数控回转工作台及其闭环控制系统设计

中 文 摘 要- I -摘 要本次毕业设计的题目是数控回转工作台及其闭环控制系统的设计。本课题主要介绍了数控回转工作台的原理和机械结构的设计，这种回转工作台是一种可以实现圆周进给和精确分度运动的工作台，它主要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等几部分组成，是一种很实用的加工工具。它常被用于卧式镗床和加工中心上，它可提高加工效率，完成更多的工艺。通过本次对数控回转工作台及其闭环控制系统的设计，使我们不仅能够设计出数控回转工作台，而且能够掌握机械设计的方法和步骤。本课题的主要内容包括：确定数控回转工作台的传动方案；驱动力的计算及其它相关计算；机械零件的设计与校核；通过 AUTOCAD 绘制装配图和零件图。数控机床的圆周进给是由回转工作台完成的，回转工作台可以与 X 轴、Y轴、Z 轴三个坐标轴联动，从而加工出球面、圆弧曲面等复杂曲面。数控回转工作台可以实现精确的自动分度，从而扩大了数控机床的加工范围。随着数控技术越来越广泛的应用，数控回转工作台的发展已成为历史的必然。关键字：数控回转工作台,齿轮传动,蜗杆传动,数控技术A b s t r a c t- II -AbstractThe graduation project is the subject of design of CNC rotary worktable and closed loop control system. The principle and mechanical structural designing of the rotary table is introduced in this paper. This rotary table is a kind ,which can achieve circular feed and precise indexing movement . It is made up of prime power, gear driving, worm gear driving and operating platform and other components, is a very useful tool for processing., because of the higher efficiency and multifunction its always used in the driller and machining centers to improve processing efficiency and complete more process technology.Through the design of CNC rotary worktable and closed loop control system ,we can not only know how to design a CNC rotary worktable, but also master the methods and procedures of the mechanical design. The main content of this research include: determining the transmission scheme of CNC rotary worktable; driving force calculation and other relevant calculations; machinery parts design and verification; drawing the part drawing and assembly drawing with AUTOCAD software.The circumference of CNC rotary worktable by the completion of the feed, rotary worktable with X, Y, Z three axis coordinates to be processed into a variety of balls, such as circular surface.CNC rotary worktable can realize automatic indexing precisely, and expand the range of CNC machining. With the widely use of CNC technology, the application and development of rotary worktable has become a historical necessity.Key words：CNC rotary table，Gear drive ，Worm drive ，CNC technologyA b s t r a c t- III -目 录 - IV -目 录摘 要 . IAbstract. II目 录 . III第一章 引 言 . 11.1 本课题的背景和实际意义 . 11.2 本课题研究的主要内容 . 21.3 数控回转工作台原理与特点 . 3第二章 数控回转工作台的原理与应用 . 42.1 数控回转工作台 . 42.2 设计准则 . 52.3 主要技术参数 . 6第三章 数控回转工作台的设计 . 73.1 传动方案的选择 . 73.1.1 传 动 方 案 传 动 时 应 满 足 的 要 求 . 73.1.2 传 动 方 案 及 其 分 析 . 73.2 电机的选择 . 83.2.1 伺 服 电 机 的 工 作 原 理 . 93.2.2 伺 服 电 机 的 选 择 及 运 动 参 数 的 计 算 . 93.3 齿轮传动的设计 . 103.3.1 齿 轮 传 动 的 特 点 与 用 途 . 113.3.2 齿 轮 材 料 的 选 择 原 则 . 113.3.3 齿 轮 的 几 何 尺 寸 计 算 与 强 度 校 核 123.3.4 结 构 设 计 133.4 蜗轮与蜗杆的选用与校核 . 153.4.1 选 择 蜗 杆 传 动 类 型 . 153.4.2 选 择 材 料 . 15目 录 - V -3.4.3 按 齿 面 接 触 疲 劳 强 度 进 行 校 核 . 163.4.4 蜗 杆 与 蜗 轮 的 主 要 尺 寸 与 参 数 183.5 轴承的选用 . 173.5.1 轴 承 寿 命 的 验 算 193.5.2 轴 承 游 隙 调 整 . 193.5.3 滚动轴承的配合 193.5.4 滚动轴承的润滑 203.5.5 滚动轴承的密封装置 213.6 轴的校核与计算. 223.6.1 轴 一 的 校 核 与 计 算 . 223.6.2 轴 二 的 校 核 与 计 算 . 253.7 夹紧机构的校核与计算. 253.8 齿轮上键的选择与计算. 26第四章 控制系统的设计 . 274.1 CPU 板 . 274.1.1 CPU 的 选 择 . 274.1.2 CPU 接 口 设 计 . 284.2 驱动系统和人机界面 . 28结论 . 29参考文献 . 30致谢及声明 . .31目 录 - VI -第一章 引 言- 1 -第一章 引 言1.1 本课题的背景和意义2010 年在北京举办的第 11 届中国国际机床展览会上，数控机床、加工中心、复合机床等装备在制造业内已呈现出量大面广的态势，这类工作母机在各类制造业已经得到广泛普及，清晰地表达出了时代特征和发展潮流。机床运动不管是并联运动机床，还是运动叠加的串联机床，对大多数金属加工机床来说，数控进给复合运动的加工，都是以直线轴加上回转轴的联动来实现的。为了应对日益增多的复杂零件加工、提高加工的精度和效率，多轴机床和复合机床需要进一步的创新发展。因此，在现代加工中心的开发中，数控回转工作台的设计与制造便成为了研制机床部件的核心任务之一，而数控回转工作台，同时起着承载工作重量、夹持工件的功能，因此要非常重视其创新设计。但是，在中国数控回转工作台的产业发展中也出现了很多的问题，情况并不容乐观，如产业结构不合理，产业还集中于劳动力密集型得产品；技术密集型产品明显落后于西方发达国家；生产要素的决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源的破坏力大；企业的总体规模还偏小、技术创新能力比较薄弱、管理水品也相对比较落后等。从什么角度剖析中国数控回转工作台产业的发展状况？用什么方式评价中国数控回转工作台产业的发展程度？如何定位中国数控回转工作台产业的发展方向和前景？中国数控回转工作台产业发展与当前的经济热点问题关联度如何？此类问题，都是数控回转工作台产业发展中必须面对和解决的。中国数控回转工作台产业已经发展到了岔口：中国数控回转工作台生产企业急需选择发展的方向。中国数控回转工作台产业发展研究报告阐述了世界数控回转工作台产业的发展历程，分析了中国数控回转工作台产业的发展现状和差距，开创性的提出了“新型的数控回转工作台产业”及其替代品产业概念，在此基础上，从而从四个方面即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好 ”和“面向未来”准确界定了“新型的数控回转工作台产业”及其替代产品的内涵。根据 “新型的数第一章 引 言- 2 -控回转工作台产业”及其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回转工作台产业的发展进行了推演与精准的预测。中国数控回转工作台市场分析的结果显示了随着我国制造业的发展，加工中心将会越来越多地被要求装备第四轴或第五轴以扩大机床加工的范围。估计近几年要求装备数控回转工作台的加工中心将会达到每年 700 台左右。 预计未来 6 年虽然某些行业由于产能过剩、并且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大力支持和发展的装备子行业。数控回转工作台作为数控机床中非常重要的一部分，研究其设计、制造过程是很有实际的工程应用价值的。数控回转工作台的应用很多，而数控回转工作台的研究必然符合历史发展的大趋势。1.2 本课题研究的主要内容本课题是对数控回转工作台及其闭环控制系统的设计。总体设计方案就是针对数控回转工作台，在选定工艺和结构方案基础上进行设计。最后的成果包括：工作台结构总体装配图一套、局部部件结构图一套、控制图电气原理图若干、源程序清单及说明书一份。设计的数控回转工作台应能实现任意角度的旋转，并能通过检测系统实现闭环控制。工作台上可安装板、盘以及其他形状比较复杂的被加工零件，也可利用与之配套的尾座安装棒、轴类被加工零件，实现等分的和不等分孔、槽或者连续的特殊表面的加工，且保证很高的加工精度。另外也可和非数控机床配套，利用专门配置的控制系统独立地完成等分和不等分的孔、槽以及连续的圆弧面的加工。具体内容包括：1、工作台的总体结构设计（机械部分）；2、工作台的驱动机构设计（驱动方式选择及设计）；3、工作台的控制系统设计（控制方式及选择）；4、程序设计。第一章 引 言- 3 -1.3 数 控 回 转 工 作 台 的 原 理 与 特 点数控回转工作台的使用，为加工中心和数控铣床提供了回转的坐标，通过第四轴、第五轴驱动转台完成等分、不等分或连续的回转加工，加工出复杂的曲面，使机床原有的加工范围得以扩大。数控回转工作台未来的发展方向是：在规格上向两头延伸，也就是开发小规格与大规格的转台以及相关的制造技术；在其性能方面将进一步提高刹紧力矩、提高主轴转速，向可靠性的方面发展。数控机床的圆周进给由数控回转工作台来完成，被称为数控机床的第四轴：回转工作台可以与 X 轴、Y 轴、Z 轴三个坐标轴联动，以加工出球、圆弧曲线等复杂曲面。回转工作台可以实现精确的自动分度，使数控机床的加工范围得以扩大。数控回转工作台主要用于数控镗床与铣床，其外形和通用工作台相似，不过它的驱动是伺服系统的驱动方式。它可以与其他伺服进给的轴联动。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以给定的程序指令进行控制的。数控转台的发展方向是：在规格上向两头延伸，也就是开发小型转台和大型转台；在性能上将研制以青铜为材料的蜗轮，大幅度的提高工作台转速以及转台的承载能力；在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。 机床工具行业的发展，依赖于行业技术整体水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变的这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张的原因，造成技术创新和技术改造的力度不大，致使附件水平的发展严重滞后，从而成为制约民族机床工业发展的瓶颈。国产配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、精度稳定性等方面与西方发达国家相比都存在一定的差距，但在产品的价格、交货期和售后服务上占有比较大的优势。另外，近几年台湾地区的数控附件产品明显加大了对大陆市场的开发力度，使国内市场竞争态势日趋激烈。在今后几年中，我国机床附件厂要发展中档次