回转工作台

第一篇：回转工作台

回转工作台是数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可缺少的重要附件(或部件)。它的作用是按照控制装置的信号或指令作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。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。

一、分度工作台

分度工作台的功能是完成回转分度运动，即在需要分度时，将工作台及其工件回转一定角度。其作用是在加工中自动完成工件的转位换面，实现工件一次安装完成几个面的加工。由于结构上的原因，通常分度工作台的分度运动只限于某些规定的角度；不能实现

范围内任意角度的分度。

为了保证加工精度，分度工作台的定位精度(定心和分度)要求很高。实现工作台转位的机构很难达到分度精度的要求，所以要有专门定位元件来保证。按照采用的定位元件不同，有定位销式分度工作台和鼠齿盘式分度工作台。1 ．定位销式分度工作台

定位销式分度工作台采用定位销和定位孔作为定位元件，定位精度取决于定位销和定位孔的精度(位置精度、配合间隙等)，最高可达 ±5´´。因此，定位销和定位孔衬套的制造和装配精度要求都很高，硬度的要求也很高，而且耐磨性要好。图 5-31 是自动换刀数控卧式镗铣床的定位销式分度工作台。该分度工作台置于长方形工作台中间，在不单独使用分度工作台时，两者可以作为一个整体使用。

图5-31 定位销式分度工作台结构 1 —挡块； 2 —工作台； 3 —锥套； 4 —螺钉； 5 —支座； 6 —油缸； 7 —定位衬套； —定位销； 9 —锁紧油缸； 10 —大齿轮； 11 —长方形工作台； 12 —上底座； —止推轴承； 14 —滚针轴承； 15 —进油管道； 16 —中央油缸； 17 —活塞； —螺栓； 19 —双列圆柱滚子轴承； 20 —下底座； 21 —弹簧； 22 —活塞拉杆

工作台 2 的底部 均匀分布着 八个(削边圆柱)定位销 8，在工作台下底座 12 上有一个定位衬套 7 以及环形槽。定位时只有一个定位销插入定位衬套的孔中，其余七个则进人环形槽中，因为定位销之间的分布角度为 45 °，故只能实现 45 ° 等分的分度运动。

定位销式分度工作台作分度运动时，其工作过程分为三个步骤：(1)松开锁紧机构 并拔出定位销

当数控装置发出指令时，下底座 20 上的六个均布锁紧油缸 9(图中只示出 一个)卸荷。活塞拉杆 22 在弹簧 21 的作用下上升 15mm，使工作台 2 处于松开状态。同时，间隙消除油缸 6 也卸荷，中央油缸 16 从管道 15 进压力油，使活塞 17 上升，并通过螺栓 18、支座 5 把止推轴承 13 向上抬起，顶在上底座 12 上，再通过螺钉 4、锥套 3 使工作台 2 抬起 15mm，圆柱销从定位衬套 7 中拔出。(2)工作台回转分度

当工作台抬起之后发出信号使油马达驱动减速齿轮(图中未示出)，带动与工作台 2 底部联接的大齿轮 10 回转，进行分度运动。在大齿轮 10 上以 45 ° 的间隔均布 八个挡块 1，分度时，工作台先快速回转。当定位 销即将 进入规定位置时，挡块碰撞 第一个限位开关，发出信号使工作台降速，当挡块 碰撞第二个限位开关时，工作台 2 停止回转，此时，相应的定位销 8 正好对准定位衬套 7。

(3)工作台下降并锁紧

分度完毕后，发出信号使中央油缸 16 卸荷，工作台 2 靠自重下降，定位销 8 插入定位衬套 7 中，在锁紧工作台之前，消除间隙的油缸 6 通压力油，活塞顶向工作台 2，消除径向间隙。然后使锁紧油缸 9 的上 腔通压力油，活塞拉杆 22 下降，通过拉杆将工作台锁紧。

工作台的回转轴支承在加长型双列圆柱滚子轴承 19 和滚针轴承 14 中，轴承 19 的内孔带有 1 ： 12 的锥度，用来调整径向间隙。另外，它的内环可以带着滚柱在加长的外环内作 15mm 的轴向移动。当工作台抬起时，支座 5 的一部分 推力由止推 轴承 13 承受，这将有效地减小分度工作台的回转摩擦阻力矩，使工作台 2 转动灵活。2 ．鼠齿盘式分度工作台 鼠齿盘式分度工作台采用 鼠齿盘作为 定位元件。这种工作台有以下特点：(1)定位精度高，分度精度可达 ±2''，最高可达 ±0 ． 4''。(2)由于采用多齿重复定位，因而重复定位精度稳定。

(3)因为多齿啮合，一般齿面啮合长度不少于 60 ％，齿数啮合率不少于 90 ％，所以定位刚度好，能承受很大外载。

(4)最小分度为 360 ° ／ Z(Z 为 鼠齿盘的 齿数)，因而分度数目多，适用于多工位分度。

(5)磨损小，且 因为齿盘啮合、脱开相当于两 齿盘对研 过程，所以，随着使用时间的延续，其定位精度不断提高，使用寿命长。(6)鼠齿盘的 制造比较困难。

图5-32 为鼠齿盘及其齿形结构

图5 — 33 为鼠齿盘式分度工作台的结构，主要由一对分度 鼠齿盘 13、14，升夹油缸 12，活塞 8，液压马达，蜗轮副 3、4，减速齿轮副 5、6 等组成。其工作过程如下：

(1)工作台抬起，齿盘脱离啮合

当需要分度时，控制系统发出分度指令，压力油进入分度工作台 9 中央 的升夹油缸 12 的下腔，活塞 8 向上移动，通过止推轴承 10 和 11 带动工作台 9 向上抬起，使上、下齿盘 13、14 脱离啮合，完成分度的准备工作。(2)回转分度

当工作台 9 抬起后，通过推动杆和微动开关发出信号，启动液压马达旋转，通过蜗轮 4 和齿轮副 5、6 带动工作台 9 进行分度回转运动。工作台分度回转角度由指令给出，共有八个等分，即为 45 ° 的整倍数。当工作台的回转角度接近所要分度的角度时，减速挡块使微动开关动作，发出减速信号使液压马达低速回转，为齿盘准确定位创造条件；当达到要求的角度时，准停挡块压合微动开关发出信号，使液压马达停止转动，工作台便完成回转分度工作。(3)工作台下降，完成定位夹紧 液压马达停止转动的同时，压力油 进入升夹油缸 12 的上腔，推动活塞 8 带动工作台下降，数控机床的结构与传动种圆弧或与直线坐标轴联动加工曲面，又能作为分度 头完成 工件的转位换面。

由于数控回转工作台的功能要求连续回转 进给并与其 他坐标轴联动，因此采用伺服驱动系统来实现回转、分度和定位，其定位精度由控制系统决定。根据控制方式，有开环数控回转工作台和闭环数控回转工作台。

二、开环数控回转工作台

开环数控回转工作台 采用电液脉冲 马达或功率步进电机驱动，图 5-34 是开环数控回转工作台的结构。

图5-34 开环数控回转工作台结构 1 —偏心环； 2、6 —齿轮； 3 —步进电机； 4 —蜗杆； 5 —橡胶套； 7 —调整环 ；、10 —微动开头； 9、11 —挡块 ； 12 —双列短圆柱滚子轴承； 13 —滚珠轴承； —油缸； 15 —蜗轮； 16 —柱塞； 17 —钢球； 18、19 —夹紧瓦； 20 —弹簧； —底座； 22 —圆锥滚子轴承； 23 —调整套； 24 —支座 工作台由功率步进电机 3 驱动，经齿轮副 2、6，蜗轮副 4、15，带动其作回转进给或分度运动。由于是按控制系统所指定的脉冲数来决定转位角度，因此，对开环数控回转工作台的传动精度要求高，传动间隙应尺量小。为此，在传动结构上采用了消除间隙的措施。步进电机 3 由 偏心环 1 与底座连接，通过调整 偏心环 消除齿轮 2 和齿轮 6 的啮合间隙。蜗杆 4 为双导程(变齿厚)蜗杆，可以用轴向移动蜗杆的方法来消除蜗杆 4 和蜗轮 15 的啮合间隙。调整时，只要将调整环 7 的厚度改变，便可使蜗杆 4 沿轴向移动。

为了消除累积误差，数控回转工作台设有零点。当它 作返零控制 时，先 由挡块 11 压合微动开关 10，发出从快速回转变为慢速回转信号，工作台慢速回转，再 由挡块 9 压合微动开关 8 进行第二欠减速，然后由无触点行程开关发出从慢速回转变为点动步进信号，最后由步进电机停在某一固定通电相位上，从而使工作台准确地停在零点位置上。

当数控回转工作台用于分度时，分度回转结束后，要把工作台夹紧。在蜗轮 15 下部的内、外两面装有夹紧瓦 18 和 19，底座 21 上固定的支座 24 内均布有 6 个油缸 14。油缸 14 上 腔进压力油，柱塞 16 下移，并通过钢球 17 推动夹紧瓦 18 和 19，将蜗轮夹紧，从而将工作台夹紧。不需要夹紧时，控制系统发出指令，使油缸 14 上腔油液流 回油箱，在弹簧 20 的作用下把钢球 17 抬起，于是夹紧瓦 18 和 19 松开蜗轮 15，这时启动步进电机，驱动工作台回转进给或分度。

该数控回转工作台的圆形导轨采用大型滚珠轴承 13，使回转运动灵活，双列短圆柱滚子轴承 12 及圆锥滚子轴承 22 保证回转精度和定心精度。调整轴承 12 的预紧力，可以消除回转轴的径向间隙，调整轴承 22 的调整套 23 的厚度，可以使大型滚珠轴承有适当的预紧力，保证导轨有一定的接触刚度。

三、闭环数控回转工作台

闭环数控回转工作台的结构与开环数控回转工作台基本相同，区别在于闭环数控回转工作台采用直流或交流伺服电机驱动，有转动角度测量元件(圆光栅、圆感应同步器、脉冲编码器等)。测量的结果反馈与指令值进行比较，按闭环控制原理进行工作，使工作台定位精度更高。

图 5-35 为闭环数控回转工作台结构，该工作台采用直流伺服电机驱动，经两对齿轮副和一对 蜗轮副 传动工作台。采用双片齿轮 22 消除齿轮啮合间隙，蜗杆为双导程蜗杆，伺服电机带有每转 1000 个脉冲信号的编码器作为角度测量反馈元件。分度精度 25''，重复精度 4''。

工作台导轨为环形平面导轨，工作台与导轨面间粘贴有聚四氟乙烯导轨板 5，具有较好的摩擦特性。

夹紧工作台时，按控制信号要求，压缩空气从气通管接头 20 通过气液转换装置 11 内的电磁换向阀进入气缸右腔，使气缸里的活塞杆 13 向左移动，油腔 14 内的压力 油逐渐 增压。这时，油缸活塞 1 压缩弹簧 3 并带动拉杆 4 向下移动，将工作台压紧在底座上，同时又移动触头 10，压合刹紧信号 开关 8，发出夹紧信号。松开工作台时，压缩空气进入气缸左腔，使活塞杆 13 向右移动，油腔 14 内的压力油减压，直至工作台松开，同时触头 10 压合松开信号开关 12，发出信号，伺服电机 17 可开始驱动工作台回转进给或分度。

图5-35 闭环数控回转工作台结构 —油缸活塞； 2 —储油腔； 3 —弹簧； 4 —拉杆； 5 —氟化乙烯导轨板； 6 —工作台； 7 —主轴； —刹紧 信号开关； 9 —手摇脉冲发生器； 10 —刹紧、松开触头； 11 —气液 转换装置； —松开信号开关； 13 —气缸活塞杆； 14 —油腔； 15 —气缸法兰盘； 16 — 储油管 油腔； 17 —伺服电机； 18 —伺服电机法兰盘； 19 —齿轮； 20 —气通 管接头； 21 —紧固螺钉； 22 —双片齿轮； 23 —双导程蜗杆； 24 —定位键； 25 —螺纹套； 26 —调整螺母

四、双导程蜗杆传动

双导程蜗杆传动具有改变啮合侧隙的特点，能够始终保持正确的啮合关系；并且结构紧凑，调整方便，因而在要求连续精确分度的结构中被采用，以便调整啮合侧隙到最小程度。

双导程蜗杆副啮合原理与一般的蜗杆副啮合原理相同，蜗杆的轴向截面仍相当于基本齿条，蜗轮则相当于同它啮合的齿轮。双导程蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距(导程)或者说齿的左、右两侧面具有不同的模数 m(m=t ／ π)，但同一侧齿距则是相等的，因此，该蜗杆的齿厚从一端到另一端均匀地逐渐增厚或减薄，故又称变齿厚蜗杆，可用轴向移动蜗杆的方法来消除或调整啮合间隙。因为同一侧面齿距相同，没有破坏啮合条件，所以当轴向移动蜗杆后，也能保证良好的啮合。

双导程蜗杆的齿形如图 5-36 所示，图中，、分别为蜗杆左、右侧面轴向齿距； 为公称轴向齿矩；、分别为蜗杆左、右侧面齿形角； S 为齿厚； C 为齿槽宽。下面介绍双导程蜗杆传动的特殊参数的选择。

图5-36 双导程蜗杆齿形 1 ．公称模数

双导程蜗杆传动的公称模数 m 可看成普通蜗杆副的轴向模数，用强度计算方法求得，并选取标准值，它一般等于左、右齿面模数的平均值。当公称模数确定后，公称齿距也随之而确定。从图 5-36 可知

(5-9)．齿厚增量系数

齿厚增量系数(5-10)值与 m 值一样，是确定其他参数的原始数据，因而在设计中首先要确定 值时应考虑以下问题：

(1)为了补偿一定的侧隙，蜗杆轴向移动长度与 值大，可使蜗杆轴向尺寸紧凑；但 值过小，则会增大传动机构的轴向尺寸。(2)向蜗杆的齿根方向偏移，而小模数齿面节点

向蜗杆的齿顶方向偏移，节点偏移量 与(5-11)式中，为蜗轮齿数。

图5-37 啮合关系图 为了保证啮合质量，高，即

点不应超出蜗轮的齿顶高，点不应超出蜗杆的齿顶(5-12)

式中，为齿顶高系数。

因此，根据式(5-11)和式(5-12)得

(5-13)．齿厚调整量

齿厚调整量 ΔS 是为了补偿制造误差和蜗轮的最大允许磨损量所形成的侧隙而选取的。一般推荐 ΔS=0.3~ 0.5mm。对于数控回转工作台，ΔS 值应偏小。当传递动力时，ΔS 也可选为 π mk。4 ．模数差与节距差 模数差 Δm 值为左、右齿面模数 知 m 和 值时，有

与公称模数 m 之差的绝对值。当已(5-14)

因而

(5-15)

(5-16)同样，节距差 Δt 值、左面和右面齿距分别为

(5-17)

设计双导程蜗杆时，还要对齿槽变窄、齿顶变尖、蜗轮根切进行验算。双导程蜗杆的优点是：啮合间隙可调整得很小，根据实际经验，侧隙调整可以小至 0.01~ 0.015mm，而普通蜗轮副一般只能达 0.03 ～ 0.08mm，因此，双导程蜗杆副能在较小的侧隙下工作，这对提高数控回转工作台的分度精度非常有利。由于普通蜗杆是用蜗杆沿蜗轮径向移动来调整啮合侧隙，因而改变了传动副的中心距(中心距的改变会引起齿面接触情况变差，甚至加剧磨损，不利于保持蜗轮副的精度)；而双导程蜗杆是用蜗杆轴向移动来调整啮合侧隙，不会改变传动副的中心距，可避免上述缺点。双导程蜗杆是用修磨调整环来控制调整量，调整准确，方便可靠；而普通蜗轮副的径向调整量较难掌握，调整时也容易产生蜗杆轴线歪斜。

双导程蜗杆的缺点是：蜗杆加工比较麻烦，在车削和磨削蜗杆左、右齿面时，螺纹传动链要选配不同的两套挂轮，而这两种蜗距往往是烦琐的小数，对于精确配算挂轮很费时；同样，在制造加工蜗轮的滚刀时，应根据双导程蜗杆的参数设计制造，通用性差。

第二篇：课程设计—回转工作台设计

1概述

1.1数控加工中心的概述

加工中心自问世至今已有30多年，世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形结构各界，但从总体来看主要由以下几大部分组成。

1、基础部件。它是加工中心的基础结构，由床身、立柱和工作台等组成，它们主要承受加工中心的静载荷以及在加工时产生的切削负载，因此必须要有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接而成的钢结构件，它们是加工中心中体积和重量最大的部件。

2、主轴部件。由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启、停和变速等动作均由数控系统控制，并且通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。

3、数控系统。加工小心的数控部分是由CNC装置，可编程控制器、伺服驱动装置以及操作面板等组成。它是执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。

4、自动换刀系统。由刀库、机械手等部件组成。当需要换刀时，数控系统发出指令，由机械手(或通过其他方式)将刀具从刀库内取出装入主轴孔中。

5、辅助装置。包括涡滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测系统等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用，因此也是加工中心中不对缺少的部分。

带有可转动的台面、用以装夹工件并实现回转和分度定位的机床附件，简称转台或第四轴。

1.2数控回转工作台的发展

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，高级采用动力型刀架，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长。然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，它常被应用于卧式的镗床和加工中心上，可前进加工效率，完成更多的工艺，它重要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等部分组成，并可进行间隙打消和蜗轮加紧，是一种很实用的加工工具。

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，普通工机床将获得年均15％－20％左右的稳定增长。

随着数控功能部件的发展，精密回转工作台对功能部件的依赖性越来越大。从某种程度上讲，功能部件的发展水平代表了主机的发展水平，其可靠性、先进性尤为突出。

精密回转工作台球面蜗轮副具有瞬时多齿接触、磨损小、精度保持持久等优点。而且采用球面蜗轮副后，转台承载能力提高3倍以上。该设备采用气压制动，制动迅速、可靠、耐重切削。其密封采用国外先进公司的产品，防渗漏性能优异。采用高精密轴承，精度保持性能好。数控机床功能部件的产品水平与10年前相比，有了很大的提高。经过近20年的发展，数控分度头、数控刀架产品的品种不断完善，主要性能和可靠性有较大提高。数控刀架、数控转台、数控分度头已能满足中低档数控机床的配套需求。同时也要认识大，为高档数控机床配套的数控附件产品，与国外产品比还有一定差距。

数控回转工作台行业的发展，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品快速的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，成为制约民族机床工业发展的瓶颈。国产回转工作台配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、外观造型、精度稳定性等方面与发达国家相比都存在一定的差距，但在产品的价格、交货期和售后服务上占有较大的优势。

1.3数控回转工作台的功能

数控回转工作台是数控铣床、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作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。

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。数控回转工作台表面光滑平整，美观不易变型，耐高温、耐热、耐酸、耐碱，耐磨损、耐油、使用寿命长，也适合一般工厂作业与精密模具维修，仪器置放与检测等用途耐高温、耐磨损、耐油、使用寿命长，为多功能桌板，适合一般工厂、食品业、研究

室、电子厂无尘室使用。回转工作台耐冲击、吸震、美观，适合一般工厂钳工作业、机具维修、生产线包装与保养厂作业及其它用途使用。而且回转工作台的导轨面由大型滚动轴承支承，并由圆锥滚柱轴承及双列向心圆柱滚于轴承保持准确的回转中心。

数控回转工作台主要用途：是落地铣镗床，端面铣床等工作母机不可缺少的主要辅机。可用作支承工件并使其作直线或回转等调整和进给运动，以扩大工作母机的使用性能，缩短辅助时间，广泛适用于能源，冶金，矿山，机械，发电设备，国防等行业的机械加工。

1.4 数控回转转台的分类

转台是镗床、钻床、铣床和插床等重要附件，用于加工有分度要求的孔、槽和斜面，加工时转动工作台，则可加工圆弧面和圆弧槽等。转台按功能的不同可分为通用转台和精密转台两类。

1.通用转台按结构不同又分为水平转台、立卧转台和万能转台。

2精密转台用于在精密机床上加工或角度计量。常见的有光学转台、数显转台和超精密端面齿盘转台。

1.5数控回转工作台的工作原理

为了扩大工艺范围，提高生产率，数控机床回转工作台除具有沿X、r、z三个坐标轴的直线进给运动功能外，摇臂钻床往往还具有绕X、r、Z坐标轴的圆周进给运动。数控机床用于实现回转运动的部件主要就是回转工作台。数控机床回转工作台按安装方式又可分为立式、卧式、万能倾斜式；按照其伺服控制方式又可分为开环和闭环两种。

数控机床回转工作台的分度定位和分度工作台不同，数控机床它是按控制系统所指定的脉冲数来决定转位角度，并没有其他的定位元件。因此，对开环数控转台的传动精度要求高比较、传动间隙还尽量要小。

数控机床回转工作台还设有零点，当它作回零控制时，先快速回转运动至挡块压合微动开关时，发出“快速回转”变为“慢速回转”的信号，再由挡块压合微动开关发出从“慢速回转”变为“点动步进”信号，最后由功率步进电动机停在某一固定的通电相位上(称为锁相)，数控机床从而使转台准确地停在零点位置上。数控转台的圆形导轨采用都是大型推力滚珠轴承，使回转灵活。径向导轨由滚子轴承及圆锥滚子轴承保证回转精度和定心精度。摇臂钻床用来调整轴承的预紧力，可以消除回转轴的径向间隙。摇臂钻床是来调整轴承的调整套的厚度，可以使圆导轨上有适当的预紧力，保证导轨有一定的接触刚度。这种数控机床回转

工作台可做成标准附件，回转轴可水平安装也可垂直安装，数控机床以适应不同工件的加工要求。

1.6数控回转工作台的组成

数控回转工作台具有两个正交测试轴的倾角仪作为测试工具，将倾角仪设置于待调平的转台台面中心处，使倾角仪的两个正交测试轴平行于转台台面，通过调整转台底座下的调平机构使倾角仪两测试轴输出的倾斜角度值转台即为调平状态。

等分回转工作台与摆头是多坐标数控机床的关键部件，传统的采用高精度蜗杆蜗轮等传动的转台与摆头不仅制造难度大、成本高，而且难以达到高速加工所需的速度和精度。因此必须另辟蹊径开发数控转台和摆头的新型电磁驱动系统，以实现数控机床旋转运动坐标的零传动驱动。

数控回转工作台包括转台底脚、圆形的转台台面、四个安装在转台底脚的上表面、以均角布置的滚动轴承件和一安装在转台底脚上表面中心的内装调心轴承的中心支座，每一滚动轴承件包括一第一滚动轴承和通过第一轮轴支撑第一滚动轴承的支座，回转工作台台面的下表面中心设置有一垂直向下的第二轮轴，回转工作台台面安装在转台底脚之上，第二轮轴与中心支座中的调心轴承的内圈固定，而所述第一滚动轴承的转动表面各与转台台面的下表面滚动接触。方案认证

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）零件与零件之间配合的选择

（11）功能设计应适应制造工艺和降低成本的要求

2.1方案一

为了保证加工精度，分度工作台的定位精度(定心和分度)要求很高。实现工作台转位的机构很难达到分度精度的要求，所以要有专门定位元件来保证。在方案一中采用定位销式分度工作台。

定位销式分度工作台采用定位销和定位孔作为定位元件，定位精度取决于定位销和定位孔的精度(位置精度、配合间隙等)，最高可达 ±5′′。因此，定位销和定位孔衬套的制造和装配精度要求都很高，硬度的要求也很高，而且耐磨性要好。图1是自动换刀数控卧式镗铣床的定位销式分度工作台。该分度工作台置于长方形工作台中间，在不单独使用分度工作台时，两者可以作为一个整体使用。

图 1 定位销式分度工作台结构 —挡块； 2 —工作台； 3 —锥套；

—螺钉； 5 —支座； 6 —油缸； 7 —定位衬套； 8 —定位销；

—锁紧油缸； 10 —大齿轮； 11 —长方形工作台； 12 —上底座； 13 —止推轴承； 14 —滚针轴承； 15 —进油管道； 16 —中央油缸； 17 —活塞； 18 —螺栓； 19 —双列圆柱滚子轴承； 20 —下底座； 21 —弹簧； 22 —活塞拉杆

工作台2的底部均匀分布着八个(削边圆柱)定位销 8，在工作台下底座 12 上有一个定位衬套 7 以及环形槽。定位时只有一个定位销插入定位衬套的孔中，其余七个则进人环形槽中，因为定位销之间的分布角度为 45 °，故只能实现 45 ° 等分的分度运动。

定位销式分度工作台作分度运动时，其工作过程分为三个步骤：(1)松开锁紧机构并拔出定位销

当数控装置发出指令时，下底座 20 上的六个均布锁紧油缸 9(图中只示出 一个)卸荷。活塞拉杆 22 在弹簧 21 的作用下上升 15mm，使工作台 2 处于松开状态。同时，间隙消除油缸 6 也卸荷，中央油缸 16 从管道 15 进压力油，使活塞 17 上升，并通过螺栓 18、支座 5 把止推轴承 13 向上抬起，顶在上底座 12 上，再通过螺钉 4、锥套 3 使工作台 2 抬起 15mm，圆柱销从定位

衬套 7 中拔出。(2)工作台回转分度

当工作台抬起之后发出信号使油马达驱动减速齿轮(图中未示出)，带动与工作台 2 底部联接的大齿轮 10 回转，进行分度运动。在大齿轮 10 上以 45 ° 的间隔均布 八个挡块 1，分度时，工作台先快速回转。当定位 销即将 进入规定位置时，挡块碰撞 第一个限位开关，发出信号使工作台降速，当挡块 碰撞第二个限位开关时，工作台 2 停止回转，此时，相应的定位销 8 正好对准定位衬套 7。

(3)工作台下降并锁紧

分度完毕后，发出信号使中央油缸16 卸荷，工作台 2 靠自重下降，定位销 8 插入定位衬套 7 中，在锁紧工作台之前，消除间隙的油缸 6 通压力油，活塞顶向工作台 2，消除径向间隙。然后使锁紧油缸 9 的上腔通压力油，活塞拉杆 22 下降，通过拉杆将工作台锁紧。

工作台的回转轴支承在加长型双列圆柱滚子轴承 19 和滚针轴承 14 中，轴承 19 的内孔带有 1 ： 12 的锥度，用来调整径向间隙。另外，它的内环可以带着滚柱在加长的外环内作 15mm 的轴向移动。当工作台抬起时，支座 5 的一部分 推力由止推 轴承 13 承受，这将有效地减小分度工作台的回转摩擦阻力矩，使工作台 2 转动灵活。

2.2方案二

针对于卧式加工中心的回转工作台，也符合本课题的设计要求，下面对本方案进行简要的介绍：

由于不需要使用回转工作台有圆周进给运动，故对卧式加工中心的回转工作台采用分度回转工作台的设计方案。分度工作台的作用完成分度运动。由于设计要求中分度回转工作台的定位精度和重复定位精度较高，为满足分度精度的要求，我对设计的卧式加工中心的回转工作台采用齿盘定位方式。齿盘分度工作台的分度精度主要由齿盘尺寸精度及坐标精度决定，最高可达正负5”。

鼠齿盘式分度工作台采用 鼠齿盘作为 定位元件。这种工作台有以下特点：(1)定位精度高，分度精度可达 ±2

(2)由于采用多齿重复定位，因而重复定位精度稳定。

(3)因为多齿啮合，一般齿面啮合长度不少于 60 ％，齿数啮合率不少于 90 ％，所以定位刚度好，能承受很大外载。

(4)最小分度为 360 ° ／ Z(Z 为 鼠齿盘的 齿数)，因而分度数目多，适用于多工位分度。

(5)磨损小，且 因为齿盘啮合、脱开相当于两 齿盘对研 过程，所以，随

着使用时间的延续，其定位精度不断提高，使用寿命长。(6)鼠齿盘的 制造比较困难。

图 2为鼠 齿盘及其 齿形结构

图 3为鼠齿盘式分度工作台的结构

主要由一对分度鼠齿盘 13、14，升夹油缸 12，活塞 8，液压马达，蜗轮副 3 ﹑4，减速齿轮副 5、6 等组成。其工作过程如下：(1)工作台抬起，齿盘脱离啮合

当需要分度时，控制系统发出分度指令，压力油进入分度工作台 9 中央 的升夹油缸 12 的下腔，活塞 8 向上移动，通过止推轴承 10 和 11 带动工作台 9 向上抬起，使上、下齿盘 13、14 脱离啮合，完成分度的准备工作。(2)回转分度

当工作台 9 抬起后，通过推动杆和微动开关发出信号，启动液压马达旋转，通过蜗轮 4 和齿轮副 5、6 带动工作台 9 进行分度回转运动。工作台分度回

转角度由指令给出，共有八个等分，即为 45 ° 的整倍数。当工作台的回转角度接近所要分度的角度时，减速挡块使微动开关动作，发出减速信号使液压马达低速回转，为齿盘准确定位创造条件；当达到要求的角度时，准停挡块压合微动开关发出信号，使液压马达停止转动，工作台便完成回转分度工作。(3)工作台下降，完成定位夹紧

液压马达停止转动的同时，压力油 进入升夹油缸 12 的上腔，推动活塞 8 带动工作台下降，数控机床的结构与传动种圆弧或与直线坐标轴联动加工曲面，又能作为分度 头完成 工件的转位换面。

由于数控回转工作台的功能要求连续回转 进给并与其 他坐标轴联动，因此采用伺服驱动系统来实现回转、分度和定位，其定位精度由控制系统决定。

对于工作台的夹紧机构采用液压系统进行压力夹紧。

2.3方案三

在方案三中同样选择使用鼠齿盘式.工作台。

但是与方案二中不同的是夹紧方面可选择使用斜面浮动夹紧机构。斜面浮动夹紧机构如下图所示，当回转工作台需要夹紧、固定时，压力油经滤油器、油泵、电磁换向阀后，再经C口进入油腔，推动活塞运动，从而带动活塞轴2上的斜面滑块5向上运动，由于斜面的作用，使弹性夹紧体4受到比活塞上所受力大许多的垂直方向的力而向外张开，使夹紧导轨板6与夹紧槽面(回转体上开的环形槽)接触、受压产生止压力。并最终靠夹紧导轨板6与夹紧槽面间所产生的摩擦力F使回转工作台可靠地夹紧。为使夹紧体体积小些，受力状况好些，一般此夹紧体均对称地分布于转台上，并尽可能使其力臂大些。我们所采用的为四个对称布置的夹紧体，使中心轴只受扭转力矩，而径向力为零(图2)，以利转台保持高精度。需松开时，只需往D口通入一定的压力油，使活塞向下移动，带动斜面滑块克服夹紧阻力运动，同时由于夹紧弹性体4自身弹性而收缩，使夹紧导轨板与夹紧环形槽面脱开。本例中，夹紧导轨板与回转体环形槽面间始终保持0.1mm左右间隙(两侧面)，以利夹紧动作的可靠性和快速性。

图2 斜面浮动夹紧机构

1.法兰盘 2.活塞轴 3.活塞 4.弹性夹紧体 5.斜面滑块 6.夹紧导轨板 7.定位块

一般地，我们取滑块与斜面间摩擦系数较小，f=0.10，这时摩擦角Ø=tg-1f=5.246°。为了使活塞用较小的驱动力P，产生较大的夹紧力Q，只需＞Ø即可，但考虑到其他一些因素的影响，这里取=7°30′，很显然+Ø＜(/2)成立，从而满足滑块不自锁条件。

设夹紧体所需的夹紧力Q为85kN，由于P=Qtg(+Q)知只需使活塞产生的驱动力P约为20kN即可实现夹紧。显然，P力与Q力相比要小许多，与传统的不带斜面滑块的油缸(夹紧)相比，在相同的油压，需产生相同的夹紧力时，油缸体积要小许多，同时，成本低，无需碟簧复位，节省空间，使整个机构更小巧。通过以上分析可知该斜面浮动夹紧机构与传统油缸相比有许多优点，具有一定的推广性和实用性，对于从事机械设计的工程技术人员在做此类设计工作时，提供了一个较为新颖的可借鉴的夹紧机构。本设计方案选择

对前面三套方案进行分析比较，在基于本课题的设计要求的基础上，以及对于实际情况的考虑，本人决定采用第二套方案！

因为其他两套相较于方案二，会有些不合适的地方。在方案一中因其采用定位销式的定位方式定位精度较低以及旋转角度的限制，很少用于现代数控中心以及加工中心；而在方案三中，采用斜面浮动夹紧机构，其缺点在于动作缓慢影响数控加工中心的效率，而方案二中采用液压系统进行压力夹紧方式更加具有实用性，相较于其他两种夹紧方案更加实际﹑可操作。设计思路

数控回转工作台由交流伺服电动机驱动, 在它的输出轴上接连轴器, 再接一级齿轮减速器。该数控回转工作台由圆"柱齿轮传动系统、涡轮涡杆传动系统、间隙消除装置及液压系统压力夹紧装置组成。

因为是涡轮涡杆传动与分度, 所以停位不受限, 并不像端齿分度盘一样, 只能分度固定的角度的整数倍(5°、10°、15°等),而且偏转范围较大(110°～-70°), 能加工任何角度与倾斜度的孔与表面。齿的侧隙是靠齿轮制造精度和安装精度来保持。大齿轮的支撑轴与涡杆轴做成一个轴, 这种联结方式能增大连接的* 刚性和精度, 更能减少功率的损耗。

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.摆动部分的工作原理与此相同。需要说明的是, 当工作台静止时必须处于锁紧状态, 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。

数控回转工作台的设计和计算

整个数控回转工作台按照功用不同可以分为两个组成部分, 即圆周回转部分和摆动部分, 在圆周回转部分和摆动部分中, 又可以按照传动结构分为两个部分, 即齿轮传动部分和蜗轮蜗杆传动部分。以下将简单说明一下计算和设计过程。

圆周回转部分设计、数控回转工作台圆周回转部分的计算主要分为两个部分，即齿轮传动部分和涡轮涡杆传动部分的设计、计算。

这是很常规的计算。主要包括以下内容: 材料选择、精度及参数选择、螺旋角选择、齿宽系数确定、计算齿轮各个直径、中心距、齿轮宽度、齿面接触强度设计、校核弯曲疲劳强度等等。

涡轮涡杆传动设计计算主要包括以下内容: 涡轮涡杆材料、硬度、头数、齿数、螺旋三升角、涡轮齿宽、弯曲疲劳强度校核、效率计算、热平衡计算等等。

摆动部分设计、计算与圆周回转部分的设计过程完全相同, 不再赘述。数控回转工作台关键部件介绍机床产品的很多单元技术都孕育在关键功能

部件之中。在数控回转工作台中, 其主要部件———涡轮涡杆调隙结构、闭环检测结构、回转部位锁紧装置、润滑与密封等部位均属于关键部件。

4.1关键技术解决方法

调隙结构———双螺距渐厚涡杆介绍在数控机床中, 分度工作台、数控回转工作台都广泛采用涡杆涡轮传动。涡轮副的啮合侧隙对其分度定位精度影响最大, 因此消除涡轮副的侧隙就成为数控回转工作台的关键问题。一般在要求连续精确分度的机构中(如齿轮加工机床、数控三维, l回转工作台等)或为了避免传动机构因承受脉动载荷(如断续铣削)而引起扭转振动的场合往往采用双螺距渐厚涡杆, 以便调整啮合侧隙到最小限度。

双螺距渐厚涡杆与普通涡杆的区别是: 双螺距渐厚涡杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距(导程);而同一侧面的齿距(导o-e程)则是相等的(图4)。双螺距渐厚涡杆副的啮合原理与一般涡杆副啮合原理相同, 涡杆的轴向截面仍相当于基本齿条, 涡则相当于同它啮合的齿轮。由于涡杆齿左、右两侧面具有不同的齿距, 即左、右两侧面具有不同的模数m(m=t /π)。因而同一侧面的齿距相同, 故没有破坏啮合条件。双螺距渐厚涡杆传动的公称模数m 可看成普通涡轮副的轴向模数, 一般等于左、右齿?面模数的平均值。此涡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。因此, 可用轴向移动涡杆的方法来消除涡杆与涡轮的齿侧隙。进度安排

1、熟悉课题

时间：2011.年2月7日起

成果：了解熟悉课题，查阅资料

2、开题报告

时间：2011年2月8日——2011年2月18日

成果：撰写开题报告。

3、绘制零件图

时间：2011年2月19日——2011年3月15日

成果：拆装回转工作台，并其不同模块的机械结构进行详细分析，出零件图。

4、机构设置并计算

时间：2011年3月16日——2011年4月1日

成果：完成毕业设计计算。

5、绘制总装配图

时间：2011年4月1日——2011年4月30日

成果：利用CAD和UG等绘图软件，绘制总装图一张。

6、翻译与本课题有关的外文资料

时间：2011年5月1日——2011年5月7日

成果：翻译与本课题有关的外文资料两篇，约5000汉字。

8、设计说明书

时间：2011年5月8日——2011年6月1日

成果：写出设计说明书，完成报告，准备答辩工作。

参考文献

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第三篇：数控回转工作台翻译

一项关于具有数控回转工作台的三坐标数控加工中心可切削性评估的研究

关键词：三坐标数控加工中心，可切削性，表面粗糙度，样本

加工中心中极大地影响产品的可切削性特征是制造。因此，研究人员需要为高质量产品建立一种可切削性评价方法。本文研究的是三轴加工中心与数控回转工作台可加工性的评估。加工中心利用新的X轴成分作为数控回转工作台，为可切削性和加工中心的评估提出了一个新的测试试样。实验对加工中心和机器的特性用机械加工的试样进行分析。这项研究结果可以被应用到机床开发类似的区域。

1.简介

为了加工高品质和高精确度的产品，了解的机床的特征非常重要。了解机床特征是确定它生产产品的产量和质量的关键因素。可以一步一步的确定机床的特征并且可以在每个步骤进行中对切削性进行评价。机床的加工精度取决于其组成部分的几何和装配精度。实际中，加工精度的降低，即，表面粗糙度或者粗糙的表面轮廓，是由各种外部条件引起的，包括产品的加工过程中的热变形和机械振动。此外，由于其他因素引起的加工误差，有必要建立一个能够评估一个机床的特征的标准试样和评估的一种可行性方法。本文对带有数控回转工作台的三轴加工中心（三轴MCT）切削性评估进行了研究。在这项研究中，一旋转轴被施加到三轴的MCT上，代替现有的X轴。这是必要的，通过加工实验来验证可切削性，机械加工不使用现有的线性轴，而使用旋转轴。三轴MCT如图 1所示。不像现有的三轴加工中心，三轴MCT具有数控转台以高速和高准确度代替X轴。当加工工件时，现有的机床在Y和Z轴的方向移动。此外，在数控转台上安装工件，使工件旋转和移动。这种情况下，Y，Z，和C轴经由同步控制程序运动。高速和高精度数控转台的安装能够加工圆弧或槽。对于这些类型的加工，现有3轴机床需要一个额外的第四轴，而现有的机器并不具有这种功能。此外，现有的三轴机不同的是，所提出的机床不需要在X轴的方向上直线进给，从而大大减少了机床的总长度。

图1 一个带有数控回转工作台的三轴机床原理图设计

因此，可以防止由于X轴平台不平整引起的回转精度降低，并且可以通过降低进进给时间，减少了生产线降低循环时间和整体投资。以前的研究中建议用可以评估一般机床可加工性的测试样品7-9。在这项研究中，对以前的研究建议的测试样品进行了改进，试图创造一个适合三轴MCT与旋转轴试样。实验对加工中心和机器的特点进行了分析。拟议的试样可用于类似的机器工具开发的应用程序。

2、选择评价项目

考虑到机床的设计是为了设计一个精确的产品,评估影响其加工精度的因素是重要的。评估一般机器准确性的方法也可以分为直接评估和间接评估的方法。直接评价方法基于切削。对这种评价而言，测量圆度、垂直度和工件的形状误差，同时考虑到稳定加工，限制允许的切削深度和切削速度。这种方法有几个问题,尤其是评估机体的困难性和极少数领域的应用。另一方面, 通过测量运动和机床零部件的精度的间接评价方法来评估加工精度。当直接分析机床的特征时，这种方法具有优越性。然而,这种方法的问题包括在机床精度和已确定的机床的性能之间不满足已建立的尺寸，分析技术和一个不清楚的关系7,10。选择评价项的标准如下。首先,检查热变形引起的热效应是必要的11。此外,在一个静态精度测试下检查机床的通用测试项目,平面度,主轴的径向跳动,转动的轴向跳动,直线运动精度。在这里, 选中一个向上/向下转移模型，研究在基本倾角下轴的径向跳动和直线运动。考虑到加工精度测试方法,检验顶部区域的形状和加工圆柱形状,以便于研究不同的圆柱度和平整度。2.1热变形的检查

热变形,这是指热引起的机床的形状和尺寸变化,对一个产品的准确性有显著影响。探讨热变形的影响,在最后加工件切割完成后，第一个加工件A和最后一个建工件B创建后存在验证步骤，如图2所示。

图2 热变形测量模型

然后,就可以发现是否发生热变形,最后确定是否可以抵消热变形8、9。2.2根据进料速度和向上/向下切割确定表面粗糙度特征

对球头铣刀加工,很难选择合适的与条件有关的加工的形状、尺寸和精度,这些影响切削力和刀具变形的因素基于切削方向8。因此,本文包括六个部分分析主轴的径向跳动的倾斜度和根据进给速率和向上/向下切割方向，检查加工误差和表面粗糙度问题。在图3中部分2和3研究向上倾斜30 度和45 度的表面粗糙度。部分5和6研究向下倾斜65 度的表面粗糙度。部分5和6研究向下倾斜65度的表面粗糙度。当刀具向上移动时，部分4检测向上的投影。第七节在小倾斜角1度评估轴的控制。当刀具沿30-49度角度斜面移动时,可以比较两个方面的不同之处。这就解释了为什么部分5和6讨论会导致相同的倾斜角度。所有部分利用主轴旋转速度，3000 rpm,6000 rpm,9000 rpm和进给3000毫米/分钟和5000毫米/分钟。2.3刀具向上/向下轨迹表面粗糙度特征

对于斜面加工,切割部分是分布式的向上切割底面外的工具的时候和向下切割时底部的内表面的工具。

图2热变形测量模型

图3显示倾角测量模型

在这一点上, 图4所示部分建立了比较单向加工和锯齿形加工方法。2.4加工圆柱时表面粗糙度的特点

图5所示的模型是用来研究根据圆截面进给速率和回转速率 的表面粗糙度。像线性斜部分,总共六个部分建立了设置主轴转速为3000 rpm,6000 rpm,9000 rpm和设置进给速度为3000毫米/分钟和5000毫米/分钟。考虑上述评价方法,切削加工性能试样了如图6所示。用商业软件Solidworks建立模型试样。

3．结果与讨论

使用商业软件CATIA工具进行路径的创建和仿真验证流程。

用Al6061大小为200毫米×140毫米×52毫米创建标本。表1包含了一般过程中在实际加工时没有指定的单独加工条件的信息。图7显示了一个加工试样。使用Optacom表面测量系统衡量表面粗糙度和使用奥林巴斯共焦激光扫描显微镜(LEXT-OLS3100)测量形状。这种测量设备图8所示。

图

7、制造的测试试样

图

8、测量设备

3.1通过热变形检测

在图3中A面最后切割,最后完成了B面。因此, 利用这个步骤以抵消热变形。热变形补偿过程表明,热变形非常轻微。图9显示了测量结果。

3.2表面粗糙度的特征取决于向上/向下切削

图10在一段30 度的斜面显示了表面粗糙度的特点。表面粗糙度随着转速的增加而减小,但是,进给速度放缓。在3000毫米/分钟和5000毫米/分钟之间也有显著差异的结果。图11在一段45度的斜面显示了表面粗糙度的特点,显示趋势类似30度的斜面。随着转速增加表面粗糙度会改善,但进给速度放缓。

图9热变形测量

图10表面粗糙度的特征取决于进给速率和转速(30 度向上)

图

11、表面粗糙度的特征取决于进给速率和转速(45度向上)图13显示了在一段向下倾斜65度的表面表面粗糙度的特点,这是背面面积向上倾斜30度的表面。这表明进给速率越低转速越高会提供表面粗糙度。在这种情况下,发现表面粗糙度要比比向下的方向的好。图14显示在一段65度向下倾斜表面表面粗糙度的特点,这是背面面积45度向上倾斜的表面。表面粗糙度是可以接受的,但是发现它比30度倾斜部分背面地区要粗糙。这最有可能发生,因为在向上切割时由于大斜角度工具的径向跳动会影响表面粗糙度。与前面的结果比较,发现进给率降低和转速增加会提高表面粗糙度。图15显示了1 度斜面表面粗糙度的特点,这是背面向上倾斜30度的表面。总的来说,发现测量表面的粗糙度会非常好。图12 在显微照片所示顶部区域特点取决于进给速率和转速

图13表面粗糙度的特性取决于进给速率和转速(65 度向下,30 度斜面背部区域)图16显示了45度向上倾斜的背部区域中1度斜面表面粗糙度的特点。虽然表面粗糙度一般都很好, 发现向下倾斜30度的背部区域更糟。上面的分析结果表明, 向上切割的时，倾斜角度应超过30度。这导致刀具更大的径向跳动。由于累积的切削时间，尽管有相同的1度倾斜角度，在准确性方面会对后期切割的45度表面造成负面影响。

3.3表面粗糙度的特性取决于工具在向上/向下切割时的路径

图17显示了表面粗糙度的特性取决于在向上和向下切削时加工路径。用单向方法,向上和向下切削的表面粗糙度水平分别是0.833µm和0.833µm。用锯齿形方法, 向上和向下切削的表面粗糙度水平分别是1.807µm和1.245µm，表明对于表面粗糙度向上切削的结果比向下切削的效果要好。同时,对刀具轨迹而言,发现使用单向方法要比锯齿形的方法好, 观察可能是上下切削时工具挠度的影响。这个结果和观测的总体趋势

7同是相同的，使用锯齿形的方法时表面加工精度降低，切削斜面和交替的结果，向上切削时的切削不足和向下切削时的过切现象。

（Feed 进给速率）

图14表面粗糙度的特性取决于进给速率和转速(65度向下,45度斜面的背部区域)

（surface roughness 表面粗糙度）

图15表面粗糙度的特性取决于进给速率和转速(1度斜面,35度斜面的背部区域)

3.4外圆加工表面粗糙度的特征

图18显示了外圆加工表面粗糙度的特点。对一些部分而言没有明显的特征。然而, 肉眼可见更高的转速会改善表面,与进给速率没有差别。因此，进料速率几乎不影响圆筒形状的表面粗糙度同时转速度会对表面粗糙度产生很高的影响。因为在圆柱加工期间不能确定合适的进给速率，这种现象最有可能发生。

图16表面粗糙度的特性取决于进给速率和转速(1度斜面,45度斜面的背部区域)

图16表面粗糙度的特性取决于刀具轨迹

图18显微照片所示圆柱段的表面粗糙度的特点

4、结论

本文评价的三轴加工中心用数控转台的机械加工性。结果给出了基于适用于本研究中提出的评价方法开发的测试试样机器特性的概述如下的评估。

1.通过几个步骤，热变形检测表明热变形被适当地抵消。2.关于在倾斜表面上表面粗糙度特性，更好的结果是在较低的倾斜角度部分观察向上和向下的机械加工。另外，当1°倾斜表面被加工，在一般的表面粗糙度发现在一个良好的状态。总体而言，表面粗糙度最好特性是具有较低的进给速度和较高的转速。在顶部区域，从进给速率的效果证实了供料速率没有被适当地控制。

3.关于根据刀具路径的表面粗糙度的特征，单向方法比之字形方法在表面粗糙度方面显示出更好的效果。这被发现是由发生在向上和向下切削时刀具偏转而引起的。另外，加工精度成为该加工结果与基于之字形方式倾斜面的话，由于向上切削时不足的切削和向下切削时过度切削交替。

4.由于不可能确保适当的进料速率，在圆筒形加工时，发现表面粗糙度极少受进给速率影响，同时显著受转速影响。

5.用于评估的一般机床切削的一种改进试样被发现适用于具有旋转轴的三轴MCT。实验对使用加工中心机床的特征进行了分析。结果表明，所提出的试验片可以在相似类型的机床开发研究应用。感谢

这项工作是由韩国(NRF)国家研究基金会支持的，并由韩国政府资助(MSIP)(No.2013035186)。

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10．Back, I.H., “机床传动机构设计的原则，“畅的月亮比出版商，修订版，第300-312，2001。11．Kim, S.I., Choi, D.B., Kang, J.P.and Kim, N.K.,”设计最新的机床技术，“阪酒吧。，pp.234-237，1995。

12．Choi, B.K, Jeon, C.S., Yoo, W.S., Pyeon, Y.S., and Jeong, Y.C., “CAD／CAM系统与数控加工，“科技媒体，第三版，第343-345，2001。

第四篇：数控回转工作台说明书

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

I

Abstract Numerical control there is in the future lathe to in will develop, the middle-grade to adopt popular numerical control knife rest form a complete set, adopt the motive force type knife rest top-grandly, have such varieties as knife rest of hydraulic pressure, servo knife rest, vertical knife rest, etc.concurrently, it is estimated that it will increase to numerical control knife rest demand greatly in recent years.The development trend of the Numerical control rotary table is: With the development of numerical control lathe, numerical control knife rest begin to change one hundred sheets , electric liquid is it urge and urge direction develop while being servo to make up fast.Some originally design and is it continue electricity to use to four worker location vertical electronic machinery of knife rest mainly-exposed to control system control some designs.And use AUTOCAD to pursue to the above part, have a more ocular knowledge of electronic knife rest.The last proposition has put forward the suggestion and measure to Numerical control rotary table.Keywords:Numerical control rotary table;Gear drive;Worm drive;Gap eliminati-on;The worm gear steps up.II

目 录

摘 要.....................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................II 绪 论....................................................................................................................1 第1章 数控技术发展趋势................................................................................4 1.1 性能发展方向.......................................................................................4 1.2 功能发展方向.......................................................................................5 1.3 体系结构的发展...................................................................................6 1.4 智能化新一代PCNC数控系统...........................................................7 1.5 本章小结...............................................................................................7 第2章 数控回转工作台的原理与及其组成..........................8 2.1 数控回转工作台工作的原理...............................................................8 2.2 数控回转工作台主要的组成部分.......................................................9 2.3本章小结.............................................................................................11 第3章 数控回转工作台总体结构设计..........................................................12 3.1 主要技术参数及其基本要求.............................................................12 3.1.1 技术参数..................................................................................12 3.1.2 基本要求..................................................................................12 3.2 传动方案的确定.................................................................................12 3.2.1 传动方案传动时应满足的要求..............................................12 3.2.2 传动方案及其分析..................................................................13 3.3 步进电机的原理.................................................................................14 3.4 电液脉冲马达的选择及运动参数的计算.........................................15 3.4.1 确定电机转速..........................................................................16 第4章 主要零部件的设计..............................................................................17 4.1 齿轮传动的设计.................................................................................17 4.1.1 选择齿轮传动的类型..............................................................17 4.1.2 选择材料..................................................................................17 4.1.3 按齿面接触疲劳强度设计......................................................17 4.1.4 确定齿轮的主要参数与主要尺寸..........................................18 4.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度..........................................................19

III

4.1.6 确定齿轮传动精度..................................................................20 4.1.7 齿轮结构设计..........................................................................20 4.2 蜗轮及蜗杆的选用与校核.................................................................20 4.2.1 选择蜗杆传动类型..................................................................21 4.2.2 选择材料..................................................................................21 4.2.3 按齿面接触疲劳强度设计......................................................21 4.3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸.................................................23 4.3.1 蜗杆..........................................................................................23 4.3.2 蜗轮..........................................................................................23 4.3.3 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度..................................................24 4.4 轴的校核与计算.................................................................................25 4.4.1 画出受力简图..........................................................................25 4.4.2 画出扭矩图..............................................................................25 4.4.3

弯矩图......................................................................................26 4.5 弯矩组合图.........................................................................................26 4.6 根据最大危险截面处的扭矩确定最小轴径.....................................26 4.7 齿轮上键的选取与校核.....................................................................26 4.8 轴承的选用.........................................................................................27 4.8.1 轴承的类型..............................................................................27 4.8.2 轴承的游隙及轴上零件的调配..............................................27 4.8.3 滚动轴承的配合......................................................................27 4.8.4滚动轴承的润滑......................................................................27 4.8.5 滚动轴承的密封装置..............................................................28 4.8.6 滚动轴承的寿命计算..............................................................28 4.9 本章小结.............................................................................................29 结 论..................................................................................................................30 致 谢..................................................................................................................31 参考文献..............................................................................................................32

IV

绪 论

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。以水平方式安装于主机工作台面上,工作时,利用主机的控制系统或专门配套的控制系统,完成与主机相协调的各种加工的分度回转运动。

将其安装在机床工作台上配置第四轴伺服电机,通过与X,Y,Z三轴的联动来完成被加工零件上的孔,槽及特殊曲线的加工。

随着现代加工要求的不断曾多，现在很多的国内外的商家也都研发和生产了一些带有回转功能的数控机床，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。

德国生产的大部分是双轴可倾斜式转台，5轴联动使用直驱的较多，高转速，高精度。大部分的国内外生产的数控机床都具有很精确的角度定位，正反转的控制。

在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型转台；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；在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。

在现有的三坐标联动数控机床的工作台上再增加一个具有两个旋转自由度的数控回转工作台，将其安装在原有的工作台上，与原有的工作台成为一个整体，成为一个多自由度的回转工作台，即双回转数控工作台。再通过对数控系统的升级，使该机床成为五坐标联动的数控机床。这样的双回转数控工作台不仅可以沿X、Y、Z方向作平行移动，在A、B两轴能同时运动，且能随时停止，在A轴上能够在一定角度内连续旋转，在B轴上可以做360度的连续旋转。不仅可以加工简单的直线、斜线、圆弧，还可适应更复杂的曲面和球形零件的加工，由文献[12,13]可知。

数控车床正向着中高挡发展，中档采用普通型数控刀架配套，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，大部分的数控机床都是在刀架上进行了很多的改进，而在数控的工作台上做回转的则是很少的。

而随着社会的不断发展人们对加工表面的复杂性的不断提高，对机床的要求也越来越高，所数控回转工作台式非常必要的。通过本次的设计可提高加工效率，完成更多的工艺，满足更多的加工要求。为加工中遇到的问题提供了更多的解决问题的可能性，提高生产精度。

社会在不断的进步，人们对时间的节省看的也是越来越重要，要在一定的时间创造更多的价值，对数控回转工作台和机床的组合的应用，可以很大程度上减少编程人员的计算时间，且机床的计算时间也会减少。回转工作台可以使多个相同的部件同时加工，以减少重复装卡重复定位，大大的减少了加工的时间。

数控回转工作台是落地铣镗床，端面铣床等工作母机不可缺少的主要辅机。可用作支承工件并使其作直线或回转等调整和进给运动，以扩大工作母机的使用性能，缩短辅助时间，广泛适用于能源，冶金，矿山，机械，发电设备，国防等行业的机械加工。

数控回转工作台属机床选购附件，可任意角度定位，与主机配合使用，能对安装在其上的弓箭进行角度铣削、调头镗孔和多面加工等等。实现一次装夹，多工序加工。

数控回转工作台通用性很强、应用范围很广的回转工作台而言, 它既是机床加工中一种重要的分度附件, 又是计量工作中不可缺少的角度仪器。用作加工时, 转台可以与普通钻、铣床, 或者精密铣床、镬床、磨床、座标镬床等配用, 对钻模、分度板、齿轮、凸轮、样板、多面体、端齿盘, 以及航空发动机的机匣、涡轮盘、复合钻具等等有精密角度要求的零件进行加工;用于计量时, 精密转台可以作为精密的角度测量仪器, 对各种有精密角度要求的零件进行检测。转台在机械、航空、仪表、电子等工业系统都有广泛的用途。转台的发展水平, 很大程度上标志着一个国家的工艺水平。随着工业生产的发展和技术水平的不断提高, 对转台的需要和要求也不断提高, 技术涉猎面由最初的单纯机械扩大到目前的机械、液压、气动、光学、电子、电磁等领域。转台的使用也由普通机床附件、一般的角度仪器, 扩大到与自动机床、加工中心或者三座标测量机联用, 从而实现对复杂角度零件进行高效和精密的加工或测量。

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，由文献[12,13]可知。

达到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，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。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。使所学的知识进一步巩固和加深，使之系统化、综合化。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。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。

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。

培养自己独立工作、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。

培养自己的设计计算、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。

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1章 数控技术发展趋势

1.1 性能发展方向

1.高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标，由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测 元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。

2.柔性化

包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。3.工艺复合性和多轴

以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。4.实时智能

早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。

1.2 功能发展方向

1.用户界面图形

用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。

2.科学计算可视化

科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。

3.插补和补偿方式多样

多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、样条插补(A、B、C样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。

4.内装高性能PLC 数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。

5.多媒体技术应用

多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理

声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。

1.3 体系结构的发展

1． 集成化

采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。

2.模块化

硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。

3.网络化

机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。

4.通用型开放式闭环控制模式

采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。

1.4 智能化新一代PCNC数控系统

当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。

智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。

1.5 本章小结

在当今的制造业的发展中，数控的应用已是越来越广泛了，已经成了制造业的通用加工方法。数控的引用大大的提升了产品的加工精度，社会科技进入了更高的台阶，所以我选择数控回转工作台作为我毕业设计的题目，是当今社会的发展趋势，对于我意义也是非常重要的。

第2章 数控回转工作台的原理与及其组成

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 数控回转工作台工作的原理

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。

见图2-1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。工作台的运功是由伺服电机，经齿轮减速后，由蜗轮蜗杆改变运动方向，最后传递到工作台。

1-蜗杆；2-蜗轮；

3、4-夹紧瓦；5-小液压缸；6-支座；7-光栅；

8、9-轴承

图2-1 自动换刀数控镗床的回转工作台

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，并在底座6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，活塞便压向钢球，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，在弹簧的作用下，钢球抬起，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，记忆在补偿回路中，由数控装置进行误差补偿。在全闭环控制系统中，由高精度的圆光栅7发出工作台精确到位信号，反馈给数控装置进行控制。

回转工作台设有零点，当它作回零运动时，先用挡铁压下限位开关，使工作台降速，然后由圆光栅或编码器发出零位信号，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。

其工作原理简述：

回转工作台的动力源由步进电机带动电液马冲马达提供，驱动圆柱齿轮传动，带动蜗轮蜗杆系统，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蜗轮夹紧装置，松开蜗轮，然后启动步进电机，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。

需要说明的是，当工作静止时必须处于锁紧状态，工作台沿起圆周反向均匀分布8个加紧液压缸进行加紧。工作台不会转时，加紧油缸的作用下向外运动通过夹紧块仅仅顶在蜗轮内壁，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复上述动作，松开蜗轮，使涡轮和回转工作台按照控制系统的指令进行回转运动。

2.2 数控回转工作台主要的组成部分

数控回转工作台是由步进电机带动电液脉冲马达作为动力源，在它的输出轴上接联轴器没再接一级齿轮减速器。该数控回转工作台由圆柱齿轮传动系统、蜗轮蜗杆传动系统。

因为是蜗轮蜗杆传动与分度，所以停位不受限，并不像端齿分度盘一样，只能分度固定角度的整数倍（5°、10°、15°等），而且偏转范围较大（110°到﹣70°），能加工任何角度与任何倾斜的孔与表面。齿的侧隙是靠齿轮制造和安装的精度来保持。大齿轮的支撑轴与蜗杆轴做成一个轴，这种联系方式能曾大连接的刚度和精度，更能减少功率的损耗，主要的部件: ●步进电动机

●电液脉冲马达

●直齿轮的传动系统

●蜗轮蜗杆传动系统

●工作台

●光栅的反馈

机床产品的很多单元都孕育在关键功能部件之中。在数控回转工作台中，其主要部件——蜗轮蜗杆调隙结构、闭环检验测结构、回转部位缩紧装置、润滑与密封等部位均属于关键部件。

调隙结构——双螺距渐厚蜗杆介绍

在数控机床中，分度工作台、分度工作台都广泛采用蜗杆蜗轮传动轮副的齿轮侧隙对其分度定位精度影响最大，因此消除蜗轮副的侧隙就成为数控回转工作台的关键问题，一般在要求连续精确分度的机构中（如齿轮加工机床数控回转工作台等）或为了避免传动机构承受脉动载荷（如断续铣削）而引起扭转振动的场合往往采用双螺距渐厚蜗杆，以便调整啮合侧隙的最小限度。由文献[11,13]可知。

图2-2 双螺距渐厚蜗杆调隙原理

双螺距渐厚蜗杆与普通螺杆的区别：

双螺距渐厚蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距（导程）；而同一侧面的齿距（导程）则是相等的（如图2-2所示）。双螺距渐厚蜗杆杆副的啮合原理与一般蜗杆副啮合原理相同。由于蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距，即左、右两侧具有不同的模数m（m=t/π）。因而同一侧面的齿距相同，故没有破坏啮合条件。双螺距渐厚蜗杆传动的公称模数m可看成普通蜗杆副的轴向模数，一般等于左、右齿面模数的平均值，此蜗杆齿厚从头到尾渐增厚。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。因此，可用轴向移动蜗杆的方法来消除蜗杆与涡轮的齿侧隙。

如图2-3为通用数控回转工作台的外部组成部分。

图2-3 数控回转工作台的外形结构

2.3 本章小结

主要简单介绍毕业设计题目（数控回转工作台）大体的工作原理，主要的零部件，设计背景、工作原理、设计参数也作了进一步的说明。

第3章 数控回转工作台总体结构设计

3.1 主要技术参数及其基本要求

3.1.1 技术参数

(1)回转半径：500 mm

(2)重复定位精度：0.005 mm(3)电液脉冲马达功率：0.75kW(4)电液脉冲马达转速：3000 rpm(5)总传动比：72.5

(6)最大承载重量：100kg 3.1.2 基本要求

(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(8)根据性能组合选择材料

(9)零件与整体零件之间精度的进行选择

(10)功能设计应适应制造工艺和降低成本的要求

3.2 传动方案的确定

3.2.1 传动方案传动时应满足的要求

数控回转工作台一般由原动机、传动装置和工作台组成，传动装置在原动机和工作台之间传递运动和动力，并可实现分度运动。在本课题中，原动机采用电液脉冲马达，工作台为T形槽工作台，传动装置由齿轮

传动和蜗杆传动组成。

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。

3.2.2 传动方案及其分析

数控回转工作台传动方案为：电液脉冲马达——齿轮传动——蜗杆传动——工作

该传动方案分析如下：

齿轮传动承受载能力较高，传递运动准确、平稳，传递 功率和圆周速度范围很大，传动效率高，结构紧凑。

1.蜗杆传动特点(1)结构紧凑

传动比大在分度机构中可达1000以上。与其他传动形式相比，传动比相同时，机构尺寸小，因而结构紧凑。

(2)传动平稳

蜗杆齿是连续的螺旋齿，与蜗轮的啮合是连续的，因此，传动平稳，噪声低。

(3)可以自锁

当蜗杆的导程角小于齿轮间的当量摩擦角时，若蜗杆为主动件，机构将自锁。这种蜗杆传动常用于起重装置中。

(4)效率低、制造成本较高

蜗杆传动是，齿面上具有较大的滑动速度，摩擦磨损大，故效率约为0.7-0.8，具有自锁的蜗杆传动效率仅为0.4左右。为了提高减摩擦性和耐磨性，蜗轮通常采用价格较贵的有色金属制造。

由以上分析可得：将齿轮传动放在传动系统的高速级，蜗杆传动放在传

动系统的低速级，传动方案较合理。

同时，对于数控回转工作台，结构简单，它有两种型式：开环回转工作台、闭环回转工作台。

2.两种型式各有特点(1)开环回转工作台

开环回转工作台和开环直线进给机构一样，都可以用点液脉冲马达、功率步进电机来驱动。

(2)闭环回转工作台

闭环回转工作台和开环回转工作台大致相同，其区别在于：闭环回转工作台有转动角度的测量元件（圆光栅）。所测量的结果经反馈与指令值进行比较，按闭环原理进行工作，使转台分度定位精度更高。

3.3 步进电机的原理

步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。

步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。

选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说，最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。

选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。

选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配,还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。

3.4 电液脉冲马达的选择及运动参数的计算

许多机械加工需要微量进给。要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可作为驱动元件。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。在闭环系统中，广泛采用电液脉冲马达作为执行单元。这是因为电液脉冲马达具有以下优点：

●直接采用数字量进行控制;●转动惯量小，启动、停止方便； ●成本低；

●无误差积累； ●定位准确；

●低频率特性比较好； ●调速范围较宽；

采用电液脉冲马达为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用电液脉冲马达的细分驱动技术。

1.电液脉冲马达电机的选择

按照工作要求和条件选Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电机。

2.选择电液脉冲马达的额定功率

马达的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。额定功率小于工作要求，则不能保证工作机器正常工作，或使马达长期过载、发热大而过早损坏；额定功率过大，则马达价格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪费。

工作所需功率为：

FVPw=wwkW

1000wTnwPw= kW

9950w式中T=150N·M, nw=36r/min,电机工作效率ηw=0.97，代入上式得

150×36Pw= =0.56 kW

9950×0.97

电机所需的输出功率为：P0=

Pw

式中 η为电机至工作台主动轴之间的总效率。

由文献[1]可知表2.4查得：

齿轮传动的效率为ηw=0.97；

对滚动轴承的效率为ηw=0.99；

蜗杆传动的效率为ηw=0.8。

因此，η=η1·η23·η3=0.97×0.993×0.8=0.75

P0.56P0=w=0.747 KW

0.75一般电机的额定功率：

Pm=(1-1.3)P0=(1-1.3)×0.747=0.747-0.97KW

由文献[1]可知，表2.1取

电机额定功率为：Pm=0.75 KW

3.4.1 确定电机转速

由文献[1]可知，表2.5推荐的各种机构传动范围为，取： 齿轮传动比：3-5，蜗杆传动比：15-32，则总的传动范围为：

i=i1×i2=3×15-5×32=45-160 电机转速的范围为：

N= i×nw=(45-160)×36=1620-5760 r/min

为降低电机的重量和价格，由文献[5]可知，表2.1中选取常用的同步转速为3000r/min的Y系列电机，型号为Y801-2，其满载转速nm=3000r/min,此外，电机的安装和外形尺寸可查表2.2。

第4章 主要零部件的设计

4.1 齿轮传动的设计

采用直齿轮传动结构见图4-1所示。

1-小齿轮；2-大齿轮

图4-1 直齿轮传动

由于前述所选电机可知T=2.39N·M，传动比设定为i=3，效率η=0.97工作日安排每年300工作日计，寿命为10年。

4.1.1 选择齿轮传动的类型

根据GB/T10085—1988的推荐，采用直齿轮传动的形式，由文献[3]可知。

4.1.2 选择材料

考虑到齿轮传动效率不大，速度只是中等，故蜗杆用45号钢；为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求齿轮面，硬度为45-55HRC。

4.1.3 按齿面接触疲劳强度设计

先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。设计公式：

2KT1u1ZHZE Φdu[σd]式中 T1——齿轮的传动转矩，N·M；

K——载荷系数； Φd——齿宽系数； u——传动比； ZH——区域系数；

ZE——材料的弹性影响系数；

[σH] ——接触疲劳许用应力，Mpa。1.齿轮传递转矩T1

d339.55106P9.551060.751M T12.39N·N130002.载荷系数K

由文献[1]可知，因载荷平稳，取K=1.2 3.齿宽系数Φd

取Φd =1.0（由文献[1]可知 表7-12)4.接触疲劳许用应力[σH]：

[σH] =[σH2] =220Mpa(由文献[1]可知 图7.23)5.传动比u u=3

6.区域系数ZH ZH=2.5 7.材料的弹性影响系数ZE ZE=189.8MPa

将以上参数代入公式

21.22.39u12.5189.8 d1u220

d132.88mm

4.1.4 确定齿轮的主要参数与主要尺寸

1.齿数z

取Z1=22，则Z2=i×Z1=3×22=66,取Z2=66

2.模数m

d32.88m1=1.49mm,取标准值m=1.5

Z1223.中心距a

1标准中心距 a=m(Z1+Z2)=60.5mm

24.其他主要尺寸

分度圆直径：d1=mZ1=1.5×22=33mm

d2=mZ2=1.5×66=99mm

齿顶圆直径：da1=d1+2m=33+2×1.5=36mm，da2=d2+2m=99+2×1.5=102mm

齿宽：b=Φd ·d1=0.6×33=19.8mm 取b2=b1+(5-10)=25-30mm 取b1=30mm

4.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度

设计公式：

σFKFtYFaYSa[σF] bm

式中 K——载荷系数；

Ft——齿轮所所受的圆周力，N； YFa1——齿形系数； YSa——应力校正系数； b——齿宽，mm； m——模数；

[σF]——弯曲疲劳许用应力，N。

复合齿形系数Ys：

由x=0（标准齿轮）及Z1、Z2查图6-29，由参考文献[1]得 小齿轮

YFS1=4.12 大齿轮 YFS2=3.96 则

2KT1YFS121.22.391034.12f174.6Mpa＜[σF1] bmd19.81.5331f1YFS174.63.96f171.70Mpa＜[σF2]

YFS14.12弯曲强度足够。

4.1.6 确定齿轮传动精度

轮圆周速度

d1nπ3.1472.5970v3.68m/s 6010006001000由由文献[3]可知，表6-4确定第Ⅱ公差组为8级。第Ⅰ、Ⅱ公差组也定为8级，齿厚偏差选HK

4.1.7 齿轮结构设计

小齿轮

da1 =33mm 采用实心式齿轮 大齿轮

da2 =99mm 采用腹板式齿轮

4.2 蜗轮及蜗杆的选用与校核

为了将轴的转动的方向改变，在这一传动的过程中采用蜗轮蜗杆的传动，方法如图4-2所示。蜗轮蜗杆的传动部仅仅能够改变轴的旋转方向，而且具有方向自锁的功能。传递运动也非常的平稳。

1-蜗轮

2-蜗杆

图4-2 蜗轮蜗杆的传动

由于前述所选电机可知T=6.93N·M传动比设定为i=27.5，效率η=0.8工作日安排每年300工作日计，寿命为10年。

4.2.1 选择蜗杆传动类型

根据GB/T10085—1988的推荐，采用渐开线蜗杆。由文献[3]可知。

4.2.2 选择材料

考虑到蜗杆传动效率不大，速度只是中等，故蜗杆用45号钢；为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求蜗杆螺旋齿面淬火，硬度为45-55HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。

4.2.3 按齿面接触疲劳强度设计

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，在校核齿根弯曲疲劳强度。

传动中心距：

a3KT2(ZEZ[H])2

式中 [σH] ——许用接触应力，N；

Zρ——圆柱蜗杆传动的接触系数； ZE——材料的弹性系数； K——计算系数；

T2——作用在蜗轮上的转矩，N·M。1.在蜗轮上的转距T2 按Z1=2；估取效率η=0.8 则 T2=T·η·i=153.4N·M 2.载荷系数K

因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数Kβ=1； 由使用系数KA表从而选,取KA=1.15；

由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1； 则 K=KA·Kβ·KV=1×1.15×1.1=1.265≈1.27 3.确定弹性影响系数ZE

选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配。4.确定接触系数Zρ

d先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值1=0.30，由参考文献[1]

a图8.12查出Zρ=3.12

5.确定许用应力[σH]

根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，从由文献[1]可知，表8-7可查得蜗轮的基本许用应力[σH]=268MPA。

因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位、其寿命系数为KHN=0.92，则

[σH]= KHN[σH]=0.92×268=246.56≈247Mpa

6.计算中心距a

a≧

3160×2.7

1.27×3538.2×(247)² =24mm 取中心距：a=50mm，m=1.25mm，蜗杆分度圆直径：d1=22.4mm，这时=0.448，从而可查得接触系数=2.72＜Zρ，因此以上计算结果可用。

4.3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸

4.3.1 蜗杆

1.直径系数

q=17.92；

2.分度圆直径 d1=22.4mm； 3.蜗杆头数 Z1=1；

4.分度圆导程角 γ=3°11′38″ 5.蜗杆轴向齿距 PA==3.94mm； 6.蜗杆齿顶圆直径 da1=d1+2ha*·m=32.2 7.蜗杆轴向齿厚

1Sa1.97mm

2m4.3.2 蜗轮

1.蜗轮齿数 Z2 =62；

2.变位系数 Χ=0；

3.验算传动比

Z62i262 Z1123

4.这是传动比误差为

（62-60）/60=2/60=0.033=3.3%

5.蜗轮分度圆直径 d2=mz2=1.25×62=77.5mm

6.蜗轮喉圆直径 da2=d2+2ha2=93.5 7.蜗轮喉母圆直径

rg2=a﹣0.5 da2 =50-0.5×93.5=3.25

4.3.3 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 计算公式：

1.53KT2YFa2Y[F] d1d2m式中 [σF] ——蜗轮的许用弯曲应力，N；

YFa2——齿形系数； Yβ——螺旋角系数； K——载荷系数；

T2——蜗轮上的转矩，N·M； m——模数；

d1——蜗杆上分度圆的直径，mm； d2——蜗轮分度圆直径，mm。1.当量齿数Zν2

Z262ZV262 33COS3.18COS3.182.齿形系数YFa2

根据Χ2=0，ZV2=62，可查得齿形系数YFa2=2.31，3.螺旋角系数Yβ

Y10.9773

1404.许用弯曲应力[σF] [σF]= [σH] ′KFN

[σF]=56×0.72=40.32MPa F24

1.53×1.27×1704045×155×2.5

=4.29MPa

所以弯曲强度是满足要求的。[σH] ′=4.4 轴的校核与计算

4.4.1 画出受力简图

图3-1 受力简图

计算出：R1=46.6N R2=26.2N

4.4.2 画出扭矩图

T=η·i·T电机

=0.36×60×0.98 =21.2 N·M

图3-2 扭矩图

4.4.3 弯矩图

M=72.8×180×10-3

=13.1N.图3-3 弯矩图

4.5 弯矩组合图

由此可知轴的最大危险截面所在。组合弯矩 M′ M2﹙aT﹚4.6 根据最大危险截面处的扭矩确定最小轴径

设计公式：

M2(aT)2ca[1]

W扭转切应力为脉动循环变应力，取a=0.6，由文献[2]可知。抗弯截面系数W=0.1d3

根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及小

4.7 齿轮上键的选取与校核

1.取键连接的类型好尺寸

因其轴上键的作用是传递扭矩，应用平键连接就可以了。在此用平键。由资料可查出键的截面尺寸为：宽度b=5mm，高度h=5mm，由连轴器的宽度并参考键的长度系列，从而取键长L=10mm。

2.键连接的强度

键、轴和连轴器的材料都是钢，因而可查得许用挤压力[σp]= 50～60MPa，取其平均值[σp]=135MPa。

键的工作长度l=L-b=10-5=5mm，键与连轴器的键槽的接触高度k=0.5h=2.5mm，从而可得：σp=2000T/(kld)=127≤[σp]

可见满足要求.此键的标记为：键B5×10 GB/T1096—1979。由文献[3]可知。

4.8 轴承的选用

滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。

4.8.1 轴承的类型

考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用调心性能比较好的圆锥滚子轴承。此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙。其机构代码为3000，然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号为：30208。

4.8.2 轴承的游隙及轴上零件的调配

轴承的游隙和欲紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。

4.8.3 滚动轴承的配合

滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸为基准。

4.8.4 滚动轴承的润滑

考虑到电动刀架工作时转速很高，并且是不间断工作，温度也很高。故采用油润滑，转速越高，应采用粘度越低的润滑油；载荷越大，应选

用粘度越高的。

4.8.5 滚动轴承的密封装置

轴承的密封装置是为了阻止灰尘，水，酸气和其他杂物进入轴承，并阻止润滑剂流失而设置的。密封装置可分为接触式及非接触式两大类。此处，采用接触式密封，唇形密封圈。

唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环行螺旋弹簧的紧扣作用而套紧在轴上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。即如果是为了油封，密封唇应朝内；如果主要是为了防止外物浸入，密封唇应朝外。

4.8.6 滚动轴承的寿命计算

计算公式：

16667ftC LhnfpPε式中 n——轴承的转速，r/min；

ft——温度系数； fp——载荷系数；

ε——轴承的寿命指数；

P——轴承所受的当量动负荷，N； C——轴承的基本额定动负荷，kN。1.轴承的基本额定动负荷C 由参考文献[6]附表9-4 C=63.0kN 2.轴承所受的当量动负荷P P=8877.66N 3.轴承的寿命指数ε 滚子轴承的ε=10/3 4.载荷系数fp

取fp=1.0—1.2（由文献[1]可知 表11-7)5.温度系数ft

取ft=1（由文献[1]可知 表11-8)6.轴承的转速n n=1000r/min Lh16667163100018877.661035500h

4.9 本章小结

对数控回转工作台的主要零件及传动系统的零件进行设计 选型 零件校核，按照机械设计一书进行设计，完成机械部分。

结 论

今年来随着我国国民经济的迅速发展和国防建设的需要，对高档数控机床提出了急迫的大量的需求。机床制造业是一国工业的奠基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。机床是一个国家制造业水平的象征，代表机床制造业最高境界的则是五轴联动数控机床系统。从某种意义上说，五轴联动数控机床反应了一个国家工业发展的水平状况。

但由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵，加之NC程序制作较难，使五轴系统难以“平民”化。所以通过数控回转工作台和三轴联动的数控铣床的连用，实现同时的控制即能实现五轴联动。这样即可减少固定资产的无形磨损，又避免购置新机的大量资金投入。

数控回转工作台的功用：

第一，使工作台进行圆周进给完成切削运动；第二，使工作台进行分度工作。它按照系统的命令，在需要时完成工作。

致 谢

本次毕业设计之所以能够按时按要求顺利完成，其中有老师和同学给予了莫大的支持和鼓励。

首先是芦老师，是他为我们毕业设计提供里大量的技术帮助，为我们安排设计进程，提供设计资料，并在课余时间为我们分析和讲解设计要点，使我更有信心和动力。

其次要感谢我的同学，他们很热心和无私，他们在我需要帮助之时伸出了援助之手，有了他们的关心和支持，毕业设计虽苦但感觉很快乐。

最后感谢我的知道老师们，他们为我提供了这次机会，没有他的指导，我也许不做毕业设计，就不会学到这么多的知识。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。

总之没有他们，就没这么完整和全面的毕业设计，所以要再次对他们说一次——谢谢你们！

参考文献 门艳忠.机械设计[M].北京：北京大学出版社 ,2010 8.2 何铭新，钱可强.机械制图[M].第五版.北京：高等教育出版社，2004 1.3 刘鸿文.材料力学[M].第四版.北京：高等教育出版社，2004:180-181.4 左键民.液压与气压传动[M].第四版.北京：机械工业出版社，2009 1.5 全国数控培训网络天津分中心.数控编程[M].北京：机械工业出版，1997.6 戴曙等.金属切削机床[M].北京：机械工业出版，1995.7 金属切削机床设计[M].机械工业出版社.8 机械设计计算手册.机械工业出版社.9 大连组合机床所.组合机床设计手册.机械工业出版社.10上海纺织工学院等.金属切削机床图册.上海科技出版社.11 崔旭芳，周英.数控回转工作台的原理和设计[J].砖瓦，2008（6）：51-52 12 孙德州.采用双楔环—钢球定位的新型回转工作台[J].组合机床与自动化技术,2005（4）：22-23.伍利群.齿轮传动间隙的消除办法[J]，机床与液压，2005（5）：596-599.14 MAKEOMN PA,LOXHAMJ.Some aspects of the design of high precision measuring measuring machines [J]Annal of the CIRP，1973,22（1）139-141.15 Donald H，Baker MP，computer Graphics[M]2nded Upper Saddled River:Prentice Hall,1997(3)10-11.16 ABELE E,ALTNTAS Y,BRECHER C.Machine tool spindle units[J]CIRP Annals –Manufacturing Technology，2010,59（2）：7881-802.32

第五篇：回转工作台轴承选用

机床主轴和转台的轴承选型浅析

机床工具行业作为机械装备工业的重要组成部分，在整个国民经济的发展过程中起着举足轻重的作用。据统计，在一般的机器制造中，机床所担负的加工工作量占总制造工作量的40%～60%左右，因而机床业发展水平通常是一个国家工业发展水平的标志。随着现代制造业的日益发展，客户对于工业母机-机床的要求也越来越高。目前，新材料、新工艺、新设备的不断涌现，对机床的加工能力带来了许多的挑战，为了能满足对上述结构件的加工，现代机床正向着“高速、精密、复合、智能化”的方向发展。

随着我国产业结构升级的深入，机床行业内也显示产业结构升级的趋势，即数控机床比例逐步上升，在数控领域，高端数控机床(如重型机床、智能机床等)所占的比例也不断上升，重型机床产品主要是为国家能源(火电、水电、核电、风力发电)、船舶制造、工程机械、冶金、航天、军工、交通运输(铁路、汽车)等主要工业支柱产业以及国家重点工程项目服务，国家重点工程项目为重型机床提供了广阔的市场。

本文主要介绍如何选择机床中应用于主轴轴承和转台轴承的轴承类型。

一、主轴轴承

主轴作为机床的关键部件，其性能会直接影响到机床的旋转精度、转速、刚性、温升及噪音等参数，进而会影响工件的加工质量，例如零件的尺寸精度，表面粗糙度等指标。因此，为了保持优秀的机床加工能力，必须配用高性能的轴承。用于机床主轴上的轴承精度应为ISO P5或以上(P5 或P4 是ISO的精度等级，通常从低到高为P0, P6, P5, P4, P2)，而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴支承，则需选用ISO P4或以上的精度;主轴轴承包括角接触球轴承、圆锥滚子轴承，以及圆柱滚子轴承等类型。

精密角接触球轴承

在上述的几种轴承中，以精密角接触球轴承的使用最为广泛。我们都知道角接触球轴承的滚动体是球;因为它是一种点接触(区别于滚子轴承的线接触)，所以它能提供更高的转速、更小的发热量和更高的旋转精度。在一些超高速的主轴应用场合，还会采用陶瓷球(一般为Si3N4或者是Al2O3)的混合型轴承。与传统的全淬透钢球相比，陶瓷球材料自身的特点赋予了陶瓷球轴承具有高刚度、高转速、耐高温、寿命长的特点，从而满足高端客户对机床轴承产品的需求。

就角接触球轴承的接触角而言，目前比较流行的是15?和25?的接触角;通常15?的接触角具有比较高的转速性能，而25?的接触角具有较高的轴向承载能力。由于预载的选择对于精密角接触球轴承应用的影响非常大，例如，在高承载、高刚性的场合，一般会选用中型或重型的轴承预载;而针对一些高转速、高精度的应用场合，我们在轴承的早期选型中，需要注意选择合适的预载，一般轻预载比较常见。预载一般分成轻型、中型、重型三种;为了方便客户的使用，目前世界上的几大轴承制造商都普遍提供预先研磨轴承端面而加预载的轴承，也就是我们通常所说的万能配对精密角接触球轴承形式。该类轴承免去了客户的预载调节，从而节省了安装时间。

精密圆锥滚子轴承

在一些重载且对速度有一定要求的机床应用场合中---如锻件的荒磨、石油管道的车丝机、重型车床和铣床等，选择精密圆锥滚子轴承是一种比较理想的方案。由于圆锥滚子轴承的滚子是线接触的设计，因此它能为主轴提供很高的刚性和承载;另外，圆锥滚子轴承是一种纯滚动的轴承设计，它能很好的降低轴承运转扭矩和发热，从而确保主轴的转速和精度。由于圆锥滚子轴承能够在安装过程中调节轴向预载(游隙)，这能让客户在轴承的整个使用周期中更好地优化轴承游隙调节。

此外，在一些内圈挡边线速度大于30米/秒的高速应用中，某些特殊设计的圆锥滚子轴承也能满足要求，如TSMA轴承或Hydra-Rib液力浮动挡边轴承。TSMA轴承的挡边有多个轴向方向的润滑油孔，可采用循环油润滑或油雾润滑，离心力可将油分布到滚子与挡边接触区，从而能更充分地润滑轴承，提高轴承转速。而Hydra-Rib液力浮动挡边轴承是专为优化主轴系统的预载而设计，轴承有可浮动的挡边，与滚子大端接触，不像常见的轴承有固定内圈挡边;且该浮动挡边由“压力”系统定位，这样就能保证轴承在各个工况条件下都能发挥最优异的性能, 并且已经成功的在国内客户中使用。

对于圆锥滚子轴承的精度选择而言，ISO P5级的轴承主要应用在传统的车床和铣床中;如果是加工中心、磨床等应用，通常会选择ISO P4或以上的精密轴承。在主轴设计中，比较常见的圆锥滚子轴承布局有两种。第一种是前端和后端各采用一个圆锥滚子轴承，并采用面对面的安装方式;这类设计结构紧凑，刚度高且便于安装和调节。

第二种是采用两个圆锥滚子轴承面对面安装作为主轴的前端，而后端使用一个双外圈、两个单内圈的轴承(TDO)作为浮动端使用;由于具有浮动能力，这类设计能很好的承受主轴的轴向热膨胀，且刚度很高，保证了机床的精度。

精密圆柱滚子轴承

在机床主轴的应用中，双列精密圆柱滚子轴承也会被使用到，通常与精密角接触球轴承或推力轴承组合应用。此类轴承能承受较大的径向载荷并允许有较高的转速。轴承中的两列滚子以交叉方式排列，旋转时波动频率比单列轴承大幅提高，振幅降低60%~70%。此类轴承通常有两种形式：NN30、NN30K两个系列轴承内圈带挡边，外圈可分离;NNU49、NNU49K两个系列轴承外圈带挡边，内圈可分离，其中NN30K和NNU49K系列内圈为锥孔(锥度 1：12)，与主轴的锥形轴颈配合，轴向移动内圈，可使内圈胀大，这样轴承游隙可以被减小甚至预紧轴承(负游隙状态)。圆柱孔轴承通常采用热装，利用过盈配合减小轴承游隙，或者预紧轴承。对内圈可分离的NNU49系列轴承，一般在内圈装上主轴后再对滚道精加工，以提高主轴旋转精度。

二、转台轴承

数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。数控机床在加工某些零件的时候，除了需要X,Y,Z三个坐标轴的直线进给运动外，有时候还需要有绕X,Y,Z三个坐标轴的圆周运动，我们分别称为A,B,C轴。

数控回转工作台可用来实现圆周进给运动。数控回转工作台(简称数控转台)除了可以实现圆周进给运动之外，还可以完成分度运动。而分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序，因此，大大提高了工作效率。数控转台的外形和分度工作台没有多大差别，但在结构上则具有一系列的特点。由于数控转台能实现进给运动，所以它在结构上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之处。不同点是驱动机构实现的是直线进给运动，而数控转台实现的是圆周进给运动。

回转工作台广泛地使用于各种数控铣床、镗床、各种立车、立铣等机床上。除了要求回转工作台能很好地承受工件重量外，还需要保证其在承载下的回转精度。转台轴承，作为转台的核心部件，在转台运行过程中，不仅要具有很高的承载能力，还需具备高回转精度、高抗倾覆能力、以及较高的转速能力等。在回转工作台设计中，使用的比较多的轴承类型大致分为这么几种：

推力球轴承 圆柱滚子轴承

推力球轴承能承受一定的轴向力，所以该轴承主要用于承受工件的重量;而圆柱滚子轴承主要用于径向的定位和承受外部的径向力(例如切削力、铣削力等)。该类设计应用广泛，并且成本也相对比较的低廉。由于推力球是一种点接触的轴承，所以它的轴向承载力相对比较有限，主要用于小型或中型的机床回转工作台中。此外推力球的润滑也比较困难。

静压轴承 精密圆柱滚子轴承

静压轴承是一种靠外部供给压力油，在轴承内建立静压承载油膜以实现液体润滑的滑动轴承。液体静压轴承从起动到停止始终在液体润滑下工作，所以没有磨损，使用寿命长，起动功率小;此外，这种轴承还具有旋转精度高，油膜刚度大，能抑制油膜振荡等优点。精密圆柱滚子轴承具有很好的径向承载力，并且由于采用了精密级的轴承，回转工作台的回转精度也能得到很好地保证。使用该类设计的回转工作台能承受很高的轴向力，有些工件的重量超过200吨以上，转台直径超过10米。但是该类设计也有一些不足之处，由于静压轴承必须附带一套专用的供油系统来供给压力油，维护比较复杂，而且成本也比较高。

交叉滚子轴承

交叉滚子轴承在转台上的应用也比较的普遍。交叉滚子轴承的特征是轴承中有两个滚道, 两排交叉排列的滚子。与传统的推力轴承 径向定心轴承组合相比，交叉滚子轴承结构紧凑, 体积小巧，并简化了工作台设计，从而降低了转台的成本。

另外，由于使用了优化的预紧力，该类轴承具有很高的刚度，因而转台的刚度和精度也都得到了保证。得益于两排交叉滚子的设计，轴承的有效跨距能被显着地提高，所以该类轴承具有很高的抗倾覆力矩。在交叉滚子轴承中，又分成两种类型：第一种是圆柱交叉滚子轴承，第二种是圆锥交叉滚子轴承。通常，圆柱交叉滚子轴承价格比圆锥交叉滚子轴承低, 适用于转速相对较低的转台应用中;而圆锥交叉滚子轴承采用了圆锥滚子的纯滚动设计，因此该类轴承具有

·运转精度高

·转速能力高

·减少轴长度和加工成本、热膨胀导致几何尺寸的变化有限

·尼龙分隔器、转动惯量低、启动扭矩低、易于控制角分度

·优化预紧力、刚度高、跳动小

·线接触、刚度大、引导滚子运转精度高

·渗碳钢提供优良的抗冲击力和表面抗磨能力

·简单但润滑充分

在轴承安装时，客户只需将交叉滚子轴承预紧到推荐的数值，而不必像静压轴承那样有一个复杂的安装调节流程。交叉滚子轴承安装简单，易于调整原有安装形式或维修方法。交叉滚子轴承适用于各种类型的立式或卧式镗床，以及立磨、立车和大型齿轮铣床等应用。

总而言之，轴承作为机床主轴和转台的核心部件，对机床的运行表现起到了举足轻重的作用。为了能选择合适尺寸和类型的轴承，我们需要综合考虑各种工况条件，例如运行速度、润滑、安装类型、主轴刚度、精度等要求。就轴承本身而言，只有充分地了解它的设计特点以及由此带来的优点和缺点，我们才能发挥出轴承的最佳性能。

主轴轴承的合理选用

用于机床主轴上的轴承精度应为ISO P5或以上（P5 或P4 是ISO的精度等级，通常从低到高为P0、P6、P5、P4、P2），而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴支承，则需选用ISO P4或以上的精度。主轴轴承包括角接触球轴承、圆锥滚子轴承，以及圆柱滚子轴承等类型。铝板点焊机

1.精密角接触球轴承

在上述的几种轴承中，以精密角接触球轴承（图1）的使用最为广泛。角接触球轴承的滚动体是球，因为它是一种点接触（区别于滚子轴承的线接触），所以能提供更高的转速、更小的发热量和更高的旋转精度。在一些超高速的主轴应用场合，还会采用陶瓷球（一般为Si3N4或者是Al2O3）的混合型轴承。与传统的全淬透钢球相比，陶瓷球材料自身的特点赋予了陶瓷球轴承具有高刚度、高转速、耐高温、寿命长的特点，从而满足高端客户对机床轴承产品的需求。

精密角接触球轴承

就角接触球轴承的接触角而言，目前比较流行的是15和25的接触角；通常15的接触角具有比较高的转速性能，而25的接触角具有较高的轴向承载能力。由于预载的选择对于精密角接触球轴承应用的影响非常大，如在高承载、高刚性的场合，一般会选用中型或重型的轴承预载；而针对一些高转速、高精度的应用场合，在轴承的早期选型中，需要注意选择合适的预载。预载一般分成轻型、中型、重型三种，一般轻预载比较常见。为了方便客户的使用，目前世界上的几大轴承制造商都普遍提供预先研磨轴承端面而加预载的轴承，也就是人们通常所说的万能配对精密角接触球轴承形式。该类轴承免去了客户的预载调节，从而节省了安装时间。

2.精密圆锥滚子轴承

在一些重载且对速度有一定要求的机床应用场合中，如锻件的荒磨、石油管道的车丝机、重型车床和铣床等，选择精密圆锥滚子轴承是一种比较理想的方案。由于圆锥滚子轴承的滚子是线接触的设计，因此它能为主轴提供很高的刚性和承载；另外，圆锥滚子轴承是一种纯滚动的轴承设计，它能很好地降低轴承运转扭矩和发热，从而确保主轴的转速和精度。由于圆锥滚子轴承能够在安装过程中调节轴向预载（游隙），这能让客户在轴承的整个使用周期中更好地优化轴承游隙调节。

此外，在一些内圈挡边线速度大于30m/s的高速应用中，某些特殊设计的圆锥滚子轴承也能满足要求，如TSMA轴承或Hydra-Rib液力浮动挡边轴承（图2）。TSMA轴承的挡边有多个轴向方向的润滑油孔，可采用循环油润滑或油雾润滑，离心力可将油分布到滚子与挡边接触区，从而能更充分地润滑轴承，提高轴承转速。而Hydra-Rib液力浮动挡边轴承是专为优化主轴系统的预载而设计，轴承有可浮动的挡边，与滚子大端接触，不像常见的轴承有固定内圈挡边；且该浮动挡边由“压力”系统定位，这样就能保证轴承在各个工况条件下都能发挥最优异的性能, 并且已经成功地在国内客户中使用。

带液力浮动挡边轴承的主轴设计

对于圆锥滚子轴承的精度选择而言，ISO P5级的轴承主要应用在传统的车床和铣床中；如果是加工中心、磨床等应用，通常会选择ISO P4或以上的精密轴承。在主轴设计中，比较常见的圆锥滚子轴承布局有两种。第一种是前端和后端各采用一个圆锥滚子轴承，并采用面对面的安装方式，这类设计结构紧凑，刚度高且便于安装和调节。

第二种是采用两个圆锥滚子轴承面对面安装作为主轴的前端，而后端使用一个双外圈、两个单内圈的轴承（TDO）作为浮动端使用；由于具有浮动能力，这类设计能很好地承受主轴的轴向热膨胀，且刚度很高，保证了机床的精度。

3.精密圆柱滚子轴承

在机床主轴的应用中，双列精密圆柱滚子轴承也会被使用到，通常与精密角接触球轴承或推力轴承组合应用。此类轴承能承受较大的径向载荷并允许有较高的转速。轴承中的两列滚子以交叉方式排列，旋转时波动频率比单列轴承大幅提高，振幅降低60%～70%。此类轴承通常有两种形式：NN30、NN30K两个系列轴承内圈带挡边，外圈可分离；NNU49、NNU49K两个系列轴承外圈带挡边，内圈可分离，其中NN30K和NNU49K系列内圈为锥孔（锥度1:12），与主轴的锥形轴颈配合，轴向移动内圈，可使内圈胀大，这样轴承游隙可以被减小甚至预紧轴承（负游隙状态）。圆柱孔轴承通常采用热装，利用过盈配合减小轴承游隙，或者预紧轴承。对内圈可分离的NNU49系列轴承，一般在内圈装上主轴后再对滚道精加工，以提高主轴旋转精度。

转台轴承的合理选型

数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。数控机床在加工某些零件的时候，除了需要X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动外，有时候还需要有绕X、Y、Z三个坐标轴的圆周运动，分别称为A、B、C轴。

数控回转工作台可用来实现圆周进给运动，除此之外，还可以完成分度运动。而分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序，因此，大大提高了工作效率。数控转台的外形和分度工作台没有多大差别，但在结构上则具有一系列的特点。由于数控转台能实现进给运动，所以它在结构上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之处。不同点是驱动机构实现的是直线进给运动，而数控转台实现的是圆周进给运动。

回转工作台广泛地使用于各种数控铣床、镗床、各种立车以及立铣等机床。除了要求回转工作台能很好地承受工件重量外，还需要保证其在承载下的回转精度。转台轴承，作为转台的核心部件，在转台运行过程中，不仅要具有很高的承载能力，还需具备高回转精度、高抗倾覆能力、以及较高的转速能力等。

1.推力球轴承+圆柱滚子轴承

推力球轴承能承受一定的轴向力，所以该轴承主要用于承受工件的重量；而圆柱滚子轴承主要用于径向的定位和承受外部的径向力（例如切削力、铣削力等）。该类设计应用广泛，并且成本也相对比较低廉。由于推力球是一种点接触的轴承，所以它的轴向承载力相对比较有限，主要用于小型或中型的机床回转工作台。此外推力球的润滑也比较困难。

2.静压轴承+精密圆柱滚子轴承

静压轴承是一种靠外部供给压力油，在轴承内建立静压承载油膜以实现液体润滑的滑动轴承。液体静压轴承从起动到停止始终在液体润滑下工作，所以没有磨损，使用寿命长，起动功率小；此外，这种轴承还具有旋转精度高，油膜刚度大，能抑制油膜振荡等优点。精密圆柱滚子轴承具有很好的径向承载力，并且由于采用了精密级的轴承，回转工作台的回转精度也能得到保证。使用该类设计的回转工作台能承受很高的轴向力，有些工件的重量超过200t以上，转台直径超过10m。但是该类设计也有一些不足之处，由于静压轴承必须附带一套专用的供油系统来供给压力油，维护比较复杂，而且成本也比较高。

3.交叉滚子轴承

交叉滚子轴承（图3）在转台上的应用比较普遍。交叉滚子轴承的特征是轴承中有两个滚道, 两排交叉排列的滚子。与传统的推力轴承+径向定心轴承组合相比（图4），交叉滚子轴承结构紧凑、体积小巧，并简化了工作台设计，从而降低了转台的成本。

另外，由于使用了优化的预紧力，该类轴承具有很高的刚度，因而转台的刚度和精度也都得到了保证。得益于两排交叉滚子的设计，轴承的有效跨距能被显着提高，所以该类轴承具有很高的抗倾覆力矩。在交叉滚子轴承中，又分成两种类型：第一种是圆柱交叉滚子轴承，第二种是圆锥交叉滚子轴承。通常，圆柱交叉滚子轴承价格比圆锥交叉滚子轴承低，适用于转速相对较低的转台应用中；而圆锥交叉滚子轴承采用了圆锥滚子的纯滚动设计，具有运转精度高，转速能力强，减少了轴长度和加工成本等优势。交叉滚子轴承适用于各种类型的立式或卧式镗床，以及立磨、立车和大型齿轮铣床等应用。

总而言之，轴承作为机床主轴和转台的核心部件，对机床的运行表现起到了举足轻重的作用。为了能选择合适尺寸和类型的轴承，我们需要综合考虑各种工况条件，例如运行速度、润滑、安装类型、主轴刚度、精度等要求。就轴承本身而言，只有充分地了解它的设计特点以及由此带来的优点和缺点，才能发挥出轴承的最佳性能。