数控回转工作台毕业设计.docx
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数控回转工作台毕业设计.docx
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数控回转工作台毕业设计
分类号密级
UDC编号
桂林航天工业高等专科学校
毕业设计论文
题目数控回转工作台
学生姓名:
霍文光
班级学号:
200703120234
学科专业:
机械设计与制造
指导教师姓名、职务:
许本胜讲师
提交论文日期:
2010年5月28号
摘要
数控车床今后将向中高挡发展,中档采用普及型数控刀架配套,高档采用动力型刀架,兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种,预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。
但是数控回转工作台更有发展前途,它是一种可以实现圆周进给和分度运动的工作台,它常被使用于卧式的镗床和加工中心上,可提高加工效率,完成更多的工艺,它主要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等部分组成,并可进行间隙消除和蜗轮加紧,是一种很实用的加工工具。
本课题主要介绍了它的原理和机械结构的设计,并对以上部分运用AUTOCAD做图,最后是对数控回转工作台提出的一点建议。
关键词:
数控回转工作台齿轮传动蜗杆传动间隙消除蜗轮加紧
Abstract
Numericalcontrolthereisinthefuturelathetoinwilldevelop,themiddle-gradetoadoptpopularnumericalcontrolkniferestformacompleteset,adoptthemotiveforcetypekniferesttop-grandly,havesuchvarietiesaskniferestofhydraulicpressure,servokniferest,verticalkniferest,etc.concurrently,itisestimatedthatwillincreasetonumericalcontrolkniferestdemandgreatlyinrecentyears.ThedevelopmenttrendoftheNumericalcontrolrotarytableis:
Withthedevelopmentofnumericalcontrollathe,numericalcontrolkniferestbegintochangeonehundredsheets,electricliquidisiturgeandurgedirectiondevelopwhilebeingservotomakeupfast.Someoriginallydesignandisitcontinueelectricitytousetofourworkerlocationverticalelectronicmachineryofkniferestmainly-exposedtocontrolsystemcontrolsomedesigns.AnduseAUTOCADtopursuetotheabovepart,haveamoreocularknowledgeofelectronickniferest.ThelastpropositionhasputforwardthesuggestionandmeasuretoNumericalcontrolrotarytable.
Keyword:
Numericalcontrolrotarytable;Geardrive;Wormdrive;Gapelimination;Thewormgearstepsup.
摘要1
目录2
绪论3
第一章:
数控技术发展史4
1.1数控系统发展简史及趋势4
1.2微观看改造的必要性6
1.3机床与生产线数控化改造的市场7
1.4数控化改造的内容及优缺8
1.5数控系统的选择9
第二章:
数控回转工作台的原理与应用11
2.1数控回转工作的原理11
2.2设计准则12
2.3主要技术参数12
2.4本章小结13
第三章:
数控回转工作台的结构设计14
3.1传动方案的确定14
3.2齿轮传动的设计16
3.3电液脉冲马达的选择及运动参数的计算17
3.4蜗轮及蜗杆的选用与校核19
3.5蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸20
3.6轴的校核与计算21
3.7弯矩组合图22
3.8根据最大危险截面处的扭矩确定最小轴径22
3.9齿轮上键的选择及校核22
3.10轴承的选用23
3.11本章小结24
第四章数控技术发展趋势25
4.1性能发展方向25
4.2功能发展方向25
4.3体系结构的发展26
4.4智能化新一代PCNC数控系统27
第五章总结28
致谢29
参考文献30
绪论
毕业设计主要是培养学生综合应用所学专业的基础理论、基本技能和专业知识的能力,培养学生建立正确的设计思想,掌握工程设计的一般程序、规范和方法。
而高职类学生更应侧重于从生产的第一线获得生产实际知识和技能,获得工程技术经用性岗位的基本训练,通过毕业设计,可树立正确的生产观点、经济观点和全局观点,实现由学生向工程技术人员的过渡。
使学生进一步巩固和加深对所学的知识,使之系统化、综合化。
培养学生独立工作、独立思考和综合运用所学知识的技能,提高解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力,从而扩大、深化所学的专业知识和技能。
培养学生的设计计算、工程绘图、实验研究、数据处理、查阅文献、外文资料的阅读与翻译、计算机应用、文字表达等基本工作实践能力,使学生初步掌握科学研究的基本方法和思路。
使学生学会初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想、方法手段,树立做事严谨、严肃认真、一丝不苟、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识和团结协作的工作作风。
本次毕业设计主要是解决数控回转工作台的工作原理和机械机构的设计与计算部分,设计思路是先原理后结构,先整体后局部。
目前数控回转工作台已广泛应用于数控机床和加工中心上,它的总的发展趋势是:
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蜗轮,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。
数控转台的市场分析:
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或第五轴,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。
预计未来5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,特别是那些国家产业政策鼓励振兴和发展的装备子行业。
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。
第一章数控技术发展史
1.1数控系统发展简史及趋势
1946年诞生了世界上第一台电子计算机,这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。
它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比,起了质的飞跃,为人类进入信息社会奠定了基础。
6年后,即在1952年,计算机技术应用到了机床上,在美国诞生了第一台数控机床。
从此,传统机床产生了质的变化。
近半个世纪以来,数控系统经历了两个阶段和六代的发展。
1.1.1、数控(NC)阶段(1952~1970年)
早期计算机的运算速度低,对当时的科学计算和数据处理影响还不大,但不能适应机床实时控制的要求。
人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统,被称为硬件连接数控(HARD-WIRED NC),简称为数控(NC)。
随着元器件的发展,这个阶段历经了三代,即1952年的第一代--电子管;1959年的第二代--晶体管;1965年的第三代--小规模集成电路。
1.1.2、计算机数控(CNC)阶段(1970年~现在)
到1970年,通用小型计算机业已出现并成批生产。
于是将它移植过来作为数控系统的核心部件,从此进入了计算机数控(CNC)阶段(把计算机前面应有的"通用"两个字省略了)。
到1971年,美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器,采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上,称之为微处理器(MICROPROCESSOR),又可称为中央处理单元(简称CPU)。
到1974年微处理器被应用于数控系统。
这是因为小型计算机功能太强,控制一台机床能力有富裕(故当时曾用于控制多台机床,称之为群控),不如采用微处理器经济合理。
而且当时的小型机可靠性也不理想。
早期的微处理器速度和功能虽还不够高,但可以通过多处理器结构来解决。
由于微处理器是通用计算机的核心部件,故仍称为计算机数控。
到了1990年,PC机(个人计算机,国内习惯称微机)的性能已发展到很高的阶段,可以满足作为数控系统核心部件的要求。
数控系统从此进入了基于PC的阶段。
总之,计算机数控阶段也经历了三代。
即1970年的第四代--小型计算机;1974年的第五代--微处理器和1990年的第六代--基于PC(国外称为PC-BASED)。
还要指出的是,虽然国外早已改称为计算机数控(即CNC)了,而我国仍习惯称数控(NC)。
所以我们日常讲的"数控",实质上已是指"计算机数控"了。
1.2、数控未来发展的趋势
1.2.1 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展
基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。
至少采用PC机作为它的前端机,来处理人机界面、编程、联网通信等问题,由原有的系统承担数控的任务。
PC机所具有的友好的人机界面,将普及到所有的数控系统。
远程通讯,远程诊断和维修将更加普遍。
1.2.2 向高速化和高精度化发展
这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。
1.2.3 向智能化方向发展
随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展,数控系统的智能化程度将不断提高。
(1)应用自适应控制技术
数控系统能检测过程中一些重要信息,并自动调整系统的有关参数,达到改进系统运行状态的目的。
(2)引入专家系统指导加工
将熟练工人和专家的经验,加工的一般规律和特殊规律存入系统中,以工艺参数数据库为支撑,建立具有人工智能的专家系统。
(3)引入故障诊断专家系统
(4)智能化数字伺服驱动装置
可以通过自动识别负载,而自动调整参数,使驱动系统获得最佳的运行。
二、机床数控化改造的必要性
2.1、微观看改造的必要性
从微观上看,数控机床比传统机床有以下突出的优越性,而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。
2.1.1 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。
由于计算机有高超的运算能力,可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量,因此可以复合成复杂的曲线或曲面。
2.1.2 可以实现加工的自动化,而且是柔性自动化,从而效率可比传统机床提高3~7倍。
由于计算机有记忆和存储能力,可以将输入的程序记住和存储下来,然后按程序规定的顺序自动去执行,从而实现自动化。
数控机床只要更换一个程序,就可实现另一工件加工的自动化,从而使单件和小批生产得以自动化,故被称为实现了"柔性自动化"。
2.1.3 加工零件的精度高,尺寸分散度小,使装配容易,不再需要"修配"。
2.1.4 可实现多工序的集中,减少零件 在机床间的频繁搬运。
2.1.5 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能,因而可实现长时间无人看管加工。
2.1.6 由以上五条派生的好处。
如:
降低了工人的劳动强度,节省了劳动力(一个人可以看管多台机床),减少了工装,缩短了新产品试制周期和生产周期,可对市场需求作出快速反应等等。
以上这些优越性是前人想象不到的,是一个极为重大的突破。
此外,机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。
数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
2.2、宏观看改造的必要性
从宏观上看,工业发达国家的军、民机械工业,在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。
其本质是,采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。
除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外,还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS(管理信息系统)、CIMS等等。
以及在其生产的产品中增加信息技术,包括人工智能等的含量。
由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化),最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。
而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。
如我国机床拥有量中,数控机床的比重(数控化率)到1995年只有1.9%,而日本在1994年已达20.8%,因此每年都有大量机电产品进口。
这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。
3、机床与生产线数控化改造的市场
3.1、机床数控化改造的市场
我国目前机床总量380余万台,而其中数控机床总数只有11.34万台,即我国机床数控化率不到3%。
近10年来,我国数控机床年产量约为0.6~0.8万台,年产值约为18亿元。
机床的年产量数控化率为6%。
我国机床役龄10年以上的占60%以上;10年以下的机床中,自动/半自动机床不到20%,FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60%以上)。
可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床,而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。
用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长,从而在国际、国内市场上缺乏竞争力,直接影响一个企业的产品、市场、效益,影响企业的生存和发展。
所以必须大力提高机床的数控化率。
3.2、进口设备和生产线的数控化改造市场
我国自改革开放以来,很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。
据不完全统计,从1979~1988年10年间,全国引进技术改造项目就有18446项,大约165.8亿美元。
这些项目中,大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。
但是有的引进项目由于种种原因,设备或生产线不能正常运转,甚至瘫痪,使企业的效益受到影响,严重的使企业陷入困境。
一些设备、生产线从国外引进以后,有的消化吸收不好,备件不全,维护不当,结果运转不良;有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线,忽视软件、工艺、管理等,造成项目不完整,设备潜力不能发挥;有的甚至不能启动运行,没有发挥应有的作用;有的生产线的产品销路很好,但是因为设备故障不能达产达标;有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损;有的已引进较长时间,需要进行技术更新。
种种原因使有的设备不仅没有创造财富,反而消耗着财富。
这些不能使用的设备、生产线是个包袱,也是一批很大的存量资产,修好了就是财富。
只要找出主要的技术难点,解决关键技术问题,就可以最小的投资盘活最大的存量资产,争取到最大的经济效益和社会效益。
这也是一个极大的改造市场。
4、数控化改造的内容及优缺
4.1、国外改造业的兴起
在美国、日本和德国等发达国家,它们的机床改造作为新的经济增长行业,生意盎然,正处在黄金时代。
由于机床以及技术的不断进步,机床改造是个"永恒"的课题。
我国的机床改造业,也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。
在美国、日本、德国,用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场,已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。
在美国,机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。
从事再生业的著名公司有:
Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。
美国得宝公司已在中国开办公司。
在日本,机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。
从事改装业的著名公司有:
大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。
4.2、数控化改造的内容
机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点:
其一是恢复原功能,对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复;
其二是NC化,在普通机床上加数显装置,或加数控系统,改造成NC机床、CNC机床;
其三是翻新,为提高精度、效率和自动化程度,对机械、电气部分进行翻新,对机械部分重新装配加工,恢复原精度;对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新;
其四是技术更新或技术创新,为提高性能或档次,或为了使用新工艺、新技术,在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新,较大幅度地提高水平和档次的更新改造。
4.3、数控化改造的优缺
4.3.1 减少投资额、交货期短
同购置新机床相比,一般可以节省60%~80%的费用,改造费用低。
特别是大型、特殊机床尤其明显。
一般大型机床改造,只花新机床购置费用的1/3,交货期短。
但有些特殊情况,如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱,往往改造成本提高2~3倍,与购置新机床相比,只能节省投资50%左右。
4.3.2 机械性能稳定可靠,结构受限
所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件,而不是那种焊接构件,改造后的机床性能高、质量好,可以作为新设备继续使用多年。
但是受到原来机械结构的限制,不宜做突破性的改造。
4.3.3 熟悉了解设备、便于操作维修
购买新设备时,不了解新设备是否能满足其加工要求。
改造则不然,可以精确地计算出机床的加工能力;另外,由于多年使用,操作者对机床的特性早已了解,在操作使用和维修方面培训时间短,见效快。
改造的机床一安装好,就可以实现全负荷运转。
4.3.4 可充分利用现有的条件
可以充分利用现有地基,不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。
4.3.5 可以采用最新的控制技术
可根据技术革新的发展速度,及时地提高生产设备的自动化水平和效率,提高设备质量和档次,将旧机床改成当今水平的机床。
5、数控系统的选择
数控系统主要有三种类型,改造时,应根据要根据改造机床的类型、控制轴数、加工过程中的精度要求等具体情况进行选择。
现在的数控系统主要有以下几种:
5.1、开环控制系统 :
开环控制数控机床的特点是不带检测反馈装置,该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、电液脉冲马达等。
数控装置将工件加工程序处理后,输出指令脉冲信号,由数控系统送出的进给指令脉冲,经驱动电路控制和功率放大后,使步进电机转动,驱动执行部件。
步进电机只要改变指令脉冲的数量、频率以及通电顺序,便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。
这种系统不将所测得的实际位置和速度反馈到输入端,故称之为开环系统。
该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度,齿轮、丝杠等传动元件的精度,所以系统的位移精度较低。
开环控制系统因为没有检测装置,也就没有纠正偏差的能力,因此它的控制精度较低。
但该系统具有机床结构简单、调试维修方便、工作可靠度高、成本价格低,易改装成功等优点,现仍广泛应用于经济型数控机床与旧机床的数控化改造上。
5.2、闭环控制数控系统 :
闭环控制数控系统的特点是装有位置检测反馈装置,由光栅、感应同步器等位置检测装置测得实际位置反馈信号。
并随时将反馈信号与指令给定值进行比较,将两者的差值放大和变换,驱动执行机构,以给定的速度向着减少偏差的方向运动,直到指令给定位置与反馈的实际位置的差值为零。
同此可见闭环控制数控系统可以消除机械传动的各种误差及在加工过程中产生干扰的影响,使加工精度大大提高。
闭环控制数控系统在结构上比开环进给系统复杂,相对成本也高,对使用环境要求严。
系统的设计和调试都比开环系统难度在。
但是可以获得比开环进给系统更高的精度,更快的速度,驱动功率更大的特性指标。
主要用于一些精度要求高的镗铣床、超精车床、超精铣床等,改造中可根据产品技术要求,决定是否采用这种系统。
5.3、半闭环数控系统 :
半闭环数控系统与闭环数控系统相类似,它们的主要区别在于半闭环数控系统不是直接检测工作台的位移量,而是把检测元件安装在中间传动件上,间接测量执行部件的位置。
半闭环数控系统由于检测元件的安装位置位于传动链的中部,存在着螺距误差,使得从半闭环系统位置检测器反馈的丝杠旋转角度变化量,还不能精确地反映进给轴的直线运动位置。
决定了它只能补偿系统环路内部部分元件的误差,但是,经过数控系统对螺距误差的补偿後,它们也能达到相当高的位置控制精度。
但是与全闭环系统相比,它们的价格较低、结构与调试都较闭环系统简单。
在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。
安装在电机内部的位置反馈器件的密封性好,工作更加稳定可靠,几乎无需维修,所以广泛地应用于各种类型的数控机床。
从几种数控系统的特点可以看出,在数控系统中半闭环数控系统控制精度较闭环数控系统要差,但稳定性好,成本较低,调试维修也比较容易,兼顾了开环数控系统与闭环数控系统珠优点,因此应用较普遍。
选择数控系统类型时主要应根据数控改造机床的类型、控制轴数,改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率等要求确定数控系统的类型与功能。
经济型数控机床与旧机床的数控化改造多采用开环控制系统。
加工精度要求高的各种机床选用才半闭环数控系统与闭环数控系统。
第二章数控回转工作台的原理与应用
数控机床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、圆弧曲线等。
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
数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床,其外形和通用工作台几乎一样,但它的驱动是伺服系统的驱动方式。
它可以与其他伺服进给轴联动。
图8-24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由给定的指令进行控制的。
1一蜗杆 2一蜗轮 3、4一夹紧瓦 5一小液压缸 6一活塞 7一弹簧
8一钢球 9一支座10一光栅11、12一轴承
为了消除蜗杆副的传动间隙,采用了双螺距渐厚蜗杆,通过移动蜗杆的轴向位置宋调整间隙。
这种蜗杆的左右两侧面具有不同的螺距,因此蜗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。
当工作台静止时,必须处于锁紧状态。
为此,在蜗轮底部的辐射方向装有8对夹紧瓦4和3,并在底座9上均布同样数量的小液压缸5。
当小液压缸的上腔接通压力油时,活塞6便压向钢球8,撑开夹紧瓦,并夹紧蜗轮2。
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7的作用下,钢球8抬起,夹紧瓦将蜗轮松开。
回转工作台的导轨面由大型滚动轴承支承,并由圆锥滚柱轴承12及双列向心圆柱滚子轴承11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,因而必须采用高精度蜗杆副。
在半闭环控制系统中,可以在实际测量工作台静态定位误差之后,确定需要补偿角度的位置和补偿的值,记忆在
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