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題 目 雙軸轉(zhuǎn)臺的設計
學生姓名 學號
所在學院
專業(yè)班級
指導教師
完成地點
年 月 日
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任務書
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院(系) 專業(yè)班級 學生姓名
一、畢業(yè)設計題目 雙軸轉(zhuǎn)臺的設計
二、畢業(yè)設計工作自 年 月_ __日 起至 年 月 日止
三、畢業(yè)設計進行地點: 校內(nèi)
四、畢業(yè)設計內(nèi)容要求：
五軸聯(lián)動機床，是機床中的尖端技術(shù)產(chǎn)品，是國防、航空等重要工業(yè)部門的關鍵設備。雙軸轉(zhuǎn)臺是五軸數(shù)控機床中的關鍵部件之一。
用三維造型軟件設計雙軸轉(zhuǎn)臺：臺面直徑400mm，繞X軸回轉(zhuǎn)的A軸工作范圍 300至-1200，力矩200Nm；其中間設一環(huán)繞Z軸的回轉(zhuǎn)臺C軸， 3600回轉(zhuǎn)，力矩300Nm。
完成雙軸轉(zhuǎn)臺的裝配圖，設計說明書。
指 導 教 師 系(教 研 室)
系(教研室)主任簽名 批準日期
接受設計任務開始執(zhí)行日期 學生簽名
雙軸轉(zhuǎn)臺的設計
[摘要] 本文以西泰克臥式力矩電機直驅(qū)的雙軸轉(zhuǎn)臺為分析對象，采用角接觸球軸承為支承方式，設計一臺力矩電機直驅(qū)的雙軸轉(zhuǎn)臺。力矩電機轉(zhuǎn)臺采用的直驅(qū)技術(shù)提供了高動態(tài)特性、高精度和高可靠性。安裝后無后期維護、無精度磨損?；诤唵味鴮ΨQ的結(jié)構(gòu)設計，所有部件、電機、軸承完美的結(jié)合在一起，可獲得更高的穩(wěn)定性和系統(tǒng)剛性。
[關鍵詞] 五軸聯(lián)動 雙軸轉(zhuǎn)臺 力矩電機 直驅(qū)技術(shù)
Biaxial turntable design
Tutor: Chenchun
Abstract: In this paper, CyTec horizontal biaxial torque motor direct drive turntable is analyzed, using angular contact ball bearings to support the way, the design of a direct-drive torque motor biaxial turntable. Torque direct drive motor technology uses a turntable provides a highly dynamic, high precision and high reliability. No post-maintenance after installation, no precision wear. Based on a simple and symmetrical design, all components, motors, bearings perfectly together, get a higher system stability and rigidity.
Key words: Five-axis； Biaxial turntable； Torque motor；Direct drive technology
引言
這次課程設計主要是培養(yǎng)學生綜合應用所學專業(yè)的基礎理論、基本技能和專業(yè)知識的能力，培養(yǎng)學生建立正確的設計思想，掌握工程設計的一般程序、規(guī)范和方法。通過機電一體化課程設計設計，可樹立正確的生產(chǎn)觀點、經(jīng)濟觀點和全局觀點，實現(xiàn)由學生向工程技術(shù)人員的過渡。使學生進一步鞏固和加深對所學的知識，使之系統(tǒng)化、綜合化。培養(yǎng)學生獨立工作、獨立思考和綜合運用所學知識的技能，提高解決本專業(yè)范圍內(nèi)的一般工程技術(shù)問題的能力，從而擴大、深化所學的專業(yè)知識和技能。培養(yǎng)學生的設計計算、工程繪圖、實驗研究、數(shù)據(jù)處理、查閱文獻、外文資料的閱讀與翻譯、計算機應用、文字表達等基本工作實踐能力，使學生初步掌握科學研究的基本方法和思路。
使學生學會初步掌握解決工程技術(shù)問題的正確指導思想、方法手段，樹立做事嚴謹、嚴肅認真、一絲不茍、實事求是、刻苦鉆研、勇于探索、具有創(chuàng)新意識和團結(jié)協(xié)作的工作作風。
數(shù)控技術(shù)是一門集計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)、測量技術(shù)、現(xiàn)代機械制造術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)等多科學交叉的綜合技術(shù)，是近年來應用領域中發(fā)展十分迅速的一項綜合性的高新技術(shù)。
采用直驅(qū)電機的數(shù)控機床控制技術(shù)已在不同種類的機床上得到應用。直驅(qū)電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)在技術(shù)上已日趨成熟，具有傳統(tǒng)傳動裝置無法比擬的優(yōu)越性能。過去人們所擔心的直線電機推力小、體積大、溫升高、可靠性差、不安全、難安裝、難防護等問題，隨著電機制造技術(shù)的改進，有關問題相應解決。而驅(qū)動與控制技術(shù)的發(fā)展又為其性能拓展和安全性提供了保證。選擇合適的直驅(qū)電機及驅(qū)動控制系統(tǒng)，配以合理的機床設計，完全可以設計制造出高性能、高可靠性的數(shù)控機床。
數(shù)控機床正在向精密、高速、復合、智能、環(huán)保的方向發(fā)展。精密和高速加工對傳動及其控制提出了更高的要求，更高的動態(tài)特性和控制精度，更高的進給速度和加速度，更低的振動噪聲和更小的磨損。問題的癥結(jié)在傳統(tǒng)的傳動鏈從作為動大的轉(zhuǎn)動慣量、彈性變形、反向間隙、運動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損力源的電動機到工作部件要通過齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動環(huán)節(jié)，在些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較。雖然在這些方面通過不斷的改進使傳動性能有所提高，但問題很難從根本上解決，于出現(xiàn)了“直接傳動”的概念，即取消從電動機到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機及其驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線電機、力矩電機的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標運動的“直接傳動”概念變?yōu)楝F(xiàn)實，并日益顯示其巨大的優(yōu)越性。力矩電機的應用，使機床的傳動結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化，并使機床性能有了新的飛躍。
目 錄
1五軸聯(lián)動加工技術(shù)與雙軸轉(zhuǎn)臺................................1
1.1五軸聯(lián)動機床發(fā)展 1
1.2五軸聯(lián)動機床的種類及特點 1
1.2.1立式五軸加工中心 2
1.2.2臥式五軸加工中心 3
1.3直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展 4
1.4 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺 6
1.4.1雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的特點 6
1.4.2雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的功用 7
1.4.3雙軸轉(zhuǎn)臺的組成 7
2雙軸轉(zhuǎn)臺整體布局 7
2.1主要參數(shù)要求 7
2.2轉(zhuǎn)臺的選擇 8
2.3驅(qū)動元件的聯(lián)接方式 8
2.4轉(zhuǎn)臺驅(qū)動元件的選擇 8
2.5轉(zhuǎn)臺測量元件選擇 10
2.6雙軸轉(zhuǎn)臺設計簡圖 10
3雙軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設計與電機選擇 11
3.1力矩電動機的選擇 11
3.2轉(zhuǎn)臺的設計 13
3.3軸的強度校核計算 14
II
3.4軸的剛度校核計算.............................................................................14
3.5支撐元件的選型 15
3.6連接元件 16
3.7軸徑的估算 20
3.8限位與鎖緊裝置 20
3.9走線與導電環(huán) 21
4總結(jié)與展望...........................................21
致謝 22
參考文獻 23
附錄
III
1五軸聯(lián)動加工技術(shù)與雙軸轉(zhuǎn)臺
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”。五軸聯(lián)動技術(shù)是我國走向強國的關鍵技術(shù)，尤其是把我國從制造大國轉(zhuǎn)變成制造強國的基石，因為制造業(yè)包括的范圍很廣領域較多，所以針對不同的工件則需要具有不同特點的設備，其中五軸聯(lián)動機床的布局方案較多，各有各的優(yōu)缺點。
1.1五軸聯(lián)動機床發(fā)展
五軸聯(lián)動機床，滿足空間曲面及任意輪廓的加工，一次裝夾完成大量的加工工序，保證精度要求。特別航空領域加工工藝的要求，對五軸聯(lián)動機床提出多軸聯(lián)動的同時，還要求機床主軸有較高的轉(zhuǎn)速，因而在五軸聯(lián)動機床上還應用了諸如高速主軸、高速控制系統(tǒng)、先進刀具技術(shù)等，首先是采用直線電機驅(qū)動技術(shù)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展,直線電機技術(shù)已經(jīng)非常成熟。其次是采用雙驅(qū)動技術(shù)。對于較寬工作臺或龍門架型式,如果采用中間驅(qū)動,實際無法保證驅(qū)動力在中心,容易造成傾斜,使得動態(tài)性能較差。使用雙驅(qū)動,能使動態(tài)性能非常完美。
1.2五軸聯(lián)動機床的種類及特點
五軸聯(lián)動機床有立式、臥式和搖籃式、NC工作臺、C工作臺+NC分度頭、C工作臺十90OB軸
C工作臺+45oB軸、C工作臺+A軸、軸NC主軸等類型。如（圖1）
圖1
1.2.1立式五軸加工中心
這類加工中心是工作臺回轉(zhuǎn)軸。設置在床身上的工作臺可以環(huán)
圖2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)。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3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。
1.2.2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。
4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），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。
1.3直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展
采用直驅(qū)技術(shù)制造回轉(zhuǎn)功能部件目前已經(jīng)成為國際機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，直驅(qū)功能部件包括直驅(qū)式轉(zhuǎn)臺、擺角銑頭等。3 _! C, W7 v" E直驅(qū)技術(shù)即采用大推力力矩電機或直線電機替代原有的包括齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動，即用電氣傳動替代機械傳動。直驅(qū)技術(shù)具有精度高（精度直接取決于控制技術(shù)和傳感技術(shù)）、速度快（直線電機可達100m/min,力矩電機可達500rpm）、無磨損（沒有機械磨損）、無間隙（沒有機械物理間隙）、受力狀態(tài)優(yōu)良（區(qū)域出力，沒有點接觸和線接觸受力環(huán)節(jié)）等優(yōu)勢。( f1 X8 z1 x7 k" _8 L3 b采用直驅(qū)技術(shù)設計的回轉(zhuǎn)功能部件，機械結(jié)構(gòu)簡單、精度高、速度快，是三軸數(shù)控機床向高檔5軸數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)升級的關鍵功能部件。
" ^' l8 W5 w' N7 g4 y1 G" g 6 B# o3 x6 {* }) A$ ^在直驅(qū)技術(shù)日益成熟的條件下，國際主流機床廠商迅速推出采用直驅(qū)技術(shù)的機床產(chǎn)品，而且其應用水平的提升呈加速趨勢。目前，處于世界機床產(chǎn)銷量前幾位的DMG、MAZAK、森精機等公司均開始大量改用直驅(qū)功能部件。DMG在其主流萬能車床產(chǎn)品體系CTX gamma系列車削中心中采用力矩電機驅(qū)動的單擺角銑頭。MAZAK也開發(fā)出應用于龍門加工中心的直驅(qū)雙擺角銑頭。森精機在NT系列復合加工機床上采用力矩電機驅(qū)動的擺角銑頭；在NMV系列加工中心采用力矩電機作為轉(zhuǎn)臺驅(qū)動。FANUC公司的納米級的ROBONANO 系列加工中心直線運動和回轉(zhuǎn)運動均采用直驅(qū)技術(shù)，該系列加工中心尚不對日本以外的國家銷售。德國F. Zimmerman公司不僅提供機床和直驅(qū)擺角銑頭產(chǎn)品，還擁有3旋轉(zhuǎn)座標擺角銑頭的專利。同時國際上還產(chǎn)生了一批專業(yè)從事直驅(qū)功能部件的制造商，如德國的CYTEC和KSL為機床廠配套直驅(qū)轉(zhuǎn)臺和擺角銑頭產(chǎn)品。
圖5力矩電動機直接驅(qū)動的擺頭 圖6采用力矩電動機的雙軸轉(zhuǎn)臺
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我國直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展與國際水平有很大差距。自2005年起國內(nèi)就開展了以力矩電機為核心驅(qū)動元件的轉(zhuǎn)臺的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)，但大多尚停留在產(chǎn)品樣機階段。在力矩電機相關技術(shù)領域，國內(nèi)與國外也存在較大差距。國際上90年代初開始應用，現(xiàn)在進入普及階段。國內(nèi)90年代中期才開始研究，而成功的應用還比較少。包括凱奇電氣、華中數(shù)控都展出過樣機，均未形成批量產(chǎn)品。哈爾濱工業(yè)大學、沈陽工業(yè)大學都在力矩電機設計和應用方面開展了許多研究工作，也為社會小批量提供了一些力矩電機產(chǎn)品，大多配置德國科比的驅(qū)動器。2009年北京CIMT上，煙臺環(huán)球展出了應用西門子力矩電機的轉(zhuǎn)臺樣機。目前，僅有大連光洋科技工程有限公司可以提供系列化力矩電機及其配套驅(qū)動產(chǎn)品。大連光洋自2005年開始進行可行性技術(shù)分析和市場，經(jīng)過1年的論證，于2006年正式啟動直驅(qū)關鍵功能部件（擺角銑頭、回轉(zhuǎn)工作臺）開發(fā)項目，采取了與哈爾濱工業(yè)大學合作開發(fā)模式。哈爾濱工業(yè)大學在電機理論及設計技術(shù)處于國內(nèi)領先地位，具有較好的技術(shù)基礎。光洋公司于2007年8月完成力矩電機的設計和制造，2007年10月完成了基于該電機的單軸精密轉(zhuǎn)臺樣機設計和制造，同時完成了高分辨率（6700萬線/轉(zhuǎn)）、高精度（±3.6角秒）的總線式力矩電機伺服驅(qū)動器樣機。近年來，光洋公司與沈陽工業(yè)大學聯(lián)合設計新一代力矩電機及其伺服驅(qū)動裝置系列化產(chǎn)品。光洋公司在仔細研究國外幾種典型直驅(qū)功能部件產(chǎn)品的基礎上，結(jié)合自身特點及優(yōu)勢，已經(jīng)完成了直驅(qū)雙擺銑頭、單擺銑頭、單軸轉(zhuǎn)臺、雙軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設計。目前光洋公司完成了系列化直驅(qū)功能部件樣機制造，部分型號產(chǎn)品進入批量化制造階段。
1.4 雙軸回轉(zhuǎn)工作臺
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。
1.4.1雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的特點
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。
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。
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。
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。
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, 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。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)。
圖7
1.4.2雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的功用
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)動的關鍵就在于雙回轉(zhuǎn)軸工作臺。
1.4.3雙軸轉(zhuǎn)臺的組成
以CRT/400/HV型雙軸轉(zhuǎn)臺為例，它是由力矩電機、箱體、中心軸、軸承、轉(zhuǎn)盤、左支軸、 旋轉(zhuǎn)編碼器、基座、軸承座、支座軸等組成。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)。
圖8 CRT/400/HV型雙軸轉(zhuǎn)臺
2雙軸轉(zhuǎn)臺整體布局
2.1主要參數(shù)要求
給定主要參數(shù)如下：
1）臺面直徑d=400mm；
2）A軸繞X軸回轉(zhuǎn)，工作范圍30°至-120°，力矩200Nm；
3）C軸繞Z軸回轉(zhuǎn)，360°回轉(zhuǎn)，力矩300Nm。
2.2轉(zhuǎn)臺的選擇
按機械臺體結(jié)構(gòu)分類分為立式轉(zhuǎn)臺和臥式轉(zhuǎn)臺兩種。
立式轉(zhuǎn)臺： 立式轉(zhuǎn)臺的外框軸垂直于地平面，立式轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)多數(shù)為音叉式，其內(nèi)框架結(jié)構(gòu)多數(shù)為圓盤式，少數(shù)為 O 型。
臥式轉(zhuǎn)臺 ： 臥式轉(zhuǎn)臺的外框軸平行于地平面。按轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸數(shù)量分類轉(zhuǎn)臺可分為單軸轉(zhuǎn)臺、雙軸轉(zhuǎn)臺、三軸轉(zhuǎn)臺以及多軸轉(zhuǎn)臺。
此處我選擇的是臥式雙軸轉(zhuǎn)臺。
圖9 立式轉(zhuǎn)臺 圖10 臥式轉(zhuǎn)臺
2.3驅(qū)動元件的聯(lián)接方式
驅(qū)動以聯(lián)接方式分為直接驅(qū)動和間接驅(qū)動
直接驅(qū)動是將電機或液壓馬達的輸出軸直接與框架固聯(lián)，其主要優(yōu)點是有利于改善和提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度，缺點是其低速性能取決于元件本身的低速性能；間接驅(qū)動是將電機或液壓馬達的輸出軸經(jīng)齒輪減速再與框架軸固聯(lián)，其主要優(yōu)點是可以改善系統(tǒng)的超低速性能及用小力矩電機可驅(qū)動大力矩負載，缺點是由于齒輪嚙合間隙以及齒面磨損后影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。
目前國內(nèi)外的高精度測試轉(zhuǎn)臺大多采用直接驅(qū)動方式。對于一般精度的轉(zhuǎn)臺可采用減速裝置，隨著加工技術(shù)的進步，齒輪等減速裝置的回程誤差可小于 1"， 而且可以與電機連接成減速機，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸。
我選擇驅(qū)動方式：采用直接驅(qū)動方式，即將電機輸出軸、轉(zhuǎn)臺主軸以及碼盤軸直接相連
2.4轉(zhuǎn)臺驅(qū)動元件的選擇
由于轉(zhuǎn)臺是高精度精密測試設備，要求轉(zhuǎn)角精度高、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，同時又要求調(diào)速范圍大。因此對于驅(qū)動元件的性能要求很高。一般要求其具有體積小、重量輕、高精度、低速平穩(wěn)運行、高藕合剛度、大扭矩、可堵轉(zhuǎn)、快速響應、特性線性度好、調(diào)速方便等的要求。轉(zhuǎn)臺常用的驅(qū)動元件有電機、液壓馬達等。電機與液壓馬達驅(qū)動，各有利弊，選擇哪種驅(qū)動方式，要根據(jù)具體的要求來定奪。一般液壓馬達驅(qū)動的轉(zhuǎn)臺的負載比電機驅(qū)動的大很多。
液壓驅(qū)動的優(yōu)點是：
（1）輸出力矩大、功率密度高，在同樣功率條件下，液壓馬達的體積和重量僅為電動機的 12～20%。故適用于大負載轉(zhuǎn)臺，或是小負載但通頻帶很寬的高頻響轉(zhuǎn)臺。
（2）液壓馬達調(diào)速范圍大，可以從最低角速度 0.0004°/s 無極調(diào)速到 300°/s，其調(diào)速比范圍超過 50 萬倍。
電動機驅(qū)動的主要優(yōu)點是：
（1）實現(xiàn)連續(xù)回轉(zhuǎn)，而擺動式液壓馬達則不能。
（2）液壓馬達必須設置液壓油源，而電動機不需要。
對于小轉(zhuǎn)矩、低頻響的轉(zhuǎn)臺宜采用電動機驅(qū)動，而對于那些大轉(zhuǎn)矩、高頻響的轉(zhuǎn)臺，采用液壓驅(qū)動方案為佳。對于電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)臺，常見的電機為力矩電動機和直流伺服電動機。力矩電機轉(zhuǎn)速低，可直接與框架連接形成直接驅(qū)動。但當驅(qū)動力矩增大時，其允許的最高轉(zhuǎn)速也減小。所以，當轉(zhuǎn)臺的最高轉(zhuǎn)速較高時不宜采用力矩電機，而采用直流伺服電動機經(jīng)減速裝置驅(qū)動的方案。但直流伺服電動機的軸向尺寸較大，不宜用于轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框和中框軸的驅(qū)動，而且價格遠高于前者。且與交流力矩電機相比，直流力矩電機具有能力指標高控制線路簡單等優(yōu)點。
力矩電動機允許轉(zhuǎn)速低，可直接與轉(zhuǎn)臺主軸連接形成直接驅(qū)動采用低速大扭矩的力矩電機直接驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械傳動結(jié)構(gòu)有諸多優(yōu)勢 :
a) 轉(zhuǎn)速低 ,運轉(zhuǎn)平穩(wěn) ,噪聲小 。
機械傳動鏈中機械噪聲不復存在 ,高速旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)動不平衡帶來的振動噪聲大為降低 。
b) 控制精度高 ,機床的加工精度提高。
減速機構(gòu)的傳動間隙加大了傳動控制誤差 ,降低了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率。由于間隙的存在 ,控制系統(tǒng)的響應頻帶嚴重受限 ,不穩(wěn)定區(qū)頻率降低 ,運動控制易出現(xiàn)振蕩乃至失效。 采用低速大力矩電機后 ,系統(tǒng)增益可以進一步提高 ,控制對象的動態(tài)、 靜態(tài)誤差都得到有效控制。 從而顯著提高了運動方向改變時的輪廓精度 ,并且其重復性精度也得到顯著改善。
c) 結(jié)構(gòu)緊湊 ,體積小 , 質(zhì)量輕 。
普通電機一般要經(jīng) 2～3級減速機減速才能達到低轉(zhuǎn)速大扭矩的要求 ,機構(gòu)龐大笨重 。 低速大力矩電機體積和質(zhì)量通常不到同類型電機與減速機之和的一半 ,而且結(jié)構(gòu)簡單零部件少 , 拆裝維修較為方便 。
d) 高效節(jié)能 。
直接驅(qū)動簡化了傳動鏈 , 減少了能量損耗 ,綜合效率遠高于傳統(tǒng)的普通電機加配減速機的綜合效率 。 同時 ,低速大力矩電機多為永磁電機 , 因而具備效率高功率因數(shù)高等永磁電機的獨特優(yōu)點 。
e) 可靠性高。
潤滑油泄漏問題不復存在 ,設備對安裝、調(diào)試、 維護的要求也大為降低。 同時 , 由于高速轉(zhuǎn)動和振動導致的磨損、 機件松動、 變形、 疲勞失效等故障大為降低。
力矩電機也有自身的缺點 。 在使用力矩電機時 ,要保證切削和冷卻液不會進入電機工作區(qū)域 ,否則會影響電機正常工作 ,縮短電機的壽命 。 電機工作時 , 電機繞組產(chǎn)生大量熱量 ,電機定子部件直接與機床連接在一起 , 因此電機產(chǎn)生的熱量會傳遞到機械部分 , 引起變形和機械變化 ,影響機械的性能 ,在機械結(jié)構(gòu)設計時要考慮散熱問題等 。
所以對于該設計方案可以按如下方式
驅(qū)動元件：采用內(nèi)轉(zhuǎn)子直流力矩電機驅(qū)動，控制方便，既可開環(huán)控制，又可閉環(huán)控制。
2.5轉(zhuǎn)臺測量元件選擇
轉(zhuǎn)臺測量元件主要有角度傳感器和角速度傳感器。角度傳感器有光電碼盤、感應同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器。角速度傳感器主要是測速機。
在選擇傳感器時，按照以下選用原則選擇：
（1）傳感器的準確度小于系統(tǒng)總不確定度的 1/3；
（2）傳感器的精度、分辨率比系統(tǒng)總的精度和分辨率最好高一個數(shù)量級；
（3）傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸滿足總體安裝使用要求；
有的轉(zhuǎn)臺只需要位置控制，測量元件只選擇角度傳感器就可以。有的轉(zhuǎn)臺除了要求位置控制外，還需要速度控制，測量元件需要選擇角度、角速度傳感器。
我選擇光電碼盤，為了便于安裝和拆卸，編碼器的轉(zhuǎn)子可以通過鎖緊螺母直接固定在軸上，通過內(nèi)六角圓螺釘將外圈連接在碼盤機座上，機座和下軸承座公用一個安裝基準面，以保證定位的準確，減少誤差。
2.6雙軸轉(zhuǎn)臺設計簡圖
圖11
3雙軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設計與電機選擇
3.1力矩電動機的選擇
主要是確定載荷，作用在機械裝置上的載荷主要有：摩擦載荷、慣性載荷以及各種環(huán)境載荷等。
摩擦載荷：由于傳動部件之間存在摩擦摩擦引起的。大小與所受壓力和材料的摩擦系數(shù)有關。摩擦力與其力臂的乘積即為摩擦力矩。
慣性載荷：計算回轉(zhuǎn)運動時的慣性載荷，需要知道轉(zhuǎn)動慣量和角加速度，具有傳動鏈裝置的，通常將負載的轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸上。
環(huán)境載荷：例如風載荷、溫差載荷（熱變形）等，外載荷的確定，要是具體情況而定，有的可從理論上進行推導，有的需要借助試驗來測定。
分析載荷的目的，是為了選擇合適的電動機，使之滿足要求。對于轉(zhuǎn)臺來說，一般在室內(nèi)應用，它的載荷主要考慮摩擦載荷和慣性載荷。由于給定條件不多，直接由給定力矩選擇電機。
我選用由北京首科凱奇電氣技術(shù)有限公司開發(fā)并生產(chǎn)的通用直驅(qū)傳動組件TM系列自冷式力矩電機。TM系列自冷式力矩電機是由北京首科凱奇電氣技術(shù)有限公司開發(fā)并生產(chǎn)的通用直驅(qū)傳動組件。力矩電機以其低速、大扭矩特性著稱，用于替代普通伺服電機＋減速機的裝置可以明顯提高傳動系統(tǒng)的相應速度、控制精度，傳動結(jié)構(gòu)也得到極大簡化。其優(yōu)點在于扭矩平穩(wěn)、體積小、慣量低、扭矩大，過載能力強。TM系列自冷式力矩電機可應用于數(shù)控金屬切割機床、齒輪機床、印刷機械、半導體設備、電子設備等多種精密高效的運動系統(tǒng)。北京首科凱奇電氣技術(shù)有限公司的DD直驅(qū)轉(zhuǎn)臺、直驅(qū)式高精度分度頭等產(chǎn)品中使用的電機也是TM系列自冷式力矩電機（部分使用MB系列自冷式力矩電機）。TM系列自冷式力矩電機外形為圓柱體，黑色，表面光滑，分為定子和轉(zhuǎn)子兩個部分。
數(shù)據(jù)如下：
圖12
C軸上給定力矩為300Nm，選電機型號TM295-L1；A軸上給定力矩為200Nm，選電機型號TM230-M
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T0(Nm) Tmax(Nm) N0（r/min ） Nmax（r/min）
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TM295-L1 310 950 100 200
TM230-M 200 600 150 240
外形尺寸 D1 D2 L
TM295-L1 ?295 ?202 200
TM230-M ?230 ?150 160
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電機功率計算有個共同的公式，P=MN/9550
P為額定功率，M為額定力矩，N為額定轉(zhuǎn)速
計算得 TM295-L1 P=MN/9550=3.25kw
TM230-M P=MN/9550=3.14kw
3.2轉(zhuǎn)臺的設計
根據(jù)題目條件，轉(zhuǎn)臺臺面尺寸為，鑒于方便安裝和余量保留的原則，設計實心轉(zhuǎn)臺，材料選取45鋼，其厚度應該根據(jù)負載最大形狀最不理想時轉(zhuǎn)臺邊緣的撓度小于要求的臺面跳動來估計。由于題目所要求轉(zhuǎn)臺對負載沒有特殊要求，故根據(jù)經(jīng)驗設計臺面的厚度為
。
3.3軸的強度校核計算
由上述計算的轉(zhuǎn)軸C傳遞的轉(zhuǎn)矩T=300Nm ,輸入的功率P=3.25kw
按許用切應力計算，軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為
其中，是許用扭轉(zhuǎn)切應力，材料為45鋼，查表得其取值介于25~45MPa。
由上式可得軸的直徑
由于軸是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，故采用空心軸，方便線路布置，并初取空心率
查表得=125，則計算得=50mm，取d=100mm 。
校核軸，帶入d值，則1.5≤，取值合適。
轉(zhuǎn)軸A傳遞的轉(zhuǎn)矩T=200Nm ,輸入的功率P=3.14kw
計算過程同上計算得=45mm，取d=90mm
校核軸，帶入d值，則1.37≤，取值合適。
3.4軸的剛度校核計算
軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長的扭轉(zhuǎn)角來表示。圓軸扭轉(zhuǎn)角[單位為（?）/m]，扭角的大小和軸的長度有關。為了消除長度的影響，通常用單位長度轉(zhuǎn)角來表示扭轉(zhuǎn)變形的程度。在工程中常限制單位長度轉(zhuǎn)角的最大值=的最大值不得超過單位長度許可轉(zhuǎn)角[]。因此，扭轉(zhuǎn)的剛度條件表述為
對于空心圓軸：
[3] (3-8)
對于不同的機械和軸的工作條件，可從有關手冊中查到單位長度許可轉(zhuǎn)角的值。
精密機械傳動軸：
=（0.25~0.50）?/m
一般傳動軸：
=（0.5~1）?/m
精度要求不高的軸：
=（1~2.5）?/m
轉(zhuǎn)臺主軸應該屬于一般傳動軸，所以選擇0.7?/m，根據(jù)式（4-16）得：
=0.038 m=38 mm
由于主軸的最小直徑D=50mm，所以符合剛度要求。A軸同上述方法校核符合剛度要求。
3.5支撐元件的選型
支撐元件多用軸承，軸承采用兩端固定的安裝方式。一般精度的轉(zhuǎn)臺多用角接觸軸承，在較高精度的轉(zhuǎn)臺中可以選用氣動軸承，但是其造價高，結(jié)構(gòu)復雜，配套設備繁多。所以在本設計方案中采用角接觸軸承。軸承型號按軸徑大小確定。轉(zhuǎn)臺軸承在安裝時一般給予一定的軸向預緊力，使內(nèi)外圈產(chǎn)生相對位移，從而消除游隙，并在套圈和滾動體接觸處產(chǎn)生彈性預變形，以此來提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度和剛度。預緊力可以利用金屬墊片或者調(diào)整螺母來實現(xiàn)。由相應的安裝尺寸可知軸承的型號，經(jīng)查《機械設計課程設計機手冊》，A與C軸上兩種球軸承的型號分別為7218C和7220C，內(nèi)徑分別為90mm和100mm，外徑160mm和180mm，高度30mm和34mm。
圖13 兩端固定式的安裝圖
本人采用陶瓷球混合軸承。陶瓷球混合軸承與傳統(tǒng)的鋼質(zhì)球軸承相比，具有密度小、彈性模量大、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫等優(yōu)良物理性能和機械性能。
（1）陶瓷球混合軸承材料Si3N4，密度只有鋼的40%。在高速運轉(zhuǎn)時，可大幅減小滾動體的離心力，從而減小球與套圈滾道間的接觸應力，延長軸承的使用壽命。
（角接觸球軸承000r/min