基于PMAC运动控制卡的刀具刃磨中心车刀刃磨模块程序设计.doc

ee 基于 PMAC 运动控制卡刀具刃磨中心车 刀刃磨模块程序设计 ee ee 指导老师 ee 摘要 刀具是机械加工中重要的组成部分 是实现零件加工成形的主要工具 本设 计对车刀面建立数学模型 对车刀面的变换建立数学模型 完成机械系统设计 对 PMAC 运动控制卡进行开发 完成车刀的自动刃磨 本文以车刀刃磨加工数学模型为 基础 以PMAC 为核心运动控制器 进行模块程序设计 关键词 刃磨参数 数学模型 PMAC运动控制卡 模块程序设计 ee Based PMAC motion control card complete for tool sharpening center turning tool Sharpening module program design ee ee tutor ee Abstract Tool is an important component of machining And the primary tool for the parts This design is to built mathematical model of tool flat and transform mathematical model of tool flat And accomplish the design of mechanical system Use PMAC motion control card to accomplish tool sharpening with automatic In this paper it is based on the mathematical model to deal with the sharpening of Turning tool And use PMAC motion controller as the core to complete for module programming Key words Gear parameters Mathematical model PMAC Module Programming ee I 目 录 引 言 1 1 1 车刀刃磨参数分析 4 4 1 1 车刀基础知识 4 1 2 车刀的角度和主要作用 5 1 3 车刀各个角度对切削的影响 6 1 3 1 前角的功用及选择 6 1 3 2 后角功用及选择 8 1 3 3 主偏角的功用及选择 9 1 3 4 副偏角的功用及选择 10 1 3 5 刃倾角的功用及选择 10 2 车刀各刀面数学模型的建立 1212 2 1 车刀坐标系的建立 12 2 2 刀面方程 13 2 3 刃磨装置的数学模型 14 2 4 车刀的刃磨方法 17 3 车刀刃磨装置的总体方案设计 2121 3 1 刃磨装置的总体方案 21 3 2 传动系统的总体设计 24 3 3 刃磨运动特性分析 26 3 4 刃磨工艺过程 27 4 开放式数控系统 2929 4 1 开放式数控系统 30 4 1 1 开放式数控系统的定义和产生原因 30 4 1 2 开放式数控系统的发展 30 4 1 3 开放式数控系统 ONC 的特点 31 ee II 4 2 车刀刃磨设备控制系统设计 31 4 3 PMAC 可编程运动控制器简介 32 4 3 1PMAC 的主要性能及功能 32 4 3 2 PMAC Lite 硬件简介 33 4 3 3 PMAC 变量说明 34 4 3 4 PMAC 可执行程序 PEWIN 简介 35 4 4 IPC 和 PMAC 通信物理连接 36 4 5 IPC 和 PMAC 之间的通信方式 37 4 5 1PComm32Pro 简介 37 4 5 2 PComm32Pro 的加载方法及其内部函数的使用 38 4 5 3 PComm32Pro 中函数的分类 39 4 6 刀刃磨设备数控管理软件的体系结构和工作机理 40 5 车刀刃磨设备数控管理软件 上位机软件开发 4141 5 1 车刀刃磨设备数控管理软件功能设计 41 5 2 数控管理软件人机交互界面 MMI 设计 44 5 2 1 数控系统管理软件界面设计 44 5 2 2 数控系统管理软件界面创建 45 5 3 功能模块的实现 46 5 3 1 建立上位机和下位机之间的通讯模块 46 5 3 2 电机手动运行模块 47 5 3 3 电机运行状态参数监控模块 49 5 3 4 运动平台复位和定位模块 53 致谢 57 参考文献 5858 ee 1 引 言 刀具是金属切削加工工艺系统的重要组成部分 是实现零件加工成形的主要工具 其性能和质量直接影响机械加工的质量 效率和成本 为保证零件的加工质量 提高生产效率 降低加工成本 刀具在用钝后或根据加 工工件的不同需要重磨 重新刃磨 然后才能继续使用 刀具刃磨是刀具制造中最终 成形的加工阶段 刀具的形状 尺寸 各刀面及几何角等 都是由刀具刃磨来完成的 因此 刀具刃磨是刀具制造工艺过程的一个重要工序 其质量好坏对刀具的切削性能 和使用寿命起着关键的作用 随着机械制造技术向集成化 智能化等方向发展 其对刀具的材料及制造也提出 了更高的要求 如何实现刀具高精度 高效率 高可靠性和专业化 已成为未来机械 领域研究的主要课题之一 目前国内大部分厂家的车刀是在砂轮机上手工刃磨或在万能工具磨床上刃磨 手 工刃磨主要依靠于工人师傅的技能 刃磨质量取决于工人技术水平 刃磨精度难以保 证 在工具磨床上利用调整三向钳来刃磨 此种方法由于调整比较复杂 刃磨效率低 下 实际应用较少 所以 这两种刃磨方法有很大的弊端 急需要改进 近些年来 数控机床 加工中心以及柔性制造单元在加工领域中得到迅速普及 而这些先进的加工装备也只有依靠先进 精密的切削刀具才能充分发挥其加工性能 数控机床对刀具的几何形状精度 表面质量等要求很高 国内由于长期对工具技术重 视程度不够 刀具质量 刀具的加工水平与国外产品相比具有很大的差距 导致在引 进国外先进数控设备的同时也不得不引进配套刀具及刃磨设备 基于以上因素 研究目的就是要提高车刀的刃磨质量 降低制造成本 提高生产 效率 通过对车刀刃磨的数控研究 实现对车刀的自动刃磨 减少工人的工作强度 满足生产的需求 本课题主要对车刀的几何结构和刃磨方法进行分析 建立了车刀各 刀面的数学方程和运动方程 基于 PMAC 运动控制卡进行二次开发 控制刃磨的精度 设计一台基于 PMAC 为核心控制器的多轴联动的车刀刃磨设备 在实现过程中采用的控 制软件是 PMAC 自带的 PEWIN 在车刀刃磨以及其它形状刀具刃磨技术和数控研究方面 近些年来国内外专家作 了不少的研究工作 也开发出一些较先进刀具刃磨设备 ee 2 目前国外的工具磨床生产均采用数控万能工具磨床和 CNC 磨削加工技术 其主要 优 点有 一次装夹 定位 即可完成刀具所有加工表面的加工 能够很好的保证刀 具精度 数控万能工具磨床具有复杂运动控制能力 可以满足复杂形状刀具的加工要 求 通过改变加工程序就可以实现对不同类型 不同规格刀具的加工 采用先进 的自动检测装置和方法 有效的保证刀具的定位精度和加工精度 数控万能工具磨 床一般采用标准砂轮进行刀具的加工 降低修磨成型砂轮的成本 提高了加工效率 近几届的国际机床展览会上美国 德国 瑞典 瑞士等国都展出的多轴 五轴及 五轴以上 联动数控万能工具磨床都可以用来制造和刃磨各种刀具 德国从 Walter 公司的 HELITRONIC POER PRODUCTION CNC 工具磨床是一台生产型 PRODUCTION 五轴 CNC 工具磨床 可用于制造各种金属切削刀具 机床配有测量定位 系统 将测头固定安装在砂轮上 用于实现刀具定位 可缩短磨削周期 该机床采用 他 Walter 公司自己开发的专用数控系统 HMC500 及其软件 除了能提供各种通用刀具 磨削软件外 它还开发了一种新的灵活编程软件 通过该软件可以设计刀具 瑞士 SCHNEEBERGER 公司 GEMINI CNC 工具磨床是一台五轴 CNC 工具磨床 它主要 用于生产和修磨各种不同形状的小尺寸刀具 机床采用立柱移动式布局结构 刚性好 结构紧凑 精度高 同时配有自动测量系统 方便刀具的安装及磨削 它采用一个固 定安装的三维测头 既可用于测定刀具毛坯几何形状 在刀具修磨前测量又可用来保 证刀具磨削质量 它适合于磨削各类刀具 还包括有日本 株 宇都宫制作所开发生产的 SGR 003A 型全自动小直径刀具磨床 五 Z 轴五联动的 JUNGNER560CNC 工具磨床 美国 HUFFMAN 公司的 HS 87R 型数控工具 磨床 曰本牧野公司的 NX 40 型十轴数控工具磨床等都是技术先进 性能优越的数控 机床 国内在数控工具磨床的研究 开发方面起少较晚 可以说是从 80 年代中期开始的 其研究 开发还处于样机或单台极少量试生产阶段 近些年 我国已有几家在研制数 控工具磨床 取得了一些成就 通过以上刃磨设备的发展状况 不难看出数控刃磨是未来的发展方向 机械式刃 磨机 它的刃磨运动由齿轮和凸轮来实现 要在一个刃磨机上实现多品种多规格的工 具的刃磨 机床机构复杂 同时需要附带许多配件 即使这样也只能刃磨系列的产品 而不能刃磨用户随意要求的刀具 数控刃磨机的刃磨运动由数控轴运动合成 理论上可 以实现各种刃磨 调整简便 功能扩展容易 随着数控技术的日益发展 数控系统成 ee 3 本的下降 可靠性增强 开发 使用和维护越来越简单 其性能价格比将远远高于机 械式自动刃磨机 而且它更能适应未来市场小批量多品种多样化的需求 更有利于计 算机集成制造 1 车刀刃磨参数分析 1 11 1 车刀基础知识车刀基础知识 1 1 11 1 1 车刀的组成车刀的组成 车刀是由刀头 或刀片 和刀柄两部分组成 刀头部分担负切削工作 所以又称 切削部分 刀柄用来夹车刀 车刀的刀头由以下部分组成 1 前刀面 前面 刀具上切屑流过的表面 ee 4 2 后刀面 后面 与工件上切削中产生的表面相对的表面 分主后刀面和副 刀面 同前面相交形成主切削刃的是主后刀面 同前面相交形成的是副后刀面 图 1 1 车刀的组成 3 切削刃 刀具前面上拟作切削用的刃 4 主切削刃 起始于切削刃上主偏角为零的点 并至少有一段切削刃拟作用来 在工件上切出过渡表面的那个整段切削刃 主切削刃担负主要的切削工作 5 副切削刃 切削刃上除主切削刃以外的刃 亦起始于主偏角为零的点 但它向背离主切削刃的方向延伸 副切削刃配合主切削刃完成切削工作 6 刀尖 指主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃 为了提高刀尖强度 很多 刀具都在刀尖处磨出圆弧型或直线型过渡刃 圆弧过渡刃又称刀尖圆弧 一般硬质合金车刀的刀尖 圆弧半径 0 5 1mm e r 1 21 2 车刀的角度和主要作用车刀的角度和主要作用 车刀切削部分共有六个独立的基本角度 前角 主后角 副后角 0 0 主偏角 副偏角 刃倾角 o r k rk s 1 前角 前刀面与基面之间的夹角 在正交平面中测量 前角影响刃口 0 的锋利和强度 影响切削变形和切削力 增大前角能使车刀刃口锋利 减少切削变形 可使切削省力 并使切屑容易排出 2 后角 后刀面与切削平面之间的夹角 在正交平面中测量 副后面与 0 切削平面间的夹角则为副后角 后角的作用主要是减少后刀面与工件之间的磨 o 擦 ee 5 3 主偏角 主切削平面与假定工作平面间的夹角 在基面中测量 主偏 r k 角的主要作用是可以改变主切削刃和刀头的受力情况和散热条件 4 副偏角 副切削平面与假定工作平面间的夹角在基面中测量 副偏角 rk 的主要作用是减少副切削刃与工件加工表面之间的磨擦 5 刃倾角 主切削刃与基面之间的夹角 在主切削平面中测量 刃倾角 s 的主要作用是可以控制切屑的排出方向 当刃倾角为负值时 还可增加刀头强度和当 车刀受冲击时保护刀尖 刃倾角有正值 负值和零度三种 当刀尖是主切削刃的最高点时 刃倾角为正值 切削时 切屑排向工作待加工表面 车出的工件表面粗糙度较细 但刀尖强度较差 当刀尖是主切削刃的最低点时 刀倾角为负值 切削时 切屑排向工件已加工表面 容易擦毛已加工表面 但刀尖强度好 在车削有冲击工件是 冲击点先接触在远离刀 尖的切削刃处 从而保护了刀尖 每当主切削刃与基面平行时 刃倾角等于零度 切 削时 切屑基本上垂直于主切削刃方向排除 车刀除了上述六个基本角度外 还可以计算出两个常用的派生角度 6 楔角 前面与后面间的夹角 在正交平面中测量 它影响刀头的强度 o 楔角可用下式计算 90 式 o o o 1 1 7 刀尖角 主切削平面和副切削平面间的夹角 在基面中测量 它影响 r 刀尖强度和散热条件 刀尖角可以用下式计算 180 式 r r r 1 2 1 31 3 车刀各个角度对切削的影响车刀各个角度对切削的影响 1 3 11 3 1 前角的功用及选择前角的功用及选择 1 前角的功用 前角影响切削过程中变形和磨擦 又影响刀具的强度 它的作用主要有以下几方 面 a 影响切削区的变形程度 增大前角能减小切削变形 从而减小切削力及切削功 率的消耗 ee 6 b 影响刀具寿命 增大前角 可以减小切削力和切削热 使寿命提高 但是 如 前角过大 会使刀头部分体积减少 强度降低 易使刀具崩刃 反而是寿命降低 c 影响切削形态和切屑效果 减小前角 切削变形程度增大 也就是说切屑变得 又短又厚 容易断屑 d 影响已加工表面质量 增大前角 使切屑刃钝圆半径减小 切屑刃锋利 可以 减少已加工表面的硬化程度 也可以一直切屑瘤和减小振动 使已加工表面质量提高 2 前角的合理选择 a 在刀具材料韧性好时 可选用大的前角 如高速钢刀具比硬质合金刀具的前角 大 5 10 b 对于成形刀具来说 为减小刀具的截形误差 常用较小前角 甚至取前角为零 度 c 加工塑性材料时 尤其是加工硬化严重的材料 应选用较大的前角 加工脆性 材料时用较小前角 加工特硬材料时 可取负前角 d 粗加工 尤其是断续切削 为保证切削刃有足够强度 应选用较小前角 精加 工应增大前角以提高已加工表面质量 e 工艺系统刚性差和机动功率不足时 应选用较大前角 硬质合金刀具刃磨前角时的角度参考值可参考表 1 1 工件材料粗车精车 低碳钢20 25 25 30 中碳钢10 15 15 20 合金钢10 15 15 20 淬火钢 15 5 不锈钢15 20 20 25 灰铸铁10 15 5 10 铜及铜合金10 15 5 10 铝及铝合金30 35 35 40 钛合金5 10 表 1 1 硬质合金刀具刃磨前角时的角度参考值 1 3 21 3 2 后角功用及选择后角功用及选择 ee 7 1 后角的功用 后角是刀具上重要的几何角度之一 它的主要作用有 a 影响表面质量 增大后角在切削过程中可以减小主后面与过渡表面的弹性恢复 层之间磨擦 减小刀具磨损 提高已加工表面质量和刀具寿命 还可以减小刃口钝圆 半径 使刃口锋利 从而进一步减小磨擦 改善加工质量 b 提高刀具寿命 从新用到磨钝 后角大的刀具磨去的金属体积较多 即刀具投 入切削时间长 这也是大后角增大刀具寿命的原因之一 c 影响刀头强度 增大后角会使楔角减小 降低刃口强度 同时 散热体积变小 切削温度升高 过大的后角反而会使刀具的寿命降低 2 后角的合理选择 适当增大后角可以提高表面质量及刀具寿命 但后角过大反而会使刀具寿命降低 因此在一定切削条件下 同样存在一个是刀具寿命最大的合理后角 a 根据加工精度选择 精加工减小磨擦 后角较大 8 12 粗加工为 0 提高强度 后角较小 6 8 0 b 根据加工材料选择 加工塑性材料 尤其是硬化现象严重的材料 应取大后角 以减小磨擦 提高表面质量 加工脆性材料时 为加强切削刃 应取小后角 加工硬 度 强度高的材料 应取小后角 c 根据刀具类型选择 定尺寸刀具 如圆孔拉刀 铰刀 应取小后角以增加重 磨次数 延长刀具使用寿命 硬质合金车刀后角的参考值如下表所示 表 1 2 硬质合金车刀后角的参考值 ee 8 铝及铝合金8 10 10 12 钛合金10 15 1 3 31 3 3 主偏角的功用及选择主偏角的功用及选择 1 主偏角对切削过程的影响有以下几个方面 r a 影响已加工表面残留面积的高度 减小主偏角可以降低残留面积的高度 改善 已加工表面的粗糙度 b 影响主切削刃单位长度上的负荷 刀尖强度及散热条件 当背吃刀量和进 sp 给量 f 一定时 减小主偏角会使切削宽度 即切削刃参与切削的长度 增加 使作 d B 用在主切削刃单位长度上的负荷减轻 且刀尖角增大 刀尖强度提高 改善散热条件 c 影响切削分力的比例关系 减小主偏角会使进给力减小 背向力增大 f F p F d 影响断屑效果 当进给量不变时 增大主偏角 会使切削厚度 增大 切削变 得又短又厚 有利于断屑 2 主偏角选择的主要原则是 a 工艺系统刚度较好时 可以取得较小些 特别是加工冷硬铸铁 高锰钢等 r 高硬度 高强度材料时 为减轻刀刃负荷 增加刀尖强度 常取更小数值 30 10 的主偏角 b 工艺系统刚度不足 如车薄壁筒 细长轴 或刀具材料对振动敏感时 易取较 大主偏角 常取 75 甚至 75 以减小背向力 避免振动和变形 r r p F c 单件小批生产或加工带台阶和倒角的工件时 常选取通用性较好的 45 车刀或 直角台阶相适应的 90 车刀 1 3 41 3 4 副偏角的功用及选择副偏角的功用及选择 副偏角的作用是副切削刃及副后刀面与加工表面之间的磨擦 副偏角影响已加 r 工表面的粗糙度和刀尖的强度 减小副偏角 可减小残留面积高度 减小理论粗糙度 值 并能增大刀尖角 改善刀尖强度和散热条件 但副偏角过小时 会应增大磨擦和 背向力而引起振动 一般在不引起振动的情况下宜选取小值 精加工时应取更小 如精加工可取 5 甚至可取副偏角为 0 的修光刃 r ee 9 1 3 51 3 5 刃倾角的功用及选择刃倾角的功用及选择 1 刃倾角的功用 a 控制切屑的流出方向 应当注意的是如果是精车 最好取正值 这样可以使切 屑流向待加工表面 防止切屑缠绕 划伤已加工表面 b 影响切削刃锋利程度 当 0 斜角切削时 由于切屑在前刀面上流向的改 变 使实际工作前角增大 同时 使切削刃的实际刃口钝圆半径减小 起到是切削刃 锋利的作用 c 影响刀尖强度和散热条件 以图刨削加工为例 正刃倾角因刀尖位于最高点 冲击载荷首先作用在它上面 用以产生打刀 崩刃 负刃倾角则是远离刀尖的切削刃 先接触工件 使刀尖避免受冲击 起到保护作用 同时还是刀尖出强度提高 散热条 件好 刃倾角为零度时 切削刃各部分及刀尖同时切入切出 冲击力大 切削过程不 平稳 2 刃倾角的选择 a 根据加工要求选择 一般精加工时 为防止切屑划伤已加工表面 选取 0 5 粗车时 为提高刀具强度 0 5 b 根据加工条件选择 加工 s s 断续表面 加工余量不均匀表面或在其他产生冲击振动的切削条件下 通常取负的刃 倾角 2 电机选择电机选择 2 1 电动机选择电动机选择 倒数第三页里有东东 倒数第三页里有东东 2 1 1 选择电动机类型选择电动机类型 2 1 2 选择电动机容量选择电动机容量 电动机所需工作功率为 ee 10 w d P P 工作机所需功率为 w P 1000 Fv Pw 传动装置的总效率为 4321 传动滚筒 96 0 1 滚动轴承效率 96 0 2 闭式齿轮传动效率 97 0 3 联轴器效率 99 0 4 代入数值得 8 099 097 0 99 096 0 224 4321 所需电动机功率为 kWkW Fv Pd52 10 6010008 0 4010000 1000 略大于 即可 d P d P 选用同步转速 1460r min 4 级 型号 Y160M 4 功率为 11kW 2 1 3 确定电动机转速确定电动机转速 取滚筒直径mmD500 min 6 125 500 100060 r v nw 1 分配传动比 1 总传动比 62 11 6 125 1460 w m n n i 2 分配动装置各级传动比 取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比 03 44 1 01 ii 则低速级的传动比 88 2 03 4 62 11 01 12 i i i 2 1 4 电机端盖组装电机端盖组装 CAD 截图截图 ee 11 图 2 1 4 电机端盖 2 2 运动和动力参数计算运动和动力参数计算 2 2 1 电动机轴电动机轴 mN r kW n P T nn pp m d 81 689550 min 1460 52 10 0 0 0 0 0 2 2 2 高速轴高速轴 mN r kW n p T nn pp m d 09 68 1460 41 10 95509550 min 1460 41 10 1 1 1 1 41 2 2 3 中间轴中间轴 ee 12 mN rr kW n p T i n n ppp 6 263 2 362 10 10 95509550 min 2 362min 03 4 1460 10 1097 099 0 52 10 2 2 2 01 1 2 3200112 2 2 4 低速轴低速轴 mN r kW n p T i n n ppp 8 7359550 76 125 69 9 9550 min 76 125 88 2 2 362 69 9 97 099 0 10 10 3 3 3 12 2 3 3210223 2 2 5 滚筒轴滚筒轴 mN r kW n p T i n n ppp 720 76 125 49 9 95509550 min 76 125 49 9 99 0 99 069 9 4 4 4 23 3 4 4220334 ee 13 3 齿轮计算齿轮计算 3 1 选定齿轮类型 精度等级 材料及齿数选定齿轮类型 精度等级 材料及齿数 1 按传动方案 选用斜齿圆柱齿轮传动 2 绞车为一般工作机器 速度不高 故选用 7 级精度 GB 10095 88 3 材料选择 由表 10 1 选择小齿轮材料为 40Cr 调质 硬度为 280 HBS 大齿 轮材料为 45 钢 调质 硬度为 240 HBS 二者材料硬度差为 40 HBS 4 选小齿轮齿数 大齿轮齿数 取24 1 z76 9603 4 24 2 z 97 2 z 5 初选螺旋角 初选螺旋角 14 3 2 按齿面接触强度设计按齿面接触强度设计 由 机械设计 设计计算公式 10 21 进行试算 即 3 0 1 12 H EH d t t ZZTK d 3 2 1 确定公式内的各计算数值确定公式内的各计算数值 1 试选载荷系数1 6 1 t k 2 由 机械设计 第八版图 10 30 选取区域系数 433 2 h z 3 由 机械设计 第八版图 10 26 查得 则 78 0 1 87 0 2 65 1 21 4 计算小齿轮传递的转矩 mmNmmN n p T 108 6 1460 41 1010 5 9510 5 95 4 5 1 0 5 1 5 由 机械设计 第八版表 10 7 选取齿宽系数1 d 6 由 机械设计 第八版表 10 6 查得材料的弹性影响系数MPaZe8 189 7 由 机械设计 第八版图 10 21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极 限 大齿轮的接触疲劳强度极限 MPa H 600 1lim MPa H 500 2lim 13 计算应力循环次数 9 11 103 61530082114606060 h jLnN 91 2 1056 1 03 4 N N 9 由 机械设计 第八版图 10 19 取接触疲劳寿命系数 90 0 1 HN K 95 0 2 HN K ee 14 10 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 由 机械设计 第八版式 10 12 得 MPaMPa S KHN H 5406009 0 1lim1 1 MPaMPa S KHN H 5 52255095 0 2lim2 2 11 许用接触应力 MPa HH H 25 531 2 21 3 2 2 计算计算 1 试算小齿轮分度圆直径d t 1 4 0 3 1 21 tHE t d H K TZ Z d 324 86 0 1046 16 34 1046 167396 0 10738 121 3 9 56mm 2 计算圆周速度v0 sm ndt 78 3 100060 56 491460 100060 11 3 计算齿宽及模数 1 1 cos 49 56 t nt mm d m z 2mm z d m t nt 1 1 cos 24 14cos56 49 24 97 056 49 h 2 252 25 2 4 5mm nt m 49 56 4 5 11 01 h b 4 计算纵向重合度 0 318 1 24 tan 20 73 tan318 0 1z d 14 5 计算载荷系数 K 已知使用系数根据 v 7 6 m s 7 级精度 由 机械设计 第八版图 10 8 1 KA 查得动载系数 11 1 Kv 由 机械设计 第八版表 10 4 查得的值与齿轮的相同 故 KH 42 1 KH 由 机械设计 第八版图 10 13 查得 35 1 f K 由 机械设计 第八版表 10 3 查得 故载荷系数4 1 HH KK 1 1 11 1 4 1 42 2 2 HHVA KKKKK 6 按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径 由式 10 10a 得 ee 15 3 11 K dd t t K mm11 55375 1 56 49 6 1 2 2 56 49 3 3 7 计算模数 z d mn 1 1cos mm22 2 24 11 5597 0 24 14cos11 55 3 3 按齿根弯曲强度设计按齿根弯曲强度设计 由式 10 17 3 2 2 1 1 2 cos F SaFa d n YY z YT m K 3 3 1 确定计算参确定计算参数数 1 计算载荷系数 2 09 ffVA KKKKK35 1 4 111 1 2 根据纵向重合度 从 机械设计 第八版图 10 28 查得螺旋 903 1 角影响系数 88 0 Y 3 计算当量齿数 37 26 91 0 2424 14 24 97 0 coscos 333 1 1 z zV 59 106 91 0 97 14 97 coscos 33 2 2 z zv 4 查齿形系数 由表 10 5 查得 18 2 57 2 21 YYFaFa 5 查取应力校正系数 由 机械设计 第八版表 10 5 查得 79 1 6 1 21 YYSaSa 6 由 机械设计 第八版图 10 24c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 大齿轮的弯曲强度极限 MPa FE 500 1 MPa FE 380 2 7 由 机械设计 第八版图 10 18 取弯曲疲劳寿命系数 85 0 1 KFN 88 0 2 KFN 8 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S 1 4 由 机械设计 第八版式 10 12 得 ee 16 MPaMPa S F MPaMPa S F FEFN FEFN K K 86 238 4 1 38088 0 57 303 4 1 85500 0 22 2 11 1 9 计算大 小齿轮的 并加以比较 F YYSaFa 1363 0 57 303 596 1 592 2 1 11 F YYSaFa F YYSaFa 2 22 01642 0 86 238 774 1211 2 由此可知大齿轮的数值大 3 3 2 设计计算设计计算 mmmmmm mn 59 1 085 4 342 4 01642 0 65 1 88 0 8 610 2 2 3 3 2 3 2 2 4 97 0 24 14 cos 10 对比计算结果 由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 大于由齿面齿根弯曲疲 mn 劳强度计算 的法面模数 取2 已可满足弯曲强度 但为了同时满足接触疲劳强 mn 度 需按接触疲劳强度得的分度圆直径 100 677mm 来计算应有的齿数 于是由 73 26 2 14cos11 55 cos 1 1 m d z n 取 则 取 27 1 z 81 10803 4 27 2 z 109 2 z 3 4 几何尺寸计算几何尺寸计算 3 4 1 计算中心距计算中心距 a mm mzz n 2 140 97 0 136 14cos2 2 10927 cos2 21 将中以距圆整为 141mm ee 17 3 4 2 按圆整后的中心距修正螺旋角按圆整后的中心距修正螺旋角 06 1497 0 arccos 2 1402 2 10927 arccos 2 arccos 21 a mzz n 因值改变不多 故参数 等不必修正 k ZH 3 4 3 计算大 小齿轮的分度圆直径计算大 小齿轮的分度圆直径 mm mm mz d mz d n n 224 97 0 218 14cos 2109 cos 55 97 0 54 14cos 227 cos 2 2 1 1 mma dd 5 139 2 22455 2 21 3 4 4 计算齿轮宽度计算齿轮宽度 mmb d d 5567 551 1 圆整后取 mmmm BB 61 56 12 低速级 取 m 3 30 3 z 由88 2 3 4 12 z z i 取 4 2 88 3086 4 z 87 4 z mmm mm zd zd 261873 90303 44 33 mmmma dd 5 175 2 26190 2 43 mmmmb d d 90901 3 圆整后取mmmm BB 95 90 34 ee 18 表表 1高速级齿轮 计 算 公 式名 称 代号 小齿轮大齿轮 模数m22 压力角 2020 分度圆 直径 d 2 27 54 zd m 11 2 109 218 zd m 22 齿顶高 ha 221 21 m hhh aaa 齿根高 hf 2 1 21 cm chhh aff 齿全高h m chhh a 2 21 齿顶圆 直径 da 11 2 aa m dhz m hzd aa 2 22 表表 2低速级齿轮 计 算 公 式名 称 代号 小齿轮大齿轮 模数m33 压力角 2020 分度圆 直径 d 3 27 54 zd m 11 2 109 218 zd m 22 齿顶高 ha 12 1 22 aaamhhh 齿根高 hf 2 1 21 cm chhh aff 齿全高h m chhh a 2 21 齿顶圆 直径 da 11 2 aa m dhz m hzd aa 2 22 ee 19 4 轴的设计轴的设计 4 1 低速轴低速轴 4 1 1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p3 n3T3 若取每级齿轮的传动的效率 则 mN r kW n p T i n n ppp 842 7359550 76 125 69 9 9550 min 76 125 88 2 2 362 69 9 97 990 0 10 10 3 3 3 12 2 3 3210223 4 1 2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 4041014 44 N N N FF FF d T F ta n tr t 90814tan3642tan 1366 97 0 3639 0 3642 14cos 20tan 3642 cos tan 3642 404 10008 7352 2 4 3 圆周力 径向力 及轴向力 的 FtFrFa 4 1 3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 调质处理 根据 机械设计 第八版表 15 3 取 于是得 112 0 A mm n p Ad 64 47077 0 112 76 125 69 9 112 3 33 3 3 0min 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径 为了使所选的轴直径与联轴 d12 器的孔径相适应 故需同时选取联轴器型号 联轴器的计算转矩 查表考虑到转矩变化很小 故取 则 TKTAca3 3 1 KA mmNmmN TKTAca 6 9565947358423 1 3 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件 查标准 GB T 5014 2003 或手册 Tca ee 20 选用 LX4 型弹性柱销联轴器 其公称转矩为 2500000 半联轴器的孔径 mmN 故取 半联轴器长度 L 112mm 半联轴器与轴配合的毂孔 mm d 55 1 mm d 50 21 长度 mm L 84 1 4 1 4 轴的结构设计轴的结构设计 1 拟定轴上零件的装配方案 图 4 1 2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1 根据联轴器为了满足半联轴器的轴向定位要示求 1 2 轴 84 50 1212 mmmml d 段右端需制出一轴肩 故取 2 3 段的直径 左端用轴端挡圈 按轴端直径取 mm d 62 32 挡圈直径 D 65mm 半联轴器与轴配合的毂孔长度 为了保证轴端挡圈只压在 mm L 84 1 半联轴器上而不压在轴的端面上 故 1 2 段的长度应比 略短一些 现取 L1 mm l 82 21 2 初步选择滚动轴承 因轴承同时受有径向力和轴向力的作用 故选用单列圆锥滚 子轴承 参照工作要求并根据 由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙 mm d 62 32 组 标准精度级的单列圆锥滚子轴承 30313 其尺寸为 d D T 65mm 140mm 36mm 故 而 mm dd 65 7643 mmmm dl 82 5 54 6565 3 取安装齿轮处的轴段 4 5 段的直径 齿轮的右端与左轴承之间 mm d 70 54 采用套筒定位 已知齿轮轮毂的宽度为 90mm 为了使套筒端面可靠地压紧齿轮 此轴 段应略短于轮毂宽度 故取 齿轮的左端采用轴肩定位 轴肩高度 mm l 85 54 故取 h 6mm 则轴环处的直径 轴环宽度 dh07 0 mm d 82 65 hb4 1 取 mm l 5 60 65 4 轴承端盖的总宽度为 20mm 由减速器及轴承端盖的结构设计而定 根据轴承 ee 21 端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求 取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距 离 l 30mm 故取 mm l 57 40 32 低速轴的相关参数 表 4 1 功率 p3 kW69 9 转速 n3 min 76 125r 转矩 T3 mN 842 735 1 2 段轴长 l 21 84mm 1 2 段直径 d 21 50mm 2 3 段轴长 l 32 40 57mm 2 3 段直径 d 32 62mm 3 4 段轴长 l 43 49 5mm 3 4 段直径 d 43 65mm 4 5 段轴长 l 54 85mm 4 5 段直径 d 54 70mm 5 6 段轴长 l 65 60 5mm 5 6 段直径 d 65 82mm 6 7 段轴长 l 76 54 5mm 6 7 段直径 d 76 65mm 3 轴上零件的周向定位 齿轮 半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接 按查表查得平键截面 d 54 b h 20mm 12mm 键槽用键槽铣刀加工 长为 L 63mm 同时为了保证齿轮与轴配合 有良好的对中性 故选择齿轮轮毂与轴的配合为 同样 半联轴器与轴的连接 6 7 n H 选用平键为 14mm 9mm 70mm 半联轴器与轴的配合为 滚动轴承与轴的周向 6 7 k H 定位是由过渡配合来保证的 此处选轴的直径公差为 m6 4 2 中间轴中间轴 4 2 1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p2 n2T2 ee 22 mN rr kW n p T i n n ppp 6 263 2 362 10 10 95509550 min 2 362min 03 4 1460 10 1097 0 99 0 52 10 2 2 2 01 1 2 3200112 4 2 2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 1 因已知低速级小齿轮的分度圆直径为 mmmz d 140354 33 N N N FF FF d T F ta n tr t 35214tan1412tan 1412 97 0 3639 0 3765 14cos 20tan 3765 cos tan 3765 140 10006 2632 2 3 2 2 因已知高速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 3991333 22 N N N FF FF d T F ta n tr t 12314tan495tan 495 97 0 3639 0 1321 14cos 20tan 1321 cos tan 1321 399 10006 2632 2 2 2 4 2 3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 调质处理 根据表 15 3 取 于是得 112 0 A mm n p Ad 6 33027 0 112 2 362 10 10 112 3 33 2 2 0min 轴的最小直径显然是安装轴承处轴的直径 d12 ee 23 图 4 2 4 2 4 初步选择滚动轴承初步选择滚动轴承 1 因轴承同时受有径向力和轴向力的作用 故选用单列圆锥滚子轴承 参照工作 要求并根据 由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 标准精度级mm d 35 21 的单列圆锥滚子轴承 其尺寸为 d D T 35mm 72mm 18 25mm 故 mm dd 35 6521 mm l 8 31 65 2 取安装低速级小齿轮处的轴段 2 3 段的直径 齿mm d 45 32 mm l 8 29 21 轮的左端与左轴承之间采用套筒定位 已知齿轮轮毂的宽度为 95mm 为了使套筒端 面可靠地压紧齿轮 此轴段应略短于轮毂宽度 故取 齿轮的右端采用mm l 90 32 轴肩定位 轴肩高度 故取 h 6mm 则轴环处的直径 轴环宽度 dh07 0 hb4 1 取 mm l 12 43 3 取安装高速级大齿轮的轴段 4 5 段的直径齿轮的右端与右端轴 45 54 mm d 承之间采用套筒定位 已知齿轮轮毂的宽度为 56mm 为了使套筒端面可靠地压紧齿 轮 此轴段应略短于轮毂宽度 故取 mm l 51 54 4 2 5 轴上零件的周向定位轴上零件的周向定位 齿轮 半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接 按查表查得平键截面 d 54 b h 22mm 14mm 键槽用键槽铣刀加工 长为 63mm 同时为了保证齿轮与轴配合有 良好的对中性 故选择齿轮轮毂与轴的配合为 同样 半联轴器与轴的连接 选用 平键为 14mm 9mm 70mm 半联轴器与轴的配合为 滚动轴承与轴的周向定位是 由过渡配合来保证的 此处选轴的直径公差为 m6 中间轴的参数 表 4 2 功率 p2 10 10kw 转速 n2 362 2r min 转矩 T2 263 6mN 1 2 段轴长 l 21 29 3mm ee 24 1 2 段直径 d 21 25mm 2 3 段轴长 l 32 90mm 2 3 段直径 d 32 45mm 3 4 段轴长 l 43 12mm 3 4 段直径 d 43 57mm 4 5 段轴长 l 54 51mm 4 5 段直径 d 54 45mm 4 3 高速轴高速轴 4 3 1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p1 n1T1 若取每级齿轮的传动的效率 则 mN r kW n p T nn pp m d 09 68 1460 41 10 95509550 min 1460 41 10 1 1 1 1 41 4 3 2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 72243 11 N N N FF FF d T F ta n tr t 95 470249 038 189114tan38 1891tan 55 709 97 0 3639 0 38 1891 14cos 20tan 38 1891 cos tan 38 1891 72 100009 682 2 1 1 4 3 3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 调质处理 根据表 15 3 取 于是得 112 0 A ee 25 mm n p Ad 54 211 0924 1 112 13 7112 1460 41 10 112 3 3 33 1 1 0min10 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径 为了使所选的轴直径与联轴 d12 器的孔径相适应 故需同时选取联轴器型号 联轴器的计算转矩 查表 考虑到转矩变化很小 故取 则 TKTAca1 3 1 KA mmNmmN TKTAca 88517680903 1 1 按照计算转矩 应小于联轴器公称转矩的条件 查标准 GB T 5014 2003 或 Tca 手册 选用 LX2 型弹性柱销联轴器 其公称转矩为 560000 半联轴器的孔径mmN 故取 半联轴器长度 L 82mm 半联轴器与轴配合的毂孔长度mm d 30 1 mm d 30 21 mm L 82 1 4 4 轴的结构设计轴的结构设计 4 4 1 拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案 图 4 3 4 4 2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1 为了满足半联 轴器的轴向定位要示求 1 2 轴段右端需制出一轴肩 故取 2 3 段 的直径 左端用轴端挡圈 按轴端直径取挡圈直径 D 45mm 半联轴器与mm d 42 32 轴配合的毂孔长度 为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上 而不压在轴的端mm L 82 1 面上 故 段的长度应比 略短一些 现取 mm l 80 21 2 初步选择滚动轴承 因轴承同时受有径向力和轴向力的作用 故选用单列圆锥滚子 轴承 参照工作要求并根据 由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 mm d 42 32 标准精度级的单列圆锥滚子轴承 其尺寸为 d D T 45mm 85mm 20 75mm 故 而 mm mm dd 45 7643 mm l 75 26 87 75 31 43 l 3 取安装齿轮处的轴段 4 5 段 做成齿轮轴 已知齿轮轴轮毂的宽度为 61mm 齿 轮轴的直径为 62 29mm 4 轴承端盖的总宽度为 20mm 由减速器及轴承端盖的结构设计而定 根据轴 承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求 取端盖的外端面与半联轴器右端面间的 距离 l 30mm 故取 mm l 81 45 32 5 轴上零件的周向定位 ee 26 齿轮 半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接 按 查表查得平键截面 d 54 b h 14mm 9mm 键槽用键槽铣刀加工 长为 L 45mm 同时为了保证齿轮与轴配合 有良好的对中性 故选择齿轮轮毂与轴的配合为 同样 半联轴器与轴的连接 6 7 n H 选用平键为 14mm 9mm 70mm 半联轴器与轴的配合为 滚动轴承与轴的周 6 7 k H 向定位是由过渡配合来保证的 此处选轴的直径公差为 m6 高速轴的参数 表 4 3 功率