【正文】 ，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)做的功與負(fù)載力做的功有如式（）關(guān)系： 式（）式中 φ — 電機(jī)轉(zhuǎn)角； S — 轉(zhuǎn)動部件的相應(yīng)位移； η — 機(jī)械傳動效率。應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到工作臺所需的脈沖當(dāng)量。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時，首先要計(jì)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。如圖34所示。選擇步進(jìn)電動機(jī)包括確定型號、結(jié)構(gòu)、步距角、功率和轉(zhuǎn)速，并在產(chǎn)品目錄中查出其尺寸和型號。 最大回轉(zhuǎn)速度工作臺最大回轉(zhuǎn)速度為20度/秒；即：根據(jù)系統(tǒng)總傳動比為360，可得 分度精度工作臺的分度精度保證主要靠步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)的總傳動比來確定，系統(tǒng)的總傳動比為360，即可得步進(jìn)電機(jī)最小分度精度為90度，即步進(jìn)電機(jī)每次回轉(zhuǎn)的度數(shù)為90度的倍數(shù)。要同時達(dá)到這幾方面的要求比較困難，因此應(yīng)按設(shè)計(jì)要求考慮傳動比分配方案，以滿足某些主要要求?？倐鲃颖葹楦骷墏鲃颖?、的乘積，即分配總傳動比，即各級傳動如何取值，是設(shè)計(jì)中的重要問題。蝸桿箱體布置如圖33所示。蝸輪箱體布置如32圖所示。自動分度回轉(zhuǎn)工作臺主要用于鏜床，銑床，鉆床等需要多面轉(zhuǎn)位加工的工件，是機(jī)械加工中常用的機(jī)床附件，因此尺寸不易過大，要能配合機(jī)床的使用。使機(jī)器各部分分別由獨(dú)立的箱體組成，各成單元，便于加工、裝配、調(diào)整和修理。箱體還可以儲存潤滑劑，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動零件的潤滑。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖23。工作臺控制系統(tǒng)元件主要單片機(jī)，外部RAM，ROM，I/O接口，光電隔離，功率放大，鍵盤，顯示屏和驅(qū)動器等組成。工作臺回轉(zhuǎn)分度工作時候，由控制系統(tǒng)發(fā)送指令給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動齒輪副轉(zhuǎn)動，由大齒輪帶動蝸輪軸回轉(zhuǎn)，并由蝸輪帶動工作臺回轉(zhuǎn)分度；工作臺停止時，通過蝸輪蝸桿的自鎖和步進(jìn)電機(jī)的自鎖保證工作臺的自鎖。工作臺的運(yùn)動是由伺服電動機(jī)，經(jīng)齒輪減速后由蝸輪蝸桿帶動工作臺回轉(zhuǎn)分度。圖22為自動分度回轉(zhuǎn)工作臺。它可以與其他伺服進(jìn)給軸聯(lián)動。工作臺總體框圖見圖21。自動回轉(zhuǎn)分度主要由兩部分組成，工作臺傳動系統(tǒng)部分和控制系統(tǒng)部分。數(shù)控工作臺的應(yīng)用非常多，而數(shù)控工作臺像自動分度回轉(zhuǎn)工作臺的研究必然有著其實(shí)際的意義。本次設(shè)計(jì)的意義是設(shè)計(jì)出一套結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)、精度系數(shù)比較高的自動分度回轉(zhuǎn)工作臺，并能滿足生產(chǎn)和加工的需要。由跨國公司推動的加工貿(mào)易的發(fā)展，為發(fā)展中國家切入全球高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈條，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級提供了便捷路徑。 發(fā)展前景60 年代以來，跨國公司推動的產(chǎn)業(yè)全球化發(fā)展使得國際分工和國際貿(mào)易格局發(fā)生了改變，加工貿(mào)易成為全球化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的本質(zhì)要求。 中國數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告闡述了世界數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程，分析了中國數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與差距，開創(chuàng)性地提出了“新型數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)” 及替代品產(chǎn)業(yè)概念，在此基礎(chǔ)上，從四個維度即“以人為本”、“科技創(chuàng)新”、“環(huán)境友好”和“面向未來”準(zhǔn)確地界定了“新型數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)” 及替代產(chǎn)品的內(nèi)涵。關(guān)鍵詞 自動分度回轉(zhuǎn)工作臺；齒輪傳動；蝸桿傳動；單片機(jī)控制AbstractIndexing rotary table is monly used in machining machine tool accessories, for boring, milling, drilling, etc. need more processing of the workpiece surface translocation. Traditional indexing rotary table to maneuver, but only some of the provisions of subdegree angle, it is difficult to meet some special requirements indexing workpieces. Control technology for the use of this topic, stepper motor control technology to subdegree rotary table for the NC transformation, design of an automatic indexing rotary table. It MCU to control the core, by controlling the pulse distributor to send pulses to the stepper motor, stepper motor drives the worm gear drive to achieve subdegree rotation of the workpiece, as opposed to traditional mechanical dividing head, easy operation, high precision indexing. Keywords AutoIndexing Rotary Table Gear Transmission Worm drive SCM control目 錄1 緒 論 1 歷史背景 1 發(fā)展前景 12 工作臺方案設(shè)計(jì) 2 工作臺原理及總體框圖 2 工作臺傳動系統(tǒng)方案 2 工作臺控制系統(tǒng)方案 33 工作臺傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 工作臺箱體設(shè)計(jì) 5 傳動比及參數(shù)確定 6 傳動比設(shè)定 6 步進(jìn)電機(jī)最大回轉(zhuǎn)速度及頻率 7 步進(jìn)電機(jī)分度精度 7 步進(jìn)電機(jī)選擇 7 步進(jìn)電機(jī)啟動力矩計(jì)算 8 步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 9 步進(jìn)電機(jī)最大頻率 9 步進(jìn)電機(jī)型號 9 齒輪傳動設(shè)計(jì) 9 齒輪的材料及類型 10 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)尺寸 10 確定齒輪的主要參數(shù)與主要尺寸 11 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 12 蝸桿傳動設(shè)計(jì) 13 蝸桿傳動類型 13 蝸輪蝸桿的材料 14 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 14 蝸輪蝸桿主要參數(shù)與幾何尺寸 15 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 16 蝸桿傳動溫度計(jì)算 17 軸的設(shè)計(jì) 18 蝸桿軸的設(shè)計(jì) 18 蝸桿軸的計(jì)算 18 鍵的選擇 21 鍵聯(lián)接類型 21 鍵連接的尺寸 22 鍵聯(lián)接的強(qiáng)度驗(yàn)算 22 軸承的選擇 23 軸承的類型 23 軸承的尺寸 24 滾動軸承的密封裝置 24 聯(lián)軸器的選擇 24 聯(lián)軸器的類型 25 聯(lián)軸器的尺寸 254 工作臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 控制系統(tǒng)元器件選擇 27 單片機(jī)選擇 27 I/O接口芯片選擇 28 存儲器選擇 29 譯碼器選擇 30 地址鎖存器選擇 31 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 32 主控電路設(shè)計(jì) 32 I/O接口電路設(shè)計(jì) 33 步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì) 34結(jié)論 35致謝 36參考文獻(xiàn) 37附錄 38附錄1 38附錄2 481 緒論 歷史背景中國數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問題中，許多情況不容樂觀，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動力密集型產(chǎn)品；技術(shù)密集型產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達(dá)工業(yè)國家；生產(chǎn)要素決定性作用正在削弱；產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴(yán)重、對自然資源破壞力大；企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。本課題利用單片機(jī)控制技術(shù)、步進(jìn)電動機(jī)控制技術(shù)對分度回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行了數(shù)控化改造，設(shè)計(jì)了一種自動分度回轉(zhuǎn)工作臺。摘要分度回轉(zhuǎn)工作臺是機(jī)械加工中常用的機(jī)床附件，用于鏜床，銑床，鉆床等需要多面轉(zhuǎn)位加工的工件。傳統(tǒng)分度回轉(zhuǎn)工作臺操作不便，而且分度只限于某些規(guī)定的角度,難以滿足一些特殊分度工件的加工要求。它以單片機(jī)為控制核心，通過控制脈沖分配器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖, 驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)帶動蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)對工件的回轉(zhuǎn)分度，相對于傳統(tǒng)機(jī)械分度頭，操作方便，分度精度高。 從什么角度分析中國數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r？以什么方式評價中國數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展程度？中國數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展定位和前景是什么？中國數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)發(fā)展與當(dāng)前經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)問題關(guān)聯(lián)度如何……諸如此類，都是數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須面對和解決的問題——中國數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)發(fā)展已到了岔口；中國數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)急需選擇發(fā)展方向。根據(jù)“新型數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)” 及替代品的評價體系和量化指標(biāo)體系，從全新的角度對中國數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了推演和精準(zhǔn)預(yù)測，在此基礎(chǔ)上，對中國的行政區(qū)劃和四大都市圈的數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了全面的研究。在全球化背景下，對于發(fā)展中國家而言，產(chǎn)業(yè)升級成為在全球化產(chǎn)業(yè)鏈條中由勞動密集環(huán)節(jié)向資本和技術(shù)密集環(huán)節(jié)逐步提升的過程。其中分度回轉(zhuǎn)工作臺的運(yùn)用得到了廣泛推廣，各種新型工作臺不斷被引進(jìn)，同時我國也自主研制和開發(fā)了一批適用、高效性的分度回轉(zhuǎn)工作臺。分度回轉(zhuǎn)工作臺作為數(shù)控機(jī)床中的一個非常大的部分，研究其設(shè)計(jì)、制造過程是非常有實(shí)際的工程應(yīng)用價值。2 工作臺方案設(shè)計(jì) 工作臺原理及總體框圖工作臺工作原理是采用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動工作臺回轉(zhuǎn)，通過鍵盤和顯示屏幕發(fā)送指令給單片機(jī)，控制脈沖分配器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖，步進(jìn)電機(jī)直接帶小齒輪，大齒輪在蝸輪軸上，經(jīng)過蝸輪輪桿運(yùn)動傳動后，將工作臺分度到設(shè)定好的角度。傳動系統(tǒng)部分主要由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副傳動和蝸桿傳動組成；工作臺控制系統(tǒng)部分主要由單片機(jī)、鍵盤顯示屏、I/O接口芯片和驅(qū)動器組成。圖21 工作臺總體框 工作臺傳動系統(tǒng)方案分度回轉(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。整個傳動系統(tǒng)由，步進(jìn)電機(jī)、軸、齒輪副、蝸輪蝸桿和工作臺組成。它的回轉(zhuǎn)、分度轉(zhuǎn)位和定位鎖緊都是由給定的指令進(jìn)行控制的。圖22自動分度回轉(zhuǎn)工作臺1）工作臺箱體；2）回轉(zhuǎn)工作臺；3）步進(jìn)電機(jī)；4）齒輪傳動；5）調(diào)整套；6）圓錐滾子軸承；7）深溝球軸承；8）蝸輪軸；9）蝸桿傳動。 工作臺控制系統(tǒng)方案工作臺控制系統(tǒng)電路由單片機(jī)主控電路、I/O擴(kuò)展電路、步進(jìn)電機(jī)接口電路和鍵盤顯示電路組成。由鍵盤輸入?yún)?shù)，通過I/O接口芯片到進(jìn)行單片機(jī)處理，然后一面通過I/O芯片輸出到顯示屏，另一面輸出通過光電隔離與功率放大到驅(qū)動器，再由驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。圖 23 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)3 工作臺傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 工作臺箱體設(shè)計(jì)自動分度回轉(zhuǎn)工作臺箱體起著支承并包容各種傳動零件，如齒輪、軸、軸承等，使它們能夠保持正常的運(yùn)動關(guān)系和運(yùn)動精度。安全保護(hù)和密封作用，使箱體內(nèi)的零件不受外界環(huán)境的影響，又保護(hù)機(jī)器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔熱和隔音作用。改善機(jī)器造型，協(xié)調(diào)機(jī)器各部分比例，使整機(jī)造型美觀?？紤]箱體內(nèi)零件的布置及與機(jī)床上的工件關(guān)系，設(shè)計(jì)尺寸圖31所示：自動分度回轉(zhuǎn)工作臺尺寸：長 寬 高 550mm 500mm 160mm工作臺右端蓋部分尺寸：長 寬 高 240mm 50mm 160mm圖31 工作臺尺寸自動分度回轉(zhuǎn)工作臺的箱體蝸輪設(shè)計(jì)，考慮到蝸桿傳動的裝卸，設(shè)計(jì)成上端放置蝸輪，在蝸輪上面放置回轉(zhuǎn)工作臺，而蝸輪由蝸輪上的軸與箱體用軸承固定。圖32 自動分度回轉(zhuǎn)工作臺箱體圖1自動分度回轉(zhuǎn)工作臺的蝸桿及軸的設(shè)計(jì)，考慮蝸桿軸的拆卸不便，將箱體后方和右邊放置蝸桿軸與蝸輪配對。圖33 自動分度回轉(zhuǎn)工作臺箱體圖2 傳動比及參數(shù)確定 傳動比設(shè)定系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的參數(shù)：工作臺回轉(zhuǎn)速度最大為20度/秒。傳動比分配得合理，可使傳動裝置得到較小的外廓尺寸或較輕的重量，以實(shí)現(xiàn)降低成本和結(jié)構(gòu)緊湊的目的；也可以使傳動零件獲得較低的圓周速度以減小動載荷或降低傳動精度等級；還可以得到較好的潤滑條件。為了保證工作臺分度精度，傳動比需要很大，同時為了保證結(jié)構(gòu)尺寸，將蝸桿傳動比設(shè)定在120，齒輪傳動比設(shè)定為3，即傳動系統(tǒng)的總傳動比為360。 步進(jìn)電機(jī)選擇步進(jìn)電動機(jī)是專門工廠批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)部件，設(shè)計(jì)時要選出具體型號以購置。步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)或?yàn)殡A躍電動機(jī)，步進(jìn)電機(jī)有三大部分組成：步進(jìn)電動機(jī)本體，步進(jìn)電動機(jī)控制器及步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器。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。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)。圖34 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)啟動力矩計(jì)算 步進(jìn)電機(jī)選用三相步進(jìn)電動機(jī)，初選步進(jìn)電機(jī)步距角θb=3176。 若取φ=θb，則S=δb，且P= Pz +μ（G+ W2），所以 式（）式中 G——轉(zhuǎn)動部件負(fù)載，N； W——轉(zhuǎn)動部件重量，N； Pz——與中立方向一致的作用在轉(zhuǎn)動部件上的負(fù)載力，N； μ——摩擦系數(shù)； θb——步進(jìn)電機(jī)步距角，rad； T——電機(jī)軸負(fù)載力矩，N 取μ=，η=，Pz=500N。m（）步進(jìn)電機(jī)為三相六拍的電機(jī)根據(jù)工作臺最大轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)總傳動比i=360，可得所以，步進(jìn)電機(jī)的選擇的最大轉(zhuǎn)速根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步距角，可得所以步進(jìn)電機(jī)選擇最高的頻率 步進(jìn)電機(jī)型號由于步進(jìn)電機(jī)步距角，步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)最高頻率，步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，選擇的步進(jìn)電機(jī)型號參數(shù)如表31所示。)保持轉(zhuǎn)矩/ N按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動。齒輪傳動是指