数控回转台课程设计

目录1.摘要·······················12.任务与分析····················23.总体方案的设计··················33.1机械部分的设计················43.1.1步进电机的选择···············43.2.1蜗轮蜗杆的配合···············63.2.2齿轮传动的设计···············83.2.3轴的校核与计算···············93.2.4角接触球轴承的选择·············103.2.5齿轮上键的选取与校核············103.3驱动电路的设计················103.4控制系统的设计················123.4.1操作控制面板的功能设计及按钮的布局设计···124.总结·······················165.参考文献·····················17第1章摘要随着数控技术的普及，越来越多的设备都离不开这项技术了。本课程设计说明书围绕数控技术展开了一系列的讨论和说明。首先，为满足设计的要求，控制系统采用的是MCS—51单片机控制系统，该系统的性能较好，价格也还算公道，比较适合完成此课程设计（即数控回转工作台的数控化改造）的相关任务。但由于MCS—51单片机的驱动能力有限，不能直接带动工作台旋转，所以还必须外接一个驱动器，所以驱动电路的设计在此说明书中占有比较大的比例，根据任务书的要求，可采用开环控制的步进电机驱动电路。当然整个系统离不开机械系统的支持，所以机械部分的设计也尤为重要，此说明书主要针对步进电机，轴的校核与计算，蜗轮与蜗杆的选用与校核，齿轮传动的设计以及机械部分的设计与计算等。第2章任务与分析为进一步巩固与机电一体化相关的知识，特撰写了这本关于利用MCS—51单片机控制的数控回转工作台的设计说明书。该设计以数控技术为核心展开了一系列的讨论，主要包括机械部分的设计和控制系统的设计两大部分，此毕业设计以“简约而不简单”的总原则，设计出了一套性价比高，劳动强度弱，操作简单及可靠性好的数控回转工作台，该数控回转工作台所能达到的功能主要包括以下几点：1.工作台回转角度为：0～360；2.工作台最大回转半径：200mm；3.工作台所能承受的最大重量：20kg；4.工作台分度精度：100//；5.由键盘输入回转角度；6.分度角度显示5位；7.工作台最大回转最大速度：20r/min。它所应用的领域比较广泛，主要用于精密的机械加工设备，各类医疗设备，各类军事设备等。需要说明的是，该说明书上许多东西都是理论上的，还缺乏足够的实际应用，该设备目前还未投产。第3章总体方案设计数控分度转台根据其特点，大致包括以下主要部件：1.完成最终功能的机械执行部分（即产品的机械装置）2.操作者操纵产品的工作以及了解产品的工作状态的操作面板3.处理操作指令的控制系统4.对控制系统发出的控制信号进行放大以及驱动相应设备的驱动电路图3-1图3-23．1机械部分的设计3．1．1步进电机的选择首先必须要明白步进电机的工作原理，它将是电脉冲信号变为角位移或线位移的开环控制元件，所以步进电机常用于开环系统的控制，这一点刚好能满足毕业设计中开环控制的要求。要正确地选择步进电机，还必须清楚它的特性，主要有以下几点：1.步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机停止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度转动，转动的速度和脉冲的频率成正比；2.步进电机电机具有瞬时启动和急速停止的优越特点；3.改变脉冲的顺序，可以方便地对步进电机进行调整。要根据转矩和步矩角选择合适的步进电机，综上所述，可选择型号为DM39系列的步进电机，步矩角为1.2度，保持转矩为7.6N.m，步进最高转速为900转/分钟。表3-13.2.1涡轮蜗杆的配合蜗轮蜗杆配合常用来传递两交错轴之间的运动和动力，它主要有以下的一些特点：1.可以得到很大的传动比（i可达7—80），比交错轴斜齿轮机构紧凑；2.两轮啮合面为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构；3.蜗杆传动相当于螺旋传动，故传动平稳，噪音很小；4.具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮间的当量角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能用蜗轮带全保护作用；5.传动效率低，磨损较严重；6.蜗杆轴向力大；7.常用于间歇工作的场合。蜗杆传动的这些特点刚好符合本毕业设计的相关要求。另外，还必须清楚蜗杆传动的基本参数包括模数m，压力角，蜗杆直径系数，导程角，蜗杆头数，蜗轮齿数，齿顶高系数以及顶隙系数。其中，模数和压力角是指蜗杆轴面的模数和压力角，即蜗轮端面的模数和压力角，且均为标准值：蜗杆直径系数q为蜗杆分度圆直径与其模数的比值。蜗杆传动比i=蜗杆的转速/蜗轮的转速，蜗杆的转速即是步进电机的转速，蜗轮的转速即是回转工作台的转速。回转工作台的最高转速：要求为20转/分钟，由于步进电机的最高转速为900转/分钟，由此能计算出蜗杆传动比为900/20=45。1.选择蜗杆传动类型根据GB/T10085-1988推荐,采用渐开线蜗杆2.选择材料考虑到蜗杆传动效率不大，速度只是中等，故蜗杆用45号钢，为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求蜗杆螺旋齿面淬火，硬度为45-55HRC。蜗轮用铸锡磷青铜金属制造，为节省贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。3.按齿面解除疲劳强度设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距：(3-1)(1)确定作用在蜗杆上的转矩2T按1Z=2，估取效率=0.8.，则2T=T××i=2.39×0.8×45=86.04N.m(3-2)(2)确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故载荷分布不均匀系数K=1;由使用系数AK表选取AK=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数vK=1.1，则K=AvKKK=1.2651.27(3-3)(3)确定弹性影响系数EZ选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配（4）确定接触系数pZ先假设蜗杆分度圆直径1d和传动中心距a的比值1d/a=0.30从而可以查出pZ=3.12（5）确定许用应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜，金属模制造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，从而可查得蜗轮的基本许用应力（3-4）（6）计算中心距（3-5）4.蜗杆直径系数q=17.92;分度圆直径2d=22.4mm,蜗杆头数1Z=1，分度圆导程角=3°11′38″蜗杆轴向齿距：AP=3.94mm(3-6)蜗杆齿顶圆直径：（3-7）蜗杆轴向齿厚：（3-8）5.蜗轮蜗轮齿数2Z=45，变位系数X=0蜗轮分度圆直径2d=m2Z=1.25×45=56.25mm(3-9)蜗轮喉圆直径2ad=2d+22ah=72.25mm(3-10)6.校核齿根弯曲疲劳强度（3-11）当量齿数（3-12）（3-13）（3-14）=4.29Mpa（3-15）所以弯曲强度是满足要求的。3.2.2齿轮传动的设计由于前述所选电机可知T=2.39N.m传动比设定为i=3，效率=0.97，工作日安排在300工作日/年，寿命为10年。根据GB/T10085-1988的推荐，采用直齿轮传动的形式。1.选择材料考虑到齿轮传动效率不大，速度只是中等，故蜗杆用45号钢；为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求齿轮面硬度为45-55HRC。2.按齿面接触疲劳强度设计先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。传递转矩:1T=9.55×51011/PN=(9.55×510×0.75/3000)=2.39N.m(3-16)载荷系数K:因载荷平稳，取K=1.2齿宽系数d：取d=1许用接触压力H：2H=1H=220Mpa(3-17)传动比:12:ii=3将以上代入公式得132.88D3.确定齿轮的主要参数与主要尺寸1）齿数取1Z=22，则2Z=i×1Z=3×22=66（3-18）2)模数m=11/dZ=32.88/22=1.49mm，取标准值m=1.5（3-19）3）中心距标准中心距a=m/2(1Z+2Z)=60.5mm（3-20）4）其他主要尺寸分度圆直径1d=m1Z=1.5×22=33（3-21）2d=m2Z=1.5×66=99（3-22）齿顶圆直径1ad=1d+2m=33+3=36mm（3-23）2ad=2d+2m=99+3=102mm（3-24）齿宽b=d1d=1×33=33mm取2b=40mm（3-25）4.确定齿轮传动精度齿轮圆周速度v=1dn/(60×1000)=3.68m/s（3-26）则可确定公差组为8级5.齿轮及结构设计小齿轮1ad=33mm采用实心式齿轮大齿轮2ad=99mm采用腹板式齿轮3.2.3轴的校核与计算1.受力简图计算出：R1=46.6NR2=26.2N2.画出扭矩图T=DJiT3.画出弯矩图由此可知轴的最大危险截面所在组合弯矩(3-27)3.2.4角接触球轴承的选择由于此机构主要承受轴向方向的载荷，以及部分的径向载荷，在此部分选择角接触球轴承是最合适不过的了，因为角接触球轴承可同时承受径向载荷和轴向载荷。要知道接触角是角接触球轴承中一个很重要的参数，它直接决定了角接触球轴承轴向方向的承载能力，接触角越大，轴向承载能力越大，但精度回略微减小。单列的角接触球轴承只能承受一个方向的轴向负载，在承受径向负荷时，将引起附加轴向力，并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移，这不是我们想要的，若是成队双联安装，使一对轴承的外圈相对，即宽端面对宽端面，窄端面对窄端面，这样既可避免引起附加轴向力，而且可在两大载荷为20Kg，分度精度为100”，可选择接触角为25度的，7000AC型的角接触球轴承，最好选择进口的SKF轴承（因为该轴承相对于其他轴承而言，性能更好），为避免产生附加的轴向力，采用成队双联安装方式，保持架的材质可选择性能优异，寿命相对较长的合成树脂。3.2.5齿轮上键的选取与校核1.取键连接的类型号尺寸因其轴上键的作用是传递扭矩，用平键连接就可以了，由资料可查出键的截面尺寸为:宽度b=5mm，高度h=5mm，由联轴器的宽度并参考键的长度系列，从而取键长L=10mm。2.键的连接强度3.3驱动电路的设计在步进电机已选择好的情况下，再来对驱动电路进行设计，因为步进电机对驱动电路有如下要求：1.驱动电路的通电数、通电方式、驱动电压、驱动电流都必须能满足步进电机的要求；2.驱动电路的设计要满足步进电机启动频率和连续运行的要求；3.能最大限度抑制步进电机的振荡；4.工作可靠，抗干扰能力强，能承受一定的过载；5.成本低，效率高，安装和维护方便。另外，还必须知道步进电机驱动电路的基本组成部分，主要包括：脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲功率放大器三个部分，具体执行情况如下：指令—脉冲发生器—脉冲分配器—脉冲功率放大器—步进电机。在不同的机电应用系统中，步进电机各部分有所不同。根据课程设计的要求，选择脉冲的产生和分配均由MCS—51单片机来完成的方式，输出脉冲信号经功率放大器放大再进入步进电机。经过多方综合的考虑，选择继电器驱动方式（因为继电器方式的开关量输出是最常见的输出方式，通过弱电控制外界的交流或直流的高电压、大电流设备，继电器驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸和电压和电流而定，控制电流一定要大于继电器的吸和电流才能使继电器可靠地工作），具体的接口电路如图（3-3）图3-3继电器的动作由单片机的P0.0端控制，P0.0端输出低电平时，继电器J吸和；P0.0端输出高电平时，继电器J释放，采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸和。低电平时，V导通，继电器吸和；当P0.0端输出高电平时，V截止，继电器断开。在继电器吸和到断开的瞬间，由于线圈中的电流不能突变，将在线圈产生较高的下正上负的感应电压，使晶体管集电极承受较高电压，有可能烧坏驱动三极管V。为此在继电器J线圈两端并接一个续流二极管VD，使线圈产