毕业设计（论文）-直驱转台设计.doc

北京信息科技大学 毕业设计（论文）题 目： 直驱转台设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械制造及其自动化 学生姓名： 班级/学号 指导老师/督导老师： 起止时间：200 年 月 日 至 200 年 月 日摘要摘 要机床直驱技术解决了间接驱动引起的弹性形变、摩擦、反向间隙等问题，具有较高的动态响应特性，而作为直驱动力输出的最佳选择，永磁电机因其体积小、能量密度高、结构简单，可将电机嵌入到转台、摆头等功能部件内部。直驱转台省去了齿轮传动、蜗杆传动等机械传动被控对象与电机做成一体化结构，电机的力矩、速度、位置将直接传递给负载，把传动链的长度缩短为零，解决了传统机械传动中遇到的速度、精度、制造成本上的瓶颈问题。本文中的转台应用了直驱技术和静压技术，是集成创新设计。直驱部分采用盘式电机。盘式电机轴向尺寸短,重量轻,体积小，结构紧凑;由于采用永久磁钢激磁,转子无损耗,电机运行效率高。静压系统部分，轴向采用恒压式供油油腔，可以有效地消除传统转台驱动方式下由摩擦和振动引起的多种误差，提高了转台的精度，改善了动态响应特性。径向采用径向静压轴承，具有回转精度高、刚性较高、转动平稳、无振动的特点，广泛用于超精密机床。同时转台还配有检测、冷却、锁紧机构，以保证转台的精度和稳定性。关键词：直驱转台；盘式电机；静压系统；全套图纸加扣3012250582 IABSTRACT Machine tools direct drive technology solves the elastic deformation, friction, back lash and other issues caused by indirect drive and can improve the dynamic performance of the system. Permanent magnet motors can be embedded within the rotary table and 2-axis milling head because of small size, high energy density, simple structure. Direct-drive turntable saves gear and worm drive, mechanical drive and motor with a structure of the object, and the motor torque, speed and position of pass directly to the load, and shorten the length of the transmission chain to zero, to solve the traditional mechanical transmission of speed, accuracy, asked the bottlenecks in the manufacturing cost. In this article the direct-drive turntable application technology and static pressure technology, integrated innovation design. Direct driving part adopts disk motor. Disk motor short axial dimensions, light weight, small size, compact structure. With permanent magnetic field, rotor lossless, motor running with high efficiency. Static pressure system, the axial with constant pressure type oil supply oil cavity, can effectively eliminate the traditional turntable driven by friction and vibration caused by a variety of error and improve the accuracy of the turntable, improved the dynamic response. Adopts the radial static pressure bearing radial rotation of high precision, high rigidity, smooth rotation, no vibration characteristics, widely used in the ultra precision machine tools. Turntable is also equipped with testing, cooling, locking mechanism, to ensure the precision and stability of the turntable.Keywords：direct drive turntable；hydrostatic system；II直驱转台设计目 录摘要 （中文） I （英文） II第一章 概论 11.1 选题背景及意义1 1.2 直驱转台国内外的研究现状及成果11.3 本文研究内容4第2章 直驱转台结构及运行原理42.1 直驱转台运行原理42.2 直驱系统5 2.2.1盘式力矩电机结构设计5 2.2.2永磁体的选择6 2.2.3 双盘式力矩电机结构设计72.3 液体静压系统8 2.3.1液体静压导轨10 2.3.2液体静压轴承152.4 制动系统152.5 编码器16第3章 直驱转台详细参数及计算173.1 盘式电机设计与计算17 3.1.1额定参数及技术要求17 3.1.2盘式电机转子永磁材料及尺寸18 3.1.3盘式电机定子尺寸及绕线方法19 3.2 转台台面设计计算213.3 液体静压系统油膜刚度计算24 3.3.1液体静压导轨油膜刚度计算24 3.3.2液体静压轴承油膜刚度计算263.4 编码器参数27第4章 直驱转台3D建模28 4.1三维零件制作28 4.2三维零件装配31 4.3运动仿真32总结32参考文献32II直驱转台设计第一章 概论1.1选题背景及意义随着航空航天、军工、汽车、高速铁路等行业的高速发展，对零件精度的要求越来越高，所以对高精度、高刚度、高效率的数控机床产品的需要更加迫切，那么对组成高端机床的基础功能部件精度和刚度的要求也就越来越高。当前，数控转台系统的驱动方式主要为高速伺服电机+齿轮传动，齿轮传动是利用两齿轮轮齿相互啮合来传递动力和运动的机械传动，齿轮传动是应用十分广泛的一种机械传动。采用齿轮传动可以将伺服电机的高转速转矩输出，改变为执行元件的低转速大转矩输入。这种间接传动方式在完成各种运动时存在诸多问题，产生的摩擦，变形、反向间隙等会引起系统响应速度慢、动态刚度差，及其它非线性误差，难以满足现代数控机床日益增长的高精度要求。而盘式电机直驱闭式静压转台是高端回转体金属加工机床必备的基础功能部件之一，具有高精度、承载力强、刚度高、稳定性好的特点，是将直驱技术和静压技术在转台上的集成创新设计。直驱转台省去了齿轮传动、蜗杆传动等机械传动，解决了传统机械传动中遇到的速度、精度、制造成本上的瓶颈问题。直接驱动技术取消了电机到回转工作台之间的一切传动环节将被控对象与电机做成一体化结构，电机的力矩、速度、位置将直接传递给负载，把机床传动链的长度缩短为零。完全用电来代替机械传动机构。由此技术可以实现精确定位、动态性能高等特点，是现代机床提高生产效率的重要技术。 直驱转台技术目前正在成为国际制造装备业新的设计潮流，已在实际应用中体现了超越传统技术的巨大优越性。图1.1直接驱动数控转台1.2直驱转台国内外的研究现状及成果直接驱动就是将电机直接耦合或连接到负载上，从而实现与负载的刚性耦合。 由于取消了传动皮带和齿轮箱等部件，直接驱动的结构设计从根本上改变了原有的旋转电机加丝杠结构，消除了机械传动带来的间隙、柔性及与之相关的系列问题，因此使得系统结构更加紧凑，且具有维护少、高刚度、无需润滑、重复精度高、运行速度平稳安静等优点，分度工作台直接驱动器的工作时间变长也不会降低初始精度，大大提高了设备的生产效率和可靠性。同时，由于装配紧凑、零部件少、安装和使用便捷。直接驱动电机产品的生产厂家很多，其中大多是国外品牌。既有传统的专业电机厂商，如西泰克、丹纳赫传动等；也有著名的数控系统制造商，如西门子、博世力士乐等。数控转台在国际上,主要有日本、德国、美国等几个公司品牌,高端市场几乎没有国产品牌,主机采用境外产品配套的,占有不小的比例。FANUC、CYTEC、slMENS公司都有系列化数控转台的生产。英国的RPI和德国的PEISELER公司等也是世界上有名的数控转台的生产厂商。随着新材料技术,数控转台力矩电机直接驱动技术得到了发展。2003年7月初,米克朗五轴联动高速铣削柔性单元HSM400U在位于上海市外高桥的米克朗中国高速铣削应用开发中心亮相。HSM400U是世界上第一台五轴联动高速铣削加工中心。工作台的旋转轴采用了目前最先进的直接驱动技术,其速度可达15000/s、加速度可达172000/52这大约是过去速度的10倍。完全满足了高速铣削对进给速度的要求。图1.2米克朗五轴联动高速铣削柔性单元HSM400U还有,ETEL公司曾为一台大型天文望远镜提供一台直径达2.5m,而厚度仅为4Omm,扭矩达到10000N.m的环形扭矩伺服电机,在回转速度为56天转1转的条件下,还能极为平稳均匀地回转。国外许多发达国家及大公司都投入了大量的精力从事研究此项技术,在2007年4月北京国际机床展览会上,FANUC、CYTEC、sIMENS等公司均有相应的力矩电机产品展出。瑞士ETEL公司,德国REXROTH,美国KOLLMORGEN等公司均推出各自的直接驱动转台力矩电机。国内力矩电机直接驱动数控转台技术尚处于起步阶段,在2005年4月北京国际机床展览会上北京钧义志成公司展出了一台自制力矩电机;中捷机床厂展出了带回转工作台的加工中心,转台电机扭矩达到1900N.m,但该转台只能作分度使用。大连光洋已成功研制出了支撑我国数控机床产业发展的系列高档数控关键功能部件,成为能够提供包括总线开放式高档数控系统、高分辨率系列化伺服驱动装置、直驱功能部件在内的完整高档数控机床控制系统的系统制造商。其中直接驱力矩电机已经成功的运用在了五轴加工中心上,并有专利17项,发明专利有7项,国际发明专利1项。其数控转台已向国际水平靠拢,并已经产品系列化。其中力矩电机参数范围如下所示:。台面直径：400mrn巾1000Inln(可选)。额定扭矩:175N.m800N.m(可选)。最大扭矩:525N.m2400N.m(可选)。最高转速:60r/min500r/min(可选)。分辨率:21位一26位(可选)。定位精度:士2.5”,士5”(可选)。摆角范围:360“xn(可选)。工作电压:DC55OV。工作电流:0.2A50A(可选)。过载扭矩:3倍额定扭矩虽然直接驱动有着众多优点，但在取消了机械传动机构的同事外界扰动将直接作用在电机上，会使系统对外部干扰和系统内部参数的影响更为敏感，这些都会影响伺服系统的定位精度、平稳性机伺服跟踪精度，从而造成系统伺服系能下降。 近几年，国际上在数控机床中采用直驱技术已成为热点。直驱系统结构简，精度可以是丝杠的10倍甚至100倍，加速度可以是传统机床的20倍以上。目前直驱转台已成功应用如下设备：（1） 数控车床（2） 数控加工中心：立式/卧式数控加工中心（3） 数控电火花机床：数控电火花形成/切割/小孔加工机床（4） 数控磨床：内圆/外圆精密磨床，平面/曲面磨床（5） 数控冲床：精密五金冲床传送系统，告诉冲压机构（6） PCB数控制造设备：模板/软板切割机，PBC高速钻孔机，自动光学检测（AOI）设备激光数控设备：激光切割机，激光焊接机，激光打标机等图1.3双转台五轴机床的基本结构1.3本文研究内容 根据目前国内外直驱转台的研究现状，在前人研究的基础上，设计双盘式电机嵌入转台，以达到直驱和输出大力矩的目的。增加液压系统，来增加转台的稳定性。本课题具体研究内容如下： （1）对直驱转台的基本结构及运行原理进行简要介绍和分析 （2）进行转台设计，设计盘式电机，设计计算液压系统静压油膜刚度 （3）确定转台基本结构和主要尺寸，并进行直驱转台结构的2D设计 （4）对直驱转台进行3D建模及运动仿真分析 （5）针对直驱转台的不足之处进行优化第2章 直驱转台结构及运行原理2.1直驱转台运行原理 直驱转台的结构示意图如下。图2.1 直驱转台结构结构示意图 直驱转台在启动前，先开启液压站，将液压油通过管路输送到液压油腔和液体静压轴承，达到转台工作中油腔和静压轴承的应有压力，使转台台面抬升，起到支撑与润滑的作用，从而减小整个直驱转台的启动力矩和转动中的摩擦力。这样既使转台启动更加容易又可以提高直驱转台工作中的力矩。使用液体静压技术还可以减小转台在工作中的振动，使加工精度大大提升。接着启动电机，电机与转台台面相连，直接带动台面工作。省去中间的机械传动，避免了传动过程中的能量损失，提高转台定位精度和转速。2.2直驱系统 直驱转台的直驱系统主要是将盘式力矩电机内嵌入直驱转台，盘式电机与转台工作台面直接相连，传动链的长度缩短为零。将盘式电机的力矩、速度、位置直接传递给工作台面（即被加工零件），提高转台的力矩、转速、精度。2.2.1盘式力矩电机结构设计转台选用盘式力矩电机，盘式力矩电机具有轴向尺寸短、结构紧凑、运行平稳、功率密度高、转动惯量小等优势。盘式电机的磁场为轴向磁场，存在磁拉力。 盘式力矩电机主要磁场结构如下图2.2(a)所示，由定子和转子构成：定子如下图2.2(b)所示，由冲卷机一边冲孔一边沿 Z 轴卷制而成，由于现有绕线技术限制，定子必须要有齿槽，方便导线的嵌入；转子如下图2.2(c)所示由永磁体和磁轭组成，每一块磁铁为扇形，N极S 极交替排列。 图2.2 盘式力矩电机磁场结构1-转子（磁轭和永磁体）；2-定子硅钢卷 磁场的方向如图2.3所示，沿 Z 轴的方向，电机绕 Z 轴旋转。转子旋转过程中，永磁体与定子齿槽产生非线性吸引，单齿受力及旋转方向如图2.3所示，力F均匀分布在齿上，转轴垂直于 X-Y 平面，单齿输出齿槽转矩 T 是由受力大小相同半径不同的扭矩叠加形成，电机的齿槽转矩是由所有齿的齿槽转矩叠加而成。 盘式力矩电机充磁方向 单齿受力图2.3盘式力矩电机充磁方向和单齿受力图 1-磁轭；2-永磁体；3-定子硅钢卷 2.2.2永磁体的选择永磁体是一种能够长期保持磁性的磁体。它可以在市面上买到。市面上的主流永磁材料可以分为两大类，第一大类是：合金永磁材料，包括稀土永磁材料（钕铁硼Nd2Fe14B）、钐钴(SmCo)、铝镍钴（AlNiCo）。第二大类是：铁氧体永磁材料（Ferrite）。其中钕铁硼磁性材料（Nd2Fe14B）由于其优异的磁性能而被称为“磁王”。它具有极高的磁能积和矫力，同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用，从而使仪器仪表、电声电机、磁选磁化等设备的小型化、轻量化、薄型化成为可能。钕铁硼分为烧结钕铁硼和粘结钕铁硼两种，粘结钕铁硼各个方向都有磁性，耐腐蚀；而烧结钕铁硼因易腐蚀，表面需镀层，一般有镀锌、镍、环保锌、环保镍、镍铜镍、环保镍铜镍等。而烧结钕铁硼一般分轴向充磁与径向充磁，根据所需要的工作面来定。本文中选用的就是烧结钕铁硼。图2.4 钕铁硼永磁体实物图2.2.3 双盘式力矩电机结构设计 普通的盘式力矩电机的磁场为轴向磁场，存在磁拉力，是不可以避免的，其示意图如图2.5。图2.5 磁拉力示意图磁拉力会引起盘式力矩电机的振动和噪声，导致损耗增加，电机转速降低，严重时甚至定转子相和摩擦，电机不能转动，直至烧毁电机。为了避免这种情况发生，我选择在盘式力矩电机的对侧再增加一个相同的盘式力矩电机，进行磁场补偿，这样会产生一个大小相同方向相反的磁拉力，就可以与单个盘式力矩电机的磁拉力平衡，减小波动，防止电机磨损甚至烧毁。双盘式力矩电机不仅可以平衡磁拉力，而且两个电机产生的力矩可以叠加产生更大的力矩。双盘式力矩电机磁拉力示意图如下。图2.6 双盘式力矩电机磁拉力平衡示意图但完全对称放置两个盘式力矩电机同样会使齿槽转矩叠加，齿槽转矩会使电机转矩波动，产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。所以需要综合考虑齿槽转矩和磁拉力这两个因素，使它们同时降到最低，从而提高双盘式力矩电机的性能。 现在有两种双盘式力矩电机叠加的大致方案，如图。 （a）0点重合 （b）0点不重合图2.7双盘式电机叠加方案图2.7（a）为双盘式力矩电机0点位重合放置的方案（即完全对称放置），该方案的双盘式电机齿槽转矩为两台电机转矩之和，由于两台电机结构完全相同，合成的齿槽转矩为一台电机的2倍，磁拉力合力为0。图2.7（b）为 0 点不重合方案（不完全对称放置），通过调整（叠加角度）的角度大小，可以将两台电机的齿槽转矩以不同的角度叠加，叠加效果根据角度的不同而变化，通过调整的值，与 2.7（a） 方案对比，可将齿槽转矩减小 51.6%，但是磁拉力合力不为 0。根据文献嵌入式异构力矩电机设计及应用的结论取=2.7度为最佳叠加角，这样可以同时使齿槽转矩和磁拉力最小，减小它们对电机平稳性的影响。2.3 液体静压系统液体静压系统是指在转台上应用流体润滑技术的部分，应用流体润滑技术的转台被称为液体静压转台。本文中的转台就属于液体静压转台。液体静压转使用压力油膜作为工作介质，它具有优点如下：（1） 导轨与导轨之间是纯液体摩擦，所以摩擦系数极小（约0.0005），所以转台的驱动力矩可以大大降低。（2） 因纯液体摩擦，故导轨是不易损坏的，导轨的寿命很长，导轨可长期保持精度，较少了维修维护的工作量。（3） 油膜的厚度几乎会受速度的影响，转台即使在极低的转速时也不会发生爬行现象。（4） 油膜具有误差均化作用，可以提高转台的回转精度。（5） 油膜具有较高的承载力和刚度，吸振性特别好，可以减少转台振动对加工精度的影响。但也有其缺点，就是需要一套过滤效果很好的液压装置。转台受力从方向上大致可以分为两类，一类是径向力，一类是切向力。所以本文中的液体静压转台采用液体静压导轨使工作台浮起，主要承受轴向载荷：使用静压轴承来分担径向载荷。图2.8 液体静压导轨示意图图2.9 液体静压轴承示意图 2.3.1液体静压导轨液体静压导轨一般分成若干段，每一段都有自己独立的支撑，每个支撑有油腔和封油面组合而成。如图2.10所示。1. 油池 2.进油过滤器 3.液泵电动机 4.油泵 5.溢流阀 6.粗滤油器 7.精滤油器 8.压力表 9.节流器 10.上支撑 11.下支撑图2.10 静压导轨原理图 来自油泵并经过滤的油液经过节流器节流后，进入导轨油腔。当导轨面上有足够的总压力平衡重量时，支撑就会被浮起，此时油液通过上支撑和下支撑的间隙h流出，压力将为0。当浮起量大于上支撑和下支撑两个表面的表面不平度时，便会形成纯液体摩擦。当载荷F增大时，上支撑就会有下沉的趋势，油膜就会被挤压，导轨面间的油液外流的阻力会增大，由于节流器的调节作用，使油腔压力随之增大（可承载范围内），来平衡外载荷。当使用固定节流器使，由于油腔压力与导轨间隙h的三次方成反比，所以间隙h的微量变化，就能获得较大的油腔压力增量，因此，油膜刚度较高。当可变节流器使，则能获得近似无穷大的油膜刚度。静压导轨的使用范围非常广，如各种大型机床、重型机床、精密机床、数控机床的工作台上和其他运动件上。根据液体静压导轨所受的载荷不同，在结构形式上可以分为开式静压导轨和闭式静压导轨。 开式静压导轨基本形式如图2.11。图2.11 开式静压导轨基本形式开式静压导轨主要依赖自重和外部载荷来保持转台的移动件不从转台上分离，它属于力封闭形式。开式静压导轨只能在导轨的一个方向上开有油腔，只可以水平放置或小角度倾斜放置。其特点如下：（1） 承受正向载荷能力很大。（2） 承受偏载荷和颠覆力矩的性能差，不可以承受反向力。（3） 结构简单，方便制造（4） 用于载荷分布均匀，颠覆力矩小的水平放置或小角度放置的场合。 闭式静压导轨基本形式如图2.12。图2.12 闭式静压导轨基本形式 闭式静压导轨只有向其移动方向的一个自由度，其余自由度都被导轨的结构所约束。其特点如下：（1）可以承受正、反方向的载荷，油膜刚度高。（2）承受偏载荷和颠覆力矩的性能好（3）加工制造及其油膜的调整非常负载（4）对导轨本身的结构刚度要求高，尤其是副导轨的结构刚度要求更高。（5）一般不才有等面积的油腔结构，比较经济（6）多用于载荷分布不均匀、偏载荷较大、正反方向均有载荷或历史导轨等场合。本文中的直驱转台用于铣床，只承受正载荷，且分布较均匀，无颠覆力矩，再考虑到成本问题，所以选用开式静压导轨。按照供油方式的不同，还可分为恒压式静压导轨和恒流式静压导轨。恒压式静压导轨：各个油腔共用一个泵，管路中放置节流器，利用节流的调压作用实现油腔压力虽外界载荷变化自动调节；其优点是：结构简单、方便调整、成本低、精度高。图2.13 恒压式供油油路恒流式静压导轨：各个油腔用流量恒定的油泵供油，油压会随着出油阻力的变化而变化；其优点是：油路简单。缺点：结构庞大，成本高，不稳定。图2.14 恒流式供油油路 综合来看，恒压式静压导轨更有优势，所以选用恒压式静压导轨。 2.3.2液体静压轴承液体静压轴承属于滑动轴承的一种。是利用压力泵将压力润滑剂压入轴承与轴之间的微小间隙的滑动轴承。其优点如下：（1） 启动和转动时摩擦副都被油膜隔开，阻力仅仅来自流体自身粘性，摩擦因数较小，寿命长。（2） 静压轴承油膜有均化误差的作用，能减小误差，提高精度。（3） 可以精确获取轴承的预期性能。（4） 液体静压轴承温度分布均匀，热膨胀问题不严重。（5） 摩擦副表面压力分布均匀，轴承的可靠性与寿命很高。2.4 制动系统 制动系统选用市场上可以购买到的德国黑马气动钳夹，大致有两类：外圆周钳夹和内圆周钳夹。根据转台的需要应选用内圆周钳夹。图2.15 德国黑马外圆周钳夹实物图图2.16 德国黑马内圆周钳夹实物图气动式钳夹通过弹簧装置进行钳夹。当弹簧皮腔的内部压缩空气被排放，或者弹簧皮腔的外部缸体被充气增压后，弹簧皮腔得到放松伸展并轴向压紧钳夹装置的内圆周和外圆周的轴向接触面。整个钳夹元件将在钳夹颗接触面范围内产生弹性形变，并随之夹紧轴体。反之，通过对弹簧皮腔的内部充入4或者6个大气压的压缩空气，或者排放弹簧皮腔外部缸体内的压缩空气，将会使弹簧皮腔发生弯曲弓起，并连带引起钳夹系统内外圆周接触面之间距离的缩短。钳夹颗接触面将由此被拉离轴体。图2.17 钳夹工作原理2.5 编码器 编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯传输的信号形式的设备。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。本文中的编码器应选用增量式编码器。通过与轴连接，可以直接测出轴转动过的角度，转换成信号发送给电脑，这样使轴的转动位置和速度（即转台的位置和速度）可以控制。图2.18ESG38S系列感应原理光电实物图第3章 直驱转台详细参数及计算3.1盘式电机的参数及计算3.1.1额定参数及技术要求由于直驱转台由盘式力矩电机直接驱动，再加上静压导轨与静压轴承，使得整个转台的摩擦损耗相对较小，对于转台转速和驱动力矩的要求，可以近似的看作是对盘式力矩电机的要求。具体要求如下：驱动力矩300Nm额定转速200r/min首先确定电机的极数和槽数，由转速公式：n=60f/p式中n转速 f电源频率，我过电源频率为50Hz P电机极数p=6050/200=15，一般电机转子的磁极时成对出现，极数也多相对转速也越慢。直驱转台一般都在低于额定转速且较慢的转速下工作。这里取极数p=22，槽数取24.根据转矩公式：T=9550P/nT额定转矩P额定功率 n额定转速可得P=9550/Tn=6.5kw3.1.2盘式电机转子永磁材料及尺寸 钕铁硼永磁材料也分为很多类型，具体牌号和性能见下图，图3.1永磁体牌号及性能表格图本文选择的永磁体为N40/100。根据上表可知永磁体的工作温度为75C左右，剩磁密度B=1.25T，计算矫顽力H=951kA/m。永磁体的形状选择扇形，外径D=250mm，内径d=140mm，厚度h=6mm，每极夹角=14，体积V=2（(D/2)h-（d/2）h）=404118mm，质量为m=V=2.95kg（=7.3g/cm）。3.1.3盘式电机定子尺寸及绕线方法定子外径D=250mm,内径d=120mm。定子的齿形如图3.2。图3.2定子齿形h=0.08mmh=0.25mmh=10mm b=0.25mmb=12mmb=3mm定子轭计算高度h=6mm18定子厚度h=27mm。盘式力矩电机和普通力矩电机的绕法相同，具体绕线方法如图3.3。图3.3 定子绕线方法总结盘式力矩电机的具体参数写入下表序号名称参数1额定功率6.5kw2额定电压380v3额定转速200r/min4额定效率85%5极数226槽数247额定电流5.236A8额定转矩300Nm9电机直径290mm10电机厚度81mm11气隙0.5mm12定子外径250mm13定子内径120mm14齿槽宽3mm15定子轭高度6mm16定子厚度27mm17转子厚度10mm18永磁材料N40/10019永磁体剩磁密度1.25T20永磁体计算矫顽力951kA/m21永磁体形状扇形22永磁体外径250mm23永磁体内径140mm24永磁体厚度6mm25每极夹角1426永磁体体积404118mm27永磁体质量2.95kg28极弧系数0.823.2转台台面设计图3.4转台台面3D模型 本文直驱转台应用于数控铣床，所以要有T型槽和定位孔，以方便卡具的安装。T型槽的尺寸如下： 图3.5T型槽（单位：mm）T型槽ABCHEFG101871710.61 转台台面选用球墨铸铁，球墨铸铁的性能接近于钢，其强度、刚度和耐磨性纵等综合性能较好。而且国内对球墨铸铁的加工工艺也较好。球墨铸铁需要经过如下热处理：（1） 退火。提高塑性、韧性，消除应力，改善切削性能（2） 正火。得到珠光体，提高其强度和耐磨性。（3） 调制。获得回火索氏体，获得较好的综合力学性能（4） 等温淬火。获得更高的综合力学性能，避免材料产生开裂直驱转台台面的质量可以根据球墨铸铁的密度=7.3g/cm 转台转台的直径为350mm，厚度为31mm和公式=m/v得出。但台面上面有定位孔和T型槽，这些体积本应除去，但过于繁琐，就近似台面为一块饼状球墨铸铁。其质量m=v=7.3350311090kg 转台台面具体尺寸如下：规格参数直径350mm厚度31mm质量约90kg3.3液体静压系统油膜刚度计算3.3.1液体静压导轨设计及油膜刚度计算 如图3.6导轨的外径为312mm，内径为200mm，在上面均匀分布8个油腔。每个油腔设置有径向回油槽。径向回油槽有两个作用，一个作用是作回油通道，另个一个作用是作油腔之间的断压槽用，避免各个油腔内压力互相干扰。内外各有一圈高1.5mm的围墙，让导轨始终浸泡在油液中，避免相互摩擦。 图3.6 静压导轨尺寸图由上图可通过计算得到油腔有效面积A=(30/360)（135-117.5）=80.13mm空载时，油腔只受工作台的压力，所以空载时一个油腔的压力为p=900/（880.1310）=0.014MPa满载时，油腔受到工作台、工件、及铣削力的综合，根据要求转台最大载重200kg，一般铣削力在2500N左右，所以p=（900+2000+2500）/（880.1310）=0.049MPa 机械润滑油的选择：机械润滑油的动力粘度与温度有关，随着温度的变化，机械润滑油动力粘度的变化应该不大，这样流量的变化也不大，就不需要经常调节变量泵。这里选用的是10号机械润滑油，在10C时，粘度=44.6410Pas，在40C时，粘度=142910Pas。油膜高度h：一般中小型机床油膜高度h取值范围在0.015mm0.030mm之间，大型机床油膜刚度h取值范围在0.030mm0.060mm之间。这里属于小型机床，故取h=0.030mm 油腔流量的公式：Q=ph/12p油腔压力（Pa）h油膜高度（m）节流边系数润滑油动力粘度（Pas）10C时，油腔流量为Q=0.355L/min40C时，油腔流量为Q=1.065L/min10C时，总流量Q=8Q=2.84L/min40C时，总流量Q=8Q=8.52L/min可以选用YBX型的变量泵，其额定流量为25Lmin，润滑油温度只要保持在20C左右就可以保证安全可靠工作。油膜刚度计算：J=F/eF 工作时的最大载荷e 从转台空载到最大载荷状态的位移量F=900+2000+2500=5400Ne=0h=030mJ=5400/30=180N/m液体静压导轨具体参数如下：外径312mm内径200mm油腔数8个油腔有效面积A80.13mm空载时，油腔压力p0.014MPa满载时，油腔压力p0.049MPa机械润滑油牌号10号润滑油动力粘度（10C）44.6410Pas润滑油动力粘度（40C）142910Pas。油腔流量（10C）2.84L/min油腔流量（40C）8.52L/min油膜刚度180N/m3.3.2液体静压轴承设计计算 初选液体静压轴承长度L=20mm，外径D=160mm，内径d=115mm。油腔夹角=60，轴向封油面夹角=30。计算油腔有效夹角=45。初选节流比=0.3330.667之间，这里选=0.5。计算有效承载面积A=DL100（mm）。其中=。A=1403.67mm。查液体静压动静压轴承设计使用手册油膜刚度系数，其中A=（1-），B=2-，E=1-。计算=0.355。轴承半径间隙h=2.481mm。小孔节流小孔直径d=（d0.45）d=0.81mm。液体静压轴承具体参数如下名称参数长度20mm外径160mm内径115mm油腔夹角60轴向封油面夹角30有效夹角45节流比0.5有效面积1403.67mm油膜刚度系数0.355油膜刚度176N/m轴承半径间隙2.48mm小孔节流直径0.81mm3.4 编码器参数本文选用的是ESG38S系列编码器，这里就不在赘述。具体参数如下：轴径6mm防护等级IP54每分钟最大转速6000RPM轴承寿命10转转动惯量1.810kgm启动力矩0.005Nm主轴材料不锈钢主体材料铝合金外壳材料拉伸铁壳+黑色喷涂工作温度-2070C贮藏温度-3085C重量83g分度最大2500脉冲/转最大负载电流80mA最高输出频率300KHz信号高电平最大Ub1.5V信号低电平最大0.8V上升时间最大1s下降时间最大1s短接保护有第4章 直驱转台3D建模 这次直驱转台的3D建模，我使用的是Pro/ENGINEER软件。这款软件是当今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，在中国占据着重要地位。在中国用户中被简称为Pro/E。4.1三维零件制作 首先将直驱转台划分成单个零件，对每个零件进行3D建模。下面以转台台面为例进行演示。第一步，选择基准面画出大体的平面图形如图。图4.1画出平面图形第二步，将平面图形根据零件尺寸拉伸成立体图形。图4.2 将图形拉伸成立体第三步，根据零件情况加工上面的槽、螺孔等细节部分。严格按照零件尺寸，以方便后面的装配过程。图4.3 转台台面3D模型这里就不逐个零件进行制作演示了，方法大同小异，只展示部分零件的3D模型。图4.4定子3D模型图4.5 永磁体3D建模4.2三维零件装配首先打开Pro/E软件新建装配，打开你要固定的零件，将其约束为固定，如图。图4.6 组装第二步，装配和这个零件组装在一起的零件。看清约束条件，是销约束还是固定住不可以动的。第三步，重复第二，直到将所有零件组装完成。图4.6装配完成4.3运动仿真 在轴上面添加伺服电机，并设定参数，如速度、加速度等。只要约束、零件尺寸等数据对，转台就可以模拟仿真运动。这里不方便演示。总结毕业设计是将理论知识与实践结合起来的一次难得的机会。通过完成这次直驱转台的毕业设计，锻炼了我综合运用理论知识的能力，同时也锻炼了我发现问题，解决问题的能力和查阅文献、手册的能力。提高了我计算机制图的水平，使我对Auto CAD和Pro/ENGINEER这两款软件有了新的理解和认识。这次毕业设计顺利的完成也归功于杨老师对我的悉心指导，以及研究生学长的耐心解答。同时也让我认识到了我身上的不足，今后我会更加关注国内外的新设备新工艺，拓宽我的知识面，不只驻足于课本上的知识。参考文献1 张亮. 直驱式 A/C 轴双摆角铣头制造工艺技术研究D.大连理工大学,2013. 2 衣杰 , 杨庆东 , 许道金 . 直驱双摆铣头综合性能测试研究 J. 制造技术与机床,2013,09:47-50+95. 3 宋宝. 直驱电动机的发展及应用J. 金属加工(冷加工),2014,02:20-22. 4 矣兰. 直驱式 A/C 轴双摆角数控万能铣头动态特性分析与检测D.沈阳工业大学,2013. 5 袁胜万 ,余正斌,聂艳,余颖 . 直驱式回转工作台传动性能分析 J. 机床与液压,2014,15:114-117. 6 王卫朝 .力矩电动机直驱技术在双摆角铣 头中的应用 J. 制造技术与机床,2013,02:17-22. 7 王光能. 现代直驱技术J. 世界制造技术与装备市场,2013,01:85-92. 8 黄桂英,李才儿,王维,赵小玲,杨锦斌. 一种铣车复合加工中心直驱转台的结构设计J. 制造技术与机床,2014,06:13-14. 9 郭永海,万莉平,任东,邱自学. 直驱型高速机床分体式工作台设计与分析J. 机械设计与制造,2014,03:60-63+67. 10 王伟顺,运同树. 大型工作台 C 轴双伺服直驱同步控制技术的应用J. 制造技术与机床,2014,04:67-69. 11 杨庆东,彭宝营,张瑞乾. 面向数控机床直驱电机应用测试研究J. 北京信息科技大学学报(自然科学版),2013,01:1-4. 12 杜义康. 铣车复合加工中心直驱转台动静态特性分析及结构优化 D.兰州理工大学,2013. 13 王春彬. 铣车复合加工中心直驱摆头动力刀架静动态特性分析及其优化D.兰州理工大学,2013. 14 彭兵.近极槽表贴式永磁力矩电机转矩性能研究D.沈阳工业大学,2012. 15 Cros J, Viarouge P. Synthesis of high performance pm motors with concentrated windings. IEEE Transactions on Energy Conversion . 2002 16 Bianchi, N, Bolognani S, Pre, M.D, Grezzani G. Design considerations for fractional-slot winding configurations of synchronous machines. IEEE Transactions on Industry Applications . 2006 17 Bianchi N, Dai Pre M. Use of the star of slots in designing fractional-slot single-layer synchronous motors. IEE Proceedings: Electric Power App