數(shù)控機床設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、前 言l 中國數(shù)控市場發(fā)展狀況數(shù)控機床是電子信息技術(shù)與傳統(tǒng)機床技術(shù)相結(jié)合的機床一體化產(chǎn)品，具有高效、精密、柔性自動化和信息集成特點，特別適用加工復(fù)雜形狀的零件，因而成為現(xiàn)在先進制造技術(shù)最重要的基礎(chǔ)裝備和世界機床市場的主流產(chǎn)品，受到機械制造企業(yè)的青睞。工業(yè)發(fā)達國家數(shù)控機床的發(fā)展大體上經(jīng)歷了緩慢、快速和深入發(fā)展三個階段，目前一達較高水平，其機床產(chǎn)值數(shù)控化率至少超過50%，產(chǎn)品數(shù)控化率至少超過20%。設(shè)計思想 在社會主義市場經(jīng)濟的今天，產(chǎn)品的市場競爭日趨激烈，在保證產(chǎn)品的質(zhì)量的前提下，如何提高機床的加工范圍和降低制造成本是提高競爭力的關(guān)鍵所在。產(chǎn)品成本一般包括原材料、工具損耗、機床折舊、工人工資和各

2、項管理費用，他們與勞動生產(chǎn)了密切相關(guān)，因此提高產(chǎn)品加工效率是降低成本的最有效途徑。 在小批量多品種生產(chǎn)中，為了加工具有精確角位置的零件，可采用回轉(zhuǎn)盤或多齒分度盤進行精確加工，但對于直徑較大、較重的工件卻無能為力，這就需要設(shè)計制造大型回轉(zhuǎn)臺。 隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，加工中心將會越來越多地被要求配備第四軸和第五軸，以擴大加工范圍。估計近幾年要求配備數(shù)控轉(zhuǎn)臺的加工中心將會達到每年600臺左右。數(shù)控轉(zhuǎn)臺作為機床附件，其技術(shù)性能的提高直接影響著數(shù)控機床的加工效率和加工質(zhì)量。 回轉(zhuǎn)工作臺與落地銑鏜床及各種大型、重型銑鏜床配用，是機械加工的最佳組合，為此類機床增加了一個回轉(zhuǎn)坐標一個直線坐標。擴大了機床的使用

3、范圍，能完成平面、圓柱面、角度面的加工，對各種形狀復(fù)雜的中、大重型工作的掉頭鏜十分有利，是一次完成多面加工的最佳選擇。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺與數(shù)控落地銑鏜床，各種大型、重型加工中心、數(shù)控端面銑配用，更是機械加工的最佳組合。 回轉(zhuǎn)工作臺與數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、加工中心等數(shù)控機床不可缺少的重要附件。它的作用是按照控制裝置的信號或指令做回轉(zhuǎn)分度或連續(xù)回轉(zhuǎn)進給運動，以使數(shù)控機床能完成指定的加工工序。常見的回轉(zhuǎn)工作臺有分度工作臺和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。l 功能：完成工作臺的連續(xù)回轉(zhuǎn)進給和任意角度的分度。l 作用：既能作為回轉(zhuǎn)坐標軸實現(xiàn)坐標聯(lián)動加工，又能作為分度頭完成工件的轉(zhuǎn)為換面。l 特點：采用伺服系統(tǒng)實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、精確分

4、度和定位。l 種類：開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)臺和閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)臺l 考慮到數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺使用后，在對不需要回轉(zhuǎn)工作臺的工件加工時，回轉(zhuǎn)工作臺的存在影響將要加工工件的裝卸、加工等操作，所以本次設(shè)計對傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)工作臺進行改進，把它制造可以拆卸夾具式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。該工作臺具有兩大優(yōu)點：第一：使用時，工作臺如夾具固定在直線進給工作臺的T行槽內(nèi)，不用時，即可拆下，工作臺是一個獨立體，可以有幾臺數(shù)控機床公用。第二：本結(jié)構(gòu)具有適應(yīng)高溫、高速和便于保證裝配精度的特點。通過這樣的改動后使得回轉(zhuǎn)工作臺的加工范圍和加工精度都得到了擴展，在方法適用于中小型加工廠對多齒類零件的加工，同時也提高了設(shè)備利用率。 在數(shù)控機床電氣控制中可

5、編程控制器（PLC）是應(yīng)用最廣泛的控制裝置，已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置。PLC置于NC系統(tǒng)和機床之間，控制主軸、刀庫等外部執(zhí)行機構(gòu)的動作，當(dāng)前數(shù)控機床電器控制系統(tǒng)采用PLC已成為發(fā)展趨勢。PLC以微處理器為基礎(chǔ)，是一種將計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合在一起的新型工業(yè)自動化控制設(shè)備，面向控制過程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，具有操作方便、可靠性高的特點，在包括數(shù)控機床在內(nèi)的工業(yè)自動化控制中得到廣泛應(yīng)用，成為新一代通用工業(yè)控制設(shè)備，于CADCAM技術(shù)、工業(yè)機器人并成為加工業(yè)自動化的三大支柱。利用PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器接觸器控制，可以避免大量的電器元件的更換，在邏輯關(guān)系改變時只需要相應(yīng)的修改程序

6、就可以啊實現(xiàn)目標，既節(jié)省時間、也節(jié)省成本，同時大幅度提高了機床自動化控制程度和電器控制系統(tǒng)柔性化。目前PLC技術(shù)已經(jīng)成熟，基于PLC的機床電器控制系統(tǒng)設(shè)計具有良好的可行性。1 .方案設(shè)計1.1數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化選擇 設(shè)計數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺時，應(yīng)該考慮合理的布局。在滿足所要達到功能的前提下，應(yīng)該降低成本。同時要使工作臺的結(jié)構(gòu)盡量簡單、裝配容易，而且達到所需的精度要求。1.1.1比較幾種不同的傳動方案的優(yōu)缺點 1.平面圓柱齒輪包絡(luò)蝸桿傳動 優(yōu)點：傳動結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配。 缺點：制造復(fù)雜，成本較高，承載能力較小。 2.單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動 優(yōu)點：傳動結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配。缺點：制造復(fù)雜，成本

7、較高。 3.雙蝸桿雙蝸輪結(jié)構(gòu)傳動（如圖1.1）優(yōu)點:可以消除蝸輪桿的反向間隙，調(diào)整方便，裝配簡單，減速比大，也可提高電機扭矩，并且具有自鎖功能。缺點：成本較高。 圖1.1雙蝸桿蝸輪結(jié)構(gòu)4.雙蝸桿單蝸輪結(jié)構(gòu)傳動優(yōu)點：可以消除蝸輪蝸桿的反向間隙，調(diào)整方便，裝配制造簡單，成本低，承載能了大。缺點:傳動結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。我們對于以上四種方案比較優(yōu)化，其中第四種方案比較好，因此這個方案為本次設(shè)計方案。（如圖1.2） 圖1.2雙蝸桿單蝸輪結(jié)構(gòu)1.2雙蝸桿結(jié)構(gòu)傳動的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)原理 如圖1.2所示，設(shè)當(dāng)使用步進電機驅(qū)動時，電機每轉(zhuǎn)動50轉(zhuǎn)（即蝸桿軸轉(zhuǎn)動50轉(zhuǎn)時）蝸輪軸轉(zhuǎn)動1轉(zhuǎn)，即蝸桿蝸輪的傳動比為50：

8、1。 50 :1=n : 1z 即 （1.1） N=50z 上式中： n 電動機轉(zhuǎn)數(shù)； Z 工件的等分數(shù)； 50蝸桿蝸輪副的傳動比1.3雙蝸桿結(jié)構(gòu)傳動的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的一些改進雙蝸桿結(jié)構(gòu)傳動的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺雖然具有很多優(yōu)點，但是它在具體的實際應(yīng)用中還存在著一定的局限性，現(xiàn)下面對這些局限性進行分析和改造。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺夾具式改造：考慮到回轉(zhuǎn)工作臺使用之后，在對不需要回轉(zhuǎn)工作臺加工的工件加工時，回轉(zhuǎn)工作臺的存在影響將要加工工件的裝卸、加工等操作。所以對傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)工作臺進行改造，把它制造成可以拆卸夾具式數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。 上述回轉(zhuǎn)工作臺具有兩大優(yōu)點:使用時，工作臺如夾具固定在直線進給工作臺的T行槽內(nèi)

9、，不用時，即可拆下，工作臺是一個獨立體，可以由幾臺數(shù)控機床共用。本結(jié)構(gòu)具有適應(yīng)高溫、高速和便于保證裝配精度的特點。通過這樣的改動后使得回轉(zhuǎn)工作臺在加工范圍和精度得到擴展，該設(shè)備適用于中小型加工廠對多齒類零件的加工，同時也提高了設(shè)備利用率。1.4雙蝸桿結(jié)構(gòu)傳動的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺采用雙蝸桿傳動，步進電機正反轉(zhuǎn)控制工作臺的正反轉(zhuǎn)，兩個蝸桿分別與蝸輪左右齒面接觸，盡量消除正反傳動間隙。采用六個氣壓缸作為工作臺的夾緊裝置。兩個錐齒輪實現(xiàn)雙蝸桿的傳動。設(shè)計參數(shù)為：回轉(zhuǎn)工作臺臺面尺寸（直徑高）為320244回轉(zhuǎn)工作臺(材料為HT200)重量:G=Vg=7.851031602244

10、9.8110-9=1363N =7.85103kgm3(材料密度)所能承受的負載轉(zhuǎn)矩為100N. 2.機械部件的設(shè)計和校核2.1蝸輪蝸桿的設(shè)計 2.1.1蝸輪蝸桿的設(shè)計參數(shù) 初始條件確定：設(shè)定蝸桿轉(zhuǎn)速為2000r/min，蝸輪蝸桿副的傳動比為50。材料選擇考慮到蝸桿的傳遞功率不大，但速度比較高。所以蝸桿選用40Cr鋼，芯部調(diào)質(zhì)、表面淬火、硬度為HRC4555，加工精度6級并磨削。蝸桿形式采用延伸漸開線蝸桿，法面齒形角20。蝸輪材料ZCuSn10Pl,金屬膜制造，其最大負載轉(zhuǎn)矩為100NM選擇蝸桿傳動類型根據(jù)GB/T100851988的推薦，采用漸開線蝸桿（ZA）。按照齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計計

11、算根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計計算，再按彎曲疲勞強度進行校核.由傳動中心距的公式： a3KT2ZpZeH2 (2.1)確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2按照Z1=1估計取效率=0.8。則 T2=9.55106P2n2=9.55106Pn1i=171.9N.m (2.2)確定載荷系數(shù)K因為工作載荷比較穩(wěn)定，所以取載荷分布不均勻系數(shù)K=1,選取使用系數(shù)KA=1.15。由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可以取動載系數(shù)KV=1.05。則 K=KKAKV=11.151.05=1.21 (2.3) （3）確定彈性影響系數(shù)ZE 因為選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，所以選取ZE=160MP （4

12、）確定接觸系數(shù)Z先假設(shè)蝸桿的分度圓直徑d1和傳動中心距a的比值d1a=0.35,則可以查出Z=2.9.（5）確定許用應(yīng)力H 根據(jù)蝸輪材料ZCuSn10Pl，金屬模制造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC?？傻贸鑫佪喌脑S用應(yīng)力為Hlim=550MP。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60nJLh=602000128300150=2.81010 (2.4)現(xiàn)取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1 H=KHN1HlimS=467.5 (2.5) (6) 計算中心距 3KT2ZPZEH2 求的95.36mm 中心距=100mm, i=90, 取模數(shù)m=2mm。 則蝸桿分度圓直徑d1=35.5mm。 這時d1=0.33 (2.6

13、)查表得ZP=2.85。 所以，滿足要求。蝸輪蝸桿的主要參數(shù)與幾何尺寸蝸輪分度圓直徑 d2=mZ2=290=250mm (2.7)齒頂圓直徑 d2=mZ2+2=292=260mm (2.8)齒根圓直徑 df2=mZ2-2.4=238mm (2.9)外徑 de2=d2+m=265mm （2.10）咽喉母圓半徑 g2=-d22=20mm (2.11)齒寬 B0.67d1=33.5mm 取B=35mm (2.12)頂隙 C=0.2m=1mm (2.13)齒寬包角 =2sin-1b1d1=106.3 (2.14)蝸桿分度圓直徑 d1=50mm 齒頂圓直徑 d1=d1+2m=60mm (2.15)齒根圓

14、直徑 df1=d1-2.4m=38mm (2.16)軸向齒距 Pl=m=15.7mm （2.17）螺旋線導(dǎo)程 S=Z1P1=15.7mm (2.18)法向齒距 Sn=mcos2=7.811mm (2.19)蝸桿螺旋角 =tan-1Zmd1=5.3 (2.20)壓力角 t=20螺旋部分長度 14011+0.06Z2m=70mm 所以 b1=32.8+20.2=95mm2.1.2校核齒根彎曲疲勞強度 由公式 F=1.53KT2d1d2mYF2YF （2.21） 當(dāng)量齒數(shù) ZV2=Z2cos3=62.46 （2.22）由X2=-0.500 ZV2=62.4 查出YF2=2.65螺旋角系數(shù) =1-14

15、0=0.8442 (2.23)許用彎曲應(yīng)力 F=HKFN (2.24) 查出ZCuSn10pb1制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力H=56MP 查出壽命系數(shù)KHN=.81010=0.702 F=560.702=39.33MP 而F=11.339F 故滿足彎曲強度 表2.1蝸輪蝸桿參數(shù)蝸桿參數(shù)蝸輪參數(shù)分度圓直徑d1(mm)50分度圓直徑d2(mm)250 齒頂圓直徑d1(mm)60齒頂圓直徑d2(mm)260 齒根圓直徑df1(mm)38齒根圓直徑df2(mm)238 軸向齒距p1(mm)15.7外徑de2(mm)265 螺旋線導(dǎo)程S（mm)15.7咽喉母圓半徑g2mm20 法向齒距Sn(mm)7.8

16、11 齒寬B (mm)35 蝸桿齒螺旋角5.73 頂隙C (mm)1 壓力角t20 齒寬包角106.32.2蝸桿傳動的熱平衡計算 對于閉式蝸桿傳動，由于蝸桿傳動效率不較低，所以工作時發(fā)熱量比較大，如果產(chǎn)生的熱量不能及時地散逸，將引起油溫的不斷升高使?jié)櫥拖♂?，從而增大摩擦損失，甚至發(fā)生膠合。所以必須根據(jù)單位時間內(nèi)的發(fā)熱1等于同時間內(nèi)的散熱量2的條件進行熱平衡計算，以保證油溫穩(wěn)定的處于規(guī)定的范圍內(nèi)。 由于摩擦損耗的功率Pf=p1-,則產(chǎn)生的熱量（單位時間內(nèi)1W=1JS）為 1=1000P1- (2.25) 式中為蝸桿傳動的功率P，單位為KW 以自然冷卻方式，從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣里的熱量2（單

17、位為W）為 2=dS(T0-T) (2.26) 式中：d-箱體的表面散熱系數(shù)，可取8.1517.45m2.c,當(dāng)周圍空氣流通良好時，取偏大值。 S-內(nèi)表面能被潤滑油飛濺到，而外表面可被周圍空氣所冷卻的箱體的表面積，單位為m2。 T0-有的工作溫度，一般限制在60C70C，最高不超過80C。 T-周圍溫度常取20C.按熱平衡條件，可求得在給定工作條件下的油溫（單位為C）為 T0=T+1000P1- dS (2.27)或在給定工作條件下，保持正常工作所需要的散熱面積S（單位為m2）為 S=1000P(1-)dT0-T (2.28) 兩式中各符號的單位和意義同前。 在T080或有效的散熱面積不足時，

18、則必須采取措施提高散熱能力，通常用的方法有：增加散熱片增大散熱面積。在蝸桿軸端加裝風(fēng)扇，加速空氣流通。在傳動箱內(nèi)裝循環(huán)冷卻管道。經(jīng)檢驗計算，滿足熱平衡要求。2.3精度等級、公差和表面粗糙度的確定 考慮到所設(shè)計的蝸輪蝸桿傳動是分度裝置，在輕載條件下工作。根據(jù)GB/T100851988的推薦，采用漸開線蝸桿（ZA），蝸輪精度等級6級。 查機械設(shè)計手冊，蝸桿尺寸公差為IT6，形位公差為IT6。2.4錐齒輪設(shè)計計算與校核 2.41錐齒輪的設(shè)計參數(shù) 錐齒輪齒形采用格里森齒制等頂隙收縮弧齒，正交傳動，齒形角20。確定兩個錐齒輪的齒數(shù)都為22，傳動比為1。兩個齒輪材料都為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度240HBS。采

19、用6級精度。 2.4. 2錐齒輪的設(shè)計 已知P=0.9kw n1=2000rmin i1=1選用6級精度，兩個齒輪材料都為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度240HBS。選齒數(shù)Z1=Z2=22確定作用在蝸桿軸上的轉(zhuǎn)矩 T1=9.55106Pn1 =0.9 (2.29) =3869Nmm 按照齒面接觸疲勞強度設(shè)計由公式 d1t2.923ZEH2KT1R1-0.5R2U (2.30)彈性影響系數(shù)由械設(shè)計手冊表106查得 ZE=189.8MP試選載荷系數(shù)K KA=1.0 試選Kt=1.3 KV=1.1選齒輪寬度系數(shù) R=13 傳動比i=1接觸疲勞強度 Hlim1=Hlim2=550MP計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=N2

20、=60n1jLh=60200012830015 (2.31) =2.81010查接觸疲勞強度系數(shù)由機械設(shè)計圖1019查得KHN1=KHN2=0.85取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，則 H1=H2=KHN1HlimS=5500.85=467.5 (2.32)計算 則分度圓直徑為 d1t2.923ZEH2KT1R1-0.5R2U =45.17mm校核模數(shù) m=d1tZ1=2.05 取m=2.25 (2.33)按照幾何關(guān)系計算 d1=mZ1=2.2522=49.5 dm1=d11-0.5R=42.075計算圓周速度Vm(平均直徑處)a.Vm=dm1n1601000=11.76ms , (2.34)

21、b.查圖Kv=1.09校對 d1=3KVKvtd1t=42.37 (2.35)按照齒根彎曲疲勞強度校核 1=4KT1YFYSm321-0.5R2Z122U2+1F (2.36)a.K=KAKVKK=11.1811.51.1=1.947 (2.37) b.YFYS的確定 cos=11+1=0.707 1=2=45 ZV1=ZV2=31.11 YF1=YF2=2.52 YS1=YS2=1.625 c.確定F=FlimSFYNYX (2.38) 查表YN1=YN2=0.86 當(dāng)N3106時， YN=1 YX=1 SF=1.5 查表10-20C，查得F=230MP 所以F=2301.511=153.3

22、MP錐齒輪幾何尺寸分度圓直徑 d1=mZ1=49.5 (2.39)節(jié)錐角 1=tan-1Z1Z2=45 (2.40)節(jié)錐距 R=d2sin=35mm (2.41)齒寬 b=RR=11.67 (2.42)周節(jié) p=m=7.07mm (2.43)變?yōu)橄禂?shù) 1+2=90 x1=-x2=0.461-Z1Z22=0齒頂高 h1=m1+x1=2.25mm (2.44)齒根高 hf1=m1.2-x1=2.7mm (2.45)齒頂間隙 C=0.2m=0.45mm (2.46)齒根角 f1=tan-1hf2R=4.41 (2.47)齒頂角 =tan-1hR=3.67 (2.48)齒頂圓錐角 =+=48.67 (

23、2.49) 齒根圓錐角 f1=1-f1=40.57 (2.50)齒頂圓直徑 d1=d1+2h1cos1=52.68mm (2.51)齒根圓直徑 df1=d-2hf1cos1=44.61mm (2.52)節(jié)錐點到輪冠的距離 AK1=d22-h1sin1=23.16mm (2.53)大端分度圓弧齒厚 S1=m2=3.534mm (2.54)分度圓弧齒厚 S=S11-S126d12=3.5313mm (2.55)分度圓弧齒高 h1=h1+S12cos14d1=2.2946mm (2.56)2.5軸設(shè)計計算與校核根據(jù)前面所列的基本參數(shù)，現(xiàn)在對蝸桿、蝸輪、錐齒輪等進行必要的設(shè)計計算和校核。 2.5.1

24、蝸桿軸的設(shè)計 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)軸上所需要的零件，確定最小軸的直徑并草繪軸的結(jié)構(gòu)圖。圖2.1蝸桿軸擬定軸上零件的裝配方案。經(jīng)過對軸上裝配零件的分析計算，其裝配方案如上圖所示。根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段軸徑和長度。2.5.2蝸桿軸的設(shè)計計算 (1)確定作用在蝸桿軸上的轉(zhuǎn)矩 T1=9.55106Pn1 =0.9 (2.62) =3868Nmm(2)選擇45鋼正火處理，硬度為170HBS217HBS B=600MP S=300MP(3)計算最小直徑 根據(jù)機械設(shè)計查得： d11710630.92000 =8.968.12 （2.63） 選用30204型軸承，聯(lián)軸器選用 所以最小軸徑取為d=22m

25、m.2.5.3蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)軸上定位的要求確定各段軸的直徑和長度 （1）為了滿足聯(lián)軸器的軸向定位要求，L1L2段軸左端需要軸肩，故L1端軸的直徑長度由聯(lián)軸器確定d1=52，d1=50。 （2）初步選軸承 因為軸同時受到軸向力和徑向力的作用，故選雙列圓錐滾子軸承?？紤]到工作要求并根據(jù)軸徑d2=25mm查機械設(shè)計手冊初選00基本游隙組，標準精度級的雙列圓錐滾子軸承30204，其基本尺寸為dDT=255216.2。根據(jù)相關(guān)參數(shù)，軸左端應(yīng)選用N204E圓柱滾子軸承，基本尺寸為dDT=255215。 (3)取安裝錐齒輪處軸直徑為d8=20mm。這樣去可以對軸承N204E圓錐滾子軸承的左端其定位作

26、用。已知錐齒輪的寬度為17mm。為了是軸端的擋板與錐齒輪很好的接觸并其定位作用。故L8=31。軸承N204E圓錐滾子軸承右端軸肩定位。（4） 蝸桿兩端直徑根據(jù)蝸桿參數(shù)取d6=d4=30mm,長度根據(jù)裝配結(jié)構(gòu)蝸桿右端取L4=115mm左端L6=55mm。由蝸桿參數(shù)已知d5=60mm、l5=90mm。 (5)零件的軸向定位 軸承30205的右端用圓螺母固定定位，因此該段軸做成螺紋型。選用M20*1.5的薄螺母。其基本尺寸為dl=208。為了保證軸端不與電機碰撞，故L2=84mm根據(jù)裝配結(jié)構(gòu)d7=d3=26mm L3=15 L7=70mm。錐齒輪左端采用軸端擋板定位，并用螺釘緊固，軸端做成螺紋孔，選

27、用六角螺釘，基本參數(shù)dl=8mm30mm。 （6）軸上零件的軸向定位 錐齒輪、聯(lián)軸器于軸的軸向定位均采用平鍵連接，按d1=22mm 、d8=20mm查機械設(shè)計手冊基本尺寸為：bhl=6620 、 bhl=8716GBT1096-2003 (7)軸端倒角為2452.5.4蝸桿軸的受力分析 求軸的載荷，根據(jù)軸的載荷做出軸的計算簡圖如下:圖2.2 軸的載荷分度各級傳動效率按=0.9計算，則 T1=T2=12T=12171.90.90.9=69.619N （2.64）再水平面內(nèi)： RHB=Ft1+Ft2 (2.65) RHD=Ft1 因為： Ft1=2T1d1=269.10-3=397.8N (2.6

28、6) Ft2=2T2dm2=269.619501-0.50.310-3=3000.44N （2.67） 所以： RHB=397.83000.44=3213.3N RHD=397.8=184.5N MHB=Ft2AB=3000.444510-3= 46.5N.m MHC=FHBBC=(3213.3-3000.44)14710-3=34.932 N 垂直平面內(nèi)： MB=0 得 Fa22710-3-Ft215.510-3+Fa12510-3-Fr116410-3-RVD35010-3=0 已知 Fa2=47.39N Fr2 =47.319N Fa1 = 1375.2N Fr1= Fa1tan20=5

29、95.375N 則 RVD=-179N 由 MD=0 Fa125+Fa1186.5+RVB350.5-Fr2365+Fa227=0 得 RVB= -Fa125-Fa1186.5+Fr2365-Fa227350.5=83N 可以看出C點處受最大載荷，故對C點進行彎扭合成校核。 e=M2+T2W-1b (2.68) W=0.1403=6400 則 e=M2+T2W=1712+103=27.6MPa (忽略鍵槽的影響) -1b=55MPa 故合理。2.5.5蝸輪軸的設(shè)計 （1）取傳動效率=0.95，則 蝸輪軸上的功率 P=P1=0.90.90.95=0.7695KW (2.69) n1=ni=40r

30、min T1=9550P1n1=0.7695955040=183.7N.m (2.70) （2）選擇蝸輪軸的材料為45鋼，正火處理，硬度170HBS217HBS. B=600MPa S=300MPa (3)計算軸徑 軸在蝸輪以上部分受扭轉(zhuǎn)力矩，蝸輪安裝部分的軸徑為： dC3PN=(117106)30. (查手冊得 C=117 106) （2.71） d31.349828.4024mm 選用22206/W33調(diào)心滾子軸承，其內(nèi)徑d=25mm2.5.6聯(lián)軸器的選擇本設(shè)計中電機軸與蝸桿軸通過彈性套柱銷聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。 這種聯(lián)軸器的構(gòu)造與凸緣聯(lián)軸器相似，只是用帶有彈性套的柱銷代替了聯(lián)結(jié)螺栓，通過蛹狀的彈性

31、套傳遞扭矩，它可以緩沖減振。彈性套的材料常用耐油橡膠，并且做成截面形狀，以提高其彈性，半聯(lián)軸器與軸的配合孔可以做成圓柱或圓周形。 半聯(lián)軸器的材料常用HY200，有時也采用35鋼等材料，柱銷的材料也采用35鋼。 3.驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計3.1驅(qū)動器的選擇 步進電機是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖量成正比，其速度與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)（即脈沖頻率）成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電的相序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和方向。步進電機具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉(zhuǎn)及其他任何運行

32、方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，且可獲得較高的控制精度。特別是在短距離的傳動中，步進電機具有很好的精度保障。因此，本次設(shè)計選擇步進電機作為驅(qū)動系統(tǒng)。3.2步進電機的簡單介紹3.2.1基本工作原理 步進電機是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。對這種電機送一個控制脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度，轉(zhuǎn)速度就高，反之則慢；分配脈沖的相序改變后，可以實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)。稱為一步。脈沖數(shù)增加，直線或角位移隨之增加；脈沖頻率高，旋3.2.2步進電機的重要參數(shù) 步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定了下來。步距角電機的步距角取決于負載精度的要

33、求，將負載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）1.5度/3度（三相電機）等。靜轉(zhuǎn)矩 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載兩種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的，直接啟動（一般低速）時兩種負載都要考慮，加速啟動時主要考慮慣性負載；恒速運行時只考慮摩擦負載。一般情況下，靜力距應(yīng)為摩擦負載的23倍內(nèi)好，靜力距一旦選定，電機的機座及長度便

34、能確定下來（幾何尺寸）電流 靜力距一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)距頻特性曲線圖，判別電機的電流（參考驅(qū)動電源、驅(qū)動電壓）。力矩與功率步進電機一般再較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率轉(zhuǎn)換如下： P=M (3.1) =2n60 (3.2) P=2nM/60 (3.3) 其P為功率單位為瓦，為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩，單位牛頓每米。 P=2fM/400 （半步工作） (3.4)其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS）3.3步進電機的選型3.3.1慣量折算和負載折算已知條件：在回轉(zhuǎn)工作臺的傳動系統(tǒng)中，蝸輪蝸桿的模數(shù)m=2,蝸桿的

35、分度圓直徑d1=35.5mm，蝸輪的分度圓直徑d2=180mm,蝸桿的長度L=334mm,工作臺面直徑=250mm，系統(tǒng)的傳動比i=90，蝸輪的寬度b=40mm。材料的密度=7.8103/m31傳動慣量的折算 J=d14l32=3.145010-347.810-333410-332 (3.5) =1.410-4m2 J=d24l32=3.1425010-347.810-34210-332 (3.6) =1.110-2m2 JL=1.410-4+1i21.110-2+10-32 （3.7） =2.9810-4 2.慣量匹配計算 由慣量匹配的條件： 1JMJL4 (3.8) 取匹配值等于2，則有：

36、 JMJL=JM2.9810-4=2 則： JM=5.9610-4 3.步進電機軸上總慣量的計算 J=JM+JL=8,9410-4 (3.9) 4.慣性轉(zhuǎn)矩 空載啟動時電機軸上的慣性轉(zhuǎn)矩為： T=J=J2nmax60tc=1.16Nm (3.10) 5.工作臺所能承受的最大負載轉(zhuǎn)矩為100Nm， 取效率=0.8 T1=T2i=10050=1.6N.M (3.11) 忽略摩擦轉(zhuǎn)矩 啟動時電動機軸上總負載轉(zhuǎn)矩為 Tmax=T+T1=1.16+1.6=2.76N.M 工作時電機軸上負載轉(zhuǎn)矩為 T=T1=1.6N.M 6.最大靜轉(zhuǎn)矩 按照正常運行所需要的在最大靜轉(zhuǎn)矩: TS2=T0.30.5=1.60

37、.30.5=3.25.4N.M (3.12) 7.驗算 驗算準則 TS1=maxTS1,TS2=5.4N.M （3.13）3.3.2選擇步進電機型號 選擇金壇市四海電機電器廠生產(chǎn)的永磁感應(yīng)式步進電機（三相90），根據(jù)上述計算的最大靜轉(zhuǎn)矩5.4N.M，選擇步距角為0.6度，型號為90BYG350C.它的技術(shù)參數(shù)為：內(nèi)容型號內(nèi)容型號相數(shù)相電流電感步距角保持轉(zhuǎn)矩空載啟動頻率空載運行頻率轉(zhuǎn)動慣量重量AmH度N.mKHzKHzKg90BYG350C33.05.20.6/1.26.32.015114.8 4.控制系統(tǒng)設(shè)計4.1控制方式選擇 本次設(shè)計選用可編程控制器（Programmable Logic C

38、ontroller）PLC控制步進電機帶動回轉(zhuǎn)工作臺工作。PLC適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，簡單易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工業(yè)控制裝備。它能夠完成較精確地位置控制。 4.2 PLC的簡單介紹 4.2.1可編程序控制器的由來和分類 1.可編程控制器的由來 可編程控制器（ProgrammableController）簡稱PC，但為了與個人計算機 （Personal Computer）相區(qū)別，也可簡稱為PLC。是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。在60年代，汽車生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的。當(dāng)時汽車的每一次改型都直接導(dǎo)致繼電器控制裝置的重新設(shè)計和安裝。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，汽車型號更新的

39、周期愈來愈短，這樣，繼電器控制裝置就需要經(jīng)常地重新設(shè)計和安裝，十分費時，費工，費料，甚至阻礙了更新周期的縮短。 2.可編程控制器的現(xiàn)狀 世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運

40、算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。 3.可編程控制器的分類 PLC一般可按I/O點數(shù)和結(jié)構(gòu)形式分類。 1）按I/O總點數(shù)分類 （1）小型PLC 輸入、輸出點數(shù)在128點以下，用戶存儲器容量在2KB以下。小型PLC適用于開關(guān)量控制場合， 具有邏輯運算、計算、計時等功能，可以實現(xiàn)條件控制、定時、計數(shù)控制和順序控制。 （2）中型PLC 輸入/輸出點數(shù)在2561024點之間，用戶程序存儲器容量在28KB。中型PLC除具有上述邏輯運算功能外，還有模擬量輸入、輸出、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)通信等功能。這種PLC多采用模塊使結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)控制要求增加I/

41、O模塊外，還有模擬量模塊。因此，可以完成既有開關(guān)量又有模擬量復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制。 （3）大型PLC 輸入/輸出點數(shù)在1024點上，最多可達8192點，用戶程序存儲器容量在8KB或8KB以上。這種PLC有豐富的I/O 模塊，能適應(yīng)各種控制要求。它除了能用梯形圖編程外，還可以采用高級語言編程，如BASIC、C語言等。具有數(shù)據(jù)運算、模塊調(diào)節(jié)、實時中斷、過程監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)通訊、文件處理、遠程控制、智能控制等，也可構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)或整個工廠的自動化網(wǎng)絡(luò)。 2）按結(jié)構(gòu)形式分類 （1）整體式（箱體式） 將PLC的中央處理器單元、輸入、輸出部件安裝在一塊印刷電路板上，并連同電源一起裝在一個標準機殼內(nèi)，形成一個箱體。這種結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，通過輸入、輸出端子與外部設(shè)備連接。一般小型PLC常采用這種結(jié)構(gòu)，它適用于單機自動控制。 （2）機架模塊式 把PLC的各個部分制成獨立的標準尺寸的模塊，主要有CPU模塊（包括存儲器）、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊以及其他各種模塊直接插入機架底板的插座上即可。這種結(jié)構(gòu)形式配置靈活，裝配方便，便于擴展，用戶根據(jù)控制要求靈活地配置各種模塊，構(gòu)成各種控制系統(tǒng)。一般大型、中型PLC采用這種結(jié)構(gòu)。 4.可編程控制器的特點（1） 可靠性高，抗干