數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)課程設(shè)計(jì)

1、目錄1. 摘要·······················12. 任務(wù)與分析····················23. 總體方案的設(shè)計(jì)··

2、83;···············33.1機(jī)械部分的設(shè)計(jì)················43.1.1步進(jìn)電機(jī)的選擇··············

3、83;43.2.1蝸輪蝸桿的配合···············63.2.2齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)···············83.2.3軸的校核與計(jì)算·············

4、··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(dòng)電路的設(shè)計(jì)···············

5、3;103.4控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)················123.4.1操作控制面板的功能設(shè)計(jì)及按鈕的布局設(shè)計(jì)···124.總結(jié)·······················16

6、5.參考文獻(xiàn)·····················17第1章 摘要隨著數(shù)控技術(shù)的普及，越來(lái)越多的設(shè)備都離不開(kāi)這項(xiàng)技術(shù)了。本課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)圍繞數(shù)控技術(shù)展開(kāi)了一系列的討論和說(shuō)明。首先，為滿足設(shè)計(jì)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(jià)格也還算公道，比較適合完成此課程設(shè)計(jì)（即數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)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(dòng)能力有限，不能直接

7、帶動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，所以還必須外接一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，所以驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)在此說(shuō)明書(shū)中占有比較大的比例，根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，可采用開(kāi)環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)然整個(gè)系統(tǒng)離不開(kāi)機(jī)械系統(tǒng)的支持，所以機(jī)械部分的設(shè)計(jì)也尤為重要，此說(shuō)明書(shū)主要針對(duì)步進(jìn)電機(jī)，軸的校核與計(jì)算，蝸輪與蝸桿的選用與校核，齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)以及機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)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(shí)，特撰寫(xiě)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(tái)的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。該設(shè)計(jì)以數(shù)控技術(shù)為核心展開(kāi)了一系列的討論，主要包括機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兩大部分，此畢業(yè)設(shè)計(jì)以“簡(jiǎn)約而不簡(jiǎn)單”的總原則，設(shè)計(jì)出了一套性價(jià)比高，勞動(dòng)強(qiáng)度弱

8、，操作簡(jiǎn)單及可靠性好的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，該數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)所能達(dá)到的功能主要包括以下幾點(diǎn)：1.工作臺(tái)回轉(zhuǎn)角度為：0360；2.工作臺(tái)最大回轉(zhuǎn)半徑：200mm；3.工作臺(tái)所能承受的最大重量：20kg；4.工作臺(tái)分度精度：100/；5.由鍵盤(pán)輸入回轉(zhuǎn)角度；6.分度角度顯示5位；7.工作臺(tái)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(shuō)明的是，該說(shuō)明書(shū)上許多東西都是理論上的，還缺乏足夠的實(shí)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(jì)數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺(tái)根據(jù)其特點(diǎn)，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

9、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(duì)控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行放大以及驅(qū)動(dòng)相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電路 圖 3-1 圖3-231機(jī)械部分的設(shè)計(jì)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(hào)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件，所以步進(jìn)電機(jī)常用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的控制，這一點(diǎn)剛好能滿足畢業(yè)設(shè)計(jì)中開(kāi)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(diǎn)：1. 步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒(méi)有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)停止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，就會(huì)以一定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比；2

10、.步進(jìn)電機(jī)電機(jī)具有瞬時(shí)啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特點(diǎn)；3.改變脈沖的順序，可以方便地對(duì)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(hào)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(lái)傳遞兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，它主要有以下的一些特點(diǎn)：1.可以得到很大的傳動(dòng)比（i可達(dá)780），比交錯(cuò)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(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)；3.蝸桿傳動(dòng)相當(dāng)于螺旋傳動(dòng)，故傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音很??；4.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(shí)，機(jī)構(gòu)具有

11、自鎖性，可實(shí)現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動(dòng)蝸輪，而不能用蝸輪帶全保護(hù)作用；5.傳動(dòng)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(chǎng)合。蝸桿傳動(dòng)的這些特點(diǎn)剛好符合本畢業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。另外，還必須清楚蝸桿傳動(dòng)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(dòng)比i=蝸桿的轉(zhuǎn)速/蝸輪的轉(zhuǎn)速，蝸桿的轉(zhuǎn)速即是步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，蝸輪的轉(zhuǎn)速即是回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)的最高轉(zhuǎn)速：要求為20轉(zhuǎn)/分鐘，由于步進(jìn)電機(jī)的

12、最高轉(zhuǎn)速為900轉(zhuǎn)/分鐘，由此能計(jì)算出蝸桿傳動(dòng)比為900/20=45。1.選擇蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù)GB/T10085-1988推薦,采用漸開(kāi)線蝸桿2.選擇材料考慮到蝸桿傳動(dòng)效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號(hào)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(jì)根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)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××

13、;i=2.39×0.8×45=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(dòng)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(dòng)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(jì)算中心距 （3-5）4.蝸桿直徑系數(shù)q=17.92;分度圓直徑=2

14、2.4mm,蝸桿頭數(shù)=1，分度圓導(dǎo)程角=3°1138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(dòng)的設(shè)計(jì)由于前述所選電機(jī)可知T=2.39N.m傳動(dòng)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1

15、0年。根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用直齒輪傳動(dòng)的形式。1.選擇材料 考慮到齒輪傳動(dòng)效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號(hào)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(jì)先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)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(dòng)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×=

16、3×22=66 （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=1.5×22=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=1×33=33mm取=40mm （3-25）4.確定齒輪傳動(dòng)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(jí)5.齒輪及結(jié)

17、構(gòu)設(shè)計(jì)小齒輪 =33mm 采用實(shí)心式齒輪大齒輪 =99mm 采用腹板式齒輪3.2.3軸的校核與計(jì)算1.受力簡(jiǎn)圖計(jì)算出：R1=46.6N R2=26.2N2.畫(huà)出扭矩圖T=3.畫(huà)出彎矩圖由此可知軸的最大危險(xiǎn)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(guò)的了，因?yàn)榻墙佑|球軸承可同時(shí)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(gè)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(gè)方向的軸向負(fù)載，在承受徑向負(fù)

18、荷時(shí)，將引起附加軸向力，并且只能限制軸或外殼在一個(gè)方向的軸向位移，這不是我們想要的，若是成隊(duì)雙聯(lián)安裝，使一對(duì)軸承的外圈相對(duì)，即寬端面對(duì)寬端面，窄端面對(duì)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?yàn)樵撦S承相對(duì)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(duì)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(duì)較長(zhǎng)的合成樹(shù)脂。3.2.5齒輪上鍵的選取與校核1.取鍵連接的類型號(hào)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，

19、高度h=5mm，由聯(lián)軸器的寬度并參考鍵的長(zhǎng)度系列，從而取鍵長(zhǎng)L=10mm。2.鍵的連接強(qiáng)度3.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)在步進(jìn)電機(jī)已選擇好的情況下，再來(lái)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有如下要求：1. 驅(qū)動(dòng)電路的通電數(shù)、通電方式、驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流都必須能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求；2. 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要滿足步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)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(guò)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(dòng)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(gè)部分，具體執(zhí)行情況如下：指令脈沖發(fā)生器脈沖分配器

20、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。根據(jù)課程設(shè)計(jì)的要求，選擇脈沖的產(chǎn)生和分配均由MCS51單片機(jī)來(lái)完成的方式，輸出脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器放大再進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)。經(jīng)過(guò)多方綜合的考慮，選擇繼電器驅(qū)動(dòng)方式（因?yàn)槔^電器方式的開(kāi)關(guān)量輸出是最常見(jiàn)的輸出方式，通過(guò)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(dòng)電路的設(shè)計(jì)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(dòng)作由單片機(jī)的P0.0端控制，P0.0端輸出低電平時(shí)，繼電器J吸和；P0.0端輸出高電平時(shí)，繼電器J釋放，采

21、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(shí)不吸和。低電平時(shí)，V導(dǎo)通，繼電器吸和；當(dāng)P0.0端輸出高電平時(shí)，V截止，繼電器斷開(kāi)。在繼電器吸和到斷開(kāi)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(dòng)三極管V。為此在繼電器J線圈兩端并接一個(gè)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(shí)，線圈上的電壓上正下負(fù)，二極管VD截止，對(duì)電路沒(méi)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(hào)獨(dú)立。UCC是單片機(jī)系統(tǒng)電源，UDD是供繼電器的

22、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）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(duì)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(jì)3.4.1操作控制面板的功能設(shè)計(jì)及按鈕的布局設(shè)計(jì) 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(dòng)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(tái)的機(jī)械回零）、顯示器開(kāi)關(guān)按鈕、報(bào)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(tái)轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)角度）。圖3-4

23、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)具有以下特點(diǎn)：1.優(yōu)異的性價(jià)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(jì)算機(jī)的可靠性與抗干擾能力，另外，其體積小，對(duì)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(diǎn)，微處理器可選擇MCS-51的單片機(jī)。MCS-51的單片機(jī)具有四個(gè)8位的并行I/O口，分別記作P0 、P1、 P2、 P3也就是說(shuō)一共有32個(gè)接口，這四個(gè)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(gè)口都包含一個(gè)鎖存器，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器，其中P0口的驅(qū)動(dòng)能力最強(qiáng)，可驅(qū)動(dòng)八個(gè)LSTTL負(fù)載，其他只能驅(qū)動(dòng)四個(gè)，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(jì)如圖3-7圖3-7，境小的ia、 第4章 總結(jié)經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的努力，課程