【文章內(nèi)容簡介】 環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學(xué)生的思想、工作作風(fēng)及實際能力、提高畢業(yè)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。同時，對所學(xué)知識的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又為今后走向社會的實際操作應(yīng)用鑄就了一個良好的開端。對數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的設(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。而工科類學(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、經(jīng)濟(jì)觀點和全局觀點，實現(xiàn)由學(xué)生向工程技術(shù)人員的過渡。 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 主要技術(shù)參數(shù)（1）最大回轉(zhuǎn)半徑：500 mm（2）回轉(zhuǎn)角度：0～360176。（3）回轉(zhuǎn)精度：0．03176。（4）最大承載重量100㎏（5）（6）電液脈沖馬達(dá)轉(zhuǎn)速3000 rpm（7）總傳動比：360第二章 方案比較與選擇 傳動方案的選擇 傳動方案傳動時應(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，并可實現(xiàn)分度運(yùn)動。在本課題中，原動機(jī)采用應(yīng)采用步進(jìn)電機(jī)，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。 傳動方式特點蝸桿傳動特點：1)由于蝸桿相當(dāng)于一個螺桿，當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于摩擦角時，蝸桿傳動帶有自鎖性，這時渦輪副只能由蝸桿驅(qū)動渦輪，不能由渦輪驅(qū)動蝸桿。2)蝸輪副傳動的結(jié)構(gòu)緊湊，渦輪箱的外形尺寸較小。3)蝸輪副傳動平穩(wěn)，無噪聲4)蝸輪副傳動是滑動摩擦，在傳動中摩擦損害較大，因此傳動效率較低。采用自鎖蝸桿傳動時，效率約為50%。5)由于蝸桿傳動時，蝸桿和蝸輪輪齒間的運(yùn)動速度較大，摩擦也大，為了提高蝸輪副傳動的壽命，一般蝸桿采用鋼材制造，而蝸輪采用耐磨的材料如青銅等制造。齒輪傳動特點: 齒輪傳動是由分別安裝在主動軸及從動軸上的兩個齒輪相互嚙合而成。齒輪傳動是應(yīng)用最多的一種傳動形式，它有如下特點1）能保證傳動比穩(wěn)定不變。2）能傳遞很大的動力。 l7 }4 o。 M* I3 P9 J% ]3）外廓尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊、效率高。+Q u9 Q! A) c% z$ z7 U! e39。 R2 {4）制造和安裝的精度要求較高。 b) r8 P5 E7 U( q+ i) b/ y5）當(dāng)兩軸間距較大時，采用齒輪傳動就比較笨重6）圓周速度及功率范圍廣，應(yīng)用最廣泛7）不能緩沖，無過載保護(hù)作用，有噪音 傳動方案及其分析 由圖21所示，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的傳動方案有兩種：方案一為一級和二級都是齒輪傳動；方案二為一級齒輪傳動，二級蝸桿傳動。圖21 傳動方案方案一的最大缺陷是：；；，無法使工作臺完成自鎖。而方案二雖然傳動效率低，但以上三個功能全部都能完成自鎖。所以數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺傳動方案為方案二：步進(jìn)電機(jī)——齒輪傳動——蝸桿傳動——工作臺。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：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 蝸桿傳動方面：齒面上具有較大的滑動速度，摩擦磨損大。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。 傳動方案的選擇由以上分析可得：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。 原動機(jī)的選擇 步進(jìn)電動機(jī)圖22 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電動機(jī)具有自身的特色．歸納起來有：(1)可以用數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價。 (2) 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的35%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有—定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高招度時組成閑環(huán)控制系統(tǒng)。 (3)無刷，電動機(jī)本體部件少，可靠性高。 (4)易于起動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速．響應(yīng)性也好 (5)停止時，可有自鎖能力。 (6)步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下通常 可以在超低速下高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行、通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動負(fù)載。 (7)速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。同時用一臺控制器控制幾臺步進(jìn)電動機(jī)可使它 們完全同步運(yùn)行。 (8)步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 (9)由于存在失步和共振，因此步進(jìn)電動機(jī)的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不向而復(fù)雜化。 (10)步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。（11）步進(jìn)電機(jī)外表不允許較高的溫度。　　 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(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；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏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8090度完全正常。（12）步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降?！　? 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。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。（13）由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常的可靠，同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。（14）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。（15）步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。（16）步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。 伺服電機(jī) 圖23 伺服電機(jī)伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)相比優(yōu)點：(1)精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題；(2)轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)；在其額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。(3)適應(yīng)性：抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合特別適用； (4)穩(wěn)定：低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合； (5)及時性：電機(jī)加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)； (6)舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。(7)過載能力：具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。避免了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。(8)控制性能：伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 伺服電機(jī)分為直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)： 直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。控制復(fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。但現(xiàn)在價格高。交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。免維護(hù)，性價比高。 電液脈沖馬達(dá)：電液脈沖馬達(dá)由步進(jìn)電機(jī)和液壓伺服機(jī)構(gòu)（即扭矩放大器）所組成。由步進(jìn)電機(jī)接收數(shù)字控制裝置發(fā)出的脈沖信號，把它轉(zhuǎn)換或角位移。經(jīng)液壓隨動閥和油馬達(dá)組成的伺服機(jī)構(gòu)做功率放大后，驅(qū)動機(jī)床工作臺或刀架，使之進(jìn)行精確定或作進(jìn)給運(yùn)動。是當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)中特別是開環(huán)系統(tǒng)中比較理想的伺服元件。電液脈沖馬達(dá)廣泛應(yīng)用在自動控制、同步控制和各種數(shù)控機(jī)床上。其優(yōu)點為：角位移準(zhǔn)確、反應(yīng)迅速、調(diào)整范圍廣，在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數(shù)小，反應(yīng)快，速度平穩(wěn)等。缺點為：液壓系統(tǒng)需要供油，體積大，噪聲，漏油等。圖24 電液脈沖馬達(dá)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，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)。 原動機(jī)選擇由于步進(jìn)電機(jī)輸出扭矩現(xiàn)在還不能做得太大，且隨著輸出扭矩的增大，其慣量亦增大，使它的起停頓率受到限制，且相比較之下電液脈沖馬達(dá)在數(shù)控機(jī)床上的經(jīng)濟(jì)性和實用性都較伺服電機(jī)好，而且電液脈沖馬達(dá)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上，各方面都比較成熟，故綜合比較之下選擇電液脈沖馬達(dá)。 回轉(zhuǎn)臺類型的選擇數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺有兩種型式：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：（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，都可以用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動。開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點是不帶檢測反饋裝置，該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。數(shù)控裝置將工件加工程序處理后，輸出指令脈沖信號，由 圖25 開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺數(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，驅(qū)動執(zhí)行部件。步進(jìn)電機(jī)只要改變指令脈沖的數(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)不將所測得的實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，齒輪等傳動元件的精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。開環(huán)控制系統(tǒng)因為沒有檢測裝置，也就沒有糾正偏差的能力，因此它的控制精度較低。但該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試維修方便、工作可靠度高、成本價格低，易改裝成功等優(yōu)點。（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，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定