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題 目 雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名 學(xué)號(hào)
所在學(xué)院
專業(yè)班級(jí)
指導(dǎo)教師
完成地點(diǎn)
年 月 日
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任務(wù)書(shū)
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院(系) 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)
二、畢業(yè)設(shè)計(jì)工作自 年 月_ __日 起至 年 月 日止
三、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn): 校內(nèi)
四、畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容要求：
五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，是機(jī)床中的尖端技術(shù)產(chǎn)品，是國(guó)防、航空等重要工業(yè)部門(mén)的關(guān)鍵設(shè)備。雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)是五軸數(shù)控機(jī)床中的關(guān)鍵部件之一。
用三維造型軟件設(shè)計(jì)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)：臺(tái)面直徑400mm，繞X軸回轉(zhuǎn)的A軸工作范圍 300至-1200，力矩200Nm；其中間設(shè)一環(huán)繞Z軸的回轉(zhuǎn)臺(tái)C軸， 3600回轉(zhuǎn)，力矩300Nm。
完成雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的裝配圖，設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
指 導(dǎo) 教 師 系(教 研 室)
系(教研室)主任簽名 批準(zhǔn)日期
接受設(shè)計(jì)任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行日期 學(xué)生簽名
雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)
[摘要] 本文以西泰克臥式力矩電機(jī)直驅(qū)的雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)為分析對(duì)象，采用角接觸球軸承為支承方式，設(shè)計(jì)一臺(tái)力矩電機(jī)直驅(qū)的雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)。力矩電機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)采用的直驅(qū)技術(shù)提供了高動(dòng)態(tài)特性、高精度和高可靠性。安裝后無(wú)后期維護(hù)、無(wú)精度磨損?；诤?jiǎn)單而對(duì)稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所有部件、電機(jī)、軸承完美的結(jié)合在一起，可獲得更高的穩(wěn)定性和系統(tǒng)剛性。
[關(guān)鍵詞] 五軸聯(lián)動(dòng) 雙軸轉(zhuǎn)臺(tái) 力矩電機(jī) 直驅(qū)技術(shù)
Biaxial turntable design
Tutor: Chenchun
Abstract: In this paper, CyTec horizontal biaxial torque motor direct drive turntable is analyzed, using angular contact ball bearings to support the way, the design of a direct-drive torque motor biaxial turntable. Torque direct drive motor technology uses a turntable provides a highly dynamic, high precision and high reliability. No post-maintenance after installation, no precision wear. Based on a simple and symmetrical design, all components, motors, bearings perfectly together, get a higher system stability and rigidity.
Key words: Five-axis； Biaxial turntable； Torque motor；Direct drive technology
引言
這次課程設(shè)計(jì)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(shí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生建立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序、規(guī)范和方法。通過(guò)機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，可樹(shù)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(guò)渡。使學(xué)生進(jìn)一步鞏固和加深對(duì)所學(xué)的知識(shí)，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(shí)的技能，提高解決本專業(yè)范圍內(nèi)的一般工程技術(shù)問(wèn)題的能力，從而擴(kuò)大、深化所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和技能。培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)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(huì)初步掌握解決工程技術(shù)問(wèn)題的正確指導(dǎo)思想、方法手段，樹(shù)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(shí)和團(tuán)結(jié)協(xié)作的工作作風(fēng)。
數(shù)控技術(shù)是一門(mén)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、現(xiàn)代機(jī)械制造術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)等多科學(xué)交叉的綜合技術(shù)，是近年來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)展十分迅速的一項(xiàng)綜合性的高新技術(shù)。
采用直驅(qū)電機(jī)的數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)已在不同種類的機(jī)床上得到應(yīng)用。直驅(qū)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在技術(shù)上已日趨成熟，具有傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置無(wú)法比擬的優(yōu)越性能。過(guò)去人們所擔(dān)心的直線電機(jī)推力小、體積大、溫升高、可靠性差、不安全、難安裝、難防護(hù)等問(wèn)題，隨著電機(jī)制造技術(shù)的改進(jìn)，有關(guān)問(wèn)題相應(yīng)解決。而驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的發(fā)展又為其性能拓展和安全性提供了保證。選擇合適的直驅(qū)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，配以合理的機(jī)床設(shè)計(jì)，完全可以設(shè)計(jì)制造出高性能、高可靠性的數(shù)控機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床正在向精密、高速、復(fù)合、智能、環(huán)保的方向發(fā)展。精密和高速加工對(duì)傳動(dòng)及其控制提出了更高的要求，更高的動(dòng)態(tài)特性和控制精度，更高的進(jìn)給速度和加速度，更低的振動(dòng)噪聲和更小的磨損。問(wèn)題的癥結(jié)在傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈從作為動(dòng)大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性變形、反向間隙、運(yùn)動(dòng)滯后、摩擦、振動(dòng)、噪聲及磨損力源的電動(dòng)機(jī)到工作部件要通過(guò)齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，在些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較。雖然在這些方面通過(guò)不斷的改進(jìn)使傳動(dòng)性能有所提高，但問(wèn)題很難從根本上解決，于出現(xiàn)了“直接傳動(dòng)”的概念，即取消從電動(dòng)機(jī)到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線電機(jī)、力矩電機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的“直接傳動(dòng)”概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并日益顯示其巨大的優(yōu)越性。力矩電機(jī)的應(yīng)用，使機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化，并使機(jī)床性能有了新的飛躍。
目 錄
1五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)與雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)................................1
1.1五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床發(fā)展 1
1.2五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的種類及特點(diǎn) 1
1.2.1立式五軸加工中心 2
1.2.2臥式五軸加工中心 3
1.3直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展 4
1.4 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 6
1.4.1雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的特點(diǎn) 6
1.4.2雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的功用 7
1.4.3雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的組成 7
2雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)整體布局 7
2.1主要參數(shù)要求 7
2.2轉(zhuǎn)臺(tái)的選擇 8
2.3驅(qū)動(dòng)元件的聯(lián)接方式 8
2.4轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)元件的選擇 8
2.5轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量元件選擇 10
2.6雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖 10
3雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電機(jī)選擇 11
3.1力矩電動(dòng)機(jī)的選擇 11
3.2轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì) 13
3.3軸的強(qiáng)度校核計(jì)算 14
II
3.4軸的剛度校核計(jì)算.............................................................................14
3.5支撐元件的選型 15
3.6連接元件 16
3.7軸徑的估算 20
3.8限位與鎖緊裝置 20
3.9走線與導(dǎo)電環(huán) 21
4總結(jié)與展望...........................................21
致謝 22
參考文獻(xiàn) 23
附錄
III
1五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)與雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)
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”。五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)是我國(guó)走向強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是把我國(guó)從制造大國(guó)轉(zhuǎn)變成制造強(qiáng)國(guó)的基石，因?yàn)橹圃鞓I(yè)包括的范圍很廣領(lǐng)域較多，所以針對(duì)不同的工件則需要具有不同特點(diǎn)的設(shè)備，其中五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的布局方案較多，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。
1.1五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床發(fā)展
五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，滿足空間曲面及任意輪廓的加工，一次裝夾完成大量的加工工序，保證精度要求。特別航空領(lǐng)域加工工藝的要求，對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床提出多軸聯(lián)動(dòng)的同時(shí)，還要求機(jī)床主軸有較高的轉(zhuǎn)速，因而在五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床上還應(yīng)用了諸如高速主軸、高速控制系統(tǒng)、先進(jìn)刀具技術(shù)等，首先是采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展,直線電機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。其次是采用雙驅(qū)動(dòng)技術(shù)。對(duì)于較寬工作臺(tái)或龍門(mén)架型式,如果采用中間驅(qū)動(dòng),實(shí)際無(wú)法保證驅(qū)動(dòng)力在中心,容易造成傾斜,使得動(dòng)態(tài)性能較差。使用雙驅(qū)動(dòng),能使動(dòng)態(tài)性能非常完美。
1.2五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的種類及特點(diǎn)
五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床有立式、臥式和搖籃式、NC工作臺(tái)、C工作臺(tái)+NC分度頭、C工作臺(tái)十90OB軸
C工作臺(tái)+45oB軸、C工作臺(tái)+A軸、軸NC主軸等類型。如（圖1）
圖1
1.2.1立式五軸加工中心
這類加工中心是工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸。設(shè)置在床身上的工作臺(tái)可以環(huán)
圖2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)。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3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。
1.2.2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。
4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），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、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。
1.3直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展
采用直驅(qū)技術(shù)制造回轉(zhuǎn)功能部件目前已經(jīng)成為國(guó)際機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，直驅(qū)功能部件包括直驅(qū)式轉(zhuǎn)臺(tái)、擺角銑頭等。3 _! C, W7 v" E直驅(qū)技術(shù)即采用大推力力矩電機(jī)或直線電機(jī)替代原有的包括齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)，即用電氣傳動(dòng)替代機(jī)械傳動(dòng)。直驅(qū)技術(shù)具有精度高（精度直接取決于控制技術(shù)和傳感技術(shù)）、速度快（直線電機(jī)可達(dá)100m/min,力矩電機(jī)可達(dá)500rpm）、無(wú)磨損（沒(méi)有機(jī)械磨損）、無(wú)間隙（沒(méi)有機(jī)械物理間隙）、受力狀態(tài)優(yōu)良（區(qū)域出力，沒(méi)有點(diǎn)接觸和線接觸受力環(huán)節(jié)）等優(yōu)勢(shì)。( f1 X8 z1 x7 k" _8 L3 b采用直驅(qū)技術(shù)設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)功能部件，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、速度快，是三軸數(shù)控機(jī)床向高檔5軸數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵功能部件。
" ^' l8 W5 w' N7 g4 y1 G" g 6 B# o3 x6 {* }) A$ ^在直驅(qū)技術(shù)日益成熟的條件下，國(guó)際主流機(jī)床廠商迅速推出采用直驅(qū)技術(shù)的機(jī)床產(chǎn)品，而且其應(yīng)用水平的提升呈加速趨勢(shì)。目前，處于世界機(jī)床產(chǎn)銷量前幾位的DMG、MAZAK、森精機(jī)等公司均開(kāi)始大量改用直驅(qū)功能部件。DMG在其主流萬(wàn)能車床產(chǎn)品體系CTX gamma系列車削中心中采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單擺角銑頭。MAZAK也開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于龍門(mén)加工中心的直驅(qū)雙擺角銑頭。森精機(jī)在NT系列復(fù)合加工機(jī)床上采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的擺角銑頭；在NMV系列加工中心采用力矩電機(jī)作為轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)。FANUC公司的納米級(jí)的ROBONANO 系列加工中心直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均采用直驅(qū)技術(shù)，該系列加工中心尚不對(duì)日本以外的國(guó)家銷售。德國(guó)F. Zimmerman公司不僅提供機(jī)床和直驅(qū)擺角銑頭產(chǎn)品，還擁有3旋轉(zhuǎn)座標(biāo)擺角銑頭的專利。同時(shí)國(guó)際上還產(chǎn)生了一批專業(yè)從事直驅(qū)功能部件的制造商，如德國(guó)的CYTEC和KSL為機(jī)床廠配套直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)和擺角銑頭產(chǎn)品。
圖5力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的擺頭 圖6采用力矩電動(dòng)機(jī)的雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)
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我國(guó)直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展與國(guó)際水平有很大差距。自2005年起國(guó)內(nèi)就開(kāi)展了以力矩電機(jī)為核心驅(qū)動(dòng)元件的轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，但大多尚停留在產(chǎn)品樣機(jī)階段。在力矩電機(jī)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)與國(guó)外也存在較大差距。國(guó)際上90年代初開(kāi)始應(yīng)用，現(xiàn)在進(jìn)入普及階段。國(guó)內(nèi)90年代中期才開(kāi)始研究，而成功的應(yīng)用還比較少。包括凱奇電氣、華中數(shù)控都展出過(guò)樣機(jī)，均未形成批量產(chǎn)品。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)都在力矩電機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面開(kāi)展了許多研究工作，也為社會(huì)小批量提供了一些力矩電機(jī)產(chǎn)品，大多配置德國(guó)科比的驅(qū)動(dòng)器。2009年北京CIMT上，煙臺(tái)環(huán)球展出了應(yīng)用西門(mén)子力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)樣機(jī)。目前，僅有大連光洋科技工程有限公司可以提供系列化力矩電機(jī)及其配套驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。大連光洋自2005年開(kāi)始進(jìn)行可行性技術(shù)分析和市場(chǎng)，經(jīng)過(guò)1年的論證，于2006年正式啟動(dòng)直驅(qū)關(guān)鍵功能部件（擺角銑頭、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)）開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，采取了與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作開(kāi)發(fā)模式。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在電機(jī)理論及設(shè)計(jì)技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)。光洋公司于2007年8月完成力矩電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，2007年10月完成了基于該電機(jī)的單軸精密轉(zhuǎn)臺(tái)樣機(jī)設(shè)計(jì)和制造，同時(shí)完成了高分辨率（6700萬(wàn)線/轉(zhuǎn)）、高精度（±3.6角秒）的總線式力矩電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)。近年來(lái)，光洋公司與沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)新一代力矩電機(jī)及其伺服驅(qū)動(dòng)裝置系列化產(chǎn)品。光洋公司在仔細(xì)研究國(guó)外幾種典型直驅(qū)功能部件產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)完成了直驅(qū)雙擺銑頭、單擺銑頭、單軸轉(zhuǎn)臺(tái)、雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前光洋公司完成了系列化直驅(qū)功能部件樣機(jī)制造，部分型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)入批量化制造階段。
1.4 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)
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。
1.4.1雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的特點(diǎn)
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。
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。
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。
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。
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, 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。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)。
圖7
1.4.2雙軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的功用
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)。
1.4.3雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的組成
以CRT/400/HV型雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)為例，它是由力矩電機(jī)、箱體、中心軸、軸承、轉(zhuǎn)盤(pán)、左支軸、 旋轉(zhuǎn)編碼器、基座、軸承座、支座軸等組成。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)。
圖8 CRT/400/HV型雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)
2雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)整體布局
2.1主要參數(shù)要求
給定主要參數(shù)如下：
1）臺(tái)面直徑d=400mm；
2）A軸繞X軸回轉(zhuǎn)，工作范圍30°至-120°，力矩200Nm；
3）C軸繞Z軸回轉(zhuǎn)，360°回轉(zhuǎn)，力矩300Nm。
2.2轉(zhuǎn)臺(tái)的選擇
按機(jī)械臺(tái)體結(jié)構(gòu)分類分為立式轉(zhuǎn)臺(tái)和臥式轉(zhuǎn)臺(tái)兩種。
立式轉(zhuǎn)臺(tái)： 立式轉(zhuǎn)臺(tái)的外框軸垂直于地平面，立式轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)多數(shù)為音叉式，其內(nèi)框架結(jié)構(gòu)多數(shù)為圓盤(pán)式，少數(shù)為 O 型。
臥式轉(zhuǎn)臺(tái) ： 臥式轉(zhuǎn)臺(tái)的外框軸平行于地平面。按轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸數(shù)量分類轉(zhuǎn)臺(tái)可分為單軸轉(zhuǎn)臺(tái)、雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)以及多軸轉(zhuǎn)臺(tái)。
此處我選擇的是臥式雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)。
圖9 立式轉(zhuǎn)臺(tái) 圖10 臥式轉(zhuǎn)臺(tái)
2.3驅(qū)動(dòng)元件的聯(lián)接方式
驅(qū)動(dòng)以聯(lián)接方式分為直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)
直接驅(qū)動(dòng)是將電機(jī)或液壓馬達(dá)的輸出軸直接與框架固聯(lián)，其主要優(yōu)點(diǎn)是有利于改善和提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和精度，缺點(diǎn)是其低速性能取決于元件本身的低速性能；間接驅(qū)動(dòng)是將電機(jī)或液壓馬達(dá)的輸出軸經(jīng)齒輪減速再與框架軸固聯(lián)，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以改善系統(tǒng)的超低速性能及用小力矩電機(jī)可驅(qū)動(dòng)大力矩負(fù)載，缺點(diǎn)是由于齒輪嚙合間隙以及齒面磨損后影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。
目前國(guó)內(nèi)外的高精度測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)大多采用直接驅(qū)動(dòng)方式。對(duì)于一般精度的轉(zhuǎn)臺(tái)可采用減速裝置，隨著加工技術(shù)的進(jìn)步，齒輪等減速裝置的回程誤差可小于 1"， 而且可以與電機(jī)連接成減速機(jī)，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸。
我選擇驅(qū)動(dòng)方式：采用直接驅(qū)動(dòng)方式，即將電機(jī)輸出軸、轉(zhuǎn)臺(tái)主軸以及碼盤(pán)軸直接相連
2.4轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)元件的選擇
由于轉(zhuǎn)臺(tái)是高精度精密測(cè)試設(shè)備，要求轉(zhuǎn)角精度高、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，同時(shí)又要求調(diào)速范圍大。因此對(duì)于驅(qū)動(dòng)元件的性能要求很高。一般要求其具有體積小、重量輕、高精度、低速平穩(wěn)運(yùn)行、高藕合剛度、大扭矩、可堵轉(zhuǎn)、快速響應(yīng)、特性線性度好、調(diào)速方便等的要求。轉(zhuǎn)臺(tái)常用的驅(qū)動(dòng)元件有電機(jī)、液壓馬達(dá)等。電機(jī)與液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，各有利弊，選擇哪種驅(qū)動(dòng)方式，要根據(jù)具體的要求來(lái)定奪。一般液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)的負(fù)載比電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大很多。
液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：
（1）輸出力矩大、功率密度高，在同樣功率條件下，液壓馬達(dá)的體積和重量?jī)H為電動(dòng)機(jī)的 12～20%。故適用于大負(fù)載轉(zhuǎn)臺(tái)，或是小負(fù)載但通頻帶很寬的高頻響轉(zhuǎn)臺(tái)。
（2）液壓馬達(dá)調(diào)速范圍大，可以從最低角速度 0.0004°/s 無(wú)極調(diào)速到 300°/s，其調(diào)速比范圍超過(guò) 50 萬(wàn)倍。
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：
（1）實(shí)現(xiàn)連續(xù)回轉(zhuǎn)，而擺動(dòng)式液壓馬達(dá)則不能。
（2）液壓馬達(dá)必須設(shè)置液壓油源，而電動(dòng)機(jī)不需要。
對(duì)于小轉(zhuǎn)矩、低頻響的轉(zhuǎn)臺(tái)宜采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而對(duì)于那些大轉(zhuǎn)矩、高頻響的轉(zhuǎn)臺(tái)，采用液壓驅(qū)動(dòng)方案為佳。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)，常見(jiàn)的電機(jī)為力矩電動(dòng)機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)。力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速低，可直接與框架連接形成直接驅(qū)動(dòng)。但當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩增大時(shí)，其允許的最高轉(zhuǎn)速也減小。所以，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)的最高轉(zhuǎn)速較高時(shí)不宜采用力矩電機(jī)，而采用直流伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速裝置驅(qū)動(dòng)的方案。但直流伺服電動(dòng)機(jī)的軸向尺寸較大，不宜用于轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)框和中框軸的驅(qū)動(dòng)，而且價(jià)格遠(yuǎn)高于前者。且與交流力矩電機(jī)相比，直流力矩電機(jī)具有能力指標(biāo)高控制線路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
力矩電動(dòng)機(jī)允許轉(zhuǎn)速低，可直接與轉(zhuǎn)臺(tái)主軸連接形成直接驅(qū)動(dòng)采用低速大扭矩的力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有諸多優(yōu)勢(shì) :
a) 轉(zhuǎn)速低 ,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) ,噪聲小 。
機(jī)械傳動(dòng)鏈中機(jī)械噪聲不復(fù)存在 ,高速旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡帶來(lái)的振動(dòng)噪聲大為降低 。
b) 控制精度高 ,機(jī)床的加工精度提高。
減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)間隙加大了傳動(dòng)控制誤差 ,降低了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率。由于間隙的存在 ,控制系統(tǒng)的響應(yīng)頻帶嚴(yán)重受限 ,不穩(wěn)定區(qū)頻率降低 ,運(yùn)動(dòng)控制易出現(xiàn)振蕩乃至失效。 采用低速大力矩電機(jī)后 ,系統(tǒng)增益可以進(jìn)一步提高 ,控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)、 靜態(tài)誤差都得到有效控制。 從而顯著提高了運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)的輪廓精度 ,并且其重復(fù)性精度也得到顯著改善。
c) 結(jié)構(gòu)緊湊 ,體積小 , 質(zhì)量輕 。
普通電機(jī)一般要經(jīng) 2～3級(jí)減速機(jī)減速才能達(dá)到低轉(zhuǎn)速大扭矩的要求 ,機(jī)構(gòu)龐大笨重 。 低速大力矩電機(jī)體積和質(zhì)量通常不到同類型電機(jī)與減速機(jī)之和的一半 ,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單零部件少 , 拆裝維修較為方便 。
d) 高效節(jié)能 。
直接驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈 , 減少了能量損耗 ,綜合效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的普通電機(jī)加配減速機(jī)的綜合效率 。 同時(shí) ,低速大力矩電機(jī)多為永磁電機(jī) , 因而具備效率高功率因數(shù)高等永磁電機(jī)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn) 。
e) 可靠性高。
潤(rùn)滑油泄漏問(wèn)題不復(fù)存在 ,設(shè)備對(duì)安裝、調(diào)試、 維護(hù)的要求也大為降低。 同時(shí) , 由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)導(dǎo)致的磨損、 機(jī)件松動(dòng)、 變形、 疲勞失效等故障大為降低。
力矩電機(jī)也有自身的缺點(diǎn) 。 在使用力矩電機(jī)時(shí) ,要保證切削和冷卻液不會(huì)進(jìn)入電機(jī)工作區(qū)域 ,否則會(huì)影響電機(jī)正常工作 ,縮短電機(jī)的壽命 。 電機(jī)工作時(shí) , 電機(jī)繞組產(chǎn)生大量熱量 ,電機(jī)定子部件直接與機(jī)床連接在一起 , 因此電機(jī)產(chǎn)生的熱量會(huì)傳遞到機(jī)械部分 , 引起變形和機(jī)械變化 ,影響機(jī)械的性能 ,在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮散熱問(wèn)題等 。
所以對(duì)于該設(shè)計(jì)方案可以按如下方式
驅(qū)動(dòng)元件：采用內(nèi)轉(zhuǎn)子直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制方便，既可開(kāi)環(huán)控制，又可閉環(huán)控制。
2.5轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量元件選擇
轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量元件主要有角度傳感器和角速度傳感器。角度傳感器有光電碼盤(pán)、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器。角速度傳感器主要是測(cè)速機(jī)。
在選擇傳感器時(shí)，按照以下選用原則選擇：
（1）傳感器的準(zhǔn)確度小于系統(tǒng)總不確定度的 1/3；
（2）傳感器的精度、分辨率比系統(tǒng)總的精度和分辨率最好高一個(gè)數(shù)量級(jí)；
（3）傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸滿足總體安裝使用要求；
有的轉(zhuǎn)臺(tái)只需要位置控制，測(cè)量元件只選擇角度傳感器就可以。有的轉(zhuǎn)臺(tái)除了要求位置控制外，還需要速度控制，測(cè)量元件需要選擇角度、角速度傳感器。
我選擇光電碼盤(pán)，為了便于安裝和拆卸，編碼器的轉(zhuǎn)子可以通過(guò)鎖緊螺母直接固定在軸上，通過(guò)內(nèi)六角圓螺釘將外圈連接在碼盤(pán)機(jī)座上，機(jī)座和下軸承座公用一個(gè)安裝基準(zhǔn)面，以保證定位的準(zhǔn)確，減少誤差。
2.6雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖
圖11
3雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電機(jī)選擇
3.1力矩電動(dòng)機(jī)的選擇
主要是確定載荷，作用在機(jī)械裝置上的載荷主要有：摩擦載荷、慣性載荷以及各種環(huán)境載荷等。
摩擦載荷：由于傳動(dòng)部件之間存在摩擦摩擦引起的。大小與所受壓力和材料的摩擦系數(shù)有關(guān)。摩擦力與其力臂的乘積即為摩擦力矩。
慣性載荷：計(jì)算回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性載荷，需要知道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度，具有傳動(dòng)鏈裝置的，通常將負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸上。
環(huán)境載荷：例如風(fēng)載荷、溫差載荷（熱變形）等，外載荷的確定，要是具體情況而定，有的可從理論上進(jìn)行推導(dǎo)，有的需要借助試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。
分析載荷的目的，是為了選擇合適的電動(dòng)機(jī)，使之滿足要求。對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)說(shuō)，一般在室內(nèi)應(yīng)用，它的載荷主要考慮摩擦載荷和慣性載荷。由于給定條件不多，直接由給定力矩選擇電機(jī)。
我選用由北京首科凱奇電氣技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)的通用直驅(qū)傳動(dòng)組件TM系列自冷式力矩電機(jī)。TM系列自冷式力矩電機(jī)是由北京首科凱奇電氣技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)的通用直驅(qū)傳動(dòng)組件。力矩電機(jī)以其低速、大扭矩特性著稱，用于替代普通伺服電機(jī)＋減速機(jī)的裝置可以明顯提高傳動(dòng)系統(tǒng)的相應(yīng)速度、控制精度，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)也得到極大簡(jiǎn)化。其優(yōu)點(diǎn)在于扭矩平穩(wěn)、體積小、慣量低、扭矩大，過(guò)載能力強(qiáng)。TM系列自冷式力矩電機(jī)可應(yīng)用于數(shù)控金屬切割機(jī)床、齒輪機(jī)床、印刷機(jī)械、半導(dǎo)體設(shè)備、電子設(shè)備等多種精密高效的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。北京首科凱奇電氣技術(shù)有限公司的DD直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)、直驅(qū)式高精度分度頭等產(chǎn)品中使用的電機(jī)也是TM系列自冷式力矩電機(jī)（部分使用MB系列自冷式力矩電機(jī)）。TM系列自冷式力矩電機(jī)外形為圓柱體，黑色，表面光滑，分為定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分。
數(shù)據(jù)如下：
圖12
C軸上給定力矩為300Nm，選電機(jī)型號(hào)TM295-L1；A軸上給定力矩為200Nm，選電機(jī)型號(hào)TM230-M
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T0(Nm) Tmax(Nm) N0（r/min ） Nmax（r/min）
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TM295-L1 310 950 100 200
TM230-M 200 600 150 240
外形尺寸 D1 D2 L
TM295-L1 ?295 ?202 200
TM230-M ?230 ?150 160
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電機(jī)功率計(jì)算有個(gè)共同的公式，P=MN/9550
P為額定功率，M為額定力矩，N為額定轉(zhuǎn)速
計(jì)算得 TM295-L1 P=MN/9550=3.25kw
TM230-M P=MN/9550=3.14kw
3.2轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)
根據(jù)題目條件，轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面尺寸為，鑒于方便安裝和余量保留的原則，設(shè)計(jì)實(shí)心轉(zhuǎn)臺(tái)，材料選取45鋼，其厚度應(yīng)該根據(jù)負(fù)載最大形狀最不理想時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣的撓度小于要求的臺(tái)面跳動(dòng)來(lái)估計(jì)。由于題目所要求轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)負(fù)載沒(méi)有特殊要求，故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)臺(tái)面的厚度為
。
3.3軸的強(qiáng)度校核計(jì)算
由上述計(jì)算的轉(zhuǎn)軸C傳遞的轉(zhuǎn)矩T=300Nm ,輸入的功率P=3.25kw
按許用切應(yīng)力計(jì)算，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為
其中，是許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，材料為45鋼，查表得其取值介于25~45MPa。
由上式可得軸的直徑
由于軸是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，故采用空心軸，方便線路布置，并初取空心率
查表得=125，則計(jì)算得=50mm，取d=100mm 。
校核軸，帶入d值，則1.5≤，取值合適。
轉(zhuǎn)軸A傳遞的轉(zhuǎn)矩T=200Nm ,輸入的功率P=3.14kw
計(jì)算過(guò)程同上計(jì)算得=45mm，取d=90mm
校核軸，帶入d值，則1.37≤，取值合適。
3.4軸的剛度校核計(jì)算
軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長(zhǎng)的扭轉(zhuǎn)角來(lái)表示。圓軸扭轉(zhuǎn)角[單位為（?）/m]，扭角的大小和軸的長(zhǎng)度有關(guān)。為了消除長(zhǎng)度的影響，通常用單位長(zhǎng)度轉(zhuǎn)角來(lái)表示扭轉(zhuǎn)變形的程度。在工程中常限制單位長(zhǎng)度轉(zhuǎn)角的最大值=的最大值不得超過(guò)單位長(zhǎng)度許可轉(zhuǎn)角[]。因此，扭轉(zhuǎn)的剛度條件表述為
對(duì)于空心圓軸：
[3] (3-8)
對(duì)于不同的機(jī)械和軸的工作條件，可從有關(guān)手冊(cè)中查到單位長(zhǎng)度許可轉(zhuǎn)角的值。
精密機(jī)械傳動(dòng)軸：
=（0.25~0.50）?/m
一般傳動(dòng)軸：
=（0.5~1）?/m
精度要求不高的軸：
=（1~2.5）?/m
轉(zhuǎn)臺(tái)主軸應(yīng)該屬于一般傳動(dòng)軸，所以選擇0.7?/m，根據(jù)式（4-16）得：
=0.038 m=38 mm
由于主軸的最小直徑D=50mm，所以符合剛度要求。A軸同上述方法校核符合剛度要求。
3.5支撐元件的選型
支撐元件多用軸承，軸承采用兩端固定的安裝方式。一般精度的轉(zhuǎn)臺(tái)多用角接觸軸承，在較高精度的轉(zhuǎn)臺(tái)中可以選用氣動(dòng)軸承，但是其造價(jià)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配套設(shè)備繁多。所以在本設(shè)計(jì)方案中采用角接觸軸承。軸承型號(hào)按軸徑大小確定。轉(zhuǎn)臺(tái)軸承在安裝時(shí)一般給予一定的軸向預(yù)緊力，使內(nèi)外圈產(chǎn)生相對(duì)位移，從而消除游隙，并在套圈和滾動(dòng)體接觸處產(chǎn)生彈性預(yù)變形，以此來(lái)提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度和剛度。預(yù)緊力可以利用金屬墊片或者調(diào)整螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)。由相應(yīng)的安裝尺寸可知軸承的型號(hào)，經(jīng)查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)機(jī)手冊(cè)》，A與C軸上兩種球軸承的型號(hào)分別為7218C和7220C，內(nèi)徑分別為90mm和100mm，外徑160mm和180mm，高度30mm和34mm。
圖13 兩端固定式的安裝圖
本人采用陶瓷球混合軸承。陶瓷球混合軸承與傳統(tǒng)的鋼質(zhì)球軸承相比，具有密度小、彈性模量大、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫等優(yōu)良物理性能和機(jī)械性能。
（1）陶瓷球混合軸承材料Si3N4，密度只有鋼的40%。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可大幅減小滾動(dòng)體的離心力，從而減小球與套圈滾道間的接觸應(yīng)力，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。
（角接觸球軸承000r/min