11
数控回转工作台的设计
3 主要零件的设计
3.1 工作台外形尺寸及重量计算
工作台最大承重：100kg，回转半径：300mm。
由《机械零件手册》查得，工作台材料为45钢，采用淬火提高钢的硬度和强度极限，但由于淬火会引起内应力，使钢变脆，所以工作台淬火后必须回火，以消除内应力。对于工作台连接处，采用焊接处理。其结构如图3-1：
图3-1 工作台结构
工作台尺寸：B=200mm，L=300mm，H=360mm，R1=60mm，r=30mm,m=30mm,n=30mm,a=40mm 工作台通过螺钉与涡轮输出轴连接，连接处进行喷砂处理增大表面摩擦力。螺钉受横向载荷和转矩，当采用螺钉与孔壁间留有间隙的普通螺钉连接时，靠连接预紧后在结合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷。
取螺钉直径10mm，数目4根 由《机械设计》查得，螺钉预紧力为 受横向载荷：
(3-1)
受转矩：F1= KS2 T / 4fr = 1.2 x 1210 x 0.3/0.5 x 4 x 0.04 =5440N (3-2) 选择螺栓材料为Q235，性能等级为4.6的螺栓，有《机械设计》查得材料屈服极限为240MPa，安全系数为1.5，故螺栓材料取用应力[ζ]=160 MPa。 求得螺栓危险截面的直径（螺纹小径d1）为：
12
陕西科技大学毕业论文（设计说明书）
d1 = （4 x 1.3 x F/π[ζ] ）ˉ3= {[4 x 1.3 x(5440+1210/4)]/ π[ζ] }=7.713mm (3-3) 矩形截面梁的弯曲应力沿截面高度按二次抛物线规律分布在中性轴处弯曲切应力最大。 由
(3-4)
可知工作台可用，工作台中21Kg。
按粗牙普通螺纹标准，选用螺纹公称直径为d=10 mm。
3.2 步进电机的选用及运动参数的计算
已知脉冲当量为0.001°，电机步距角为0.5°,工作台转速为6r/min。 工作台扭矩为：
T=FL=121.05 x10x0.3=363 N2m (3-5)
A轴机构重量小于121Kg,B轴所受扭矩为：
T=FL<（121.05+100）x10x0.2=444N2m (3-6)
工作台转动所需功率为202.5W,A轴机构回转所需功率为700W，所以两个轴的伺服电机采用不同的电机，但主要零件设计方法形同，B轴机构伺服电机选用1000W。
此处仅以A轴机构主要零件设计为例，由《数控机床系统设计》知，总传动比为： 总传动效率为：
ηα=η
i0=α/δ=0.5/0.001=500 (3-7)
轴承2η齿轮2η涡轮、杆2η联轴器
=0.98x0.97x0.8x0.99=0.75 (3-8)
参考《机电传动控制》，伺服步进电机额定功率为
选定伺服电机参数为：
电机型号：ACM604 额定电压：220V 额定功率：400W 额定力矩：1.27N2m 额定转速：3000r/min 电机总长:127.8mm
电机安装直径:70mm 电机重量:1.48Kg
电机轴直径:14mm 伸出轴长度：30mm 磁对极:4
(3-9)
τm13
数控回转工作台的设计
编码器:2500
由于A、B两轴摆动机构输出轴的扭矩和回转时所需的功率相同，且电机的输出扭矩和功率均选择的较大，因此可以用相同的零件，只是部件的装配结构有一些差别。
分配传动比时，考虑到应使各级传动件尺寸协调，结构匀称合理，尽量使传动装置外廓尺寸紧凑，重量较小，所以涡轮蜗杆的传动比应尽量小以减少涡轮的直径，查《机械设计》蜗杆传动比取62。
为了减少齿轮副的尺寸，避免大齿轮很大，小齿轮很小的情况，齿轮传动比应该取小一些，以使齿轮减速器部分的结构紧凑，减少总体结构尺寸。
则齿轮总传动比为：
i=500/62 = 8.065
各轴转速：
Ⅰ轴 n1=nm=3000 r/min
Ⅱ轴 n2=n1/i1=3000/8.065=372 r/min Ⅲ轴 n3=n2/i2=372/62=6 r/min 各轴输入功率：
P1=400x0.98x0.99=388.08 W
P2= P12η12=388.08x0.98x0.97=368.91 W P3=368.91x0.98x0.8=289.2 W 各轴输出功率：
P1′= P1x0.98=380.32 W
P2′= P2x0.98=361.53 W P3′= P3x0.98=283.416 W 各轴输入转矩：
Td=1.27 N2m
T1= Td2n1=1.27x0.99x0.98 = 1.232 N2m T2= T12n2=1.232x0.99x0.98x8.065 = 9.45 N2m T3= T22n3=9.45x0.99x0.8x62 = 459.17 N2m 各轴输出转矩：
T1′= T1x0.98 = 1.207 N2m
T2′= T2x0.98 = 9.261 N2m T3′= T3x0.98 = 450 N2m
14
陕西科技大学毕业论文（设计说明书）
3.3 齿轮传动的设计、主要参数和几何尺寸
已知齿轮副的传动比为8.065，输入转矩为1.232 N2m，小齿轮转速为3000r/min，设定工作寿命15年（设每年工作300天），两班制，机构工作平稳，正反转。
齿轮毛坯采用锻造毛坯，先切齿，后表面硬化处理，最后进行精加工，淬火并渗氮处理。 斜齿轮优点：
（1）啮合性能好，在斜齿轮轮齿的接触线为与齿轮轴线倾斜的直线，轮齿开始啮合和脱离啮合都是逐渐的，因而传动平稳、噪声小，同时这种啮合方式也减小了制造误差对传动的影响；
（2）重合度大，可以降低每对轮齿的载荷，从而相对的提高了齿轮的承载能力，延长了齿轮的使用寿命，并使传动平稳；
（3）斜齿标准齿轮不产生根切的最少齿数较直齿轮着少，因此，采用斜齿轮传动可以得到更为紧凑的机构。
由于齿轮副转速不高，故选用7级精度（GB10095-88）。
材料选择：选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差40HBS。
选小齿轮齿数=20，大齿轮齿数Z2=20x8.065=161.3，取162 按齿面接触强度设计： 由设计计算公式进行试算，即
（3-10）
确定公式内的各计算数值：
试选载荷系数Kt=1.6，小齿轮传递的转矩为1.232 N2m。 选取齿宽系数=1，
查《齿轮手册》的材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa疲劳强度极限ζ
Hlim2=550MPa。
。
Hlim1=600MPa，大齿轮的接触
按齿面硬度查《机械设计》得小齿轮的接触疲劳强度极限ζ计算应力循环次数：
N1=60n1jLh=60x3000x1x(2x8x300x15)=1.296x1010 (3-11)
N2=1.296x1010/8.065=1.607x109 (3-12) 取接触疲劳寿命系数KHN1=0.85；KHN2=0.92。 取失效概率为1﹪，安全系数S=1.2，得
［ζH］1= KHN12ζHlim1/S=0.85x600/1.2 MPa=425 MPa (3-13) ［ζH］2= KHN22ζHlim2/S=0.92x550/1.2 MPa=421.67 MPa (3-14)
则许用接触应力:
15
数控回转工作台的设计
［ζH］=（［ζH］1+［ζH］2）／2=423.3 MPa (3-15)
选取区域系数ZH=2.433，
查的1=0.78，εα2=0.87，则εα=εα1+εα2=1.65。 计算圆周速度:
v=πd1tn1/60x1000=3.14x14.8x3000/60x1000=2.324 m/s (3-16)
试算小齿轮分度圆直径d1t，由计算公式得d1t = 14.8 mm
计算尺宽b及模数m
b=Фdd1t=1x14.8=14.8 mm mnt=d1tcosβ/Z1=0.718 h=2.25 mnt =2.25x0.718=1.616 mm b/h=14.8/1.616=9.16 计算纵向重合度:
ε
β
=0.318Фd Z1tanβ=0.318x1x20xtan14°=1.586 计算载荷系数K：
已知使用系数KA=1，根据v=2.324 m/s,7级精度，查得动载系数Kv =1.11；查得KHβ=1.42；
查得KFβ=1.35, KHα= KFα=1.4. 故载荷系数：
K=KAKvKHαKFβ=1x1.11x1.4x1.42=2.21 按实际的载荷系数校正所算的分度圆直径得：
mn=d1cosβ/ Z1=0.801 按齿根弯曲强度设计：
计算载荷系数： K = KA Kv KFα KFβ =1 x 1.11 x 1.4 x 1.35 =2.10 根据纵向重合度εβ = 1.586，查得螺旋角影响系数Yβ = 0.88。
计算当量齿数：
ZV1 = Z1/ cos3β = 20 / cos314°= 21.894 ZV2 = Z2/ cos3β = 162 / cos314°= 177.34 查得齿形系数：YFa1 = 2.73 , YFa2 = 2.11 查得应力校正系数： = 1.565 , YSa2 = 1.85
(3-17)
(3-18)
(3-19)
(3-20)
(3-21)
(3-22)
(3-23)
(3-24)
(3-25)
(3-26) (3-27)