数控回转工作台说明书.docx
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数控回转工作台说明书
目录
摘要……………………………………………………………………………….2
第一章:
绪论………………………………………………………………….3
1.1本课题研究的目的及意义………………………….………………3
1.2国内外研究现状及发展趋势………………………….………………3
1.3主要内容及要求……………………………………………………….6
第二章:
传动方案及其分析…………………………………………………….8
2.1传动方案的选择………………………………………………………8
第三章:
传动设计及其计算…………………………………………………….11
3.1齿轮传动的设计………………………………………………..……..11
3.2选择齿轮的类型……………………………………………………...11
3.3驱动方式的选择及运动参数的计算…………………………………12
3.4蜗轮及蜗杆的选用与校核…………………………………………...14
3.5蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸…………………………………...15
轴的校核与计算…………………………………………………………..16.
2.7弯矩组合图…………………………………………………………….17
2.8根据最大危险截面处的扭矩确定最小轴径…………………………17
2.9齿轮上键的选择及校核………………………………………………17
2.10轴承的选用…………………………………………………………….18
2.11本章小结……………………………………………………………….19
第四章数控回转工作台的结构设计………………………………………….20
4.1数控回转工作台的整体结构设计…………………………………..20
4.2蜗杆轴的结构设计…………………………………………………..21
4.3涡轮的结构设计…………………………………………………..…22
4.4大小齿轮的结构设计……………………………………………..…22
4.5本章小结……………………………………………………………23
第五章总结…………………………………………………………………….24
致谢……………………………………………………………………………….25
参考文献……………………………………………………………………….…26
数控回转工作台
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
NCrotarytable
Abstract
Numericalcontrolthereisinthefuturelathetoinwilldevelop,themiddle-gradetoadoptpopularnumericalcontrolkniferestformacompleteset,adoptthemotiveforcetypekniferesttop-grandly,havesuchvarietiesaskniferestofhydraulicpressure,servokniferest,verticalkniferest,etc.concurrently,itisestimatedthatwillincreasetonumericalcontrolkniferestdemandgreatlyinrecentyears.ThedevelopmenttrendoftheNumericalcontrolrotarytableis:
Withthedevelopmentofnumericalcontrollathe,numericalcontrolkniferestbegintochangeonehundredsheets,electricliquidisiturgeandurgedirectiondevelopwhilebeingservotomakeupfast.Someoriginallydesignandisitcontinueelectricitytousetofourworkerlocationverticalelectronicmachineryofkniferestmainly-exposedtocontrolsystemcontrolsomedesigns.AnduseAUTOCADtopursuetotheabovepart,haveamoreocularknowledgeofelectronickniferest.ThelastpropositionhasputforwardthesuggestionandmeasuretoNumericalcontrolrotarytable.
Keyword:
Numericalcontrolrotarytable;Geardrive;Wormdrive;Gapelimination;Thewormgearstepsup.
第一章绪论
1.1本课题研究的目的及意义
目的:
通过毕业设计资料的搜集、整理、数据的查询,方案的确定,撰写、电路的设计以及毕业答辩等活动,初步了解数控机床回参考点的方式的种类何工作原理,接受初步的数控机床的训练和熏陶,深化和综合基础课、专业课的分析问题和解决问题的能力以及培养协作精神,树立高度的工作责任感的能力,同时系统的对我们三年所学知识进行总结,全面的复习整理,查缺补漏,以达到熟练掌握专业知识的目的,并综合运用和深化所学专业理论识培养独立分析和解决一般工作实际问题的能力,树立高度的责任感,以便在日后工作中能得心应手。
能更好的适应社会的需要,充分发挥自己的才华,贡献自己的一份力量。
意义:
随着教育改革的逐步深入,为落实增强学生的创新精神,能力培养和素质教育三大新的教育目标打破以理论教学为主,实验教学和实践为辅的传统教育方法,提高学生的创新能力及灵活运用知识的能力,以便能最快的适应工作的需求
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。
数控机车是数控技术最普遍的应用。
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。
本课题主要介绍了它的原理和机械结构的设计。
1.2国内外研究现状及发展趋势
进入21世纪,我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机,也遭遇到加入WTO后激烈的市场竞争的压力。
从技术层面上来讲,加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。
而从国际上来说,代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统[1],从某种意义上来说,反映了一个国家的工业发展水平状况。
长期以来,以美国为首的西方工业发达国家,一直把五轴联动数控机床系统作为他们重要的战略物资,由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵,加之NC程序制作较难,使五轴系统难以“平民”化的应用。
下面列举几种数控回转工作台的实例以及相关资料:
图1-1TK12系列数控回转工作台
TK12系列数控回转工作台是各类数控镗铣床和加工中心的关键配套附件,工作台可以水平方式安装与主机工作台上,用于主机的第四回转轴,或直接作为机床的工作台使用。
转台在主机相关控制系统控制下,可实现等分及不等分的孔、槽或者连续特殊曲面的加工,且能保证很高的加工精度。
图1-2TK51系列数控液压等分回转工作台
TK51系列数控等分液压回转工作台可配套于高精度的镗床、钻床、铣床及其它机床,是需要高精度等分分度的专用机床及流水线的首选产品。
该产品由液压缸驱动齿条推动工作台旋转分度,由压力油驱动一对高精度的端齿盘脱开、啮合,实现工作台的定位刹紧。
该系列转台具有分度精度高(分度精度3〞重复精度1〞)、操作控制简单、使用安全可靠等特点。
如与数控机床配套使用,可用数控系统的M指令进行控制;与非数控机床配套使用
图1-3TK15系列手动可倾数控回转工作台
TK15系列手动可倾数控回转工作台主要用于加工中心和数控镗铣床上,作为主机第四回转轴,完成工件上任意角度的孔,槽,平面以及曲线,凸轮等要素的加工,并可达到较高的精度。
工作台可以手动倾斜与水平面呈0~90度内的任意角度
数控转台的发展趋势是:
在规格上将向两头延伸,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。
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。
数控回转工作台的性能发展方向:
(1)高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。
由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统,同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施,机床的高速高精高效化已大大提高。
(2)柔性化 包含两方面:
数控系统本身的柔性,数控系统采用模块化设计,功能覆盖面大,可裁剪性强,便于满足不同用户的需求;群控系统的柔性,同一群控系统能依据不同生产流程的要求,使物料流和信息流自动进行动态调整,从而最大限度地发挥群控系统的效能。
(3)工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工,正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。
数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后,通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施,完成多工序、多表面的复合加工。
数控技术轴,西门子880系统控制轴数可达24轴。
(4)实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境,其作用是如何调度任务,以确保任务在规定期限内完成。
而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。
科学技术发展到今天,实时系统和人工智能相互结合,人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展,而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展,由此产生了实时智能控制这一新的领域。
在数控技术领域,实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展:
自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。
例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统,在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能,在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制,使数控系统的控制性能大大提高,从而达到最佳控制的目的。
1.3主要内容及要求
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。
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
数控回转工作台是一种可实现圆周进给和分度运动的工作台,可大大提高加工效率和扩大数控加工的工艺范围。
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。
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本设计为数控回转工作台的设计,其主要技术指标与要求如下:
1、回转工作台的回转半径:
450mm;
2、回转工作台的重复定位精度0.005mm;
3、回转工作台的最大载重量:
100kg;
4、适应范围:
用于卧式镗床和加工中心
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。
第二章传动方案及其分析
2.1传动方案的选择
有如下三种不同的方案
图2-1方案
(1)
方案
(1)采用的是皮带传动加涡轮蜗杆的传动方案。
分析此方案可发现皮带有不少的缺点:
1、滑动损失
皮带在工作时,由于带轮两边的拉力差以及相应的变形经差形成弹性滑动,导致带轮与从动轮的速度损失。
弹性滑动与载荷、速度、带轮直径和皮带的结构有关,弹性滑动率通常在1%-2%之间。
有的皮带传动还有几何滑动。
过载时将引起打滑,使皮带的运动处于不稳定状态,效率急剧下降,磨损加剧,严重影响皮带的寿命。
2、滞后损失
皮带在运行中会产生反复伸缩,特别是带轮上的绕曲会使皮带体内部产生摩擦引起功率损失。
3、空气阻力
高速传动时,运动中的风阻将引起转矩损耗,其损耗值与速度的平方成正比。
因此,设计高速皮带传动时,皮带的表面积宜小,尽量用厚而窄的皮带,带轮的轮辐面要平滑,或用辐板以减小风阻。
4、轴承的摩擦损失
皮带在工作时,轴承受到皮带的拉力,也引起转矩损。
滑动轴承的损伯为2%-5%,滚动轴承的损失为1%-2%
图2-2:
方案
(2)
方案
(2)采用的是涡轮蜗杆加齿轮组的传动方案
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
图2-3:
方案(3)
方案(3)采用的是齿轮传动加锥齿轮的传动方案,锥齿轮在很大程度上与涡轮蜗杆有可以相互取代的可能,但在本次设计中要求能传动自锁,这是锥齿轮传动所不具备的。
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。
第三章传动设计及计算
3.1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。
3.2.1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。
3.2.2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
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
3.2.3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
齿宽:
b=ψdd1=0.6x33=19.8mm,取b2=b1+(5-10)=25-30mm,取b1=30mm。
3.2.4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Z1Z2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。
3.2.5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
3.2.6齿轮结构设计
小齿轮d1=33mmda1=36mm采用实心式齿轮
大齿轮d2=99mmda2=102mm采用腹板式齿轮
3.3驱动方式的选择及运动参数的计算
3.3.1驱动方式的选择
1)由于数控回转工作台的控制精度要求较高且工作功率不大,动力源应选择微特电机。
可选择步进电机和伺服电机。
由于本工作台是闭环控制,故开环的步进电机不合适,选用闭环控制中广泛使用的交流伺服电动机。
交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似,其定子上装有两个位置互差90°的绕组,一个是励磁绕组Rf,它始终接在交流电压Uf上,另一个是控制绕组L,联接控制信号电压Uc。
所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。
交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式,但为了是伺服电动机具有较宽的调速范围,线性的机械特性,无“自转”现象和快速响应的性能,它与普通电动机相比,应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。
目前应用较多的转子结构有两种形式:
一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子,为了减小转子的转动惯量,转子做的细长:
另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子,杯壁很薄,仅0.2-0.3mm,为了减小磁路的磁阻,要在空心杯形转子内放置固定的内定子,空心杯型转子的转动惯量很小,反应迅速,而且运转平稳,因此被广泛采用。
交流伺服电动机在没有控制电压时,定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场,转子静止不动当有控制电压时,定子内便产生一个旋转磁场,转子沿旋转磁场的方向旋转,在负载恒定的情况下,电动机的转速随控制电压的大小而变化,当控制电压的相位相反时,伺服电动机将反转。
交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似,但前者的转子电阻比后者大得多,所以伺服电动机与单相异步电动机相比,有三个显著特点:
1、起动转矩大:
由于转子电阻大,其转矩特性曲线与普通异步电动机的转矩特性曲线相比,有明显的区别。
它可使临界转差率SO>1,这样不仅使转矩特性更接近于线性,而且具有较大的起动转矩。
因此,当定子一有控制电压,转子立即转动,即具有起动快、灵敏度高的特点。
2、无自转现象:
正常运转的伺服电动机,只要失去控制电压,电机立即停止运转。
当伺服电动机失去控制电压后,它处于单相运行状态,由于转子电阻大,定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性(T1-S1,T2-S2曲线)以及合成转矩特性(T-S曲线)
交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。
当电源频率为50HZ,电压有36V、110V、220V、380V;当电源频率为400HZ,电压有20V、26V、36V、115V等多种。
交流伺服电动机运行平稳、噪音小。
但控制特性是非线性,并且由于转子电阻大,损耗大,效率低,因此与同容量直流伺服电动机相比,体积大、重量重,所以只使用于0.5-110W的小功率控制系统
2)选择电机的额定功率
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/1000ηwKWPw=Tnw/9950ηwKW
式中T=150N.M,nw=36r/m
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