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一、 課題來(lái)源、類型
來(lái)源：科研
類型：科研論文
二、選題的目的及意義
目的：隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，加工中心的需求也在增加，特別是四軸、五軸聯(lián)動(dòng)的加工中心。雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是五軸聯(lián)動(dòng)的重要功能部件，它能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)軸和擺動(dòng)軸的兩坐標(biāo)定位。通過(guò)第四軸、第五軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)或分度頭完成精密角度的等分、不等分或連續(xù)的回轉(zhuǎn)加工，完成復(fù)雜曲面加工，使機(jī)床的加工范圍得以擴(kuò)大。在三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床上增加了雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，并通過(guò)數(shù)控改造使之成為五軸數(shù)控銑床，是擴(kuò)展普通機(jī)床使用功能的簡(jiǎn)捷方式。
意義：五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是一種科技含量高、精密度高專門(mén)用于加工復(fù)雜曲的機(jī)床，這種機(jī)床系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國(guó)家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力，堪稱“制造業(yè)之靈魂”。 而提高五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的科技含量、精密度的重要手段之一就是提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的精密度。需要不斷提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)工作性能，才能在實(shí)質(zhì)上提高我國(guó)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的整體水平，使我國(guó)裝備制造業(yè)得到長(zhǎng)足發(fā)展。
三、 本課題在國(guó)內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)
研究狀況：五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是近幾年才發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)技術(shù)水平。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)是數(shù)控機(jī)床的重要功能部件之一，國(guó)內(nèi)外將對(duì)其的研發(fā)和改進(jìn)視為重中之重。只是國(guó)外研發(fā)步伐比較早，像美國(guó)，德國(guó)，日本這樣的發(fā)達(dá)國(guó)家在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)方面已經(jīng)有了較為成熟的技術(shù)，其表現(xiàn)為：具有較好的可靠性，耐用度和精度保持性等。我國(guó)的數(shù)控研發(fā)企業(yè)雖然起步很晚，但也奮起直追，在研發(fā)層面上已與國(guó)外企業(yè)水平相持平，只是苦于國(guó)內(nèi)加工企業(yè)其持設(shè)施較差，無(wú)法完成較高精度零件的加工，使得國(guó)產(chǎn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)在可靠性，精度保持性上與國(guó)外有較大差距。
發(fā)展趨勢(shì)：在規(guī)格上向兩頭延伸，即開(kāi)發(fā)小規(guī)格和大規(guī)格的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)；在性能上進(jìn)一步提高剎緊力矩、提高主軸轉(zhuǎn)速及可靠性；在蝸桿副傳動(dòng)方面，大幅度提高工作臺(tái)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)臺(tái)的承載能力；在轉(zhuǎn)臺(tái)形式方面，繼續(xù)開(kāi)發(fā)研制兩軸聯(lián)動(dòng)和多軸并聯(lián)回轉(zhuǎn)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)。在我國(guó)，數(shù)控機(jī)床與裝備的發(fā)展亦得到了高度重視，近年來(lái)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，特別是在通用數(shù)控領(lǐng)域，以PC為平臺(tái)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)逐步縮短了與世界先進(jìn)水平的差距。作為機(jī)床的主要組成部分，分度類機(jī)床附件（轉(zhuǎn)臺(tái)、分度頭、刀架）對(duì)機(jī)床的性能、質(zhì)量、可靠性起著至關(guān)重要的作用，作為數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)，在近期的主要任務(wù)是進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研制高精度、高剛性、高回轉(zhuǎn)速度的多功能數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)。
四、 本課題主要研究?jī)?nèi)容
研究?jī)?nèi)容：雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的重要部件之一，本題將對(duì)其做簡(jiǎn)單研究。我們知道五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床是加工復(fù)雜表面的唯一手段，它之所以能實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)關(guān)鍵在于它增加了雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（與傳統(tǒng)三軸機(jī)床相比較）。雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)了繞Z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和繞X或Y軸的擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜曲面的加工，完成了傳統(tǒng)機(jī)床無(wú)法完成的加工要求。首先通過(guò)參閱相關(guān)資料了解雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及發(fā)展?fàn)顩r，重點(diǎn)掌握其結(jié)構(gòu)布局、重點(diǎn)功能部件的選擇及分布。主要內(nèi)容有：1.步進(jìn)電機(jī)的選擇；2.工作臺(tái)方案的確定；3.雙回轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4.渦輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算；5.齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算。最后，在老師指導(dǎo)和幫助下，完成雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算，采用SOLID EDGE三維制圖，并繪制裝配圖。
五、 完成論文的條件和擬采用的研究手段（途徑）
完成的條件：獨(dú)立認(rèn)真完成。
研究手段：查閱各種相關(guān)資料，了解雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的作用、結(jié)構(gòu)、工作原理、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。在已有數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，探求其可改進(jìn)之處，仔細(xì)對(duì)比各節(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)使用要求選用相關(guān)的結(jié)構(gòu)，計(jì)算出各部件結(jié)構(gòu)尺寸，完成校核。
熟悉并能運(yùn)用Solid Edge畫(huà)出其三維實(shí)體圖，實(shí)現(xiàn)它的空間正確裝配 ，檢查其空間運(yùn)轉(zhuǎn)是否會(huì)產(chǎn)生碰撞交涉，最終實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。之后，我們通過(guò)其三維造型導(dǎo)出二維視圖。
六、本課題進(jìn)度安排、各階段預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)：
1.查閱資料（第 周）：查閱相關(guān)資料，了解雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)、工作原理、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 。
2.文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告（第 周）：完成文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告。
3.結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)（第 周）：認(rèn)真分析各主要功能部件的結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算各部分尺寸。
4.校核計(jì)算（第 周）：根據(jù)強(qiáng)度、剛度、精確度等要求對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行校核計(jì)算。
5.出 圖（第 周）：使用SOLID EDGE進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并完成裝配圖。
6.撰寫(xiě)論文（第 周）：總結(jié)前面過(guò)程，完成計(jì)算說(shuō)明書(shū)。
7.準(zhǔn)備答辯（第 周）：交畢業(yè)設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備答辯。
8.修改畢業(yè)設(shè)計(jì)（第 周）：經(jīng)過(guò)答辯，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并且及時(shí)修改。
七、指導(dǎo)教師意見(jiàn)
對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
指導(dǎo)教師：
八、所 在 專 業(yè) 審 查 意 見(jiàn)
負(fù)責(zé)人：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
文獻(xiàn)綜述
題目
雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)
學(xué)號(hào)
學(xué)生
指導(dǎo)教師
年
文獻(xiàn)綜述
一. 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)簡(jiǎn)介[１]
雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是五軸聯(lián)動(dòng)的基礎(chǔ)，它能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)軸和擺動(dòng)軸的兩坐標(biāo)定位。在三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床上增加了雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，并通過(guò)數(shù)控改造使之成為五軸數(shù)控銑床，是擴(kuò)展機(jī)床使用功能的簡(jiǎn)捷方式。
數(shù)控機(jī)床加工某些零件時(shí),除需要有沿X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之外, 還需要有繞X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng),分別稱為A、B、C軸。
安裝雙回轉(zhuǎn)軸工作臺(tái)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床也稱五坐標(biāo)機(jī)床, 它是在三個(gè)平動(dòng)軸(沿X、Y、Z軸的直線運(yùn)動(dòng)) 的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸(能實(shí)現(xiàn)繞X 軸、Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 即A軸和C軸)，雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)了A軸和C軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 設(shè)置在床身上的工作臺(tái)可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，A軸一般工作范圍有限，并非360度。工作臺(tái)的中間還設(shè)有一個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)，環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C軸都是360度回轉(zhuǎn)。這樣五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)的關(guān)鍵就在于雙回轉(zhuǎn)軸工作臺(tái)。
二. 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的特點(diǎn)[１]
裝有雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)不僅可使刀具相對(duì)于工件的位置任意可控, 而且刀具軸線相對(duì)于工件的方向也在一定范圍內(nèi)任意可控,由此使的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工具有以下特點(diǎn):
A. 可避免刀具干涉, 加工普通三坐標(biāo)機(jī)床難以加工的復(fù)雜零件,加工適應(yīng)性廣,如圖1 (a) 所示。
B. 對(duì)于直紋面類零件, 可采用側(cè)銑方式一刀成型, 加工質(zhì)量好、效率高,如圖1(b) 所示。
C. 對(duì)一般立體型面特別是較為平坦的大型表面, 可用大直徑端銑刀端面逼近表面進(jìn)行加工, 走刀次數(shù)少, 殘余高度小, 可大大提高加工效率與表面質(zhì)量,如圖1(c) 所示。
D. 對(duì)工件上的多個(gè)空間表面可一次裝夾進(jìn)行多面、多工序加工,加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度, 如圖1 (d) 所示。
E. 五軸加工時(shí), 刀具相對(duì)于工件表面可處于最有效的切削狀態(tài)。例如使用球頭刀時(shí)可避免球頭底部切削,如圖1 (e) 所示, 利于提高加工效率。同時(shí),由于切削狀態(tài)可保持不變,刀具受力情況一致, 變形一致, 可使整個(gè)零件表面上的誤差分布比較均勻,這對(duì)于保證某些高速回轉(zhuǎn)零件的平衡性能具有重要作用。
F. 在某些加工場(chǎng)合, 如空間受到限制的通道加工或組合曲面的過(guò)渡區(qū)域加工, 可采用較大尺寸的刀具避開(kāi)干涉, 刀具剛性好,有利于提高加工效率與精度,如圖1 (f)所示?，F(xiàn)在, 大家普遍認(rèn)為, 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等加工的唯一手段。所以,每當(dāng)人們?cè)谠O(shè)計(jì)、研制復(fù)雜曲面遇到無(wú)法解決的難題時(shí),往往轉(zhuǎn)向求助于五軸數(shù)控系統(tǒng)。
圖1 五軸聯(lián)動(dòng)加工的特點(diǎn)
三. 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)和原理[１][2][3][4][5][6][12]
由于五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)價(jià)格十分昂貴, 加之NC 程序制作較難,使五軸系統(tǒng)難以“平民”化。
現(xiàn)在很多的工廠使用的是三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床,即能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)軸方向的同時(shí)平動(dòng)。如果再配上一個(gè)雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái),能實(shí)現(xiàn)繞X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)(即A軸和C軸), 再完成數(shù)控部分的改造,實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制即能實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)。這樣即可減少固定資產(chǎn)的無(wú)形磨損, 又避免購(gòu)置新機(jī)的大量資金投入。
3.1雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的功用
第一, 使工作臺(tái)進(jìn)行圓周進(jìn)給完成切削工作;第二, 使工作臺(tái)進(jìn)行分度工作。它按照控制系統(tǒng)的命令,在需要時(shí)完成上述務(wù)。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng), 采用無(wú)級(jí)變速方式工作,所以定位精度完全由控制系統(tǒng)決定。
3.2 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)
此處引用的工作臺(tái)屬于閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái), 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器分別位于與工作臺(tái)固接的軸端和支撐座的尾端,能將旋轉(zhuǎn)后的位置準(zhǔn)確的反饋回系統(tǒng)。這種數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng), 在它的輸出軸上接連軸器, 再接一級(jí)齒輪減速器。該數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)由圓柱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、渦輪渦桿傳動(dòng)系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪夾緊裝置組成。
因?yàn)槭菧u輪渦桿傳動(dòng)與分度, 所以停位不受限, 并不像端齒分度盤(pán)一樣, 只能分度固定的角度的整數(shù)倍(5°、10°、15°等), 而且偏轉(zhuǎn)范圍較大(110°～-70°),能加工任何角度與傾斜度的孔與表面。齒的側(cè)隙是靠齒輪制造精度和安裝精度來(lái)保持。大齒輪的支撐軸與渦桿軸做成一個(gè)軸, 這種聯(lián)結(jié)方式能增大連接的剛性和精度,更能減少功率的損耗。
其工作原理簡(jiǎn)述如下:
回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由交流侍服電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓柱齒輪傳動(dòng), 帶動(dòng)渦輪渦桿系統(tǒng), 使工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)接到數(shù)控系統(tǒng)的指令后, 首先松開(kāi)圓周運(yùn)動(dòng)部分的渦輪夾緊裝置, 松開(kāi)渦輪, 然后啟動(dòng)交流侍服電機(jī), 按
圖2 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的工作原理圖
數(shù)控指令確定工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)方向、回轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)角度大小等參數(shù)。
擺動(dòng)部分的工作原理與此相同。
需要說(shuō)明的是, 當(dāng)工作臺(tái)靜止時(shí)必須處于鎖緊狀態(tài), 工作臺(tái)沿其圓周方向均勻分布6個(gè)夾緊液壓缸進(jìn)行夾緊。當(dāng)工作臺(tái)不回轉(zhuǎn)時(shí), 夾緊油缸在液壓油的作用下向外運(yùn)動(dòng), 通過(guò)鎖緊塊僅僅頂在渦輪內(nèi)壁,從而鎖緊工作臺(tái)。當(dāng)工作臺(tái)需要回轉(zhuǎn)時(shí),數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令, 反向重復(fù)上述動(dòng)作, 松開(kāi)渦輪, 使渦輪和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)按照控制系統(tǒng)的指令進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
3.3雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)C軸回轉(zhuǎn)部分
圖3 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)工作原理
圖中：1--工作臺(tái)體，2--主軸，3--上多齒盤(pán)，4--下多齒盤(pán)，5--油缸下腔，6--齒盤(pán)離合器，7--齒輪，8--齒條，9--傳感器，10--傳感器，11--花鍵副，12--限位擋塊，13--底盤(pán)，14--活塞
分度動(dòng)作順序如下:油缸下腔5 進(jìn)油-- 活塞14 帶動(dòng)工作臺(tái)體1抬起-- 上多齒盤(pán)3 與下多齒盤(pán)4 分離-- 主軸2 帶動(dòng)齒盤(pán)離合器6 嚙合-- 回轉(zhuǎn)油缸(圖中未畫(huà)出) 帶動(dòng)齒條8 前進(jìn)-- 齒輪7 帶動(dòng)工作臺(tái)體1 及上多齒盤(pán)3 回轉(zhuǎn)至下一工位-- 油缸下腔5 回油--工作臺(tái)體1 落下-- 多齒盤(pán)3 ,4 嚙合準(zhǔn)確定位并夾緊-- 齒盤(pán)離合器6 分離-- 齒條8 縮回復(fù)位。
3.4回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)部分的傳動(dòng)
圖4回轉(zhuǎn)部分和擺動(dòng)部分中齒輪傳動(dòng)渦輪渦桿傳動(dòng)示意圖
由圖4可知 整個(gè)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)按照功用不同可以分為兩個(gè)組成部分，即圓周回轉(zhuǎn)部分和擺動(dòng)部分 ；在圓周回轉(zhuǎn)部分和擺動(dòng)部分中又可以按照傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分 ，即齒輪傳動(dòng)部分和蝸輪蝸桿傳動(dòng)部分。
3.5雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)物圖
正如上面所描述，本文介紹的雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)物如圖5所示。
圖5雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)物圖
四. 五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)類型[9][12]
4.1立式五軸加工中心
這類加工中心是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸（圖6）。設(shè)置在床身上的工作臺(tái)可以環(huán)
圖6立式雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)
繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，A軸一般工作范圍 30度至-120度。工作臺(tái)的中間還設(shè)有一個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)，在圖示的位置上環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C軸都是360度回轉(zhuǎn)。這樣通過(guò)A軸與C軸的組合，固定在工作臺(tái)上的工件除了底面之外，其余的五個(gè)面都可以由立式主軸進(jìn)行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0.001度，這樣又可以把工件細(xì)分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如與XYZ三直線軸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，就可加工出復(fù)雜的空間曲面，當(dāng)然這需要高檔的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持。這種設(shè)置方式的優(yōu)點(diǎn)是主軸的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺(tái)不能設(shè)計(jì)太大，承重也較小，特別是當(dāng)A軸回轉(zhuǎn)大于等于90度時(shí)，工件切削時(shí)會(huì)對(duì)工作臺(tái)帶來(lái)很大的承載力矩。
另一種是依靠立式主軸頭的回轉(zhuǎn)（圖2）。主軸前端是一個(gè)回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞Z軸360度，成為C軸，回轉(zhuǎn)頭上還帶可環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，一般可達(dá)±90度以上，實(shí)現(xiàn)上述同樣的功能。這種設(shè)置方式的優(yōu)點(diǎn)是主軸加工非常靈活，工作臺(tái)也可以設(shè)計(jì)的非常大，客機(jī)龐大的機(jī)身、巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)殼都可以在這類加工中心上加工。這種設(shè)計(jì)還有一大優(yōu)點(diǎn)：我們?cè)谑褂们蛎驺姷都庸で鏁r(shí)，當(dāng)?shù)毒咧行木€垂直于加工面時(shí)，由于球面銑刀的頂點(diǎn)線速度為零，頂點(diǎn)切出的工件表面質(zhì)量會(huì)很差，采用主軸回轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)，
圖2 主軸回轉(zhuǎn)的立式五軸加工中心
令主軸相對(duì)工件轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，使球面銑刀避開(kāi)頂點(diǎn)切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質(zhì)量。這種結(jié)構(gòu)非常受模具高精度曲面加工的歡迎，這是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。為了達(dá)到回轉(zhuǎn)的高精度，高檔的回轉(zhuǎn)軸還配置了圓光柵尺反饋，分度精度都在幾秒以內(nèi)，當(dāng)然這類主軸的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本也較高。
立式加工中心的主軸重力向下，軸承高速空運(yùn)轉(zhuǎn)的徑向受力是均等的，回轉(zhuǎn)特性很好，因此可提高轉(zhuǎn)速，一般高速可達(dá)1,2000r/min以上，實(shí)用的最高轉(zhuǎn)速已達(dá)到4,0000轉(zhuǎn)。主軸系統(tǒng)都配有循環(huán)冷卻裝置，循環(huán)冷卻油帶走高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，通過(guò)制冷器降到合適的溫度，再流回主軸系統(tǒng)。X、Y、Z三直線軸也可采用直線光柵尺反饋，雙向定位精度在微米級(jí)以內(nèi)。由于快速進(jìn)給達(dá)到40～60m/min以上，X、Y、Z軸的滾珠絲杠大多采用中心式冷卻，同主軸系統(tǒng)一樣，由經(jīng)過(guò)制冷的循環(huán)油流過(guò)滾珠絲杠的中心，帶走熱量。
4.2臥式五軸加工中心
此類加工中心的回轉(zhuǎn)軸也有兩種方式，一種是臥式主軸擺動(dòng)作為一個(gè)回轉(zhuǎn)軸，再加上工作臺(tái)的一個(gè)回轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工。這種設(shè)置方式簡(jiǎn)便靈活，如需要主軸立、臥轉(zhuǎn)換，工作臺(tái)只需分度定位，即可簡(jiǎn)單地配置為立、臥轉(zhuǎn)換的三軸加工中心。由主軸立、臥轉(zhuǎn)換配合工作臺(tái)分度，對(duì)工件實(shí)現(xiàn)五面體加工，制造成本降低，又非常實(shí)用。也可對(duì)工作臺(tái)設(shè)置數(shù)控軸，最小分度值0.001度，但不作聯(lián)動(dòng)，成為立、臥轉(zhuǎn)換的四軸加工中心，適應(yīng)不同加工要求，價(jià)格非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。
圖7 臥式雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)
另一種為傳統(tǒng)的工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸（圖3），設(shè)置在床身上的工作臺(tái)A軸一般工作范圍 20度至-100度。工作臺(tái)的中間也設(shè)有一個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái) B軸，B軸可雙向360度回轉(zhuǎn)。這種臥式五軸加工中心的聯(lián)動(dòng)特性比第一種方式好，常用于加工大型葉輪的復(fù)雜曲面?；剞D(zhuǎn)軸也可配置圓光柵尺反饋，分度精度達(dá)到幾秒，當(dāng)然這種回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)格也昂貴。
目前臥式加工中心工作臺(tái)可以做到大于1.25m2，對(duì)第一種五軸設(shè)置方式?jīng)]有什么影響。但是第二種五軸設(shè)置方式比較困難，因?yàn)?.25m2的工作臺(tái)做A軸的回轉(zhuǎn)，還要與工作臺(tái)中間的B軸回轉(zhuǎn)臺(tái)聯(lián)動(dòng)確實(shí)勉為其難。臥式加工中心的主軸轉(zhuǎn)速一般在10,000rpm以上，由于臥式設(shè)置的主軸在徑向有自重力，軸承高速空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)徑向受力不均等，加上還要采用較大的BT50刀柄，一般最高可達(dá)20,000rpm。臥式加工中心快速進(jìn)給達(dá)到30～60m/min以上，主軸電機(jī)功率22-40KW以上，刀庫(kù)容量按需要可從40把增加到160把，加工能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般立式加工中心，是重型機(jī)械加工的首選。
加工中心大多可設(shè)計(jì)成雙工作臺(tái)交換，當(dāng)一個(gè)工作臺(tái)在加工區(qū)內(nèi)運(yùn)行，另一工作臺(tái)則在加工區(qū)外更換工件，為下一個(gè)工件的加工做準(zhǔn)備，工作臺(tái)交換的時(shí)間視工作臺(tái)大小，從幾秒到幾十秒即可完成。最新設(shè)計(jì)的加工中心考慮到結(jié)構(gòu)上要適合組成模塊式制造單元（FMC）和柔性生產(chǎn)線（FMS），模塊式制造單元一般至少有兩臺(tái)加工中心和四個(gè)交換工作臺(tái)組成，加工中心全部并排放置，交換工作臺(tái)在機(jī)床前一字形排開(kāi)，交換工作臺(tái)多的可以排成兩行、甚至雙層設(shè)計(jì)。兩邊各有一個(gè)工位作為上下工件的位置，其余工位上的交換工作臺(tái)安裝著工件等待加工，有一輛小車(chē)會(huì)按照系統(tǒng)指令，把裝著工件的交換工作臺(tái)送進(jìn)加工中心，或從加工中心上取出完成加工的交換工作臺(tái)，送到下一個(gè)工位或直接送到下料工位，完成整個(gè)加工操作。柔性生產(chǎn)線除了小車(chē)、交換工作臺(tái)之外，還有統(tǒng)一的刀具庫(kù)，一般會(huì)有幾百把刀具，在系統(tǒng)中存入刀具的身份編碼信息，再通過(guò)刀具輸送系統(tǒng)送進(jìn)加工中心，并把用完的刀具取回，柔性生產(chǎn)線往往還需要一臺(tái)FMS的控制器來(lái)指揮運(yùn)行。
五. 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的發(fā)展[9][10][11][12][13]
裝備制造業(yè)是一國(guó)工業(yè)之基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達(dá)工業(yè)化國(guó)家，也無(wú)不高度重視。近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的需要，對(duì)高檔的數(shù)控機(jī)床提出了急迫的大量需求。機(jī)床是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的象征。而代表機(jī)床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，從某種意義上說(shuō)，反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平狀況?！ ￠L(zhǎng)期以來(lái)，以美國(guó)為首的西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，一直把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實(shí)行出口許可證制度。特別是冷戰(zhàn)時(shí)期，對(duì)中國(guó)、前蘇聯(lián)等社會(huì)主義陣營(yíng)實(shí)行封鎖禁運(yùn)。愛(ài)好軍事的朋友可能知道著名的“東芝事件”：上世紀(jì)末，日本東芝公司賣(mài)給前蘇聯(lián)幾臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床，結(jié)果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進(jìn)螺旋槳，上了幾個(gè)檔次，使美國(guó)間諜船的聲納監(jiān)聽(tīng)不到潛艇的聲音了，所以美國(guó)以東芝公司違反了戰(zhàn)略物資禁運(yùn)政策，要懲處東芝公司。
五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是一種科技含量高、精密度高專門(mén)用于加工復(fù)雜曲的機(jī)床，這種機(jī)床系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國(guó)家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力，堪稱“制造業(yè)之靈魂”。?現(xiàn)在，大家普遍認(rèn)為，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等等加工的唯一手段。
而提高五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的科技含量、精密度的重要手段之一就是提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的精密度。要在不斷提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)工作性能，才能在實(shí)質(zhì)上提高我國(guó)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的整體水平，使我國(guó)裝備制造業(yè)得到長(zhǎng)足發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目
雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)
學(xué)號(hào)
學(xué)生
指導(dǎo)教師
九 年
雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)
摘? 要
在現(xiàn)有的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)上再增加一個(gè)具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，將其安裝在原有的工作臺(tái)上，與原有的工作臺(tái)成為一個(gè)整體，成為一個(gè)多自由度的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，即雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。再通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的升級(jí)（不屬于此題范疇），使該機(jī)床成為五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床。這樣的雙回轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺(tái)不僅可以沿X、Y、Z方向作平行移動(dòng)，在A、B兩軸能同時(shí)運(yùn)動(dòng)，且能隨時(shí)停止，在A軸上能夠在一定角度內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，在B軸上可以做360度的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。不僅可以加工簡(jiǎn)單的直線、斜線弧，還可適應(yīng)更復(fù)雜的曲面和球形零件的加工。
關(guān)鍵詞：雙軸，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，設(shè)計(jì)，機(jī)床
The double turns round rotary worktable
ABSTRACT
At current three sit the mark connect the number that move the work on the stage controls the machine bed increases a number for having two revolve free degree controls the turn-over work set, will its gearing is in the original work on the stage, with originally possessed of the work set becomes a the whole, becoming the turn-over work set of a many free degrees, namely the double turns round the number controls the work set. Pass again the grade creep( do not belong to this category) that logarithms control system, make the machine's bed become five sit the mark connect the dynamic number controls the machine bed. Such a turn-over number controls the work set can not only make the parallel ambulation along the X, Y, the direction of Z, continuing to revolve in A, B two stalks can at the same time exercise, and can at any time stop, on the A stalk can in the certain angle, canning? the 360 degrees of revolving continuously on the B stalk. Can not only process the simple straight line, oblique line, arc, can but also adapt to the more complicated curved face to processes with the spheroid spare parts.
Key words：The double turns round, rotary worktable, Five sit the mark; Connect to move, design, Machine bed
目??? 錄
第1章? 緒? 論?1
1.1? 本課題的研究范圍及應(yīng)解決的主要問(wèn)題?1
1.2? 本課題的研究目的和現(xiàn)實(shí)意義.?1
1.3? 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有數(shù)控發(fā)展?fàn)顩r?2
1.4? 當(dāng)代數(shù)控發(fā)展的主要趨勢(shì)?3
1.5? 數(shù)控機(jī)床的升級(jí)（五軸聯(lián)動(dòng)）?11
第2章? 電動(dòng)機(jī)的選擇?12
2.1? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類?12
2.1.1? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)?12
2.1.2? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類?12
2.2? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇?14
第3章? 工作臺(tái)方案的選定?24
3.1? 分度工作臺(tái)?24
3.2? 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)?25
3.2.1? 開(kāi)環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)?26
3.2.2? 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)?27
3.3? 調(diào)隙結(jié)構(gòu)?27
3.3.1 雙螺距蝸桿傳動(dòng)
3.3.2 雙蝸桿傳動(dòng)
3.4 閉環(huán)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
第4章? 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?30
第5章? 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算?34
5.1 蝸桿傳動(dòng)輸入?yún)?shù)?34
5.2? 接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算?34
5.3? 確定蝸輪蝸桿主要尺寸?36
5.4? 蝸桿的傳動(dòng)效率?37
5.5? 蝸桿蝸輪的精度等級(jí)的選擇?37
5.6? 蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算?38
第6章? 齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算?39
6.1 齒輪設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)?39
6.2 齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式和布置形式?39
6.3 材料及熱處理?39
6.4?初步確定齒輪基本參數(shù)?40
6.5?齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核?43
6.6?齒根彎曲強(qiáng)度的校核?44
6.7 齒輪基本參數(shù)
第7章? 結(jié)? 論?71
參考文獻(xiàn)?72
英文原文：?73
中文譯文：?78
致? 謝?82
第1章? 緒? 論
1.1? 本課題的研究范圍及應(yīng)解決的主要問(wèn)題
本課題內(nèi)容為雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那么其研究范圍則包括：雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的工作原理、功能結(jié)構(gòu)及重要功能部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算。由此可知，本課題主要解決的問(wèn)題有：1.熟悉并掌握雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的工作原理；2.初步定下其功能結(jié)構(gòu)；3.完成相關(guān)（傳動(dòng)、鎖緊、密封、潤(rùn)滑等）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4.進(jìn)行尺寸計(jì)算和校核運(yùn)算；5.使用SOLID EDGE完成雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的三維造型設(shè)計(jì)和工程圖。
1.2? 本課題的研究目的和現(xiàn)實(shí)意義
隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，加工中心的需求也在增加，特別是四軸、五軸聯(lián)動(dòng)的加工中心。雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是五軸聯(lián)動(dòng)的重要功能部件，它能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)軸和擺動(dòng)軸的兩坐標(biāo)定位。通過(guò)第四軸、第五軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)或分度頭完成精密角度的等分、不等分或連續(xù)的回轉(zhuǎn)加工，完成復(fù)雜曲面加工，使機(jī)床的加工范圍得以擴(kuò)大。在三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床上增加了雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，并通過(guò)數(shù)控改造使之成為五軸數(shù)控銑床，是擴(kuò)展普通機(jī)床使用功能的簡(jiǎn)捷方式。
五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是一種科技含量高、精密度高專門(mén)用于加工復(fù)雜曲的機(jī)床，這種機(jī)床系統(tǒng)對(duì)一個(gè)國(guó)家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力，堪稱“制造業(yè)之靈魂”。 而提高五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的科技含量、精密度的重要手段之一就是提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的精密度。需要不斷提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)工作性能，才能在實(shí)質(zhì)上提高我國(guó)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的整體水平，使我國(guó)裝備制造業(yè)得到長(zhǎng)足發(fā)展。
1.3? 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有數(shù)控發(fā)展?fàn)顩r
五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是近幾年才發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)技術(shù)水平。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)是數(shù)控機(jī)床的重要功能部件之一，國(guó)內(nèi)外將對(duì)其的研發(fā)和改進(jìn)視為重中之重。只是國(guó)外研發(fā)步伐比較早，像美國(guó)，德國(guó)，日本這樣的發(fā)達(dá)國(guó)家在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)方面已經(jīng)有了較為成熟的技術(shù)，其表現(xiàn)為：具有較好的可靠性，耐用度和精度保持性等。我國(guó)的數(shù)控研發(fā)企業(yè)雖然起步很晚，但也奮起直追，在研發(fā)層面上已與國(guó)外企業(yè)水平相持平，只是苦于國(guó)內(nèi)加工企業(yè)其持設(shè)施較差，無(wú)法完成較高精度零件的加工，使得國(guó)產(chǎn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)在可靠性，精度保持性上與國(guó)外有較大差距。
1.4?當(dāng)代數(shù)控發(fā)展的主要趨勢(shì)
在規(guī)格上向兩頭延伸，即開(kāi)發(fā)小規(guī)格和大規(guī)格的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)；在性能上進(jìn)一步提高剎緊力矩、提高主軸轉(zhuǎn)速及可靠性；在蝸桿副傳動(dòng)方面，大幅度提高工作臺(tái)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)臺(tái)的承載能力；在轉(zhuǎn)臺(tái)形式方面，繼續(xù)開(kāi)發(fā)研制兩軸聯(lián)動(dòng)和多軸并聯(lián)回轉(zhuǎn)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)。在我國(guó)，數(shù)控機(jī)床與裝備的發(fā)展亦得到了高度重視，近年來(lái)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，特別是在通用數(shù)控領(lǐng)域，以PC為平臺(tái)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)逐步縮短了與世界先進(jìn)水平的差距。作為機(jī)床的主要組成部分，分度類機(jī)床附件（轉(zhuǎn)臺(tái)、分度頭、刀架）對(duì)機(jī)床的性能、質(zhì)量、可靠性起著至關(guān)重要的作用，作為數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)，在近期的主要任務(wù)是進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研制高精度、高剛性、高回轉(zhuǎn)速度的多功能數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)。
1.5? 數(shù)控機(jī)床的升級(jí)（五軸聯(lián)動(dòng)）
數(shù)控機(jī)床加工某些零件時(shí),除需要有沿X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之外,還需要有繞X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng),分別稱為A、B、C軸。五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床也稱五坐標(biāo)機(jī)床,它是在三個(gè)平動(dòng)軸(沿X、Y、Z軸的直線運(yùn)動(dòng))的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸(能實(shí)現(xiàn)繞X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),即A軸和C軸),不僅可使刀具相對(duì)于工件的位置任意可控,而且刀具軸線相對(duì)于工件的方向也在一定范圍內(nèi)任意可控,由此使五坐標(biāo)加工工具有以下特點(diǎn):
圖 五坐標(biāo)加工的特點(diǎn)
（1）.可避免刀具干涉,加工普通三坐標(biāo)機(jī)床難以加工的復(fù)雜零件,加工適應(yīng)性廣,如圖1(a)所示。
（2）.對(duì)于直紋面類零件,可采用側(cè)銑方式一刀成型,加工質(zhì)量好、效率高,如圖1(b)所示。
（3）.對(duì)一般立體型面特別是較為平坦的大型表面,可用大直徑端銑刀端面逼近表面進(jìn)行加工,走刀次數(shù)少,殘余高度小,可大大提高加工效率與表面質(zhì)量,如圖1(c)所示。
（4）.對(duì)工件上的多個(gè)空間表面可一次裝夾進(jìn)行多面、多工序加工,加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度,如圖1(d)所示。
（5）.五軸加工時(shí),刀具相對(duì)于工件表面可處于最有效的切削狀態(tài)。例如使用球頭刀時(shí)可避免球頭底部切削,如圖1(e)所示,利于提高加工效率。同時(shí),由于切削狀態(tài)可保持不變,刀具受力情況一致,變形一致,可使整個(gè)零件表面上的誤差分布比較均勻,這對(duì)于保證某些高速回轉(zhuǎn)零件的平衡性能具有重要作用。
（6）.在某些加工場(chǎng)合,如空間受到限制的通道加工或組合曲面的過(guò)渡區(qū)域加工,可采用較大尺寸的刀具避開(kāi)干涉,刀具剛性好,有利于提高加工效率與精度,如圖1(f)所示。
現(xiàn)在,大家普遍認(rèn)為,五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等加工的唯一手段。所以,每當(dāng)人們?cè)谠O(shè)計(jì)、研制復(fù)雜曲面遇到無(wú)法解決的難題時(shí),往往轉(zhuǎn)向求助于五軸數(shù)控系統(tǒng)。
因此在傳統(tǒng)的三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床上安裝一個(gè)雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，即在X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸之外增加了一個(gè)回轉(zhuǎn)軸和可傾軸，就完成了五周聯(lián)動(dòng)的硬件設(shè)計(jì)。雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是三軸聯(lián)動(dòng)與五軸聯(lián)動(dòng)的主要區(qū)別之一。
第2章? 電動(dòng)機(jī)的選擇
2.1? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與種類
2.1.1? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種同步電動(dòng)機(jī)，定子磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。定子磁場(chǎng)的激磁磁勢(shì)為脈沖式，使磁場(chǎng)以一定頻率步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子也就一步一步旋轉(zhuǎn)?？梢?jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移（或直線位移）的執(zhí)行元件。給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)供電的電源是脈沖電源，而不是直流電源或正弦交流電源。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：
?。?）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速主要取決于脈沖的頻率，轉(zhuǎn)子總的角位移取決于總的脈沖數(shù)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向取決于分配脈沖的相序。其步距值不受各種干擾因素的影響。
?。?）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度（實(shí)際步距值）與理論步距值之間總有一定的誤差。從某一步到任何一步，即走任意步數(shù)后，也總會(huì)有一定的累積誤差，但每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零，亦即步距誤差不長(zhǎng)期積累。
一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3%-5%。
?。?）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。
步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
（4）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。
（5）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。
步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
2.1.2? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類
（一）按力矩產(chǎn)生的原理分
1.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：轉(zhuǎn)子無(wú)繞組；定子上有繞組，被激磁后產(chǎn)生反應(yīng)力矩，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
2.激磁式步進(jìn)電機(jī)：轉(zhuǎn)子有繞組(或用永久磁鋼) ；定子上有繞組；繞組被激磁后產(chǎn)生電磁力矩，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
（二）按輸出力矩大小分
1.伺服式步進(jìn)電機(jī): 輸出力矩小,只能驅(qū)動(dòng)較小的負(fù)載;若要驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載,須和液壓扭矩放大器配合。
2.功率式步進(jìn)電機(jī): 輸出力矩較大, 能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載。
（三）按定子數(shù)分
1.單定子式步進(jìn)電機(jī)；
2.雙定子式步進(jìn)電機(jī)；
3.三定子式步進(jìn)電機(jī)；
4.多定子式步進(jìn)電機(jī)。
（四）按各相繞組分布分:
1.徑向分相式: 電機(jī)各相按圓周依次排列；
2.軸向分相式: 電機(jī)各相按軸向依次排列。
2.2? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)任務(wù)書(shū)中的要求：回轉(zhuǎn)軸和可傾軸的總傳動(dòng)比均為1：90，且工作臺(tái)臺(tái)面直徑為120mm,工作轉(zhuǎn)速2000rpm。我們選定電機(jī)為MINAS A系列中MDMA系列（中慣量）電機(jī)：額定功率1KW，額定轉(zhuǎn)矩4.8NM,最大轉(zhuǎn)矩14.4NM,額定轉(zhuǎn)速2000rpm。
第3章? 工作臺(tái)方案的選定
3.1? 分度工作臺(tái)
分度工作臺(tái)的分度、轉(zhuǎn)位和定位工作,是按照控制系統(tǒng)的指令自動(dòng)地進(jìn)行,每次轉(zhuǎn)位回轉(zhuǎn)一定角度(5°、10°、15°、30°、45°、90°、180°),但實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)位的機(jī)構(gòu)都很難達(dá)到分度精度的要求,所以要有專門(mén)的定位元件來(lái)保證。因此定位元件往往是分度工作臺(tái)的關(guān)鍵。常用的定位元件有插銷(xiāo)定位、反靠定位、鋼球定位和齒盤(pán)定位等幾種。
雙楔環(huán) - 鋼球定位機(jī)構(gòu)只限制了工作臺(tái)體的 3 個(gè)自由度 ,工作臺(tái)體主定位面的 3 個(gè)自由度由工作臺(tái)底座環(huán)形滑動(dòng)導(dǎo)軌面限制 ,雙楔環(huán)V型溝槽及鋼球只承受夾緊力及一部分切削力 ,不承受夾具、工件的重量以及工作臺(tái)體自重和撞擊力 ,大部分切削力作用于導(dǎo)軌面上 ,承載剛性比多齒盤(pán)高得多。鋼球在內(nèi)外環(huán)的V型溝槽內(nèi)靈活運(yùn)動(dòng) ,可以完全消除鋼球與內(nèi)外環(huán) V型溝槽斜面的間隙 ,夾環(huán)受力變形后仍然可以通過(guò)鋼球?qū)A緊力均勻地施加在內(nèi)外環(huán)上 ,夾緊剛性較好 ,并且使用時(shí)間越長(zhǎng) ,鋼球與V型溝槽的接觸面積越大 ,接觸精度越好 ,雙楔環(huán)的精度保持性很好。
齒盤(pán)定位的分度工作臺(tái)能達(dá)到很高的分度定位精度,一般為±3″,最高可達(dá)±0.4″。能承受很大的外載,定位剛度高,精度保持性好。實(shí)際上,由于齒盤(pán)嚙合、脫開(kāi)相當(dāng)于兩齒盤(pán)對(duì)研過(guò)程,因此,隨著齒盤(pán)使用時(shí)間的延續(xù),其定位精度還有不斷提高的趨勢(shì)。齒盤(pán)定位的分度工作臺(tái)廣泛用于數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床或其他專用機(jī)床。
3.2? 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)?
在數(shù)控機(jī)床上一般由數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)(簡(jiǎn)稱數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái))除了可以實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之外,還可以完成分度運(yùn)動(dòng)。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的外形和分度工作臺(tái)沒(méi)有多大差別,但在結(jié)構(gòu)上則具有一系列的特點(diǎn)。由于數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)能實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng),所以它在結(jié)構(gòu)上和數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有許多共同之處。不同點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的是直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng),而數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)的是圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)可分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種。
3.2.1? 開(kāi)環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)
? 開(kāi)環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作是由步進(jìn)電機(jī)按指令脈沖的要求來(lái)確定數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)方向、回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)角度。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的脈沖當(dāng)量是指數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)每個(gè)脈沖所回轉(zhuǎn)的角度(度/脈沖),有的小到0.001°/脈沖,有的大到2°/脈沖,設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)加工精度的要求和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)直徑大小來(lái)選定。一般加工精度愈高,脈沖當(dāng)量應(yīng)選得愈小;數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)直徑愈大,脈沖當(dāng)量應(yīng)選得愈小。但也不能盲目追求過(guò)小的脈沖當(dāng)量。脈沖當(dāng)量δ選定后,根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的脈沖步距角θ就可決定減速齒輪和渦輪副的傳動(dòng)比:
式中:Z1,Z2—分別為主動(dòng)、被動(dòng)齒輪齒數(shù);
Z3,Z4—分別為蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)。
在確定Z1,Z2,Z3,Z4時(shí),一方面要滿足傳動(dòng)比的要求,同時(shí)也要考慮到結(jié)構(gòu)的限制。
3.2.2? 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)?
閉環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)與開(kāi)環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)大致相同,其區(qū)別在于:閉環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)有轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)量元件(圓光柵或圓感應(yīng)同步器)。所測(cè)量的結(jié)果反饋回去與指令值進(jìn)行比較,按閉環(huán)原理進(jìn)行工作,使轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度更高。
有一些數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上,采用伺服電機(jī)軸端帶測(cè)速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器,或帶脈沖編碼盤(pán),直接反饋電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速和角位移,進(jìn)行半閉環(huán)控制。
3.3? 調(diào)隙結(jié)構(gòu)
在數(shù)控機(jī)床中,分度工作臺(tái)、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)都廣泛采用蝸桿渦輪傳動(dòng)。蝸輪副的嚙合側(cè)隙對(duì)其分度定位精度影響最大,因此消除蝸輪副的側(cè)隙就成為數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的關(guān)鍵問(wèn)題。常見(jiàn)的蝸桿渦輪消隙方法有雙螺距蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3.3.1雙螺距蝸桿傳動(dòng)
一般在要求連續(xù)精確分度的機(jī)構(gòu)中(如齒輪加工機(jī)床、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等)或?yàn)榱吮苊鈧鲃?dòng)機(jī)構(gòu)因承受脈動(dòng)載荷(如斷續(xù)銑削)而引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的場(chǎng)合往往采用雙螺距漸厚蝸桿,以便調(diào)整嚙合側(cè)隙到最小限度。
圖 雙螺距漸厚蝸桿調(diào)隙原理
雙螺距漸厚蝸桿與普通蝸桿的區(qū)別是:雙螺距漸厚蝸桿齒的左、右兩側(cè)面具有不同的齒距(導(dǎo)程);而同一側(cè)面的齒距(導(dǎo)程)則是相等的(圖4)。雙螺距漸厚蝸桿副的嚙合原理與一般蝸桿副嚙合原理相同, 蝸桿的軸向截面仍相當(dāng)于基本齒條,渦輪則相當(dāng)于同它嚙合的齒輪。由于蝸桿齒左、右兩側(cè)面具有不同的齒距,即左、右兩側(cè)面具有不同的模數(shù)m(m=t/π)。因而同一側(cè)面的齒距相同,故沒(méi)有破壞嚙合條件。雙螺距漸厚蝸桿傳動(dòng)的公稱模數(shù)m可看成普通渦輪副的軸向模數(shù),一般等于左、右齒面模數(shù)的平均值。此蝸桿齒厚從頭到尾逐漸增厚。但由于同一側(cè)的螺距是相同的,所以仍然可以保持正常的嚙合。因此,可用軸向移動(dòng)蝸桿的方法來(lái)消除蝸桿與渦輪的齒側(cè)隙。從圖5中知道, 蝸桿左側(cè)的齒矩為t左,右側(cè)的齒距為t右,中間齒距為t中。
當(dāng)t右>t左時(shí)s1=t左-c1 s2=t右-c1
相鄰兩齒厚的差值
Δs=s2-s1=t右-t左
不難看出,任意兩相鄰齒厚之差(沿同一軸向截面上)都是
Δs=si+1-si=t右-t左,
這樣的蝸桿從左到右齒厚漸厚,當(dāng)蝸桿向左移動(dòng)時(shí),嚙合側(cè)隙將會(huì)逐漸減小。同理,當(dāng)t左>t右時(shí),從左到右齒厚漸薄,當(dāng)蝸桿向左移動(dòng)時(shí),嚙合側(cè)隙將會(huì)逐漸變大。圖5是依靠改變調(diào)整環(huán)的厚度,即可使蝸桿軸向移動(dòng),以便調(diào)整蝸桿渦輪嚙合側(cè)隙。
圖 雙螺距漸厚蝸桿調(diào)隙結(jié)構(gòu)圖
3.3.2? 雙蝸桿傳動(dòng)
另外一種辦法就是使用雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它在要求避免因承受脈動(dòng)載荷（如銑削加工）而引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的情況下完成連續(xù)精密傳動(dòng)的場(chǎng)合，使得齒側(cè)間隙調(diào)整到最小程度。
圖 雙蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
如圖所示，我們把一個(gè)完整的蝸桿做成兩個(gè)部分（紅色為蝸桿1和金色部分為蝸桿2），它們沿著軸線可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在它們左端安裝了可調(diào)整的鎖緊裝置蝸桿固定座（銀色是固定座1、紫色是固定座2）。當(dāng)我們需要增大齒距時(shí)，向外旋轉(zhuǎn)蝸桿1，到達(dá)合適位置后，迅速擰緊固定座上的緊定螺釘直到鎖死。而減小齒距則往反方向旋轉(zhuǎn)即可。
由于后者具有制造成本低、方便操作并能達(dá)到比較高的精度等特點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)方案中我們決定使用它作為該回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的渦輪蝸桿消隙機(jī)構(gòu)。
3.4 閉環(huán)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)器性能要求的精密性以及加工的準(zhǔn)確性,還要與數(shù)控銑床相連成為精密的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床。因此要求系統(tǒng)為閉環(huán),即設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)。所以選用FAGRO公司的兩個(gè)ENCODER H-90型旋轉(zhuǎn)編碼器分別安裝在與回轉(zhuǎn)臺(tái)連接的軸末端和擺動(dòng)支座軸末端。這樣即使在傳動(dòng)過(guò)程中有誤差或間隙也可在反饋后得到數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償。
第4章? 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)和原理
通過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)和了解，整個(gè)工作臺(tái)由幾部分構(gòu)成：可傾軸部分和回轉(zhuǎn)軸部分。
圖 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)視圖
由于五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)價(jià)格十分昂貴, 加之NC 程序制作較難,使五軸系統(tǒng)難以“平民”化。
現(xiàn)在很多的工廠使用的是三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床,即能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)軸方向的同時(shí)平動(dòng)。如果再配上一個(gè)雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái),能實(shí)現(xiàn)繞X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)(即A軸和C軸), 再完成數(shù)控部分的改造,實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制即能實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)。這樣即可減少固定資產(chǎn)的無(wú)形磨損, 又避免購(gòu)置新機(jī)的大量資金投入。
4.1雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的功用
第一, 使工作臺(tái)進(jìn)行圓周進(jìn)給完成切削工作;第二, 使工作臺(tái)進(jìn)行分度工作。它按照控制系統(tǒng)的命令,在需要時(shí)完成上述務(wù)。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng), 采用無(wú)級(jí)變速方式工作,所以定位精度完全由控制系統(tǒng)決定。
4.2 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)
此處引用的工作臺(tái)屬于閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái), 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器分別位于與工作臺(tái)固接的軸端和支撐座的尾端,能將旋轉(zhuǎn)后的位置準(zhǔn)確的反饋回系統(tǒng)。這種數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng), 在它的輸出軸接一級(jí)齒輪減速器。該數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)由圓柱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、渦輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪軸夾緊裝置組成。
因?yàn)槭菧u輪蝸桿傳動(dòng)與分度, 所以停位不受限, 并不像端齒分度盤(pán)一樣, 只能分度固定的角度的整數(shù)倍(5°、10°、15°等), 而且偏轉(zhuǎn)范圍較大(105°～5°),能加工任何角度與傾斜度的孔與表面。齒的側(cè)隙是靠齒輪制造精度和安裝精度來(lái)保持。大齒輪的支撐軸與渦桿軸做成一個(gè)軸, 這種聯(lián)結(jié)方式能增大連接的剛性和精度,更能減少功率的損耗。
其工作原理簡(jiǎn)述如下:
雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由交流侍服電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓柱齒輪傳動(dòng), 帶動(dòng)渦輪渦桿系統(tǒng), 使工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)接到數(shù)控系統(tǒng)的指令后, 首先松開(kāi)圓周運(yùn)動(dòng)部分的渦輪夾緊裝置, 松開(kāi)渦輪, 然后啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī), 按數(shù)控指令確定工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)方向、回轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)角度大小等參數(shù)。
擺動(dòng)部分的工作原理與此相同。
需要說(shuō)明的是, 當(dāng)工作臺(tái)靜止時(shí)必須處于鎖緊狀態(tài), 工作臺(tái)在其傳動(dòng)軸端部安裝了夾緊液壓缸進(jìn)行夾緊。當(dāng)工作臺(tái)不回轉(zhuǎn)時(shí), 夾緊油缸在液壓油的作用下向外運(yùn)動(dòng), 通過(guò)剎車(chē)片緊緊頂在渦輪軸表面,從而鎖緊工作臺(tái)。當(dāng)工作臺(tái)需要回轉(zhuǎn)時(shí),數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令, 反向重復(fù)上述動(dòng)作, 松開(kāi)渦輪, 使渦輪和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)按照控制系統(tǒng)的指令進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4.3鎖緊裝置及鎖緊力計(jì)算
4.3.1鎖緊的介紹與選用
在雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)部分，渦輪軸端的剎車(chē)片采用的是液壓缸直接頂緊，用剎車(chē)活塞與渦輪軸端剎車(chē)片的摩擦力來(lái)鎖緊。鎖緊力計(jì)算過(guò)程舉例如下：
4.4潤(rùn)滑與密封
4.4.1回轉(zhuǎn)部分的潤(rùn)滑與密封
因?yàn)榛剞D(zhuǎn)部分有較大的擺動(dòng)角度（105°-5°），所以雖然蝸輪蝸桿及齒輪傳動(dòng)都是在箱體內(nèi)，也不能采用常規(guī)的甩油潤(rùn)滑。再者箱蓋或工作臺(tái)與箱座或回轉(zhuǎn)下箱之間不可能有很好的密封，在傾斜時(shí)會(huì)將存于箱底的油倒出沒(méi)法再甩油。所以回轉(zhuǎn)部分都應(yīng)選用循環(huán)噴油潤(rùn)滑。但在裝配時(shí)軸承部分要先填好潤(rùn)滑脂，以免長(zhǎng)時(shí)間得不到潤(rùn)滑而降低使用壽命。
噴油潤(rùn)滑的好處非常多，可以沖掉傳動(dòng)過(guò)程中齒輪嚙合區(qū)的磨粒、減少磨損、延長(zhǎng)使用壽命、對(duì)蝸輪蝸桿進(jìn)行很好的冷卻與潤(rùn)滑等。
為防止工作過(guò)程中切屑與雜質(zhì)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)臺(tái)，回轉(zhuǎn)部分與下箱之間要用防塵圈密封好，這樣還能起到存油潤(rùn)滑軸承的作用。為防止傳動(dòng)過(guò)程中有雜質(zhì)存于箱體內(nèi)，隨油進(jìn)入軸承，影響軸承壽命，應(yīng)定期對(duì)箱體內(nèi)進(jìn)行清洗。
4.4.2擺動(dòng)部分的潤(rùn)滑與密封
擺動(dòng)部分是固定在平動(dòng)工作臺(tái)上的，只能隨X、Y、Z軸平動(dòng)，所以選擇甩油潤(rùn)滑，當(dāng)然也可以采用噴油潤(rùn)滑。由于回轉(zhuǎn)部分已采用噴油潤(rùn)滑，無(wú)非是多幾條支路而已。
在左端回轉(zhuǎn)箱內(nèi)有蝸輪蝸桿，所以軸承能同時(shí)得到潤(rùn)滑。而在右端只是起支撐作用，只能用脂潤(rùn)滑。左支撐只需要采用常規(guī)的齒輪-蝸桿減速器中的密封方法即可。各軸承端則需采用橡膠密封圈密封。與回轉(zhuǎn)支架相連部分的軸承端用橡膠圈密封，因?yàn)樽蠖瞬捎昧擞蜐?rùn)滑。
第5章? 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算?
5.1 蝸桿傳動(dòng)輸入?yún)?shù)
根據(jù)GB/T10085-1988推薦,采用漸開(kāi)線蝸桿(ZI)。
轉(zhuǎn)速，扭矩
功率
5.5?蝸桿蝸輪的材料和精度等級(jí)的選擇
蝸桿選用45鋼,因希望效率高些,耐磨性好些,故蝸桿螺旋齒面要求淬火,硬度為45～55HRC。
蝸輪選用ZCuAl10Fe3，金屬模鑄造。
加工精度6級(jí)。
5.2?確定蝸輪蝸桿主要尺寸
1. 初選幾何參數(shù)
選
2. 計(jì)算蝸桿輸出轉(zhuǎn)矩
粗算傳動(dòng)效率：
3. 確定許用接觸應(yīng)力
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第五版·第三卷）（以下齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)均根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第五版·第三卷）查得）圖14-4-13查得滑動(dòng)速度
由表14-4-14查得
4. 求載荷系數(shù)
由表14-4-12知：
式中：——?jiǎng)虞d系數(shù)
——嚙合質(zhì)量系數(shù)
——小時(shí)載荷率系數(shù)
——環(huán)境溫度系數(shù)
——工作情況系數(shù)
——風(fēng)扇系數(shù)
，按表14-4-12取
查表14-4-15，6級(jí)精度時(shí)
由于，由圖14-4-8得
由表14-4-16查得
由表14-4-17查得
由圖14-4-9 查得
所以
5. 計(jì)算和和值
查表14-4-5，取
6. 主要幾何尺寸計(jì)算
圓整中心距，取
導(dǎo)程角
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
節(jié)圓直徑
5.3?接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算?
1. 齒面接觸強(qiáng)度核算驗(yàn)算
由表14-4-12得
因?yàn)椋札X面接觸強(qiáng)度足夠。
2. 確定許用彎曲應(yīng)力
根據(jù)表14-4-12
由表14-4-13查得
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
由圖14-4-7查得
所以
3. 齒根彎曲強(qiáng)度校核驗(yàn)算
由圖14-4-6查得
由表14-4-12得
因?yàn)? 所以齒根彎曲強(qiáng)度足夠。
5.6?蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算
蝸桿傳動(dòng)由于效率低，所以工作時(shí)發(fā)熱量大。在閉式傳動(dòng)中，如果產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散逸，將因油溫不斷升高而使?jié)櫥拖♂?，從而增大摩擦損失，甚至發(fā)生膠合。所以，必須根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量等于同時(shí)間內(nèi)的散熱量的條件進(jìn)行熱平衡計(jì)算，以保證油溫穩(wěn)定地處于規(guī)定的范圍內(nèi)。
由于摩擦損耗的功率 ，則產(chǎn)生的熱流量(單位為lW=l J/s)為
H1=1000P(1-η) W
式中P為蝸桿傳遞的功率，kW。
H1=1000*1*(1-0.776) W=224W
以自然冷卻方式，從箱體外壁散發(fā)到周?chē)諝庵腥サ臒崃髁繛?
H2=S(t0-ta) W
式中:--箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，，空氣流通良好時(shí)，取大值；
S --內(nèi)表面能被潤(rùn)滑油所飛濺到，而外表面又可為周?chē)諝馑鋮s的箱體表面面積，；
t0--油的工作溫度，一般限制在60～70℃，最高不應(yīng)超過(guò)80℃；
ta--周?chē)諝獾臏囟?，常溫情況可取為20℃；
按熱平衡條件H1=H2，可求得在既定工作條件下的油溫為
=180
在t0>80℃或有效的散熱面積不足時(shí)，則必須采取措施，以提高散熱能力。通常采?。?
1)加散熱片以增大散熱面積。
2)在蝸桿軸端加裝風(fēng)扇以加速空氣的流通。
由于在蝸桿軸端加裝風(fēng)扇這就增加了功率損耗為?？偟膿p率損耗為
kW
式中為風(fēng)扇消耗的功率，可按下式計(jì)算:
kW
此處：vF——風(fēng)扇葉輪的圓周速度，m/s，
其中DF為風(fēng)扇葉輪外徑，mm；
nF——風(fēng)扇葉輪轉(zhuǎn)速，r/min。
由摩擦消耗的功率所產(chǎn)生的熱流量為
W
散發(fā)到空氣中的熱流量為
W
式中:S1,S2--分別為風(fēng)冷面積及自然冷卻面積，；
' --風(fēng)冷時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，按下表<風(fēng)冷時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)'>選取。
風(fēng)冷時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)'
蝸桿轉(zhuǎn)速(r/min)
750
1000
1250
1550
'[W/(·℃)]
27
31
35
38
從其結(jié)構(gòu)看，選裝散熱片來(lái)降溫更為合適。
第6章? 齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算?
6.1 齒輪設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)
選擇齒輪材料
6.2 齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式和布置形式?
1.常用的齒輪結(jié)構(gòu)
常見(jiàn)的圓柱齒輪結(jié)構(gòu)如圖 所示。圖 ａ為齒輪軸；圖 ｂ為腹板式齒輪；圖 ｃ為輪輻式齒輪。
（a） (b) (c)
圖 常用齒輪結(jié)構(gòu)形式
根據(jù)受力狀況和整體結(jié)構(gòu)形式，在此處我決定選用腹板式齒輪結(jié)構(gòu)比較合理。
2.布置形式
從前面工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中我們知道：小齒輪是主動(dòng)輪，動(dòng)力來(lái)自電動(dòng)機(jī)；大齒輪是從動(dòng)輪，它帶動(dòng)了蝸桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。因而大小齒輪均采用懸臂布置。
6.3 材料及熱處理?
選擇齒輪材料
小齒輪：50SiMn 調(diào)質(zhì)，硬度260~290HB+
大齒輪：42SiMn 調(diào)質(zhì)，硬度200~230HB
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第五版·第三卷）（以下齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)均根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第五版·第三卷）查得）圖14-1-83和圖14-1-112按ML級(jí)質(zhì)量求取值，得=550 N/mm2，=460 N/mm2和 = 210 N/mm2，= 190 N/mm2
6.4 初步確定齒輪基本參數(shù)?
初步確定主要參數(shù)
（1）接觸強(qiáng)度初步確定中心距
按直齒輪從表14-1-65選取=476，取載荷系數(shù)K=2.0
按表14-1-69選d=0.6，則
a=
==0.4
齒數(shù)比2
許用接觸應(yīng)力 ≈0.9=0.9×460=414 N/mm2
小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T1=4 N·m
中心距ａ
ａ≥Aa（u+1）
=476×（2+1）×=63.4 mm
?。?66 mm
（2）初步確定模數(shù)、齒數(shù)、齒寬等幾何參數(shù)
=(0.007～0.02)a=(0.007～0.02)×100=0.7～2 mm
取 =2 mm
由公式
取=22 =i=2×22=44
齒寬 b=aａ=0.4×66=26.4mm 取b=24mm
小齒輪分度圓直徑
mm
大齒輪分度圓直徑
mm
齒輪精度等級(jí)為6級(jí)
6.5?齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核?
（1） 分度圓上名義切向力
（2） 使用系數(shù)
原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，均勻平穩(wěn)，工作機(jī)有輕微沖擊，查表14-1-71，=1.25
（3） 動(dòng)載系數(shù)
齒輪線速度
m/s
由表14-1-80公式計(jì)算傳動(dòng)精度系數(shù)C
小齒輪: =22 大齒輪: =44
查表14-1-40可得: =7.5 μm = 8.5 μm
取C2=6.516 ，經(jīng)圓整后為 C=7
查圖14-1-74 =1.1
（4） 螺旋線載荷分布系數(shù)
由表14-1-88，齒輪裝配時(shí)對(duì)研跑合
（5） 齒間載荷分配系數(shù)
N/ mm
查表14-1-92得：=1.5
（6） 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
查圖14-1-76 =2.47
（7） 彈性系數(shù)
由表14-1-95查得 =
（8） 重合度系數(shù)
縱向重合度
端面重合度
由圖14-1-25 =0.80 =0.90
由圖14-1-79查得 =0.79
（9） 螺旋角系數(shù)
（10） 小齒輪、大齒輪的單對(duì)齒嚙合系數(shù),
按表14-1-94的判定條件，由于 ,則
=1
=0.9665
取
（11） 計(jì)算接觸應(yīng)力
由表14-1-70公式可得
由于 ==1，所以=
（12） 壽命系數(shù)
應(yīng)力循環(huán)系數(shù)
由表14-1-96公式計(jì)算
（13） 潤(rùn)滑油膜影響系數(shù)
由表14-1-98，經(jīng)展成法滾、插的齒輪副4.0μm , =0.85
（14） 齒面工作硬化系數(shù)
由圖14-1-90 =1.12 =1.16
（15） 尺寸系數(shù)
由圖14-1-99 1.0
（16） 安全系數(shù)
由于 , 均達(dá)到表14-1-100規(guī)定的高可靠度時(shí)，最小安全系數(shù)=1.50~1.60的要求，齒面接觸強(qiáng)度核算通過(guò)。
6.6齒根彎曲強(qiáng)度的校核?
（1） 螺旋線載荷分布系數(shù)
mm mm
（2） 螺旋線載荷分配系數(shù)
（3） 齒廓系數(shù)
當(dāng)量齒數(shù)
由圖14-1-98
（4） 應(yīng)力修正系數(shù)
由圖14-1-103
（5） 重合度系數(shù)
由表14-1-104知
（6） 螺旋角系數(shù)
由圖14-1-109，根據(jù)，查得
（7） 計(jì)算齒根應(yīng)力
因 用表14-1-101中方法二
試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)
見(jiàn)表14-1-101，
（8） 壽命系數(shù)
由表14-1-108
（9） 相對(duì)齒根角敏感系數(shù)
由8.4.2（5）①齒根圓角參數(shù)
用表14-1-98知：
同樣計(jì)算可知：
（10） 相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)
由圖14-1-118，齒根表面微觀不平度10點(diǎn)高度為時(shí)
（11） 尺寸系數(shù)
由表14-1-109的公式
當(dāng)時(shí)，取
（12） 彎曲強(qiáng)度的安全系數(shù)
由于，均達(dá)到表14-1-100規(guī)定的高可靠度時(shí)最小安全系數(shù)的要求。輪齒彎曲強(qiáng)度通過(guò)。
6.7齒輪基本參數(shù)
第7章 結(jié)論
這次設(shè)計(jì)我完成了雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，我的工作如下：首先，查找各種相關(guān)資料理解課題，整理自己的思路及設(shè)計(jì)步驟；其次，選擇合適的三維設(shè)計(jì)軟件，接著就開(kāi)始學(xué)習(xí)solid edge；然后，根據(jù)老師提出的設(shè)計(jì)要求，確定結(jié)構(gòu)方案并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算、校合；最后，完成整個(gè)結(jié)構(gòu)的三維造型和裝配，進(jìn)而完成工程圖。從最終的結(jié)果來(lái)看，本設(shè)計(jì)方案較好的滿足了所提出的設(shè)計(jì)要求，并且在一些部位有了改進(jìn)和創(chuàng)新。
參 考 文 獻(xiàn)
【1】 崔旭芳，周英.數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的原理和設(shè)計(jì)[J].磚瓦，2008，No.6：25-27；
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致謝
在論文即將完成之際，我謹(jǐn)向?qū)ξ姨峁o(wú)私幫助的老師和同學(xué)們表示真誠(chéng)的敬意和衷心的感謝?。?
在整個(gè)畢設(shè)過(guò)程中，得到了高峰教授的親切關(guān)懷和耐心的指導(dǎo)。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，高老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。除了敬佩高老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。在此謹(jǐn)向高老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意！
李艷老師和楊新剛老師也給了我許多支持和幫助，在此請(qǐng)接受我真誠(chéng)的謝意！同時(shí)也感謝學(xué)院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計(jì)的環(huán)境。
感謝我遠(yuǎn)在家鄉(xiāng)的爸爸媽媽，感謝你們省吃儉用為我提供的學(xué)習(xí)環(huán)境，使我能夠有幸接受大學(xué)教育，體驗(yàn)沐浴在知識(shí)海洋中的快樂(lè)。祝愿你們身體健康??！
最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過(guò)我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。