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。
目录
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.可承受较大的扭矩
3.但外形尺寸较大,不适合用在小型控制台上
方案确定:
选择消隙蜗轮蜗杆
2.5下工作台机构选择
方案一:
滚珠丝杠
滚珠丝杠螺母副是为适应机电一体化设备的高速度、高效率、高精度的要求而发展起来的一种新型传动机构。
它在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间元件,当丝杠或螺母转动时,滚珠沿螺旋槽滚动,滚珠在丝杠上滚过数圈后,通过回程引导装置,逐个滚回最初的起点,构成了一个闭环的循环回路。
滚珠丝杠副与普通滑动丝杠副相比有明显的特点:
1、传动效率高、摩擦损失小
滚珠丝杠副的摩擦系数一般为0.0025~0.0035,传动效率可达90%以上。
2、传动具有可逆性
一般的螺旋传动是将回转运动变为直线运动(正传动),而滚珠丝杠还可将直线运动变为回转运动,即逆传动,同时滚珠丝杠副的逆传动效率同样可达90%。
3、传动精度高
滚珠丝杠副属精密机械传动机构,高精度滚珠丝杠副导程累计误差为
4、磨损小、寿命长
5、滚珠丝杠副不能自锁
因为滚珠丝杠副传动具有可逆性,因此在一些不允许产生逆运动的地方必须设制动或自锁机构才能使用。
初选型号:
2004-2
方案二:
齿轮齿条
1.制造成本低
齿轮齿条在机械直线传动中应用非常广泛,所以制造技术非常成熟
2.可承载较大的力
3.不适用于较为精确地传动
方案确定
由此我们可以很明显的看出滚珠丝杠的优越性,因此我们在丝杠的选择上我们选择了滚珠丝杠。
具体是山东济宁博特精密丝杠制造有限公司的FD系列滚珠丝杠副。
部分系列参数表如下:
初选型号:
2004-2
2.6轴承选择
讨论:
角接触轴承可用一端固定,也可用两端固定。
是一种能承受很大轴向力的特殊轴承。
其基本结构形式可以理解为两个向心推力球轴承均大端向外组合安装,但其接触角为60度,增加了滚珠数目,相应减小了滚珠直径,刚度是一般轴承的两倍,成对使用。
内外环的厚度在出厂时已调整好,装配后用压紧元件压紧后即可获得需要的刚度。
使用方便,是很有发展前途的专用轴承。
综上所述,通过各个方面的比较,我们选择了用角接触轴承的支撑方式,具体型号是分别是7204C
2.7导轨副的选择
讨论:
直线滚珠导轨是为适应数控机械需要而发展的一种导轨形式。
它的优点是:
1、将直线式滚动导轨副制成标准部件,只要安装在相对运动的导轨平面上,就可组成合适的导轨,因而设计和装配简单、方便;
2、在所有方向均能承受载荷;
3、通过预加负荷,可以得到高刚度、高精度及能承受切削负荷的动刚度;
4、具有自动调整功能,因而可达微米级的运动精度。
因此我们选择了山东济宁博特精密丝杠制造有限公司滚动直线导轨副。
初选型号:
JSA-LG15。
2.8机床防尘罩
讨论:
为防止导轨副和丝杠螺母副在运动时其表面被铁屑、灰尘等污物污染,进而造成工作面的划伤,机床导轨副和丝杠螺母副一般都要安装防护罩。
防护罩一般有风琴式、伸缩板式、卷帘式等。
风琴式防护罩通常使用皮革或人造革制造,具有价格低廉、安装简单等特点,但风琴式防护罩的缝隙中容易存留污物,而且清扫较费时;伸缩板式防护罩具有外观美观、及不易存留污物的优点,也有占用空间较大、成本相对较高的缺陷;卷帘式防护罩占用空间小、安装简单、不易存留污物,同时防护效果低于伸缩板式防护罩、结构相对复杂、防护面积较小是这种防护罩缺陷。
机床防护罩已有专业生产厂生产,使用时可根据实际需要订货加工。
初选沧州远东机床附件厂的风琴式防尘罩。
2.9辅助标准件:
2.10控制系统的选择:
控制系统分为:
开环系统、半闭环系统和闭环系统,设计时可根据控制精度要求和预期成本进行选择。
方案1开环系统
凡是不使用误差调节控制的系统,即为开环系统。
这种系统不使用位置检测元件和反馈元件,计算机将算出的坐标位置指令送入减法计数器,经减速电路由脉冲发生器产生连续的脉冲序列,与门一面将脉冲经驱动电路使步进电机运行、一方面将脉冲送回减法计数器,使计数器减1。
当计数器的内容减为零时,判零电路发出信号,关掉与门,使步进电机停止。
开环系统的基本特点是:
控制系统结构简单、容易控制、成本低廉、控制精度偏低(一般可达到0.01mm、定位精度误差大于±0.02mm)。
方案2半闭环系统
亦称增量闭环系统。
这种系统虽然使用了位置检测元件,但是因交、直流伺服电机都是连续运动元件,只能藉助于测量元件检测位移量,所以检测元件的安装位置通常在电机的尾部。
由于检测元件不是检测运动零件的最终输出位置(速度),所以这种在传动链中间有反馈的系统称为半闭环系统。
在工作时计算机给减法计数器置数后就使电机转动,每转过一个单位距离,脉冲编码器就发出一个脉冲,该脉冲使减法计数器减一,计数器内容减为零时,判零电路发出停止信号,切断电机驱动控制,使电机停止转动,工作台定位。
当然,检测元件也可安装在传动链的中间,间接测量工作负载的位置、速度,并反馈到位置(速度)比较电路,电机控制电路输出的是位置指令(插补器插补后的输出)与工作负载实际位置的差值,系统仅可以补偿整个传动链的部分累计误差,这也是半闭环系统的一种工作方式。
半闭环系统的特点是:
驱动功率大、运动速度快、起制动迅速、控制精度高于开环系统,但低于闭环系统。
方案3闭环系统
与半闭环系统不同,闭环系统的检测元件安装在传动链的末端,直接测量工作负载的位置、速度,并反馈到位置(速度)比较电路,电机控制电路输出的是位置指令(插补器插补后的输出)与工作负载实际位置的差值,系统可以补偿整个传动链的全部累计误差,系统精度只取决于测量元件的制造精度和安装精度,因此闭环系统可获得高伺服精度。
目前,闭环系统的分辨率多数为1μm,定位精度可达±0.003mm;高精度闭环系统分辨率可达0.1μm。
讨论:
速度,精度,动态特性方案1比2和3都要差,而方案2结构过于复杂,故选择方案3。
2.11总体结构布局图
图2总体方案初定电子图
三.计算部分
3.1上工作台
3.1.1设计参数
总传动效率ηw1=0.776
传递功率P1=0.0876(kw)
传递转矩T1=0.646(N·m)
步进电机最高转速转速n1=1296(r/min)
蜗轮蜗杆最高转速n2=540(r/min)
总传动比i1=129.6
步距角=0.36
原动机载荷特性SF=轻微振动
工作机载荷特性WF=均匀平稳
预定寿命H=14400(小时)
3.1.2布置与结构
结构形式ConS=闭式
齿轮布置形式ConS=悬臂布置
3.1.3齿轮基本参数
模数Mn=1.5
螺旋角β=0.00(度)
基圆柱螺旋角βb=0.00(度)
齿轮1齿数Z1=21
齿轮1变位系数X1=0.00
齿轮1齿宽B1=13mm
齿轮2齿数Z2=42
齿轮2变位系数X2=0.00
齿轮2齿宽B2=9mm
总变位系数Xsum=0.00
标准中心距A0=47.25(mm)
齿数比U=2
齿轮1分度圆直径d1=31.5(mm)
齿轮1齿顶圆直径da1=34.5(mm)
齿轮1齿根圆直径df1=27(mm)
齿轮1齿顶高ha1=1.5(mm)
齿轮1齿根高hf1=2.25(mm)
齿轮1全齿高h1=3.75(mm)
齿轮1齿顶压力角αat1=20(度)
齿轮2分度圆直径d2=63(mm)
齿轮2齿顶圆直径da2=66(mm)
齿轮2齿根圆直径df2=58.5(mm)
齿轮2齿顶高ha2=1.5(mm)
齿轮2齿根高hf2=2.25(mm)
齿轮2全齿高h2=3.75(mm)
齿轮2齿顶压力角αat2=20(度)
齿顶高系数ha*=1.00
顶隙系数c*=0.25
压力角α*=20(度)
齿轮1硬度HB1=305
齿轮2硬度HB2=200
3.1.4强度校核数据
接触强度极限应力σHlim1=650(MPa);σHlim2=530(MPa)
理论许用接触应力[σH1]=574(MPa);[σH2]=514.5(MPa)
使用系数KA=1.35
动载荷系数KV=1.08
齿间载荷分配系数ξa=1.76;Zξ=0.86;KHα=1.35
齿向载荷分布系数KHβ=1.15
载荷系数K=2.26
弹性系数ZE=189.8
节点区域系数ZH=2.5
接触最小安全系数SHmin=1.05
接触寿命系数ZN1=1.2;ZN2=1.25
实际许用接触应力[σH1]=868.5(MPa);[σH2]=685.7(MPa)
经过验算,[σH]<[σH2],满足条件。
重合度系数Yξ=0.68
齿间载荷分配系数KFα=1.47
齿向载荷分布系数KFβ=2.96
载荷系数K=2.96
应力修正系数YSa1=1.56;YSa2=1.68
齿形系数YFa1=2.65;YFa2=2.20
弯曲疲劳极限σFlim1=410(MPa);σFlim2=350(MPa)
弯曲最小安全系数SFlim=1.6
弯曲寿命系数TN1=0.82;TN2=0.83
尺寸系数TX=1.0
许用弯曲应力[σF1]=206.5(MPa);[σF2]=177.5(MPa)
经过验算,
σF1=<[σF1],满足条件。
σF2=<[σF2],满足条件。
3.1.5蜗轮蜗杆相关数据
蜗杆头数z=1
蜗杆的模数m1=2
蜗杆分度圆直径d1=35.5(mm)
蜗杆直径系数q=17.75
蜗轮分度圆直径d2=144(mm)
蜗轮齿顶圆直径da2=148(mm)
蜗轮齿根圆直径df2=138(mm)
蜗轮齿顶高ha2=2(mm)
蜗轮齿根高hf2=3(mm)
蜗轮全齿高h2=5(mm)
3.1.6步进电机选型
根据条件选择步距角步距=0.36
阻力矩T1=0.646(N·m)
空载时的摩擦转矩TLF=0.0072(N.m)
最大静力矩Tm=1.72(N·m)
小齿轮的转动惯量Jg1=7.32X10-4(kg.m2)
大齿轮的转动惯量Jg2=4.56X10-3(kg.m2)
蜗杆的转动惯量Jg3=0.51X10-4(kg.m2)
蜗轮的转动惯量Jg4=0.51X10-3(kg.m2)
电动机上的总转动惯量J=15.10X10-4kg.m2)
之前初选电机型号为56BYG250D-SASSBL-0241,其最大静扭矩Tm=1.72N.m,转子转动惯量Jm=0.46X10-4kg/m2。
已知nm=10r/min时,传递转矩T1=0.646N·m,则Tm>T1,所选型号电机是符合设计要求的。
3.2下工作台
3.2.1设计参数
总传动效率ηw2=0.784
传递功率P2=0.0265(kw)
传递转矩T2=0.203(N·m)
步进电机最高转速转速n1=1250(r/min)
滚珠丝杠最高转速n2=625(r/min)
总传动比i2=2
步距角=1.8
原动机载荷特性SF=轻微振动
工作机载荷特性WF=均匀平稳
预定寿命H=14400(小时)
3.2.2布置与结构
结构形式ConS=闭式
齿轮布置形式ConS=悬臂布置
3.2.3齿轮基本参数
模数Mn=1.5
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