毕业设计（论文）-数控回转工作台结构设计.doc

哈尔滨石油学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计）数控回转工作台结构设计专 业 姓 名 学 号 班 级 指导教师 答辩日期 哈尔滨石油学院毕业设计（论文）任务书题目： 回转工作台设计姓名： 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 主要内容：查阅各种机床的回转工作台，或回转台附件，以及测量仪器的回转工作台，比较各工作台的工作要求和结构特点，也可参考数控机床的回转刀架的结构，总结回转工作台设计要点，为设计新型回转工作台做技术准备。基本要求：1绘制回转工作台结构装配图。2绘制回转工作台关键部件或零件图，与总装图共折合a0图纸3张。3. 关键零件进行受力分析，进行力校核计算。4. 提出设计的改进方向。5. 撰写设计说明书。主要参考资料：1 隋明阳机械设计基础m北京：机械工业出版社，2005.22 张桂香机电类专业毕业设计指南m北京：机械工业出版社，2005.113 张建纲，胡大泽数控技术m武汉：华中科技大学出版社，2000.14 于慧力，向敬忠，张春宜. 机械设计m. 北京：科学出版社，2007完成期限：指导教师签章：专业负责人签章：2012年3月10日哈尔滨石油学院本科生毕业论文（设计）摘 要随着生产力水平的发展，数控技术越来越广泛的应用于各个领域。数控机车是数控技术最普遍的应用。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 abstractwith the level of development of productive forces, nc technology is more and more widely used in various fields. nc locomotive technology is the most widespread application. numerical control there is in the future lathe to in will develop, the middle-grade to adopt popular numerical control knife rest form a complete set, adopt the motive force type knife rest top-grandly, have such varieties as knife rest of hydraulic pressure, servo knife rest, vertical knife rest, etc. concurrently, it is estimated that will increase to numerical control knife rest demand greatly in recent years. the development trend of the numerical control rotary table is: with the development of numerical control lathe, numerical control knife rest begin to change one hundred sheets , electric liquid is it urge and urge direction develop while being servo to make up fast. some originally design and is it continue electricity to use to four worker location vertical electronic machinery of knife rest mainly- exposed to control system control some designs. and use autocad to pursue to the above part, have a more ocular knowledge of electronic knife rest. the last proposition has put forward the suggestion and measure to numerical control rotary table.key words：numerical control rotary table； gear drive；worm drive；gap elimination； worm gear steping up目 录第1章 绪 论11.1 数控技发展简史11.2 机床数控化改造的必要性31.3 机床数控化改造的内容及优缺点41.4 数控系统的选择41.5 数控改造中主要机械部件改装的探讨51.6 数控技术发展趋势6第2章 数控回转工作台的原理与应用92.1 数控回转工作台92.2 设计准则102.3 主要技术参数102.4 本章小结11第3章 传动方案的确定123.1步进电机的原理123.2 传动时应满足的要求123.3 传动方案及其分析133.4本章小结13第4章 齿轮传动的设计144.1 选择齿轮传动的类型144.2 材料的选择144.3 按齿面接触疲劳强度设计164.4 确定齿轮的主要参数与主要尺寸184.5 校核齿根弯曲疲劳强度184.6 本章小结19第5章 电液脉冲马达的选择及运动参数的计算205.1 电机的选择与运动参数计算205.2 本章小结21第6章 蜗轮蜗杆的设计与校核226.1 选择蜗杆传动类型226.2 材料的选择226.3 按齿面接触疲劳强度设计236.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸256.5 校核齿根弯曲疲劳强度256.6 本章小结26第7章 轴277.1 轴的设计要求和设计步骤277.2 轴的材料277.3 轴的强度计算287.4 本章小结30第8章 轴上配合件的选用318.1 齿轮上键的选取与校核318.2 轴承的选用318.3 本章小结32结 论33参考文献34致 谢3536第1章 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。 1.1 数控技发展简史 1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业，工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比有了质的飞跃，他为人类进入信息社会奠定了基础。半个世纪以来，以计算机为主导和核心的信息技术，既通过电视，现代通信等提高了人类生活的质量，还促进生产力飞速向前发展，开创了人类文明史，生产史的新纪元。信息技术的飞速发展直接导致了知识经济的到来。六年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上。在美国诞生了第一台数控机床。计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控机床经历了两个阶段和六代的发展。(1)数控(nc)阶段(1952-1970年)早期计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还不大，不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控(hard wirednc)，简称为数控(nc)。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年第一代 电子管;1959年第二代 晶体管;1965年第三代 小规模集成电路。(2)计算机数控(cnc)阶段(1970-现在)到1970年，通用小型计算机业已出现并成批量生产。其运算速度比五，六十年代有了大幅度的提高，这比专门“搭”成的专用计算机成本低，可靠性高。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(cnc)阶段。到1971年美国intel公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件 运算器和控制器，采用大规模集成电路集成在一块芯片上，称之为微处理器(microprocessor)，又称为中央处理单元(简称cpu)。1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕，不及采用微处理器经济合理，而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能还不够高，但可以采用多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了1990年，pc机(个人计算机，国内习称微机)的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且pc机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入了基于pc的时代。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年第四代一一小型计算机;1974年第五代 微处理器;1990年第六代 基于pc(国外称为pc-based). 数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展，只是发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低，价格极为昂贵，应用很不方便等极为关键的问题。因此，即使在工业发达的国家，数控系统大规模地得到应用和普及，是在七十年代末八十年代初以后的事情，也即数控技术经过了近三十年的发展才走向普及应用的。国外早己改称为计算机数控(即cnc)，而我国仍习称数控(nc)。所以我们日常讲的“数控”实质上已是指“计算机数控”了。1.2 机床数控化改造的必要性(1)微观看改造的必要性微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行fmc(柔性制造单元)、fms(柔性制造系统)以及cims(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 (2)宏观看改造的必要性宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、fmc、fms外，还包括在产品开发中推行cad、cae、cam、虚拟制造以及在生产管理中推行mis(管理信息系统)、cims等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化)，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重(数控化率)到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。1.3 机床数控化改造的内容及优缺点(1)减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。(2)机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。(3)熟悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转(4)可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。(5)可以采用最新的控制技术 可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将传统机床改成当今先进水平的机床。1.4 数控系统的选择(1)进电机拖动的开环系统。该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。(2)异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统，该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。 (3)交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国siemens公司、日本fanuc公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。1.5 数控改造中主要机械部件改装的探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。(1)滑动导轨副 对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。(2)齿轮副 一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。 (3)滑动丝杠与滚珠丝杠 丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。(4)滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。 (5)安全防护 改造效果必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。1.6 数控技术发展趋势(1)性能发展方向高速高精高效化。速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由 于采用了高速cpu芯片、risc芯片、多cpu控制系统以及带高分辨率绝对式检测 元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。 柔性化。包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。 工艺复合性和多轴化。以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。 实时智能化。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 (2)功能发展方向用户界面图形化。用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前internet、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 科学计算可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于cad/cam，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。 插补和补偿方式多样化。多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2d+2螺旋插补、nano插补、nurbs插补(非均匀有理b样条插补)、样条插补(a、b、c样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 内装高性能plc。数控系统内装高性能plc控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准plc用户程序实例，用户可在标准plc用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。 多媒体技术应用。多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。(3)体系结构的发展集成化。采用高度集成化cpu、risc芯片和大规模可编程集成电路fpga、epld、cpld以及专用集成电路asic芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用fpd平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和crt抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。 模块化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如cpu、存储器、位置伺服、plc、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。 网络化。机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。 通用型开放式闭环控制模式。采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、cad/cam、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。第2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。2.1 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2-1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、12一轴承图2-1 自动换刀数控镗床的回转工作台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。2.2 设计准则设计过程中，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2.3 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：0.75 kw(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：100kg2.4 本章小结本章讲述了回转工作台的工作原理以及设计要求，其主要参数包括回转半径：500 mm、重复定位精度：0.005 mm、电液脉冲马达功率：0.75 kw、电液脉冲马达转速：3000 rpm、总传动比：72.5、最大承载重量：100kg。第3章 传动方案的确定3.1 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。3.2 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。3.3 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台。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：(1)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。(2)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。3.4 本章小结本章结合电机对几种传动方案进行了系统的分析，并从中选取了最为合理的传动方案。本方案为:电液脉冲马达齿轮传动蜗杆传动工作台。第4章 齿轮传动的设计由于前述所选电机可知t=2.39 nm传动比设定为i=3，效率=0.97工作日按300工作日计，寿命为10年。4.1 选择齿轮传动的类型 齿轮类型较多，按照两传动轴相对位置和齿向的不同，齿轮机构可分如图4.1所示。图4-1 齿轮机构的类型根据gb/t100851988的推荐，采用直齿轮传动的形式。4.2 材料的选择(1)齿轮传动对材料的基本要求由齿轮的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合及塑性变形的能力，而齿根要求有较高的抗折断能力。因此，对齿轮材料性能的基本要求为：齿面要硬，齿芯要韧；具有良好的力学性能和热处理性能。(2)齿轮常用的材料常用的齿轮材料是各种牌号的优质碳素钢、合金结构钢、铸铁和铸钢等。表4-1列出了常用齿轮的材料及其热处理后的硬度。表4-1 常用的齿轮材料类别牌号热处理硬度优质碳素钢45正火162217hbs217255hbs4550hrc241286hbs4855hrc217269hbs4045hrc241286hbs5662hrc5662hrc850hv160220hbs180220hbs160220hbs200250hbs170230hbs187255hbs147241hbs229302hbs调质表面淬火合金钢机构40cr调质表面淬火35simn调质表面淬火40mnb20cr20crmnti38crmoalazg310-570zg340-640调质渗碳淬火回火渗碳淬火回火调质后渗碳铸钢正火正火zg35simn正火调质灰铸铁ht200ht300qt500-5qt600-2球墨铸铁齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选材时参考。(1)闭式软齿面齿轮传动常用材料闭式软齿面齿轮传动常选用的材料有35、45、40cr和35simn经调质或正火处理。此类材料的特点是制造方便，多用于对强度、速度和精度要求不高的一般机械传动中。由于小齿轮轮齿工作次数较多，应使其齿面硬度比大齿轮的高出2550hbs。(2)闭式硬齿面齿轮传动常用的材料闭式硬齿面齿轮传动常用的材料有20、20gr、20grmnti表面渗碳淬火和45、40gr表面淬火或整体淬火，一般齿面硬度为4565hrc。通常两齿轮轮齿采用相同的齿面硬度。此类材料的特点是制造较复杂，精度要求高，多用于高速、重载及精密机械中。(3)大尺寸齿轮及开式低俗齿轮传动常用材料当齿轮尺寸较大而轮坯不易锻造时，可采用铸钢；开式低俗传动可采用灰口铸铁；球墨铸铁有时可代替铸钢。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。4.3 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，再校核齿根弯曲疲劳强度。(1)转距t （4-1)式中 p1 传递的功率，kw； n1 小齿轮转速，r/min。转矩 t=2.39 nm(2)载荷系数k 式中 k 载荷系数； ka 使用系数； kv 动载系数； ka 齿间载荷分配系数； kb 齿向载荷分布系数。因为载荷平稳，查表4-2，取ka=1.00 分别查取kv，ka和kb的值，得到k=1.2表4-2 使用系数ka原动机工作机的载荷特性均匀平稳轻微冲击中等冲击严重冲击电动机多缸内燃机单缸内燃机1.001.101.251.251.351.501.501.601.751.751.852.0注：对于增速传动可取表中值的1.1倍；当外部机械与齿轮装置之间挠性连接时，其值可适当降低。(3)齿宽系数d由表4-3得d=1表4-3 齿宽系数d齿轮相对轴承的位置齿面硬度软齿面硬齿面对称分布非对称分布悬臂布置0.81.40.61.20.30.40.40.90.30.60.20.25注：直齿圆柱齿轮宜取较小值，斜齿轮可取较大值，人字齿轮可取到2；载荷稳定，轴刚性大时取较大值；变载荷，轴刚性较小时宜取较小值。(4)许用接触应力sh表4-4 最小安全系数参考值使用要求sfminshmin高可靠度较高可靠度一般可靠度低靠度2.001.601.251.001.501.601.251.301.001.100.85注：1.在经过使用验证或材料强度、载荷工况及制造精度拥有较准确的数据时，shmin可取下限。 2.建议对一般齿轮传动不采用低可靠度。 (4-2) 式中 shlim失效率为1%时，试验齿轮的接触疲劳极限； shmin齿面接触强度最小安全系数，因弯曲疲劳造成的轮齿折断有可能引起重大事故，而接触疲劳产生的点蚀只影响使用寿命，故齿轮弯曲疲劳安全系数sfmin的数值远大于齿面接触疲劳安全系数shmin； zn接触疲劳强度计算的寿命系数取决于工作应力循环次数nl。 取失效率为1%，查表4-4，最小安全系数shmin=1sh=220 mpa(5)端面重合度ea =1.69(6)重合度系数ze(7)齿轮分度园直径d = 32.88 mm4.4 确定齿轮的主要参数与主要尺寸(1)传动比：i=3(2)齿数：取z1 = 22则z2 = i z1 =66(3)模数： m = d1/z1= 32.88/22 = 1.49 mm, 取标准值：m = 1.5。(4)中心距： = m/2(z1+z2) = 60.5 mm (5)分度圆直径：d1 = mz1= 1.5x22 = 33 mm d2 = mz2 = 1.5x66 = 99 mm (6)齿顶圆直径：da1 = d1+2m = 33+2x1.5 = 36 mm da2 = d2+2m = 99+2x1.5 = 102 mm (7)齿宽：b = ydd1 = 1x33 = 33 mm b1 = b2+(510) 取b2 = 25mm4.5 校核齿根弯曲疲劳强度 (1)大小齿轮弯曲疲劳极限，(2)弯曲寿命系数 o， (3)许用弯曲应力取失效率1%，最小安全系数sfmin = 1.25， (4-3)sf1 = 344mpa ，sf2 = 267.52mpa (4)重合度系数ye (5)应力修正系数 ysa1 = 1.59，ysa2 = 1.77(6)复合齿形系数yfa1 = 4.12，yfa2 = 3.96(7)校核计算 弯曲强度足够。4.6 本章小结本章对齿轮进行了系统的分析，通过齿轮的结构类型图对比得出采用直齿轮传动的形式是最为理想的，本章还对出对齿轮进行了设计与计算并对齿轮进行了校核。第5章 电液脉冲马达的选择及运动参数的计算5.1 电机的选择与运动参数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：(1)直接采用数字量进行控制(2)转动惯量小，启动、停止方便(3)成本低(4)无误差积累(5)定位准确(6)低频率特性比较好(7)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：pw = fwvw/1000w kw pw = tnw/9950w kw 式中t = 150nm, nw = 36r/min,电机工作效率w = 0.97，代入上式得pw = 15036/（99500.97）= 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w=0.97；一对滚动轴承的效率为w=0.99；蜗杆传动的效率为w=0.8。因此， = 1233 = 0.970.9930.8 = 0.75p0 = pw/ = 0.56/0.75 = 0.747 kw(1)一般电机的额定功率 pm = (1-1.3)p0 = (1-1.3)0.747 = 0.747-0.97 kw电机额定功率为：pm = 0.75 kw(2)电机机构传动范围：齿轮传动比：35 蜗杆传动比：1532(3)则总的传动范围为：i = i1 i2 = 3 (155) 32 = 45160电机转速的范围为：n = i nw = (45160) 36 = 16205760 r/min为降低电机的重量和价格，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nm = 3000r/min。5.2 本章小结 本章结合回转工作台的工作精度需求，通过计算选取了满载转速nm = 3000r/min型号为y801-2的电机。 第6章 蜗轮蜗杆的设计与校核由于前述所选电机可知t=6.93nm传动比设定为i = 27.5，效率 = 0.8工作日安排每年300工作日计，寿命为10年。6.1 选择蜗杆传动类型按蜗杆螺旋线方向的不同，蜗杆传动有右旋和左旋之分。除特殊需要外，一般都采用右旋。两者工作原理和设计方法相同。按蜗杆头数的不同，可分为单头蜗杆和多头蜗杆。单头蜗杆主要用于大传动比的场合，要求自锁的蜗杆传动必须才用单头蜗杆。多头蜗杆主要用于传动比不大和要求效率较高的场合。按蜗杆形状的不同，可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动三类。普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车窗上用直母线切削刃的车刀切制的，刀位置不同，所加工出的蜗杆齿面在不同截面中的齿轮廓线也不同。可分为阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、锥面包络蜗杆、法向直廓蜗杆和圆弧圆柱蜗杆。根据gb/t100851988的推荐，采用渐开线蜗杆。6.2 材料的选择(1)蜗杆材料常用的蜗杆材料有碳钢和合金钢两类。按热处理的不同可分为硬面蜗杆和调质蜗杆，设计时应首先考虑选用硬面蜗杆，但要注意硬面蜗杆制造时必须磨削；在缺乏磨削设备或蜗杆传动承受短期冲击载荷作用时，可选用调质蜗杆。常用的蜗杆材料及热处理方法见表6-1。表6-1 蜗杆材料及工艺要求材料牌号热处理硬度齿面粗糙度ra/m40cr,40crni,42simn,35crmo,38simnmo表面淬火4555hrc1.60.820cr,20crmnti,16crmn,20crv渗碳淬火5863hrc1.60.845,40cr,42crmo,35simn调质350hbs6.33.238crmoala,50crv,35crmo表面渗氮6570hrc3.21.6(2)蜗轮材料蜗轮材料通常是指蜗轮齿冠部分的材料。考虑到蜗杆传动难有高的接触精度，滑动速度又较大，以及蜗杆变形等因素，故蜗杆、蜗轮不能都用硬材料制造，通常蜗轮用减摩性良好的软材料来制造。设计时可根据滑动速度选择蜗轮材料，通常的材料如下。铸造锡青铜。其耐磨性最好，抗胶合能来高，易加工，用于重要传动，允许的滑动速度可达25m/s，但是价格昂贵。常用的有zcusn10pb1、zcusnpb5zn5，其中后者常用于小于12m/s的传动。铸造铝青铜。强度较高但价格教锡青铜便宜，其他性能均比锡青铜略差，一般用于小于4m/s的传动，且与之配套的蜗杆硬度不低于45hrc。常用的有zual10fe3、zcual10fe3mn2等。灰铸铁。其各项性能远不如前面两类材料，但价格便宜。适用于小于2m/s的低速、且对效率要求不高的一般传动。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。6.3 按齿面接触疲