2222 Z3040搖臂鉆床主軸Z向進給系統(tǒng)改造設計

2222 Z3040搖臂鉆床主軸Z向進給系統(tǒng)改造設計,z3040,搖臂,鉆床,主軸,進給,系統(tǒng),改造,設計 大 學課 程 設 計（論 文）題 目：Z3040 搖臂鉆床主軸 Z 向進給系統(tǒng)改造設計院 （系）： 專 業(yè)： 班 級： 學生姓名： 導師姓名： 職稱： 起止時間： Z3040 搖臂鉆床主軸 Z 向進給系統(tǒng)改造設計中文摘要隨著科學與技術的發(fā)展，計算機數(shù)字控制技術的日趨成熟。加工技術在世界的工業(yè)范圍內都有了顯著的提高。我國由于存在大量的金屬切削機床，把它們全部淘汰不符合我國國情，所以對金屬切削機床進行適當?shù)臄?shù)控化改造，提高生產效率是最明智的選擇。本次設計是對臺式鉆床的工作臺進行數(shù)控化改造。首先，了解臺式鉆床的結構，確定改造方案。其次，選擇滾珠絲杠、步進電機和消隙齒輪等零件，來達到提高傳動精度，減小加工誤差的目的。第三，采用芯片控制代替原有的電氣控制形式，達到提高控制精度、減小響應時間和減小占地空間等目的，并且可視化的數(shù)控代碼編程和模擬加工過程，可以提前發(fā)現(xiàn)程序的紕漏。最后，利用 PLC 可編程控制器對液壓回路等進行控制，方便工程技術人員編寫和使用。本次設計的結果可以順利達到設計任務的要求，完成 X、Y 兩方向單獨運行和同時運行，提高了加工效率。普通機床數(shù)控化改造的技術可以廣泛的應用在機械加工行業(yè)中。工程技術人員也應掌握并創(chuàng)新該項技術為振興我國機械制造業(yè)而努力。關鍵詞：創(chuàng)新;改造;數(shù)控技術AbstractAlong with the development of science and technology, the computer numeral control to technically is gradually maturing. The processing technology shows a remarkable progress in the industrial in the world. because of existence a great deal of metal machines in our country , eliminating all of them to not match our country, to carry on an appropriate number control to turn a reformation , and raise working is the most wise choice. This design is numeral control transformation for in table model drills .Firstly, understand the structure that the set table model drills, and make sure a reformation project. Secondly, the choice in Ball bearing guide screw and step-by-step electrical engineering and gear of control gap to attain an accuracy rising, and the purpose of reducing process error. The third, it adopts a chip control to replace original electricity control form, raising control accuracy and reduce the reaction to time and reduce covering space etc. And visual number control procedure code and emulation to process which can discover the error of procedure in advance. In the end, making use of the PLC programmable controller to hydro form etc. and it makes convenient for the engineering technical personnel to write with usage. The result of this design can smoothly attain a request of design and complete X, Y two directions circulate alone and circulate in the meantime and raise working efficiency. The common tool machine number controls technique can extensively be the applied in the manufacturing industry.Engineering technical personnel should also master and enterprise techniques and make great effort for developing for our country in manufacturing industry.Key word: Innovation; Transformation; NC Technology目 錄第一章 緒論 ...............................................................11.1 先進制造技術的提出與發(fā)展 ............................................11.2 我國數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀 ................................................11.3 數(shù)控機床的優(yōu)缺點 ....................................................11.4 本論文研究的內容及目的 ..............................................2第二章 機械部分設計與計算 .................................................32.1 確定尺寸及估計重量 ..................................................32.2 縱向（Z 向）設計計算 ................................................182.2.1 滾珠絲杠設計計算................................................182.2.2 傳動齒輪的相關計算..............................................212.2.3 轉動慣量計算及其步進電機的選擇..................................222.2.4 齒輪的驗算......................................................25第三章 軸的設計與校核 ....................................................343.1 軸的材料選擇 .......................................................343.2 初選滾動軸承 .......................................................343.3 初步確定傳動軸的軸向、徑向尺寸 .....................................343.4 按彎扭合成強度校核軸的強度 .........................................34第四章 零件校核計算 ......................................................394.1 滾動軸承的支反力計算 ...............................................394.2 滾動軸承的壽命校核 .................................................394.3 鍵的強度校核 .......................................................39第五章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計 ............................................415.1 單片機簡介 .........................................................415.2 單片機在設計中的應用 ...............................................43結論 .....................................................................47致謝語 ...................................................................48參考文獻 .................................................................49Z3040 搖臂鉆床主軸 Z 向進給系統(tǒng)改造設計摘要 隨著科學技術的發(fā)展，計算機數(shù)字控制技術的日趨成熟，加工技術在世界的工業(yè)范圍內都有了顯著的提高。我國由于存在大量的金屬切削機床，把它們全部淘汰不符合我國國情，所以對金屬切削機床進行適當?shù)臄?shù)控化改造是最明智的選擇。本次設計是對臺式鉆床的工作臺進行數(shù)控化改造。首先，了解臺式鉆床的結構，確定改造方案。其次，選擇滾珠絲杠、步進電機和消隙齒輪等零件，達到提高傳動精度，減小加工誤差的目的。第三，采用芯片控制代替原有的電氣控制形式，從而達到提高控制精度、減少響應時間和減小占地空間等目的，并且可視化的數(shù)控代碼編程和模擬加工過程可以提前發(fā)現(xiàn)程序的紕漏。最后，利用單片機對液壓回路等進行控制，方便工程技術人員編寫和使用。本次設計的結果可以順利達到設計任務的要求，提高加工效率。普通機床數(shù)控化改造的技術可以廣泛的應用在機械加工行業(yè)中，工程技術人員也應掌握并創(chuàng)新該項技術為振興我國機械制造業(yè)而努力。關鍵字：經濟性數(shù)控鉆床 滾珠絲杠 滾動軸承第 1 頁 共 50 頁第一章 緒論1.1 先進制造技術的提出與發(fā)展1949 年，在美國麻省理工學院伺服機構研究室的協(xié)助下開始數(shù)控機床研究，并于 1952 年試制成功第一臺由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標數(shù)控銑床，不久即開始正式生產。從 1952 年至今，數(shù)控機床按數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經歷了五代：第一代 1955 年，數(shù)控系統(tǒng)以電子管組成，體積大，功耗大；第二代 1959 年，數(shù)控系統(tǒng)以晶體管組成，廣泛采用印刷電路板；第三代 1965 年，數(shù)控系統(tǒng)采用小規(guī)模集成電路，其特點是體積小，功耗低，可靠性有了提高；　　第四代 1970 年，數(shù)控系統(tǒng)采用小型計算機取代專用計算機，其部分功能由軟件實現(xiàn)，首次出現(xiàn)在1970 年美國芝加哥國際機床展覽會上，具有價格低，可靠性高和功能多等特點；　　第五代 1974 年，數(shù)控系統(tǒng)以微處理器為核心，不僅價格進一步降低，體積進一步縮小，使實現(xiàn)真正意義上機電一體化成為可能?，F(xiàn)在市場上數(shù)控系統(tǒng)都是以微處理器為核心系統(tǒng)，但數(shù)控系統(tǒng)的性能隨著 CPU 的不斷升級而不斷提高，這一代又可細分為六個發(fā)展階段。1974 年 系統(tǒng)以位片微處理器為核心，有字符顯示、自診斷功能，1979 年 系統(tǒng)采用 CRT 顯示、VLIC、大容量磁泡存儲器、可編程接口和遙控接口等，1981 年 具有人機對話功能、動態(tài)圖形顯示、實時精度補償，1986 年 數(shù)字伺服控制誕生，大慣量的交直流電機進入實用階段，1988 年 采用高性能的 32 位機作為主機的主從結構系統(tǒng)，1994 年 基于 PC 的 NC 系統(tǒng)誕生，使 NC 系統(tǒng)的研究開發(fā)進入了開放型、柔性化的新時代， 新型 NC 系統(tǒng)的開發(fā)周期日益縮短?？梢哉f它是數(shù)控技術發(fā)展的又一個里程碑。1.2 我國數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀我國數(shù)控機床的發(fā)展起步較早，從1958年開始研制，已經歷了40年的發(fā)展歷程。但到1978年底，數(shù)控機床的發(fā)展幾經周折，走了不少彎路，當年數(shù)控機床的產量僅223臺。1979年開始的改革開放，為我國的機械工業(yè)開辟了新時期，數(shù)控機床的發(fā)展也進入了一個嶄新的階段。我國近幾年數(shù)控機床發(fā)展迅速，一大批性能較好，價格適宜的產品受到了用戶的歡迎，但與工業(yè)發(fā)達國家仍存在階段性的差距。就總體來說，我國數(shù)控機床的構成比較落后，以普通精度加工為主的車床、鉆床所占比重大，以高精度加工為主的磨床、自動化和高效率的加工中心所占比重小。國產的經濟型、低價位的數(shù)控機床比重大，其性能和加工效率與國外先進水平差距較大，中檔以上的產品競爭力較低。裝備各行業(yè)所需的數(shù)控機床，主要依靠進口，國產數(shù)控機床的市場占有率不高。1.3 數(shù)控機床的優(yōu)缺點數(shù)控機床較好地解決了復雜、精密、小批、多變的零件加工問題，是一種靈活的、高效能的自動化機床，尤其對于約占機械加工總量80%的單件、小批量零件的加工，更顯示出其特有的靈活性。概括起來，采用數(shù)控機床有以下幾方面的優(yōu)點：第一 提高加工精度，結構上引入滾珠絲桿、采用軟件精度補償技術、加工全程由程序控制加 工，減少人為因素對加工精度的影響，尤其提高了同批零件加工的一致性，使產品質量穩(wěn)定；第二 提高生產效率，一般約提高效率3-5倍，使用數(shù)控加工中心機床則可提高生產率5-10倍， 第 2 頁 共 50 頁節(jié)約時間與資金；第三 可加工形狀復雜的零件，如螺旋漿；第四 減輕了勞動強度，改善了勞動條件；第五 有利于生產管理和機械加工綜合自動化的發(fā)展。但是數(shù)控機床也存在著以下缺點：第一 由于費用高昂，加工大批量零件不利；第二 操作人員要求素質高，工資成本高；第三 系統(tǒng)復雜，修理復雜，維護費用高，需要好的工作環(huán)境。1.4 本論文研究的內容及目的本次設計是對臺式鉆床的工作臺進行數(shù)控化改造。首先，了解臺式鉆床的結構，確定改造方案；其次，選擇滾珠絲杠、步進電機和消隙齒輪等零件，來達到提高傳動精度，減小加工誤差的目的；第三，采用芯片控制代替原有的電氣控制形式，達到提高控制精度、減小響應時間和減小占地空間等目的，并且可視化的數(shù)控代碼編程和模擬加工過程，可以提前發(fā)現(xiàn)程序的紕漏；最后，利用單片機對液壓回路等進行控制，方便工程技術人員編寫和使用。本次設計的結果可以順利達到設計任務的要求，完成 Z、Y 兩方向單獨運行和同時運行，提高了加工效率。第 3 頁 共 33 頁第二章 機械部分設計與計算2.1 確定尺寸及估計重量根據(jù)鉆床工作臺的尺寸初步確定：Y 軸方向移動的工作臺尺寸重量約為 200N，Z 軸方向移動的工作臺尺寸重量約為 150N，ZY 工作臺總重量（包括夾具及工件）不超過 450N。2.2 縱向（Z 向）設計計算 2.3.1 滾珠絲杠設計計算1)強度計算對于燕尾型導軌的牽引力計算F =KF +f,(F +2F +G)mXZY取 K=1.4，f ,=0.2考慮工作臺在移動過程中只受 G 影響故 F =fG1=0.2×200=40(N)考慮工作臺在加工時靜止只受 FZ影響故 F = KF2mX=1.4× 500.4=700.56 (N)取 F = Fmax22) 計算最大動載荷 C初選螺母副導程 L 0=6mm絲杠的轉速 n=100r/minL= 610nT由機床設計手冊取 T=15000 hL= 6= 105?=90考慮滾珠絲杠在運轉過程中有沖擊振動和考慮滾珠絲杠的硬度對壽命的影響。由機床設計手冊取 f =1.2，f =1.0WHQ= f f F3LWH第 4 頁 共 50 頁= ×1.2×1×877.82390=4.72 (KN)查看機床設計手冊選取 W2506 型滾珠絲杠（Ca=13.1KN > Q） ，剛度足夠。3)效率計算根據(jù)《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率 η 為η= )tan(??v摩擦角 Φ=10′ 螺旋角 γ=4°22′η= )tan(??v= )0124t(??=0.963滾珠絲杠的傳動效率高，這可使絲杠副的溫度變化較小，對減小熱變形，提高剛度、強度都起了很大作用。4)剛度驗算滾珠絲杠受工作載荷 Fm 引起的導程變化量△L1=± ZFLm0L =6 mm=0.6 cm 0E=21×10 N/cm 26F= 2π（d= 9.=3.46(cm )2△L1=± ZFLm0=± 46.31257?=±5.78×10?滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量△L2 很小，可忽略，即△L=△L1 所以導程變形總誤差△為第 5 頁 共 33 頁△= 01L?= 6.785??=9.64(μm/m)由機床設計手冊知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差（1m 長）為 15 μm/m ，故剛度足夠。5)穩(wěn)定驗算機床的進給絲杠通常是軸向力的壓桿，若軸向力過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產生彎曲，依據(jù)《材料力學》中的歐拉公式計算F =K2)(LZJ??式中截面慣性矩，對實心圓柱 J= 641d= 98.20.3?=0.95 (N·cm)F = K2)(LZJ??= 26)10(95.?=1972613.719 N[n ]=2.4～4Kn = mF= 56.701923=2815.77 > [n ] K所以滾珠絲杠安全不至失穩(wěn)。6) 滾珠絲杠副主要尺寸列表，見表 3.2主要尺寸 計算公式 計算結果公稱直徑 d0 —— 25第 6 頁 共 50 頁基本導程 L0 —— 6滾珠直徑 d3 —— 3.969滾珠圓弧半徑 R —— 2.064螺旋升角 γ —— 4°22′滾道圓弧偏心距 e —— 0.056絲杠大徑 d —— ——絲杠小徑 d1 d1=d0+2e-2R 20.984絲杠長度 S S〈700 ——螺母大徑 D —— 45螺母小徑 D0 —— ——螺母長度 —— 58（2 列）表 3.2 滾珠絲杠副主要尺寸列表2.3.2 傳動齒輪的相關計算1)傳動比的計算i =tPL??360= 5.7?=2.52)初步分配傳動比按獲得最小轉動慣量的原則分配傳動比i =21i =i it1得 i =1.52，i =1.6423)初步估計齒輪模數(shù) m=1.25小齒輪 Z =27 1大齒輪 Z =i Z12=1.52 27?=41b =17mm，b =20mm12d =mZ1第 7 頁 共 33 頁=1.25 27?=33.75mmd = mZ2=1.25 41=51.25(mm)a =12?= 5.7.3=42.5(mm)小齒輪 Z =30 3大齒輪 Z 4 = i Z2=1.64 30?=49b =26mm b =28mm34d = mZ3=1.25 30?=37.5(mm)d = mZ4=1.25 49=61.25(mm) a =243?= 5.61.7=49.375(mm)42.3.3 轉動慣量計算及其步進電機的選擇工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量J =( )2·G1???80=( )2×2005.?　=29.18 (N·cm2)絲杠的轉動慣量 J s=7.84 10 P L4?=7.8×10-4×24×48=5.9904(N·cm2)齒輪的轉動慣量 J =7.84 10 P L1Z??第 8 頁 共 50 頁=7.8×10-4×(3.775)4×1.7=1.72(N·cm2)J =7.84 10 P L2Z?4?=7.8×10-4×(5.125)4×2=1.076(N·cm2)J =7.84 10 P L3Z4?=7.8×10-4×(3.75)4×2.6=4(N·cm2)J =7.84 10 P L4Z?4?=7.8×10-4×(6.125)4×2.8=30.738(N·cm2)總傳動慣量J= + +J +J214iJZS?213iJZ1= + +1.72+29.1826.5.70?25.760?所需轉動力矩: =44.396 (N·cm 2)1)快速空載時所需的力矩 M=M +M +Mmaxf0當 n=n 時 M =Man =ax0Liv= 6251?=416.67(r/min)M =max40.9?TJn= 4125.6718??=0.5 (N·cm2)M =fiwL??0?= 5.2861.?=1.53(N·cm)當 η=0.9 時 預加載荷 P = ，則03XF第 9 頁 共 33 頁M =0iLFX??6120）（ ?= 5.289.57?（（=2.118 (N·cm)M =tiLFX??0= 5.286.7?=33.45 (N·cm2)2) 快速啟動時所需力矩 M=M +M +Mmaxf0=0.5+1.53+2.118=4.148 (N·cm)3) 切削時所需力矩 M=M +M +M +Matf0t=0+0+2.118+33.45=35.568 (N·cm)由上分析計算可知所需最大力矩 M 發(fā)生切削啟動時 M=M =35.568 N·cmmaxmaxM =q4.0ax= .5683=88.92 (N·cm)為滿足最小步進距要求，電動機選用三相三拍工作方式查機械設計手冊得 =0.886jMqM =j86.0q=102.68( N·cm)步進電動機的最高頻率 f =maxpv?第 10 頁 共 50 頁= 05.61?=3333.33 (HZ)選用 110BF003 型直流步進電機，能滿足使用要求。2.3.4 齒輪的驗算1)材料的選擇由機械設計表選擇小齒輪材料為 40Cr（調質） ，硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45 鋼（調質） ，硬度為 240HBS。2)第一對齒輪按齒面接觸強度設計設計計算公式為d t121][)(32.HdEtiZTK????(1)確定公式內的各計算值①試選擇載荷系數(shù) K =1.3t②小齒輪傳遞的轉矩 T=8000N·m③由機床設計手冊選出齒寬系數(shù) =0.5d?④查得材料的彈性影響系數(shù) Z =189MPaE⑤按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度=600MPa 大齒輪的接觸疲勞強度極限1limH?=550MPa 小齒輪的接觸疲勞強度極限2⑥計算應力循環(huán)次數(shù)N =60n j h1=60 833 1 （2 8 300 15）??=3.6 109N =21i=60 833 1 （2 8 300 15）??=2.368 109⑦由機床設計手冊查得接觸疲勞壽命系數(shù) K =0.92，K =0.961HN2HN⑧計算接觸疲勞許用應力取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，得[ ] =H?1SHN1lim1= 6092.?=552(MPa) 第 11 頁 共 33 頁[ ] =H?2SKHN2lim2= 15096.?=528( MPa)(2)計算①試算小齒輪分度園直徑 d 帶入[ ] 中較小的值tH?d t1 21])([32.HdEtiZTK???=2.32?2)58(.0.198.??=38.18(mm)②計算圓周速度 vv= 106?ndt?= 83.=1.665(m/s)③計算齒寬 b= td1?=0.5 38.18?=19.09(mm)④計算齒寬與齒高之比 b/h模數(shù) m =t1Zdt=1.414(mm)齒高 h=2.25m t=2.5 1.414?=3.18(mm)=hb735.0916?⑤計算載荷系數(shù)根據(jù) v=1.665m/s，7 級精度，查得動載系數(shù) K =1.1，為直齒輪，假設 〈100N/mm，查v bFKtA第 12 頁 共 50 頁機械設計手冊得 K = K =1.2，使用系數(shù) K =1。由機床設計手冊得 7 級精度小齒輪相對支承懸?HFA臂布置時K =1.12+0.18 （1+0.7 ） +0.23 10 b??2d??2d3??=1.24由 =5.1 ，K =1.24 查機械設計手冊得， K =1.28hb?H?F故載荷系數(shù)K=K K KA?H?=1 1.1 1.2 1.24?=1.6368⑥按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度園直徑，由下式得d =d1t3tK=38.18?3.168=41.23(mm)⑦計算模數(shù) mm= 1Zd= 273.4=1.527(mm)3)第一對齒輪按齒根彎曲強度設計得彎曲強度的設計公式m 31][2FdSaZYKT???(1)確定公式內的各計算值①由機床設計手冊查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 =500MPa,大齒輪的彎曲疲勞強度極限 1FZ=380MPa2FZ?②查得彎曲疲勞壽命系數(shù) K =0.8，K =0.871FN2FN③計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞完全系數(shù) S=1.4[ ]=1F?SFZN1第 13 頁 共 33 頁= 4.15086?=307.14(MPa)[ ]=2F?SKFZN2= 4.13807?=236.14(MPa)④計算載荷系數(shù)K=K K K KAV?FR=1 1.1 1.2 1.28?=1.6896⑤查取齒形系數(shù)由機床設計手冊查得 Y =2.57，Y =2.391Fa2Fa⑥查取應力校正系數(shù)由機床設計手冊查得 Y =1.6，Y =1.6721S2S⑦計算大，小齒輪的 并加以比較][Fa?=1][Fa4.307652?=0.0134=2][FSaY?4.3629=0.0169故大齒輪數(shù)值大。(2)設計計算m 31][2FdSaZYKT???=32)7(5.0169.869?=1.078對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，可取由彎曲強度算得的模數(shù) 1.078〈m ，m=1.25，齒輪強度適合。4）第二對齒輪按齒面接觸強度設計第 14 頁 共 50 頁由設計計算公式d t1 21])([32.HdEtiZTK????(1)確定公式內的各計算值①試選擇載荷系數(shù) K =1.3t②小齒輪傳遞的轉矩 T =i =13120(N·m)12③由機床設計手冊選出齒寬系數(shù) =0.7d?④查得材料的彈性影響系數(shù) Z =189MPaE⑤按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度=600MPa 大齒輪的接觸疲勞強度極限1limH?=550MPa 小齒輪的接觸疲勞強度極限2⑥計算應力循環(huán)次數(shù)N =60n jh31=60 457.69 1 （2 8 300 15）??=1.977 109N =423i= 6.10979?=1.2 109⑦由機床設計手冊查得接觸疲勞壽命系數(shù) K =0.95，K =0.993HN4N⑧計算接觸疲勞許用應力取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，得[ ] =H?3SHN3lim= 16095.?=570(MPa) [ ] =H?4SKHN4lim= 1509.?=544.5( MPa)(2)計算①試算小齒輪分度園直徑 d ，帶入[ ] 中較小的值tH?第 15 頁 共 33 頁d t3231][)(2.HdEtiZTK????=2.32?2)5.4(6.70819.??=39.04(mm)②計算圓周速度 vv= 1062?ndt?= 69.457.3=0.94(m/s)③計算齒寬 b= td1?=0.7 39.04?=27.328(mm)④計算齒寬與齒高之比 b/h模數(shù) m =t3Zdt= 04.9=1.3(mm)齒高 h=2.25m t=2.5 1.414?=3.18(mm)=hb925.3879.34?⑤計算載荷系數(shù)根據(jù) v=0.94m/s，7 級精度，得動載系數(shù) K =1.06，為直齒輪，假設 〈100N/mm，得 K = Kv bFKtA?H=1.2?F，使用系數(shù) K =1，7 級精度小齒輪相對支承懸臂布置時AK =1.12+0.18 （1+0.7 ） +0.23 10 b?H?2d??2d3??=1.12+0.18 （1+0.7 0.7 ） 0.7 +0.23 10 27.328第 16 頁 共 50 頁=1.24由 =9.34 ，K =1.24 由機床設計手冊得 K =1.23hb?H?F故載荷系數(shù) K=K K K KAv?H?=1 1.06 1.2 1.24?=1.57728⑦按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度園直徑，由下式得d =d3ttK=39.04?306.15728=41.64(mm)⑧計算模數(shù) mm= 3Zd= 064.1=1.388(mm)5)按齒根彎曲強度設計彎曲強度的設計公式為m 32][FdSaZYKT???(1)確定公式內的各計算值①由機床設計手冊查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 =500MPa,大齒輪的彎曲疲勞強度極限 3Z=380MPa4FZ?②由機床設計手冊查得彎曲疲勞壽命系數(shù) K =0.8，K =0.873FH4FN③計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞完全系數(shù) S=1.4[ ] =F?3SFZN3= 4.1508?=300(MPa)[ ] =F?4SKFZN4第 17 頁 共 33 頁= 4.13806?=233.43(MPa)④計算載荷系數(shù)K=K K K KAV?F?=1 1.06 1.2 1.23?=1.56456⑤查取齒形系數(shù)由機床設計手冊查得 Y =2.57，Y =2.391Fa2Fa⑥查取應力校正系數(shù)由機床設計手冊查得 Y =1.625，Y =1.6963S4S⑦計算大，小齒輪的 并加以比較][Fa?=3][Fa?0625.1?=0.0136=4][FSaY.2691=0.0169故大齒輪數(shù)值大。(2)設計計算m 31][2FdSaZYKT???=32)30(5.169.4?=0.92對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，可取由彎曲強度算得的模數(shù) 0.92〈m ，m=1.25，故齒輪強度適合。第 18 頁 共 50 頁第三章 軸的設計與校核3.1 軸的材料選擇選用 45 號鋼調質處理初步估計軸端直徑d≥A 03np=3][2.T?=35.01?=12.33 (mm)3.2 初選滾動軸承傳動采用的是直齒輪，因其基本不受軸向力影響故采用深溝球軸承 6203。3.3 初步確定傳動軸的軸向、徑向尺寸(1)考慮到初步估計的直徑與軸承內圈的通用性的要求由軸承產品目錄中初步選取，基本游隙組、標準精度級的深溝球軸承 6203，故此段軸徑 d=17mm。(2)由于齒輪段與軸承段為非配合表面和考慮到同軸安裝的小齒輪 Z 不宜制作成齒輪軸，要保3證 d >2d,故取此段軸徑 d=19mm，另一端同。a(3)齒輪段右端設計為軸環(huán)與齒輪段為配合表面 d =d+(3 ～4)×C 圓整為 d=24mm。11(4)軸環(huán)的寬度為 b≥1.4h，取軸環(huán)寬 b=6.3mm。(5)齒輪段考慮到套筒要能準確實現(xiàn)軸向定位，故軸寬要比齒輪的寬度小一些故設計為 Z 段，2取 b=19mm,Z 段取 b=24mm。3(6)考慮到齒輪距箱體內壁之間有一定距離，考慮到軸承的潤滑方式的影響，取 Z 的軸承段的3距離 l=30.5mm。(7)確定軸上圓角和倒角尺寸。取軸端倒角為 0.8×45°，各軸肩處的圓角半徑見后圖。3.4 按彎扭合成強度校核軸的強度確定軸支撐跨距 L=99mm。(1)繪制軸受力簡圖，見圖 3.1第 19 頁 共 33 頁圖 a 軸簡圖FrtFtrnAB圖 b 受力簡圖FRAVFr2RBVr3圖 c 水平受力 M'BVA圖 d 水平彎矩圖 Fr3FRAV FRAVr3B圖 e 垂直受力圖MAH'BHM圖 f 垂直彎矩圖第 20 頁 共 50 頁ATB圖 g 扭矩圖圖 3.1 軸受力彎矩圖由力矩平衡條件確定齒輪受力 F =2tdT= 5.130?=512（N）F =3t2dT= 5.710?=699.73（N）F = F tanα2rt=512×tan20°=186.35（N）F =F tanα3rt=699.78×tan20 °=254.68 （N）(2)繪制垂直彎矩圖，見圖 4.1F × l -F ×l +F ×l =0RAV13r2r3F =?1ll??= 95..86.06.54=93.35 (N)F = F + F - F =25.02 (N)RBVA2r3截面 A 左側彎矩 M =F RBVl?=93.35 2.8=1782.985 （N）第 21 頁 共 33 頁截面 B 右側彎矩 M =FBVR23l?=25.02 5.=419.085 （N）截面 B 左側彎矩 M =F - FBVRA2l?3r1l=93.35 -254.688.6029?=-1807.1755 (N·mm)(3)繪制水平面彎矩圖，見圖 3.1 F l - F l - F l =0RAH?13t2t3F =?123ltt?= 95.8.607.?=602.99 (N)F = F + F - FRBH3t2tRAH=699.73+512-602.99=608.74 (N)截面 A 左側彎矩 M =FAHR2L?=602.99 .38=11517.109（N·mm）截面 B 右側彎矩 M =-FBHR23l?=-608.74 5.=-10196.345（N·mm）截面 B 左側彎矩 M = F -F1BHRA2l?3t1l=602.99 -699.735.62.7?=10196.68（N·mm）(4)繪制合成彎矩圖，見圖 3.1 M =A2AHV?第 22 頁 共 50 頁= 22109.5798.17?=11654.305 （N·mm）M =B2BHV= ??2345.109685.49??=10205（N·mm）M =1B2BHV= ??268.10975.80??=10205（N·mm）(5)繪制轉矩圖，見圖 3.1 T =13120（N·mm）2第 23 頁 共 33 頁第四章 零件校核計算4.1 滾動軸承的支反力計算F =RA2RAVH?= 35.9.60=609.25（N·mm）F =RB2RBHV?= 74.608.5=609.25（N·mm）4.2 滾動軸承的壽命校核根據(jù)軸承壽命計算公式為L = （ ）hn1670rPC?(1)查機械零件手冊 6203 軸承所具有的徑向基本額定動載荷 C =7500Nr(2)由結構設計上保證 P = F ，P = F ，取 P = P =609.25 N1rRA2rRBr2(3)對于球軸承 ε=3(4)轉速 n=457.69r/minL = （ ）h69.45710?25.3=67945.6(h)L >30000hh故軸承合適。4.3 鍵的強度校核由機械設計可知鍵的強度校核公式為σ =pkldT3102?式中的參數(shù)為1) T=13120 (N·mm)=13.12 (N·m)2) k=0.5h第 24 頁 共 50 頁=0.5 8?=43) l =L-b1=20-10=10l =L-b2=16-10=64) d=38mm故取 l= l 因為齒輪 3 的鍵能滿足條件齒輪 2 道的鍵亦滿足2σ= 386410?=28.77 (MPa)≤[σ ]=110(MPa)p故鍵的強度合適。第 25 頁 共 33 頁第五章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計5.1 單片機簡介1)8155，由以下三個部分組成：(1)數(shù)據(jù)存儲器：該部分是容量為 256B 的 SRAM。(2)并行 I/O 端口：可編程的 8 位 I/O 口 PA -PA ,可編程的 8 位 I/O 口 PB - PB 和可編程的70 706 位 I/O 口 PC -PC 還允許寫入 8 位命令寄存器和只允許讀出的 8 位狀態(tài)寄存器。50(3)定時器、計數(shù)器：14 位的二進制減法器、定時器。它采用 40 線雙列直插式封根。AD -AD7為三態(tài)地址數(shù)據(jù)線。可以直接與 MCS-51 系列單片機的 P 連接。地址鎖存允許（ALE）信號的下降0 0沿 8 位地址鎖存在內部地址寄存器中，該地址可以作為存儲器部分的低 8 位地址，也可以是 I/O 接口通道的地址，這將由輸入的 IO/ 信號的狀態(tài)來決定的。在 AD -AD 引腳上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)是寫入M70還是讀出 8155，有系統(tǒng)控制信號 和 來決定的。RESET 是 8155 的重復信號的輸入端。復位WRD后三個 I/O 總是被置成輸入工作方式。ALE 為地址鎖存允許信號輸入端。該控制信號由單片機發(fā)出，其下降沿將 AD -AD 線的地址，片選信號 以及 IO/ 信號鎖存 8155 片內鎖存器。 是片選70CECE信號，低電平有效。IO/ 為 I/O 和 SRAM 選擇信號。當 IO/ =1 時，選擇 I/O 口；當 IO/ =0MM時選擇 SRAM。 是寫選通信號，低電平有效；將 AD -AD 上的數(shù)據(jù)寫入 SRAM 的莫一單元，或寫R70入某一 I/O。 為讀選信號，低電平有效時候、 ，將 8155-SRAM 某單元的內容讀至數(shù)據(jù)總線或將DI/O 的內容讀至數(shù)據(jù)總線。AD -AD 為 A 口。8 根通用 I/O 端線口。數(shù)據(jù)的輸入或輸出的方向由可70編程的命令寄存器的內容決定。PB - PB 為 B 通用的 I/O 的端口線數(shù)據(jù)的輸入或輸出的方向由可編程程序命令寄存器的內容決定。PC -PC 為 C 口。6 根線既有通用 I/O 口功能，有具有對端口 A5和 B 起某種控制功能。各種功能的實現(xiàn)均由可編程序的命令寄存器的內容決定。TIMER IN 定時器時鐘輸入端。TIMER OUT 定時器/計數(shù)器輸出端，其輸出信號是矩形還是脈沖數(shù)輸出單個信號還是連續(xù)信號，則由定時器/計數(shù)器的工作方式決定。8155 應用于鍵盤接口電路和顯示接口電路。2)8031：包含一個 8 位 CPU，128 字節(jié)的 RAM，兩個 16 位的定時器，四個 8 位并行口，一個全雙功能串行口，可擴展的外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量含 64K 字節(jié)，具有 5 個中斷源并配有兩個優(yōu)先級，還有 21 個特殊功能寄存器。他是一個有 40 根引腳的雙列直插式器件。V 編程和正常操作的電源電壓端，電壓為+5V；V 地電平。c sP 口：8 位雙向 I/O 口，既是數(shù)據(jù)線，又是低 8 位地址線，分時使用。0P 口：8 位雙向 I/O 口，可供用戶使用的接口。1P 口：8 位雙向 I/O 口，系統(tǒng)外部存儲器擴展時，作高 8 位地址線使用，系統(tǒng)擴展時，也可供2用戶使用。P 口：8 位雙向 I/O 口，是一個雙功能口；第一個功能和 P 一樣可以作為通用 I/O 口，工作3 1于 第二功能時，各端口定義如下P -RZD，串行輸入； P -TZD，串行輸出；0. 1.3第 26 頁 共 50 頁P - ,外部中斷輸入； P - ，外部中斷輸入；2.3INTO3.1INTP -T ，定時器 O 外輸入端； P -T ，定時器 1 外輸入端；40 5P - ,寫信號； P - ,讀信號；6.WR7.RDALE/PROG:訪問外部存儲器時， ，用于鎖定地址低 8 位字節(jié)的地址鎖存允許輸出。ALE 提供一個定時信號，在與外部存儲器存取數(shù)據(jù)時，把 P 口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中。PSEN：程序0存儲器允許輸出，是外部程序存儲器的讀選信號。 /V : 為高電平時，CPU 執(zhí)行程序內部程EAd序存儲器的指令。 為低電平時 CPU 執(zhí)行外部程序存儲器指令。使用 8031 單片機 必須接地。EA EAZTAL1：振蕩器的反相放大器輸入，使用外部時必須接地；ZTAL2：振蕩器的反相放大器輸出，使用外部振蕩器時，接受外部震蕩信號；R /VDP：復位控制，在震蕩運行時，使 RST 引腳至少保持；ST兩個機器周期為高電平時，可實現(xiàn)復位操作。VPD 引腳是掉電電路輸入口。3)6234：數(shù)據(jù)存儲器，容量為 8K 字節(jié)。A -A :地址輸入線，共 13 根；012IO -IO :三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，共 8 根 ；7、 :片選信號端，選通時 是低電平， 是高電平；CE1CE2:選通信號輸入線，低電平有效；O:寫選通信號輸入線，低電平有效；WV ： +5V 電源；cGND 地電平；（CS）：高電平有效，可用于掉電保護。2CE4)2764：程序存儲器 容量為 8KB。A -A ：地址輸入線，共 13 根；01D -D : 數(shù)據(jù)輸出線，共 8 根；7：片選線，低電平有效；：數(shù)據(jù)輸出選通線，低電平有效；OE:編程脈沖輸入線；PGMV ：編程電源。p進行片內存儲單元的選擇，先把 A -A 引腳與地址鎖存器 8 位地址對應連接，剩下的高位地址70A -A 與 P 口的 P -P 相連。這樣 2764 芯片內存儲單元的選擇問題就解決了。12824.0.25)74LS373：地址鎖存器單片機規(guī)定 P 口提供低 8 位地址線。同時又要作為數(shù)據(jù)線，所以 P是一個分時輸出低 8 位地址和數(shù)據(jù)通道。為了把地址信息分離出來保存， ，提供外接存儲器的低 80位地址信息，Q -Q 是輸出端，CE 是片選端，選通端 G 與 8031 單片機的地址鎖存信號 ALE 連接， 1當選通端 G=1 時，74L S373 的輸出端與輸入端相通，當 G 端從高電平返回低電平時，輸入信息就p被鎖存入 Q -Q 中。86)74SL138 3-8 譯碼器即對三個輸入信號進行譯碼，得到 8 個輸出狀態(tài)；G、 和 為使A2BG能端或譯碼允許端，當 G =1 時， = =0 時，該譯碼器可以譯碼，CBA 為譯碼選擇端，即譯1A2B碼信號輸入。 - 為譯碼輸出信號，低電平有效。輸入端占用 8031 單片機的 P -P 三根高位0Y7 5.7.地址線，剩余 13 根地址線用作數(shù)據(jù)存儲器的內地址線。74LS138 每一個輸出端可接一個外部芯片的片選端實現(xiàn)分時片選控制，因此一個 74LS138 的 8 根輸出端可以連接 8 個 8K 字節(jié)地址空間。第 27 頁 共 33 頁7)8255：是可編程通用并行接口芯片，具有 40 個引腳，雙列直插封裝，由+5V 供電，ABC 三個口線共 24 根，與外設相連，而 8 位的數(shù)據(jù)線 D - D 與 P 口連接，是雙向三態(tài)，在內部經數(shù)據(jù)總070線緩沖電路后和各組控制寄存器及個端口數(shù)據(jù)寄存器連接。為片選信號，由地址譯碼器產生，低電平有效。地址信號 A 、A 由 8255 內部譯碼生成四CS 10個口地址分別對應 A、B、C 三個獨立的數(shù)據(jù)端口及一個公共控制端口。兩個低電平有效的信號和 決定了 CPU;當 =0 時，由 CPU 寫入 8255.RESET 為復位信號，高電平有效。復位后，RDWR控制存儲器的內容被撤除，A、B、C 三個端口全置成輸入方式且鎖存器也全清零。方式選擇開關通過接口芯片 8255 與 8031 單片機連接，選擇開關動片接地，選擇開關的固定片接到并行 PA 口，將 PA 口設置成輸入方式 PA 的 8 個接口經上拉電阻接+5V，故為高電平。若某個接口被選中，則被選中的接口經動片接地變?yōu)榈碗娖健?.2 單片機在設計中的應用1)方式選擇開關方式選擇開關是一單刀 6 擲的波段開關，提供選擇的方式有編輯、空運行、自動、手動、通信和單段，總共 6 種功能。方式選擇開關通過接口芯片 8255 與 8031 單片機連接，如圖[3]所示.選擇開關動片接地,選擇開關的動定片接到并行 PC 口，將 PC 口設為輸入方式。PC 的 6 個接口經上位電阻接+5V，故為高電平。若莫個接口被選中，則被選中的接口經動片接地，變?yōu)榈推?。圖 5.1 控制面板方式選擇開關控制電路第 28 頁 共 50 頁2)鍵盤接口設計鍵盤和顯示器是數(shù)控系統(tǒng)經常用的人機對話的外圍設備，鍵盤可以完成程序數(shù)據(jù)的輸入，顯示器顯示計算機運行時的狀態(tài)數(shù)據(jù)。鍵盤和顯示器接口電路使用 8155 接口芯片，鍵盤接口電路 8155 和 8031 可以直接連接。因電路中的 8155 只作為并行接口使用，不使用內部存儲器，故 IO/M 引腳直接經電阻 R 接高電平。8155與鍵盤的連接如圖[4]鍵盤排成 5 行 8 列矩陣，共 40 個鍵。PC0～PC4 是 5 根行線，PB0～PB7 是 8根列線，在列線與行線的交叉點上安裝有按鍵 PB 口的 8 根列線按一定時間隔輪流輸出低電平。當掃描到莫一列線上時，若無按鍵按下，則行線都是高電平；若有一鍵按下時，交叉點上對應的行線變?yōu)榈碗娖?。這個低電平信號被計算機捕獲后，根據(jù)此鍵對應的行線和列線的位置，計算機可以判斷鍵值，完成一次輸入掃描工作。圖 5.2 鍵盤電路3)光電耦合電路在步進電機驅動電路中，脈沖信號經功率放大器后控制步進電機勵磁繞組。由于步進電機需要的驅動電壓較高，電流較大，如果將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會引起強電干擾。輕則影響計算機程序的正常工作，重則導致計算機和接口電路損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要接上隔離電路