完整版数控回转工作台设计毕业设计40含全套CAD图纸41.docx
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完整版数控回转工作台设计毕业设计40含全套CAD图纸41
南昌工程学院
毕业设计（论文）
机械与电气工程学院系（院）机械设计制造及其自动化专业
毕业设计（论文）题目数控回转工作台设计
完成日期2013年5月2日
数控回转工作台设计
NCrotarytabledesign
总计毕业设计（论文）34页
表格5个
插图16幅
摘要
数控机床在机械行业中扮演的角色越来越重要。
特别是数控机床朝着大功率、高速度、高精度、高稳定性的方向发展，其可靠性已成为衡量其性能的重要指标。
而数控回转工作台作为数控机床中不可或缺的部件，其精度已直接影响到机床的整体性能。
为了提高效率，扩大机床制造范围，数控机床除了做三轴直线进给运动之外，通常还需要用数控回转工作台来做加工的圆周运动。
由此来满足自动改变工件相对主轴的位置，让机床更好的对工件各个面的加工。
配合数控系统的控制，数控回转工作台可以有效提高生产率，消除人为误差，提高加工精度。
数控回转工作台主要是应用于数控铣床与数控镗床或加工中心，它主要是用于对板类、箱体等类似工件的不间断回转加工和多面加工。
本次主要设计方向是数控铣床中的数控回转工作台，我们对主要的零件进行了结构功能设计。
装配图、零件图用CAD软件绘制。
关键词：
数控铣床数控回转工作台蜗杆传动
Abstract
TheNCmachineisplayinganincreasinglyimportantroleinmechanismmanufacture.Thereliabilityisthemainsignaltomeasureitsperformancewiththetendencyofhighpower,highspeed,highfidelityandhighstability.However,theNCrotatingtable,asaninevitablepartofNCmachine,hasaffecteditsoverallperformancedirectlybecauseofitshighfidelity.InordertoimprovetheoptionalefficiencyandexpandthetechnologyscopeofNCmachine,thefeedmovementmustfollowX,Y,andZcoordinateaxesaswellasbeingaccomplishedbyNCrotatingtabletofinishitscircularfeedmovement,toreachapurposethatenabletheindexingautomaticallytochangethepositionofmachiningworkpieceswithrelatedspindle,andfinallymakethesurfacemachiningconveniently.Besides,improvingproductivityandmachiningfidelity,eliminatingartificialerrors,canalsoberealizedwhentheNCrotatingtableisinconjunctionwiththecontrolofNCsystem.Itis,availabletorotatingandmulti-facedmachining,floorpartsandboxesparts,mainlyappliedinNCmillingmachinesandboringmachines.ThetopicinmyessayisprimarilydesignedforNCrotatingtableofmillingmachineswithkeypartsdesigningandchecking,usingtheautoCADsoftwaretorenderassemblydrawingandpartsdrawing.
KeyWords:
NCmillingmachines;NCrotatingtable;Wormtransmission
第一章绪论
1.1概述
数控铣床作为效率比较高的机械制造设备，现在应用的已经非常普遍了。
在加工工件时，将工件装在回转台上，为了满足工件的加工需求，能给工件加工到更多的表面，除了一般机床都能进行的三轴直线运动之外，还必须用回转工作台来给工件做回转运动。
数控系统控制着工作台，去做各种需求的圆周运动。
必要时它可以和其他的坐标轴一起联动，这样来加工复杂一点的零件。
同时在精度的保证下，理论上可以实现任意角度、任意分度的转动。
数控回转工作台的结构最常见的是用电机作为动力源，再者是齿轮传动来减速，最后是蜗轮蜗杆连接工作台，起到带动转动的作用。
设计中回转精度是主要的参考对象。
现在技术越来越先进，社会对回转工作台的要求也是很大。
回转工作台分类可能会有很多，但是一般是可以分为两种，它们是数控回转工作台，还有就是分度台。
数控回转工作台可以自动的运动加工，它的结构和市面上的一般机床的进给机构可能有点相似。
它们最主要的不同的地方在于一般机床是做直线运动的，但是数控回转工作台还可以做回转的运动。
两种回转台从外表上看上去是差不多的，关键不同在于它们的内部。
数控回转工作台又可以细分为两种，一种开环,另一种是闭环。
开环与闭环结构上是看不出什么区别的，它们的区别在于闭环它多了一个角度测量的功能。
这个测量功能会反馈和系统给的指令相互对比，选择闭环的话，工作加工的精度会高一些。
1.2数控回转工作台的发展及展望
目前国内数控机床可以说得到了快速的发展，近年来取得的进步也是非常明显不过了。
尤其是国内的数控系统，从没有到现在的这么成熟。
可以说我国的数控技术大有可为，不断在接近西方国家的先进技术。
作为机床的主要组成部分，回转工作台相对机床的各方面的性能来说是非常重要的。
在未来数控回转工作台主要是向着两个极端发展，一个是开发小型转台，一个是大型转台。
于此同时呢它在性能方面主要还是朝着以更强的以钢为材料的蜗轮，这样可以很大程度的增加工作台转动的速度，增加转台承担负载的能力。
未来在设计形式上也是向着多轴一起联动的趋势前进。
在不久的将来，我国机床的附件将会朝着高档的水平发展。
不管是产品质量或是产品性能，都会慢慢跟上西方发达国家的水平。
并不断地创新，走出自己的特色。
加强对产、学、研的结合力度，从而走专业化生产道路，面向市场，满足数控机床发展的需求。
1.3数控回转工作台的原理
数控回转工作台应用最多的还是在这三个机床中，它们分别是数控铣床、加工中心还有就是数控镗床了。
与一般的工作台比较起来，在外形上我们很难发现它们会有怎样的不同，它们使用着不同的驱动。
数控回转工作台是可以跟其他的伺服结合一起运动。
图1-1闭环内部结构
1-步进电机；2-主动齿轮；3-偏心环；4-从动齿轮；5-柱销；6-压块；7-螺母；8-锁紧螺钉、11-轴承盖、套筒；9-蜗杆；10-蜗轮；12、13-加紧瓦；14-压紧液压缸；15-活塞；16-弹簧；17-钢球；18-光栅；
如下图1-1所示该结构图就是演示的闭环数控回转工作台的内部结构，这种工作台是由1电机作为动力元件的，然后2、4齿轮传动作为减速器的效果给电机减速。
在用齿轮传动带动9蜗杆，9与蜗轮10配合转动这就可以带动工作台转动了。
通常消除反向间隙、传动间隙的方法有很多的，这里是用了偏心环3就能达到消除齿轮2、4之间的啮合侧隙的目的了。
设计中为了实现蜗杆9、齿轮4连接在一起，其中间采用的是楔形拉紧圆柱销5。
用这种连接方式的优点的是还可以减少各轴和轴套之间的配合间隙。
回转台转角的位置是采用光栅18来进行测量的，它的测量结果会与指令信号相互比较。
如果其中存在偏差，那么将偏差放大，然后由控制电机使其朝着降低偏差的方位回转，从而使工作台达到精确定位的目的，设计中对于台面的锁紧通过均匀分布的小油缸14达到目的。
在其要加紧时，通过油缸上面的上腔注入压力油，从而使活塞15向下移动，然后钢球17，来推开装置中的夹紧块12、13，从而使蜗轮处于夹紧状态。
当回转台工作时，只需由数控系统来发指令，从而夹紧液压缸14，使其上腔的油回流到油箱，而钢球17此时在弹簧16弹力的作用下向上运动，然后夹紧块12、13会从蜗轮中松开，就在这时蜗轮就可以同回转工作台一起按系统的指令做回转运动。
这个工作台的导轨面采用滚柱轴承来支承，并同时采用圆锥滚子轴承来确保正确的回转中心的位置。
工作台是由镶钢滚柱导轨来支撑的，这样可以使回转台平稳的运动。
1.4设计要求及主要参数
1.4.1设计准则
将严格按照以下设计准则来完成本次设计：
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
1.4.2本次设计中的一些主要参数
1、回转精度：
2、
第二章数控回转工作台的结构设计
2.1设计工作台的基本要求
数控回转工作台一般是由三部分组成的，其中一部分是传动装置，另一部分是原动机，还有工作台。
其中的传动装置主要是在其中传递运动，让工作台运转。
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、维护便利、工艺性和经济合理等。
数控回转工作台作为数控铣床装夹工件的机床附件，它对机床的影响是非常大的。
而数控回转台合理的传动方案的好坏直接影响到数控回转工作台的性能。
所以选择合适的传动方案对于本次设计显得尤为重要。
2.2数控回转工作台传动方案的选择
设计前对数控回转工作台进行了详细的分析，为了设计的产品达到预期的要求我们确定传动方案为：
电机—带动—齿轮传动—带动—蜗杆蜗轮——工作台的方案。
如下图2-1是此次设计的工作台传动方案简图：
图2-1设计方案
传动方案分析：
首先齿轮传动具有承受载能力高，运动传递平稳、准确，传递功率和圆周速度范围大、传动效率高、结构紧凑等特点。
同时蜗杆传动的特点：
1．结构紧凑蜗轮蜗杆的传动比可以达到很高的。
要是和一般的传动装置比的话，在传动比如果是一样的情况下，蜗轮蜗杆的尺寸会小很多，所以节约了空间。
2．传动噪声少蜗杆齿与蜗轮的啮合是不断的，它们在传动的过程中，传动发出的声音较小。
3．自锁当蜗杆中的导程角比齿轮间的当量摩擦角更小时，如果蜗杆是主动件，那么机构将可以自动锁定。
4．高成本蜗杆工作是会有滑动速度，有损耗，功率也不高，而具有自锁功能的蜗杆传动效率就更低了。
为了解决这个弊端，在设计过程中蜗轮一般的话会用稀有的有色金属作为材料。
经以上对传动方案的分析总结一下：
考虑将齿轮传动作为高速级，把蜗轮蜗杆放在低速级，这样传动方案被认为是较为合理的。
2.3电机的选择
根据本次设计的需求，初步选取步进电机作为动力源。
主要考虑到步进电机加载驱动才能运转，而它的驱动信号是脉冲信号。
当没有脉冲时，电机就回停止，只要加入合理的脉冲信号，步进电机就回转动一定的角度。
想要其较高的转动速度可以增加脉冲信号的频率就可以。
同时步进电机拥有瞬时启动，关闭时急速停止的特点。
它的过载性能也是相当好，它的转速基本不受负载大小的影响，这也是选择步进电机的总要原因。
另外步进电机还可以改变脉冲信号来实现对其的控制调整，相当方便快捷。
所以步进电机速度精度都能满足要求。
在相当多的机械加工过程中需要微量进给。
其实步进电机和伺服都是可以的。
但是经过深思熟虑的考量之后，还是决定在本设计中使用步进电机。
2.3.1选择步进电机的注意事项
必须保证：
1）电机的功率必须大于工作所需的功率，这是前提。
在保证功率满足要求的前提下为了不浪费，还是要用小功率的电机。
2）各种的工作负载力矩要符合步进电机的矩频特性曲线之内，只有这要才能保证工作台运转的可靠性。
3）所选的步进电机必须满足数控回转工作台的回转精度。
2.3.2电机的参数计算
按照设计、工作对电机的综合要求，本次设计选用两相混合式步进电机作为本数控回转工作台的动力源。
电机的选择必须考虑到工作台的负载及及其回转台自身的重量。
1）电机功率的计算
回转台工作的功率的算法：
（2-1）
（2-2）
其中，根据步进电机的工作效率
我们可以知道电机功率：
（2-3）
（2-4）
式中：
为步进电机到工作台之间的总效率
为齿轮传动的传动效率
为一对轴承效率
为蜗杆的效率
由表2-1列出的传动效率可得：
表2-1各种传动效率
序号
类别
方式
效率
1
圆柱齿轮传动
一般的齿轮传动
2
滚动轴承
球轴承
3
蜗杆传动
双头蜗杆
4
蜗杆传动
圆弧面蜗杆
0.85～0.95
齿轮传动的传动效率：
=
轴承的效率：
=
蜗杆传动的传动效率：
=
因此由3-4式得传动总效率：
由3-3式可知道电机功率：
由此得出一般电机的额定功率的范围：
取电机额定功率
2）确定电机转速
查参考文献[3]表1-8，可取：
齿轮传动比：
3-5
蜗杆传动比：
所以计算总传动为：
电机的转速范围：
3）传递转矩
转矩的范围：
根据转矩范围，同时为了降低步进电机的价格和重量，本次设计选取常用的两相混合式步进电机型号为：
56BYG250D-0241，其各项的参数如表2-2所示:
表2-256BYG250D-0241型电机参数
两相混合式步进电机
规格型号
步距角
相电流A
保持转矩/
转动惯量/
重量
外形尺寸
56BYG250D-0241
0.9/1.8
2.4
1.72
460
1
56×56×76
4）回转精度校核
在本次设计的主要技术参数中要求回转精度：
回转精度=
所计算的值符合回转精度要求，所选的56BYG250D-0241型两相混合式步进电机满足设计要求，固选用。
2.4齿轮的设计
2.4.1齿轮材料确定
根据GB/T10085—1988的推荐，本设计齿轮传动采用直齿圆柱齿轮传动的形式如图2-2所示。
其中Ⅰ为小齿轮，Ⅱ为大齿轮。
同时考虑到齿轮传动要求的效率可以小点没关系，对速度也没要求，所以齿轮传动杆选用45号钢。
考虑到效率提升，以及各齿面的损耗，要求齿轮面的硬度为45-55HRC。
齿轮材料如下：
1）齿轮7级精度；
2）小齿轮用40Gr（调质处理），
硬度为
3）大齿轮用45钢，调质处理，
采用腹板式；
4）选用传动比为，其中取小齿轮齿
数为，那么大齿轮齿数为图2-2一级齿轮传动
2.4.2齿轮强度计算
1、
（2-5）
式中：
K为载荷系数
为小齿轮转矩
为齿宽系数
为弹性系数
为接触疲劳许用应力
（1）计算式中各参数
1）本设计中试选取载荷系数为；
2）算出小齿轮的转矩
由电机的转距可知：
3）查参考文献[1]表10-7，取齿宽系数为
4）查参考文献[1]表10-6可得齿轮材料的弹性影响系数为
5）查参考文献[1]图10-21d通过齿面的硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限
6）小齿轮的转速
（2-6）
式中：
为小齿轮转速其大小等于电机的转速，其余均为已知，固：
7）查参考文献[1]图10-19本设计取接触疲劳寿命系数为，
8）计算接触许用应力
本设计选取失效概率，安全系数，则
取较小者：
=522.5MPa
将计算出来的各数值代入3-5式中小齿轮的分度圆直径求得：
（2）计算各参数
1）周转速度
2）齿宽b计算
3）齿宽与齿高之比
模数
齿高
齿高比
4）载荷系数的计算
根据，精度7级，查参考文献[1]图10-8可以知道动载荷系数，
直齿轮；
；
查参考文献[1]表10-4用插值法查得在精度7级，齿轮不是对称布置时，；
由、，查参考文献[1]图10-13得；
故载荷系数：
6）
7）计算模数m
2、
查得参考文献[1]式10-5知道计算弯曲强度的公式如下:
（2-7）
（1）计算公式内的各数值
1）查参考文献[1]图10-2得小齿轮的弯曲疲劳强度极限为；
大齿轮的弯曲疲劳强度极限为
2）查参考文献[1]图10-18取小齿轮的弯曲疲劳寿命系数为；
大齿轮的弯曲寿命系数为
3）
设计采用弯曲疲劳安全系数,查参考文献[1]式10-12
（2-8）
得：
4）计算载荷系数K
5）查参考文献[1]表10-5得到齿形系数
小齿轮：
大齿轮：
6）查参考文献[1]表10-5得应力校正系数
小齿轮：
大齿轮：
7）求齿轮的
将所求的参数代上式3-7中得：
（2）两种强度设计
由以上计算的模数对比可知：
按照齿面接触强度来计算的模数m要大于由齿根弯曲强度计算的模数m。
齿轮模数m数值在设计中要以弯曲强度为主，由此我们不妨使用模数,并我们就就近用,分度圆直径使用。
通过这知道小齿轮齿数：
即小齿轮齿数为：
大齿轮齿数：
即大齿轮齿数为：
按照这种方法设计出的齿轮，既符合了齿面接触疲劳强度，又符合了齿根弯曲疲劳强度，并且做到了结构的紧凑，避免浪费资源。
2.4.3尺寸计算
1）求分度圆直径
2）中心距
3）齿轮宽度的计算
本设计中取，
2.4.4齿轮结构设计
如图2-3，2-4所示，分别为小齿轮、大齿轮的零件图。
两齿轮都是采用实心结构，采用单键连接齿轮与轴。
图2-3小齿轮图
图2-4大齿轮图
2.5蜗轮蜗杆设计
考虑到蜗杆传动功率挺小的，速度也快不起来，所以：
1）蜗杆选45钢；
2）为了提高效率和耐磨性，所以蜗轮蜗杆螺旋齿面要求淬火，其硬度为45-55HRC；
3）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。
2.5.1蜗轮蜗杆强度设计
按齿面接触疲劳强度进行设计：
设计，再校核齿根弯曲疲劳强度，由参考文献[1]，得传动中心距：
（2-9）
式中：
K为载荷系数
为蜗杆上的转矩
为弹性影响系数
为接触系数
为许用接触用力
确定式中各参数
1）计算蜗轮上的转矩
按，估取效率，则
那么为
2）载荷系数
由于工作载荷较为稳定，所以选取载荷分布不均匀系数，查参考文献[1]表11-5选取使用系数为，同时考虑到载荷系数不高，工作中对蜗轮蜗杆冲击不大，故选取动载荷系数则
3）弹性影响系数
因为本设计中蜗轮选用的材料为铸锡磷青铜来和材料为45钢的蜗杆相配，故选取。
4）接触系数
设计中先假设蜗杆分度圆直径和中心距a的比，查参考文献[1]图11-18中可得。
5）许用接触应力
本设计中蜗轮为，并且铸造用的是金属模，蜗杆的螺齿面硬度，可查参考中可以基本许用应力为。
应力循环次数
寿命系数
则
将以上参数代入式3-9中计算中心距
取中心距，因，查参考文献[1]表11-2本设计取模数为，设计中蜗杆分度圆直径为。
这时，查参考文献[1]图11-18中可以得到接触系数为，因为，所以以上的所有计算结果均符合要求。
2.5.2蜗杆与蜗轮的参数
（1）蜗杆
1）轴向齿距
查参考文献[1]表11-3得
2）查参考文献[1]表11-2可知直径系数，分度圆导程角，
3）查参考文献[1]表11-3得齿顶圆直径
4）查参考文献[1]表11-3得齿根圆直径
5）查参考文献[1]表11-3得蜗杆轴向齿厚
（2）蜗轮
1）查参考文献[1]表11-2可知蜗轮齿数，变位系数；
验证传动比
而设计中的传动比误差为，是允许的，符合设计要求。
2）查参考文献[1]表11-2可知蜗轮分度圆直径
3）查参考可知蜗轮齿顶高
4）查参考文献[1]表11-2可知蜗轮喉圆直径
5）查参考蜗轮齿根高
6）查参考文献[1]表11-2蜗轮齿根圆直径
7）蜗轮咽喉圆半径
2.6联轴器的选择
目前市面上常用的联轴器已经标准化了，在联轴器选择的过程中可以根据载荷的特点、工作条件和要求选择合适的类型。
然后根据传动的转矩及其它参数进行选择。
作用在联轴器上的转矩：
式中：
为联轴器公称转矩
P为驱动功率
n为工作转速
K为工作系数，取K=2
则：
再根据后面初步确定的轴1最小端直径：
考虑到联轴器连接的电机和轴1，在工作中或许有小小震动，并且电机启动频繁，所以选用弹性套柱销联轴器。
又由于联轴器应该满足转矩小于联轴器公称转矩的要求，再根据为：
2.7输入轴的设计
本设计中轴1材料采用45钢，调质处理，其结构如图2-5所示；
图2-5轴1
2.7.1轴上参数计算
（1）求输入轴上的，
设计中取轴承传动效率
联轴器传动效率
（2）计算作用于齿轮上的力
上面我们已经求出了小齿轮分度圆直径是40.5mm
轴上力情况分析如下图2-6所示；
图2-6轴1受力图
（3）求轴最小直径
因为设计选取轴是45钢，而且是调质处理，可知,于是得
用输入轴的最小直径端作为联轴器安装的地方，该段与联轴器相配,根据联轴器的型号故取。
从动端半联轴器L=22mm，为保证轴段的挡圈压有空间安放，VI-VII段的长度要取比L略小一点，故取。
因为VI-VII左端需制出一轴肩，故取V-VI段的直径
（4）轴的设计
1）本设计拟定轴1上零件的结构情况如图2-7所示；
2）本设计中轴承初步为滚动轴承。
考虑到轴承在工作中同时受到了径向力与轴向力的作用，所以设计中采用单列圆锥滚子轴承。
根据工作的需求，并且，查参考文献[2]表9-30初步选定圆锥滚子轴承30204。
其尺寸为
，所以，。
3）按照轴向定位来确定轴的各段参数
如图2-7所示为轴1的结构。
图2-7轴1分段
4）轴上周向定位
半联轴器、齿轮与轴三者的周向定位都是采用平键连接方式。
按由参考文献[1]表6-1得mm。
同时设计中为了确保齿轮与轴的配合有较好的对中性，故取齿轮与轴的配合为，同样在半联轴器与轴连接中，选取平键为，选取半联轴器与轴的配合为。
同时滚动轴承与轴的周向定位设计中采用
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