【文章內(nèi)容簡介】 作臺，則可加工圓弧面和圓弧槽等。轉(zhuǎn)臺按功能的不同可分為通用轉(zhuǎn)臺和精密轉(zhuǎn)臺兩類。 、立臥轉(zhuǎn)臺和萬能轉(zhuǎn)臺。 。常見的 有光學(xué)轉(zhuǎn)臺、數(shù)顯轉(zhuǎn)臺和超精密端面齒盤轉(zhuǎn)臺。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 的工作原理 為了擴(kuò)大工藝范圍，提高生產(chǎn)率， 數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺 除具有沿 X、 r、 z三個(gè)坐標(biāo)軸的直線進(jìn)給運(yùn)動功能外，搖臂鉆床往往還具有繞 X、 r、 Z 坐標(biāo)軸的圓周進(jìn)給運(yùn)動。數(shù)控機(jī)床用于實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的部件主要就是回轉(zhuǎn)工作臺。數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺按安裝方式又可分為立式、臥式、萬能傾斜式；按照其伺服控制方式又可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。 數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺的分度定位和分度工作臺不同，數(shù)控機(jī)床它是按控制系統(tǒng)所指定的脈沖數(shù)來決定轉(zhuǎn)位角度，并沒有其他的定位元件。因此 ，對開環(huán) 7 數(shù)控轉(zhuǎn)臺的傳動精度要求高比較、傳動間隙還盡量要小。 數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺還設(shè)有零點(diǎn)，當(dāng)它作回零控制時(shí)，先快速回轉(zhuǎn)運(yùn)動至擋塊壓合微動開關(guān)時(shí)，發(fā)出“快速回轉(zhuǎn)”變?yōu)椤奥倩剞D(zhuǎn)”的信號，再由擋塊壓合微動開關(guān)發(fā)出從“慢速回轉(zhuǎn)”變?yōu)椤包c(diǎn)動步進(jìn)”信號，最后由功率步進(jìn)電動機(jī)停在某一固定的通電相位上 (稱為鎖相 )，數(shù)控機(jī)床從而使轉(zhuǎn)臺準(zhǔn)確地停在零點(diǎn)位置上。數(shù)控轉(zhuǎn)臺的圓形導(dǎo)軌采用都是大型推力滾珠軸承，使回轉(zhuǎn)靈活。徑向?qū)к売蓾L子軸承及圓錐滾子軸承保證回轉(zhuǎn)精度和定心精度。搖臂鉆床用來調(diào)整軸承的預(yù)緊力，可以消除回轉(zhuǎn)軸的徑向間隙 。搖臂鉆床是來調(diào)整軸承的調(diào)整套的厚度，可以使圓導(dǎo)軌上有適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，保證導(dǎo)軌有一定的接觸剛度。這種數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺可做成標(biāo)準(zhǔn)附件，回轉(zhuǎn)軸可水平安裝也可垂直安裝，數(shù)控機(jī)床以適應(yīng)不同工件的加工要求。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 的組成 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺具有兩個(gè)正交測試軸的傾角儀作為測試工具，將傾角儀設(shè)置于待調(diào)平的轉(zhuǎn)臺臺面中心處，使傾角儀的兩個(gè)正交測試軸平行于轉(zhuǎn)臺臺面，通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺底座下的調(diào)平機(jī)構(gòu)使傾角儀兩測試軸輸出的傾斜角度值轉(zhuǎn)臺即為調(diào)平狀態(tài)。 等分回轉(zhuǎn)工作臺與擺頭是多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)的采用高精度蝸桿 蝸輪等傳動的轉(zhuǎn)臺與擺頭不僅制造難度大、成本高，而且難以達(dá)到高速加工所需的速度和精度。因此必須另辟蹊徑開發(fā)數(shù)控轉(zhuǎn)臺和擺頭的新型電磁驅(qū)動系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)運(yùn)動坐標(biāo)的零傳動驅(qū)動。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺包括轉(zhuǎn)臺底腳、圓形的轉(zhuǎn)臺臺面、四個(gè)安裝在轉(zhuǎn)臺底腳的上表面、以均角布置的滾動軸承件和一安裝在轉(zhuǎn)臺底腳上表面中心的內(nèi)裝調(diào)心軸承的中心支座，每一滾動軸承件包括一第一滾動軸承和通過第一輪軸支撐第一滾動軸承的支座，回轉(zhuǎn)工作臺臺面的下表面中心設(shè)置有一垂直向下的第二輪軸，回轉(zhuǎn)工作臺臺面安裝在轉(zhuǎn)臺底腳之上，第二輪軸與中心支座中的 調(diào)心軸承的內(nèi)圈固定，而所述第一滾動軸承的轉(zhuǎn)動表面各與轉(zhuǎn)臺臺面的下表面滾動接觸。 本課題研究的主要內(nèi)容 通過對數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計(jì)，希望學(xué)生熟悉機(jī)電一體化系統(tǒng)中機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，以及掌握利用 AutoCAD 或 UG 來繪制二維圖形或創(chuàng)建三維實(shí)體的能力。畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是教學(xué)計(jì)劃中綜合性最強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學(xué)生的思想、工作作風(fēng)及實(shí)際能力、提高畢業(yè)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。同時(shí)，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(shí)際操作應(yīng)用鑄就了一個(gè)良好的開端。 對數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的設(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、 8 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(jì)思想，掌握工程設(shè)計(jì)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(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(jì)，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。 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 我們的設(shè)計(jì)過程中，本著以下幾條設(shè)計(jì)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(jì)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） 電液脈沖馬達(dá)功率 （ 6） 電液脈沖馬達(dá)轉(zhuǎn)速 3000 rpm （ 7） 總傳動比： 360 長安大學(xué) 9 第二章 方案比較 與選擇 傳動方案的選擇 傳動方案傳動時(shí)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(diǎn) 蝸桿傳動 特點(diǎn) ： 1)由于蝸桿相當(dāng)于一個(gè)螺桿，當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于摩擦角時(shí)，蝸桿傳動帶有自鎖性，這時(shí)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(shí)，效率約為 50%。 5)由于蝸桿傳動時(shí)，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(diǎn) : 齒輪 傳動是由分別安裝在主動軸及從動軸上的兩個(gè)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(diǎn) 1） 能保證傳動比穩(wěn)定不變。 2）能傳遞很大的動力。 3）外廓尺寸小， 結(jié)構(gòu)緊湊、效率高。 + 4） 制造和安裝的精度要求較高。 5） 當(dāng)兩軸間距較大時(shí)，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 10 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(gè)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(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(shí)，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， 11 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(shí)，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，故效率約為 ，具有自鎖的蝸桿傳動效率僅為 。為了提高減摩擦性和耐磨性，蝸輪通常采用價(jià)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(gè)系統(tǒng)簡單廉價(jià)。 (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(jì)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(shí)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(shí)，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。 12 (7)速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。同時(shí)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(diǎn)；一般來講，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 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(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)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(jià)， 又非常的可靠 ， 同時(shí)，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(shí)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) 13 圖 23 伺 服電機(jī) 伺服 電機(jī) 與 步進(jìn)電機(jī) 相比優(yōu)點(diǎn)： (1)精度：實(shí)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 2020～ 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(shí)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(shí)性：電機(jī)加減速的動態(tài)相應(yīng)時(shí)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(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或 14 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(jià)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(jià)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(diǎn)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(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)快，速度平穩(wěn)等。缺點(diǎn)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