畢業(yè)設計---數控回轉臺課程設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要·······················1</p><p>　　任

2、務與分析····················2</p><p>　　總體方案的設計···········

3、;·······3</p><p>　　3.1機械部分的設計················4</p><p>　　3.1.1步進電機的選擇··

4、;·············4</p><p>　　3.2.1蝸輪蝸桿的配合···············6</p>&l

5、t;p>　　3.2.2齒輪傳動的設計···············8</p><p>　　3.2.3軸的校核與計算············&

6、#183;··9</p><p>　　3.2.4角接觸球軸承的選擇·············10</p><p>　　3.2.5齒輪上鍵的選取與校核········

7、;····10</p><p>　　3.3驅動電路的設計················10</p><p>　　3.4控制系統的設計·····

8、;···········12</p><p>　　3.4.1操作控制面板的功能設計及按鈕的布局設計···12</p><p>　　4.總結·········

9、83;·············16</p><p>　　5.參考文獻··················

10、···17</p><p><b>　　第1章 摘要</b></p><p>　　隨著數控技術的普及，越來越多的設備都離不開這項技術了。本課程設計說明書圍繞數控技術展開了一系列的討論和說明。首先，為滿足設計的要求，控制系統采用的是MCS—51單片機控制系統，該系統的性能較好，價格也還算公道，比較適合完成此課程設計（即數控回轉工作臺的數控

11、化改造）的相關任務。但由于MCS—51單片機的驅動能力有限，不能直接帶動工作臺旋轉，所以還必須外接一個驅動器，所以驅動電路的設計在此說明書中占有比較大的比例，根據任務書的要求，可采用開環(huán)控制的步進電機驅動電路。當然整個系統離不開機械系統的支持，所以機械部分的設計也尤為重要，此說明書主要針對步進電機，軸的校核與計算，蝸輪與蝸桿的選用與校核，齒輪傳動的設計以及機械部分的設計與計算等。</p><p>　　第2章 任

12、務與分析</p><p>　　為進一步鞏固與機電一體化相關的知識，特撰寫了這本關于利用MCS—51單片機控制的數控回轉工作臺的設計說明書。該設計以數控技術為核心展開了一系列的討論，主要包括機械部分的設計和控制系統的設計兩大部分，此畢業(yè)設計以“簡約而不簡單”的總原則，設計出了一套性價比高，勞動強度弱，操作簡單及可靠性好的數控回轉工作臺，該數控回轉工作臺所能達到的功能主要包括以下幾點：1.工作臺回轉角度為：0～360

13、；2.工作臺最大回轉半徑：200mm；3.工作臺所能承受的最大重量：20kg；4.工作臺分度精度：100//；5.由鍵盤輸入回轉角度；6.分度角度顯示5位；7.工作臺最大回轉最大速度：20r/min。它所應用的領域比較廣泛，主要用于精密的機械加工設備，各類醫(yī)療設備，各類軍事設備等。需要說明的是，該說明書上許多東西都是理論上的，還缺乏足夠的實際應用，該設備目前還未投產。</p><p>　　第3章 總

14、體方案設計</p><p>　　數控分度轉臺根據其特點，大致包括以下主要部件：</p><p>　　完成最終功能的機械執(zhí)行部分（即產品的機械裝置）</p><p>　　操作者操縱產品的工作以及了解產品的工作狀態(tài)的操作面板</p><p>　　處理操作指令的控制系統</p><p>　　對控制系統發(fā)出的控制信號進行放大以

15、及驅動相應設備的驅動電路</p><p><b>　　圖 3-1</b></p><p><b>　　圖3-2</b></p><p>　　3．1機械部分的設計</p><p>　　3．1．1步進電機的選擇</p><p>　　首先必須要明白步進電機的工作原理，它將是電脈沖信

16、號變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，所以步進電機常用于開環(huán)系統的控制，這一點剛好能滿足畢業(yè)設計中開環(huán)控制的要求。</p><p>　　要正確地選擇步進電機，還必須清楚它的特性，主要有以下幾點：1. 步進電機必須加驅動才可以運轉，驅動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機停止，如果加入適當的脈沖信號，就會以一定的角度轉動，轉動的速度和脈沖的頻率成正比；2.步進電機電機具有瞬時啟動和急速停止的優(yōu)越特點；3.改變

17、脈沖的順序，可以方便地對步進電機進行調整。</p><p>　　要根據轉矩和步矩角選擇合適的步進電機，綜上所述，可選擇型號為DM39系列的步進電機，步矩角為1.2度，保持轉矩為7.6N .m，步進最高轉速為900轉/分鐘。</p><p><b>　　表3-1</b></p><p>　　3.2.1渦輪蝸桿的配合</p><

18、p>　　蝸輪蝸桿配合常用來傳遞兩交錯軸之間的運動和動力，它主要有以下的一些特點：1.可以得到很大的傳動比（i可達7—80），比交錯軸斜齒輪機構緊湊；2.兩輪嚙合面為線接觸，其承載能力大大高于交錯軸斜齒輪機構；3.蝸桿傳動相當于螺旋傳動，故傳動平穩(wěn)，噪音很??；4.具有自鎖性。當蝸桿的導程角小于嚙合輪間的當量角時，機構具有自鎖性，可實現反向自鎖，即只能由蝸桿帶動蝸輪，而不能用蝸輪帶全保護作用；5.傳動效率低，磨損較嚴重；6.蝸桿軸向力

19、大；7.常用于間歇工作的場合。蝸桿傳動的這些特點剛好符合本畢業(yè)設計的相關要求。另外，還必須清楚蝸桿傳動的基本參數包括模數m，壓力角，蝸桿直徑系數，導程角，蝸桿頭數，蝸輪齒數，齒頂高系數以及頂隙系數。其中，模數和壓力角是指蝸桿軸面的模數和壓力角，即蝸輪端面的模數和壓力角，且均為標準值：蝸桿直徑系數q為蝸桿分度圓直徑與其模數的比值。</p><p>　　蝸桿傳動比i=蝸桿的轉速/蝸輪的轉速，蝸桿的轉速即是步進電機的轉

20、速，蝸輪的轉速即是回轉工作臺的轉速。回轉工作臺的最高轉速：要求為20轉/分鐘，由于步進電機的最高轉速為900轉/分鐘，由此能計算出蝸桿傳動比為900/20=45。</p><p>　　1.選擇蝸桿傳動類型</p><p>　　根據GB/T10085-1988推薦,采用漸開線蝸桿</p><p><b>　　2.選擇材料</b></p>

21、;<p>　　考慮到蝸桿傳動效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼，為達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。</p><p>　　3.按齒面解除疲勞強度設計</p><p>　　根據閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核

22、齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　(1)確定作用在蝸桿上的轉矩</p><p>　　按=2，估取效率=0.8.，則</p><p>　　=T××i=2.39×0.8×45=86.04N.m (3-2)<

23、;/p><p>　　(2)確定載荷系數K</p><p>　　因工作載荷較穩(wěn)定，故載荷分布不均勻系數=1;由使用系數表選取=1.15；由于轉速不高，沖擊不大，可取動載荷系數=1.1，則</p><p>　　K==1.2651.27 (3-3)</p><p>　　(3)確定彈性影響系數</p>&

24、lt;p>　　選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配</p><p><b>　?。?）確定接觸系數</b></p><p>　　先假設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距a的比值/a=0.30從而可以查出=3.12</p><p><b>　?。?）確定許用應力</b></p><p>　　根據蝸輪材料為鑄錫

25、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力</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　（6）計算中心距</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　4.蝸桿

26、</b></p><p>　　直徑系數q=17.92;分度圓直徑=22.4mm,蝸桿頭數=1，分度圓導程角=3°11′38″</p><p>　　蝸桿軸向齒距：=3.94mm (3-6)</p><p>　　蝸桿齒頂圓直徑： （3-7）</p><p>　　蝸桿軸向齒厚：

27、 （3-8）</p><p><b>　　5.蝸輪</b></p><p>　　蝸輪齒數=45，變位系數X=0</p><p>　　蝸輪分度圓直徑 =m=1.25×45=56.25mm (3-9)</p><p>　　蝸輪喉圓直徑

28、 =+2=72.25mm (3-10)</p><p>　　6.校核齒根彎曲疲勞強度</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　　當量齒數</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p&

29、gt;<p><b>　?。?-13）</b></p><p><b>　　（3-14）</b></p><p>　　=4.29Mpa （3-15）</p><p>　　所以彎曲強度是滿足要求的。</p><

30、p>　　3.2.2齒輪傳動的設計</p><p>　　由于前述所選電機可知T=2.39N.m傳動比設定為i=3，效率=0.97，工作日安排在300工作日/年，壽命為10年。</p><p>　　根據GB/T10085-1988的推薦，采用直齒輪傳動的形式。</p><p>　　1.選擇材料

31、 考慮到齒輪傳動效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼；為達到更高的效率和更好的耐磨性，要求齒輪面硬度為45-55HRC。</p><p>　　2.按齒面接觸疲勞強度設計</p><p>　　先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。</p><p>　　傳遞轉矩:=9.55×=(9.55×

32、5;0.75/3000)=2.39N.m (3-16)</p><p>　　載荷系數K:因載荷平穩(wěn)，取K=1.2</p><p><b>　　齒寬系數：取=1</b></p><p>　　許用接觸壓力：== 220Mpa (3-17)</p><p><b>　　傳

33、動比: =3</b></p><p><b>　　將以上代入公式得</b></p><p>　　3.確定齒輪的主要參數與主要尺寸</p><p>　　1）齒數 取=22，則=i×=3×22=66 （3-18）</p><p>　　2)模數 m==32

34、.88/22=1.49mm，取標準值m=1.5 （3-19）</p><p>　　3）中心距 標準中心距a=m/2(+)=60.5mm （3-20）</p><p><b>　　4）其他主要尺寸</b></p><p>　　分度圓直徑 =m=1.5×22=33

35、 （3-21）</p><p>　　=m=1.5×66=99 （3-22）</p><p>　　齒頂圓直徑 =+2m=33+3=36mm （3-23）</p><p>　　=+2m=99+3=102mm

36、 （3-24）</p><p>　　齒寬 b==1×33=33mm取=40mm （3-25）</p><p>　　4.確定齒輪傳動精度</p><p>　　齒輪圓周速度v=/(60×1000)=3.68m/s

37、 （3-26）</p><p>　　則可確定公差組為8級</p><p><b>　　5.齒輪及結構設計</b></p><p>　　小齒輪 =33mm 采用實心式齒輪</p><p>　　大齒輪 =99mm 采用腹板式齒輪</p><p>　　3.2.3軸的校核與計算</p>

38、<p><b>　　1.受力簡圖</b></p><p>　　計算出：R1=46.6N R2=26.2N</p><p><b>　　2.畫出扭矩圖</b></p><p><b>　　T=</b></p><p><b>　　3.畫出彎矩圖&l

39、t;/b></p><p>　　由此可知軸的最大危險截面所在</p><p><b>　　組合彎矩</b></p><p><b>　　(3-27)</b></p><p>　　3.2.4角接觸球軸承的選擇</p><p>　　由于此機構主要承受軸向方向的載荷，以及部分

40、的徑向載荷，在此部分選擇角接觸球軸承是最合適不過的了，因為角接觸球軸承可同時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很重要的參數，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方向的軸向負載，在承受徑向負荷時，將引起附加軸向力，并且只能限制軸或外殼在一個方向的軸向位移，這不是我們想要的，若是成隊雙聯安裝，使一對軸承的外圈相對，即寬端面對寬端面，窄

41、端面對窄端面，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，最好選擇進口的SKF軸承（因為該軸承相對于其他軸承而言，性能更好），為避免產生附加的軸向力，采用成隊雙聯安裝方式，保持架的材質可選擇性能優(yōu)異，壽命相對較長的合成樹脂。</p><p>　　3.2.5齒輪上鍵的選取與校核</p><p>　　1.取鍵

42、連接的類型號尺寸</p><p>　　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，高度h=5mm，由聯軸器的寬度并參考鍵的長度系列，從而取鍵長L=10mm。</p><p><b>　　2.鍵的連接強度</b></p><p>　　3.3驅動電路的設計</p><p>　　

43、在步進電機已選擇好的情況下，再來對驅動電路進行設計，因為步進電機對驅動電路有如下要求：1. 驅動電路的通電數、通電方式、驅動電壓、驅動電流都必須能滿足步進電機的要求；2. 驅動電路的設計要滿足步進電機啟動頻率和連續(xù)運行的要求；3.能最大限度抑制步進電機的振蕩；4.工作可靠，抗干擾能力強，能承受一定的過載；5.成本低，效率高，安裝和維護方便。</p><p>　　另外，還必須知道步進電機驅動電路的基本組成部分，主要

44、包括：脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖功率放大器三個部分，具體執(zhí)行情況如下：指令—脈沖發(fā)生器—脈沖分配器—脈沖功率放大器—步進電機。在不同的機電應用系統中，步進電機各部分有所不同。根據課程設計的要求，選擇脈沖的產生和分配均由MCS—51單片機來完成的方式，輸出脈沖信號經功率放大器放大再進入步進電機。</p><p>　　經過多方綜合的考慮，選擇繼電器驅動方式（因為繼電器方式的開關量輸出是最常見的輸出方式，通過弱電控制

45、外界的交流或直流的高電壓、大電流設備，繼電器驅動電路的設計要根據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）</p><p><b>　　圖3-3</b></p><p>　　繼電器的動作由單片機的P0.0端控制，P0.0端輸出低電平時，繼電器J吸和；P0.0端輸出高電平時，繼電器J釋放，

46、采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸和。低電平時，V導通，繼電器吸和；當P0.0端輸出高電平時，V截止，繼電器斷開。在繼電器吸和到斷開的瞬間，由于線圈中的電流不能突變，將在線圈產生較高的下正上負的感應電壓，使晶體管集電極承受較高電壓，有可能燒壞驅動三極管V。為此在繼電器J線圈兩端并接一個續(xù)流二極管VD，使線圈產生的感應電流有二極管VD流回。正常工作時，線圈上的電壓上正下負，二極管VD截止，對電路沒有影響。機械繼電

47、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。</p><p>　　4N25使兩部分的電信號獨立。UCC是單片機系統電源，UDD是供繼電器的電源。輸出部分的地線接機殼或接大地，而單片機系統的電源地線—數字地（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單片機電源的影響，減少系統所受的干擾，提高系統的可靠性。</p><p>　　3

48、.4控制系統的設計</p><p>　　3.4.1操作控制面板的功能設計及按鈕的布局設計</p><p>　　布局如圖3-4，包括LCD顯示器（用于顯示五位分度角度）、數字鍵0~9（用于輸入分度角度）、Left和Right鍵（用于左右移動光標）、Up和Down鍵（用于增加和減少每一位的數值）、回零按鈕（用于分度轉臺的機械回零）、顯示器開關按鈕、報警指示燈、串口RS232指示燈以及Enter

49、鍵（完成輸入分度角度之后，按下此鍵分度轉臺轉過相應角度）。</p><p><b>　　圖3-4</b></p><p>　　圖3-5串行通訊電路接線圖</p><p>　　3-6串行通訊PCB接線圖</p><p>　　由于單片機具有以下特點：</p><p><b>　　1.優(yōu)異的性

50、價比；</b></p><p>　　2.集成度高、體積小、可靠性高。單片機把各功能部件集中在一塊芯片上，內部采用總線結構，減少了各芯片之間的連續(xù)，大大提高了計算機的可靠性與抗干擾能力，另外，其體積小，對于強磁環(huán)境，易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作；</p><p>　　3.控制功能強。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統中有豐富的轉移指令、I/O的邏輯操作以及位處

51、理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機；</p><p>　　4.低功耗、低電壓，便于生產便攜式產品；</p><p>　　5.單片機的系統擴展和系統配置較典型、規(guī)范，容易構成各種規(guī)模的應用系統。由于單片機具有以上的特點，微處理器可選擇MCS-51的單片機。</p><p>　　MCS-51的單片機具有四個8位的并行I/O口，分別記作P0 、P1

52、、 P2、 P3也就是說一共有32個接口，這四個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，每一個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅動器和輸入緩沖器，其中P0口的驅動能力最強，可驅動八個LSTTL負載，其他只能驅動四個，另外P3口具有第二功能（包括RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1 WR、RD）</p><p>　　MCS-51的單片機與控制面板的鏈接設計如圖3-7</

53、p><p><b>　　圖3-7</b></p><p><b>　　第5章 參考文獻</b></p><p>　　[1] 任玉田，機床計算機數控技術，北京理工大學出版社，1999</p><p>　　[2] 張柱銀，數控原理與數控機床，化學工業(yè)出版社，2003</p><p&

54、gt;　　[3] 林宋，現代數控機床，化學工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[4] 張毅剛，MCS—51單片機應用設計，哈爾濱工業(yè)大學出版社，2001</p><p>　　[5] 鄧中成，王燕，單片機原理與應用技術，西安電子科技大學出版社，2007</p><p>　　[6] 全國數控培訓網絡天津分中心編，數控機床，北京：機械工業(yè)出版社，1997&l