数控回转工作台毕业设计说明书

摘要本次毕业设计的题目是数控回转工作台设计。通过对数控回转工作台的设计，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数控回转工作台的传动方案；零件设计相关计算与校核；零件图及装配图的绘制等。对于数控回转工作台的设计，首先，进行总体方案设计，传动方案采用齿轮传动和蜗杆传动；然后进行各零件的设计与校核，蜗杆与轴采用整体式结构；蜗轮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；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。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。目前，数控回转工作台主要用于卧式的镗铣床和加工中心上。关键词数控回转工作台,齿轮,蜗杆,箱体ABSTRACTTHEGRADUATIONPROJECTISTHESUBJECTOFDESIGNOFCNCROTARYWORKTABLEWITHTHENCROTARYTABLEDESIGN,MAKINGTHESTUDENTSNOTONLYTODESIGNACNCROTARYWORKTABLE,BUTBEABLETOMASTERTHEMECHANICALDESIGNOFTHEMETHODSANDPROCEDURESBEFORETHEYENTEREDTHECOMMUNITYTHEMAINCONTENTOFTHISRESEARCHINCLUDEDETERMININGTHETRANSMISSIONSCHEMEOFCNCROTARYWORKTABLEPARTDESIGNANDVERIFICATIONPARTDRAWINGANDASSEMBLYDRAWINGDRAWING,ANDSOONTHEDESIGNOFNCROTARYWORKTABLE,FIRSTOFALL,ISTHEOVERALLDESIGN,TRANSMISSIONSCHEMEUSINGAGEARDRIVEANDWORMDRIVEANDTHENPROCEEDTOTHEDESIGNANDCHECKINGOFALLPARTS,WORMANDSHAFTWITHTHEOVERALLSTRUCTUREWORMGEARSCREWCONNECTIONWITHTHETABLETHEWORKBENCHBALANCEDBYTHETHRUSTBEARINGTOENSUREBOXBYBOXSEAT,COVERANDTOPCOVER,OFWHICHTHEBOXONTHEDESIGNOFTHEROUNDTABLEANDSTRENGTHENTHETENDONSFINALLY,THEASSEMBLYOFVARIOUSPARTSTHECIRCUMFERENCEFEEDOFTHECNCMACHINETOOLTOBECOMPLETEDBYTHEROTARYTABLE,THEROTARYTABLECANBEUSEDWITHTHEX,Y,ANDZTHREEAXESLINKAGE,THEREBYPROCESSINGAVARIETYOFBALLS,THECIRCULARSURFACE,ANDSOONTHEROTARYTABLECANACHIEVEACCURATEAUTOMATICINDEXING,EXPANDEDCNCMACHININGRANGEATPRESENT,THENCROTARYTABLEISMAINLYUSEDFORHORIZONTALBORINGANDMILLINGMACHINEANDMACHININGCENTERKEYWORDSNCROTARYWORKTABLE,GEAR,WORM,BOX目录插图清单V插表清单V第一章前言111本课题的学术背景及理论与实际意义1111研究现状1112发展趋势2113数控转台的市场分析312数控系统发展简史313数控未来发展的趋势514微观看改造的必要性515数控化改造的优缺点616数控回转工作台的功能617数控回转工作台的分类718数控回转工作台的工作原理719数控回转工作台的组成8110本课题研究的内容8111设计准则9112主要设计参数9第二章方案比较与选择1021传动方案的选择10211传动方案传动适应满足的要求10212传动方式特点10213传动方案及其分析11214传动方案的选择1222原动机的选择12221步进电动机12222伺服电机14223电液脉冲马达15224原动机选择1623回转台的选择1624机械部分的设计18第三章零件的设计分析计算1931工作台箱体设计1932传动比的确定2133电液脉冲马达的选择及运动参数的计算22331电液脉冲马达电机的选择22332选择电液脉冲马达的额定功率2234齿轮传动的设计23341选择齿轮传动的类型与材料23342按齿面接触疲劳强度设计23343按齿根弯曲强度设计25344几何尺寸计算27345结构设计2835蜗轮及蜗杆的选用与校核29351选择蜗杆传动类型29352选择材料29353按齿面接触疲劳强度进行设计29354蜗杆与蜗轮的主要尺寸与参数31355校核齿根弯曲疲劳强度32356精度等级公差和表面粗糙度的确定3336轴的设计与校核计算33361求输出轴上的功率、转速和转矩333P3N3T362求作用在齿轮上的力33363初步确定轴的最小直径33364轴的结构设计34365按弯扭合成应力校核轴的强度37366结构设计3737键联接的选择38371键联接的类型38372键联接的尺寸38373键联接的强度验算3838轴承的选择39381轴承的类型39382轴承的尺寸40第四章结论与展望40致谢42参考文献43附录A附加图、表44插图清单图11中国国际机床展览会数据统计1图12数控可倾回转工作台2图21传动方案11图22步进电机12图23伺服电机14图24电液脉冲马达16图25开环回转工作台17图26闭环回转工作台18图27总体设计原理图19图28数控回转工作台19图31工作台尺寸20图32工作台箱体图121图33工作台箱体图221图34一级齿轮传动23图35小齿轮28图36大齿轮28图37蜗杆轴装配方案34图38蜗杆轴受力分析35图39蜗杆轴的应力分析图36图310蜗杆轴37插表清单表31蜗杆轴危险截面应力37表32键联接的许用挤压应力P或压强P39第一章前言11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11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。中国国际机床展览会448821395099216160218193010203040506070观众人数（万）展会交易额（亿元）2008年2009年2010年图11中国国际机床展览会数据统计111研究现状目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。例如我国生产机床工作台的公司之一的烟台恒力数控机床附件有限公司生产的HLTK14系列数控可倾回转工作台如下图所示，它可以实现用于数控机床和加工中心机床上，可利用原机床的两个控制坐标控制转台的回转和倾斜，也可直接利用本转台配套的数控装置与机床联接完成所需的工作循环。它可以完成任意度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并可达到较高的精度。图12数控可倾回转工作台另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上，独立完成等分和不等分的角度分度工作。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。112发展趋势数控车床今后将向中高挡发展，中档采用普及型数控刀架配套，高级采用动力型刀架，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将大大增长。然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，它常被应用于卧式的镗床和加工中心上，可前进加工效率，完成更多的工艺，它重要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等部分组成，并可进行间隙打消和蜗轮加紧，是一种很实用的加工工具。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。113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，普通工机床将获得年均1520左右的稳定增长。随着数控功能部件的发展，精密回转工作台对功能部件的依赖性越来越大。从某种程度上讲，功能部件的发展水平代表了主机的发展水平，其可靠性、先进性尤为突出。数控回转工作台行业的发展，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。国产回转工作台配套件在产品质量、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。12数控系统发展简史1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。1）数控（NC）阶段（19521970年）早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭“成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARDWIREDNC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代电子管；1959年的第二代晶体管；1965年的第三代小规模集成电路。2）计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的“通用“两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代小型计算机；1974年的第五代微处理器和1990年的第六代基于PC（国外称为PCBASED）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的“数控“，实质上已是指“计算机数控“了。13数控未来发展的趋势1）继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。2）向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。3）向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（1）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统（4）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。14微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。2）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配“。4）可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。5）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。15数控化改造的优缺点1减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。2熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。3可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。4可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。16数控回转工作台的功能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附件。它的作用是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。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。数控回转工作台表面光滑平整，美观不易变型，耐高温、耐热、耐酸、耐碱，耐磨损、耐油、使用寿命长，也适合一般工厂作业与精密模具维修，仪器置放与检测等用途耐高温、耐磨损、耐油、使用寿命长，为多功能桌板，适合一般工厂、食品业、研究室、电子厂无尘室使用。回转工作台耐冲击、吸震、美观，适合一般工厂钳工作业、机具维修、生产线包装与保养厂作业及其它用途使用。而且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。数控回转工作台主要用途是落地铣镗床，端面铣床等工作母机不可缺少的主要辅机。可用作支承工件并使其作直线或回转等调整和进给运动，以扩大工作母机的使用性能，缩短辅助时间，广泛适用于能源，冶金，矿山，机械，发电设备，国防等行业的机械加工。17数控回转转台的分类转台是镗床、钻床、铣床和插床等重要附件，用于加工有分度要求的孔、槽和斜面，加工时转动工作台，则可加工圆弧面和圆弧槽等。转台按功能的不同可分为通用转台和精密转台两类。1通用转台按结构不同又分为水平转台、立卧转台和万能转台。2精密转台用于在精密机床上加工或角度计量。常见的有光学转台、数显转台和超精密端面齿盘转台。18数控回转工作台的工作原理为了扩大工艺范围，提高生产率，数控机床回转工作台除具有沿X、R、Z三个坐标轴的直线进给运动功能外，摇臂钻床往往还具有绕X、R、Z坐标轴的圆周进给运动。数控机床用于实现回转运动的部件主要就是回转工作台。数控机床回转工作台按安装方式又可分为立式、卧式、万能倾斜式；按照其伺服控制方式又可分为开环和闭环两种。数控机床回转工作台的分度定位和分度工作台不同，数控机床它是按控制系统所指定的脉冲数来决定转位角度，并没有其他的定位元件。因此，对开环数控转台的传动精度要求高比较、传动间隙还尽量要小。数控机床回转工作台还设有零点，当它作回零控制时，先快速回转运动至挡块压合微动开关时，发出“快速回转”变为“慢速回转”的信号，再由挡块压合微动开关发出从“慢速回转”变为“点动步进”信号，最后由功率步进电动机停在某一固定的通电相位上称为锁相，数控机床从而使转台准确地停在零点位置上。数控转台的圆形导轨采用都是大型推力滚珠轴承，使回转灵活。径向导轨由滚子轴承及圆锥滚子轴承保证回转精度和定心精度。摇臂钻床用来调整轴承的预紧力，可以消除回转轴的径向间隙。摇臂钻床是来调整轴承的调整套的厚度，可以使圆导轨上有适当的预紧力，保证导轨有一定的接触刚度。这种数控机床回转工作台可做成标准附件，回转轴可水平安装也可垂直安装，数控机床以适应不同工件的加工要求。19数控回转工作台的组成数控回转工作台具有两个正交测试轴的倾角仪作为测试工具，将倾角仪设置于待调平的转台台面中心处，使倾角仪的两个正交测试轴平行于转台台面，通过调整转台底座下的调平机构使倾角仪两测试轴输出的倾斜角度值转台即为调平状态。等分回转工作台与摆头是多坐标数控机床的关键部件，传统的采用高精度蜗杆蜗轮等传动的转台与摆头不仅制造难度大、成本高，而且难以达到高速加工所需的速度和精度。因此必须另辟蹊径开发数控转台和摆头的新型电磁驱动系统，以实现数控机床旋转运动坐标的零传动驱动。数控回转工作台包括转台底脚、圆形的转台台面、四个安装在转台底脚的上表面、以均角布置的滚动轴承件和一安装在转台底脚上表面中心的内装调心轴承的中心支座，每一滚动轴承件包括一第一滚动轴承和通过第一轮轴支撑第一滚动轴承的支座，回转工作台台面的下表面中心设置有一垂直向下的第二轮轴，回转工作台台面安装在转台底脚之上，第二轮轴与中心支座中的调心轴承的内圈固定，而所述第一滚动轴承的转动表面各与转台台面的下表面滚动接触。110本课题研究的主要内容通过对数控回转工作台设计，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。对数控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。111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112主要技术参数（1）最大回转半径500MM（2）回转角度0360（3）回转精度003（4）最大承载重量100（5）电液脉冲马达功率075KW（6）电液脉冲马达转速3000RPM（7）总传动比360第二章方案比较与选择21传动方案的选择211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。212传动方式特点蜗杆传动特点1由于蜗杆相当于一个螺杆，当蜗杆的导程角小于摩擦角时，蜗杆传动带有自锁性，这时涡轮副只能由蜗杆驱动涡轮，不能由涡轮驱动蜗杆。2蜗轮副传动的结构紧凑，涡轮箱的外形尺寸较小。3蜗轮副传动平稳，无噪声4蜗轮副传动是滑动摩擦，在传动中摩擦损害较大，因此传动效率较低。采用自锁蜗杆传动时，效率约为50。5由于蜗杆传动时，蜗杆和蜗轮轮齿间的运动速度较大，摩擦也大，为了提高蜗轮副传动的寿命，一般蜗杆采用钢材制造，而蜗轮采用耐磨的材料如青铜等制造。齿轮传动特点齿轮传动是由分别安装在主动轴及从动轴上的两个齿轮相互啮合而成。齿轮传动是应用最多的一种传动形式，它有如下特点1）能保证传动比稳定不变。2）能传递很大的动力。3）外廓尺寸小，结构紧凑、效率高。4）制造和安装的精度要求较高。5）当两轴间距较大时，采用齿轮传动就比较笨重6）圆周速度及功率范围广，应用最广泛7）不能缓冲，无过载保护作用，有噪音213传动方案及其分析由图21所示，数控回转工作台的传动方案有两种方案一为一级和二级都是齿轮传动；方案二为一级齿轮传动，二级蜗杆传动。图21传动方案方案一的最大缺陷是1总传动比小；2占用空间大；3只能使工作台完成回转功能，无法使工作台完成自锁。而方案二虽然传动效率低，但以上三个功能全部都能完成自锁。所以数控回转工作台传动方案为方案二步进电机齿轮传动蜗杆传动工作台。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方面齿面上具有较大的滑动速度，摩擦磨损大，故效率约为0708，具有自锁的蜗杆传动效率仅为04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。214传动方案的选择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。22原动机的选择221步进电动机图22步进电机步进电动机具有自身的特色归纳起来有1可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。2一般步进电机的精度为步进角的35，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性，可以组成结构较为简单而又具有定精度的开环控制系统，也可在要求更高招度时组成闲环控制系统。3无刷，电动机本体部件少，可靠性高。4易于起动、停止、正反转及变速响应性也好5停止时，可有自锁能力。6步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下通常可以在超低速下高转矩稳定运行、通常可以不经减速器直接驱动负载。7速度可在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。8步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。9由于存在失步和共振，因此步进电动机的加减速方法根据利用状态的不向而复杂化。10步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。（11）步进电机外表不允许较高的温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏8090度完全正常。（12）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。（13）由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。（14）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。（15）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。（16）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。222伺服电机图23伺服电机伺服电机与步进电机相比优点1精度实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；2转速高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；在其额定转速以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。3适应性抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；4稳定低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；5及时性电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；6舒适性发热和噪音明显降低。7过载能力具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。避免了力矩浪费的现象。8控制性能伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。伺服电机分为直流伺服电机和交流伺服电机直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。但现在价格高。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。免维护，性价比高。223电液脉冲马达电液脉冲马达由步进电机和液压伺服机构（即扭矩放大器）所组成。由步进电机接收数字控制装置发出的脉冲信号，把它转换或角位移。经液压随动阀和油马达组成的伺服机构做功率放大后，驱动机床工作台或刀架，使之进行精确定或作进给运动。是当前数控系统中特别是开环系统中比较理想的伺服元件。电液脉冲马达广泛应用在自动控制、同步控制和各种数控机床上。其优点为角位移准确、反应迅速、调整范围广，在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小，反应快，速度平稳等。缺点为液压系统需要供油，体积大，噪声，漏油等。图24电液脉冲马达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001MM，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。224原动机选择由于步进电机输出扭矩现在还不能做得太大，且随着输出扭矩的增大，其惯量亦增大，使它的起停顿率受到限制，且相比较之下电液脉冲马达在数控机床上的经济性和实用性都较伺服电机好，而且电液脉冲马达已经广泛应用在数控机床上，各方面都比较成熟，故综合比较之下选择电液脉冲马达。23回转台类型的选择数控回转工作台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（1）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。开环控制数控机床的特点是不带检测反馈装置，该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、电液脉冲马达等。数控装置将工件加工程序处理后，输出指令脉冲信号，由图25开环回转工作台数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，驱动执行部件。步进电机只要改变指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统。该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮等传动元件的精度，所以系统的位移精度较低。开环控制系统因为没有检测装置，也就没有纠正偏差的能力，因此它的控制精度较低。但该系统具有结构简单、调试维修方便、工作可靠度高、成本价格低，易改装成功等优点。（2）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，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着减少偏差的方向运动，直到指令给定位置与反馈的实际位置的差值为零。同此可见闭环控制数控系图26闭环回转工作台统可以消除机械传动的各种误差及在加工过程中产生干扰的影响，使加工精度大大提高。闭环控制数控系统在结构上比开环进给系统复杂，相对成本也高，对使用环境要求严。系统的设计和调试都比开环系统难度在。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。由以上分析，选择采用闭环回转工作台。24机械部分的设计综合以上分析机械部分的总体设计原理图如下图图27总体设计原理图与之对应的工作台实体参照为图28数控回转工作台第三章各零件的设计分析计算31工作台箱体设计数控回转工作台箱体起着支承并包容各种传动零件，如齿轮、轴、轴承等，使它们能够保持正常的运动关系和运动精度。箱体还可以储存润滑剂，实现各种运动零件的润滑。安全保护和密封作用，使箱体内的零件不受外界环境的影响，又保护机器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔热和隔音作用。使机器各部分分别由独立的箱体组成，各成单元，便于加工、装配、调整和修理。改善机器造型，协调机器各部分比例，使整机造型美观。数控回转工作台主要用于镗床，铣床，钻床等需要多面转位加工的工件，是机械加工中常用的机床附件，因此尺寸不易过大，要能配合机床的使用。考虑箱体内零件的布置及与机床上的工件关系，设计尺寸图31所示自动分度回转工作台尺寸长宽高555MM720MM160MM工作台右端盖部分尺寸长宽高240MM50MM160MM图31工作台尺寸数控回转工作台的箱体蜗轮设计，考虑到蜗杆传动的装卸，设计成上端放置蜗轮，在蜗轮上面放置回转工作台，而蜗轮由蜗轮上的轴与箱体用轴承固定。蜗轮箱体布置如32图所示。图32工作台箱体图1数控回转工作台的蜗杆及轴的设计，考虑蜗杆轴的拆卸不便，将箱体后方和右边放置蜗杆轴与蜗轮配对。蜗杆箱体布置如图33所示。图33工作台箱体图232传动比的确定总传动比为各级传动比、的乘积，即1I221II分配总传动比，即各级传动如何取值，是设计中的重要问题。传动比分配得合理，可使传动装置得到较小的外廓尺寸或较轻的重量，以实现降低成本和结构紧凑的目的；也可以使传动零件获得较低的圆周速度以减小动载荷或降低传动精度等级；还可以得到较好的润滑条件。要同时达到这几方面的要求比较困难，因此应按设计要求考虑传动比分配方案，以满足某些主要要求。为了保证工作台分度精度，传动比需要很大，同时为了保证结构尺寸，将蜗杆传动比设定在120，齿轮传动比设定为3，即传动系统的总传动比为360。33电液脉冲马达的选择及运动参数的计算331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。332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W10WVFPW950NTP式中T150,36R/MIN,电机工作效率W097，代入上式得MNWNPW15036/（9950097）056KW电机所需的输出功率为P0PW/式中为电机至工作台主动轴之间的总效率。查得齿轮传动的效率为W097；一对滚动轴承的效率为W099；蜗杆传动的效率为W08。因此，75089703321P0PW/056/0750747KW一般电机的额定功率PM113P011307470747097KW则取电机额定功率为PM075KW。确定电机转速为降低电机的重量和价格，选取常用的同步转速为3000R/MIN的Y系列电机，型号为Y8012，其满载转速3000R/MIN。MN34齿轮传动的设计如图31所示，一级传动为齿轮传动，其中1为小齿轮，2为大齿轮，传动比为3。图34一级齿轮传动341选择齿轮传动的类型与材料1）选用直齿圆柱齿轮传动；2）选用7级精度；3）选择小齿轮材料为40GR（调质），硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质）；4）选小齿轮齿数Z122，大齿轮齿数取Z266342按齿面接触疲劳强度设计21312ETHKTZUDA式中D1T小齿轮分度圆直径；K载荷系数T1小齿轮转矩；H许用接触应力；齿宽系数；DU齿数比；ZE弹性系数。1确定公式内的各计算数值。1）试选载荷系数；13TK2）计算小齿轮传递的转矩23915109NPTMN3）由文献1,205205表107，齿宽系数1D4）由文献1,201201表106查的材料的弹性影响系数12089EZMP5）由文献1,209209图1021D按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度；LIM160HMPALIM250HA6）由文献1，206206式1013计算应力循环次数9H1168302130JN）（LN92437由文献1，206206图1019取接触疲劳寿命系数12095HNHNK8计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S1，由式（1012）得A52095462LIM21LI1MPSKHN（2）计算1）试算小齿轮的分度圆直径，代入中较小的值1TDH2312ETKTZUDAM8325,193410932）计算周转速度VSND/16506821063）计算齿宽BMDT83214计算齿宽与齿高之比H模数49121ZMTT齿高365TH79368B5）计算载荷系数根据7级精度，由文献1，206206图108查的动载荷系数SMV/16VK直齿轮HF由文献1，193193表102查得使用系数1AK由文献1，196197表104用插值法查的7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，；41HK由,由文献1，210210查图1013得79HB31FK故载荷系数64161HVAK6按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由文献1,204204式（1010A）得MKDTT983216483217）计算模数M4921Z343按齿根弯曲强度设计由文献1，201201式（105）得弯曲强度的设计公式为A132FSDYKTMZ式中载荷系数；K小齿轮转矩；1T齿宽系数；D小齿轮齿数；1Z齿形系数；FAY应力修正系数；S弯曲疲劳许用应力。F（1）确定公式内的各计算数值1）由文献1，207208图1020查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限50FEMPA2380FEMPA2）由文献1，206206图1018，取弯曲疲劳寿命系数15FNK208FNK3计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数,由式（1012）得14S22085305714286FNEKMPAAS4）计算载荷系数K541316FVA5查取齿形系数由文献1，200200表105查的127FAY2AF6）查取应力校正系数由文献1，200200表105查得15SA412AS7）计算大小齿轮的并加以比较FASY0163982374521FSAY（2）设计计算M6301921039543M对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数M大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数M的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得到模数063MM,并就近圆整为标准值M15MM,按接触强度算的的分度圆直径，算出小齿轮齿数MD983212519831DZ取,大齿轮齿数。21Z62这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。344几何尺寸计算1）计算分度圆直径MZD951632212）中心距A62313）计算齿轮宽度MDB31取，B3281345结构设计小齿轮采用实心式齿轮，齿轮与轴采用单键连接。如下图所示图35小齿轮大齿轮采用腹板式齿轮，如下图所示图36大齿轮35蜗轮及蜗杆的选用与校核351选择蜗杆传动类型根据GB/T100851988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）,根据整体传动比需要设计比较大，蜗轮蜗杆的传动比也需比较大，而且工作台的在工作中需要有自锁功能，蜗杆采用单头蜗杆；为了工作台在工作中需要受力平衡与工作平稳，蜗杆的旋向采用右旋。352选择材料考虑到蜗杆传动功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。蜗杆用铸锡磷青铜ZCUSN10P1,金属模铸造。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。353按齿面接触疲劳强度进行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，再校核齿根弯曲疲劳强度，由文献1，254254式（1112），传动中心距232EPHZAKT式中T2蜗轮转矩；K使用系数；ZE弹性系数；Z接触系数；许用应力。H1确定作用在蜗轮上的转矩2T取，估取效率，为了保证工作台分度精度，将蜗杆传动比设定1Z80在20I则126262/N059N159IPPT1I0839MN42（2）确定载荷系数因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数；1K由文献1，253253表115选取使用系数；5A由于载荷系数不高，冲击不大，可取动载荷系数；0则12AK3确定弹性影响系数EZ因选用的是铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配，故。1260EZMPA（4）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距A的比值，从1图11181D20D1中可查得。63Z（5）确定许用接触应力H根据涡轮材料为铸锡磷青铜ZCUSNP1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，可从文献1，254254表117中查得涡轮的基本许用应力。268HMPA应力循环次数H21JN60LN）（8301375寿命系数80341687HNK则A2156MPHNH（6）计算中心距MA38421590429133根据结构设计要求，取中心距，模数，蜗杆分度A5圆直径。M5D1354蜗杆与蜗轮的主要尺寸与参数（1）蜗杆轴向齿距M153AP直径系数01DQ齿顶圆直径HAA4253121齿根圆直径CMDFM6035分度圆导程角“186蜗杆轴向齿厚532SA（2）蜗轮蜗轮齿数120Z变位系数X验算传动比这时传动比误差为0,是允许的12I蜗轮分度圆直径MMZD4201532蜗轮喉圆直径HAA427153蜗轮齿根圆直径2CF6240蜗轮咽喉圆半径MDARG51475122355校核齿根弯曲疲劳强度FFAFYMDKT2153式中蜗轮齿根弯曲应力；F蜗轮齿形系数；2AY蜗轮的许用弯曲应力；F蜗轮转矩；2TK使用系数；螺旋系数；Y蜗杆分度圆直径；1D蜗轮分度圆直径；2模数。M当量齿数32COSZV4128103根据,从图1119中查得。4120X2VZ，192AFY螺旋系数0Y91843许用弯曲应力FNFK从表118中查得由ZCUSN10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力A56MPF寿命系数6370179NKA255MPFF6198013420951A6725A6MPFF故弯曲强度是满足的。356精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是分度传动，从GB/T100891988圆柱蜗杆蜗轮精度中选择7级精度，侧隙种类为F，标注为7FGB/T100891988。然后由有关手册中查得要求的公差项目及表面粗糙度。36轴的设计与校核计算361求输出轴上的功率、转速和转矩。3P3N3TKW608751MIN/13RINNPT573605963362求作用在齿轮上的力。因已知低速级大齿轮的分度圆直径为MD92故NDTFT815973623NA0NTR1842363初步确定轴的最小直径。先按照1式（152）初步估轴的最小直径。选取轴的