數控回轉工作臺設計畢業設計說明書(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 作臺，則可加工圓弧面和圓弧槽等。轉臺按功能的不同可分為通用轉臺和精密轉臺兩類。 、立臥轉臺和萬能轉臺。 。常見的 有光學轉臺、數顯轉臺和超精密端面齒盤轉臺。 數控回轉工作臺 的工作原理 為了擴大工藝范圍，提高生產率， 數控機床回轉工作臺 除具有沿 X、 r、 z三個坐標軸的直線進給運動功能外，搖臂鉆床往往還具有繞 X、 r、 Z 坐標軸的圓周進給運動。數控機床用于實現回轉運動的部件主要就是回轉工作臺。數控機床回轉工作臺按安裝方式又可分為立式、臥式、萬能傾斜式；按照其伺服控制方式又可分為開環和閉環兩種。 數控機床回轉工作臺的分度定位和分度工作臺不同，數控機床它是按控制系統所指定的脈沖數來決定轉位角度，并沒有其他的定位元件。因此 ，對開環 7 數控轉臺的傳動精度要求高比較、傳動間隙還盡量要小。 數控機床回轉工作臺還設有零點，當它作回零控制時，先快速回轉運動至擋塊壓合微動開關時，發出“快速回轉”變為“慢速回轉”的信號，再由擋塊壓合微動開關發出從“慢速回轉”變為“點動步進”信號，最后由功率步進電動機停在某一固定的通電相位上 (稱為鎖相 )，數控機床從而使轉臺準確地停在零點位置上。數控轉臺的圓形導軌采用都是大型推力滾珠軸承，使回轉靈活。徑向導軌由滾子軸承及圓錐滾子軸承保證回轉精度和定心精度。搖臂鉆床用來調整軸承的預緊力，可以消除回轉軸的徑向間隙 。搖臂鉆床是來調整軸承的調整套的厚度，可以使圓導軌上有適當的預緊力，保證導軌有一定的接觸剛度。這種數控機床回轉工作臺可做成標準附件，回轉軸可水平安裝也可垂直安裝，數控機床以適應不同工件的加工要求。 數控回轉工作臺 的組成 數控回轉工作臺具有兩個正交測試軸的傾角儀作為測試工具，將傾角儀設置于待調平的轉臺臺面中心處，使傾角儀的兩個正交測試軸平行于轉臺臺面，通過調整轉臺底座下的調平機構使傾角儀兩測試軸輸出的傾斜角度值轉臺即為調平狀態。 等分回轉工作臺與擺頭是多坐標數控機床的關鍵部件，傳統的采用高精度蝸桿 蝸輪等傳動的轉臺與擺頭不僅制造難度大、成本高，而且難以達到高速加工所需的速度和精度。因此必須另辟蹊徑開發數控轉臺和擺頭的新型電磁驅動系統，以實現數控機床旋轉運動坐標的零傳動驅動。 數控回轉工作臺包括轉臺底腳、圓形的轉臺臺面、四個安裝在轉臺底腳的上表面、以均角布置的滾動軸承件和一安裝在轉臺底腳上表面中心的內裝調心軸承的中心支座，每一滾動軸承件包括一第一滾動軸承和通過第一輪軸支撐第一滾動軸承的支座，回轉工作臺臺面的下表面中心設置有一垂直向下的第二輪軸，回轉工作臺臺面安裝在轉臺底腳之上，第二輪軸與中心支座中的 調心軸承的內圈固定，而所述第一滾動軸承的轉動表面各與轉臺臺面的下表面滾動接觸。 本課題研究的主要內容 通過對數控回轉工作臺設計，希望學生熟悉機電一體化系統中機械系統設計過程，以及掌握利用 AutoCAD 或 UG 來繪制二維圖形或創建三維實體的能力。畢業設計環節是教學計劃中綜合性最強的實踐教學環節，對培養學生的思想、工作作風及實際能力、提高畢業生全面素質具有很重要的意義。同時，對所學知識的全面總結和綜合應用，又為今后走向社會的實際操作應用鑄就了一個良好的開端。 對數控回轉工作臺的設計主要是培養學生綜合應用 所學專業的基礎理論、 8 基本技能和專業知識的能力，培養學生建立正確的設計思想，掌握工程設計的一般程序、規范和方法。而工科類學生更應側重于從生產的第一線獲得生產實際知識和技能，獲得工程技術經用性崗位的基本訓練，通過畢業設計，可樹立正確的生產觀點、經濟觀點和全局觀點，實現由學生向工程技術人員的過渡。 設計準則 我們的設計過程中，本著以下幾條設計準則： 1） 創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 主要技術參數 （ 1）最大回轉半徑： 500 mm （ 2） 回轉角度： 0～ 360176。 （ 3） 回轉精度： 0． 03176。 （ 4） 最大承載重量 100㎏ （ 5） 電液脈沖馬達功率 （ 6） 電液脈沖馬達轉速 3000 rpm （ 7） 總傳動比： 360 長安大學 9 第二章 方案比較 與選擇 傳動方案的選擇 傳動方案傳動時應滿 足的要求 數控回轉工作臺一般由原動機、傳動裝置和工作臺組成，傳動裝置在原動機和工作臺之間傳遞運動和動力，并可實現分度運動。在本課題中，原動機采用應采用步進電機，工作臺為 T形槽工作臺，傳動裝置由齒輪傳動和蝸桿傳動組成。 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：例如工作環境、場地、工作制度等。 （ 3） 工作性能要求：保證工作可靠、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。 傳動方式特點 蝸桿傳動 特點 ： 1)由于蝸桿相當于一個螺桿，當蝸桿的導程角小于摩擦角時，蝸桿傳動帶有自鎖性，這時渦輪副只能由蝸桿驅動渦輪，不能由渦輪驅動蝸桿。 2)蝸輪副傳動的結構緊湊，渦輪箱的外形尺寸較小。 3)蝸輪副傳動平穩，無噪聲 4)蝸輪副傳動是滑動摩擦，在傳動中摩擦損害較大，因此傳動效率較低。采用自鎖蝸桿傳動時，效率約為 50%。 5)由于蝸桿傳動時，蝸桿和蝸輪輪齒間的運動速度較大，摩擦也大，為了提高蝸輪副傳動的壽命，一般蝸桿采用鋼材制造，而蝸輪采用耐磨的材料如青銅等制造。 齒輪傳動 特點 : 齒輪 傳動是由分別安裝在主動軸及從動軸上的兩個齒輪相互嚙合而成。齒輪傳動是應用最多的一種傳動形式，它有如下特點 1） 能保證傳動比穩定不變。 2）能傳遞很大的動力。 3）外廓尺寸小， 結構緊湊、效率高。 + 4） 制造和安裝的精度要求較高。 5） 當兩軸間距較大時，采用齒輪傳動就比較笨重 6）圓周速度及功率范圍廣，應用最廣泛 7）不能緩沖，無過載保護作用，有 噪音 10 傳動方案及其分析 由圖 21所示，數控回轉工作臺的傳動方案有兩種：方案一為一級和二級都是齒輪傳動；方案二為一級齒輪傳動，二級蝸桿傳動。 圖 21 傳動方案 方案一的最大缺陷是： ； ； ，無法使工作臺完成自鎖。 而方案二雖然傳動效率低，但以上三個功能全部都能完成自鎖。 所以 數控回轉工作臺傳動方案為 方案二 ：步進電機 —— 齒輪傳動 —— 蝸桿傳動 —— 工作臺 。 該傳動方案分析如下： 齒輪傳動承受載能力較高 ，傳遞運動準確、平穩，傳遞 功率和圓周速度范圍很大，傳動效率高，結構緊湊。 蝸桿傳動有以下特點： 1．傳動比大，在分度機構中可達 1000以上。與其他傳動形式相比，傳動比相同時，機構尺寸小，因而結構緊湊。 2．傳動平穩 蝸桿齒是連續的螺旋齒，與蝸輪的嚙合是連續的，因此， 11 傳動平穩，噪聲低。 3．可以自鎖 當蝸桿的導程角小于齒輪間的當量摩擦角時，若蝸桿為主動件，機構將自鎖。這種蝸桿傳動常用于起重裝置中。 4．效率低、制造成本較高 蝸桿傳動方面：齒面上具有較大的滑動速度，摩擦磨損大，故效率約為 ，具有自鎖的蝸桿傳動效率僅為 。為了提高減摩擦性和耐磨性，蝸輪通常采用價格較貴的有色金屬制造。 傳動方案的選擇 由以上分析可得：將齒輪傳動放在傳動系統的高速級，蝸桿傳動放在傳動系統的低速級，傳動方案較合理。 原動機的選擇 步進電動機 圖 22 步進電機 步進電動機具有自身的特色．歸納起來有： (1)可以用數字信號直接進行開環控制，整個系統簡單廉價。 (2) 一般步進電機的精度為步進角的 35%，角位移與輸入脈沖數嚴格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性 ， 可以組成結構較為簡單而 又具有 —定精度的開環控制系統，也可在要求更高招度時組成閑環控制系統。 (3)無刷，電動機本體部件少，可靠性高。 (4)易于起動、停止、正反轉及變速．響應性也好 (5)停止時，可有自鎖能力。 (6)步距角選擇范圍大，可在幾十角分至 180 度大范圍內選擇。在小步距情況下通常 可以在超低速下高轉矩穩定運行、通常可以不經減速器直接驅動負載。 12 (7)速度可在相當寬范圍內平滑調節。同時用一臺控制器控制幾臺步進電動機可使它 們完全同步運行。 (8)步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差。 (9)由于存在失步和共振，因此步進電動機的加減速方法根據利用狀態的不向而復雜化。 (10)步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 （ 11） 步進電機外表不允許較高的溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200度以上，所以 步進電機外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 （ 12） 步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。 當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 （ 13） 由步進電機與驅動電路組成的開環數控系統，既非常簡單、廉價， 又非常的可靠 ， 同時，它也可以與角度反饋環節組成高性能的閉環數控系統。 （ 14） 速度可在相當寬的范圍內平滑調節，低速下仍能保證獲得大轉矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅動負載。 （ 15） 步進電機存在振蕩和失步現象，必須對控制系統和機械負載采取相應的措施。 （ 16） 步進電機低速時可以正常運轉 ,但若高于一定速度就無法啟動 ,并伴有嘯叫聲。 伺服 電機 13 圖 23 伺 服電機 伺服 電機 與 步進電機 相比優點： (1)精度：實現了位置，速度和力矩的閉 環控制；克服了步進電機失步的問 題； (2)轉速：高速性能好，一般額定轉速能達到 2020～ 3000 轉；在其額定轉速以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。 (3)適應性：抗過載能力強，能承受三倍于額定轉矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用； (4)穩定：低速運行平穩，低速運行時不會產生類似于步進電機的步進運行現象。適用于有高速響應要求的場合； (5)及時性：電機加減速的動態相應時間短，一般在幾十毫秒之內； (6)舒適性：發熱和噪音明顯降低。 (7)過載能 力： 具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。 避免了 力矩浪費的現象 。 (8)控制性能： 伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。 伺服電機分為 直流伺服 電機和 交流伺服 電機： 直流伺服電機分為有刷和無刷電機。 有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產生電磁干擾，對環境有要求。因此它可以用 于對成本敏感的普通工業和民用場合。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩定。控制復雜，容易實現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或 14 正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環境。 但現在價格高。 交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩運行的應用。 免維護，性價比高。 電液脈沖馬達 ： 電液脈沖馬達由步進電機和液壓伺服機構（即扭矩放大器）所組成。 由步進電機接收數字控制裝置發出的脈沖信號，把它轉換或角位移。經液壓隨動閥和油馬達組成的伺服機構做功率放大后，驅動機床工作臺或刀架，使之進行精確定或作進給運動。是當前數控系統中特別是開環系統中比較理想的伺服元件。電液脈沖馬達廣泛應用在自動控制、同步控制和各種數控機床上。 其優點為 ： 角位移準確、反應迅速、調整范圍廣 ，在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數小，反應快，速度平穩等。缺點為：液壓系統需要供油，體積大，噪聲，漏油等。 圖 24 電液脈沖馬達 采用電液脈沖馬達為驅動單元，其機構也比較簡單，主要是變速齒輪副、滾珠絲杠副，以克服爬行和間隙等不足。通常步進電機每加一