手动两自由度回转工作平台设计

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）I摘 要本次课题设计的是手动两自由度回转工作平台，回转工作台是铣床上的主要附件之一，它不仅可以辅助铣床完成各种曲线零件的铣削，和分度划线工作，还可以用于镗床、钻床、插床、刨床以及其他机床以配合完成上述范围的各种加工。回转工作台主要结构由底座、转盘、蜗轮、蜗杆、分度盘等组成，其中蜗轮蜗杆副除起传动作用以外，还配合分度盘上粗刻线起机械分度的作用。此次设计的手动两自由度回转工作平台，要求工作台直径 400mm，最大承载量为 300Kg，第一自由度回转精度及回转角度范围： 2、0360，第二自由度回转精度及回转角度范围：5、-10100。本文主要介绍了手动两自由度回转工作平台设计方法及过程，包括第一自由度回转工作平台的结构设计，回转精度和蜗杆传动设计，第二自由度回转工作平台的结构设计，回转精度和蜗杆传动设计等其他零部件的设计。主要是针对弥补了手动立式一自由度回转工作平台的不足，继承了数控转台的优点，大大地节约了多次调整和装夹的辅助时间，在提高加工零件尺寸精度的同时，提高了劳动生产率，从而降低了产品的制造成本，增强了产品在市场上的竞争能力。关键词：两自由度；回转工作台；蜗杆传动；精度；生产率；齐齐哈尔大学毕业设计（论文）IIAbstractThis design is a manual rotary working platform with two degrees of freedom, the rotary table is one of the main accessories of milling machine, it can not only milling assisted milling machine to complete various curve parts, and dividing lines, all kinds of processing can also be used for boring machine, drilling machine, planer, slotting machine and other machine tools to complete the range . Rotary table is mainly composed of a base seat, rotary, worm and gear, dividing disc components, where in the worm gear transmission, but also with the indexing disc of graduations mechanical indexing function.Manual rotary working platform with two degrees of freedom of the design requirements, the diameter of the working table is 400mm, the maximum capacity of 300Kg, the first degree of freedom rotational accuracy and rotating angle range: 2 , 0 degrees to 360 degrees, second degrees of freedom rotation accuracy and rotating angle range: 5, -10 degrees to 100 degrees.This paper introduces the manual two degrees of freedom rotary working platform design method and process, including the design of the first degree of freedom rotary working platform, design of rotary precision and worm transmission, structure design of second degrees of freedom rotary working platform, design of rotary precision and worm drive design of other parts . The main disadvantage of manual vertical offset is a freedom revolving work platform, inherits the advantages of NC rotary table, greatly saves many adjustments and clamping of the auxiliary time, in improving the processing parts size precision at the same time, improve labor productivity, thereby reducing the manufacturing cost of the product, enhance the competition ability of products in the on the market.Keywords: Two degrees of freedom; Rotary table; Worm drive; Precision; Productivity;齐齐哈尔大学毕业设计（论文）III目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论.11.1 课题背景.11.2 国内外研究现状.11.3 课题研究的内容以及采取的方法.2第 2 章 设计方案的确定及性能分析.32.1 传动方案的确定 .32.2 性能分析 .42.2.1 使用性能的要求 .42.2.2 经济性的要求 .4第 3 章 第一自由度回转工作平台系统设计.53.1 分度精度划分.53.2 确定传动比.53.3 承载力分析.53.3.1 摩擦力计算.53.3.2 切削力计算.63.4 蜗杆传动的设计计算.63.4.1 选择蜗杆的传动类形.63.4.2 材料的选择.63.4.3 按齿面接触疲劳强度进行设计.63.4.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸.73.4.5 校核齿根弯曲疲劳强度.83.4.6 验算效率.93.4.7 精度等级公差及表面粗糙度的确定.9第 4 章 第二自由度回转工作平台系统设计.94.1 分度精度划分.104.2 确定传动比.104.3 承载力分析 .104.3.1 重力矩计算 .104.3.2 切削力矩计算 .104.4 蜗杆传动的设计计算.104.4.1 选择蜗杆的传动类形.11齐齐哈尔大学毕业设计（论文）IV4.4.2 材料的选择.114.4.3 按齿面接触疲劳强度进行设计.114.4.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸.124.4.5 校核齿根弯曲疲劳强度.134.4.6 验算效率.144.4.7 精度等级公差及表面粗糙度的确定.14第 5 章 第一自由度蜗杆轴部分的 设计计算.165.1 轴的类型 .165.2 轴的结构设计及材料的选择 .165.3 轴直径及各段轴的长度和直径的确定 .175.3.1 确定轴的最小直径 .175.3.2 轴上各段长度和直径的初步确定 .175.4 轴的载荷分析 .175.4.1 轴的受力确定 .175.4.2 支反力的计算 .185.4.3 弯矩扭矩的计算 .195.5 轴的校核 .205.5.1 按弯扭合成应力校核轴的强度 .215.5.2 精确校核轴的疲劳强度 .21第 6 章 第二自由度蜗杆轴部分的设计计算.236.1 轴的类型 .236.2 轴的结构设计及材料的选择 .236.3 轴直径及各段轴的长度和直径的确定 .246.3.1 确定轴的最小直径 .246.3.2 轴上各段长度和直径的初步确定 .256.4 轴的载荷分析 .186.4.1 轴的受力确定 .186.4.2 支反力的计算 .206.4.3 弯矩扭矩的计算 .206.5 轴的校核 .216.5.1 按弯扭合成应力校核轴的强度 .216.5.2 精确校核轴的疲劳强度.30第 7 章 轴承的选择与校核.247.1 轴承的选择.327.2 轴承的校核.32齐齐哈尔大学毕业设计（论文）V第 8 章 附件设计 .318.1 芯轴锁紧机构的设计 .318.2 第一自由度蜗杆轴端键的设计. 328.2.1 选择键连接的类型和尺寸.328.2.2 校核键连接的强度.338.3 机座的设计.338.3.1 机架的设计.338.3.2 对机座的要求.338.3.3 结构尺寸.33第 9 章 模具设计.34第 10 章 三维设计.37第 11 章 运动仿真.40第 12 章 数控加工.41结 论.57参考文献.58致谢.60齐齐哈尔大学毕业设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 课题背景在社会主义市场经济的今天，产品的市场竞争日趋激烈，在保证产品质量的前提下，如何扩大产品的加工范围和降低制造成本是提高产品竞争力的关键所在，产品成本一般包括原材料、工具损耗、机床折旧、工人工资和各项管理等费用，他们与劳动生产率密切相关，因此扩大机床加工范围，提高产品加工效率是降低产品成本最有效的途径。回转工作台是镗床、铣床、钻床和插床等重要附件，用于加工有分度要求的孔、槽和斜面，加工时转动工作台，则可加工圆弧面和圆弧槽等，回转工作台可分为分度工作台和数控回转台，目前常用的立式一自由度回转工作平台，只能实现水平方向旋转，不易加工有特殊要求的零件，不能一次性完成多工序加工，应用范围比较窄，而数控回转工作台成本非常高，鉴于此种情况，两自由度回转工作台的设计不仅可以满足水平回转，也可以侧向旋转以满足零件侧面加工，此装置在满足精度要求的基础上操作更加简单，应用范围更加广泛，此装置的设计能够满足市场和客户的要求，会被广泛认可。1.2 国内外研究现状目前，回转工作台在国内外研究状况多为普通机床所用的手动立式一自由度回转工作平台和数控回转工作台，手动立式一自由度回转工作平台，一次装卡无法完成多个面的加工需要，只能逐个装夹，这样不但影响了加工效率也影响加工精度；数控转台，像美国、德国、日本这样的发达国家在数控转台方面已经有了成熟的技术，其表现为：具有较好的可靠性，耐用度和精度保持性等。而手动两自由度回转工作平台的设计弥补了普通平台的不足，继承了数控转台的优点，大大地节约了多次调整和装夹的辅助时间，在提高加工零件尺寸精度的同时，提高了劳动生产率，从而降低了产品的制造成本，增强了产品在市场上的竞争能力，然而数控转台市场价格非常昂贵，普通机床所用的一自由度回转工作台应用范围受限，因此作为回转工作台的研发与生产企业，在近期应该进一步开发研制高精度的多功能手动回转工作平台。齐齐哈尔大学毕业设计（论文）21.3 课题研究的内容以及采取的方法设计内容：本课题主要完成手动两自由度回转工作平台整个装置系统设计，包括：1、第一自由度回转工作平台的结构设计；2、第一自由度回转工作平台的回转精度及蜗杆传动设计；3、第二自由度回转工作平台的结构设计；4、第二自由度回转工作平台的回转精度及蜗杆传动设计；5、锁紧装置设计。采用方法：1、先收集资料，确定方案，确定选材；2、再拟定结构方案，进行设计计算并校核；3、绘制装配草图，校核有关技术参数；4、运用 AUTOCAD、Proe4.0 等软件绘制装配图和相关零件图，并通过模具设计、运动仿真、数控编程及有限元分析对有关零件进一步分析。齐齐哈尔大学毕业设计（论文）3第 2 章 设计方案的确定及性能分析2.1 传动方案的确定 在手动两自由度回转工作平台的设计中，依照结构简单，制造容易、操作、维护方便、安全的要求来选择回转工作台的工作方式，所以选择机械传动，并要充分考虑各种传动形式的特点，选择适当的传动形式。常用的传动形式可分为：带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动。带传动的主要特点：结构简单、传动平稳，能吸振缓冲，价格低廉。但带传动的承载能力小，传递相同转矩时，机构尺寸较其它传动形式大，由于手动两自由度回转工作平台各工作部件的距离较小，若用带传动，其中心距会较小，包角较小，带传动会发生打滑现象，固不选用带传动。齿轮传动的主要特点：传动比稳定、效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长。但是其制造及安装精度要求较高，且价格昂贵。链传动主要的特点：链传动和带传动相比，链传动无整体打滑和弹性打滑现象，能保持准确的传动比，相对传动效率较高，能在高温、潮湿的情况下工作；因为链条不需像带那样绷的很紧，所以轴的径向力较小；链传动与齿轮传动相比，链传动的制造和安装精度要求较低，成本也低。但是由于链传动不能保持恒定的瞬时传动比，工作时有噪声，主要应用在两轴相距较远，低速重载，工作环境恶劣的场合中，故不选用链传动。蜗轮蜗杆传动用于两轴交错成 90 度，通常在蜗杆传动中，蜗杆是主动件，蜗轮是从动件。蜗轮蜗杆传动有以下特点：1) 结构紧凑、能获得大的传动比；2) 工作平稳无噪音；3) 传动功率范围较大；4) 可以自锁。综合以上的比较，根据传动形式的需要，在本次毕业设计中选用蜗轮蜗杆传动最为合适。齐齐哈尔大学毕业设计（论文）42.2 性能分析2.2.1 使用性能的要求正确选择机器的工作原理和精确的设计，机器要具备能够全面实现功能要求的执行机构及传动装置，并且进行合理的配置、安装必要的辅助系统。这样才能使机器具备预定的使用功能。2.2.2 经济性的要求在设计和制造使用的过程中进行综合的分析。设计的经济性表现为低成本，而使用经济性表现为高生产率，高效率，少耗能及维修管理费用低等方面。所以，提高设计机器的经济性的主要途径有：1. 运用现代设计方法，加快设计速度，尽可能的采用 CAD 技术，以降低设计的成本。2.采用新技术、新结构，并且最大限度的采用标准化、系列化以及通用化的零件、零部件机构，并且在允许的情况下多运用新材料，尽可能采用标准化机构及尺寸。3.合理运用新工艺，力求改变零件的结构工艺性，使零件的使用量少，易加工，易装配。4.组织设计和制造过程，考虑实际情况使其具有合理性。而提高机器使用经济性指标的主要途径有：1.在实际应用情况前提下提高机器自动化和机械化的水平，以提高产品的生产效率和质量。2.选用高效率的传动系统，在不影响传递效果的情况下，尽可能减少传动和中间环节，以减少机械效率