数控回转工作台设计

摘    要

本次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；驱动力计算及其他相关计算；零件设计与校核；零件图的绘制与三维模型建立；绘制装配图及运动仿真。

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，其中箱体上设计了圆台和加强筋；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数控镗床和铣床。随着数控技术的应用越来越广泛，数控回转工作台的应用已成为历史的必然。

关键词：数控回转工作台；齿轮；蜗杆；箱体；建模

Design of NC rotary worktable

Abstract

The graduation project is the subject of design of CNC rotary worktable. NC rotary table on the design, so that before the students entered the community, not only to design a CNC rotary worktable, and can master the mechanical design of the methods and procedures. The main content of this research include: determining the transmission scheme of CNC rotary worktable; driving force calculation and other calculations; part design and verification; part and three-dimensional mapping model; assembly drawing and motion simulation.

NC rotary worktable for the design, first of all, the overall design, use of transmission scheme and worm gear drive; then each part of the design and verification, the whole worm and shaft structure; worm screw connection with the worktable; Balance worktable by thrust bearings to ensure; box from the box seat, lid and cover, of which the box on the design of the round table and strengthen the tendons; Finally, the parts for assembly.

The circumference of CNC rotary worktable by the completion of the feed, rotary worktable with X, Y, Z three axis coordinates to be processed into a variety of balls, such as circular surface. Precision rotary worktable can realize automatic indexing, and expand the range of CNC machining. Currently, the NC rotary table CNC boring and milling machines are mainly used. With more and more widespread application of CNC technology, CNC rotary worktable applications has become a historical necessity.

Keywords: NC rotary worktable; gear; worm; box; modeling

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 目录

查图清单 IV

查表清单 V

引言 1

第1章 绪论 2

1.1本课题的学术背景及理论与实际意义 2

1.2本课题研究的主要内容 2

1.3数控回转工作台设计原理及优缺点 2

第2 章数控回转工作台的原理与应用 4

2.1数控回转工作台 4

2.2设计准则 4

2.3主要技术参数 5

第3章数控回转工作台的设计 6

3.1 传动方案的选择 6

3.1.1传动方案传动时应满足的要求 6

3.1.2传动方案及其分析 6

3.2 电机的选择 7

3.2.1 步进电机的原理 7

3.2.2 步进电机的选择及运动参数的计算 8

3.3 齿轮传动的设计 9

3.3.1选择齿轮传动的类型与材料 10

3.3.2 按齿面接触疲劳强度设计 10

3.3.3 按齿根弯曲强度设计 11

3.3.4几何尺寸计算 13

3.3.5 结构设计 13

3.4 蜗轮及蜗杆的选用与校核 14

3.4.1选择涡杆传动类型 14

3.4.2选择材料 14

3.4.3按齿面接触疲劳强度进行设计 14

3.4.4蜗杆与涡轮的主要尺寸与参数 15

3.5 轴承的选用 16

3.5.1 轴承受到的载荷 17

3.5.2 验算轴承寿命 18

3.6 轴的校核与计算 18

3.6.1 轴1的校核与计算 18

3.6.2 轴2的校核与计算 23

第4章  三维建模及运动仿真 28

4.1 零件绘制 28

4.2 装配 29

4.3 运动仿真 31

结论与展望 32

致谢 33

参考文献 34

附录A附加图、表 32

附录B科研工作和发表的论文 32

附录C英语文献及其翻译 32

附录D主要参考文献的题录与摘要 57

附录E光盘 59

插图清单

图1-1 中国国际机床展览会数据统计 2

图3-1 传动方案 6

图3-2 一级齿轮传动 9

图3-3 小齿轮 13

图3-4 大齿轮 13

图3-5 圆锥滚子轴承 16

图3-6 轴2受力图 16

图3-7 轴承受力图 17

图3-8 轴1 18

图3-9 轴1受力图 19

图3-10 轴1零件装配 20

图3-11 轴1分段 20

图3-12 轴1应力分析 21

图3-13轴1结构图 22

图3-14 轴2零件装配 24

图3-15 轴2受力图 25

图3-16 轴2应力分析 26

图3-17 轴2结构图 27

图4-1 草图工具 28

图4-2 特征操作 28

图4-3 凸圆、孔、螺纹等工具栏 28

图4-4 箱座 29

图4-5 箱盖 29

图4-6 装配工具栏 30

图4-7 数控回转工作台 30

图4-8 运动仿真 31

图4-9 运动控制 31

插表清单

表3-1  11BYG250D-0502步进电机指标 6

表3-2  轴1危险截面应力 18

表3-3  轴2危险截面应力 23

引 言

随着生产力水平的发展，数控技术越来越广泛的应用于各个领域。数控机床是数控技术最普遍的应用。而数控回转工作台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1章 绪论

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。

图1-1 中国国际机床展览会数据统计

1.2 本课题研究的主要内容

 通过对数控回转工作台设计，希望学生熟悉机电一体化系统中机械系统设计过程，以及掌握利用AutoCAD或UG来绘制二维图形或创建三维实体的能力。毕业设计环节是教学计划中综合性最强的实践教学环节，对培养学生的思想、工作作风及实际能力、提高毕业生全面素质具有很重要的意义。同时，对所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好的开端。

对数控回转工作台的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。而工科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。

1.3 数控回转工作台设计原理及优缺点

数控转台和数控分度头的使用，为加工中心和数控铣床提供了回转坐标，通过第四轴、第五轴驱动转台或分度头完成等分、不等分或连续的回转加工，完成复杂曲面加工，使机床原有的加工范围得以扩大。数控分度头未来的发展趋势是：在规格上向两头延伸，即开发小规格和大规格的分度头及相关制造技术；在性能方面将向进一步提高刹紧力矩、提高主轴转速及可靠性方面发展。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。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。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。数控转台的发展趋势是：在规格上向两头延伸，即开发小型和大型转台；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；在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。 机床工具行业的发展，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。国产配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、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。另外，近几年台湾地区的数控附件产品明显加大了对大陆市场的开发力度，使国内市场竞争态势更加激烈。在今后几年中，我国机床附件厂要发展中档次品种，在提高产品质量、性能水平和可靠性的同时，跟踪学习发达国家的先进技术，并在产品创新，提高工艺水平上多下功夫；总结经验，加强产、学、研的结合，走专业化生产的路子，面向市场，参与竞争，满足主机发展的需要。

第2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。

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。

 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，经齿轮减速后由蜗杆传给蜗轮。

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。

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有8对夹紧瓦，并在底座上均布同样数量的小液压缸。当小液压缸的上腔接通压力油时，活塞便压向钢球，撑开夹紧瓦，并夹紧蜗轮。在工作台需要回转时，先使小液压缸的上腔接通回油路，在弹簧的作用下，钢球抬起，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，并由深沟球轴承及双列向心圆柱滚子轴承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，当它作回转运动时，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

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）最大回转半径：275 mm

（2）回转角度：0～360°

（3）回转精度：0．03°

（4）最大承载重量100㎏

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