重型数控回转工作台

重型数控回转工作台（精选5篇）

重型数控回转工作台 篇1

摘要：介绍了ZTK50型重型数控回转工作台床身、滑座、工作台、工作台回转传动、工作台直线进给传动、工作台4×90°定位等主要结构。

关键词：重型数控回转工作台,床身,滑座

0 引言

ZTK50型重型数控回转工作台是一种具有直线及回转运动的工作台, 是为大型落地铣镗床加工大型工件时, 安装定位及加工工件设计的。利用它的B轴及V轴的二向进给, 扩大了铣镗床的加工范围, 可减少工件装夹次数、提高生产效率。ZTK50型重型数控回转工作台主要由床身、滑座、工作台、工作台回转传动、工作台直线进给传动、工作台4×90°定位等结构组成。

1 主要规格参数

工作台台面尺寸为3 500 mm×3 500 mm;工作台最大承载为50 t;工作台直线运动行程 (V轴行程) 为2 000 mm;工作台直线进给速度范围 (无级) 为1~3 000 mm/min;工作台回转进给速度范围 (无级) 为0.001~1 r/min;工作台外形尺寸为5 820 mm×3 675 mm×1 400 mm;工作台总重量约为45 t。

2 结构说明 (如图1)

2.1 床身

滑座沿床身平面滑动, 床身和地基是通过大量的调平垫铁联接的, 为避免混凝土上的局部压力过大, 而把机床和工件的重量平均分配在较宽的地基联接面上。这种设计使床身能长时间保持其几何精度而无需调整;由于是大载荷的运动, 从而使地基的变形减少到较低的数值。床身本身有回油装置, 回油管路与泵站相联接。

2.2 滑座

滑座有四条水平导轨, 导轨面宽且由静压润滑, 由下压板适当预载, 压板也由静压润滑。滑座沿床身导轨运动, 水平方向直线性由二条垂直导轨保证, 垂直导轨基本沿滑座中心线配置, 滑座沿床身导轨水平移动。这四条导轨, 两两相对, 静压驱动, 相当于开一个加力颇大的预载系统。这种刚度是保持稳定状态和从两端精确加工大型工件所必需的。

导轨用材料:床身的导轨是优质焊接件, 导轨板是特殊的耐磨合金, 即使短时间内润滑不足, 也可避免机械故障发生, 刮油装置避免了床身导轨上静压油的损失, 保证了内部油的收集并排除了外部微粒进入液压管路的可能。

2.3 工作台

工作台是优质焊接件, 是借助于先进的计算机程序优化设计的, 在保证最大承载强度下, 使台面的变形最小, 工作台的厚度尺寸最佳, 从而使得整机的总高尺寸最小, 既提高了稳定性, 又节省基础施工的成本。加强筋的合理布置, 改善了焊接件结构的整体刚度。合理布置的筋板组成的网格结构有足够的支承刚度, 把施加的轴向力传递给静压导轨。

工作台的T型槽用于夹紧工件, T型槽的尺寸为36 mm×56 mm×25 mm, 工作台中央有已加工的精密孔, 与回转中心线同轴, 可用于工件找正。大直径宽导轨面的静压导轨支撑工作台, 上导轨面加工成环状, 下导轨面由耐磨材料制成, 位于滑座上, 因而允许系统短时间内油压降低而不发生机械故障。

静压润滑降低了摩擦因数, 并保证了油膜有很高的刚度, 以实现准确定位, 无爬行现象, 即使有偏心负荷, 也能保持良好的几何精度。工作台中心靠一个精密圆锥滚子轴承加以适当的预加负荷来定位。

2.4 工作台回转传动 (B轴)

如图2, 回转运动是由包括装在滑座上的一个齿轮箱和装在工作台上的齿圈完成。齿圈精确地安装于工作台上, 和齿轮箱的两个螺旋齿轮做无间隙的传动, 从而保证运动平稳。齿轮箱是由一个调速范围大的交流电机驱动的, 此电机具有较高的动刚度和较低的惯量, 传动部件是装有自动消除间隙的两个螺旋齿轮;通过弹簧推动其中一个齿轮消除间隙, 加到弹簧上的力是可调的, 因而使齿圈和两个小齿轮的啮合是无间隙的, 同时将规定值的力加到小齿轮上, 使其对齿圈有预加负荷, 齿轮箱本身是用不多的齿轮而获得很高的机械性能, 间隙很小, 通过CNC的高增益值操作此轴, 可得到快速准确的定位。在转动B轴上, 提供一个由锥齿轮传递运动的手动回转驱动器, 供紧急操作和维修之用。为保证安全, 锥齿轮啮合时, 回转电机电流即被断开。齿圈应保证定期注入锂基润滑脂。

2.5 工作台直线进给传动 (V轴)

如图2, 进给传动系统包括一个大直径的滚珠丝杠, 用二个轴承座架在床身上, 刚度好, 两端能承受径向和轴向载荷;在滑座上, 靠近滚珠丝杠的位置上装有一个双螺母的丝母, 具有消除间隙的作用, 间隙的消除是在滚珠丝杠副制作时设定的, 不能轻易调整。

2.6 工作台4×90°定位

如图3, 定位装置安装在回转进给箱相反一侧, 止动销为一滑动件, 由液压缸驱动。工作台上有四个可精确定位的位置, 每隔90°一个。当有指令时, 止动销进入销孔。限位开关检验滑动件的位置, 当滑动件处于工作台四个位置之一时, 工作台不再回转。止动销没有工作台准确定位的功能, 只有在借助CNC控制的动力驱动下, 才能准确定位。只有在顺时针方向回转时, 才能进行分度。

3 结论

ZTK50型重型数控回转工作台的成功研制扩大了大型数控落地铣镗床加工复杂大型工件时的加工范围, 使机床能够在一次装夹后, 完成更多工序的加工, 大大提高了工件加工效率。

重型数控回转工作台 篇2

摘要

本次毕业设计的题目是数控回转工作台及其闭环控制系统的设计。本课题主要介绍了数控回转工作台的原理和机械结构的设计，这种回转工作台是一种可以实现圆周进给和精确分度运动的工作台，它主要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等几部分组成，是一种很实用的加工工具。它常被用于卧式镗床和加工中心上，它可提高加工效率，完成更多的工艺。通过本次对数控回转工作台及其闭环控制系统的设计，使我们不仅能够设计出数控回转工作台，而且能够掌握机械设计的方法和步骤。本课题的主要内容包括：确定数控回转工作台的传动方案；驱动力的计算及其它相关计算；机械零件的设计与校核；通过AUTOCAD绘制装配图和零件图。

数控机床的圆周进给是由回转工作台完成的，回转工作台可以与X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴联动，从而加工出球面、圆弧曲面等复杂曲面。数控回转工作台可以实现精确的自动分度，从而扩大了数控机床的加工范围。随着数控技术越来越广泛的应用，数控回转工作台的发展已成为历史的必然。关键字：数控回转工作台,齿轮传动,蜗杆传动,数控技术

-I

A b s t r a c t

-III

目录

3.4.1 选择蜗杆传动类型...................................................................15 3.4.2 选择材料..................................................................................15 3.4.3 按齿面接触疲劳强度进行校核.................................................16 3.4.4 蜗杆与蜗轮的主要尺寸与参数………………………………… 18 3.5 轴承的选用....................................................................................................17 3.5.1轴承寿命的验算…………………………………………………… 19 3.5.2轴承游隙调整……………………………………………………..19

3.5.3 滚动轴承的配合………………………………………………………

3.5.4 滚动轴承的润滑………………………………………………………

3.5.5 滚动轴承的密封装置…………………………………………………

3.6 轴的校核与计算…………………………………………………………..22 3.6.1 轴一的校核与计算………………………………………………..22 3.6.2 轴二的校核与计算………………………………………………..25 3.7 夹紧机构的校核与计算…………………………………………………….3.8 齿轮上键的选择与计算…………………………………………………..第四章 控制系统的设计............................................................................27 4.1 CPU板............................................................................................................27 4.1.1 CPU的选择...............................................................................27 4.1.2 CPU接口设计...........................................................................28 4.2 驱动系统和人机界面....................................................................................28 结论...........................................................................................................29 参考文献...................................................................................................30 致谢及声明...................................................................................................31

-V

第一章

引

言

第一章 引 言

1.1 本课题的背景和意义

2010年在北京举办的第11届中国国际机床展览会上，数控机床、加工中心、复合机床等装备在制造业内已呈现出量大面广的态势，这类工作母机在各类制造业已经得到广泛普及，清晰地表达出了时代特征和发展潮流。机床运动不管是并联运动机床，还是运动叠加的串联机床，对大多数金属加工机床来说，数控进给复合运动的加工，都是以直线轴加上回转轴的联动来实现的。为了应对日益增多的复杂零件加工、提高加工的精度和效率，多轴机床和复合机床需要进一步的创新发展。因此，在现代加工中心的开发中，数控回转工作台的设计与制造便成为了研制机床部件的核心任务之一，而数控回转工作台，同时起着承载工作重量、夹持工件的功能，因此要非常重视其创新设计。

但是，在中国数控回转工作台的产业发展中也出现了很多的问题，情况并不容乐观，如产业结构不合理，产业还集中于劳动力密集型得产品；技术密集型产品明显落后于西方发达国家；生产要素的决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源的破坏力大；企业的总体规模还偏小、技术创新能力比较薄弱、管理水品也相对比较落后等。

从什么角度剖析中国数控回转工作台产业的发展状况？用什么方式评价中国数控回转工作台产业的发展程度？如何定位中国数控回转工作台产业的发展方向和前景？中国数控回转工作台产业发展与当前的经济热点问题关联度如何？此类问题，都是数控回转工作台产业发展中必须面对和解决的。中国数控回转工作台产业已经发展到了岔口：中国数控回转工作台生产企业急需选择发展的方向。

中国数控回转工作台产业发展研究报告阐述了世界数控回转工作台产业的发展历程，分析了中国数控回转工作台产业的发展现状和差距，开创性的提出了“新型的数控回转工作台产业”及其替代品产业概念，在此基础上，从而从四个方面即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确界定了“新型的数控回转工作台产业”及其替代产品的内涵。根据“新型的数控回转工

第一章

引

言

1.3 数控回转工作台的原理与特点

数控回转工作台的使用，为加工中心和数控铣床提供了回转的坐标，通过第四轴、第五轴驱动转台完成等分、不等分或连续的回转加工，加工出复杂的曲面，使机床原有的加工范围得以扩大。数控回转工作台未来的发展方向是：在规格上向两头延伸，也就是开发小规格与大规格的转台以及相关的制造技术；在其性能方面将进一步提高刹紧力矩、提高主轴转速，向可靠性的方面发展。数控机床的圆周进给由数控回转工作台来完成，被称为数控机床的第四轴：回转工作台可以与X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴联动，以加工出球、圆弧曲线等复杂曲面。回转工作台可以实现精确的自动分度，使数控机床的加工范围得以扩大。数控回转工作台主要用于数控镗床与铣床，其外形和通用工作台相似，不过它的驱动是伺服系统的驱动方式。它可以与其他伺服进给的轴联动。为自动换刀数控镗床的回转工作台。它的进给、分度转位和定位锁紧都是以给定的程序指令进行控制的。数控转台的发展方向是：在规格上向两头延伸，也就是开发小型转台和大型转台；在性能上将研制以青铜为材料的蜗轮，大幅度的提高工作台转速以及转台的承载能力；在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。机床工具行业的发展，依赖于行业技术整体水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变的这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张的原因，造成技术创新和技术改造的力度不大，致使附件水平的发展严重滞后，从而成为制约民族机床工业发展的瓶颈。国产配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、精度稳定性等方面与西方发达国家相比都存在一定的差距，但在产品的价格、交货期和售后服务上占有比较大的优势。另外，近几年台湾地区的数控附件产品明显加大了对大陆市场的开发力度，使国内市场竞争态势日趋激烈。在今后几年中，我国机床附件厂要发展中档次品种，在提高产品质量、性能水平与可靠性的同时，也要跟踪学习西方发达国家的先进技术，并在产品创新下功夫；总结经验，加强产、学、研的结合，走专业化生产的路子，面向市场，积极参与竞争以满足主机发展的需要。

第二章

数控回转工作台的原理与应用

渐增厚。但因为同一侧的螺距是相同的所以仍然可以保持正常的啮合。当工作台静止时转台必须处于锁紧状态。为此在蜗轮底部的辐射方向上有4对夹紧瓦并在底座上均布同样数量的小液压缸。当小液压缸的上腔接通压力油时活塞便压向钢球撑开夹紧瓦从而夹紧蜗轮。在工作台需要回转时，需先使小液压缸的上腔接通回油路，在弹簧的作用下钢球抬起夹紧瓦将蜗轮松开。转台的导轨面是由大型的滚柱轴承支承并由深沟球轴承、双列推力球轴承及双列圆柱滚子轴承保持准确的回转中心。数控回转工作台的定位精度主要取决于蜗杆副的传动精度因此必须采用高精度的蜗杆副。在半闭环控制系统中可以在实际测量工作台的静态定位误差之后确定需要补偿角度的位置以及补偿值，将其记忆在补偿回路中由数控装置进行误差补偿。在全闭环控制系统中由高精度的圆光栅发出工作台精确到位信号反馈给数控装置进行控制。转台设有零点，当它作回零运动时先用挡铁压下限位开关使工作台降速然后由圆光栅或编码器发出零位信号使工作台精确地停在零位。数控回转工作台可以作任意角度的回转和分度也可以作连续的回转进给运动。数控回转工作台的具体结构如图2-1所示。

2.2 设计准则

本课题的设计准则：

1）分析转台的原理和性能；

2）创造性的利用所需要的物理性能； 3）预测机床意外载荷； 4）判别功能载荷和意义；

5）提高合理应力分布以及刚度； 6）创造有利载荷条件；

7）应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸； 8）重量要合理；

9）零件与整体零件之间精度适宜； 10）根据性能组合选择材料； 11）功能设计应适应制造工艺； 12）降低制造成本。

第三章

数控回转工作台的设计

第三章 数控回转工作台的设计

3.1 传动方案的选择

3.1.1 传动方案传动时应满足的要求

此次设计的数控回转工作台主要由原动机、传动装置和转台组成，传动装置是在原动机和转台之间传递运动和动力的，可实现精准地分度运动。合理的传动方案应满足以下要求：

（1）机械功能的要求：应满足工作台的功率和运动形式的要求；（2）工作条件的要求：满足工作环境和工作制度要求；（3）工作性能要求：应该保证该转台工作可靠、传动效率高；

（4）结构工艺性要求：要满足结构简单、尺寸紧凑、使用维护方便、经济性合理等要求。

3.1.2 传动方案及其分析

如图3-1的传动方案所示，数控回转工作台的传动方案：一级传动为齿轮减速传动，二级传动为蜗轮蜗杆传动。

图3-1 传动方案

数控回转工作台的传动方案路线为：交流伺服电机—齿轮减速传动—蜗杆传动—数控回转工作台。

第三章

数控回转工作台的设计

度，从而实现位移，因此，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，与伺服电机接受的脉冲形成了呼应，因此称为闭环，这样一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又回收了多少脉冲，如此，就能够很精确的控制电机的转动，因此，可以实现精确定位。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便，产生电磁干扰，对环境有要求。它一般用于对成本敏感的普通工业以及民用场合。

无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机无需维护，效率高，运行温度低，电磁辐射小，寿命长，适用于各种环境。

2.交流伺服电机是无刷电机，可以分为同步与异步电机，目前的运动控制中一般都采用同步电机，它的功率范围很大，可以得到很大的功率。惯量大，最高的转动速度低，并且随着功率的增大而快速的降低。因此，适合于做低速平稳运行的应用。

3.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成了电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时，电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，从而，调整转子转动的角度。伺服电机的精度由编码器的精度决定。

3.2.2 伺服电机的选择及运动参数的计算

伺服电机的额定功率应等于或稍大于工作要中求的功率。如果额定功率小于工作中的要求，则不能保证工作机器正常工作，或是电机长期过载、发热大而过早损坏；假如额定功率过大，则电机价格高，由于效率和功率因数低而造成浪费。工作所需功率为：Pw=FwVw/1000w Pw=Tnw/9550w

式中T=150NM,nw36rmin，电机工作效率w=0.97代入上式得

Pw15036/(95500.97)0.57KW

电机所需的输出功率为：Po=Pw/

第三章

数控回转工作台的设计

常生活中用的手表、电扇等都要使用各种各样的齿轮。齿轮的种类很多，有圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮、螺旋齿轮、直齿伞齿轮、螺旋伞齿轮、蜗轮等。其中使用较多，亦较简单的是圆柱直齿轮，又称标准圆柱齿轮。

直齿圆柱齿轮啮合时，齿面的接触线均平行于齿轮的轴线。因此轮齿是沿整个齿宽同时进入啮合、同时脱离啮合的，载荷沿齿宽突然加上及卸下因此直齿圆柱齿轮传动的平稳性差，容易产生噪音和冲击，因此不适合应用于高速以及重载的传动中。

根据GB/T10085—1988的推荐，本次毕业设计采用的均为直齿圆柱齿轮。

3.3.2 齿轮材料的选择原则

齿轮材料选择的基本原则：

1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。例如，用于飞行器上的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择机械性能高的合金银；矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，因此往往选择铸钢或铸铁等材料；家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平稳、低噪声或无噪声、以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为齿轮材料。总之，工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。

2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作毛坯。

齿轮表面硬化的方法有：渗碳、氨化和表面淬火。采用渗碳上艺时，应选用低碳钢或低碳含金钢作齿轮材料；氨化钢和调质钢能采用氮化工艺；采用表面淬火时，对材料没有特别的要求。

3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。

4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。

第三章

数控回转工作台的设计

m=1.25mm。

3）计算齿轮传动中心距：am(z1z2)270mm,中心距尺寸的尾数应为0或5。

4）计算齿轮的几何参数：分度圆直径：d1mz145mm，d2mz288mm；齿宽：bdd120mm，取b2=20mm,b1=15mm。齿顶圆直径：da1m(z12ha)=48mm，da2m(z22ha)=90mm；齿根圆直径：df1m(z12ha2c)=40mm；df2m(z22ha2c)=83mm。基圆直径db1d1cosd1cos20o42.3mm；db2d2cosd2cos20o82.7mm。

（4）校核齿轮传动的弯曲疲劳强度

查图16-25取标准齿轮（x=0）的复合齿形系数YFS1=4.2,YFS2=3.96;按式（16-23）验算齿根弯曲疲劳强度

2KT1YFS211071944.2MPa85.25MPaF1

F1d1bm45652.5Y3.96MPa80.38MPaF2

F2F1FS285.25YFS14.2经验算，齿根弯曲疲劳强度满足要求，故合格。

（5）计算齿轮的圆周速度，确定齿轮精度

齿轮的圆周速度为 d1n13.1445980

vms3.53ms

601000601000

查表16-7，根据圆周速度v=3.53ms,取该齿轮传动为8级精度。

（6）绘制齿轮零件图3-2和图3-3。

3.3.4 结构设计

根据齿轮的尺寸查机械设计手册表3.7—31得出小齿轮为实心齿轮，大齿轮为孔板式齿轮。结构图如下图所示：

第三章

数控回转工作台的设计

3.4 蜗轮与蜗杆的选用与校核

3.4.1 选择蜗杆传动类型

由于本次传动场合为机床上的工作台，整体传动要求传动精度高，同时蜗杆副存在传动间隙，因此采用了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置调整间隙。根据整体传动比需要设计比较大，蜗轮蜗杆的整体传动比也比较大，蜗杆采用单头蜗杆，为了工作台在工作中受力平衡与工作平衡，蜗杆的旋向采用右旋。

3.4.2 选择材料

由于考虑到蜗杆传动效率不大，而且速度只是中等，故蜗杆用45号钢；为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求蜗杆螺旋齿面淬火，硬度为45-55HRC。蜗轮用铸锡磷青铜Zcusn10Pb1，金属铸造。为了节约贵重的有色金属材料，此处的齿圈用青铜制造。

3.4.3 按齿面接触疲劳强度进行校核

根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距：

a3kT2(ZEZPH)2(2-5)（1）确定作用在蜗轮上的转距T2 按Z1=2，估取效率η=0.8，则:T2Ti153.4Nmm（2）确定载荷系数K 因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数Kβ=1；由表选取使用系数KA=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1；则

KKAKKV11.151.11.2651.27

（3）确定弹性影响系数ZE

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数控回转工作台的设计

δH1.531.27170402.310.9773429MPa

451552.5tanr

tan(r)验算效率 (0.95~0.96)已知r=19.45oarctanfv;fv 与相对滑动速度Vs有关 Vs=d1n1601000cosr35.51400601000cos19.54o2.76ms

从表中用插值法查的fv=0.0238;1.759o,代入式中得0.89~0.90，所以弯曲强度是满足要求的。

3.4.4 蜗杆与蜗轮的主要尺寸与参数

直径系数q=12；分度圆直径d1=42mm，蜗杆头数Z1=1；分度圆导程角

zm=arctan14.7o,齿形角20o;

d1蜗杆轴向齿距：PA=394mm；

蜗杆齿顶圆直径：da1d12ham50.4mm 蜗杆轴向齿厚：Sa12m=5.5mm 蜗轮：

Z2=120 Z1蜗轮齿数: Z2 =2a/m-q=120，变位系数Χ=0 蜗轮分度圆直径: d2mz23.5120=420mm 蜗轮喉圆直径: da2d22m=420+7=427mm

*传动比: i=蜗轮喉母圆直径: dg22ada2=462-432mm=30mm 蜗轮齿根圆直径： df2d22m(1.16X2)=415mm 蜗轮齿顶圆直径： de2d220.5m=425mm 蜗轮轮缘宽度： B=0.45（d1+6m）=20mm

3.5 轴承的选用

轴承是各种机械设备中的重要支撑件，其功能是支承轴或是轴上的零

第三章

数控回转工作台的设计

3.5.1 轴承寿命的验算

1．求比值 Fa27000.49 Fb5500根据表13-5，深沟球轴承的最大e值为0.44，故此时

Fae。Fb2．初步计算当量动载荷P,根据式(13-8a)Pfp(XFrYFa)

按照表13-6fp1.0~1.2，取fp=1.2。

按照表13-5，X=0.56,Y值需在已知型号和基本额定静载荷Co后才能求出。现暂选一近似中间值，取Y=1.5，则

P1.2(0.5655001.52700)N8556N

3.根据式（13-6），求轴承应有的基本额定动载荷值

60nLh60125050008556N61699N C=P1061064.按照轴承样本或设计手册选择C=61800N的6310轴承 此轴承的基本额定载荷Co=38000N.验算如下：

Fa27001）求相对轴向对应的e值与Y值。相对轴向载荷为0.07105，Co38000在表中介于0.07-0.13之间，对应的e值为0.27-0.31，Y值为1.6-1.4。2）用线性插值法求Y值。

(1.61.4)(0.130.07105)Y=1.4+1.579

0.130.07 X=0.56, Y=1.579 3)求当量动载荷Po P=1.2(0.5655001.5792700)8870.28N 4)验算6009轴承的寿命，根据式（13-5）

106C106618003()()h7000h5000h

Lh60nP6012508870.28即高于其计算寿命。故该对轴承适用。

3.5.2 轴承的游隙的调整

轴承的游隙通过预紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。

3.5.3 滚动轴承的配合

滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采

第三章

数控回转工作台的设计

3.5.5 滚动轴承的密封装置

密封对轴承来说是不可缺少的。密封既可以防止润滑剂的泄露，也可以防止外界有害异物的侵入。否则会引起轴承滚道的磨粒磨损，降低轴承的使用寿命，还可能使轴承零件受到有害气体和水分的锈蚀，加速润滑剂老化。因此，轴承的密封装置是轴承系统的重要设计环节。设计时应考虑能达到长期密封和防尘的作用，同时要求摩擦和安装误差小，拆卸、装配方便，维修保养简单。

密封装置可分为静密封（固定密封）和动密封（转动密封）两种，前者称为垫圈密封，后者称为密封圈密封。按密封的结构形式又可分为接触式密封和非接触式密封。

接触式密封是密封装置和密封部位间存在着贴合压力的直接接触。因此接触式密封装置的接触形式、贴合压力、润滑状态、滑动速度以及相接触处的表面加工质量等因素都会直接影响到轴承摩擦力容许转速及温升。所有接触式密封装置在运转使用过程中会发生磨损，其磨损和失效的程度与接触式密封装置本身性能及使用条件有关。

非接触式密封就是密封装置和所需密封部位间不发生直接接触。由于非接触式密封装置中的密封间隙处，除了存在润滑剂摩擦外均不会出现任何其他的摩擦，因此非接触式密封不会产生磨损，使用时间较长也不会产生明显的热量，可适用于转速较高的地方。但密封的间隙也不能过大，否则起不到密封效果。

轴承的密封装置可以设置在轴承的支承部位，也可以设置在轴承上，前者为支承密封，后者为自身密封。

此处采用的是接触式密封，唇形密封圈。

唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环行螺旋弹簧的紧扣作用而套紧在轴上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。即如果是为了油封，密封唇应朝内；如果主要是为了防止外物浸入，蜜蜂唇应朝外。

3.6 轴的校核与计算

轴是组成机器的重要零件之一。轴的主要功能是支撑齿轮或带轮等传动零件和轴上其他零件，并传递运动和动力。同时，它又通过轴承被支撑在机架上。轴

第三章

数控回转工作台的设计

2T2350167N476N6 d273tantan20o4666N1748N

蜗轮的径向力

FrFrocoscos121520

蜗轮的轴向力

Fa=Fttan4666tan12o1520N1015N

蜗轮的圆周力

Ft2

3)计算支反力及弯矩。根据图b所示的受力关系绘制垂直平面内的受力简图，如图c所示。求支反力：由MB0,得

Fr59FAV118Fad20

Fr59Fad217385910142732所以 FAVN88N

118118由FV0, 得FBVFrFAV1738(-98)N1866N

求垂直平面各截面的弯矩。对轴的各截面受力状态分析可知，传动力作用点所承受的弯矩最大，对该截面设定为I-I截面；此外，轴段3上承受了较大弯矩的部位是与轴段4连接的直径变化处，对该界面设定为截面。上述两截面是需要校核的两个截面。

； 截面：MIV左9859Nmm5682Nmm

MIV右=183659Nmm108326Nmm

截面：MV1836(5933)Nmm47766Nmm

根据上述计算结果绘制垂直平面内的弯矩图，如图C所示。

计算水平平面内的支反力及弯矩。根据图b所示的受力关系绘制水平平面内的受力图，如图d所示。

求支反力：；由MB0,得

如图d所示，传动力Ft布置于两支反力的中间，且距离相等，故

Ft4666

FAHFBHN2363N

22求垂直平面各截面的弯矩。

截面：MIH233359Nmm=137667Nmm

截面：MV2333(5933)Nmm60668Nmm 求各剖面的合成弯矩。I-I截面：MI左=M2IVM2IH (-5782)21376472Nmm137668Nmm

MI右=M2IVM2IH10832421376472Nmm175259Nmm 截面：

第三章

数控回转工作台的设计

3.6.2 轴二的校核与计算

轴二即蜗杆轴的校核与计算方法与轴一相同，经校验该轴符合要求。

3.7 夹紧机构的校核与计算

在本次设计中采用液压缸作为转台的夹紧机构，液压缸又被称为油缸，它是液压系统中的执行元件，其功能就是将液压能转换成直线往复式或摆动式的机械运动。液压传动具有很多优点：

1、工作比较平稳，反应快，冲击小，可以高速启动；

2、液压缸的体积小，重量轻，惯性小，结构紧凑，能够输出较大的力；

3、控制调节方便，便于实现自动化；4由于功率损失所产生的热量可由流动的油带走，因此，可避免在系统某些局部位置所产生的过度温升。

单个油缸的尺寸计算：

1、活塞：

第三章

数控回转工作台的设计

选A型平键 根据直径d=15mm和轮毂宽度15mm，从表21-1中查的键的截面尺寸为b=5mm，h=5mm，l=10mm，此键的标记为：

键 55 GB 1096-90（2）校核挤压强度

p4Tdhlp L=L-B=(10-5)mm=5mm T=525250Nmm，由表21-2查的许用挤压用力为p=（100-120）Mpa 则p452525015510MPa79.8MPap，故挤压强度足够。电机外伸轴上的半圆键为 键 C315 GB 1096-79 其校核方式和蜗杆轴上的键相同，经校核强度足够。

第四章

控制系统的设计

0、定位器中断1）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O接口共有32个。

4.1.2 CPU接口设计

CPU接口部分示意图如4—1所示：

图4—1 AT89C51需要完成的任务：

（1）将行程开关的状态读入CPU,通过中断进行处理，它的优先级别最高。（2）通过程序实时控制电机和电磁阀的运行。

（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互的作用。AT89C51的I/O接口按以下方式分配： 1）2）3）4）P0口通过锁存器741S373控制七段数码管的段； P1口通过扫描矩阵键盘获取外部指令； P3口控制七段数码管的位的选择；

P4口用于反馈回路的信号输入（光栅）、电磁阀驱动、急停信号等。

4.2 驱动系统和人机界面

传动驱动部分包括交流伺服电机和电磁阀的驱动，交流伺服电机必须满足快速急停、定位和退刀时可以快速运行、工作时能带动工作台并克服外力并按照指令的速度运行。在定位和退刀时夹紧机构放松。

人机界面的设计准则为：要有良好的人机交互能力，要求操作方便。此系统中的八个数码管前四个可以显示键盘输入的数据等指令，后四个可以记下工作台的显示光栅反馈给单片机的位置信号，并将角度位移显示出来。

致谢及声明

致

谢

衷心感谢导师杨教授对本人的精心指导。在此次毕业设计中，由于我所学知识过于繁杂，而且不精，不够系统，所以在做毕业设计时总是会有茫然的感觉，往往遇到问题时就会向老师请教，老师也总是不厌其烦地给我讲解，给我启发，让我知道该怎么去解决所遇到的问题，慢慢得，我学会了如何独立的去解决问题。记得每次去见老师，让老师检查我们所做的东西，老师往往要在电脑前坐好几个小时给我们指点设计中的不足。真诚地感谢杨老师的辛勤付出！

数控回转工作台的原理和设计 篇3

近年来, 随着我国国民经济的迅速发展和国防建设的需要, 对高档数控机床提出了急迫的大量需求。机床制造业是一国工业之基石, 它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段, 是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家, 也无不高度重视。机床是一个国家制造业水平的象征, 代表机床制造业最高境界的则是五轴联动数控机床系统。从某种意义上说, 五轴联动数控机床系统反映了一个国家的工业发展水平状况。

2 五轴联动机床简介及加工特点

数控机床加工某些零件时, 除需要有沿X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动之外, 还需要有绕X、Y、Z三个坐标轴的圆周进给运动, 分别称为A、B、C轴。

五轴联动机床也称五坐标机床, 它是在三个平动轴 (沿X、Y、Z轴的直线运动) 的基础上增加了两个转动轴 (能实现绕X轴、Z轴旋转运动, 即A轴和C轴) , 不仅可使刀具相对于工件的位置任意可控, 而且刀具轴线相对于工件的方向也在一定范围内任意可控, 由此使五坐标加工工具有以下特点:

a.可避免刀具干涉, 加工普通三坐标机床难以加工的复杂零件, 加工适应性广, 如图1 (a) 所示。

b.对于直纹面类零件, 可采用侧铣方式一刀成型, 加工质量好、效率高, 如图1 (b) 所示。

c.对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面, 可用大直径端铣刀端面逼近表面进行加工, 走刀次数少, 残余高度小, 可大大提高加工效率与表面质量, 如图1 (c) 所示。

d.对工件上的多个空间表面可一次装夹进行多面、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, 如图1 (d) 所示。

e.五轴加工时, 刀具相对于工件表面可处于最有效的切削状态。例如使用球头刀时可避免球头底部切削, 如图1 (e) 所示, 利于提高加工效率。同时, 由于切削状态可保持不变, 刀具受力情况一致, 变形一致, 可使整个零件表面上的误差分布比较均匀, 这对于保证某些高速回转零件的平衡性能具有重要作用。

f.在某些加工场合, 如空间受到限制的通道加工或组合曲面的过渡区域加工, 可采用较大尺寸的刀具避开干涉, 刀具刚性好, 有利于提高加工效率与精度, 如图1 (f) 所示。

现在, 大家普遍认为, 五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。所以, 每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时, 往往转向求助于五轴数控系统。

3 五轴联动机床的结构类型

加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心, 立式加工中心 (三轴) 最有效的加工面仅为工件的顶面, 卧式加工中心借助回转工作台, 也只能完成工件的四面加工。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展。五轴联动加工中心具有高效率、高精度的特点, 工件一次装夹就可完成五面体的加工。如配置上五轴联动的高档数控系统, 还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工, 更能够适宜像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。

五轴加工中心的回转轴基本有两种方式:一种是工作台回转轴, 另一种则是依靠立式主轴头的回转。

3.1 依靠立式主轴头的回转

在这个类型中, 主轴前端是一个回转头, 能自行环绕Z轴360°旋转, 成为C轴。回转头上还带有可环绕X轴旋转的A轴, 一般可达±90°以上, 实现上述同样的功能。

这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活, 工作台也可以设计得非常大, 客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点, 我们在使用球面铣刀加工曲面时, 当刀具中心线垂直于加工面时, 由于球面铣刀的顶点线速度为零, 顶点切出的工件表面质量会很差, 采用主轴回转的设计, 令主轴相对工件转过一个角度, 使球面铣刀避开顶点切削, 保证有一定的线速度, 可提高表面加工质量。这种结构非常受高精度模具曲面加工的欢迎, 这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度, 高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈, 分度精度都在几秒以内, 当然这类主轴的回转结构比较复杂, 制造成本也较高。

3.2 依靠回转工作台的回转

设置在机床身上的工作台可以环绕X轴回转, 定义为A轴, A轴一般工作范围+30°~-120°。工作台的中间还设有一个回转台, 可以环绕Z轴回转, 定义为C轴, C轴是360°回转的。这样通过A轴与C轴的组合, 固定在工作台上的工件除了底面之外, 其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001°, 这样又可以把工件细分成任意角度, 加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与X、Y、Z三直线轴实现联动, 就可加工出复杂的空间曲面, 当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单, 主轴刚性非常好, 制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大, 承重也较小, 特别是当A轴回转大于等于90°时, 工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。

数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台, 它们的功用各不相同。分度工作台的功用只是将工件转位换面, 和自动换刀装置配合使用, 实现工件一次安装能完成几个面的多种工序, 提高工作效率;数控回转工作台除了分度和转位的功能之外, 还能实现数控圆周进给运动。分度工作台的分度精度要求较高 (普通级±10″、精密级±5″、高精密级±3″) 。

3.2.1 分度工作台

分度工作台的分度、转位和定位工作, 是按照控制系统的指令自动地进行, 每次转位回转一定角度 (5°、10°、15°、30°、45°、90°、180°) , 但实现工作台转位的机构都很难达到分度精度的要求, 所以要有专门的定位元件来保证。因此定位元件往往是分度工作台的关键。常用的定位元件有插销定位、反靠定位、齿盘定位和钢球定位等几种。

齿盘定位的分度工作台能达到很高的分度定位精度, 一般为±3″, 最高可达±0.4″。能承受很大的外载, 定位刚度高, 精度保持性好。实际上, 由于齿盘啮合、脱开相当于两齿盘对研过程, 因此, 随着齿盘使用时间的延续, 其定位精度还有不断提高的趋势。齿盘定位的分度工作台广泛用于数控机床、组合机床或其他专用机床。

3.2.2 数控回转工作台

在数控机床上一般由数控回转工作台来实现圆周进给运动。数控回转工作台 (简称数控转台) 除了可以实现圆周进给运动之外, 还可以完成分度运动。数控转台的外形和分度工作台没有多大差别, 但在结构上则具有一系列的特点。由于数控转台能实现进给运动, 所以它在结构上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之处。不同点是驱动机构实现的是直线进给运动, 而数控转台实现的是圆周进给运动。数控转台可分为开环和闭环两种。

3.2.2.1 开环数控回转工作台

开环数控回转工作是由步进电机按指令脉冲的要求来确定数控转台的回转方向、回转速度、回转角度。数控转台的脉冲当量是指数控转台每个脉冲所回转的角度 (度/脉冲) , 有的小到0.001°/脉冲, 有的大到2°/脉冲, 设计时可根据加工精度的要求和数控转台直径大小来选定。一般加工精度愈高, 脉冲当量应选得愈小;数控转台直径愈大, 脉冲当量应选得愈小。但也不能盲目追求过小的脉冲当量。脉冲当量δ选定后, 根据步进电机的脉冲步距角θ就可决定减速齿轮和涡轮副的传动比:

式中Z1, Z2—分别为主动、被动齿轮齿数;

Z3, Z4—分别为蜗杆头数和蜗轮齿数。

在确定Z1, Z2, Z3, Z4时, 一方面要满足传动比的要求, 同时也要考虑到结构的限制。

3.2.2.2 闭环数控回转工作台

闭环数控转台的结构与开环数控转台大致相同, 其区别在于:闭环数控转台有转动角度的测量元件 (圆光栅或圆感应同步器) 。所测量的结果反馈回去与指令值进行比较, 按闭环原理进行工作, 使转台定位精度更高。

有一些数控转台上, 采用伺服电机轴端带测速发电机和旋转变压器, 或带脉冲编码盘, 直接反馈电机轴的转速和角位移, 进行半闭环控制。

4 数控回转工作台的结构和原理

由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵, 加之NC程序制作较难, 使五轴系统难以“平民”化。

现在很多的工厂都在这几年或几年前购置了三轴联动的数控铣床, 即能实现X、Y、Z三个轴方向的同时平动。如果再配上一个数控回转工作台, 能实现绕X轴、Z轴旋转 (即A轴和C轴) , 再完成数控部分的改造, 实现同时控制即能实现五轴联动。这样即可减少固定资产的无形磨损, 又避免购置新机的大量资金投入。

4.1 数控回转工作台的功用

第一, 使工作台进行圆周进给完成切削工作;第二, 使工作台进行分度工作。它按照控制系统的命令, 在需要时完成上述任务。数控回转工作台由伺服电动机驱动, 采用无级变速方式工作, 所以定位精度完全由控制系统决定。

4.2 数控回转工作台的传动和结构

本文中设计的产品见图2 (见下页) 属于闭环数控回转工作台, 两个旋转编码器分别位于与工作台固接的轴端和支撑座的尾端, 能将旋转后的位置准确的反馈回系统。

这种数控回转工作台由交流伺服电动机驱动, 在它的输出轴上接连轴器, 再接一级齿轮减速器。该数控回转工作台由圆柱齿轮传动系统、涡轮涡杆传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置组成。

因为是涡轮涡杆传动与分度, 所以停位不受限, 并不像端齿分度盘一样, 只能分度固定的角度的整数倍 (5°、10°、15°等) , 而且偏转范围较大 (110°~-70°) , 能加工任何角度与倾斜度的孔与表面。齿的侧隙是靠齿轮制造精度和安装精度来保持。大齿轮的支撑轴与涡杆轴做成一个轴, 这种联结方式能增大连接的刚性和精度, 更能减少功率的损耗。

其工作原理简述如下:

回转工作台的运动由交流侍服电机驱动圆柱齿轮传动, 带动涡轮涡杆系统, 使工作台旋转。当数控回转工作台接到数控系统的指令后, 首先松开圆周运动部分的涡轮夹紧装置, 松开涡轮, 然后启动交流侍服电机, 按数控指令确定工作台的回转方向、回转速度及回转角度大小等参数。

摆动部分的工作原理与此相同。

需要说明的是, 当工作台静止时必须处于锁紧状态, 工作台沿其圆周方向均匀分布6个夹紧液压缸进行夹紧。当工作台不回转时, 夹紧油缸在液压油的作用下向外运动, 通过锁紧块仅仅顶在涡轮内壁, 从而锁紧工作台。当工作台需要回转时, 数控系统发出指令, 反向重复上述动作, 松开涡轮, 使涡轮和回转工作台按照控制系统的指令进行回转运动。

5 数控回转工作台的设计和计算

由图2可知, 整个数控回转工作台按照功用不同可以分为两个组成部分, 即圆周回转部分和摆动部分, 在圆周回转部分和摆动部分中, 又可以按照传动结构分为两个部分, 即齿轮传动部分和蜗轮蜗杆传动部分, 见图3。以下将简单说明一下计算和设计过程。

5.1 圆周回转部分设计、计算

数控回转工作台圆周回转部分的计算主要分为两个部分, 即齿轮传动部分和涡轮涡杆传动部分的设计、计算。

5.1.1 圆柱齿轮传动设计、计算

这是很常规的计算。主要包括以下内容:材料选择、精度及参数选择、螺旋角选择、齿宽系数确定、计算齿轮各个直径、中心距、齿轮宽度、齿面接触强度设计、校核弯曲疲劳强度等等。具体过程和步骤可参见相关手册, 此处从略。

5.1.2 涡轮涡杆传动设计计算

主要包括以下内容:涡轮涡杆材料、硬度、头数、齿数、螺旋升角、涡轮齿宽、弯曲疲劳强度校核、效率计算、热平衡计算等等。此处从略。

5.2 摆动部分设计、计算

与圆周回转部分的设计过程完全相同, 不再赘述。

6 数控回转工作台关键部件介绍

机床产品的很多单元技术都孕育在关键功能部件之中。在数控回转工作台中, 其主要部件——涡轮涡杆调隙结构、闭环检测结构、回转部位锁紧装置、润滑与密封等部位均属于关键部件。

6.1 调隙结构——双螺距渐厚涡杆介绍

在数控机床中, 分度工作台、数控回转工作台都广泛采用涡杆涡轮传动。涡轮副的啮合侧隙对其分度定位精度影响最大, 因此消除涡轮副的侧隙就成为数控回转工作台的关键问题。一般在要求连续精确分度的机构中 (如齿轮加工机床、数控回转工作台等) 或为了避免传动机构因承受脉动载荷 (如断续铣削) 而引起扭转振动的场合往往采用双螺距渐厚涡杆, 以便调整啮合侧隙到最小限度。

双螺距渐厚涡杆与普通涡杆的区别是:双螺距渐厚涡杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距 (导程) ;而同一侧面的齿距 (导程) 则是相等的 (图4) 。双螺距渐厚涡杆副的啮合原理与一般涡杆副啮合原理相同, 涡杆的轴向截面仍相当于基本齿条, 涡轮则相当于同它啮合的齿轮。由于涡杆齿左、右两侧面具有不同的齿距, 即左、右两侧面具有不同的模数m (m=t/π) 。因而同一侧面的齿距相同, 故没有破坏啮合条件。双螺距渐厚涡杆传动的公称模数m可看成普通涡轮副的轴向模数, 一般等于左、右齿面模数的平均值。此涡杆齿厚从头到尾逐渐增厚。但由于同一侧的螺距是相同的, 所以仍然可以保持正常的啮合。因此, 可用轴向移动涡杆的方法来消除涡杆与涡轮的齿侧隙。

从图5中知道, 涡杆左侧的齿矩为t左, 右侧的齿距为t右, 中间齿距为t中。

当t右>t左时 s1=t左-c1s2=t右-c1

相邻两齿厚的差值 Δs=s2-s1=t右-t左

不难看出, 任意两相邻齿厚之差 (沿同一轴向截面上) 都是Δs=si+1-si=t右-t左, 这样的涡杆从左到右齿厚渐厚, 当涡杆向左移动时, 啮合侧隙将会逐渐减小。同理, 当t左>t右时, 从左到右齿厚渐薄, 当涡杆向左移动时, 啮合侧隙将会逐渐变大。图5是依靠改变调整环的厚度, 即可使涡杆轴向移动, 以便调整涡杆涡轮啮合侧隙。

6.2 闭环结构方案设计

考虑到机器性能要求的精密性以及加工的准确性, 还要与数控铣床相连成为精密的五轴机床。因此要求系统为闭环, 即设计一闭环数控回转台。所以选用FAGRO公司的两个ENCODER H-90型旋转编码器分别安装在与回转台连接的轴末端和摆动支座轴末端。这样即使在传动过程中有误差或间隙也可在反馈后得到数控系统的补偿。

6.3 锁紧装置及锁紧力计算

6.3.1 锁紧的介绍与选用

在数控回转工作台的回转部分, 涡轮内壁采用的是液压缸直接顶紧, 用锁紧胶木块与涡轮内圈的摩擦力来锁紧。锁紧力计算过程举例如下:

例:已知输入油压20 MPa, 液压缸活塞面积

单缸顶紧力F1=p·s=20×314.2=6 283 N

单缸锁紧力Fr=FDμ=6283×0.3=1 884.9 N

单缸锁紧力矩T1=FTR=1884.9×0.095=179 M·m

则总锁紧力矩T总=6T1=6×179=1 074 N·m

与FIBRO公司的产品TRT340~400规格的产品锁紧力85kgf·m稍大, 能符合要求。

6.3.2 摆动部分的锁紧

对于摆动部分的锁紧是根据FIBRO公司的专利性产品“油压环抱式锁紧装置”构思而成。将此装置套在摆动轴涡轮轮毂上, 能大面积的锁紧摆动部分, 锁紧时圆周表面紧密配合, 减少了盘面压力不稳定的起伏, 所以具有高刚性和耐重切削的特性 (图6) 。

锁紧力计算举例如下:

例:输入油压20 MPa, 锁住面积:油压环长50 mm, 保守估计60%接触。

则总面积s=πdl60%=π×115×50×60%=10 838.5 mm2

锁紧力F=psμ=20×1 0838.5×0.2=4 3354 N

锁紧力矩T=FR=43 354×57.5×103=2 482.8 N·m

比FIBRO公司的产品摆动部分的锁紧力100 kgf·m更大一些, 能符合要求, 可以耐重切削。

6.4 润滑与密封

6.4.1 回转部分的润滑与密封

因为回转部分有较大的摆动角度 (110°~-70°) , 所以虽然涡轮涡杆及齿轮传动都是在箱体内, 也不能采用常规的甩油润滑。再者箱盖或工作台与箱座或回转下箱之间不可能有很好的密封, 在倾斜时会将存于箱底的油倒出, 没法再甩油。所以回转部分都应选用循环喷油润滑。但在装配时轴承部分要先填好润滑脂, 以免长时间得不到润滑而降低使用寿命。

喷油润滑的好处非常多, 可以冲掉传动过程中齿轮啮合区的磨粒、减少磨损、延长使用寿命、对涡轮涡杆进行很好的冷却与润滑等。

为防止工作过程中切屑与杂质进入旋转台, 回转部分与下箱之间要用防尘圈密封好, 这样还能起到存油润滑轴承的作用。为防止传动过程中有杂质存于箱体内, 随油进入轴承, 影响轴承寿命, 应定期对箱体内进行清洗。

6.4.2 摆动部分的润滑与密封

摆动部分是固定在平动工作台上的, 只能随X、Y、Z轴平动, 所以选择甩油润滑, 当然也可采用喷油润滑。由于回转部分已采用了循环喷油系统, 并且喷油润滑有许多优越性, 在此也采用喷油润滑, 无非是多加几条支路而已。

在右端回转箱内有涡轮涡杆, 所以轴承能同时得到润滑。而左端只是起支撑作用, 只能用脂润滑。右支撑端只需采用常规的齿轮-涡杆减速器中的密封方法即可。各轴承端则需采用橡胶圈密封。与回转支架相连部分的轴承端用橡胶圈密封, 因为右端采用了油润滑。

对于左端支撑, 轴承如用脂润滑则用毛毡圈作为密封材料, 如用油润滑则要用橡胶圈。本文中采用的是脂润滑, 所以左端轴承密封用的是毛毡圈。

6.5 回转台锁紧装置简述

当工作台静止时必须处于锁紧状态, 工作台沿其圆周方向均匀分布6个夹紧液压缸进行夹紧。当工作台不回转时, 夹紧油缸在液压油的作用下向外运动, 通过锁紧块仅仅顶在涡轮内壁, 从而锁紧工作台。当工作台需要回转时, 数控系统发出指令, 反向重复上述动作, 松开涡轮, 使涡轮和回转工作台按照控制系统的指令进行回转运动 (图7) 。

7 数控回转工作台实物图

重型数控回转工作台 篇4

1 回转工作台热误差分析和测量方案

1.1 数控回转工作台的热源

数控回转工作台在工作中受到多种热源的影响, 热源产生的热量通过各种不同的方式传递给数控回转工作台, 使得数控回转工作台产生热变形。

1) 是动力传动副。它们在执行能量传递的过程中, 由于内部摩擦等因素导致能量损耗并转换成热。研究表明, 蜗轮蜗杆的传动效率不高于65%, 也就是说, 大约三分之一的能量由于蜗轮蜗杆在工作中的能量耗损部分转化为热能。它们所产生的热量通过传动件、压力油、空气等传递到机床的其他部分。

2) 是运动件。如轴承副、齿轮副、离合器等在运动时因摩擦而发热。它们通过润滑油将热量传递开, 特别是机床内部的润滑油池, 会形成一个很大的热源, 对回转工作台的热变形影响很大。

3) 是切削。切削的机理是材料的挤压。在切削中, 由于材料形状的变化而产生热量, 俗称切削热, 这部分热量由切屑和润滑液传递到回转工作台上。

研究表明, 蜗轮蜗杆传动副的摩擦发热是数控回转工作台最主要的热源。

1.2 数控回转工作台热变形误差模型

与的回转轴的几何误差一样, 回转轴的热误差也有6个自由度的误差分量。

以沿Z轴的回转轴为研究对象, 如图1所示, 这6个自由度的误差分别是沿X、Y、Z的误差δx (θz) 、δy (θz) 、δz (θz) 和绕X、Y、Z轴的偏摆、俯仰、滚转误差εx (θz) 、εy (θz) 、εz (θz) , 其中θz为沿Z轴的回转轴的位置角度。

2 回转工作台热误差测量

2.1 实验目的

为准确地建立机床回转台系统的热误差补偿模型, 本文以沈阳机床厂的HS664RT高速加工中心作为实验对象, 完成机床回转台系统热变形测量。实验包括机床回转台系统空载工作时在各时间点的温度测量及工作台水平端面在Z轴方向的热变形量测量。

2.2 实验步骤

在位移传感器和温度传感器按照上述的方案布置完成后, 将回转轴进行一定周期的连续回转运动, 采集位移传感器和温度传感器的测量值。为了保证两个回转轴的热变形相互不干扰, 在一个回转轴进行回转运动测量的时候, 另一回转轴保持角度不变, 两者单独进行测量。

1) C轴的热误差测量。设定回转轴的一个回转周期, 当回转轴完成该回转运动时回到初始位置, 然后进行一次测量, 并记录数据。设定回转速度为2160°/min, 完成一次360°的回转需要20秒, 这里设定一个回转周期为5分钟。

2) A轴的热误差测量。由于A轴不能进行360°的回转, 其有效回转范围为-100°/+105°, 所以设定A在该范围内连续来回旋转。同样, 设定回转速度为2160°/min, 设定一个回转周期为5分钟。

2.3 热误差实验数据的分析

1) C轴的热误差测量数据。上述的实验完成后, 得到了C轴回转时随时间变化的各个位移传感器的位移测量值和各个温度传感器的温度测量值, 整理计算后得到了C轴在5个自由度上的误差值。

2) A轴的热误差测量数据。同样, A轴工作时工作台水平端面中心点Z向位移变化曲线和温度传感器变化曲线, 如图2和3所示。

3 结论

本文对回转工作台的热误差进行了分析, 提出了对数控机床回转工作台的热变形和温度变化的测量方案。同样以沈阳机床厂的五轴联动数控加工中心作为对象, 将C轴和A轴分别连续回转进给, 用位移传感器和温度传感器测量各点的位移误差值和温度值, 得到了它们随时间的变化曲线。

摘要：作为五轴数控机床的关键零部件, 数控回转工作台能够实现C轴和A轴的回转进给与定位, 其精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。本文以此为研究背景, 对回转工作台的几何误差和热误差进行测量, 并建立了误差补偿的数学模型, 为最终进行机床的误差补偿提供依据, 从而实现数控加工中心加工精度的提高。

关键词：回转工作台,误差测量,齐次坐标变换,标准球

参考文献

[1]刘贺云, 柳世传.精密加工技术.武汉:华中理工大学出版社, 1991.

重型数控回转工作台 篇5

现代高速卧式加工中心其高速性主要体现在直驱技术的应用,加工中心常采用直驱电主轴,直接驱动回转工作台及直线电机直接驱动进给轴。采用这些技术后,省去了齿轮、蜗杆蜗轮副、丝杆等传统传动件,实现了所谓的零传动技术[1],大大的提高了相应系统的速度和精度,它代表了数控机床的先进发展方向。某企业开发了高速卧式加工中心,该机床回转工作台采用了力矩电机直接驱动,电机和驱动器由日本FANUC公司提供,型号分别为aiF8/3000和FANUC SV-MI-180i。机械系统由企业自行开发,整机完成后必须进行全面检测,考虑到回转工作台的低速性能是转台整体性能好坏的重要标准之一。低速平稳性的好坏,直接关系到转台控制系统。如果低速平稳性不好,即角速度发生周期性的突跳,安装在转台上的测控元件很容易受到这种速度的脉动,对控制系统产生错误信号,引起控制系统额外的极限环现象,产生严重的误差。控制系统的低速平稳性主要取决于系统在小信号下工作的非线性因素,如间隙、摩擦、不灵敏区等,对电机驱动而言,主要是保证电机低速力矩波动要小。基于此,进行了转台低速运动的实验研究工作。

2 低速运动特性研究

在理想的状态下,力矩电机驱动的转台应按照伺服系统发出的信号运转,呈现一种线性关系,但是实际中,转台在低速运转时,由于如前所述的非线性因素,它会直接影响转台系统在低速运行时的平稳性,使转台的低速性能呈现一种非线性现象。由于需要很高的测试精度,因此采用Renishaw ML10双频激光干涉仪加上线性/角度光学复和组件进行动态角度测量[2,3],把测得的值通过计算处理后得到转台的角速度及加速度,从而确定转台的低速时运动特性。

测试方法如图1所示,角度反射镜应放置于回转台中央,使其双反射镜的几何中心与回转台回转中心尽可能重合。实际上很难做到这一点,它会带来一定的误差,这种误差可考虑到小角度测试精度中。小角度测量精度为±0.6%±0.5±0.1Mμm/m换算成英制单位±0.6%±0.1±0.007F角秒,其中±0.6%是指测量出的小角度值的±0.6%,比如测量出的角度误差为20角秒,则测量精度中的0.6%为20×0.6%=0.12角秒。指标中的±0.5代表反射镜的固有误差,0.1代表在测量中线性移动产生的误差,这两项的单位为μm/m。由于在测角度时所产生的线性移动量远小于1 m,这两项误差非常小可以忽略,但考虑到安装时不可能非常准确对中,从而引起线性移动带来的误差,因此这两项仍然保留。指标中的M指的是被测直线轴的行程单位为米,F是指被测直线轴的行程单位为英尺[4]。

图1(a)表示在测量过程中干涉镜始终保持禁止,如反射镜跟随机器轴一起移动,若机器轴在运行过程中没有回转运动,则两束光f1和f2的光程差始终固定不变,则激光度数为零。

若机器轴存在转动,如图1(b)角度反射镜产生偏摆角Φ、f1和f2两束光产生多普勒频移±Δf1和±Δf2而且其值不等,则两束光的光程差将产生变化,变化量为D,激光干涉仪测量的就是该变化量D的值。通过公式可计算出转角的角度为:Φ=arcsin(D/S),其中S是角度反射镜中一对反光镜之间的已知公称间隔;D是测量光束和参考光路之间的光程差改变。

该仪器配置有两个温度传感器,一个用来测量转台外的温度,另一个用来测量工作环境的温度,通过EC10环境补偿装置来补偿激光器光束波长在气温、气压及相对湿度的影响,因此测得的数据非常精确。

仪器设置好之后,在数控系统中设定好程序,在激光干涉仪中设定好相关参数,启动转台,按一定速度转动20度,考虑到实验工作的安全性,并不立即反转,而是暂停2秒,然后反方向转动20度,按这样的方法得到了一系列的实验结果。

3 实验结果分析

直接驱动数控回转台的回转运动特性实验,一共做了若干组,测试了在不同角转速情况下的转台角位移、角速度和角加速度,转角范围均为±20°,正转和反轴之间停留2秒。在这个转角范围内分别进行了直驱力矩转台在转速为S=±2.5 r/min;S=±2 r/min;S=±1.5 r/min;S=±1 r/min和S=±0.5r/min时的位移,速度和加速度的实验研究,它们的共同特点是每个图中的转角位移图是连续的位移齿形,齿的上升边对应正转20°,下降边对应反转20°,正转和反转之间停留2秒,即图中的齿形平顶。把角位移图与速度图相对应,位移图中齿形上升边对应转速图中零线上方的速度三角形,下降边对应零线下方的三角形,小转速时变成梯形。粗略地看,不论正转或反转,在每个20°范围内转台均对应了一个较为复杂的加速段和减速段。这里只就较大转速2.5 r/min(图2)和较小转速0.5 r/min(图3)的情况讨论。

S=±2.5 r/min时,见图2。

在图2(a)中角位移变化为非线性的,参考(b)和(c)图仔细观察可以发现,在转台正转20°的过程中大概经历了9个速度变化段,在加速度图(c)中可以找到9个加速度脉冲值,它与速度图(b)相对应。在(b)图中由11个点标注出产生速度突变的11个点,其中起始点和结束点完全对称,因此都用0来标注。图中速度上升边由速度三角形左侧边表示这一边有6个速度变化移由0～5之间的6个点来表示,这6个点之间代表了5个不同的速度段。速度下降边由右侧边的5-0来表示,同样的具有5个不同的下降速度段。三角形左右两侧产生速度变化的转折点并不完全对称,这与整个回转台的控制系统的电气特性和机械系统的摩擦特性有关,特别是后者的影响,速度时间图中,仔细观察可以发现转台启动时由0-1代表的速度段近乎是一根垂线,而在停止时其速度由9-0表示它不像0-1那样陡峭,这显然与摩擦非线性有关。启动时转台是由静止状态到运动状态,而停止时是由运动状态到静止状态。前者静摩擦产生了影响,而后者则没有这种影响。在较低速,当转速为0.5 r/min时,位移一时间图3(a)中,位移梯形的上升边和下降边相对于图2(a)图变得更平直了,速度的线性段更长了,它对应于(b)图梯形顶部的平直段,这一段表示匀转速部分,在图(c)中可以看出对应于正转20°区间,只有在对应于位移图转盘启动和转盘转到20°之前减速时产生较明显速度变化,此时有较大加速度,即(c)图中0-1段和2-0段,从图中还可较明显地看出0-1段较2-0段有更大的非线性段,在这里可显示出非线性摩擦的影响,转速愈低这种影响愈明显,在转速由高向低变化时,这种影响也是逐渐增大的,因此在数控加工中低速运动段应充分考虑到非线性影响,为消除非线性影响可以采用自适应控制方法,这一点将另文探讨。

4 结论

为了较为准确客观地反映回转台的低速特性,实验中选用了±0.5 r/min、±1 r/min、±1.5 r/min、±2r/min和±2.5 r/min5个速度档在±20°区间进行了实测,得到的结果有一定代表性。从实测结果看,尽管速度有几次变化产生加速度的脉冲,它会产生一定的惯性力,但从位置图上看,转角运动是平稳的,这主要是由于大质量机械系统对高频信号产生了很强的滤波作用,说明机电系统的之间的匹配、加工制造、装配都是成功的。实测结果还反映出低速时存在一定的摩擦及不灵敏区等非线性影响,这种影响可以通过自适应控制及其它现代控制方法加以消除[5],这在控制器的设计中应考虑进去,或者控制器应为用户提供二次开发功能来完成理想控制。

摘要：直驱式数控回转工作台是现代高速数控加工中心的重要组成部分,其低速特性是影响整机性能的重要指标之一,对其低速特性进行研究是很重要的。采用ML10双频激光干涉仪和角度光学镜进行测试,介绍了测试方法和测试原理。在此基础上对采用FANUC aiF8/3000大扭矩电机直接驱动的回转工作台在±20°正反低速转动进行了实验研究,根据实验结果,分析了工作台在低速运行中的运动学特性及非线性影响。

关键词：低速特性,直驱技术,数控回转工作台,双频激光干涉仪

参考文献

[1]贾激雷,徐月同,傅建中.双频激光干涉仪测试直线电机进给定位精度的研究[J].机械工程师,2004(8):17-19.

[2]姜孟鹏,黄筱调,王华,等.极坐标数控铣齿机回转台运动精度干涉测量[J].组合机床与自动化加工技术,2010(3):30-33.

[3]张立新,黄玉美,杨心刚,等.回转轴运动精度的干涉测量与误差补偿分析[J].传感技术学报,2007,20(3):686-689.

[4]曹利波.利用激光干涉仪对机床定位精度的快速检测[J].红外与激光工程,2008(S1):200-202.