机电一体化设计实例论文(有参考文献)

回转工作台的设计

一、设计的目的：

1、掌握机电一体化系统的设计过程和方法，包括参数的选择、传动设计、零件计算、结构设计、计算机控制等培养系统分析及设计的能力。

2、综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。

3、训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料、标准和规范，编写技术文件（说明书）等。

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6.2-3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=(1.4~1.7)a/ z =3.6 取m=4

q=d /m=80/4=20

6 tanγ= z /q 则γ=2.86°

2. 确定蜗轮蜗杆各参数值

蜗杆尺寸“

1) 蜗杆轴向齿距:p =πm=3.14×4=12.56

2) 螺旋线导程:p =p ×z =15.4×4=12.56

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=2.86°

渐开线蜗杆:

基圆柱导程角: γcosγ =cosαncosγγ =15.264°

7) 基圆直径:d d = z m/tanγ =14.16

8) 法向基节:p =πm cosγ =12.12

9) 蜗杆齿轮顶高:h =h m=1×4=4

10 蜗杆齿根高:h =1.2m=4.8

11) 蜗杆全齿高:h = h + h =4+4.8=8.8

12) 顶隙:c =0.2m=0.8

13) 齿根圆半径:ρ =0.3m=1.2

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 =70.4

16) 蜗杆齿宽:b =95

蜗轮尺寸:

1) 蜗轮中圆螺旋角:β =γ=2.86°

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 =1.2×4=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 =240-9.6=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=0.0025～0.005取:f=0.005工作台重量为:50㎏×9.8=490N

摩擦力:则可知:周向力F=G?f=490×0.005=2.46N

（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=（1.3~1.5）a.其中1.3用于a≤500。1.5用于a≥500。蜗轮支承跨距L2=（0.5-0.7）d2。d2为蜗轮分度圆直径，其中0.7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：0.36

电压：24

相电流：3A