直驱转台设计开题报告.doc

直驱转台设计开题报告班级：机械1106综述1、研究的意义随着航空航天、军工、汽车、高速铁路等行业的高速发展，零件的加工精度越来越高，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。直接驱动数控转台2、研究的现状及已有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。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:巾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（7） 激光数控设备：激光切割机，激光焊接机，激光打标机等双转台五轴机床的基本结构2、 研究内容 1、本课题研究方向 本课题的研究方向即是在直驱转台的机床上，设计增加静压台，来增加直驱转台的工作平稳性，使数控机床的性能得到进一步提升。 2、本课题研究内容 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。增加静压台，来增加转台的稳定性。本课题具体研究内容如下： 2.1对盘式电机直驱闭式静压转台的基本结构及运行原理进行简要介绍和分析。 2.2确定转台基本结构和主要尺寸，并进行直驱转台结构的2D/3D设计。 2.3进行转台设计，设计盘式电机，设计计算静压油膜刚度。 2.4利用SolidWorks有限元分析方法对直驱转台进行仿真分析。 2.5针对直驱转台的不足之处进行优化分析。 2.6完成工程图的生成、撰写直驱转台的说明书。 3、系统功能盘式电机直驱闭式静压转台是将直驱技术和静压技术在转台上的集成设计，具有高精度、承载力强、刚度高、稳定性好的特点，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。三、实现方法及预期目标 1、直驱转台结构见图如下 恒压式静压转台供油系统： 2、实现方法如下：1、设计盘式电机的基本尺寸及结构 2、对电机极数和槽数的选择进行细致讨论，并确定绕线方式。3、考虑电机的冷却方式，进行冷却结构的设计。 4、直驱转台结构设计 5、静压油膜刚度计算 6、切削力计算（车削力、铣削力） 7、有限元模型建立 8、转台静态分析 本可以使借助Pro/E对直驱转台进行3D结构设计，并进一步导出2D的图纸。在后续的研究中，借助SolidWorks有限元分析软件对直驱转台进行仿真分析，进一步验证直驱转台设计及后续优化的可行性。 3、预期目标： 直驱转台驱动力矩300Nm 转台承重200Kg 额定转速200r/min 定位精度0.005mm 本课题重点与难点 本课题重点分两部分，一是对盘式电机的设计计算，二是对静压油膜刚度的设计计算。借助于有限元理论，对直驱转台整体性能的分析是本课题的难点。3、 对进度的具体安排 第0102周 动员、详细安排任务，准备计算机、软件；调研，查阅资料，到图书馆、情报信息中心等； 第0304周 翻译资料（5000字）；写调研报告、开题报告，论证方案，开题审阅； 第0506周 整机方案设计，计算机设计参数，画出草图；整机机械结构设计，选择功能部件； 第0708周 机械结构初步设计，主要参数设计；绘制设计图； 第0910周 修改完善寄给系统机械设计； 第11周 机械结构详细设计；完成三维设计模型； 第1214周 修改结构设计 第1516周 撰写详细的论文提纲，设计说明书；完善所有设计，打印图纸和论文，上交论文；4、 参考文献 1冯博 M 铣车复合加工中心直驱转台的热特性研究DM 兰州:兰州理工大学，.10.M 2孙岗存，杨勇，袁丽，等 M 闭式静压回转工作台的设计研究JM 机械工程师，.100(/):.2 E./M 3赵宏安，张然，董建军，等 M 直驱转台技术在立式车铣复合加工中心上的应用JM 制造技术与机床，.100(2):-C E-DM 4Bolognesi P, Papini F. FEM modeling and analysis of a novel rotary-linear isotropic brushless machineC. XIX International Conference on Electrical Machines ( ICEM), Rome, 2010: paper 726. 5Bolognesi P. Structure and theoretical analysis of a novel rotary-linear isotropic brushless machineC. XIX International Conference on Electrical Machines (ICEM),Rome, 2010: paper 518. 6Chen L, Hofmann W. Design of one rotary-linear permanent magnet motor with two independently energized three phase windingsC. Proceedings of the 7th International Conference on Power Electronics and Drive Systems, 2007:1372-1376. 7沈捷. 直接驱动技术的新进展. 欧洲生产工程, 2005, 2(1): 102-104. 8黄先进. 采用集中绕组和高强度冷却的高转矩密度永磁电机. 电力电子, 2008，(1): 17-21. 9王钦若, 杜玉晓. 交流电机直接转矩控制技术研究综述. 机电工程技术，2005，34(11): 13-16. 10Kim, K. H. Model reference adaptive control-based adaptive current control scheme of a PM synchronous motor with an improved servo performance. Electric Power Applications, 2009, 3(1): 8-18. 11K. Krishnamoorthy, Chi-Ying Lin, Tsu-Chin T