数控机床回转工作台的设计NX7

第1章绪论

课程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。

1.1 数控机床的发展

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。

第2章总体方案

2.1 总体设计:

1.蜗轮蜗杆传动设计(选用蜗轮蜗杆传动,因为蜗杆传动平稳,振动,冲击和噪声均较小;能以单级传动获得教大的传动比,结构紧凑,有利于实现回转工作台所要求的分度的实现.故选用蜗轮蜗杆传动)。

2.步进电动机的选择(磁阻式步进电动机由于其结构简单，性能可靠，分辨率高等优点，故选择磁阻式步进电动机)。

2. 控制系统设计(包括机械部分和电机控制部分）。

3.单片机的选用（MCS-51单片机）。

4. 编写程序。

第3章蜗轮蜗杆传动设计

4.1 蜗杆类型的选择:

蜗杆选择为渐开线圆柱蜗杆.因为此种蜗杆不仅可车削还可以像圆柱齿轮那样用齿轮滚刀滚削,并可用但面或单锥面砂磨削.制造精度高.是普通圆柱蜗杆传动中较理想的传动.传动效率也高,在动力传动和机床精密传动中应用较为广泛。

4.2 蜗杆蜗轮材料的选择:

蜗杆材料为：渗碳钢，表面淬硬56-62HRC 牌号为20GrMnTi.蜗轮材料为：铸造锡青铜，牌号为ZcuSn10Pb1。

4.3 蜗杆蜗轮参数计算：

1.蜗杆传动尺寸的确定：

由设计题目中要求可知：工作台回转直径最大为400mm/50千克.由《齿轮手册》（上）表6.2-3取蜗杆蜗轮中心距标准a=225mm;

估取蜗杆分度圆直径:

为能获得较大的传动比,取蜗杆头数为: z =1;z =90

估取模数m: m=(1.4~1.7)a/z=3.6 取m=4

q=d/m=80/4=20

6tanγ=z/q 则γ=2.86°

2.确定蜗轮蜗杆各参数值

蜗杆尺寸

1)蜗杆轴向齿距:p=πm=3.14×4=12.56

2)螺旋线导程:p=p×z=15.4×4=12.56

3)法向齿形角:对于ZI蜗杆αn=20°在分度传动中允许减小齿形角α=15°

4)直径系数:q= d /m=80/4=20

5)蜗杆分度圆(中圆)直径: d(d)=d=qm=80

6)蜗杆分度圆(中圆柱)导程角: γ=2.86°

渐开线蜗杆:

基圆柱导程角: γ cosγ=cosαncosγγ =15.264°

7)基圆直径:d d = z m/tanγ =14.16

8)法向基节:p =πm cosγ =12.12

9)蜗杆齿轮顶高:h =h m=1×4=4

10)蜗杆齿根高:h =1.2m=4.8

11)蜗杆全齿高:h = h + h =4+4.8=8.8

12)顶隙:c =0.2m=0.8

13)齿根圆半径:ρ =0.3m=1.2

14)蜗杆齿顶圆直径:d =d +2 h =88

15)蜗杆齿根圆直径:d = d -2 h =70.4

16)蜗杆齿宽:b =95

蜗轮尺寸:

1)蜗轮中圆螺旋角:β =γ=2.86°

2)蜗轮分度圆(节圆)直径:d =m z =4×60=240mm

3)蜗轮中圆直径:d = d =240mm

4)蜗轮齿顶高:h =1×4=4mm

5)蜗轮齿根高:h =1.2×4=4.8mm

6)蜗轮全齿高:h =h =8.8mm

7)蜗轮齿顶圆直径:d =d+2ha=240+8=248mm

8)蜗轮齿根圆直径:df2= d -2h =240-9.6=230.4mm

9)蜗轮外圆直径:d = d +m=248+5=253mm

10)蜗轮齿宽:b =80.3mm

第4章步进电动机的选择

3.4.4 步进电机动态指标及术语

（1）步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

（2）失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。

（3）失调角：转子齿轴偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

（4）最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

（5）最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

（6）运行矩频特性：电机在测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图1-1所示：

图1-1力矩频率曲线

（7）电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角为1.8?）或在400pps左右（步距角为0.9?），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共

振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和真个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

其它特性还有惯性特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的精力矩确定而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如下图1-2所示：

图1-2力矩频率特性曲线

其中，曲线3电流最大、或高压最高；曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，进可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。

3.5 驱动控制系统组成

使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：

3.5.1 脉冲信号的产生

脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

3.5.2 功率放大

功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。

为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：

说明：

CP 接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）

OPTO 接CPU+5V

FREE 脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作

DIR 方向控制，与CPU地线相接，电机反转

VCC 直流电源正端

GND 直流电源负端

A 接电机引出线红线

接电机引出线绿线

B 接电机引出线黄线

接电机引出线蓝线步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下：

3.5.3 细分驱动器

在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。

步进电机的选型计算方法:

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

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。

选择步进电机需要进行以下计算：

（1）计算齿轮的减速比

根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:

i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1)

式中φ ---步进电机的步距角（o/脉冲）

S ---丝杆螺距（mm)

Δ---(mm/脉冲）

（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。

Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （1-2）

式中Jt ---折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)

J1、J2 ---齿轮惯量(Kg.cm.s2)

Js ----丝杆惯量(Kg.cm.s2) W---工作台重量（N）

S ---丝杆螺距（cm）

（3）计算电机输出的总力矩M

M=Ma+Mf+Mt （1-3）

Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 （1-4）

式中Ma ---电机启动加速力矩（N.m)

Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)

n---电机所需达到的转速（r/min）

T---电机升速时间（s）

Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-5）

Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)

u---摩擦系数

η---传递效率

Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-6）

Mt---切削力折算至电机力矩（N.m)

Pt---最大切削力（N）

（4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为

fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 （1-7）

式中fq---带载起动频率（Hz）

fq0---空载起动频率

Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)

若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.

（5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并

留有足够的余量。

（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt

之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2 ～0.4)Mmax. 根据计算可供选择的电动机型号：42BY48B 42BY100B 42BY48H

主要用途：

医疗仪器、工业自动化、办公自动化设备 绝缘电阻： 500DC 100MΩMIN 使用温度： -10℃—55℃

在这里我们选用了永磁式步进电机42BY48B,绝缘电阻：500DC 100MIN, 技术数据如下：

型号 步距角

相数 电压

电流 电

阻

最大静转矩

定位转矩

转子转动惯量

(g.cm2)

重量

(g)

转速

输入功率

42B Y48B01

7.5

4 24 0.22 110 500 100 7.9 100 970 11

卷筒直径0.1m ，载重0.2 t ，箕斗重0.1t ，提升速度1.5m/s ，加速时

间t 1=3s 减速时间t 2=3s ，稳速提升时间6s ，停歇时间8s ，提升机效率90%，钢 绳重量、摩擦、阻力、空气阻力等忽略不计，求提升机所需电动机功率，选用 Y2－2001.1－2。折算到卷筒轴上的总转动惯量100㎏.㎡

解：（1）转矩计算

2

1

s rad 3005.0*35.1R t V ===α

角减速度 22

s rad 1005.0*35.1R t V ===β 惯性部分加速转矩 m 1000N 10100J T 1?=?==αα 惯性部分减速转矩 m 1000N 10100J T 2

?=?==ββ 提升全载重加速转矩

m 30N 305.0)1002100(5.1t R vm R mv T 1

12

?=?+??===∑α

α 提升全载重减速转矩

m 30N 3)2002100(5.1t R vm R mv T 2

22

?=+?===∑αβ 提升不平衡负载所需要转矩

m 1N .9805.081.9200R G T 3

?=??==∑ 加速度过程中转矩

m 1128.1N 98.1301000T T T T 3211?=++=++=αα 减速过程中转矩

m 931.9N 301000-98.1T T T T 2132?=++=++-=）（）（ββ 稳速过程中转矩

m 1N .98T T 3?==稳速

(2)功率计算

加速过程中所需功率

843kw .331000

1.11281000W T P 1

1===

减速过程中所需功率

957kw .271000

309.9311000W T P 2

2=?==

稳速过程中所需功率

m 943N .21000

301.981000W T P ?=?==稳速

稳速

周期时间

3.1283.0365.06365.0t G t G t G T 0

2a mt =?+?++?=+++=βα 由于加减过程时间较短，电动机基本上是在额电转速下远行，故可以使用等效功率法计算需要的电动机功率：

78kw

.223

.123957.276943.2843.3396.01T t P P t P 1P 2

222222121D

=?+?+=++=稳速

η 所以选21.2001Y 2--

第5章控制系统设计

5.1 系统方案设计构成

本系统包括机械部分和伺服电机控制两部分。根据所给的要求，拟用开环控制结构设计方案。

具体原理：编写单片机指令，通过扫描键盘输入的数字记录需要转动的角度，然后计算需要输出的脉冲，用软件的方法实现脉冲的输出，然后由光电耦合电路减小外部的干扰，接着用环行分配器使各相绕组按一定的顺序通电，由功率放大电路实现功率的放大，然后接步进电动机，通过联轴器把力矩传到蜗杆、蜗轮减速器。由于蜗轮与回转工作台以传动轴相连接，具有相同的角速度，使得蜗轮的转动带动回转工作台的转动。理论上，回转工作台的转动角位移精度由微机发出的电平信号来控制。

5.2 单片机的选用

本设计选用8031芯片，片内无ROM或者EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPROM。本设计选用了2764扩展其空间，8031的引脚分3大功能：

（1）I/O口线

P0,P1,P2,P3共4个八位口。

（2）控制口线

PSEN(片外取指控制)、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESET （复位控制）。

（3）电源和时钟。

8031最小应用系统。8031内部不带ROM，需要外接EPROM作为外部程序存储器。又因为8031在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8位信息和数据

信息分时送出，故还需要采用一片74LS373来锁存低8为地址信息。这样，一片2764EPROM和一片74LS373组成了一个最小的计算机应用系统。如图

MCS-51的程序存储器空间与数据存储器空间是相互独立的。用户可最多扩展到64kb的程序存储器几64kb的数据存储器，编址为0000H~FFFFH。片内8kb 单元地址要求地址线13根（A0~A12）。

它由P0和P2.0~P2.4 组成。地址锁存器的锁存信号为ALE。程序存储器的取地址消耗为PSEN。由于程序存储器芯片只有一片，所以其片选端（31）直接接地。

8031芯片本身的连接31必须接地来表明选择外部存储器外，还必须有复位和时钟电路。在此系统中有P1、P3口作为用户I/O口使用；74LS373为地址锁存器，他是一片三态输出8D触发器，当OE=1时三态门导通，输出线上为8为锁存器的状态。当OE=1时输出为高住抗转台。G为锁存信号输入线，G=1时锁存器输出等于D端输入，G输入短跳变将输入信息锁存到8为锁存器中。

当8031在访问外部程序存储器时，P2口输入高8为地址：P6口分时传送底8为地址和指令字节。在ALE为高电平时，P0口输出的地址有效，并由ALE的下降沿锁存到地址锁存器中，此时外部程序存储器宣统信号线PSEN出现低电平，

选通相应的外部。EPROM存储器；相应的指令字节出现在EPROM的数据线（O0~O7）上，输入到P0口，CPU将指令字节读入指令寄存器。

5.3 光电耦合

为了防止强电干扰及其干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是实现采用滤波吸收，控制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，中断干扰信号的传导，光电隔离电路主要有光电耦合器的光电转换元件组成。如图

控制输出时，微机输出的控制信号经74LS04非门反相后，加到光电耦合器G的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经过反相加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏三极管截止，输出信号几乎等于加在光敏三极管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏三极管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。

5.4 环形分配器

D相驱动

C相驱动