数控冲床分度工作台的毕业论文.doc

毕业设计(论文)数控冲床分度工作台的设计摘要数控机床是采用数字控制技术对机床各移动部件相对运动进行控制的机床，它是典型的机电一体化产品，是现代制造业的关键设备。数控回转工作台是数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可缺少的重要部件，其作用时按照控制装置的信号或指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序。其外形和分度工作台十分相似，但其内部结构却具有数控进给驱动机构的许多特点。合理设计数控分度工作台系统的结构，它是按照数控系统的指令，在需要分度时将工作台连同工件回转一定的角度。分度时也可以采用手动分度，分度工作台一般只能回转规定的角度。这在设计时要注意角度的计算，以使数控分度工作台工作时要回到规定的角度。数控回转工作台是各类数控铣床和加工中心的理想配套附件。要完成工作台系统部件的结设构设计及总图和零件图；完成小型数控冲转塔式旋转模系统的设计计算。关键词 数控机床；数控回转工作台；数控分度工作台数；控冲转塔式旋转模系统目 录绪 论3第一章：数控回转工作台的原理与应用41.1 数控回转工作的原理41.1.1 设计准则51.1.2 主要技术参数51.1.3 本章小结5 数控回转工作台的结构设计61.1.4 传动方案的确定61.1.5 齿轮传动的设计81.1.6 电液脉冲马达的选择及运动参数的计算91.1.7 蜗轮及蜗杆的选用与校核101.1.8 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸121.1.9 轴的校核与计算131.2.0 弯矩组合图141.2.1 根据最大危险截面处的扭矩确定最小轴径141.2.2 齿轮上键的选择及校核141.2.3轴承的选用151.2.4本章小结16第二章 数控分度工作台172.1.1总体方案的设计172.1.2机械部分的设计182.1.3蜗杆蜗轮的配合202.1.4角接触球轴承的选择202.1.5控制面板的布局及按钮的功能设计212.1.6控制系统的设计222.1.7驱动电路的设计24第三章 旋转模系统的设计263.1 旋转模系统的结构263.1.1 旋转模工作过程273.1.2 电机选择283.2 转塔的设计293.2.1 转塔的材料和工艺293.2.2 链传动的零件和材料303.2.3滚子链传动的计算313.2.4 轴承的选择323.2.5转塔的定位333.3自转模的设计333.3.1蜗轮蜗杆的设计计算343.3.2 蜗轮蜗杆的材料及特性343.3.3蜗轮蜗杆的计算343.3.4 轴承的选择393.3.5 键的选择403.3.6 联轴器的选择40总结43致谢44参考文献451 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作风。数控机床是采用数字控制技术对机床各移动部件相对运动进行控制的机床，它是典型的机电一体化产品，是现代制造业的关键设备。数控回转工作台是数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可缺少的重要部件，其作用时按照控制装置的信号或指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序。其外形和分度工作台十分相似，但其内部结构却具有数控进给驱动机构的许多特点。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右的稳定增长。第一章 数控回转工作台的原理与应用1.1数控回转工作的原理 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。 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1-1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，经齿轮减速后由图1-11一蜗杆 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。1.1.1 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1.1.2 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1001.1.3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1.1.4 传动方案的确定1.1.4.1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1.1.4.2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。 1.1.4.3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。1.1.5 齿轮传动的设计由于前述所选电机可知T=2.39N.M传动比设定为i=3，效率=0.97工作日安排每年300工作日计，寿命为10年。1.1.5.1 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。1.1.5.2 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。1.1.5.3 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。传递转矩T1=9.55106P1/N1=（9.55X1060.75/3000）=2.39N.M载荷系数K：因载荷平稳，由表6-6取K=1.2齿宽系数d:由表6-7取d=1许用接触压力H：H=H2=220Mpa传动比i:i=3将以上参数代入公式D13（671/h）2（6-21）KT1(i+1)/diD132.88mm1.1.5.4 确定齿轮的主要参数与主要尺寸1）齿数 取Z1=22，则Z2=iZ1=322=66,取Z2=66。2）模数 m=d1/Z1=32.88/22=1.49mm,取标准值m=1.5。3）中心距 标准中心距 =m/2(Z1+Z2)=60.5mm4）其他主要尺寸分度圆直径：d1=mZ1=1.5x22=33mm, d2=mZ2=1.5x66=99mm齿顶圆直径：da1=d1+2m=33+2x1.5=36mm, da2=d2+2m=99+2x1.5=102mm齿宽：b= dd1=0.6x33=19.8mm, 取b2=b1+(5-10)=25-30mm,取b1=30mm。1.1.5.5校核齿根弯曲疲劳强度F=22KT1YFS/bmd1F复合齿形系数Ys：由x=0（标准齿轮）及Z1 Z2查图6-29得YFS1=4.12，YFS2=3.96则f1=2kT1YFS1/bmd1=2x1.2x2.39x103x4.12/(19.8x1.5x33)=74.6MpaF1f2=f1YFS2/YFS1=(74.6x3.96/4.12)Mpa=71.70MPaF2弯曲强度足够。1.1.5.6确定齿轮传动精度齿轮圆周速度v=d1n/(60x1000)=3.14x72.5x970/(600x1000)=3.68m/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HK1.1.5.7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1.1.6 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：Pw=FwVw/1000w KW Pw=Tnw/9950w KW 式中T=150N.M, 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一般电机的额定功率Pm=(1-1.3)P0=(1-1.3)0.747=0.747-0.97 KW则由表2.1取电机额定功率为：Pm=0.75 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：i=i1i2=315-532=45-160电机转速的范围为N= inw=(45-160)36=1620-5760 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nm=3000r/min,此外，电机的安装和外形尺寸可查表2.21.1.7 蜗轮及蜗杆的选用与校核由于前述所选电机可知T=6.93N.M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。1.1.7.1 选择蜗杆传动类型根据GB/T100851988的推荐，采用渐开线蜗杆。1.1.7.2 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。1.1.7.3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： (3-2) （1）确定作用在蜗轮上的转距T2按Z1=2，估取效率=0.8，则T2=T*i=153.4N.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K=1；由使用系数KA表从而选取KA=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1；则K=KA*K*KV=1*1.15*1.1=1.2651.27 (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/a=0.30，从而可查出Z=3.12。（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H=268MPA。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KHN=0.92，则H= KHNH=0.92268=246.56247MPA (3-5)（6）计算中心距取中心距a=50mm，m=1.25mm，蜗杆分度圆直径d1=22.4mm，这时=0.448，从而可查得接触系数=2.72，因为Z，因此以上计算结果可用。1.1.8 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸1.1.8.1 蜗杆直径系数q=17.92；分度圆直径d1=22.4mm，蜗杆头数Z1=1；分度圆导程角=31138蜗杆轴向齿距：PA=3.94mm；(3-7)蜗杆齿顶圆直径：(3-8)蜗杆轴向齿厚：=1.97mm(3-10)1.1.8.2 蜗轮蜗轮齿数：Z2 =62，变位系数=0验算传动比：i=/=62/1=62(3-11)这是传动比误差为：（60-62）/60=2/60=0.033=3.3%(3-12)蜗轮分度圆直径：d2=mz2=(3-13)蜗轮喉圆直径：da2=d2+2ha2=93.5 (3-14)蜗轮喉母圆直径rg2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25 (3-17)1.1.8.3 校核齿根弯曲疲劳强度(3-18)当量齿数 (3-19)根据2=0，ZV2=62，可查得齿形系数=2.31，螺旋角系数Y=1-/140=0.9773；(3-20)许用弯曲应力F= KFN F=560.72=40.32MPa(3-21)=2.310.9773=4.29MPa(3-22)所以弯曲强度是满足要求的。1.1.9 轴的校核与计算1.1.9.1 画出受力简图图 3-1受力简图 计算出：R1=46.6N R2=26.2N 1.1.9.2 画出扭矩图 T=.i.T电机 =0.36600.98 =21.2 N.M （3-33） 图3-2扭矩图 1.1.9.3 弯矩图M=72.818010-3=13.1N. （3-34）图3-3弯矩图1.2.0 弯矩组合图由此可知轴的最大危险截面所在。组合弯矩 （3-35）1.2.1 根据最大危险截面处的扭矩确定最小轴径 （3-36） 扭转切应力为脉动循环变应力，取=0.6抗弯截面系数W=0.1d31.2.2 齿轮上键的选取与校核（1）取键连接的类型好尺寸因其轴上键的作用是传递扭矩，应用平键连接就可以了。在此用平键。由资料可查出键的截面尺寸为：宽度b=5mm，高度h=5mm，由连轴器的宽度并参考键的长度系列，从而取键长L=10mm。（2）键连接的强度键、轴和连轴器的材料都是钢，因而可查得许用挤压力p= 5060MPa，取其平均值p=135MPa。键的工作长度l=L-b=10-5=5mm，键与连轴器的键槽的接触高度k=0.5h=2.5mm，从而可得：p=2000T/(kld)=127p 可见满足要求。 此键的标记为：键B510 GB/T 10961979。1.2.3 轴承的选用滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。1.2.3.1轴承的类型考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用调心性能比较好的圆锥滚子轴承。此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙。其机构代码为3000，然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号为：30208。1.2.3.2 轴承的游隙及轴上零件的调配轴承的游隙和欲紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。1.2.3.3滚动轴承的配合滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸为基准。1.2.3.4滚动轴承的润滑考虑到电动刀架工作时转速很高，并且是不间断工作，温度也很高。故采用油润滑，转速越高，应采用粘度越低的润滑油；载荷越大，应选用粘度越高的。 1.2.3.5 滚动轴承的密封装置轴承的密封装置是为了阻止灰尘，水，酸气和其他杂物进入轴承，并阻止润滑剂流失而设置的。密封装置可分为接触式及非接触式两大类。此处，采用接触式密封，唇形密封圈。唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环行螺旋弹簧的紧扣作用而套紧在轴上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。即如果是为了油封，密封唇应朝内；如果主要是为了防止外物浸入，蜜蜂唇应朝外。1.2.4 本章小结对数控回转工作台的主要零件及传动系统的零件进行设计 选型 零件校核，按照机械设计一书进行设计，完成机械部分。第二章 数控分度工作台2.11数控分度转台总体设计数控分度转台根据其特点，大致包括以下主要部件：1. 完成最终功能的机械执行部件（即产品的机械装置）；2. 操作者操纵产品的工作以及了解产品的工作状态的操作面板；3. 处理操作指令的控制系统；4. 对控制系统发出的控制信号进行发大以及驱动相应设备的驱动电路。如图（一） 角接触球轴承蜗杆蜗轮配合控制系统动力源操作面板驱动器器步进电机分度转台图（一）步进电机接线2.1.2机械部分的设计机械部分的总体设计如下图：分度转台步进电机角接触球轴承蜗杆蜗轮配合 图（二）2.1.2.1步进电机的选择首先必须要明白步进电机的工作原理，它将是电脉冲信号变为角位移或线位移的开环控制元件，所以步进电机常用于开环系统的控制，这一点刚好能满足课程设计中开环控制的要求。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则相应转过一个角度（这个角度叫做步矩角，是步进电机中一个很重要的参数）。由于这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常很方便，其次，还要知道虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用，因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。要正确地选择步进电机，还必须清楚它的特性，主要有以下几点：1. 步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度转动。转动的速度和脉冲的频率成正比；2. 步进电机电机具有瞬间启动和急速停止的优越特点；3.改变脉冲的顺序，可以方便地对步进电机进行调整。要根据转矩和步矩角选择合适的步进电机，综上所述，可选择型号为DM39系列的步进电机，步矩角为1.2度，保持转矩为7.6N.m。 步进最高转速为900转/分钟。2.1.3蜗杆蜗轮的配合蜗杆蜗轮配合常用来传递两交错轴之间的运动和动力，它主要有以下的一些特点：1.可以得到很大的传动比（i可达780），比交错轴斜齿轮机构紧凑；2.两轮啮合面为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构；3.蜗杆传动相当于螺旋传动，故传动平稳、噪音很小；4.具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮间的当量角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能用蜗轮带动蜗杆，如在重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起到安全保护作用；5.传动效率低，磨损较严重；6.蜗杆轴向力较大；7.常用于间歇工作的场合。 蜗杆传动的这些特点刚好符合本课程设计的相关要求 。另外，还必须清楚蜗杆传动的基本参数包括模数m，压力角，蜗杆直径系数，导程角，蜗杆头数，蜗轮齿数，齿顶高系数以及顶隙系数。其中，模数和压力角是指蜗杆轴面的模数和压力角，即蜗轮端面的模数和压力角，且均为标准值；蜗杆直径系数q为蜗杆分度圆直径与其模数的比值。蜗杆传动比i=蜗杆的转速/蜗轮的转速，蜗杆的转速即是步进电机的转速，蜗轮的转速即是分度转台的转速。分度转台的最高转速；要求为20转/分钟，由于步进电机的最高转速为900转/分钟，由此能计算出蜗杆传动比为900/20=45。 2.1.4 角接触球轴承的选择由于此机构主要承受轴向方向的载荷，以及部分的径向载荷，在此部分选择角接触球轴承是最合适不过的了，因为角接触球轴承可同时承受径向载荷和轴向载荷。 要知道接触角是角接触球轴承中一个很重要的参数，它直接决定了角接触球轴承轴向方向的承载能力，接触角越大，轴向承载能力越大，但精度会略微减小。单列的角接触球轴承只能承受一个方向的轴向负载，在承受径向负荷时，将引起附加轴向力，并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移，这不是我们想要的，若是成对双联安装，使一对轴承的外圈相对，即宽端面对宽端面，窄端面对窄端面，这样既可避免引起附加轴向力，而且可在两个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内。课程设计要求能承载的最大载荷为20Kg，分度精度为100，可选择接触角为25度的、7000AC型的角接触球轴承，最好选择进口的SKF轴承（因为该轴承相对于其他轴承而言，性能更好），为避免产生附加的轴向力，采用成对双联安装方式，保持架的材质可选择性能优异，寿命相对较长的合成树脂。2.1.5 操作控制面板的功能设计及按钮的布局设计布局如图（三），包括LCD显示器（用于显示五位分度角度）、数字键09（用于输入分度角度）、Left和Right键（用于左右移动光标）、Up和Down键（用于增加或减少每一位的数值）、回零按钮（用于分度转台的机械回零）、显示器开关按钮、报警指示灯、串口RS232指示灯以及Enter键（完成输入分度角度之后，按下此键分度转台转过相应的角度）。LCD显示器1234567890数字键区LeftUpDownRight显示器开关按钮回零按钮ALARMRS232Enter图（三）串行通讯电路接线图串行通讯PCB接线图2.1.6 控制系统的设计首先要明确控制系统的基本硬件包括：CPU、存储器（程序存储器ROM和数据存储器RAM）、I/O接口电路等。由于单片机具有以下的特点：1.优异的性价比；2.集成度高、体积小、可靠性高。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连续，大大提高了计算机的可靠性与抗干扰能力，另外，其体积小，对于强磁环境，易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作；3.控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中有丰富的转移指令、I/O的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机；4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品；5.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。由于单片机具有以上的特点，微处理可选择MCS-51的单片机。MCS-51的单片机共有四个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3,也就是说一共有32个接口，由于课程设计所完成的功能比较简单，32个接口足够用了，不需要再进行扩展I/O的设计，但要知道这四个8位的并行I/O口都有相同的特殊功能寄存器，并且具有字节寻址和位寻址的功能，每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器，其中P0口的驱动能力最强，可驱动八个LSTTL负载，其他口只能驱动四个，另外P3口具有第二功能（包括RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD）。MCS-51的单片机与控制面板的链接设计如图（四）：MCS-51P2.6P2.7P1.0P1.7INT0INT1RXDTXDRESETP0.6P0.7P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0UCCLCD显示器RES232UCCUCC18按键显示器开关按钮Enter按钮UCC数字9数字0“右”“左”“下”“上”RES232指示灯ALARM指示灯UCC回零键图（四）2.1.7 驱动电路的设计在步进电机已选择好的情况下，再来对驱动电路进行设计，因为步进电机对驱动电路有如下的要求：1.驱动电路的通电数、通电方式、驱动电压、驱动电流都必须能满足步进电机的要求；2.驱动电路的设计要满足步进电机起动频率和连续运行的要求；3.能最大限度抑制步进电机的振荡；4.工作可靠，抗干扰能力强，能承受一定的过载；5.成本低，效率高，安装和维护方便。另外，还必须知道步进电机驱动电路的基本组成部分，主要包括：脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲功率放大器三个部分，具体执行情况如下：指令脉冲发生器脉冲分配器脉冲功率放大器步进电机。在不同的机电应用系统中，步进电机各部分有所不同。根据课程设计任务的要求，选择脉冲的产生和分配均由MCS-51单片机来完成的方式，输出脉冲信号经功率放大器放大再进入步进电机。经过多方综合的考虑，选择继电器驱动方式（因为继电器方式的开关量输出是最常见的输出方式，通过弱电控制外界的交流或直流的高电压、大电流设备，继电器驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，控制电流一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作），具体的接口电路如图（五）继电器的动作由单片机的P0.0端控制，P0.0端输出低电平时，继电器J吸合；P0.0端输出高电平时，继电器J释放，采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。二极管VD的作用是保护三极管V。原理如下：当P0.0端输出低电平时，V导通，继电器吸合；当P0.0端输出高电平时，V截止，继电器断开。在继电器吸合到断开的瞬间，由于线圈中的电流不能突变，将在线圈产生较高的下正上负的感应电压，使晶体管集电极承受较高电压，有可能烧坏驱动三级管V。为此在继电器J线圈两端并接一个续流二极管VD，使线圈产生的感应电流有二极管VD流回。正常工作时，线圈上的电压上正下负，二极管VD截止，对电路没有影响。机械继电器可在继电器节点两端并接火花抑制电路，减少电火花影响，如图（五）中的0.0uF的电容。4N25使两部分的电流信号独立。UCC是单片机系统电源，UDD是供继电器的电源。输出部分的地线接机壳或接大地，而单片机系统的电源地线数字地（浮空的）不与交流电源的地线相接。这样可避免输出部分电源变化对单片机电源的影响，减少系统所受的干扰，提高系统的可靠性。89C51P0.07407UCCUDDJ步进电机VB90134N25150VD1K1K0.01uF图（五）第三章 旋转模系统的设计3.1 旋转模系统的结构旋转模系统包括：转塔、自转模、链传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、伺服电机、冲压模具，拨叉等组成部分。图2-1所示，福建龙岩理尚精密机械有限公司申请的数控转塔冲床专利简图。图 2-1 旋转模系统的结构图转塔转塔是一个装有凸模和凹模的旋转轮，有上下两个转盘组成，模具均装在转盘上。依据模具工位数量的多少，转塔可以分单轨和多轨两种。为了使上、下转盘转盘的侧面或背面设有定位销孔，定位销插入就可以保证准确定位。转盘轴称为T轴，T轴的驱动包括伺服电机、传动机构、驱动轴、分度销、上下转盘。自转模自动分度转模机构(在高端的转塔冲床上才有)即模具分度机构是用来是转盘上某些模具沿本身轴线旋转的机构。分度模具的转动是有伺服电机通过联轴器转动分度模具的传动蜗杆，通过蜗轮蜗杆机构来带动分度模具转动。使用转模（自动分度）机构可以冲切复杂形状的板材，减少模具，降低模具的费用；同时还可以缩短加工时间。图2-2为福建龙岩理尚精密机械有限公司申请的旋转模专利中上自转模的结构图。图2-2 上自转模结构图冲压模具冲压凸模在模具工位中上下滑动，凸模的座套和转塔之间的间隙很小，这样可以准确引导凸模运动。由于模具上下速度运动较快，容易引起转塔的磨损。磨损的转塔会影响模具的精度并降低制件孔的质量。因此设计过程中，每个工位都使用了模套以消除转塔的磨损。由于模套有淬火过的合金钢制成，其抗磨损性打打地提高了。更重要的是，如转塔上的键槽或转塔内径损坏，更换模套既省时又省力，而且还能降低成本。如图2-2所示。 3.1.1 旋转模工作过程伺服电机通过链传动机构带动上下转模的同步转动，转到预设的模位停止，气缸定位定位。然后，拨叉拨动旋转套，使之与模具套啮合。再由伺服电机通过联轴器直接带动蜗杆旋转，蜗轮带动旋转套的旋转，从而带动模具的旋转，旋转至预设的角度后停止，液压冲头冲压工作。工作完毕后，转模复位，拨叉拨动旋转套脱离模套，转盘旋转。这就是一个工作循环。3.1.2 电机选择目前，在机械行业中，电机是所有生产机械的主要动力装置，电机种类丰富多样。按结构及工作原理分类，可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机；按用于分类，可分为驱动用电动机和控制用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电机等。数控车床上使用的主流就时步进电动机和伺服电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。伺服电机是将电信号转变为角位移或角速度，分直流和交流两种。电机选择要点如下表：表3-1 电机选择要点选用要点一根据机械负载特性、生产工艺、电网要求、建设费用、运行费用等综合指标，合理选择电动机的类型选用要点二根据机械负载所要求的过载能力、起动转矩、工作制及工况条件，合理选择电动机的功率，使功率匹配合理，并具有适当的备用功率，力求运行安全、可靠而经济选用要点三根据使用场所的环境，选择电动机的防护等级和结构型式选用要点四根据生产机械的最高机械转速和传动调速系统的要求，选择电动机的转速选用要点五根据使用环境温度，维护检修方便、安全可靠等要求，选择电动机的绝缘等级和安装方式选用要点六根据电网电压、频率，选择电动机的额定电压、频率总结在选用电动机时，要努力执行国家技术经济政策，积极采用节能产品和新产品，提高综合经济效益参阅相关资料，交流伺服电机较步进电机的优越性能：1 控制精度高步进电机的步距角一般为1.8(两相)或0.72(五相)，而交流伺服电机的精度取决于电机编码器的精度,能实现了位置的闭环控制，从根本上克服了步进电机的失步问题。2 矩频特性好步进电机的输出力矩随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其工作转速一般在每分钟几十转到几百转。而交流伺服电机在其额定转速(一般为2000r/min或3000r/min)以内为恒转矩输出，在额定转速以E为恒功率输出。3 具有过载能力4 加速性能好步进电机空载时从静止加速到每分钟几百转，需要200400ms：交流伺服电机的加速性能较好。设计时选用交流伺服电机。带动蜗杆转的的电机功率为6kW，带动链轮转动的电机功率为10kW，转速都为1200r/min。3.2转塔的设计3.2.1 转塔的材料和工艺转塔采用高强度耐磨球墨铸铁的厚转塔，具有自润滑功能、磨损极小；并经热处理去内应力，刚性好、精度稳定、抗冲击能力强；厚转塔使模具的对中性好、导向精度高、抗偏载能力强，大大提高模具使用寿命；转盘锥销定位，精度高、选模快，保证机床精度及提高使用效率，侧向定位可有效地避免因端面定位而造成的转塔端面受力而变形。配装模具采用A、B、C、D四级分类标准，不同尺寸规格的模位数量分配合理，节约模具，降低图4-1 高精度转塔转盘使用成本。图2-2为武汉工研光学科学技术有限公司生产的数控转塔冲床的转塔。2.2 链传动的设计计算3.2.2 链传动的零件和材料3.2.2.1 传动链传动链主要有以下几种型式：套筒链、滚子链、齿形链和成型链。本次设计选用单排滚子链，如图4-1所示。滚子链使用寿命长，且有减低噪声的作用。滚子链以标准化，其系列、尺寸、极限拉伸载荷见表4-1。表4-1 滚子链的主要尺寸和极限拉伸载荷（GB 1243.1-83） mm链号链节距p滚子半径drmax轴销半径dzmax内链节内宽b1内链节外宽b2内链板高度hmax排距t极限拉伸载荷Fq/N08A12.707.953.967.8511.1812.0714.381380010A15.87510.165.089.4013.8415.0918.112180012A19.0511.915.9412.5717.7