1、I摘 要本次毕业设计的题目是数控回转工作台设计。通过对数控回转工作台的设计，使大学生在步入社会之前，不仅能够设计出数控回转工作台，而且能够掌握机械设计的方法和步骤。本课题研究的主要内容包括：确定数控回转工作台的传动方案；零件设计相关计算与校核；零件图及装配图的绘制等。对于数控回转工作台的设计，首先，进行总体方案设计，传动方案采用齿轮传动和蜗杆传动；然后进行各零件的设计与校核，蜗杆与轴采用整体式结构；蜗轮与工作台采用螺钉连接；工作台的平衡通过止推轴承来保证；箱体由箱座、箱盖和顶盖组成；最后，对各零件进行装配。数控机床的圆周进给由回转工作台完成，回转工作台可以与 X、Y 、Z 三个坐标轴联动，从而
2、加工出各种球、圆弧曲面等。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。目前，数控回转工作台主要用于卧式的镗铣床和加工中心上。关键词：数控回转工作台,齿轮,蜗杆,箱体IIAbstractThe graduation project is the subject of design of CNC rotary worktable. With the NC rotary table design, making the students not only to design a CNC rotary worktable, but be able to master the mechan
3、ical design of the methods and procedures before they entered the community. The main content of this research include: determining the transmission scheme of CNC rotary worktable; part design and verification; part drawing and assembly drawing drawing, and so on.the design of NC rotary worktable, f
4、irst of all, is the overall design, transmission scheme using a gear drive and worm drive; and then proceed to the design and checking of all parts, worm and shaft with the overall structure; worm gear screw connection with the table; the workbench balanced by the thrust bearing to ensure; box by bo
5、x seat, cover and top cover, of which the box on the design of the round table and strengthen the tendons; finally, the assembly of various partsThe circumference feed of the CNC machine tool to be completed by the rotary table, the rotary table can be used with the X, Y, and Z three axes linkage, t
6、hereby processing a variety of balls, the circular surface, and so on. The rotary table can achieve accurate automatic indexing, expanded CNC machining range. At present, the NC rotary table is mainly used for horizontal boring and milling machine and machining center.Keywords: NC rotary worktable,
7、gear, worm, boxIII目 录插图清单 .V插表清单 .V第一章 前言 .11.1 本课题的学术背景及理论与实际意义 .11.1.1 研究现状 .11.1.2 发展趋势 .21.1.3 数控转台的市场分析 .31.2 数控系统发展简史 .31.3 数控未来发展的趋势 .51.4 微观看改造的必要性 .51.5 数控化改造的优缺点 .61.6 数控回转工作台的功能 .61.7 数控回转工作台的分类 .71.8 数控回转工作台的工作原理 .71.9 数控回转工作台的组成 .81.10 本课题研究的内容 .81.11 设计准则 .91.12 主要设计参数 .9第二章 方案比较与选择 .1
8、02.1 传动方案的选择 .102.1.1 传动方案传动适应满足的要求 .102.1.2 传动方式特点 .102.1.3 传动方案及其分析 .112.1.4 传动方案的选择 .122.2 原动机的选择 .122.2.1 步进电动机 .122.2.2 伺服电机 .142.2.3 电液脉冲马达 .152.2.4 原动机选择 .162.3 回转台的选择 .162.4 机械部分的设计 .18第三章 零件的设计分析计算 .19IV3.1 工作台箱体设计 .193.2 传动比的确定 .213.3 电液脉冲马达的选择及运动参数的计算 .223.3.1 电液脉冲马达电机的选择 .223.3.2 选择电液脉冲马
9、达的额定功率 .223.4 齿轮传动的设计 .233.4.1 选择齿轮传动的类型与材料 .233.4.2 按齿面接触疲劳强度设计 .233.4.3 按齿根弯曲强度设计 .253.4.4 几何尺寸计算 .273.4.5 结构设计 .283.5 蜗轮及蜗杆的选用与校核 .293.5.1 选择蜗杆传动类型 .293.5.2 选择材料 .293.5.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 .293.5.4 蜗杆与蜗轮的主要尺寸与参数 .313.5.5 校核齿根弯曲疲劳强度 .323.5.6 精度等级公差和表面粗糙度的确定 .333.6 轴的设计与校核计算 .333.6.1 求输出轴上的功率 、转速 和转矩 .
10、333P3n3T3.6.2 求作用在齿轮上的力 .333.6.3 初步确定轴的最小直径 .333.6.4 轴的结构设计 .343.6.5 按弯扭合成应力校核轴的强度 .373.6.6 结构设计 .373.7 键联接的选择 .383.7.1 键联接的类型 .383.7.2 键联接的尺寸 .383.7.3 键联接的强度验算 .383.8 轴承的选择 .393.8.1 轴承的类型 .393.8.2 轴承的尺寸 .40第四章 结论与展望 .40致谢 .42V参考文献 .43附录 A 附加图、表 .44插图清单图 1-1 中国国际机床展览会数据统计.1图 1-2 数控可倾回转工作台.2图 2-1 传动方
11、案.11图 2-2 步进电机.12图 2-3 伺服电机.14图 2-4 电液脉冲马达.16图 2-5 开环回转工作台.17图 2-6 闭环回转工作台.18图 2-7 总体设计原理图.19图 2-8 数控回转工作台 .19图 3-1 工作台尺寸.20图 3-2 工作台箱体图 1.21图 3-3 工作台箱体图 2.21图 3-4 一级齿轮传动.23图 3-5 小齿轮 .28图 3-6 大齿轮 .28图 3-7 蜗杆轴装配方案 .34图 3-8 蜗杆轴受力分析 .35图 3-9 蜗杆轴的应力分析图 .36图 3-10 蜗杆轴.37插表清单表 3-1 蜗杆轴危险截面应力 .37表 3-2 键联接的许用
12、挤压应力 p 或压强p .39长安大学1第一章 前言1.1 本课题的学术背景及理论与实际意义2010 年在北京举办的第 11 届中国国际机床展览会上，数控机床、加工中心、复合机床在装备制造业内已呈现出量大面广态势，这类工作母机在各类制造业已经普及应用，并清晰地表达出时代特征与发展潮流。机床运动无论是并联运动机床，还是运动叠加串联机床，对大多数金属加工机床来说，数控进给复合运动的加工，是以直线轴加上回转轴的联动来实现。为了应对日益增多的复杂零件加工、提高加工精度和效率，多轴机床和复合机床将会进一步创新发展。因此在现代加工中心的开发中，数控回转轴的设计与制造，成为研制机床的核心任务之一，而数控回转
13、轴，同时也起着承载工作重量、夹持工件的功能，故要重视其创新设计。由图 1-1 所示，2010 年中国国际机床展览会无论是在人数上，还是在交易额上，都是逐年上升。中 国 国 际 机 床 展 览 会44.88213.950.99216.160.21819.3010203040506070观 众 人 数 （ 万 ） 展 会 交 易 额 （ 亿 元 ）2008年2009年2010年图 1-1 中国国际机床展览会数据统计1.1.1 研究现状目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻
14、床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。例如：我国生产机床工作台的公司之一的烟台恒力数控机床附件有限公司生产的 HLTK14 系列数控可倾回转工作台(如下图所示)，它可以实现用于数控机床和加工中心机床上，可利用原机床的两个控制坐标控制转台的回转和倾斜，也可直接利用本转台配套的数控装置与机床联接完成所需的工作循环。它可以2完成任意度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并可达到较高的精度。图 1-2 数控可倾回转工作台另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上，独立完成等分和不等分的角度分度工作。国外工作台的功能与我国所生产
15、的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。1.1.2 发展趋势数控车床今后将向中高挡发展，中档采用普及型数控刀架配套，高级采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，预计近年来对数控刀架需求量将大大增长。然数控回转工作台更有发展前途,它是一种可以实现圆周进给和分度运动的工作台，它常被应用于卧式的镗床和加工中心上，可前进加工效率，完成更多的工艺，它重要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等部分组成，并可进行间隙打
16、消和蜗轮加紧，是一种很实用的加工工具。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3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。 1.1.3 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，以扩大加工范围。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
17、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，普通工机床将获得年均 1520左右的稳定增长。随着数控功能部件的发展，精密回转工作台对功能部件的依赖性越来越大。从某种程度上讲，功能部件的发展水平代表了主机的发展水平，其可靠性、先进性尤为突出。数控回转工作台行业的发展，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品快速的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，成为制约民族机床工业发展的瓶颈。国产回转工作台配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉
18、、外观造型、精度稳定性等方面与发达国家相比都存在一定的差距，但在产品的价格、交货期和售后服务上占有较大的优势。1.2 数控系统发展简史1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1）数控（NC）阶段（19521970 年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影
19、响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭“成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC） ，简称为数控（NC） 。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即 1952 年的第一代-电子管；1959 年的第二代-晶体管；1965 年的第三代-小规模集成电路。 2）计算机数控（CNC）阶段（1970 年现在） 到 1970 年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为4数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的“通用“两个字省略了） 。到 1971 年，美国 INTEL 公司在世界上第一次
20、将计算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR） ，又可称为中央处理单元（简称CPU） 。 到 1974 年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控） ，不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了 1990 年，PC 机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心
21、部件的要求。数控系统从此进入了基于PC 的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970 年的第四代-小型计算机；1974 年的第五代-微处理器和 1990 年的第六代-基于 PC（国外称为 PC-BASED） 。 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC） 。所以我们日常讲的“数控“，实质上已是指“计算机数控“了。1.3 数控未来发展的趋势 1）继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界面
22、、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 2）向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 3）向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 （1）应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工5艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （3）引入故障诊断专家系
23、统 （4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。1.4 微观看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。3）加工
24、零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配“。 4）可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 5）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长 时间无人看管加工。 1.5 数控化改造的优缺点 (1)减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省 6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高 23 倍，与购置新机床相比，只能节省投资 50左右。所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 (2)熟悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 (3)可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。
