270 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),數(shù)控,回轉(zhuǎn),工作臺(tái),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第二章：數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 傳動(dòng)方案的確定2.1.1步進(jìn)電機(jī)的原理步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，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。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，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。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)。一般地說最大靜力矩 Mjmax 大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動(dòng)的需要2.1.2.傳動(dòng)方案?jìng)鲃?dòng)時(shí)應(yīng)滿足的要求數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)一般由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作臺(tái)組成，傳動(dòng)裝置在原動(dòng)機(jī)和工作臺(tái)之間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，并可實(shí)現(xiàn)分度運(yùn)動(dòng)。在本課題中，原動(dòng)機(jī)采用電液脈沖馬達(dá)，工作臺(tái)為T形槽工作臺(tái)，傳動(dòng)裝置由齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)組成。合理的傳動(dòng)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(tái)的功率、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)形式的要求。（2）工作條件的要求：例如工作環(huán)境、場(chǎng)地、工作制度等。 （3）工作性能要求：保證工作可靠、傳動(dòng)效率高等。（4）結(jié)構(gòu)工藝性要求；如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、使用維護(hù)便利、工藝性和經(jīng)濟(jì)合理等。2.1.3.傳動(dòng)方案及其分析數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)傳動(dòng)方案為：電液脈沖馬達(dá)——齒輪傳動(dòng)——蝸桿傳動(dòng)——工作該傳動(dòng)方案分析如下：齒輪傳動(dòng)承受載能力較高 ，傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)，傳遞 功率和圓周速度范圍很大，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。蝸桿傳動(dòng)有以下特點(diǎn)：1．傳動(dòng)比大在分度機(jī)構(gòu)中可達(dá)1000以上。與其他傳動(dòng)形式相比，傳動(dòng)比相同時(shí)，機(jī)構(gòu)尺寸小，因而結(jié)構(gòu)緊湊。2．傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)件，機(jī)構(gòu)將自鎖。這種蝸桿傳動(dòng)常用于起重裝置中。4．效率低、制造成本較高 蝸桿傳動(dòng)是，齒面上具有較大的滑動(dòng)速度，摩擦磨損大，故效率約為0.7-0.8，具有自鎖的蝸桿傳動(dòng)效率僅為0.4左右。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。由以上分析可得：將齒輪傳動(dòng)放在傳動(dòng)系統(tǒng)的高速級(jí)，蝸桿傳動(dòng)放在傳動(dòng)系統(tǒng)的低速級(jí)，傳動(dòng)方案較合理。同時(shí)，對(duì)于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它有兩種型式：開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。兩種型式各有特點(diǎn)：開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和開環(huán)直線進(jìn)給機(jī)構(gòu)一樣，都可以用點(diǎn)液脈沖馬達(dá)、功率步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和開環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)大致相同，其區(qū)別在于：閉環(huán)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)量元件（圓光柵） 。所測(cè)量的結(jié)果經(jīng)反饋與指令值進(jìn)行比較，按閉環(huán)原理進(jìn)行工作，使轉(zhuǎn)臺(tái)分度定位精度更高。2.2 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)由于前述所選電機(jī)可知T=2.39N.M傳動(dòng)比設(shè)定為i=3，效率η=0.97工作日安排每年300工作日計(jì)，壽命為10年。2.2.1 選擇齒輪傳動(dòng)的類型根據(jù)GB/T10085—1988的推薦，采用直齒輪傳動(dòng)的形式。2.2.2 選擇材料 考慮到齒輪傳動(dòng)效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號(hào)鋼；為達(dá)到更高的效率和更好的耐磨性，要求齒輪面，硬度為45-55HRC。2.2.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳遞轉(zhuǎn)矩T1=9.55×10 6P1/N1=（9.55X10 6×0.75/3000）=2.39N.M載荷系數(shù)K：因載荷平穩(wěn)，由表6-6取K=1.2齒寬系數(shù)ψd:由表6-7取ψd=1許用接觸壓力［δH］：［δH］=［δH2］=220Mpa傳動(dòng)比i:i=3將以上參數(shù)代入公式D13≥（671/[δh]） 2（6-21）KT1(i+1)/ψdiD1≥32.88mm2.2.4 確定齒輪的主要參數(shù)與主要尺寸1）齒數(shù) 取Z1=22，則Z2=i×Z1=3×22=66,取Z2=66。2）模數(shù) m=d1/Z1=32.88/22=1.49mm,取標(biāo)準(zhǔn)值m=1.5。3）中心距 標(biāo)準(zhǔn)中心距 α=m/2(Z1+Z2)=60.5mm4）其他主要尺寸分度圓直徑：d1=mZ1=1.5x22=33mm,d2=mZ2=1.5x66=99mm齒頂圓直徑：da1=d1+2m=33+2x1.5=36mm,da2=d2+2m=99+2x1.5=102mm齒寬：b= ψdd1=0.6x33=19.8mm, 取b2=b1+(5-10)=25-30mm,取b1=30mm。2.2.5 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度δF=22KT1YFS/bmd1≤［δF］復(fù)合齒形系數(shù)Ys：由x=0（標(biāo)準(zhǔn)齒輪）及Z1 Z2查圖6-29得YFS1=4.12，YFS2=3.96則δf1=2kT1YFS1/bmd1=2x1.2x2.39x10 3x4.12/(19.8x1.5x33)=74.6Mpa＜［δF1］δf2=δf1YFS2/YFS1=(74.6x3.96/4.12)Mpa=71.70MPa＜［δF2］彎曲強(qiáng)度足夠。2.2.6 確定齒輪傳動(dòng)精度齒輪圓周速度v=d1nπ/(60x1000)=3.14x72.5x970/(600x1000)=3.68m/s由表6-4確定第Ⅱ公差組為8級(jí)。第Ⅰ、Ⅱ公差組也定為8級(jí)，齒厚偏差選HK2.2.7 齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小齒輪 da1 =33mm 采用實(shí)心式齒輪大齒輪 da2 =99mm 采用腹板式齒輪2.3 電液脈沖馬達(dá)的選擇及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算許多機(jī)械加工需要微量進(jìn)給。要實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給，步進(jìn)電機(jī)、直流伺服交流伺服電機(jī)都可作為驅(qū)動(dòng)元件。對(duì)于后兩者，必須使用精密的傳感器并構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。在閉環(huán)系統(tǒng)中，廣泛采用電液脈沖馬達(dá)作為執(zhí)行單元。這是因?yàn)殡娨好}沖馬達(dá)具有以下優(yōu)點(diǎn)：●直接采用數(shù)字量進(jìn)行控制;●轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，啟動(dòng)、停止方便；●成本低；●無(wú)誤差積累；●定位準(zhǔn)確；●低頻率特性比較好；●調(diào)速范圍較寬；采用電液脈沖馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)單元，其機(jī)構(gòu)也比較簡(jiǎn)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(gè)脈沖轉(zhuǎn)過一個(gè)脈沖當(dāng)量；但由于其脈沖當(dāng)量一般較大，如0.01mm，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(dòng)技術(shù)。1）電液脈沖馬達(dá)電機(jī)的選擇按照工作要求和條件選Y系列一般用途的全封閉自扇冷鼠籠型三相異步電機(jī)。2）選擇電液脈沖馬達(dá)的額定功率馬達(dá)的額定功率應(yīng)等于或稍大于工作要求的功率。額定功率小于工作要求，則不能保證工作機(jī)器正常工作，或使馬達(dá)長(zhǎng)期過載、發(fā)熱大而過早損壞；額定功率過大，則馬達(dá)價(jià)格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪費(fèi)。工作所需功率為：Pw=FwVw/1000ηw KW Pw=Tnw/9950ηw KW 式中T=150N.M, nw=36r/min,電機(jī)工作效率ηw=0.97，代入上式得Pw=150×36/（9950×0.97）=0.56 KW電機(jī)所需的輸出功率為：P0= Pw/η式中：η為電機(jī)至工作臺(tái)主動(dòng)軸之間的總效率。由表2.4查得：齒輪傳動(dòng)的效率為ηw=0.97；一對(duì)滾動(dòng)軸承的效率為ηw=0.99；蝸桿傳動(dòng)的效率為ηw=0.8。因此，η=η1η2 3η3=0.97×0.99 3×0.8=0.75P0= Pw/η=0.56/0.75=0.747 KW一般電機(jī)的額定功率Pm=(1-1.3)P0=(1-1.3)0.747=0.747-0.97 KW則由表2.1取電機(jī)額定功率為：Pm=0.75 KW。確定電機(jī)轉(zhuǎn)速按表2.5推薦的各種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)范圍為，取：齒輪傳動(dòng)比：3-5，蝸桿傳動(dòng)比：15-32，則總的傳動(dòng)范圍為：i=i1×i2=3×15-5×32=45-160電機(jī)轉(zhuǎn)速的范圍為N= i×nw=(45-160)×36=1620-5760 r/min為降低電機(jī)的重量和價(jià)格，由表2.1中選取常用的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min的Y系列電機(jī)，型號(hào)為Y801-2，其滿載轉(zhuǎn)速nm=3000r/min,此外，電機(jī)的安裝和外形尺寸可查表2.22.4 蝸輪及蝸桿的選用與校核由于前述所選電機(jī)可知T=6.93N.M傳動(dòng)比設(shè)定為i=27.5，效率η=0.8工作日安排每年300工作日計(jì)，壽命為10年。2.4.1 選擇蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù)GB/T10085—1988的推薦，采用漸開線蝸桿。2. 4. 2 選擇材料 考慮到蝸桿傳動(dòng)效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號(hào)鋼；為達(dá)到更高的效率和更好的耐磨性，要求蝸桿螺旋齒面淬火，硬度為45-55HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅Zcusn10p1，金屬鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。2.4.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心距： ??232()EHZakT???(3-2) （1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距T 2按Z 1=2，估取效率η=0.8，則T2=T*η*i=153.4N.M (3-3)（2）確定載荷系數(shù)K因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)K β=1；由使用系數(shù)K A表從而選取K A=1.15；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)K V=1.1；則K=KA*Kβ*KV=1*1.15*1.1=1.265≈1.27 (3-4)（3）確定彈性影響系數(shù)Z E選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配。（4）確定接觸系數(shù)Zρ先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d 1和傳動(dòng)中心距a的比值d1/a=0.30，從而可查出Zρ=3.12。（5）確定許用應(yīng)力[σ H]根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅zcusn10p1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度＞45HRC，從而可查得蝸輪的基本許用應(yīng)力[σ H]‘=268MPA。因?yàn)殡妱?dòng)刀架中蝸輪蝸桿的傳動(dòng)為間隙性的，故初步定位、其壽命系數(shù)為KHN=0.92，則[σH]= KHN[σH]‘=0.92×268=246.56≈247MPA (3-5)（6）計(jì)算中心距 23160.71.2758.()4am????(3-6)取中心距a=50mm，m=1.25mm，蝸桿分度圓直徑d 1=22.4mm，這時(shí)=0.448，從而可查得接觸系數(shù)=2.72，因?yàn)椋糧 ρ，因此以上計(jì)算結(jié)果可用。2.5 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸2. 5. 1 蝸桿直徑系數(shù)q=17.92；分度圓直徑d 1=22.4mm，蝸桿頭數(shù)Z 1=1；分度圓導(dǎo)程角γ=3°11′38″蝸桿軸向齒距：P A==3.94mm；(3-7)蝸桿齒頂圓直徑：*123.2aadhm????(3-8)蝸桿軸向齒厚： /S?=1.97mm(3-10)2. 5. 2 蝸輪蝸輪齒數(shù)：Z 2 =62，變位系數(shù)Χ=0驗(yàn)算傳動(dòng)比：i= z/ 1=62/1=62(3-11)這是傳動(dòng)比誤差為：（60-62）/60=2/60=0.033=3.3%(3-12)蝸輪分度圓直徑：d 2=mz2= .567.m??(3-13)蝸輪喉圓直徑：d a2=d2+2ha2=93.5 (3-14)蝸輪喉母圓直徑r g2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25 (3-17)2. 5. 3 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 221.53[]aFFFkTYdm?????(3-18)當(dāng)量齒數(shù) 3236/cos.1862oVZCOS???(3-19)根據(jù)Χ 2=0，Z V2=62，可查得齒形系數(shù) 2aFY=2.31，螺旋角系數(shù)Yβ=1-γ/140°=0.9773；(3-20)許用彎曲應(yīng)力[δ F]= []'H?KFN[δF]=56×0.72=40.32MPa(3-21)[]'H?=1.531.2710445.5??2.31×0.9773=4.29MPa(3-22)所以彎曲強(qiáng)度是滿足要求的。2.6 軸的校核與計(jì)算2.6.1 畫出受力簡(jiǎn)圖圖 3-1受力簡(jiǎn)圖計(jì)算出：R 1=46.6N R2=26.2N 扭 矩 圖2. 6. 2 畫出扭矩圖 T=η.i.T電機(jī) =0.36×60×0.98=21.2 N.M （3-33） 圖3-2扭矩圖 2. 6. 3 彎矩圖M=72.8×180×10-3 =13.1N. （3-34） 圖3-3彎矩圖2.7 彎矩組合圖由此可知軸的最大危險(xiǎn)截面所在。組合彎矩' 22()MaT??（3-35）2.8 根據(jù)最大危險(xiǎn)截面處的扭矩確定最小軸徑221()[]caMTW??????（3-36） 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取α=0.6抗彎截面系數(shù)W=0.1d 3根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及小2.9 齒輪上鍵的選取與校核（1）取鍵連接的類型好尺寸因其軸上鍵的作用是傳遞扭矩，應(yīng)用平鍵連接就可以了。在此用平鍵。由資料可查出鍵的截面尺寸為：寬度b=5mm，高度h=5mm，由連軸器的寬度并參考鍵的長(zhǎng)度系列，從而取鍵長(zhǎng)L=10mm。（2） 鍵連接的強(qiáng)度鍵、軸和連軸器的材料都是鋼，因而可查得許用擠壓力[δ p]= 50～60MPa，取其平均值[δ p]=135MPa。鍵的工作長(zhǎng)度l=L-b=10-5=5mm，鍵與連軸器的鍵槽的接觸高度k=0.5h=2.5mm，從而可得：δp=2000T/(kld)=127≤[δ p]可見滿足要求。 此鍵的標(biāo)記為：鍵B5×10 GB/T 1096—1979。2.10 軸承的選用滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中廣泛應(yīng)用的部件之一。它是依靠主要元件的滾動(dòng)接觸來支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件的。與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承摩擦力小，功率消耗少，啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。并且常用的滾動(dòng)軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此使用滾動(dòng)軸承時(shí)，只要根據(jù)具體工作條件正確選擇軸承的類型和尺寸。驗(yàn)算軸承的承載能力。以及與軸承的安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑、密封等有關(guān)的“軸承裝置設(shè)計(jì)” 問題。2. 10. 1 軸承的類型考慮到軸各個(gè)方面的誤差會(huì)直接傳遞給加工工件時(shí)的加工誤差，因此選用調(diào)心性能比較好的圓錐滾子軸承。此類軸承可以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，外圈可分離，安裝時(shí)可調(diào)整軸承的游隙。其機(jī)構(gòu)代碼為3000，然后根據(jù)安裝尺寸和使用壽命選出軸承的型號(hào)為：30208。2. 10. 2 軸承的游隙及軸上零件的調(diào)配軸承的游隙和欲緊時(shí)靠端蓋下的墊片來調(diào)整的，這樣比較方便。2. 10. 3 滾動(dòng)軸承的配合滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，為使軸承便于互換和大量生產(chǎn)，軸承內(nèi)孔于軸的配合采用基孔制，即以軸承內(nèi)孔的尺寸為基準(zhǔn)；軸承外徑與外殼的配合采用基軸制，即以軸承的外徑尺寸為基準(zhǔn)。2.10.4 滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑考慮到電動(dòng)刀架工作時(shí)轉(zhuǎn)速很高，并且是不間斷工作，溫度也很高。故采用油潤(rùn)滑，轉(zhuǎn)速越高，應(yīng)采用粘度越低的潤(rùn)滑油；載荷越大，應(yīng)選用粘度越高的。 2. 10. 5 滾動(dòng)軸承的密封裝置軸承的密封裝置是為了阻止灰塵，水，酸氣和其他雜物進(jìn)入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇ФO(shè)置的。密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類。此處，采用接觸式密封，唇形密封圈。唇形密封圈靠彎折了的橡膠的彈性力和附加的環(huán)行螺旋彈簧的緊扣作用而套緊在軸上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要緊密封的部位。即如果是為了油封，密封唇應(yīng)朝內(nèi)；如果主要是為了防止外物浸入，蜜蜂唇應(yīng)朝外。2.11 本章小結(jié)對(duì)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的主要零件及傳動(dòng)系統(tǒng)的零件進(jìn)行設(shè)計(jì) 選型 零件校核，按照機(jī)械設(shè)計(jì)一書進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成機(jī)械部分。