回轉(zhuǎn)工作臺的傳動方案及總體設(shè)計

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1 目 錄 前 言 ..................................................... 1 §0. １ 國際先進的感應(yīng)淬火技術(shù) .......................... 1 §我國工業(yè)應(yīng)用感應(yīng)熱處理技術(shù)現(xiàn)狀 ................... 1 第一章 傳動方案及總體設(shè)計的確定 ........................... 3 §工作臺運動的基本要求與工作臺的分類 ............... 3 §工作臺運動的基本要求 ........................ 3 §數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的分類 ........................ 3 §傳動方案的選定 ................................... 3 §工作臺的總體設(shè)計 ................................. 4 第二章 動力及位置檢測器件的選擇與計算 ..................... 6 §伺服電機的特點與種類 .......................... 6 §伺服電機的選擇 .............................. 6 §編碼器的選擇 ..................................... 9 §編碼器的原理及分類 .......................... 9 §碼器的選用 ................................ 11 §2. 3 傳動比的確定 ................................... 12 §各軸轉(zhuǎn)速的確定 .................................. 12 §率及轉(zhuǎn)矩的確定 ................................. 13 第三章 齒輪的設(shè)計 ....................................... 13 §選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) .............. 13 §按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 .......................... 14 第四章 蝸輪蝸桿的設(shè)計 .................................... 18 §蝸桿傳動類型的選擇及雙導程蝸桿的原理 ............ 18 §蝸輪蝸桿傳動副的設(shè)計及校核 ...................... 22 §蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計及校核 ........................ 23 第五章 主軸的設(shè)計 ........................................ 28 §軸的負載計算 ................................... 28 §主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .................................. 29 2 §軸的校核 ....................................... 31 第六章 軸承的選擇與計算 .................................. 34 §工作臺承重推力球軸承設(shè)計計算： .................. 34 §主 軸定位角接觸軸承的設(shè)計計算 .................... 35 §蝸桿角接觸軸承的設(shè)計計算 ........................ 36 第七章 聯(lián)軸器的選擇與校核 ................................ 38 §聯(lián)軸器的設(shè)計選型及 計算 .......................... 38 §聯(lián)軸器型號、尺寸的確定 .......................... 39 §主軸與旋轉(zhuǎn)編碼器間聯(lián)軸器的設(shè)計選用 .............. 39 結(jié) 論 .................................................... 40 參考文獻 .................................................. 41 致 謝 ..................................................... 42 1 前 言 §國際先進的感應(yīng)淬火技術(shù) 電源：國外 固態(tài)晶體管電源技術(shù)逐步成熟，并已商品化，系列化，低頻段有取代晶閘管電源趨勢； 采用并聯(lián)振蕩電路 ，采用串聯(lián)諧振電路，功率高達 1000 率 200 400400 淬火機床：感應(yīng)淬火機床更加趨向自動化， 制逐漸增多，自動分檢零件與自動識別進機零件功能的機床增多。主要分為以下兩種： 1，通用淬火機床 ：目前通用淬火機床朝柔性化方向發(fā)展，一臺淬火機床可以對不同性能要求的不同零件感應(yīng)加熱淬火； 2，專用淬火機床 ：專用淬火機床更加專用化，采用機械手上下零件，加熱、淬火、回火、校直、檢查完全自動進行。 淬火工藝： (1)靜止式曲軸感應(yīng)淬火； (2)低淬透性鋼齒輪淬火； (3)雙頻感應(yīng) 加熱淬火 §國工業(yè)應(yīng)用感應(yīng)熱處理技術(shù)現(xiàn)狀 電源：我國的電源技術(shù)經(jīng)歷了機械式中頻發(fā)電機組和真空管式高頻電源、晶閘管中頻電源及全晶體管電源三個發(fā)展階段。在 20 世紀 80 年代后期，在工業(yè)發(fā)達國家，晶閘管中頻電源已完全取代了中頻發(fā)電機組，我國自 90 年代中期也已逐步取代。 淬火工藝：隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，我國采用感應(yīng)淬火的零件的種類和品種不斷增加。目前使用的淬火介質(zhì)包括：水、聚乙烯醇、聚迷水溶性淬火介質(zhì)、 富頓 251 等。所采用的加熱方式及應(yīng)用主要包括：橫向磁場靜止一次加熱淬火；橫向磁場連續(xù)加熱淬火 ；橫向磁場多段連續(xù)加熱淬火；縱向磁場整體一次加熱淬火；仿形感應(yīng)器零件旋轉(zhuǎn)加熱淬火；感應(yīng)接觸加熱淬火；內(nèi)孔的一次及連續(xù)加熱淬火；階梯軸類零件的旋轉(zhuǎn)加熱淬火；平面類零件的一次及連續(xù)加熱淬火；薄壁類復(fù)雜零件一次及連續(xù)加熱淬火；復(fù)雜形狀零件的一次加熱淬火；槽口一次淬火；復(fù)雜回線工件旋轉(zhuǎn)一次加熱淬火等。 2 淬火機床： 1，通用淬火機床方面，一汽技術(shù)中心開發(fā)的臥式數(shù)控淬火機床主驅(qū)動采用交流伺服電機拖動，移動速度穩(wěn)定均勻、定位準確、重復(fù)精度高；零件旋轉(zhuǎn)采用變頻調(diào)速，能適應(yīng)多方面工藝要求；采用能量和數(shù)控技術(shù)對不同性能要求的不同 零件感應(yīng)加熱淬火，甚至在同一零件上實現(xiàn)多段變功變速，編程容易可操作性強； 2，專用淬火機床方面，二汽和天舒機電科技有限公司經(jīng)過多年努力，攻克一個個難關(guān)，采用功率脈沖分配技術(shù)、尾座自由頂尖技術(shù)、薄型淬火變壓器技術(shù)、獨立懸掛技術(shù)、懸掛平衡技術(shù)等分別研制成功曲軸全自動淬火機床，與電源、水冷系統(tǒng)組成成套淬火設(shè)備可對車用內(nèi)燃機曲軸進行各軸徑的圓角及軸徑淬火、軸徑淬火自回火，采用計算機控制，通過顯示屏對設(shè)備的加熱、淬火工藝參數(shù)諸如電壓、電流、頻率、時間、壓力、流量溫度等進行監(jiān)控和顯示，目前國內(nèi)多家采用。 綜上可知，數(shù)控淬 火機床的開發(fā)與制造對于當前淬火行業(yè)的現(xiàn)狀來說是具有前瞻意義的，是淬火機床數(shù)字化的必然趨勢。 3 第一章 傳動方案 及總體設(shè)計 的確定 §作臺運動的基本要求與工作臺的分類 §作臺運動的基本要求 根據(jù)設(shè)計說明書要求，回轉(zhuǎn)工作臺的基本設(shè)計參數(shù)如下： 回轉(zhuǎn) 直徑為 500 轉(zhuǎn)速范圍為： 0～ 50 r/ 所承載工件的最大質(zhì)量為： 2000 ㎏； 回轉(zhuǎn)臺應(yīng)具備電子轉(zhuǎn)角給定與檢測裝置，其 h 精度為 "10? 。 § 控回轉(zhuǎn)工作臺的分類 由于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的功能要求連續(xù)回轉(zhuǎn)、進給并與其他坐標軸聯(lián)動，因此采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、分度和定位，其定位精度由控制系統(tǒng)決定。根據(jù)控制方式，有開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺和閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。 1. 開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺采用電液脈沖馬達或功率步進電機驅(qū)動 。 2. 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)與開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺基本相同，區(qū)別在于閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺采用直流或交流伺服電機驅(qū)動，有轉(zhuǎn)動角度測量元件 (圓光柵、圓感應(yīng)同步器、脈沖編碼器等 )。測量 的結(jié)果反饋與指令值進行比較，按閉環(huán)控制原理進行工作，使工作臺定位精度更高。 §動方案的選定 根據(jù)設(shè)計參數(shù)的要求，本設(shè)計的主傳動方案選擇閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的傳動方案，動力源為伺服電機，經(jīng)雙導程一級蝸輪蝸桿減速傳遞給工作臺，在心軸端部加裝旋轉(zhuǎn)編碼器作為轉(zhuǎn)角反饋裝置。 4 如圖 1回轉(zhuǎn)工作臺的傳動鏈圖，驅(qū)動裝置為伺服電機，伺服電機與編碼器相連，伺服電機帶動小齒輪運動，小齒輪通過與大齒輪嚙合實，大齒輪采用雙片齒輪結(jié)構(gòu)以達到自動消除齒側(cè)間隙的目的，大齒輪帶動蝸桿傳動，通過蝸輪蝸桿的嚙合實現(xiàn)第二級減速，該蝸 輪蝸桿采用雙導程蝸輪蝸桿系統(tǒng)，以 消除正反傳動產(chǎn)生的傳動間隙，降低傳動誤差 。通過蝸輪蝸桿的傳動帶動工作臺的運轉(zhuǎn) 。 工件編碼器雙導程蝸輪蝸桿系統(tǒng)伺服電機圖 1作臺的總體設(shè)計 如圖 1 工作臺由伺服電機驅(qū)動，經(jīng)一對齒輪 30、 31和一對蝸輪副 5、 7傳動工作臺，帶動共作臺作回轉(zhuǎn)進給運動。采用雙片齒輪 30消除齒輪嚙合間隙，蝸桿采用雙導程。伺服電機帶有每轉(zhuǎn) 1000個脈沖信號的編碼器作為角度測量反饋原件。分度精度為 ''10 。 工作臺采用環(huán)型，材料為 灰鑄鐵 200，工件的定位采用莫氏 4 號錐。 1 2 3 58101112131461917 18 20 21 22 7915 416610? 55757 0H 7/ - 角接觸求軸承；3 - 軸承套環(huán)；4 - 盤式制動器；5 ；6 - 箱體；7- 蝸桿；8- 圓柱銷；9 - 蝸輪軸；9 - 頂尖；1 0 - 圓錐滾子軸承；1 1 - 螺釘；12 - 推力球軸承；1 3 - 回轉(zhuǎn)臺；14 - 螺栓；1 5 盤；1 6 - 螺釘；1 7 - 螺釘；18 - 套筒；1 9 母；2 0 - 連接軸；21 - 螺釘5 圖 1425262927343532363738394041422330312833?00500H7/8桿；24 球軸承；24 ；25 ；26 槽沉頭螺釘；27 ；28 ；29 輪；30 輪；31 ；32 ；33 盒；34 ；35 ；36 墊片；37 套環(huán)；38 觸球軸承；39 母；40 ；41 ;4 2- 螺釘圖 1 第 二 章 動力及位置檢測器件的選擇與計算 §服電機的特點與種類 伺服電機是在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機。是一種補助馬達間接變速裝置，可使控制速度，位置精度非常準確。伺服電機可分為直流伺服電機和交流伺服電機。 1. 直流伺服電機 直流伺服電機分為有刷和無刷電機。 有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè) 和民用場合。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。 2. 交流伺服電機 交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率，大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低，因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。 §服電機的選擇 根據(jù)工作臺的工作情況以及工作 需要，工作轉(zhuǎn)速較低，但在工作過程中有變速環(huán)節(jié)，因此對伺服電機的要求是：轉(zhuǎn)速中等，扭矩較大，能承載較高的負載慣量。根據(jù)以上要求，通過對市場上現(xiàn)有伺服電機產(chǎn)品的研究調(diào)查和反復(fù)比較，決定采用大轉(zhuǎn)動慣量、中轉(zhuǎn)速、大扭矩系列伺服電機，具體型號選擇計算如下： 1. 負載情況 由于淬火機床在工作時感應(yīng)頭與工件要保持一定的距離，不像其他機床那樣存7 在切削阻力，因此，動力電機只要能克服工件回轉(zhuǎn)時傳動部件的摩擦阻力即可。各部件的摩擦阻力及效率情況如下： (1) 效率計算 整個傳動系統(tǒng)共使用了兩對角接觸軸承、一對深溝球軸承和一個 單列推力球軸承，以及一個聯(lián)軸器和一個蝸輪蝸桿副，具體效率如下： 滾動軸承： 對） 聯(lián)軸器： 輪蝸桿副： 整個傳動系統(tǒng)的總效率為 0 . 9 8 0 . 9 8 0 . 9 8 0 . 9 9 0 . 7 6 5= = %? ? ? ? ?總(2) 工作狀況 設(shè)計最大工件質(zhì)量為 2000作臺自重約為 65軸質(zhì)量約為 15具質(zhì)量約為 30及軸承法蘭盤的重量，總承質(zhì)量低于 2250推力球軸承的總承重為： 0 m g 2 2 5 0 9 . 8 2 2 0 5 0 N 2 2 . 0 5 k = =??(3) 推力 球 軸承型號 的 選擇 由于工作臺設(shè)計轉(zhuǎn)速范圍為： 0～ 50r/于轉(zhuǎn)速較低的情況，故主要應(yīng)對其進行靜載荷強度的計算，即： 0 由《機械設(shè)計》 13得靜強度安全系數(shù) 2S=0故 02 2 2 2 . 0 5 4 4 . 1 0 k = =? ? ?0考慮到空心軸與頂尖的直徑尺寸，以及工作臺在工作時的平衡支撐性能，故選用 51176 型推力球軸承，其尺寸及參數(shù)為： 3 8 0 4 6 0 6 5d D T =? ? ? ?，440 a ， 2 2 1 0 k a ， ，極限轉(zhuǎn)速 /(r/脂＝ 430，極限轉(zhuǎn)速/(r/油＝ 600，重量 23.0 。 (4) 推力球軸承的摩擦力矩 M 滾動軸承的摩擦力矩可以按照軸承內(nèi)徑由下式計算： M / 2= 這里 ， M ：摩擦力矩， N u：摩擦系數(shù)，表 5：軸承負荷， N d：軸承公稱內(nèi)徑， 查得推力球軸承的摩擦系數(shù) u=： M 2 0 . 0 0 3 2 2 0 5 0 3 8 0 / 2 1 2 5 6 8 . 5 N m m= u P d / = ? ? ? ? 2. 伺服電機型號的選擇 根據(jù)以上計算，結(jié)合市場上伺服電機的產(chǎn)品情況，初選伺服電機型號為：服電機參數(shù)如下： 額定輸出功率為： 3 額定電源電壓為： 220V（ 額定轉(zhuǎn)速為： 3500r/ 額定轉(zhuǎn)矩為： m， 峰值轉(zhuǎn)矩為（瞬間）： m， 最高轉(zhuǎn)速為： 2400 電勢系數(shù)： s/ 轉(zhuǎn)矩系數(shù)： m/A， 轉(zhuǎn)子慣量： 252000 額定線電流（有效值）： ， 額定線電壓（有效值）： 伺服電機的外形尺寸如下圖所示： 圖 2服電機外觀尺寸 3. 摩擦阻力矩計算 (1) 蝸桿軸承的摩擦力矩 蝸桿采用一端固定一端游動的支撐，游動端沒有軸向力，因此只有效率計算即可，固定段為一端角接觸軸承，所受軸向載荷等于蝸桿所受軸向力，為 4864N，9 則摩擦力矩為： 1 /2M M ：摩擦力矩， u ：摩擦系數(shù)， P ：軸承負荷， N d ：軸承公稱內(nèi)徑， 入數(shù)據(jù)得：1 0 . 0 0 1 2 4 8 6 4 4 0 / 2 1 1 6 . 7 4 N m =? ? ?(2) 心軸 軸承的摩擦力矩 與蝸桿類似，心軸上的深溝球軸承同樣為游動支撐，主要起中心定位作用，因此只計算角接觸軸承的摩擦力矩即可，軸承所受軸向負載為 462N，力矩計算如下： 2 0 . 0 0 1 2 4 5 7 . 4 8 5 5 / 2 1 5 . 0 9 N m =? ? ?(3) 工作臺承重軸承的摩擦力矩 作為工件的主承重軸承，工作臺推力球軸承的摩擦力矩對工作 的回轉(zhuǎn)影響尤為重要，其工作載荷即工件與工作臺的總重，為 摩擦力矩計算如下： 3 / 2 0 . 0 0 3 2 2 0 5 0 3 8 0 / 2 1 2 5 6 8 . 5 N m u P d = =? ? ?綜上可知，總的摩擦力矩為 : 12 1 1 6 . 7 4 + 1 5 . 0 9 + 1 2 5 6 8 . 5 = 1 2 7 0 0 . 3 3 N m M + M + M = ?因此所選電機符合要求。 §碼器的選擇 §碼器的原理及分類 1. 編碼器如以信號原理可以分為增量型編碼器和絕對型編碼器。 (1) 增量型編碼器 (旋轉(zhuǎn)型 ) a. 工作原理： 由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取 ,獲得四組正弦波信號組合成 A、 B、 C、 D,每個正弦波相差 90 度相位差10 （相對于一個周波為 360 度），將 C、 D 信號反向，疊加在 A、 B 兩相上，可增強穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個 Z 相脈沖以代表零位參考位。 由于 A、 B 兩相相差 90 度 ，可通過比較 A 相在前還是 B 相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。 編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。 分辨率 — 編碼器以每旋轉(zhuǎn) 360 度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度 5~10000 線。 b. 信號輸出： 信號輸出有正弦波（電流或電壓） ,方波（ ,集電極開路（ ,推拉式多種形式，其中 長線差分驅(qū)動（對稱 A,,,,挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。 信號連接 — 編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、 算機， 計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。如單相聯(lián)接，用于單方向計數(shù)，單方向測速。 相聯(lián)接，用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速。A、 B、 Z 三相聯(lián)接，用于 帶參考位修正的位置測量。 A、 B、 Z、 于帶有對稱負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為 0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離。對于 帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達 150 米。對于 帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達300 米。 c. 增量式編碼器的問題： 增量型編碼器存在零點累計誤差，抗干擾較差，接收設(shè)備的停機需斷電記憶，開機應(yīng)找零或參考位等問題，這些問題如選用絕對型編碼器可以解決。 d. 增量型編碼器的一般應(yīng)用 : 測速 ，測轉(zhuǎn)動方向，測移動角度、距離 (相對 )。 (2) 絕對型編碼器（旋轉(zhuǎn)型） 絕對編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以 2 線、 4 線、 8 線、16 線 …… 編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從 2 的零次方到 2 的 方的唯一的 2 進制編碼（格雷碼），這就稱為 絕對編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。 絕對編碼器由機械位置決定的每個位置是唯一的，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀 取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。 從單圈絕對值編碼器到多圈絕對值編碼器旋轉(zhuǎn)單圈絕對值編碼器，以轉(zhuǎn)動中測量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當轉(zhuǎn)動超過 360 度時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉(zhuǎn)范圍 360 度以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對值編碼器。如果要測量旋轉(zhuǎn)超過 360 度范圍，就要用到多圈絕對值編碼器 編碼器生產(chǎn)廠家運用鐘表齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增 加圈數(shù)的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。 多圈編碼器另一個優(yōu)點是由于測量范圍大，實際使用往往富裕較多， 這樣在安裝時不必要費勁找零點， 將某一中間位置作為起始點就可以了，而大大簡化了安裝調(diào)試難度 §碼器的選用 根據(jù)以上對編碼器的分析，結(jié)合本設(shè)計情況，決定選用西安新敏電子科技有限公司的 旋轉(zhuǎn)增量編碼器，特性： 1. 法蘭安裝，輸出軸自帶彈性聯(lián)軸器； 2. 法蘭尺寸 68×68，止口 Ф50，軸徑 Ф15，航插側(cè)出； 3. 安裝方便，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床行業(yè)。具體技術(shù)參數(shù)如下： 輸出波形：方波； 工作溫度： ~100℃ ； 消耗電流： ≤150 儲存溫度： ~120℃ ； 響應(yīng)頻率： 0~120 工作濕度： 30~85% 無結(jié)露； 載空比： 12 電源電壓： +/ +5~12V、 +12~24V； 最大轉(zhuǎn)速： 6000 抗沖擊： 980 2/ 6向各 2 次； 轉(zhuǎn)動慣量： 1.0 x 10 抗震動： 50 2/ 10~200向各 2h； 起動力矩： 2.0 x 10+25℃ ）； 工作壽命： 0000h（ +25℃ ， 2000 軸最大負載：徑向 60N；軸向 50N； 輸出電壓： 高電平 5%電平 防護：防水、防油、防塵 質(zhì)量： 安裝尺寸如下圖所示： 圖 2碼器尺寸圖 §2. 3 傳動比的確 定 由于轉(zhuǎn)速范圍 0~50 r/取回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速4 2 0 / m 則 3 0 0 0 / 2 0 1 5 0i ??總。分配傳速比：齒輪傳動比12 ， 蝸輪蝸桿傳動比34 60i ?§各軸轉(zhuǎn)速的確定 I 軸（小齒輪軸） 1 3 0 0 0 / m i ； （蝸桿軸） 2 1 2/ 3 0 0 0 / 2 . 5 1 2 0 0 / m i nn n i r? ? ?； 13 （蝸輪軸） 3 2 0 / m ； 則各部分轉(zhuǎn)速：小齒輪1 3 0 0 0 / m 大齒輪2 3 0 0 0 / 2 . 5 1 2 0 0 / m i ，蝸桿轉(zhuǎn)速321200，蝸輪轉(zhuǎn)速43 1 2 0 0 / 6 0 2 0 / m i ni i r? ? ?。 §率及轉(zhuǎn) 矩的確定 各軸的輸入功率： I 軸 1 d 3 3 0 . 9 9 2 . 9 7p p K W?? ? ? ? ?； 2 1 2 3 2 . 7 9dp p K W? ? ?? ? ? ? ?； 33 2 1 2 4 51 . 8 8p p K W p? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?工 作 臺各軸的輸入轉(zhuǎn)矩、電機的輸出轉(zhuǎn)矩： 5 0 p / 9 5 5 0 3 / 3 0 0 0 9 . 5 5T N m?? ? ? ? ? ?電 機I 軸 13 9 . 2 6 N m?? ? ? ? 2 1 2 3 2 2 2 . 2 i N m? ? ?? ? ? ? ? ? ? 33 2 1 2 4 5 19 3 2 . 1T T i N m???? ? ? ? ? ? ? ? ? 第 三 章 齒輪的設(shè)計 §3 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1. 選用斜齒圓柱齒輪傳動。 2. 由于硬齒面齒輪具有力學性能高， 結(jié)構(gòu)尺寸小等優(yōu)點，故大小齒輪都用硬齒面。由表 10－ 1[1] 選得大小齒輪的材料均為 40并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48－ 55 3. 由表 10－ 8[1] ，精度等級選為 7 級精度。 14 4. 初步選定小齒輪齒數(shù)1Z=20,則大齒輪齒數(shù)2Z=2i 1Z?=20=50 5. 初選螺旋角 β =14。 。 §按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 根據(jù)式 10－ 1[1] ： ? ? 23112 / ( 1 / ) ( / )t t d H E T U U Z Z?? ? ? ? ? ? ? ① 因大小齒輪均為硬齒面，故宜選較小的齒寬系數(shù) 由表 10－ 7[1] ，取d?=由圖 10 － 21e [1] 按 齒 面 硬 度 查 得 大 小 齒 輪 的 接 觸 疲 勞 極 限l i m 1 l i m 2 1100P? ? ? ?③由表 10－ 6[1] 查得材料的彈性影響系數(shù) 121 8 9 P?④由式 10－ 13[1] 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 9116 0 6 0 3 0 0 0 1 ( 2 8 3 0 0 1 0 ) 8 . 6 4 1 0hN n j L? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 992 8 . 6 4 1 0 / 2 . 5 3 . 4 5 6 1 0N ? ? ? ? 該齒輪傳動由電機驅(qū)動，工作壽命 10 年，設(shè)年工作 300 天， 2 班制。 ⑤由圖 10－ 19[1] 取接觸疲勞壽命系數(shù)1 2 ⑥計算接觸疲勞許用應(yīng)力（失效概率 1%，安全系數(shù) S=1） ? ? 1 l i m 11 / 0 . 8 8 1 1 0 0 9 6 8H H N M P M P? ? ? ? ? ? ? ?2 l i m 22 / 0 . 9 6 1 1 0 0 1 0 5 6H H N M P M P? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?12( ) / 2 ( 9 6 8 1 0 5 6 ) / 2 1 0 1 2H H H ? ? ? ? ? ? ?⑦試選載荷系數(shù) ⑧由圖 10－ 26[1] 查得1 ?2 ?則12 0 . 7 8 0 . 8 4 1 . 6 2? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?⑨由圖 10－ 30[1] 選區(qū)域系數(shù) ⑩小齒輪傳遞 轉(zhuǎn)矩 551 1 19 5 . 5 1 0 / 9 5 . 5 1 0 3 / 3 0 0 0T P n N m m? ? ? ? ? ?2. 計算 ①計算小齒輪分度圓直徑1 1 . 6 9 5 5 0 / ( 0 . 8 1 . 6 2 ) ( 2 . 5 1 ) / 2 . 5 ( 2 . 4 3 3 1 8 9 . 8 / 1 0 1 2 ) 1 9 . 0 1td m m m m? ? ? ? ? ? ? ? ? 取1 42 15 ② 計算圓周速度 11 / ( 6 0 1 0 0 0 ) 3 . 1 4 4 2 3 0 0 0 / ( 6 0 1 0 0 0 ) / 6 . 5 9 4 /tv d n m s m s? ? ? ? ? ? ? ?③計算齒寬 b 及模數(shù) . 8 4 2 3 3 . 6d m m m m? ? ? ? ?11c o s / 4 2 c o s 1 4 / 2 0 2 . 0 3 8n t tm d z m m m m? ? ? ? ?。2 . 2 5 2 . 2 5 2 . 0 3 8 4 . 5 8m m m m m? ? ? ? / 3 3 . 6 / 4 . 5 8 7 . 3 4? ④計算重合度??10 8 d z?? ? ?20× =計算載荷系數(shù) K 根據(jù) v=s， 7 級精度，由圖 10－ 8查得動載系數(shù) ,由表 10－ 2[1] 1 ，由表 10－ 3[1] 查得 1 ??，從表 10－ 4[1] 中的硬齒面齒輪查得小齒輪相對支撐非對稱布置， 6級精度， ??？紤]齒輪 7 級精度，取 ? ,故載 荷系數(shù) 1 1 . 4 8 1 . 2 1 . 2 9 5 2 . 3A V H K K K??? ? ? ? ? ?，另由圖 10－ 13[1] 查得 ?⑥按實際載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 3311 / 4 2 2 . 3 / 1 . 6 4 7 . 4d K K m m m m? ? ? ? ⑦計算模數(shù)o s / 4 7 . 4 c o s 1 4 / 2 0 2 . 3nm d z m m m m? ? ? ? ?。3. 按齒根彎曲強度設(shè)計 根據(jù)式 10－ 17[1] ， ? ?223112/n F a S a d T Y C O S Y Y Z??? ? ? ? ?（ 1）確定計算參數(shù) ① 計算載荷系數(shù) 1 1 . 0 9 1 . 4 1 . 2 6 1 . 9 2 3A V F K K K??? ? ? ? ? ? ②由圖 10－ 20d[1] 查得齒輪的彎曲疲勞強度極限12 620F E F E ? ? ?彎曲疲勞壽命系數(shù)：由圖 10－ 18[1] 查得1 2 ，安全系數(shù) S= ③計算彎曲疲勞許用應(yīng)力，由式 10－ 12[1] 得 ? ? 111 / 0 . 8 2 6 2 0 / 1 . 4 3 6 3 . 1 4F F N F M P M P? ? ? ? ? ? ? ? 222 / 0 . 8 8 6 2 0 / 1 . 4 3 8 9 . 7F F N F M P M P? ? ? ? ? ? ④查取齒形系數(shù)，由表 10－ 5[1] 得1 2 16 ⑤查取應(yīng)力校正系數(shù)，由表 10－ 5[1] 得1 2 ⑥由圖 10－ 28[1] 查得螺旋角影響系數(shù) ?⑦計算大小齒輪的 ? ?/a ，并加以比較。 ? ?11 1/ 2 . 8 1 . 5 5 / 3 6 3 . 1 4 0 . 0 1 1 9 5F a S a ? ? ? ? ?22 2/ 2 . 3 2 1 . 7 0 / 3 8 9 . 7 0 . 0 1 0 1 2F a S a ? ? ? 小齒輪的數(shù)值比較大。 （ 2）設(shè)計計算 223 2 1 . 9 2 3 9 5 5 0 0 . 8 8 c o s 1 4 0 . 0 1 1 9 5 / 0 . 8 2 0 1 . 6 2 0 . 7nm m m m m? ? ? ? ? ? ? ? ?。（ ） 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的發(fā)面模數(shù)表 10－ 1??2 取標準值分度圓直徑1 則： 11 c o s / 4 7 . 4 c o s 1 4 / 2 . 5 1 8 . 5nZ d m? ? ? ? ?。取1 19Z ?，則2 2 1 2 . 5 1 9 4 7 . 5Z i Z? ? ? ?,取2 49Z ?（ 3） 幾何尺寸計算 ①計算中心距 12 / 2 c o s 2 3 5 8 2 / 2 c o s 1 4 8 7 . 6 m m m? ? ? ? ? ? ? ?。（ Z ） （ ）將中心距圓整為 88 ②按圓整后的中心距修正螺旋角 12a r c c o s m / 2 a r c c o s 2 3 5 8 2 / 2 8 4 1 5 a? ? ? ? ? ? ? ? 。（ ） （ ）因 β值改變不大，故參數(shù)??， K?， （ 3） 計算大小齒輪的分度圓直徑 11 / c o s 1 9 2 . 5 / c o s 1 5 4 9 . 1 8 m m m m m? ? ? ? ?。22 / c o s 4 9 2 . 5 / c o s 1 5 1 2 6 . 8 2 m m m m m? ? ? ? ?。（ 4）計算齒輪齒寬 1 0 . 8 4 9 . 1 8 3 9 . 3 4db d m m m m? ? ? ? ?17 圓整后取1 50B 2 45B 南科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 第四章 蝸輪蝸桿的設(shè)計 §桿傳動類型的選擇及雙導程蝸桿的原理 根據(jù) 10085推薦，采用漸開線蝸桿 (根據(jù)傳動精度 的要求，以及參照其他數(shù)控分度工作臺的傳動設(shè)計，采用雙導程蝸桿，即變齒厚蝸桿，以消除正反傳動產(chǎn)生的傳動間隙，降低傳動誤差，雙導程蝸桿的原理和設(shè)計如下： 雙導程蝸桿傳動具有改變嚙合側(cè)隙的特點，能夠始終保持正確的嚙合關(guān)系；并且結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便，因而在要求連續(xù)精確分度的結(jié)構(gòu)中被采用，以便調(diào)整嚙合側(cè)隙到最小程度。 雙導程蝸桿副嚙合原理與一般的蝸桿副嚙合原理相同，蝸桿的軸向截面仍相當于基本齒條，蝸輪則相當于同它嚙合的齒輪。雙導程蝸桿齒的左、右兩側(cè)面具有不同的齒距 (導程 )或者說齒的左、右兩側(cè)面具有不同的模數(shù) ()m m= t/? ，但同一側(cè)齒距則是相等的，因此，該蝸桿的齒厚從一端到另一端均勻地逐漸增厚或減薄，故又稱變齒厚蝸桿，可用軸向移動蝸桿的方法來消除或調(diào)整嚙合間隙。因為同一側(cè)面齒距相同，沒有破壞嚙合條件，所以當軸向移動蝸桿后，也能保證良好的嚙合。 雙導程蝸桿的齒形如圖 4示，圖中，左t、右側(cè)面軸向齒距；中a、右側(cè)面齒形角； S 為齒厚； 面介紹雙導程蝸桿傳動的特殊參數(shù)的選擇。 圖 4 雙導程蝸桿齒形 1. 公稱模數(shù) 雙導程蝸桿傳動的公稱模數(shù) m 可看成普通蝸桿副的軸向模數(shù)，用強度計算方法求得，并選取標準值，它一般等于左、右齒面模數(shù)的平均值。 19 當公稱模數(shù)確定后，公稱齒距也隨之而確定。從圖 4知 22 121 右左中 ???(42. 齒厚增量系數(shù) 齒厚增量系數(shù) ?? 22 ＝＝中中右左(4 m 值一樣，是確定其他參數(shù)的原始數(shù)據(jù)，因而在設(shè)計中首先要確定 擇 (1) 為了補償一定的側(cè)隙，蝸桿軸向移動長度與 使蝸桿軸向尺寸緊湊；但使嚙合區(qū)過分偏移，同時齒頂變尖，齒槽變窄，從而使蝸輪輪齒 (大模數(shù)值時 )發(fā)生根切， (小模數(shù)值時 )齒頂變尖。而會增大傳動機構(gòu)的軸向尺寸。 (2) 圖 4出，大模數(shù)齒面節(jié)點 小模數(shù)齒面節(jié)點點偏移量 41??(4 式中， 2Z 為蝸輪齒數(shù)。 圖 4 嚙合關(guān)系圖 為了保證嚙合質(zhì)量， 20 ??(4 式中，0 因此，根據(jù)式 (4和式 (4得 204(4 3. 齒厚調(diào)整量 齒厚調(diào)整量 s? 是為了補償制造誤差和蝸輪的最大允許磨損量所形成的側(cè)隙而選取的。一般推薦 0 0 m 。對于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺， s? 值應(yīng)偏小。當傳遞動力時， s? 也可選為 π 4. 模數(shù)差與節(jié)距差 模數(shù)差 Δ齒面模數(shù)左m、右m 之差的絕對值。當已知m 和 (4因而 ?????左(4? ?????右 (4同樣，節(jié)距差 Δt 值、左面和右面齒距分別為 ss ??? ?(4? ????左? ?????右 設(shè)計雙導程蝸桿時，還要對齒槽變窄、齒頂變尖、蝸輪根切進行驗算。 雙導程蝸桿的優(yōu)點是：嚙合間隙可調(diào)整得很小，根據(jù)實際經(jīng)驗，側(cè)隙調(diào)整 可以小至 普通蝸輪副一般只能達 此，雙導程蝸桿副能在較小的側(cè)隙下工作，這對提高數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的分度精度非常有利。由于普通蝸桿是用蝸桿沿蝸輪徑向移動來調(diào)整嚙合側(cè)隙，因而改變了傳動副的中心距 (中心距的改變會引起齒面接觸情況變差，甚至加劇磨損，不利于保持蝸輪副的精度 )；而雙導程蝸桿是用蝸桿軸向移動來調(diào)整嚙合側(cè)隙，不會改變傳動副的中心距，可避免上述缺點。雙導程蝸桿是用修磨調(diào)整環(huán)來控制調(diào)整量，調(diào)整準確，方便可靠；而普通蝸輪副的徑向調(diào)整量較難掌握，調(diào)整時也容易產(chǎn)生蝸桿 軸線歪斜。 雙導程蝸桿的缺點是：蝸桿加工比較麻煩，在車削和磨削蝸桿左、右齒面時，螺紋傳動鏈要選配不同的兩套掛輪，而這兩種蝸距往往是煩瑣的小數(shù)，對于精確21 配算掛輪很費時；同樣，在制造加工蝸輪的滾刀時，應(yīng)根據(jù)雙導程蝸桿的參數(shù)設(shè)計制造，通用性差。 5. 蝸輪蝸桿型號的選擇 根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計在部件設(shè)計和選用上盡可能和現(xiàn)有產(chǎn)品和標準件靠攏，以盡量節(jié)省成本和設(shè)計周期，因此在滿足設(shè)計精度的情況下選用日本 輪公司的 號蝸桿和 號蝸輪相配合（如下圖所示），蝸輪蝸桿副 的技術(shù)參數(shù)如下： (1) 蝸桿尺寸以及參數(shù) 圖 4桿示意圖 公稱模數(shù)： 4；齒數(shù)： 1 ；旋向： R；導角： 3°41′；全長 J： 360 軸長（左） K:120頸長（左） L： 16面寬 M： 74長 (右 )N： 30長（右） O： 120圓直徑 P： 62頂圓直徑 Q： 70徑 R： 50徑 S： 56準齒位置 T： 30大移動量： 14模數(shù) 模數(shù) 2) 蝸輪尺寸及參數(shù) 22 圖 4輪示意圖 公稱模數(shù)： 4；減速比： 1/40 ；齒數(shù)： 40；頭數(shù)： 1； 旋向： R； 螺旋角： 3°41′；孔徑 A：20輪轂徑 B： 75圓直徑 C： 160徑 D： 168頂圓直徑 D’： 172齒面寬 P： 35 輪轂長 F： 20全長 G： 55翼板厚 H： 17環(huán)徑 I： 137 中心距 J： 111模數(shù) 模數(shù) 許面壓力矩： ·m 6. 蝸輪蝸桿材料的選用 根據(jù)市場上材料的情況，并考慮到蝸桿傳動傳遞的功率不大，速度為低速，故蝸桿用 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～ 55輪用鑄錫磷青銅 屬模鑄造 ，齒圈用青銅制造，輪芯用灰鑄鐵 造。 7. 蝸桿傳動類型的選擇 根據(jù) 10085薦，采用漸開線蝸桿（ §輪蝸桿傳動副的 設(shè)計及校核 根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(shè)計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行計算，再校核齒根彎曲疲勞強度。由《機械設(shè)計》式（ 11??1 ，傳動中心距 ? ? 23 2 ( / ) T Z Z ??? 1. 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩3 9 3 2 m??2. 確定載荷系數(shù) 因工作載荷比較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)??=1；由《機械設(shè)計》表 111選取使用系數(shù) A? =于轉(zhuǎn)速不高，沖擊載荷不大，可取動載荷系數(shù)v?= 23 1 . 1 5 1 1 . 0 5 1 . 2 1 K K?? ? ? ? ? ? ? 3. 確定彈性影響系數(shù) 因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故 1 /21 6 0 M ?1 。 4. 確定接觸系數(shù)?d 和傳動中心距 a 的比值 1d /a =《機械設(shè)計》圖 111 中可查得?Z= ?H? 根據(jù)渦輪材料為鑄錫磷青銅 屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度大于 45從《機械設(shè)計》表 111 中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力 ? ? 2 6 8 M P a'H =?。 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 736 0 6 0 1 1 2 0 0 / 6 0 1 2 0 0 1 . 4 4 1 0hN j n L? ? ? ? ? ? ?壽命系數(shù) 887 7 71 0 / 1 0 / 1 . 4 4 1 0 0 . 9 5 5 4? ? ?則 ? ? ? ? ' 0 . 9 5 5 4 2 6 8 2 5 6H H N P M P? ? ? ? ? ? ?6. 計算中心距 623 1 . 2 1 1 0 ( 1 6 0 2 . 9 / 2 5 6 ) 1 5 8 . 4 1a m m m m? ? ? ? 根據(jù)雙導程蝸輪 蝸桿副的市場產(chǎn)品情況，本設(shè)計使用日本 輪公司的導程蝸桿與 導程蝸輪相配合，具體型號為： 輪。 取 中心距為 200動比為 60，在轉(zhuǎn)速為 3000r/0％。在《機械設(shè)計》表 111 中取模數(shù) m＝ 5,1 1Z?， q=18， x=0，2 62Z ?， 蝸桿的分度圓直徑1 90d 此時1 / 9 0 / 2 0 0 0 . 4 5?，從《機械設(shè)計》圖 111 中可查得接觸系數(shù)?Z?＝ 為?Z?＜?Z，因此以上計算結(jié)果可用。 §輪蝸桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計及校核 1. 蝸桿 當量直徑系數(shù) 18q= ； 由表 11－ 3中公式，軸向齒 距 3 . 1 4 5 1 5 . 7aP m m m m m?? ? ? ?齒頂圓直徑 *1 1 1 12 2 9 0 2 1 5 1 0 0d h d h m m m? ? ? ? ? ? ? ? ?； 齒根圓直徑 * * *1 1 1 1 12 2 ( ) 2 ( ) 9 0 2 ( 1 5 0 . 2 5 5 ) 7 7 . 5f f a ad d h d h m c d h m c m m m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 24 分度圓導程角 ' ''31047。 ； 蝸桿軸向齒厚 11 3 . 1 4 5 7 . 8 522aS m m m m m?? ? ? ? ?雙模數(shù) 2. 蝸輪 蝸輪齒數(shù)2z =62；無變位； 雙模數(shù) 驗算傳動比21/ 6 2 / 1 6 2i Z Z? ? ?傳動比誤差為 ( 6 2 6 0 ) / 6 0 3 . 3 %??，這是允許的。 蝸輪分度圓直徑22 6 2 m m z = 5 = 3 1 0?蝸輪喉圓直徑 *2 2 2 22 2 3 1 0 2 1 5 3 2 0d h d h m m m? ? ? ? ? ? ? ? ?蝸輪齒根圓直徑 **2 2 2 22 2 h ) 3 1 0 2 ( 1 5 0 . 2 5 5 ) 2 9 7 . 5f f ad d h d m c m m m m m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（ 蝸輪咽喉母圓半徑 221 / 2 ( 2 0 0 1 / 2 3 2 0 ) 4 0a d m m m m? ? ? ? ? ?3. 校核齒根彎曲疲勞強度 根據(jù)式 111 ， ? ?21 . 5 3F F a Y Y ?? ? ? ?當量齒數(shù) 3322 / 6 2 / ( 3 . 1 8 6 2 . 2 9 C O S C O S? ? ? ?。 ）根據(jù)2 0x=，262，從《機械設(shè)計》圖 111 中可查得齒形系數(shù) ，2 螺旋角系數(shù) 1 1 ( 3 . 6 8 / 1 4 0 ) 0 . 9 7 3 7140Y = = =? ???許用彎曲應(yīng)力 ? ? ? ?F F F N=??? ??從《機械設(shè)計》表 11查得由 造的蝸輪的基本許用應(yīng)力? ? 5 6 M P ? ? 。 壽命系數(shù) 996 6 71 0 / 1 0 / 1 . 4 4 1 0 0 . 6 2 1 8? ? ?? ? 5 6 0 . 6 2 1 8 3 4 . 8 2 1F M P