Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計[含CAD高清圖紙和說明書]
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本科生畢業(yè)論文開題報告書題 目 Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計學(xué)生姓名 學(xué) 號 專業(yè)班級 指導(dǎo)老師 2006年 3月 18 日論文(設(shè)計)題目Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計課題目的、意義及相關(guān)研究動態(tài):1. 課題目的、意義 搖臂鉆床主軸裝在搖臂上,可以沿著搖臂導(dǎo)軌移動,而搖臂鉆床又可以繞立柱做旋轉(zhuǎn)。主軸箱上搖臂的水平運(yùn)動和搖臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動兩運(yùn)動相結(jié)合,可以使主軸高速運(yùn)動到機(jī)床尺寸范圍內(nèi)的任意位置,搖臂鉆床又可以沿著立柱上下調(diào)整。Z32K型搖臂鉆床主要是適合大中型零件的多孔加工。在實際的操作過程中,這種老牌型號鉆床還是存在著許多不足之處,例如搖臂鉆床的升降系統(tǒng)。由于Z32K型搖臂鉆床的升降系統(tǒng)是單手柄集中操作,操作起來比較麻煩,搖臂鉆床體架太重,費(fèi)力又費(fèi)時,以前為了適當(dāng)?shù)厥×?,根?jù)杠桿原理,手柄長度又比較長,稍微操作不當(dāng),容易發(fā)生意外事故。為了提高工作效率,減少工人的勞動強(qiáng)度,避免不必要的意外事故發(fā)生,很是有必要對Z32K型搖臂鉆床變速箱進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計,將原單手柄集中操作系統(tǒng)改進(jìn)能實現(xiàn)快速自動升降。這樣的話,可以使工作效率大大地提高和降低工人的勞動強(qiáng)度。2. 相關(guān)研究動態(tài)沈陽機(jī)床股份有限公司中捷搖臂鉆床廠的產(chǎn)品國內(nèi)市場占有率高達(dá)70,出口產(chǎn)品遍及中東、北美、西歐等86個國家和地區(qū)。進(jìn)入市場經(jīng)濟(jì)后,國內(nèi)機(jī)床行業(yè)競爭日趨激烈,與中捷搖臂鉆廠生產(chǎn)相同型號產(chǎn)品的企業(yè)有40多家,中捷搖臂鉆廠產(chǎn)品領(lǐng)先優(yōu)勢受到挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對挑戰(zhàn),中捷搖臂鉆廠在產(chǎn)品賣得正火的時候,提出了進(jìn)行跨越產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整。第一,用先進(jìn)技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品。如普通搖臂鉆床實現(xiàn)了五軸聯(lián)動,價格由幾萬元上升到幾十萬元,達(dá)到中國搖臂鉆床最高水平。第二,向國際先進(jìn)水平靠攏,不斷擴(kuò)大產(chǎn)品領(lǐng)先優(yōu)勢。ZK系列、橋式和動橋系列產(chǎn)品,十幾項技術(shù)居國內(nèi)領(lǐng)先地位。ZK3050獲得自主知識產(chǎn)權(quán),并成為國家重點(diǎn)新產(chǎn)品;Z3580A萬向搖臂鉆,在任何空間、任意方向、任意位置上實現(xiàn)鉆削功能,不僅填補(bǔ)了國內(nèi)空白,在國外也不多見。在國際著名的芝加哥機(jī)床展覽會上,中捷搖臂鉆廠參展產(chǎn)品被一位美籍華商相中并當(dāng)場拉走。德國、意大利、西臘、瑞典、伊朗等國家和地區(qū)紛紛提出做中捷牌搖臂鉆的代理經(jīng)銷商。在上海國際機(jī)床展覽會上,沈陽機(jī)床股份有限公司參展的數(shù)控鉆銑床,同時被國內(nèi)三家企業(yè)看好。搖臂鉆床和大多數(shù)機(jī)床一樣,將向數(shù)控自動化、機(jī)電一體化和智能化方向發(fā)展。搖臂鉆床未來的發(fā)展趨勢是:應(yīng)用電子計算機(jī)技術(shù),簡化機(jī)械結(jié)構(gòu),提高和擴(kuò)大自動化工作的功能,使機(jī)床適應(yīng)于納入柔性制造系統(tǒng)工作;提高功率主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動的速度,相應(yīng)提高結(jié)構(gòu)的動、靜剛度以適應(yīng)采用新型刀具的需要,提高切削效率;提高加工精度并發(fā)展超精密加工機(jī)床,以適應(yīng)電子機(jī)械、航天等新興工業(yè)的需要。 課題的主要內(nèi)容(觀點(diǎn))、創(chuàng)新之處:1.主要內(nèi)容本課題的主要任務(wù)是對Z32K型搖臂鉆床變速箱進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計,它要求我們通過調(diào)研,發(fā)現(xiàn)原有舊型搖臂鉆床在實際生產(chǎn)使用過程中存在的缺點(diǎn)與不足,然后針對其缺點(diǎn)與不足進(jìn)行變速箱改進(jìn)設(shè)計,以達(dá)到改善、提高其使用性能。在設(shè)計過程中,在充分考慮在現(xiàn)有生產(chǎn)條件以及材料選擇的同時,重點(diǎn)研究問題有:變速箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動設(shè)計、升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及傳動連接設(shè)計、裝備圖的繪制、設(shè)計改進(jìn)后變速箱的可行性、實用性以及它的經(jīng)濟(jì)性。2.創(chuàng)新之處本次設(shè)計主要是改進(jìn)搖臂鉆床的升降系統(tǒng)。通過變速箱內(nèi)齒輪嚙合的改變,從而實現(xiàn)自動升降。此次設(shè)計的創(chuàng)新之處是將原有的手動升降改為自動升降。研究方法、設(shè)計方案或論文撰寫提綱:1. 研究方法與設(shè)計方案本課題屬于對傳動部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計,所以設(shè)計要求設(shè)計者須具備一定的有關(guān)機(jī)械傳動方面的知識和機(jī)械設(shè)計方面的知識,還須對Z32K型搖臂鉆床的變速箱的傳動等結(jié)構(gòu)部分有一定的了解。根據(jù)以往的課題設(shè)計經(jīng)驗,采用理論與實際相結(jié)合的方法,多看、多想、多動手。多查相關(guān)資料,多和指導(dǎo)老師交流,理論聯(lián)系實際,選擇最優(yōu)方案。針對調(diào)研后發(fā)現(xiàn)存在的問題,絲桿螺距較大(P=6),兩圓錐齒輪傳動時,傳動比雖小,但機(jī)床的體架太重,升降比較費(fèi)時費(fèi)力,為了適當(dāng)省力,手柄長度過長,操作動作大,當(dāng)拖板接近變速箱時,進(jìn)給手柄與升降手柄容易打在一起,操作者易受傷。而市面上有一種升降系統(tǒng)是在絲桿的端頭安裝小型電機(jī)和減速器,這種升降系統(tǒng)雖然彌補(bǔ)了手動升降的缺點(diǎn),但是又派生了另外的缺點(diǎn)。我查閱相關(guān)資料,采用基本理論與實踐相結(jié)合的辦法,與老師、工人、同學(xué)研究討論,已初步設(shè)計出一套方案。我的研究設(shè)計方案大體是:直接采用原有的電動機(jī)作為升降系統(tǒng)的動力源,在變速箱內(nèi)附加若干齒輪,在原有的主運(yùn)動傳動系統(tǒng)中,通過齒輪的變化嚙合,把動力傳到螺母上,使螺母達(dá)到轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)自動升降。2. 論文撰寫提綱1 ) 了解Z32K型搖臂鉆床的工作環(huán)境及工作原理,并對搖臂鉆床的傳動部分進(jìn)行分析,尤其了解其升降系統(tǒng);2 ) 制定傳動方案;3 ) 繪制傳動運(yùn)動簡圖;4 ) 電機(jī)功率輸入時,對其進(jìn)行運(yùn)動和動力分析;5 ) 通過繪制Z32K型搖臂鉆床傳動總裝圖從而計算出各零件的尺寸及裝配關(guān)系完成期限和預(yù)期進(jìn)度:1.2006.02.15 - 2006.03.15 查閱、搜索相關(guān)資料和專業(yè)英語翻譯;2.2006.03.16 - 2006.03.31 畢業(yè)實習(xí)與調(diào)研及開題報告階段;3.2006.04.03 - 2006.05.19 畢業(yè)設(shè)計主要工作階段,完成各種運(yùn)動和動力設(shè)計計算、校核及所有圖紙;4.2006.05.21 - 2006.06.02 完成說明書的編寫和收尾工作。主要參考資料:1 He Guang Ping . Self-reconfiguration Of Underactuated Redundant Manipulators With Optimizing The Flexibility Ellipsoid . Chinese Journal of Mechanical Engineering 2005,VOL 18: 92-97 2 張世安.擺線針輪行星傳動中擺線輪最佳修形量的分析與計算 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2002(6):906-9083 孫橫,傅則紹.機(jī)械原理 北京:高等教育出版社,19934 邱宣懷.機(jī)械設(shè)計 北京:高等教育出版社,19945 周開勤.機(jī)械零件手冊 北京:高等教育出版社,19896 申永勝主編.機(jī)械原理教程 北京:清華大學(xué)出版社,19997 濮良貴,紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(第七版) 北京:高等教育出版社,20028 龔溎義主編.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計圖冊 北京:高等教育出版社,20029 吳宗澤主編.機(jī)械設(shè)計使用手冊 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,199910 陳遠(yuǎn)章主編.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備設(shè)計手冊( 第2卷) 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,199611 黃靖遠(yuǎn).機(jī)械設(shè)計學(xué) 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,199912 陳鐵鳴主編.新編機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計圖冊 北京:高等教育出版社,200313 成大仙主編.機(jī)械設(shè)計手冊(第1、2、3卷)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002指導(dǎo)教師意見: 簽名: 年 月 日開 題 報 告 會 紀(jì) 要時 間地 點(diǎn)與會人員姓 名職務(wù)(職稱)姓 名職務(wù)(職稱)姓 名職務(wù)(職稱)會議記錄摘要:會議主持人:記 錄 人:年 月 日系工作小組意見負(fù)責(zé)人簽名: 年 月 日 題 目: Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計學(xué)生姓名: 鄧 玉 佳 專業(yè)班級: 機(jī)自02103班 指導(dǎo)老師: 張 世 安 機(jī) 械 工 程 系2006年03月16日實習(xí)或調(diào)研地點(diǎn)常德紡織機(jī)械有限公司實習(xí)與調(diào)研時間 2004年3月14日 2004年3月15日畢業(yè)實習(xí)與調(diào)研的目的、意義:目的:主要是熟悉Z32K型搖臂鉆床變速箱的結(jié)構(gòu)和原理及其現(xiàn)場工作環(huán)境,并了解搖臂鉆床在實際使用過程中存在的問題,通過與工程師們交談,了解一些見解和想法及一些技術(shù)問題,為開展畢業(yè)課題設(shè)計提供原始數(shù)據(jù)和資料,針對存在的問題,提出具體可行的改進(jìn)方案,從而確保此次課題設(shè)計的可行性、經(jīng)濟(jì)性和實用性。意義:這是一次理論聯(lián)系實際的的好機(jī)會,它能使我們將四年來所學(xué)到的理論基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識結(jié)合實際工程問題得到綜合運(yùn)用,也是檢測我們對所學(xué)知識的掌握程度。通過此次設(shè)計,可以大大提高我們的分析問題能力、解決問題的能力及設(shè)計創(chuàng)新能力,為我們以后走上工作崗位打下了良好的基礎(chǔ)。畢業(yè)實習(xí)與畢業(yè)設(shè)計調(diào)研鑒定: 指導(dǎo)教師: 年 月 日畢業(yè)實習(xí)與畢業(yè)設(shè)計調(diào)研成績評定指導(dǎo)教師建議成績: 指導(dǎo)教師(簽名): 年 月 日系畢業(yè)設(shè)計工作指導(dǎo)小組審定成績: 組長簽名: 機(jī)械工程系(蓋章)畢業(yè)實習(xí)與畢業(yè)設(shè)計文獻(xiàn)調(diào)研報告正文一、實習(xí)與調(diào)研單位基本情況我們這次到了常德紡織機(jī)械有限公司進(jìn)行調(diào)研,常德紡織機(jī)械有限公司是中國紡織機(jī)械(集團(tuán))公司控股的經(jīng)緯股份的子公司。位于湖南省常德市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)高新技術(shù)工業(yè)園內(nèi),公司占地25萬平方米,擁有雄厚的技術(shù)人才實力。公司的產(chǎn)品包括:KS系列高速經(jīng)編機(jī)、GE272SM系列毛巾經(jīng)編機(jī)、GE241Y系列賈卡提花經(jīng)編機(jī)、E2268網(wǎng)類經(jīng)編機(jī)、GE283A、E2281、E2291系列雙針床經(jīng)編機(jī)等7個系列的經(jīng)編機(jī);FA251E、FA256兩種系列的棉精梳機(jī);用于棉、毛、麻、絹、中長纖維的8大類26個產(chǎn)品的各系列搖架。二、實習(xí)心得和體會我的畢業(yè)設(shè)計課題是“Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計”。這次畢業(yè)設(shè)計是為了培養(yǎng)我們學(xué)生開發(fā)和創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品的能力,要求我們能夠結(jié)合原Z32K型搖臂鉆床機(jī)械的傳動系統(tǒng),針對實際使用過程中存在的問題,綜合所學(xué)的機(jī)械理論設(shè)計與方法,對Z32K型搖臂鉆床變速箱的傳動系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),從而達(dá)到解決問題。為了順利開展我的畢業(yè)設(shè)計論文課題,我們在張老師的聯(lián)系下,到常德紡織機(jī)械有限公司進(jìn)行實習(xí)與調(diào)研。在調(diào)研的過程中,我們必須認(rèn)真記錄我們所見到的、所聽到的及所想到的,為課題設(shè)計提供原始的資料。我們還要了解Z32K型搖臂鉆床的工作環(huán)境,設(shè)備的生產(chǎn)廠家,更要了解搖臂鉆床的工作原理和操作過程中所存在的問題,以便我針對它存在的問題而對搖臂鉆床變速箱進(jìn)行改進(jìn),盡量使改進(jìn)后的產(chǎn)品能夠克服這些問題。我們到了常德紡織機(jī)械有限公司之后,廠里的工程師李衛(wèi)忠?guī)煾禑崆榈亟哟宋覀?。他帶領(lǐng)我們參觀了各個不同的車間,并給我們介紹了該廠的基本情況及現(xiàn)狀。由于我的設(shè)計是對搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計,所以對有關(guān)此次設(shè)計有關(guān)的都做了詳細(xì)的記錄。Z32K搖臂鉆床主軸裝在搖臂上,可以沿著搖臂導(dǎo)軌移動,而搖臂鉆床又可以繞立柱做旋轉(zhuǎn)。主軸箱上搖臂的水平運(yùn)動和搖臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動兩運(yùn)動相結(jié)合,可以使主軸高速運(yùn)動到機(jī)床尺寸范圍內(nèi)的任意位置。工件一般裝在工作臺上,如果工件太高,可以直接裝在底座上。為了適應(yīng)工件的加工高度,搖臂鉆床又可以沿著立柱上下調(diào)整。為了鉆床鉆孔時具有足夠的剛度,并使主軸調(diào)整好位置不變,搖臂和主軸箱都有夾緊機(jī)構(gòu),可實現(xiàn)快速夾緊,搖臂鉆床適合于大中型工件上多孔加工。在來調(diào)研之前,我對原舊型Z32K搖臂鉆床的變速箱的結(jié)構(gòu)及其原理稍做了解,這次設(shè)計的主要任務(wù)是對搖臂鉆床的傳動部分設(shè)計與改進(jìn),因而我在齒輪車間對齒輪的加工特別留意了一下,并在李師傅的講解下,對齒輪的加工有了一定的了解。齒輪的選材:低速、重載、沖擊載荷選綜合性較好的材料20CrMnTi;線速度高、易疲勞點(diǎn)蝕、齒面硬度較高選38CrMoAiA滲氮鋼;非傳力齒輪,材料可以選非淬火鋼、鑄鐵、夾布、膠木和尼龍等等。齒輪的熱處理:齒輪加工前進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì),其目的是消除殘余應(yīng)力,改善其切削性能,綜合力學(xué)性能;齒輪加工后進(jìn)行滲碳淬火、高頻感應(yīng)加熱淬火、滲氮等等,其目的是提高齒面的硬度和耐磨性。齒輪的毛坯一般有棒料、鍛件和鑄件。在車間還親眼看到一個雙聯(lián)齒輪的加工過程,其工藝為:鍛坯粗車熱處理精車平磨劃線鉆鉗工去毛刺滾齒插齒倒角剃齒熱處理精車衍齒磨齒檢驗。后來我們?nèi)チ搜b備車間,不巧的是來的不是時候,前一批量剛剛裝箱完畢,因而沒有什么東西可以看的,不過還好,看到了各種不同型號的經(jīng)編機(jī)樣機(jī)。 Z32K型搖臂鉆床原舊型機(jī)在使用過程中,工人們反映絲桿螺距較大(P=6),兩圓錐齒輪傳動時,傳動比雖小,但機(jī)床的體架太重,升降比較費(fèi)時費(fèi)力,為了適當(dāng)省力,手柄長度過長,操作動作大,當(dāng)拖板接近變速箱時,進(jìn)給手柄與升降手柄容易打在一起,操作者易受傷。我本次設(shè)計的主要任務(wù)是通過對變速箱的改進(jìn),以完成對升降系統(tǒng)改進(jìn)。三、實習(xí)總結(jié)實習(xí)與調(diào)研之后,結(jié)合實際存在的問題,我已經(jīng)粗略地把課題設(shè)計方案擬定了下來。實習(xí)與調(diào)研階段是此次設(shè)計過程中必不可缺少的環(huán)節(jié),因為我認(rèn)為在這個過程中,我學(xué)會了不少知識,也從中獲得了一些相關(guān)技術(shù)資料和機(jī)床在使用過程中存在問題。這些是在書本上找不到的東西。正是有了這第一手資料,我的畢業(yè)設(shè)計課題才能夠緊張而有序地進(jìn)行下去,才能準(zhǔn)時保質(zhì)保量地完成此次設(shè)計任務(wù)。通過這次實習(xí)與調(diào)研,我了解一些事實,明白要對一個產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)或創(chuàng)新以滿足用戶的需求,信息的獲取是非常重要的,然而用戶想要能實現(xiàn)某種功能的機(jī)器或原有機(jī)器存在缺點(diǎn)和不足需改進(jìn)的話,這些重要信息來源于調(diào)研。有了調(diào)研,才能針對存在的客觀問題,設(shè)計出滿足用戶的產(chǎn)品來,才能在社會的激烈競爭中獲得勝利。這次實習(xí)與調(diào)研所獲得的技術(shù)資料及存在的問題,為我順利進(jìn)行畢業(yè)是設(shè)計提供了重要依據(jù)。本次實習(xí)確實使我獲益匪淺! 學(xué)生簽名: 2006年3月16日通過優(yōu)化柔性橢球體對欠驅(qū)動冗余度機(jī)械臂的自重構(gòu) 何廣平 北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 北京 100041 陸震 北京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院 北京 100083摘要:根據(jù)優(yōu)化技術(shù),欠驅(qū)動冗余度機(jī)械臂的多模型特征、柔性操作的測量、自重構(gòu)的控制方法已被調(diào)查研究。分析了空間關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)變形和欠驅(qū)動冗余度機(jī)械臂柔性操作之間的關(guān)系,處于鎖定模式下欠驅(qū)動冗余度機(jī)械臂的一種新型柔性橢球體操作的測量被提出,能應(yīng)用于獲得自重構(gòu)控制的最理想結(jié)構(gòu)。因此,基于簡諧振動隨時間變化非線性控制方法認(rèn)為能完成其自重構(gòu)。被動關(guān)節(jié)三連桿欠驅(qū)動機(jī)械臂等仿真例子在一些調(diào)查方面起重要作用。關(guān)鍵詞:欠驅(qū)動機(jī)械臂 自重構(gòu) 優(yōu)化 非線性控制 0 前言欠驅(qū)動裝置和機(jī)械臂能應(yīng)用于許多領(lǐng)域,例如太空技術(shù)、合作機(jī)械人、變形裝置。在太空領(lǐng)域里,由于沒有失去有用功能或了解系統(tǒng)的自重構(gòu)。當(dāng)驅(qū)動構(gòu)件出現(xiàn)一些問題時,基于欠驅(qū)動技術(shù)的誤差出現(xiàn)是不可避免的。欠驅(qū)動機(jī)械臂也能被設(shè)計為合作機(jī)器人,也就是說COBOT。COBOT 的驅(qū)動不是作驅(qū)動裝置而是提供動力學(xué)非函數(shù)約束。COBOT 需要操作人員提供外力才能完成準(zhǔn)確的應(yīng)用,例如在生物工程學(xué)上外科手術(shù)和半導(dǎo)體制造等等。在機(jī)械領(lǐng)域機(jī)械變形有多種模態(tài),并能從一種模態(tài)向另一種模態(tài)轉(zhuǎn)變。引用不同模態(tài)之間的改變可能導(dǎo)致連桿數(shù)目的變化或機(jī)械變形的約束限制。很顯然,欠驅(qū)動控制、冗余度驅(qū)動和柔性裝置是不可避免的。因此,欠驅(qū)動系統(tǒng)逐漸的成為研究領(lǐng)域一個具有吸引力的話題。從力學(xué)角度看,研究欠驅(qū)動機(jī)械臂系統(tǒng)是不可能控制的。被動關(guān)節(jié)的運(yùn)動是必須靠與動力裝置連接。Jain等表明動力裝置是欠驅(qū)動機(jī)械臂的非完整性約束是二階的。在機(jī)械實際上,與非完整性約束廣泛被研究比較也有100多年歷史,然而,關(guān)于這種系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)劃和控制技術(shù)的研究只是近10的事情,研究多針對輪式移動機(jī)器人、跳躍機(jī)器人、航空航天機(jī)器人等一階非完整性約束系統(tǒng)。關(guān)于欠驅(qū)動機(jī)械臂的研究觀點(diǎn),Anthoney等研究運(yùn)動的穩(wěn)定性,Arai 等提出隨時間變化方法完成系統(tǒng)的位置控制。Lee 等為欠驅(qū)動機(jī)器人提供了多種非線性控制方法。欠驅(qū)動研究的這些方法已從本質(zhì)上揭示了它是非線性的,并且是隨時間變化的、抽象的。事實上,Brockett 已證實這并沒有消除阻礙和穩(wěn)定給定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜電狀況反饋。很顯然,非線性系統(tǒng)的特征在組合空間多自由度是可以控制的。所以,非線性系統(tǒng)的控制研究受到更多的關(guān)注。 欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂是對傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計基本原理相違背的,傳動機(jī)械設(shè)計基本原理認(rèn)為,原動件的數(shù)目要與自由度的數(shù)目相等時,機(jī)構(gòu)才具有確定的運(yùn)動。欠驅(qū)動機(jī)械臂首先被提出并不是由于它的價值優(yōu)點(diǎn),但一些研究表明,欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)的故意設(shè)計也是很有價值的。例如,Rivhter 等獲得由柔性欠驅(qū)動機(jī)械臂多維受力的測量。Nakamura 等設(shè)計出了輪式滾動接觸的非完整機(jī)器人和平面四連桿二驅(qū)動機(jī)械臂的控制。He 等針對欠驅(qū)動冗余度機(jī)械臂提出一種自由碰撞運(yùn)動規(guī)劃演算法。從以上討論的結(jié)果來看,我們可推斷出在研究欠驅(qū)動時,可能遇到一些未被發(fā)現(xiàn)的新問題,如所提到的技術(shù)和理論的形成。因此,我們改善這裝置具有很大的潛能性。 這篇論文中,我們對欠驅(qū)動機(jī)械臂的靜態(tài)特征和自重構(gòu)控制方法進(jìn)行探索與研究。1 柔性橢球體模型機(jī)械硬度是機(jī)械臂的一個重要要素,它是用來抵抗受力和阻礙力的能力。對于開式鏈接機(jī)械臂而言,鏈接部分是非常重要的部分。所以末端位姿的變形將會對連桿帶來不良影響。轉(zhuǎn)矩可以近似滿足如下方程: i=1,2,n (1)式中 關(guān)節(jié) i 的轉(zhuǎn)矩 關(guān)節(jié) i 的變形量 關(guān)節(jié) i 的硬度系數(shù)如果忽略關(guān)節(jié) i 的重力和摩擦力不計,假設(shè)機(jī)械臂末端位姿力矢,則轉(zhuǎn)矩方程又可以寫成: (2)式中關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩雅可比矩陣眾所周知,關(guān)節(jié)有會有變形,機(jī)械臂末端位姿有如下關(guān)系式: (3)式中 機(jī)械臂末端位姿矢量 關(guān)節(jié)的位姿矢量將(1)式寫成矩陣的形式,結(jié)合(2)、(3)式,經(jīng)簡單的計算,和F之間的關(guān)系如下: (4)式中如果定義 (6)(6)式是末端位姿的柔性矩陣。然而,在太空工作強(qiáng)度矩陣一致。柔性矩陣C可以用來測量機(jī)械臂的靜態(tài)特征。矩陣C也有雅可比函數(shù)功能。因此,它在組合和構(gòu)造要素較大范圍內(nèi)是可改變的,在穩(wěn)定條件下機(jī)械臂的可變特征能用于完成一些應(yīng)該的復(fù)雜的操作。如裝配、拋光、維修等等。由(5)、(6)式可知矩陣C是對稱性矩陣。如果定義 (7)對矩陣C進(jìn)行微分,方程式(7)我們又可以得到 (8)式中,i=1,2,3,,m應(yīng)用了矩陣C的單一性。因此,是其對稱矩陣,有如下關(guān)系: (9)式(9)被描述為橢球體曲線方程,當(dāng)橢球體的主要曲線與矩陣C的單一值相等時,這橢球體也被認(rèn)為是一般柔性橢球體GFE。由于直觀原因,圖一中平面2連桿機(jī)械臂的的連桿長,GFE如圖(2)和(3)所示。圖一 平面2R桿機(jī)械臂圖2 平面2R桿全驅(qū)動機(jī)械臂的GFE模型圖3 平面2R桿全驅(qū)動機(jī)械臂的GFE模型這些圖示表明測量是需要依賴組合和機(jī)構(gòu)要素。然而全驅(qū)動機(jī)械臂并不能改變其機(jī)構(gòu)要素。因此,由于不同的構(gòu)件(圖2),而不是結(jié)構(gòu)要素(從圖2改變到圖3),GFE模型是可以改變的。當(dāng)被動關(guān)節(jié)被引進(jìn)作為全驅(qū)動機(jī)械臂時,為了方便使用,假設(shè)這些被動關(guān)節(jié)具有制動裝置和位置控制,以便被動關(guān)節(jié)能在自由模式和鎖定模式下進(jìn)行制動。然而在運(yùn)動學(xué)上,欠驅(qū)動機(jī)械臂揭示了一些冗余度連桿問題,并沒有表明在輸入方式下的自運(yùn)動不如工作狀態(tài)下的自運(yùn)動。另一方面,被動關(guān)節(jié)的制動模式能使欠驅(qū)動機(jī)械臂具有重構(gòu)能力,系統(tǒng)具有敏捷性而使其能適合不同的工作。2. 柔性矩陣假設(shè)在欠驅(qū)動冗余度機(jī)械臂中s連桿為被動關(guān)節(jié) ,被動關(guān)節(jié)裝有制動裝置,當(dāng)被動關(guān)節(jié)處于自由狀態(tài)時,其速度運(yùn)動方程可以寫成為: (10)式中 機(jī)械臂末端位姿矢量 驅(qū)動機(jī)械臂的雅可比矩陣 分別為驅(qū)動和被動機(jī)械臂的廣義坐標(biāo)矢量當(dāng)機(jī)械臂中被動關(guān)節(jié)處于鎖定狀態(tài)時,系統(tǒng)運(yùn)動方程可變?yōu)?(11)式中 機(jī)械臂末端位姿矢量 鎖定狀態(tài)下被動關(guān)節(jié)機(jī)械臂的雅可比矩陣 驅(qū)動關(guān)節(jié)的機(jī)械臂廣義坐標(biāo)很顯然,方程(11)和(3)是同一形式,方程(10)和(11)表明欠驅(qū)動機(jī)械臂在運(yùn)動學(xué)上具有不同的模式。換句話說,在運(yùn)動學(xué)上系統(tǒng)具有多中模式特征。圖(4)平面3R連桿機(jī)械臂就是很好的例子。機(jī)械臂的第二關(guān)節(jié)是被動關(guān)節(jié),其他的都是驅(qū)動關(guān)節(jié)。當(dāng)被動關(guān)節(jié)處于自由狀態(tài)時,被選做為廣義坐標(biāo)變量。如果被動關(guān)節(jié)處于自鎖狀態(tài),機(jī)械臂的維數(shù)將變?yōu)?維,這廣義坐標(biāo)變量為,顯然由于,但雅可比矩陣有如下關(guān)系:圖4 平面3R桿機(jī)械臂 由于欠驅(qū)動機(jī)械臂存在不同的運(yùn)動模式,一種可以用來優(yōu)化和機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)組合及自重構(gòu)以使用不同的工作。預(yù)測如何完成基于欠驅(qū)動下的全驅(qū)動機(jī)械臂操作是不可避免的問題。不象全驅(qū)動冗余度機(jī)械臂那樣,欠驅(qū)動冗余度機(jī)械臂并不能改善其操作工作,執(zhí)行機(jī)械臂任務(wù)類似于輸入空間的體積比工作空間少的緣故。有一條可行的途徑就是在不同的時間分解機(jī)構(gòu)的工作。例如,當(dāng)機(jī)械臂工作處于驅(qū)動模式下,機(jī)構(gòu)組合能進(jìn)行機(jī)構(gòu)自重構(gòu)。然而當(dāng)機(jī)械臂工作在全驅(qū)動模式下,其功能之一就是能控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。事實上,處于欠驅(qū)動工作模式下的機(jī)械臂能辯別機(jī)構(gòu)的運(yùn)動,如位置控制或間斷點(diǎn)對應(yīng)點(diǎn)運(yùn)動。但是這并不是此論文所討論的重點(diǎn)。我們應(yīng)關(guān)注的是欠驅(qū)動冗余度機(jī)械臂的靜態(tài)特征和機(jī)構(gòu)自重構(gòu)控制方法。 欠驅(qū)動機(jī)械臂兩中模式的運(yùn)動方程可以被多種方法描述。但是在復(fù)雜的機(jī)械裝置中多連桿機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)要素定義還存在一定的困難。為了解決這些問題,我們將進(jìn)行分析欠驅(qū)動冗余度機(jī)械臂的兩種模式間的關(guān)系。 假定一種特殊的機(jī)械臂組合機(jī)構(gòu),假設(shè)有,處于裝置的兩種模式下的末端位姿表達(dá)式是一致的,可以表示為 (12) 假設(shè) (13) (13)式表示微運(yùn)動發(fā)生在關(guān)節(jié)部分而不是發(fā)生在末端位姿處,根據(jù)(13)式,方程式又可以寫成 (14) 把(14)代入(12)式中,我們可以得到 (15)(15)式描述欠驅(qū)動機(jī)械臂兩種模式下的不同一機(jī)構(gòu)。因此,兩種廣義坐標(biāo)也是相等的。設(shè),又可以得到 (16)(16)式表示兩種模式下的雅可比矩陣間的關(guān)系。此式能預(yù)測出全驅(qū)動模式的運(yùn)動。把(16)式代入方程式(5),可以得到全驅(qū)動模式下的欠驅(qū)動矩陣方程 (17)根據(jù)方程(7),GFE欠驅(qū)動機(jī)械臂也能定義,方程(17)表示在機(jī)械裝置改裝后的系統(tǒng)靜態(tài)特征。其一,我們以通過3R桿機(jī)械臂模擬(圖4)。作為非冗余度機(jī)械臂而言,如果我們假定處于工作狀態(tài)下的一點(diǎn),它不僅與柔性橢球體模型有關(guān)。相反有許多與處于冗余度機(jī)械臂工作狀態(tài)下的這一點(diǎn)相關(guān)。假設(shè)3R桿平面機(jī)械臂三桿長分別為,機(jī)構(gòu)的起始角度為,GFE其他末端位姿起始位置如圖5所示。 顯然,根據(jù)處于工作狀態(tài)下的這種狀況,可知存在許多這樣的關(guān)節(jié)組合。這些機(jī)構(gòu)都是與GFE相關(guān)的。但是一欠驅(qū)動冗余度機(jī)械臂存在機(jī)構(gòu)自重構(gòu)的能力。一般而言,我們期望的GFE在不同的基本組合中有類似的運(yùn)動。換句話說,橢球體模型類似于一個球。如圖5所示,在3桿中第一桿運(yùn)動狀態(tài)表現(xiàn)最佳。3 非線性控制 我們通過分析系統(tǒng)的動態(tài)特性,為了尋求一種能有效地控制欠驅(qū)動機(jī)械臂運(yùn)動。欠驅(qū)動機(jī)械臂動態(tài)方程可以寫成 (18) (19)式中為質(zhì)量慣性矩,為中心吸引力和摩擦轉(zhuǎn)矩矢量。M是驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩矢量。是驅(qū)動關(guān)節(jié)廣義坐標(biāo)矢量。是被動關(guān)節(jié)廣義坐標(biāo)矢量。Jain等證實方程(19)是二階非線性約束方程。通過自重構(gòu),在工作狀態(tài)下給定位置,欠驅(qū)動機(jī)械臂具有改善裝置運(yùn)動的能力。由于系統(tǒng)輸入空間維數(shù)少于空間關(guān)節(jié)的維數(shù),被動關(guān)節(jié)的位置控制只能通過動態(tài)藕合來實現(xiàn)。基于Brockett理論,給定機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)并不是光滑的,穩(wěn)定性完全符合靜平衡反饋定律。因此,非線性控制的結(jié)果表明系統(tǒng)是非線性的、隨時間變化的、離散的。非線性控制方法還有一種就是在Ref(17)中所提到的全驅(qū)動關(guān)節(jié)的簡諧振動。這種方法的本質(zhì)就是當(dāng)驅(qū)動關(guān)節(jié)運(yùn)動到一個周期時被動關(guān)節(jié)將偏離平衡位置(圖6)。驅(qū)動關(guān)節(jié)的簡諧振動方程有 (20) (21) (22)式中 A簡諧振動的振幅 W簡諧振動的角頻率如果我們將式中(22)變換一下,代入(19)式得到 (23) 通常,角頻率是一個較大的數(shù),因此,簡諧振動周期T=是一個非常小的數(shù)。被作為一個周期的約束,(23)式有可以寫成 (24)(24)式表示一個周期后有一點(diǎn)發(fā)生偏離。顯然,構(gòu)成整體的價值在于簡諧振動的振幅和角頻率,者就是簡諧振動中的驅(qū)動關(guān)節(jié)能控制被動關(guān)節(jié)的原因之一。4 自重構(gòu)控制律 自重構(gòu)需要穩(wěn)定的控制技術(shù)。間諧振動非線性控制方法在第3部分已經(jīng)簡單地介紹了。下面我們將設(shè)計一個新的控制方法來執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自重構(gòu)運(yùn)動。這種方法將用于優(yōu)化在工作狀態(tài)下給定位置時的廣義柔性橢球體模型。 假設(shè)引用于一個期望的組合,此組合源于一些優(yōu)化方法,是驅(qū)動機(jī)械臂的驅(qū)動位置角。 設(shè) (25)式中 e關(guān)節(jié)位置矢量誤差 對方程(24)進(jìn)行微分有: (26)取滑動模態(tài)為 (27)集中律為 (28)式中 ,且sgn()作為符號函數(shù),有如下式子:如果矢量有,可以得到下面式子:(27)式表示驅(qū)動關(guān)節(jié)的運(yùn)動滿足萊布羅定律。假設(shè)驅(qū)動關(guān)節(jié)輸入與(20)、(21)有關(guān),當(dāng)時,又可以得到如下關(guān)系式 將(26)式中2桿的2倍偏離量代入(30)式,可以得到 設(shè)驅(qū)動關(guān)節(jié)輸入為將(32)和(31)式代入(19)式,有如下關(guān)系振動振幅為雖被動關(guān)節(jié)并沒有達(dá)到期望的位置,驅(qū)動關(guān)節(jié)輸入控制可用(32)式來描述,另一方面,被動關(guān)節(jié)處于期望的位置,輸入控制方式有以下方程。從(27)式中可知偏離時間為結(jié)合(28)和(35)式,控制律為顯然,這種控制方法是非線性的、隨時間變化的、且遵循Brockett理論。有以上關(guān)系重新整理振幅,控制律為當(dāng)ep=0時滿足 當(dāng)ep0時滿足5 仿真研究在這部分中,選平面3R桿機(jī)械臂作為仿真模型,如圖4所示。設(shè)第二桿為機(jī)械臂的被動關(guān)節(jié),其他兩桿為驅(qū)動關(guān)節(jié)。如果初始位置為,為了改善執(zhí)行廣義的柔性橢球體模型,更好的位置為,這在第三部分已給出。我們認(rèn)為后面一種情況是我們期望的結(jié)果。根據(jù)第四部分所提供的控制方法,模擬仿真結(jié)果如圖7所示。圖7 3R桿欠驅(qū)動機(jī)械臂的自重構(gòu)運(yùn)動1.連桿1 2.連桿2 3.連桿3圖7(a)表示隨時間變化的關(guān)節(jié)位置誤差;圖7(b)表示與時間有關(guān)的關(guān)節(jié)運(yùn)動軌道軌跡;圖7(c)表示在自重構(gòu)控制中機(jī)械臂機(jī)構(gòu)位置的改變;圖7(d)表示關(guān)節(jié)速度與位置間關(guān)系圖。顯然,機(jī)械臂已滿足期望的機(jī)構(gòu)完成自重構(gòu)控制。6 結(jié)束語欠驅(qū)動技術(shù)是一個非常關(guān)鍵性的問題,它不僅能夠產(chǎn)生空間機(jī)器人系統(tǒng)的線性誤差,而且能操控合作機(jī)器人和機(jī)器裝置。欠驅(qū)動機(jī)械臂有實現(xiàn)機(jī)械自重構(gòu)的能力。新的關(guān)儀廣義柔性橢球體欠驅(qū)動冗余度制動式機(jī)械臂的測量被提出。這測量由于優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。簡諧振動的非線性控制方法能執(zhí)行自重構(gòu)運(yùn)動。有3連桿欠驅(qū)動機(jī)械臂的仿真結(jié)果證明測量和振幅的控制是有效的。References1 Nakamura Y, Mukerherjee RNonholinomic path planning of space robotics via a bi-directional approachIEEETransactions on Robotics and Automation,1991,7(4):5005142 Moore C A,Peshkin M A,Colate J EDesign of 3R cobot using continuousvariable transmissionsIEEE1nternationa1 Conference on Robotics and Automation。1999:324932543 Dai J SZhang Q xMetamorphic mechanisms and their configurationmodelsChinese Jof Meehanica1 Engineering,2000,13(3):2122184 Arai HYanie KThchi SDynamic contro1 of a 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Asymptotic stability and feedback stabilizationin Deferential Geometric Control TheoryIn:Brocker R W Millman R SSussman H JedsIn:Birkgauser,1983:18120814 Rivhter K Pfeiffer FA flexible 1ink manipulator as a force measuring andcontrolling unitIn:Proceedings of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation, SacramentoCaHfomia,1999:12141219l5 Nakamura Y Chuan W Sordalen O JDesign an d contro1 of the nonholonomic manipulatorIEEETransactions on Robotics and Automation,200117(1):485916 He G P, Lu ZWang F XOptimal approximation contro1 of underactuatedredundant manipulatorsIn:Proceedings of the 11th World Congress in Mechanism and Machine ScienceApri1 14,2004,Tianjin,China17 He G P, Lu Z, Wang F XHarmonic function contro1 of planar 3-DOF underactuated manipulatorsChinese Jouma1 of Aeronautics,2004,25(5):52O524(In Chinese)13畢業(yè)論文(設(shè)計)任務(wù)書論文(設(shè)計)題目 Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計 學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué) 號131021087指導(dǎo)教師張世安 覃道益教研室(或外聘單位)機(jī)械設(shè)計起止時間 2006 年 02 月 27日 至2006 年 06 月 02日 畢業(yè)論文(設(shè)計) 任務(wù)、目的與基本要求:一、畢業(yè)設(shè)計(論文)的任務(wù):通過到現(xiàn)場的調(diào)研,了解和掌握Z32K型搖臂鉆床變速箱的結(jié)構(gòu)和原理以及在實際使用過程中出現(xiàn)的問題,在理論(計算)分析,計算的基礎(chǔ)上,針對Z32K型搖臂鉆床變速箱存在的不足,提出具體可行的解決方案。二、畢業(yè)設(shè)計(論文)的目的:通過本次畢業(yè)設(shè)計(論文)的學(xué)習(xí)和總結(jié),全面檢測學(xué)生以前所學(xué)的機(jī)械學(xué)等方面的知識和掌握的程度。而Z32K型搖臂鉆床變速箱是企業(yè)金屬加工車間常用的一種機(jī)床,為了提高工作效率,減輕工人的勞動強(qiáng)度,提高生產(chǎn)效率。有必要對Z32K型搖臂鉆床變速箱進(jìn)行更好地改進(jìn)設(shè)計,這樣在使用中將大大提高工作效率,降低了工人的勞動強(qiáng)度。通過本次畢業(yè)設(shè)計(論文),可以提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力,對文獻(xiàn)檢索、英文翻譯、學(xué)生運(yùn)用計算機(jī)和外語的能力,都將是一次全面的檢驗。三、畢業(yè)設(shè)計(論文)的要求:1 該機(jī)工作時,主軸部份能在任意位置擺動;2 擬定工作機(jī)構(gòu)和傳動系統(tǒng)的運(yùn)動方案,并進(jìn)行多方案對比分析;3 畫出Z32K型搖臂鉆床改進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)動簡圖;4 對工作機(jī)構(gòu)各位置進(jìn)行運(yùn)動和動力分析;5 設(shè)計繪制Z32K型搖臂鉆床變速箱裝配圖2張(一張A0、一張A1);6 設(shè)計繪制Z32K型搖臂鉆床主軸裝配圖1張(A0);7 設(shè)計繪制零件工作圖8張(七張A3、一張A4);8 編制設(shè)計計算說明書1份(1.5萬字以上)。主要參考文獻(xiàn)與資料:1 He Guang Ping. Self-reconfiguration Of Underactuated Redundant Manipulators With Optimizing The Flexibility Ellipsoid. Chinese Journal of Mechanical Engineering 2005,VOL 18: 92-972 張世安.擺線針輪行星傳動中擺線輪最佳修形量的分析與計算 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2002(6):906-9083 孫橫,傅則紹.機(jī)械原理 北京:高等教育出版社,19934 邱宣懷.機(jī)械設(shè)計 北京:高等教育出版社,19945 周開勤.機(jī)械零件手冊 北京:高等教育出版社,19896 申永勝主編.機(jī)械原理教程 北京:清華大學(xué)出版社,19997 濮良貴,紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(第七版) 北京:高等教育出版社,20028 龔溎義主編.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計圖冊 北京:高等教育出版社,20029 吳宗澤主編.機(jī)械設(shè)計使用手冊 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,199910 陳遠(yuǎn)章主編.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備設(shè)計手冊( 第2卷) 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,199611 黃靖遠(yuǎn).機(jī)械設(shè)計學(xué) 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,199912 陳鐵鳴主編.新編機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計圖冊 北京:高等教育出版社,2003畢業(yè)論文 (設(shè)計)進(jìn)度安排: 畢業(yè)實習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(論文)調(diào)研階段:(第34周,2006.2.273.10) 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告階段:(第56周,2006.3.133.24) 畢業(yè)設(shè)計(論文)主要工作階段:(第715周,2006.3.276.2) 答辯時間:2006年6月5日6月11日。課題申報與審查指導(dǎo)教師(簽名): 2005年 12月 28 日教研室主任(簽名): 年 月 日系主任(簽名): 年 月 日本科生畢業(yè)設(shè)計題 目: Z32K型搖臂鉆床變速 箱的改進(jìn)設(shè)計 學(xué)生姓名: 鄧 玉 佳 學(xué) 號: 131021087 專業(yè)班級: 機(jī)自02103班 指導(dǎo)教師: 張 世 安 覃 道 益 完成時間: 2006年5月30日 機(jī) 械 工 程 系中文摘要及關(guān)鍵詞摘要:本次設(shè)計課題為“Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計”。主要是對Z32K型搖臂鉆床的升降系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)、分析與設(shè)計,并對其主要傳動零件進(jìn)行設(shè)計及強(qiáng)度校核。了解和掌握Z32K型搖臂鉆床在實際使用過程中出現(xiàn)的問題,在理論分析,計算的基礎(chǔ)上,針對Z32K型搖臂鉆床的升降系統(tǒng)是單手柄集中操作,操作起來比較麻煩,搖臂鉆床體架太重,費(fèi)力又費(fèi)時,將其手動改進(jìn)為自動升降,并提出了具體可行的解決方案。關(guān)鍵詞:搖臂鉆床 手動、自動升降系統(tǒng) 電動機(jī) 齒輪 強(qiáng)度校核英文摘要及關(guān)鍵詞Abstraction :This design topic is the Z32K radial drill drilling machine gear box improvement design. Mainly was has made the improvement, the analysis and the design to the Z32K radial drill drilling machine jacking system, and carried on the design and the intensity examination to its main transmission components. Understood and grasps the Z32K radial drill drilling machine the question which appears in the actual use process, in the theoretical analysis, in the computation foundation, in view of the Z32K radial drill drilling machine jacking system is the single handle centralism operation, operates quite troublesomely, radial drill drilling machine body too is heavy, takes the trouble to take time, its manual improvement is the power elevation, and proposed specifically the feasible solution.Keywords: universal raidial drilling machine manual operating and automatic fluctuation system electric motor gear strength cheeks.第一章 概述1.1搖臂鉆床的簡介機(jī)床的品種和規(guī)格繁多,為了便于區(qū)別、使用和管理,將各種機(jī)床都進(jìn)行了分類和和編制型號。分類方法也有多種。主要是按照加工的性質(zhì)和所用的刀具進(jìn)行分類。根據(jù)國家規(guī)定的機(jī)床型號的編制方法,目前將機(jī)床分為12大類:車床、鉆床、鏜床、磨床、齒輪加工機(jī)床、螺紋加工機(jī)床、銑床、刨插床、拉床、特種加工機(jī)床、鋸床及其他機(jī)床。在每一類機(jī)床中,又可以按照工藝范圍、步型型式和結(jié)構(gòu)等等,可以分為若干組,每一組又可以分為若干系列。如鉆床又包括:坐標(biāo)鏜鉆床、深孔鉆床、搖臂鉆床、臺式鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、中心孔鉆床及其他鉆床。在上述的基本分類方法的基礎(chǔ)上,還可以根據(jù)機(jī)床的其他特征進(jìn)一步進(jìn)行分類。同類型機(jī)床按照應(yīng)用范圍(通用性程度),可以分為通用機(jī)床(或者稱萬能機(jī)床)、專門化機(jī)床和專用機(jī)床三大類。其中通用機(jī)床是可以加工多種工件,完成多種多樣工序的加工范圍較廣的機(jī)床,如臥式車床、搖臂鉆床等等。搖臂鉆床是搖臂繞立柱回轉(zhuǎn)和升降的,主軸箱在搖臂上作水平運(yùn)動的鉆床。對于大,中型工件上的孔,通常采用搖臂鉆床加工。加工時工件固定不動,移動主軸(刀具)可以方便地對準(zhǔn)被加工孔的位置。搖臂鉆床廣泛用于大、中型零件的多孔加工。 搖臂鉆床主要由立柱,搖臂,主軸箱,和底座等部分組成。主軸箱裝在搖臂上,可沿立柱上下移動,以適應(yīng)加工不同高度工件的要求。此外,搖臂還可以隨外立柱在360范圍回轉(zhuǎn),因此主軸很容易調(diào)整到所需要的加工位置。為了使主軸在加工時保持確定的位置,搖臂鉆床還具有內(nèi)立柱,搖臂及主軸箱的夾緊機(jī)構(gòu),當(dāng)主軸的位置調(diào)整確定后,可以快速將它們夾緊。 搖臂鉆床的其他變形如萬向搖臂鉆床搖臂和主軸箱可以回轉(zhuǎn)或傾斜,使主軸可在空間任意方向都可以進(jìn)行鉆削,適用于重型機(jī)器,機(jī)車車輛,船舶和鍋爐等制造業(yè)中加工大型工件。車式搖臂鉆床的底座有車輪,可以在軌道上移動,適用于橋梁和機(jī)床等行業(yè)窄長形工件的孔加工。1.2搖臂鉆床的國內(nèi)發(fā)展動態(tài)及趨勢目前國內(nèi)搖臂鉆床生產(chǎn)廠家有許多家,但是在這個行業(yè)做的較好的廠家不是很多。其中沈陽機(jī)床股份有限公司中捷搖臂鉆床廠的產(chǎn)品國內(nèi)市場占有率高達(dá)70,出口產(chǎn)品遍及中東、北美、西歐等86個國家和地區(qū)。進(jìn)入市場經(jīng)濟(jì)后,國內(nèi)機(jī)床行業(yè)競爭日趨激烈,與中捷搖臂鉆廠生產(chǎn)相同型號產(chǎn)品的企業(yè)有40多家,中捷搖臂鉆廠產(chǎn)品領(lǐng)先優(yōu)勢受到挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對挑戰(zhàn),中捷搖臂鉆廠在產(chǎn)品賣得正火的時候,提出了進(jìn)行跨越產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整。第一,用先進(jìn)技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品。如普通搖臂鉆床實現(xiàn)了五軸聯(lián)動,價格由幾萬元上升到幾十萬元,達(dá)到中國搖臂鉆床最高水平。第二,向國際先進(jìn)水平靠攏,不斷擴(kuò)大產(chǎn)品領(lǐng)先優(yōu)勢。ZK系列、橋式和動橋系列產(chǎn)品,十幾項技術(shù)居國內(nèi)領(lǐng)先地位。ZK3050獲得自主知識產(chǎn)權(quán),并成為國家重點(diǎn)新產(chǎn)品;Z3580A萬向搖臂鉆,在任何空間、任意方向、任意位置上實現(xiàn)鉆削功能,不僅填補(bǔ)了國內(nèi)空白,在國外也不多見。在國際著名的芝加哥機(jī)床展覽會上,中捷搖臂鉆廠參展產(chǎn)品被一位美籍華商相中并當(dāng)場拉走。德國、意大利、西臘、瑞典、伊朗等國家和地區(qū)紛紛提出做中捷牌搖臂鉆的代理經(jīng)銷商。在上海國際機(jī)床展覽會上,沈陽機(jī)床股份有限公司參展的數(shù)控鉆銑床,同時被國內(nèi)三家企業(yè)看好。搖臂鉆床和大多數(shù)機(jī)床一樣,將向數(shù)控自動化、機(jī)電一體化和智能化方向發(fā)展。搖臂鉆床未來的發(fā)展趨勢是:應(yīng)用電子計算機(jī)技術(shù),簡化機(jī)械結(jié)構(gòu),提高和擴(kuò)大自動化工作的功能,使機(jī)床適應(yīng)于納入柔性制造系統(tǒng)工作;提高功率主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動的速度,相應(yīng)提高結(jié)構(gòu)的動、靜剛度以適應(yīng)采用新型刀具的需要,提高切削效率;提高加工精度并發(fā)展超精密加工機(jī)床,以適應(yīng)電子機(jī)械、航天等新興工業(yè)的需要。第二章 原動機(jī)的選擇機(jī)械系統(tǒng)通常是由原動機(jī)、傳動裝置、工作機(jī)和控制操縱部件及其它輔助部件組成。工作機(jī)是機(jī)械系統(tǒng)中的執(zhí)行部分,原動機(jī)是機(jī)械系統(tǒng)的中的驅(qū)動部分,傳動裝置則是把原動機(jī)和工作機(jī)有機(jī)地聯(lián)系起來,實現(xiàn)能量傳遞和運(yùn)動形式轉(zhuǎn)換不可缺少的部分,而其中原動機(jī)在機(jī)械系統(tǒng)中所起的作用是:(1)把自然界的能源變成機(jī)械能;(2)把發(fā)電機(jī)等變能機(jī)所產(chǎn)生的各種形態(tài)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。2.1常用原動機(jī)的運(yùn)動形式常用原動機(jī)有以下三種運(yùn)動形式,具體見表2-1:表2-1 原動機(jī)運(yùn)動形式運(yùn)動形式實例連續(xù)運(yùn)動電動機(jī)、液壓馬達(dá)、氣壓馬達(dá)、柴油機(jī)、汽油機(jī)往復(fù)運(yùn)動直線電動機(jī)、汽缸、液壓缸往復(fù)擺動擺動油缸、擺動汽缸2.2原動機(jī)的驅(qū)動方式原動機(jī)的驅(qū)動方式分為單機(jī)集中驅(qū)動和多機(jī)分別驅(qū)動。由一臺原動機(jī)通過傳動裝置驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作,叫做單機(jī)集中驅(qū)動。而多機(jī)分別驅(qū)動自然而然是用多臺原動機(jī)來驅(qū)動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。兩種驅(qū)動方式中,單機(jī)集中驅(qū)動傳動裝置復(fù)雜,操作麻煩,功率大,但價格便宜。而多機(jī)分別驅(qū)動傳動裝置簡單,電動機(jī)功率小,但成本比較高。2.3原動機(jī)選擇應(yīng)考慮的因素1)必須考慮到現(xiàn)場能源的供應(yīng)情況及工作環(huán)境因素;2)必須考慮原動機(jī)的機(jī)械特性與工作機(jī)的匹配情況;3)必須考慮到維修是否方便,操作是否簡單,工作是否可靠;4)必須考慮到工作機(jī)對原動機(jī)所提出的起動、過載、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性等方面的要求;5)必須考慮到其經(jīng)濟(jì)效益及其成本,這也是非常重要的一項。2.4原動機(jī)的性能比較表2-2 原動機(jī)性能比較類別電動機(jī)氣缸馬達(dá)液壓馬達(dá)柴油機(jī)尺寸較大較小較小較大功率及取范圍功率大;0.31000KW,范圍廣功率比電動機(jī)大;一般在2.2KW以下,尤其適用于0.75KW以下的高速傳動功率最大;受實際油壓和馬達(dá)尺寸的限制功率大;538000KW重量大比電動機(jī)大最大大輸出剛度硬軟較硬較硬運(yùn)行溫度控制溫度應(yīng)低于許應(yīng)值排氣時空氣膨脹,噪聲較大,排氣處應(yīng)安裝消聲器對油箱進(jìn)行風(fēng)冷或水冷調(diào)整方法和性能直流電動機(jī)用改變電樞電阻、電壓或改變磁通的方法;交流電動機(jī)用變頻、變極或變轉(zhuǎn)差率的方法用氣閥控制,簡單,迅速,但不夠精確通過閥或泵控制改變流量,調(diào)速范圍大較難噪聲小較大較大較大維護(hù)要求較少少較多較多初始成本低較高高高運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用最低最高高高應(yīng)用很廣,需要動力電源小功率高速場合較廣很廣,如各種車輛,船舶、農(nóng)用機(jī)械、工程機(jī)械和壓縮機(jī)等等2.5確定原動機(jī)的選擇考慮到Z32K型搖臂鉆床的現(xiàn)場工作環(huán)境及工作需求,Z32K型搖臂鉆床的起動力矩和調(diào)速范圍等要求,我選擇電動機(jī)作為其原動機(jī)。由于生產(chǎn)機(jī)械裝置及工作機(jī)所處的工作環(huán)境各不相同,電動機(jī)的 工作環(huán)境也自然而然就各不一樣。在絕大多數(shù)情況下,電動機(jī)工作的周圍大氣中有不同分量的灰塵和水分,有的處于潮濕之處甚至水下工作,有的周圍含有腐蝕性氣體甚至爆炸物,為了保證電動機(jī)能在不同的工作環(huán)境中順利地安全運(yùn)行,電動機(jī)的外殼也就有多種型式,其型式有:開啟式、防護(hù)式、封閉式、防爆式。由于Z32K型搖臂鉆床工作常處于灰塵較多的場合,其外殼選用封閉式,電動機(jī)型號為Y系列,Y90L-4,額定功率1.5KW,滿載轉(zhuǎn)速1400r/min,額定轉(zhuǎn)矩2.2Nm,質(zhì)量27Kg。第三章 機(jī)械傳動設(shè)計方案的擬定與比較機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計中的首要環(huán)節(jié)就是擬定傳動設(shè)計方案。其擬定的合理與否,在很大程度上決定了機(jī)械產(chǎn)品的合理、先進(jìn)和具備市場競爭力的程度。在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計中,為了達(dá)到預(yù)定的運(yùn)動和動力要求??梢圆捎貌煌膫鲃臃桨?。3.1傳動設(shè)計方案評價的目的機(jī)械運(yùn)動方案的擬定和設(shè)計,最終要求通過分析比較提供最優(yōu)的方案。一個方案的優(yōu)劣只有通過系統(tǒng)能夠方案的評價來確定。從工作機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的全過程來看,評價工作不僅在整個機(jī)械傳動方案設(shè)計完成后是需要的,而且評價工作在設(shè)計全過程中的每一階段也是需要的。一個機(jī)械傳動運(yùn)動方案要求某一工藝動作過程,這一工藝動作過程又可以分解成若干個動作,采用一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)來加以實現(xiàn)。由于機(jī)械系統(tǒng)傳動方案評價指標(biāo)是多方面的。選用某一機(jī)構(gòu)型式時往往對各評價指標(biāo)反應(yīng)不一。有時也會相互矛盾。因此,需要建立一個評價體態(tài),進(jìn)行全面的,綜合性的評價。由此可以得出整個最優(yōu)機(jī)械傳動運(yùn)動方案。3.2機(jī)械傳動設(shè)計方案評價的原則機(jī)械傳動設(shè)計方案評價的原則有:(1)保證評價的客觀性 評價的目的是為了決策,因此評價是否客觀,就會影響決策是否正確。為了保證評價的客觀性,要求評價資料的全面性和可靠性,要求防止評價人員的傾向性,評價人員組成要有代表性等等。(2)保證方案的可比性 各個方案要求在實現(xiàn)基本功能上要有可比性和一致性,有的方案個別功能突出或有新穎之處。只能表明它在這個方面的優(yōu)越之處,不能代替其他方面的要求,更不能掩蓋其它方面的不足。否則,會失去綜合評價的作用。陷入“突出一點(diǎn),不顧其余”的錯誤。這種主觀偏面的做法。顯然不利于評選最優(yōu)方案。(3)要有評價指標(biāo)體系 評價指標(biāo)體系是全面反映系統(tǒng)目標(biāo)要求的一種評價模式。因此,評價體系應(yīng)主要考慮機(jī)械傳動運(yùn)動方案總功能所涉及到的對機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的各方面要求和指標(biāo)。不考慮或少考慮其他方面的要求建立的評價指標(biāo)體系,不僅是定性的要求,而且應(yīng)該將各個評價的指標(biāo)進(jìn)行量化。評價指標(biāo)體系的建立要求依據(jù)科學(xué)知識和專家的經(jīng)驗,要體現(xiàn)評價指標(biāo)體系的科學(xué)性、全面性格外專家經(jīng)驗性。3.3系統(tǒng)設(shè)計方案的比較與確定根據(jù)Z32K型搖臂鉆床的工作情況,以及結(jié)合畢業(yè)設(shè)計課題,我現(xiàn)對搖臂鉆床的升降系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),現(xiàn)擬定以下三種傳動方案供選擇:方案一: 手動升降系統(tǒng) 手柄錐齒輪軸錐齒輪螺母方案二: 自動升降系統(tǒng) 新增電動機(jī)齒輪1齒輪2錐齒輪1錐齒輪2螺母方案三:原電動機(jī)齒輪四聯(lián)滑移齒輪雙聯(lián)齒輪齒輪錐齒輪軸錐齒輪螺母表3-1 系統(tǒng)傳動方案性能的比較性能指標(biāo)具體項目方案一方案二方案三功能傳動精度高高高升降速度慢快快工作性能可調(diào)性好好較好運(yùn)轉(zhuǎn)速度慢快快承載能力大較大較大動力性能加速度峰值小較大較大噪聲較小小小耐磨性耐磨耐磨耐磨可靠性可靠可靠可靠經(jīng)濟(jì)性制造性易難易調(diào)整方便性方便不方便方便能耗大小一般一般一般制造費(fèi)用便宜貴便宜結(jié)構(gòu)緊湊尺寸小小小重量輕重較輕結(jié)構(gòu)復(fù)雜性簡單一般一般方案一:升降時費(fèi)力又費(fèi)時,再加上手柄長度較長,在實際操作過程中,當(dāng)拖板接近變速箱時,進(jìn)給手柄與升降手柄容易打在一起,操作者易受傷。方案二:在絲桿的端頭裝上小型電動機(jī)和減速器,使絲桿轉(zhuǎn)動,螺母固定實現(xiàn)自動升降。那是一種傳動的自動升降系統(tǒng)。很多機(jī)床都用的上。但是針對Z32K型搖臂鉆床來說,雖然彌補(bǔ)了自動升降的缺點(diǎn),但又派生出另外的缺點(diǎn):(1)鉆床立柱的頂端面積是有限的,而附加的電動機(jī)和減速器體積較大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝困難,也增加了成本,再說提重吊環(huán)的安裝問題也難以解決。(2)增加一個動力源、減速器和一組控制電路,使成本增加。方案三:直接利用原有電動機(jī)作為升降系統(tǒng)的動力源。在變速箱內(nèi)附加若干齒輪,在原有的主運(yùn)動傳動系統(tǒng)中,通過齒輪的變化嚙合,把動力傳到螺母上,使螺母轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)自動升降。方案的優(yōu)點(diǎn):(1)利用原電動機(jī)作為動力源,成本低。(2)附加零件部件結(jié)構(gòu)簡單、容易生產(chǎn)。(3)充分利用了變速箱的有限空間,使原機(jī)床的各部分結(jié)構(gòu)和機(jī)床外觀不受影響。(4)控制電路部分保持不變,操作簡單、方便。(5)升降平穩(wěn)、快捷、工作效率高。根據(jù)以上的評價比較和分析,最終選擇方案三作為升降系統(tǒng)的傳動方案。 圖3-1 變速箱傳動示意圖第四章 繪制變速箱中升降系統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖在生產(chǎn)中實際使用的各種機(jī)械在外形、構(gòu)造和用途等各方面各不大相同。組成機(jī)械(機(jī)器)的各種機(jī)構(gòu)及各個機(jī)構(gòu)和形狀也是很復(fù)雜的。但各構(gòu)件間的運(yùn)動是由原動件的運(yùn)動規(guī)律及個運(yùn)動副的類型和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動尺寸來決定的,與各構(gòu)件之間的相對運(yùn)動和整個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)與機(jī)構(gòu)中所包含的運(yùn)動副數(shù)量、類型以及運(yùn)動副之間的相對位置(也即機(jī)構(gòu)的運(yùn)動尺寸)有關(guān)。而與組成構(gòu)件的零件形狀和數(shù)量、構(gòu)件的外形及其截面積的形狀和尺寸以及運(yùn)動副的具體構(gòu)造等等因素都無關(guān)。因此,在研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動時,為了便于分析,常常不計或者是略去那些與機(jī)構(gòu)運(yùn)動無關(guān)的因素,而是用規(guī)定的運(yùn)動副符號及代表構(gòu)件的線條來表示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性,并根據(jù)運(yùn)動學(xué)尺寸按比例畫出各運(yùn)動副之間的相對位置。如轉(zhuǎn)動副中心間的距離和移動副導(dǎo)路中心位置等等。這種簡單的運(yùn)動圖形是機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計的模型。如果僅僅以機(jī)構(gòu)和運(yùn)動副組成的符號表示機(jī)構(gòu),其圖形若不按照精確比例繪制,目的是為了進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)組成分析,弄懂動作原理等等,則稱這種簡圖為機(jī)構(gòu)示意圖或者機(jī)構(gòu)簡圖。繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的步驟與方法:1)為了將機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖表示清楚,在繪制時應(yīng)該恰當(dāng)?shù)剡x擇投影面。2)認(rèn)清機(jī)架、輸出機(jī)構(gòu)和輸入機(jī)構(gòu)。3)搞清楚機(jī)構(gòu)運(yùn)動傳遞路線。4)了解兩構(gòu)件間的相對運(yùn)動關(guān)系。5)選用適當(dāng)?shù)谋壤?)原動件標(biāo)箭頭表示運(yùn)動方向。根據(jù)以上步驟,初步繪制出了Z32K型搖臂鉆床改進(jìn)后的變速箱升降系統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。圖4-1 升降系統(tǒng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)簡圖1 電動機(jī);2、機(jī)-2軸;4花鍵軸;3、5、機(jī)-4直齒輪;機(jī)-3雙聯(lián)齒輪;6四聯(lián)滑移齒輪;機(jī)-6錐齒輪軸;7錐齒輪;機(jī)-1、機(jī)-5軸承第五章 傳動部分運(yùn)動及動力分析5.1部分傳動連接設(shè)計由Z32K型搖臂鉆床變速箱裝配圖和升降系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖可以知道,升降系統(tǒng)的傳動路線為:電動機(jī)2軸4軸機(jī)-2過度軸機(jī)-6錐齒輪軸錐齒輪7螺母。為了設(shè)計和加工方便,機(jī)-6錐齒輪軸的各部分參數(shù)大部分上與原來手動系統(tǒng)中與升降手柄相連接的圓錐齒輪軸相同,而在末端又將方頭改為平鍵槽,采用平鍵與機(jī)-4齒輪連接。機(jī)-3過度齒輪的產(chǎn)生,因為固定機(jī)-6圓錐齒輪軸徑向位置的箱體孔中心高度受原有帶動螺母及絲桿運(yùn)動的圓錐齒輪位置的限制,其箱體孔較接近箱體孔內(nèi)壁,使得機(jī)-4齒輪的分度圓直徑受到限制,而固定在花鍵徑向位置的箱體孔的距離較遠(yuǎn),所以必須在四聯(lián)滑移齒輪和機(jī)-4齒輪之間加上過渡齒輪連接,從而這樣產(chǎn)生了機(jī)-3齒輪。我將機(jī)-3齒輪設(shè)計為雙聯(lián)齒輪,那是因為:為了提高工作效率,初定升降速度為800mm/min,已知:原有絲桿螺距P=6,原有帶動螺母及絲桿運(yùn)動的圓錐齒輪齒數(shù)Z=36,機(jī)-6圓錐齒輪齒數(shù)Z=20。通過計算得出;要求機(jī)-6圓錐齒輪軸的轉(zhuǎn)速N=240r/min。又已知電動機(jī)的轉(zhuǎn)速N=1400r/min,與電動機(jī)軸相連最近的齒輪齒數(shù)Z=18(為了方便下面的計算,又 將其寫成),四聯(lián)滑移齒輪的小齒數(shù)=28,假如機(jī)-3過渡齒輪為單聯(lián)齒輪,那么機(jī)-6的齒數(shù)Z=54,為了能讓傳動的模數(shù)一致m=2,則機(jī)-6的齒輪分度圓直徑為108mm,而箱體孔內(nèi)壁限于機(jī)-6的齒輪的分度圓直徑為72mm,所以必須將機(jī)-3過渡齒輪設(shè)計為雙聯(lián)齒輪,以減少齒輪和分度圓直徑,由于花鍵軸、機(jī)-2過渡軸與機(jī)-6圓錐齒輪軸徑向位置的各箱體孔之間呈三角形分布,因此機(jī)-3雙聯(lián)齒輪的分度圓直徑在設(shè)計上能作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。5.2傳動比、各軸轉(zhuǎn)速、功率及轉(zhuǎn)矩的計算已知假定了升降系統(tǒng)速度為800mm/min,又已知:,電動機(jī)轉(zhuǎn)速N=1400r/min,電動機(jī)功率為P=1500KW,圓錐齒輪的傳遞效率為,圓柱齒輪傳遞效率為,聯(lián)軸器的傳遞效率為,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,所以:, 為了使4軸轉(zhuǎn)速經(jīng)過過渡軸機(jī)-2傳到機(jī)-6錐齒輪軸上,初步確定各齒輪參數(shù)如下表:表5-1 齒輪參數(shù)名稱齒數(shù) 分度圓直徑 模數(shù)機(jī)-3 64 128 2機(jī)-3 44 88 2機(jī)-4 36 72 2所以有:, ,各參數(shù)確定之后,重新計算的升降速度為:136.116=816.66r/min各軸轉(zhuǎn)矩為:電動機(jī)軸 2軸 4軸 機(jī)-2軸 機(jī)-6錐齒輪軸 7錐齒輪 各參數(shù)值列表如下:表5-2 各軸參數(shù)軸號功率KW轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速r/min傳動比效率電動機(jī)1.5010.231400/2軸1.4910.181400/0.9954軸1.4630.484583.060.975機(jī)-2軸1.4368.28200.3752.290.956機(jī)-61.40555.75244.910.820.9371.33595.33136.111.80.895.3齒輪材料的選擇5.3.1、齒輪材料的基本要求從對齒輪的失效分析可知,為了使齒輪能夠正常工作,應(yīng)對齒輪的材料提出如下基本要求:(1)齒面應(yīng)有足夠的硬度和耐磨性,以防止齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合以及塑性變形等失效。(2)輪齒心部應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和較好的韌性,以防止齒根折斷忽然抵抗沖擊載荷。(3)應(yīng)有良好的加工工藝性能及熱處理性能,以便加工和提高力學(xué)性能。5.3.2、常用材料及熱處理適合制造齒輪的材料有很多,最常用的是鋼、鑄鐵,有些場合也采用非金屬材料。1、鋼鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、便于制造和熱處理等優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)齒輪毛坯都采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金鋼通過鍛造而成,并通過熱處理改善和提高力學(xué)性能。按熱處理后齒面硬度的不同,鋼制齒輪分為軟齒面齒輪和硬齒面齒輪兩種。軟齒面齒輪的齒面硬度小于或等于350HBS,通常適用于一般用途、中小功率以及精度要求不高的場合,例如一般用途的減速器。由于齒面硬度不高,這種齒輪的毛坯在進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火的熱處理之后再進(jìn)行精加工,一般采用插齒或滾齒等方法。對于一對軟齒面的齒輪來說,在傳動的過程中,小齒輪的輪齒嚙合次數(shù)比大齒輪的多,同時小齒輪的齒根較薄,使得小齒輪的輪齒彎曲強(qiáng)度較弱。因此,通常使小齒輪的齒面硬度要比大齒輪的齒面硬度高3050HBS或更多,以保證大、小齒輪的使用壽命相接近。在一般情況下,通常選用不同的材料或不同的熱處理可以實現(xiàn)這個要求。硬齒面齒輪的齒面硬度大于350HBS,常用于高速重載及受有沖擊載荷的或要求結(jié)構(gòu)緊湊的重要機(jī)械傳動中,例如機(jī)床、汽車變速箱等。這種齒輪的毛坯在進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火后,進(jìn)行精切齒,然后再進(jìn)行表面淬火處理,使得齒輪的耐磨性提高,承載能力增大。硬齒面齒輪與軟齒面齒輪比較,其綜合承載能力可提高23倍?;蛘哒f,在相同的承載能力下,硬齒面的齒輪傳動要比軟齒面的結(jié)構(gòu)尺寸小得多。所以,除非受到工藝或生產(chǎn)等條件的限制,一般情況下應(yīng)盡可能采用硬齒面齒輪。2、鑄鋼對于齒輪的直徑尺寸較大(大于400600mm),或結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易鍛造的齒輪毛坯,可用鑄鋼來制造。例如低速、重載的礦山機(jī)械中的大齒輪。3、鑄鐵灰鑄鐵具有較好的減磨性和加工性能,而且價格低廉,但它的強(qiáng)度較低,抗沖擊性能差,因此,常用于開式、低速輕載、功率不大及沖擊振動的齒輪的傳動中。球墨鑄鐵的力學(xué)性能和抗沖擊能力較灰鑄鐵高,可代替灰鑄鐵、鑄鋼和調(diào)質(zhì)鋼鑄造大直徑齒輪。4、非金屬材料非金屬材料的彈性好,耐磨性好,可注塑成型,成本低,但承載能力小,適用高速輕載以及精度要求不高場合。例如食品機(jī)械、家電產(chǎn)品以及辦公設(shè)備等。常用齒輪的材料見下表5-3:表5-3 常用齒輪的材料及其力學(xué)性能材料牌號熱處理方法齒面硬度強(qiáng)度極限屈服極限主要應(yīng)用優(yōu)質(zhì)碳素鋼45正火160217HBS580290低速輕載調(diào)質(zhì)217255HBS650360低速中載表面淬火4855HRC750450高速中載或低速重載50正火180220HBS620320沖擊很小合金鋼40Cr調(diào)質(zhì)表面淬火240260HBS4855HRC700900550650中速中載高速中載無劇烈沖擊42SiMn調(diào)質(zhì)表面淬火217269HBS4555HRC750470高速中載無劇烈沖擊20Cr滲碳淬火5662HRC650400高速中載承受沖擊20CrMnTi滲碳淬火5662HRC1100850鑄鋼ZG310570正活表面淬火160210HBS4050HRC570320中速、中載、大直徑ZG340640正火調(diào)質(zhì)170230HBS240270HBS650700350380球墨鑄鐵QT600-2QT500-5正火220280HBS147241HBS600500低中速輕載有小的沖擊灰鑄鐵HT250HT300人工時效170240HBS187235HBS200300低速輕載沖擊很小 根據(jù)上述齒輪材料的介紹,我設(shè)計改進(jìn)后新增的齒輪中,機(jī)-6錐齒輪材料選用40Cr,直齒輪機(jī)-4的材料選用20CrMnTi,機(jī)-3雙聯(lián)齒輪選用20CrMnTi。5.4直齒圓錐齒輪的尺寸設(shè)計計算及校核圓錐齒輪傳動用于傳遞兩個相交軸之間的運(yùn)動和動力,圓錐齒圓按照分度圓上的餓齒向,圓錐齒輪可以分為直齒、斜齒和曲齒齒輪三種類型。直齒圓錐齒輪易于制造,則安裝也比較簡單,適用于低速、輕載傳動的場合,應(yīng)用也比較廣泛。斜齒圓錐齒輪應(yīng)用較少。而曲齒圓錐齒輪傳動平穩(wěn)、承載能力高,常應(yīng)用于高速重載的場合。但是設(shè)計和制造較為麻煩,復(fù)雜。圓錐齒輪7是直齒圓錐齒輪。5.4.1圓錐齒輪的各參數(shù)設(shè)計計算已知:齒數(shù)=36,模數(shù)=2,配對齒輪齒數(shù)=20,模數(shù)=2分度圓直徑: 分度圓錐角:齒頂高: 齒根高: 全齒高: 頂隙c: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 錐矩: 齒頂角: 齒根角: 當(dāng)量齒角: 根錐角: 頂錐角: 當(dāng)量齒輪分度圓半徑:當(dāng)量齒輪齒頂圓半徑:當(dāng)量齒輪齒頂壓力角:不發(fā)生根切的最少齒數(shù):5.4.2受力分析進(jìn)行受力分析,為了簡便起見,近似假定載荷沿齒寬分布均勻,并集中作用于齒寬中點(diǎn)節(jié)線處的法向平面內(nèi),和圓柱齒輪傳動機(jī)構(gòu)相似,齒面的法向為,也可以分解為圓周力,徑向力和軸向力,求得各分力公式為: (5-1) (5-2) (5-3) (5-4)計算結(jié)果如下:5.4.3結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計大體如下圖5-1所示,各詳細(xì)參數(shù)具體見錐齒輪7零件圖(見CAD圖紙YBZC-05)圖5-1 錐齒輪5.4.4計算載荷上面所述的,和等均是作用在齒輪上的名義載荷。在實際工作中,還應(yīng)該考慮原有動力機(jī)和工作機(jī)的振動和沖擊,輪齒嚙合過程中產(chǎn)生的動載荷。由于制造安裝誤差或者受載后輪齒產(chǎn)生的彈性變形以及軸套、軸承箱體的變形,使得載荷沿齒寬方向分布均勻,同時嚙合的各輪齒之間載荷分布不均勻等等。為此,應(yīng)該將名義載荷乘以載荷系數(shù),作為計算載荷,進(jìn)行齒輪的強(qiáng)度計算時,按計算載荷進(jìn)行計算,與圓周力對應(yīng)的計算載荷為: (5-5)式中:載荷系數(shù) (5-6)其中:使用系數(shù),用來考慮原動機(jī)和工作機(jī)的工作特性等引起的動力過載對齒輪受載的影響,其值可以查如下表5-4:表5-4 使用系數(shù)工作機(jī)的工作特性原動機(jī)的工作特性及其示例均勻平穩(wěn) 電動機(jī)、均速轉(zhuǎn)動的汽輪機(jī)輕微沖擊 汽輪機(jī)、液壓馬達(dá)中等沖擊 多缸內(nèi)燃機(jī)嚴(yán)重沖擊單缸內(nèi)燃機(jī)均勻平穩(wěn)1.001.101.251.50輕微沖擊1.251.351.501.75中等沖擊1.501.601.752.00根據(jù)上述表格,我設(shè)計計算時取使用系數(shù)=1.25。動載系數(shù),用來考慮齒輪副在嚙合過程中,因嚙合誤差(基節(jié)誤差、齒形誤差和輪齒變形等)所引起的內(nèi)部附加動載荷對輪齒受載的影響。其值,對于直齒圓柱齒輪傳動,可以取=1.051.4;斜齒圓柱齒輪傳動,可以取=1.021.2;直齒錐齒輪傳動,可以取=1.11.4。齒輪精度低、速度高時,取大值;反之取小值。因而我設(shè)計計算時取=1.3齒向載荷分布系數(shù),用以考慮由于軸的變形和齒輪制造誤差等引起的載荷沿齒寬方向分布不均勻的影響。對于直齒圓柱齒輪傳動,若兩輪之一為軟齒輪時,取=11.2,兩輪均為硬齒面時,取=1.11.35;直齒圓錐齒輪傳動,可以取=1.11.3,寬徑比B/d1較小、齒輪在兩支承中間對稱布置、軸的剛性大時,取小值;反之,取大值。因而我在設(shè)計計算時取=1.2。齒間載荷分配系數(shù),用以考慮同時嚙合的各對齒輪輪齒間載荷分配不均勻的影響。對于直齒圓柱齒輪傳動,取=11.2;斜齒圓柱齒輪傳動,齒輪精度等級高于7級(含7級),=11.2,齒輪精度等級低于7級,=1.21.4;直齒圓錐齒輪傳動,可以取=1。齒輪制造精度等級低、齒面為硬齒面時,取大值;精度等級低、齒面為軟齒面時,取小值。因而我在設(shè)計計算時取=1。所以 =1.251.31.21=1.95N5.4.5齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核1) 確定許應(yīng)力,查機(jī)械設(shè)計原理與方法P368頁圖1038得=1500MPa=1.01.2,取=1.1;=2所以 2) 驗算齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件計算工作轉(zhuǎn)矩T=9.55確定載荷系數(shù)K=1.95查圖=2.5,=,因為不是很多,=0.90計算齒面接觸應(yīng)力1247.75MP所以齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求。5.4.6輪齒彎曲強(qiáng)度的校核1)確定許應(yīng)力,查機(jī)械設(shè)計原理與方法P368頁圖1038得=480MPa=1.41.5,取=1.5;u =1.8所以 2) 驗算輪齒彎曲強(qiáng)度條件計算工作轉(zhuǎn)矩T=9.55確定載荷系數(shù)K=1.95,取0.80計算輪齒彎曲應(yīng)力33.78所以輪齒彎曲強(qiáng)度滿足要求。5.5錐齒輪軸機(jī)-6的設(shè)計計算及校核5.5.1錐齒輪部分主要參數(shù)設(shè)計計算已知:齒數(shù)=20,模數(shù)=2,配對齒輪齒數(shù)=36,模數(shù)=2分度圓直徑: 分度圓錐角:齒頂高: 齒根高: 全齒高: 頂隙c: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 錐矩: 齒頂角: 齒根角: 當(dāng)量齒角: 根錐角: 頂錐角: 當(dāng)量齒輪分度圓半徑:當(dāng)量齒輪齒頂圓半徑:當(dāng)量齒輪齒頂壓力角:5.5.2 軸端部分參數(shù)設(shè)計軸端部分設(shè)計的目的是合理地確定軸端部分的外部形狀和全部尺寸。由于影響軸端部分結(jié)構(gòu)設(shè)計的因素很多,固軸端部分沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)型式,在滿足規(guī)定的功能要求和設(shè)計約束的前提下,其結(jié)構(gòu)設(shè)計方案具有較大的靈活性、設(shè)計時應(yīng)該多加考慮如下因素:(1)便于軸上各零件(如軸承等)的裝拆和調(diào)整);(2)保證軸承上的各零件的定位和固定可靠;(3)具有良好的加工工藝性;(4)力求受力合理,應(yīng)力集中小,工作能力強(qiáng),節(jié)約材料和減輕重量?;谏鲜鲆?,將錐齒輪軸端的結(jié)構(gòu)設(shè)計大體如下圖5-2所示,各詳細(xì)參數(shù)具體見CAD圖紙YBZC-04。圖5-2 錐齒輪軸5.5.3錐齒輪軸的固定為了保證裝配質(zhì)量,機(jī)-6齒輪軸與手動升降系統(tǒng)的齒輪軸的軸心中心高等高。由于機(jī)-6的徑向受載荷一般,所以由滾動軸承的支承軸向位置,軸向位置由卡簧固定。為了方便調(diào)整機(jī)-6齒輪軸軸向位置,因軸承套與箱體孔的配合面較大,所以對機(jī)-6圓錐齒輪與210圓錐齒輪的軸心的垂直度影響不大。5.6機(jī)-4齒輪設(shè)計計算及校核5.6.1 尺寸設(shè)計計算已知:機(jī)-4齒輪的齒數(shù)Z=36,模數(shù)m=2齒輪機(jī)-4選漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪,下面對機(jī)-4齒輪各部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算(1)齒數(shù):齒數(shù)一般應(yīng)為整數(shù),已知Z=36;(2)模數(shù):模數(shù)也是已知的,m=2;(3)壓力角:漸開線齒廓上的各點(diǎn)的壓力角規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)值,當(dāng)只提“壓力角”,而不指明哪個外圓時,即指分度圓壓力角為=;(4)分度圓直徑:分度圓就是具有標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)壓力角的圓,d=mz=72(5)齒頂高:分度圓與齒頂圓間的間的徑向距離,齒頂高用齒頂高系數(shù)和模數(shù)的乘積表示,即;(6)齒根高:分度圓與齒根高的徑向距離,即;(7)頂隙:齒根高比齒頂高大一些,以便上頂圓和另一齒輪的齒根圓間形成間隙頂隙C,既有利于儲存的潤滑油,也避免兩齒輪卡死,頂隙用頂隙系數(shù)和模數(shù)的乘積來表示,即;(8)齒頂圓直徑:過所有齒頂端的圓稱為齒頂圓,齒頂圓直徑用表示,=76;(9)齒根圓直徑:過所有齒槽底部的圓稱齒根圓,齒根圓直徑用表示,;(10)齒高:齒高等于齒頂高加上齒根高,即;(11)基圓直徑:產(chǎn)生漸開線的圓稱基圓,基圓直徑用表示,;(12)齒距:相鄰兩個輪齒同側(cè)齒廓之間的弧線長度稱該圓上的齒距,用P表示,P=m=6.28;(13)齒厚:在任意半徑圓周上,一個輪齒兩側(cè)齒廓之間的弧線長度稱齒厚,用S表示,S=P/2=3.14;(14)齒槽寬:一個齒槽兩側(cè)齒廓之間的弧線長度稱齒槽寬,用e表示,e=P/2=3.14;(15)標(biāo)準(zhǔn)中心距:中心距是齒輪傳動的基本尺寸,齒輪箱體上軸承孔的尺寸就由中心距來決定的,為了使一對漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動平穩(wěn),在確定中心距時,應(yīng)該保證相嚙合的兩輪齒的齒側(cè)無間隙存在,對于一對模數(shù)相等無間隙嚙合的標(biāo)準(zhǔn)齒輪,其分度圓上的齒厚和齒槽寬相等,其齒輪中心距為標(biāo)準(zhǔn)中心距,計算公式為將各參數(shù)列表如下:表5-5 齒輪設(shè)計參數(shù)齒數(shù)36齒頂圓直徑76模數(shù)2齒根圓直徑67壓力角20齒高4.5分度圓直徑70基圓直徑67.66齒頂高2齒距6.28頂隙0.5齒厚3.14齒根高2.5齒槽寬3.14分度圓直徑725.6.2結(jié)構(gòu)分析機(jī)-4齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計大體如下圖5-3所示,各詳細(xì)參數(shù)具體見CAD圖紙YBZC-06。圖5-3 齒輪5.6.3受力分析對輪齒上的作用力進(jìn)行分析是進(jìn)行齒輪承載能力的計算、設(shè)計支承齒輪的軸以及選用軸承的基礎(chǔ)。在工程上為了簡化計算,常把作用在齒面上沿齒寬接觸線上分布的全部作用力用一個作用在齒寬中點(diǎn)處的集中力來代替。當(dāng)潤滑較好時,可以忽略接觸面上的摩擦力的影響,該集中力即法向力,它的方向是沿著兩齒廓接觸點(diǎn)的公法線方向,即嚙合線方向。方向力有可以分解為圓周力和徑向力,其計算公式分別為: (5-7) (5-8) (5-9)計算結(jié)果為:5.7雙聯(lián)齒輪的設(shè)計計算雙聯(lián)齒輪的兩齒均設(shè)計為漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪,現(xiàn)將其主要參數(shù)設(shè)計如下表5-6表5-6 雙聯(lián)齒輪設(shè)計計算基本參數(shù)機(jī)-3 2齒數(shù)64 機(jī)-3 4齒數(shù)44 模數(shù)m均為2配對齒輪參數(shù)與機(jī)-3 2、4配對齒輪齒數(shù)分別為28和36,模數(shù)m均為2;名稱符號計算公式機(jī)-3 2機(jī)-3 4分度圓直徑dd=mz12888中心距aa=9280齒頂高22齒根高2.52.5全齒高h(yuǎn)4.54.5齒頂圓直徑13284齒根圓直徑8775基圓直徑120.2882.69分度圓齒距PP=m6.286.28分度圓齒厚SS=m/23.143.14分度圓槽寬eE=m/23.143.14頂隙C0.50.5基圓齒距mcos205.905.90節(jié)圓處齒廓的曲率半徑21.8915.055.8 過渡軸的設(shè)計傳動零件必須通過其他零件被支承起來才能進(jìn)行工作,這種支承作用的零件稱為軸。軸是組成機(jī)器的重要作用之一,它的主要功能是支承做回轉(zhuǎn)運(yùn)動的零件,并傳遞運(yùn)動和動力。5.8.1軸的失效形式機(jī)械中的軸大多為轉(zhuǎn)軸,同時承受彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,且均為交變應(yīng)力。在交變應(yīng)力的作用下,軸的主要失效形式為疲勞斷裂。因此,軸的材料應(yīng)具有足夠的疲勞強(qiáng)度、較好的應(yīng)力集中敏感性和良好的加工性能。5.8.2軸的材料根據(jù)上述這些要求,軸的材料一般宜選用中碳鋼和中碳合金鋼。對于一般以內(nèi)國土和較重要的軸,多采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼來制造,如45鋼等。這類鋼的加工性能和機(jī)械性能好,經(jīng)過調(diào)質(zhì)或者正火處理后可以獲得良好的機(jī)械性能,且價格比較便宜。對于載荷不大、轉(zhuǎn)速要求不高或者不重要的軸,可以采用普通的碳素結(jié)構(gòu)鋼來制造,如Q275等,以降低成本。合金鋼的機(jī)械性能和熱處理工藝均優(yōu)于碳素鋼,對于強(qiáng)度要求高而結(jié)構(gòu)要求緊湊、重量輕的重要的軸或者有特殊性能要求的軸,應(yīng)該采用合金鋼來制造,如40Cr鋼等。由于碳素鋼與合金鋼的彈性模量基本相同,因此采用合金鋼并不能提高軸的強(qiáng)度。但是,碳素鋼比合金鋼的成本低,而且對于應(yīng)力集中的敏感性小,所以得到了廣泛的應(yīng)用。軸也可以采用球煤鑄鐵材料制造。鑄鐵材料容易鑄造成復(fù)雜的形狀,且吸振性和耐磨性較好,對應(yīng)力集中的敏感性也較低,但其沖擊韌性低,可靠性差。我設(shè)計的過渡軸材料為合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr。5.8.3過渡軸的強(qiáng)度校核一、 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核設(shè)軸在扭矩T的作用下,產(chǎn)生的切應(yīng)力。對于圓截面的實心軸,根據(jù)其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件可以得 (5-10) 所以 式中:是軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,單位為MP;T是軸所傳遞的扭矩,單位為Nmm;是軸的抗扭截面系數(shù),0.2,單位為;P是軸傳遞的功率,單位為KW;n是軸的轉(zhuǎn)速,單位是r/min;d是軸的直徑,單位為mm;是材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,單位為MPa。顯然,扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度滿足要求。二、 按彎扭合成強(qiáng)度條件計算1. 力學(xué)模型的建立在進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核時,通常忽略軸及其上各個零件的質(zhì)量,把軸簡化為簡支梁、外伸梁或懸臂梁。將其作用在軸上的零件分布力作為集中力,其作用點(diǎn)取為零件輪轂寬度的中點(diǎn),并將其全部轉(zhuǎn)化到軸上。支點(diǎn)反力的作用點(diǎn)一般可近似地取在軸承寬度的中點(diǎn)上,以簡化計算。受力圖為:圖5-4 受力圖作出軸的水平面受力圖和彎矩圖圖5-5 水平受力圖圖5-6 水平彎矩圖作出垂直面內(nèi)的受力圖和彎矩圖圖5-7 垂直受力圖圖5-8 垂直彎矩圖作出合成彎矩圖M圖5-9 合成彎矩圖作出扭矩圖T圖5-10 扭矩圖做當(dāng)量彎矩圖圖5-11 當(dāng)量彎矩圖計算危險截面軸徑過渡軸的每一處截面直徑均大于16.22故強(qiáng)度滿足要求。5.8.4過渡軸的固定因為機(jī)-3雙聯(lián)齒輪整體寬度較少,而且齒輪較接近箱體孔,且箱體孔內(nèi)比壁較厚。所以機(jī)-2過渡軸只需一個箱體孔固定,機(jī)-3齒輪與機(jī)-2過渡軸之間,其軸向固定由滾動軸承連接。其軸向卡簧固定。而機(jī)-2軸上有軸肩,裝配時直接將機(jī)-2軸敲入箱體孔至軸肩處即可。第六章 軸承的選擇與校核6.1 軸承的分類軸承是支承軸的部件。根據(jù)軸承工作是的摩擦性質(zhì),軸承可以分為滑動摩擦軸承(簡稱滑動軸承)和滾動摩擦軸承(簡稱滾動軸承)。由于滾動軸承摩擦系數(shù)小,起動阻力小,已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,選用、潤滑及維護(hù)較方便,所以在一般的機(jī)器中得到廣泛的應(yīng)用。滾動軸承的徑向尺寸較大,工作時產(chǎn)生振動、噪音與設(shè)備的精度、軸的工作轉(zhuǎn)速有關(guān),故適用于中、低速以及精度要求較高的場合。滑動軸承具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),在用于某些不能、不便或者使用滾動軸承沒有優(yōu)勢的場合,如工作轉(zhuǎn)速特高、沖擊和振動特大、徑向空間設(shè)計尺寸受到限制或者必須部分安裝(曲軸上軸承)的結(jié)構(gòu),以及需要在水或者腐蝕性介質(zhì)工作的工況條件下,仍占有重要地位。因此,在軋鋼機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、雷達(dá)、天文望遠(yuǎn)鏡及各類儀表中應(yīng)用廣泛。6.2 滾動軸承及類型滾動軸承主要是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉(zhuǎn)動零件的。常用的滾動軸承絕大數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了,設(shè)計時可以根據(jù)載荷的性質(zhì)與大小、轉(zhuǎn)速的高低、旋轉(zhuǎn)精度等工作要求進(jìn)行選用,并進(jìn)行軸承承載能力的驗算,結(jié)構(gòu)設(shè)計。滾動軸承主要由外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架構(gòu)成。保持架將滾動體均勻地隔開,以減少滾動體間的摩擦和磨損。通常內(nèi)圈固定在軸頸上,外圈裝在軸承座內(nèi)。常見的運(yùn)動方式;內(nèi)圈隨軸頸轉(zhuǎn)動,外圈固定。也有外圈轉(zhuǎn)動而內(nèi)圈不動或者是內(nèi)、外圈都轉(zhuǎn)動的運(yùn)動形式。 滾動軸承的類型很多,按照軸承受載荷的作用方向,可以分為:(1)徑向接觸軸承 主要用于承受徑向載荷(2)向心角接觸軸承 能同時承受徑向及單方向軸向載荷(3)軸向接觸軸承 只能承受軸向載荷6.3 滾動軸承的失效形式滾動軸承在工作時,由于各元件間間隙的存在,其受力情況也成周期性不穩(wěn)定變化。軸承工作時,各元件上所受的載荷及產(chǎn)生的應(yīng)力是時時變化的,其變動的頻率取決于滾動體中心圓周速度。選用角接觸軸承或者圓錐滾子軸承時,為保證可靠地工作,使其在工作時至少處于下半圈滾動體全部受載的工作狀態(tài)。滾動軸承的失效形式有:(1)疲勞點(diǎn)蝕滾動軸承的正常失效形式是滾動體或者內(nèi)外圈滾道上的點(diǎn)蝕破壞。軸承工作時,軸上的受力通過軸承內(nèi)圈外圈基座上,相鄰元件間的接觸面產(chǎn)生接觸應(yīng)力。由于內(nèi)、外圈的相對轉(zhuǎn)動,滾動體的不規(guī)則滾動,導(dǎo)致接觸應(yīng)力按脈動循環(huán)變化。在安裝、潤滑及維護(hù)良好的條件下,當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定值后,會在某一元件上形成表層金屬剝落現(xiàn)象,即疲勞點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕后軸承在工作時通常會出現(xiàn)較強(qiáng)烈的振動、噪音和發(fā)熱現(xiàn)象及旋轉(zhuǎn)精度下降,影響機(jī)器的正常工作。(2)塑性變形若軸承的工作轉(zhuǎn)速很低(n10r/min)或者僅作間歇擺動,則一般不會出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕破壞,工作時過大的靜載荷或者瞬間過大的沖擊載荷,均會使元件接觸面間的局部應(yīng)力大于元件材料的屈服極限應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形。在形成不均勻的凹炕后,軸承即已經(jīng)失效。6.4 軸承的選擇計算現(xiàn)只對過渡軸承進(jìn)行校核,我是設(shè)計時軸承選的是深溝球軸承6005 GB/T276-94。已知n=200.375r/min,軸徑d=25mm,=222.48N,=650.48N,溫度低于100,有輕微沖擊,預(yù)期使用壽命。因為深溝球軸承沒有派生軸向力,所以,查有關(guān)設(shè)計手冊知6005軸承的,查表,有輕微沖擊,應(yīng)取=1.2查表,采用線性插值法,得e=0.234因查表可得 得 計算軸承的壽命已知球軸承,因工作溫度低于120,得=1按公式 (6-1)得 所以,選6005深溝球軸承合用同理,可以計算錐齒輪軸上所選的深溝球軸承6010 GB/T 27696也合用。第七章 鍵的選擇和鍵聯(lián)接強(qiáng)度計算鍵聯(lián)結(jié)是將軸與軸上的傳動零件,如凸輪、齒輪、帶輪等連接在一起,實現(xiàn)軸和妯上零件間的周向固定,以傳遞轉(zhuǎn)矩的軸轂連接。有些類型的鍵可以實現(xiàn)軸與軸上零件的軸向固定,或軸向動連接。7.1 鍵的選擇按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理,鍵聯(lián)結(jié)可以分為平鍵聯(lián)結(jié)、半圓聯(lián)結(jié)和楔鍵聯(lián)結(jié),此外,還有各種花鍵。平鍵聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、對中性較好、裝拆方便,能夠承受沖擊或變載荷。因而得到廣泛的應(yīng)用。半圓聯(lián)結(jié)的工作面是兩個側(cè)面,由于軸上半圓鍵槽挖得深,軸的強(qiáng)度大為降低,固一般用于傳遞較少的扭矩。楔鍵聯(lián)結(jié)一般用于外部軸端上固定大齒輪或者皮帶輪。連接時將鍵打入鍵槽內(nèi),依靠鍵的頂面和底面與輪轂和軸之間的擠壓所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞扭矩,此時,兩底接觸面均畫成一條直線;鍵的兩側(cè)為非工作面,應(yīng)與輪轂和鍵槽側(cè)面之間留空隙。花鍵連接比較可靠,能傳遞較大的扭矩,軸上零件可以花鍵做軸向移動,導(dǎo)向性、對中性都比較好,因此,在機(jī)械設(shè)備中也得到廣泛的應(yīng)用。鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵的類型應(yīng)根據(jù)鍵聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使用要求和工作條件來選擇;鍵的尺寸則按符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強(qiáng)度要求來取定。鍵的主要尺寸為其截面尺寸(一般以鍵寬b和鍵高h(yuǎn)表示)與長度L。鍵的截面尺寸按,軸的直徑d由標(biāo)準(zhǔn)中選定。鍵的長度L一般可按輪轂的長度而定。即鍵長等于或略短于輪轂的長度。這里d為軸的直徑,所選定的鍵長亦應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長度系列。錐齒輪軸上的軸頭處選平鍵聯(lián)結(jié),B型66 L=10 GB1095-79。7.2 鍵聯(lián)結(jié)強(qiáng)度計算 平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時,聯(lián)接中各零件都要進(jìn)行受力分析。對于采用常見的材料組合和按標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸的普通平鍵聯(lián)接,其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載,一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。因此,通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計算。對于導(dǎo)向平鍵聯(lián)接和滑鍵聯(lián)接,其主要失效形式是工作面的過度磨損。因此,通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性強(qiáng)度校核計算。根據(jù)其要求,普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件計算校核公式為: (7-1)因此有: 顯然所以強(qiáng)度足夠。式中:T傳遞的轉(zhuǎn)矩,單位為;L鍵的工作長度,單位為mm,圓頭平鍵l=L-b,平頭平鍵l=L,這里l為鍵的公稱長度,單位為mm;b為鍵的寬度,單位為mm。d軸的直徑,單位為mm;h鍵的高度,單位為mm;鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力,單位為; 第八章 結(jié) 論通過此次設(shè)計,我們能夠較系統(tǒng)地、全面地把大學(xué)四年所學(xué)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識綜合地利用起來,目的是把自己所學(xué)的知識連貫起來應(yīng)用于實際當(dāng)中,來解決生產(chǎn)實際問題,從而鍛煉我們的分析問題和解決問題的能力,從而設(shè)計出滿足要求的機(jī)械產(chǎn)品。 本次設(shè)計的主要任務(wù)是對Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計,我針對調(diào)研中發(fā)現(xiàn)實際操作過程中存在的問題,對其升降系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。在設(shè)計過程中,我制定了合理的傳動路線,繪制升降系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖,并對其新增傳動部件進(jìn)行動力和運(yùn)動分析,對主要的傳動零件進(jìn)行設(shè)計及校核。我設(shè)計改進(jìn)后的升降系統(tǒng)具有手動和自動并存功能,但是在操作過程中也會存在安全隱患,因為在開啟自動升降的同時,手動系統(tǒng)也會運(yùn)轉(zhuǎn)。為了安全起見,本應(yīng)該再對其手柄改進(jìn)為彈簧推卸裝置,由于時間和精力有限,沒能進(jìn)行改進(jìn),因而在自動升降狀態(tài)下,應(yīng)該將手動手柄拿開,盡量避免手動手柄運(yùn)動與自動升降同時進(jìn)行。 因為我以前很少接觸過搖臂鉆床這種機(jī)器。因此在設(shè)計開始時,我并沒有太大的把握,感覺到非常棘手。但后來在指導(dǎo)老師們和同學(xué)的幫助下,我在設(shè)計過程中沒有遇到太多的困難。由于我的設(shè)計是變速箱的改進(jìn)設(shè)計,因此設(shè)計的重點(diǎn)自然是傳動件的設(shè)計。在設(shè)計過程中,我收集了大量的相關(guān)資料和信息。其中主要來自于調(diào)研收集的資料、手冊、教材以及網(wǎng)上搜索
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