零前角阿基米德齿轮滚刀的齿形误差检测设计（全套含CAD图纸）
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附录 1 绝热高速切削有限元模型 摘要 二维正交切削过程的有限元模型 正在 发展 。 仿真 是 使用标准的有限元软件 结合一个特殊的电动机 ， 这种电动机是 能 够 以网捕捉 的形式用有规律的 四边形和 三角形 在剪切 区域完整的捕捉事物。重现事物和确保数据收敛的这种技术 已经寻找到了 。 分割 碎片 有序排列和分割过程还在研究过程中 。 令人特别关注的是剪裂带 产生的问题 。 弹性性能和切割速度 的影响也正在 讨论 。 司 2002 科技有限公司保留所有权利 。 关键词 ： 加工 ； 有限元 ； 格 ； 芯片分割 ； 绝热剪切带 1、言 钛合金 广泛应用于航空航天及其他工业应用 。 这些合金大部份 是应用 于机械加工 。 因此设计 具有更好的可加工性钛合金是一个值得研究的目的 。 为了达到这一目的 ,找出严重影响 材料 可加工参数 是非常必要的 。 这项工作可以利用有限元计算机模拟 的 参数研究 方法来完成 。 一旦 这 最有前途的设计 方法被肯定 ,实现 合金 改用的最后的一步材料设计过程就完成了 。 这种方式类似于标准的 产周期 ， 只有 仅有少量几个 原型 被建立 。 创造一个金属切削过程 的 可靠的计算机模型在这个过程中是一个关键步骤 。 在本文中 ， 我们在一些细节 描述了 这种模型 。 它使用标准的有限元软件 来 计算 ， 从而保证可移植性和灵活性 。 随着啮合算法 的要求迫切 ， 特别预处理器已经研制成功 ， 这 个特别的处理器是用 C+编程 ， 且可能应用于不同平台 。 本文安排如下 ； 第 2 部分在 对模型要求的一个简短说明 之后， 第 3 部分对 有限元模型 进行详细介绍。 第 4 简述了一 些模型 的加工 成果 ， 重点放在细节的切屑形成过程 。 第 5 总结工作 ， 并指出今后的研究目标 。 2、问题 在金属切削过程中 ， 材料被 切割工具从工件表面 切除 ， 碎屑形成 。 这个问题涉及塑性大变形 ， 随着 刀具和工件 、 工具和 碎屑之间的 摩擦产生大量的热量 。在刀具前端 工件材料 的分离 也 已经被模拟 。 随着 材料参数 的 影响 对材料设计的考虑比对加工过程本身更重要。这个切削过程的模拟就是 指 正交切削 。 这个 过程是 用 二维模拟 的 ,这大大减少了计算机所需要的计算时间 。更 进一步简化是做 非常严格的 假设 的 工具 。 在仿真 中 摩擦与热流 进入 工具 已经 被忽略 ，但是 可以很容易被包括在内 。 这种忽略的原因是 ， 有必要尽可能简化切削过程 ，像 下文将作解释 那样， 透视其背后的机制 。 另外 ， 毫无塞尔马辐射从表面上的 碎屑产生，在材料边界 也 没有 的热传导。 综上所述 ， 高速切削是一个非线性问题 。它已经被 一个完全热力耦合有限元模型模拟 。 因此 ， 编制了有限元法 处理金属切削加工 时的 划伤 问题就成为 一个艰巨的任务 ， 利用商业有限元软件是一个有吸引力的替代方案 。 现代有限元软件可以在原则处理这类强非线性问题 。在 我们的研究 中， 我们决定用 /标准程式系统 ，这种系统 允许定义复杂的接触状况 ，尽量避免定义材料属性， 在多方面 保证程序 可定制的 ， 包括由用户自定义子程序 。我们假定 以下 大部分 的 方法 可以应用于 同样 大的有限元 包 。 由于使用的标准化软件 ， 方程 公式 (有限元法 ， 热耦合 ， 一体化计划 ， 等 )可以 在别的 非常详细的 资料中 找到 3。 金属切削过程中许多有限元模拟所用明确的方法 (例如见 17 )都能被演示。这些公式方法都是有保证的。 (概述了切削过程 中有 有限元 能够被在16中好到 )。 尽管如此 ， 决定用一个隐码 . 在模拟 过程中汇总被 检查 ， 但迭代过程不再保证衔接 。 利用 标准内含编码有一个好处 ， 实行模拟 过程中允许 用户 在很大的范围内 灵活的自定义子程序 。 这种套路 ,可以用来执行复杂的材料分离准则 。 此外 ， 如果本地网 有 细化的需要 ， 隐码有较好的标度行为 。 如果狭窄剪切带形式 , 命令执行的 单元尺寸为 1 镑或不足 1镑是必要的 (见第 )优势 ， 在 用时间有明确的算法 ， 将大大降低 。 如 果摩擦的影响较大 ， 一个明确的方法可能是上 好的，然而， 并非如此 。另一方面 ， 明确方法往往需要改变一些物理参数 ， 如密度或工具的速度 ， 或用人工粘性 。 我们认为 , 如果衔接能够达到 ， 没有任何理由去考虑的一个隐模拟不亚于一个明确的 。 也不同于许多其他的模拟 ,我们充分利用综合阶四边形 ，它 有优于三角元素更好的收敛性能 . 这 个问题的 进一步讨论在第 。 当正交 切削时， 钛合金形式分割 碎屑 (见图 9 )。 金属切削过程中任何详细 的 模拟 都必须能够 借此分割考虑 。 碎屑 分割背后的机制仍然没有完全弄懂 12， 15， 25， 26。 显然 ， 所谓的绝热剪切 在 分割过程 起了 突出的作用 : 剪切带材料热软化 导致在这个区域产生 变形 。在 软化 和 变形 之间 的反馈 引起狭长区域附加巨大 变形 , 而周围的 材料 只 产生 微 小 变形 。然而， 不知道绝热剪切带是否 是由裂缝延伸到材料中引起的 成的 ，这在 25是 作为假设 。 如果这是正确的， 应力集中在裂纹尖端诱 引起 剪切带形 变 (见例如 5 )。 在这里通过对 该 模型 描述 ,我们假定 碎屑 分割是 由 纯绝热剪切 ,不是 裂缝 引起的。 很显然 , 剪切带材料点 的 有效塑性流动曲线必须 表明最大值。 我们 选用一个 使温流动曲线出现最大值曲线流场 ， 详细解释见 。 如果分割 碎屑 形式 ,集中应力 导致了 碎屑 (近似 )连续变形 。 必须采取措施 ， 以 避免 有限元网格 因 扭曲 太大而 变形 ， 尤其是在 用 四边形 元素 仿真的 的过程中。 综上所述 ,模拟 需 满足下列要求 : 尽可能定期使用四边形 ， 避免极端网格扭曲 ； 剪切带 内 高密度网 格； 碎屑 连续变形 (分割 )； 隐式算法收敛 ； 为得到 可移植性和灵活性使用标准软件 。 在金属切削模拟 ，为 自动 形成 网格 算法的选用 是 固定 的 ，如用 拉格朗日方 算法， 元素扭曲变大 ， 尤其是 分割碎屑 形式 。频繁重复分割以避免 分子扭曲 太大。在材料移出的 剪切带它也可以用来制造 精确 网 格 (见 插图 6)。 然而 ,标准网 格 发电机是不能处理复杂的任务 。 因此 ， 预处理程序 已经编辑了能够分割曲率很大的被用 四边形 剪切生成的区域程序。 剪切带 的 位置是 用几何判据 和 网格细化自动 决定的。 预 处理程序将 在下一节描述 。 随后 ，对 网格生成过程和建模的分割 的 详细 内容 作解释 。 发电 的原理 过去的 预 处理程序 (被 称为 )都是用 标准 数据 库 在 C+中写的， 因此 ，可以 移植到不同的平台 。 预 处理程序被 用来计算几何参数数据 ， 使模型参数 轻松 改变 。 它适用于 二维三维空间中 各种各样的问题 。 生成四边形最简单 的办法是 划分 组 件 的物理区域 ，组件是被 四条线 和 一个映射单位正方形 限制的。 单位正方形 有规律的 啮合可以映射回 用等角投影的 该地区本身 。细节的 详细叙述 见 23， 24 。 如果我们在 真实空间内用 (x,y)，在平面内用（ ， ）定义 坐标 ， 一般曲线坐标系可以 通过解 拉普拉斯方程 来 定义 0xx （ 1） 0xx （ 2） 这里的示 22x ，等等。 这个方程系统的物理解释 :当两个对立 边携带 不同的电压 ， 坐标 协调 电场 区域的等 势线 。 把 坐标 （ ， ）作 为独立变数 ， 这当然是很容易 求解的 方程 。 在这种情况下方程已被颠倒过来 ， 求解 2 2 2 220x y x x x y y x x y x （ 3） 2 2 2 2x y y x x y y y x y y （ 4） 这是一个半椭圆形的线性方程组求解 ， 可以解决使用标准方法 。 啮合算法通常是用来制造网在一个物理地区 ， 是经过了一个有限元计算 的结果 ， 因为它 被 用来自动 生成 网格的过程 。 因此 ，界限被 计算步骤 定义， 因此已经离散 。 求解 方程， 定期矩形网使用的网格大小的选择应小于最小距离 ， 使等量的旧与新网 相 同 。 由于不规则形状的区域解点数目已是一个相当大的 数据，谨慎 选择算法是有 优势 的 。 我们 已经 制定 了一个多重算法 ，详细介绍见 勃兰特 7。 这种算法的优点是快速 ， 稳 定， 而且 也 给出一个截断误差 的 估计 。 这种计算方法可以起到数值误差是可比的截断误差 。 由于方程是非线性的 ，只能用 近似格式 ( 的方法来进行 。 多重技术依赖的事实标准松弛方法 (如高斯 非常有效地减少振荡解决部分误差 ， 而畅顺 ， 大部份波长不影响不大 。因此 ， 我们经过几个步骤放宽任何涉及方程的误差可以代表以及对粗网少点 。 放松对这个粗格再次降低小波长组成 ， 其中 ， 现在有一个较大的绝对波长为电网是粗糙 。 因此 ， 递归计划是用在错误的 ， 是有效降 低对所有尺度 。 这种算法是一个标准的工具 ,用于解决椭圆型方程使读者可参考文献进一步的 详细内容 20。 它只需约一分钟 ， 一个标准的工作站 ， 即使格数点约 为250 000 只要界限的区域不是太强烈弯曲 。插图 1( a )显示坐标系 在一个 简单的区域 被用描述算法创建。 附录 2 A of A of a is a is to a in of to of is of is Of is of of of is 1. in A of of is to of is a To it is to of be by be is of is to AE a * M. J. C. 1 a of is in In we a in It As on a is tt is to is as a of on , of . , on of 2. In is of by a a is a of as of in of to be As of is of is of is as A is by to be so in be is it is to as as to as be is no of no at of is is a to it to be a It is a to a to so of E is an in we to of ma ny to be in by We of E to of of be in 3. of 17), is to (An of be 16.) we to an is is no to of is a of to be in be to In to a if is If of lm or n PU of an An is if On to or or to In is no to an to an if be we is o 9). of be to 12,15, 25,26. It is a in of in to an in to a of is It by as 25 . If is at of 5). we is by is of a in a to We a a is If to a (of to be to is to in a To to . of as as . in . of . of . of of an is in a of as in a 2 if A It be to a in 6). to in a by of is a is is in of of of 3. of ) is tt is to be to so be It is to a of in in of is to to be by be A of be n a as in 23,24. If we in x; y) on n; g), a be by 0xx （ 1） 0xx （ 2） of a c to of an on on a It is of to n; g） as In to be 2 2 2 220x y x x x y y x x y x （ 3） 2 2 2 2x y y x x y y y x y y （ 4） is a of be is to a on a is of a as it is to by of To a is is to be on so of As of to be it is to We on a as 7. it is it an of in so be is to As a to be on in of s is a be as on a on g a as is a is is on is a of so is to 20. It a on a of is 50 000 as as of 1(a) on a I 摘要 在工业化发展的今天 ，各种机械产品层出不穷，精度要求不断提高。齿轮传动作为传动机构的重要组成部分，其精度高低直接影响产品质量。因此，提高齿轮传动精度成为了提高产品质量的一种方法。齿轮传动精度的高低主要受装配精度、齿轮制造精度两方面的影响 齿轮制造精度是由加工刀具来保证。而 齿轮滚刀是加工齿轮的重要 刀具，尤其是 阿基米德 齿轮滚刀 在加工各种齿轮的过程中得到了 广泛 的应用 。所以，对阿基米德齿轮滚刀精度的分析检测是非常有必要的。 本设计主要任务是对零前角阿基米德齿轮滚刀的齿形误差进行检测。主要设计内容包括：检测装置总 装配图，纵向进给装配图，箱体零件图，横向进给工作台零件图，立柱导轨零件图。 关键词 齿轮滚刀 齿形误差 检查仪 齿轮 n of as a of of of of a by of of is to be ob is an is ob in of to be ob of is is in of is to ob 目 录 摘要 . I . 录 . 1 章 绪论 . 错误 !未定义书签。 课题分析 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 齿轮滚刀概述 . 错误 !未定义书签。 轮刀具的主要类型、工作原理和选用 . 错误 !未定义书签。 轮滚刀基本蜗杆 . 错误 !未定义书签。 轮滚刀的原理误差 . 错误 !未定义书签。 轮滚刀的重磨误差 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 检测装置总体方 案设计 . 错误 !未定义书签。 检测装置总体方案设计 . 错误 !未定义书签。 统运动方式的确定 . 错误 !未定义书签。 服系统的选择 . 错误 !未定义书签。 计方案的可行性分析 . 错误 !未定义书签。 第四章 机械部分设计 . 错误 !未定义书签。 步进电机的选用 . 错误 !未定义书签。 步进电机的计算 . 错误 !未定义书签。 进电机的选用 . 错误 !未定义书签。 滚动导轨的设计与尺寸确定 . 错误 !未定义书签。 珠导轨的选择 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 用负荷验算 . 错误 !未定义书签。 2 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠螺母副的设计与尺寸确定 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠螺母副的选用 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠螺母副的计算 . 错误 !未定义书签。 珠丝杠螺母副的验算 . 错误 !未定义书签。 速机构中齿轮的设计 . 错误 !未定义书签。 轮参数计算 . 错误 !未定义书签。 结论 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 附录 1 . 错误 !未定义书签。 附录 2 . 错误 !未定义书签。 3 I 摘要 在工业化发展的今天 ，各种机械 产品 层出不穷， 精度要求不断提高。齿轮传动作为传动机构的重要组成部分，其精度高低直接影响 产品 质量。 因此，提高齿轮传动精度成为 了 提高产品质量 的 一种 方法 。齿轮传动精度的高低主要受 装配精度、齿轮制造精度 两方面 的 影响 齿轮制造精度是由加工刀具来保证。而 齿轮滚刀是加工齿轮的重要 刀具，尤其是 阿基米德 齿轮滚刀 在加工各种齿轮的过程中 得到了 广泛 的应用 。所以 ， 对 阿基米德齿轮滚刀精度的分析检测是非常有必要的。 本设计 主要任务是对零前角阿基米德齿轮滚刀的齿形误差进行检测。 主要设计内容包括：检测装置总 装配图，纵向进给装配图，箱体零件图，横向进给工作台零件图，立柱导轨零件图。 关键词 齿轮滚刀 齿形误差 检查仪 齿轮 n of as a of of of of a by of of is to be ob is an is ob in of to be ob of is is in of is to ob 1 目 录 摘要 . I . 录 . 1 章 绪论 .课题分析 . 2 章 齿轮滚刀概述 .轮刀具的主要类型、工作原理和选用 .轮滚刀基本蜗杆 .轮滚刀的原理误差 .轮滚刀的重磨误差 . 10 第 3 章 检测装置总体方 案设计 . 13 检测装置总体方案设计 . 13 统运动方式的确定 . 13 服系统的选择 . 13 计方案的可行性分析 . 15 第四章 机械部分设计 . 16 步进电机的选用 . 16 步进电机的计算 . 16 进电机的选用 . 16 滚动导轨的设计与尺寸确定 . 17 珠导轨的选择 . 18 . 20 . 20 . 21 . 22 用负荷验算 . 22 2 . 23 滚珠丝杠螺母副的设计与尺寸确定 . 23 珠丝杠螺母副的选用 . 24 珠丝杠螺母副的计算 . 25 珠丝杠螺母副的验算 . 28 速机构中齿轮的设计 . 30 轮参数计算 . 30 结论 . 36 致谢 . 37 参考文献 . 38 附录 1 . 40 附录 2 . 45 3 第 1 章 绪论 随着 国内 工业化 的飞速 发展 ，如汽车 制造业，航空航天工业、造船业 、机械装备制造业以及 的飞速发展 ，对 各种 工业 产品的质量 提出了更高的要求 ，特别是各行业生产设备 。 而 衡量 这些生产设备的质量 的好坏最重要的一点 就是其性能。性能的好坏主要又是由构成设备的零部件精度决定的 。所以，对零部件精度的掌握在一定程度上就体现出了 公司 对产品质量 把握，决定了公司的效益。 齿轮作为机械产品传动机构的重要组成部分，对机械产品的性能 有很重要的影响。所以，各大 齿轮制造商在扩大齿轮产量、 增加齿轮 品种的同时，更加注重提高齿轮质量。 影响齿轮质量的因数很多，最直接的因数就是齿轮的加工刀具 。 齿轮滚刀是加工齿轮的重要 刀 具，尤其是 阿基米德 齿轮滚刀 在加工各种齿轮的过程中得到了 广泛 的应用 。 因此， 研究 阿基米德齿轮滚刀的 测量技术和 研制相应的检测 仪器 是非常必要 的。 在早期的生产中，检测齿轮 加工刀具 是否达到自己所希望的精度， 通常用的是 手动测量 装置 。 不仅 检测 精度很难保证， 而且工作效率低，越来越难满足人们生产 需要。随着机械工业和电子信息技术的发展与融合，我们 把 传感器、脉冲电机等电子设备与机械机构相结合得到了 检测 更精确， 工作 效率更高的齿轮 加工刀具 误差测量仪。 本设计 主要是对零前角阿基米德齿轮滚刀的齿形误差进行检测。由于 在设计中采用 了先进的机械电子技术 ， 提高了 设备检测精度与 生产效率 。所以，我们相信本设计的产品一定会比早期的产品更适合工业化生产 。 课题分析 计目标 研制、改进一台齿轮滚刀检测装置。 设计参数：模数 形角 前角 0、加工齿轮精度 8 级 解决的关键问题 4 1、 拆装方便、灵活； 2、 精度高，从简化结构方面提高精度。 究内容 1、 检测装置的横向和纵向运动的实现 ； 2、 检测装置精度如何保证； 3、 被测 滚刀 定位夹紧 装置的确定 。 5 第 2 章 齿轮 滚刀概述 轮刀具的主要类型、工作原理和选用 齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具。由于齿轮的种类很多，其生产批量和质量的要求以及加工方法有各不相同，所以齿轮刀具的种类也很多 ，通常按下列的方法来分类： 被加工的齿轮类型分，有三类刀具： 1、 圆柱齿轮刀具 （ 1） 渐开线圆柱齿轮滚刀 如盘形齿轮铣刀、指形齿轮铣刀、齿轮拉刀、插齿刀盘、齿轮滚刀、插齿刀、梳齿刀和剃齿刀等 （ 2） 非渐开线圆柱齿轮刀具 如圆弧齿轮滚刀、摆线齿轮滚刀和花键滚刀等。 2、 蜗轮刀具 如蜗轮滚刀、蜗轮飞刀、蜗轮剃齿刀等 3、 锥齿轮刀具 （ 1） 直齿锥齿轮刀具 如成对刨刀、成对盘铣刀、拉 铣刀盘等 （ 2） 曲线齿锥齿轮刀具 如弧齿锥齿轮铣刀盘、摆线齿锥齿轮铣刀盘等 刀具的工作原理分，有两类刀具 1、 成形齿轮刀具 这类刀具的切削刃廓形与被加工的直齿齿轮端剖面内的槽形相同。这类刀具中有盘形齿轮铣刀、指形齿轮铣刀、齿轮拉刀、插齿刀盘等。用盘形或指形齿轮铣刀加工斜齿齿轮时，工件齿槽任何剖面中的形状都不和刀具的廓形相同，工件的齿形是由刀具的切削刃在相对于工件运动过程中包络而成的，这种加工方法称为无瞬心包络法。但由于这些刀具的结构和成形齿轮刀具相同，所以也将它们归纳在成形齿轮刀具一类之中。 2、 展成齿轮刀具 这类刀具加工齿轮时，刀具本身好像也是一个齿轮，它和被加工的齿轮 6 各自按啮合关系要求的速比传动，而由刀具齿形 包络出齿轮的齿形。这类刀具中有齿轮滚刀、插齿刀、梳齿刀、剔齿刀、加工非渐开线齿形的各种滚刀、蜗轮刀具和锥齿轮刀具等，展成齿轮刀具的一个基本特点是通用性比成形齿轮刀具好，也就是说：用同一把展成齿轮刀具，可以加工模数和齿形角相同而齿数不同的齿轮，也可用标准刀具加工不同变位系数的变位齿轮。 根据不同的生产要求和条件，选用结合市的齿轮刀具是很重要的。在以上所说的各类齿轮刀具中，要数加工渐开线圆柱齿轮的刀具应用最广泛；而在这类刀具中，又以齿轮滚刀最为常用；因为他的加工效率较高，也能保证一般齿轮的精度要求，而且他既能加 工外啮合的直齿齿轮，也能加工外啮合的斜齿齿轮。 轮 滚刀基本 蜗杆 齿轮滚刀一般是指加工渐开线齿轮所用的滚刀。它是按螺旋齿轮啮合原理加工齿轮的。由于被加工的齿轮是渐开线齿轮，所以它本身应具有渐开线齿轮的几何特征。 齿轮滚刀从其外貌看来并不像齿轮，实际上它是仅有一个齿（或两、三个齿）、但齿痕长而螺旋角很大（一般为 80以上，接近 90）的斜齿圆柱齿轮。因为他的齿很长而螺旋角又很大，可以绕滚刀轴线转好几圈，因此从外貌上看，它很像一个螺杆，如图 2所示。 为了使这个蜗杆能起切削作用，需沿其长度方向开出好 多容屑槽（直槽或螺旋槽），因此把蜗杆上的螺纹割成许多较短的刀齿，并产生了前刀面 2和切削刃 3。每个刀齿有一个顶刃和两个侧刃。为了使刀齿有后角，还要用铲齿方法铲出后刀面 4 和顶后刀面 1。但是各个刀齿的切削刃必须位于这个相当于斜齿圆柱齿轮的蜗杆的螺纹表面上，因此这个螺杆就称为滚刀的基本蜗杆。基本蜗杆的螺纹通常做成右螺旋的，有时也做成左螺旋的。 基本蜗杆的螺纹表面若是渐开螺旋面，则称为渐开线基本蜗杆，而这样的滚刀称为渐开线滚刀。用这种滚刀可以切出理论上完全理想的渐开线齿轮。但这种滚刀制造困难，生产中很少采用，而是采用 易于制造的近似齿形滚刀，如阿基米德滚刀和法向直廓螺旋面。这两种螺纹表面在端剖面中的截形不是渐开线，而是阿基米德螺线和延长渐开线。当滚刀的分圆柱导程角较小时，这种蜗杆与渐开线蜗杆非常近似，所以用近似齿形滚刀切出的齿轮齿形虽然理论上不是渐开线，但误差是很小的。 7 1 23 4图 2轮滚刀的基本蜗杆 轮 滚刀的原理误差 生产中普遍使用的齿轮滚刀 是阿基米德滚刀。但是它与渐开线滚刀相比，其齿形是 有 误差的。这个误差 就是由于其基本蜗杆是阿基米德蜗杆，而不是渐开线 蜗杆。当这两种蜗杆的模数、螺纹头数、分圆柱直径、法向齿形角、导程、齿厚和齿高等都分别相同时，那么唯一不同的就是齿形。以轴向齿形来说，渐开线蜗杆的轴向齿形是曲线（图 2的虚线），而阿基米德蜗杆的轴向齿形是直线（图 2实线）。这两种齿形相切于分圆柱面上。由此可知，若以渐开线滚刀为基准，则阿基米德滚刀的齿形在分圆柱面上的误差为零，但越到齿顶盒齿根误差越大。图中的 x 和 x 分别为齿顶 和齿根处的最大轴向齿形误差 。 8 图 2种轴向齿形的比较 用滚刀加工齿轮 时 ，滚刀和工件相当于一对螺旋齿轮啮合，滚刀的齿形误差试验奇迹圆柱且平面内的啮合线方向传递到工件上去的。这个切平面与渐开线基本螺杆螺纹表面的交线是一条直线 A（图 2它与蜗杆端面的夹角等于基圆柱导程角 b ；而这个切平面与阿基米德基本蜗杆螺纹表面的交线是一条曲线 B，它与直线 A 在分圆柱面上相切。图中的 n 和 n 分别为阿基米德滚刀在齿顶盒齿根处的最大法向齿形误差。由 图 2知 ， n 大于 n ，所以通常就把 n 称为阿基米德滚刀的齿形误差。 阿基米德滚刀基本蜗杆的分圆柱导程角 0 越小，则其齿形误差越小，如图 2曲线所示，所以精加工用的阿基米德齿轮滚刀通常做成较大的分圆柱直径，目的就是使其导程角较小，从而减少滚刀的齿形 误差。 有图 2图 2以看出，阿基米德蜗杆的螺纹在齿顶和齿根处都比渐开线蜗杆的螺纹宽一些，所以用阿基米德滚刀切出的齿轮齿形与正确的渐 9 开线齿轮齿形相比，在齿顶 和 齿根处就窄一些，这就使得齿轮的齿顶部分以及齿根部分得到轻微的修形，因而对于高速重载齿轮能啮合时的干涉和噪音。 图 2基米德滚刀齿形误差 10 图 2形误差与导程角的关系 轮 滚刀的 重磨 误差 齿轮滚刀使用久了就会磨损。使用磨损了的齿轮滚刀加工齿轮时，会降低被加工齿轮的齿形精度和恶化表面质量，还会加剧机床的震 动。滚刀的磨损量在粗切时超过 1精切时超过 需要重磨前刀面。滚刀的重磨精度对于滚刀的齿形精度有很大影响，必须十分重视。直槽滚刀 11 的前刀面是平面，可以用直母线的锥形砂轮来重磨。图 2重磨滚刀时砂轮的位置，需要样板来对准，使砂轮的锥面母线方向通过滚刀轴线。 图 2前角滚刀刃磨时砂轮的相对位置 重磨或刃磨滚刀时可能产生的误差主要有三项： （ 1）前刀面径向误差 这是因为砂轮和滚刀的相对位置调整不准确而引起的。由于前刀面不通过滚刀轴线 ，使刀齿的齿形发生了畸 变，而加工出来的齿轮齿形也产生了误差。 （ 2）前刀面与滚刀轴线的平行性误差 这是因为滚刀在磨刀机床上的安装误差引起的。这种误差会使滚刀各刀面的侧刃依次而逐渐地离开正确的基本蜗杆表面，而顶刃的外径也形成锥度。这样的滚刀切出的齿轮齿形会向一侧歪斜，使牙齿的两侧齿形不对称。 12 （ 3）圆周齿距误差 这是因为磨刀机床的分度机构不准确而引起的。滚刀的侧后刀面是经过铲磨的，当圆周齿距不相等时，各刀 齿的齿厚就大小不均匀，因而各侧刃就在同一个基本蜗杆的螺纹表面上，这样就造成工件上不规则的齿形误差。 13 第 3 章 检测装置 总体 方案设计 检测装置总体方案设计 系统总体方案设计内容包括： 系统运动方式的确定。 伺服系统的选择。 执行机构得结构及传动方式的确定。 统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分点位控制系统、点位直线系统、连续控制系统。点位控制系统是指被控制件由一点到另一点 快速准确定位 ，却不能在两点之间工作的 系统； 点位直线系统是指被控制件沿平面内平行于导轨作直线工作的系统；连续控制系统是指被控制件沿平面内任何曲线都能工作的系统。 点位控制系统造价低廉，适用于两点之间快速点位的系统；连续控制系统造 价高，适用于连续工作的系统；点位直线系统造价介于前两者之间，适用于简单直线运动。 由于齿轮滚刀齿形是直线 ， 检测齿形误差只需沿直线运动， 所以选择 点位直线 控制系统。 服系统的选择 开环伺服系统在负荷不大时多采用功率步进电机作为伺服电机，开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差，但开环系统结构简单、调整维修容易、在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。 闭环伺服系统具有在设备移动部件上得检测反馈元件来检测实际位移量，能补偿系统的传动误差。因而伺服控制精度高，闭环系统造价高、结构和 调试 较 复杂，多用于精度要求高的场合。 此仪器属于测量仪器，其分辨率为 测齿轮滚刀加工的齿轮精度： 8 级，所以采用闭环伺服系统 行机构的确定 为保证数控系统得传动精度和工作平稳性。在设计机械传动装配时，通 14 常采用低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜的阻尼比要求的传动方式。考虑以上几点，本设计 采用 以下 措施 ： 1、 尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母副，滚动导轨等。 2、 提高系统的传动刚度，如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副。丝杠支承设计成两端轴向固定，并 加预拉伸的结构等提高传动刚度。 统的工作原理 阿基米德齿轮滚刀轴截面的齿形是 直线。要形成直线轨迹只须两个方向的运动，如图 3以只要两个方向的速度成一定比例关系。如图 3个方向速度的比例关系由程序控制 。 。 图 3X 轴与 Y 轴速度关系 具体结构如图 3右 方向 进给都采用步进电机驱动滚珠丝杆，配合滚珠导轨 形成平面运动。由于垂直方向精度要求不高，所以垂直方向采用齿轮齿条配合手动进给。 15 图 3齿轮滚刀检测装置结构 计方案的可行性分析 在本设计装置中，关键 问题 有： 1、 横向、纵向 进给精度的保证 ； 2、 20斜线轨迹的形成 ； 3、 被测齿轮滚刀在装置中分度精度的保证。 通过对以上问题的分析 采用以下相应的措施： 1、 采用步进电机驱动丝杠，带动工作台运动； 2、 采用 横向、纵向速度匹配，形成平面内各种运动； 3、 采用脉冲步进电机保证分度精度。 通 过对机械原理课程的学习分析得出装置原理可行；通过对机械设计课程的确学习分析得出装置结构可行；通过对机械工程学的确学习分析得出装置工艺可行。 16 第四章 机械部分设计 步进电机的选用 步进 电机的 计算 机的步距角 b 取系统脉冲当量 p=选步进电机步距角 b 度。 设步进电机等效负载力矩为 T，负载力为 P，根据能量守衡原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下关系。 T 式中 电机转角 S 移动部件的相对位移 机械传动效率 若取 = b，则 S= p，且 ，所以 （ 4 式中 p 移动部件负载（ N）； G 移动部件重量； 与重力方向一致作用在移动部件上的负载力； 导轨摩擦系数； b 步进电机步距角（ T 电机轴负载力矩 (N本设计中，取 火钢珠导轨的摩擦系数）， P 200N，P z 为 0。 所以： 进 电机的选用 通过以上计算选择电机 45距角 b=额定负载转矩3 6 ( ) ()2 c m 3 6 0 . 0 0 5 2 0 0 0 . 0 3 ( 2 0 0 0 ) 6 . 8 2 . 9 0 . 9 6T N c m () G P 17 T=形 L D=63 45 滚动导轨的设计与尺寸确定 在相配的两导轨面间放置滚动体或滚动支承，使导轨面间的摩擦性质成为滚动摩擦，此为滚动导轨，它的最大优点是摩擦因数小，动、静摩擦因数差小，因此，运动轻便灵活，运动所需的功率小，摩擦发热少、磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好，移动精度和定位精度高。滚动导轨还具有润滑简单（有时可以油脂润滑），高速运动时不会像滑动导轨那样因动压效应而使导轨浮起等优点。但滚动导轨结构比较复杂、制造比较困难、成本比较高、抗震性比较差。对 灰尘 比较敏感， 因此必须有良好的防护。 珠导轨的特点 滚动导轨广泛的应用于各种类型机床和机械。每一种机床和机械都利用了它的某些特点。例如：数控机床、坐标镗床、仿形机床和外圆磨床砂轮架导轨等，采用滚动导轨是为 了实现低速平稳无爬行和精确位移，工具磨床的工作台采用滚动导轨， 为了防止高速时因动压效应使工作台浮起来，以便提高加工精度，立式车床工作台采用滚动导轨是为了提高速度，等等。 滚动导轨的类型很多，按运动轨迹分有直线运动导轨和圆运动导轨；按滚动体的形式分有滚珠、滚珠和滚针导轨；按滚动体是否循环 可分为 滚动体循环和滚动 体不循环导轨。滚动导轨类型、特点及应用见表 4 表 4动导轨类型、特点及应用 类型 特点及应用 滚动体不循环的滚动滚珠导轨 行程不能太长，摩擦阻力小、刚度低、承载能力差，不能承受大的颠覆力矩和水平力； 这种导轨适用于载荷不超过 1000N 的机床，如工具磨床 滚柱导轨 载荷能力及刚度比滚珠导轨高，交叉滚珠导轨副四个方向均能承载 18 导轨 滚针导轨 滚针导轨承载能力最高 ; 滚柱、滚针对导轨面的平行度误差要求比较敏感，且容易侧向偏移和滑动； 主要用于承载能力较大的机床上。如立式车床，磨床等 滚动体循环的滚动导轨 滚动直线导轨副 有专业化生产厂生产品种规格比较齐全、技术质量保证。设计制造机器采用这类导轨副，可缩短设计制造周期、提高质量、降低成本。 滚柱交叉导轨副 滚柱导轨块 滚动直线导轨套副 滚动花键副 滚动轴承滚动导轨 任何能承受径向力的滚动轴承 (或轴承组 )都可以作为这种导轨的滚动元件 轴承的规格多，可以设计成任意尺寸和承受能力的导轨，导轨行程可以很长 很适合大载荷、高刚度、行程长的导轨，如大型磨头移动式平面磨床、绘图机等导轨 珠导轨的选择 此设计为齿轮误差检测装置，属于高精度的检测仪器，所以采用滚珠导轨而不是滑动导轨，根据设计的需要和各种不同导轨的优缺点，决定采用滚珠导轨其结构如图 4示 。 19 图 4珠导轨原理图 在原理图中可以看到在 V 型槽（ V 型槽一般为 90）中安装了滚珠，为了防止滚珠滑落，安装了保持架，并且保持架可以保证各个滚珠之间的相对位置。 之所以选择 V 形滚珠导轨是因为它的工艺性好，容易达到较高的加工精度。但滚珠导轨在工作时滚珠和导轨间是点接触，应力比较大，容易压出沟槽，所压沟槽的深度若不均匀，将会降 低导轨的刚度及精度。为了改善这种情况，可采用以下的工艺： 1、 在 V 形槽与滚珠接触处预先研磨出一窄条圆弧面的浅槽，从而增加了滚珠与滚到的接触面积，提高了承载能力和耐磨性，但这种工艺的缺点是导轨中的摩擦力略有增加。 2、 采用双圆弧滚珠导轨，这种导轨是把导轨的滚道改为为圆弧形滚道，以增大滚动体与滚道接触点的曲率半径，从而提高了导轨的承载能力，以及刚度、使用寿命。但双圆弧导轨由于形状的特殊性也有它本身的不足：形状复杂，工艺较差，摩擦力较大。因此当精度要求很高时不易满足使用要求。 在工程设计中为使双圆弧滚珠导轨能发挥 接触面积较大，变形较小的优点，又不至于过分增大摩擦力，一般都根据经验把其参数控制在一个合理的范围内，在此设计中，由于滚珠导轨在工作时承受的力为 130N，相对于滚 20 珠到过的极限力来说是很小的，所以在此设计中不需那样的计算。 使滚动体与滚道表面产生初始接触弹性变形的方法称之为预紧。预紧导轨刚度比没有预紧的刚度大，在合理的预紧条件下，导轨磨损比较小，预紧的主要方式有： 1、 采用过盈装配形成预加负载： 装配导轨时，根据滚动体的实际尺寸，刮 研 压板与滑板的结合面或在其间加上一定厚度的垫片，从 而形成包容尺寸；过盈有一个合理的数值，达到此数值时，导轨刚度较好，而驱动力又不至于过大。 2、 用移动导轨板的方法实现预紧： 预紧时先松开导轨体的连接螺钉，然后拧动侧面螺钉，即可调整导轨两边的距离而预紧。此外，也可用斜镶条来调整，这样导轨的预紧量沿全长分布比较均匀，故也常采用。 由图 4以看到在本设计中采用的是第二种预紧方法 。 滚动直线导轨副额定寿命的计算与滚动轴承基本相同。 （ 4 中 L 额定寿命（ 额定动载荷（ P 当量动载荷（ 受力最大的滑块所受的载荷 ( Z 导轨上的滑块数； 指数，当滚动体为滚珠时 3；当为滚柱时， 10 3； 额定寿命单位（ 滚珠时， K 50柱时， K 100 ()h t c a f f f 21 硬度系数 1； 温度系数，查文献 实用机床 设计手册 表 1； 接触系数，查文献 实用机床设计手册 表 精度系数，查文献 实用机床设计手册 表 载荷系数，查文献 实用机床设计手册 表 由式（ 4得 当导轨水平放置的时候主要载荷就是移动部分的重量，根据此装置设计意图和材料的密度及体积关系可估算移动部件的重量： 331 0 7 . 8 1 0 1 0 3 7 3 G= （ 2 . 5 + 0 . 5 5 + 1 + 0 . 4 5 + 0 . 4 + 0 . 2 4 ） 再加上其他元件的重量，则移动部分的总重量为 400N。 所以每一个导轨上的载荷为 200N。此外，摩擦阻力受结构形式、润滑剂的黏度、载荷及运动速度的影响而略有变化，预紧后，摩擦力稍微增大，摩擦力 （ 4 式中 滚动摩擦系数， = F 法向载荷（ N） f 密封件阻力 (N)，每个滑块座 （ f =2N）； 取 = 则： （ 200+2） =6N； 3 1 91 1 1 0 . 9 1 0 6 0 5( ) ( ) 5 0 2 . 5 1 0 ( )1 . 2 0 . 0 1h t c a f f f k F F f 22 定 滚动体的尺寸和个数应根据单位接触面积上的容许压力计算确定。在一般条件下，应优先选用直径较大的滚动体，这是因为增大滚动体直径可以提高导轨 的承载能力，对于滚珠导轨，其滚珠数目与承载能力及滚珠直径 此增大滚珠直径 增加滚珠数目有利，如果滚动体的数目太少会降低导轨的承载能力，制造误差将显著的影响运动件的位置精度；滚动体数目太多，则会增发负载在滚动体上的分布不均匀性，反而会降低刚度。实验表明，为使各滚动体承受的载荷比较均匀、合理的滚动体的数目为： （ 4 式中 G 为导轨所承受的运动组件的重力（ N）； 为滚珠直径。 在此选用导轨钢珠 取 整 Z=14，根据实际情况在导轨的各边安装滚珠数目为 7 个。 用负荷验算 平均每个滚珠上最大负载 式中 导轨的预加载荷，按最大工作负荷的 1/2 计算。现根据最大工作负载取 N。 则 m a x 1 0 ( 3 4 0 0 / 2 ) 1 4 3 . 520/ 9 d4 0 0 / 9 . 5 8 1 4 . 9Z Z 23 许用负荷 查文献 机 械设计手册 表 k=60N/表得 =1，则： 2 6 0 ( 6 / 1 0 ) 1 2 1 . 6 ( ) m a x 1 0 由此可知，此选择的导轨可用。 适用于滚动导轨的材料必须满足硬度高，性能稳定以及良好加工性能的特性，低碳合金钢如 20渗碳淬火，表面硬度可达 60 63金结构钢，如 40火后低温回火，硬度可达 45 50工性能良好，但硬度较低；合金工具钢，淬火之后低温回火，硬度可 达 60 64种材料性能稳定，可以制造变形小，耐磨性高的导轨；氮化钢，经调质或正火后，表面氮化，可得到很高的表面硬度（ 850但硬化层很薄，加工成本高；铸铁，硬度可达到 230 240工方便，滚动体用滚珠，一般可满足使用要求，在此装置中的滚动导轨的材料选用铸铁导轨 。 滚动体的材料一般采用滚动轴承钢（ 淬火后硬度可达到 6066 滚珠丝杠螺母副的设计与尺寸确定 滚珠丝杠副传动与滑动丝杠传动相比其主要特点是： 1、 传动效率高 一般可达 95%以上是滑动丝杠传 动的 24 倍； 2、 运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速无爬行； 3、 可以预紧、消隙丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度； 4、 定位精度和重复定位精度高； 5、 使用寿命为普通滑动丝杠的 46 倍甚至更高； 6、 同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性； 7、 使用可靠、润滑简单、维护方便； 8、 不自锁，可逆向传动，即螺母为主动，丝杠为被动。旋转运动变为2p 24 直线运动； 9、 由专业厂生产，选用配套方便。 滚珠丝杠副作为精密、高效的传动元件在精密机床、数控机床得到广泛应用，在机械工 业、交通运输、航天航空、军工产品等各个领域应用得很普遍，可用作精密定位自动控制、动力传递和运动转换。 珠丝杠螺母副的选用 1、 滚珠丝杠螺母副的特点 滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分外循环和内循环两种。外循环过程中滚珠与丝杠脱离接触，目前使用插管完成滚珠循环的结构，工艺性好，结构简单，但滚道管子突出于螺母外表，所以外循环丝杠螺母径向尺寸较大。对于内循环方式，滚珠丝杠螺母副在循环过程中滚珠始终保持与丝杠接触。这时在左、右螺母上各装 2 个回珠反向器，它迫使滚珠越过丝杠的螺母外径，进入相邻的螺纹滚道，滚 珠经过不到一圈即返回。内循环滚珠丝杠螺母副工作滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高，径向尺寸紧凑，轴向刚度好，但回珠器槽形复杂，需三坐标数控机床才能加工。滚珠丝杠螺母副可以通过左右螺母的相互离开和相互靠近达到 消除间隙的目的；当有过盈时，即为预紧。常用的消除间隙或预加载的办法如下： （ 1）螺丝式调隙结构。 2 个螺母中的 1 个带有外伸螺纹套筒， 2 个螺母均装有平健用来防止转动。用转动外伸螺纹套筒上的 2 个锁紧螺母的方法来调整间隙和加预载。这种结构的优点是结构紧凑，工作可靠，调整方便，被广泛应用，但调隙量不易 精确。 （ 2）垫片式调隙结构。 通过改变调整垫片的厚度，使 2 个螺母产生相对位移，用以消除间隙，并产生预紧力。这种结构的优点是结构简单可靠，刚性好，装卸方便，特别是将垫片做成半环结构时，修磨再装就很方便。 （ 3）齿差式调隙结构。 在两个螺母的外凸缘上加工出两个齿轮（齿数差为 1）。这两个齿轮分别与螺母两端的两个内齿圈相啮合 要转动其中一个螺母，就会使两个螺母的相对位置发生变化，以调整轴向间隙和预紧力。 由于此检查装置工作负载很小，冲击力几乎为零，所以选用内循环、浮 25 动反向器式滚珠丝杠 螺母副。其浮动式的优点是：具有较好的摩擦特性，预紧力矩为固定反向器的 1/31/4，在预紧时，预紧力上升平缓，适用于各种高灵敏、高刚度的精密进给定位系统。重载荷、多头螺纹、大导程不宜采用。 同时为了满足滚珠丝杠的定位及预紧，特设计一对滚珠螺母，有为了满足设计要求： j=3，但对于滚珠丝杠螺母副来说螺母是成对使用的，如果设计成两螺母副中一个为一个循环，另一个为两个循环。这样在预紧的时候两螺母所受的预紧力是一致的，但两边滚珠所受的力是不一样大小的，使只要一个循环的螺母的一端滚珠与滚道的应力加大，这样就加快了这一端 的失效，所以依然采用两端两个循环的结构。 珠丝杠螺母副的计算 1. 滚珠丝杠的主要技术参数： (1)名义尺寸 珠丝杠的名义直径 指滚珠中心圆得直径。 的选择与滚珠丝杠的承载能力有关。 越大丝杠的承载能力越大。用于数控机床进给驱动中的滚珠丝杠，取 000择 应大于丝杠长度 1/351/30。 但 过大，将造成丝杆自重过大，容易引起弯曲，且增大驱动力矩。因此较大的 的丝杠常采用空心结构。 (2)基本导程 程 根据设置的脉冲指令要 求和负载情况来选择。 大时，允许使用的滚珠直径也大，因而承载能力较强。同时，当名义直径 定后，可使螺纹升角 变大，一般 2o，通常取 样才能保证高的转动效率。因为 2o 时传动效率明显下降。 但 过大会造成丝杠部件，特别是螺母加工的困难。如磨削螺母滚道时易发生干涉现象。 初选 (3)滚珠直径 滚珠直径 可根据制造
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