数控回转工作台的设计说明.docx

数控回转工作台的设计说明.docx

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数控回转工作台的设计说明

引言

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。

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能力，提高解决本专业围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、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。

闰土机械外文翻译成品TB店

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。

 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，经齿轮减速后由蜗杆传给蜗轮。

为了消除蜗杆副的传动间隙，采用了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置调整间隙。

这种蜗杆的左右两侧面具有不同的螺距，因此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。

但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然可以保持正常的啮合。

当工作台静止时必须处于锁紧状态。

为此，在蜗轮底部的辐射方向有8对夹紧瓦，并在底座上均布同样数量的小液压缸。

当小液压缸的上腔接通压力油时，活塞便压向钢球，撑开夹紧瓦，并夹紧蜗轮。

在工作台需要回转时，先使小液压缸的上腔接通回油路，在弹簧的作用下，钢球抬起，夹紧瓦将蜗轮松开。

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。

数控回转工作台的定位精度主要取决于蜗杆副的传动精度，因而必须采用高精度蜗杆副。

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。

回转工作台设有零点，当它作回零运动时，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。

数控回转工作台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。

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）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㎏

1.4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

2.1传动方案的确定

2.1.1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围。

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

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。

2.1.3.传动方案及其分析

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。

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：

工作所需功率为：

Pw=FwVw/1000ηwKWPw=Tnw/9950ηwKW

式中T=150N.M,nw=36r/min,电机工作效率ηw=0.97，代入上式得

Pw=150×36/（9950×0.97）=0.56KW

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2.4查得：

齿轮传动的效率为ηw=0.97；一对滚动轴承的效率为：

ηw=0.99；蜗杆传动的效率为ηw=0.8。

因此，

η=η1η23η3=0.97×0.993×0.8=0.75

P0=Pw/η=0.56/0.75=0.747KW

一般电机的额定功率

Pm=（1-1.3）P0=（1-1.3）0.747=0.747-0.97KW

则由表2.1取电机额定功率为：

Pm=0.75KW。

确定电机转速

按表2.5推荐的各种机构传动围为，取：

齿轮传动比：

3-5，

蜗杆传动比：

15-32，

则总的传动围为：

i=i1×i2=3×15-5×32=45-160

电机转速的围为

N=i×nw=（45-160）×36=1620-5760r/min

为降低电机的重量和价格，由表2.1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2.2

2.3齿轮传动的设计

2.3.1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。

2.3.2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。

2.3.3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=9.55×106P1/N1=（9.55X106×0.75/3000）=2.39N.M

载荷系数K：

因载荷平稳，由表6-6取K=1.2

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≥32.88mm

2.3.4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=32.88/22=1.49mm,取标准值m=1.5。

3）中心距标准中心距α=m/2（Z1+Z2）=60.5mm

4）其他主要尺寸

分度圆直径：

d1=mZ1=1.5x22=33mm,

d2=mZ2=1.5x66=99mm

齿顶圆直径：

da1=d1+2m=33+2x1.5=36mm,

da2=d2+2m=99+2x1.5=102mm

齿宽：

b=ψdd1=0.6x33=19.8mm,取b2=b1+（5-10）=25-30mm,取b1=30mm。

2.3.5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=4.12，YFS2=3.96则

δf1=2kT1YFS1/bmd1=2x1.2x2.39x103x4.12/（19.8x1.5x33）=74.6Mpa＜［δF1］δf2=δf1YFS2/YFS1=（74.6x3.96/4.12）Mpa=71.70MPa＜［δF2］

弯曲强度足够。

2.3.6确定齿轮传动精度

齿轮圆周速度v=d1nπ/（60x1000）=3.14x72.5x970/（600x1000）=3.68m/s

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

2.3.7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

2.4蜗轮及蜗杆的选用与校核

由于前述所选电机可知T=2.93N.M传动比设定为i=3，效率η=0.8工作日安排每年300工作日计，寿命为10年。

2.4.1选择蜗杆传动类型

根据GB/T10085—1988的推荐，采用渐开线蜗杆。

2.4.2选择材料

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。

2.4.3按齿面接触疲劳强度设计

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，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=0.8，则

T2=T*η*i=153.4N.M（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=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1；则

K=KA*Kβ*KV=1*1.15*1.1=1.265≈1.27（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=0.30，从而可查出Zρ=3.12。

（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=0.92，则

[σH]=KHN[σH]‘=0.92×268=246.56≈247MPA（3-5）

（6）计算中心距

（3-6）

取中心距a=50mm，m=1.25mm，蜗杆分度圆直径d1=22.4mm，这时=0.448，从而可查得接触系数=2.72，因为＜Zρ，因此以上计算结果可用。

2.5蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸

2.5.1蜗杆

直径系数q=17.92；分度圆直径d1=22.4mm，蜗杆头数Z1=1；分度圆导程角γ=3°11′38″

蜗杆轴向齿距：

PA==3.94mm；（3-7）

蜗杆齿顶圆直径：

（3-8）

蜗杆轴向齿厚：

=1.97mm（3-10）

2.5.2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=0.033=3.3%（3-12）

蜗轮分度圆直径：

d2=mz2=

（3-13）

蜗轮喉圆直径：

da2=d2+2ha2=93.5（3-14）

蜗轮喉母圆直径rg2=a-1/2da2=50-1/293.5=3.25（3-17）

2.5.3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

=2.31，螺旋角系数

Yβ=1-γ/140°=0.9773（3-20）

许用弯曲应力[δF]=

KFN

[δF]=56×0.72=40.32MPa（3-21）

=

2.31×0.9773=4.29MPa（3-22）

所以弯曲强度是满足要求的。

2.6轴的校核与计算

2.6.1画出受力简图

图3-1受力简图

计算出：

R1=46.6NR2=26.2N

2.6.2画出扭矩图

T=η.i.T电机

=0.36×60×0.98

=21.2N.M（3-33）

图3-2扭矩图

2.6.3弯矩图

M=72.8×180×10-3

=13.1N.（3-34）

图3-3弯矩图

2.7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）

2.8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=0.6

抗弯截面系数W=0.1d3

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

2.9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=0.5h=2.5mm，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。

2.10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。

2.10.1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。

2.10.2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。

2.10.3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，轴承孔于轴的配合采用基孔制，即以轴承孔的尺寸为基准；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。

2.10.4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。

2.10.5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；如果主要是为了防止外物浸入，蜜蜂唇应朝外。

2.11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。

第三章控制系统设计

3.1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。

3.1．1单片机

本设计选用8031芯片，片无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8kb单元地址要求地址线13根（A0~A12）。

它由P0和P2.0~P2.4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。

3.1．2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。

如图

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