学位论文-—数控回转工作台设计.doc

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毕业设计(论文)

数控回转工作台设计
NC ROTARY TABLE DESIGN

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机电工程学院
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机械设计制造及其自动化
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徐州工程学院毕业设计(论文)

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I
徐州工程学院毕业设计(论文)
摘要
传统制造业的巨大变化来自于数控技术的广泛应用，这使制造业脱离了传统，成为工业化的象征。并且随着数控技术应用领域的扩大和不断发展，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着至关重要的作用，因为这些行业的数字化特征已是现代化发展的大趋势。分析当前世界上数控技术及其装备发展的趋势，其主要研究热点有：1、高速加工、高精加工技术及其装备的新趋势。2、复合加工机床和5轴联动加工的迅速发展。3、当代数控系统发展的主要趋势是智能化、开放式、网络化。4、重视建立新标准规范。
关键词 数控技术；智能化；复合加工机床；5轴联动加工机床

Abstract
The application of numerical technology has not only brought the revolutionary change to manufacturing industry of the tradition , make the manufacturing industry become the industrialized symbol, and with the constant development of numerical control technology and enlargement of the application , the development of some important trades (IT , automation , light industry , medical treatment , etc .) to the national economy and the peoples livelihood of his plays a more and more important role , because the digitization that these trades needed to equip has already been the main trend of modern development . Numerical control technology in the world at present and equiping the development trend to see , there is the following several respect in its main research focus .1.A high-speed , high finish machining technology and new trend equipped. 2. Link and process and compound to process the fast development of the lathe in 5 axes . 3.Become the main trend of systematic of contemporary numerical control intelligently , openly , networkedlily . 4. Pay attention to the new technical standard , normal setting-up .
Keywords : Numerical control technology intelligently compound to process 5 axle gear bed

目 录
摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 数控系统的发展 1
1.2 数控机床的发展 1
1.3 先进数控加工技术 3
1.3.1 直接数字控制系统 3
1.3.2 柔性制造系统 4
1.4数控技术在国民经济中的地位 8
2 数控回转工作台的原理及应用 10
2.1 数控回转工作台 10
2.2 设计准则 11
2.3 主要技术参数 11
3 数控回转工作台的设计 12
3.1 传动方案的选择 12
3.1.1 传动方案传动时应满足的要求 12
3.1.2 传动方案及其分析 12
3.2 电机的选择 13
3.2.1 步进电机的原理 13
3.2.2 步进电机的选择及运动参数的计算 14
3.3 齿轮传动的设计 15
3.3.1 选择齿轮传动的类型及材料 16
3.3.2 按齿面接触疲劳强度计算 16
3.3.3 按齿根弯曲强度计算 17
3.3.4几何尺寸计算 18
3.3.5 结构设计 18
3.4 涡轮、蜗杆的选择与校核 19
3.4.1选择蜗杆传动类型 19
3.4.2选择材料 19
3.4.3按齿面疲劳强度计算 20
3.4.4蜗杆与蜗轮的主要尺寸与参数 21
3.5 轴承的选择 21
3.5.1轴承受到的载荷 22
3.5.2验算轴承寿命 23
3.6 轴的校核与计算 23
3.6.1轴1的设计与校核 23
3.6.2轴2的校核与计算 27
3.7 齿轮上键的选择与校核 31
4 数控技术发展趋势 32
4.1 数控的技术特点 32
4.2 我国数控机床领域的现状 32
4.3 数控技术未来发展方向 33
4.4 智能数控系统技术进展 34
4.5 智能数控系统重要技术分析与预测 35
4.5.1智能数控系统技术概要： 35
4.5.2智能数控系统技术发展的突破点： 36
4.5.3智能数控系统技术在国外的发展及趋势： 36
4.5.4智能数控系统技术主要研究内容： 37
结论 38
致谢 39
参考文献 40

19
1 绪论
1.1 数控系统的发展
数控技术起源于美国，起因于军工发展的需要。随着计算机技术、微电子技术和集成电路技术的迅速发展，数控系统也在不断的发展。截止到目前数控系统已经经历了两个发展阶段，迎来了数控系统的第六代。
包括第一代电子管数控系统（1952-1959年）、第二代晶体管数控系统（1959-1965年）和第三代集成电路数控系统（1965-1970年）的NC数控系统是第一阶段数控系统。包括第四代（1970-1974年）、第五代（始于1974年）和第六代（始于20世纪末）数控系统的CNC数控系统是第二阶段数控系统。开创了计算机数控（CNC）时代的第四代数控系统采用了大规模集成电路及小型通用计算机，并促进了柔性制造系统（FMS）和计算机直接数控（Direct Numerical Control , DNC）的发展变化。采用半导体存储器芯片、数控专用电路以及通用或专用微处理器芯片构成数控装置的微型计算机数控系统是第五代数控系统，基本上是通过计算机软件来实现其它的数控功能。数控系统档次的升级根据计算机硬软件技术的发展，目前在线应用的系统基本上是属于这一代的产品。基于PC的数控系统的是第六代数控系统，它的特点是将所采用通用型的微型计算机系统作为数控系统的硬件基础。而且是在通用操作环境下开发并且运行的，数控功能的实现全部是通过软件。因此数控系统的第六代柔性更好，体积更小，操作的界面越来越适宜，成本更加低廉。
通过以往的资料介绍，从1966年的集成电路数控系统(NC)到1976年的微型计算机数控系统（CNC），系统功能在10年之内是原来的两倍，而体积却减小了19/20，就连价格也降为原来的1/4，极大的提高和巩固了可靠性。截止到目前，不断升级的数控系统第五代和更加完善和普及的数控系统第六代，在数控系统的功能和性能方面都得到了很大的提高，而且在体积和价格方面的下降幅度也在不断增大。
1.2 数控机床的发展
人类历史是一部始终“有所发现、有所发明、有所创造、有所前进”的发展史，数控机床的历史也如人类历史一样，在跨越了半个多世纪的发展进步之后，一直向更高、更快、更强的的境界发展。根据目前的发展动态，数控机床的发展趋势主要有以下几个方面。
（1）越来越高速化的数控技术。 向高速化方向发展的数控机床，充分地发挥了现代刀具材料的性能，不但大幅度提高了零件的表面加工质量和精度，而且还降低了加工成本、提高了加工效率，适应了制造业对低成本、优质、高效生产的需求。所以，在最近的几年中各国都竟相开发出新一代的高速的数控机床，加快了高速化机床的发展进程。目前高性能的数控和伺服系统、高速的主轴单元（电主轴，转速15,000-100,000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度达150m/min以上，加速度达2.5g以上，切削进给速度达100m/min以上）以及数控工具系统都出现了新的发现，并且都取得了意想不到的成果，提高了技术水平。在大功率高速主轴、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具、超高速切削机理、高加/减速度直线电动机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术得以解决的情况下，大量涌现了新一代高速数控机床，满足制造业快速发展的需要。
（2）越来越智能化的数控技术。 通过与快速发展的人工智能相融合的数控技术，使数控机床具备了以下的功能：自适应控制，自动编程，运动参数动态补偿，学习控制，前馈控制，工艺参数自动生成，模糊控制，三维刀具补偿，自动识别负载并自动优化调整参数等。并且具有非常友好的人机界面，同时具备了让系统功能更趋于完善的故障诊断专家系统和故障监控功能。随着越来越成熟的人工智能（包括专家系统、模糊系统、神经网络控制和自适应控制等）理论与技术，也使数控机床的智能化程度得到了极大的提高，目的在于更好地实现对人类智力的延伸。
(3)越来越网络化的数控技术。 数控机床网络化的重要意义主要体现在三个方面，首先是在企业之间，敏捷制造（AM）等先进制造模式更加需要数控机床的网络化功能，大大推动了企业间的合作与资源共享；其次是对数控机床制造商和用户，数控机床的网络化使制造商能够通过计算机网络为用户提供远程故障诊断、维修、技术咨询等服务；最后是在企业内部，具有网络功能的数控机床可充分实现企业内部资源和信息的共享，使企业底层生产控制系统的集成更加简便有效。因此，数控机床的网络化将极大地满足制造企业、制造系统、生产线对信息集成的需求，同时也是新的制造模式如、虚拟企业、敏捷制造的重要基础。
（4）越来越复合化的数控技术。 增加了数控机床的复合加工功能即为数控机床的复合化，并且进一步提高了工序的集中度，减少了多工序加工零件的上下料时间，避免了在不同机床上的零件进行的工序转换，从而增加了工序间等待和输送时间，降低了零件的生产周期，最终满足了敏捷生产的现代生产模式的需要。可用数控屋面加工龙门铣床（加工中心）来说明复合化数控机床的效益，它可以大大缩短零件的生产周期至工序分散的非数控机床的16%，并且能够使加工过程中的切削时间比率由17%增至70%，从而提高了机床的利用率，同时减少了由于多次安装零件引起的误差，便于保证加工精度。典型的复合化数控机床有5面加工与5轴联动数控机床。通常由于数控机床与主机、结构复杂、编程技术难度大等原因，制约了关于5面加工与5轴联动数控机床的发展。当前在电主轴出现的情况下，大为简化了5轴联动加工的复合主轴头结构，大幅度降低了其制造难度和成本，缩小了数控系统的价格差距，最终推动了复合加工机床（含5面加工机床）和复合主轴头类型的5轴联动机床的发展。
（5）越来越开放化的数控技术。 基于PC的CNC系统基础上发展起来的是具有开放式体系结构的数控系统，其对外开放的有硬件、软件和总线规范，并且可以大量采用通用微机的先进技术（如多媒体技术等），从而图形扫描自动编程、实现声控自动编程等功能。由于具有开放式体系结构的数控系统可供利用的软、硬件资源十分的充足，数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且极大的方便用户的二次开发，同时使用户能够将技术诀窍和特殊应用归结到控制系统之中，从而大大的推动了数控系统多品种、多档次的开发和应用。开放式的体系结构不仅可以通过升档或剪裁使之构成各种档次的数控系统，而且可以通过扩展从而构成不同类型的数控机床的数控系统，从而大大缩短了开发生产周期。开放化的体系结构使数控系统具有更加良好的通用性、柔性、适应性、扩展性，而且大大方便了数控系统向网络化、智能化方向发展。所以近几年许多国家都在纷纷研究开发这种系统，如美国的NGC、欧盟的OSACA、日本的OSEC和中国的ONC等。
（6）越来越精密化的数控技术。 为了适应高新技术发展的需要，同时也是为了达到改善普通机电产品的质量、性能和可靠性的目的，满足减少其装配时的工作量从而达到提高装配效率的目的，数控机床的精密化越来越高。随着最近几年高新技术的发展以及机电产品性能与质量要求的提高，数控机床用户对加工精度的要求也随着提高。在满足精密和超精密的需要的方面，世界上的各个工业强国都在努力发展高精度的数控机床。在最近的10多年来，普通级数控机床的加工精度已由+10um提高到+5um，精密级数控机床的加工精度则从+3～5um提高到+1～1.5um，超精密数控机床加工精度已开始进入纳米级（0.01um）。
1.3 先进数控加工技术
1.3.1 直接数字控制系统
直接数字控制（Direct Numerical Control）又称为分布式数字控制（DNC），其研究始于20世纪60年代。它指的是用一台通用计算机直接控制和管理若干台数控机床进行零件或装配的系统，所以又称为计算机群控，如图1.1所示。当时的研究目的主要是为了解决早期数控设备成本高等问题。70年代以后，DNC已经由简单的直接数字控制发展为分布式数字控制。分布式数控既具有直接数字控制的所有功能，也具有系统控制、系统信息收集及系统状态监视等功能。相对群控而言，它的最大的优点在于DNC中的各数控机床都能够自治。此时，如果主控计算机出现故障，系统中的各数控机床仍然是可以继续工作的。在80年代之后，CIMS技术、计算机技术和通信技术的迅猛发展，扩大了DNC的内涵和功能，并且开始注重车间的加工操作、生产计划和技术准备等基本作业的车间的集成信息，并进行集中监控与分散控制，而且通过局域网把生产任务分配给各个加工单元，同时相互交换信息，最终可以与整个工厂的计算机联成网络，形成一个较大的、较完整的制造系统。

图1.1直接数字控制系统
DNC的基本功能是传送NC程序。随着DNC技术的发展，现代DNC还具有制造数据传送（NC程序上传、NC程序校对文件下传、刀具指令下传、托盘零点值下传、机器人程序下传、工作站操作指令下传等）、状态数据采集（机床状态、刀具信息和托盘信息等）、刀具管理、上传调度、生产监控、单元控制和CAD/CAPP/CAM接口等功能。
目前，DNC技术的发展方向主要表现在DNC与CIMS的集成、DNC系统的模块化与商品化、基于现场总线与计算机局域网的DNC产品开发，以及DNC产品与数控系统的配套开发和生产等方面。
1.3.2 柔性制造系统
1.柔性制造单元
柔性制造单元（FMS）是以中心控制计算机和加工中心为主体，再配上托盘自动交换装置或工业机器人、刀具和工件的自动检测装置、加工过程监控装置等组成的自动检测加工系统。由于工件一次装夹后可在柔性制造单元中的加工中心上加工，因此比加工中心具有更高的制造柔性、加工精度和生产效率。
图1.2所示为北京精密机床厂生产的FMC-1型柔性制造单元。它由卧式加工中心、环形交换工作台、托盘及托盘交换装置组成。在加工过程中，工件装夹在托盘上，类似通常的随行夹具与工件一起流动。用于工件的输送与中间存储是环形工作台，由内侧的环链拖动在环形导轨上回转的是托盘座，并且每个托盘座上都有地址识别码。当一个工件完成加工之后，数控机床发出完结信号，通过托盘交换装置将加工完的工件（包括托盘）拖到回转台的空位处，然后转到装卸工位，同时将待加工工件推至机床工作台并定位加工。

图1.2 FMC-1型柔性制造系统
1-环形交换工作台 2-托盘座 3-托盘 4-加工中心机床 5-托盘交换装置
在车削FMC中一般不使用托盘交换工件，而是直接由机械手将工件安装在卡盘中，装卸料由机械手或机器人实现。
FMC是在加工中心（MC）、车削中心（TC）的基础上发展起来的，它可以作为独立运行的生产设备进行自动加工，也可以作为FMS的加工模块。FMC具有规模小，成本低（相对FMS），占地面积小，便于扩展等优点，它可在单元计算机的控制下，配以简单的物料传送装置，扩展成小型的柔性制造系统，特别适用于中、小型企业。
2.柔性制造系统
柔性制造系统（FMS）由一组数控机床组成，它能随机地加工一组具有不同加工顺序及加工循环零件，实行自动运送材料及计算机控制，以便动态地平衡资源的供应，从而使系统自动地适应零件生产混合的变化及生产量的变化。一般认为，柔性制造系统由加工系统、物料储运系统和信息控制系统组成。图1.3所示为一柔性制造系统结构框图。

1-3 柔性制造系统结构框图
（1） 加工系统。加工系统又称为加工单元或制造单元，它由自动化设备、检验站、清洗站、装配站等组成，是FMS的基本制造单元。加工系统中的自动化加工设备通常由5～10台CNC机床、加工中心及其附属设备（如工件装卸系统、冷却系统、切屑处理系统和刀具交换系统等）组成。
（2） 物料储运系统。物料储运系统在计算机控制下主要实现工件、刀具和夹具的输送及入库存放，它由自动化仓库。中央刀具库、自动输送小车、输送带及搬运机器人等组成。在FMS中，工件一般通过专用夹具安装爱托盘上，工件输送时连同整个托盘一起由自动输送小车进行输送。刀具输送是利用利用机器人实现刀具进出系统以及系统中央倒库和各加工设备刀库之间的刀具输送。
（3） 信息系统。信息系统由主计算机、分级计算机及其接口、外围设备和各种控制装置硬件和软件组成。它接收来自主计算机的指令并对整个FMS实行监控，实现单元层对上级及下层的内部通信传递，对每一个标准的数控机床或制造单元的加工实行控制，对夹具及刀具等实行集中管理和控制，协调各控制装置之间的动作，从而实现各系统之间的信息联系，确保系统的正常工作。对一个复杂系统，只有通过计算机分级管理才能对系统进行卓有成效的管理，保证在工作时，各部分协调一致。
柔性制造系统不仅节省了上料、下料与调整时间，而且系统只需要最低限度的操作人员，并能实现夜班无人作业，操作人员只负责启停系统和装卸工作，特别是柔性制造系统中的各工作单元以及整个系统均由计算机控制。因此具有很高柔性，非常适合于多产品中小批量的零件生产。
3.计算机集成制造系统
计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）的概念是由美国的约瑟夫.哈林顿（J.Harrington）博士于1973年提出来的。基于CIM理论和技术构成的具体实现便是计算机集成制造系统（CIMS）。CIMS是在计算机技术、信息技术、制动化技术、制造技术和现代管理科学的基础上，将制造工厂的全部生产和经营活动-设计、制造及经营管理（包括市场调研生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营）等与整个生产过程有关的各种分布的制动化子系统，通过新的生产管理模式、工艺理论和计算机网络有机的集成起来，构成一个优化的完整的全面自动化生产系统，从而获得更高的整体效益，缩短产品开发制作周期。提高产品质量，提高生产率。它是工厂自动化的发展方向，未来制造工厂的模式。
CIMS包括制造工厂的生车和经营的全部活动，应具有经营管理，工程设计和加工制造等主要功能。一般CIMS通常又管理信息分系统、设计自动化系统、制造制动化分系统、质量保证分系统、计算机网络分系统和数据分系统六个部分组成，即CIMS由四个功能分系统和两个支撑系统组成，图1-4所示为CIMS的构成框图。

图1-4 CIMS的构成框图
（1） 管理信息分系统。主要包括市场预算、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售及售后跟踪服务、成本核算、人力资源管理等，通过信息的集成，达到缩短产品生产周期、减少占用的流动资金、提高企业的应变能力。
（2） 工程设计自动化分系统。采用计算机辅助进行产品设计、工艺设计、制造准备及产品性能测试等阶段的工作，即CAD/CAPP/CAM系统，目的是使产品开发活动更高效、更优质、自动地进行。
（3） 制造自动化分系统。主要包括零件的数控加工、生产调度、刀具管理、装配、物料储运等，涉及加工制造的各个环节，以及系统与设备间的信息管理和物流管理。它是CIMS中信息流和物流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的关键所在。
（4） 质量保证分系统。它是由质量检测、质量评价、质量决策与数据采集、控制与跟踪等功能。该系统保证整个过程包括从产品设计、制造、检测到售后服务的的质量，最终实现了产品的低成本、高质量，提高企业竞争力。
（5） 计算机网络分系统。它是连接CIMS各功能分系统的计算机通信网络系统，采用国际标准和工业标准规定的网络协议，实现各分系统间信息与数据的通信与交换。
（6） 数据库分系统。它是支持CIMS各分系统，覆盖企业全部信息的数据库系统。各类数据库可在分布式数据库管理系统的控制盒管理下进行调用和存取，通过该系统可以实现企业数据共享和信息集成。
1.4数控技术在国民经济中的地位
当今世界上的所有产品，哪个不是由机床直接或间接所制造的机器或工具机械所制造的，所有把机床称为工作母机，当今制造业的现代化程度完全取决于它的现代化程度，而数控机床又是机床的现代化程度的集中体现，工厂自动化的基础也是数控机床，数控机床的关键是数控技术。
现代数控技术综合了计算机技术、传感检测技术、成组技术与现代控制技术、信息处理技术、光机电技术传统的机械制造技术、液压气动技术、网络通讯技术等等，是现代制造技术的基石，它的应用和发展，打开了制造业的一个新时代，使世界制造业的格局发生了翻天覆地的变化。
数控技术能够提高产品质量、提高劳动生产率，同时深刻影响了机械制造业生产方式、产业结构、管理方式。更加难以估计的是它的关联效益和辐射能力；数控技术实现了制造业生产的集成化、自动化、柔性化，比如现代的CAD/CAM、CIMS、FMS等，这些都是以在数控技术为基础，一旦脱离了数控技术，先进制造技术就成了无源之水；同时数控技术也深刻影响着国防现代化，国外对高级型数控机床的控制以及举世瞩目的“东芝事件”充分反映了数控机床在国防现代化方面所起的无与伦比的作用；国际技术和商业贸易的重要构成是数控技术，数控机床在工业发达国家是具有高利润、高技术附加值的出口产品，并且世界贸易额每年都在增加。
因此，体现国家综合国力水平和影响到国家战略地位的数控技术，它的水平高低是决定了一个国家制造业现代化程度高低，同时现代制造业的发展焦点已经聚焦到加工机床与生产的数控化的实现上。
因此，制造业水平的提高已是各工业发达国家数控技术水平提高的重中之重，争相发展各个国家自己的数控产业。因为高度发展的数控技术使得日本的制造业迅速崛起，如果美国要重夺其霸主地位，欧洲要脱离其禁锢的欧盟，适应市场竞争的需求，那么日本、美国和欧洲等国家竞争的焦点将是现代制造技术中的核心数控技术。某种程度体现了政府意志的数控产业的发展并不完全是企业行为，政府的支持决定了其发展快慢。因此，日本、美国、意大利、西班牙、印度等国，都采用了一些扶持本国数控产业发展的政策措施。发展数控技术的重要性已不言而喻，我国政府正积极采取各种有效措施大力发展中国的数控产业，把发展数控技术作为振兴机械工业的重中之重。

2 数控回转工作台的原理及应用
数控机床的圆周寄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范围。
2.1 数控回转工作台
数控回转工作台其外形和通用工作台几乎一样，它主要用于数控铣床和镗床，它的驱动方式是伺服系统的驱动。它可以与其他的伺服系统进给轴联动控制。下图为自动换刀的数控镗床回转工作台。既定的指令控制着它的分度转位、定位锁紧和进给。工作台的运动是现经过伺服电动机驱动，然后再经齿轮减速，最后由蜗杆传给蜗轮。

采用双螺距渐厚蜗杆的目的在于可以消除蜗杆副之间的传动间隙，调整间隙是通过移动蜗杆之间的轴向位置来调整的。这种蜗杆的特点是左右两侧面具有不同的螺距，所以蜗杆的齿厚是依次增厚的。可是因为同一侧的螺距是一样的，所以一样可以保持正常的啮合情况。
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，并由深沟球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，当它作回转运动时，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。
2.2 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
2.3 主要技术参数
1.回转半径：500 mm
2.重复定位精度：0.005 mm
3.电液脉冲马达功率0.75kw
4.电液脉冲马达转速3000 rpm
5.总传动比：72.5
6.最大承载重量100㎏

3 数控回转工作台的设计
3.1 传动方案的选择
3.1.1 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。
3.1.2 传动方案及其分析
由图3-1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3-1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。
3.2 电机的选择
3.2.1 步进电机的原理
能将数字化的输入脉冲转换成具有旋转或直线增量运动功能的电磁执行元件是步进电机。每次输入的一个脉冲，电机转轴就会步进一个步距角增量。同时电机总的回转角与输入脉冲数成正比，与之相对应的转速取决于输入的脉冲频率大小。 
步进电机是机械电子一体化产品中最为关键的部件之一，一般应用于定速控制和定位控制方面。步进电机具有没有累积误差、定位精度较高、惯量较低、控制极为简单等特点。一般广泛在机械电子一体化产品中应用，如：包装的机械、一系列的数控机床、复印机、传真机以及计算机外围设备等。 
在步进电机的选择方面，开始要保证步进电机的输出功率必须大于负载所需要的功率。同时在功率步进电机选用方面，开始的时候要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性一定要符合机械负载的要求并具有一定的余量用来保证它的可靠运行。实际上，不同的频率下的负载力矩一定要在矩频特性曲线的范围内。通常电机的最大静力矩愈大，负载力矩就愈大。 
在步进电机的选择方面，步距角和机械系统应当要匹配，这样机床所需的脉冲当量就可以获得。为了在机械传动过程中获得更加小的脉冲当量，首先丝杆的导程可以适当改变，其次也可以在步进电机的细分驱动下完成所需的要求。可是一般细分只能使其分辨率发生变化，不能够改变它的精度。因为电机的固有特性决定着电机的精度。 
在功率步进电机的选择方面，实际上应该大约算出机床要求的启动频率以及机械的负载惯量，使之能够在与步进电机的惯性频率特性相匹配的同时还拥有一定的计算余量，使机床快速移动的频率小于高速连续工作的频率
优点：
直接利用数字量进行控制；
传动惯量小，启动，停止方便；
成本低；
无误差积累；
定位准确；
低频率特性比较好；
调速范围较宽
3.2.2 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；二是控制比较方便快捷。步进电机的单位是一步，比较明显的数字特征极大地方便了计算机控制。同时，步进电机能够拥有这么广阔的使用市场还需要计算机的适时出现；三是较为简单的整机结构。由于传统的机械控制比较复杂，在调整方面有一定的难度，然而通过步进电机，简单紧凑的整体结构才得以实现。所以选择步进电机的计算如下：
1.电机的选择
按照工作要求和条件选两相混合式步进电机
2.功率
工作所需功率为：

式中T=150N.M，nw=36r/min,电机工作效率，

电机所需的输出功率为：

式中：为电机至工作台主动轴之间的总效率。齿轮： 轴承：
蜗杆; 。因此

一般电机的额定功率

则取电机额定功率为：Pm=0.75 KW。
3.确定电机转速
查表得齿轮传动比：3-5，
蜗杆传动比：15-32，
则总的传动范围为：

电机转速的范围为

为降低电机的重量和价格，选取常用两相混合式步进电机11BYG250D-0502，其各项指标如表3-1所示:
表3-1 11BYG250D-0502步进电机指标

4.利用步距角检验
主要技术参数中，回转精度：0．03°。可得步距角为：

计算的值与11BYG250D-0502步进电机的步距角相吻合。11BYG250D-0502步进电机满足条件。
3.3 齿轮传动的设计
如图3-2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3-2 一级齿轮传动
3.3.1 选择齿轮传动的类型及材料
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Z=24，大齿轮齿数取Z=72
3.3.2 按齿面接触疲劳强度计算

(1) 确定公式内的计算数值
①确定弹性影响系数
选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配。
②选择载荷系数
③计算小齿轮传递的转矩

④查表可知齿宽系数
⑤根据齿面硬度来查得的小齿轮的接触疲劳强度极限；
和大齿轮的接触疲劳强度
⑥查表取接触疲劳寿命系数
⑦计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1%，安全系数S=1，得

（2）计算
①计算小齿轮的分度圆直径

②计算齿宽b

③计算齿宽与齿高之比

④计算小齿轮的载荷系数
根据，7级精度，查表得动载荷系数;
直齿轮;
查表得使用系数;
用插值法查的7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，,
由、,查表得;故载荷系数
⑤实际的载荷系数校正所得的分度圆直径

3.3.3 按齿根弯曲强度计算