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摘 要

本文介绍了数控机床的发展史，指出了数控机床将是未来机械制造中重要的部分。广泛采用数控机床，不仅可提高产品的质量与产量，而且还可以提高生产效率和加工精度，对机械行业有着十分重要的意义。而数控回转工作台，是数控机床中最重要的组成部分，也在改变着机械零件的生产和加工方式。本课题以数控回转工作台为主要元件，说明了数控回转工作台对于现代机械社会发展的重要性、决定性作用，并且对数控回转工作台的全部零件做了设计，并且在设计完成之后，利用NX10.0软件，进行了三维建模。然后对于其核心装配零件：蜗轮蜗杆，主要是蜗轮，做了有限元的静力学分析，并且利用ANSYS WORKBENCH的优化功能，对其进行了结构上的优化。

关键词：数控回转工作台；优化设计；有限元分析；

Design and Optimization of CNC Rotary Table

Abstract

This paper introduces the development history of CNC machine tools, and points out that CNC machine tools will be an important part of future mechanical manufacturing. Widely using CNC machine tools can not only improve the quality and output of products, but also improve the production efficiency and processing accuracy, which is of great significance to the machinery industry. The CNC rotary table is the most important part of CNC machine tools, and it also changes the production and processing of mechanical parts. In the aspect of the research of the NC reverse rotation table, the finite element analysis of the rotary table is carried out, focusing on the dynamic and static analysis and optimization analysis of the worm part of the NC rotary table.

Key words: CNC rotary table; optimal design; finite element analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.3 研究内容方向和重点难点 2

1.3.1 课题研究内容 2

1.3.2 重点和难点 2

第二章 数控回转工作台的方案设计 3

2.1 确定数控回转工作台的传动方案 3

2.1.1 传动方案应满足的要求 3

2.1.2 几种典型传动方案的特点 3

2.1.3 分析及传动方案确定 3

2.2 直流伺服电机的选择 4

2.3 数控回转工作台类型的选择 4

第三章 回转工作台的设计计算 5

3.1 齿轮传动的设计 5

3.1.1 查表确定各传动链接零件的效率 5

3.1.2 齿轮的设计 5

3.1.3 齿面接触疲劳强度的计算 5

3.1.4 齿根弯曲疲劳强度的计算 7

3.1.5几何尺寸计算 8

3.2 蜗轮及蜗杆的设计 8

3.2.1 蜗杆的传动类型 8

3.2.2 选择涡轮蜗杆材料 8

3.2.3 根据齿面接触疲劳强度的计算 8

3.2.4 蜗杆与蜗轮几何尺寸的计算 9

3.2.5 蜗轮齿面接触强度的校核 10

3.2.6 选定蜗轮蜗杆的精度等级 10

3.3 其中主要轴的设计 10

3.4 键联接的选择 11

3.4.1 键联接的类型 11

3.4.2 键联接的尺寸 11

3.4.3 验算键联接强度 11

3.5 箱体的设计 11

3.6 三维几何建模 12

第四章 数控回转工作台有限元分析及优化 14

4.1 有限元理论和方法 14

4.1.1 有限元静力学分析 14

4.1.2 有限元结构优化 14

4.2 蜗轮蜗杆有限元静力学分析 14

4.2.1 workbench中的几何模型 14

4.2.2 材料特性 15

4.2.3 网格划分 15

4.2.4 边界条件的施加 16

4.2.5 分析结果 16

4.3 有限元优化设计 16

4.3.1 灵敏度分析 17

4.3.2 优化过程及结论 18

4.3.3 优化结果云对比图 19

第五章 总结与展望 20

5.1 总结 20

5.2展望与未来发展趋势 20

致谢 22

参考文献 23

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

数字控制机床，它的诞生使社会中的机械生产变得效率更高。数控机床所带来的社会意义源远流长、重于泰山。因而数控机床的研究与开发便是在推动我国机械发展的进程中很重要的一个项目，由于许多机械中的零件都是由数控机床加工和生产出来的，所以数控机床的分量对于机械产业来说一定是举足轻重的。数控机床对于我们最大的意义最直接的就是能够改变我们的生产。对于最现实的今天社会来说，这也就是我们最值得拥有这样一项技术的最大的原因。

根据前几年的产业分析报告来看，近年来我国的数控机床的研发和生产取得了一定的进步，但之前我国的机床设计大多都是按照从前的传统方法来设计和开发，与国外世界一流的机械水平还有一些差距，急需引进新的开发资源和技术，提高对我国机床的各种性能，当下仍然需要向着整个机械行业的高精度性、高专业性的方向去发展^[1]。

而数控回转工作台作为数控机床中最主要的部件，它的质量、机能和刚性等性能对于机床的加工精度、加工质量和出产效力有这重要的决定作用。而我们国内的数控回转工作台的精密性和专业性还不是那么成熟，它的性能、精度、稳定性还有一定的提升空间，所以许多国内机床制造企业和公司会采用国外进口的工作台。最近几年，“机”与“电”逐渐融为一体，密不可分，电子控制和计算机控制越来越重要，并且有限元分析也逐渐渗透到国内外的研究中来，在本课题的研究中，在用三维建模软件进行建模之后，会利用有限元分析软件来进行对数控回转工作台的重要组件进行静力学分析和结构优化。

1.2 国内外发展现状

数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。它在全球的发展历史如下：在美国，从1952年开始研制出第一台机床之后，1958年便研制出加工中心，速度快而技术要求高，之后美国就开始发展了大量自动化的生产线，并且美国的电子技术和计算机技术都是在世界上遥遥领先的；在德国，1956年研制出第一台数控机床后，开始注重理论与实际结合，注重质量上的精益求精，之后德国的机电、测量、数控等各种部件都在全球位居前列；在日本，1958年第一次研制出数控机床，之后开始加大产量，一直到朝着高性能的方向发展。

随着我们国家经济以及机械生产的快速发展，近年来我们对高档数控机床提出了大量需求。而数控回转工作台作为加工中心、复合机床等装备机械的核心部件之一，随着新技术的不断发展，其设计制造业在不断创新，从而达到高精度、高效率、高可靠性、低成本的目的。数控回转工作台作为一台机床的基础部件，其平稳性和精密性直接决定了机床的加工精度，因此对工作台性能的研究分析显得尤为重要。但是这些动态过程往往比较复杂，也很难控制，对机床的加工精度影响较大。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，可以与其他伺服进给轴联动，从而加工出各种球、圆弧曲线等回转工作台还可以实现精确的自动分度，扩大了数控机床加工范围。

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