数控回转工作台设计
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湘 潭 大 学毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目: 数控回转工作台的设计 学号: 2008963136 姓名: 邓康平 专业: 机械设计制造及其自动化 指导教师: 周后明 系主任: 周友行 一、主要内容及基本要求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。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:500mm; 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。 设计要求: 1、完成数控回转工作台的方案设计和选型论证 2、数控回转工作台的结构设计,绘制部件装配图和主要零件图,图纸总量折合成A0,不少于2张 3、撰写设计说明书,关键零件应进行强度和刚度计算,说明书字数不少于15万 4、完成资料查阅和3000字的文献翻译 二、重点研究的问题数控回转工作台的结构设计及相关强度校核。 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅资料、调研第1,2周2制订设计方案第3,4周3分析与计算第5,6周4绘部件装配图第7,8、9周5绘零件图第10,11周6撰写设计说明书第12,13周7准备答辩材料第14周8毕业答辩第15周四、应收集的资料及主要参考文献 1、机械设计手册 2、机械传动设计手册 3、吴祖育,秦鹏飞. 数控机床M . 上海:上海科学技术出版社,2000. 4、晏初宏. 数控机床与机械结构M. 北京:机械工业出版社,2005. 5、扬贺来. 数控机床M. 北京:清华大学出版社、北京交通大学出版社,2009. 6、相干网络资信. 湘 潭 大 学 兴湘学院 本科毕业设计(论文)开题报告题 目数控回转工作台的设计 姓 名邓康平学号2008963136专 业机械设计制造及其自动化班级机械2班指导教师周后明职称讲师填写时间2012年2月20日 2012年2月说 明1根据湘潭大学毕业设计(论文)工作管理规定,学生必须撰写毕业设计(论文)开题报告,由指导教师签署意见,系主任批准后实施。2开题报告是毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计(论文)工作前期内完成,开题报告不合格者不得参加答辩。3毕业设计(论文)开题报告各项内容要实事求是,逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨,语言通顺,外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词,须注出全称。4本报告中,由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述,应不少于2000字。5开题报告检查原则上在第24周完成,各系完成毕业设计开题检查后,应写一份开题情况总结报告。6. 填写说明:(1) 课题性质:可填写A工程设计;B论文;C. 工程技术研究;E.其它。(2) 课题来源:可填写A自然科学基金与部、省、市级以上科研课题;B企、事业单位委托课题;C校级基金课题;D自拟课题。(3) 除自拟课题外,其它课题必须要填写课题的名称。(4) 参考文献不能少于10篇。(5) 填写内容的字体大小为小四,表格所留空不够可增页。本科毕业设计(论文)开题报告学生姓名 邓康平学 号2008963136专 业机械设计制造及其自动化指导教师周后明职 称讲师所在系工程系课题来源自拟课题课题性质综合应用课题名称 数控回转工作台的设计一、选题的目的与意义本次设计任务是设计出数控回转工作台:1.数控工作台的总体设计,2.数控工作台的机械结构设计,3.三维工作台的理论分析,4.数控工作台的有限元分析。首先应该了解所加工零件的基本情况,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。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。 本课题属于导师科研课题的部分内容, 对于培养学生电路设计、机械设计,三维CAD等工程实践能力具有重要意义。在实际中工作台在机床上是必不可的部件,工作台的自动化能大大减少劳动强度,提高劳动生产率。数控回转工作台是落地铣镗床,端面铣床等工作母机不可缺少的主要辅机。可用于支撑工件并使其作直线或回转等调整或进给运动,以扩大工作母机的使用性能,缩短辅助时间,广泛应用于能源,冶金,矿山,机械,发电设备,国防等行业的机械加工。二、数控回转工作台的研究状况及发展趋势一个国家的繁荣与其先进制造业密切相关,然而制造是离不开先进机器作为辅助,机床包括床身、立柱、工作台、进给机构等机械部件。工作台作为数控机床的重要组成部分,也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的XY工作台,到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展,也为了环境的要求,一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液旅驱动,现在更多的采用了气动装置,更好的保护了环境,节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件,因此世界各国都有对其进行研究,我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。 目前工作台的种类繁多,传统的工作台只能安装在某一指定机床上,伴随着科技的与时俱进,它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展,现在一些工作台,它不仅可以安装在钻床上,还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴,大大提高了机床的性能。例如我国生产机床工作台的公司之一的烟台恒力数控机床附件有限公司生产HLTK14系列数控可倾回转工作台,它可以实现用于数控机床和加工中心机床上,可利用原机床的两个控制坐标控制转台的回转和倾斜,也可直接利用本转台配套的数控装置与机床联接完成所需的工作循环。它可以完成任意角度的孔、槽、平面类机械加工,以及曲线、凸轮等的加工,并可达到较高的精度。另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上,独立完成等分和不等分的角度分度工作。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似,但是在其精度方面,国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比,还是有一定的差距,因此我们要借助时代的步伐,与时俱进,开拓创新,使我国成为具有领先技术的综合性强国。三、主要内容及基本要求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。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:500mm; 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。 设计要求: 1、完成数控回转工作台的方案设计和选型论证 2、数控回转工作台的结构设计,绘制部件装配图和主要零件图,图纸总量折合成A0,不少于2张 3、3、撰写设计说明书,关键零件应进行强度和刚度计算,说明书字数不少于15万 4、完成资料查阅和3000字的文献翻译 工作进度:序号 各阶段完成的内容 完成时间1 查阅资料、调研 第1,2周2 制订设计方案 第3,4周3 分析与计算 第5,6周4 绘部件装配图 第7,8、9周5 绘零件图 第10,11周6 撰写设计说明书 第12,13周7 准备答辩材料 第14周8 毕业答辩 第15周四、主要参考文献(按作者、文章名、刊物名、刊期及页码列出)1、机械设计手册 2、机械传动设计手册 3、吴祖育,秦鹏飞. 数控机床M . 上海:上海科学技术出版社,2000. 4、晏初宏. 数控机床与机械结构M. 北京:机械工业出版社,2005. 5 扬贺来. 数控机床M. 北京:清华大学出版社、北京交通大学出版社,2009.6、王先逵. 精密加工技术实用手册M. 北京:机械工业出版社,2007 7、相关网络资信 指导教师意 见指导教师签名: 年 月 日系意见 系主任签名: 年 月 日院意见 教学院长签名: 年 月 日摘 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AbstractNumerical 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 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41.1 数控回转工作的原理41.2 设计准则51.3 主要技术参数51.4 本章小结5第二章:数控回转工作台的结构设计62.1 传动方案的确定62.2 齿轮传动的设计72.3 电液脉冲马达的选择及运动参数的计算92.4 蜗轮及蜗杆的选用与校核102.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸122.6 轴的校核与计算132.7 弯矩组合图142.8 根据最大危险截面处的扭矩确定最小轴径142.9 齿轮上键的选择及校核152.10 轴承的选用152.11 本章小结16第三章 数控技术发展趋势163.1 性能发展方向163.2 功能发展方向173.3 体系结构的发展183.4 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。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1520左右的稳定增长。第一章 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分度,扩大了数控机床加工范围。1.1 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。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。1.2 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1.3 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(5)总传动比:72.5(6)最大承载重量1001.4 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。第二章:数控回转工作台的结构设计2.1 传动方案的确定2.1.1步进电机的原理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2.1.2.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。 2.1.3.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。2.2 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=0.97工作日安排每年300工作日计,寿命为10年。2.2.1 选择齿轮传动的类型根据GB/T100851988的推荐,采用直齿轮传动的形式。2.2.2 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。2.2.3 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=9.55106P1/N1=(9.55X1060.75/3000)=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d:由表6-7取d=1许用接触压力H:H=H2=220Mpa传动比i:i=3将以上参数代入公式D13(671/h)2(6-21)KT1(i+1)/diD132.88mm2.2.4 确定齿轮的主要参数与主要尺寸1)齿数 取Z1=22,则Z2=iZ1=322=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 =m/2(Z1+Z2)=60.5mm4)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= dd1=0.6x33=19.8mm, 取b2=b1+(5-10)=25-30mm,取b1=30mm。2.2.5 校核齿根弯曲疲劳强度F=22KT1YFS/bmd1F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f1=2kT1YFS1/bmd1=2x1.2x2.39x103x4.12/(19.8x1.5x33)=74.6MpaF1f2=f1YFS2/YFS1=(74.6x3.96/4.12)Mpa=71.70MPaF2弯曲强度足够。2.2.6 确定齿轮传动精度齿轮圆周速度v=d1n/(60x1000)=3.14x72.5x970/(600x1000)=3.68m/s由表6-4确定第公差组为8级。第、公差组也定为8级,齿厚偏差选HK2.2.7 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2.3 电液脉冲马达的选择及运动参数的计算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。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/1000w KW Pw=Tnw/9950w KW 式中T=150N.M, nw=36r/min,电机工作效率w=0.97,代入上式得Pw=15036/(99500.97)=0.56 KW电机所需的输出功率为:P0= Pw/式中: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w=0.97;一对滚动轴承的效率为w=0.99;蜗杆传动的效率为w=0.8。因此,=1233=0.970.9930.8=0.75P0= Pw/=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=i1i2=315-532=45-160电机转速的范围为N= inw=(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2.22.4 蜗轮及蜗杆的选用与校核由于前述所选电机可知T=6.93N.M传动比设定为i=27.5,效率=0.8工作日安排每年300工作日计,寿命为10年。2.4.1 选择蜗杆传动类型根据GB/T100851988的推荐,采用渐开线蜗杆。2. 4. 2 选择材料 考虑到蜗杆传动效率不大,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,要求蜗杆螺旋齿面淬火,硬度为45-55HRC。蜗轮用铸锡磷青铜Zcusn10p1,金属铸造。为了节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸铁HT100制造。2.4.3 按齿面接触疲劳强度设计根据闭式蜗杆传动的设计准则,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。传动中心距: (3-2) (1)确定作用在蜗轮上的转距T2按Z1=2,估取效率=0.8,则T2=T*i=153.4N.M (3-3)(2)确定载荷系数K因工作载荷较稳定,故取载荷分布不均系数K=1;由使用系数KA表从而选取KA=1.15;由于转速不高,冲击不大,可取动载系数KV=1.1;则K=KA*K*KV=1*1.15*1.1=1.2651.27 (3-4)(3)确定弹性影响系数ZE选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配。 (4)确定接触系数Z先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a=0.30,从而可查出Z=3.12。(5)确定许用应力H根据蜗轮材料为铸锡磷青铜zcusn10p1,金属模铸造,蜗杆螺旋齿面硬度45HRC,从而可查得蜗轮的基本许用应力H=268MPA。因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的,故初步定位、其寿命系数为KHN=0.92,则H= KHNH=0.92268=246.56247MPA (3-5)(6)计算中心距 (3-6) 取中心距a=50mm,m=1.25mm,蜗杆分度圆直径d1=22.4mm,这时=0.448,从而可查得接触系数=2.72,因为Z,因此以上计算结果可用。2.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸2. 5. 1 蜗杆直径系数q=17.92;分度圆直径d1=22.4mm,蜗杆头数Z1=1;分度圆导程角=31138蜗杆轴向齿距:PA=3.94mm;(3-7)蜗杆齿顶圆直径:(3-8)蜗杆轴向齿厚:=1.97mm(3-10)2. 5. 2 蜗轮蜗轮齿数:Z2 =62,变位系数=0验算传动比:i=/=62/1=62(3-11)这是传动比误差为:(60-62)/60=2/60=0.033=3.3%(3-12)蜗轮分度圆直径:d2=mz2=(3-13)蜗轮喉圆直径:da2=d2+2ha2=93.5 (3-14)蜗轮喉母圆直径rg2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25 (3-17)2. 5. 3 校核齿根弯曲疲劳强度(3-18)当量齿数 (3-19)根据2=0,ZV2=62,可查得齿形系数=2.31,螺旋角系数Y=1-/140=0.9773;(3-20)许用弯曲应力F= KFN F=560.72=40.32MPa(3-21)=2.310.9773=4.29MPa(3-22)所以弯曲强度是满足要求的。2.6 轴的校核与计算2.6.1 画出受力简图图 3-1受力简图 计算出:R1=46.6N R2=26.2N 2. 6. 2 画出扭矩图 T=.i.T电机 =0.36600.98 =21.2 N.M (3-33) 图3-2扭矩图 2. 6. 3 弯矩图M=72.818010-3 =13.1N. (3-34) 图3-3弯矩图2.7 弯矩组合图由此可知轴的最大危险截面所在。组合弯矩 (3-35)2.8 根据最大危险截面处的扭矩确定最小轴径 (3-36) 扭转切应力为脉动循环变应力,取=0.6抗弯截面系数W=0.1d3根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及小2.9 齿轮上键的选取与校核(1)取键连接的类型好尺寸因其轴上键的作用是传递扭矩,应用平键连接就可以了。在此用平键。由资料可查出键的截面尺寸为:宽度b=5mm,高度h=5mm,由连轴器的宽度并参考键的长度系列,从而取键长L=10mm。(2)键连接的强度键、轴和连轴器的材料都是钢,因而可查得许用挤压力p= 5060MPa,取其平均值p=135MPa。键的工作长度l=L-b=10-5=5mm,键与连轴器的键槽的接触高度k=0.5h=2.5mm,从而可得:p=2000T/(kld)=127p 可见满足要求。 此键的标记为:键B510 GB/T 10961979。2.10 轴承的选用滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比,滚动轴承摩擦力小,功率消耗少,启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化,因此使用滚动轴承时,只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。2. 10. 1 轴承的类型考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差,因此选用调心性能比较好的圆锥滚子轴承。此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷,外圈可分离,安装时可调整轴承的游隙。其机构代码为3000,然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号为:30208。2. 10. 2 轴承的游隙及轴上零件的调配轴承的游隙和欲紧时靠端盖下的垫片来调整的,这样比较方便。2. 10. 3 滚动轴承的配合滚动轴承是标准件,为使轴承便于互换和大量生产,轴承内孔于轴的配合采用基孔制,即以轴承内孔的尺寸为基准;轴承外径与外壳的配合采用基轴制,即以轴承的外径尺寸为基准。2.10.4 滚动轴承的润滑考虑到电动刀架工作时转速很高,并且是不间断工作,温度也很高。故采用油润滑,转速越高,应采用粘度越低的润滑油;载荷越大,应选用粘度越高的。 2. 10. 5 滚动轴承的密封装置轴承的密封装置是为了阻止灰尘,水,酸气和其他杂物进入轴承,并阻止润滑剂流失而设置的。密封装置可分为接触式及非接触式两大类。此处,采用接触式密封,唇形密封圈。唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环行螺旋弹簧的紧扣作用而套紧在轴上,以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。即如果是为了油封,密封唇应朝内;如果主要是为了防止外物浸入,蜜蜂唇应朝外。2.11 本章小结对数控回转工作台的主要零件及传动系统的零件进行设计 选型 零件校核,按照机械设计一书进行设计,完成机械部分。第三章:数控技术发展趋势3.1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。3.2功能发展方向(1)用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同,因而开发用户界面的工作量极大,用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用,人们可以通过窗口和菜单进行操作,便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 (2)科学计算可视化科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据,使信息交流不再局限于用文字和语言表达,而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合,进一步拓宽了应用领域,如无图纸设计、虚拟样机技术等,这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域,可视化技术可用于CAD/CAM,如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。 (3)插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、样条插补(A、B、C样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 (4)内装高性能PLC数控系统内装高性能PLC控制模块,可直接用梯形图或高级语言编程,具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例,用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改,从而方便地建立自己的应用程序。 (5)多媒体技术应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体,使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域,应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化,在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。3.3体系结构的发展(1)集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片,可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术,可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点,可实现超大尺寸显示,成为和CRT抗衡的新兴显示技术,是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术,将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格,改进性能,减小组件尺寸,提高系统的可靠性。 (2)模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求,将基本模块,如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块,作成标准的系列化产品,通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减,构成不同档次的数控系统。 (3)网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网,可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行,不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。 (4)通用型开放式闭环控制模式采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构,便于裁剪、扩展和升级,可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程,包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素,因此,要实现加工过程的多目标优化,必须采用多变量的闭环控制,在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式,易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体,构成严密的制造过程闭环控制体系,从而实现集成化、智能化、网络化。3.4智能化新一代PCNC数控系统当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体,形成严密的制造过程闭环控制体系。第四章:总结 毕业设计是我们在学完三年教学计划所规定的全部课之后,综合运用所学过的全部理论知识与实践相结合的实践性数学环节。它培养我们进行综合分析和提高解决实际问题的能力,从而达到巩固,扩大,深化所学知识的目的,它培养我们调查研究熟悉有关技术政策,运用国家标准,规范,手册,图册等工具书,进行设计计算,数据处理,编写技术文件的独立工作能力。 通过我学到了很多,初步的让我认识到理论和实践相结合的重要。除了巩固了所学的理论知识外,还学到不少的新知识和新方法。例如在CAD画图中要标注极限偏差时,要先做好标注样式,在标注时只要选种再右击选出你做好的样式,在公差栏里写入你要的上、下偏差值。这是我以前所不会的。通过本次的设计使我对AUTCAD操作更熟练,能够完整的画出简单零件的设计图纸。 刚开始做这个作业的时候,我几乎是无从下手的.让人深感烦燥.幸好在同学的指导和自己不断的错误和摸索下找到了一定的方法. 不过在做这个设计的时候还是遇到了很多问题,如在机械设计的时候对蜗轮蜗杆的设计处理不当,使计算结果偏大等等。有计剪力和弯矩时,没有进行校核,又出现错误,这些错误我用了很长的时长的时间才做好,幸好还是完成了这次设计,使自己对数控机床的工作台有了一定的认识,但我对它里面的很多电器控制还是不太清楚。因而,要学好它,必须掌握不少的其他领域学科的知识,因此还要更多的时间和努力。由于本次设计时间短和水平有限,做的不够精细,难免有点错误恳请各位读者批评指正。同时很多谢老师您对我们的教导! 致 谢本次毕业设计之所以能够按时按要求顺利完成,其中有许多老师和同学给予了莫大的支持和鼓励。首先是陈老师,是他为我们毕业设计提供里大量的技术帮助,为我们安排设计进程,提供设计资料,并在课余时间为我们分析和讲解设计要点,使我更有信心和动力。其次要感谢我的同学,他们很热心和无私,他们在我需要帮助之时伸出了援助之手,特别是李明亮、王青、吴海霞、魏玲四位毕业设计同学,有了他们的关心和支持,毕业设计虽苦但感觉很快乐。最后感谢班主任王老师,他为我提供了这次机会,没有他的指导,我也许不做毕业设计,就不会学到这么多的知识。在论文即将完成之际,我的心情无法平静,从开始进入课题到论文的顺利完成,有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意。 总之没有他们,就没这么完整和全面的毕业设计,所以要再次对他们说一次谢谢你们 ! 参考文献1、机械设计基础 隋明阳 编著 机械工业出版社 2005 22、机电类专业毕业设计指南 张桂香 主编 机械工业出版社 2005 11.张建纲、胡大泽主编.数控技术.武汉.华中科技大学出版社,2000年3、全国数控培训网络天津分中心编.数控机床.北京:机械工业出版社,19974、.全国数控培训网络天津分中心编.数控编程.北京:机械工业出版社,19975、.戴曙等.金属切削机床.北京:机械工业出版社,1995 - 20 -
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