数控回转工作台的结构设计

摘 要

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，高档采用动力型刀架，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加。但是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，它常被使用于卧式的镗床和加工中心上，可提高加工效率，完成更多的工艺，它主要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等部分组成，并可进行间隙消除和蜗轮加紧，是一种很实用的加工工具。本课题主要介绍了它的原理和机械结构的设计，并对以上部分运用AUTOCAD做图,最后是对数控回转工作台提出的一点建议。

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

Abstract

Numerical 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 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

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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.

Keyword：

Numerical control rotary table； Gear drive； Worm drive；Gap elimination； The worm gear steps up.

目 录

绪 论 .......................................................................................................................... 3

第一章：数控回转工作台的原理与应用 ............................................................. 4

1.1 数控回转工作的原理 .............................................................................4

1.2 设计准则 .................................................................................................5

1.3 主要技术参数 .........................................................................................5

1.4 本章小结 .................................................................................................5

第二章：数控回转工作台的结构设计 .................................................................. 6

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2.1 传动方案的确定 .....................................................................................6

2.2 齿轮传动的设计 .....................................................................................7

2.3 电液脉冲马达的选择及运动参数的计算 ...........................................9

2.4 蜗轮及蜗杆的选用与校核 ................................................................. 10

2.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 ................................................. 12

2.6 轴的校核与计算 .................................................................................. 13

2.7 弯矩组合图 .......................................................................................... 14

2.8 根据最大危险截面处的扭矩确定最小轴径 .................................... 14

2.9 齿轮上键的选择及校核 ..................................................................... 15

2.10 轴承的选用 .......................................................................................... 15

2.11 本章小结 .............................................................................................. 16

第三章 数控技术发展趋势 ....................................................................... 16

3.1 性能发展方向 ........................................................................................ 16

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3.2 功能发展方向 ........................................................................................ 17

3.3 体系结构的发展 .................................................................................... 18

3.4 智能化新一代PCNC数控系统 ............................................................ 19

第四章 总结 ................................................................................................ 19

致谢 ................................................................................................................. 20

参考文献......................................................................................................... 20

说明：

目录在整体修改后再添加！！！

绪 论

毕业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。而高职类学生更应侧重于从生产的第一线获得生产实际知识和技能，获得工程技术经用性岗位的基本训练，通过毕业设计，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。

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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。

本次毕业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

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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。

第一章 引言

1.1 数控机床简介

数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。

数控机床一般由下列几个部分组成：

●主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。

数控机床

●数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

●驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴

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电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

●辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

●编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。

主机，是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。

数控装置是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

辅助装置指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、

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润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

编程及其他附属设备：可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

1.2 数控机床的特点

数控机床具有高速、高效、高精度、高可靠性等优点，并且机床结构趋于模块化、数控功能专门化。开放式数控系统的出现，使数控技术的应用更加迅速地发展。由于螺旋锥齿轮加工原理上的复杂性，使其机床结构设计和加工参数调整特别困难，实现螺旋

锥齿轮加工数控化，是螺旋锥齿轮制造技术的发展重点。数控技术的应用将极大简化机床结构和加工调整，目前仍只有少数国家拥有该方面技术，国内在这方面研究仍处于探

索阶段，因此开展螺旋锥齿轮数控加工研究具有重要理论意义和实际意义。

本课题的工作是对一台普通立式铣床进行数控改造，使之成为能够进行螺旋锥齿轮数控加工方法研究的原型机。进行了机床测绘、三维建模以及结构改造设计，设计了一台新型数控回转工作台，并建立以多轴控制卡为中心的一套开放式数控系统和软件控制

平台。

第二章 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

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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。

图8-24为自动换刀数控镗床的回转工作台。它的进给、分度转位和定位锁紧都是由给定的指令进行控制的。工作台的运动是由伺服电动机，经齿轮减速后由

1一蜗杆 2一蜗轮 3、4一夹紧瓦 5一小液压缸 6一活塞 7一弹簧

8一钢球 9一支座 10一光栅 11、12一轴承

为了消除蜗杆副的传动间隙，采用了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置宋调整间隙。这种蜗杆的左右两侧面具有不同的螺距，因此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然可以保持正常的啮合。

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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装有8对夹紧瓦4和3，并在底座9上均布同样数量的小液压缸5。当小液压缸的上腔接通压力油时，活塞6便压向钢球8，撑开夹紧瓦，并夹紧蜗轮2。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7的作用下，钢球8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，并由圆锥滚柱轴承12及双列向心圆柱滚子轴承11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10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，当它作回零运动时，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

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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

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（5）总传动比：72.5

（6）最大承载重量100㎏

2.4 本章小结

主要简单介绍毕业设计题目（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。

第三章：数控回转工作台的结构设计

3.1 传动方案的确定

数控回转工作台的作用是给多功能数控铣床提供需要的转动自由度。常规的数控回转工作台仅提供一个绕工件轴线转动，但螺旋锥齿轮的加工过程中，需要调整多个参数，若采用这样的转台，则每次调整参数都必须重新布置转台的位置，且这种布置精度受外界因素影响较大，不利于实现自动化数控加工。另外这种转台功能单一，不适合复杂曲面的加工。因此为了很好的体现多功能数控铣床的功用，我们设计了一种新型结构的数控回转工作台，它具有三个转动自由度，不仅能提供工件主轴的回转运动，而且能使工件回转轴在上半球内任意定位，便于调整工件的加工位置。

由于所设计的数控回转工作台是安放在改造后的数控铣床的横向移动滑台上，其结构尺寸受到机床结构的限制，高度在500mm左右，直径不能超过400mm。整个数控转台由转台、连接体、齿轮、轴承座等组成。

3.1.1步进电机的原理

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步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。

步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。

选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。

选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。

选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要

3.1.2.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

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间传递运动和动力，并可实现分度运动。在本课题中，原动机采用电液脉冲马达，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。

3.1.3.传动方案及其分析

数控回转工作台传动方案为：电液脉冲马达——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

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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，都可以用点液脉冲马达、功率步进电机来驱动。

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。

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3.2 齿轮传动的设计

由于前述所选电机可知T=2.39N.M传动比设定为i=3，效率η=0.97工作日安排每年300工作日计，寿命为10年。

3.2.1 选择齿轮传动的类型

根据GB/T10085—1988的推荐，采用直齿轮传动的形式。

3.2.2 选择材料

考虑到齿轮传动效率不大，速度只是中等，故蜗杆用45号钢；为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求齿轮面，硬度为45-55HRC。

3.2.3 按齿面接触疲劳强度设计

先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。

传递转矩T1=9.55×106P1/N1=（9.55X106×0.75/3000）=2.39N.M

载荷系数K：因载荷平稳，由表6-6取K=1.2

齿宽系数ψd:由表6-7取ψd=1

许用接触压力［δH］：［δH］=［δH2］=220Mpa

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传动比i:i=3

将以上参数代入公式

D13≥（671/[δh]）2（6-21）KT1(i+1)/ψdi

D1≥32.88mm

3.2.4 确定齿轮的主要参数与主要尺寸

1）齿数 取Z1=22，则Z2=i×Z1=3×22=66,取Z2=66。

2）模数 m=d1/Z1=32.88/22=1.49mm,取标准值m=1.5。

3）中心距 标准中心距 α=m/2(Z1+Z2)=60.5mm

4）其他主要尺寸

分度圆直径：d1=mZ1=1.5x22=33mm,

d2=mZ2=1.5x66=99mm

齿顶圆直径：da1=d1+2m=33+2x1.5=36mm,

da2=d2+2m=99+2x1.5=102mm

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齿宽：b= ψdd1=0.6x33=19.8mm, 取b2=b1+(5-10)=25-30mm,取b1=30mm。

3.2.5 校核齿根弯曲疲劳强度

δF=22KT1YFS/bmd1≤［δF］

复合齿形系数Ys：由x=0（标准齿轮）及Z1 Z2查图6-29得YFS1=4.12，YFS2=3.96则

δf1=2kT1YFS1/bmd1=2x1.2x2.39x103x4.12/(19.8x1.5x33)=74.6Mpa＜［δF1］δf2=δf1YFS2/YFS1=(74.6x3.96/4.12)Mpa=71.70MPa＜［δF2］

弯曲强度足够。

3.2.6 确定齿轮传动精度

齿轮圆周速度v=d1nπ/(60x1000)=3.14x72.5x970/(600x1000)=3.68m/s

由表6-4确定第Ⅱ公差组为8级。第Ⅰ、Ⅱ公差组也定为8级，齿厚偏差选HK

3.2.7 齿轮结构设计

小齿轮 da1 =33mm 采用实心式齿轮

大齿轮 da2 =99mm 采用腹板式齿轮

3.3 电液脉冲马达的选择及运动参数的计算

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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。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。在闭环系统中，广泛采用电液脉冲马达作为执行单元。这是因为电液脉冲马达具有以下优点：

●直接采用数字量进行控制;

●转动惯量小，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；

采用电液脉冲马达为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用电液脉冲马达的细分驱动技术。

1）电液脉冲马达电机的选择

按照工作要求和条件选Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电机。

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2）选择电液脉冲马达的额定功率

马达的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。额定功率小于工作要求，则不能保证工作机器正常工作，或使马达长期过载、发热大而过早损坏；额定功率过大，则马达价格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪费。

工作所需功率为：Pw=FwVw/1000ηw KW Pw=Tnw/9950ηw KW

式中T=150N.M, nw=36r/min,电机工作效率ηw=0.97，代入上式得

Pw=150×36/（9950×0.97）=0.56 KW

电机所需的输出功率为：P0= Pw/η

式中：η为电机至工作台主动轴之间的总效率。

由表2.4查得：齿轮传动的效率为ηw=0.97；一对滚动轴承的效率为ηw=0.99；蜗杆传动的效率为ηw=0.8。因此，

η=η1η23η3=0.97×0.993×0.8=0.75

P0= Pw/η=0.56/0.75=0.747 KW

一般电机的额定功率

Pm=(1-1.3)P0=(1-1.3)0.747=0.747-0.97 KW

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则由表2.1取电机额定功率为：Pm=0.75 KW。

确定电机转速

按表2.5推荐的各种机构传动范围为，取：

齿轮传动比：3-5，

蜗杆传动比：15-32，

则总的传动范围为：i=i1×i2=3×15-5×32=45-160

电机转速的范围为

N= i×nw=(45-160)×36=1620-5760 r/min

为降低电机的重量和价格，由表2.1中选取常用的同步转速为3000r/min的Y系列电机，型号为Y801-2，其满载转速nm=3000r/min,此外，电机的安装和外形尺寸可查表2.2

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