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1、完整版机械自动化毕业课程设计1新疆大学机械工程学院专业课课程设计说明书班 级： 机 电 07-1 姓 名： 门珂 指 导 教 师： 周 建 平 完成日期： 2011年3月3日 机械自动化教研室课程设计任务书 设计题目及设计参数2第一章 滚动导轨选择计算1-1导轨概述 31-2通过设计需要选择滚动直线导轨 4第二章 滚珠丝杠螺母副的选择与计算 2-1滚珠丝杠副介绍 72-2滚珠丝杠副的计算 9第三章 伺服电动机的选择计算 3-1作用在滚珠丝杠副上各种转矩计 153-2选择合适的伺服电动机 16第四章 联轴器的选择计算 4-1联轴器的分析 174-2联轴器的设计计算 18第五章 基于单片机控制系统

2、的数控X-Y工作台设计 5-1系统总体设计 195-2 X-Y工作台机械结构设计 195-3控制电路及接口的设计 195-4结论 20第六章 参考文献 28新 疆 大 学课程设计任务书班 级： 机电07-1 姓 名： 门珂 设 计 题 目 ：双坐标数控工作台机械伺服结构设计及控制电路设计(1)专 题： 有效行程500300，实际工作时工件及夹具重最大280公斤，最大空运行速度Vmax8mmin，最大加工速度Vmax3mmin，定位精度0.02mm300mm，重复定位精度0.01mm，脉冲当量=0.01mm，寿命80000 小时。设 计 来 源 ： 教师自拟 要求完成的内容：1）双坐标数控工作台

3、机械伺服结构数字化三维建模；2）双坐标数控工作台机械伺服结构装配图(A1图)1张；3）工作台托板零件图(A3)1张； 4）选做内容：运动控制电路原理图设计(A3)1张； 5）设计计算说明书一份（1万字左右，2025页）。 发题日期：2010年11月10日 完成日期：2011年3月18日实习实训单位： 地点： 论文页数： 25(约1万字) 页；图纸张数： A1图1张, A3图1张 指导教师： 周建平 教研室主任： 院长（系主任）： 第二章 滚动导轨选择计算2-1导轨概述(1)导轨的功用本设计的导向机构是导轨，导轨主要是用来支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动。本设计要求其机械系统的各运动机构必需

4、得到安全的支撑，并能准确的完成其特定方向的运动，这个任务就由导向机构来完成。(2)导轨的分类和特点两个做相对运动的部件构成一对导轨副，其中，在工作时固定不动的配合面称为固定导轨或静导轨;相对固定导轨作直线或回转运动的配合面称为运动导轨。根据导轨副之间的摩擦情况，导轨分为滑动导轨和滚动导轨两大类。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点，在机械产品中应用广泛，其两导轨工作面的摩擦性质为滑动摩擦。传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。现随着技术进步，己发展出贴塑导轨、液体静压导轨、液体动压导轨等结构形式。滚动导轨的优点是摩擦系数小，一般在0.003-0

5、.004，动、静摩擦系数很接近，低速运动不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。滚动导轨的两导轨面之间为滚动摩擦，磨损小，寿命长，定位精度高，灵敏度高，但是结构复杂，几何精度要求高，抗震性较差，防护要求高，制造困难，成本高。它适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位精度高的场合。滚动导轨因其特有的优点在数控机床上的应用十分广泛，现在常用的有直线导轨副和滚动导轨块。直线导轨副一般用滚珠作滚动体，滚动导轨块用滚子作滚动体。滚动导轨块由于是线接触，其承载能力和刚度大，但摩擦力也比较高，加工装配比较复杂。直线滚动导轨是近年出现的一种滚动导轨，其突出的优点为无间隙，并且能够施加预紧力。其主要由导轨体、滑

6、块、钢球、保持器、返向器、密封端盖等组成。导轨体固定在不运动部件上，滑块固定在运动部件上，通过钢球的运动把导轨体和滑块之间的移动变成了滚动。直线滚动导轨除滚动导轨的共性优点之外，还有下列特点:(1 )有自调整能力:安装基面许用误差大，使得安装方便，生产周期短，降低了对配件的加工精度要求;(2 )承载能力大:其滚道采用圆弧形式，增大了滚动体与圆弧滚道的接触面积，从而大大地提高了导轨的承载能力，可达到平面滚道形式的3倍.(3 )刚性强:在装配导轨时可预加负荷以提高滚动导轨的刚度，所以滚动导轨在工作时可承受较大的冲击和振动;(4 )寿命长:由于是纯滚动，摩擦系数是滑动导轨的150左右，磨损小，因而寿

7、命长，功耗低，便于机械小型化;(5)传动平稳可靠:由于摩擦力小，动作轻便，因而定位精度高，微量移动灵活准确;在较差的工作条件下可长时间保持高精度;(6 )可高速运行:直线滚动导轨运行速度可大于60mmin，甚至更高，且润滑方法简单，便于维护。综合考虑定位精度及运动平稳性等技术要求，比较直线导轨副和滚动导轨块,采用直线滚动导轨副。2-2、滚动导轨的有关计算（1）额定动载荷额定动载荷是指滚动直线导轨的额定长度寿命t=50km时，作用在滑坐上大小和方向均不变化的载荷。其值可按下式计算式中，d为钢球直径；L为滑座有效长度；Z为有效接触的钢球数（2）额定行程长度寿命式中，K为寿命系数，一般取K=50km

8、，F为滑座工作载荷；为行程长度寿命；为硬度系数，按表2-1选取；为温度系数，按表2-2选取； 为接触系数，按表2-3选取； 为、负荷系数，按表2-4选取； 为额定动载荷；额定工作时间寿命为式中： 为额定寿命；为行程长度寿命；为工作单行程长度；n为每秒往复次数（次s）表2-1硬度系数滚道表面硬度HRC605855535045 1.00.980.900.710.540.38表2-2温度系数工作温度1001.000.900.730.63表2-3接触系数每根道轨上的滑块数11.0020.8130.7240.6650.61表2-4负荷系数工作条件无外部冲击或振动的低速运动场合。速度小于15mmin1-1

9、.5无明显冲击或振动的中速运动场合。速度小于60mmin1.5-2有外部冲击或振动的高速运动场合。速度大于60mmin2-2.52-3 对X轴向导轨的计算：在给定的条件载荷2400N。工作台重1000N,额定工作时间寿命为80000小时。行程长度为500mm=80000小时式中为行程长度，n为每分钟往返次数,V为工作台快速进给速度。有已知条件知V=8mmin，则 由此的设滑座数m=4，所以每根导轨上使用2个滑座，查表取, , ,，则有得其中2-4对X轴导轨选择若选用汉江机床厂的HJG-D系列的滚动直线导轨，查表其中HJG-D25型号导轨的值为17500N，能满足使用要求。所以选HJG-D25型

10、号直线导轨2-5对y轴导轨的计算其负载为行程为有已知条件知寿命为80000小时小时由，其中=0.3m,次分则设滑座数m=4，所以每根道轨上使用2个滑座，查表取, , ,，则有得 其中2-6对Y轴导轨选择若选用汉江机床厂的HJG-D系列的滚动直线导轨，查表其中HJG-D25型号导轨的值为17500N，能满足使用要求。所以选HJG-D25型号直线导轨第三章 滚珠丝杠螺母副的选择与计算3-1滚珠丝杠副介绍1)滚珠丝杠副的工作原理、组成及特点滚珠丝杠副是一种旋转传动机构，在具有螺旋槽的丝杠和螺母之间装有中间传动元件一一滚珠。它由丝杠、螺母、滚珠和返向器等四部分组成，当丝杠和螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚

11、动，丝杠和螺母之间相对运动时产生滚动摩擦。为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，如返向器和挡珠器，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内既自转又沿滚道循环转动。滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比较，它用滚动摩擦代替了滑动摩擦，具有以下特点:(1)摩擦损失小、传动效率高由于滚珠丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达90%-96 ，约为滑动螺旋机构效率的2-3倍;(2)磨损小、寿命长通常，滚珠丝杠副的主要零件都经过淬硬，表面粗糙度较低，且滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，精度保持性能很好，工作寿命长;(3)轴向刚度高滚珠丝杠副可完全地消除传动间隙，不影响运动的灵活性，从而

12、可以获得较高的轴向刚度，而且可以通过预紧来提高轴向刚度;(4)摩擦阻力小、运动平稳由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，启动力矩与运动力矩近于相等。因而灵敏度高，运动较平稳，启动时无颤动，低速传动时无爬行现象;(5)不能自锁由于滚珠丝杠副没有自锁能力，用于垂直升降传动系统时必须增设自锁装置或制动装置。(6)具有传动的可逆性由于滚珠丝杠副摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可作为主动件，也可作为从动件。但是，与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副尚存在结构较复杂，工艺难度大，制造成本高等缺点。2)滚珠丝杠副的轴向间隙消除和预加

13、载荷由于制造和安装的误差，滚珠丝杠副存在间隙，影响其传动精度并降低了滚珠丝杠副的刚度，因此要采取消除间隙和预加载荷的方法。目前广泛采用的是双螺母调整预紧装置。双螺母调整预紧装置就是在同一根滚珠丝杠上装配两个螺母，通过调整两个螺母之间的轴向位置，在滚珠与滚道圆弧面间施加接触压力，使其产生一定的预变形，从而消除了轴向间隙，提高了滚珠丝杠副的轴向刚度。常用的调整预紧方式有以下三种:1、垫片调整方式用螺钉联接滚珠丝杠螺母的凸缘，在凸缘间加垫片，调整垫片厚度达到消除间隙和产生预紧力的目的。这种方式结构简单，可靠性好，刚度高，拆装方便，但精确调整比较困难，工作中不能随时调整。2、螺纹调整方式在螺母外端制有

14、螺纹，旋转圆螺母使螺母相对丝杠作轴向移动以消除间隙和产生预紧力。这种结构既紧凑，工作又可靠，调整方便，但调整位移量不易精确控制。3、齿差调整方式在两个螺母的凸缘上分别切出齿数为Z_ Zz的圆柱齿轮，Z，与Z,相差一个齿，通过两螺母产生的相对角位移，而使两螺母轴向相对位置发生变化，从而实现间隙的消除和施加预紧力。滚珠丝杠的支承方式主要有四种，本设计选择了一端固定、另一端支承方式，它的优点是可对丝杠进行预拉伸，丝杠不会因温升而伸长，保持了丝杠精度。3-2 滚珠丝杠副的计算为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求，必须合理选择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。单层工作台重量：

15、 =1000N工作台承重： =2800NX、Y工作台最大行程： 工作台快速进给速度： V=8mm i n定位精度： 0. 02mm重复定位精度： 0. 01mm表3-1给出了工作台的切削状况，本工作台即以满足该切削状况为前提进行其传动部件的设计。表3-1工作台的切削状况切削方式纵向切削力垂向切削力进给速度强力切削95012001.5一般切削6006003精切削3003005快速进给008设计滚珠丝杠副时，条件是：工作载荷或平均工作载荷，使用寿命。丝杠的工作长度（或螺母的有效行程）L(m)，丝杠的转速n。以及滚道硬度HRC和运转情况设计步骤：1） 计算载荷 (N)的计算式中:为载荷系数，按表3-

16、2选取；为硬度系数，按3-3选取；为精度系数，按3-4选取；为平均工作载荷。表3-2载荷系数载荷性质无冲击平稳运动一般运动有冲击和振动运转1-1.21.2-1.51.5-2.5表3-3硬度系数滚道实际硬度58555045401.01.111.562.43.85表3-4精度系数精度等级CDEFGH1.01.11.251.43（2）额定动载荷值的计算式中： 为平均转速；为使用寿命；为计算载荷。（3）根据的值从滚珠丝杠副系列中选取所需要的规格，使所选规格的丝杠副的额定动载荷，值等于或大于并列出其主要参数值。（4）验算传动效率、刚度及工作平稳性是否满足要求，如不能，则应另选其他规格并重新验算。3-3对

17、X轴的滚珠丝杠的设计；（1） 计算工作载荷工作载荷是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力，其数值可用下列进给作用力的实验公式计算:对于滚动导轨机床式中:一方方向上的切削分力，N;一导轨摩擦阻力，NFz一z方向上的切削分力一摩擦系数，对滚动导轨取0.003一0.004在各种切削方式下，丝杠轴向载荷工作载荷按其最大值情况下计算即( 2 )求计算载荷由条件查表取=1.2， =1， =1.0，查表取D级精度，（3） 计算额定动载荷计算值式中的平均转速取100rmin.3-4 X轴丝杠的选择及校核根据选择滚珠丝杠副，假设选用FC1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或稍公称直径导程 螺旋角

18、滚珠直径 由尺寸计算公式计算：滚道半径偏心距 丝杠内径 稳定性计算：（1） 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠传动结构允许安全系数S。表3-5稳定性系数有关系数，支撑方法一端固定一端自由（F-O）一端固定一端游动（F-S）两端固定（F-F）S3-42.5-3.3-223-1.8753.9274.730注：； 丝杠不会发生失稳的最大载荷为临界载荷（N）按下式计算：式中：E为丝杠材料的弹性摸量，对于钢，E=206Gpa;20mm余程，螺纹部分距支架距离取20mm，有效行程为500mm,由此可计算丝杠的工作长为丝杠危险截面的轴惯性矩（）；为

19、长度系数由已知条件的采取一端固定一端游动的形式，查表取=23，则安全系数。查表，丝杠是安全的，不会失稳。（2）高速长丝杠工作时可能发生共振，应此需验算其不会发生共振的最高转速-临界转速。要求丝杠的最大转速。临界转速（rmin）可按下式计算：式中：为临界转速系数，见表，本设计取，则取最大转速为=10000rmin,有。所以丝杠工作时不会发生共振。（3）此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求. 所以该丝杠副工作稳定。(4) 刚度验算滚珠丝杠在工作负载F和转距T共同作用下引起每个导程的变形量为式中，A为丝杠截面积，；为丝杠的极惯性矩，；G为丝杠切变模量，对钢；为转矩。式中，为摩擦角，其正切函数数值为摩

20、擦系数；为平均工作载荷。本设计取摩擦系数为，则得。按最不利的情况取则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的12，即该丝杠的满足上式，所以其刚度可以满足要求。(5) 效率验算滚珠丝杠副的传动效率为要求大于90%，所以该丝杠副合格。确定滚珠丝杠副预紧力3-5 确定滚珠丝杠副支承所用轴承规格型号滚 珠丝 杠 支承用轴承通常要选专用轴承，本设计选用丝杠支承专用角接触轴承。该类轴承具有如下特点:(1 )刚性大由于采用特殊设计的尼龙成形保持架，增加了钢珠数，且接触角为600，故轴向刚度大;(2 )要预调整对每种组合形式，厂家已做好了能得到最佳预紧力的间隙，故用

21、户在装配时不需再调整，只要按厂家作出的装置序列符号排列后，装紧即可。(3 )力矩小与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比，启动力矩更小。1、轴承所受的最大轴向载荷2、使用一端固定、另一端支承形式。固定端用圆锥滚子轴承，支承端用深沟球轴承。d小于，取15mm，固定端选30302型圆锥滚子轴承，支撑端选6202型深沟球轴承。3-6确定滚珠丝杠副其他尺寸滚珠丝杠副的螺纹长度=有效行程+螺母长度余程，取20mm丝杠全长L 综合考虑各项几何尺寸要求，取L为747.5mm3-7 Y轴丝杠的设计及校核（1）计算工作载荷式中: -y方向上的切削分力，N;-导轨摩擦阻力，NFz一z方向上的切削分力一摩擦系数，对滚动导

22、轨取0.003一0.004(2)求计算载荷由条件查表取=1.5， =1， =1.0，查表取D级精度（3）计算额定动载荷计算值由式式中的平均转速取100rmin.（4）根据选择滚珠丝杠副，假设选用FC1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷等于公称直径导程 螺旋角 滚珠直径 由尺寸计算公式计算：滚道半径 偏心距 丝杠内径 丝杠的工作长度为由已知条件的：采取一端固定一端游动的形式，查表取=23，则安全系数。查表，丝杠是安全的，不会失稳。（2）高速长丝杠工作时可能发生共振，应此需验算其不会发生共振的最高转速-临界转速。要求丝杠的最大转速。临界转速（rmin）可按下式计算：式中：为临界转速系数，见表，本设计取

23、，则取最大转速为=10000rmin,有。所以丝杠工作时不会发生共振。(3) 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求. 所以该丝杠副工作稳定(4) 刚度验算取，则得。按最不利的情况取则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为该丝杠的满足上式，所以其刚度可以满足要求。(5) 效率验算滚珠丝杠副的传动效率为要求大于90%，所以该丝杠副合格。确定滚珠丝杠副预紧力3-8 确定滚珠丝杠副支承所用轴承规格型号使用一端固定,另一端支承形式。固定端用圆锥滚子轴承，支承端用深沟球轴承。d小于，取20mm，固定端选30204型圆锥滚子轴承，支撑端选6204型深沟球轴承。3-9确定滚珠丝杠副其他尺寸滚珠丝杠副的螺

24、纹长度=有效行程+螺母长度余程，取20mm丝杠全长L 综合考虑各项几何尺寸要求，取L为602.5mm第四章 伺服电机的选择计算随着交流伺服电机的快速发展，它以结构简单，坚固耐用，体积小，重量轻，没有机械换向，无需多少维护而迅速代替直流伺服电机在现代数控设备中得到广泛应用，所以作者选择了交流伺服电机外加载荷产生的摩擦力矩（N.m）滚珠丝杠副预加载荷产生的预紧力矩N.m式中：为滚珠丝杠副导程为未预紧的滚珠丝杠副效率，取0.9为作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷负载转动惯量及传动系统转动惯量的计算式中：选交流伺服电机为MSMA042A1C, 其额定转矩为1.3N m，最大转矩为3.8 N m,转动惯量

25、为第五章控制电路设计单片机数控系统硬件电路设计内容1. 数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路可靠性直接影响到数控系统性能指标。机床硬件电路由以下五部分组成：（1）主控制器，即中央处理单元（CPU）；（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；（3）存储器，包括程序存储器和数据存储器；（4）接口，即IO输入输出接口电路；（5）外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等，2、选择中央处理器的类型在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：（1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的度；（2）可扩展存储器的容量；（3）指令系统功能，影响编程

26、灵活性；（4）IO口扩展的能力，即对外设控制的能力；（5）开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。此外还要考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济的要求。 目前在经济型数控机床中，一般选用MCS51系列单片机作为主控制器。3、存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU和EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。4、IO口接口电路设计应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路、键盘显示电路以及其他辅助电路的设计。MC

27、S51系列单片机的选用MCS51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。此次作业使用的是8031芯片。8031芯片内部的存储器结构及地址分配8031芯片内部无程序存储器，只有256 字节的数据存储器，地址从00H7FH，8031芯片内部256字节的空间被分成两部分，其中内部数据存储器（RAM）地址为00H7FH，特殊功能寄存器（SFR）的地址为80HFFH。8031芯片内部没有程序存储器，且仅有128字

28、节的数据存储器，因而再组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器。由于地址线是16位的，故最多能扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器，其地址均为0000HFFFFH，即程序存储器和数据存储器为独立编址；因此EPROM和RAM的地址分配比较自由，编程时不必考虑地址冲突问题。5. 存储器扩展电路设计MCS51的程序存储器的寻址空间为64K字节，8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。由于综合作业设计要求扩展的程序存储器和数据存储器必须大于等于16KB，所以在此选取程序存储器为一片27128和数据存储器为两片6264。1、27128芯片的结构及工作方式2712

29、8芯片为28脚双列直插式扁平封装芯片：VPP是编程电压端，PGM是编程控制端，OE是输出使能端，CS是片选端，它们均为低电平有效。下表是EPROM工作方式选择。表中VIH表示输入高电平，VIL表示输入低电平，芯片的数据引脚是三态的，当芯片未选中，即CS是高电平时，它们处于高阻状态，不会影响其他芯片输出状态。而当CS和OE均为低电平时，芯片被选中，其存储内容从数据端输出，即处于DOUT状态。在编程时，从数据输入要存储的信息，数据引脚处于数据输入DIN状态。编程时PGM必须为低，使数据写入芯片。2.地址锁存器由于单片机8031芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器。在此选用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS