数控回转工作台的设计Word文档格式.docx
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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
主要技术参数
（1）最大回转半径：
500mm
（2）回转角度：
0～360°
（3）回转精度：
0．01°
（6）最大承载重量100㎏
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
传动方案的确定
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
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。
数控回转工作台传动方案为：
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，具有自锁的蜗杆传动效率仅为左右。
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。
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：
工作所需功率为：
Pw=FwVw/1000ηwKWPw=Tnw/9950ηwKW
式中T=,nw=36r/min,电机工作效率ηw=，代入上式得
Pw=150×
36/（9950×
）=KW
电机所需的输出功率为：
P0=Pw/η
式中：
η为电机至工作台主动轴之间的总效率。
由表查得：
齿轮传动的效率为ηw=；
一对滚动轴承的效率为：
ηw=；
蜗杆传动的效率为ηw=。
因此，
η=η1η23η3=×
×
=
P0=Pw/η==KW
一般电机的额定功率
Pm=P0==KW
则由表取电机额定功率为：
Pm=KW。
确定电机转速
按表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=i1×
i2=3×
15-5×
32=45-160
电机转速的范围为
N=i×
nw=（45-160）×
36=1620-5760r/min
为降低电机的重量和价格，由表中选取常用的同步转速为3000r/min的Y系列电机，型号为Y132S2-2，其满载转速nm=2920r/min,此外，电机的安装和外形尺寸可查表
齿轮传动的设计
选择齿轮传动的类型
根据GB/T10085—1988的推荐，采用直齿轮传动的形式。
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。
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=×
106P1/N1=（×
3000）=载荷系数K：
因载荷平稳，由表6-6取K=
齿宽系数ψd:
由表6-7取ψd=1
许用接触压力［δH］：
［δH］=［δH2］=220Mpa
传动比i:
i=3
将以上参数代入公式
D13≥（671/[δh]）2（6-21）KT1（i+1）/ψdi
D1≥
确定齿轮的主要参数与主要尺寸
1）齿数取Z1=22，则Z2=i×
Z1=3×
22=66,取Z2=66。
2）模数m=d1/Z1=22=,取标准值m=。
3）中心距标准中心距α=m/2（Z1+Z2）=
4）其他主要尺寸
分度圆直径：
d1=mZ1==33mm,
d2=mZ2==99mm
齿顶圆直径：
da1=d1+2m=33+=36mm,
da2=d2+2m=99+=102mm
齿宽：
b=ψdd1==,取b2=b1+（5-10）=25-30mm,取b1=30mm。
校核齿根弯曲疲劳强度
δF=22KT1YFS/bmd1≤［δF］
复合齿形系数Ys：
由x=0（标准齿轮）及Z1Z2查图6-29得YFS1=，YFS2=则
δf1=2kT1YFS1/bmd1=3δF1］δf2=δf1YFS2/YFS1=δF2］
弯曲强度足够。
确定齿轮传动精度
齿轮圆周速度v=d1nπ
由表6-4确定第Ⅱ公差组为8级。
第Ⅰ、Ⅱ公差组也定为8级，齿厚偏差选HK
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
蜗轮及蜗杆的选用与校核
由于前述所选电机可知T=传动比设定为i=3，效率η=工作日安排每年300工作日计，寿命为10年。
选择蜗杆传动类型
根据GB/T10085—1988的推荐，采用渐开线蜗杆。
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。
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η=，则
T2=T*η*i=（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Kβ=1；
由使用系数KA表从而选取KA=；
由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=；
则
K=KA*Kβ*KV=1**=≈（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Zρ
先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a=，从而可查出Zρ=。
（5）确定许用应力[σH]
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[σH]‘=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=，则
[σH]=KHN[σH]‘=×
268=≈247MPA（3-5）
（6）计算中心距
（3-6）
取中心距a=50mm，m=，蜗杆分度圆直径d1=，这时=，从而可查得接触系数=，因为＜Zρ，因此以上计算结果可用。
蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸
蜗杆
直径系数q=；
分度圆直径d1=，蜗杆头数Z1=1；
分度圆导程角γ=3°
11′38″
蜗杆轴向齿距：
PA==；
（3-7）
蜗杆齿顶圆直径：
（3-8）
蜗杆轴向齿厚：
=（3-10）
蜗轮
蜗轮齿数：
Z2=62，变位系数Χ=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==%（3-12）
蜗轮分度圆直径：
d2=mz2=
（3-13）
蜗轮喉圆直径：
da2=d2+2ha2=（3-14）
蜗轮喉母圆直径rg2=a-1/2da2=50-1/=（3-17）
校核齿根弯曲疲劳强度
（3-18）
当量齿数
（3-19）
根据Χ2=0，ZV2=62，可查得齿形系数
=，螺旋角系数
Yβ=1-γ/140°
=（3-20）
许用弯曲应力[δF]=
KFN
[δF]=56×
=（3-21）
=（3-22）
所以弯曲强度是满足要求的。
轴的校核与计算
画出受力简图
图3-1受力简图
计算出：
R1=R2=
画出扭矩图
T=η.电机
=×
60×
=（3-33）
图3-2扭矩图
弯矩图
M=×
180×
10-3
=.（3-34）
图3-3弯矩图
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）
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α=
抗弯截面系数W=
根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及小
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[δp]=50～60MPa，取其平均值[δp]=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==，从而可得：
δp=2000T/（kld）=127≤[δp]
可见满足要求。
此键的标记为：
键B5×
10GB/T1096—1979。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
第三章控制系统设计
系统方案设计构成
本系统包括机械部分和伺服电机控制两部分。
根据所给的要求，拟用开环控制结构设计方案，其开环系统结构原理如图。
单片机光电环形功率驱动执行
耦合分配器放大器机构机构
具体原理：
编写单片机指令，通过扫描键盘输入的数字记录需要转动的角度，然后计算需要输出的脉冲，用软件的方法实现脉冲的输出，然后由光电耦合电路减小外部的干扰，接着用环行分配器使各相绕组按一定的顺序通电，由功率放大电路实现功率的放大，然后接步进电动机，通过连轴器把力矩传到蜗杆、蜗轮减速器。
由于蜗轮与回转工作台以传动轴相连接，具有相同的角速度，使得蜗轮的转动带动回转工作台的转动。
理论上，回转工作台的转动角位移精度由微机发出的电平信号来控制。
．1单片机
本设计选用8031芯片，片内无ROM或者EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPROM。
本设计选用了2764扩展其空间，8031的引脚分3大功能：
（1）I/O口线
P0,P1,P2,P3共4个八位口。
（2）控制口线
PSEN（片外取指控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESET（复位控制）。
（3）电源和时钟。
8031最小应用系统。
8031内部不带ROM，需要外接EPROM作为外部程序存储器。
又因为8031在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8位信息和数据信息分时送出，故还需要采用一片74LS373来锁存低8为地址信息。
这样，一片2764EPROM和一片74LS373组成了一个最小的计算机应用系统。
如图
MCS-51的程序存储器空间与数据存储器空间是相互独立的。
用户可最多扩展到64kb的程序存储器几64kb的数据存储器，编址为0000H~FFFFH。
片内8kb单元地址要求地址线13根（A0~A12）。
它由P0和~组成。
地址锁存器的锁存信号为ALE。
程序存储器的取地址消耗为PSEN。
由于程序存储器芯片只有一片，所以其片选端（31）直接接地。
8031芯片本身的连接31必须接地来表明选择外部存储器外，还必须有复位和时钟电路。
在此系统中有P1、P3口作为用户I/O口使用；
74LS373为地址锁存器，他是一片三态输出8D触发器，当OE=1时三态门导通，输出线上为8为锁存器的状态。
当OE=1时输出为高住抗转台。
G为锁存信号输入线，G=1时锁存器输出等于D端输入，G输入短跳变将输入信息锁存到8为锁存器中。
当8031在访问外部程序存储器时，P2口输入高8为地址：
P6口分时传送底8为地址和指令字节。
在ALE为高电平时，P0口输出的地址有效，并由ALE的下降沿锁存到地址锁存器中，此时外部程序存储器宣统信号线PSEN出现低电平，选通相应的外部。
EPROM存储器；
相应的指令字节出现在EPROM的数据线（O0~O7）上，输入到P0口，CPU将指令字节读入指令寄存器。
．2光电耦合
为了防止强电干扰及其干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是实现采用滤波吸收，控制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，中断干扰信号的传导，光电隔离电路主要有光电耦合器的光电转换元件组成。
控制输出时，危机输出的控制信号经74LS04非门反相后，加到光电耦合器G的发光二极管正端。
当控制信号为高电平时，经过反相加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。
这时光敏三极管截止，输出信号几乎等于加在光敏三极管集电极上的电源电压。
当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏三极管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。
．3环形分配器
步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。
这种使电动机按一定规律变化的部分称为脉冲分配器。
实现环形脉冲分配器功能有两种：
一种是纯软件方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号；
其电路图如图
本设计以五相十拍电机为控制对象，它的通电方式为AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10个通电状态。
如果P1口输出的控制信号中，0代表绕组通电，1代表使绕组断电，则可用10个控制字来对应这10个通电状态。
这10个控制字如下表
通电状态
（E）
（D）
（C）
（B）
（A）
控制字
AB
1
FCH
ABC
F8H
BC
F9H
BCD
F1H
CD
F3H
CDE
E3H
DE
E7H
DEA
E6H
EA
EEH
EAB
ECH
在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，步进电动机就会转动一个齿距角。
每送一个空子就完成一拍，步进电动机转过一个步距角。
程序就是根据这个原理进行设计的。
．4功率放大器
L80v
从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电动机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动电动机运
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