毕业设计（论文）-10工位回转分度部件设计.doc

黄河科技学院毕业设计说明书 第- 26 -页十工位回转分度部件设计摘要本次毕业设计的题目是十工位回转分度部件设计。通过对十工位回转分度部件的设计，使大学生在步入社会之前，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。本课题研究的主要内容包括：确定十工位回转分度部件的传动方案；驱动力计算及其他相关计算；零件设计与校核；零件图的绘制立；绘制装配图。对于十工位回转分度部件设计，首先，进行总体方案设计，传动方案采用齿轮传动；然后进行各零件的设计与校核，轴采用整体式结构；轴与工作台采用螺钉连接；工作台的平衡通过止推轴承来保证；箱体由箱座、箱盖和顶盖组成，其中箱体上设计了圆台和加强筋；最后，对各零件进行装配。数控机床的圆周进给由回转工作台完成，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、圆弧曲面等。十工位回转分度部件可以实现精确的自动分度，扩大了数控机床加工范围。目前，工位回转分度部件主要用于数控镗床和铣床。随着数控技术的应用越来越广泛，工位回转分度部件的应用已成为历史的必然。关键词：十工位；分度，齿轮；轴；箱体；Design of NC rotary worktableAbstractThe graduation project is the subject of design of CNC rotary worktable. NC rotary table on the design, so that before the students entered the community, not only to design a CNC rotary worktable, and can master the mechanical design of the methods and procedures. The main content of this research include: determining the transmission scheme of CNC rotary worktable; driving force calculation and other calculations; part design and verification; part and three-dimensional mapping model; assembly drawing and motion simulation.NC rotary worktable for the design, first of all, the overall design, use of transmission scheme and worm gear drive; then each part of the design and verification, the whole worm and shaft structure; worm screw connection with the worktable; Balance worktable by thrust bearings to ensure; box from the box seat, lid and cover, of which the box on the design of the round table and strengthen the tendons; Finally, the parts for assembly.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. Precision rotary worktable can realize automatic indexing, and expand the range of CNC machining. Currently, the NC rotary table CNC boring and milling machines are mainly used. With more and more widespread application of CNC technology, CNC rotary worktable applications has become a historical necessity.Keywords: NC rotary worktable; gear; worm; box; 目录引 言- 1 -1 绪 论- 2 -1.1 本课题的学术背景及理论与实际意义- 2 -1.2 本课题研究的主要内容- 2 -1.3十工位回转分度部件设计原理及优缺点- 3 -2 十工位回转分度部件的原理与应用- 4 -2.1十工位回转分度部件- 4 -2.2设计准则- 4 -2.3主要技术参数- 5 -3 数控回转工作台的设计- 6 -3.1 传动方案的选择- 6 -3.1.1 传动方案传动时应满足的要求- 6 -3.1.2 传动方案及其分析- 6 -3.2 电机的选择- 7 -3.2.1步进电机的原理- 7 -3.2.2 步进电机的选择及运动参数的计算- 8 -3.3 齿轮传动的设计- 10 -3.4轴承的选用- 12 -3.4.1 轴承受到的载荷- 13 - 3.4.2 验算轴承寿命- 14 - 3.5 轴的校核与计算- 15 -3.5.1 轴的设计与校核- 15 -结论与展望- 22 -致谢- 23 -参考文献- 24 - 26 -引言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。数控机床是数控技术最普遍的应用。而数控回转工作台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、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工作台，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 绪 论1.1 本课题的学术背景及理论与实际意义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、复合机床在装备制造业内已呈现出量大面广态势，这类工作母机在各类制造业已经普及应用，并清晰地表达出时代特征与发展潮流。机床运动无论是并联运动机床，还是运动叠加串联机床，对大多数金属加工机床来说，数控进给复合运动的加工，是以直线轴加上回转轴的联动来实现。为了应对日益增多的复杂零件加工、提高加工精度和效率，多轴机床和复合机床将会进一步创新发展。因此在现代加工中心的开发中，数控回转轴的设计与制造，成为研制机床的核心任务之一，而数控回转轴，同时也起着承载工作重量、夹持工件的功能，故要重视其创新设计。由图1-1所示，2010年中国国际机床展览会无论是在人数上，还是在交易额上，都是逐年上升。图1-1 中国国际机床展览会数据统计1.2 本课题研究的主要内容 通过对10工位回转分度部件设计，希望学生熟悉机电一体化系统中机械系统设计过程，以及掌握利用AutoCAD或UG来绘制二维图形或创建三维实体的能力。毕业设计环节是教学计划中综合性最强的实践教学环节，对培养学生的思想、工作作风及实际能力、提高毕业生全面素质具有很重要的意义。同时，对所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好的开端。对10工位回转工作台的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。而工科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。1.3十工位回转分度部件设计原理及优缺点回转分度转台和数控分度头的使用，为加工中心和数控铣床提供了回转坐标，通过第四轴、第五轴驱动转台或分度头完成等分、不等分或连续的回转加工，完成复杂曲面加工，使机床原有的加工范围得以扩大。数控分度头未来的发展趋势是：在规格上向两头延伸，即开发小规格和大规格的分度头及相关制造技术；在性能方面将向进一步提高刹紧力矩、提高主轴转速及可靠性方面发展。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 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。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。数控转台的发展趋势是：在规格上向两头延伸，即开发小型和大型转台；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；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，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品快速的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，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、外观造型、精度稳定性等方面与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更加激烈。在今后几年中，我国机床附件厂要发展中档次品种，在提高产品质量、性能水平和可靠性的同时，跟踪学习发达国家的先进技术，并在产品创新，提高工艺水平上多下功夫；总结经验，加强产、学、研的结合，走专业化生产的路子，面向市场，参与竞争，满足主机发展的需要。2 十工位回转分度部件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、圆弧曲面等。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。2.1十工位回转分度部件十工位回转分度部件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。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，经齿轮减速后由阶梯轴传给工作台。当工作台静止时必须处于锁紧状态。为此，在工作台底部的辐射方向有10个凹槽，并在工作台旁边安装一个小气缸。当气缸的上腔接通压力气时，活塞便压向凹槽，从而锁定圆形工作台。在工作台需要回转时，先使小气缸的上腔接通回气路，气缸的活塞收回，脱离凹槽，工作台可以旋转。回转工作台的导轨面由角接触球轴承支承，并由深沟球轴承及双列向心圆柱滚子轴承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传动轴的传动精度，和电机的转动，因而必须采用高精度步进电机。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，由高精度的圆光栅发出工作台精确到位信号，反馈给数控装置进行控制。十工位回转分度部件设有零点，当它作回转运动时，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。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 2.3主要技术参数（1）最大回转半径：850 mm（2）回转角度：0360（3）回转精度：003（4）最大承载重量100 3 数控回转工作台的设计3.1 传动方案的选择3.1.1 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，原动机采用应采用步进电机，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。3.1.2 传动方案及其分析 十工位回转分度部件的传动方案为一级齿轮传动。步进电机齿轮传动工作台。方案的最大优点是：1.结构简单；2.传动效率高；3.能使工作台顺利完成回转且达到一定精度。由以上分析可得：由齿轮传动将转速降低，且增加扭矩以达到设计要求。传动方案较合理。3.2 电机的选择 3.2.1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。优点：直接利用数字量进行控制；传动惯量小，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3.2.2 步进电机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。步进电机的特点:一是过载性好。其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合；二是控制方便。步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场；三是整机结构简单。传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。所以选择步进电机的计算如下：（1）电机的选择按照工作要求和条件选两相混合式步进电机（2）功率工作所需功率为： (3-1) (3-2)式中， 电机工作效率，电机所需的输出功率为： (3-3)式中：为电机至工作台主动轴之间的总效率。齿轮： 轴承：蜗杆; 。因此一般电机的额定功率则取电机额定功率为：。（3）转矩由后面齿轮的转矩可得：（4）确定电机转速由文献2, 55表1-8推荐的各种机构传动范围为，取：齿轮传动比：11则总的传动范围为：电机转速的范围为为降低电机的重量和价格，选取常用两相混合式步进电机2S130Y-063R8，其各项指标如表3-1所示:表3-1 2S130Y-063R8步进电机指标（5）利用步距角检验主要技术参数中，回转精度：003。可得步距角为：计算的值与2S130Y-063R8步进电机的步距角相吻合。2S130Y-063R8步进电机满足条件。3.3 齿轮传动的设计一级传动为齿轮传动，本次齿轮传动设计选用步进电机专用减速器设计。由于本次设计选用的是混合式步进电机2S130Y-063R8。所以减速器应选用与之配套的减速器，此种减速机具有高精度、高钢性、高负载、高效率、高速比、高寿命、低惯性、低振动、低噪音、外观美、体积小、安装方便、精确定位等特点。上网查得符合条件的减速器为PGL115单段减速器，型号为PGL115-11。其安装尺寸如下图所示该减速器参数如下：型号：PGL115-11 输入转速：2500（rpm） 额定功率：1（kw） 输出转速范围：25833（rpm） 许用扭矩：174.34（N.m） 级数：单级减速比：113.4轴承的选用如图3-5所示，轴选用角接触球轴承30311图3-5 圆锥滚子轴承基本额定动载荷,基本额定静载荷轴所受到的轴向力，周向力，径向力如图3-6所示；图3-6 轴2受力图3.4.1 轴承受到的载荷（1)由轴的计算结果得，两轴承受到载荷 （2）轴承所受的力如图3-7所示； 图3-7 轴承受力图 所以 ：1.压紧 2.放松（3）求轴承当量动载荷和由1表13-5分别进行查表或插值计算得径向载荷系数和轴向载荷系数为对轴承1 对轴承2 因轴承运转中有中等冲击载荷，按表13-6，取3.4.2 验算轴承寿命，所以按轴承的受力大小验算 (3-7)故所选轴承满足寿命要求。3.5 轴的校核与计算3.5.1 轴的设计与校核轴的形状如图3-8所示；图3-8 轴1（1）.求输入轴上的，转速和转矩取轴承 联轴器（2）求作用在齿轮上的力齿轮所受的力如图3-9所示；图3-9 轴受力图（3）.初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表,于是得取输入轴的最小直径为安装联轴器处轴的直径与联轴器的直径相适应，故需同时选取联轴器的型号。联轴器的计算转矩按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，在标准GB/T5843-2003，选用GYH2型凸缘联轴器，其公称转矩为63000Nmm。半联轴器的孔径d=25mm，故取，半联轴器长度44mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度。（4）轴的设计1）拟定轴上零件的装配方案如图3-10所示；图3-10 轴1零件装配根据估算所得直径，轮毂宽及安装情况等条件，轴的结构和尺寸可进行草图设计，根据装配零件的尺寸以及轴向定位和固定的要求，逐段确定轴的各段直径和长度。根据减速器的内壁到蜗轮和轴承端面的距离，以及轴承端盖装拆方便等要求参见设计手册中的有关经验数据，将轴的结构尺寸初步取定如图4-1所示，这样轴承跨距为180mm，由此由此可进行轴和轴承等的校核计算。2）轴1的各轴段如图3-11所示。图3-11 轴1分段 L1=50 1=42L2=46 2=52L3=72 3=55L4=44 4=69L5=40 5=130L6=25 6=653)轴上零件的同向定位齿轮、半联轴器与轴的同向定位均采用平键连接按由1表6-1得mm。同时为了保证齿轮与轴的配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为，同样半联轴器与轴连接，选用平键为，半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位是由过度配合来保证的，为。4）确定轴上圆角和倒角尺寸参考表15-2，取轴端倒角为，各轴肩处的圆角半径见零件图。5）求轴的载荷如图3-12所示，为轴1所受的应力图；从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面B是轴的危险截面。现将计算出的截面上的、及M的直列于下表,如表3-1所示；表3-2 轴1危险截面应力载荷水平面H垂直面V力F弯矩M总弯矩扭矩T6)按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面A）的强度。根据1式（115-5）及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭矩切应力为脉动循环变应力，图3-12 轴1应力分析取轴的计算应力前已选定轴的材料为45钢，调质处理，由1表51-1查得，因此，故安全。7）.结构设计如图3-13所示，轴1共六段。各段的直径和长度在前面已列出。图3-13轴1结构图结论与展望通过此次毕业设计，让我能将自己这四年来所学的专业知识重新拾起整理，并且在心中有了一个知识体系，知道如何去调用所学的知识，对于自己不了解的、不曾接触过的专业知识，知道可以通过查阅资料区学习并掌握它。记得刚开始接触到毕业设计的题目(十工位回转分度部件设计)时，对于这个题目觉得无从下手，这个题目范围很广。最后在老师的指导下，才知道原来这个题目的用意就是在于让学生深入了解一个机械产品的整个设计过程，将自己所学的专业知识重新收拾一遍，为以后走向工作岗位打下扎实的基础。有了这次毕业设计的经历，我深刻理解了一台数控回转工作台的整个设计过程，也学会如何将所学的专业知识应用于实际设计中。我们都知道，每一套设备都经过不断地改进和完善，它的性能变得越来越好的，所以不是简简单单的一份课程设计说明书就完了，需要做的事情还有很多。任何的设计都不可能时完美的，总存在一定的不足之处。因此本次毕业设计也不可避免的存在缺陷: 数控系统设计还不完善。我会再接再厉，尽可能的完善数控系统。本次设计的十工位回转分度部件，仅有一个自由度。若在此基础上增加一个或多个自由度，那么工作台的应用范围将会更广，目前市场上多自由度的工作台需求量很大。所以若设计多自由度的数控回转工作台，将会很有价值。致谢首先，我要感谢我的毕业指导老师老师。在此次毕业设计中，由于所学知识过于繁杂，而且不精，不够系统，所以在开始做毕业设计时总是有点茫然的感觉，往往遇到问题时就会向老师求救，老师也总是不厌其烦地给我讲解，给我启发，让我知道该怎么去解决所遇到的问题，慢慢得，我的向老师请教的次数变少了，虽然问题依然会有，但是我知道怎么去解决它了，感谢老师的指点。记得每次去见老师，让老师检查我们所做的东西，老师往往要在电脑前坐好几个小时给指点我们设计中的不足，教导我们该怎么去解决。真诚地感谢老师的辛勤付出！其次，我还要感谢在此次毕业设计中给予过我帮助的同学们。通过他们的无私帮助，使我解决了不少设计中的技术难题。三人行，必有我师焉。记得最清楚的是我进行齿轮泵建模仿真时，由于对UG软件不够熟练，在操作时总会遇到很多问题，然后会跑去问同学，同学也总会很耐心地给我讲解，一步步地演示给我看如何操作。感谢同学的无私帮助。最后，要感谢学校给了我这次独立设计机械的实践机会，还有给我提供良好的学习研究环境。同时，我要感谢评阅老师，感谢你们呢抽出宝贵的时间来评阅这篇毕业论文。作者：马俊俊2012年5月15日参考文献l 濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社，2006:186-3832 吴宗泽.机械设计课程设计手册M.北京:高等教育出版社，2006:58-1023 朱辉，曹光，唐宝宁，陈大复.画法几何及工程制图M.上海:上海科学技术出版社，2003:80-2574 成大先.机械设计手册M.北京:化学工业出版社,2007：52-725 胡小康编.UG NX6运动仿真培训教程M.北京：清华大学出版社.2009.10：5-1006孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理M.北京:机械工业出版社,2005:52-1527郑金兴.机械制造装备设计M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006：14-1528赵雪松，任小中，于华.机械制造装备设计M.武汉：华中科技大学，2009.11:10-299冀宏.液压气压传动与控制M. 武汉：华中科技大学，2009.0110 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