机电一体化-回转工作台的设计

机电一体化-回转工作台的设计

二、设计任务及要求

设计题目： 数控回转工作台的设计

1. 设计内容包括：总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书；

2. 设计要求包括：回转角度0～360°；最大回转半径400㎜；最大承载重量50㎏；

3. 机械部分的设计：装配工作图1张（ 1号 ）； 4. 计算机控制的设计：控制系统接口图一张；

5. 控制装置采用步进电机驱动，MCS-51或单片机FX2N-PLC控制系统，软件环分，由键盘输入实现开环控制。 三、机械系统设计

在数字回转工作台机械传动部分选用蜗轮蜗杆传动,因为蜗杆传动平稳,振动,冲击和噪声均较小;能以单级传动获得教大的传动比,结构紧凑,有利于实现回转工作台所要求的分度的实现.故选用蜗轮蜗杆传动. （一）、蜗杆类型的选择:

蜗杆选择为渐开线圆柱蜗杆.因为此种蜗杆不仅可车削还可以像圆柱齿轮那样用齿轮滚刀滚削,并可用但面或单锥面砂磨削.制造精度高.是普通圆柱蜗杆传动中较理想的传动.传动效率也高,在动力传动和机床精密传动中应用较为广泛. （二）、蜗杆蜗轮材料的选择:

由于蜗杆传动啮合摩擦较大,且由于蜗轮滚刀的形状尺寸不可能做得和蜗杆绝对相同,被加工出的蜗轮齿形难以和蜗杆精确共轭,必须依靠运转跑合才渐趋理想,因此材料副的组合必须具有良好的减摩和跑合性能以及抗胶合性能。所以蜗轮通常青铜或铸铁做齿圈，并尽可能与淬硬并经磨削的钢制蜗杆相匹配。故选择:蜗杆材料为：渗碳钢，表面淬硬56-62HRC 牌号为20GrMnTi.蜗轮材料为：铸造锡青铜，牌号为ZcuSn10Pb1 （三）、蜗杆蜗轮参数计算：

1. 蜗杆传动尺寸的确定：

由设计题目中要求可知：工作台回转直径最大为400mm/50千克. 由《齿轮手册》（上）表取蜗杆蜗轮中心距标准a=225mm; 估取蜗杆分度圆直径:

为能获得较大的传动比,取蜗杆头数为: z =1;z =90 估取模数m: m=~a/ z = 取m=4 q=d /m=80/4=20 6 tanγ= z /q 则γ=° 2. 确定蜗轮蜗杆各参数值 蜗杆尺寸“

1) 蜗杆轴向齿距:p =πm=×4= 2) 螺旋线导程:p =p ×z =×4=

3) 法向齿形角:对于ZI蜗杆αn=20°在分度传动中允许减小齿形角α =15° 4) 直径系数:q= d /m=80/4=20

5) 蜗杆分度圆(中圆)直径: d (d )= d =qm=80 6) 蜗杆分度圆(中圆柱)导程角: γ=° 渐开线蜗杆:

基圆柱导程角: γ cosγ =cosαncosγ γ =° 7) 基圆直径:d d = z m/tanγ = 8) 法向基节:p =πm cosγ = 9) 蜗杆齿轮顶高:h =h m=1×4=4 10 蜗杆齿根高:h =1.2m= 11) 蜗杆全齿高:h = h + h =4+= 12) 顶隙:c =0.2m= 13) 齿根圆半径:ρ =0.3m= 14) 蜗杆齿顶圆直径:d =d +2 h =88 15) 蜗杆齿根圆直径:d = d -2 h = 16) 蜗杆齿宽:b =95 蜗轮尺寸:

1) 蜗轮中圆螺旋角:β =γ=°

2) 蜗轮分度圆(节圆)直径:d =m z =4×60=240mm 3) 蜗轮中圆直径:d = d =240mm 4) 蜗轮齿顶高:h =1×4=4mm 5) 蜗轮齿根高:h =×4=4.8mm 6) 蜗轮全齿高:h =h =8.8mm

7) 蜗轮齿顶圆直径:d =d+2ha=240+8=248mm 8) 蜗轮齿根圆直径:df2= d -2h ==230.4mm 9) 蜗轮外圆直径:d = d +m=248+5=253mm 10) 蜗轮齿宽:b =80.3mm

（四）、蜗轮带动工作台转动需克服的力:

滚动导轨的摩擦系数为:f=～取:f=工作台重量为:50㎏×=490N 摩擦力:则可知:周向力F=Gf=490×= （五）、蜗轮蜗杆的支承结构:

蜗杆及蜗轮的支承通常都采用滚动轴承,蜗杆支承跨距L1应尽量紧凑。通常L1=（~）a.其中用于a≤500。用于a≥500。蜗轮支承跨距L2=（）d2。d2为蜗轮分度圆直径，其中适用于小尺寸传动。

蜗轮蜗杆具有轴向力，当跨距小时常采用接触球轴承或圆锥滚子轴承。轴向力不大是亦可采用向心球轴承。支承跨距较大或载荷有冲击而双向传动时，可在一个支座上采用两个相反方向放置的角接触球轴承或圆锥滚子轴承并加以预紧，在设计中选用圆锥滚子轴承（7306E）用于承受轴向及径向力。另一支座则采用一个单列向心球轴承或圆柱滚子轴承（选用圆柱滚子轴承2208）并允许针对箱体有相对轴向游动，也可在一端采用双列调心球轴承或双列调心滚子轴承。另一端采用单受径向力的向心轴承。

向位置和游隙的调整依靠事先磨削好的调整环或垫片组，他们可以放置在轴承外圆和压盖圆筒之间。而垫片组也可放置在压盖端面和箱体凸缘之间。 （六）回转台结构

图1 回转台结构

四、步进电动机的选择

磁阻式步进电动机由于其结构简单，性能可靠，分辨率高等优点，故选择磁阻式步进电动机。

90BF006磁阻式步进电动机产品数据： 相数：5 步距角： 电压：24 相电流：3A 最大静转矩M

空载起动频率：f=2400step/s 电阻：Ω

分配方式：五相十拍 重量：2.2kg 五、控制系统设计

（一）系统方案设计构成

本系统包括机械部分和伺服电机控制两部分。根据所给的要求，拟用开环控制结构设计方案，其开环系统结构原理如图1。

图2 开环系统结构原理

具体原理：编写单片机指令，通过扫描键盘输入的数字记录需要转动的角度，然后计算需要输出的脉冲，用软件的方法实现脉冲的输出，然后由光电耦合电路减小外部的干扰，接着用环行分配器使各相绕组按一定的顺序通电，由功率放大电路实现功率的放大，然后接步进电动机，通过联轴器把力矩传到蜗杆、蜗轮减速器。由于蜗轮与回转工作台以传动轴相连接，具有相同的角速度，使得蜗轮的转动带动回转工作台的转动。理论上，回转工作台的转动角位移精度由微机发出的电平信号来控制。 （二）、单片机的选用

本设计选用8031芯片，片内无ROM或者EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPROM。本设计选用了2764扩展其空间，8031的引脚分3大功能： （1） I/O口线

P0,P1,P2,P3共4个八位口。 （2） 控制口线

PSEN(片外取指控制)、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESET（复位控制）。 （3）电源和时钟

8031最小应用系统。8031内部不带ROM，需要外接EPROM作为外部程序存储器。又因为8031在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8位信息和数据信息分时送出，故还需要采用一片74LS373来锁存低8为地址信息。这样，一片2764EPROM和一片74LS373组成了一个最小的计算机应用系统。MCS-51的程