精密直驱数控转台结构设计毕业设计论文

数控转台结构设计

子专题：精密直驱数控转台结构设计

Structure design of CNC rotary tables

Subtitle:Structural design of precision direct drive CNC

rotary tables

University: Kunming University of Science and Technology Major:Mechanical Engineering and Automation

Grade:Class1.Grade2008

Name:Li Yunlai

Advisor:Gao Guanbin

Professional Title:Lecture

Department: Faculty of Mechanical and Electrical Engineering Date：June 6, 2012

第I页摘要

数控机床集成了机械、计算机、光电技术、精密测量技术和自动控制技术等先进技术的最新研究成果，是先进制造业的重要设备。数控回转工作台是多轴联动加工中心和数控铣床等数控机床的重要的部件，起着承载被加工零件并实现精确分度或作为联动轴进行轨迹联动加工的作用，它的精密度和稳定性对整个数控机床的性能有着重要影响。

直接驱动数控回转工作台采用直接驱动技术能够消除中间机械传动机构引起的损耗及限制，能直接提供转矩给执行机构，具有转矩大、损耗低、电气时间常数小以及响应速度快等特点，可以实现很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度和定位精度、平滑的无差运动。

本毕业设计针对一种直接驱动式精密数控回转工作台进行了研究，提出了个人的方案和设计。该设计方案选用力矩电机作为驱动源，采用转台轴承传动力矩，当数控转台需要静止时，利用锁紧（刹紧）机构来锁紧转台，利用固定块来安装锁紧机构。在各零部件选用和设计过程中，根据设计任务计算、选择的零部件尺寸，再根据一些计算和校核公式验证了设计的零件，并做出修整。最终设计出符合该数控回转工作台所需的各项规格参数。

关键词：数控；直接驱动；回转工作台；锁紧机构

第II 页 ABSTRACT The CNC machine tool integrates the latest, advanced technology research of the mechanical, computer, photoelectric, precision measurement and automatic control technology, which is the advanced manufacturing equipment. CNC rotary table is an important component of the multi-axis machining centers and CNC milling machine of CNC machine tools etc, plays a role in carrying the component that is to be processed and to achieve accurate indexing or as a linkage axis track simultaneous machining, its precision and stability have an important impact on the performance of CNC machine tools.

Direct drive CNC rotary table with direct drive technology can eliminate the wastage and restrictions that is caused by intermediate mechanical transmission, and provide torque to the actuator directly, with a large torque, low wastage , small electrical constant time and fast response characteristics etc, which can achieve very high dynamic response speed and acceleration, high stiffness and positioning accuracy, smooth differential movement.

This graduation designs a CNC rotary table of direct-driven precision, and put forward the individual design scheme. The design used a torque motor as a driving source, the use of the turntable bearing drive torque, when the NC rotary table stationary, the use of the locking mechanism to lock the turntable, the use of fixed block fixed locking mechanism. Component selection and design process, according to the size of the optional parts have been selected and designed, in part to validate the selected according to some calculations and check the formula and make the dressing. Finally, the CNC rotary table was designed, which satisfies the specifications of the table.

Keywords : CNC; Direct drive; Rotary table; Locking mechanisms

目录

摘要 ........................................................................................................................................ I

ABSTRACT ......................................................................................................................... II

第III 页

第1章 绪论 (1)

1.1本课题的学术背景及理论与实际意义 (1)

1.1.1数控机床简介 (1)

1.1.2数控机床的产生和数控技术的发展过程 (2)

1.2相关课题国内研究的现状 (3)

1.2.1我国数控机床发展情况 (3)

1.2.2我国数控机床附件产品水平较国外低主要表现 (4)

1.3回转工作台的发展前景及发展趋势 (4)

1.3.1市场前景 (4)

1.3.2发展趋势 (5)

1.4本设计的主要内容 (5)

第2章 数控回转工作台现有方案的分析和比较 (6)

2.1数控回转工作台原理及设计方案比较 (6)

2.2设计准则 (8)

2.3本章小结 (9)

第3章 数控回转工作台的结构设计 (10)

3.1设计规格参数 (10)

3.2电机选择 (11)

3.2.1力矩电机的原理 (11)

3.2.2力矩电机的外形及参数 (13)

3.3转台轴承选择 (14)

3.4转台轴承校核 (17)

3.5转台轴承上的螺栓校核 (18)

3.6小液压缸选择 (19)

3.6.1液压缸的缸径/杆径的选择原则： (19)

3.6.2液压缸行程 (19)

3.6.3端位缓冲的选择 (20)

3.6.4油口类型与通径选择 (20)

3.6.5特定工况对条件选择 (20)

3.6.6其它特性的选择 (21)

3.7液压缸校核 (21)

3.8光栅选型 (23)

3.9光栅校核 (28)

3.10本章小结 (29)

第4章数控回转工作台附件设计校核 (30)

4.1锁紧机构设计 (30)

4.2锁紧机构校核 (32)

4.3转台轴承连接件的设计及校核 (33)

4.4底座设计 (33)

4.5转台设计 (34)

4.5.1转台规格参数 (34)

4.5.2工作台整体尺寸的设计 (35)

4.5.3工作台T型槽设计 (36)

4.5.4工作台中心孔设计 (37)

4.6心轴及光栅盘设计 (37)

4.7 其他重要附件设计 (38)

4.8零部件汇总表 (38)

4.9本章小结 (40)

第5章数控回转工作台的经济技术和使用环境分析 (41)

5.1数控回转工作台的经济技术分析 (41)

5.2数控回转工作台的制造和使用环境 (42)

5.3本章小结 (43)

结论 (44)

总结与体会 (45)

谢辞 (46)

参考文献 (47)

附录A英文翻译原文 (48)

附录B英文翻译译文 (55)

第IV页

第1章绪论

1.1本课题的学术背景及理论与实际意义

1.1.1数控机床简介

数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。

数控机床一般由下列几个部分组成：

主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。

图1-1数控机床

数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。

主机，是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。

数控装置是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

辅助装置指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

编程及其他附属设备：可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

1.1.2数控机床的产生和数控技术的发展过程

采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是40年代初提出的。

1952年，美国麻省理工学院成功地研制出一台数控铣床，这是公认的世界上第一台数控机床，当时的电子元件是电子管。

1959年，开始采用晶体管元件和印刷线路板。出现了带自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。从1960年开始，其它一些工业国家，如西德、日本也陆续开发生产出了数控机床。

1965年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控装置的体积减小，功耗降低，可靠性提高。但仍然是硬件逻辑数控系统。

1967年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS（Flexible Manufacturing System柔性制造系统）。

1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了用小型计算机控制的数控机床，这是第一台计算机控制的数控机床(CNC).

1974年，微处理器直接用于数控装置，促进了数控机床的普及应用和数控技

术的发展。

80年代初，国际上出现了以加工中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检测装置的FMC(Flexible Manufacturing Ce11柔性制造单元).FMC和FMS被认为是实现计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）的必经阶段和基础。

随着各国对制造业的重视，数控回转工作台在各国的研究和制造越来越受到重视，在多年发展的基础上，新世纪的数控回转工作台正朝着智能化和自动化发展，精度也越来越高。

1.2相关课题国内研究的现状

随着科学技术的发展，国外相同品种、不同结构的数控机床附件产品也在不断出现。例如转轴直接驱动的数控回转工作台已经出现，完全改变了传统的工作台的结构，回转速度及精度要比传统的机械结构高得多，伺服电动机驱动数控刀架也已出现几年的时间，当然，真正普及应用还要有一个过程。

1.2.1我国数控机床发展情况

我国从1958年开始研究数控技术，一直到60年代中期处于研制、开发阶段。

1965年，国内开始研制晶体管数控装置。60年代末至70年代初研制成功数控铣床。

从70年代开始，数控技术在车、铣、镜磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。这一时期，数控线切割机床和电火花加工机床由于结构简单，使用方便，价格低廉，在模具加工中得到了推广。

80年代，我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服单元技术，并于1981年在我国开始批量生产数控系统，包括数控装置和伺服单元。在此期间，我国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系统、数字仿形系统、为柔性单元配套的数控系统等。为了适应机械工业生产不同层次的需要，我国开发出了多种经济型数控系统，并得到了广泛应用。现在，我国已经建立了中、低档数控机床为主的产业体系。

1.2.2我国数控机床附件产品水平较国外低主要表现

我国数控机床附件产品水平较国外低主要表现在：

（1）速度基于材料、检测能力、装备制造能力等方面的条件限制，我过附件产品在速度方面较国外同类产品要差。例如数控铣床、加工中心配套的各类数控回转工作台，日本日研公司直径200mm数控回转工作台最高转速可达88r/min,而国内的只有12～16r/min.主要差别在于材料的选用。

（2）可靠性国外数控机床附件产品开发应用比较早，经验丰富，再由于技术进步，新材料、新结构的不断出现与应用，使得其产品可靠性非常好。如日本日研公司部分规格的数控回转工作台的核心部件蜗杆副，齿轮采用氮化钢，齿部表面氮化处理，硬度高；蜗杆为硬质合金蜗杆；整个蜗杆副为硬齿面接触，耐磨。既实现了高速，又保证了可靠性。而国内基本上均采用传统材料和传统的结构，加上外购配套件的可靠性差造成产品的整体可靠性较外国产品的差距[2]。可以说数控机床附件产品的整体可靠性与我国目前整个工业发展水平有相当密切的关系，随着配套件水平的提高，整体状况将有所改善。

（3）精度我国数控机床附件的精度及稳定性应该说还是比较好的，基本上能满足主机的配套要求。较日本、德国等工业发达国家的产品有一定差距，但不大，与台湾地区产品相当。这与行业企业近几年抓质量、提高质量意识有密切的关系。

1.3回转工作台的发展前景及发展趋势

1.3.1市场前景

随着我们制造业的发展，数控转台将会越来越多的被应用，以扩大加工范围，提高生产率。估计近几年要求转配数控转台的机床将会大幅度增长。预计未来几年，虽然某些行业由于产能过剩，受到宏观调控的影响而继续保持着较低的行业景气度外，部分装备制造业将有望保持较高的增长率，特别是那些国家行业政策鼓励振兴和发展的装备行业。作为装备制造业的母机，普通加工机床将获得年均15%----20%左右的稳定增长。

1.3.2发展趋势

目前回转工作台已广泛应用于组合机床、数控机床和加工中心上，它的总发展趋势主要体现为：

1）在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型转台；

2）在性能上将研制以钢为材料的直接驱动式数控回转工作台，大幅度提高工作台转速和转台的承载能力；

3）在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。

1.4本设计的主要内容

直接驱动数控回转工作台采用直接驱动技术能够消除中间机械传动机构引起的损耗及限制，能直接提供转矩给执行机构，具有转矩大、损耗低、电气时间常数小以及响应速度快等特点，可以实现很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度和定位精度、平滑的无差运动。

第2章数控回转工作台现有方案的分析和比较

数控加工中心的圆周进给由回转工作台完成，称为数控机床的第四轴：回转工作台可以与X、Y、Z三个坐标轴联动，从而加工出各种球、圆弧曲面等。回转工作台可以实现精确的自动分度，扩大了数控机床加工范围。

2.1数控回转工作台原理及设计方案比较

数控回转工作台主要用于加工中心，提供加工过程中所需的自由度。传统的数控回转工作台有两种，一种是仅提供一个绕工件轴线转动,第二种是采用齿轮和蜗杆蜗轮共同控制传动，第一种仅提供一个绕工件轴线转动，但螺旋锥齿轮的加工过程中，需要调整多个参数，若采用这样的转台，则每次调整参数都必须重新布置转台的位置，且这种布置精度受外界因素影响较大，不利于实现自动化数控加工。另外这种转台功能单一，不适合复杂曲面的加工。第二种采用蜗杆涡轮和齿轮共同来控制机械传动部分，这一种也采用了较多的机械传动部分，由于机械控制的精度和传动情况复杂，不容易实现精确控制。所以这两种所能实现的精度不会特别高，满足不了当今社会人们对产品高精度的需求。而合理的传动方案主要满足以下要求：

（1）机械的功能要求：应满足工作台的功率、转速和运动形式的要求。

（2）工作条件的要求：例如工作环境、场地、工作制度等。

（3）工作性能要求：保证工作可靠、传动效率高等。

（4）结构工艺性要求；如结构简单、尺寸紧凑、使用维护便利、工艺性和经济合理等。

本设计采用力矩电机、转台轴承、光栅、数控装置、锁紧机构和转台来实现传动，不仅加强了数控转台的精度，也减少了它占用的空间，所以本设计在各方面都满足传动方案的各项要求。其方案如2-1图所示：力矩电机提供回转的动力，在力矩电机的专用编码器模块来控制其力矩和转停，力矩电机输出的转矩由专用转台轴承传到转台上，回转工作台工作，在数控装置的控制下，回转工作台到达指定的位置和指定的运动。

当要回转工作台静止或固定在某个位置时，力矩电机在接收到命令时，在编

码器模块的控制下，它实现精确调速或停止转动。与此同时数控装置接收到光栅的数据，经过计算处理，让转台转过精确的角度，以实现整个回转工作台的精确定位。当回转工作台要静止时，数控装置把指令传递给小液压缸，液压缸的活塞在液体压力的作用下运动，将锥形块往下压，进而把小钢球压进两块夹紧瓦之间，把两块夹紧瓦一块往上运动，一块往下运动，对转台施力，让转台静止，这样就达到对转台的控制。

通过对以上几种方案的分析比较可得：本设计方案可达到的精度更高，结构更紧凑。同时满足功率、转速、运动和可靠性等各项指标。所以选择本方案更合理。

直接驱动式回转工作台主要用于加工中心，其外形和通用工作台几乎一样，但它的驱动是力矩电机驱动方式。在编码器模块的控制下实现精度高于一般回转工作台的运动。它的进给、光栅转位和定位锁紧都是由给定的指令进行控制的。工作台的运动驱动力是由力矩电机提供的，经编码器计算后传递给转台盘。

当工作台静止时必须处于锁紧状态。为此，在转台盘上设有8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，活塞便压向锥形块，，锥形块将钢球压入两块夹紧瓦之间，撑开夹紧瓦，并夹紧转台盘。在工作台需要回转时，先使小液压缸的上腔接通回油路，在弹簧的作用下，将锥形块抬起，钢球也在另一根弹簧的作用下弹出，夹紧瓦将转台盘松开，回转工作台继续工作。

直接驱动式精密数控回转工作台数控回转工作台的定位精度主要取决于力矩电机上的编码器模块，它准确控制力矩电机的转速和转矩，以达到控制转台盘的力矩和转速，同时光栅也可以测定工作台的转角，并把所测得的信号传递给回转工作台的数控装置进行控制，这样达到对回转工作台的精确控制。在本设计中，减少了传统的数控回转工作台对齿轮和蜗杆副的依赖，减少了传动过程中机械传动的误差，而采用力矩电机和数控装置来共同控制数控回转工作台，增强了数控回转工作台的传动精度。这也满足了新时代人们对机床加工精度要求越来越高的需求。

回转工作台设有零点，当它作回转运动时，先用挡铁压下限位开关，使工作台降速，然后由圆光栅和编码器以及共同力矩电机编码器模块发出零位信号，使工作台准确地停在零位。数控回转工作台可以作任意角度的回转和分度，也可以作连续回转进给运动。当药停止的时候，回转工作台在接收到力矩电机编码器模

块，光栅以及工作台数控装置的信号时，对工作台及时做出精确控制，并精确定位或锁紧机床。这样机床的定位也就更加精确，加工的产品精度也更加精确。

直接驱动式精确数控回转工作台的组成及工程图如图2-1所示：

图2-1直接驱动式精确数控回转工作台的组成及工程图

1底座2力矩电机3螺钉4螺栓5固定块6螺母7螺钉8固定块9锁紧机构10支撑块11键12心轴13螺钉14转台15螺钉16工作台端盖17螺钉18转台轴承转台连接件19转台轴承20螺钉21螺栓22电机转台轴承连接件23螺母24光栅固定块25端盖26螺钉27螺钉2.2设计准则

我们的设计过程中，本着以下几条设计准则：

1）创造性的利用所需要的物理性能

2）分析原理和性能

3）判别功能载荷及其意义

4）预测意外载荷

5）创造有利的载荷条件

6）提高合理的应力分布和刚度

7）重量要适宜

8）应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸

9）根据性能组合选择材料

10）零件与整体零件之间精度的进行选择

11）功能设计应适应制造工艺和降低成本的要求

2.3本章小结

本章主要对传统方案和本次所选的设计方案分析和比较，得出它们的优缺点，做出了本次设计的最终方案选择。

第3章数控回转工作台的结构设计3.1设计规格参数

3.1.1规格参数

表3-1回转工作台参数

3.1.2外观图片

图3-1 直接驱动式精确数控回转工作台

3.2电机选择

3.2.1力矩电机的原理

力矩电机是为满足低转速、大转矩负载要求而设计制造的一种特殊电动机。与一般电机不同的是，它只利用转子静止或接近静止时的转矩，不强调机械功率。普通电动机静止状态下的转矩虽然也可以利用，但当位置发生变化时，转矩的变化比较明显。力矩电机在转子旋转过程中位置发生变化时，转矩变化很小，且其工作转角变化范围较大，可连续工作在堵转状态。

力矩电机通常有直流力矩电机和交流力矩电机两种，目前应用直流力矩电机较多。下面就本设计用到的直流力矩电机的结构与工作原理进行分析介绍。

直流力矩电机的工作原理与普通直流电机相同，不同之处在于其结构。为了在一定体积和电枢电压下产生大的转矩和低的转速，直流力矩电机一般做成扁平

式结构，电枢长度与直径之比一般为0.2左右极对数较多。为了减小转矩和转速的波动，选用较多的槽数和换向片数。通常采用永磁体产生磁场[6]。

如图3-2所示为永磁式直流力矩电机的结构。定子是由软磁材料制成的带槽的圆环，在槽中嵌入永磁体。转子铁心通常用硅钢片叠成，槽中嵌入电枢绕组，电枢绕组为单波绕组[19]。槽楔由铜板制成，兼作换向片，槽楔两端伸出槽外，一端作为电枢绕组接线用，另一端排列成环形换向器。转子的所有部件使用高温环氧树脂浇铸成整体。

图3-2 永磁式直流力矩电机

在直流电机中，若两台电机的电枢体积相同，它们的电枢直径分别为D1和D2，电枢长度分别为L1和L2，假设它们的极对数p 、极弧数ap 、槽数、并联支路数a 、电枢电流Ia 和气隙磁通密度B 均相同，槽面积与电枢直径的二次方成正比，每槽导体数也与电枢直径的二次方成正比，则它们产生的电磁转矩之比为：

222211222222111

222222222()()111111122222()()()1111p p N p Ia B L Te N D D a Te N D D B L Ia a

L D D D D D D L D D D D δδατατττΦΦΦ∏====ΦΦΦ∏===………（3-1）

由式3-1可看出，在上述前提下，电磁转矩于与电枢直径成正比，这就是直流力矩电机转矩大的原因。

3.2.2力矩电机的外形及参数

图3-3 整套转矩电机 1FW3

由设计规格参数得

954995497133.686N.m 500n p n ?T ===………………………（3-2）

冷却条件下最大驱动力矩（N.m ）Max.torque 为5597；

冷却条件下额定驱动力矩（N.m ）Max.torque 为3298；

经查1FW3-选型手册[13]-0809-cs185页得

本设计中所用到的电机参数汇总表

ALM = 调节型电源模块（Active Line Module ）

SLM = 非调节型电源模块（Smart Line Module）有效系数.

本设计所用到的力矩电机主要尺寸参数如图3-4所示

图3-4 力矩电机主要尺寸参数

3.3转台轴承选择

本设计选用转台轴承将电机的转矩传递给转台。转台轴承的特点是：YRT 轴承由一个推力/向心座圈，一个推力/向心轴圈，一个推力垫圈，两个滚针保持架组件和一组向心圆柱滚子组成。座圈和轴圈有均布的安装用螺钉孔。该型轴承具有高轴向和径向承载能力。高倾斜刚度和极高的精度。适用于回转工作台，卡盘和铣刀头以及测量和实验中的轴承配置。该型轴承对与之相配的设备零件的要求也较高。安装时需控制安装螺钉的扭紧力矩。