马立波数控回转工作台的设计说明书改.doc

数控回转工作台设计NC rotary table design 总 计 毕业设计（论文） 42 页 表 格 5 个 插 图 10 张 目 录摘要1关键词2第一章 绪论31.1 概述31.2 数控回转工作台的发展及展望31.3 数控回转工作台的原理41.4 设计规定及重要参数6 1.4.1 设计准则6 1.4.2 本次设计中的一些重要参数6第二章 数控回转工作台的结构设计72.1 设计工作台的基本规定 72.2 数控回转工作台传动方案的选择 72.3 电机的选择 8 2.3.1 选择伺服电机的注意事项 9 2.3.2 电机的参数计算 92.4 齿轮的设计11 2.4.1 齿轮材料拟定112.4.2 齿轮强度计算112.4.3 齿轮尺寸计算152.4.4 齿轮结构设计162.5 蜗轮蜗杆设计182.5.1 蜗轮蜗杆强度设计182.5.2 蜗杆与蜗轮的参数202.6 蜗杆轴的设计212.6.1 轴参数设计212.6.2 轴强度的校核252.7 定心轴的设计252.7.1 轴上参数计算252.7.2 轴结构设计292.8加紧机构的计算 292.9 轴承的选择31第三章 箱体参数设计 333.1重要零件的质量333.2工作台结构尺寸33第四章 数控技术发展趋势 344.1 性能发展方向354.2 功能发展方向364.3 体系结构的发展374.4 智能化新一代PCNC数控系统38第五章 总结 39参考文献40附录41致谢42摘要数控机床在机械行业中扮演的角色越来越重要。德国各先进公司均采用加工中心。速度、精度和效率是本设计中的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测，元件的交流数字伺服系统，同时采用了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。 本设计中的数控机床采用闭环控制系统，由一组齿轮组和一组涡轮蜗杆为伺服电机减速，带动工作台转动，回转精度的控制重要由固定在定心轴下的光栅反馈到伺服装置完毕。锁紧装置采用8组加紧液压缸、加紧瓦进行锁紧。本次重要设计方向是数控机床中的数控回转工作台，本人对重要的零件进行了结构功能设计、选型计算以及强度校核。装配图、零件图运用Auto CAD 软件绘制。 关键词：数控回转工作台：齿轮传动：蜗杆传动：间隙消除：蜗轮加紧 ABSTRACTNumerical control there is in the future lathe to in will develop, the middle-grade to adopt popular numerical control knife rest form a complete set, adopt the motive force type knife rest top-grandly, have such varieties as knife rest of hydraulic pressure, servo knife rest, vertical knife rest, etc. concurrently, it is estimated that it will increase to numerical control knife rest demand greatly in recent years. The development trend of the Numerical control rotary table is: With the development of numerical control lathe, numerical control knife rest begin to change one hundred sheets , electric liquid is it urge and urge direction develop while being servo to make up fast. Some originally design and is it continue electricity to use to four worker location vertical electronic machinery of knife rest mainly- exposed to control system control some designs. And use AUTOCAD to pursue to the above part, have a more ocular knowledge of electronic knife rest. The last proposition has put forward the suggestion and measure to Numerical control rotary table.KeyWords： Numerical control rotary table；Gear drive；Worm drive；Gap elimination； The worm gear steps up.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。设计中回转精度是重要的参考对象。现在技术越来越先进，社会对回转工作台的规定也是很大。回转工作台分类也许会有很多，但是一般是可以分为两种，它们是数控回转工作台，尚有就是分度台。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也许有点相似。它们最重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互相对比，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但是了。特别是国内的数控系统，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。作为机床的重要组成部分，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重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重要还是朝着以更强的以钢为材料的蜗轮，这样可以很大限度的增长工作台转动的速度，增长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、加工中心尚有就是数控镗床了。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如何的不同，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。如图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图1-1 闭环内部结构1- 伺服电机；2-积极齿轮；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； 这种工作台是由1 电机作为动力元件的，然后2、4 齿轮为电动机减速所用。然后齿轮带动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 就能达成消除齿轮2、4 之间的啮合侧隙的目的了。其中间采用楔形拉紧圆柱销5将蜗杆9、齿轮4 连接。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互相比较。假如其中存在偏差，那么将偏差放大，然后由控制电机使其朝着减少偏差的方位回转，从而使工作台达成精拟定位的目的，设计中对于台面的锁紧通过均匀分布的小油缸14 达成目的。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，从而使蜗轮处在夹紧状态。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保证对的的回转中心的位置。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 设计规定及重要参数1.4.1 设计准则将严格按照以下设计准则来完毕本次设计：1） 发明性的运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） 发明有利的载荷条件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减少成本的规定1.4.2 本次设计中的一些重要参数（1）工作台直径：500 mm（2）最小分度单位：0.001（3）工作台最高转速200r/min第二章 数控回转工作台的结构设计2.1 设计工作台的基本规定 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，尚有工作台。其中的传动装置重要是在其中传递运动，让工作台运转。 合理的传动方案重要满足以下规定： （1）机械的功能规定：应满足工作台的功率、转速和运动形式的规定。 （2）工作条件的规定：例如工作环境、场地、工作制度等。 （3）工作性能规定：保证工作可靠、传动效率高等。 （4）结构工艺性规定；如结构简朴、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具体的分析，为了设计的产品达成预期的规定我们拟定传动方案为：电机带动齿轮传动带动蜗杆蜗轮工作台的方案。如下图是本次设计的工作台传动方案简图： 图2-1 传动方案传动方案分析： 一方面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成很高的。要是和一般的传动装置比的话，在传动比假如是同样的情况下，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，假如蜗杆是积极件，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，按照工作规定和条件选交流伺服电机。 重要优点有：1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养规定低。2）定子绕组散热比较方便。3）惯量小，易于提高系统的快速性。4）适应于高速大力矩工作状态。5）同功率下有较小的体积和重量2.3.1 选择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。在保证功率满足规定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电机的矩频特性曲线之内，只有这要才干保证工作台运转的可靠性。3）所选的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1）电机功率的计算回转台工作的功率的算法：回转台工作的功率的算法： Pw=FwVw/1000w KW （2.1） Pw=Tnw/9950w KW （2.2） 式中T=150NM, nw=36r/min,电机工作效率w=0.97，代入上式得 Pw=15036/（99500.97）=0.56 KW （2.3）电机所需的输出功率为：P0= Pw/式中：为电机至工作台积极轴之间的总效率。查书得：齿轮传动的效率为w=0.97；一对滚动轴承的效率为w=0.99；蜗杆传动的效率为w=0.82。因此，=1233=0.970.9930.8=0.75 （2.4）P0= Pw/=0.56/0.75=0.747 KW （2.5）一般电机的额定功率Pm=(11.3)P0=(11.3)0.747=0.7470.97KW （2.6） 则取电机额定功率为：Pm=0.75 KW。 拟定电机转速。查参考文献10表2.5 如图表2-1推荐的各种机构传动范围为，取：齿轮传动比：4-6，蜗杆传动比：10-40 表2-1各种机构传动范围 圆柱齿轮传动 1）开式 2）单机减速器 3）单级外啮合新行星减速器84-6 3-9 圆锥齿轮传动 1）开式 2）单级减速53 蜗杆传动 1）开式 2）单级减速 15-60 10-40 则总的传动范围为：i=i1i2=410-640=32240 （2.7） 拟定电机转速 N= inw=(40240)36=1440-8640 r/min （2.8） 2）传动转矩 Tmax=9550000Po/Tmin=95500000.75/1440=4.9NM （2.9） Tmin=9550000Po/Tmax=95500000.75/8640=0.8NM （2.10） 根据上述所计算数据 可选取三菱公司的HF-SP51B型伺服电机，符合规定 2.4 齿轮的设计2.4.1 齿轮材料拟定 根据GB/T100851988 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。其中为小齿轮，为大齿轮。 同时考虑到齿轮传动规定的效率可以小点没关系，对速度也没规定，所以齿轮传动杆选用45 号钢。考虑到效率提高，以及各齿面的损耗，规定齿轮面的硬度为45-55HRC。齿轮材料如下： 1）齿轮7 级精度； 2）小齿轮用40Gr（调质解决）， 硬度为280HBS,采用实心式；3）大齿轮用45 钢，调质解决， 采用腹板式； 4）选用传动比为i=3，其中取小齿轮齿 数为Z1=20，那么大齿轮齿数为 Z2=iZ =60 图2-22.4.2 齿轮强度计算 1、按齿面接触疲劳强度设计= = （2.11） 式中： 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 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： （2.12） 3）查参考文献1表10-7，取齿宽系数为=1 4）查参考文献1表10-6 可得齿轮材料的弹性影响系数=671 5）查参考文献1 图10-21 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= 式中：n1为小齿轮转速其大小等于电机的转速，其余均为已知，固： =2984.8r/min （2.13） 7) 查参考文献1图10-19 本设计取接触疲劳寿命系数为KHN1 =0.90 ， KHN2 =0.95 8) 计算接触许用应力 本设计选取失效概率1%，安全系数s=1，则 1 = （2.14） 2 （2.15） 取较小者 则=522.5Mpa 将计算出来的各数值带入式中小齿轮的分度圆直径d1t 求得 2.计算各参数 1）周转速度v （2.16） 2）齿宽b计算 （2.17） 3）齿宽与齿高比b/h 模数 mm （2.18）齿高 mm （2.19） 齿高比b/h=32.88/3.38=8.9 （2.20）4）载荷系数计算根据v =6.63m / s，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10-2得本设计使用系数KA=1；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， KH=1.415。由b/h=8.9 ， ，查参考文献1图10-13 得 ； 故载荷系数： （2.21） 5)校正分度圆直径，由参考文献1式10-10得 （2.22） 6)模数m （2.23） 3.按齿根的弯曲强度计算查得参考文献1式 10-5 知道计算弯曲强度的公式如下: （2.24） (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500MPa； 大齿轮的弯曲疲劳强度极限为380MPa2）查参考文献1图10-18 取 小齿轮的弯曲疲劳寿命系数为 KFN1=0.85 ； 大齿轮的弯曲疲劳寿命系数为 KFN2=0.88=3）计算弯曲疲劳许用应力 设计采用弯曲疲劳安全系数S=1.4 ,查参考文献1式10-12 得： （2.25） （2.26） 4)载荷系数k （2.27）5)查参考文献1表10-5 得到齿形系数 小齿轮:YF1=2.8 大齿轮： YF2=2.286)查参考文献1表10-5 得应力校正系数 小齿轮Ys1=1.55 大齿轮： Ys2=1.736) 求= （2.28） （2.29）将所求的参数代上式中得： （2.30）（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m =1.29 ,并我们就就近用m =1.5mm ,分度圆直径使用d1=32.23mm。 通过这知道小齿轮齿数：Z1=d1/m=22 即小齿轮齿数为： 22 大齿轮齿数： Z2=i*Z1=66 即大齿轮齿数为： 66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） 齿轮宽度计算 本设计中取 B1 =25mm， B2 =20mm4） 齿顶高 5）齿跟高 6） 齿全高 7）齿顶圆直径 8） 齿根圆直径 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。大齿轮采用实心齿轮，小齿轮采用腹板式齿轮，采用单键连接齿轮与轴。第公差组为8级。 图2-3 小齿轮图图2-4 大齿轮图2.5 蜗轮蜗杆设计查GB/T10085-1988，本次设计还是选渐开线式ZI ，传动比为i =20。在材料 的选取上，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规定淬火，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：按照闭式蜗杆传动的设计准则规定，设计时应先按齿面接触疲劳强度来进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度，由参考文献1，得传动中心距： （2.31） 式中 为载荷系数 为蜗杆上的转矩 为弹性影响系数为接触系数 为许用接触用力拟定式中各参数 1）计算蜗轮上的转矩T2 按 Z1=2，估取效率，则 那么 T2 为 （2.32） 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 KA =1.15，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 ZE 由于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d1和中心距a 的比d1/a=0.35，查参考文献1图11-18 中可得 = 5）许用接触应力 s本设计中蜗轮为 铸锡磷青铜ZcuSnP1，并且铸造用的是金属模，蜗杆的螺齿面硬度45HRC，可查参考文献1表11-7中可以基本许用应力为。应力循环次数寿命系数 则 将以上参数代入式中计算中心距 （2.33）取中心距a=100mm，因i=20，查参考文献1表11-2本设计取模数为m=4，设计中蜗杆分度圆直径为d1=40mm。这时d1/a=40/100=0.4，查参考文献1图11-18 中可以得到接触系数为，由于，所以以上的所有计算结果均符合规定。 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q=10，分度圆导程角214805”，3）齿顶圆直径 4） 齿根圆直径 5） 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 Z2=41，变位系数 x2=0.5；验证传动比 i=Z2/Z1=41/2=20.5而设计中的传动比误差为 20.5 -20/20= 2.5%，是允许的，符合设计规定。2)蜗轮分度圆直径 3)蜗轮齿顶高 4)蜗轮喉圆直径 5） 蜗轮齿根高 6) 蜗轮齿根圆直径 7） 蜗轮咽喉圆半径 2.6 蜗杆轴的设计 本设计中蜗轮轴是45 钢，调质解决。2.6.1 轴参数设计 1.蜗杆轴上P3 、n3和T3的计算 联轴器 齿轮 2.齿轮上力计算大齿轮分度圆直径已经在齿轮的设计中算出为d2 =121.5mm （2.34）而 （2.35） 3.计算轴最小直径。查参考文献1式15-2，查参考文献1表15-3，选取 A0 =112，则 取 由此取轴两端的直径是33mm 4.轴的结构轴结构如下图2-10 所示。由于轴承同时受到了径向力和轴向力，所以设计中选用单列圆锥滚子轴承。根据规定并由于 dI -II =30 mm，所以选用单列圆锥滚子轴承30206，其尺寸为d x D x T=30mm x 62mm x 17.25mm。图2-5蜗杆轴结构 （1）计算各轴长 1）设计满足最小轴规定 d1 -2=30mm - = d2- 3= 32mm - = d12- 13= 30mm - = l8- 9=30mm - = l1- 2= 63mm - = l2- 3=30mm - = 2）设计保证大齿轮合理装配d11- 12= 30mmd11- 12= 32mml11-1 2= 32mm l10- 11= 12mm 3)设计保证蜗杆安装l3- 4=72mm - = d3-4 = 40mm - = d4- 5=40mm - = l4- 5=25mm 4）结合与涡轮的配合设计 l1-12 =270mm - = l6-7= 82mm - = l7-8= 10mm - = d6-7=40mm - = （2）涡轮轴各端倒角为1.545o，其轴肩的各圆角的半径为R2 = 图2-6轴1力图 对涡轮轴受力分析，如图2-6 为涡轮轴的受力分析图； T=0 = 可以从图中明显得知截面A才是危险的。下表2-2为截面A处的 MH MV 及M的值： 表2-2 涡轮轴截面强度计算轴载荷水平面H垂直面V支反力力F FNH1=995.8N FNH2=736.8NFNV1=55.73N FNV2=234.17N轴上弯矩M MH=124298.6Nmmq MV=39504.48Nmm轴总弯矩轴上扭矩TT=50643Nmm2.6.2 轴强度的校核设计中在对涡轮轴校核时，一般只需校核涡轮轴受到最大扭矩、弯矩截面的强度，即截面A。参考文献1式15-5 和上述表中的参数，再加上轴是单向旋转的，涡轮轴的扭矩切应力就是脉动循环变应力，选=0.6。那么计算轴的应力： （2.36） 设计中已经选定心轴是45 钢，调质解决。查参考文献1 表51-1 可以知道，明显满足的条件，所以是安全。2.7 定心轴的设计本设计中轴1 材料采用45 钢，调质解决2.7.1 轴上参数计算（1） 求定心轴上的 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2-7 所示图2-7轴2受力图（3）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