《外圆柱凸轮加工工作台的设计毕业设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《外圆柱凸轮加工工作台的设计毕业设计.doc（86页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、 外圆柱凸轮加工工作台的设计专 业：机械设计制造及其自动化姓 名： 班 级：12机械学 号：1222001204037指导教师: 职 称：毕业设计（论文）任务书 专业：机械设计与自动化专业 班：12春 姓名：谭晓亮毕业设计（论文）题目：外圆柱凸轮加工工作台设计 毕业设计（论文）内容： 1机械设计部分。2数控系统的硬件设计 3数控系统的软件设计。 毕业设计（论文）专题部分：圆柱凸轮机构具有体积小、结构紧凑、刚性好、传动转矩大等优点，因而在自动机械中被广泛应用. 毕 业 设 计（论文）成 绩 评 定 和 评 语姓名：谭晓亮 班级：机械设计与自动化专业 学号1222001204037.毕业设计（论文
2、）题目：外圆柱凸轮加工工作台设计 .指导教师评语及评分评语： 评分： 指导教师： 年 月 日.答辩委员会（小组）评语及评分评语： 评分： 总评成绩： 答辩委员会（小组）负责人： 年 月 日目 录第1章 前言.1.1 本次设计的题目来源. 71.2 本次设计的背景. .81.3 本次设计的任务.91.4 设计方案分析.10第2章 机械设计部分2.1 进给系统传动形式和结构42.2 滚珠丝杆的传动计算2.3 轨的设计 2.4 步进电机的选用82.5 步进电机相连的渐开线圆柱齿轮接触疲劳强度的校核.102.6 择回转工作台的步进电机.122.7 定蜗轮蜗杆的模数及有关尺寸.132.8 轮蜗杆的材料及
3、许用应力.152.9 杆的散热计算.152.10蜗杆的散热计算.152.11蜗轮齿根弯曲强度校核(负变位)162.12蜗轮夹紧机构设计.17第3章 数控系统的硬件设计.183.1 定硬件电路总体方案.183.2 工作台回转工作台的控制要求作如下规定.183.3 控器CPU的设计.193.4 进电机驱动电路的设计.213.5 它辅助电路设计 .25第4章 数控系统的软件设计4.1 模块组成 .284.2 缓冲区设置.284.3 中断优先级. .284.4 模块说明及流程图.28总 结.35参考文献.36致谢.37第1章 前 言1.1 本次设计的题目来源圆柱凸轮机构具有体积小、结构紧凑、刚性好、传
4、动转矩大等优点，因而在自动机械中被广泛应用，应用普通机床和机械靠模装置加工凸轮具有不少的缺点，不但加工出的凸轮型面误差较大，且易磨损，磨损后，更换周期长，造价高，现在凸轮型面又不断更新，形状日趋复杂，因此传统的方法已不能满足新产品的发展的要求。目前，加工圆柱凸轮的较理想的方法是采用带有一个回转工作台的数控铣床加工，我们所设计的外圆柱凸轮加工工作台是典型的机电一体化产品，本次设计利用机电一体化技术改造了传统的立式升降台铣床。随着数控技术的日趋发展，各国也都在研制试用于加工凸轮的数控铣床。对于种类多，批量小，产品更新快高精度且形状复杂的零件进行加工，具有无可比拟的优越性。机电一体化是当今世界机械工
5、业技术和产品发展的主要趋势，广泛应用机电一体化技术可以提高产品质量和性能。将传统工业转移到新技术的基础上，满足国民经济发展和人民生活水平提高的要求，同时还可以扩大机电产品的出口，促进对外贸易和交流，因而对于振兴我国的优越工业具有重大作用，对于推动我国科学技术的进步和国民经济的发展也是有极为深远的战略意义。本次设计让我了解了相关的工业政策，同时也确立了正确的设计思想，学会了快速运用手册，标准、规范等资料。也提高了我独立分析问题的能力。1.2 本次设计的背景按机电一体化思想，凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相结合而形成的各种技术、产品或系统，均属于机电一体化范畴。其目的是不断提高劳动生产率，
6、减轻人们的体力劳动，逐步代替部分脑力劳动。通过这种技术生产出来的是种类繁多的机电一体化产品，这些产品广泛的应用到国民经济、科技活动、国防建设和人民生活的各个领域。同时还可以扩大机电产品的出口，促进对外贸易和交流，因而对于振兴我国的机械工业具有重大的作用，对于推动我国科学技术的进步和国民经济的发展也具有极为深远的战略意义。我国数控机床附件产品可以说还处在一个发展阶段，品种、规格、可靠性等方面还需要有一个完善的过程，还远远没有达到成熟的程度。因此作为国家应该给予一定的扶持，作为企业应在适应市场需要、加大产品的开发力度、提高装备水平、采用新材料、新工艺、新技术方面多下工夫。我国高档数控制造水平达到或
7、接近国际水平，在制造手段上已逐步完善并已有颇具实力的开发生产能力，建立起不同程度的拥有一定规模的数控机床生产基地。数控机床正朝着高精度、高效率、高自动化、全功能的机电一体化方向发展。1.3 本次设计的任务此次设计是在原有的升降台立式铣床增加一个用单片机进行控制的外圆柱凸轮加工工作台。同时保留原机床的加工能力和主进给功能，具有工进、快进、急停、显示行程和报警及断电保护功能。并且保证其线性位移定位、角度位移定位精度；达到快速进给速度和切削时最大速度。设计要求：1) 设计成果应符合国家标准和相关规范；2) 总体方案，主要部件结构合理；3) 控制系统功能完全； 1.4 设计方案分析 所设计的凸轮加工工
8、作台放置在原有的立式升降台铣床上，工作台纵向运行由原来的手动进给，工作台的横向进给运动由步进电机带动一对齿轮进行传动，回转工作台通过步进电机带动蜗轮蜗杆进行转动。数控铣床与一般的数控机床一样，图1-1所示为开环控制的数控铣床框图。控制介质数控装置伺服系统机床本体图1-1 开环控制数控铣床框图工作过程是将机床工作台运动的位移量、位移速度、位移方向、位移轨迹等参量通过控制介质输入给机床数控装置，数控装置根据这些参量指令计算得出进给脉冲序列，然后经伺服系统转换放大，最后控制工作台按所要求的速度、轨迹、方向和距离移动。微 机环形分配器环行分配器光电偶合器光电偶合器功率放大器功率放大器步进电 机步进电
9、机X工作台执行文件X工作台执行文件图1-2 工作台的工作原理框图存 储 系 统电机接口显示器键盘主控制器图1-3 工作台X控制系统框图主控制器：单片机 存储器：EPROM、RAM I/0接口：键盘、显示器、步进电机第2章 机械部分设计2.1 进给系统传动形式和结构数控铣床对进给系统的要求有三点：即传动精度、系统的稳定性和灵敏度。为确保数控铣床这三点要求，对进给驱动装置机械结构总的要求是消除间隙、减少摩擦、减少运动惯量、提高部件精度和刚度。X向工作台移动采用滚珠螺旋机构，可以满足运动灵敏度和精度的要求，为使传动稳定可靠，采用丝杠传动，螺母带动工作台移动的传动形式。2.2 滚珠丝杆的传动计算滚珠丝
10、杆螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置，在数控铣床上得到了广泛的应用。它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杆螺母间装有滚珠，使丝杆与螺母之间的运动成为滚动，以减少摩擦，提高了传动效率与传动精度。已知条件：1）所加工的圆柱凸轮外形尺寸为350500mm； 2）立铣刀直径10： 3）工件材料为碳钢=0.637GPa.查表得硬度合金铣刀铣削力计算公式：Fc=9.812.5ac0.85af0.75ap1.02do-0.73n0.13600.13 3选择式中参数：（1） 铣刀宽度 ac=10mm；（2） 铣削深度 ap=6mm；（3） 每齿进给量 af=0.1mm/齿；（4） 铣刀齿数 z=3
11、齿；（5） 铣刀直径 do=10mm；（6） 铣刀转速 n=1000v/do=10000.9/10=28.6转/分=0.48r/s:把以上条件带入式中：Fc=9.8112.5100.850.10.7561.0310-0.730.480.13600.13=801N修正系数：KFc=（b/b）=（0.637/0.736）0.3=0.958故实际的圆周切削力为Fc为8010.958=768N，铣削加工对主切削力Fc与铣削进给抗力Fs之间比值由机床设计手册查得：Fs/Fc=1.01.2，取Fs/Fc=1，所以Fs=Fc=768N，垂直分力与Fc的比值为0.750.8，取Fz/Fc=0.75，则Fz=0
12、.75768=576N。（1） 最大动载荷Q的计算3查表：fw负荷性质系数.取fw=1.3； FH硬度影响系数 HRC58，取fM=1.0对于矩形导轨的机床：F=f（2Fz+G+2FY）+KFx(b)其中：FYY方向上的切削力；G工作台总重量，取G1500N选用直接导轨f=0.02； K取1.4由机械制造工艺设计手册查得铣削力分解及比例关系，取Fy=2576=1152N，代入(b)式：F1.4576+0.02(576+1500+21152)=894N L=60nT/106查表：T=15000h N=60v/it=(6015/60)/(1.256103)=200r/min所以：L=6020015
13、00/106=180。把条件代入(a)式：Q=由最大动载荷Q值选择LD型外循环螺旋槽式双螺母垫片预紧滚珠杆螺母副，型号为LD326-2.5-3，额定负荷15KNQ预紧力Fo=0.251500=375N一般铣削时载荷Fa=1000+(mz+mz件)g 3 =1000+0.02(1500+200) =1034NF01/3 Fa =1/31034=344.7N(2) 丝杆螺纹部分长度螺杆工作长度L应满足控制系统中的行程要求：LL1+H+L3L1控制系统需要的行程 L1=510mmH螺母长度 H=160mmL3满足行程以外的余量60mm所以：L510+160+60=730mm 取L=838(3) 支承
14、距离L lL 取L=880mm(4) 轴承选择： 轴端结构：采用两端固定 轴承型号：推力球轴承 8205型 深沟球轴承 105型(5) 临界压缩载荷：对两端轴向固定受压缩的滚珠丝杠，应进行压杆稳定性校核计算。不发生失稳的最大压缩载荷称为临界压缩载荷，所以以Fc表示。Fc=3.41010-f1d24/LO2(N)其中d2丝杠螺纹底径：d2d0=32-1.53.5=27.8mm f1支承方式系数：f1=2.00 l0最大受压长度：l0=612mm代入上式： Fc=3.4101020.02784/0.6122=1154N Fa SHmin, 故安全2.6 选择回转工作台的步进电机(1) 确定脉冲当量
15、P=0.05mm/step,步矩角Qb=1.5/step(2) 步进电机启动力矩的计算(3) 确定步进电机的最高工作频率fmax=1000V/P (2.6.1)其中：V=0.9m/min=0.015m/s所以fmax=10000.015/0.05=300Hz初选110BF003电机(4) 求齿轮传动比因为，即0.05= 1.5所以=30取Z1=2，Z2=60最小齿数27所以传动比合适，确定选用110BF003电机2.7 确定蜗轮蜗杆的模数及有关尺寸在数控转台中，蜗轮副的啮合侧隙对其分度定位精度影响最大，由于双导程蜗杆传动具有改变啮合侧隙的特点，能够始终保持正确的啮合关系，并且结构紧凑，调整方便
16、。双导程蜗杆与普通蜗杆的区别是：双导程蜗杆齿的左右两侧面具有不同的齿距(导程)；而同一侧面的齿距是相等的。因此，该蜗杆的齿原从蜗杆的一端均匀的逐渐增厚或减薄，所以又称变齿厚蜗杆。故可用轴向移动蜗杆的方法消除或调整蜗轮副之间的啮合间隙。表2-2 蜗轮蜗杆的模数及有关尺寸名称代号公式蜗杆头数Z1Z1=2蜗轮齿数Z2Z2= Z1i=230=60齿形角X=n=20模数mm=4蜗轮变位系数X2X2=-1蜗杆分度圆直径d1d1=mz1/tgr=30导程角rr=73533中心距aa=( d1+d2+22m)/2=139蜗轮分度圆直径d2d2=mz2=460=240蜗轮喉圆直径da2da2=d2+2ha2=2
17、40+24=248蜗轮齿根圆直径df2df2=d2-2hf2=230.4蜗轮齿顶高ha2ha2=(da2-d2)/2=4蜗轮齿根高hf2hf2=(d2-df2)/2=4.8齿轮顶圆直径de2de2da2+1.5m=254蜗轮齿宽b2b20.75da1=28.5蜗杆齿顶圆直径da1da1=d1+2ha1=38蜗杆齿根圆直径df1df1=d1-2hf1=20.4蜗杆齿高h1h1=1/2(da1-df1)=8.8顶隙CC=0.2m=0.8(1) 公称模数：m=4；(2) 齿厚增量系数KS：为蜗杆轴向移动单位长度内的轴向齿厚变化量。KS据Z2，fB值从表2-2中选取KS=0.04(3) 齿厚调整量S：
18、为补偿制造误差和蜗轮最大允许磨损量所形成的侧隙选取。S=0.15mm(4) 模数差与节数差：模数差m为左、右齿面模数m左、m右与与公称模数m之间差的绝对植。m=0.5mksm左=m+m=(1+0.5ks)m=4.08m右=m-m=(1-0.5ks)m=3.68同样，节距差t值，左面齿距和右面齿距分别为：t=0.5mks=0.5tks=0.25t左=(1+0.5Ks)m=(1+0.5Ks)t=12.82 t右=(1-0.5Ks)m=(1-0.5Ks)t=11.56综上：当数控转台副侧隙要减少0.12m，可以调整算出蜗杆轴向调整为0.12/RS1=0.12/0.041=3mm，可以把调整环磨薄3m
19、m，再装上可准确的减少侧隙。2.8 蜗轮蜗杆的材料及许用应力蜗杆：材料40Gr，硬度4555HRC，取50 热处理表面淬火，齿面粗糙度：Ra=1.0m蜗轮：材料ZCuSn5Pb5Zn5机械性能：许用接触应力许用弯曲应力2.9 蜗杆的散热计算12其中:n1蜗杆传动的啮合效率 n1=tgr/tg(r+R)=tg735/tg(735+309)=0.71n2考虑搅油损耗的效率，取n2=0.96n3轴承效率，每对滚动轴承0.980.99，取n3=0.98=0.710.960.98=0.672.10 蜗杆的散热计算传动工作中损耗的功率为:PS=P1(1-n)W，其中P1输入功率WP1FCV=7680.9/
20、60=11.52W,取P1=12WPS=12(1-0.67)=3.96W由于PS很小，可以采取自然通风的冷却方法。2.11 蜗轮齿根弯曲强度校核(负变位)(1) 确定许用应力 知VS=0.01m/s采用浸油润滑，EVS=0.7轮齿应力循环次数：其中n2蜗轮转速 n2=1.43n/minLh使用寿命5年每年工作300d每天工作8h0.4nL=601.451530080.4=4.4105Zn=YN=1.0(2) 齿轮弯曲强度校核按表齿根弯曲强度验算公式：6FP (2.11-3)其中按YFS=4.5 YB=1r/180=17.58/120=0.94KA使用系数0.9KV动载系数1.1KB齿向载荷系数
21、1.1将上述诸值代入式2.113中：所以满足条件。2.12 蜗轮夹紧机构设计参照装配图的主视图：蜗轮89下部的内、外面装有夹紧瓦72、90，数控转台的底座上的固定支座内均布6个油缸85。油缸上端进压力油，柱塞89下行，并通过钢球88推动夹紧瓦90、72，将蜗轮夹紧，从而将数控转台夹紧。数控转台不需要夹紧时，控制系统首先发出指令，使油缸上的油液流回油箱。由于弹簧的作用，把钢球抬起，于是夹紧瓦就松开蜗轮。然后，启动功率步进电机，并照指令脉冲的要求来确定数控转台的回转方向、回转速度，当数控转台为分度用时，分度回转结束后，要把蜗轮夹紧，以保证定位的可靠性，并提高承受负载的能力。第3章 数控系统的硬件设
22、计 3.1 确定硬件电路总体方案任何一个微机控制系统都由硬件和软件的部分组成，有了硬件才有软件运行的基础，而只有配置了软件的硬件才是可工作的控制系统硬电路的可靠性将直接影响数控系统的性能指标。 所设计的外圆柱凸轮加工工作台数控系统的基本硬件由以下几部分组成。(1) 中央处理单元，即CPU(2) 总线，包括数据总线(DB)，地址总线(AB)和控制总线（CB）(3) 存储器，包括可编程存储器EPROM和随机读写存储器 RAM.(4) 输入/输出接口电路 其中CPU是整个系统的核心，是控制其它各部分协调工作的“大脑”，存储器则是软件（监控系统）及系统运行中各种数据的存储库。I/O接口电路是系统与外界
23、进行信息交换的桥梁，总线则是联接CPU，存储器和I/O接口电路的纽带，是各部进行通信的线路。 3.2 X工作台，回转工作台的控制要求作如下规定： (1) X工作台用步进电机作驱动机构，步进电机选用3相六拍，0其脉冲当量为0.01mm/step. 回转工作台用步进电机作驱动机构，步进电机选用3相6拍，其脉冲当量为0.05mm/step (2) 能用键盘输入命令，控制工作台沿X的方向自由运动，运动范围为：0500mm (3) 具有当工作台超越边界时，能以指示灯报警，并停止运行。 (4) 具有急停，显示和掉电保护等功能。 3.3 主控器CPU的设计电气控制系统的设计（一） 控制系统方案及框图1、 总
24、体组成根据前面需要，设计如图21所示的控制系统。 主 控 储存系统 制单机接口图XY控制系统框图主控器：单片机。存储器：EPROM、RAMI/O接口：键盘，显示及步进电机系统总体确定后，进行各部分具体设计。2、 软硬件任务合理分配涉及软、硬件任务分配的有:控制步进电机的脉冲发生与脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。上述三个都可以用专用硬件芯片实现，也可以用软件编程实现，用硬件实现，编程时较简单。但同时增加了硬件成本及故障源。用软件实现，可节省芯片降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾 同时还应根据设计者软、硬件方面的实际经验及能力。此处决定如下：控制步进电机用的
25、脉冲发生器硬件采用国产YB104环形分配器实现。字符发生及键盘扫描均由软件实现。3、 主控器主控芯片选择：此XY工作台数控系统选用美国Intel公司的MCS51系列单片机。MCS51系统单片机的基本特性：单片机是集CPU、 I/O端口及部分RAM于一体的功能很强的控制器。现在用得较为广泛的是MCS51系列。该系列包含三个产品：8031、8051和8071。三者的引脚完全兼容，仅在结构上有一些差异，主要是：8031是无ROM的8051，而8751则是用EPROM代替ROM的8051。通常所说的MCS51单片机是该系列的简称。用的最多的是该系列中的8031，故主控芯片选用8031。8031具有以下
26、特点：、具有功能很强的8位中央处理单元CPU。、片内时钟电路6MHZ或12MHZ每执行一条命令时间为2s或1s。、片内有128字节RAM。、可扩展有64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器。、具有21个特殊功能寄存储器。、具有4个I/O口，32个I/O线。、具有2个16位定时/计数器。、具有五个中断源，配备2个中断优先级。、具有一个全功能串行接口。、具有位寻址能力，适用逻辑运算。4、 控制系统方案的设计此设计控制系统采用8031芯片，并扩展一片程序存储器，一片数据存储器，一片I/O接口芯片，X向和Y向电机采用硬件环形分配器，开环控制，控制系统如图22。RAMEPROM微机外设键盘
27、显示I/O接口功率放大步进进电机光电隔离隔离唤醒反配器控制系统图5.1.1存储器扩展电路的设计由于主芯片8031无片内ROM，RAM也只有128字节，远不能满足使用要求所以必须外设一片程序存储器并扩展一片RAM。（1）外部存储器的操作时序CPU由外部程序存储器取指令时，16位地址由P0口输出高8位地址，低8位地址由P2口输出，而指令由P0口输入，P0口的分时复用的地址/数据总线当不访问外部数据存储器时，P2口具有锁存功能，可直接接至外部存储器的地址端，无需再加锁存器。当系统中访问外部存储器时，时序有此变化。ALE由高变低时，P0总线出现的将不再是有效的PCL的值，而是DPL值，同时在P2口出现有效的DPL值。当RD或WR