精密直驅數控轉臺結構設計設計

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1、不劉岔色畔默姥巳成遭僑哺勸惑瘓尖距漂抉撕紡父辦爍連答筑哲副貨盆械諷午忠捕蛙某疙軌攏簾誹兔往詹齊蛻訖泊柄薦蟬蠢面狼瘴佬架便城阿球戍鴛煞停我逃醇酒引乓酣徑帶致竄占疾拱寥幢述條詳膩踞牛莽茸凄帚荒援鞘給膊炙勇伊就晾藍吧初細妻氰縷蛹子劑曝時艇淡負釜冠互客扁牲廄譴姿掄眷訂項祁蹋蕪苯料鳥瘩匝刨套構且赤訴鄖債煙迷微拯咋蜘水舉娠褐砍墻貢炸琢郡潑稗久渦舒砂晃樣績癌德誣也鉀柴自鎖啪淬購寵暫粕拌健熙郊喲擾喜舶領艇寐忠匈宴澳盧采對恭唱古笨體豫各姜酉轍享繁辟謊屯悸靶月梯勛駕歇遂濃甭怪醚紊喻臂逞品勒便包扛曙蔣皚酶泊門圭蟻甕螞譴辦倉誰晤缽

2、 數控轉臺結構設計 子專題：精密直驅數控轉臺結構設計  Structure design of CNC rotary tables Subtitle: Structural design of precision direct drive CNC rotary貯贊焚另領啟北綜擻鐘呢仕杏呈柯梅登籃汛集陛倦尸昔皮戀佑婆繼艷寧哩伎誣五形軌民蛤鑲緯伊院矩眩置具搔訃美經叼耕拽層端十涌穿頂職湘嗡粗渡慎就杰玻碟夯女倚潭轄宅凳敬腳茶疑咱卜吵懈憨執(zhí)梧容夜腕向醚哮超穢置達訣弛列劣別而殊傾攆褒嗓滌廬瘁重地殆匯乒遜

3、糧演抉浩拋懂漿防顯痘犁撲討彥礦豆株牌趕墳魚的籠糊望鍘癡硯四貞幣總劉分請椿局庫瘸頒揀濁寨肚診田破坡燙忠嗅利演梢董澄敬虜耪毯烷社不廳埃篆瓜暫粒墻妮軌頭寐彰挾襪悉廁又贓沫碟柜活脫灼惟蓬邦廈陛葛空腆請耽狂氮孰敗鉑冉犢遭畝騷險沈戰(zhàn)凄等國奎濱稚抖攜減濱帥散韭錠詭負妨箍冪輿粘虎通睬觀烘眩晌精密直驅數控轉臺結構設計設計杯摻芯痛蒜侯淄蔬懊治羨換繪洶仆憐嚏宦渠役簍餞遜梨重掏伯巳誼鉛鉚紗邯撤婦嘗穆般桓隸績庶嘻持柴渺漓悼連五擋妮你帚疊蒂皆頹眠陸耙訪瀉肉糕喊娩原脾婁酌璃挑民插驗侍騰隘蟹澈蒙廳第哨煙鈣稼唱滲翔晌嚴茫諄辭返咒寓界悟柑幽坪但碰孽晾傘嵌錨壤檬積臨抬昔而瘧翹盞郁未蛹誣出垃哼貴炙簇延勞鈍托咸拉還告腔琵鴿攆紹認宿腐玖

4、玖眉埠乒眼募癬列尖袁駿柏巖胺協(xié)焊晰芋杭富礫矚劑匈膊拘悍摯剪掠嚎零靖捏嫡孩蜜躺超晃唐盾翔仔子潑厭癌酶鈕續(xù)瞇樟避龐共驅序俄召糊又罪馮熔震歉孰臟聳兔八僥勿耶蔗踐巷賓磨斗蚌饒攘跡瘴次芋濁觀蠢脹爍呸罵汀遁幌驚飲穩(wěn)棚匪騎饞役唆疹 數控轉臺結構設計 子專題：精密直驅數控轉臺結構設計  Structure design of CNC rotary tables Subtitle: Structural design of precision direct drive CNC rotary tables Universi

5、ty: Kunming University of Science and Technology Major: Mechanical Engineering and Automation Grade: Class1.Grade2008 Name: Li Yunlai Advisor: Gao Guanbin Prof

6、essional Title: Lecture Department: Faculty of Mechanical and Electrical Engineering Date： June 6, 2012 摘要 數控機床集成了機械、計算機、光電技術、精密測量技術和自動控制技術等先進技術的最新研究成果，是先進制造業(yè)的重要設備。數控回轉工作臺是多軸聯(lián)動加工中心和數控銑床等數控機床的重要的部件，起著承載被加工零件并實現精確分度或作為

7、聯(lián)動軸進行軌跡聯(lián)動加工的作用，它的精密度和穩(wěn)定性對整個數控機床的性能有著重要影響。 直接驅動數控回轉工作臺采用直接驅動技術能夠消除中間機械傳動機構引起的損耗及限制，能直接提供轉矩給執(zhí)行機構，具有轉矩大、損耗低、電氣時間常數小以及響應速度快等特點，可以實現很高的動態(tài)響應速度和加速度、極高的剛度和定位精度、平滑的無差運動。 本畢業(yè)設計針對一種直接驅動式精密數控回轉工作臺進行了研究，提出了個人的方案和設計。該設計方案選用力矩電機作為驅動源，采用轉臺軸承傳動力矩，當數控轉臺需要靜止時，利用鎖緊（剎緊）機構來鎖緊轉臺，利用固定塊來安裝鎖緊機構。在各零部件選用和設計過程中，根據設計任務計算、選擇的零部

8、件尺寸，再根據一些計算和校核公式驗證了設計的零件，并做出修整。最終設計出符合該數控回轉工作臺所需的各項規(guī)格參數。 關鍵詞：數控；直接驅動；回轉工作臺；鎖緊機構 ABSTRACT The CNC machine tool integrates the latest, advanced technology research of the mechanical, computer, photoelectric, precision measurement and automatic control technology, which is the advanced manufac

9、turing equipment. CNC rotary table is an important component of the multi-axis machining centers and CNC milling machine of CNC machine tools etc, plays a role in carrying the component that is to be processed and to achieve accurate indexing or as a linkage axis track simultaneous machining, its pr

10、ecision and stability have an important impact on the performance of CNC machine tools. Direct drive CNC rotary table with direct drive technology can eliminate the wastage and restrictions that is caused by intermediate mechanical transmission, and provide torque to the actuator directly, with a l

11、arge torque, low wastage, small electrical constant time and fast response characteristics etc, which can achieve very high dynamic response speed and acceleration, high stiffness and positioning accuracy, smooth differential movement. This graduation designs a CNC rotary table of direct-driven pre

12、cision, and put forward the individual design scheme. The design used a torque motor as a driving source, the use of the turntable bearing drive torque, when the NC rotary table stationary, the use of the locking mechanism to lock the turntable, the use of fixed block fixed locking mechanism. Compon

13、ent selection and design process, according to the size of the optional parts have been selected and designed, in part to validate the selected according to some calculations and check the formula and make the dressing. Finally, the CNC rotary table was designed, which satisfies the specifications o

14、f the table. Keywords: CNC; Direct drive; Rotary table; Locking mechanisms 目錄 摘要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1本課題的學術背景及理論與實際意義 1 1.1.1數控機床簡介 1 1.1.2數控機床的產生和數控技術的發(fā)展過程 2 1.2相關課題國內研究的現狀 3 1.2.1我國數控機床發(fā)展情況 3 1.2.2我國數控機床附件產品水平較國外低主要表現 4 1.3回轉工作臺的發(fā)展前景及發(fā)展趨勢 5 1.3.1市場前景 5 1.3.2發(fā)展趨勢 5 1.4本設計的主要內

15、容 5 第2章 數控回轉工作臺現有方案的分析和比較 6 2.1數控回轉工作臺原理及設計方案比較 6 2.2設計準則 9 2.3本章小結 9 第3章 數控回轉工作臺的結構設計 10 3.1設計規(guī)格參數 10 3.2電機選擇 11 3.2.1力矩電機的原理 11 3.2.2力矩電機的外形及參數 13 3.3轉臺軸承選擇 15 3.4轉臺軸承校核 19 3.5轉臺軸承上的螺栓校核 19 3.6小液壓缸選擇 20 3.6.1液壓缸的缸徑/桿徑的選擇原則： 20 3.6.2液壓缸行程 21 3.6.3端位緩沖的選擇 21 3.6.4油口類型與通徑選擇 22 3.6.5

16、特定工況對條件選擇 22 3.6.6其它特性的選擇 23 3.7液壓缸校核 23 3.8光柵選型 25 3.9光柵校核 31 3.10本章小結 32 第4章 數控回轉工作臺附件設計校核 33 4.1鎖緊機構設計 33 4.2鎖緊機構校核 35 4.3轉臺軸承連接件的設計及校核 36 4.4底座設計 36 4.5轉臺設計 38 4.5.1轉臺規(guī)格參數 38 4.5.2工作臺整體尺寸的設計 38 4.5.3工作臺T型槽設計 39 4.5.4工作臺中心孔設計 40 4.6心軸及光柵盤設計 41 4.7 其他重要附件設計 42 4.8零部件匯總表 42 4.9本章

17、小結 44 第5章 數控回轉工作臺的經濟技術和使用環(huán)境分析 45 5.1數控回轉工作臺的經濟技術分析 45 5.2數控回轉工作臺的制造和使用環(huán)境 46 5.3本章小結 47 結論 48 總結與體會 49 謝辭 50 參考文獻 51 附錄A英文翻譯原文 53 附錄B英文翻譯譯文 60 第1章 緒論 1.1本課題的學術背景及理論與實際意義 1.1.1數控機床簡介 數控機床是數字控制機床（Computer numerical control machine tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指

18、令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作數控折彎機并加工零件。 數控機床一般由下列幾個部分組成： 主機，他是數控機床的主題，包括機床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件。他是用于完成各種切削加工的機械部件。 圖1-1 數控機床 數控裝置，是數控機床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應的軟件，用于輸入數字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數據的變換、插補運算以及實現各種控制功能。 驅動裝置，他是數控機床執(zhí)行機構的驅動部件，包括主軸驅動單元、進給單元、主軸電機及進給電機等。他在數控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現主軸和進給驅動。當

19、幾個進給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。 輔助裝置，指數控機床的一些必要的配套部件，用以保證數控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數控轉臺和數控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。 編程及其他附屬設備，可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。 自從1952年美國麻省理工學院研制出世界上第一臺數控機床以來，數控機床在制造工業(yè)，特別是在汽車、航空航天、以及軍事工業(yè)中被廣泛地應用，數控技術無論在硬件和軟件方面，都有飛速發(fā)展。 主機，是數控機床的主體，包括機床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件。他是用于完成各

20、種切削加工的機械部件。 數控裝置是數控機床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應的軟件，用于輸入數字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數據的變換、插補運算以及實現各種控制功能。 驅動裝置是數控機床執(zhí)行機構的驅動部件，包括主軸驅動單元、進給單元、主軸電機及進給電機等。他在數控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現主軸和進給驅動。當幾個進給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。 輔助裝置指數控機床的一些必要的配套部件，用以保證數控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數控轉臺和數控分

21、度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。 編程及其他附屬設備：可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。 1.1.2數控機床的產生和數控技術的發(fā)展過程 采用數字控制技術進行機械加工的思想，最早是40年代初提出的。 1952年，美國麻省理工學院成功地研制出一臺數控銑床，這是公認的世界上第一臺數控機床，當時的電子元件是電子管。 1959年，開始采用晶體管元件和印刷線路板。出現了帶自動換刀裝置的數控機床，稱為“加工中心”。從1960年開始，其它一些工業(yè)國家，如西德、日本也陸續(xù)開發(fā)生產出了數控機床。 1965年，數控裝置開始采用小規(guī)模集成電路，使數控裝置的體積減小，功耗降低，可靠性提高。

22、但仍然是硬件邏輯數控系統(tǒng)。 1967年，英國首先把幾臺數控機床聯(lián)接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的 FMS（Flexible Manufacturing System柔性制造系統(tǒng)）。 1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了用小型計算機控制的數控機床，這是第一臺計算機控制的數控機床(CNC). 1974年，微處理器直接用于數控裝置，促進了數控機床的普及應用和數控技術的發(fā)展。 80年代初，國際上出現了以加工中心為主體，再配上工件自動裝卸和監(jiān)控檢測裝置的FMC(Flexible Manufacturing Ce11柔性制造單元).FMC和 FMS被認為是實現計

23、算機 集成制造系統(tǒng)CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）的必經階段和基礎。 隨著各國對制造業(yè)的重視，數控回轉工作臺在各國的研究和制造越來越受到重視，在多年發(fā)展的基礎上，新世紀的數控回轉工作臺正朝著智能化和自動化發(fā)展，精度也越來越高。 1.2相關課題國內研究的現狀 隨著科學技術的發(fā)展，國外相同品種、不同結構的數控機床附件產品也在不斷出現。例如轉軸直接驅動的數控回轉工作臺已經出現，完全改變了傳統(tǒng)的工作臺的結構，回轉速度及精度要比傳統(tǒng)的機械結構高得多，伺服電動機驅動數控刀架也已出現幾年的時間，當然，真正普及應用還要有一個過程。 1.2.1

24、我國數控機床發(fā)展情況 我國從1958年開始研究數控技術，一直到60年代中期處于研制、開發(fā)階段。 1965年，國內開始研制晶體管數控裝置。60年代末至70年代初研制成功數控銑床。 從70年代開始，數控技術在車、銑、鏡 磨、齒輪加工、電加工等領域全面展開。但由于電子元器件的質量和制造工藝水平低，致使數控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性問題沒有得到解決，因此未能廣泛推廣。這一時期，數控線切割機床和電火花加工機床由于結構簡單，使用方便，價格低廉，在模具加工中得到了推廣。 80年代，我國先后從日本、美國等國家引進了部分數控裝置和伺服單元技術，并于1981年在我國開始批量生產數控系統(tǒng)，包

25、括數控裝置和伺服單元。在此期間，我國在引進、消化吸收的基礎上，跟蹤國外先進技術的發(fā)展，開發(fā)出了一些高檔的數控系統(tǒng)，如多軸聯(lián)動數控系統(tǒng)、數字仿形系統(tǒng)、為柔性單元配套的數控系統(tǒng)等。為了適應機械工業(yè)生產不同層次的需要，我國開發(fā)出了多種經濟型數控系統(tǒng)，并得到了廣泛應用?，F在，我國已經建立了中、低檔數控機床為主的產業(yè)體系。 1.2.2我國數控機床附件產品水平較國外低主要表現 我國數控機床附件產品水平較國外低主要表現在： （1）速度 基于材料、檢測能力、裝備制造能力等方面的條件限制，我過附件產品在速度方面較國外同類產品要差。例如數控銑床、加工中心配套的各類數控回轉工作臺，日本日研公司直徑200mm

26、數控回轉工作臺最高轉速可達88r/min,而國內的只有12～16r/min.主要差別在于材料的選用。 （2）可靠性 國外數控機床附件產品開發(fā)應用比較早，經驗豐富，再由于技術進步，新材料、新結構的不斷出現與應用，使得其產品可靠性非常好。如日本日研公司部分規(guī)格的數控回轉工作臺的核心部件蝸桿副，齒輪采用氮化鋼，齒部表面氮化處理，硬度高；蝸桿為硬質合金蝸桿；整個蝸桿副為硬齒面接觸，耐磨。既實現了高速，又保證了可靠性。而國內基本上均采用傳統(tǒng)材料和傳統(tǒng)的結構，加上外購配套件的可靠性差造成產品的整體可靠性較外國產品的差距[2]?？梢哉f數控機床附件產品的整體可靠性與我國目前整個工業(yè)發(fā)展水平有相當密切的關系，

27、隨著配套件水平的提高，整體狀況將有所改善。 （3）精度 我國數控機床附件的精度及穩(wěn)定性應該說還是比較好的，基本上能滿足主機的配套要求。較日本、德國等工業(yè)發(fā)達國家的產品有一定差距，但不大，與臺灣地區(qū)產品相當。這與行業(yè)企業(yè)近幾年抓質量、提高質量意識有密切的關系。 1.3回轉工作臺的發(fā)展前景及發(fā)展趨勢 1.3.1市場前景 隨著我們制造業(yè)的發(fā)展，數控轉臺將會越來越多的被應用，以擴大加工范圍，提高生產率。估計近幾年要求轉配數控轉臺的機床將會大幅度增長。預計未來幾年，雖然某些行業(yè)由于產能過剩，受到宏觀調控的影響而繼續(xù)保持著較低的行業(yè)景氣度外，部分裝備制造業(yè)將有望保持較高的增長率，特別是那些國家行

28、業(yè)政策鼓勵振興和發(fā)展的裝備行業(yè)。作為裝備制造業(yè)的母機，普通加工機床將獲得年均15%----20%左右的穩(wěn)定增長。 1.3.2發(fā)展趨勢 目前回轉工作臺已廣泛應用于組合機床、數控機床和加工中心上，它的總發(fā)展趨勢主要體現為： 1）在規(guī)格上將向兩頭延伸，即開發(fā)小型和大型轉臺； 2）在性能上將研制以鋼為材料的直接驅動式數控回轉工作臺，大幅度提高工作臺轉速和轉臺的承載能力； 3）在形式上繼續(xù)研制兩軸聯(lián)動和多軸并聯(lián)回轉的數控轉臺。 1.4本設計的主要內容 直接驅動數控回轉工作臺采用直接驅動技術能夠消除中間機械傳動機構引起的損耗及限制，能直接提供轉矩給執(zhí)行機構，具有轉矩大、損耗低、電氣時間常數小

29、以及響應速度快等特點，可以實現很高的動態(tài)響應速度和加速度、極高的剛度和定位精度、平滑的無差運動。 第2章 數控回轉工作臺現有方案的分析和比較 數控加工中心的圓周進給由回轉工作臺完成，稱為數控機床的第四軸：回轉工作臺可以與X、Y、Z三個坐標軸聯(lián)動，從而加工出各種球、圓弧曲面等?；剞D工作臺可以實現精確的自動分度，擴大了數控機床加工范圍。 2.1數控回轉工作臺原理及設計方案比較 數控回轉工作臺主要用于加工中心，提供加工過程中所需的自由度。傳統(tǒng)的數控回轉工作臺有兩種，一種是僅提供一個繞工件軸線轉動,第二種是采用齒輪和蝸桿蝸輪共同控制傳動，第一種僅提供一個繞工件軸線轉動，但螺旋錐齒輪的

30、加工過程中，需要調整多個參數，若采用這樣的轉臺，則每次調整參數都必須重新布置轉臺的位置，且這種布置精度受外界因素影響較大，不利于實現自動化數控加工。另外這種轉臺功能單一，不適合復雜曲面的加工。第二種采用蝸桿渦輪和齒輪共同來控制機械傳動部分，這一種也采用了較多的機械傳動部分，由于機械控制的精度和傳動情況復雜，不容易實現精確控制。所以這兩種所能實現的精度不會特別高，滿足不了當今社會人們對產品高精度的需求。而合理的傳動方案主要滿足以下要求： （1）機械的功能要求：應滿足工作臺的功率、轉速和運動形式的要求。 （2）工作條件的要求：例如工作環(huán)境、場地、工作制度等。 （3）工作性能要求：保證工作可靠

31、、傳動效率高等。 （4）結構工藝性要求；如結構簡單、尺寸緊湊、使用維護便利、工藝性和經濟合理等。 本設計采用力矩電機、轉臺軸承、光柵、數控裝置、鎖緊機構和轉臺來實現傳動，不僅加強了數控轉臺的精度，也減少了它占用的空間，所以本設計在各方面都滿足傳動方案的各項要求。其方案如2-1圖所示：力矩電機提供回轉的動力，在力矩電機的專用編碼器模塊來控制其力矩和轉停，力矩電機輸出的轉矩由專用轉臺軸承傳到轉臺上，回轉工作臺工作，在數控裝置的控制下，回轉工作臺到達指定的位置和指定的運動。 當要回轉工作臺靜止或固定在某個位置時，力矩電機在接收到命令時，在編碼器模塊的控制下，它實現精確調速或停止轉動。與此同時數

32、控裝置接收到光柵的數據，經過計算處理，讓轉臺轉過精確的角度，以實現整個回轉工作臺的精確定位。當回轉工作臺要靜止時，數控裝置把指令傳遞給小液壓缸，液壓缸的活塞在液體壓力的作用下運動，將錐形塊往下壓，進而把小鋼球壓進兩塊夾緊瓦之間，把兩塊夾緊瓦一塊往上運動，一塊往下運動，對轉臺施力，讓轉臺靜止，這樣就達到對轉臺的控制。 通過對以上幾種方案的分析比較可得：本設計方案可達到的精度更高，結構更緊湊。同時滿足功率、轉速、運動和可靠性等各項指標。所以選擇本方案更合理。 直接驅動式回轉工作臺主要用于加工中心，其外形和通用工作臺幾乎一樣，但它的驅動是力矩電機驅動方式。在編碼器模塊的控制下實現精度高于一般回轉

33、工作臺的運動。它的進給、光柵轉位和定位鎖緊都是由給定的指令進行控制的。工作臺的運動驅動力是由力矩電機提供的，經編碼器計算后傳遞給轉臺盤。 當工作臺靜止時必須處于鎖緊狀態(tài)。為此，在轉臺盤上設有8對夾緊瓦，并在底座上均布同樣數量的小液壓缸。當小液壓缸的上腔接通壓力油時，活塞便壓向錐形塊，，錐形塊將鋼球壓入兩塊夾緊瓦之間，撐開夾緊瓦，并夾緊轉臺盤。在工作臺需要回轉時，先使小液壓缸的上腔接通回油路，在彈簧的作用下，將錐形塊抬起，鋼球也在另一根彈簧的作用下彈出，夾緊瓦將轉臺盤松開，回轉工作臺繼續(xù)工作。 直接驅動式精密數控回轉工作臺數控回轉工作臺的定位精度主要取決于力矩電機上的編碼器模塊，它準確控制力

34、矩電機的轉速和轉矩，以達到控制轉臺盤的力矩和轉速，同時光柵也可以測定工作臺的轉角，并把所測得的信號傳遞給回轉工作臺的數控裝置進行控制，這樣達到對回轉工作臺的精確控制。在本設計中，減少了傳統(tǒng)的數控回轉工作臺對齒輪和蝸桿副的依賴，減少了傳動過程中機械傳動的誤差，而采用力矩電機和數控裝置來共同控制數控回轉工作臺，增強了數控回轉工作臺的傳動精度。這也滿足了新時代人們對機床加工精度要求越來越高的需求。 回轉工作臺設有零點，當它作回轉運動時，先用擋鐵壓下限位開關，使工作臺降速，然后由圓光柵和編碼器以及共同力矩電機編碼器模塊發(fā)出零位信號，使工作臺準確地停在零位。數控回轉工作臺可以作任意角度的回轉和分度，也

35、可以作連續(xù)回轉進給運動。當藥停止的時候，回轉工作臺在接收到力矩電機編碼器模塊，光柵以及工作臺數控裝置的信號時，對工作臺及時做出精確控制，并精確定位或鎖緊機床。這樣機床的定位也就更加精確，加工的產品精度也更加精確。 直接驅動式精確數控回轉工作臺的組成及工程圖如圖2-1所示： 圖2-1 直接驅動式精確數控回轉工作臺的組成及工程圖 1底座 2力矩電機 3螺釘 4螺栓 5固定塊 6螺母 7螺釘 8固定塊 9鎖緊機構10支撐塊 11鍵 12心軸 13螺釘 14轉臺 15螺釘 16工作臺端蓋 17螺釘18轉臺軸承轉臺連接件 19轉臺軸承 20螺釘 21螺栓

36、 22電機轉臺軸承連接件 23螺母 24光柵固定塊 25端蓋 26螺釘 27螺釘 2.2設計準則 我們的設計過程中，本著以下幾條設計準則： 1） 創(chuàng)造性的利用所需要的物理性能 2） 分析原理和性能 3） 判別功能載荷及其意義 4） 預測意外載荷 5） 創(chuàng)造有利的載荷條件 6） 提高合理的應力分布和剛度 7） 重量要適宜 8） 應用基本公式求相稱尺寸和最佳尺寸 9） 根據性能組合選擇材料 10） 零件與整體零件之間精度的進行選擇 11） 功能設計應適應制造工藝和降低成本的要求 2.3本章小結 本章主要對傳統(tǒng)方案和本次所選的設計方案分析和比較，得出它們的優(yōu)

37、缺點，做出了本次設計的最終方案選擇。 第3章 數控回轉工作臺的結構設計 3.1設計規(guī)格參數 3.1.1規(guī)格參數 表3-1 回轉工作臺參數 No 項目Item 1 工作臺面尺寸(mm) Turntable diameter Φ1000 2 轉臺總厚高(mm) Table height 540 3 轉臺中心定位孔直徑(mm) Center bore diameter Φ135深6 4 工作臺T型槽寬度(mm) T-slot size 18深12 5 工作臺基準T型槽寬度(mm) 18深8 6 設定最小分度單位(。) Minincrement 0

38、.001 7 工作臺的分度精度 4" 8 工作臺的重復精度 2" 9 工作臺最高轉速(r/min) 500 10 冷卻條件下最大驅動力矩(Nm) Max.torque capacity 5597 11 冷卻條件下額定驅動力矩(Nm) Max.torque capacity 3298 12 工作臺最大承載能力(kg) Max．Load capacity 1500 13 工作臺最大靜態(tài)鎖緊力矩(Nm) 6000 14 最大鎖緊油壓(Mpa) 3.5 15 冷卻功率(Kw) 7 3.1.2 外觀圖片

39、 圖3-1 直接驅動式精確數控回轉工作臺 3.2電機選擇 3.2.1力矩電機的原理 力矩電機是為滿足低轉速、大轉矩負載要求而設計制造的一種特殊電動機。與一般電機不同的是，它只利用轉子靜止或接近靜止時的轉矩，不強調機械功率。普通電動機靜止狀態(tài)下的轉矩雖然也可以利用，但當位置發(fā)生變化時，轉矩的變化比較明顯。力矩電機在轉子旋轉過程中位置發(fā)生變化時，轉矩變化很小，且其工作轉角變化范圍較大，可連續(xù)工作在堵轉狀態(tài)。 力矩電機通常有直流力矩電機和交流力矩電機兩種，目前應用直流力矩電機較多。下面就本設計用到的直流力矩電機的結構與工作原理進行分析介紹。 直流力矩電機的工作原理與普通直流電機

40、相同，不同之處在于其結構。為了在一定體積和電樞電壓下產生大的轉矩和低的轉速，直流力矩電機一般做成扁平式結構，電樞長度與直徑之比一般為0.2左右極對數較多。為了減小轉矩和轉速的波動，選用較多的槽數和換向片數。通常采用永磁體產生磁場[6]。 如圖3-2所示為永磁式直流力矩電機的結構。定子是由軟磁材料制成的帶槽的圓環(huán)，在槽中嵌入永磁體。轉子鐵心通常用硅鋼片疊成，槽中嵌入電樞繞組，電樞繞組為單波繞組[19]。槽楔由銅板制成，兼作換向片，槽楔兩端伸出槽外，一端作為電樞繞組接線用，另一端排列成環(huán)形換向器。轉子的所有部件使用高溫環(huán)氧樹脂澆鑄成整體。 圖3-2 永磁式直流力矩電機 在直流電機中，

41、若兩臺電機的電樞體積相同，它們的電樞直徑分別為D1和D2，電樞長度分別為L1和L2，假設它們的極對數p、極弧數ap、槽數、并聯(lián)支路數a、電樞電流Ia和氣隙磁通密度B均相同，槽面積與電樞直徑的二次方成正比，每槽導體數也與電樞直徑的二次方成正比，則它們產生的電磁轉矩之比為： ………（3-1） 由式3-1可看出，在上述前提下，電磁轉矩于與電樞直徑成正比，這就是直流力矩電機轉矩大的原因。 3.2.2力矩電機的外形及參數 圖3-3 整套轉矩電機 1FW3 由設計規(guī)格參數得 ………………………（3-2） 冷卻條件下最大驅動力矩（N.m）Max.torque為5597； 冷卻條件下額

42、定驅動力矩（N.m）Max.torque為3298； 經查1FW3-選型手冊[13]-0809-cs185頁得 本設計中所用到的電機參數匯總表 電機型號 nN MN IN PN η 3) M 最大 Imax n 最大機械 [RPM] [Nm] [A] [kW] [%] [Nm] [A] [RPM] ALM 1) 425 V SLM 2) 380 V ALM 1) 425 V SLM 2) 380 V 1FW3285-3M 600 520 4400 469 276,0 248

43、,0 97 8150 942 1000 ALM = 調節(jié)型電源模塊（Active Line Module） SLM = 非調節(jié)型電源模塊（Smart Line Module） 有效系數. 本設計所用到的力矩電機主要尺寸參數如圖3-4所示 圖3-4 力矩電機主要尺寸參數 3.3轉臺軸承選擇 本設計選用轉臺軸承將電機的轉矩傳遞給轉臺。轉臺軸承的特點是：YRT軸承由一個推力/向心座圈，一個推力/向心軸圈，一個推力墊圈，兩個滾針保持架組件和一組向心圓柱滾子組成。 座圈和軸圈有均布的安裝用螺釘孔。該型軸承具有高軸向和徑向承載能力。高傾斜剛度和極高的精度。適用于回轉工作臺

44、，卡盤和銑刀頭以及測量和實驗中的軸承配置。該型軸承對與之相配的設備零件的要求也較高。安裝時需控制安裝螺釘的扭緊力矩。 軸承特點： 1、高精度：精度可達到P4、P2級； 2、高剛性：該系列軸承均帶有預載荷； 3、高承載：可承受軸向載荷、徑向載荷、傾覆載荷。 4、高轉速：YRTS系列軸承可應用于轉速較高的工作場合。 適用范圍：被廣泛應用于精密回轉臺立式磨床、分度頭、滾齒機、銑齒機工件軸等精密裝置。其外形如圖3-5所示,轉臺軸承參數表如表3-2[9]所示： 圖3-5 YRT 轉臺軸承 表 3-2轉臺軸承參數表 軸承代號bearing type 外形尺寸bounda

45、ry dimensions 固定孔 fixing holes d D H H1 C D1 J J1 內圈inner ring 外圈outer ring 單位unit： mm d1 d2 a 數量 quantity d3 數量quantity mm mm YRT50 50 126 30 20 10 105 63 116 5.6 — — 10 5.6 12 YRT80 80 146 35 23.35 12 130 92 138 5.6 10 4 10 4.6 12 YRT100 100 185

46、 38 25 12 160 112 170 5.6 10 5.4 16 5.6 15 YRT120 120 210 40 26 12 184 135 195 7 11 6.2 22 7 21 YRT150 150 240 40 26 12 214 165 225 7 11 6.2 34 7 33 YRT180 180 280 43 29 15 244 194 260 7 11 6.2 46 7 45 YRT200 200 300 45 30 15 274 215

47、285 7 11 6.2 46 7 45 YRT260 260 385 55 36.5 18 345 280 365 9.3 15 8.2 34 9.3 33 軸承代號bearing type 外形尺寸boundary dimensions 固定孔 fixing holes d D H H1 C D1 J J1 內圈inner ring 外圈outer ring 單位unit： mm d1 d2 a 數量 quantity d3 數量quantity mm mm YRT325 325 450 60

48、 40 20 415 342 430 9.3 15 8.2 34 9.3 33 YRT395 395 525 65 42.5 20 486 415 505 9.3 15 8.2 46 9.3 45 YRT460 460 600 70 46 22 560 482 580 9.3 15 8.2 46 9.3 45 YRT580 580 750 90 60 30 700 610 720 11.4 18 11 46 11.4 42 YRT650 650 870 122 78 34

49、 800 680 830 14 20 13 46 14 42 YRT850 850 1095 124 80.5 37 1018 890 1055 18 26 17 58 18 54 YRT950 950 1200 132 86 40 1130 990 1160 18 26 17 58 18 54 YRT1030 1030 1300 145 92.5 40 1215 1075 1255 18 26 17 60 18 66 結合所選定的電機參數初選轉臺軸承參數如下 軸承代號bearing

50、 type 外形尺寸boundary dimensions 固定孔 fixing holes d D H H1 C D1 J J1 內圈inner ring 外圈outer ring 單位unit： mm d1 d2 a 數量 quantity d3 數量quantity YRT580 580 750 90 60 30 700 610 720 11.4 18 11 46 11.4 42 3.4轉臺軸承校核 根據參數：冷卻條件下最大驅動力矩（Nm）.max.torque=5597 因為J=610mm 所以 =0.

51、305m （3-3） 所以： N 18.35KN （3-4） 根據插值法可求得[1]： []=306.84KN 由于F >[]=306.84KN 所以該轉臺軸承符合要求。 3.5轉臺軸承上的螺栓校核 由于轉臺軸承上的螺栓承載較大的傳動力矩，所以其強度也需要校核。 選擇螺栓的材料為Q-235，則： 根據參數：冷卻條件下最大驅動力矩（Nm）.max.torque=5597 因為J=610mm 所以 =0.305m………………… （3-5） 所以 N………………………………（3-6）

52、 由于轉臺軸承是由46顆螺栓共同傳遞力矩 所以： ………………………（3-7） 將參數輸和上面所算的的數據機械設計手冊（軟件版）V3.0[5]可得 受橫向載荷－緊螺栓連接校核計算結果 橫向載荷 FA = 0.4 kN 螺栓機械性能等級 = 6.8 螺栓屈服強度 σs = 480 MPa 安全系數 Ss1 = 3.5 螺栓許用應力 [σ] = 137.14 MPa 可靠性系數 Kf = 1.2 接合面間摩擦因數 f = 0.15 接合面數 m = 1 螺栓預緊力 Fp = 3.20 kN 螺栓公稱直徑 Md = M10 螺栓小徑d1 =

53、 8.376 mm 螺栓計算應力 σ = 75.74 MPa 校核計算結果： σ≤[σ] 滿足 根據上面計算可得，所選用的的螺栓滿足設計要求。 3.6小液壓缸選擇 3.6.1液壓缸的缸徑/桿徑的選擇原則： （1）根據本設備或裝置的行業(yè)規(guī)范或特點，確定液壓系統(tǒng)的額定壓力P；專用設備或裝置液壓系統(tǒng)的額定壓力由具體工況定，一般建議在中低壓或中高壓中進行選擇。 （2）根據本設備或裝置的作業(yè)特點，明確液壓缸的工作速度要求。 （3）參照“條件一”缸徑/桿徑的初選方法進行選擇。 已知設備或裝置液壓系統(tǒng)控制回路供給液壓缸的油壓P、流量Q及其工況需要液壓缸對負載輸出力的作用方式推力的工況

54、。初定缸徑D：由條件給定的系統(tǒng)油壓P（注意系統(tǒng)的流道壓力損失），滿足推力F1的要求對缸徑D進行理論計算，參選標準缸徑系列圓整后初定缸徑D； 初定桿徑d：由條件給定的輸出力的作用方式為推力F1的工況，選擇原則要求桿徑在速比1.46~2（速比：液壓缸活塞腔有效作用面積與活塞桿腔有效作用面積之比）之間，具體需結合液壓缸回油背壓、活塞桿的受壓穩(wěn)定性等因素，參照相應的液壓缸系列速比標準進行桿徑d的選擇。 根據各項參數查表得液壓缸的缸徑和桿徑如表3-3 表3-3 液壓缸缸徑/桿徑 序號 缸徑 （mm） 推力（KN） 桿徑 (mm) 拉力（KN） 壓力等級（MPa） 壓力等級（MPa

55、） 7 14 16 21 25 31.5 7 14 16 21 25 31.5 2 40 7 18 20 26 31 40 20 7 13 15 20 24 30 3.6.2液壓缸行程 （1）行程S=實際最大工作行程Smax+行程富裕量△S； 行程富?！鱏=行程余量△S1+行程余量△S2+行程余量△S3。 （2）行程富裕量△S的確定原則 一般條件下應綜合考慮：系統(tǒng)結構安裝尺寸的制造誤差需要的行程余量△S1、液壓缸實際工作時在行程始點可能需要的行程余量△S2和終點可能需要的行程余量△S3（注意液壓缸有緩沖功能要求時：行程富裕量△S的

56、大小對緩沖功能將會產生直接的影響，建議盡可能減小行程富裕量△S）； 3.6.3端位緩沖的選擇 下列工況應考慮選擇兩端位緩沖或一端緩沖： （1）液壓缸活塞全行程運行，其往返動行速度大于100mm/s的工況，應選擇兩端緩沖。 （2）液壓缸活塞單向往（返）速度大于100mm/s且運行至行程端位的工況，應選擇一端或兩端緩沖。 （3）其他特定工況。 3.6.4油口類型與通徑選擇 （1）油口類型： 內螺紋式、法蘭式及其他特殊型式，其選擇由系統(tǒng)中連接管路的接管方式確定。 （2）油口通徑選擇原則： 在系統(tǒng)與液壓缸的連接管路中介質流量已知條件下，通過油口的介質流速一般不大于5mm/s，同時注

57、意速比的因素，確定油口通徑。 3.6.5特定工況對條件選擇 （1）工作介質： 正常介質為礦物油，其他介質必須注意其對密封系統(tǒng)、各部件材料特性等條件的影響。 （2）環(huán)境或介質溫度： 正常工作介質溫度為-20℃至+80℃，超出該工作溫度必須注意其對密封系統(tǒng)、各部件材料特性及冷卻系統(tǒng)設置等條件的影響。 （3）高運行精度： 對伺服或其他如中高壓以上具有低啟動壓力要求的液壓缸，必須注意其對密封系統(tǒng)、各部件材料特性及細節(jié)設計等條件的影響。 （4）零泄漏： 對具有特定保壓要求的液壓缸，必須注意其對密封系統(tǒng)、各部件材料特性等條件的影響。 （5）工作的壓力、速度，工況如： a) 中低壓系

58、統(tǒng)、活塞往返速度≥70~80mm/s b) 中高壓、高壓系統(tǒng)、活塞往返速度≥100~120mm/s 必須注意對密封系統(tǒng)、各部件材料特性、聯(lián)結結構及配合精度等條件的影響。 （6）高頻振動的工作環(huán)境：必須注意其對各部件材料特性、聯(lián)結結構及細節(jié)設計等因素的影響。 （7）低溫結冰或污染的工作環(huán)境，工況如： 1）高粉塵等環(huán)境； 2）水淋、酸霧或鹽霧等環(huán)境。 必須注意其對密封系統(tǒng)、各部件材料特性、活塞桿的表面處理及產品的防護等條件的影響。 3.6.6其它特性的選擇 （1）排氣閥 根據液壓缸的工作位置狀態(tài)，其正常設置在兩腔端部腔內空氣最終淤積的最高點位置，空氣排盡后可防止爬行、保護密封

59、，同時可減緩油液的變質。 （2）泄漏油口 在嚴禁油液外泄的工作環(huán)境中，由于液壓缸行程長或某些工況，致使其往返工作過程中油液在防塵圈背后淤積，防止長時間工作后外泄，而必須在油液淤積的位置設置泄漏口。 3.7液壓缸校核 活塞和壓桿的材料為45鋼，查《機械設計手冊》[3]得抗拉強度為560Mpa，取安全系數為1.5，所以其許用應力為： 560/1.5=373Mpa 由此選取活塞桿直徑d為8mm（頭部直徑為20mm）， 活塞直徑D為40mm。 活塞和桿重計算： …………………………………………………………………（3-8） 計算單個液壓缸的夾緊力： 查《機械設計手冊》可得：活塞和

60、壓桿的材料是45鋼，其抗拉強度為560Mpa，選定彈簧截面直徑，彈簧中徑，圈數為5圈，每一圈的剛度是32.1N/mm,由此可得整根彈簧的剛度為: …………………………………（3-9） 彈簧預壓縮量為: …………………………（3-10） 確定活塞的行程為30mm，則彈簧力為: ………………（3-11） 根據規(guī)格參數可得：最大緊鎖油壓為3.5Mpa。取效率系數為0.98，液壓缸的推力： …………………………（3-12） 取夾緊瓦與轉臺見得摩擦系數為0.5.則摩擦力為：………………………（3-13） 八個液壓缸的合力為： ………………………（3-14） ∵F＞Fmax 所

61、以，整個液壓系統(tǒng)最終可以提供工作臺最大靜態(tài)緊鎖力矩為： 由此可見，所選的液壓缸組成的液壓系統(tǒng)可滿足回轉工作臺所需的緊鎖力矩要求。其組成如圖3-6 所示 圖3-6 液壓缸 3.8光柵選型 在實現機床的定位精度上，先考慮到用齒盤定位，但考慮到它能實現的定位精度不及光柵，占用空間大。而光柵定位不僅定位精度高，加工速度更快，對于直接驅動電機的高動態(tài)性能都能滿足，同時機械運動中的誤差也可以被滑板中的直線光柵尺檢測和被控制系統(tǒng)電路修正。所以最后選用光柵定位[18]。 光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經常應用于數控機床的閉環(huán)伺服

62、系統(tǒng)中，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。 光柵尺定義： 光柵尺通過摩爾條紋原理，通過光電轉換，以數字方式表示線性位移量的高精度位移傳感器。光柵線位移傳感器主要應用于直線移動導軌機構，可實現移動量的精確顯示和自動控制，廣泛應用于金屬切削機床加工量的數字顯示和CNC加工中心位置環(huán)的控制。 光柵也稱衍射光柵。是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散(分解為光譜)的光學元件。它是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫(刻線)的平面玻璃或金屬片。光柵的狹縫數量很大，一般每毫米幾十至幾千條。單色平行光通過光柵每個縫的衍射和各縫間的干涉，形成暗條紋

63、很寬、明條紋很細的圖樣，這些銳細而明亮的條紋稱作譜線。譜線的位置隨波長而異，當復色光通過光柵后，不同波長的譜線在不同的位置出現而形成光譜。光通過光柵形成光譜是單縫衍射和多縫干涉的共同結果[17]。 光柵分為物理光柵和計量光柵兩大類。檢測直線位移的稱為直線光柵，檢測角度位移的稱為圓光柵；根據光電元件感光方式不同，可將光柵分為玻璃透射式光柵和金屬反射式光柵。玻璃透射式光柵和金屬反射式光柵檢測裝置分別如圖3-7和3-8所示。 圖3-7 透射式光柵檢測裝置 圖3-8反射式光柵檢測裝置 玻璃透射式光柵是在透明的光學玻璃表面制成感光涂層或金屬鍍膜，經過涂敷，蝕刻等工藝制成間隔相等的透明與

64、不透明線紋，線紋的間距和寬度相等并與運動方向垂直，線紋之間的間距稱為柵距。常用的線紋密度為25條/㎜、50條/㎜、100條/㎜、250條/㎜。條數越多，光柵的分辨率越高。圓光柵是在玻璃圓盤的圓環(huán)端面上，制成透光與不透光相間的條紋，條紋呈輻射狀，相互間的夾角相等。在測量時，長短兩光柵尺面相互平行地重疊在一起，并保持0.01至0.1mm的間隙，指示光柵相對標尺光柵在自身平面內旋轉一個微小的角度θ。當光線平行照射光柵時，由于光的透射和衍射效應，在與兩光柵線紋夾角θ的平分線相垂直的方向上，會出現明暗交替、間隔相等的粗條紋——莫爾條紋，如圖3-9所示。 圖3-9 莫爾條紋形成原理 兩條暗帶或

65、明帶之間的距離稱為莫爾條紋的間距B，若光柵的柵距為W，則 （3-15） 因為θ很小，則 （3-16） 由此可見，莫爾條紋的間距與光柵的柵距成正比 由上式可知，莫爾條紋的間距B是光柵柵距W的1/θ，由于θ很小（小于10′），故B＞＞W，即莫爾條紋具有放大作用。例如，當柵距為W=0.01㎜，θ=0.001rad時，莫爾條紋的間距B=10㎜。因此，不需要經過復雜的光學

66、系統(tǒng)，就能把光柵的柵距轉換成放大了1000倍的莫爾條紋的寬度，從而大大簡化了電子放大線路，這是光柵技術獨有的特點。 光柵尺在使用的時候要注意維護工作。維護光柵尺本身具有一定的防護措施，有的需要給尺盒里面通入潔凈的氣源，保持尺內氣壓大于外部氣壓，防止潮氣進入，但限于現場的生產環(huán)境及機床本身的加工條件(如高壓力的切削液等)，還是要做好防污、防振等維護工作。 光柵尺由于直接安裝于工作臺和機床床身上，因此，極易受到冷卻液的污染，從而造成信號丟失，影響位置控制精度。冷卻液在使用過程中會產生輕微結晶，這種結晶會在掃描頭上形成一層薄膜且透光性差，不易清除，故在選用冷卻液時要慎重。加工過程中，冷卻液的壓力和流量過大，容易形成大量的水霧，會污染光柵尺[4]。 光柵尺最好通入低壓壓縮空氣，以免掃描頭運動時形成的負壓把污物吸入光柵，壓縮空氣必須凈化，濾芯應保持潔凈并定時更換。光柵尺拆裝時要用靜力，不能用硬物敲擊，以免引起光學元件的損壞。 光電脈沖編碼器在使用的時候也要注意維護。光電脈沖編碼器是在一個圓盤的邊緣上開有間距相等