机电一体化机床总体方案的拟定说明书毕业论文

. . . . 第1章 机床总体方案设计1.1 机床总体方案的设计方法简述机床总体方案的拟定，包括三方面的容：调查分析、工艺分析、机床总体布局。1.1.1 调查分析（1） 对加工对象的了解铸鋁、鋁合金、有色金属、铸铁、结构钢和易切钢、调质钢、渗碳钢、氮化钢、铁素体和奥氏体钢、不锈钢、钛钢、镍钢。（2） 对使用要求与制造条件的了解本次设计的机器主要是通过步进电机，实现自动控制；同时，方便了工人的劳动。（3） 对同类与类同设备的了解通过调研分析，我选择了一些类同设备的资料，作为此次毕业设计题目的比较。现就选其中一种普通机械振动装置来比较说明：偏心轮摆杆机构：偏心轮摆杆机构提供复合振动装置的振源。电机（2800r/min）经一级皮带传动，使偏心轴产生6000r/min的转速，偏心轴的旋转使摆杆以与固联在摆杆上的滑块产生100Hz的摆转振动。滑块的摆转振动将传递给与之相连的滚珠丝杠螺母机构，从而带动枪钻头振动，这种机构结构紧凑，振动未经任何放大，较好地限制了系统的附加振动和噪音。在这里，改变摆杆摆转频率有两种办法：一是采用更换皮带轮的方法改变传动比；另一种方法是采用调速电机实现无级调速。改变摆杆摆幅的方法也有两种：一是更换偏心轴，使摆杆的摆幅改变；二是采用活动偏心轴，通过改变偏心轴的偏心量进行无级调偏从而使摆杆实现无级调幅。本次设计的机构在振动钻削效果方面毫不逊色于以上这种装置，并且综合了机电一体化方面的知识，使振动钻床向着更现代化的方面发展，自动进给压电瓷振动钻床更方便，唯一不足之处是对电的损耗，这也将在以后的实际应用中得以改进。1.1.2 工艺分析（1） 工艺方法的选定同一种工件的加工可以有众多的工艺方案。工艺方法对机床的结构和性能的影响很大，工艺方法的改变常导致机床的运动、传动、布局、结构、经济效果等方面的一系列变化。由于应用振动切削技术，能解决难加工材料或难加工工序的精密深孔加工问题，我们对低频振动钻削精密深孔进行了较深入的实验研究。研究中发现振动参数的选择对于断屑、表面质量与切削力等的影响很大：1）振幅越大，深孔钻削时的断屑效果、孔表面质量越好。但振幅太大会带来其它问题，一是大振幅会增加刀具的磨损，影响刀具的寿命；二是大振幅使系统的振动和噪声加剧。因此对振动装置要能根据工件材料、刀具耐磨性、机床抗振性等因素调节振幅的大小，同时在结构设计上应考虑尽量降低系统的附加振动和噪音。2）振动方式对断屑效果、孔表面加工质量、工具寿命都有直接影响。振动方式一般有轴向振动、周向振动和二者合成振动3种，具体的选择与工件材料、硬度、可切削性有关。轴向振动方式容易形成分离型切屑，适用于较软不易断屑的纯铝、纯铜等材料。但轴向振动时刀具与切削面的分离易造成刀具损坏，故淬火钢等较硬材料不宜选用这种方式，以免崩刃；周向振动一般为非分离型切屑，其断屑效果虽比普通切削强得多，但比轴向振动要差一些。但这种振动方式对刀具保护好，寿命长，适用于较硬易断屑的淬火钢等材料；轴向与周向的合成振动断屑效果最好，但刀具磨损也最严重，可用于难加工材料，如不锈钢等。（2） 选定了工艺方案后，即可进行机床的运动分配确定机床的运动时，应当在满足工作要求的前提下，尽可能减少运动数目，特别是减少要求高的运动数目（例如分度运动等）。尽可能简化运动装置和传动装置的结构，减少运动执行件的数目，用一个执行件完成多个运动。具体的运动方案是：手动调节六角长螺栓，实现在大方向上的大概位置。再在步进电机的带动下实现自动进给。主轴自行旋转，并在压电瓷的作用下产生振动，在步进电机下面是谐波齿轮减速器，然后经过同步带、齿轮齿条实现钻头的上下运动。1.1.3 机床的总体布局（1）本项工作的基本要求：1） 保证刀具和工件间的相对位置和相对运动2） 足够的刚性，抗振性3） 便于操作、维修、排屑等4） 材料消耗低，占地面积小5） 造型美观（2）总体布局的具体容包括：运动分配时应考虑的结构因素；机床传动形式的确定，结合本设计题目的总体布局如图1.1所示；机床支承结构形式的确定，结合本设计题目的支撑方式如图1.2所示。1 步进电机2 刚 轮3 波发生器4 柔 轮5 带 轮6 同 步 带7 齿 轮8 齿 条 图1.1 总体布局示意图图1.2 支撑方式示意图1.2 机床主要技术参数的确定主要技术参数包括：主参数和基本参数。主参数表征机床的主要规格，机床的加工围；基本参数包括尺寸参数、运动参数、动力参数。1.2.1 机床运动参数的确定（1） 主轴转速的确定 ，本次为22000r/min1) 主轴的最高、最低转速 （1.1）（1.2）式中、：常用的经济加工的最大、最小直径。；。D可能加工的最大直径,本次的最大钻孔直径为3mm；K系数；按机床不同有所不同，例如摇臂钻床K=1；普通车床K=0.5；Rd计算直径围（Rd=0.200.25)。2）选用公比的原则：越小，越小；在已定的和之间，越小，转速级数越多，传动系统越复杂。（2） 进给量的确定进给机构具有无级和有级变速两种形式。当采用有级变速时，一般均采用等比数列，其标准公比同前述。特殊情况下采用等差数列，例如采用棘轮机构实现间歇进给时，进给量数列只能属等差数列。1.2.2 机床电机功率的确定主运动电机功率的确定方法主要包括：实测法、计算法、统计分析法。实测法指选一台传动与结构跟所设计机床相近似的机床，并选择特定工序或典型工序，用电表测量其一定时间T的输入电功W（千瓦小时），电动机功率；计算法是根据切削原理公式或估算公式计算的。进给电机功率的确定方法和主电机的一样。快速运动电机功率的确定一般采用统计法。在设计时常用一种以上的方法，相互比较，经分析、修正而最后确定电机功率。1.3 伺服机构所谓的伺服机构是指以机械位置或角度作为被控参数的自动控制系统,有时也被称为随动系统或伺服系统。伺服系统若按有无检测装置可分为两类：开环伺服系统和死循环伺服系统。开环伺服系统主要由驱动控制环节、执行组件和机床三大部分组成；死循环伺服系统主要由反馈检测单元、比较环节、驱动线路、执行组件和机床五部分组成。本次设计是用单片机控制钻床进给系统，加工对象为微小孔，主轴具有较高的转速，因此要求伺服系统具有较高的灵敏度和稳定性，而步进电机其转速不受主轴具有的较高转速电压高低的影响，步距误差不会长期积累，易于采用脉冲信号控制，可以达到本次设计的要求，成本比较低，性能良好，所以本次设计采用步进电机开环伺服系统。下面是典型的开环伺服系统结构示意图：机械执行机构机械传动机构执行元件功放电路接口电路微机图1.3开环伺服机构单片微型计算机（single chip microcomputer）简称单片机。它把组成微型计算机的各功能部件:中央处理器（CPU），随机存取存储器RAM，只读存储器ROM,可编程存储器EPROM,并行与串行输入/输出（I/O口）接口电路与其它功能部件如定时器/计数器、中断系统等集成在一块半导体芯片上,构成一个完整的微型计算机。随着大规模集成电路技术的发展,单片机还可包含A/D,D/A转换器,高速输入/输出部件,DMA通道,浮点运算等新的特殊功能部件。由于它的结构和指令都是按工业控制要求设计的,特别适合于工业控制与与控制有关的数据处理场合,因而目前应确切称其为微控制器(Microcontroller)。单片机的特点：具有优异的性能价格比；集成度高、体积小、可靠性高；控制功能强；低电压、低功耗。第2章 主轴部分的设计由于本设计中要求主轴转速达到22000rpm,因此在设计中直接采用电主轴实现。电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身与其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、置编码器、换刀装置等。电主轴中融合了高速轴承技术、高速电机技术。电主轴通常采用复合瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承，或静压轴承，外圈不接触，理论上寿命无限长。电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电机，其关键技术是高速度下的动平衡。电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油，所谓定量，就是通过一个叫做定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。为了实现自动换刀以与刚性攻丝，电主轴置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以与与进给的配合。为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟形簧、拉刀油缸。瑞士IBAG公司在电主轴行业技术领先，公司成立于1941年，生产漫漫，主轴已经有30年的历史了。现在就以这个公司的产品为例，让大家了解一下电主轴的最新技术与发展趋势：电主轴最早是用在磨床上，后来才发展到加工中心。瑞士强大的精密机械工业（例如制表工业）不断提出要求，早在20年前高速切削就在瑞士变得越来越流行，使电主轴的功率和品质都不断得到提高。IBAG公司提供几乎任何转速、扭矩、功率、尺寸的电主轴，产品围很宽，其电主轴最大转速可达140000r/min，直径围33300mm，功率围125W80KW,扭矩围0.02300Nm。用户可能提出自己希望的功率、扭矩曲线，还可以为用户做特殊的机械结构。现在的机械加工工艺要求的主轴转速越来越高，高转速也越来越成为衡量一个产品水平的标志，成为商家竞争的焦点，谁先采用了更高转速的主轴，谁便在激烈的竞争中拥有了一硬牌。电主轴将会像直线导轨一样成为机床标准部件。我国二机床集团、多棱数控机床股份、宁江机床（集团）股份、川机床集团、东风设备制造厂、大学海捷制造公司、科挺自动化公司、G01模具工具制造公司等都已在其产品上采用了IBAG公司的电主轴。第3章 传动系统的设计进给系统的设计计算主要是根据传动系统图，加工要求等来确定传动比，并由此来选用和设计进给系统的动力和传动等组件。3.1 确定总的传动比3.1.1 初选步进电机的步距角与系统脉冲当量为了提高加工精度，步距角应选得越小越好，可是当脉冲频率f一定时，步距角越小，则步进电机转速越低，从而其输出的功率也越低。从加工精度上讲，应该选用较小的步距角，但是从提高输出功率上讲又要求步距角不能取得太小，综合各项要求，我们初步选择步距角。对于开环伺服系统，脉冲当量一般取为0.010.0005mm/step。为了达到系统要求的设计精度，在这里我们初步选取系统脉冲当量=0.0013mm/step，即当脉冲发生装置产生一个脉冲信号，步进电机在放大了的脉冲信号的作用下转过一个步距角时，钻头沿轴线向下移动了0.0013mm。初步选用三相六拍反应式步进电机。3.1.2 初选齿轮齿条传动的模数和齿数因为进给系统所消耗的功率很小，所以最后一级齿轮齿条所承受的负载也并不是太大，因此齿轮齿条的模数初选为m=1，同时为了防止发生齿与齿之间的根切现象，所以选取齿数为Z=20，则齿轮分度圆直径为。3.1.3 初算总传动比在步进电机开环伺服系统中，系统的脉冲当量与步进电机的步距角；传递距离l（mm）与系统传动比i之间的关系为：（3.1）=0.0013mm3.2 步进电机的选择3.2.1 步进电机概述步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为或。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步距角一般为而五相步距角一般为。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。步进电机的一些基本参数如下：电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为(表示半步工作时为、整步工作时为)，这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数：是指电机部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为、三相的为、五相的为。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。保持转矩（HOLDING TORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为的步进电机。一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。步进电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏以上，有的甚至高达摄氏以上，所以步进电机外表温度在摄氏-完全正常。步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以与步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。3.2.2 步进电机的选择方法步进电机有步距角（涉与到相数）、静转矩、与电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。（1） 步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有（五相电机）、（二、四相电机）、（三相电机）等。（2） 静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接启动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速启动时主要考虑惯性负载，恒速运行只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍为好，静力矩一旦选定，电机的机座与长度便能确定下来（几何尺寸）。（3）电流的选择静力矩一类的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、与驱动电压）。（4）力矩与功率换算步进电机一般在较大围调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：（3.2） （3.3） （3.4）式中 P功率，单位为瓦；每秒角速度，单位为弧度；n每分钟转速，单位为米每分钟；M力矩，单位为牛顿米；（半步工作），其中f为每秒脉冲数（简称PPS）。3.2.3 计算过程（1）初选三相六拍反应式步进电机（2）步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做的功有如下关系：（3.5）式中电机转角；s移动部件相应位移；机械传动效率。取，则，所以（3.6）根据钻削力经验公式得：钻削力 移动部件重量 G=450N负载力 若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩（3.7）取安全系数为0.5，则 步进电机的最高工作频率：3.2.4 验算电机是否进入步进状态因为当步进电机转速过低时，极易产生失步，因此在设计时应考虑步进电机的最低转速，即。本次设计的钻头进给速度为0.671.67mm/s。(3.8)(3.9)即步进电机正常工作时的脉冲围为5151284Hz，满足要求，因此步进电机处于正常工作状态。3.2.5 选取步进电机型号根据以上计算，选取步进电机的型号为：45BF005。参数如下表所示：表3-1型号主要技术资料外形尺寸(mm)重量步距角（）最大静转矩(Ncm）最高空载启动频率(step/s)相数电流(A)电压(V)外径长度轴径45BF0051.5/320300032.527455844N3.3 齿轮齿条设计计算齿轮齿条传动的轴是一根齿轮轴。齿轮采用软齿面齿轮，45号钢经调质、正火处理后切齿，精度为8级。由于本次设计所传递的扭矩很小，模数取为m=1，齿数Z=20，齿宽系数为0.2，从保证齿轮齿条啮合精度考虑，取齿宽为b=18mm。表3-2齿轮齿数Z20模数m1螺旋角0齿形角20齿宽(mm)齿轮b1b1=18mm齿条b2b2=15mm齿条长度LL=40mm小齿轮分度圆直径=mz/=20mm齿距=3.14mm3.4 同步齿形带传动同步带传动综合了带传动和链传动的优点。同步带通常是以钢丝绳或玻璃纤维等为抗拉层，氯顶橡胶或聚氨酯橡胶为基体，工作面上带有突出齿形的环状带。工作时，带的突齿与带轮外缘的齿槽进行啮合传动。由于抗拉层承载后变形小，能保持同步带的节距不变，故带与带轮间没有相对的滑动，从而保证了同步传动。同步带传动时的线速度可达50m/s，传动功率可达300KW，传动比可达10，传动效率可达0.98。同步带传动的优点：无滑动，能保证固定的传动比；预紧力小，轴和轴承上所受的载荷小；带的厚度小，单位长度上的重量小，故允许的线速度较高；带的柔性好，故所用的带轮的直径可以较小。3.4.1 同步带的带型（节距代号）包括（1） MXL-最轻型（2） XXL-超轻型（3） XL-特轻型（4） L-轻型（4） H-重型（6） XH-特重型（7） XXH-超重型3.4.2 同步带传动设计为把动力和扭矩从步进电机传递给钻头，我们使用同步带传动。从防止打滑与实际应用情况等方面考虑采用梯形齿同步带。传动比i=1，型号：200L075（1）确定计算载荷（2）确定带型和节距带型选为L型，根据n=4.77r/min，查设计手册得：节距 齿根厚齿高 带高（单面）齿根圆角半径 齿顶圆角半径（3）带轮齿数 取Z=16（4）带轮节圆直径（5）带速（6）确定轴间距 a=199mm所以，选：a=200mm（7）确定带宽3.5 校核3.5.1 齿轮强度的校核齿轮设计的基本准则是在预定使用寿命，保证齿轮传动不失效。在齿轮齿条中，齿轮齿条传动所受的扭矩较大，其中齿轮的尺寸小，齿数小，所以把齿轮作为校核对象。由于齿轮为软尺面齿轮，抗疲劳点蚀能力较弱，而抗弯曲疲劳折断的能力最强，所以应按齿面接触疲劳强度进行校核。其公式如下：（3.10）式中 弹性影响系数载荷系数作用力齿宽b=18mm传动比I=1许用接触应力把以上值代入公式：所以，选用的齿轮合格。3.5.2 滚动轴承的校核对于一般运转条件下的轴承，为防止过早发生疲劳点蚀，应该按轴承的基本额定动载荷进行寿命计算，因此本次设计中的轴承也按照这个准则进行寿命计算，公式如下：（3.11）式中 转速n=4.77r/min基本额定动载荷C=3.78KN当量动载荷寿命系数查有关表格，得轴承的预计寿命为把以上的值代入公式中，得：滚动轴承满足设计要求。第4章 谐波齿轮部分4.1 谐波齿轮传动谐波传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动，它的出现为机械传动技术带来了重大突破。它由三个主要构件所组成，即具有齿的刚轮、具有外齿的柔轮和波发生器。通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。谐波齿轮传动和渐开线少齿差行星传动的传动比公式一样： 当波发生器为主动时，凸轮在柔轮转动，就近使柔轮与薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承，再将它们装入柔轮。此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。波发生器在柔轮转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入啮合啮出脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。4.2 谐波齿轮传动的主要特点4.2.1 传动比大而且围宽一般单级谐波齿轮传动的比围为70500；4.2.2 同时啮合的齿数多在受载情况下，对双波传动，同时啮合的齿数可达总齿数的3040%；三波传动则更多。承载能力较高。4.2.3零件少，体积小，重量轻在一样条件下，可比一般齿轮减速器的元件少一半，体积可减小2050%，重量大大减轻。4.2.4运动精度高由于多齿啮合的平均效应，故其传动精度一般可比同精度等级的普通齿轮减速器的精度高一级。4.2.5 由于同时啮合的齿数多，齿面的相对滑动速度很低，又接近于面接触，故磨损小，运动平衡而无噪音4.2.6 在传动比很大的情况下，仍具有较高的效率单级传动的效率一般在6096%的围。4.2.7 具有通过密封壁传递运动的能力由于通过密封壁传递运动，故在高真空的条件下，以与用来控制高温、高压的管路，驱动在有原子能辐射或其他有害介质空间工作的机构时，采用这种传动十分理想。这也是现有一切其他传动所无法比拟的。4.2.8起动力矩比一般齿轮传动大，速比越小越严重4.2.9在传递运动中，柔轮要发生周期性弹性变形，因此对柔轮的材料、热处理有较高的要求，否则柔轮容易疲劳损坏4.2.10有时发热过大对动力传动，若结构参数选择不当时，可能导致发热过大，必要时需采用适当的冷却措施。4.3 谐波传动减速器谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。表4-1传动原理图示一种最简单的谐波传动工作原理图。它主要由三个基本构件组成：（1）带有齿圈的刚性齿轮（刚轮）2，它相当于行星系中的中心轮；（2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）1，它相当于行星齿轮；（3）波发生器H，它相当于行星架。作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。波发生器H是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮1的壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其孔直径略小于波发生器的总长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿图示方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器H相反方向的缓慢旋转。 图4为谐波传动减速器结构图。2为刚轮，1为柔轮，H为波发生器。刚轮固定，动力由波发生器输入，柔轮输出，其输入与输出转向相反。 图4.1 谐波齿轮减速器结构简图在传动过程中，波发生器转一周，柔轮上某点变形的循环次数称为波数，以 n 表示。常用的是双波和三波两种。双波传动的柔轮应力较小，结构比较简单，易于获得大的传动比。故为目前应用最广的一种。 谐波齿轮传动的柔轮和刚轮的周节一样，但齿数不等，通常采用刚轮与柔轮齿数差等于波数，即（4.1）式中 、分别为刚轮与柔轮的齿数。 当刚轮固定、发生器主动、柔轮从动时，谐波齿轮传动的传动比为：（4.2）双波传动中，柔轮齿数很多。上式负号表示柔轮的转向与波发生器的转向相反。由此可看出，谐波减速器可获得很大的传动比。4.4 谐波齿轮减速器的设计计算传动比和输出转矩分别为：（4.3）输入：波发生器输出：柔轮固定：刚轮初选波高，因此柔轮分度圆直径。4.4.1 确定柔轮和刚轮齿数波数n=2，由谐波齿轮减速器传动计算公式将传动比带入公式求得：，根据齿面磨损条件，初步确定谐波齿轮传动模数：取带入公式4.4.2 谐波齿轮减速器的几何计算（1）通常，柔轮采用滚切，刚轮采用插切，所以先选定切制刚轮的插齿刀的参数；插齿刀的齿数取，由小模数直齿插齿刀标准（3095-82）计算得，取模数：m=0.2；齿距：p=0.628mm；柔轮分度圆直径：柔轮齿根圆直径：柔轮齿顶圆直径：刚轮分度圆直径：刚轮齿根圆直径：刚轮齿顶圆直径：刚轮分度圆齿厚：柔轮齿压力角：刚轮齿压力角：（2）柔轮结构参数的确定柔轮壁厚： 柔轮根圆至孔壁厚度：柔轮筒体孔径： 柔轮齿长： 柔轮筒体长： （3）其余尺寸第5章 导轨与工作台部分5.1 导轨概述5.1.1 导轨功能承载、导向5.1.2 对导轨的基本要求(1) 表面具有高的导向精度，直线度或真圆度(2) 足够的刚度(3) 导轨与导轨或导轨与其他部件之间的位置精度(4) 优良的耐磨性(5) 低速运动的平稳性5.1.3 导轨的种类(1) 按运动形式直线导轨、圆导轨(2) 按摩擦性质滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、气浮导轨(3) 按导轨材料铸铁导轨、钢导轨、塑料导轨(4) 按工作性质主运动导轨、进给运动导轨、调整运动导轨(5) 按受力情况开式导轨、闭式导轨5.2 滑动导轨的结构滑动导轨是机床导轨中使用最广泛的类型，也是其他类型导轨的基础。5.2.1 导轨截形（1） 直线滑动导轨1）矩形导轨承载能力大，制造方便。但磨损后不能自动补偿间隙。必须设置间隙调整装置。2）三角形导轨具有自动补偿磨损的能力，故其导向性好，但制造较麻烦。顶角一般为90度，小于90度可提高导向精度，110120度时可提高承载能力。设计时两斜面的比压要基本相等。3）燕尾形导轨结构紧凑，高度较小，常用于多层次移动部件中（如车床刀架）。但制造较麻烦。不能自动补偿间隙，必须有消除间隙装置。4）圆形导轨制造方便。但磨损后间隙调整困难，故常用于受轴向力为主的场合，如拉床、钻床的主轴和导向套组成的导轨副。（2） 圆周运动导轨用于圆工作台、转盘等旋转运动部件。1）平面圆环导轨必须配有工作台心轴轴承，用得较多。2）锥形圆环导轨能承受轴向和径向载荷，但制造较困难。3）V形圆环导轨制造复杂。5.2.2 导轨的组合除圆柱导轨有时能单根使用外，导轨需两根（或两根以上）组合使用。重型机床常采用双矩形导轨。中、小型车床床身采用山形、矩形导轨组合。要求导向精度高的，采用双三角形导轨组合要求结构紧凑，高度小，调整方便的采用燕尾导轨。从制造工艺性来看，矩形、圆形导轨好，三角形、燕尾形差。5.2.3 提高导轨耐磨性的措施导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法，以与使用与维护。提高导轨的耐磨性，使其在较长的时间保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。提高导轨耐磨性的措施有：（1） 选择合理的压强，单位面积上的压力成为压强，即P=P/S（公斤/厘米） （5.1）式中P作用在导轨上的力（公斤）S导轨的支承面积（厘米）由上式可知，要减小导轨的压强，应减轻运动部件的重量和增大导轨支承面的面积。减小两导轨面之间的中心距，可以减小外形尺寸和减轻运动部件的重量。但减小中心距受到结构尺寸的限制，同时中心距太小，将导致运动不稳定。降低导轨压强的另一办法，是采用卸荷装置，即在导轨载荷的相反方向，增加弹簧或液压作用力，以抵消导轨所承受的部分载荷。（2） 合理选择材料与热处理导轨副中，固定导轨的材料应较硬，运动导轨的材料应较软。常用材料组合铸铁表面淬火铸铁铸铁淬硬钢铸铁贴塑铸铁热处理：高频淬火，电接触淬火。5.3 导轨的作用和设计要求当运动件沿着支承导件作直线运动时，支承导件上的导轨起支承和导向的作用，即支承运动件和保证运动件在外力（载荷与运动件本身的重量）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。对导轨的要求如下：5.3.1 一定的导向精度导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以与它与有关基面间的相互位置的准确性。5.3.2 运动轻便平稳工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。5.3.3 良好的耐磨性导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。导轨在使用过程中要磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。5.3.4 足够的刚度运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压；设置辅助导轨，以承受外载。5.3.5 温度变化影响小应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍能正常工作。5.3.6 结构工艺性好在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整，降低成本。不同设备的导轨，必须作具体分析，对其提出相应的设计要求。必须指出，上述六点要相互影响的。三角形和矩形组合：这种组合形式以三角导轨为导向面，导向精度较高，而平导轨的工艺性好，因此应用最广。这种组合有V平组合、棱-平组合两种形式。V平组合导轨易储存润滑油，低、高速都能采用；棱-平组合导轨不能储存润滑油，只用于低速移动。为使导轨移动轻便省力和两导轨磨损均匀，驱动元件应设在三角形导轨之下，或偏向三角形导轨。矩形和矩形组合：承载面和导向面分开，因而制造和调整简单。导向面的间隙用镶条调整，接触刚度低。双三角形导轨：由于采用对称结构，两条导轨磨损均匀，磨损后对称位置不变，故加工精度影响小。接触刚度好，导向精度高，但工艺性差，四个表面刮削或磨削也难以完全接触，如果运动部件热变形不同，也不能保证四个面同时接触，故不宜用在温度变化大的场合。结论：根据以上原则，综合分析，本次设计选用双三角导轨，为了有效消除反向间隙采用双螺母螺旋传动。5.4 螺旋传动的设计5.4.1 螺旋传动的应用特点螺旋传动是实现把转动变为直线运动的机构，其特点是结构紧凑。螺旋传动按用途分为：（1） 传力螺旋传动要求以小的扭矩产生较大的轴向推力，要求自锁，例如：千斤顶，压力机。（2） 传导螺旋传动以低速运动为主要运动，有较高的传动精度和效率。例如车床、溜板箱、小刀架、工作台移动。（3） 调整螺旋、固定两零件的相对位置机床测试装置中，微调机构，螺旋测微器，检测幻灯片。根据摩擦性质分为：滑动摩擦、滚动摩擦、静压摩擦。5.4.2 滑动螺旋的结构和材料（1） 结构简介螺杆：带有外螺纹的杆件；螺母：带有螺纹的构件；底座：带1：10斜度，e812mm 托杯手柄（2） 主要零件的常用材料螺杆：常用：Q255、35#、45# 重要：65 Mn、40Cr、20CrMnTi，经热处理耐磨。螺母：铸铁 HT150、HT200 青铜 ZCuSn10P1 铝 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2-4 底座：铸铁 HT100、HT150 5.4.3 设计计算螺旋传动所用螺纹为矩形、梯形、锯齿形，常用梯形已标准化。传力螺旋一般要求自锁常用单头。传导螺旋一般要求效率高，应用多头n24。螺旋传动承受扭矩和轴向力，相对速度大，其失效形式多为磨损，所以以耐磨性确定基本尺寸，设计计算包括以下几点：（1） 耐磨性计算螺旋传动耐磨性与比压，滑动速度，表面粗糙度与润滑有关。螺纹工作面上能建立油膜就可减少磨损，而建立油膜取决于比压，所以要限制比压PP。（2） 验算螺纹的自锁条件，对于有自锁要求的螺旋传动应验算（3） 螺杆的强度计算，对于受力较大的传力螺旋为防止断裂和塑性变形应进行螺杆的强度计算螺杆工作时，受到压缩与扭矩的联合作用，计算与紧螺栓联接相似。（4） 验算螺母牙根的强度，一般螺母材料强度低于螺杆，其螺纹牙多发生剪切和弯曲（5） 螺杆的稳定性验算，对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力Q大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力Q必须小于临界载荷Q则螺杆的稳定性条件为 （5.2）式中螺杆稳定性的计算安全系数；螺杆稳定性安全系数，对于传力螺旋（如起重螺杆等），；对于传导螺旋，；对于精密螺杆或水平螺杆，。螺杆的临界载荷，根据螺杆的柔度值的大小选用不同的公式计算。 （5.3）此处螺杆的长度系数；l螺杆的工作长度，若螺杆两端支承时，取两支点间的距离作为工作长度l；若螺杆一端以螺母支承时，则以螺母中部到另一端支点的距离，作为工作长度l；i螺杆危险截面的惯性半径；若螺杆危险截面面积（5.4）则（5.5）当时，临界载荷可按欧拉公式计算，即 （5.6）式中E螺杆材料的拉压弹性模量，；I螺杆危险截面的惯性矩（5.7）当时，对于强度极限的普通碳素钢，如 Q235、Q275等，取 （5.8）对于强度极限的优质碳素钢，如3550号钢等，取 （5.9）当时，可以不必进行稳定性校核。若上述计算结果不满足稳定性条件时，应适当增加螺杆的小径。判断螺杆端部支承情况的方法：l）若采用滑动支承时则以轴承长度与直径的比值来确定0时，为铰支；时，为不完全固定；时，为固定支承。2）若以整体螺母作为支承时，仍按上述方法确定此时取（H为螺母高度）。3）若以剖分螺母作为支承时，可作为不完全固定支承4）若采用滚动支承已有径向约束时，可作为铰支有径向和轴向约束时，可作为固定支承。第6章 控制系统部分本次设计的任务是使用单片机控制钻床的进给系统，实现对微小孔等的精确加工。控制部分设计主要包括硬件部分设计和软件部分设计。在硬件部分，CPU采用MCS-51系列单片机的8031芯片，扩展程序存2764，扩展数据存储器6264，I/O接口采用Intel公司的可编程外围接口芯片8255A，地址锁存器采用74LS373，还包括光电隔离电路和功率放大电路等。在软件部分，使用汇编语言编制相应的程序来控制钻床进给系统，实现设计要求的各种进给方式和速度。6.1 芯片介绍6.1.1 8031（1） 特性 具有8位CPU 片有时钟发生电路（6MHz或者12MHz） 具有128字节RAM 具有21个特殊功能寄存器 可寻址64K字节的EPROM和RAM 具有4个I/O口，32根I/O线 具有两个16位CPU 具有5个中断源、配备两个优先级 具有一个全双工串行接口 具有位寻址能力，适用逻辑运算（2） 引脚功能 电源引脚Vcc：电源端（+5V）；Vss：接地端； 时钟电路引脚XTAL1：接外部晶体和微调电容的一端；XTAL2：接外部晶体和微调电容的另一端； 控制信号引脚REST/Vpd：RST是复位信号输入端，高电平有效；Vpd：是备用电源输入端； ALE/PROG：地址锁存允许信号端； PSEN：程序存储允许输出信号端；EA/Vpp：外部程序存地址允许输出端/固化编程电压输入端； I/O口口：一个8位开漏双向I/O口。 、口：具有提升电阻的8位双向I/O口。6.1.2 8255A8255A是Intel公司生产的可编程外围接口芯片，它具有3个8位的I/O口，分别为PA、PB、PC它们都可以通过软件编程来改变其工作方式。8255A可以与单片机系统总线直接接口。单片机与8255A之间的接口是通过对其数据总线，标准的读/写以与片选信号的控制来完成的。（1） 引脚功能 电源：Vcc；地：Vss 控制脚RESET：复位信号；WR：写信号；RD：读信号；CS：片选信号；A1、A0：端口寄存器选择信号； 数据总线：D0-07 并行接口：A口、B口、C口可编程并行芯片由以下几部分组成：数据总线驱动器、端口、读/写控制逻辑、A组B组控制块。（2）8255A的工作方式与选择三种基本工作方式：方式0基本输入输出；方式1选通输入输出；方式2双向传送(仅PA口)；它们是由CPU输出的控制字来选择的。方式0这种工作方式，不许任何选通信号。A口、B口与C口的两个4位口中的任何一个埠，都可以被设定为输入或输出。作为输出口时，输出资料被锁存；作为输入口时，输入资料不锁存。这种方式是用于无条件地传送资料的设备。 方式1这种工作方式，埠A或埠B，仍作为资料的输入/输出，但同时规定端口的某些位元作为控制或状态信号。 方式2这种工作方式，A口为8位双向总线口，既能发送也能接收资料(双向总线I/O)。工作时可用程序调查方式，也可工作于中断方式。（3） 8255A控制字 控制PA口、PB口和PC口工作方式的控制字方式控制字可由用“写”指令输出一个控制字到8255A的控制寄存器来设置，其标志是最高位为1。PC口位 (置位/复位)控制字该控制字是一种对PC口的位操作命令，直接把PC口的某位置1或清0，它的标志是最高位为0。（4）8255A与单片机的连接并行接口芯片与单片机相联是很简单的，除了需要一个8位元锁存器来存P0口送出的地址信息外，几乎不需要任何附加的硬件(采用中断方式时要用一个反向器INTR信号反相)。6.1.3 2764(程序存的扩展)由于8031本身没有程序存，因此要扩展EPROM，这里采用的是8K的2764芯片。（1） 介绍2764是双列直插式28脚芯片，共13根地址线A0-A12；8根资料线D0-D7；CS：片选信号端；OE：取指允许；PGM：编程控制端；Vpp：编程电压端(21V或12.5V)；Vcc：电源；Vss：地；NC：空脚，不用。（2） 地址锁存器74LS373单片机规定P0口提供8位地址线，同时又要作数据线，所以分时输出低8位地址和资料的信道口。为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存提供低8位地址信号，一般采用74LS373作为地址锁存器，并由CPU发出地址允许锁存信号ALE的下降沿，沿地址信息锁存入地址锁存器中。74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器，用作地址锁存器时应使其使能端E为低电平(接地)，输入端G与8031的地址锁存信号ALE联接。（3） 程序存的扩展2764EPROM程序存与8031单片机主要是三总线的联接。2764中的8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相联。当地址锁存器允许信号ALE为高电平，则P0口输出地址有效。8位资料线直接与8031P0口联接；高5位地址线分别与P2.0-P2.4相联；片选信号CE则是8031通过译码电路与之相连，当CE为低电平时，选通2764。由于8031只能选通外部程序存，因此其引脚EA接地。6.1.4 6264(数据存储器的扩展)由于8031部RAM只有128字节，远远不能满足系统的要求，需扩展片外的数据存储器。这里选用6264静态数据存储器，其选用的规则与EPROM程序存的要求一样。6264容量为4K，其引脚功能说明如下：A0-A12：地址线(13根)；I/00-I/07：资料线(8根)；CS：片选信号；OE：输入允许(读)信号；WE:写信号；Vcc：电源端；Vss：地电平；NC：空，无用。6264低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相接，高5位地址线分别与P2.0-P2.4口相接；8位资料线直接接至8031P0口；读写控制引脚OE、WE与8031的读写控制引脚RD、WE直接相接；片选端CE通过译码电路与8031相接。6.1.5 译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相联。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行资料转送，故要进行片选控制。片有多个字节单元时，还要进行片地址选择。（1）MCS-51单片机应用系统中的地址译码规则 程序存与数据存储器地址重叠使用外围扩展芯片与数据存储器统一偏址。它不仅占用数据存储器地址单元，而且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令地址总线宽度为16位，片选程序存与数据存储器可直接寻址围各为64K字节。P0口提供高8位地址(A8-A15)，P0口经外部锁存后提供低8位地址(A0-A7)（2） 地址译码方法：线选法、全地址译码6.2 光电隔离电路从计算机里输出的信号是比较微弱的，而驱动步进电机所需要的信号则是强电信号。为了避免强电信号和弱电信号之间相互的干扰，保证电路的正常工作，应该采用光电隔离电路，把强电信号和弱电信号隔离开来，使它们互不影响。光电隔离电路通常是利用复合管来实现的。它的部结构相当于一个发光二极管和一个光电三极管。发光二极管同弱电信号相联系，它把计算机输出的数字脉冲信号转化为光脉冲信号，而光电三极管受到光脉冲信号后，再把光脉冲信号转化为数字脉冲信号，同时也起到了一定的信号放大作用。这样强电信号和弱电信号便完成了转换，实现了光电隔离作用。6.3 手动控制面板手动控制面板上共有7个按钮，其中一个为急停按钮，它与8031的INTO中断引脚相接，另外六个按钮中，前进有三个按钮，表示三种速度，后退也有三个按钮，亦表示三种速度，它们分别与8031P1.0-P1.5相联接，通过软件编程，实现三种速度的进退。当按下急停按钮时，8031将响应中断信号，停止进退。手动控制面板还有一个双头开关，它的作用是决定是手动控制还是由单片机控制，它与8031中段INT1连接，它为最高级中断。结 论本次设计是一次现代高科技的前沿研究，它结合了新型材料压电瓷的压电效应完成了在钻床上的振动钻削。这既是一次在材料上的突破，又是一次在机械领域的进步。随着现代高科技的飞速发展，“自动进给压电瓷振动钻床”也会很快的成为一个过去所有名词。但这并不代表着我们这次的研究无足轻重，因为它的研究毕竟就是一种进步，一项成果。它总结了前人在振动钻床上的成就，极大程度的改善了其结构和性能。它结合了机电一体化的知识，在自动控制方面又给人们带来了方便。它在步进电机的带动下，实现了自动进给，并且，与此同时，电主轴在其自己的方向上实现了无级调速以与振动钻削。它们在各自的方向上实现着现代的最完美的结合。机械