数控回转工作台结构设计.pdf

数控回转工作台结构设计 摘 要 数控车床今后将向中高挡发展，中档采用普及型数控 刀架配套， 高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、 伺服刀架、 立式刀架等品种，预计近年来对数控刀架需求量将大大增 加。但是数控回转工作台更有发展前途它是一种可以实现圆 周进给和分度运动的工作台，它常被使用于卧式的镗床和加 工中心上，可提高加工效率，完成更多的工艺，它主要由原 动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等部分组成，并可进行 间隙消除和蜗轮加紧，是一种很实用的加工工具。本课题主 要介绍了它的原理和机械结构的设计，并对以上部分运用 AUTOCAD 做图最后是对数控回转工作台提出的一点建议。关 键词：数控回转工作台齿轮传动蜗杆传动间隙消除蜗轮 加紧谢谢朋友对我文章的赏识，充值后就可以下载说明书， 我这里还有一个压缩包，里面有相应的 word 说明书（附带： 外文 翻译）和 CAD 图纸。需要压缩包的朋友请联系 QQ 客 服： 1459919609。下载后我可以将压缩包免费送给你。需要 其他 ！ 设计题目直接联系！ ！ AbstractNumerical control there is in the future lathe to in will develop the middle -gradeto adopt popular numerical control knife rest form a complete set adopt the motiveforce type knife rest top-grandly have such varieties as knife rest of hydraulicpressure servo knife rest vertical knife rest etc. concurrently it is estimated thatwill increase to numerical control knife rest demand greatly in recent years. Thedevelopment trend of the Numerical control rotary table is: With the development ofnumerical control lathe numerical control knife rest begin to change one hundredsheets electric liquid is it urge and urge direction develop while being servo tomake up fast. Some originally design and is it continue electricity to use to fourworker location vertical electronic machinery of knife rest mainly - exposed tocontrol system control some designs. And use AUTOCAD to pursue to the abovepart have a more ocular knowledge of electronic knife rest. The last propositionhas put forward the suggestion and measure to Numerical control rotary table. Keyword： Numerical control rotary table； Gear drive；Worm drive ；Gap elimination； The worm gear steps up. 目 录摘 要 .- 1 - Abstract .- 3 - 绪 论 .- 5 -第一章数控回转工作台的原理与应 用 - 6 - 1.1 数控回 转工作 台 - 6 - 1.2 设计准 则 - 7 - 1.3 主要技术参 数 - 7 - 1.4 本章小 结 - 7 - 第二章：数控回转工作台的结构设 计 .- 8 - 2.1 传动方 案的确 定 .- 8 - 2.2 齿轮传动的设 计 - 9 - 2.3 电液脉冲马达的选择及运动参数的计 算 .- 11 - 2.4 蜗轮及蜗杆的 选用与校 核 .- 12 - 2.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺 寸 .- 14 - 2.6 轴的校核 与计 算 .- 1 5 - 2.7 弯矩组合 图 . - 16 -2.8 根据最大危险截面处的扭矩确定最小轴 径 .- 16 - 2.9 齿轮上键的选取 与校 核 - 17 - 2. 10 轴承的选 用 . - 17 -2.11 本章小 结 .- 18 - 第三章 : 数控技术发展趋 势 .- 18 - 3 .1 性能发展方向 1 高速高精高效化速度、精度和效率是 机械制造技术的关键性能指标。 由 - 18 - 3.2 功能发展方 向. - 19 - 3.3 体系结构的发 展.- 20 - 3.4 智能化新一代 PCNC 数控系 统- 21 - 第四章： 总 结 - 22 - 致 谢 .- 22 -参考文 献 - 23 - 绪 论 毕业设计 主要是培养学生综合应用 所学专业的基础理论、基本技能和专业知识的能力，培养学 生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和 方法。而高职类学生更应侧重于从生产的第一线获得生产实 际知识和技能，获得工程技术经用性岗位的基本训练，通过 毕业设计 ，可树立正确的生产观点、经济观点和全局观点， 实现由学生向工程技术人员的过渡。使学生进一步巩固和 加深对所学的知识，使之系统化、综合化。培养学生独立工 作、独立思考和综合运用所学知识的技能，提高解决本专业 范围内的一般工程技术问题的能力，从而扩大、深化所学的 专业知识和技能。培养学生的设计计算、工程绘图、实验 研究、数据处理、查阅文献、外文资料的阅读与翻译、计算 机应用、文字表达等基本工作实践能力，使学生初步掌握科 学研究的基本方法和思路。使学生学会初步掌握解决工程 技术问题的正确指导思想、方法手段，树立做事严谨、严肃 认真、一丝不苟、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创 新意识和团结协作的工作作风。本次毕业设计 主要是解决 数控回转工作台的工作原理和机械机构的设计与计算部分， 设计思路是先原理后结构，先整体后局部。目前数控回转工 作台已广泛应用于数控机床和加工中心上，它的总的发展趋 势是： 1 在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型转台； 2在性能上将研制以钢为材料的蜗轮，大幅度提高工作台 转速和转台的承载能力； 3 在形式上继续研制两轴联动和 多轴并联回转的数控转台。数控转台的市场分析：随着我国 制造业的发展，加工中心将会越来越多地被要求配备第四轴 或第五轴，以扩大加工范围。估计近几年要求配备数控转台 的加工中心将会达到每年 600 台左右。预计未来 5 年， 虽然某些行业由于产能过剩、受到宏观调控的影响而继续保 持着较低的行业景气度外，部分装备制造业将有望保持较高 的增长率，特别是那些国家产业政策鼓励振兴和发展的装备 子行业。作为装备制造业的母机，普通加工机床将获得年均 1520左右的稳定增长。第一章数控回转工作台的原 理与应用数控机床的圆周进给由回转工作台完成，称为数 控机床的第四轴：回转工作台可以与 X、Y、Z 三个坐标轴 联动，从而加工出各种球、圆弧曲线等。回转工作台可以实 现精确的自动分度，扩大了数控机床加工范围。1.1 数控回 转工作台数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床，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。图 8 - 24 为自动换刀数 控镗床的回转工作台。它的进给、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 1 一蜗杆 2 一蜗轮 3 、4 一夹紧瓦 5 一 小液压缸 6 一活塞 7 一弹簧 8 一钢球 9 一支座 10 一 光栅 11 、12 一轴承为了消除蜗杆副的传动间隙，采用了 双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置宋调整间隙。这 种蜗杆的左右两侧面具有不同的螺距，因此蜗杆齿厚从头到 尾逐渐增厚。但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然可以 保持正常的啮合。当工作台静止时，必须处于锁紧状态。 为此，在蜗轮底部的辐射方向装有 8 对夹紧瓦 4 和 3 ，并 在底座 9 上均布同样数量的小液压缸 5 。当小液压缸的上 腔接通压力油时，活塞 6 便压向钢球 8 ，撑开夹紧瓦，并 夹紧蜗轮 2 。在工作台需要回转时，先使小液压缸的上腔接 通回油路，在弹簧 7 的作用下，钢球 8 抬起，夹紧瓦将蜗 轮松开。回转工作台的导轨面由大型滚动轴承支承，并由 圆锥滚柱轴承 12 及双列向心圆柱滚子轴承 11 保持准确 的回转中心。数控回转工作台的定位精度主要取决于蜗杆副 的传动精度，因而必须采用高精度蜗杆副。在半闭环控制系 统中，可以在实际测量工作台静态定位误差之后，确定需 要补偿角度的位置和补偿的值，记忆在补偿回路中，由数控 装置进行误差补偿。在全闭环控制系统中，由高精度的圆光 栅 10 发出工作台精确到位信号，反馈给数控装置进行控 制。 回转工作台设有零点，当它作回零运动时，先用挡铁 压下限位开关，使工作台降速，然后由圆光栅或编码器发出 零位信号，使工作台准确地停在零位。数控回转工作台可以 作任意角度的回转和分度，也可以作连续回转进给运动。1.2 设计准则我们的设计过程中，本着以下几条设计准则 1 ） 创 造性的利用所需要的物理性能 2 ） 分析原理和性能 3 ） 判 别功能载荷及其意义 4 ） 预测意外载荷 5 ） 创造有利的载 荷条件 6 ） 提高合理的应力分布和刚度 7 ） 重量要适宜 8 ） 应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸 9 ） 根据性能组合选 择材料 10 ） 零件与整体零件之间精度的进行选择 11 ） 功 能设计应适应制造工艺和降低成本的要求1.3 主要技术参 数 （1）回转半径： 500 mm （2）重复定位精度：0.005 mm （3） 电液脉冲马达功率0.75kw （4） 电液脉冲马达转速3000 rpm （5）总传动比： 72.5 （6）最大承载重量100 1.4 本 章小结主要简单介绍 毕业设计 题目（数控回转工作台）和 其发展概况，设计背景、工作原理、设计参数也作了进一 步的说明。第二章：数控回转工作台的结构设计2.1 传动 方案的确定2.1.1步进电机的原理步进电机是一种能将数 字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。 每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回 转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲 频率。步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常 被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度 高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体 化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复 印机、传真机等。选择步进电机时，首先要保证步进电机 的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机 时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能 满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作 过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范 围内。一般地说最大静力矩 Mjmax 大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得 到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更 小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过 步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率， 不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。选择功 率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的 启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一 定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动 的需要 2.1.2.传动方案传动时应满足的要求数控回转工作 台一般由原动机、传动装置和工作台组成，传动装置在原动 机和工作台之间传递运动和动力，并可实现分度运动。在本 课题中，原动机采用电液脉冲马达，工作台为 T 形槽工作台， 传动装置由齿轮传动和蜗杆传动组成。合理的传动方案主 要满足以下要求：（1）机械的功能要求：应满足工作台的 功率、转速和运动形式的要求。（2）工作条件的要求：例 如工作环境、场地、工作制度等。（3）工作性能要求：保 证工作可靠、传动效率高等。（4）结构工艺性要求；如结 构简单、尺寸紧凑、使用维护便利、工艺性和经济合理等。 2.1.3.传动方案及其分析数控回转工作台传动方案为：电 液脉冲马达齿轮传动蜗杆传动工作该传动方 案分析如下：齿轮传动承受载能力较高，传递运动准确、 平稳，传递功率和圆周速度范围很大，传动效率高，结构 紧凑。蜗杆传动有以下特点： 1 传动比大在分度机构中 可达 1000 以上。与其他传动形式相比，传动比相同时，机 构尺寸小，因而结构紧凑。 2 传动平稳蜗杆齿是连续的 螺旋齿， 与蜗轮的啮合是连续的，因此，传动平稳， 噪声低。 3可以自锁当蜗杆的导程角小于齿轮间的当量摩擦角时， 若蜗杆为主动件，机构将自锁。这种蜗杆传动常用于起重装 置中。 4 效率低、制造成本较高蜗杆传动是，齿面上具 有较大的滑动速度，摩擦磨损大，故效率约为0.7 - 0.8 ，具 有自锁的蜗杆传动效率仅为0.4 左右。为了提高减摩擦性和 耐磨性，蜗轮通常采用价格较贵的有色金属制造。由以上 分析可得：将齿轮传动放在传动系统的高速级，蜗杆传动放 在传动系统的低速级，传动方案较合理。同时，对于数控 回转工作台，结构简单，它有两种型式：开环回转工作台、 闭环回转工作台。两种型式各有特点：开环回转工作台开 环回转工作台和开环直线进给机构一样，都可以用点液脉冲 马达、功率步进电机来驱动。闭环回转工作台闭环回转工 作台和开环回转工作台大致相同，其区别在于：闭环回转工 作台有转动角度的测量元件（圆光栅）。所测量的结果经反 馈与指令值进行比较，按闭环原理进行工作，使转台分度定 位精度更高。 2.2 齿轮传动的设计由于前述所选电机可知 T2.39N.M 传动比设定为i3 ， 效率 0.97 工作日安排每年300 工作日计，寿命为10 年。2.2.1 选择齿轮传动的类型根据 GB/T100851988 的推荐，采用直齿轮传动的形式。2.2.2 选 择材料考虑到齿轮传动效率不大，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，要求齿轮 面，硬度为45- 55HRC 。2.2.3 按齿面接触疲劳强度设计先 按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。 6 6 传递转矩 T19.55 ×10 P1/N1 （9.55X10 ×0.75/3000 ） 2.39N.M 载荷系数 K：因载荷平稳，由表6- 6 取 K1.2 齿宽 系数 d: 由表 6- 7 取d1 ： 许用接触压力H H H2220Mpa 传动比 i:i3 将以上参数代入公式 D13 （671/ h）2（6- 21）KT1i1/ di D1 32.88mm2.2.4 确定 齿轮的主要参数与主要尺寸1）齿数取 Z122，则 Z2i ×Z13 ×2266 取 Z266。2）模数 md1/Z132.88/221.49mm取标准值 m1.5。3）中心距标准中心距m/2Z1Z260.5mm4 ）其他主 要尺寸分度圆直径：d1mZ11.5x2233mm d2mZ21.5x6699mm 齿 顶圆直径：da1d12m332x1.536mm da2d22m992x1.5102mm齿宽： b dd10.6x3319.8mm 取 b2b15- 1025-30mm 取 b130mm 。 2.2.5 校核齿根弯曲疲劳强度F22KT1YFS/bmd1 F 复合 齿形系数 Ys：由 x0（标准齿轮）及Z1 Z2 查图 6- 29 得 YFS14.12，YFS23.96 则 f12kT1YFS1/bmd12x1.2x2.39x103x4.12/19.8x1.5x3374.6M pa F1 f2 f1YFS2/YFS174.6x3.96/4.12Mpa71.70MPa F2 弯曲 强度足够。 2.2.6 确定齿轮传动精度齿轮圆周速度vd1n /60x10003.14x72.5x970/600x10003.68m/s 由表 6- 4 确定 第公差组为8 级。第、公差组也定为8 级，齿厚偏差 选 HK 2.2.7 齿轮结构设计小齿轮 da1 33mm 采用实心式齿 轮 大齿轮 da2 99mm 采用腹板式齿轮 2.3 电液脉冲马达的 选择及运动参数的计算许多机械加工需要微量进给。要实 现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可作为 驱动元件。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环 系 统，才能实现微量进给。在闭环系统中，广泛采用电液 脉冲马达作为执行单元。这是因为电液脉冲马达具有以下 优点：直接采用数字量进行控制转动惯量小，启动、 停止方便；成本低；无误差积累；定位准确； 低频率特性比较好；调速范围较宽；采用电液脉冲马达 为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚 珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。通常步进电机每加一 个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大， 如 0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用电 液脉冲马达的细分驱动技术。 1 ）电液脉冲马达电机的选择 按照工作要求和条件选Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼 型三相异步电机。 2 ）选择电液脉冲马达的额定功率马达 的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。额定功率小于 工作要求，则不能保证工作机器正常工作，或使马达长期过 载、发热大而过早损坏；额定功率过大，则马达价格高，并 且由于效率和功率因素低而造成浪费。工作所需功率为： PwFwVw/1000 w KW PwTnw/9950 w KW 式中 T150N.M nw36r/min 电机工作效率 w0.97，代入上式得 Pw150×36/ （9950×0.97 ）0.56 KW 电机所需的输出功率为：P0 Pw/ 式中： 为电机至工作台主动轴之间的总效率。由表 2.4 查得：齿轮传动的效率为w0.97 ；一对滚动轴承的效率为 w0.99； 蜗杆传动的效率为w0.8。因此，123 30.97 ×0.993 ×0.80.75 P0 Pw/0.56/0.750.747 KW 一般 电机的额定功率 Pm1- 1.3P01- 1.30.7470.747- 0.97 KW 则由 表 2.1 取电机额定功率为：Pm0.75 KW 。 确定电机转速按 表 2.5 推荐的各种机构传动范围为，取： 齿轮传动比： 3- 5， 蜗杆传动比： 15- 32， 则总的传动范围为：ii1 ×i23 ×15- 5 ×3245-160 电机转速的范围为 N i ×nw45- 160× 361620-5760 r/min 为降低电机的重量和价格，由表2.1 中 选取常用的同步转速为3000r/min的 Y系列 电机，型号为 Y801- 2，其满载转速nm3000r/min 此外，电机的安装和外形 尺寸 可查表 2.2 2.4 蜗轮及蜗杆的选用与校核由于前述所 选电机可知T6.93N.M 传动比设定为i27.5 ， 效率 0.8 工作 日安排每年300 工作日计，寿命为10 年。 2.4.1 选择蜗杆 传动类型根据 GB/T100851988 的推荐，采用渐开线蜗杆。 2. 4. 2 选择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 。蜗轮用铸锡磷青 铜 Zcusn10p1，金属铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿 圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。 2.4.3 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： ZE Z a 3 kT2 2 H 3- 2（1）确定作用在蜗轮上的 转距 T2 按 Z12，估取效率 0.8 ，则 T2Ti153.4N.M 3 - 3 （2）确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不 均系数 K1；由使用系数KA表从而选取KA1.15；由于转速 不高，冲击不大，可取动载系数KV1.1；则 KKAK KV11.151.11.265 1.27 3 - 4（3）确定弹性影响系数ZE选 用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配。（4）确定接触系数Z先 假设蜗杆分度圆直径d1 和传动中心距a 的比值 d1/a0.30 ， 从而可查出Z3.12 。（5）确定许用应力H根据蜗轮材料 为铸锡磷青铜zcusn10p1 ，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度 45HRC ，从而可查得蜗轮的基本许用应力H268MPA 。因 为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位、其 寿命系数为KHN0.92，则 H KHN H0.92 ×268246.56 247MPA 3- 5（6）计算中心距 160 2.7 2 a 3 1.27 3538