X6132卧式铣床回转工作台的机械设计.doc

本科毕业设计（ 论文 ）题 目：x6132卧式数控铣床回转工作台的机械设计 学 号： 姓 名： 班 级： 专 业： 机械电子工程 学 院： 机电工程学院 入学时间： 2010.09 指导教师： 日 期： 2014年5月28日毕业设计（论文）独创性声明本人所呈交的毕业论文是在指导教师指导下进行的工作及取得的成果。除文中已经注明的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名：日期：x6132卧式数控铣床回转工作台的机械设计 摘要本次设计任务主要是对数控回转工作台系统结构的设计，解决数控回转工作台的工作原理和机械传动机构的设计与计算。它是一种可以实现圆周进给和分度运动的工作台，数控回转工作台的发展前景是不可估量的，它常被使用于卧式铣床、镗床和加工中心上，可提高加工效率，完成更多、更复杂的曲面工艺内容。它主要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等部分组成，并对以上的设计部分运用ug、cad做零件图,装配图等。 关键词：铣床；回转工作台；机械传动；齿轮；蜗杆x6132 horizontal milling machine mechanical design of the rotary worktableabstractthe design task is mainly to the design of cnc rotary worktable system structure, solve the work principle of cnc rotary table and mechanical transmission mechanism design and calculation.give and it is a kind of can realize round week points of workbench, the development prospect of the cnc rotary worktable is immeasurable, it has often been used in the horizontal milling machine, boring machine and machining center, machining efficiency can be improved, more complete, more complex curved surface technology content.it is mainly composed of impulsion, gear transmission, worm drive, the workbench, such as components, and the design of the part above usingug or cad part drawing, assembly drawing.key words:milling machine; rotary worktable; mechanical drive; wheel gear; worm目录1绪论11.1研究目的和意义11.2回转工作台的总体发展趋势22数控机床的发展历程32.1数控机床的发展史32.2数控机床的发展趋势及动向32.3数控机床在我国的发展53数控回转工作台的原理与应用73.1简述数控回转工作台的原理73.2数控回转工作台的分类73.3设计的基本准则83.4主要技术参数84数控回转工作台的机械设计94.1传动方案的选择和确定94.1.1传动方案传动时应满足的要求94.1.2传动方案及其分析94.1.3总体结构设计114.2原动机的选择及计算114.2.1电机的种类114.2.2交流伺服电动机的工作原理144.2.3电动机的选择及参数的计算144.3齿轮的选择及传动的设计计算154.3.1选择齿轮传动的类型、精度等级及材料154.3.2按齿面接触疲劳强度设计164.3.3按齿根弯曲强度设计204.3.4几何尺寸计算234.4蜗轮及蜗杆的选用与校核234.4.1选择蜗杆传动类型234.4.2选择蜗杆材料244.4.3按齿面接触疲劳强度设计254.4.4蜗轮与蜗杆的主要尺寸与参数264.4.5按照齿根弯曲疲劳强度校核计算284.4.6精度等级公差和表面粗糙度的确定294.5蜗杆轴的设计校核与计算294.5.1蜗杆轴的计算校核294.6键联接的选择334.6.1键联接的类型334.6.2键联接的尺寸334.6.3键联接的强度验算334.7轴承的选用及计算344.7.1轴承的选用344.7.2轴承载荷计算344.7.3滚动轴承的配合364.8润滑与密封374.8.1 传动副的润滑374.8.2 轴承的润滑384.8.3 密封395三维建模ug图406总结42致谢43参考文献44附录451绪论1.1研究目的和意义随着我国经济的不断成长、国防建设的需要、国民经济的迅速发展，国家越来越重视回转工作台项目相关行业的发展。对于机械制造行业的高档数控机床提出了急迫需求。机械制造是一个国家工业和国防的基石，也是一国实力的象征和标志，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供了重要的手段，同时也是不可缺少的战略性产业。数控机床的高度发展与否呈现出一个国家制造业水平高低，从某种意义上说，反映了一个国家工业水平的发展状况。目前,数控工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。例如：我国生产机床工作台的公司之一的烟台恒力数控机床附件有限公司生产的hltk14系列数控可倾回转工作台，它可以实现用于数控机床和加工中心机床上，可利用原机床的两个控制坐标控制转台的回转和倾斜，也可直接利用本转台配套的数控装置与机床联接完成所需的工作循环。它可以完成任意度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并可达到较高的精度。另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上，独立完成等分和不等分的角度分度工作。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。数控机床及加工中心的应用已日趋普及，现代数控加工技术使得制造过程发生了巨大的变化，对技术人员的要求也越来越高。因此，我们要充分了解和熟悉现代数控机床的基本知识，使企业尽可能投入少，见效快，让资源合理化运用、让投资更加合适已成为众多企业所不可忽视的一项重要任务。1.2回转工作台的总体发展趋势 目前数控回转工作台已经被广泛应用于数控铣床、数控镗床、插床和加工中心上，它的总体的发展趋势可以归结为：（1）在规格上将向两头延伸，即开发小型转台和大型转台；（2）在性能上研制以钢为材料的蜗轮蜗杆，大幅度提高工作台的转速和转台的承载能力；（3）在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。 数控回转工作台的市场分析：随着我国制造业水平的迅猛发展，加工中心将会越来越多地被要求配备多轴联动机床和加工中心，以扩大加工范围，为加工复杂零件作有必要的铺垫。虽然在某些行业产能过剩，受到宏观调控的影响而继续保持着较低的行业景气度外，但有部分装备制造业将有望保持较高的增长率，特别是在那些国家产业政策鼓励振兴和发展的装备的分行业；作为装备制造业的母机，普通加工机床将获得稳定快速的增长。机床工具行业的发展，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品快速的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，成为制约民族机床工业发展的瓶颈。国产配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、外观造型、精度稳定性等方面与发达国家相比都存在一定的差距，但在产品的价格、交货期和售后服务上占有较大的优势。另外，近几年台湾地区的数控附件产品明显加大了对大陆市场的开发力度，使国内市场竞争态势更加激烈。在今后几年中，我国机床附件厂要发展中档次品种，在提高产品质量、性能水平和可靠性的同时，跟踪学习发达国家的先进技术，并在产品创新，提高工艺水平上多下功夫；总结经验，加强产、学、研的结合，走专业化生产的路子，面向市场，参与竞争，满足主机发展的需要。在不久的将来，我国也将会在机械制造行业当中成为领军人物。2数控机床的发展历程2.1数控机床的发展史 1949年美国帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。1952年第一代数控系统三坐标立式数控铣床的诞生。后来，又经过改进并开展自动编程技术的研究。于1955年进入实用阶段，这对于加工复杂曲面和促进美国的飞机制造业的发展起到了关键性的作用。20世纪50年代末，完全由固定布线的晶休管元器件电路所组成的第二代数控系统晶体管数控系统被研制成功，取代了昂贵的、易坏的、难以推广的电子管控制装置。随着集成电路技术的发展，1965年出现了集成电路数控系统，大大地缩小了电路的体积，并且功耗低、可靠性高，集成电路数控机床为第三代数控系统。1970年，小型计算机取代了硬件逻辑控制电路，小型计算机数控系统成为第四代数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性能价格比渗透各个行业，1974年前后，美国intel公司开发和使用了微处理器，微型计算机数控系统问世成为了第五代数控系统。应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统(cnc)。综上所述，因微电子技术和计算机技术的不断发展，不断创新，数控机床的数控系统也时时更新，发展非常之迅猛，几乎5年左右时间就更新换代一次。2.2数控机床的发展趋势及动向 20世纪以来，齿轮变速箱的出现，使机床的性能和结构发生了巨大的变化。随着电气控制、液压传动等科学技术在机床上的普遍应用，使机床迅速的发展起来，除了通用数控机床外，又出现了各式各样的专用数控机床。 近年来，电子技术、计算机技术、信息技术、激光技术等技术的发展并在数控领域的应用，使机床得到了迅猛的发展。多样化、精密化、高效化、自动化是这一时代机床发展的重要特征，通过机床加工的精密化、高效化和自动化来推动和发展社会生产力。 数控机床是一种柔性的、高效能的自动化机床，是实现机械加工自动化的核心设备，是一种最典型的机电一体化产品。其主要解决复杂曲面、精密、小批量、多品种的零件加工问题。1989年，全世界数控机床（含锻压机床）的年产量超过10万台。欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程，1990年日本机床产值数控化率达75，美国达70.1，德国达57。目前，世界上数控机床的产量超过15万台/年，品种超过1500多种。 随着社会的不断进步，科学技术在不断发展，新材料和新零件的出现，数控机床的发展趋势将越走越好，其主要走向有以下几个方面：（1）加工高速化提高生产率是数控机床追求的目标之一。机床的高速化可以充分的发挥现代刀具材料的性能，不但可以降低成本，还可以大幅度提升加工效率，同时还可以提高加工零件表面的质量和精度，对于制造业能实现高效、优质、低成本生产具有广泛的实用性。要实现数控机床设备的高速化，关键是要提高切削的速度、进给速度和减少辅助时间。首先要求数控系统的性能对微小程序段构成的加工程序进行高速的处理，以计算出伺服电动机的位移量，同时要求伺服电动机能高速地做出反应采用32位及64位微处理器，是提高数控系统高速处理能力的有效手段。目前，随着数控技术的不断改进，主轴转速和进给速度得以大幅度提升，进给速度可达，进给的加速度达到。车削和铣削的切削速度已达到以上，主轴转速则达到；在分辨率为时，快速速度则达；在分辨率为时，快进速度达；当分辨率为时，快进速度达。（2）加工高精度化 随着数控技术的水平在逐步挺高，对精密加工技术方面也相继提出了新的要求，提高了加工精度，发展新型超精密加工机床，完善精密加工技术，适应现代化科技的发展，已成为了数控机床的发展方向之一。其精度从微米到亚微米级，一般可以通过减少数控机床的误差和采用机床误差补偿技术来实现。在减少cnc控制误差方面，通常采取提高数控机床的分辨率、提高位置检测精度，在位置伺服系统中采用前馈控制和非线性控制。在机床误差补偿方面，除了采用齿隙补偿、丝杠螺距误差和差距补偿技术之外，也还可以对设备进行热变形来实现误差补偿。近十几年，普通数控机床的加工精度已由提升到，那么精密加工中心的加工精度则由提高到。（3）高柔性化 采用柔性和自动化设备和系统，是提高加工精度和效率，缩短生产周期，适应市场变化需求和提高竞争能力的有效手段，数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。如plc控制可调组合机床、数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心、数控三轴动力单元等具有柔性的高效加工设备、柔性加工单元、柔性制造单元等。（4）高自动化 高自动化是指在全部加工过程当中尽量减少人的介入而让机器自动完成规定的任务，其中包括物料流和信息流的自动化。自从20世纪80年代中期以来，以数控机床为加工自动化已从“点”、“线”、“面”、“体”的方向发展。尽管这种高自动化技术还存在缺陷，但数控机床的高自动化还是向着fmc、fms集成方向发展的总体趋势任然是机械制造也发展的主流。（5）控制智能化、复合化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，为适应制造业生产柔性化、自动化发展的需求，智能化正成为数控研究方面及其发展的热点，它可以贯穿生产加工全部过程，还可以为生产加工产品做售后服务和维修。 复合化主要分为工序复合化和功能复合化，工序复合化看之后，打破了分开加工的工艺规程，从而可以最大限度地提高设备的利用率。功能复合化后，数控系统的控制轴也在不断地增加，同一机床即具有车削中心也具有铣削中心的特点。2.3数控机床在我国的发展 我国的工业机床是在新中国建立后建立起来的，1949年机床年产量仅仅1500多台。自从我国从1958年开始研制数控机床，在研制和推广数控机床方面取得了一定的成绩；同年还研制出了第一代数控系统产品。随着时间的推移，在设计和技术方面不断的改进，于1966年研制出了第二代数控系统产品。经过不断的改进，查找不足之处，随后又研制出了第三代、第四代、第五代数控技术产品。近年来，由于引进了国外的数控技术和伺服系统制造技术，是我国数控机床在品种上、数量和质量方面的成绩日趋越好，基本形成了数控产业基地，基本掌握了现代数控技术，并且也建立了数控研究、开发、管理人才的队伍。日前，我国生产数控机床的厂商就有几十家，能够生产不同类型的数控机床和加工中心。目前，我国已能生产从小型仪表机床到重型机床的各种机床。也能生产出各种精密的、高度自动化的、高效率的机床和自动线。国产数控机床的分辨率已提高达到了，机床的性能也在逐步的提高，有些甚至接近了世界的先进水平。到1989年底，我国目前可供应的数控机床品种已超过300多种，其中数控机床占，加工中心占。 虽然我国的数控机床工业已经取得了很大的成就。但是，与国外数控机床相比，我国的“四个差距”：（1）市场占有率低，品种覆盖率小，还未形成规模的生产；（2）成套性差，伺服、主轴不配套；（3）外观质量相对差，可靠性相对差，商品化程度不高；（4）名牌效应差，用户信心不足。 目前，我国回转工作台市场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励回转工作台产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目投资逐渐增多。投资者对回转工作台市场的关注度越来越高，使得回转工作台市场越来越受到各方的关注，这些说明了我国的数控技术已经进入了新的发展时期。但是，机床工具行业的发展，依赖于行业技术水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品快速的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张，造成技术创新和技术改造的力度不大，使附件水平的发展严重滞后，成为制约民族机床工业发展的瓶颈。我们坚信，预计在不久的将来，我国将会赶超世界先进国家的技术水平。3数控回转工作台的原理与应用3.1简述数控回转工作台的原理 为了扩大数控数控机床加工范围，机床的圆周进给运动由回转工作台来实现，也称为数控机床的第四轴。回转工作台可以与三个坐标轴同时联动，从而可以加工出各种球类、圆弧曲面等复杂的空间曲面。 本次设计数控回转工作台有两种状态：第一，使工作台进行圆周进给完成切削任务。第二，使工作台进行分度工作。它按照控制系统的命令。在需要时完成上述任务。由交流伺服电动机来驱动工作台。采用无级变速方式。主要由控制系统决定定位精度。 回转工作台的运动由交流伺服电机接联轴器，驱动齿轮系统传动和蜗杆蜗轮系统传动。使得工作台做回转运动。当数控回转工作台接到数控系统的指令后，首先松开回转台部分的油缸刹紧装置，松开刹紧片，然后启动交流伺服电机。按数控指令确定工作台的回转方向、回转速度及回转角度大小等参数。3.2数控回转工作台的分类 数控回转工作台是镗床、钻床、铣床和插床等重要附件工具，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。在加工过程中，根据不同的零件可以选择不同的加工方式的夹具。其具体的分类方式如表1：表1 数控转台的分类类型形式转台安装方式水平转台立卧转台万能转台分度形式等分转台任意分度转台驱动方式液压转台电动转台回转轴轴数单轴转动转台两轴联动转台多轴并联转台3.3设计的基本准则 在设计过程中，要遵循以下几条设计准则：（1）创造性的利用所需要的物理性能；（2）分析原理和性能； （3）判别功能载荷及其意义；（4）创造有利的载荷条件；（5）预测意外载荷；（6）提高合理的应力分布和刚度；（7）功能设计应适应制造工艺和降低成本的要求；（8）应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸；（9）零件与整体零件之间精度的进行选择；（10）根据性能组合选择材料；（11）重量要适宜。3.4主要技术参数（1）工作台台面尺寸/mm ： 500500（2）工作台最大承载能力/kg： 500kg（3）最大回转半径/mm ： 300mm（4）定位精度（）： 10（5）回转角度（）： 36r/min（6）工作台最小分度（）： 0.0014数控回转工作台的机械设计 4.1传动方案的选择和确定 4.1.1传动方案传动时应满足的要求 数控回转工作台主要由原动机、传动装置、箱体和工作台组成，传动装置的作用是在原动机与工作台之间传递动力，同时也可以能量改变传递的方式，并能实现分度运动。本次设计中，原动机采用交流伺服电动机，工作台为t形槽工作台，传动装置由齿轮传动和蜗杆传动两种传动方式构成。合理的传动方案主要满足以下要求：（1）机械功能要求：需满足工作台的功率、转速和运动形式的要求等。（2）工作条件要求：例如工作环境、场地、工作制度等。（3）工作性能要求：确保工作可靠性、传动高效性等。（4）结构工艺性要求：比如结构设计合理简单、尺寸紧凑不冗多、使用维护便利、工艺性和经济合理性等。 4.1.2传动方案及其分析 对于回转工作台的传动方式初设两种方案方案一：一级为齿轮传动和二级为齿轮传动；图4-1 方案一方案二：一级为齿轮传动，二级为蜗杆传动。图4-2 方案二（1）对上述方案进行分析和比较：方案一总传动比小，占用空间大；能很好完成工作台的回转运动，但是其方式无法使工作台达到自锁的目的。方案二传动效率虽然低，与方案一相比，占用空间小，能完成自锁。（2）该传动方案分析如下： 齿轮传动：承受载荷能力较高 ，传递运动平稳准确，传递功率和圆周速度范围很大，传动效率高，结构紧凑。 蜗杆传动：传动比大，与其他传动形式相比，当传动比相同时，机构尺寸小，因而结构尺寸紧凑。传动平稳，蜗杆齿是连续的螺旋齿，与蜗轮的啮合是循序渐进的，传动平稳，噪声低。自锁性好，当蜗杆的导程角小于齿轮间的当量摩擦角时，如果蜗杆为主动件，那么机构将自锁。 综上所述分析可知：将齿轮传动放置传动系统的高速级，蜗杆传动放置传动系统的低速级，传动方案较为合理。数控回转工作台传动方案为：交流伺服电动机齿轮传动蜗杆传动工作台。 4.1.3总体结构设计结构设计图尺寸： 单位： 图4-3 总体结构设计4.2原动机的选择及计算4.2.1电机的种类 步进电动机将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。用脉冲信号的频率和脉冲数来控制电机的转速、停止的位置，当有一个脉冲信号发送给步进驱动器时，步进驱动器就使得步进电机按照所设定的方向转动一个固定的角度，称为步距角。以固定的角度量旋转一步一步的动作。从而达到通过控制脉冲个数来控制角位移量，来实现准确定位；若想控制电机转动速度和加速度来到达调速的目的，可以通过控制脉冲频率来实现，实物图如图4-4所示。图4-4 步进电动机步进电动机具有以下的特点：（1) 可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 （2）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性，可以组成结构较为简单而又具有定精度的开环控制系统。 （3) 优秀的起停和正反转响应；停止时，可有自锁功能。 （4) 步距角选择范围比较广，在步距较小时，通常可以在超低速情况下高转矩稳定转动、不经减速器可以直接驱动负载。 （5）由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。（6）外表不允许较高的温度。（7）力矩会随转速的升高而下降。（8）步进电动机适合于在低速场合下工作，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。 伺服电机将电压信号转化为转矩与转速来驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并且能快速响应，在自动控制系统过程中，用来作为执行元件，且线性度比较高、时间常数小、始动电压等特性，把接收到的电信号转换成电机轴上的角位移或者角速度来作为输出，实物图如图4-5所示。 图4-5 交流伺服伺服电机优点：（1）高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；在其额定转速以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。（2）抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；（3）适用于有高速响应要求的场合。（4）控制性能：伺服驱动系统为开环、闭环控制。电液脉冲马达电液脉冲马达由步进电机和液压伺服机构（即扭矩放大器）所组成。由步进电机接收数字控制装置发出的脉冲信号，把它转换或角位移。经液压随动阀和油马达组成的伺服机构做功率放大后，驱动机床工作台或刀架，使之进行精确定或作进给运动。是当前数控系统中特别是开环系统中比较理想的伺服元件。电液脉冲马达广泛应用在自动控制、同步控制和各种数控机床上，实物图如图4-6所示。图4-6 电液马达 优点：角位移准确、反应迅速、调整范围广，在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小，反应快，速度平稳等。 缺点：液压系统需要供油，体积大，噪声，漏油等。 综上比较，交流伺服电动机无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。定子绕组散热比较方便。惯量小，易于提高系统的快速性；抗过载能力强，适应于高速大力矩工作状态。4.2.2交流伺服电动机的工作原理 伺服电机是将电压信号转化为转矩与转速来驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并且能快速响应，在自动控制系统中，用来作为执行元件，且线性度高、时间常数小、始动电压等特性，把接收到的电信号转换成电机轴上的角位移或者角速度来作为输出。4.2.3电动机的选择及参数的计算（1）数控回转工作台电动机的选择 数控回转工作台的动力源初选选用德国西门子系统交流伺服电动机，系统交流伺服电动机主要是为机床进给驱动开发设计的，它能够实现高转速、输出很大扭矩、耐热性极高性能等。 初选电动机为型交流伺服电动机，电动机的主要要参数为，额定扭矩，转动惯量。回转装置传动比的计算：传动比为： （4-1）当工作台工作时，其转速，则电动机实际转速小于电动机额定转速，电机选择合理。（2）数控回转工作台扭矩的计算 根据文献计算切向铣削力为： （4-2）因机床在铣削加工功率的消耗最大，因此要用铣削加工的数据来求。根据实用钳工计算手册中公式，计算切向铣削力式中，为单位铣削力，根据铸铁试料（ht200），由手册查得；铣削宽度；铣削深度；每齿进给量；铣刀齿数；铣刀直径。由以上公式计算可得：切向铣削力，切削力矩。 电动机的扭矩铣削加工时，数控回转工作台匀速转动，此时加速力矩为0；由于采用回转滚动轴承来支承，摩擦力产生的力矩非常小，考虑到安全系数，力矩可以忽略。预选电动机的额定扭矩为，大于所需扭矩，因此，所选电动机满足设计要求。（3）工作台回转部分惯量的计算 工作台回转部分及工件总质量为:，工作台回转部分及工件总回转惯量按下式计算： （4-3）式中，为回转体的质量；为工作台边长，。所以 ：，因此，所选电动机满足设计要求，获得高的动态响应，能够达到转台的性能要求 因此，所选电机满足设计要求。4.3齿轮的选择及传动的设计计算4.3.1选择齿轮传动的类型、精度等级及材料 根据两轴的相对位置和轮齿的方向，可分为直齿圆柱齿轮传动、 斜齿圆柱齿轮传动、人字齿轮传动、锥齿轮传动和交错轴斜齿轮传动。考虑到本次设计中，转速不是太高，传递的功率也不大，传动比不大；因此选用圆柱直齿轮传动；回转工作台做为加工工具，速度不高，选用级精度；由表10-1常用齿轮材料及其力学特征表可知，选择小齿轮材料为（调质），硬度为；大齿轮材料为钢（调质），硬度为；选小齿轮齿数，则大齿轮齿数。4.3.2按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式（10-9a）进行试算，即 （4-4）式中：小齿轮分度圆直径； 载荷系数； 小齿轮转矩； 许用接触应力； 齿宽系数； 齿数比； 弹性系数；确定公式中的各计算数值（1）试选载荷系数。（2）计算小齿轮传递的转矩。（3） 由表10-7，齿宽系数。（4） 由表10-6查的材料的弹性影响系数。（5）由图10-21d按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度；（6）由式10-13计算应力循环次数。（7) 由图10-19取接触疲劳寿命系数；。（8) 计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数s=1，由式（10-12）得计算：（1）试算小齿轮的分度圆直径，代入中较小值。（2）计算周转速度。（3）计算齿宽。（4）计算齿宽与齿高之比。模数 齿高 （5）计算载荷系数。根据，级精度，由图10-8查的动载荷系数；直齿轮，；由表10-2查得使用系数；由表10-4用插值法查的级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，；由,；由查图10-13得；故载荷系数（6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a）得（7）计算模数。4.3.3按齿根弯曲强度设计由式（10-5）查得弯曲强度的设计公式： （4-5） 式中 载荷系数；小齿轮转矩；齿宽系数；小齿轮齿数；齿形系数；应力修正系数；弯曲疲劳许用应力。确定公式中的各计算数值（1） 由图10-20查得：，。（2） 由图10-18，取弯曲疲劳寿命系数 ， ；（3)计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数,由式（10-12）得（4）。（5) 。由表10-5查的 。（6）。由表10-5查得 ，。（7）计算大、小齿轮的并加以比较。由上述可知，大齿轮的值比较大。设计计算： 而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关（即模数与齿数的乘积有关），可取由弯曲强度算得到模数,并就近圆整为标准值,按接触强度算的的分度圆直径，算出小齿轮齿数 ,。 根据齿面接触疲劳强度算出的模数比按照齿根弯曲疲劳强度算出的模数大，弯曲强度所决定的承载能力确定了齿轮模数的大小，然而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅跟齿轮直径相关，则可以取由弯曲强度计算所得的模数,并就近圆整为标准值,按接触强度算出的分度圆直径，算出小齿轮齿数。这样设计出来的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，同时做到结构紧凑，又避免浪费。4.3.4几何尺寸计算（1）计算分度圆直径。（2）计算中两齿轮的中心距。（3）计算齿轮的宽度。 取，； 图4-7 小齿轮 图4-8 大齿轮4.4蜗轮及蜗杆的选用与校核4.4.1选择蜗杆传动类型 蜗杆的传动可以分为圆柱蜗杆传动（图a）、环面蜗杆传动（图b）以及锥面蜗杆传动（图c）。图4-9 蜗杆传动的类型 蜗杆传动的特点：传动比大，与其他传动形式相比，当传动比相同时，机构尺寸小，因而结构尺寸紧凑。传动平稳，蜗杆齿是连续的螺旋齿，与蜗轮的啮合是循序渐进的，传动平稳，噪声低。自锁性好，当蜗杆的导程角小于齿轮间的当量摩擦角时，如果蜗杆为主动件，那么机构将具有自锁的功能。 图4-10 渐开线蜗杆 图4-11 阿基米德蜗杆 在加工蜗杆的过程中，阿基米德蜗杆易车削难磨削，通常在无需磨削的情况下被采用，运用于低速场合使用。然而在车制渐开线蜗杆时，刀刃顶平面与基圆柱相切，两把刀具分别切出左、右侧螺旋面。该蜗杆轴向齿廓为外凸曲线，端面齿廓为渐开线。渐开线蜗杆可以用专用机床来磨削制造，那么蜗杆具有较高精度，可使用于高转速大功率的传动中。根据推荐，采用渐开线蜗杆。可知整体传动比的设计值比较大；同时在工作当中，工作台有需要自锁功能，蜗杆采用单头蜗杆；为了工作台在工作中需要受力平衡与工作平稳，采用右旋作为蜗杆的旋向。4.4.2选择蜗杆材料 考虑到蜗杆传动效率率不大，在蜗轮蜗杆传动级，传动比为，速度只是中等，故蜗杆用钢；在传动的过程中希望传动效率高些，耐磨性好些，故蜗轮蜗杆的齿面要求淬火，硬度为。蜗杆用铸锡磷青铜金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁制造。4.4.3按齿面接触疲劳强度设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度，由式（11-12），传动中心距 （4-6） （1）确定作用在蜗杆上的转矩。由表11-1，取，由估取效率公式，为了保证工作台分度精度，将蜗杆传动比设定在 ，那么（2）确定载荷系数。 因为工作时载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数；由表11-5选取使用系数；因在传动的过程中冲击不大，载荷系数不高，可取动载荷系数；那么（3）确定弹性影响系数。 因选用的是蜗轮和钢蜗杆相配，故。（4）确定接触系数。 先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值，从图11-18中可查得。（5）确定许用接触应力。 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜， ，可从表11-7中查得蜗轮的基本许用应力。应力循环次数 寿命系数 则 （6）计算中心距。由表11-2，根据结构设计要求取中心距，模数，蜗杆分度圆直径，根据要求，由图11-18查得，并且小于，所以上述计算结果可用。4.4.4蜗轮与蜗杆的主要尺寸与参数（1）蜗杆 蜗杆分度圆直径:轴向齿距: 直径系数: 分度圆导程角: 齿顶圆直径: 齿根圆直径: 蜗杆轴向齿厚:表2 蜗杆的主要尺寸与参数分度圆直径/mm 轴向齿距/mm直径系数 分度圆导程角齿顶圆直径/mm齿根圆直径/mm蜗杆轴向齿厚 /mm22.47.8595423826.417.43.92根据计算所得数据和查表所得，绘制蜗杆轴图示如下：图4-12 蜗杆轴零件图（2）蜗轮蜗轮齿数：蜗轮分度圆直径：变位系数：蜗轮喉圆直径：蜗轮齿根圆直径: 蜗轮咽喉母圆半径: 表3 蜗轮的主要尺寸与参数蜗轮齿数蜗轮分度圆直径/mm变位系数蜗轮喉圆直径/mm蜗轮齿根圆直径/mm蜗轮咽喉母圆半径/mm96240-0.50024823419根据计算所得数据和查表所得，绘制蜗轮图示如下：图4-13 蜗轮零件图4.4.5按照齿根弯曲疲劳强度校核计算由公式： （4-7）当量齿数： 根据,从图11-19中查得。螺旋系数 ： 许用弯曲应力： 从表11-8中查得由制造蜗轮时，许用弯曲应为。寿命系数： 故弯曲强度是满足的。4.4.6精度等级公差和表面粗糙度的确定 因蜗杆传动是动力传动的一种减速装置。从选择圆柱蜗杆蜗轮级精度，侧隙种类为，标注为；然后由有关手册中查得要求的公差项目及表面粗糙度。4.5蜗杆轴的设计校核与计算 4.5.1蜗杆轴的计算校核（1）求输出轴上的功率、转速和转矩。 （2）求作用在齿轮上的力。 已知低速级大齿轮的分度圆直径为。所以 （3）初步确定轴的最小直径。 先按照1式（15-2）初步估轴的最小直径。选取轴的材料为钢，调质处理。根据表15-3，取，于是得取取轴的两端直径为。 （4）传动轴结构设计。 拟定轴上零件的装配方案，分析可得装配方案,传动轴1如图1-9所示。 图4-14 蜗杆轴的结构设计根据轴的定位的要求，确定轴的各段直径和长度为了满足最小直径要求：为了满足轴承的装配要求：为了满足齿轮传动要求：求轴上的载荷，对轴受力分析，受力图如下图所示：图4-15 弯矩图图4-16 蜗杆轴零件图4.6键联接的选择 4.6.1键联接的类型 键主要用于轴和带毂类零件，来实现周向固定以传递转矩的轴毂连接。有的还能实现轴向固定以传递轴向力；有些则能构成轴向动联接。键主要类型有：平键、半圆键、楔键、切向键和花键等。键的作用基本相同，都是传递能量的功能，只是根据强度的不同选择不同的连接方式，因其轴上键的作用是传递扭矩，并且要求一定的定心性，因此应用平键连接就可以满足此次设计要求。4.6.2键联接的尺寸 因为键在轴上的作用是传递扭矩和转矩，应用平键连接即可达到目的。在此选择用平键。由文献资料可查得传动轴上键的截面尺寸：；4.6.3键联接的强度验算 普通平键的强度条件为 （4-8）式中 轴的直径； 键的工作长度； 键传递的转矩； 键与轮毂键槽的接触高度，此处高为键的高度； 键，轴，轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力。由表3-5可以查得需用挤压力，取平均值。表4 键联接的许用挤压应力p 或压强p连接的工作方式键或榖、轴的材料载荷性质静载荷轻微冲击载荷冲击载荷静联接用锻钢、铸钢 125-150 125-150 60-90铸铁 70-80 50-60 30-45动联接用锻钢、铸钢504030传递的转矩 键与轮毂键槽的接触高度 键的工作长度 轴的直径 由以上数值可得：即，因此平键的强度满足工作所需条件。摘自，键的尺寸为。4.7轴承的选用及计算 4.7.1轴承的选用 滚动轴承被广泛的用于现代机器当中。它主要依靠滚动体的接触来支撑转动零部件。较滑动轴承，滚动轴承摩擦力非常小，消耗的功率少，易于启动等优点。现在我们常用的绝大部分都是标准化滚动轴承，因此使用滚动轴承时，只需根据具体工作条件、承受载荷的大小、正确选择轴承的类型和尺寸。并且验算轴承的承载能力。以及轴承的安装与调整，润滑与密封等有关问题。 考虑到轴的加工时各方面都会有误差的出现，会直接传递加工误差，它可以同时承受径向载荷及轴向载荷，二级传动为蜗轮蜗杆传动，在此过程中需要要承受较大的轴向力，因此中间需选用单列圆柱滚子轴承和单向推力球轴承，其轴承代号分别为：nu203和51104；在心轴级传动时，选择单列圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承，其型号分别为：n206e、30205。 4.7.2轴承载荷计算 蜗杆轴主要由圆柱滚子轴承和单向推力球轴承承担轴向载荷和径向载荷，需要对轴承的寿命进行大致的计算：蜗杆轴承寿命计算： （1)由简明机械设计手册表13-17，得圆锥滚子轴承30205。，（2）由机械设计查表得：（3）计算轴承反力及当量动载荷：在h平面内轴承所受得载荷 在v平面内轴承所受得载荷 所以轴承所受得总载荷：由于基本只受轴向载荷，所以当量动载荷：（4）已知预期得寿命 10年，两班制，则基本额定动载荷：。所以轴承30206安全的，所选轴承合格。绘制的零件图如下： 图4-17 单向推力球轴承图4-18 圆锥滚子轴承4.7.3滚动轴承的配合 因为滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔与轴的配合采用基孔制配合，即以轴承内孔的尺寸作为基准；轴承外径与箱体的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸作为基准。4.8蜗杆蜗轮传动间隙消除设计在本次课题设计中，齿轮传动的传动精度主要依靠齿轮的加工制造精度和安装定位精度