数控回转工作台的毕业设计

前言这次课程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、规范和方法。

通过机电一体化课程设计设计，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技能，提高解决本专业范围内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、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识和团结协作的工作作风。

本次课程设计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。

目录前言 (1)第一章：数控回转工作台的原理与应用 (3)1.1 数控回转工作的原理 (3)1.2 设计准则 (4)1.3 主要技术参数 (4)1.4 本章小结 (4)第二章：数控回转工作台的结构设计 (5)2.1 传动方案的确定 (5)2.2齿轮传动的设计 (6)2.3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 (9)2.4 直流伺服电动机的选择及运动参数的计算 (11)2.5 轴承的选用 (12)2.6 加紧机构的计算 (13)2.7 本章小结 (14)第三章控制系统硬件设计 (16)3.1 CPU板 (16)3.2 驱动系统 (17)3.3 传感器和人机界面 (17)3.4 本章小结 (17)第四章控制系统软件设计 (18)4.1 总体方案 (18)4.2 键盘扫描的程序 (18)4.3 数码管显示程序 (19)4.4 智能化新一代PCNC数控系统 (19)第五章数控技术发展趋势 (20)5.1 性能发展方向 (20)5.2 功能发展方向 (20)5.3 体系结构的发展 (21)5.4 智能化新一代PCNC数控系统 (21)第六章总结 (22)参考文献 (22)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范围。

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。

1-电机；2-小齿轮；3-偏心套；4-大齿轮；5-柱销；6、7、8、11-轴承盖、套筒；9-蜗杆；10-蜗轮；12、13-加紧瓦；14-油缸；15-活塞；16-弹簧；17-钢球；18-光栅；如图所示为闭环数控转台的结构图，该数控转台用直流伺服电机1通过减速齿轮2和4带动蜗杆9，通过蜗轮10使工作台回转。

为了尽量消除反向间隙和传动间隙，通过调整偏心环3来消除齿轮2和4啮合侧隙。

齿轮4与蜗杆9是靠楔形拉紧圆柱销5（A一A剖面）来连接。

这种连接方式能消除轴与套的配合间隙。

工作台的转角位置用光栅18测量，测量结果发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较，若有偏差经放大后控制伺服电机朝消除偏差的方向转动，使工作台精确定位，，台面的锁紧用均布的8个小油缸14来完成，需要加紧时油缸上腔进压力油，活塞15下移，通过钢球17，推开夹紧块12及13，将蜗轮夹紧。

当工作台需要回转时，数控系统发出指令，夹紧液压缸14上腔的油流回油箱，钢球17在弹簧16的作用下向上抬起，夹紧块12和13松开蜗轮，这时蜗轮和回转工作台可按照控制系统的指令作回转运动。

回转工作台的导轨面由大型滚柱轴承支承，并由圆锥滚子轴承及圆锥孔双列圆柱滚子轴承保持准确的回转中心。

工作台支撑在镶钢滚柱导轨上，运动平稳且耐磨。

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）工作台直径：200 mm；（2）分辨率：5分/step；（3）工作台转速范围：2～62.5 rpm；（4）直流伺服电机最高转速2000rpm；（5）总传动比：20；（6）轴向最大载荷：60N·M1.4 本章小结主要简单介绍课程设计题目（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传动方案的确定如图，采用电机带减速动齿轮传动，带动涡轮蜗杆转动，从而使工作台转动2.1.1伺服电动机的原理伺服电动机（servomotor）用作自动控制装置中执行元件的微特电机。

又称执行电动机。

其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。

伺服电动机分交、直流两类。

交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。

在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf接一恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电动机运行的目的。

交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于10％～15％和小于15％～25％）等特点。

直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机相同。

电动机转速n为n＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j式中E为电枢反电动势；K为常数；j为每极磁通；Ua，Ia为电枢电压和电枢电流；Ra为电枢电阻。

改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法。

在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。

直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。

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，原动机采用直流伺服电机，工作台为T形槽工作台，传动装置由齿轮传动和涡轮蜗杆传动组成。

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：直流伺服电机——齿轮传动——蜗杆传动——工作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 蜗杆传动是，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 齿轮的设计1、选用传动比：先选为21）选用直齿圆柱齿轮传动；2）数控机床速度高，要求精度高，故选6级精度；3) 材料选择，小齿轮材料选35CRALA(调质后氮化)，硬度为65HRC,大齿轮材料18CRMNTI(渗碳后淬火)硬度为60HRC ；4) 选小齿轮齿数Z 1=20，大齿轮齿数为40。

2、按齿面接触强度设计d 1t ≥2.32322])([))(1(1H dU ZE U KT σΦ± (1)确定公式内的各计算数值1）试选载荷系数Kt1=1.2；2) 计算小齿轮传递的转矩T 1=21max n in T =98.099.01860000⨯⨯=3.37N.m3）选取齿宽系数，小齿轮做悬臂布置，d Φ=0.4；4）材料的弹性影响系数Z E =189.8Mpa 21；5）按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1=1200Mpa,大齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1=800Mpa ；6）接触疲劳寿命系数K HN1=1,K HN2=1；7） 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数为S=1[σH ]1=1200Mpa, [σH ]2=800Mpa.(2)计算1）算小齿轮分度圆直径d 1t ,代入[σH ]中较小的值代入各数值的d 1t ≥2.32322])([))(1(1H dU ZE U KT σΦ±=22mm 2）计算圆周速度VV=10006011⨯tn d π=1.382m/s3)计算齿宽bb=d Φ.d 1t =0.4⨯22=8.8mm4)计算齿宽与齿高之比hb . 模数 m t ==2022 1.1mm 齿高 h=2.25m t =2.25×1.1=2.475mm h b =475.28.8=3.5 5）计算载荷系数根据V=1.382m/s ，6级精度，查的动载系数Kv=1.02.直齿轮 K H α=K F α=1.0.查表的使用系数K A =1； 用插值法查得6级精度，小齿轮相对支撑悬臂布置时 K H β=1.139. 由hb =3.556 K H β=1.139得K F β=1.09. 故载荷系数 K=K A ×K V ×K H α×K H β=1×1.05×1×1.139=1.1976）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径d 1=d 1t 332.1197.122=Kt K =21.98mm7)计算模数m m=11z d =2098.21=1.099mm 3按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为M ≥32][112F dZ YFaYSa KT σΦ （1） 确定公式内的各计算数值1） 查表得小齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE1=800Mpa;大齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE2=700Mpa ；2） 查得弯曲疲劳寿命系数K FN1=0.9, K FN2=0.95;3） 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数。