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陕西理工学院毕业设计论文第1页共50页前言中国数控市场发展状况数控机床是电子信息技术与传统机床技术相结合的机床一体化产品，具有高效、精密、柔性自动化和信息集成特点，特别适用加工复杂形状的零件，因而成为现在先进制造技术最重要的基础装备和世界机床市场的主流产品，受到机械制造企业的青睐。工业发达国家数控机床的发展大体上经历了缓慢、快速和深入发展三个阶段，目前一达较高水平，其机床产值数控化率至少超过50%，产品数控化率至少超过20%。设计思想在社会主义市场经济的今天，产品的市场竞争日趋激烈，在保证产品的质量的前提下，如何提高机床的加工范围和降低制造成本是提高竞争力的关键所在。产品成本一般包括原材料、工具损耗、机床折旧、工人工资和各项管理费用，他们与劳动生产了密切相关，因此提高产品加工效率是降低成本的最有效途径。在小批量多品种生产中，为了加工具有精确角位置的零件，可采用回转盘或多齿分度盘进行精确加工，但对于直径较大、较重的工件却无能为力，这就需要设计制造大型回转台。随着我国制造业的发展，加工中心将会越来越多地被要求配备第四轴和第五轴，以扩大加工范围。估计近几年要求配备数控转台的加工中心将会达到每年600台左右。数控转台作为机床附件，其技术性能的提高直接影响着数控机床的加工效率和加工质量。回转工作台与落地铣镗床及各种大型、重型铣镗床配用，是机械加工的最佳组合，为此类机床增加了一个回转坐标一个直线坐标。扩大了机床的使用范围，能完成平面、圆柱面、角度面的加工，对各种形状复杂的中、大重型工作的掉头镗十分有利，是一次完成多面加工的最佳选择。数控回转工作台与数控落地铣镗床，各种大型、重型加工中心、数控端面铣配用，更是机械加工的最佳组合。陕西理工学院毕业设计论文第2页共50页回转工作台与数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可缺少的重要附件。它的作用是按照控制装置的信号或指令做回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序。常见的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。功能：完成工作台的连续回转进给和任意角度的分度。作用：既能作为回转坐标轴实现坐标联动加工，又能作为分度头完成工件的转为换面。特点：采用伺服系统实现回转、精确分度和定位。种类：开环数控回转台和闭环数控回转台考虑到数控回转工作台使用后，在对不需要回转工作台的工件加工时，回转工作台的存在影响将要加工工件的装卸、加工等操作，所以本次设计对传统的回转工作台进行改进，把它制造可以拆卸夹具式数控回转工作台。该工作台具有两大优点：第一：使用时，工作台如夹具固定在直线进给工作台的T行槽内，不用时，即可拆下，工作台是一个独立体，可以有几台数控机床公用。第二：本结构具有适应高温、高速和便于保证装配精度的特点。通过这样的改动后使得回转工作台的加工范围和加工精度都得到了扩展，在方法适用于中小型加工厂对多齿类零件的加工，同时也提高了设备利用率。在数控机床电气控制中可编程控制器（PLC）是应用最广泛的控制装置，已成为自动化系统的基本装置。PLC置于NC系统和机床之间，控制主轴、刀库等外部执行机构的动作，当前数控机床电器控制系统采用PLC已成为发展趋势。PLC以微处理器为基础，是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动化控制设备，面向控制过程、面向用户、适应工业环境，具有操作方便、可靠性高的特点，在包括数控机床在内的工业自动化控制中得到广泛应用，成为新一代通用工业控制设备，于CAD\CAM技术、工业机器人并成为加工业自动化的三大支柱。利用PLC代替陕西理工学院毕业设计论文第3页共50页传统的继电器—接触器控制，可以避免大量的电器元件的更换，在逻辑关系改变时只需要相应的修改程序就可以啊实现目标，既节省时间、也节省成本，同时大幅度提高了机床自动化控制程度和电器控制系统柔性化。目前PLC技术已经成熟，基于PLC的机床电器控制系统设计具有良好的可行性。陕西理工学院毕业设计论文第4页共50页1.方案设计1.1数控回转工作台的结构设计方案的优化选择设计数控回转工作台时，应该考虑合理的布局。在满足所要达到功能的前提下，应该降低成本。同时要使工作台的结构尽量简单、装配容易，而且达到所需的精度要求。1.1.1比较几种不同的传动方案的优缺点1.平面圆柱齿轮包络蜗杆传动优点：传动结构简单、易于装配。缺点：制造复杂，成本较高，承载能力较小。2.单头双导程蜗杆传动优点：传动结构简单、易于装配。缺点：制造复杂，成本较高。3.双蜗杆双蜗轮结构传动（如图1.1）优点:可以消除蜗轮杆的反向间隙，调整方便，装配简单，减速比大，也可提高电机扭矩，并且具有自锁功能。缺点：成本较高。图1.1双蜗杆蜗轮结构陕西理工学院毕业设计论文第5页共50页4.双蜗杆单蜗轮结构传动优点：可以消除蜗轮蜗杆的反向间隙，调整方便，装配制造简单，成本低，承载能了大。缺点:传动结构比较复杂。我们对于以上四种方案比较优化，其中第四种方案比较好，因此这个方案为本次设计方案。（如图1.2）图1.2双蜗杆单蜗轮结构1.2双蜗杆结构传动的数控回转工作台的结构原理如图1.2所示，设当使用步进电机驱动时，电机每转动50转（即蜗杆轴转动50转时）蜗轮轴转动1转，即蜗杆蜗轮的传动比为50：1。即（1.1）上式中：n——电动机转数；Z——工件的等分数；陕西理工学院毕业设计论文第6页共50页50——蜗杆蜗轮副的传动比1.3双蜗杆结构传动的数控回转工作台的一些改进双蜗杆结构传动的数控回转工作台虽然具有很多优点，但是它在具体的实际应用中还存在着一定的局限性，现下面对这些局限性进行分析和改造。数控回转工作台夹具式改造：考虑到回转工作台使用之后，在对不需要回转工作台加工的工件加工时，回转工作台的存在影响将要加工工件的装卸、加工等操作。所以对传统的回转工作台进行改造，把它制造成可以拆卸夹具式数控回转工作台。上述回转工作台具有两大优点:使用时，工作台如夹具固定在直线进给工作台的T行槽内，不用时，即可拆下，工作台是一个独立体，可以由几台数控机床共用。本结构具有适应高温、高速和便于保证装配精度的特点。通过这样的改动后使得回转工作台在加工范围和精度得到扩展，该设备适用于中小型加工厂对多齿类零件的加工，同时也提高了设备利用率。1.4双蜗杆结构传动的数控回转工作台结构及参数设计数控回转工作台采用双蜗杆传动，步进电机正反转控制工作台的正反转，两个蜗杆分别与蜗轮左右齿面接触，尽量消除正反传动间隙。采用六个气压缸作为工作台的夹紧装置。两个锥齿轮实现双蜗杆的传动。设计参数为：回转工作台台面尺寸（直径高）为陕西理工学院毕业设计论文第7页共50页回转工作台(材料为HT200)重量:⁄(材料密度)所能承受的负载转矩为100N.2.机械部件的设计和校核2.1蜗轮蜗杆的设计2.1.1蜗轮蜗杆的设计参数初始条件确定：设定蜗杆转速为2000r/min，蜗轮蜗杆副的传动比为50。材料选择考虑到蜗杆的传递功率不大，但速度比较高。所以蜗杆选用40Cr钢，芯部调质、表面淬火、硬度为HRC45，加工精度6级并磨削。蜗杆形式采用延伸渐开线蜗杆，法面齿形角。蜗轮材料ZCuSn10Pl,金属膜制造，其最大负载转矩为100NM选择蜗杆传动类型根据GB/T10085—1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZA）。按照齿面接触疲劳强度进行设计计算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计算，再按弯曲疲劳强度进行校核.由传动中心距的公式：√{[]}(2.1)陕西理工学院毕业设计论文第8页共50页确定作用在蜗轮上的转矩按照估计取效率。则(2.2)确定载荷系数K因为工作载荷比较稳定，所以取载荷分布不均匀系数,选取使用系数。由于转速不高，冲击不大，可以取动载系数。则(2.3)（3）确定弹性影响系数因为选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，所以选取（4）确定接触系数先假设蜗杆的分度圆直径和传动中心距a的比值,则可以查出.（5）确定许用应力[]根据蜗轮材料ZCuSn10Pl，金属模制造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC。可得出蜗轮的许用应力为。应力循环次数()(2.4)现取失效概率为1%，安全系数为S=1[](2.5)(6)计算中心距√{[]}陕西理工学院毕业设计论文第9页共50页求的中心距取模数。则蜗杆分度圆直径。这时(2.6)查表得。所以，满足要求。蜗轮蜗杆的主要参数与几何尺寸蜗轮分度圆直径(2.7)齿顶圆直径()(2.8)齿根圆直径()(2.9)外径（2.10）咽喉母圆半径(2.11)齿宽取B=35mm(2.12)陕西理工学院毕业设计论文第10页共50页顶隙(2.13)齿宽包角(2.14)蜗杆分度圆直径齿顶圆直径(2.15)齿根圆直径(2.16)轴向齿距（2.17）螺旋线导程(2.18)法向齿距(2.19)陕西理工学院毕业设计论文第11页共50页蜗杆螺旋角(2.20)压力角螺旋部分长度()所以2.1.2校核齿根弯曲疲劳强度由公式[]（2.21）当量齿数（2.22）由查出螺旋角系数(2.23)许用弯曲应力[][](2.24)查出ZCuSn10pb1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力[]查出寿命系数√[]MP陕西理工学院毕业设计论文第12页共50页而[]故满足弯曲强度表2.1蜗轮蜗杆参数蜗杆参数蜗轮参数分度圆直径()分度圆直径()齿顶圆直径()齿顶圆直径()齿根圆直径()齿根圆直径()轴向齿距()外径()螺旋线导程S（)咽喉母圆半径()法向齿距()齿宽()蜗杆齿螺旋角顶隙()压力角齿宽包角2.2蜗杆传动的热平衡计算对于闭式蜗杆传动，由于蜗杆传动效率不较低，所以工作时发热量比较大，如果产生的热量不能及时地散逸，将引起油温的不断升高使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。所以必须根据单位时间内的发热等于同时间内的散热量的条件进行热平衡计算，以保证油温稳定的处于规定的范围内。由于摩擦损耗的功率()则产生的热量（单位时间内⁄）为陕西理工学院毕业设计论文第13页共50页()(2.25)式中为蜗杆传动的功率P，单位为KW以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气里的热量（单位为W）为()(2.26)式中：箱体的表面散热系数，可取()()⁄,当周围空气流通良好时，取偏大值。内表面能被润滑油飞溅到，而外表面可被周围空气所冷却的箱体的表面积，单位为。有的工作温度，一般限制在，最高不超过。周围温度常取按热平衡条件，可求得在给定工作条件下的油温（单位为）为()(2.27)或在给定工作条件下，保持正常工作所需要的散热面积S（单位为）为()()(2.28)两式中各符号的单位和意义同前。在或有效的散热面积不足时，则必须采取措施提高散热能力，通常用的方法有：增加散热片增大散热面积。在蜗杆轴端加装风扇，加速空气流通。在传动箱内装循环冷却管道。陕西理工学院毕业设计论文第14页共50页经检验计算，满足热平衡要求。2.3精度等级、公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗轮蜗杆传动是分度装置，在轻载条件下工作。根据GB/T10085—1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZA），蜗轮精度等级6级。查《机械设计手册》，蜗杆尺寸公差为IT6，形位公差为IT6。2.4锥齿轮设计计算与校核2.4．1锥齿轮的设计参数锥齿轮齿形采用格里森齿制等顶隙收缩弧齿，正交传动，齿形角。确定两个锥齿轮的齿数都为22，传动比为1。两个齿轮材料都为45钢（调质），硬度240HBS。采用6级精度。2.4.2锥齿轮的设计已知⁄选用6级精度，两个齿轮材料都为45钢（调质），硬度240HBS。选齿数确定作用在蜗杆轴上的转矩(2.29)按照齿面接触疲劳强度设计由公式陕西理工学院毕业设计论文第15页共50页√[[]]()(2.30)弹性影响系数由《械设计手册》表10—6查得试选载荷系数K试选选齿轮宽度系数传动比接触疲劳强度计算应力循环次数()(2.31)查接触疲劳强度系数由《机械设计》图查得取失效概率为1%，安全系数S=1，则[][](2.32)计算则分度圆直径为√[[]]()陕西理工学院毕业设计论文第16页共50页校核模数取(2.33)按照几何关系计算()计算圆周速度(平均直径处)a.⁄,(