数控极坐标操作平台完整版专业设计.docx
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数控极坐标操作平台完整版专业设计
机械设计课程设计
设计计算说明书
设计题目：
数控极坐标工作台设计
设计者：
学号：
专业班级：
机械班
指导教师：
魏璇
完成日期：
2014年12月4日
天津理工大学机械工程学院
序言
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。
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷稳定性和可靠性要求：
对机电一体化系统来说，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。
⑸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。
序言…………………………………………………………………………………2
一.设计题目及要求…………………………………………………………………4
1.1设计题目…………………………………………………………………4
1.2主要功能要求……………………………………………………………4
1.3主要技术参数要求………………………………………………………5
1.4任务要求及时间安排……………………………………………………5
1.5小组成员任务分配………………………………………………………6
1.6本课程设计目的…………………………………………………………6
二.方案选择及论证…………………………………………………………………6
2.1整体结构选择……………………………………………………………6
2.2电机选择…………………………………………………………………6
2.3传动齿轮的选择…………………………………………………………9
2.4蜗轮蜗杆选择……………………………………………………………10
2.5丝杠选择…………………………………………………………………10
2.6轴承选择…………………………………………………………………11
2.7导轨副选择………………………………………………………………12
2.8机床防尘罩选择…………………………………………………………12
2.9胀套的选择………………………………………………………………13
2.10控制系统选择…………………………………………………………15
2.11总体结构布局图………………………………………………………16
三.计算部分………………………………………………………………………16
四.程序及框图……………………………………………………………………21
五.三维图…………………………………………………………………………23
六.设计小结………………………………………………………………………25
七.参考文献………………………………………………………………………25
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：
一、原始依据
1、基本要求
该工作台为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件。
普通铣床安装该附件后，可实现盘形或端面或圆柱凸轮的加工。
2、主要功能要求
①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。
②可以显示运动位置参数（角度和直线移动位置）。
③既可以自动运行也可以手动调整。
④控制电路应包括步进电机驱动功能。
⑤控制方式可以是开环、闭环或半闭环系统。
主要技术参数要求（表1－1）
序号
技术项目
技术要求
备注
C组
1
工作台最大移动距离
50mm
很重要
2
工作台最高移动速度
1.5m/min
重要
3
旋转工作台最高转速
15rpm
重要
4
旋转工作台直径
φ100mm
很重要
5
工件最大重量
2Kg
不重要
6
最大轴向切削力
40Kg
重要
7
最大径向切削力
40Kg
重要
8
旋转工作台中心孔锥度
莫氏四号
重要
9
旋转工作台最小分度值
15”
很重要
10
最大承受扭矩
10Kgm
不重要
11
分度精度
±10”
很重要
12
主轴回转精度
4μ
很重要
13
分度形式
360°
重要
14
工作台定位精度
±0.02mm
很重要
15
旋转工作台面T型槽宽
8mm
重要
16
铣床工作台尺寸（长×宽）
1250×320mm
重要
17
铣床工作台T型槽宽
18mm
重要
18
铣床工作台T型槽间距
60mm
重要
19
铣床工作台最大升降高度
400mm
重要
1.4任务要求及时间安排：
①分组：
2人/组
②每组任务：
⑴完成A0装配图一份；
⑵控制电路原理图一份；
⑶编制凸轮加工轨迹控制程序框图一份；
⑷完成三维动态仿真程序（可选）；
⑸设计说明书一份（不少于25页）。
注：
每组由一人负责总体，并负责组内任务分配与工作协调。
3总时间安排为本学期内分散进行。
具体安排如下：
（1）原理方案和总体方案设计：
10月30日前完成。
⑵结构设计与电路设计（包括草图、计算、图纸完成、电路设计、程序设计）：
11月30日前完成。
⑶加工制造或仿真设计和编写设计说明书12月30日前完成。
⑷答辩：
1月5日
1.5小组成员任务分配
）总体方案设计及制图数据计算
编写说明书
1.6本课程设计的目的
本课程设计是在《机械设计》、《微机原理与接口技术》、《机械信号测试技术》、《计算机辅助设计》等专业课完成后，毕业设计前的过渡性实践教学环节。
其目的在于：
⒈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。
⒉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。
⒊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。
⒋培养学生的团队合作精神。
⒌完成学生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。
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①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）。
②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）。
③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：
56BYG250C-SASSBL-0241
2.3传动齿轮的选择
方案1双片齿轮消隙传动
图⒉１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⒉２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，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。
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。
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，这也是其它机械传动所不能比拟的。
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.
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