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题 目 双轴转台的设计 学生姓名 学号 所在学院 专业班级 指导教师 完成地点 年 月 日 任务书 院(系) 专业班级 学生姓名 一、毕业设计题目 双轴转台的设计 二、毕业设计工作自 年 月_ _日 起至 年 月 日止三、毕业设计进行地点: 校内 四、毕业设计内容要求：五轴联动机床，是机床中的尖端技术产品，是国防、航空等重要工业部门的关键设备。双轴转台是五轴数控机床中的关键部件之一。 用三维造型软件设计双轴转台：台面直径400mm，绕X轴回转的A轴工作范围 300至-1200，力矩200Nm；其中间设一环绕Z轴的回转台C轴， 3600回转，力矩300Nm。 完成双轴转台的装配图，设计说明书。指 导 教 师 系(教 研 室) 系(教研室)主任签名 批准日期 接受设计任务开始执行日期 学生签名 双轴转台的设计 摘要 本文以西泰克卧式力矩电机直驱的双轴转台为分析对象，采用角接触球轴承为支承方式，设计一台力矩电机直驱的双轴转台。力矩电机转台采用的直驱技术提供了高动态特性、高精度和高可靠性。安装后无后期维护、无精度磨损。基于简单而对称的结构设计，所有部件、电机、轴承完美的结合在一起，可获得更高的稳定性和系统刚性。 关键词五轴联动 双轴转台 力矩电机 直驱技术 Biaxial turntable design Tutor: ChenchunAbstract: In this paper, CyTec horizontal biaxial torque motor direct drive turntable is analyzed, using angular contact ball bearings to support the way, the design of a direct-drive torque motor biaxial turntable. Torque direct drive motor technology uses a turntable provides a highly dynamic, high precision and high reliability. No post-maintenance after installation, no precision wear. Based on a simple and symmetrical design, all components, motors, bearings perfectly together, get a higher system stability and rigidity.Key words: Five-axis； Biaxial turntable； Torque motor；Direct drive technology 引言 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。 数控技术是一门集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造术、微电子技术、信息处理技术等多科学交叉的综合技术，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术。 采用直驱电机的数控机床控制技术已在不同种类的机床上得到应用。直驱电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟，具有传统传动装置无法比拟的优越性能。过去人们所担心的直线电机推力小、体积大、温升高、可靠性差、不安全、难安装、难防护等问题，随着电机制造技术的改进，有关问题相应解决。而驱动与控制技术的发展又为其性能拓展和安全性提供了保证。选择合适的直驱电机及驱动控制系统，配以合理的机床设计，完全可以设计制造出高性能、高可靠性的数控机床。 数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的要求，更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。问题的症结在传统的传动链从作为动大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节，在些环节中产生了较。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于出现了“直接传动”的概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示其巨大的优越性。力矩电机的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机床性能有了新的飞跃。 目 录1五轴联动加工技术与双轴转台.1 1.1五轴联动机床发展1 1.2五轴联动机床的种类及特点1 1.2.1立式五轴加工中心2 1.2.2卧式五轴加工中心3 1.3直驱技术的发展4 1.4 双轴回转工作台6 1.4.1双轴回转工作台的特点6 1.4.2双轴回转工作台的功用7 1.4.3双轴转台的组成72双轴转台整体布局72.1主要参数要求72.2转台的选择8 2.3驱动元件的联接方式82.4转台驱动元件的选择82.5转台测量元件选择102.6双轴转台设计简图10 3双轴转台的结构设计与电机选择113.1力矩电动机的选择113.2转台的设计133.3轴的强度校核计算14II 3.4轴的刚度校核计算.14 3.5支撑元件的选型153.6连接元件163.7轴径的估算203.8限位与锁紧装置203.9走线与导电环214总结与展望.21致谢22参考文献23附录III1五轴联动加工技术与双轴转台五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力，堪称“制造业之灵魂”。五轴联动技术是我国走向强国的关键技术，尤其是把我国从制造大国转变成制造强国的基石，因为制造业包括的范围很广领域较多，所以针对不同的工件则需要具有不同特点的设备，其中五轴联动机床的布局方案较多，各有各的优缺点。1.1五轴联动机床发展五轴联动机床，满足空间曲面及任意轮廓的加工，一次装夹完成大量的加工工序，保证精度要求。特别航空领域加工工艺的要求，对五轴联动机床提出多轴联动的同时，还要求机床主轴有较高的转速，因而在五轴联动机床上还应用了诸如高速主轴、高速控制系统、先进刀具技术等，首先是采用直线电机驱动技术。经过十几年的发展,直线电机技术已经非常成熟。其次是采用双驱动技术。对于较宽工作台或龙门架型式,如果采用中间驱动,实际无法保证驱动力在中心,容易造成倾斜,使得动态性能较差。使用双驱动,能使动态性能非常完美。1.2五轴联动机床的种类及特点 五轴联动机床有立式、卧式和摇篮式、NC工作台、C工作台+NC分度头、C工作台十90OB轴C工作台+45oB轴、C工作台+A轴、轴NC主轴等类型。如（图1） 图1 1.2.1立式五轴加工中心 这类加工中心是工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以环图2立式双轴回转工作台绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围 30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计， 图3主轴回转的立式五轴加工中心令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。立式加工中心的主轴重力向下，轴承高速空运转的径向受力是均等的，回转特性很好，因此可提高转速，一般高速可达1,2000r/min以上，实用的最高转速已达到4,0000转。主轴系统都配有循环冷却装置，循环冷却油带走高速回转产生的热量，通过制冷器降到合适的温度，再流回主轴系统。X、Y、Z三直线轴也可采用直线光栅尺反馈，双向定位精度在微米级以内。由于快速进给达到4060m/min以上，X、Y、Z轴的滚珠丝杠大多采用中心式冷却，同主轴系统一样，由经过制冷的循环油流过滚珠丝杠的中心，带走热量。1.2.2卧式五轴加工中心此类加工中心的回转轴也有两种方式，一种是卧式主轴摆动作为一个回转轴，再加上工作台的一个回转轴，实现五轴联动加工。这种设置方式简便灵活，如需要主轴立、卧转换，工作台只需分度定位，即可简单地配置为立、卧转换的三轴加工中心。由主轴立、卧转换配合工作台分度，对工件实现五面体加工，制造成本降低，又非常实用。也可对工作台设置数控轴，最小分度值0.001度，但不作联动，成为立、卧转换的四轴加工中心，适应不同加工要求，价格非常具有竞争力。4卧式双轴回转工作台另一种为传统的工作台回转轴（图），设置在床身上的工作台A轴一般工作范围 20度至-100度。工作台的中间也设有一个回转台 B轴，B轴可双向360度回转。这种卧式五轴加工中心的联动特性比第一种方式好，常用于加工大型叶轮的复杂曲面。回转轴也可配置圆光栅尺反馈，分度精度达到几秒，当然这种回转轴结构比较复杂，价格也昂贵。 目前卧式加工中心工作台可以做到大于1.25m2，对第一种五轴设置方式没有什么影响。但是第二种五轴设置方式比较困难，因为1.25m2的工作台做A轴的回转，还要与工作台中间的B轴回转台联动确实勉为其难。卧式加工中心的主轴转速一般在10,000rpm以上，由于卧式设置的主轴在径向有自重力，轴承高速空运转时径向受力不均等，加上还要采用较大的BT50刀柄，一般最高可达20,000rpm。卧式加工中心快速进给达到3060m/min以上，主轴电机功率22-40KW以上，刀库容量按需要可从40把增加到160把，加工能力远远超过一般立式加工中心，是重型机械加工的首选。加工中心大多可设计成双工作台交换，当一个工作台在加工区内运行，另一工作台则在加工区外更换工件，为下一个工件的加工做准备，工作台交换的时间视工作台大小，从几秒到几十秒即可完成。最新设计的加工中心考虑到结构上要适合组成模块式制造单元（FMC）和柔性生产线（FMS），模块式制造单元一般至少有两台加工中心和四个交换工作台组成，加工中心全部并排放置，交换工作台在机床前一字形排开，交换工作台多的可以排成两行、甚至双层设计。两边各有一个工位作为上下工件的位置，其余工位上的交换工作台安装着工件等待加工，有一辆小车会按照系统指令，把装着工件的交换工作台送进加工中心，或从加工中心上取出完成加工的交换工作台，送到下一个工位或直接送到下料工位，完成整个加工操作。柔性生产线除了小车、交换工作台之外，还有统一的刀具库，一般会有几百把刀具，在系统中存入刀具的身份编码信息，再通过刀具输送系统送进加工中心，并把用完的刀具取回，柔性生产线往往还需要一台FMS的控制器来指挥运行。1.3直驱技术的发展采用直驱技术制造回转功能部件目前已经成为国际机床产业的发展趋势，直驱功能部件包括直驱式转台、摆角铣头等。3 _! C, W7 v E直驱技术即采用大推力力矩电机或直线电机替代原有的包括齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、滚珠丝杠传动，即用电气传动替代机械传动。直驱技术具有精度高（精度直接取决于控制技术和传感技术）、速度快（直线电机可达100m/min,力矩电机可达500rpm）、无磨损（没有机械磨损）、无间隙（没有机械物理间隙）、受力状态优良（区域出力，没有点接触和线接触受力环节）等优势。( f1 X8 z1 x7 k _8 L3 b采用直驱技术设计的回转功能部件，机械结构简单、精度高、速度快，是三轴数控机床向高档5轴数控机床产业升级的关键功能部件。 l8 W5 w N7 g4 y1 G g 6 B# o3 x6 * ) A$ 在直驱技术日益成熟的条件下，国际主流机床厂商迅速推出采用直驱技术的机床产品，而且其应用水平的提升呈加速趋势。目前，处于世界机床产销量前几位的DMG、MAZAK、森精机等公司均开始大量改用直驱功能部件。DMG在其主流万能车床产品体系CTX gamma系列车削中心中采用力矩电机驱动的单摆角铣头。MAZAK也开发出应用于龙门加工中心的直驱双摆角铣头。森精机在NT系列复合加工机床上采用力矩电机驱动的摆角铣头；在NMV系列加工中心采用力矩电机作为转台驱动。FANUC公司的纳米级的ROBONANO 系列加工中心直线运动和回转运动均采用直驱技术，该系列加工中心尚不对日本以外的国家销售。德国F. Zimmerman公司不仅提供机床和直驱摆角铣头产品，还拥有3旋转座标摆角铣头的专利。同时国际上还产生了一批专业从事直驱功能部件的制造商，如德国的CYTEC和KSL为机床厂配套直驱转台和摆角铣头产品。图5力矩电动机直接驱动的摆头 图6采用力矩电动机的双轴转台( e d- U: s% B& i; h# p: I 我国直驱技术的发展与国际水平有很大差距。自2005年起国内就开展了以力矩电机为核心驱动元件的转台的技术研究和产品开发，但大多尚停留在产品样机阶段。在力矩电机相关技术领域，国内与国外也存在较大差距。国际上90年代初开始应用，现在进入普及阶段。国内90年代中期才开始研究，而成功的应用还比较少。包括凯奇电气、华中数控都展出过样机，均未形成批量产品。哈尔滨工业大学、沈阳工业大学都在力矩电机设计和应用方面开展了许多研究工作，也为社会小批量提供了一些力矩电机产品，大多配置德国科比的驱动器。2009年北京CIMT上，烟台环球展出了应用西门子力矩电机的转台样机。目前，仅有大连光洋科技工程有限公司可以提供系列化力矩电机及其配套驱动产品。大连光洋自2005年开始进行可行性技术分析和市场，经过1年的论证，于2006年正式启动直驱关键功能部件（摆角铣头、回转工作台）开发项目，采取了与哈尔滨工业大学合作开发模式。哈尔滨工业大学在电机理论及设计技术处于国内领先地位，具有较好的技术基础。光洋公司于2007年8月完成力矩电机的设计和制造，2007年10月完成了基于该电机的单轴精密转台样机设计和制造，同时完成了高分辨率（6700万线/转）、高精度（3.6角秒）的总线式力矩电机伺服驱动器样机。近年来，光洋公司与沈阳工业大学联合设计新一代力矩电机及其伺服驱动装置系列化产品。光洋公司在仔细研究国外几种典型直驱功能部件产品的基础上，结合自身特点及优势，已经完成了直驱双摆铣头、单摆铣头、单轴转台、双轴转台的结构设计。目前光洋公司完成了系列化直驱功能部件样机制造，部分型号产品进入批量化制造阶段。1.4 双轴回转工作台双轴回转工作台是五轴联动的基础，它能够实现回转轴和摆动轴的两坐标定位。在三轴联动的数控铣床上增加了双轴回转工作台，并通过数控改造使之成为五轴数控铣床，是扩展机床使用功能的简捷方式。1.4.1双轴回转工作台的特点 装有双轴回转工作台不仅可使刀具相对于工件的位置任意可控, 而且刀具轴线相对于工件的方向也在一定范围内任意可控,由此使的五轴联动机床加工具有以下特点:A. 可避免刀具干涉, 加工普通三坐标机床难以加工的复杂零件,加工适应性广。B. 对于直纹面类零件, 可采用侧铣方式一刀成型, 加工质量好、效率高。C. 对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面, 可用大直径端铣刀端面逼近表面进行加工, 走刀次数少, 残余高度小, 可大大提高加工效率与表面质量。D. 对工件上的多个空间表面可一次装夹进行多面、多工序加工,加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度。E. 五轴加工时, 刀具相对于工件表面可处于最有效的切削状态。例如使用球头刀时可避免球头底部切削, 利于提高加工效率。同时,由于切削状态可保持不变,刀具受力情况一致, 变形一致, 可使整个零件表面上的误差分布比较均匀,这对于保证某些高速回转零件的平衡性能具有重要作用。 F. 在某些加工场合, 如空间受到限制的通道加工或组合曲面的过渡区域加工, 可采用较大尺寸的刀具避开干涉, 刀具刚性好,有利于提高加工效率与精度。现在, 大家普遍认为, 五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。所以,每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时,往往转向求助于五轴数控系统。 图71.4.2双轴回转工作台的功用数控机床加工某些零件时,除需要有沿X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动之外, 还需要有绕X、Y、Z三个坐标轴的圆周进给运动,分别称为A、B、C轴。安装双回转轴工作台的五轴联动机床也称五坐标机床, 它是在三个平动轴(沿X、Y、Z轴的直线运动) 的基础上增加了两个转动轴(能实现绕X 轴、Z轴旋转运动, 即A轴和C轴)，双轴回转工作台实现了A轴和C轴的转动。 设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围有限，并非360度。工作台的中间还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样五轴联动机床实现五轴联动的关键就在于双回转轴工作台。1.4.3双轴转台的组成 以CRT/400/HV型双轴转台为例，它是由力矩电机、箱体、中心轴、轴承、转盘、左支轴、 旋转编码器、基座、轴承座、支座轴等组成。两个旋转编码器分别位于与工作台固接的轴端和支撑座的尾端,能将旋转后的位置准确的反馈回系统。 图8 CRT/400/HV型双轴转台 2双轴转台整体布局2.1主要参数要求 给定主要参数如下： 1）台面直径d=400mm； 2）A轴绕X轴回转，工作范围30至-120，力矩200Nm； 3）C轴绕Z轴回转，360回转，力矩300Nm。2.2转台的选择按机械台体结构分类分为立式转台和卧式转台两种。立式转台： 立式转台的外框轴垂直于地平面，立式转台的结构多数为音叉式，其内框架结构多数为圆盘式，少数为 O 型。卧式转台 ： 卧式转台的外框轴平行于地平面。按转台回转轴数量分类转台可分为单轴转台、双轴转台、三轴转台以及多轴转台。此处我选择的是卧式双轴转台。 图9 立式转台 图10 卧式转台 2.3驱动元件的联接方式 驱动以联接方式分为直接驱动和间接驱动 直接驱动是将电机或液压马达的输出轴直接与框架固联，其主要优点是有利于改善和提高系统的动态性能和精度，缺点是其低速性能取决于元件本身的低速性能；间接驱动是将电机或液压马达的输出轴经齿轮减速再与框架轴固联，其主要优点是可以改善系统的超低速性能及用小力矩电机可驱动大力矩负载，缺点是由于齿轮啮合间隙以及齿面磨损后影响系统的精度和稳定性。 目前国内外的高精度测试转台大多采用直接驱动方式。对于一般精度的转台可采用减速装置，随着加工技术的进步，齿轮等减速装置的回程误差可小于 1， 而且可以与电机连接成减速机，直接驱动转台回转轴。我选择驱动方式：采用直接驱动方式，即将电机输出轴、转台主轴以及码盘轴直接相连 2.4转台驱动元件的选择 由于转台是高精度精密测试设备，要求转角精度高、转速平稳，同时又要求调速范围大。因此对于驱动元件的性能要求很高。一般要求其具有体积小、重量轻、高精度、低速平稳运行、高藕合刚度、大扭矩、可堵转、快速响应、特性线性度好、调速方便等的要求。转台常用的驱动元件有电机、液压马达等。电机与液压马达驱动，各有利弊，选择哪种驱动方式，要根据具体的要求来定夺。一般液压马达驱动的转台的负载比电机驱动的大很多。液压驱动的优点是：（1）输出力矩大、功率密度高，在同样功率条件下，液压马达的体积和重量仅为电动机的 1220%。故适用于大负载转台，或是小负载但通频带很宽的高频响转台。（2）液压马达调速范围大，可以从最低角速度 0.0004/s 无极调速到 300/s，其调速比范围超过 50 万倍。电动机驱动的主要优点是：（1）实现连续回转，而摆动式液压马达则不能。（2）液压马达必须设置液压油源，而电动机不需要。对于小转矩、低频响的转台宜采用电动机驱动，而对于那些大转矩、高频响的转台，采用液压驱动方案为佳。对于电机驱动的转台，常见的电机为力矩电动机和直流伺服电动机。力矩电机转速低，可直接与框架连接形成直接驱动。但当驱动力矩增大时，其允许的最高转速也减小。所以，当转台的最高转速较高时不宜采用力矩电机，而采用直流伺服电动机经减速装置驱动的方案。但直流伺服电动机的轴向尺寸较大，不宜用于转台的内框和中框轴的驱动，而且价格远高于前者。且与交流力矩电机相比，直流力矩电机具有能力指标高控制线路简单等优点。力矩电动机允许转速低，可直接与转台主轴连接形成直接驱动采用低速大扭矩的力矩电机直接驱动代替传统的机械传动结构有诸多优势 :a) 转速低 ,运转平稳 ,噪声小 。 机械传动链中机械噪声不复存在 ,高速旋转部件旋转动不平衡带来的振动噪声大为降低 。b) 控制精度高 ,机床的加工精度提高。 减速机构的传动间隙加大了传动控制误差 ,降低了系统的结构谐振频率。由于间隙的存在 ,控制系统的响应频带严重受限 ,不稳定区频率降低 ,运动控制易出现振荡乃至失效。 采用低速大力矩电机后 ,系统增益可以进一步提高 ,控制对象的动态、 静态误差都得到有效控制。 从而显著提高了运动方向改变时的轮廓精度 ,并且其重复性精度也得到显著改善。c) 结构紧凑 ,体积小 , 质量轻 。普通电机一般要经 23级减速机减速才能达到低转速大扭矩的要求 ,机构庞大笨重 。 低速大力矩电机体积和质量通常不到同类型电机与减速机之和的一半 ,而且结构简单零部件少 , 拆装维修较为方便 。d) 高效节能 。 直接驱动简化了传动链 , 减少了能量损耗 ,综合效率远高于传统的普通电机加配减速机的综合效率 。 同时 ,低速大力矩电机多为永磁电机 , 因而具备效率高功率因数高等永磁电机的独特优点 。e) 可靠性高。 润滑油泄漏问题不复存在 ,设备对安装、调试、 维护的要求也大为降低。 同时 , 由于高速转动和振动导致的磨损、 机件松动、 变形、 疲劳失效等故障大为降低。 力矩电机也有自身的缺点 。 在使用力矩电机时 ,要保证切削和冷却液不会进入电机工作区域 ,否则会影响电机正常工作 ,缩短电机的寿命 。 电机工作时 , 电机绕组产生大量热量 ,电机定子部件直接与机床连接在一起 , 因此电机产生的热量会传递到机械部分 , 引起变形和机械变化 ,影响机械的性能 ,在机械结构设计时要考虑散热问题等 。 所以对于该设计方案可以按如下方式 驱动元件：采用内转子直流力矩电机驱动，控制方便，既可开环控制，又可闭环控制。 2.5转台测量元件选择转台测量元件主要有角度传感器和角速度传感器。角度传感器有光电码盘、感应同步器、旋转变压器。角速度传感器主要是测速机。在选择传感器时，按照以下选用原则选择：（1）传感器的准确度小于系统总不确定度的 1/3；（2）传感器的精度、分辨率比系统总的精度和分辨率最好高一个数量级；（3）传感器的结构尺寸满足总体安装使用要求；有的转台只需要位置控制，测量元件只选择角度传感器就可以。有的转台除了要求位置控制外，还需要速度控制，测量元件需要选择角度、角速度传感器。我选择光电码盘，为了便于安装和拆卸，编码器的转子可以通过锁紧螺母直接固定在轴上，通过内六角圆螺钉将外圈连接在码盘机座上，机座和下轴承座公用一个安装基准面，以保证定位的准确，减少误差。2.6双轴转台设计简图 图113双轴转台的结构设计与电机选择3.1力矩电动机的选择 主要是确定载荷，作用在机械装置上的载荷主要有：摩擦载荷、惯性载荷以及各种环境载荷等。摩擦载荷：由于传动部件之间存在摩擦摩擦引起的。大小与所受压力和材料的摩擦系数有关。摩擦力与其力臂的乘积即为摩擦力矩。 惯性载荷：计算回转运动时的惯性载荷，需要知道转动惯量和角加速度，具有传动链装置的，通常将负载的转动惯量折算到电机轴上。环境载荷：例如风载荷、温差载荷（热变形）等，外载荷的确定，要是具体情况而定，有的可从理论上进行推导，有的需要借助试验来测定。分析载荷的目的，是为了选择合适的电动机，使之满足要求。对于转台来说，一般在室内应用，它的载荷主要考虑摩擦载荷和惯性载荷。由于给定条件不多，直接由给定力矩选择电机。 我选用由北京首科凯奇电气技术有限公司开发并生产的通用直驱传动组件TM系列自冷式力矩电机。TM系列自冷式力矩电机是由北京首科凯奇电气技术有限公司开发并生产的通用直驱传动组件。力矩电机以其低速、大扭矩特性著称，用于替代普通伺服电机减速机的装置可以明显提高传动系统的相应速度、控制精度，传动结构也得到极大简化。其优点在于扭矩平稳、体积小、惯量低、扭矩大，过载能力强。TM系列自冷式力矩电机可应用于数控金属切割机床、齿轮机床、印刷机械、半导体设备、电子设备等多种精密高效的运动系统。北京首科凯奇电气技术有限公司的DD直驱转台、直驱式高精度分度头等产品中使用的电机也是TM系列自冷式力矩电机（部分使用MB系列自冷式力矩电机）。TM系列自冷式力矩电机外形为圆柱体，黑色，表面光滑，分为定子和转子两个部分。数据如下： 图12C轴上给定力矩为300Nm，选电机型号TM295-L1；A轴上给定力矩为200Nm，选电机型号TM230-M T0(Nm) Tmax(Nm) N0（r/min ） Nmax（r/min） TM295-L1 310 950 100 200 TM230-M 200 600 150 240 外形尺寸 D1 D2 L TM295-L1 295 202 200 TM230-M 230 150 160 电机功率计算有个共同的公式，P=MN/9550 P为额定功率，M为额定力矩，N为额定转速 计算得 TM295-L1 P=MN/9550=3.25kw TM230-M P=MN/9550=3.14kw 3.2转台的设计根据题目条件，转台台面尺寸为，鉴于方便安装和余量保留的原则，设计实心转台，材料选取45钢，其厚度应该根据负载最大形状最不理想时转台边缘的挠度小于要求的台面跳动来估计。由于题目所要求转台对负载没有特殊要求，故根据经验设计台面的厚度为。3.3轴的强度校核计算 由上述计算的转轴C传递的转矩T=300Nm ,输入的功率P=3.25kw按许用切应力计算，轴的扭转强度条件为 其中，是许用扭转切应力，材料为45钢，查表得其取值介于2545MPa。由上式可得轴的直径 由于轴是连续旋转，故采用空心轴，方便线路布置，并初取空心率 查表得=125，则计算得=50mm，取d=100mm。校核轴，带入d值，则1.5，取值合适。转轴A传递的转矩T=200Nm ,输入的功率P=3.14kw计算过程同上计算得=45mm，取d=90mm校核轴，带入d值，则1.37，取值合适。3.4轴的刚度校核计算轴的扭转变形用每米长的扭转角来表示。圆轴扭转角单位为（）/m，扭角的大小和轴的长度有关。为了消除长度的影响，通常用单位长度转角来表示扭转变形的程度。在工程中常限制单位长度转角的最大值=的最大值不得超过单位长度许可转角。因此，扭转的刚度条件表述为 对于空心圆轴： 3 (3-8)对于不同的机械和轴的工作条件，可从有关手册中查到单位长度许可转角的值。精密机械传动轴： =（0.250.50）/m一般传动轴： =（0.51）/m精度要求不高的轴： =（12.5）/m转台主轴应该属于一般传动轴，所以选择0.7/m，根据式（4-16）得： =0.038 m=38 mm由于主轴的最小直径D=50mm，所以符合刚度要求。A轴同上述方法校核符合刚度要求。3.5支撑元件的选型支撑元件多用轴承，轴承采用两端固定的安装方式。一般精度的转台多用角接触轴承，在较高精度的转台中可以选用气动轴承，但是其造价高，结构复杂，配套设备繁多。所以在本设计方案中采用角接触轴承。轴承型号按轴径大小确定。转台轴承在安装时一般给予一定的轴向预紧力，使内外圈产生相对位移，从而消除游隙，并在套圈和滚动体接触处产生弹性预变形，以此来提高轴承的旋转精度和刚度。预紧力可以利用金属垫片或者调整螺母来实现。由相应的安装尺寸可知轴承的型号，经查机械设计课程设计机手册，A与C轴上两种球轴承的型号分别为7218C和7220C，内径分别为90mm和100mm，外径160mm和180mm，高度30mm和34mm。 图13 两端固定式的安装图本人采用陶瓷球混合轴承。陶瓷球混合轴承与传统的钢质球轴承相比，具有密度小、弹性模量大、热膨胀系数小、耐高温等优良物理性能和机械性能。（1）陶瓷球混合轴承材料Si3N4，密度只有钢的40%。在高速运转时，可大幅减小滚动体的离心力，从而减小球与套圈滚道间的接触应力，延长轴承的使用寿命。（角接触球轴承000r/min（2）弹性模量大、硬度高。与钢质球轴承相比，相同负荷下陶瓷球在接触应力作用区域材料塑性变形小，使轴承的刚度提高，从而提高主轴系统的临界转速。（3）膨胀系数小。混合轴承的工作游隙及工作游隙的变化幅度小，导致高速高温时，滚动体与沟道接触的最大接触应力及接触负荷的变化幅度均较小，确保了轴承运行平稳和发热量的减少。3.6连接元件轴与孔的一般连接方式有：键连接、过盈配合。如下图所示。键连接虽然能传递力矩，但由于加工误差，存在间隙，造成误差。过盈配合连接虽然无角度误差，但配合精度要求高，才能保证轴与孔的同轴度要求，而且不可调。 图14 轴与框架连接方式转台轴与孔的连接常螺钉连接和胀紧套连接。螺钉连接如下图，轴与框架孔的配合采用过渡配合，既不存在大的间隙（像键连接），又不需要高的配合精度（像过盈配合），加工装配都比较简单。但是，要求轴与孔的同轴度比较高，不能承受过载，螺钉孔的存在，在一定程度上削弱了轴和框架的刚度。 图15螺钉连接方式图 胀紧套连接如图所示。胀紧套有1214个紧固螺钉，在装配过程中，可以逐个拧紧。在轴与框架内孔的同轴度有误差的情况下，可以通过紧固螺钉进行调整，以保证整个转台的精度指标。紧套的主要用途是实现轴与孔的联结，用以传递负载。其负荷的传递是通过胀紧套中的高强度拉力螺栓的作用使内环与轴之间和外环与孔之间产生巨大的抱紧力；当承受负荷时，靠胀套与机件的结合压力及相伴产生的摩擦力传递扭矩、轴向力或两者的复合载荷。 图16 胀紧套连接方式胀紧套连接是一种无键连接，它与键连接和过盈连接相比具有以下特点：（1）在轴与孔上均不再加工键槽，可提高轴和孔的强度，减少应力集中源；（2）制造和安装简单，安装胀套的轴和孔的加工不像过盈配合那样要求高精度的制造公差，便于轴和孔的加工制造。安装胀套也无须加热、冷却或使用加压设备，只须将螺钉按规定的扭矩拧紧即可，并且调整方便，可以将轴很方便地调整到所需位置，胀紧套也可用来连接焊接性差的零件；（3）良好的互换性且拆卸方便。这是因为胀套能把较大配合间隙的轴和孔接起来。拆卸时将螺钉拧松即可使联接件很容易的拆开；（4）胀套联接可以承受重负载。胀套结构可作为多种式样，一个胀套不够还可多个串联使用；（5）定心好，使用维护方便；（6）胀套使用寿命长、强度高。因它是靠摩擦传动，对被联接件没有键槽削弱，也没有相对运动。工作中不会磨损。胀套在胀紧后，接触面紧密贴合，不易产生锈蚀，所以寿命长，强度高；（7）具有过载保护功能。胀套在超载时可以保护设备不受损坏。胀紧套在出厂时已涂了润滑油，可直接安装使用。安装时首先将胀紧套松开。然后将胀紧套放到设计位置的孔中，使用测力扳手拧紧螺栓，拧紧的方式是每个螺栓每次只拧到额定力矩的 1/4，拧紧的次序以开逢处为界，左右交叉对称依次先后拧紧，确保达到额定力矩值。胀紧套的拆卸：拆卸时先将全部螺栓放松几圈，然后在拆卸的螺纹孔内交叉的拧入螺栓，顶松胀紧套。胀紧套的防护：安装时防止胀紧套污染，在露天作业或工作环境较差的机器上，应定期在外露的胀紧套端面及螺栓上涂防锈油脂。 轴A和轴C的支撑结构的连接可以用胀紧套连接。胀紧套具有高精度，可调节的优点，是过盈连接和键连接所不能达到的。胀紧套的选用：根据所需要传递的扭矩和轴向力计算胀紧套的额定扭矩根据胀紧套的额定扭矩确定尺寸 。Mt -胀套的额定扭矩；M -需传送的扭矩；D -传动轴直径；F -轴向力。 图17由于轴上转矩不是很大，无需通过胀紧套的额定扭矩选择胀紧套，直接通过电机的内径选择胀紧套。 d D l L 单位:mmC轴 150 200 116 130 A轴 100 145 100 112由此可确定电机处轴径分别为150mm,100mm.3.7轴径的估算为了配合安装轴承和满足转台竖直工作的要求，C轴设计为顺阶梯状结构，具体结构形式如下所示：第一段轴径安装转台，直径为90mm,长度为15mm；第二段轴径安装角接触球轴承，套筒和轴承端盖。直径为轴承直径100mm，长度为103mm； 第三段轴径安装内转子力矩电机，实现电机的轴向定位，直径150mm，长度为200mm；第四段轴径安装角接触球轴承和套筒，以及下轴承端盖。直径为轴承直径100mm，长度为77mm；第五段轴径安装编码器，根据精度要求计算选择确定，并加工轴肩实现编码器的轴向定位，其直径为80mm，长度为67mm。A轴结构分为两段具体结构形式如下所示：左支轴第一段轴径安装导电环和编码器，直径为70mm,长度为60mm；第二段轴径安装角接触球轴承，轴承端盖。直径为轴承直径90mm，长度为110mm； 第三段轴径直径115mm，长度为55mm； 第四段轴径直径150mm，长度为140mm；右支轴第一段轴径直径为145mm,长度为140mm；第二段轴径直径为120mm，长度为55mm；第三段轴径安装角接触球轴承和电机，直径100mm，长度为250mm；3.8限位与锁紧装置 有的转台转动角度范围是有限的，为了防止转过范围，造成线路缠绕甚至扯断，要有限位装置，起保护作用。转台在运输过程中，为防止转台转动，需要锁定装置。当转角范围超出设定范围时，外框与支座上的限位装置接触在一起，从而起到限制转角范围的作用。在限位装置上常安装橡胶套，可起到缓冲撞击力的作用，避免损坏限位装置。锁紧装置如图所示，通过带有锥度的手柄插入中框与外框中，从而起到锁定中框的所用，其他框架上的锁紧装置相同。 图183.9走线与导电环转台与控制系统需要进行信号传输，这些信号有控制信号和电源信号，信号线的布置与走向也是转台设计中需要注意的问题，信号线尽量从台体内部通过，这样既安全又美观。对于旋转部件的走线，需要专门的走线装置滑环。滑环是一个可以从固定装置传输电源、控制或数据信号到旋转装置的机电部件，也称之为导电环、电刷、集流环、旋转电气关节或电气转头。滑环可以应用在任何要求无限制连续旋转的传输电源及数据信号的机电系统中。它能够改善机械性能，简化系统设计，消除导线在旋转时可能造成的损伤。4总结与展望 本次课题主要的设计内同是双轴转台的设计，总体设计主要采用直驱电机驱动技术，大体包括。1.转台整体结构的设计。 2.电机的选型与计算。 3.轴承的选择。 4.胀紧套的选择。通过这次毕业设计，我认识到了自身的很多不足之处，也学到了许多知识，了解到了对于一个设计，应如何去做，应按照什么样的步骤，什么样的规范去做。在今后的工作学习中，我会逐步的去克服这些不足，完善自身。耐心的学习是我今后工作生活中的主旋律。 致谢 首先，在这里向大学四年里的代课老师，领导，以及毕
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