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一、 課題來源、類型
來源：科研
類型：科研論文
二、選題的目的及意義
目的：隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，加工中心的需求也在增加，特別是四軸、五軸聯(lián)動的加工中心。雙軸回轉(zhuǎn)工作臺是五軸聯(lián)動的重要功能部件，它能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)軸和擺動軸的兩坐標定位。通過第四軸、第五軸驅(qū)動轉(zhuǎn)臺或分度頭完成精密角度的等分、不等分或連續(xù)的回轉(zhuǎn)加工，完成復雜曲面加工，使機床的加工范圍得以擴大。在三軸聯(lián)動的數(shù)控銑床上增加了雙軸回轉(zhuǎn)工作臺，并通過數(shù)控改造使之成為五軸數(shù)控銑床，是擴展普通機床使用功能的簡捷方式。
意義：五軸聯(lián)動數(shù)控機床是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復雜曲的機床，這種機床系統(tǒng)對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設備等等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力，堪稱“制造業(yè)之靈魂”。 而提高五軸聯(lián)動數(shù)控機床的科技含量、精密度的重要手段之一就是提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的精密度。需要不斷提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺工作性能，才能在實質(zhì)上提高我國五軸聯(lián)動數(shù)控機床的整體水平，使我國裝備制造業(yè)得到長足發(fā)展。
三、 本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢
研究狀況：五軸聯(lián)動數(shù)控機床是近幾年才發(fā)展起來的技術(shù)，標志著一個國家的工業(yè)技術(shù)水平。數(shù)控轉(zhuǎn)臺是數(shù)控機床的重要功能部件之一，國內(nèi)外將對其的研發(fā)和改進視為重中之重。只是國外研發(fā)步伐比較早，像美國，德國，日本這樣的發(fā)達國家在數(shù)控轉(zhuǎn)臺方面已經(jīng)有了較為成熟的技術(shù)，其表現(xiàn)為：具有較好的可靠性，耐用度和精度保持性等。我國的數(shù)控研發(fā)企業(yè)雖然起步很晚，但也奮起直追，在研發(fā)層面上已與國外企業(yè)水平相持平，只是苦于國內(nèi)加工企業(yè)其持設施較差，無法完成較高精度零件的加工，使得國產(chǎn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺在可靠性，精度保持性上與國外有較大差距。
發(fā)展趨勢：在規(guī)格上向兩頭延伸，即開發(fā)小規(guī)格和大規(guī)格的數(shù)控轉(zhuǎn)臺；在性能上進一步提高剎緊力矩、提高主軸轉(zhuǎn)速及可靠性；在蝸桿副傳動方面，大幅度提高工作臺轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)臺的承載能力；在轉(zhuǎn)臺形式方面，繼續(xù)開發(fā)研制兩軸聯(lián)動和多軸并聯(lián)回轉(zhuǎn)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺。在我國，數(shù)控機床與裝備的發(fā)展亦得到了高度重視，近年來取得了相當大的進步，特別是在通用數(shù)控領域，以PC為平臺的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)逐步縮短了與世界先進水平的差距。作為機床的主要組成部分，分度類機床附件（轉(zhuǎn)臺、分度頭、刀架）對機床的性能、質(zhì)量、可靠性起著至關(guān)重要的作用，作為數(shù)控轉(zhuǎn)臺的研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)，在近期的主要任務是進一步開發(fā)研制高精度、高剛性、高回轉(zhuǎn)速度的多功能數(shù)控轉(zhuǎn)臺。
四、 本課題主要研究內(nèi)容
研究內(nèi)容：雙軸回轉(zhuǎn)工作臺是五軸聯(lián)動機床的重要部件之一，本題將對其做簡單研究。我們知道五軸聯(lián)動機床是加工復雜表面的唯一手段，它之所以能實現(xiàn)五軸聯(lián)動關(guān)鍵在于它增加了雙軸回轉(zhuǎn)工作臺（與傳統(tǒng)三軸機床相比較）。雙軸回轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)了繞Z軸的回轉(zhuǎn)運動和繞X或Y軸的擺動，進而實現(xiàn)了復雜曲面的加工，完成了傳統(tǒng)機床無法完成的加工要求。首先通過參閱相關(guān)資料了解雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及發(fā)展狀況，重點掌握其結(jié)構(gòu)布局、重點功能部件的選擇及分布。主要內(nèi)容有：1.步進電機的選擇；2.工作臺方案的確定；3.雙回轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺結(jié)構(gòu)設計；4.渦輪蝸桿設計計算；5.齒輪設計計算。最后，在老師指導和幫助下，完成雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)設計和計算，采用SOLID EDGE三維制圖，并繪制裝配圖。
五、 完成論文的條件和擬采用的研究手段（途徑）
完成的條件：獨立認真完成。
研究手段：查閱各種相關(guān)資料，了解雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的作用、結(jié)構(gòu)、工作原理、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。在已有數(shù)控轉(zhuǎn)臺的基礎上，探求其可改進之處，仔細對比各節(jié)構(gòu)特點，根據(jù)使用要求選用相關(guān)的結(jié)構(gòu)，計算出各部件結(jié)構(gòu)尺寸，完成校核。
熟悉并能運用Solid Edge畫出其三維實體圖，實現(xiàn)它的空間正確裝配 ，檢查其空間運轉(zhuǎn)是否會產(chǎn)生碰撞交涉，最終實現(xiàn)正常運轉(zhuǎn)。之后，我們通過其三維造型導出二維視圖。
六、本課題進度安排、各階段預期達到的目標：
1.查閱資料（第 周）：查閱相關(guān)資料，了解雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)、工作原理、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 。
2.文獻綜述和開題報告（第 周）：完成文獻綜述和開題報告。
3.結(jié)構(gòu)分析和設計（第 周）：認真分析各主要功能部件的結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關(guān)參數(shù)計算各部分尺寸。
4.校核計算（第 周）：根據(jù)強度、剛度、精確度等要求對設計參數(shù)進行校核計算。
5.出 圖（第 周）：使用SOLID EDGE進行三維設計，并完成裝配圖。
6.撰寫論文（第 周）：總結(jié)前面過程，完成計算說明書。
7.準備答辯（第 周）：交畢業(yè)設計，準備答辯。
8.修改畢業(yè)設計（第 周）：經(jīng)過答辯，發(fā)現(xiàn)問題并且及時修改。
七、指導教師意見
對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結(jié)果的預測：
指導教師：
八、所 在 專 業(yè) 審 查 意 見
負責人：
畢業(yè)設計（論文）
文獻綜述
題目
雙軸回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)設計
專業(yè)
機械設計制造及其自動化
班級
學號
學生
指導教師
年
文獻綜述
一. 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺簡介[１]
雙軸回轉(zhuǎn)工作臺是五軸聯(lián)動的基礎，它能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)軸和擺動軸的兩坐標定位。在三軸聯(lián)動的數(shù)控銑床上增加了雙軸回轉(zhuǎn)工作臺，并通過數(shù)控改造使之成為五軸數(shù)控銑床，是擴展機床使用功能的簡捷方式。
數(shù)控機床加工某些零件時,除需要有沿X、Y、Z三個坐標軸的直線進給運動之外, 還需要有繞X、Y、Z三個坐標軸的圓周進給運動,分別稱為A、B、C軸。
安裝雙回轉(zhuǎn)軸工作臺的五軸聯(lián)動機床也稱五坐標機床, 它是在三個平動軸(沿X、Y、Z軸的直線運動) 的基礎上增加了兩個轉(zhuǎn)動軸(能實現(xiàn)繞X 軸、Z軸旋轉(zhuǎn)運動, 即A軸和C軸)，雙軸回轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)了A軸和C軸的轉(zhuǎn)動。 設置在床身上的工作臺可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，A軸一般工作范圍有限，并非360度。工作臺的中間還設有一個回轉(zhuǎn)臺，環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C軸都是360度回轉(zhuǎn)。這樣五軸聯(lián)動機床實現(xiàn)五軸聯(lián)動的關(guān)鍵就在于雙回轉(zhuǎn)軸工作臺。
二. 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的特點[１]
裝有雙軸回轉(zhuǎn)工作臺不僅可使刀具相對于工件的位置任意可控, 而且刀具軸線相對于工件的方向也在一定范圍內(nèi)任意可控,由此使的五軸聯(lián)動機床加工具有以下特點:
A. 可避免刀具干涉, 加工普通三坐標機床難以加工的復雜零件,加工適應性廣,如圖1 (a) 所示。
B. 對于直紋面類零件, 可采用側(cè)銑方式一刀成型, 加工質(zhì)量好、效率高,如圖1(b) 所示。
C. 對一般立體型面特別是較為平坦的大型表面, 可用大直徑端銑刀端面逼近表面進行加工, 走刀次數(shù)少, 殘余高度小, 可大大提高加工效率與表面質(zhì)量,如圖1(c) 所示。
D. 對工件上的多個空間表面可一次裝夾進行多面、多工序加工,加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度, 如圖1 (d) 所示。
E. 五軸加工時, 刀具相對于工件表面可處于最有效的切削狀態(tài)。例如使用球頭刀時可避免球頭底部切削,如圖1 (e) 所示, 利于提高加工效率。同時,由于切削狀態(tài)可保持不變,刀具受力情況一致, 變形一致, 可使整個零件表面上的誤差分布比較均勻,這對于保證某些高速回轉(zhuǎn)零件的平衡性能具有重要作用。
F. 在某些加工場合, 如空間受到限制的通道加工或組合曲面的過渡區(qū)域加工, 可采用較大尺寸的刀具避開干涉, 刀具剛性好,有利于提高加工效率與精度,如圖1 (f)所示?，F(xiàn)在, 大家普遍認為, 五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機轉(zhuǎn)子、汽輪機轉(zhuǎn)子、大型柴油機曲軸等加工的唯一手段。所以,每當人們在設計、研制復雜曲面遇到無法解決的難題時,往往轉(zhuǎn)向求助于五軸數(shù)控系統(tǒng)。
圖1 五軸聯(lián)動加工的特點
三. 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)和原理[１][2][3][4][5][6][12]
由于五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)價格十分昂貴, 加之NC 程序制作較難,使五軸系統(tǒng)難以“平民”化。
現(xiàn)在很多的工廠使用的是三軸聯(lián)動的數(shù)控機床,即能實現(xiàn)X、Y、Z三個軸方向的同時平動。如果再配上一個雙軸回轉(zhuǎn)工作臺,能實現(xiàn)繞X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)(即A軸和C軸), 再完成數(shù)控部分的改造,實現(xiàn)同時控制即能實現(xiàn)五軸聯(lián)動。這樣即可減少固定資產(chǎn)的無形磨損, 又避免購置新機的大量資金投入。
3.1雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的功用
第一, 使工作臺進行圓周進給完成切削工作;第二, 使工作臺進行分度工作。它按照控制系統(tǒng)的命令,在需要時完成上述務。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由伺服電動機驅(qū)動, 采用無級變速方式工作,所以定位精度完全由控制系統(tǒng)決定。
3.2 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的傳動和結(jié)構(gòu)
此處引用的工作臺屬于閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺, 兩個旋轉(zhuǎn)編碼器分別位于與工作臺固接的軸端和支撐座的尾端,能將旋轉(zhuǎn)后的位置準確的反饋回系統(tǒng)。這種數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由交流伺服電動機驅(qū)動, 在它的輸出軸上接連軸器, 再接一級齒輪減速器。該數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由圓柱齒輪傳動系統(tǒng)、渦輪渦桿傳動系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪夾緊裝置組成。
因為是渦輪渦桿傳動與分度, 所以停位不受限, 并不像端齒分度盤一樣, 只能分度固定的角度的整數(shù)倍(5°、10°、15°等), 而且偏轉(zhuǎn)范圍較大(110°～-70°),能加工任何角度與傾斜度的孔與表面。齒的側(cè)隙是靠齒輪制造精度和安裝精度來保持。大齒輪的支撐軸與渦桿軸做成一個軸, 這種聯(lián)結(jié)方式能增大連接的剛性和精度,更能減少功率的損耗。
其工作原理簡述如下:
回轉(zhuǎn)工作臺的運動由交流侍服電機驅(qū)動圓柱齒輪傳動, 帶動渦輪渦桿系統(tǒng), 使工作臺旋轉(zhuǎn)。當數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺接到數(shù)控系統(tǒng)的指令后, 首先松開圓周運動部分的渦輪夾緊裝置, 松開渦輪, 然后啟動交流侍服電機, 按
圖2 回轉(zhuǎn)工作臺的工作原理圖
數(shù)控指令確定工作臺的回轉(zhuǎn)方向、回轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)角度大小等參數(shù)。
擺動部分的工作原理與此相同。
需要說明的是, 當工作臺靜止時必須處于鎖緊狀態(tài), 工作臺沿其圓周方向均勻分布6個夾緊液壓缸進行夾緊。當工作臺不回轉(zhuǎn)時, 夾緊油缸在液壓油的作用下向外運動, 通過鎖緊塊僅僅頂在渦輪內(nèi)壁,從而鎖緊工作臺。當工作臺需要回轉(zhuǎn)時,數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令, 反向重復上述動作, 松開渦輪, 使渦輪和回轉(zhuǎn)工作臺按照控制系統(tǒng)的指令進行回轉(zhuǎn)運動。
3.3雙軸回轉(zhuǎn)工作臺C軸回轉(zhuǎn)部分
圖3 回轉(zhuǎn)工作臺工作原理
圖中：1--工作臺體，2--主軸，3--上多齒盤，4--下多齒盤，5--油缸下腔，6--齒盤離合器，7--齒輪，8--齒條，9--傳感器，10--傳感器，11--花鍵副，12--限位擋塊，13--底盤，14--活塞
分度動作順序如下:油缸下腔5 進油-- 活塞14 帶動工作臺體1抬起-- 上多齒盤3 與下多齒盤4 分離-- 主軸2 帶動齒盤離合器6 嚙合-- 回轉(zhuǎn)油缸(圖中未畫出) 帶動齒條8 前進-- 齒輪7 帶動工作臺體1 及上多齒盤3 回轉(zhuǎn)至下一工位-- 油缸下腔5 回油--工作臺體1 落下-- 多齒盤3 ,4 嚙合準確定位并夾緊-- 齒盤離合器6 分離-- 齒條8 縮回復位。
3.4回轉(zhuǎn)和擺動部分的傳動
圖4回轉(zhuǎn)部分和擺動部分中齒輪傳動渦輪渦桿傳動示意圖
由圖4可知 整個數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺按照功用不同可以分為兩個組成部分，即圓周回轉(zhuǎn)部分和擺動部分 ；在圓周回轉(zhuǎn)部分和擺動部分中又可以按照傳動結(jié)構(gòu)分為兩個部分 ，即齒輪傳動部分和蝸輪蝸桿傳動部分。
3.5雙軸回轉(zhuǎn)工作臺實物圖
正如上面所描述，本文介紹的雙軸回轉(zhuǎn)工作臺實物如圖5所示。
圖5雙軸回轉(zhuǎn)工作臺實物圖
四. 五軸聯(lián)動機床的結(jié)構(gòu)類型[9][12]
4.1立式五軸加工中心
這類加工中心是工作臺回轉(zhuǎn)軸（圖6）。設置在床身上的工作臺可以環(huán)
圖6立式雙軸回轉(zhuǎn)工作臺
繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，A軸一般工作范圍 30度至-120度。工作臺的中間還設有一個回轉(zhuǎn)臺，在圖示的位置上環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C軸都是360度回轉(zhuǎn)。這樣通過A軸與C軸的組合，固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的五個面都可以由立式主軸進行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0.001度，這樣又可以把工件細分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如與XYZ三直線軸實現(xiàn)聯(lián)動，就可加工出復雜的空間曲面，當然這需要高檔的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持。這種設置方式的優(yōu)點是主軸的結(jié)構(gòu)比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設計太大，承重也較小，特別是當A軸回轉(zhuǎn)大于等于90度時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。
另一種是依靠立式主軸頭的回轉(zhuǎn)（圖2）。主軸前端是一個回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞Z軸360度，成為C軸，回轉(zhuǎn)頭上還帶可環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，一般可達±90度以上，實現(xiàn)上述同樣的功能。這種設置方式的優(yōu)點是主軸加工非常靈活，工作臺也可以設計的非常大，客機龐大的機身、巨大的發(fā)動機殼都可以在這類加工中心上加工。這種設計還有一大優(yōu)點：我們在使用球面銑刀加工曲面時，當?shù)毒咧行木€垂直于加工面時，由于球面銑刀的頂點線速度為零，頂點切出的工件表面質(zhì)量會很差，采用主軸回轉(zhuǎn)的設計，
圖2 主軸回轉(zhuǎn)的立式五軸加工中心
令主軸相對工件轉(zhuǎn)過一個角度，使球面銑刀避開頂點切削，保證有一定的線速度，可提高表面加工質(zhì)量。這種結(jié)構(gòu)非常受模具高精度曲面加工的歡迎，這是工作臺回轉(zhuǎn)式加工中心難以做到的。為了達到回轉(zhuǎn)的高精度，高檔的回轉(zhuǎn)軸還配置了圓光柵尺反饋，分度精度都在幾秒以內(nèi)，當然這類主軸的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)比較復雜，制造成本也較高。
立式加工中心的主軸重力向下，軸承高速空運轉(zhuǎn)的徑向受力是均等的，回轉(zhuǎn)特性很好，因此可提高轉(zhuǎn)速，一般高速可達1,2000r/min以上，實用的最高轉(zhuǎn)速已達到4,0000轉(zhuǎn)。主軸系統(tǒng)都配有循環(huán)冷卻裝置，循環(huán)冷卻油帶走高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，通過制冷器降到合適的溫度，再流回主軸系統(tǒng)。X、Y、Z三直線軸也可采用直線光柵尺反饋，雙向定位精度在微米級以內(nèi)。由于快速進給達到40～60m/min以上，X、Y、Z軸的滾珠絲杠大多采用中心式冷卻，同主軸系統(tǒng)一樣，由經(jīng)過制冷的循環(huán)油流過滾珠絲杠的中心，帶走熱量。
4.2臥式五軸加工中心
此類加工中心的回轉(zhuǎn)軸也有兩種方式，一種是臥式主軸擺動作為一個回轉(zhuǎn)軸，再加上工作臺的一個回轉(zhuǎn)軸，實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工。這種設置方式簡便靈活，如需要主軸立、臥轉(zhuǎn)換，工作臺只需分度定位，即可簡單地配置為立、臥轉(zhuǎn)換的三軸加工中心。由主軸立、臥轉(zhuǎn)換配合工作臺分度，對工件實現(xiàn)五面體加工，制造成本降低，又非常實用。也可對工作臺設置數(shù)控軸，最小分度值0.001度，但不作聯(lián)動，成為立、臥轉(zhuǎn)換的四軸加工中心，適應不同加工要求，價格非常具有競爭力。
圖7 臥式雙軸回轉(zhuǎn)工作臺
另一種為傳統(tǒng)的工作臺回轉(zhuǎn)軸（圖3），設置在床身上的工作臺A軸一般工作范圍 20度至-100度。工作臺的中間也設有一個回轉(zhuǎn)臺 B軸，B軸可雙向360度回轉(zhuǎn)。這種臥式五軸加工中心的聯(lián)動特性比第一種方式好，常用于加工大型葉輪的復雜曲面?；剞D(zhuǎn)軸也可配置圓光柵尺反饋，分度精度達到幾秒，當然這種回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)比較復雜，價格也昂貴。
目前臥式加工中心工作臺可以做到大于1.25m2，對第一種五軸設置方式?jīng)]有什么影響。但是第二種五軸設置方式比較困難，因為1.25m2的工作臺做A軸的回轉(zhuǎn)，還要與工作臺中間的B軸回轉(zhuǎn)臺聯(lián)動確實勉為其難。臥式加工中心的主軸轉(zhuǎn)速一般在10,000rpm以上，由于臥式設置的主軸在徑向有自重力，軸承高速空運轉(zhuǎn)時徑向受力不均等，加上還要采用較大的BT50刀柄，一般最高可達20,000rpm。臥式加工中心快速進給達到30～60m/min以上，主軸電機功率22-40KW以上，刀庫容量按需要可從40把增加到160把，加工能力遠遠超過一般立式加工中心，是重型機械加工的首選。
加工中心大多可設計成雙工作臺交換，當一個工作臺在加工區(qū)內(nèi)運行，另一工作臺則在加工區(qū)外更換工件，為下一個工件的加工做準備，工作臺交換的時間視工作臺大小，從幾秒到幾十秒即可完成。最新設計的加工中心考慮到結(jié)構(gòu)上要適合組成模塊式制造單元（FMC）和柔性生產(chǎn)線（FMS），模塊式制造單元一般至少有兩臺加工中心和四個交換工作臺組成，加工中心全部并排放置，交換工作臺在機床前一字形排開，交換工作臺多的可以排成兩行、甚至雙層設計。兩邊各有一個工位作為上下工件的位置，其余工位上的交換工作臺安裝著工件等待加工，有一輛小車會按照系統(tǒng)指令，把裝著工件的交換工作臺送進加工中心，或從加工中心上取出完成加工的交換工作臺，送到下一個工位或直接送到下料工位，完成整個加工操作。柔性生產(chǎn)線除了小車、交換工作臺之外，還有統(tǒng)一的刀具庫，一般會有幾百把刀具，在系統(tǒng)中存入刀具的身份編碼信息，再通過刀具輸送系統(tǒng)送進加工中心，并把用完的刀具取回，柔性生產(chǎn)線往往還需要一臺FMS的控制器來指揮運行。
五. 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的發(fā)展[9][10][11][12][13]
裝備制造業(yè)是一國工業(yè)之基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達工業(yè)化國家，也無不高度重視。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟迅速發(fā)展和國防建設的需要，對高檔的數(shù)控機床提出了急迫的大量需求。機床是一個國家制造業(yè)水平的象征。而代表機床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)，從某種意義上說，反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況?！ ￠L期以來，以美國為首的西方工業(yè)發(fā)達國家，一直把五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)作為重要的戰(zhàn)略物資，實行出口許可證制度。特別是冷戰(zhàn)時期，對中國、前蘇聯(lián)等社會主義陣營實行封鎖禁運。愛好軍事的朋友可能知道著名的“東芝事件”：上世紀末，日本東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床，結(jié)果讓前蘇聯(lián)用于制造潛艇的推進螺旋槳，上了幾個檔次，使美國間諜船的聲納監(jiān)聽不到潛艇的聲音了，所以美國以東芝公司違反了戰(zhàn)略物資禁運政策，要懲處東芝公司。
五軸聯(lián)動數(shù)控機床是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復雜曲的機床，這種機床系統(tǒng)對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設備等等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力，堪稱“制造業(yè)之靈魂”。?現(xiàn)在，大家普遍認為，五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機轉(zhuǎn)子、汽輪機轉(zhuǎn)子、大型柴油機曲軸等等加工的唯一手段。
而提高五軸聯(lián)動數(shù)控機床的科技含量、精密度的重要手段之一就是提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的精密度。要在不斷提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺工作性能，才能在實質(zhì)上提高我國五軸聯(lián)動數(shù)控機床的整體水平，使我國裝備制造業(yè)得到長足發(fā)展。
參考文獻
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畢業(yè)設計（論文）
題目
雙軸回轉(zhuǎn)工作臺
專業(yè)
機械設計制造及其自動化
班級
學號
學生
指導教師
九 年
雙軸回轉(zhuǎn)工作臺
摘? 要
在現(xiàn)有的三坐標聯(lián)動數(shù)控機床的工作臺上再增加一個具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，將其安裝在原有的工作臺上，與原有的工作臺成為一個整體，成為一個多自由度的回轉(zhuǎn)工作臺，即雙軸回轉(zhuǎn)工作臺。再通過對數(shù)控系統(tǒng)的升級（不屬于此題范疇），使該機床成為五坐標聯(lián)動的數(shù)控機床。這樣的雙回轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺不僅可以沿X、Y、Z方向作平行移動，在A、B兩軸能同時運動，且能隨時停止，在A軸上能夠在一定角度內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，在B軸上可以做360度的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。不僅可以加工簡單的直線、斜線弧，還可適應更復雜的曲面和球形零件的加工。
關(guān)鍵詞：雙軸，回轉(zhuǎn)工作臺，五坐標聯(lián)動，設計，機床
The double turns round rotary worktable
ABSTRACT
At current three sit the mark connect the number that move the work on the stage controls the machine bed increases a number for having two revolve free degree controls the turn-over work set, will its gearing is in the original work on the stage, with originally possessed of the work set becomes a the whole, becoming the turn-over work set of a many free degrees, namely the double turns round the number controls the work set. Pass again the grade creep( do not belong to this category) that logarithms control system, make the machine's bed become five sit the mark connect the dynamic number controls the machine bed. Such a turn-over number controls the work set can not only make the parallel ambulation along the X, Y, the direction of Z, continuing to revolve in A, B two stalks can at the same time exercise, and can at any time stop, on the A stalk can in the certain angle, canning? the 360 degrees of revolving continuously on the B stalk. Can not only process the simple straight line, oblique line, arc, can but also adapt to the more complicated curved face to processes with the spheroid spare parts.
Key words：The double turns round, rotary worktable, Five sit the mark; Connect to move, design, Machine bed
目??? 錄
第1章? 緒? 論?1
1.1? 本課題的研究范圍及應解決的主要問題?1
1.2? 本課題的研究目的和現(xiàn)實意義.?1
1.3? 國內(nèi)外現(xiàn)有數(shù)控發(fā)展狀況?2
1.4? 當代數(shù)控發(fā)展的主要趨勢?3
1.5? 數(shù)控機床的升級（五軸聯(lián)動）?11
第2章? 電動機的選擇?12
2.1? 步進電動機的特點與種類?12
2.1.1? 步進電動機的特點?12
2.1.2? 步進電動機的種類?12
2.2? 步進電動機的選擇?14
第3章? 工作臺方案的選定?24
3.1? 分度工作臺?24
3.2? 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺?25
3.2.1? 開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺?26
3.2.2? 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺?27
3.3? 調(diào)隙結(jié)構(gòu)?27
3.3.1 雙螺距蝸桿傳動
3.3.2 雙蝸桿傳動
3.4 閉環(huán)結(jié)構(gòu)方案設計
第4章? 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)設計?30
第5章? 蝸輪蝸桿設計計算?34
5.1 蝸桿傳動輸入?yún)?shù)?34
5.2? 接觸疲勞強度計算?34
5.3? 確定蝸輪蝸桿主要尺寸?36
5.4? 蝸桿的傳動效率?37
5.5? 蝸桿蝸輪的精度等級的選擇?37
5.6? 蝸桿傳動的熱平衡計算?38
第6章? 齒輪設計計算?39
6.1 齒輪設計輸入?yún)?shù)?39
6.2 齒輪傳動結(jié)構(gòu)形式和布置形式?39
6.3 材料及熱處理?39
6.4?初步確定齒輪基本參數(shù)?40
6.5?齒面接觸疲勞強度的校核?43
6.6?齒根彎曲強度的校核?44
6.7 齒輪基本參數(shù)
第7章? 結(jié)? 論?71
參考文獻?72
英文原文：?73
中文譯文：?78
致? 謝?82
第1章? 緒? 論
1.1? 本課題的研究范圍及應解決的主要問題
本課題內(nèi)容為雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)設計，那么其研究范圍則包括：雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的工作原理、功能結(jié)構(gòu)及重要功能部件的結(jié)構(gòu)設計與計算。由此可知，本課題主要解決的問題有：1.熟悉并掌握雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的工作原理；2.初步定下其功能結(jié)構(gòu)；3.完成相關(guān)（傳動、鎖緊、密封、潤滑等）結(jié)構(gòu)設計；4.進行尺寸計算和校核運算；5.使用SOLID EDGE完成雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的三維造型設計和工程圖。
1.2? 本課題的研究目的和現(xiàn)實意義
隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，加工中心的需求也在增加，特別是四軸、五軸聯(lián)動的加工中心。雙軸回轉(zhuǎn)工作臺是五軸聯(lián)動的重要功能部件，它能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)軸和擺動軸的兩坐標定位。通過第四軸、第五軸驅(qū)動轉(zhuǎn)臺或分度頭完成精密角度的等分、不等分或連續(xù)的回轉(zhuǎn)加工，完成復雜曲面加工，使機床的加工范圍得以擴大。在三軸聯(lián)動的數(shù)控銑床上增加了雙軸回轉(zhuǎn)工作臺，并通過數(shù)控改造使之成為五軸數(shù)控銑床，是擴展普通機床使用功能的簡捷方式。
五軸聯(lián)動數(shù)控機床是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復雜曲的機床，這種機床系統(tǒng)對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設備等等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力，堪稱“制造業(yè)之靈魂”。 而提高五軸聯(lián)動數(shù)控機床的科技含量、精密度的重要手段之一就是提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的精密度。需要不斷提高雙軸回轉(zhuǎn)工作臺工作性能，才能在實質(zhì)上提高我國五軸聯(lián)動數(shù)控機床的整體水平，使我國裝備制造業(yè)得到長足發(fā)展。
1.3? 國內(nèi)外現(xiàn)有數(shù)控發(fā)展狀況
五軸聯(lián)動數(shù)控機床是近幾年才發(fā)展起來的技術(shù)，標志著一個國家的工業(yè)技術(shù)水平。數(shù)控轉(zhuǎn)臺是數(shù)控機床的重要功能部件之一，國內(nèi)外將對其的研發(fā)和改進視為重中之重。只是國外研發(fā)步伐比較早，像美國，德國，日本這樣的發(fā)達國家在數(shù)控轉(zhuǎn)臺方面已經(jīng)有了較為成熟的技術(shù)，其表現(xiàn)為：具有較好的可靠性，耐用度和精度保持性等。我國的數(shù)控研發(fā)企業(yè)雖然起步很晚，但也奮起直追，在研發(fā)層面上已與國外企業(yè)水平相持平，只是苦于國內(nèi)加工企業(yè)其持設施較差，無法完成較高精度零件的加工，使得國產(chǎn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺在可靠性，精度保持性上與國外有較大差距。
1.4?當代數(shù)控發(fā)展的主要趨勢
在規(guī)格上向兩頭延伸，即開發(fā)小規(guī)格和大規(guī)格的數(shù)控轉(zhuǎn)臺；在性能上進一步提高剎緊力矩、提高主軸轉(zhuǎn)速及可靠性；在蝸桿副傳動方面，大幅度提高工作臺轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)臺的承載能力；在轉(zhuǎn)臺形式方面，繼續(xù)開發(fā)研制兩軸聯(lián)動和多軸并聯(lián)回轉(zhuǎn)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺。在我國，數(shù)控機床與裝備的發(fā)展亦得到了高度重視，近年來取得了相當大的進步，特別是在通用數(shù)控領域，以PC為平臺的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)逐步縮短了與世界先進水平的差距。作為機床的主要組成部分，分度類機床附件（轉(zhuǎn)臺、分度頭、刀架）對機床的性能、質(zhì)量、可靠性起著至關(guān)重要的作用，作為數(shù)控轉(zhuǎn)臺的研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)，在近期的主要任務是進一步開發(fā)研制高精度、高剛性、高回轉(zhuǎn)速度的多功能數(shù)控轉(zhuǎn)臺。
1.5? 數(shù)控機床的升級（五軸聯(lián)動）
數(shù)控機床加工某些零件時,除需要有沿X、Y、Z三個坐標軸的直線進給運動之外,還需要有繞X、Y、Z三個坐標軸的圓周進給運動,分別稱為A、B、C軸。五軸聯(lián)動機床也稱五坐標機床,它是在三個平動軸(沿X、Y、Z軸的直線運動)的基礎上增加了兩個轉(zhuǎn)動軸(能實現(xiàn)繞X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)運動,即A軸和C軸),不僅可使刀具相對于工件的位置任意可控,而且刀具軸線相對于工件的方向也在一定范圍內(nèi)任意可控,由此使五坐標加工工具有以下特點:
圖 五坐標加工的特點
（1）.可避免刀具干涉,加工普通三坐標機床難以加工的復雜零件,加工適應性廣,如圖1(a)所示。
（2）.對于直紋面類零件,可采用側(cè)銑方式一刀成型,加工質(zhì)量好、效率高,如圖1(b)所示。
（3）.對一般立體型面特別是較為平坦的大型表面,可用大直徑端銑刀端面逼近表面進行加工,走刀次數(shù)少,殘余高度小,可大大提高加工效率與表面質(zhì)量,如圖1(c)所示。
（4）.對工件上的多個空間表面可一次裝夾進行多面、多工序加工,加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度,如圖1(d)所示。
（5）.五軸加工時,刀具相對于工件表面可處于最有效的切削狀態(tài)。例如使用球頭刀時可避免球頭底部切削,如圖1(e)所示,利于提高加工效率。同時,由于切削狀態(tài)可保持不變,刀具受力情況一致,變形一致,可使整個零件表面上的誤差分布比較均勻,這對于保證某些高速回轉(zhuǎn)零件的平衡性能具有重要作用。
（6）.在某些加工場合,如空間受到限制的通道加工或組合曲面的過渡區(qū)域加工,可采用較大尺寸的刀具避開干涉,刀具剛性好,有利于提高加工效率與精度,如圖1(f)所示。
現(xiàn)在,大家普遍認為,五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機轉(zhuǎn)子、汽輪機轉(zhuǎn)子、大型柴油機曲軸等加工的唯一手段。所以,每當人們在設計、研制復雜曲面遇到無法解決的難題時,往往轉(zhuǎn)向求助于五軸數(shù)控系統(tǒng)。
因此在傳統(tǒng)的三軸聯(lián)動機床上安裝一個雙軸回轉(zhuǎn)工作臺，即在X、Y、Z三個直線運動軸之外增加了一個回轉(zhuǎn)軸和可傾軸，就完成了五周聯(lián)動的硬件設計。雙軸回轉(zhuǎn)工作臺是三軸聯(lián)動與五軸聯(lián)動的主要區(qū)別之一。
第2章? 電動機的選擇
2.1? 步進電動機的特點與種類
2.1.1? 步進電動機的特點
步進電動機是一種同步電動機，定子磁場在空間旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。定子磁場的激磁磁勢為脈沖式，使磁場以一定頻率步進式旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子也就一步一步旋轉(zhuǎn)?？梢?，步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移（或直線位移）的執(zhí)行元件。給步進電動機供電的電源是脈沖電源，而不是直流電源或正弦交流電源。步進電動機的特點是：
?。?）步進電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速主要取決于脈沖的頻率，轉(zhuǎn)子總的角位移取決于總的脈沖數(shù)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向取決于分配脈沖的相序。其步距值不受各種干擾因素的影響。
?。?）步進電動機每走一步所轉(zhuǎn)過的角度（實際步距值）與理論步距值之間總有一定的誤差。從某一步到任何一步，即走任意步數(shù)后，也總會有一定的累積誤差，但每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零，亦即步距誤差不長期積累。
一般步進電機的精度為步進角的3%-5%。
（3）步進電機外表允許的最高溫度。
步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
（4）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。
當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。
（5）步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。
步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。
步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。
2.1.2? 步進電動機的種類
（一）按力矩產(chǎn)生的原理分
1.反應式步進電機：轉(zhuǎn)子無繞組；定子上有繞組，被激磁后產(chǎn)生反應力矩，實現(xiàn)步進運動。
2.激磁式步進電機：轉(zhuǎn)子有繞組(或用永久磁鋼) ；定子上有繞組；繞組被激磁后產(chǎn)生電磁力矩，實現(xiàn)步進運動。
（二）按輸出力矩大小分
1.伺服式步進電機: 輸出力矩小,只能驅(qū)動較小的負載;若要驅(qū)動機床工作臺等較大的負載,須和液壓扭矩放大器配合。
2.功率式步進電機: 輸出力矩較大, 能直接驅(qū)動機床工作臺等較大的負載。
（三）按定子數(shù)分
1.單定子式步進電機；
2.雙定子式步進電機；
3.三定子式步進電機；
4.多定子式步進電機。
（四）按各相繞組分布分:
1.徑向分相式: 電機各相按圓周依次排列；
2.軸向分相式: 電機各相按軸向依次排列。
2.2? 步進電動機的選擇
根據(jù)任務書中的要求：回轉(zhuǎn)軸和可傾軸的總傳動比均為1：90，且工作臺臺面直徑為120mm,工作轉(zhuǎn)速2000rpm。我們選定電機為MINAS A系列中MDMA系列（中慣量）電機：額定功率1KW，額定轉(zhuǎn)矩4.8NM,最大轉(zhuǎn)矩14.4NM,額定轉(zhuǎn)速2000rpm。
第3章? 工作臺方案的選定
3.1? 分度工作臺
分度工作臺的分度、轉(zhuǎn)位和定位工作,是按照控制系統(tǒng)的指令自動地進行,每次轉(zhuǎn)位回轉(zhuǎn)一定角度(5°、10°、15°、30°、45°、90°、180°),但實現(xiàn)工作臺轉(zhuǎn)位的機構(gòu)都很難達到分度精度的要求,所以要有專門的定位元件來保證。因此定位元件往往是分度工作臺的關(guān)鍵。常用的定位元件有插銷定位、反靠定位、鋼球定位和齒盤定位等幾種。
雙楔環(huán) - 鋼球定位機構(gòu)只限制了工作臺體的 3 個自由度 ,工作臺體主定位面的 3 個自由度由工作臺底座環(huán)形滑動導軌面限制 ,雙楔環(huán)V型溝槽及鋼球只承受夾緊力及一部分切削力 ,不承受夾具、工件的重量以及工作臺體自重和撞擊力 ,大部分切削力作用于導軌面上 ,承載剛性比多齒盤高得多。鋼球在內(nèi)外環(huán)的V型溝槽內(nèi)靈活運動 ,可以完全消除鋼球與內(nèi)外環(huán) V型溝槽斜面的間隙 ,夾環(huán)受力變形后仍然可以通過鋼球?qū)A緊力均勻地施加在內(nèi)外環(huán)上 ,夾緊剛性較好 ,并且使用時間越長 ,鋼球與V型溝槽的接觸面積越大 ,接觸精度越好 ,雙楔環(huán)的精度保持性很好。
齒盤定位的分度工作臺能達到很高的分度定位精度,一般為±3″,最高可達±0.4″。能承受很大的外載,定位剛度高,精度保持性好。實際上,由于齒盤嚙合、脫開相當于兩齒盤對研過程,因此,隨著齒盤使用時間的延續(xù),其定位精度還有不斷提高的趨勢。齒盤定位的分度工作臺廣泛用于數(shù)控機床、組合機床或其他專用機床。
3.2? 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺?
在數(shù)控機床上一般由數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺來實現(xiàn)圓周進給運動。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(簡稱數(shù)控轉(zhuǎn)臺)除了可以實現(xiàn)圓周進給運動之外,還可以完成分度運動。數(shù)控轉(zhuǎn)臺的外形和分度工作臺沒有多大差別,但在結(jié)構(gòu)上則具有一系列的特點。由于數(shù)控轉(zhuǎn)臺能實現(xiàn)進給運動,所以它在結(jié)構(gòu)上和數(shù)控機床的進給驅(qū)動機構(gòu)有許多共同之處。不同點是驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)的是直線進給運動,而數(shù)控轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)的是圓周進給運動。數(shù)控轉(zhuǎn)臺可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。
3.2.1? 開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺
? 開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作是由步進電機按指令脈沖的要求來確定數(shù)控轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)方向、回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)角度。數(shù)控轉(zhuǎn)臺的脈沖當量是指數(shù)控轉(zhuǎn)臺每個脈沖所回轉(zhuǎn)的角度(度/脈沖),有的小到0.001°/脈沖,有的大到2°/脈沖,設計時可根據(jù)加工精度的要求和數(shù)控轉(zhuǎn)臺直徑大小來選定。一般加工精度愈高,脈沖當量應選得愈小;數(shù)控轉(zhuǎn)臺直徑愈大,脈沖當量應選得愈小。但也不能盲目追求過小的脈沖當量。脈沖當量δ選定后,根據(jù)步進電機的脈沖步距角θ就可決定減速齒輪和渦輪副的傳動比:
式中:Z1,Z2—分別為主動、被動齒輪齒數(shù);
Z3,Z4—分別為蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)。
在確定Z1,Z2,Z3,Z4時,一方面要滿足傳動比的要求,同時也要考慮到結(jié)構(gòu)的限制。
3.2.2? 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺?
閉環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)與開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺大致相同,其區(qū)別在于:閉環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺有轉(zhuǎn)動角度的測量元件(圓光柵或圓感應同步器)。所測量的結(jié)果反饋回去與指令值進行比較,按閉環(huán)原理進行工作,使轉(zhuǎn)臺定位精度更高。
有一些數(shù)控轉(zhuǎn)臺上,采用伺服電機軸端帶測速發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)變壓器,或帶脈沖編碼盤,直接反饋電機軸的轉(zhuǎn)速和角位移,進行半閉環(huán)控制。
3.3? 調(diào)隙結(jié)構(gòu)
在數(shù)控機床中,分度工作臺、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺都廣泛采用蝸桿渦輪傳動。蝸輪副的嚙合側(cè)隙對其分度定位精度影響最大,因此消除蝸輪副的側(cè)隙就成為數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的關(guān)鍵問題。常見的蝸桿渦輪消隙方法有雙螺距蝸桿傳動機構(gòu)和雙蝸桿傳動機構(gòu)。
3.3.1雙螺距蝸桿傳動
一般在要求連續(xù)精確分度的機構(gòu)中(如齒輪加工機床、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺等)或為了避免傳動機構(gòu)因承受脈動載荷(如斷續(xù)銑削)而引起扭轉(zhuǎn)振動的場合往往采用雙螺距漸厚蝸桿,以便調(diào)整嚙合側(cè)隙到最小限度。
圖 雙螺距漸厚蝸桿調(diào)隙原理
雙螺距漸厚蝸桿與普通蝸桿的區(qū)別是:雙螺距漸厚蝸桿齒的左、右兩側(cè)面具有不同的齒距(導程);而同一側(cè)面的齒距(導程)則是相等的(圖4)。雙螺距漸厚蝸桿副的嚙合原理與一般蝸桿副嚙合原理相同, 蝸桿的軸向截面仍相當于基本齒條,渦輪則相當于同它嚙合的齒輪。由于蝸桿齒左、右兩側(cè)面具有不同的齒距,即左、右兩側(cè)面具有不同的模數(shù)m(m=t/π)。因而同一側(cè)面的齒距相同,故沒有破壞嚙合條件。雙螺距漸厚蝸桿傳動的公稱模數(shù)m可看成普通渦輪副的軸向模數(shù),一般等于左、右齒面模數(shù)的平均值。此蝸桿齒厚從頭到尾逐漸增厚。但由于同一側(cè)的螺距是相同的,所以仍然可以保持正常的嚙合。因此,可用軸向移動蝸桿的方法來消除蝸桿與渦輪的齒側(cè)隙。從圖5中知道, 蝸桿左側(cè)的齒矩為t左,右側(cè)的齒距為t右,中間齒距為t中。
當t右>t左時s1=t左-c1 s2=t右-c1
相鄰兩齒厚的差值
Δs=s2-s1=t右-t左
不難看出,任意兩相鄰齒厚之差(沿同一軸向截面上)都是
Δs=si+1-si=t右-t左,
這樣的蝸桿從左到右齒厚漸厚,當蝸桿向左移動時,嚙合側(cè)隙將會逐漸減小。同理,當t左>t右時,從左到右齒厚漸薄,當蝸桿向左移動時,嚙合側(cè)隙將會逐漸變大。圖5是依靠改變調(diào)整環(huán)的厚度,即可使蝸桿軸向移動,以便調(diào)整蝸桿渦輪嚙合側(cè)隙。
圖 雙螺距漸厚蝸桿調(diào)隙結(jié)構(gòu)圖
3.3.2? 雙蝸桿傳動
另外一種辦法就是使用雙蝸桿傳動機構(gòu)。它在要求避免因承受脈動載荷（如銑削加工）而引起扭轉(zhuǎn)振動的情況下完成連續(xù)精密傳動的場合，使得齒側(cè)間隙調(diào)整到最小程度。
圖 雙蝸桿傳動機構(gòu)
如圖所示，我們把一個完整的蝸桿做成兩個部分（紅色為蝸桿1和金色部分為蝸桿2），它們沿著軸線可以進行旋轉(zhuǎn)運動。在它們左端安裝了可調(diào)整的鎖緊裝置蝸桿固定座（銀色是固定座1、紫色是固定座2）。當我們需要增大齒距時，向外旋轉(zhuǎn)蝸桿1，到達合適位置后，迅速擰緊固定座上的緊定螺釘直到鎖死。而減小齒距則往反方向旋轉(zhuǎn)即可。
由于后者具有制造成本低、方便操作并能達到比較高的精度等特點，在本設計方案中我們決定使用它作為該回轉(zhuǎn)工作臺的渦輪蝸桿消隙機構(gòu)。
3.4 閉環(huán)結(jié)構(gòu)方案設計
考慮到機器性能要求的精密性以及加工的準確性,還要與數(shù)控銑床相連成為精密的五軸聯(lián)動機床。因此要求系統(tǒng)為閉環(huán),即設計一個閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)臺。所以選用FAGRO公司的兩個ENCODER H-90型旋轉(zhuǎn)編碼器分別安裝在與回轉(zhuǎn)臺連接的軸末端和擺動支座軸末端。這樣即使在傳動過程中有誤差或間隙也可在反饋后得到數(shù)控系統(tǒng)的補償。
第4章? 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)和原理
通過一段時間的學習和了解，整個工作臺由幾部分構(gòu)成：可傾軸部分和回轉(zhuǎn)軸部分。
圖 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)視圖
由于五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)價格十分昂貴, 加之NC 程序制作較難,使五軸系統(tǒng)難以“平民”化。
現(xiàn)在很多的工廠使用的是三軸聯(lián)動的數(shù)控機床,即能實現(xiàn)X、Y、Z三個軸方向的同時平動。如果再配上一個雙軸回轉(zhuǎn)工作臺,能實現(xiàn)繞X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)(即A軸和C軸), 再完成數(shù)控部分的改造,實現(xiàn)同時控制即能實現(xiàn)五軸聯(lián)動。這樣即可減少固定資產(chǎn)的無形磨損, 又避免購置新機的大量資金投入。
4.1雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的功用
第一, 使工作臺進行圓周進給完成切削工作;第二, 使工作臺進行分度工作。它按照控制系統(tǒng)的命令,在需要時完成上述務。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由伺服電動機驅(qū)動, 采用無級變速方式工作,所以定位精度完全由控制系統(tǒng)決定。
4.2 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的傳動和結(jié)構(gòu)
此處引用的工作臺屬于閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺, 兩個旋轉(zhuǎn)編碼器分別位于與工作臺固接的軸端和支撐座的尾端,能將旋轉(zhuǎn)后的位置準確的反饋回系統(tǒng)。這種數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由步進電動機驅(qū)動, 在它的輸出軸接一級齒輪減速器。該數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由圓柱齒輪傳動系統(tǒng)、渦輪蝸桿傳動系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪軸夾緊裝置組成。
因為是渦輪蝸桿傳動與分度, 所以停位不受限, 并不像端齒分度盤一樣, 只能分度固定的角度的整數(shù)倍(5°、10°、15°等), 而且偏轉(zhuǎn)范圍較大(105°～5°),能加工任何角度與傾斜度的孔與表面。齒的側(cè)隙是靠齒輪制造精度和安裝精度來保持。大齒輪的支撐軸與渦桿軸做成一個軸, 這種聯(lián)結(jié)方式能增大連接的剛性和精度,更能減少功率的損耗。
其工作原理簡述如下:
雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的運動由交流侍服電機驅(qū)動圓柱齒輪傳動, 帶動渦輪渦桿系統(tǒng), 使工作臺旋轉(zhuǎn)。當數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺接到數(shù)控系統(tǒng)的指令后, 首先松開圓周運動部分的渦輪夾緊裝置, 松開渦輪, 然后啟動步進電機, 按數(shù)控指令確定工作臺的回轉(zhuǎn)方向、回轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)角度大小等參數(shù)。
擺動部分的工作原理與此相同。
需要說明的是, 當工作臺靜止時必須處于鎖緊狀態(tài), 工作臺在其傳動軸端部安裝了夾緊液壓缸進行夾緊。當工作臺不回轉(zhuǎn)時, 夾緊油缸在液壓油的作用下向外運動, 通過剎車片緊緊頂在渦輪軸表面,從而鎖緊工作臺。當工作臺需要回轉(zhuǎn)時,數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令, 反向重復上述動作, 松開渦輪, 使渦輪和回轉(zhuǎn)工作臺按照控制系統(tǒng)的指令進行回轉(zhuǎn)運動。
4.3鎖緊裝置及鎖緊力計算
4.3.1鎖緊的介紹與選用
在雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)部分，渦輪軸端的剎車片采用的是液壓缸直接頂緊，用剎車活塞與渦輪軸端剎車片的摩擦力來鎖緊。鎖緊力計算過程舉例如下：
4.4潤滑與密封
4.4.1回轉(zhuǎn)部分的潤滑與密封
因為回轉(zhuǎn)部分有較大的擺動角度（105°-5°），所以雖然蝸輪蝸桿及齒輪傳動都是在箱體內(nèi)，也不能采用常規(guī)的甩油潤滑。再者箱蓋或工作臺與箱座或回轉(zhuǎn)下箱之間不可能有很好的密封，在傾斜時會將存于箱底的油倒出沒法再甩油。所以回轉(zhuǎn)部分都應選用循環(huán)噴油潤滑。但在裝配時軸承部分要先填好潤滑脂，以免長時間得不到潤滑而降低使用壽命。
噴油潤滑的好處非常多，可以沖掉傳動過程中齒輪嚙合區(qū)的磨粒、減少磨損、延長使用壽命、對蝸輪蝸桿進行很好的冷卻與潤滑等。
為防止工作過程中切屑與雜質(zhì)進入旋轉(zhuǎn)臺，回轉(zhuǎn)部分與下箱之間要用防塵圈密封好，這樣還能起到存油潤滑軸承的作用。為防止傳動過程中有雜質(zhì)存于箱體內(nèi)，隨油進入軸承，影響軸承壽命，應定期對箱體內(nèi)進行清洗。
4.4.2擺動部分的潤滑與密封
擺動部分是固定在平動工作臺上的，只能隨X、Y、Z軸平動，所以選擇甩油潤滑，當然也可以采用噴油潤滑。由于回轉(zhuǎn)部分已采用噴油潤滑，無非是多幾條支路而已。
在左端回轉(zhuǎn)箱內(nèi)有蝸輪蝸桿，所以軸承能同時得到潤滑。而在右端只是起支撐作用，只能用脂潤滑。左支撐只需要采用常規(guī)的齒輪-蝸桿減速器中的密封方法即可。各軸承端則需采用橡膠密封圈密封。與回轉(zhuǎn)支架相連部分的軸承端用橡膠圈密封，因為左端采用了油潤滑。
第5章? 蝸輪蝸桿設計計算?
5.1 蝸桿傳動輸入?yún)?shù)
根據(jù)GB/T10085-1988推薦,采用漸開線蝸桿(ZI)。
轉(zhuǎn)速，扭矩
功率
5.5?蝸桿蝸輪的材料和精度等級的選擇
蝸桿選用45鋼,因希望效率高些,耐磨性好些,故蝸桿螺旋齒面要求淬火,硬度為45～55HRC。
蝸輪選用ZCuAl10Fe3，金屬模鑄造。
加工精度6級。
5.2?確定蝸輪蝸桿主要尺寸
1. 初選幾何參數(shù)
選
2. 計算蝸桿輸出轉(zhuǎn)矩
粗算傳動效率：
3. 確定許用接觸應力
由《機械設計手冊》（第五版·第三卷）（以下齒輪傳動的設計參數(shù)均根據(jù)《機械設計手冊》（第五版·第三卷）查得）圖14-4-13查得滑動速度
由表14-4-14查得
4. 求載荷系數(shù)
由表14-4-12知：
式中：——動載系數(shù)
——嚙合質(zhì)量系數(shù)
——小時載荷率系數(shù)
——環(huán)境溫度系數(shù)
——工作情況系數(shù)
——風扇系數(shù)
，按表14-4-12取
查表14-4-15，6級精度時
由于，由圖14-4-8得
由表14-4-16查得
由表14-4-17查得
由圖14-4-9 查得
所以
5. 計算和和值
查表14-4-5，取
6. 主要幾何尺寸計算
圓整中心距，取
導程角
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
節(jié)圓直徑
5.3?接觸疲勞強度計算?
1. 齒面接觸強度核算驗算
由表14-4-12得
因為，所以齒面接觸強度足夠。
2. 確定許用彎曲應力
根據(jù)表14-4-12
由表14-4-13查得
應力循環(huán)次數(shù)
由圖14-4-7查得
所以
3. 齒根彎曲強度校核驗算
由圖14-4-6查得
由表14-4-12得
因為 所以齒根彎曲強度足夠。
5.6?蝸桿傳動的熱平衡計算
蝸桿傳動由于效率低，所以工作時發(fā)熱量大。在閉式傳動中，如果產(chǎn)生的熱量不能及時散逸，將因油溫不斷升高而使?jié)櫥拖♂?，從而增大摩擦損失，甚至發(fā)生膠合。所以，必須根據(jù)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量等于同時間內(nèi)的散熱量的條件進行熱平衡計算，以保證油溫穩(wěn)定地處于規(guī)定的范圍內(nèi)。
由于摩擦損耗的功率 ，則產(chǎn)生的熱流量(單位為lW=l J/s)為
H1=1000P(1-η) W
式中P為蝸桿傳遞的功率，kW。
H1=1000*1*(1-0.776) W=224W
以自然冷卻方式，從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣中去的熱流量為
H2=S(t0-ta) W
式中:--箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，，空氣流通良好時，取大值；
S --內(nèi)表面能被潤滑油所飛濺到，而外表面又可為周圍空氣所冷卻的箱體表面面積，；
t0--油的工作溫度，一般限制在60～70℃，最高不應超過80℃；
ta--周圍空氣的溫度，常溫情況可取為20℃；
按熱平衡條件H1=H2，可求得在既定工作條件下的油溫為
=180
在t0>80℃或有效的散熱面積不足時，則必須采取措施，以提高散熱能力。通常采?。?
1)加散熱片以增大散熱面積。
2)在蝸桿軸端加裝風扇以加速空氣的流通。
由于在蝸桿軸端加裝風扇這就增加了功率損耗為?？偟膿p率損耗為
kW
式中為風扇消耗的功率，可按下式計算:
kW
此處：vF——風扇葉輪的圓周速度，m/s，
其中DF為風扇葉輪外徑，mm；
nF——風扇葉輪轉(zhuǎn)速，r/min。
由摩擦消耗的功率所產(chǎn)生的熱流量為
W
散發(fā)到空氣中的熱流量為
W
式中:S1,S2--分別為風冷面積及自然冷卻面積，；
' --風冷時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，按下表<風冷時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)'>選取。
風冷時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)'
蝸桿轉(zhuǎn)速(r/min)
750
1000
1250
1550
'[W/(·℃)]
27
31
35
38
從其結(jié)構(gòu)看，選裝散熱片來降溫更為合適。
第6章? 齒輪設計計算?
6.1 齒輪設計輸入?yún)?shù)
選擇齒輪材料
6.2 齒輪傳動結(jié)構(gòu)形式和布置形式?
1.常用的齒輪結(jié)構(gòu)
常見的圓柱齒輪結(jié)構(gòu)如圖 所示。圖 ａ為齒輪軸；圖 ｂ為腹板式齒輪；圖 ｃ為輪輻式齒輪。
（a） (b) (c)
圖 常用齒輪結(jié)構(gòu)形式
根據(jù)受力狀況和整體結(jié)構(gòu)形式，在此處我決定選用腹板式齒輪結(jié)構(gòu)比較合理。
2.布置形式
從前面工作臺整體結(jié)構(gòu)設計中我們知道：小齒輪是主動輪，動力來自電動機；大齒輪是從動輪，它帶動了蝸桿進行轉(zhuǎn)動。因而大小齒輪均采用懸臂布置。
6.3 材料及熱處理?
選擇齒輪材料
小齒輪：50SiMn 調(diào)質(zhì)，硬度260~290HB+
大齒輪：42SiMn 調(diào)質(zhì)，硬度200~230HB
由《機械設計手冊》（第五版·第三卷）（以下齒輪傳動的設計參數(shù)均根據(jù)《機械設計手冊》（第五版·第三卷）查得）圖14-1-83和圖14-1-112按ML級質(zhì)量求取值，得=550 N/mm2，=460 N/mm2和 = 210 N/mm2，= 190 N/mm2
6.4 初步確定齒輪基本參數(shù)?
初步確定主要參數(shù)
（1）接觸強度初步確定中心距
按直齒輪從表14-1-65選取=476，取載荷系數(shù)K=2.0
按表14-1-69選d=0.6，則
a=
==0.4
齒數(shù)比2
許用接觸應力 ≈0.9=0.9×460=414 N/mm2
小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T1=4 N·m
中心距ａ
ａ≥Aa（u+1）
=476×（2+1）×=63.4 mm
?。?66 mm
（2）初步確定模數(shù)、齒數(shù)、齒寬等幾何參數(shù)
=(0.007～0.02)a=(0.007～0.02)×100=0.7～2 mm
取 =2 mm
由公式
取=22 =i=2×22=44
齒寬 b=aａ=0.4×66=26.4mm 取b=24mm
小齒輪分度圓直徑
mm
大齒輪分度圓直徑
mm
齒輪精度等級為6級
6.5?齒面接觸疲勞強度的校核?
（1） 分度圓上名義切向力
（2） 使用系數(shù)
原動機為電動機，均勻平穩(wěn)，工作機有輕微沖擊，查表14-1-71，=1.25
（3） 動載系數(shù)
齒輪線速度
m/s
由表14-1-80公式計算傳動精度系數(shù)C
小齒輪: =22 大齒輪: =44
查表14-1-40可得: =7.5 μm = 8.5 μm
取C2=6.516 ，經(jīng)圓整后為 C=7
查圖14-1-74 =1.1
（4） 螺旋線載荷分布系數(shù)
由表14-1-88，齒輪裝配時對研跑合
（5） 齒間載荷分配系數(shù)
N/ mm
查表14-1-92得：=1.5
（6） 節(jié)點區(qū)域系數(shù)
查圖14-1-76 =2.47
（7） 彈性系數(shù)
由表14-1-95查得 =
（8） 重合度系數(shù)
縱向重合度
端面重合度
由圖14-1-25 =0.80 =0.90
由圖14-1-79查得 =0.79
（9） 螺旋角系數(shù)
（10） 小齒輪、大齒輪的單對齒嚙合系數(shù),
按表14-1-94的判定條件，由于 ,則
=1
=0.9665
取
（11） 計算接觸應力
由表14-1-70公式可得
由于 ==1，所以=
（12） 壽命系數(shù)
應力循環(huán)系數(shù)
由表14-1-96公式計算
（13） 潤滑油膜影響系數(shù)
由表14-1-98，經(jīng)展成法滾、插的齒輪副4.0μm , =0.85
（14） 齒面工作硬化系數(shù)
由圖14-1-90 =1.12 =1.16
（15） 尺寸系數(shù)
由圖14-1-99 1.0
（16） 安全系數(shù)
由于 , 均達到表14-1-100規(guī)定的高可靠度時，最小安全系數(shù)=1.50~1.60的要求，齒面接觸強度核算通過。
6.6齒根彎曲強度的校核?
（1） 螺旋線載荷分布系數(shù)
mm mm
（2） 螺旋線載荷分配系數(shù)
（3） 齒廓系數(shù)
當量齒數(shù)
由圖14-1-98
（4） 應力修正系數(shù)
由圖14-1-103
（5） 重合度系數(shù)
由表14-1-104知
（6） 螺旋角系數(shù)
由圖14-1-109，根據(jù)，查得
（7） 計算齒根應力
因 用表14-1-101中方法二
試驗齒輪的應力修正系數(shù)
見表14-1-101，
（8） 壽命系數(shù)
由表14-1-108
（9） 相對齒根角敏感系數(shù)
由8.4.2（5）①齒根圓角參數(shù)
用表14-1-98知：
同樣計算可知：
（10） 相對齒根表面狀況系數(shù)
由圖14-1-118，齒根表面微觀不平度10點高度為時
（11） 尺寸系數(shù)
由表14-1-109的公式
當時，取
（12） 彎曲強度的安全系數(shù)
由于，均達到表14-1-100規(guī)定的高可靠度時最小安全系數(shù)的要求。輪齒彎曲強度通過。
6.7齒輪基本參數(shù)
第7章 結(jié)論
這次設計我完成了雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)設計。具體來說，我的工作如下：首先，查找各種相關(guān)資料理解課題，整理自己的思路及設計步驟；其次，選擇合適的三維設計軟件，接著就開始學習solid edge；然后，根據(jù)老師提出的設計要求，確定結(jié)構(gòu)方案并進行相關(guān)參數(shù)計算、校合；最后，完成整個結(jié)構(gòu)的三維造型和裝配，進而完成工程圖。從最終的結(jié)果來看，本設計方案較好的滿足了所提出的設計要求，并且在一些部位有了改進和創(chuàng)新。
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致謝
在論文即將完成之際，我謹向?qū)ξ姨峁o私幫助的老師和同學們表示真誠的敬意和衷心的感謝！！
在整個畢設過程中，得到了高峰教授的親切關(guān)懷和耐心的指導。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，高老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。除了敬佩高老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。在此謹向高老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意！
李艷老師和楊新剛老師也給了我許多支持和幫助，在此請接受我真誠的謝意！同時也感謝學院為我提供良好的做畢業(yè)設計的環(huán)境。
感謝我遠在家鄉(xiāng)的爸爸媽媽，感謝你們省吃儉用為我提供的學習環(huán)境，使我能夠有幸接受大學教育，體驗沐浴在知識海洋中的快樂。祝愿你們身體健康！！
最后再一次感謝所有在畢業(yè)設計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學，以及在設計中被我引用或參考的論著的作者。