數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計,數(shù)控,回轉(zhuǎn),工作臺,結(jié)構(gòu)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計(論文) 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 系 部 ： 專 業(yè) ： 班 級 ： 姓 名 ： 學(xué) 號 ： 指導(dǎo)教師 ： 完成時間 ： 20 年 月 日 東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 題目 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 專業(yè) 學(xué)號 姓名 主要內(nèi)容： 查閱各種機(jī)床的回轉(zhuǎn)工作臺，或回轉(zhuǎn)臺附件，以及測量儀器的回轉(zhuǎn)工作臺，比較各工作臺的工作要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也可參考數(shù)控機(jī)床的回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)，總結(jié)回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計要點(diǎn)，為設(shè)計新型回轉(zhuǎn)工作臺做技術(shù)準(zhǔn)備。 基本要求： 1．繪制回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)裝配圖。 2．繪制回轉(zhuǎn)工作臺關(guān)鍵部件或零件圖，與總裝圖共折合A0圖紙3張。 3. 關(guān)鍵零件進(jìn)行受力分析，進(jìn)行力校核計算。 4. 提出設(shè)計的改進(jìn)方向。 5. 撰寫設(shè)計說明書。 主要參考資料： [1] 隋明陽．機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.2 [2] 張桂香．機(jī)電類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計指南[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.11 [3] 張建綱，胡大澤．?dāng)?shù)控技術(shù)[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.1 [4] 戴曙．金屬切削機(jī)床[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995 完成期限： 指導(dǎo)教師簽章： 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽章： 20 年 月 日 東北石油大學(xué)華瑞學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘 要 隨著生產(chǎn)力水平的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。數(shù)控機(jī)車是數(shù)控技術(shù)最普遍的應(yīng)用。數(shù)控車床今后將向中高擋發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，預(yù)計近年來對數(shù)控刀架需求量將大大增加。但是數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺更有發(fā)展前途,它是一種可以實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給和分度運(yùn)動的工作臺，它常被使用于臥式的鏜床和加工中心上，可提高加工效率，完成更多的工藝，它主要由原動力、齒輪傳動、蝸桿傳動、工作臺等部分組成，并可進(jìn)行間隙消除和蝸輪加緊，是一種很實(shí)用的加工工具。本課題主要介紹了它的原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并對以上部分運(yùn)用AUTOCAD做圖,最后是對數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺提出的一點(diǎn)建議。 關(guān)鍵詞：數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺；齒輪傳動；蝸桿傳動；間隙消除；蝸輪加緊 Abstract With the level of development of productive forces, NC technology is more and more widely used in various fields. NC locomotive technology is the most widespread application. Numerical 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. Key words：Numerical control rotary table； Gear drive；Worm drive；Gap elimination； The worm gear steps up. 目 錄 第1章 緒論 1 1.1 數(shù)控技術(shù)發(fā)展簡史 2 1.2 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 2 1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn) 4 1.4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 4 1.5 數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝的探討 5 1.6 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 6 第2章 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的原理與應(yīng)用 7 2.1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作的原理 9 2.2 設(shè)計準(zhǔn)則 10 2.3 主要技術(shù)參數(shù) 10 第3章 傳動方案的確定 11 3.1 步進(jìn)電機(jī)的原理 11 3.2 傳動時應(yīng)滿足的要求 11 3.3 傳動方案及其分系 12 第4章 齒輪傳動的設(shè)計 13 4.1 選擇齒輪傳動的類型 13 4.2 材料的選擇 13 4.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計 15 4.4 確定齒輪的主要參數(shù)與主要尺寸 17 4.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 17 第5章 電液脈沖馬達(dá)的選擇及運(yùn)動參數(shù)的計算 19 第6章 蝸輪蝸桿的設(shè)計與校核 21 6.1 選擇蝸桿傳動類型 21 6.2 材料的選擇 21 6.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計 22 6.4 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 24 6.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 24 第7章 軸 26 7.1 軸的設(shè)計要求和設(shè)計步驟 26 7.2 軸的強(qiáng)度計算 27 第8章 軸上配合件的選用 29 8.1 齒輪上鍵的選取與校核 29 8.2 軸承的選用 29 第9章 結(jié)論 31 參考文獻(xiàn) 32 致謝 33 II 第1章 緒 論 畢業(yè)設(shè)計主要是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識的能力，培養(yǎng)學(xué)生建立正確的設(shè)計思想，掌握工程設(shè)計的一般程序、規(guī)范和方法。而高職類學(xué)生更應(yīng)側(cè)重于從生產(chǎn)的第一線獲得生產(chǎn)實(shí)際知識和技能，獲得工程技術(shù)經(jīng)用性崗位的基本訓(xùn)練，通過畢業(yè)設(shè)計，可樹立正確的生產(chǎn)觀點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和全局觀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)由學(xué)生向工程技術(shù)人員的過渡。使學(xué)生進(jìn)一步鞏固和加深對所學(xué)的知識，使之系統(tǒng)化、綜合化。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作、獨(dú)立思考和綜合運(yùn)用所學(xué)知識的技能，提高解決本專業(yè)范圍內(nèi)的一般工程技術(shù)問題的能力，從而擴(kuò)大、深化所學(xué)的專業(yè)知識和技能。 培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計計算、工程繪圖、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)處理、查閱文獻(xiàn)、外文資料的閱讀與翻譯、計算機(jī)應(yīng)用、文字表達(dá)等基本工作實(shí)踐能力，使學(xué)生初步掌握科學(xué)研究的基本方法和思路。使學(xué)生學(xué)會初步掌握解決工程技術(shù)問題的正確指導(dǎo)思想、方法手段，樹立做事嚴(yán)謹(jǐn)、嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實(shí)事求是、刻苦鉆研、勇于探索、具有創(chuàng)新意識和團(tuán)結(jié)協(xié)作的工作作風(fēng)。 本次畢業(yè)設(shè)計主要是解決數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的工作原理和機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算部分，設(shè)計思路是先原理后結(jié)構(gòu)，先整體后局部。 目前數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心上，它的總的發(fā)展趨勢是： （1）在規(guī)格上將向兩頭延伸，即開發(fā)小型和大型轉(zhuǎn)臺； （2）在性能上將研制以鋼為材料的蝸輪，大幅度提高工作臺轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)臺的承 載能力； （3）在形式上繼續(xù)研制兩軸聯(lián)動和多軸并聯(lián)回轉(zhuǎn)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺。數(shù)控轉(zhuǎn)臺的市場分析：隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，加工中心將會越來越多地被要求配備第四軸或第五軸，以擴(kuò)大加工范圍。估計近幾年要求配備數(shù)控轉(zhuǎn)臺的加工中心將會達(dá)到每年600臺左右。預(yù)計未來5年，雖然某些行業(yè)由于產(chǎn)能過剩、受到宏觀調(diào)控的影響而繼續(xù)保持著較低的行業(yè)景氣度外，部分裝備制造業(yè)將有望保持較高的增長率，特別是那些國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵振興和發(fā)展的裝備子行業(yè)。作為裝備制造業(yè)的母機(jī)，普通加工機(jī)床將獲得年均15％－20％左右的穩(wěn)定增長。 1.1 數(shù)控技發(fā)展簡史 1946年誕生了世界上第一臺電子計算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)，工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動的工具相比有了質(zhì)的飛躍，他為人類進(jìn)入信息社會奠定了基礎(chǔ)。半個世紀(jì)以來，以計算機(jī)為主導(dǎo)和核心的信息技術(shù)，既通過電視，現(xiàn)代通信等提高了人類生活的質(zhì)量，還促進(jìn)生產(chǎn)力飛速向前發(fā)展，開創(chuàng)了人類文明史，生產(chǎn)史的新紀(jì)元。信息技術(shù)的飛速發(fā)展直接導(dǎo)致了知識經(jīng)濟(jì)的到來。 六年后，即在1952年，計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上。在美國誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。計算機(jī)及控制技術(shù)在機(jī)械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀(jì)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進(jìn)步。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀(jì)以來，數(shù)控機(jī)床經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 （1）數(shù)控(NC)階段(1952-1970年) 早期計算機(jī)運(yùn)算速度低，這對當(dāng)時的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路“搭”成一臺機(jī)床專用計算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控(HARD WIREDNC)，簡稱為數(shù)控(NC)。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經(jīng)了三代，即1952年第一代— 電子管;1959年第二代— 晶體管;1965年第三代— 小規(guī)模集成電路。 （2）計算機(jī)數(shù)控(CNC)階段(1970-現(xiàn)在) 到1970年，通用小型計算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批量生產(chǎn)。其運(yùn)算速度比五，六十年代有了大幅度的提高，這比專門“搭”成的專用計算機(jī)成本低，可靠性高。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計算機(jī)數(shù)控(CNC)階段。到1971年美國INTEL公司在世界上第一次將計算機(jī)的兩個最核心的部件— 運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路集成在一塊芯片上，稱之為微處理器(MICROPROCESSOR)，又稱為中央處理單元(簡稱CPU)。 1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀嬎銠C(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺機(jī)床能力有富裕，不及采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理，而且當(dāng)時的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能還不夠高，但可以采用多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計算機(jī)的核心部件，故仍稱為計算機(jī)數(shù)控。到了1990年，PC機(jī)(個人計算機(jī)，國內(nèi)習(xí)稱微機(jī))的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求，而且PC機(jī)生產(chǎn)批量很大，價格便宜，可靠性高。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的時代。總之，計算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年第四代一一小型計算機(jī);1974年第五代— 微處理器;1990年第六代— 基于PC(國外稱為PC--BASED). 數(shù)控系統(tǒng)近五十年來經(jīng)歷了兩個階段六代的發(fā)展，只是發(fā)展到了第五代以后，才從根本上解決了可靠性低，價格極為昂貴，應(yīng)用很不方便等極為關(guān)鍵的問題。因此，即使在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，數(shù)控系統(tǒng)大規(guī)模地得到應(yīng)用和普及，是在七十年代末八十年代初以后的事情，也即數(shù)控技術(shù)經(jīng)過了近三十年的發(fā)展才走向普及應(yīng)用的。國外早己改稱為計算機(jī)數(shù)控(即CNC)，而我國仍習(xí)稱數(shù)控(NC)。所以我們?nèi)粘Ｖv的“數(shù)控”實(shí)質(zhì)上已是指“計算機(jī)數(shù)控”了。 1.2 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 （1）微觀看改造的必要性 ????微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機(jī)的威力?？梢约庸こ鰝鹘y(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面?？梢詫?shí)現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。由于計算機(jī)有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了“柔性自動化”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”?？蓪?shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件?在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時間無人看管加工。由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力(一個人可以看管多臺機(jī)床)，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC(柔性制造單元)、FMS(柔性制造系統(tǒng))以及CIMS(計算機(jī)集成制造系統(tǒng))等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 （2）宏觀看改造的必要性 ????宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)(包括軍、民機(jī)械工業(yè))進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS(管理信息系統(tǒng))、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造(稱之為信息化)，最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重(數(shù)控化率)到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達(dá)20.8％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。 1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn) （1）減少投資額、交貨期短 同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60％～80％的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費(fèi)工、費(fèi)錢，往往改造成本提高2～3倍，與購置新機(jī)床相比，只能節(jié)省投資50％左右。 （2）機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限 所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。 （3）熟悉了解設(shè)備、便于操作維修 購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機(jī)床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機(jī)床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。改造的機(jī)床一安裝好，就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn) （4）可充分利用現(xiàn)有的條件 可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。 （5）可以采用最新的控制技術(shù) 可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將傳統(tǒng)機(jī)床改成當(dāng)今先進(jìn)水平的機(jī)床。 1.4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 （1）進(jìn)電機(jī)拖動的開環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運(yùn)動的位移量、速度和運(yùn)動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。 （2）異步電動機(jī)或直流電機(jī)拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實(shí)際位置反饋信號，隨時與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動，直到給定位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴(yán)。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)?？筛鶕?jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。 （3）交/直流伺服電機(jī)拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機(jī)作成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如德國SIEMENS公司、日本FANUC公司；國內(nèi)公司如中國珠峰公司、北京航天機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司、華中數(shù)控公司和沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心。選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機(jī)床要達(dá)到的各種精度、驅(qū)動電機(jī)的功率和用戶的要求。 1.5 數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝的探討 一臺新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計上要達(dá)到：有高的靜動態(tài)剛度；運(yùn)動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達(dá)到上述要求。不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。 （1）滑動導(dǎo)軌副 對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。 （2）齒輪副 一般機(jī)床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無間隙傳動，因而改造時，機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求，以保證機(jī)床加工精度。 （3）滑動絲杠與滾珠絲杠 絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。 （4）滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運(yùn)動時力矩相接近，可以降低電機(jī)啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。 （5）安全防護(hù) 改造效果必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動面損傷導(dǎo)軌。 1.6 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 （1）性能發(fā)展方向 ①高速高精高效化。速度、精度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由 于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測 元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機(jī)床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)床的高速高精高效化已大大提高。 ②柔性化。包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能覆蓋面大，可裁剪性強(qiáng)，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。 ③工藝復(fù)合性和多軸化。以減少工序、輔助時間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機(jī)床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達(dá)24軸。 ④實(shí)時智能化。早期的實(shí)時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計算模型實(shí)現(xiàn)人類的各種智能行為?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實(shí)時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實(shí)時響應(yīng)的、更現(xiàn)實(shí)的領(lǐng)域發(fā)展，而實(shí)時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實(shí)時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補(bǔ)償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的綜合運(yùn)動控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達(dá)到最佳控制的目的。 （2）功能發(fā)展方向 ①用戶界面圖形化。用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計算機(jī)軟件研制中最困難的部分之一。當(dāng)前INTERNET、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計算可視化及多媒體等技術(shù)也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現(xiàn)。 ②科學(xué)計算可視化。科學(xué)計算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再局限于用文字和語言表達(dá)，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息?？梢暬夹g(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，如無圖紙設(shè)計、虛擬樣機(jī)技術(shù)等，這對縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本具有重要意義。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，可視化技術(shù)可用于CAD/CAM，如自動編程設(shè)計、參數(shù)自動設(shè)定、刀具補(bǔ)償和刀具管理數(shù)據(jù)的動態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。 ③插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化。多種插補(bǔ)方式如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、空間橢圓曲面插補(bǔ)、螺紋插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、2D+2螺旋插補(bǔ)、NANO插補(bǔ)、NURBS插補(bǔ)(非均勻有理B樣條插補(bǔ))、樣條插補(bǔ)(A、B、C樣條)、多項(xiàng)式插補(bǔ)等。多種補(bǔ)償功能如間隙補(bǔ)償、垂直度補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、與速度相關(guān)的前饋補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、帶平滑接近和退出以及相反點(diǎn)計算的刀具半徑補(bǔ)償?shù)取? ④內(nèi)裝高性能PLC。數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標(biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序?qū)嵗脩艨稍跇?biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯修改，從而方便地建立自己的應(yīng)用程序。 ⑤多媒體技術(shù)應(yīng)用。多媒體技術(shù)集計算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，在實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等方面有著重大的應(yīng)用價值。 （3）體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 ①集成化。采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐稦PGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運(yùn)行速度。應(yīng)用FPD平板顯示技術(shù)，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示技術(shù)，是21世紀(jì)顯示技術(shù)的主流。應(yīng)用先進(jìn)封裝和互連技術(shù)，將半導(dǎo)體和表面安裝技術(shù)融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價格，改進(jìn)性能，減小組件尺寸，提高系統(tǒng)的可靠性。 ②模塊化。硬件模塊化易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標(biāo)準(zhǔn)的系列化產(chǎn)品，通過積木方式進(jìn)行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。 ③網(wǎng)絡(luò)化。機(jī)床聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無人化操作。通過機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機(jī)床上對其它機(jī)床進(jìn)行編程、設(shè)定、操作、運(yùn)行，不同機(jī)床的畫面可同時顯示在每一臺機(jī)床的屏幕上。 ④通用型開放式閉環(huán)控制模式。采用通用計算機(jī)組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結(jié)構(gòu)，便于裁剪、擴(kuò)展和升級，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)。閉環(huán)控制模式是針對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型單機(jī)封閉式開環(huán)控制模式提出的。由于制造過程是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復(fù)雜過程，包含諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實(shí)現(xiàn)加工過程的多目標(biāo)優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實(shí)時加工過程中動態(tài)調(diào)整加工過程變量。加工過程中采用開放式通用型實(shí)時動態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計算機(jī)實(shí)時智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補(bǔ)償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。 第2章 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的原理與應(yīng)用 數(shù)控機(jī)床的圓周進(jìn)給由回轉(zhuǎn)工作臺完成，稱為數(shù)控機(jī)床的第四軸：回轉(zhuǎn)工作臺可以與X、Y、Z三個坐標(biāo)軸聯(lián)動，從而加工出各種球、圓弧曲線等?；剞D(zhuǎn)工作臺可以實(shí)現(xiàn)精確的自動分度，擴(kuò)大了數(shù)控機(jī)床加工范圍。 2.1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺主要用于數(shù)控鏜床和銑床，其外形和通用工作臺幾乎一樣，但它的驅(qū)動是伺服系統(tǒng)的驅(qū)動方式。它可以與其他伺服進(jìn)給軸聯(lián)動。 ?圖2-1為自動換刀數(shù)控鏜床的回轉(zhuǎn)工作臺。它的進(jìn)給、分度轉(zhuǎn)位和定位鎖緊都是由給定的指令進(jìn)行控制的。工作臺的運(yùn)動是由伺服電動機(jī)，經(jīng)齒輪減速后由 圖2-1 自動換刀數(shù)控鏜床的回轉(zhuǎn)工作臺 1一蝸桿? 2一蝸輪? 3、4一夾緊瓦? 5一小液壓缸? 6一活塞? 7一彈簧 8一鋼球? 9一支座 10一光柵 11、12一軸承 為了消除蝸桿副的傳動間隙，采用了雙螺距漸厚蝸桿，通過移動蝸桿的軸向位置宋調(diào)整間隙。這種蝸桿的左右兩側(cè)面具有不同的螺距，因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。 當(dāng)工作臺靜止時，必須處于鎖緊狀態(tài)。為此，在蝸輪底部的輻射方向裝有8對夾緊瓦4和3，并在底座9上均布同樣數(shù)量的小液壓缸5。當(dāng)小液壓缸的上腔接通壓力油時，活塞6便壓向鋼球8，撐開夾緊瓦，并夾緊蝸輪2。在工作臺需要回轉(zhuǎn)時，先使小液壓缸的上腔接通回油路，在彈簧7的作用下，鋼球8抬起，夾緊瓦將蝸輪松開。 ? 回轉(zhuǎn)工作臺的導(dǎo)軌面由大型滾動軸承支承，并由圓錐滾柱軸承12及雙列向心圓柱滾子軸承11保持準(zhǔn)確的回轉(zhuǎn)中心。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的定位精度主要取決于蝸桿副的傳動精度，因而必須采用高精度蝸桿副。在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，可以在實(shí)際測量工作臺靜態(tài)定位誤差之后，確定需要補(bǔ)償角度的位置和補(bǔ)償?shù)闹?，記憶在補(bǔ)償回路中，由數(shù)控裝置進(jìn)行誤差補(bǔ)償。在全閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由高精度的圓光柵10發(fā)出工作臺精確到位信號，反饋給數(shù)控裝置進(jìn)行控制。 ? 回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)有零點(diǎn)，當(dāng)它作回零運(yùn)動時，先用擋鐵壓下限位開關(guān)，使工作臺降速，然后由圓光柵或編碼器發(fā)出零位信號，使工作臺準(zhǔn)確地停在零位。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可以作任意角度的回轉(zhuǎn)和分度，也可以作連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動。 2.2 設(shè)計準(zhǔn)則 我們的設(shè)計過程中，本著以下幾條設(shè)計準(zhǔn)則 （1）創(chuàng)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(yù)測意外載荷 （5）創(chuàng)造有利的載荷條件 （6）提高合理的應(yīng)力分布和剛度 （7）重量要適宜 （8）應(yīng)用基本公式求相稱尺寸和最佳尺寸 （9）根據(jù)性能組合選擇材料 （10）零件與整體零件之間精度的進(jìn)行選擇 （11）功能設(shè)計應(yīng)適應(yīng)制造工藝和降低成本的要求 2.3 主要技術(shù)參數(shù) （1）回轉(zhuǎn)半徑：500 mm （2）重復(fù)定位精度：0.005 mm （3）電液脈沖馬達(dá)功率：0.75 kw （4）電液脈沖馬達(dá)轉(zhuǎn)速：3000 rpm （5）總傳動比：72.5 （6）最大承載重量：100㎏ 第3章 傳動方案的確定 3.1步進(jìn)電機(jī)的原理 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。? ? 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。? ????選擇步進(jìn)電機(jī)時，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時，首先要計算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。? ????選擇步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。? ? 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動的需要。 3.2 傳動時應(yīng)滿足的要求 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺一般由原動機(jī)、傳動裝置和工作臺組成，傳動裝置在原動機(jī)和工作臺之間傳遞運(yùn)動和動力，并可實(shí)現(xiàn)分度運(yùn)動。在本課題中，原動機(jī)采用電液脈沖馬達(dá)，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(jī)械的功能要求：應(yīng)滿足工作臺的功率、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動形式的要求； （2）工作條件的要求：例如工作環(huán)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(jié)構(gòu)工藝性要求：如結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、使用維護(hù)便利、工藝性和經(jīng)濟(jì)合理等。 3.3 傳動方案及其分析 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺傳動方案為：電液脈沖馬達(dá)—齒輪傳動—蝸桿傳動—工作。 該傳動方案分析如下： 齒輪傳動承受載能力較高 ，傳遞運(yùn)動準(zhǔn)確、平穩(wěn)，傳遞功率和圓周速度范圍很大，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。 蝸桿傳動有以下特點(diǎn)： （1）傳動比大在分度機(jī)構(gòu)中可達(dá)1000以上。與其他傳動形式相比，傳動比相同時，機(jī)構(gòu)尺寸小，因而結(jié)構(gòu)緊湊； （2）傳動平穩(wěn)。蝸桿齒是連續(xù)的螺旋齒，與蝸輪的嚙合是連續(xù)的，因此，傳動平穩(wěn)，噪聲低； （3）可以自鎖。當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于齒輪間的當(dāng)量摩擦角時，若蝸桿為主動件，機(jī)構(gòu)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 。蝸桿傳動是，齒面上具有較大的滑動速度，摩擦磨損大，故效率約為0.7-0.8，具有自鎖的蝸桿傳動效率僅為0.4左右。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。 由以上分析可得：將齒輪傳動放在傳動系統(tǒng)的高速級，蝸桿傳動放在傳動系統(tǒng)的低速級，傳動方案較合理。同時，對于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，結(jié)構(gòu)簡單，它有兩種型式：開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺、閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺。 兩種型式各有特點(diǎn)： （1）開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺。 開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺和開環(huán)直線進(jìn)給機(jī)構(gòu)一樣，都可以用點(diǎn)液脈沖馬達(dá)、功率步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動。 （2）閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺 。閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺和開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺大致相同，其區(qū)別在于：閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺有轉(zhuǎn)動角度的測量元件（圓光柵）。所測量的結(jié)果經(jīng)反饋與指令值進(jìn)行比較，按閉環(huán)原理進(jìn)行工作，使轉(zhuǎn)臺分度定位精度更高。 第4章 齒輪傳動的設(shè)計 由于前述所選電機(jī)可知T=2.39 NM傳動比設(shè)定為i=3，效率η=0.97工作日按300工作日計，壽命為10年。 4.1 選擇齒輪傳動的類型 齒輪類型較多，按照兩傳動軸相對位置和齒向的不同，齒輪機(jī)構(gòu)可分如圖4.1所示。 圖4.1 齒輪機(jī)構(gòu)的類型 根據(jù)GB/T10085—1988的推薦，采用直齒輪傳動的形式。 4.2 材料的選擇 （1）齒輪傳動對材料的基本要求 由齒輪的失效形式可知，設(shè)計齒輪傳動時，應(yīng)使齒面具有較高的抗磨損、抗點(diǎn)蝕、抗膠合及塑性變形的能力，而齒根要求有較高的抗折斷能力。因此，對齒輪材料性能的基本要求為： 齒面要硬，齒芯要韌； 具有良好的力學(xué)性能和熱處理性能。 （2）齒輪常用的材料 常用的齒輪材料是各種牌號的優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵和鑄鋼等。表4.1列出了常用齒輪的材料及其熱處理后的硬度。 表4.1 常用的齒輪材料 類別 牌號 熱處理 硬度 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 45 正火 162～217HBS 217～255HBS 45～50HRC 241～286HBS 48～55HRC 217～269HBS 40～45HRC 241～286HBS 56～62HRC 56～62HRC ＞850HV 160～220HBS 180～220HBS 160～220HBS 200～250HBS 170～230HBS 187～255HBS 147～241HBS 229～302HBS 調(diào)質(zhì) 表面淬火 合金鋼機(jī)構(gòu) 40Cr 調(diào)質(zhì) 表面淬火 35SiMn 調(diào)質(zhì) 表面淬火 40MnB 20Cr 20CrMnTi 38CrMoAlA ZG310-570 ZG340-640 調(diào)質(zhì) 滲碳淬火回火 滲碳淬火回火 調(diào)質(zhì)后滲碳 鑄鋼 正火 正火 ZG35SiMn 正火 調(diào)質(zhì) 灰鑄鐵 HT200 HT300 QT500-5 QT600-2 球墨鑄鐵 齒輪材料的種類很多，在選擇時應(yīng)考慮的因素也很多，下述幾點(diǎn)可供選材時參考。 （1） 閉式軟齒面齒輪傳動常用材料 閉式軟齒面齒輪傳動常選用的材料有35、45、40Cr和35SiMn經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火處理。此類材料的特點(diǎn)是制造方便，多用于對強(qiáng)度、速度和精度要求不高的一般機(jī)械傳動中。由于小齒輪輪齒工作次數(shù)較多，應(yīng)使其齒面硬度比大齒輪的高出25~50HBS。 （2） 閉式硬齒面齒輪傳動常用的材料 閉式硬齒面齒輪傳動常用的材料有20、20Gr、20GrMnTi表面滲碳淬火和45、40Gr表面淬火或整體淬火，一般齒面硬度為45~65HRC。通常兩齒輪輪齒采用相同的齒面硬度。此類材料的特點(diǎn)是制造較復(fù)雜，精度要求高，多用于高速、重載及精密機(jī)械中。 （3）大尺寸齒輪及開式低俗齒輪傳動常用材料 當(dāng)齒輪尺寸較大而輪坯不易鍛造時，可采用鑄鋼；開式低俗傳動可采用灰口鑄鐵；球墨鑄鐵有時可代替鑄鋼。 考慮到齒輪傳動效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼；為達(dá)到更高的效率和更好的耐磨性，要求齒輪面，硬度為45-55HRC。 4.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計 先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 （1）轉(zhuǎn)距T 式中 P1— 傳遞的功率，kW； N1— 小齒輪轉(zhuǎn)速，r/min。 轉(zhuǎn)矩 T=2.39 N·M （2）載荷系數(shù)K 式中 K — 載荷系數(shù)； KA — 使用系數(shù)； KV — 動載系數(shù)； Ka — 齒間載荷分配系數(shù)； Kb — 齒向載荷分布系數(shù)。 因?yàn)檩d荷平穩(wěn)，查表4.2，取KA=1.00 分別查取KV，Ka和Kb的值，得到K=1.2 表4.2 使用系數(shù)KA 原動機(jī) 工作機(jī)的載荷特性 均勻平穩(wěn) 輕微沖擊 中等沖擊 嚴(yán)重沖擊 電動機(jī) 多缸內(nèi)燃機(jī) 單缸內(nèi)燃機(jī) 1.00 1.10 1.25 1.25 1.35 1.50 1.50 1.60 1.75 1.75 1.85 2.0 注：對于增速傳動可取表中值的1.1倍；當(dāng)外部機(jī)械與齒輪裝置之間撓性連接時，其值可適當(dāng)降低。 （3）齒寬系數(shù)ψd 由表4.3得ψd=1 表4.3 齒寬系數(shù)ψd 齒輪相對軸承的位置 齒面硬度 軟齒面 硬齒面 對稱分布 非對稱分布 懸臂布置 0.8～1.4 0.6～1.2 0.3～0.4 0.4～0.9 0.3～0.6 0.2～0.25 注：直齒圓柱齒輪宜取較小值，斜齒輪可取較大值，人字齒輪可取到2；載荷穩(wěn)定，軸剛性大時取較大值；變載荷，軸剛性較小時宜取較小值。 （4）許用接觸應(yīng)力[sH] 表4.4 最小安全系數(shù)參考值 使用要求 SFmin SHmin 高可靠度 較高可靠度 一般可靠度 低靠度 2.00 1.60 1.25 1.00 1.50～1.60 1.25～1.30 1.00～1.10 0.85 注：1.在經(jīng)過使用驗(yàn)證或材料強(qiáng)度、載荷工況及制造精度擁有較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)時，SHmin可取下限。 2.建議對一般齒輪傳動不采用低可靠度。 式中 sHlim—失效率為1%時，試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限； SHmin—齒面接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)，因彎曲疲勞造成的輪齒折斷有可能引起重大事故，而接觸疲勞產(chǎn)生的點(diǎn)蝕只影響使用壽命，故齒輪彎曲疲勞安全系數(shù)SFmin的數(shù)值遠(yuǎn)大于齒面接觸疲勞安全系數(shù)SHmin； ZN—接觸疲勞強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)取決于工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL。 取失效率為1%，查表4.4，最小安全系數(shù)SHmin=1 [sH]=220 Mpa （5）端面重合度ea =1.69 （6）重合度系數(shù)Ze （7）齒輪分度園直徑d = 32.88 mm 4.4 確定齒輪的主要參數(shù)與主要尺寸 （1）傳動比：i=3 （2）齒數(shù)：取Z1=22 則Z2=i×Z1 =66 （3）模數(shù)： m=d1/Z1=32.88/22=1.49 mm, 取標(biāo)準(zhǔn)值：m=1.5。 （4）中心距： α=m/2(Z1+Z2)=60.5 mm （5）分度圓直徑：d1=mZ1=1.5x22=33 mm d2=mZ2=1.5x66=99 mm （6）齒頂圓直徑：da1=d1+2m=33+2x1.5=36 mm da2=d2+2m=99+2x1.5=102 mm （7）齒寬：b= Ydd1=1x33=33 mm b1=b2+(5～10) 取b2=25mm 4.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 （1）大小齒輪彎曲疲勞極限 ， （2）彎曲壽命系數(shù) O， （3） 許用彎曲應(yīng)力 取失效率1%，最小安全系數(shù)SFmin=1.25， [sF1]=344MPa ，[sF2]=267.52MPa （4）重合度系數(shù)Ye （5）應(yīng)力修正系數(shù) YSa1=1.59，YSa2=1.77 （6）復(fù)合齒形系數(shù) YFa1=4.12，YFa2=3.96 （7）校核計算 彎曲強(qiáng)度足夠。 第5章 電液脈沖馬達(dá)的選擇及運(yùn)動參數(shù)的計算 許多機(jī)械加工需要微量進(jìn)給。要實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給，步進(jìn)電機(jī)、直流伺服交流伺服電機(jī)都可作為驅(qū)動元件。對于后兩者，必須使用精密的傳感器并構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。在閉環(huán)系統(tǒng)中，廣泛采用電液脈沖馬達(dá)作為執(zhí)行單元。這是因?yàn)殡娨好}沖馬達(dá)具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）直接采用數(shù)字量進(jìn)行控制 （2）轉(zhuǎn)動慣量小，啟動、停止方便 （3）成本低 （4）無誤差積累 （5）定位準(zhǔn)確 （6）低頻率特性比較好 （7）調(diào)速范圍較寬 采用電液脈沖馬達(dá)為驅(qū)動單元，其機(jī)構(gòu)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(jìn)電機(jī)每加一個脈沖轉(zhuǎn)過一個脈沖當(dāng)量；但由于其脈沖當(dāng)量一般較大，如0.01mm，在數(shù)控系統(tǒng)中為了保證加工精度，廣泛采用電液脈沖馬達(dá)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)。 （1）電液脈沖馬達(dá)電機(jī)的選擇 按照工作要求和條件選Y系列一般用途的全封閉自扇冷鼠籠型三相異步電機(jī)。 （2）選擇電液脈沖馬達(dá)的額定功率 馬達(dá)的額定功率應(yīng)等于或稍大于工作要求的功率。額定功率小于工作要求，則不能保證工作機(jī)器正常工作，或使馬達(dá)長期過載、發(fā)熱大而過早損壞；額定功率過大，則馬達(dá)價格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪費(fèi)。 工作所需功率為：Pw=FwVw/1000ηw KW Pw=Tnw/9950ηw KW 式中T=150NM, nw=36r/min,電機(jī)工作效率ηw=0.97，代入上式得 Pw=150×36/（9950×0.97）=0.56 KW 電機(jī)所需的輸出功率為：P0= Pw/η 式中：η為電機(jī)至工作臺主動軸之間的總效率。 由表2.4查得：齒輪傳動的效率為ηw=0.97；一對滾動軸承的效率為ηw=0.99；蝸桿傳動的效率為ηw=0.8。因此， η=η1η23η3=0.97×0.993×0.8=0.75 P0= Pw/η=0.56/0.75=0.747 KW （1）一般電機(jī)的額定功率 Pm=(1-1.3)P0=(1-1.3)0.747=0.747-0.97 KW 電機(jī)額定功率為：Pm=0.75 KW （2）電機(jī)機(jī)構(gòu)傳動范圍：（1）齒輪傳動比：3-5 （2）蝸桿傳動比：15-32 （3）則總的傳動范圍為：i=i1×i2=3×15-5×32=45-160 電機(jī)轉(zhuǎn)速的范圍為：N= i×nw=(45-160)×36=1620-5760 r/min 為降低電機(jī)的重量和價格，選取常用的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min的Y系列電機(jī)，型號為Y801-2，其滿載轉(zhuǎn)速nm=3000r/min。 第6章 蝸輪蝸桿的設(shè)計與校核 由于前述所選電機(jī)可知T=6.93NM傳動比設(shè)定為i=27.5，效率η=0.8工作日安排每年300工作日計，壽命為10年。 6.1 選擇蝸桿傳動類型 按蝸桿螺旋線方向的不同，蝸桿傳動有右旋和左旋之分。除特殊需要外，一般都采用右旋。兩者工作原理和設(shè)計方法相同。 按蝸桿頭數(shù)的不同，可分為單頭蝸桿和多頭蝸桿。單頭蝸桿主要用于大傳動比的場合，要求自鎖的蝸桿傳動必須才用單頭蝸桿。多頭蝸桿主要用于傳動比不大和要求效率較高的場合。 按蝸桿形狀的不同，可分為圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動、錐蝸桿傳動三類。 普通圓柱蝸桿的齒面一般是在車窗上用直母線切削刃的車刀切制的，刀位置不同，所加工出的蝸桿齒面在不同截面中的齒輪廓線也不同?？煞譃榘⒒椎挛仐U、漸開線蝸桿、錐面包絡(luò)蝸桿、法向直廓蝸桿和圓弧圓柱蝸桿。 根據(jù)GB/T10085—1988的推薦，采用漸開線蝸桿。 6.2 材料的選擇 （1）蝸桿材料 常用的蝸桿材料有碳鋼和合金鋼兩類。按熱處理的不同可分為硬面蝸桿和調(diào)質(zhì)蝸桿，設(shè)計時應(yīng)首先考慮選用硬面蝸桿，但要注意硬面蝸桿制造時必須磨削；在缺乏磨削設(shè)備或蝸桿傳動承受短期沖擊載荷作用時，可選用調(diào)質(zhì)蝸桿。常用的蝸桿材料及熱處理方法見表6.1。 表6.1 蝸桿材料及工藝要求 材料牌號 熱處理 硬度 齒面粗糙度Ra/μm 40Cr,40CrNi,42SiMn,35CrMo,38SiMnMo 表面淬火 45～55HRC 1.6～0.8 20Cr,20CrMnTi,16CrMn,20CrV 滲碳淬火 58～63HRC 1.6～0.8 45,40Cr,42CrMo,35SiMn 調(diào)質(zhì) <350HBS 6.3～3.2 38CrMoAlA,50CrV,35CrMo 表面滲氮 65～70HRC 3.2～1.6 （2）蝸輪材料 蝸輪材料通常是指蝸輪齒冠部分的材料?？紤]到蝸桿傳動難有高的接觸精度，滑動速度又較大，以及蝸桿變形等因素，故蝸桿、蝸輪不能都用硬材料制造，通常蝸輪用減摩性良好的軟材料來制造。設(shè)計時可根據(jù)滑動速度選擇蝸輪材料，通常的材料如下。 鑄造錫青銅。其耐磨性最好，抗膠合能來高，易加工，用于重要傳動，允許的滑動速度可達(dá)25m/s，但是價格昂貴。常用的有ZcuSn10Pb1、ZcuSnPb5Zn5，其中后者常用于小于12m/s的傳動。 鑄造鋁青銅。強(qiáng)度較高但價格教錫青銅便宜，其他性能均比錫青銅略差，一般用于小于4m/s的傳動，且與之配套的蝸桿硬度不低于45HRC。常用的有ZuAl10Fe3、ZcuAl10Fe3Mn2等。 灰鑄鐵。其各項(xiàng)性能遠(yuǎn)不如前面兩類材料，但價格便宜。適用于小于2m/s的低速、且對效率要求不高的一般傳動。 考慮到蝸桿傳動效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼；為達(dá)到更高的效率和更好的耐磨性，要求蝸桿螺旋齒面淬火，硬度為45-55HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。 6.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計 根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)