最新版毕业设计(论文)-旋转钻夹具工作台

1、 成都学院学士学位论文（设计）本科毕业设计题 目 减速器壳体旋转钻夹具设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 年级 2011级 指导教师 职称 2015 年 5 月 14 日减速器壳体旋转钻夹具设计专 业：机械设计制造及其自动化 学 号学 生： 指导教师： 摘要：旋转钻夹具回转工作台是机械加工中专用的机床附件，用于镗床，铣床，钻床等需要多面转位加工的工件。传统分度回转工作台操作不便，而且分度只限于单面规定的角度,难以满足一些多面转位分度工件的加工要求。本课题利用单片机控制技术、步进电动机控制技术对分度回转工作台进行了数控化改造，设计了一种自动分度旋转钻夹具

2、回转工作台，并实现多面转位控制。它一方面以单片机为控制核心，通过控制脉冲分配器向步进电机发送脉冲, 驱动步进电动机带动蜗轮蜗杆实现对工件的回转分度，一方面通过换向阀控制气缸进行多面转位分度。相对于传统机械分度头，操作方便，分度精度高，加工效率大大提高。关键词：自动分度回转工作台；齿轮传动；蜗杆传动；单片机控制The Design of ReducerShell Rotary DrillingFixtureSpecialty：Machine Design & Manufacturing Student Number：201110111537and their AutomationStudent：

3、 Wangjian Supervisor： Zhu DaqingAbstract：Rotary drillingfixture rotary table is commonly used in machining machine tool accessories, for boring, milling, drilling, etc. need more processing of the workpiece surface translocation. Traditional indexing rotary table to maneuver, but only some of the pr

4、ovisions of sub-degree angle, it is difficult to meet some special requirements indexing workpieces. Control technology for the use of this topic, stepper motor control technology to sub-degree rotary table for the NC transformation, design of an automatic indexing rotary table. It MCU to control th

5、e core, by controlling the pulse distributor to send pulses to the stepper motor, stepper motor drives the worm gear drive to achieve sub-degree rotation of the workpiece, as opposed to traditional mechanical dividing head, easy operation, high precision indexing, The processing efficiency is greatl

6、y improved.Key words：Auto-Indexing Rotary Table; Gear Transmission; Worm drive; SCM control目 录绪论11 工作台方案设计31.1 回转体系统方案设计31.1.1 回转体系统原理及总体框图31.1.2 回转体系统传动系统方案31.1.3 回转体系统控制系统方案41.2 夹具体系统方案设计51.2.1 夹具体系统原理及总体框图51.2.2 夹具体系统传动系统方案51.2.3 夹具体系统控制系统方案62 工作台传动系统设计82.1 工作台设计82.1.1 回转体设计82.1.2 夹具体设计92.2 传动比及参

7、数确定92.2.1 传动比设定92.2.2 步进电机最大回转速度及频率102.2.3 步进电机分度精度102.3 步进电机选择102.3.1 步进电机启动力矩计算112.3.2 步进电机最大转速122.3.3 步进电机最大频率122.3.4 步进电机型号122.4 气缸选择122.4.1 气缸输出力计算132.4.2 气缸行程132.4.3 气缸活塞速度142.4.4 气缸型号142.5 齿轮传动设计142.5.1 齿轮的材料及类型142.5.2 按齿面接触疲劳强度设计尺寸142.5.3 确定齿轮的主要参数与主要尺寸152.5.4 校核齿根弯曲疲劳强度162.6 蜗杆传动设计172.6.1 蜗

8、杆传动类型182.6.2 蜗轮蜗杆的材料182.6.3 按齿面接触疲劳强度设计182.6.4 蜗轮蜗杆主要参数与几何尺寸192.6.5 校核齿根弯曲疲劳强度202.7 轴的设计212.7.1 轴1的设计212.7.3 轴2的设计222.7.3 主轴的设计222.7.4 蜗杆轴的设计222.8 键的选择232.8.1 键联接类型232.8.2 键连接的尺寸232.9 轴承的选择242.9.1 轴承的类型242.9.2 轴承的尺寸242.9.3 滚动轴承的密封装置253 工作台控制系统设计263.1 控制系统元器件选择263.1.1 单片机选择263.1.2 I/O接口芯片选择273.1.3 存储

9、器选择283.1.4 译码器选择293.1.5 地址锁存器选择303.2 控制系统电路设计313.2.1 主控电路设计313.2.2 I/O接口电路设计31结论33附录34参考文献42致谢43II 成都学院学士学位论文（设计）绪 论中国数控分度回转工作台产业发展出现的问题中，许多情况不是很乐观，如产业结构的不合理、产业集中于劳动力密集型的产品；技术密集型的产品明显落后于发达工业的国家；生产要素决定性作用正在被削弱；产业能源消耗较大、产出率较低、环境污染较严重、对自然资源的破坏力大；企业总体规模又偏小、技术创新能力的薄弱、管理水平较落后等。 从什么角度分析中国数控分度回转工作台产业的发展状况？以

10、什么方式评价中国数控分度回转工作台产业的发展程度？中国数控分度回转工作台产业的发展定位和前景是什么？中国数控分度回转工作台产业发展与当前经济热点问题关联度如何诸如此类，都是数控分度回转工作台产业发展必须面对和解决的问题中国数控分度回转工作台产业发展已到了岔口；中国数控分度回转工作台产业生产企业急需选择发展方向。 中国数控分度回转工作台产业发展研究报告阐述了世界数控分度回转工作台产业的发展过程，分析了中国数控分度回转工作台产业发展的现状和差距，开创性的提出了“新型数控分度回转工作台产业” 及替代品产业的概念，在这基础上，从四个方面即“以人为本”、“创新科技”、“友好环境”和“面向未来”准确地限定

11、了“新型数控分度回转工作台产业” 及替代性产品的内涵。根据“新型数控分度回转工作台产业” 及替代产品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国数控分度回转工作台产业发展进行了推演和精准预测，在此基础上，对中国的行政区划和四大都市圈的数控分度回转工作台产业发展进行了全面的研究。60 年代以来，跨国公司推动的产业全球化发展使得国际分工和国际贸易格局发生了改变，加工贸易成为全球化产业发展的本质要求。在全球化背景下，对于发展中国家而言，产业升级成为在全球化产业链条中由劳动密集环节向资本和技术密集环节逐步提升的过程。由跨国公司推动的加工贸易的发展，为发展中国家切入全球高新技术产业链条，实现产业升级提供

12、了便捷路径。其中分度回转工作台的运用得到了广泛推广，各种新型工作台不断被引进，同时我国也自主研制和开发了一批适用、高效性的分度回转工作台。本次设计的意义是设计出一套结构简单、实用性强、精度系数比较高的自动分度回转工作台，并能满足生产和加工的需要。分度回转工作台作为数控机床中的一个非常大的部分，研究其设计、制造过程是非常有实际的工程应用价值。数控工作台的应用非常多，而数控工作台像自动分度回转工作台的研究必然有着其实际的意义。本次设计主要内容包括：1. 旋转钻夹具工作台总体方案设计；2. 旋转钻夹具工作台传动系统设计；3. 旋转钻夹具工作台控制系统设计；4. 总装加工动画模拟。1 工作台方案设计1

13、.1 回转体系统方案设计旋转钻夹具回转体系统部分主要实现精确分度，保证加工质量，所以对这部分的设计是本次设计的核心，下面来介绍一下这部分主要内容。1.1.1 回转体系统原理及总体框图回转体系统工作原理是采用单片机控制步进电机带动回转体系统回转，通过键盘和显示屏幕发送指令给单片机，控制脉冲分配器向步进电机发送脉冲，步进电机直接带小齿轮，经过蜗轮蜗杆运动传动后，将回转体系统分度到设定好的角度。自动回转分度主要由两部分组成，回转体系统传动系统部分和控制系统部分。传动系统部分主要由步进电机、齿轮副传动和蜗杆传动组成；回转体系统控制系统部分主要由单片机、键盘显示屏、I/O接口芯片和驱动器组成。回转体系统

14、总体框图见图1-1。图1-1 回转体系统总体框图1.1.2 回转体系统传动系统方案分度回转工作台主要用于数控钻床、镗床和铣床，其外形和通用工作台几乎一样，但它的驱动是伺服系统的驱动方式。它可以与其他伺服进给轴联动。整个传动系统由，步进电机、轴、齿轮副、蜗轮蜗杆和工作台组成。图1-2为自动分度回转体系统。它的回转、分度转位和定位锁紧都是由给定的指令进行控制的。工作台的运动是由伺服电动机，经齿轮减速后由蜗轮蜗杆带动回转体系统回转分度。图1-2自动分度回转体系统图1）回转体；2）工作台箱体；3）齿轮；4）工作台底座；5）蜗轮；6）步进电机；7）圆锥滚子轴承；8）蜗杆。工作台回转分度工作时候，由控制系

15、统发送指令给步进电机，步进电机带动齿轮副转动，再带动蜗轮轴回转，并由蜗轮带动工作台回转分度；工作台停止时，通过蜗轮蜗杆的自锁和步进电机的自锁保证工作台的自锁。1.1.3 回转体系统控制系统方案回转体系统控制系统电路由单片机主控电路、I/O扩展电路、步进电机接口电路和键盘显示电路组成。回转体系统控制系统元件主要单片机，外部RAM、ROM、I/O接口、光电隔离、功率放大、键盘、显示屏和驱动器等组成。由键盘输入参数，通过I/O接口芯片到进行单片机处理，然后一面通过I/O芯片输出到显示屏，另一面输出通过光电隔离与功率放大到驱动器，再由驱动器驱动步进电机。控制系统硬件结构如图1-3。图 1-3 控制系统

16、硬件结构图1.2 夹具体系统方案设计1.2.1 夹具体系统原理及总体框图夹具体系统工作原理是采用一面两销，手动控制偏心轮带动压板夹紧零件定位部位。由于要加工成90的两个方向上的端面孔位，所以采用换向阀控制双作用气缸进行前进和后退的状态，采用手动分度摆杆带动分度销控制90分度盘的准确定位和锁紧。夹具体系统主要由两部分组成，夹具体系统传动系统部分和控制系统部分。传动系统部分主要由齿轮齿条副、分度销和分度盘组成；夹具体系统控制系统部分主要由换向阀、进气管、出气管和控制回路组成。夹具体系统总体框图见图1-4。图1-4 夹具体系统总体框图1.2.2 夹具体系统传动系统方案夹具体的使用可以说是相当广泛，而

17、采用合适的传动和控制系统可以使夹具体的效率和使用率增加，生产成本降低。整个传动系统由气缸、分度销、分度盘、齿轮齿条副、手动摆杆和卡盘组成。图1-5为手控半自动夹具体系统。它的回转由气缸带动齿轮齿条副控制，分度转位和定位锁紧则是由分度销和分度盘进行手动控制的。图1-5 夹具体传动系统图1）卡盘1；2）分度盘；3）分度销；4）手动摆杆；5）换向阀；6）分度齿轮；7）卡盘2；8）齿条；9）气缸。本夹具体系统在工作时，需先通过手动摆杆将分度销拔出来，再利用换向阀控制气缸前进和后退实现夹具体两个方向的转位控制，转位过程手动摆杆处于自由状态，便于转位后的分度定位和锁紧。1.2.3 夹具体系统控制系统方案夹

18、具体系统控制系统回路由二位五通换向阀、进气口、出气口、气缸和控制电路组成。通过按下按钮开关，使气缸的活塞杆向前推进，并带动齿轮齿条副实现90转位，松开按钮开关，气缸活塞杆回到气缸末端，使夹具体回到初始位置。控制系统硬件结构如图1-6。图 1-6 控制系统硬件结构图2 工作台传动系统设计2.1 工作台设计工作台的设计主要包括下箱体和夹具体的设计，在保证加工需要的前提下，尽量设计出结构紧凑的零部件是本次设计的宗旨。2.1.1 箱体设计自动分度回转工作台箱体起着支承并含有各种传动的零件，像齿轮、轴承、轴等，使它们能能保持正常得运动精度及运动关系。箱体又可以存储润滑剂，能实现各种类运动零部件的润滑。安

19、全保护与密封作用，并使箱体内部的零件不会受外界的环境影响，又保护了机器操作者他们的人生安全，并含有一定得隔热、隔振和隔音的作用。使机器的各部分又分别由独立的箱体组成，各组成单元，便于加工、装配、修理和调整。改善机器造型，协调机器的各部分比例，使整机造型美观。自动分度回转工作台主要用于镗床，铣床，钻床等需要多面转位加工的工件，是机械加工中常用的机床附件，因此尺寸不易过大，要能配合机床的使用。考虑箱体内零件的布置及与机床上的工件关系，设计尺寸如图2-1示：图2-1 工作台箱体尺寸图2.1.2 夹具体设计手控半自动夹具体主要由夹具体主体、夹紧元件、定位元件、传动元件和控制元件组成。为了便与加工、装配

20、、调整和修理，各元件独立生产加工。由于需要多面加工，在保证夹具体工作精度的同时，还要具有可旋转性，为了配合箱体和回转体的安装，夹具体尺寸在保证容得下零件的同时，不宜过大。综合考虑，设计尺寸如图2-2所示：图2-2 夹具体尺寸图2.2 传动比及参数确定2.2.1 传动比设定系统要实现的参数：工作台回转速度最大为60度/秒，工作台分度精度为0.2度。总传动比为各级传动比、的乘积，即为了保证工作台分度精度，传动比需要很大，同时为了保证结构尺寸，将蜗杆传动比设定在70，齿轮传动比设定为1，即传动系统的总传动比为70。2.2.2 最大回转速度工作台最大回转速度为60度/秒，所以：根据系统总传动比为70，

21、可得：2.2.3 分度精度工作台的分度精度保证主要靠步进电机的转速和系统的总传动比来确定，工作台分度精度为0.2度，既蜗轮最小的转动单位为0.2度，系统的总传动比为70，即可得步进电机最小分度精度为14度，即步进电机每次回转的度数为14度的倍数。2.3 步进电机选择如图2-3所示，选择步进电机的时候，首先保证步进电机得输出功率应该大于负载所需得功率。而在选用功率步进电机的时候，首先要计算它的机械系统得负载转矩，电机的矩频特性能够满足机械负载并会有一定的余量能保证其运行的可靠。并在实际工作的过程中，在各种频率下的负载力矩满足在矩频特性曲线得范围内。应使其步距角及机械系统相匹配，这样可以得到工作台

22、所需的脉冲当量。图2-3 步进电机示意图2.3.1 步进电机 启动力矩计算 步进电机选用两相混合式步进电动机，初步选择步进电机得步距角=1.8。设步进电机等效的负载的力矩为T，负载力则为P，依据能量的守恒原理知，负载力所做的功与电机所做的功有如式（2-1）关系： （2-1）式中 电机的转角； S 转动部件相应的位移； 机械传动的效率。 若取=b，则S=b，且P= Pz +（G+ W2），所以 （2-2）式中 G转动部件的负载，N； W转动部件的重量，N；Pz与中立方向一致性的作用在转动部件上的负载力，N； 摩擦系数； b步进电机步距角，rad； T电机轴负载力矩，Ncm。 取=0.03，=0.

23、96，Pz=1000N。经测得：可求得不考虑启动时运动部件的惯性影响，启动力矩为 Tm=T/（0.30.5）=14Nm（取安全系数0.5）步进电机为两相混合式的电机2.3.2 步进电机最大转速根据工作台最大转速与系统总传动比i=70，可得所以，步进电机的选择的最大转速2.3.3 步进电机最大频率根据步进电机的选择的步距角；步进电机最大转速，可得所以步进电机要选择的最高频率2.3.4 步进电机 型号根据上述计算，选择的步进电机得型号参数如表2-1所示。表2-1步进电机参数型号主要技术参数外形尺寸/mm重量/(Kg)步距角/()保持转矩/ Nm相数电压/V电流/A外径长度轴径110BYG250D-

24、06021.81823.1261102341610.42.4 气缸选择如图2-4所示，选择气缸时，首先要保证气缸的理论得输出力大于负载所需的力。而在选用气缸输出力时，首先要计算夹具体系统的负载转矩，气缸的输出力能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。初步选择IQG系列双作用的气缸。图2-4 气缸示意图2.4.1 气缸输出力计算设气缸的输出力为F，气缸产生的力矩为T，负载转矩为M，为了保证运行可靠，则有TM。其受力分析简图如图2-5所示： 图2-5 夹具体受力简图根据已设计的夹具体尺寸和材料，可通过三维分析软件测得所需负载转矩M=898Nm。因为分度齿轮的分度圆直径为180mm,由TM，得：

25、F2MD=289818010-3=9978N查表得，满足条件的气缸缸径为200mm，理论输出力为12566N。2.4.2 气缸行程由于分度齿轮的分度圆直径为180mm，转位角度为90，故转位行程：L=290=141.37mm气缸行程应大于转位行程，取气缸行程为143mm。2.4.3 气缸活塞速度确定了气缸的缸径，可查得气缸的活塞速度为50-500mm/s，由于气缸的行程为143mm，转位期间是手动控制分度锁紧，为了安全生产，气缸的活塞速度不宜过大，但又为了提高加工效率，综合选择气缸活塞速度为70mm/s。2.4.4 气缸型号根据上述计算，选择的气缸型号参数如表2-2所示。表2-2气缸参数型号主

26、要技术参数外形尺寸/mm推力/N拉力/ N行程/mm速度/(mm/s)缸径长度轴径重量/(Kg)IQG-200B143-MS11256611781143702002303610.52.5 齿轮传动设计本次设计的齿轮主要是用于传递运动，对齿轮强度要求不高，满足基本要求即可。2.5.1 齿轮的材料及类型根据整体传动的要求，传动效率不大、速度中等和使用寿命长，小齿轮需要在封闭条件下工作，因此设计为闭式齿轮传动，分度齿露天条件下工作，设计成开式齿轮传动，并都采用圆柱直齿轮传动的形式。考虑到齿轮传动效率不大，速度只是中等，故齿轮用45号钢；为达到更高的效率和更好的耐磨性，进行整体淬火后再低温回火，使齿轮

27、面硬度达到45-55HRC。2.5.2 按齿面接触疲劳强度设计尺寸先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。按齿面接触疲劳强度设计公式如式（2-3）。 （2-3）式中 d1小齿轮直径； K 载荷系数； T1小齿轮转矩； H许用接触应力；d齿宽系数； ZE弹性系数；ZH节点区域系数；Z重合度系数。取小齿轮转矩 ；因载荷平稳，取载荷系数 ；齿宽系数 ；齿数比 ；许用接触压力 ；查图表得试验齿轮的接触疲劳极限；接触强度的最小安全系数；接触疲劳强度计算的寿命系数；弹性系数 查表得；节点区域系数 查表得；重合度系数 ；将以上参数代入公式2.5.3 确定齿轮的主要参数与主要尺寸齿数 取，则。模

28、数 取标准值。中心距 其他主要尺寸分度圆直径：齿顶圆直径：齿宽：取齿宽系数， 以相同的方法设计计算出分度齿轮的主要参数如下：齿数: 。模数: 。分度圆直径：中心距: 齿顶圆直径：齿宽：2.5.4 校核齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲的疲劳强度校核公式如式(2-4)所示。 (2-4)式中 载荷系数；小齿轮转矩；齿轮齿宽；齿形系数；应力的修正系数；重合度的系数。取：载荷系数 ； 小齿轮转矩；齿轮齿宽 重合度的系数齿形系数应力的修正系数所以许用弯曲的应力计算公式如式（2-5）所示。 （2-5）式中 Flim齿轮齿根的弯曲疲劳极限；SFmin弯曲疲劳强度最小的安全极限； YN弯曲疲劳强度的计算寿命系数 YX尺

29、寸系数。取：齿轮齿根的弯曲疲劳极限Flim =150MPa 弯曲疲劳强度最小的安全极限SFmin=1.4弯曲疲劳强度的计算寿命系数YN=1尺寸系数YX=0.8所以根据计算，FF所以齿轮齿根弯曲强度足够。同理证明分度齿轮的强度符合要求。2.6 蜗杆传动设计蜗杆传动特点：结构紧凑，传动比大。可以得到很大的传动比，一般情况在动力的传动中，取传动比I=10-80，在分度的机构中，I可达1000。这样大的一个传动比中如用 齿轮的传动，就需要采取相应多级的传动才行。蜗杆传动的结构紧凑，重量轻、体积小、传动平稳、无噪音、具有自锁性。2.6.1 蜗杆传动类型根据本次传动场合用于机床上的工作台，整体传动要求传动

30、精度高，所以蜗杆采用渐开线蜗杆；根据整体传动比需要设计比较大，蜗轮蜗杆的传动比也需比较大，而且工作台的在工作中需要有自锁功能，蜗杆采用单头蜗杆；为了工作台在工作中需要受力平衡与工作平稳，蜗杆的旋向采用右旋。2.6.2 蜗轮蜗杆的材料考虑到蜗杆传动效率不大，速度只是中等，故蜗杆用45号钢；为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求蜗杆螺旋齿面淬火，硬度为45-55HRC。蜗轮采用铸锡青铜ZCuSn10Zn2。2.6.3 按齿面接触疲劳强度设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距公式如式（2-6）： （2-6）式中 T2蜗轮转矩； k 使用系数；

31、ZE弹性系数； Z接触系数；H许用应力。确定作用在蜗轮上的转距T2按Z1=1，估取效率=0.9，则确定载荷系数k因工作的载荷相对较稳定，故取载荷的分布不均的系数K=1；查得使用系数KA=1.15；由于转速的不高，冲击不大，可取动载的系数KV=1.2；则确定弹性的影响系数ZE根据蜗杆和铸锡青铜蜗轮相配，可查得ZE=152确定接触的系数Z先假设一下蜗杆的分度圆的直径d1和传动的中心距a的比值d1/a=1：3，从而可算出Z=3.6。确定许用应力H根据蜗轮的材料为ZCuSn10Zn2，砂型铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，从而可查得蜗轮的基本许用应力H=260MPA。因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙

32、性的，故初步定位、其寿命系数为KHN=0.85，则H= KHNH=0.85260=221MPa 计算中心距根据d1/a=1：3，取蜗轮齿数Z2=70，m取标准模数，所以中心距。2.6.4 蜗轮蜗杆主要参数与几何尺寸传动比：；蜗轮齿数：，变位系数；蜗轮的分度圆的直径：；蜗轮喉圆直径：；蜗轮喉母圆直径；蜗杆直径系数；分度圆的直径，蜗杆头数；分度圆导程角，齿形角；蜗杆轴向齿距：；蜗杆的齿顶圆的直径：；蜗杆轴向齿厚：2.6.5 校核蜗轮轮齿弯曲疲劳强度蜗轮轮齿的弯曲疲劳强度取决于轮齿模数的大小，由于轮齿齿形比较复杂，且在距中间平面的不同平面上的齿厚也不同，都相当于具有不同变为系数的正变位齿。距中间平面

33、愈远，齿愈厚，变位系数也愈大。因此蜗轮轮齿的弯曲疲劳强度难于精确计算，只好进行条件性的概略估算。蜗轮轮齿弯曲疲劳强度条件公式为式（2-7） （2-7）式中 KA齿形系数；T2蜗轮转矩；b2蜗轮齿宽；d2蜗轮直径；取齿形系数KA=1.15；蜗轮转矩T2=441Nm；蜗轮齿宽；所以许用应力计算公式如式（2-8）所示。 （2-8）式中 Flim齿根弯曲疲劳极限；SFmin弯曲疲劳强度的最小安全极限。取：弯曲疲劳强度的最小安全极限SFmin=1.4；根据蜗轮材料铸锡青铜ZCuSn10Zn2，查得齿根弯曲疲劳极限Flim =165MPa。所以根据以上结果得出所以弯曲强度是满足要求的。2.7 轴的设计轴是

34、支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。根据载荷的大小、方向、性质及其分布状态，轴上零件的数量及安装位置、定位方法、轴的制造工艺和生产规模等，设计合理的结构形式的轴。轴的材料主要采用碳素钢或合金钢，也可采用球墨铸铁或合金铸铁等。轴的工作能力一般取决于强度和刚度，转速高时还取决于振动稳定性。一般轴结构设计原则： 1）节约材料，减轻重量，尽量采用等强度的外形尺寸或者大截面系数的截面形状； 2）易于轴上零件的精确定位、稳固、装配、拆卸以及调整； 3）采用各种能减少应力集中和提高强度结构的措施； 4）便于加工制造和精度的保证。2.7.1 轴1的设计根据轴1的承载情况，主要传递扭矩和

35、弯矩，属于转轴。考虑到轴的材料的经济性，一般使用45碳素钢，碳素钢对应力集中的敏感性较小，而且使用广泛；为保证其力学性能，会进行调制或正火处理。本次设计选用轴1的材料为正火处理的45钢。根据夹具体和回转体配合尺寸要求，设计轴1的主要尺寸如图2-6所示：图2-6 轴1尺寸图2.7.2 轴2的设计轴2和轴1通过夹具体连接成一个整体，其承载情况和轴1相同，同样属于转轴。考虑到轴的材料的经济性，材料依然选为正火处理的45钢。根据夹具体和回转体配合尺寸要求，设计轴2的主要尺寸如图2-7所示：图2-7 轴2尺寸图2.7.3 主轴的设计根据主轴的承载情况，主要传递扭矩，属于传动轴。考虑到轴的材料的经济性，本

36、次设计选用主轴的材料为正火处理的45钢。根据箱体和回转体配合尺寸要求，设计主轴的主要尺寸如图2-8所示：图2-8 主轴尺寸图2.7.4 蜗杆轴的设计本次设计的蜗杆轴用于传递扭矩，通过齿轮副到蜗轮蜗杆，不需要承受弯矩，所以用到的为传动轴。轴的材料的选择，考虑到轴的材料的经济性，本次设计选用蜗杆轴的材料为正火处理的45钢。根据箱体内配合尺寸要求，设计蜗杆轴的主要尺寸如图2-9所示：图2-9 蜗杆轴的尺寸图2.8 键联接的选择设计键联接时，通常被联接件的材料、构造和尺寸已初步决定，联接的载荷也已求得。因此可根据联接的结构特点、使用要求和工作条件来选出键的类型，再根据轴径从标准中选出键的截面尺寸。2.

37、8.1 键联接的类型键主要用于轴和带毂零件（如齿轮、蜗轮等），实现周向固定以传递转矩的轴毂连接。其中，有些还能实现轴向固定以传递轴向力；有些则能构成轴向动联接。键的类型有平键、半圆键、斜键和花键，其各有特点。因其轴上键的作用是传递扭矩，并且要求一定的定心性，因此应用平键连接就可以了。2.8.2 键联接的尺寸（1）根据小齿轮上轴径，小齿轮轮毂长度为，可查得键截面尺寸为：宽，高。参考毂长选键长。电机轴上的键同样选择这个尺寸。（2）根据主轴一段轴径d=80mm，蜗轮轮毂长度为71mm，可查得键截面尺寸为：宽b=22mm,高h=14mm。参考毂长选键长l=63mm。（3）根据主轴二段轴径d=55mm，

38、回转体与轴连接长度为65mm，可查得键截面尺寸为：宽b=16mm,高h=10mm。参考毂长选键长l=50mm。（4） 根据轴1轴径d=60mm，分度盘轮毂长度为30mm，可查得键截面尺寸为：宽b=18mm,高h=11mm。参考毂长选键长l=28mm。（5）根据轴2轴径d=65mm，分度齿轮轮毂长度为60mm，可查得键截面尺寸为：宽b=18mm,高h=11mm。参考毂长选键长l=56mm。2.9 轴承的选择滚动轴承它是现代的机器中被广泛应用得部件之一，它是依靠那些主要元件之间的滚动接触来支撑零件的转动的。与那些滑动轴承比较,滚动轴承的摩擦力较小，它的功率消耗较少，启动要容易等的优点。而且常用的那

39、些滚动轴承它们绝大多数的已经被标准化了，因此在使用滚动的轴承时，我们只需要根据实际工作条件来正确的选择轴承得尺寸和类型，验算轴承的承载的能力。以及与轴承之间的安装、润滑、调整、密封等有关的“轴承装置设计”问题。2.9.1 轴承的类型轴承是支承轴颈的部件，有时也用来支承轴上的回转零件。按照承受载荷的方向，轴承可分为径向轴承和推力轴承两类。轴承上的反作用力与轴中心线垂直的称为径向轴承；与轴中心线方向一致的称为推力轴承。根据轴承工作的摩擦性质，又分为滚动轴承和滑动轴承两类。本次设计中要采用的是滚动轴承。滚动轴承是标准件，应用广泛，安装、维修方便，价格也比较便宜。滚动轴承主要由内圈、外圈、滚动体和保持

40、架组成，内圈和外圈分别与轴颈及轴承座孔装配在一起。本次设计中齿轮传动采用的是直齿圆柱齿轮传动，无轴向力存在，所以轴承选用主要考虑的是蜗杆传动。蜗杆与小齿轮在同一轴上，整个轴存在轴向力，所以选用圆锥滚子轴承承受轴向力；蜗轮所在的轴需要承受蜗轮、工作台和工件的重力，轴上所受轴向力方向应该与重力方向相反，承受较大的轴向载荷，而且需要对中精度高，因此选择推力球轴承，并用圆锥滚子轴承固定。电机轴连接直齿圆柱齿轮无轴向力，才用深沟球轴承。而轴1和轴2在钻孔过程承受较小的轴向力，故采用圆锥滚子轴承。考虑到整个回转系统工作时转速不是很高，不间断工作，温度也不是很高。故采用脂润滑，而箱体内部蜗杆轴的转速相对较高

41、，故采用油润滑。 2.9.2 轴承的尺寸轴承的基本代号包括三项内容：类型代号、尺寸系列代号和内径代号。(1) 支持蜗杆回转的轴径为20mm，滚动轴承为圆锥滚子轴承，因此轴承的代号为30204；(2) 电机轴的直径为20mm，滚动轴承为深沟球轴承，因此轴承的代号为6004；(3) 主轴上的轴径分别为50mm和80mm，滚动轴承为圆锥滚子轴承，轴承的代号分别为30210和30216；(4) 推力球轴承采用内径加大版的51410，内径加大到390mm；(5) 轴1和轴2的轴径为90mm，滚动轴承为圆锥滚子轴承，因此轴承的代号为30218。2.9.3 轴承的密封装置轴承的密封装置是为了阻止灰尘，水，铁

42、屑和其他杂物进入轴承，并阻止润滑剂流失而设置的。密封装置可分为接触式及非接触式两大类。此处，采用接触式密封，毡圈密封圈。轴1和轴2处主要防止铁屑进入；故采用简易密封环便可。毡圈密封圈靠槽的挤压作用而套紧在轴上，以便起密封作用。3 工作台控制系统设计3.1 控制系统元器件选择3.1.1 单片机选择单片机是一种集成在电路芯片，是采用超级大的规模的集成电路的技术把那些具有数据的处理能力得只读的存储器ROM、中央级处理器CPU、随机的存储器RAM、多种I/O口以及中断系统、定时器/计时器等的功能，集成到一小块硅片上并构成一个小且完善得计算机的系统。考虑到本次设计所用的功能和经济性，选用ATMEL的AT

43、89C55单片机。在AT89C55单片机是一种低功耗的，高性能的CMOS 8位单片机具有20K字节的闪存和可擦除可编程只读的存储器。该设备的生产采用Atmel的高密度非易失性内存技术和兼容与业界标准80C51指令集和引脚。片上闪存允许程序存储器重新编程在系统或传统的非易失性内存程序员。通过将通用的8位闪存的单片上的CPU芯片，AT89C55单片机是一个强大的微型计算机提供了一个高度灵活和成本有效解决许多嵌入式控制应用。AT89C55单片机提供以下标准功能：闪存，256内存，32个I / O线，3个字节，16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，一个全双工串行口，片上振荡器，时钟电路。此外，

44、AT89C55单片机的设计静态逻辑操作频率下降到零，并支持两种软件可选的节电模式。该空闲模式停止CPU的工作，而RAM，定时器/计数器，串行口，外中断系统继续运作。掉电模式保存RAM内容但冻结振荡器，禁用所有其他芯片的功能直到下一个硬件复位。低电压选项节省能源和一个2.7伏电源供电。AT89C55单片机芯片引脚如图3-1所示。图 3-1 AT89C55单片机芯片引脚3.1.2 I/0接口芯片选择I/O接口是一电子电路(以IC芯片或接口板形式出现 ),其内有若干专用寄存器和相应的控制逻辑电路构成。它是CPU和I/O设备之间交换信息的媒介和桥梁。本次设计所需功能考虑，选用的是intle 8279可

45、编程I/O接口芯片。8279可用作单片机的可编程通用键盘与显示器接口，可以为64键的接触式按键阵列提供扫描接口，也可以用到类似霍尔效应或者铁氧体变形体的传感器的列阵或一个选通的接口的键盘。键的按揿可以是二键闭锁的也可以是N键巡回，可以自动的消除按键抖动，按键输入编码被选通送入8字符的FIFO先进先出缓冲器中。若送入的字符多于8个，将越限制标志置“1”，按键输入时间CPU发出中断信号。显示部分能为发光的二极管，白炽灯，七段的显示器，液晶显示器等能提供扫描显示的接口。8279是具有一个18X8显示器的RAM，它也可以组成两支16X4的RAM。CPU可以读写RAM。无论是右端送入方式还是左端送入方式

46、都能由8279实现，显示RAM有自动加1的功能。Intle 8279芯片引脚如图3-2所示。图 3-2 Intel 8279芯片引脚3.1.3 存储器选择存储器是单片机系统中的记忆装置，用来存放程序和数据。更确切地说，存储器是存放二进制编码信息的硬件装置。从不同角度出发，存储器有不同的分类方式。1）按工作时与CPU联系密切程度分类可分为主存和辅存，或称作内存和外存。2）按存储元件材料分类可分为半导体存储器、磁存储器及光存储器。3）按存储器读写工作方式分类可分为随机存储器RAM和只读存储器ROM。设计选用的单片机型号为AT89C55，本身RAM只有256内存，所以需要外扩RAM，常用的静态RAM

47、芯片有6116、6264、62128、62256等，本次设计单片机选用的RAM为6264芯片。6264芯片的容量为8KB，即包含有65536个存储元件，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造。RAM6264芯片引脚如图3-3所示。图 3-3 RAM6264芯片引脚3.1.4 译码器选择译码器是组合逻辑电路中的一个重要的元器件，它可以分为显示译码和变量译码两类。变量译码一般是把一种较少输入变为较多输出的元器件，一般把它分为2n译码和8421BCD码译码这两类。显示译码主要解决把二进制数显示成对应的十、或者十六进制数转换的功能，一般其可分为驱动LCD和驱动LED两大类。译码是编码的逆过程，

48、在编码时，每一种二进制代码，都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。本次控制电路用到的译码器有两处，一处为AT89C55单片机与外扩RAM6264之间所以的译码器，还有一处为Intel 8279I/O控制芯片和键盘显示器之间的译码器。译码器型号选用为74LS138译码器，74LS138译码器为3 线8 线译码器，共有 54/74S138和 54/74LS138 两种线路结构型式。其工作原理如下：当一个选通端（E3）为高电平，另两个选通端（E1)和/(E2)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在一个对应的输出端以低，电平译出。74LS138译码器引脚如图3-4所

49、示。图 3-4 74LS138译码器引脚3.1.5 地址锁存器选择地址的锁存器它就是一个暂存器，它会根据控制的信号状态，将总线上的那些地址代码能暂存起来，当微型处理器和存储器开始交换彼此信号时，首先通过CPU发出的存储器的地址，同时会发出一个允许锁存的信号ALE来给锁存器，当锁存器收到该信号之后将数据/地址总线上得地址锁存到总线上，这样随后才能够传输相应的数据。本次地址锁存器采用型号为74LS373。共有8个输入端D1D8及8个输出端Q1Q8，当三态端OE为有效的低电平时，74LS373的G端为输人的选通端。使能端G为有效的高电平的时候，输出会跟随输入的变化；当G1的时候，锁存器是处于透明的工

50、作状态。即锁存器输出状态会随数据端变化来变化，即脚1=Di(I=1，2，8)。当G端由1变0时，数据会被锁存了起来。此时的输出端Qi不再随着输入的变化而发生变化，而会一直保持着锁存前值不变。G端(或STB端)可直接和单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE的下降沿进行地址锁存。74LS373地址锁存器引脚如图3-5所示。图 3-5 74LS373地址锁存器引脚3.2 控制系统电路设计3.2.1 主控器电路设计本次主控电路元器件有单片机AT89C55，地址锁存器74LS373，译码器74LS138和数据存储器6264组成。单片机主控电路接法如图3-6所示， AT89C55的P0.0-P0.7和

51、74LS373的D0-D7还有6264的Q0-Q7相连， P2.5-P2.7接74LS373的ABC，P1.0-P1.4分别和2个脉冲分配器的EO,R相连，周期输出信号ALE与74LS373的GND相连，WR，RD分别和6264的WE,DE相连；74LS373的Q0-Q7与6264的A0-A7相连，Y2与CS16264相连；时钟电路与AT89C55的XTAL1、XTAL2相连。图3-6 单片机主控制电路图3.2.2 I/ O 接口电路设计I/O接口扩展电路由AT89C55单片机， INTEL8279I/O接口芯片，74LS138译码器, 75451位驱动,28键盘和6位8段LED元器件组成。I

52、/O接口扩展电路设计接法如图3-7所示，AT89C55的P0.1-P0.7接8279的D0-D7，P2.6接8279的CS，周期输出信号ALE直接接到8279的时钟端CLK，INT1接8279的中断请求线IRQ,WR,RD分别和8279的WR,RD相连，P2.7与8279的A0相连。8279外接28键盘，6位8段LED，8279的回送输入线接键盘列线，选用外部译码方式，扫描线SL0-SL2为3位计数器输出信号，由74LS138译码器译出8位选择线Y0-Y7，接上4个75451位驱动，再接上键盘的行线，和LED的公共极。OUTB0-OUTB3,OUTA0-OUTA3相当于8段数据输出口。图3-7

53、 I/O接口扩展电路图结 论本课题设计了旋转钻夹具回转工作台，按照以下面方案步骤进行设计。（1）旋转钻夹具回转工作台的设计方案。主要由工作台的机械传动设计方案和控制系统的设计方案。工作台的机械传动设计方案主要是根据工作台的功能选择传动的方式，有齿轮传动和蜗杆传动等选择。控制系统的设计方案主要是根据工作的功能选择单片机，键盘显示控制芯片，数据储存器等元件。（2）旋转钻夹具回转工作台传动系统设计。主要包括工作台总体参数的设计和部分机械参数设计。工作台总体参数的设计主要为系统传动比，工作回转速度等参数的设计，而工作台部分机械参数包括工作台外形尺寸设计，夹紧方式的选择，步进电机的选择，气缸的选择，齿轮

54、传动尺寸参数设计，蜗杆传动尺寸参数设计，轴的尺寸参数设计，轴承的选择和键的选择等。（3）旋转钻夹具回转工作台控制系统设计。主要包括单片机主控电路设计，I/0扩展电路设计，步进电机接口电路设计和键盘显示电路设计四大部分。（4）旋转钻夹具回转工作台的图纸设计。图纸设计包括旋转钻夹具回转工作台装配图设计，夹具体零件图设计，回转体零件图设计，蜗杆轴和主轴零件图设计，齿轮传动零件图设计和蜗轮蜗杆的零件图设计。最终通过老师的指导和自己的努力，设计出的旋转钻夹具回转工作台实现了操作方便，分度精度高，加工效率大大提高等现实性问题。当然不足就是加工的零件有所限制，只有类似本次多面加工的零件使用这种旋转钻夹具才有上面所述的优势。比较具有局限性。附 录摘要: