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数控回转工作台设计

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回转工作台电气原理图.dwg

回转工作台系统框图.dwg

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关键词：: 数控回转工作台齿轮传动蜗杆传动间隙消除蜗轮

资源描述：

前言

这次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。通过机电一体化毕业设计设计，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15％－20％左右的稳定增长。

摘要

数控车床今后将向中高档发展，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奖大大增加。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，不对以上部分运用AUTOCAD作图，最后是对数控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

Abstract

CNC lathe in the future will be in the development of high-end, mid-range universal CNC turret supporting, high-end use of power-type knife. Both hydraulic turret, servo turret, vertical turret and other varieties, is expected in recent years on the CNC turret demand award greatly increased. But the NC rotary table more promising, it is a kind of circle feed can be achieved and the movement of the table, it is often used in the boring machine and horizontal machining centers, which can improve the processing efficiency, more technology, which is mainly composed of raw power, gear transmission, worm drive, workstations and other components, and a gap worm eradication and intensify, is a very useful tool for processing. This paper mainly introduces the principle and the mechanical structure design, not above using AUTOCAD mapping, finally the NC table on a suggestion. Key words: NC rotary table gear worm gear worm gear clearance elimination

前言1

第一章：数控回转工作台的原理与应用3

1.1 数控回转工作的原理3

1.2 设计准则4

1.3 主要技术参数4

1.4 本章小结4

第二章：数控回转工作台的结构设计5

2.1 传动方案的确定5

2.2 齿轮传动的设计6

2.3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸9

2.4 直流伺服电动机的选择及运动参数的计算11

2.5 轴承的选用12

2.6 加紧机构的计算13

2.7 本章小结14

第三章控制系统硬件设计16

3.1 CPU板16

3.2 驱动系统17

3.3 传感器和人机界面17

3.4 本章小结17

第四章控制系统软件设计18

4.1 总体方案18

4.2 键盘扫描的程序18

4.3 数码管显示程序19

4.4 智能化新一代PCNC数控系统19

第五章数控技术发展趋势20

5.1 性能发展方向20

5.2 功能发展方向20

5.3 体系结构的发展21

5.4 智能化新一代PCNC数控系统21

第六章总结22

参考文献22

致谢……………………………………………………………………………………25

外文翻译…………………………………………………………………………………..26

内容简介：: 目录前言 . 1 第一章：数控回转工作台的原理与应用 . 3 1.1 数控回转工作的原理 . 3 1.2 设计准则 . 4 1.3 主要技术参数 . 4 1.4 本章小结 . 4 第二章：数控回转工作台的结构设计 . 5 2.1 传动方案的确定 . 5 2.2 齿轮传动的设计 . 6 2.3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 . 9 2.4 直流伺服电动机的选择及运动参数的计算 . 11 2.5 轴承的选用 . 12 2.6 加紧机构的计算 . 13 2.7 本章小结 . 14 第三章控制系统硬件设计 . 16 3.1 CPU板 . 16 3.2 驱动系统 . 17 3.3 传感器和人机界面 . 17 3.4 本章小结 . 17 第四章控制系统软件设计 . 18 4.1 总体方案 . 18 4.2 键盘扫描的程序 . 18 4.3 数码管显示程序 . 19 4.4 智能化新一代 PCNC数控系统 . 19 第五章数控技术发展趋势 . 20 5.1 性能发展方向 . 20 5.2 功能发展方向 . 20 5.3 体系结构的发展 . 21 5.4 智能化新一代 PCNC数控系统 . 21 第六章总结 . 22 参考文献 . 22 致谢 .25 nts 第一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。 1.1 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。 1-电机； 2-小齿轮； 3-偏心套； 4-大齿轮； 5-柱销； 6、 7、 8、 11-轴承盖、套筒；9-蜗杆； 10-蜗轮； 12、 13-加紧瓦； 14-油缸； 15-活塞； 16-弹簧； 17-钢球； 18-光栅；如图所示为闭环数控转台的结构图，该数控转台用直流伺服电机 1 通过减速齿轮 2 和 4 带动蜗杆 9，通过蜗轮 10 使工作台回转。为了尽量消除反向间隙和nts传动间隙，通过调整偏心环 3 来消除齿轮 2 和 4 啮合侧隙。齿轮 4 与蜗杆 9 是靠楔形拉紧圆柱销 5（ A 一 A 剖面）来连接。这种连接方式能消除轴与套的配合间隙。工作台的转角位置用光栅 18 测量，测量结果发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较，若有偏差经放大后控制伺服电机朝消除偏差的方向转动，使工作台精确定位，台面的锁紧用均布的 8 个小油缸 14 来完成，需要加紧时油缸上腔进压力油，活塞 15 下移，通过钢球 17，推开夹紧块 12 及 13，将蜗轮夹紧。当工作台需要回转时，数控系统发出指令，夹紧液压缸 14 上腔的油流回油箱，钢球 17 在弹簧 16 的作用下向上抬起，夹紧块 12 和 13 松开蜗轮，这时蜗轮和回转工作台可按照控制系统的指令作回转运动。回转工作台的导轨面由大型滚柱轴承支承，并由圆锥滚子轴承及圆锥孔双列圆柱滚子轴承保持准确的回转中心。工作台支撑在镶钢滚柱导轨上，运动平稳且耐磨。 1.2 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。 1.3 主要技术参数（ 1）工作台直径： 200 mm；（ 2）分辨率： 5分 /step；（ 3）工作台转速范围： 2 62.5 rpm；（ 4）直流伺服电机最高转速 2000rpm；（ 5）总传动比： 20；（ 6）轴向最大载荷： 60N M 1.4 本章小结主要简单介绍课程设计题目（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。 nts - 1 - 前言这次课程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。通过机电一体化课程设计设计，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。本次课程设计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15 20左右的稳定增长。 nts - 2 - 目录前言 . 1 第一章：数控回转工作台的原理与应用 . 3 1.1 数控回转工作的原理 .3 1.2 设计准则 .4 1.3 主要技术参数 .4 1.4 本章小结 .4 第二章：数控回转工作台的结构设计 . 5 2.1 传动方案的确定 .5 2.2 齿轮传动的设计 .6 2.3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 .9 2.4 直流伺服电动机的选择及运动参数的计算 . 11 2.5 轴承的选用 .12 2.6 加紧机构的计算 .13 2.7 本章小结 .14 第三章控制系统硬件设计 .16 3.1 CPU板 .16 3.2 驱动系统 .17 3.3 传感器和人机界面 .17 3.4 本章小结 .17 第四章控制系统软件设计 .18 4.1 总体方案 .18 4.2 键盘扫描的程序 .18 4.3 数码管显示程序 .19 4.4 智能化新一代 PCNC数控系统 .19 第五章数控技术发展趋势 .20 5.1 性能发展方向 .20 5.2 功能发展方向 .20 5.3 体系结构的发展 .21 5.4 智能化新一代 PCNC数控系统 .21 第六章总结 .22 参考文献 .22 致谢 .25 nts - 3 - 第一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。 1.1 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。 1-电机； 2-小齿轮； 3-偏心套； 4-大齿轮； 5-柱销； 6、 7、 8、 11-轴承盖、套筒； 9-蜗杆； 10-蜗轮； 12、 13-加紧瓦； 14-油缸； 15-活塞； 16-弹簧； 17-钢球； 18-光栅；如图所示为闭环数控转台的结构图，该数控转台用直流伺服电机 1 通过减速齿轮 2和 4 带动蜗杆 9，通过蜗轮 10使工作台回转。为了尽量消除反向间隙和传动间隙，通过调整偏心环 3来消除齿轮 2 和 4 啮合侧隙。齿轮 4 与蜗杆 9是靠楔形拉紧圆柱销 5（ Ants - 4 - 一 A 剖面）来连接。这种连接方式能消除轴与套的配合间隙。工作台的转角位置用光栅18测量，测量结果发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较，若有偏差经放大后控制伺服电机朝消除偏差的方向转动，使工作台精确定位，台面的锁紧用均布的 8个小油缸 14 来完成，需要加紧时油缸上腔进压力油，活塞 15下移，通过钢球 17，推开夹紧块 12 及 13，将蜗轮夹紧。当工作台需要回转时，数控系统发出指令，夹紧液压缸14上腔的油流回油箱，钢球 17 在弹簧 16 的作用下向上抬起，夹紧块 12 和 13 松开蜗轮，这时蜗轮和回转工作台可按照控制系统的指令作回转运动。回转工作台的导轨面由大型滚柱轴承支承，并由圆锥滚子轴承及圆锥孔双列圆柱滚子轴承保持准确的回转中心。工作台支撑在镶钢滚柱导轨上，运动平稳且耐磨。 1.2 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。 1.3 主要技术参数（ 1）工作台直径： 200 mm；（ 2）分辨率： 5分 /step；（ 3）工作台转速范围： 2 62.5 rpm；（ 4）直流伺服电机最高转速 2000rpm；（ 5）总传动比： 20；（ 6）轴向最大载荷： 60N M 1.4 本章小结主要简单介绍课程设计题目（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。 nts - 5 - 第二章：数控回转工作台的结构设计 2.1 传动方案的确定如图，采用电机带减速动齿轮传动，带动涡轮蜗杆转动，从而使工作台转动 2.1.1伺服电动机的原理伺服电动机（ servomotor）用作自动控制装置中执行元件的微特电机。又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。伺服电动机分交、直流两类。交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。在定子上有两个相空间位移 90电角度的励磁绕组 Wf和控制绕组 WcoWf接一恒定交流电压，利用施加到 Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电动机运行的目的。交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于 10 15和小于 15 25）等特点。直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机相同。电动机转速 n为 n E K1j（ Ua IaRa） K1j 式中 E为电枢反电动势； K为常数； j为每极磁通； Ua， Ia为电枢电压和电枢电流；Ra为电枢电阻。改变 Ua或改变，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法。在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。 2.1.2.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，原动机采用直流伺服电机，工作台为 T形槽工作台，传动装置由齿轮传动和涡轮蜗杆传动组成。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nts - 6 - 济合理等。 2.1.3.传动方案及其分析数控回转工作台传动方案为：直流伺服电机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。 2.2 齿轮的设计 1、选用传动比：先选为 2 1）选用直齿圆柱齿轮传动； 2）数控机床速度高，要求精度高，故选 6 级精度； 3) 材料选择，小齿轮材料选 35CRALA(调质后氮化 )，硬度为 65HRC,大齿轮材料18CRMNTI(渗碳后淬火 )硬度为 60HRC； 4) 选小齿轮齿数 Z1=20，大齿轮齿数为 40。 2、按齿面接触强度设计 d1t 2.323 22)()(1(1HdUZEUKT (1)确定公式内的各计算数值 1）试选载荷系数 Kt1=1.2； 2) 计算小齿轮传递的转矩 T1=21maxninT=98.099.018 60000=3.37N.m nts - 7 - 3）选取齿宽系数，小齿轮做悬臂布置， d =0.4； 4）材料的弹性影响系数 ZE=189.8Mpa21 ； 5）按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim1=1200Mpa,大齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim1=800Mpa； 6）接触疲劳寿命系数 KHN1=1,KHN2=1； 7）计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%,安全系数为 S=1 H1=1200Mpa, H2=800Mpa. (2)计算 1）算小齿轮分度圆直径 d1t,代入 H中较小的值代入各数值的 d1t 2.323 22)()(1(1HdUZEUKT =22mm 2）计算圆周速度 V V=10006011tnd =1.382m/s 3)计算齿宽 b b= d .d1t=0.4 22=8.8mm 4)计算齿宽与齿高之比hb. 模数 mt= 20221.1mm 齿高 h=2.25mt=2.25 1.1=2.475mm hb=475.2 8.8=3.5 5）计算载荷系数根据 V=1.382m/s， 6级精度，查的动载系数 Kv=1.02. 直齿轮 KH =KF =1.0. 查表的使用系数 KA=1；用插值法查得 6级精度，小齿轮相对支撑悬臂布置时 KH =1.139. 由hb=3.556 KH =1.139 得 KF =1.09. 故载荷系数 K=KA KV KH KH =1 1.05 1 1.139=1.197 6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径 d1=d1t33 2.1197.122KtK=21.98mm nts - 8 - 7)计算模数 m m=11zd=2098.21=1.099mm 3按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为 M3 2 112 FdZ YFaYSaKT （ 1）确定公式内的各计算数值 1）查表得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 FE1=800Mpa;大齿轮的弯曲疲劳强度极限 FE2=700Mpa； 2）查得弯曲疲劳寿命系数 KFN1=0.9, KFN2=0.95; 3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数。 S=1.8. F1=8.1 8009.011 S FEK F N Mpa=400Mpa F2=8.1 70095.022 S FEK F N Mpa=369.44Mpa 4)计算载荷系数 K K= KA KV KF KF =1 1.05 1 1.09=1.146 5)查取齿形系数查表的 YFa1=2.80 YFa2=2.40 6)应力校正系数 Ysa1=1.55 Ysa2=1.67 7）计算大、小齿轮的 FYFaYSa并加以比较 1 11FYSaYFa=400 55.18.2 =0.01085 2 22FYSaYFa=44.369 67.140.2 =0.01085 （ 2）设计计算 m=3 2204.0 01085.0100037.3146.12 mm=0.806mm 对比计算结果，齿面接触疲劳强度计算模数 m 大于齿根弯曲疲劳强度计算模数，齿轮模数 m 大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，可取弯曲强度算得的模数0.806 并就近圆整为标准值 m=1，按接触强度算得的分度圆直径 d1=22mm，算出小齿轮齿数 Z1=md1=22 nts - 9 - 大齿轮齿数 Z2=22 2=44 4几何尺寸计算（ 1）计算分度圆直径 d1=Z1 m=22 1=22mm d2=Z2 m=44 1=44mm (2)计算中心距 a=2 44222 21 dd=33mm （ 2）计算齿轮宽度（ 3） b= d d1=0.4 22=8.8mm 取 B1=15mm B2=10mm 2 3 蜗杆传动 1 选择蜗杆传动类型采用渐开线蜗杆 2 选择材料考虑到蜗杆传动速度中等，蜗杆用 45 钢，并淬火，硬度为 45 55HRC,蜗轮用铸锡磷青铜 ZCUSn10P1，金属模铸造，为了节约贵重有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁 HT100 制造。 3 按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式齿轮传动的设计准则，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。传动中心距 a3 2)(2 HZEZPKT (1)确定在蜗轮上的转矩 T2 按 Z1=4，取消率为 =0.9 T2=60000N.mm (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,由表选取使用系数 KA=1.15，由于转速不高，冲击不大，可取动载系数 Kv=1.05；则 K=KA KF Kv=1.15 1 1.05=1.21 (3)确定弹性影响系数 ZE 因选用的是铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配，故 ZE=160 Mpa21 (4)确定接触系数 Zp 先假设蜗杆分度圆直径 d1 和传动中心距 a 的比值ad1=0.4，可查图得Zp=2.75. nts - 10 - (5)确定许用接触应力 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.可从表中查的蜗轮的基本许用应力 H =268Mpa. N=60jn2Lh=60 1 100 15000=1.05 108 寿命系数 KHN=8 871005.110=0.7453 则 H=KHN H =0.7453 268Mpa=200Mpa （ 6）计算中心距 a3 2)200 75.2160(6000021.1 =70.56mm 取其中心距 a=80mm.因 i=102,故从表中去模数 m=3.15mm,蜗杆分度圆直径d1=35.5mm,这时ad1=805.35=0.44，从图中可查的接触系数 Zp =2.65,因为 ZpZp，因此以上计算可用。 4、蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸（ 1）蜗杆轴向齿距 Pa= m=9.891mm;直径系数 q=11.27;齿顶圆直径 da1=d1+2ha1=35.5+2 1 3.15=41.8mm. 齿根圆直径 df1=d1-2(ha m+c)=35.5-2(3.15+0.2 3.15)=27.94mm，分度圆导程角 r=19.45，蜗杆轴向齿厚 Sa=0.5 m=0.5 3.14 3.15=4.9455mm. （ 2）蜗轮蜗轮齿数 Z2=39;变位系数 X2=+0.2619; 验算传动比 i=43912 zz=9.75,这时传动比误差为10 1075.9 =2.5，是允许的。蜗轮分度圆直径 d2=mZ2=3.15 39=123mm. 蜗轮喉圆直径 da2=d2+2ha2=123+2 3.15(1+0.2619)=130.95mm; 蜗轮齿根圆直径 df2=d2-2hf2=123-2 3.15(1-0.2619+0.2)=117.09mm; 蜗轮咽喉母圆半径 ra2=a-0.5da2=80-0.5 130.95=14.525mm. 5 校核齿根弯曲疲劳强度 F= 221 253.1 FYYF amdd kT 当量齿数 Zv2=57.19c o s 39c o s 2 33 rZ=41.38 根据 X2=+0.2619, Zv2=41.38.查的齿形系数 YFa2=2.24. 螺旋角系数 Y =1-140r=1-14054.19=0.8604 许用弯曲应力 F= F KFN 查的 ZCUSn10P1 制造的蜗轮基本许用弯曲应力 F =56Mpa. nts - 11 - 寿命系数 KFN=9 861805.110=0.596 F=56 0.596=33.376 F= 15.31235.35 6000021.153.12.24 0.8604Mpa=15.56Mpa 6 验算效率 =（ 0.95 0.96） )tan(tan vr r 已知 r=19.45 v =arctanfv;fv 与相对滑动速度 Vs 有关。 Vs= 54.19c o s1 0 0 060 1 4 0 05.35c o s1 0 0 060 11 rnd=2.76m/s 从表中用插值法查的 fv=0.0238; v =1.759 ,代入式中得 =0.89 0.90 间，不用重算。 2.4 直流伺服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。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，广泛采用直流伺服电机作为执行单元。这是因为它具有以下优点：响应特性高，响应速度快 ; 转动惯量小，启动、停止方便；高功率密度（体积小、重量轻）；可实现高精度数字控制；停电制动；调速范围较宽；采用直流伺服电机为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、涡轮蜗杆。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，广泛采用直流伺服电机的闭环反馈控制。 1）选择直流伺服电机的额定功率电机的额定转矩应等于或稍大于工作要求的转矩。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。折算到电机轴上的转矩为： MNMNiTT d 475.02060m a x则选择电机的额定转矩应该大于 4 MN 2）电机与工作台的惯量匹配计算 nts - 12 - 回转体的惯量： )(32 24 mkgLDgrJ 则各回转部件的转动惯量为 : 27141 1095.132 mkgg BdJ Z 262 1039.4 mkgJ Z 25 mkg1018.9 蜗杆J 241001.5 mkgJ 蜗轮 20150 mkgJ 。工作台折算到电机轴上的转矩为 222121 mkg00025.011 iJJiJJJJ ZZL 工作台蜗轮蜗杆电机转子惯量为 20018.0 mkgJ M 125.0 MLJJ满足惯量匹配要求 3）定位加速时的最大转矩计算 LLMam MJJtnM )(602 取时间常数 msta 200计算得到定位最大转矩为 M=3.37NM 1.44m ax MM 综上，选择电机为法纳克 5L直流伺服电机。 2.5 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。 2. 5. 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nts - 13 - 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。 2. 5. 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。 2. 5. 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。 2.5.4 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。 2. 5. 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。 2.6 加紧机构的计算采用液压缸作为工作台的夹紧装置，液压缸又称为油缸，它是液压系统中的一种执行元件，其功能就是将液压能转变成直线往复式，或摆动式机械运动。液压具有很多优点： 1、工作比较平稳，反应快，冲击小，能高速启动； 2、液压缸的的体积小、重量轻，惯性小，结构紧凑，能输出较大的力； 3、控制调节方便，易于实现自动化； 4、由于功率损失所产生的热量可由流动的油带走，所以可避免在系统某些局部位置所产生的过度温升，等等。单个油缸的主要尺寸设计计算： 1、活塞：钢筒、活塞的材料为 45钢，查机械设计手册得抗拉强度为 600Mpa,取安全系数为 1.5，得许用应力为： 600/1.5=400Mpa；活塞直径 D为： 28mm。 2、缸筒直径：按机械设计手册选取液压缸钢筒内径 D=28mm。 3、活塞行程：确定活塞行程为： 7mm。 4、活塞及杆重计算： G= /4 ( 228 29) 910 7.8 310 9.8=1.36N 5、弹簧选择计算：按机械设计手册选取弹簧截面直径 0.8mm，弹簧中径 D2=5mm,有效圈数为 4，nts - 14 - 单圈弹簧刚度为 32.4n/mm，则整根弹簧的刚度 K=32.4/4=8.1n/mm。 6、夹紧力的计算：弹簧预压缩量为： S=G/K=1.36/8.1=0.17mm 确定活塞的行程 L为 5mm,则弹簧力为： tF =K(S+L)=8.1 (5+0.17)=42N 查表得液压缸的系统压力 P=6MPa,效率系数 =0.9。则液压缸的夹紧力为： F=( /4（ 2D - 2d ） P - tF ) 230cos F=( /4 228 6 0.9-42) 230cos =2461N 其中，取夹紧块蜗轮的摩擦系数为 0.4。则摩擦力为： f= F=0.4 2461=984.4N 此工作台采用八个液压缸进行加紧，八个液压缸的总夹紧力：总F =984.4 8=7875.2N 7、制动力矩的演算： M=FL 由初始条件确定回转工作台所承受的负载转矩为： 145.89n.m 由结构知： L=204mm,得 M=7875.2 204 310 =1606.54n.m M=1606.54n.m145.89n.m 2.7 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。 nts - 15 - 第三章、控制系统硬件设计数控回转工作台控制系统硬件主要包括 CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。 3.1 CPU板 3.1.1 CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用 MCS-51 芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的 8位单片机 89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。在一些复杂的系统中就不得不考虑使用 16 位单片机， MCS-96 系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。从要设计的系统来看，选用较老的 8051 单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的 16 位 MCS-96 又显得过于浪费。生产基于 51 为内核的单片机的厂家有 Intel、 ATMEL、 Simens，其中在 CMOS 器件生产领域 ATMEL 公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。 ATMEL公司的 AT89系列单片机内含 Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51 插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件 CPU 选用 AT89C51， AT 表示 ATMEL 公司的产品， 9 表示内含 Flash 存储器，C表示支持 C语言编程。 AT89C51 的性能参数为： Flash 存储器容量为 4KB、 16 位定时器 2 个、中断源 6 个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断 0、外部中断 1、定时器 0和定时器 1中断）、 RAM为 128B、 14位的计数器 WDT、 I/O 口共有 32 个。 3.1.2 CPU接口设计 CPU 接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：AT89C51要完成的任务：（ 1）将行程开关的状态读入 CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。（行程开关）前向通道传动驱动（电磁阀）（伺服电机）人机界面传感器 AT89C51 （键盘、 LED）后向通道 nts - 16 - （ 2）通过程序实时控制电机和电磁阀的运行。（ 3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到 LED上，实现人机交互作用。所以 AT89C51 的 I/O 口线分配如下：（ 1） P0 口通过锁存器 74ls373 控制七段数码管的段；（ 2） P1 口通过扫描矩阵键盘获取外部指令；（ 3） P2 口控制七段数码管的位的选通；（ 4） P3 口用于反馈回路的信号输入（光栅）、电磁阀驱动、急停信号等； 3.2 驱动系统传动驱动部分包括直流伺服电机的驱动和电磁阀的驱动，直流伺服电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时夹紧机构放松。 3.3 传感器和人机界面由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。因此，必须加上行程开关。人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简洁明了。此系统中共有八个数码管，其中前四个可以显示键盘输入的数据等指令，后四个可以工作台下显示光栅反馈给单片机的位置信号，并将角度位移实时显示出来。有 4 4的矩阵键盘，用于输入外部指令及数据信息。 3.4 本章小节本章着重介绍了数控工作台控制系统的硬件设计。 CPU 板介绍了 CPU 的选择及其外围的接口设计和控制流程；此外还叙述了人机界面各个按扭和 LED 的意义。 nts - 17 - 第四章、控制系统软件设计 4.1 总体方案对于 AT89C51的程序设计，采用 C 语言的形式。编译器采用 Keil 7.02b。该编译器是 51 系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持 C 语言编译。同时具有完善的调试功能。 4.2 键盘扫描的程序 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int void dlms(void); uchar kbscan(void); void main(void) uchar key; while(1) key=kbscan(); dlms(); Void dlms(void) uchar i; for(i=200;i0;i-) uchar kbscan(void) /*键扫描函数 */ Uchar sccode,recode; P1=0xf0; /*发全 0 行扫描码，列线输入 */ if(P1&0xf0)!= 0xf0) /*若有健按下 */ dlms(); /*延时去抖动 */ if(P1&0xf0)!= 0xf0) Sccode=0xfe; /*逐行扫描初值 */ While(sccode&0x10)!=0) P1=sccode; /*输出行扫描码 */ If(P1&0xf0)!=0xf0) /*本行有键按下 */ Recode=(P1&0xf0)|0x0f; Return(sccode)+(recode); /*返回特征字节码 */ Else Sccode=(sccode #include #define uchar unsigned char #define COM XBYTE0xfff0 #define PA XBYTE0xfff1 #define PB XBYTE0xfff2 #define PC XBYTE0xfff3 Uchar idata dis_buf6=2,4,6,8,10,12; Uchar code table18=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x40,0x00; Void dl_ms(uchar d); Void display(uchar idata*P) Uchar sel,i; COM=0x07; /*送命令字 */ Sel=0x01; /*选最右边的 LED*/ For(i=0;i6;i+) PB=table*P; /*送段码 */ PA=sel; /*送位选码 */ dl_ms(1); p-; /*缓冲区下移 1 位 */ sel=sel1; /* 左移一位 */ Void main(void) display(dis_buf+5); nts - 19 - 第五章 :数控技术发展趋势 5.1性能发展方向 (1)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。 (2)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。 (3)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。 (4)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、

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