毕业设计（论文）-曲轴中心孔加工机床设计——数控摇台部件设计.doc

学生姓名专业班级指导教师工作单位机械制造及其自动化设计(论文)题目曲轴中心孔加工机床设计数控摇台部件设计设计（论文）主要内容： 曲轴中心孔加工机床设计总体参数及总体布局设计、数控摇台部件设计及主要零件设计要求完成的主要任务及其时间安排:1. 总体方案及布局方案、开题报告；2. 机床总体设计； 3. 数控摇台部件； 4. 主要零件设计；5. 外文翻译；6. 说明书；说必读参考资料：1. 实用数控机床技术手册2. 机床设计3. 机床设计手册 第一册：上、下4. 机床设计手册 第二册：上、下5. 机床设计手册 第五册：上、下6. 金属切削机床设计简明7. 机床设计图册8. 机械设计手册指导教师签名： 教研室主任签名： 毕业设计(论文)开题报告题目曲轴中心孔加工机床设计数控摇台部件设计1目的及意义（含国内外的研究现状分析）：曲轴是汽车、拖拉机发动机中最重要而且承受负荷最复杂的零件，被称为发动机的心脏，其性能好坏直接影响汽车的寿命，国内、外对其研究开发都很重视。在加工工艺方面，由于国外大多采用了先进的数控设备，而国内人多以手动设备为主，精度就比较差，这就要求我们在实际设计加工工艺的过程中充分考虑各方面的因素，在借鉴国外先进的工艺方案的同时充分考虑现有设备资源的利用和改造，达到少投入，大收益的目的。目前国内曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及拐颈，工序的质量稳定性差，容易产生较大的内应力，难以达到合理的加工余量。一般精加工采用mq8260等曲轴磨床粗磨-半精磨-精磨-抛光，通常靠手工操作，加工质量不稳定。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸数(直列式发动机)。曲轴的形状和曲拐相对位置(即曲拐的布置)取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。安排多缸发动机的发火顺序应注意使连续作功的两缸相距尽可能远，以减轻主轴承的载荷，同时避免可能发生的进气重叠现象。作功间隔应力求均匀，也就是说发动机在完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都应发火作功一次，而且各缸发火的间隔时间以曲轴转角表示，称为发火间隔角。四行程发动机完成一个工作循环曲轴转两圈，其转角为720，在曲轴转角720内发动机的每个气缸应该点火作功一次。且点火间隔角是均匀的，因此四行程发动机的点火间隔角为720/i，(i为气缸数目)，即曲轴每720/i，就应有一缸作功，以保证发动机运转平稳。在加工工艺方面，由于国外大多采用了先进的数控设备，而国内人多以手动设备为主，精度就比较差，这就要求我们在实际设计加工工艺的过程中充分考虑各方面的因素，在借鉴国外先进的工艺方案的同时充分考虑现有设备资源的利用和改造，达到少投入，大收益的目的。而数控摇台的设计主要作用就是是曲轴在被加工的过程中能够有更加精准的定位，从而达到更高精度的加工效果，实现曲轴中心孔的加工过程。开环数控摇台工作原理是由步进电机按指令脉冲的要求来确定数控转台的回转方向、回转速度、回转角度。数控摇台的脉冲当量是指数控摇台每个脉冲所回转的角度(度脉冲)，有的小到0.001脉冲，有的大到2脉冲。设计时可根据加工精度的要求和数控摇台的直径大小来选定。一般加工精度愈高，脉冲当量选的愈小；数控摇台的直径愈大，脉冲当量应选得愈小。但是也不能盲目的追求过小的脉冲当量。闭环数控摇台的结构与开环数控摇台台大致相同。其区别在闭环数控转台有转动角度的测量元件(圆光栅或圆感），所测量的结果反馈回去与指令值进行比较，按闭环原理进作，使摇台台定位精度更高。有一些数控转台上，采用伺服电机轴端带测速发电机和旋压器，或带脉冲编码盘，直接反馈电机轴的转速和角位移，为半闭环控制。我选择了光栅反馈的闭环数控摇台系统。2基本内容和技术方案：2.1基本内容 曲轴中心孔加工机床设计总体参数及总体布局设计、数控摇台部件设计及主要零件设计2.2主要问题设计加工中心回转工作台时，应考虑合理的布局，在满足功能的前提下，降低成本，同时要使工作台的结构尽量简单，装配容易。摇台大部分是由电机，蜗轮蜗杆传动，编码器，光栅尺（如果是闭环会配备），组成，结构不是很复杂。毕业设计中的主要问题是蜗轮蜗杆传动部件的设计选择以及数控摇台的整体布局。3进度安排：1.153.09 读书笔记2.144.17 论文大纲（初步方案设计，草图绘制，必要的初步设计计算）3.103.26 开题报告（资料收集、调研，完成开题报告）3.263.28 外文翻译4.185.18 论文初稿（完成结构改进设计方案，主要图纸工作和设计计算工作）6.016.15 论文终稿、提交（完成正式图纸及设计说明明书撰写工作4指导老师意见： 指导教师签名： 年 月 日郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 日期： 2010-6-1 目录摘 要1abstract11绪论21.1研究背景及研究意义21.2国内外研究现状31.3本课题主要研究内容和研究思路41.3.1数控摇台简介及加工特点41.3.2数控摇台基本结构与组成42曲轴中心孔加工机床总体设计52.1 机床设计要52.2 机床必要动作分析52.3 总体方案的分析62.4 具体方案的设计62.5 机床初始参数的拟定72.6 机床布局形式的确定83数控摇台主要机构零件的选择和特点93.1数控摇台底座的设计和特点93.2数控摇台与数控转台的连接部件设计103.3数控摇台驱动副的选择与特点103.3.1蜗杆传动的类型选择113.3.2减小传动间隙的双程蜗杆传动原理和特点113.4电机的选择和特点134双导程蜗杆蜗轮的参数选择和验算134.1双导程蜗杆蜗轮的结构原理134.2双导程蜗杆蜗轮参数的设计与计算154.2.1材料的选择154.2.2基本参数的确定164.2.3蜗杆蜗轮验算195左右转台轴的设计与计算205.1轴的材料与设计主要问题205.2轴的初步计算与选择205.2.1初步估算轴径205.2.2轴的结构设计215.2.3轴的强度验算226数控摇台有关部位的介绍和特点236.1闭环结构方案设计236.2数控摇台的锁紧236.3电机的固定246.4摇动部分的润滑与密封。24参考文献24致谢24摘 要介绍一种新型的数控摇台的工作原理及结构特点，使用时，工作台固定在直线进给工作台的v形槽内，不用时，即可拆下，工作台可以由几台数控机床共用，其结构具有适应高温和装配合理的特点，能够实现回转轴与摆动轴的两坐标定位。在组合机床以及高速加工中心中有着广泛的应用。详细分析和说明了双回转工作台的作用、构造、工作原理和设计过程，设计中采用了先进的伺服电机作为数控摇台的驱动电机，使摇台回转控制的角度位置更加准确精准，驱动轴尾部装有光栅，能够反馈工作台回转的角度和位置，帮助提高工作台的回转精度。关键词： 关键词1 数控摇台；关键词2 原理结构；关键词3 摆动轴 abstracta new type of nc rotary table works and structural characteristics, use, table fixed in the linear feed of the t-slot table, when not in use can be removed, the table can be shared by a number of cnc machine tools its structure has to adapt to high temperatures and assembly reasonable, and can achieve rotary and oscillating axle positioning the two coordinates. in the combination of machine tools and high-speed machining center has a wide range of applications.detailed analysis and description of the role of the double rotary table, structure, working principle and design process, design of servo motor using advanced numerical control roll station as the qudong motor, shi rock station rotary control of jiaodu weizhigengjia accurate precision, drive shaft tail with grating feedback table to the angle of rotation and position of the rotary table to help improve accuracy. key words: nc rotary table；principle structure；oscillating axle ；gis 1绪论1.1研究背景及研究意义曲轴是发动机的心脏零件，在发动机运转过程中，曲轴受到周期性变化的燃气压力、往复惯性力、旋转运动的惯性力及力矩作用。这些力和力矩的共同作用使曲轴受到复杂的交变应力，由于扭转振动和弯曲振动容易造成疲劳破坏，这就要求曲轴必须有足够的强度、刚度及良好的平衡性。曲轴具有结构复杂、刚性差、加工表面多、技术要求高的特性，加工工艺较为繁杂，其加工质量将直接影响到发动机的技术性能及寿命。因此，各工业发达国家十分重视曲轴的生产，以提高其性能水平，满足发动机行业的需要。近几年来，国内曲轴加工发展十分迅速。曲轴的加工中心孔，起着曲轴各道工序加工定位基准作用，因此中心孔的定位直接影响产品的质量，中心孔位置的确定至关重要，关系到该工件是否具有适当的加工余量，在批量生产中这个问题的处理更具经济意义。为了寻求各种曲轴毛坯以及其它种类零件的最佳加工基准，本课题提出了一种全新的曲轴毛坯初始加工基准的加工寻位方式：即在机器视觉的基础上， 运用三维重构技术在计算机中所生成的曲轴毛坯模型与最终所要加工成形的曲轴产品进行相关匹配，获得曲轴初始加工基准的最佳定位点，从而更快更好地对曲轴进行后续整体加工制造。本论文所研究开发的方法和技术，不要求曲轴在机床上占有唯一正确的位置，因而也无须设计制造使用专门的夹具或无须人工测量找正曲轴毛坯，只需将曲轴依加工方位任意夹紧在机床上就能正确地进行曲轴的数控加工，即“夹紧一寻位一加工这一新的操作模式。这种全新的曲轴初始基准寻位方案将使得目前数控加工仅仅实现的切削过程的数字化(数字程序控制)扩展到包含曲轴毛坯安装找正、机床调整和切削过程的数字化，从而实现在数控机床上进行的曲轴毛坯加工过程的全面数字化。该项目的研究将解决目前数控加工曲轴中存在的，采用夹具安装工件所带来的生产准备时间长、成本增加、柔性低的问题，采用人工测量找正安装曲轴带来的辅助时间长、安装效率低、安装精度不易保证的问题，以及曲轴毛坯后续加工中加工余量的均布问题。1.2国内外研究现状曲轴属于细长类零件，加工过程中主要定位基准是两端中心孔，按其加工位置可分为两种：一种是利用双v型块或其它方式找出曲轴支承轴颈的几何中心，在此中心上加工出的中心孔称为几何中心孔；另一种是利用专门的质量定心机测出曲轴的质量中心，在此中心上加工出的中心孔称为质量中心孔。由于毛坯的几何形状误差和质量分布不匀等原因，一般两者并不重合。国内生产线中大多采用几何定心法，在两工位铣端面打中心孔机床上完成，但是利用几何中心孔作定位中心进行车加工或磨削加工时，工件旋转会产生离心力，不但影响加工质量，降低定心元件的使用寿命，而且在加工后剩余的动不平衡量较大。在后面的动平衡工序中需多次反复测量和去重才能达到要求，影响生产节拍，效率低，且会造成个别半成品报废。基于这种原因，国外大都采用了质量中心孔，利用专门设计的测试设备来测试质量中心，然后加工出中心孔，并且可将铣两端长度和加工质量中心孔合并为一道工序，采用cnc技术控制，加工效率很高。这样就基本上解决了由于采用几何中心孔而造成的问题。但值得一提的是若毛坯弯曲变形严重或质量严重分布不均匀。采用质量中心孔仍不能彻底解决上述问题。对目前国内外所采用的两种定心法进行比较，结论如下：(1)当曲轴毛坯质量较差时，质量中心与几何中心相差较远，如采用质量中心孔，则大部分毛坯在打完中心孔后，由于与几何中心孔相差较大成为废品，质量定心机变成了一台检测设备。(2)当曲轴毛坯加工余量较为均匀时，质量中心孔与几何中心孔基本重合，可以采用几何中心孔加工设备。由于曲轴生产线设备昂贵，在“八五”前，国内主要发动机制造厂大多将投资放在曲轴精加工机床上，如进口曲轴磨床、抛光机、动平衡机等，对曲轴粗加工尤其是轴颈的粗加工设备不够重视，这将造成曲轴在粗加工段产生较大的变形量，直接影响曲轴的最终加工精度，并严重影响引进的精加工设备的效率、精度性，部分厂家甚至对这些设备的精度产生怀疑，加工出的曲轴无法满足高质量发动机的配套需要。“八五”以后，各发动机制造厂及曲轴专业制造厂开始意识到这个问题，通过咨询考察，相继引进了一些曲轴的高效、高精度粗加工设备，如质量定心机、曲轴数控车床、曲轴内铣床、曲轴车拉(车一车拉)机床等。目前曲轴质量定心机的核心技术掌握在德国申克公司和美国平衡工程公司等手中，他们生产的设备是比较成熟的设备，不过国内的沈阳数控机床有限公司已成功的开发车曲轴质量定心机并应用于生产。在计算机视觉方面，国内外的研究非常活跃。在国内研究中，哈工大采用异构双目活动视觉系统实现了全自主足球机器人导航。将一个固定摄像机和一个可以水平旋转的摄像机分别安装在机器人的顶部和中下部，可以同时监视不同方位视点，体现出比人类视觉优越的一面；在国外研究中，nihon大学将双目视觉系统用于人体身高的测量。人体身高在交通售票系统、公园中游客使用娱乐设施甚至在发现犯罪嫌疑人方面都是重要的特征。他们在各种入口处安装两台摄像机，通过两台摄像机获取的图像的处理和匹配，利用成像的三角法则对人体身高做出了判断，而对于将计算机视觉应用于曲轴初始基准定位方面，在国内外的研究中还很少。1.3本课题主要研究内容和研究思路1.3.1数控摇台简介及加工特点 设计加工中心回转工作台时，应考虑合理的布局，在满足功能的前提下，降低成本，同时要使工作台的结构尽量简单，装配容易。下面就新开发的加工中心回转工作台进行简单的论述。 在数控机床上加工曲轴中心孔时，工作台除了需要沿着x坐标轴直线方向进给外，还需要有绕着x、y坐标轴方向圆周方向旋转。即在一个平动轴基础上增加两个转动轴，不仅可使刀具相对于工件的位置任意可控，而且刀具轴线相对于工件的方向也在一定范围内任意可控，使加工工具有以下特点：a. 可避免刀具干涉，加工复杂零件时，加工适应性广。b. 对工件上的多个空间表面可一次装夹进行多面、多工序加工，加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度 c. 对于直纹面类零件。可采用侧铣方式一刀成型，加工质量好、效率高 设置在机床身上的工作台可以环绕x轴回转。定义为a轴，a轴一般工作范围10。工作台的中间还设有一个回转台，可以环绕y轴回转，定义为c轴，c轴是360回转的。这种没置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低，特别是当a轴回转角度不大时，工件切削时不会对工作台带来很大的承载力矩。但一般工作台不能设计太大，承重不大。环绕y轴回转的即为转台，环绕x轴回转的即为摇台。 数控摇台的基本功用：第一，使工作台进行圆周进给完成切削工作；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。数控摇台由伺服电动机驱动，采用无级变速方式工作，所以定位精度完全由控制系统决定。1.3.2数控摇台基本结构与组成数控摇台是基于摇台底座基础上，在数控摇台机架上通过左右两个摇台轴与数控转台的连接带动数控转台的摆动，摇台轴的控制则由蜗轮蜗杆副驱动，摇台轴支撑起转台。而整个摇台底座通过导轨与机床连接，整个数控摇台设计的草图如图1-1： 图1-1 数控摇台设计草图所以主轴中心孔加工机床的摇台部件主要由摇台底座、左右两转台轴、蜗轮蜗杆驱动副以及伺服电机等组成。 2曲轴中心孔加工机床总体设计 2.1 机床设计要本机床的设计最主要是考虑零件在相对机床位置的任意性和机床加工动作的特殊要求，工作环境和效率要求等，还要考虑机床结构合理，占用小，工作可靠，经济成本等因素。本论文研究的曲轴中心孔专用钻床，起加工工件是任意放置在机床工作台上的，需要调整动力头或工作台的位置来适应加工孔的位置要求。（1）要求设备占用尽量小的空间；（2）要求机床能在水平面和垂直面内进行10的摆动调整，以保证动力头轴线与要加工的曲轴毛坯轴线重合；（3）要求机床在对曲轴毛坯进行加工前后能有足够的空间保证曲轴毛坯的上料及下料。2.2 机床必要动作分析传统的曲轴中心孔加工机床其主要运行动作可分为：主运动、进给运动。当进行曲轴中心孔加工时，由专用夹具将曲轴紧固在机床工作台上，两边钻头同时进行钻削加工。钻削加工时，钻头一边进行旋转切削，一边进行横向进给，其运动形式为：（1）中心孔加工机床的主运动为主轴的旋转运动；（2）进给运动为主轴的横向进给。本文研究的曲轴中心孔加工机床最主要的技术要求是：需要调整机床床身和动力头位置来适应加工孔的位置要求。这主要是由曲轴毛坯的位置特性和效率要求等因素所决定的。由于曲轴毛坯是以任意姿态放置在机床工作台上，放置其上后不能保证曲轴毛坯自身加工中心孔轴线与动力头轴线的重合度，这就需要改变传统曲轴中心孔加工机床的动力头或机床工作台的运动方式，以补偿曲轴任意放置引起的曲轴加工轴线与动力头轴线的不重合度。针对以上分析，我们的总体思路是把机床的运动方式分成动力头和工作台两部分，即两部分都可以运动。故对于该机床来说，其运动形式主要有：（1）动力头的横向进给运动；（2）平端面时工作台的纵向进给运动；（3）动力头为了补偿曲轴中心孔轴线高度而做的竖直移动；（4）工作台为了补偿曲轴毛坯的放置倾斜度而做的摇摆及旋转定位运动。2.3 总体方案的分析针对以上分析，我们得到了几套整体运动思路：工作台动的基本构思是，动力头只负责沿轴向的进给切削运动，而让整个工作台部分实现三个坐标轴方向的移动以及摇摆和旋转定位运动，由于工作台加上曲轴毛坯的质量很大，同时满足各个方向的移动所需的驱动力相应也很大，并且要求同时实现工作台机构的三个轴向移动及绕坐标轴的摆动对工作台的结构设计增加了很大的难度。故该方案难以实现。动力头动的基本构思是，完全由动力头单独运动来实现曲轴毛坯的对位加工，即由动力头实现空间中三个坐标轴方向的移动以及摇摆和旋转运动，这就要求动力头所在床身要有复杂地运动，对机床动力头结构的设计来说难度很大，特别是摇摆和旋转运动，完全由动力头来完成不易实现。组合运动的基本构思是，分别调整动力头和工作台的位置，由两者进行相关运动，使曲轴毛坯中心孔与动力头准确对位，方便动力头对曲轴毛坯的加工。该方案的特点是不再需要动力头或工作台单独运动来实现曲轴毛坯的对位加工，以致增加各自结构设计的复杂性，将所需的对位运动分解到两个部件来承担，若分配合理不仅占用空间小、传动链短，且加工精度也能很好保证。故选用组合运动方案。2.4 具体方案的设计选定组合运动方案后，就要对具体的运动方案进行设计及比较，以满足曲轴毛坯的中心孔定位加工要求。为了实现动力头对曲轴毛坯中心孔的精确定位加工，需要机床提供沿三个轴向的移动及摇摆和旋转运动，即沿x、y、z三个方向的移动和绕x、y方向的转动。 对于沿x、y、z三个轴向的移动，可以分散到工作台、立柱和主轴箱上，由三个部件分别运动来满足，这样每个部件都分担到相差不多的负载，系统的结构也比较简单。剩下两个运动则是本设计的重点如何调整动力头和工作台的转动以补偿曲轴任意放置引起的曲轴加工轴线与动力头轴线的不重合度。在这两个转动中，绕y轴的转动，即在水平面内的摆动由工作台来实现较为容易，由于本机床的动力头为两端设置，即两个动力头同时加工，若用动力头来实现绕y轴的转动需调节两个动力头的摆动，而对于工作台来说，只需使用常见的旋转工作台即可实现该运动要求。故绕y轴上的摆动可完全由工作台来完成。剩下绕x轴转动的几个方案分析如下：（1）立柱动方案的基本构思是，底座固定不动，立柱及其上整个机床部分作为一个整体与底座活动连接，使其在水平面内轻微摆动。由于机床整机除开底座后的部分质量很大，而此方案中是对整个该部分进行微调以连带达到钻头微调的目的，对实现该目的的装置要求较高。并且位置调好后，还要对该部分进行牢靠的固定以保证加工稳定性，以及微调精度如何保证等，引出了一系列的问题。（2）主轴箱动：是指机床除了主轴箱以外的其它部分不摆动，通过单一的对主轴箱轴线的微调来实现动力头轴线与曲轴毛坯轴线的对位加工。主轴箱相对于机床其它部分来说，无论是其质量还是体积均较小，且在机床上的布置空间也较偏，这就使得在直接对其进行微调时，对机床其它部分的正常运行基本上不会产生影响。但是由于主轴箱还要负责y方向的移动，结构已比较复杂，再要对其实行改动以达到设计要求基本不可。（3）工作台动：立柱和主轴箱都不动，仅仅是工作台在绕x轴转动。这就需要在转台的基础上再加装一个摇台，虽然看上去结构比较复杂，甚至不如以上两种方案，但由于转台和摇台的技术都已相当成熟，将两者加在一起，不仅不会使结构复杂，而且减少了因为分开而占用的空间，使机床整体看起来简洁，精度也不会受到影响。综合考虑，选择方案（3）。2.5 机床初始参数的拟定对于本机床的参数确定可参照沈阳机床厂的suc8116a型锪端面转中心孔机床的主要参数。该机床主要参数如下：图2-1 机床参数2.6 机床布局形式的确定经过收集分析国内外各种卧式车床及铣床的布局，确定如下布局方案：1. 立柱在床身上做z方向的移动；2. 工作台包含数控摇台和数控转台，可做x方向的移动；3. 正挂式主轴箱在立柱上做y方向的移动。根据以上布局形式的初步确定，运用proe三维软件做出布局造型如下：图2 机床布局方案3数控摇台主要机构零件的选择和特点3.1数控摇台底座的设计和特点设计数控摇台时，应考虑合理的布局，在满足功能的前提下，降低成本，同时要使工作台的结构尽量简单，装配容易。因为被加工的曲轴在铣端面时，需要有沿着x轴方向的直线进给，因此整个数控摇台可以选择三角形与矩形导轨配合的方式放置在机床底座上，摆动部分则由左右两转台轴带动，因此整个数控摇台具有夹具式特点的工作台，具有两大特点：a. 使用时，工作台如夹具固定在直线进给工作台的三角形与矩形槽内，不用时，即可拆下，工作台是一个独立体。b 便于保证装配精度的特点。考虑到需要加工的曲轴大多是直径5001000，继而数控转台的长度与宽度在900，考虑设计时尽量降低成本、满足功能的前提下，尽量的缩小摇台的尺寸，数控摇台的材料为th200。3.2数控摇台与数控转台的连接部件设计考虑到数控转台的特点是通过传感副驱动整个转台环绕y坐标轴旋转，而数控摇台的作用是驱动整个数控摇台环绕x坐标轴10旋转，从而实现曲轴加工时的方位调整，因此设计时通过左右两根摇台轴与数控摇台的连接起到支撑作用，而摇台轴与转台的固定则需要在摇台轴上锻造一个与法兰盘一样结构的凸起轴臂，通过安放在轴臂四周的左右一起八个螺钉连接来固定摇台轴与数控转台而数控摇台的驱动副带动转台轴的转动，从而实现整个数控转台环绕x坐标轴的旋转。设计草图如下: 图3-1 数控摇台与数控转台连接示意图两根摇台轴通过圆锥滚子轴承放在摇台底座两侧，为了保证整个数控转台现实环绕x坐标轴方向的环绕，数控摇台底座的上表面需要与数控转台有一定的间隙，因而数控摇台驱动副带动左右两根摇台轴跟数控转台一起转动。3.3数控摇台驱动副的选择与特点数控摇台驱动副的选择是蜗杆传动，蜗杆传动是传递空间两交错轴之间的运动和转矩的一种机构，蜗杆传动具有结构紧凑，传动比大，传动平稳，振动、冲击和噪声均很小，在一定的条件下具有自锁性等特点。3.3.1蜗杆传动的类型选择 按蜗杆分度曲面的形状不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥面蜗杆传动三大类。如下图：图3-2 蜗杆传动类型其中环面蜗杆传动具有高效率（8590）、承载能力强（为普通蜗杆传动的24倍）的特点，但制造工艺复杂，国内应用还不够广泛，但在发达国家，它已成为动力蜗杆传动的主要形式。锥面蜗杆，在美国由于有专业工厂成批生产，积累了较丰富的经验，解决了制造上许多难点，但是在国内尚处于试制阶段，未得到广泛应用。而普通圆柱蜗杆传动中的阿基米德圆柱蜗杆（za蜗杆）具有加工简便等优点，在机械中应用最广，所以蜗杆传动类型的选择为za蜗杆。图3-3 阿基米德圆柱蜗杆3.3.2减小传动间隙的双导程蜗杆传动原理和特点 蜗轮蜗杆传动机构由于传动比大等特点在机械传动及伺服驱动系统中有着广泛的应用。在某些机械传动系统中，特别是伺服驱动系统中，对间隙的要求越来越严格，通常要求零间隙传动，这是因为传动间隙对伺服控制系统而言直接影响到启动及反向控制精度。为了改善蜗轮蜗杆传动间隙，可采取双导程蜗杆调隙法，以及改变蜗轮蜗杆的中心距法，但后者的结构较复杂，并且要有足够的实施空间，因此使用范围受到限制。因此采用双导程蜗杆传动更为方便。 一：双导程蜗杆传动的原理双导程圆柱蜗杆传动的工作原理与普通圆柱蜗杆传动没有本质上的不同。在沿蜗杆轴的中心剖面内，同样的蜗杆齿形相当丁齿条，蜗轮相当于与它啮合的齿轮。双导程蜗轮杆传动与普通圆柱蜗轮蜗杆传动的区别在于：双导程圆柱蜗杆(包括蜗轮)的左右齿面具有不相等的导程，而同一侧齿面的导程则相等。假如沿着双导程圆柱蜗杆的分度圆柱展开，其左右齿面上的螺旋线如图3-4所示。从图中可以看出，蜗杆的两个齿面(即左齿面与右齿面)上有两个不相等的导程，导致了蜗杆的轴向齿厚沿其轴线从一端到另一端按一定的比例增大(或者减小)，而与双导程圆柱蜗杆啮合的蜗轮齿厚均相等。这样，当蜗杆沿轴向移动时，它们之间的啮合侧隙也随之改变。当一对双导程蜗轮副运转很长时间后，因磨损造成齿面啮合侧隙加人而破坏了运动的平稳性，此时，将双导程圆柱蜗杆沿齿厚减簿的方向位移一段轴向距离，啮合侧隙则随之减小或完全消除，随之恢复了运动的平稳性，而无须增加新的结构或改变中心距。这就是双导 圆柱蜗杆传动的工作原理。双导程蜗轮副的啮合原理与一般蜗轮副的啮合原理相同。蜗杆的轴向截面相当于基本齿条， 蜗轮则相当于与其啮合的齿轮。虽然蜗杆齿左右侧面具有不同的齿距（即不同的模数）， 但因同一侧面的齿距相同，故没有破坏啮合条件，当轴向移动蜗杆后，也能保证良好啮合。图3-4 左右齿面上的螺旋线二： 双导程蜗杆传动的特点：1. 啮合间隙可调整得很小。 根据经验，侧隙可调整至0.010.015，而普通蜗轮副一般只能达到0.030.08再小就容易咬死，因此双导程蜗轮副能在较小的侧隙下工作，对提高数控摇台的分度精度非常有利。2.普通蜗轮副是以蜗杆作径向移动来调整啮合侧隙，从而改变传动副的中心距。从啮合原理角度看，是不合理的。因为改变中心距会引起齿面接触情况变差，甚至加剧磨损，不利于保持蜗轮副的精度，双导程蜗轮副则是用蜗杆轴向移动来调整啮合侧隙，不会改变中心距。3.双导程蜗杆是用修磨调整环来控制调整量，调整准确，方便可靠，而普通蜗轮副的径向调整量较难掌握，调整时也容易产生蜗杆轴线歪斜。3.4电机的选择和特点为了保证曲轴加工的精度，则需要数控摇台摆动平稳，反应迅速，转角精准，而整个数控转台上面所需的夹具、工件等重量的不确定性，要求传动装置有一定的过载能力，因此选取交流伺服电机。伺服电动机在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或者转速，以带动控制对象，有控制信号输入时，伺服电动机就转动，没有信号时就停止转动。改变控制电压的大小和相位就可以改变伺服电动机的转速和转向，因此比普通电动机具有以下特点：一：调速范围广。伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。二：转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转。三：控制功率小，过载能力强，可靠性好。四：脉冲定位，精准而稳定，容易控制。值得注意的是蜗杆与电机连接的时候需要联轴器，而在安装一个刚性联轴器时要格外小心，特别是过度的弯曲负载可能导致轴端和轴承的损坏或磨损。在实际机械设计数控摇台的过程中，在选取所需的电动机时，需要选取参照大量同类摇台上的负载及受力参数，通过整理等到一个有效的线性表，去掉两级的少数参数，再计算大多数情况下的负载和受力来确定所需的电机型号，但是本次毕业论文设计条件有限，因此在参照了一些其它相关的数控摇台设计中所选取的电机后，选择了fancu交流伺服电动机，型号5s，输出功率0.75kw，最高转速nm=2000rmin。4双导程蜗杆蜗轮的参数选择和验算4.1双导程蜗杆蜗轮的结构原理双导程蜗杆蜗轮副与普通蜗轮副相比，在结构上主要表现在双导程蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的导程而同一侧的导程则是相等的。因为该蜗杆的齿厚从蜗杆的一端向另一端均匀地逐渐增厚或减薄，所以双导程蜗杆又称变齿厚蜗杆。故可用轴向移动蜗杆的方法来消除或调整蜗轮副的啮合间隙。双导程蜗轮副的啮合原理与一般蜗轮副的啮合原理相同。蜗杆的轴向截面相当于基本齿条，蜗轮则相当于与其啮合的齿轮。虽然蜗杆齿左右侧而具有不同的齿距(即不同的模数)，但同一侧的齿距相同，故没有破坏啮合条件，当轴向移动蜗杆后也能保证良好啮台如图4-1所示图中，实线表示变导程渐厚齿形，点化线表示标准齿形。 图4-1 双导程蜗杆轴向剖面齿形图蜗杆左、右齿面具有不等的轴向节距： （3-1） （3-2）式中 右侧轴向节距 左侧轴向节距 公称轴向节距，等于左右侧节距的平均值； 左右侧节距与公称节距的差值。相邻两齿厚之差为2，从中间某个齿开始，向一侧螺牙厚度依次递减；而向另一侧螺牙厚度则依次递增，中间某个齿的螺牙厚度定为标准值为，但各个齿厚中点的节距是不变的，都等于公称节距。由于左右侧节距是不变的，左右侧模数也不等。 （3-3） （3-4）式中 md右侧齿模数； mx 左侧齿模数； m0公称模数，等于左右侧模数的平均值； 左、右侧模数与公称模数的差值。图3-2为蜗轮中间剖面齿形图。公称分度圆直径d2和公称齿顶圆直径de2分别为： （3-5） （3-6）但是实际上两齿侧的模数是不同的，因此由这两个模数所决定的标准齿形如图中实线所示，其分度圆直径和齿顶圆直接分别为d2x=mxz2d2 （3-7）de2x=mx（z2+2）d2 （3-9）de2d=md（z2+2）de2 （3-10）蜗轮轮齿两侧的齿顶圆和齿根圆直径必须分别相同，都应等于公称齿顶圆和齿根圆直径。因此，把小模数侧进行正变能，把大模数侧进行负变位。这样蜗杆与蜗轮不但能正常相互啮合传动且还能调整相互啮合的侧隙。当蜗轮副磨损，传动间隙过大时，通过增减蜗杆两端的垫片使蜗杆轴向移动，从而达到调整间隙的作用。图4-2 蜗轮中间剖面齿形图 4.2双导程蜗杆蜗轮参数的设计与计算4.2.1材料的选择蜗杆采用45钢，表面高频淬火，硬度4555hrc，考虑到蜗轮转动带动整个数控摇台的摆动，精度要求非常高，载重也比较大，但是滑行速度较低，因此采用含锡量低的铸锡锌铅青铜（zcusn5pb5zn5）。4.2.2基本参数的确定参照机械设计蜗杆头数与蜗轮齿数的推荐值，蜗杆头数z1=1，传动比=50，则z2=150=50，电机输出功率为0.75kw，电机与蜗杆通过联轴器连接，传动效率为0.99，则蜗杆输入功率p=0.750.99kw=0.7425kw。蜗杆转速取为n1=250r/min，因此蜗杆上的转矩一：作用在蜗轮上的转矩t2蜗轮蜗杆传动效率二：载荷系数ka和许用接触应力、弹性系数的确定查机械设计表取ka=1，选取寿命系数，则许用应力由于铜蜗轮与钢蜗杆相配，得弹性系数三：确定公称模数及蜗杆蜗轮直径 参考机械设计普通圆柱蜗杆传动的基本参数表，选取所以选取公称模数，直径系数，蜗杆公称轴向节距和公称导程：选取顶隙，蜗杆公称分度圆、齿顶圆、齿根圆直径为：蜗杆公称分度圆柱上的螺旋升角为中心距为蜗轮公称分度圆直径和齿顶圆直径de2可以根据式（3-5）和（3-6）计算根据机械设计蜗轮宽度和外径计算公式，齿宽b和外径为：所以取齿宽b=70，外径=426。四：双导程蜗杆传动副的特殊参数（1）齿厚增量系数双导程圆柱蜗杆轴向移动单位长度时的轴向齿厚变化量称为齿厚增量系数 。在双导程圆柱蜗杆传动的设计计算中是一个重要参数，是确定的原始数据蜗轮左右侧变位移距为图3-3 图4-3 双导程蜗杆蜗轮的啮合原理 为保证正确啮合，点不应该超出蜗杆的齿顶高，点不应该超出蜗轮齿顶高，即所以 对于的蜗杆，值可按下表选取0.0400.0320.0260.0230.020选择（2）模数差和两侧模数分别为（3）齿厚调整量 应该根据补偿制造误差和蜗轮允许的最大磨损量所形成的侧隙选取，选择（4）蜗杆的标准齿形角和蜗轮分度圆上的压力角 蜗杆轴向齿形角可以根据蜗杆公称分度圆柱上的螺旋升角按照标准选取，因此选取，以减少它对传动误差的影响。对于阿基米德蜗杆，蜗杆两侧面的轴向齿形角和蜗轮两侧的分度圆压力角都等于，公称分度圆上两侧面的压力角分别为（5）蜗杆螺旋线部分长度ll由啮合长度、调整长度和工艺长度组成，计算较为复杂，可用作图法求得。分别过左、右齿面啮合节点、分别作出左、右齿面啮合线 ，与蜗轮顶圆和蜗杆齿顶线分别相交，共产生四个交点。由4个交点引啮合线的垂线分别交于蜗杆左、右齿面节线，得左齿面啮合区长度及右齿面啮合区域长度，同理可得大模数齿面的、，分别比较两段数值较大的相加作为啮合长度，运用pro/e制图软件画出上述图形后测量啮合长度为：当s取为0.03时，应该把加在蜗杆的厚齿端一边。工艺长度螺旋部分中点处轴向齿厚：因此蜗轮蜗杆基本尺寸见下表：名称大小中心距a=240蜗杆的螺纹部分长度l=120蜗杆公称模数蜗杆头数蜗轮齿数传动比蜗杆直径系数齿顶高系数蜗杆公称轴向齿距蜗杆公称导程蜗杆轴截面齿廓压力角蜗杆分度圆柱导程角顶隙蜗杆公称齿顶高蜗杆公称齿根高蜗杆公称齿高蜗杆公称分度圆直径蜗杆公称齿顶圆直径蜗杆公称齿根圆直径蜗轮分度圆直径蜗轮齿顶圆直径蜗轮齿根圆直径蜗轮外径4.2.3蜗杆蜗轮验算一 ：蜗杆的刚度计算 蜗杆受力后，变形若太大将引起蜗杆牙上的载荷集中，通常将蜗杆的螺旋部分看作以齿根圆直径为直径的轴段，主要是校核弯曲刚度，最大弯曲扰度y可按下式计算：式中：、分别为蜗杆所受的圆周力和径向力； e蜗杆材料弹性模量； i蜗杆危险截面惯性距； 蜗杆两端支承的跨距； 最大许用挠度，一般取；为蜗杆分度圆直径。计算得，满足刚度要求。二：验算是是否会发生根切，因为大模数侧进行负变位，所以只验算大模数一侧，不发生根切的蜗轮齿数为所有参数满足要求。5左右转台轴的设计与计算5.1轴的材料与设计主要问题因为此处轴带动整个数控摇台的转动，载荷较大，无其他特殊要求，因而选用调质处理的45钢。由于数控摇台上工件不确定性，载荷与受力无法确定，因此弯矩无法求出，但是与蜗轮连接处的轴主要承受转矩，所以在进行转轴设计时，只能根据转矩强度或者经验公示估算出轴的直径，然后进行轴的结构设计，最后进行轴的强度验算。5.2轴的初步计算与选择5.2.1初步估算轴径扭转强度估算输出端的最小轴径，输出轴的功率p为电机输出功率0.75kw，分别为联轴器效率、蜗轮蜗杆啮合效率、平键效率，分别取为0.99、0.75、0.99。所以输出轴功率为根据公示,为轴的转速，等于蜗轮的转速，取为,输出轴最小直径：由于考虑到与蜗轮的连接需要平键，轴径应该增加5%，因为未考虑到弯矩的影响，整个转台的重量较大，所以先取相对一个较大的值，待整个轴设计完成后通过计算弯矩的验算，完成整个设计，故取=70。5.2.2轴的结构设计轴与蜗轮的定位采用平