yè)出版社，20033 林宋，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，化學(xué)工業(yè)出版社，20024 張毅剛，MCS51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，20015 鄧中成，王燕，單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)，西安電子科技大學(xué)出版社，20076 全國數(shù)控培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)天津分中心編，數(shù)控機(jī)床，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19977 隋明陽，機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)，機(jī)械工業(yè)出版社，2005