數(shù)控回轉(zhuǎn)臺課程設(shè)計

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1、 目錄 1. 摘要·······················1 2. 任務(wù)與分析····················2 3. 總體方案的設(shè)計··················3 3.1機械部分的設(shè)計················4 3.1.1步進電機的選擇···············4 3.2.1蝸輪蝸桿的配合···············6 3.2.2齒輪傳動的設(shè)計···············8 3.2.3軸的校核與計算···············9 3.2.4角接觸球軸承的選擇·············10 3.2.5齒輪上鍵的選取與校核····

2、········10 3.3驅(qū)動電路的設(shè)計················10 3.4控制系統(tǒng)的設(shè)計················12 3.4.1操作控制面板的功能設(shè)計及按鈕的布局設(shè)計···12 4.總結(jié)·······················16 5.參考文獻·····················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MCS—51單片機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的性能較好，價格也還算公道，比較適

3、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MCS—51單片機的驅(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)控制的步進電機驅(qū)動電路。當然整個系統(tǒng)離不開機械系統(tǒng)的支持，所以機械部分的設(shè)計也尤為重要，此說明書主要針對步進電機，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)計以及機械部分的設(shè)計與計算等。  第2章 任務(wù)與分析 為進一步鞏固與機電一體化相關(guān)的知識，特撰寫了這本關(guān)于利用MCS—51單片機控制的數(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

4、了一系列的討論，主要包括機械部分的設(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)工作臺所能達到的功能主要包括以下幾點：1.工作臺回轉(zhuǎn)角度為：0～360；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

5、夠的實際應(yīng)用，該設(shè)備目前還未投產(chǎn)。  第3章 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. 完成最終功能的機械執(zhí)行部分（即產(chǎn)品的機械裝置） 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3-2

6、 3．1機械部分的設(shè)計 3．1．1步進電機的選擇 首先必須要明白步進電機的工作原理，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，所以步進電機常用于開環(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。 要正確地選擇步進電機，還必須清楚它的特性，主要有以下幾點：1. 步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機停止，如果加入適當?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.步進電機電機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，可以方便地對步進電機進行調(diào)整。 要根據(jù)轉(zhuǎn)矩和步矩角選擇合適的步進電機，綜上所述

7、，可選擇型號為DM39系列的步進電機，步矩角為1.2度，保持轉(zhuǎn)矩為7.6N .m，步進最高轉(zhuǎn)速為900轉(zhuǎn)/分鐘。 表3-1  3.2.1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7—80），比交錯軸斜齒輪機構(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構(gòu)；3.蝸桿傳動相當于螺旋傳動，故傳動平穩(wěn)，噪音很小；4.具有自鎖性。當蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪間的當量角時，機構(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作用；5.傳動效率

8、低，磨損較嚴重；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，且均為標準值：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)速即是步進電機的轉(zhuǎn)速，蝸輪的轉(zhuǎn)速即是回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)速。回轉(zhuǎn)工作臺的最高轉(zhuǎn)速：要求為20轉(zhuǎn)/分鐘，由于步進電機的最高轉(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

9、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.按齒面解除疲勞強度設(shè)計 根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計，再校核齒根彎曲疲勞強度。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 =T××i=2.39×0.8×45

10、=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）計算中心距

11、 （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=3°11′38″ 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=1.25×45=56.25mm (3-9) 蝸輪喉圓直

12、徑 =+2=72.25mm (3-10) 6.校核齒根彎曲疲勞強度 （3-11） 當量齒數(shù) （3-12） （3-13） （3-14） =4.29Mpa

13、 （3-15） 所以彎曲強度是滿足要求的。 3.2.2齒輪傳動的設(shè)計 由于前述所選電機可知T=2.39N.m傳動比設(shè)定為i=3，效率=0.97，工作日安排在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.按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 先按齒

14、面接觸疲勞強度進行設(shè)計，再校核齒根彎曲疲勞強度。 傳遞轉(zhuǎn)矩:=9.55×=(9.55××0.75/3000)=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×=3×22=66 （3-18） 2)模數(shù) m==32.88/22=1.49mm，取標準值 m=1.5 （3-19） 3）中心距 標準

15、中心距a=m/2(+)=60.5mm （3-20） 4）其他主要尺寸 分度圓直徑 =m=1.5×22=33 （3-21） =m=1.5×66=99 （3-22） 齒頂圓直徑 =+2m=33+3=36mm （3-23） =+2m=99+3=102mm （3-24） 齒寬 b==1×3

16、3=33mm取=40mm （3-25） 4.確定齒輪傳動精度 齒輪圓周速度v=/(60×1000)=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 采用腹板式齒輪 3.2.3軸的校核與計算 1.受力簡圖 計算出：R1=46.6N R2=26.2N 2.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

17、 (3-27) 3.2.4角接觸球軸承的選擇 由于此機構(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載，在承受徑向負荷時，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，這不是我們想要的，若是成隊雙聯(lián)安裝，使一對軸承的外圈相對，

18、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。 2.鍵的連接強度

19、 3.3驅(qū)動電路的設(shè)計 在步進電機已選擇好的情況下，再來對驅(qū)動電路進行設(shè)計，因為步進電機對驅(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電機的要求；2. 驅(qū)動電路的設(shè)計要滿足步進電機啟動頻率和連續(xù)運行的要求；3.能最大限度抑制步進電機的振蕩；4.工作可靠，抗干擾能力強，能承受一定的過載；5.成本低，效率高，安裝和維護方便。 另外，還必須知道步進電機驅(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—步進電機。在不同的機電應(yīng)用系統(tǒng)中，步進電機各部

20、分有所不同。根據(jù)課程設(shè)計的要求，選擇脈沖的產(chǎn)生和分配均由MCS—51單片機來完成的方式，輸出脈沖信號經(jīng)功率放大器放大再進入步進電機。 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

21、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)位或單片機受控復(fù)位時不吸和。低電平時，V導(dǎo)通，繼電器吸和；當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，二極管VD截止，對電路沒有影響。機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立。UCC是單片機系

22、統(tǒng)電源，UDD是供繼電器的電源。輸出部分的地線接機殼或接大地，而單片機系統(tǒng)的電源地線—數(shù)字地（浮空的）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0~9（用于輸入分度角度）、Left和Right鍵（用于左右移動光標）、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

23、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 由于單片機具有以下特點： 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

24、計算機的可靠性與抗干擾能力，另外，其體積小，對于強磁環(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。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(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。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機； 4.低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品； 5.單片機的系統(tǒng)擴展和系統(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)。由于單片機具有以上的特點，微處理器可選擇MCS-51的單片機。 MCS-51的單片機具有四個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

25、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，可驅(qū)動八個LSTTL負載，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的單片機與控制面板的鏈接設(shè)計如圖3-7 圖3-7 ，境小的ia、

26、 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，能達到這樣的效果是所有曾經(jīng)指導(dǎo)過我的老師、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，嚴謹?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，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

27、我們機自專業(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

28、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 [1] 任玉田，機床計算機數(shù)控技術(shù)，北京理工大學(xué)出版社，1999 [2] 張柱銀，數(shù)控原理與數(shù)控機床，化學(xué)工業(yè)出版社，2003 [3] 林宋，現(xiàn)代數(shù)控機床，化學(xué)工業(yè)出版社，2002 [4] 張毅剛，MCS—51單片機應(yīng)用設(shè)計，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001 [5] 鄧中成，王燕，單片機原理與應(yīng)用技術(shù)，西安電子科技大學(xué)出版社，2007 [6] 全國數(shù)控培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)天津分中心編，數(shù)控機床，北京：機械工業(yè)出版社，1997 [7] 隋明陽，機械設(shè)計基礎(chǔ)，機械工業(yè)出版社，2005