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1、河南科技学院机电学院机电一体化课程设计报告题目：数控回转工作台机械设计专业班级：机械制造及其自动化091姓名： 李云飞 时 间：2012.5.25 2012.06.10 指导教师： 丛晓霞 安爱琴 完成日期：2012 年 06月 10 日数控回转工作台设计任务书1. 设计内容总体设计、机械系统的设计与计算，计算机控制系统的设计，编写设计说明书。2. 设计要求包括 1）加工刀具的让刀进刀与钻孔； 2）装夹零件的工作台回转角度0-360旋转；最大回转半径100mm；最大承载重量20kg；工作台输出精度2m/rad；主要用于定位，转速低(设为20r/min)，具备自锁功能。3. 机械部分的设计（三维
2、软件表示）4.电气控制的设计，控制系统接口图5.控制装置采用步进电机驱动，单片机或PLC控制系统，转角由键盘输入实现开环控制。目 录1引言12 总体设计方案（设计思路）13 设计原理分析 23.1 蜗轮蜗杆的设计23.1.1蜗杆类型的选择23.1.2蜗杆蜗轮材料的选择23.1.3蜗杆蜗轮参数计算23.2步进电机的选择33.3自锁装置的设计43.4 控制系统的设计53.5 三维设计与仿真54 总结与体会55参考文献6数控回转工作台设计任务书【摘要】介绍了回转工作台设计的基本内容和思路，设计采用MCS-51单片机控制系统，性能良好，价格公道，但他的驱动能力有限，不能直接带动工作台旋转，因此外接了一
3、个驱动器。根据设计要求，采用开环控制的步进电机驱动电路。机械部分主要是蜗轮蜗杆传动机构，自锁机构为液压缸自锁。【关键词】数控转台；单片机；液压缸；开环控制；1 引言去年第十二届中国国际机床展览会(CIMT2011)在北京隆重举行，在经济危机阴覆逐渐消散、国际经济缓慢回暖的背景下中国经济健康、快速的发展模式，正在吸引越来越多的目光。在本届展会上国内外知名机床、工具制造企业云集北京为经济危机洗礼后的机械产业带来了一场充满想象力与创造力的科技盛宴。就本届展览会的机床附件展品而言，高效率、高精度、高可靠性、高寿命仍然是开发追求的主题，作为机床附件的回转工作台也不例外。回转工作台分为分度工作台和数控回转
4、台。分度工作台只能完成分度运动，没有进给功能。数控回转工作台是各类数控铣床和加工中心的理想配套附件，回转工作台设计过程不仅包括机械传动机构而且也涉及机电控制系统，这两部分的设计内容随着市场和客户的需求，不断地更新和完善因此，回转工作台的设计与研究方向直接影响转台生产企业的效益与兴亡。蜗轮（工作台）2 总体设计方案（设计思路） 传动方案图如图1所示步进电机 蜗杆图1 传动方案图 数控回转工作台采用蜗轮蜗杆传动形式，因为蜗轮蜗杆传动具有以下特点：结构紧凑、传动比大，冲击载荷小、传动平稳、噪声低，传动具有自锁性，蜗杆设计成双导程形式，利用导程变化即可消除传动间隙，提高传动的精度；本设计采用步进电机，
5、根据步进电机的原理，它是将电脉冲信号变为角位移或线位移的开环控制元件，所以步进电机常用于开环系统的控制，这一点刚好满足课程设计中开环控制的要求；单片机具有性价比优异、集成度高、体积小、可靠性高、低功耗等优良的特点，因此，数控转台的设计采用单片机进行控制；自锁方面，在该数控回转工作台上，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。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
6、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。3 设计原理分析 3.1 蜗轮蜗杆的设计 3.1.1 蜗杆类型的选择 蜗杆选为渐开线圆柱蜗杆，因为这种蜗杆不仅可以车削，还可以像圆柱齿轮那样用齿轮滚刀滚削，并可用单面或单锥面砂磨削。制造精度高，是普通圆柱蜗杆传动中较为理想的传动传动效率较好，在动力传动和机床精密传动中应用较为广泛。3.1.2 蜗轮蜗杆材料的选择由于蜗杆传动齿合摩擦较大，且由于蜗轮滚刀的形状尺寸不可能做得和蜗杆绝对相
7、同，且加工出的蜗轮齿形难以和蜗杆精确共轭，必须依靠运转跑合才渐趋理想，因此材料副的组合必须具有良好的减摩和跑合性能以及抗胶合性能。因此蜗轮通常用青铜或铸铁做齿圈，并尽可能与淬硬并经磨削的钢制蜗杆相匹配。故选择：蜗杆材料为：渗碳钢，表面淬硬45-55HRC，牌号20GrMnTi蜗杆材料为：铸锡磷青铜，Zcusn10p1,轮芯用灰铸铁HT100制造。3.1.3 蜗杆蜗轮参数计算设蜗轮蜗杆传动i1为Z1/Z2=1/90，a=80.估取模数m=(1.41.7)a/z=1.51,取1.5，q=d/m=28/1.5=18.66,蜗杆尺寸：轴向齿距：p=m=3.14x1.5=4.17螺旋线导程：pz=pz1
8、=4.17x1=4.17法向齿形角：分度中取为15度蜗杆分度圆直径d=qm=28 蜗杆分度圆导程角渐开线蜗杆：渐开线蜗杆基圆导程角：渐开线蜗杆基圆直径渐开线蜗杆法向基节蜗杆齿轮顶高：ha1=h*m=1.5蜗杆齿根高：haf=1.2m=1.8蜗杆全齿高H=ha1+haf=3.3顶隙c=0.2m=0.3齿根圆直径df1=d-2haf=28-3.6=24.4齿顶圆直径：da1=d+2ha1=28+3=31蜗杆齿宽：由课本表11-4得b1=20蜗杆轴向齿厚sa=(m)/2=2.36 蜗杆法向齿厚蜗轮尺寸：蜗轮中圆螺旋角 蜗轮分度圆直径d2=mz2=135蜗轮齿顶高ha2=1.5 蜗轮齿根高hf2=1.
9、2m=1.8 蜗轮全齿高4.3蜗轮喉圆直径da2=d2+2ha2=138 蜗轮齿根圆直径df2=d2-2hf2=131.4 蜗轮齿宽15 蜗轮齿宽角为65度。 3.2 步进电机的选择该数控回转工作台选用90BF006磁阻式伺服电动机。具有结构简单性能可靠分辨率高等特点.预选电动机参数为(，相数5，步矩角0.36，电压24V,58 kW，3000rmin，2.156Nm，6.50.0001kgm)。回转台传动比 ：i=工作台转速电机转速=z1/z2=1/90,工作台转速为20r/min时，电动机转速为n电=n台/i=2090=1800r/min3000r/min,即小于电机额定转速，合理。在机床
10、加工过程中一般切削加工时消耗功率最大故以切削加工为求P切。 根据文献，计算切削力F切为 F切=Foapaefzz/(D) 式中 Fo为单位铣削力，根据铸铁试料（HT200）,由手册查得Fo=2 059 Nmm，ae=50mm为铣削宽度，ap=3mm为铣削深度，fz=0.35mm为每齿进给量，z=8为铣刀齿数，D=160mm为铣刀直径。因此，F切=20595030.358/(3.14160)=1721.30N铣削力矩M=F切R=2868.830.08=137.7N m需要电动机的扭矩为M电=Mi=459/90=1.53N m铣削加工时，数控回转工作台匀速转动，此时加速力矩为0；有回转支承轴，摩擦
11、力矩较小忽略不计。电机的预选额定力矩为1.53N mJ，因此综上得，所选电机满足设计要求。3.3 锁紧装置的设计液压原理图如图2所示图2液压锁紧回路工作流程下：系统中，压力继电器控制先导式溢流阀，作为先导式溢流阀k口的信号源。三位四通电磁换向阀，右位由电脑信号控制，即当键盘有输入的转动信号时，同时发出信号控制电磁换向阀右位，使其右位接通，液压缸有杆腔进油，夹紧松开，当触发行程开关后，此信号自动消失。换向阀回中位，进油路压力升高到调定值后，压力继电器发信号是二通阀接通，泵卸荷。同时当转动结束后，同样发出信号，使换向阀左位接通，加紧转台，进油路压力升高到调定值后，压力继电器发信号是二通阀接通，泵卸
12、荷，单向阀自动关闭，液压缸由蓄能器保压。控制过程即：电机只要不转，就使左位接通，而键盘输入产生的信号优先权高于其他控制换向阀的信号，即只要键盘输入，则只有右位信号起作用，否则，电机不转，左位一直作用。3.4控制系统的设计控制系统采用单片机进行开环控制，单片机选用MCS-51单片机。单片机控制方框图如图3显示器电磁阀单片机传感器步进电机输入装置图3 单片机控制大致原理图3.5三维设计与仿真三维设计与仿真使用Solidworks系统进行，能够实现各个零件的三维视图以及装配体的三维仿真。4总结与体会经过三个星期的紧张生活，这次课程设计总算完成了。通过这次课程设计让我收获颇丰，我对机电一体化也有了更进
13、一步的了解。机电一体化技术与系统是一门综合性课程，他是一门机械技术与微电子技术的交叉学科。随着机械技术、微电子技术的飞速发展，机械技术与微电子技术的相互渗透越来越快。本次设计的数控回转工作台就是机电有机结合的产品。在设计过程中，我遇到了许多的困难。但是在老师与同学的帮助下，最终还是完成了这次课程设计。通过这次课程设计，我对以前学到的知识有了更深刻的体会和认识。但由于能力的有限，在这次课程设计中难免存在其他的错误，希望老师指出改正，感谢老师对我的教育和指导。5参考文献 1丛晓霞机械设计课程设计，高等教育出版社，2010 2纪名刚，机械设计，高等教育出版社，20063梁景凯，机电一体化技术与系统，机械工业出版社，19994王宗才，机电传动与控制，电子工业出版社，20115陈白
