毕业设计（论文）-仪表刻线机工作台的结构设计.doc

济南大学泉城学院毕业设计 论文 I 目 录 摘要 I ABSTRACT II 1 前言 1 1 1 选题背景及意义 1 1 2 设计内容 1 2 设计方案 3 2 1 刻线机工作台总体结构设计 3 2 2 刻线机工作台结构设计 3 3 工作台主要参数的计算 6 3 1 减速器参数计算 6 3 1 1 分配传动比 6 3 1 2 各轴功率 转速和转矩的计算 6 3 1 3 减速器齿轮传动参数计算 7 3 1 4 减速器蜗轮蜗杆传动参数计 算 11 3 1 5 轴的设计计 算 14 3 1 5 润滑方式的选 择 20 3 2 棘轮参数计算 21 4 轴承及键的校核 22 4 1 轴承的校核 22 4 2 键的校核 24 结论 25 参考文献 26 致谢 27 附录 济南大学泉城学院毕业设计 论文 1 1 前言 1 1 选题背景及意义 1 刻线机是一种用刀刻或光刻方法在工件表面上加工精确等分的线纹的机床 刻 线机分为长刻线机和圆刻线机两类 每类都有普通和高精度两种 其中高精度刻线 机对使用环境有特殊要求 必须安装在恒温 20 0 05 0 5 室内 并 采取防尘 防振等措施 长刻线机 用来刻划有一定距离精度要求的平行线 纹 装有用来预调所需刻划线纹数的计数器 以及校正由丝杆 导轨和其他原因 引起的误差的校正装置等 由高精度丝杠控制分度 常用于刻制各种线纹尺 光 栅尺 感应同步器及游标卡尺等 圆刻线机 用于在圆柱面 圆锥面或圆形 平面上刻划有一定圆分度精度要求的线纹 普通圆刻线机用于刻制一般度盘 精 度为 1 高精度圆刻线机用于刻制各种光学分度头 光学回转工作台和经纬 仪等的度盘 还可刻制圆光栅盘 圆感应同步器和码盘等 分度精度为 0 2 2 普通圆刻线机大多用阿基米德蜗杆蜗轮副控制分度 蜗轮连同工 作台安装在高精度主轴上 高精度圆刻线机一般采用特高精度的球面蜗杆蜗轮副 主轴采用带锥度的滑动轴承 精度要求极高 随着科学技术的发展 有的刻线 机上采用了光栅或激光作为位置反馈元件 并采用光刻代替机械刻划 可在工作 台移动的情况下完成动态刻线 刻线精度大为提高 2 本次设计是对某一种设备上使用的刻度盘 设计一种专用刻度机 完成对刻 度盘的刻度加工 现在的普通机床目前来说在中国应用还是比较广泛的 普通机床 如果想要调节技术参数的话 都是人工按照圆刻度盘进行调节的 本次设计的刻线 机就是来完成对圆刻度盘的刻线加工 这种专用刻线机不但能大幅提高生产率 降 低成本 减轻工人的劳动强度 而且结构简单 易操作 还能很好的保证刻线的精 度要求 刻线机工作台的设计尤其重要 刻线深度 长度与精度的要求 都要靠工 作台来完成 1 21 2 设计内容设计内容 针对某一种设备上使用的刻度盘 设计一种专用刻度机 完成对刻度盘的刻度 加工 所需加工的刻度盘零件为圆盘形 圆盘直径为 120mm 每转过 1 度实现一条 刻线的刻度 刻线速度控制在 6 8 m min 刻线深度为 1mm 刻线长度不一 前四条 线为短刻线 随后为一中长刻线 再四条短刻线 第十条为一长刻线 长度分别为 6mm 10mm 14mm 每十条线为一循环 动力箱的设计应能满足这一循环动作的要求 刻线精度由工作台保证 一圈 360 度的累计精度不超过 0 4 度 本设计要求完成刻 线机工作台的结构设计 刻线机工作台的作用主要是把动力源的转动通过一系列的机构转化为有一定速 济南大学泉城学院毕业设计 论文 2 率的间歇转动 此机构包括偏心轮及曲柄 棘轮机构 变速箱等 此外工作台还有 固定被加工工件 调整刻线深度与长度的作用 刻线机工作台设计可大体分为三部 分 1 床身部分 床身部分主要作用是安装固定各种机械零件 2 传动部分 传动机构是工作台设计最重要的一项 主要由偏心轮 棘轮机构以及变速 箱组成 两线之间的角度及刻线精度组要由此部分保证 3 夹具部分 夹具主要用于被加工工件的固定 济南大学泉城学院毕业设计 论文 3 2 设计方案设计方案 2 1 刻线机工作台总体结构设计 如图 1 所示 刻线机总体结构由电动机 主传动箱 滑枕 工作台支架 偏 心轮 连杆 棘轮及减速箱构成 电动机 1 带动主传动箱 2 转动 主传动箱通过一 系列的机构控制偏心轮 3 及滑枕 4 的运动 主传动箱 2 内的机构使滑枕 4 作往复运 动 滑枕 4 上的刀具 5 完成刻线工作 偏心轮 3 连接连杆 6 连杆 6 控制棘轮 8 来 完成从匀速转动到间歇转动的运动转换 棘轮 8 带动减速箱 9 做间歇转动 减速箱 9 连接夹具 10 通过减速箱 9 的减速 夹具 10 做角速度为 1 的间歇转动 从而完 成整个刻线工作 1 电动机 2 主传动箱 3 偏心轮 4 滑枕 5 刀具 6 连杆 7 工作台支架 8 棘轮 9 减速箱 10 夹具 1 2 2 刻线机工作台结构设计 根据设计的要求 工作台设计最重要的是动力传动部分 如图 2 所示 电动 机的转动经过主传动箱传递到偏心轮 1 偏心轮 1 通过连杆 2 带动棘轮 4 将匀速转 动转化为间歇转动 间歇转动再通过减速箱 5 传递到夹具 6 通过这一系列的机构 就可以将转动变换为有一定速率的间歇转动了 济南大学泉城学院毕业设计 论文 4 1 偏心轮 2 连杆 3 棘爪 4 棘轮 5 减速箱 6 夹具 2 如图 3 所示 在这一传动过程中 偏心轮 1 带动连杆 2 做左右往复运动 当 连杆 1 向右运动时 棘爪 3 带动棘轮 4 转动 此时减速箱带动夹具转动 当连杆 2 向左运动时 棘轮 4 上棘爪 3 向右运动 弹簧挡块 5 阻止棘轮 4 转动 夹具不转动 此时是滑枕完成刻线工作 减速箱内的齿轮设置以适当的传动比 当棘轮每转动一 次 通过减速箱减速后 使工作台只转动一度 济南大学泉城学院毕业设计 论文 5 1 偏心轮 2 连杆 3 棘爪 4 棘轮 5 弹簧挡块 3 济南大学泉城学院毕业设计 论文 6 3 工作台工作台主要参数的计算主要参数的计算 3 1 减速器参数计算减速器参数计算 本工作台减速器采用二级减速器设计 第一级采用齿轮传动减速 齿轮传动具 有效率高 结构紧凑 工作可靠 传动比稳定等优点 第二级采用蜗轮蜗杆传动减 速 蜗轮蜗杆传动可获得较大传动比 传动平稳 啮合冲击小等优点 3 1 1分配传动比分配传动比 减速器的总传动比 i 360 3 32 33 75 分配两级传动 第一级齿轮传动 i 2 8125 第二级蜗轮蜗杆传动 i 12 3 1 2各轴功率 转速和转矩的计算各轴功率 转速和转矩的计算 1 轴 0 029 0 75 0 038kw 1 p min 375 9 1 rn 3 1 mN n p T 7 38 375 9 38 55 9 55 9 1 1 1 2 轴 kwp034 0 2 min 33 3 2 rn 3 2 mN n P T 5 97 33 3 10034 0 55 9 55 9 3 2 2 2 3 轴 kwp029 0 3 min 278 0 3 rn 3 3 mN n P T 1000 278 0 10029 0 55 9 55 9 3 3 3 3 济南大学泉城学院毕业设计 论文 7 各轴运动及动力参数 轴序号功率 P kw 转速 n r min 转矩 N m 传动形式传动比 0 0389 37538 7 齿轮 2 8125 0 0343 3397 5 涡轮蜗杆 12 0 0290 2781000 3 1 3减速器齿轮传动参数计算减速器齿轮传动参数计算 根据 机械设计 中所学的关于齿轮的计算进行设计 5 1 选定齿轮类型 精度等级 材料及齿数 1 选用直齿圆柱齿轮传动 2 此轴没有太高的要求 速度不高 故选用 7 级精度 GB10095 88 3 材料选择 小齿轮选用 40Cr 大齿轮选用 45 钢 4 齿数分别为 32 1 Z90 2 Z 2 按齿面接触强度进行设计 根据直齿圆柱齿轮的计算公式 3 4 2 3 1 1 12 H Eu d ZZ u uKT d 为区域系数 标准直齿轮时 代入上式得 u Z 20 5 2 u Z 2 3 1 1 1 32 2 H E d Z u uKT d 济南大学泉城学院毕业设计 论文 8 式中 K 载荷系数 小齿轮传递的转矩 1 弹性影响系数 单位为 E Z 2 1 aMP 齿宽系数 d 许用接触应力 H 3 5 1 2 Z Z u 由上式进行试算 即 2 3 1 1 1 32 2 H E d t t Z u uTK d 1 确定公式内的各计算数值 1 试选载荷系数3 1 t K 2 计算小齿轮传递的转矩 3 6 mmN n P T 9750 33 3 10034 0 55 9 55 9 3 2 2 2 3 选取齿宽系数 2 0 d 4 由表查得材料的弹性影响系数 2 1 8 189 aE MPZ 5 按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限 aHH MP550 2lim1lim 6 计算应力循环次数 N h njLN60 3 7 济南大学泉城学院毕业设计 论文 9 式中 应力循环次数N 齿轮转速n min r 齿轮每转一圈时 同一齿面啮合次数j 齿轮工作寿命 单位为 h Lh 将主轴箱的工作寿命定为 15 年 每年工作 300 天 两班制 则 hLh 4 102 71530082 74 11 1044 1 102 7133 3 6060 h jlnN 77 2 1095 0 5 1 1044 1 N 7 查表得接触疲劳寿命系数 88 0 1 HN K90 0 2 HN K 8 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 则由式1 S 3 8 S KN lim 式中 寿命系数 N K 齿轮的疲劳极限 lim 疲劳强度安全系数S a HHN H MP S K 484 1 55088 0 1lim1 1 495 1 55090 0 2lim2 2a HHN H MP S K 济南大学泉城学院毕业设计 论文 10 2 计算 1 试算小齿轮分度圆直径 代入中较小的值 t d1 H 2 3 1 1 1 32 2 H E d t t Z u uTK d mm 3 54 4848125 2 2 0 8 189 18125 2 97503 1 32 2 2 2 3 2 计算圆周速度v 3 9 100060 1 nd v lt sm 0095 0 100060 33 3 3 54 3 计算齿轮的宽度b 3 10 mmdb td 9 10 3 542 0 1 4 计算齿宽与齿高之比hb 模数 mmZdm tt 7 132 3 54 11 齿高 mmmh t 82 3 7 125 2 25 2 85 2 82 3 9 10 hb 5 计算载荷系数 根据 7 级精度 查得动载荷系smv 0095 0 15 1 v K 直齿轮 1 FH KK 按齿面接触疲劳强度计算时用的齿间载荷分配系数 H K 按齿根弯曲疲劳强度计算时用的齿间载荷分配系数 F K 查表知 使用系数 1 A K 查表得 7 级精度 小齿轮相对支承非对称布置时齿向载荷分布系数 1 423 H K 故载荷系数 1 1 15 1 1 423 1 636 3 11 HHVA KKKKK 济南大学泉城学院毕业设计 论文 11 6 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 得 3 12 mmKKdd tt 62 583 1 636 1 3 54 3 3 11 7 计算模数m 3 13 mmZdm81 1 32 62 58 11 就近圆整为标准值 2 mmm 3 几何尺寸计算 1 分度圆直径 mmmZd64322 11 mmmZd180902 22 2 中心距 mm dd a122 2 18064 2 21 3 计算齿轮宽度 mmdb d 8 12642 0 1 取 18 1 mmB 15 2 mmB 4 验算 3 14 N d T Ft 7 304 64 975022 1 1 3 15 100 8 23 8 12 7 3041 mmNmmN b FK tA 所以 符合设计要求 3 1 4减速器蜗轮蜗杆传动参数计算减速器蜗轮蜗杆传动参数计算 根据 机械设计 中所学的关于蜗轮蜗杆的计算进行设计 5 1 选择蜗杆传动类型 根据 GB T 10085 1988 的推荐 采用渐开线蜗杆 ZI 2 选择材料 济南大学泉城学院毕业设计 论文 12 考虑蜗杆传动功率不大 采用 45 钢 要求耐磨性好些 蜗杆螺旋齿面要求淬火 硬度 45 55HRC 涡轮用铸锡磷青铜 ZCuSn10Pl 金属膜制造 仅齿圈用青铜制造 轮芯用灰铸铁 HT100 制造 3 按齿面接触疲劳强度进行设计 先按齿面接触疲劳强度进行设计 在校核齿根弯曲疲劳强 度 传动中心距 3 16 3 2 2 1 确定作用在涡轮上的转矩 2 1000000 N mm 2 2 确定载荷系数 K 1 1 15 1 05 则 K 1 15 1 1 05 1 21 3 17 3 确定弹性影响系数 因选用铸锡磷青铜 160 1 2 4 确定接触系数 假设 得 1 0 35 2 9 5 确定许用接触应力 268Mpa 计算应力循环次数 N h njLN60 3 18 式中 应力循环次数N 济南大学泉城学院毕业设计 论文 13 齿轮转速n min r 齿轮每转一圈时 同一齿面啮合次数j 齿轮工作寿命 单位为 h Lh 将主轴箱的工作寿命定为 15 年 每年工作 300 天 两班制 则 hLh 4 102 71530082 74 11 1044 1 102 7133 3 6060 h jlnN 77 2 1095 0 5 1 1044 1 N 寿命系数0 953 8 1 1 44 255 6Mpa 6 计算中心距 a 158 6mm 3 1 21 1000000 160 2 9 255 6 2 取中心距 a 180mm 传动比 i 12 模数 m 6 3 蜗杆分度圆直径 63 1 此时 则 2 5 2 9 1 0 35 故以上计算结果可用 4 蜗杆蜗轮主要参数 1 蜗杆 蜗杆头数 4 1 轴向齿距 mm 19 782 齿顶圆直径mm 1 75 6 齿根圆直径 1 49 9 分度圆导程角 21 48 5 蜗杆轴向齿厚mm 9 891 济南大学泉城学院毕业设计 论文 14 蜗杆齿宽 b 106mm 2 蜗轮 蜗轮齿数 48 2 变位系数 2 0 4268 蜗轮分度圆直径 48 6 3 302 4mm 2 蜗轮喉圆直径315mm 2 蜗轮齿根圆直径287 3mm 2 蜗轮咽喉母圆半径mm 2 0 5 2 22 5 蜗轮宽度 B 75 6 0 7 53mm 5 校核齿跟弯曲疲劳强度 经校核 弯曲强度时满足的 6 精度等级公差 选择 8 级精度 3 1 5轴的设计计算 轴是组成机器的主要零件之一 它的主要功用是支承回转零件及传递运动和动 力 轴的结构设计包括轴的外形及全部结构尺寸的设计 另外还要对轴上零件进行 轴向和周向定位 轴上零件的轴向定位主要通过轴肩 套筒 挡圈 端盖及圆螺母 来完成 轴上零件的周向定位主要通过键 销 紧定螺钉来实现 其中紧定螺钉用 在传动力不大的地方 本次设计中共有三根轴 现分别对其结构及附件进行设计 根据 机械设计 中所 学的关于轴的计算进行设计 5 一 轴的设计 轴的材料为选择 45 钢 调质处理 1 轴上的功率 转速 转矩分别为 1 P 1 n 1 T 3 19 kWPP038 0 011 min 375 9 1 rnn 3 20 mmN n P T 387001055 9 1 16 1 式中 输入的功率 P 济南大学泉城学院毕业设计 论文 15 轴传递的功率 1 P 输入转速n 轴的转速 1 n 轴所受的扭矩 1 T 查得 118 A0 3 21 mm n p Ad82 14 375 9 038 0 118 33 0 2 求作用在齿轮上的力 已知 大齿轮齿数 其分度圆直径为90 Zmmd180 1 N d T Ft430 180 3870022 1 1 1 3 22 NFF tr 15620tan430tan 11 3 23 3 初步确定轴的直径 现在轴的最小径已确定 为了使所选轴直径与轴承孔径相适应 同时选轴承的型号 初选 滚动轴承 6005 GB T 276 1994 4 轴结构设计 6 具体结构如下图 确定其它各段的直径 长度要求 左面与轴承配合部分长度 30mm 直径 25mm 与大齿轮配合部分长度 17mm 直径 济南大学泉城学院毕业设计 论文 16 30mm 轴肩长度 4mm 直径 40mm 轴肩右面部分长度 15mm 直径 40mm 右面与轴 承配合部分直径 25mm 长度 30mm 与棘轮配合部分长度 70mm 直径 20mm 5 计算轴上载荷 按弯曲强度条件计算轴上载荷 根据轴的结构图 确定各轴承的支点位置 深沟 球轴承的支点位置在轴承的中点上 分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩 并按计算结果分别做出水平面上的弯矩图和垂直面内的弯矩图 然后计算总 H M V M 弯矩并做出图 如下图所示 M 8 做图过程如下 已知 mml BA 30 mml CB 5 125 NFt430 1 NFr156 1 1 根据图 b 得 3 24 121tHH FFF 3 25 2211 lFlF HH 代入数据得 430 21 NFF HH 5 12530 21 HH FF 计算得 NFH 3 245 1 NF H 7 58 2 济南大学泉城学院毕业设计 论文 17 图 2 5 轴的载荷分析图 mmNlFM HH 735930 3 245 11 2 同理根据图 c 计算如下 3 26 121rv FFF 3 27 BCABv lFlF 21 代入数据 156 21 FF 5 12530 21 FFv 济南大学泉城学院毕业设计 论文 18 计算得 NF 6 89 1 NF 4 21 2 mmNlFM ABv 268730 6 89 1 总弯矩 23 28 mmNMMM VH 783426877359 22 22 3 校核轴的强度 由上图可知 B 为危险截面 按第三强度理论 计算应力 3 29 1 W M 式中 轴的计算应力 单位为 a MP 轴所受的弯矩 单位为MmmN 轴的抗弯截面系数 单位为W 3 mm 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力 1 下面计算心轴的抗弯截面系数 3 30 34343 43 56 55706 01401 011 0 32 1 mmd d W 所以 3 31 a MP W M 41 1 56 5570 7834 轴的扭转强度条件为 3 32 2 0 9550000 3 T T T d n P W T 式中 扭转切应力 单位为 T a MP 轴所承受的扭矩 单位 T mmN 济南大学泉城学院毕业设计 论文 19 轴的抗扭截面系数 单位为 T W3 mm 轴的速度 单位为nmin r 轴传递的功率 单位为kWP 计算截面处轴的直径 单位为dmm 许用扭转切应力 单位为 T a MP 代入数据 得 12 1 402 0 1000 5 1 9550000 2 0 9550000 33 a T T MP d n P W T 进行弯扭强度应力计算 3 33 64 2 12 1441 14 2222 aca MP 已选定的材料为 45 钢 调质处理 由设计手册查得 9 a MP60 1 因此 故安全 1 二 轴的设计 与 轴设计思路一样 最小直径 3 34 mm n P Ad 6 17 33 3 034 0 118 33 0 轴承选择 滚动轴承 6005 GB T 276 1994 轴如下图所示 左面与轴承配合部分长度 15mm 直径 25mm 蜗杆部分长度 320mm 直径 30mm 济南大学泉城学院毕业设计 论文 20 右面与轴承配合部分直径 25mm 长度 45mm 与大齿轮配合部分长度 45mm 直径 20mm 右面攻丝长度 30mm 此轴结构尺寸设计完之后 需要对其强度进行校核 校核思路与 轴类似 经 实际校核得出此轴的强度符合要求 三 轴的设计计算 与 轴设计思路一样 最小直径 3 35 mm n P Ad55 55 278 0 029 0 118 33 0 轴承选择 滚动轴承 6014 GB T 276 1994 推力球轴承 51214GB T 276 1994 轴如下图所示 下面与轴承配合部分长度 50mm 直径 70mm 轴肩部分长度 10mm 直径 85mm 轴肩下半部分直径 80mm 长度 35mm 与蜗轮配合部分长度 52mm 直径 80mm 蜗 轮上面部分长度 100mm 直径 70mm 最上面部分长度 50mm 最小直径 40mm 此轴结构尺寸设计完之后 需要对其强度进行校核 校核思路与 轴类似 经 实际校核得出此轴的强度符合要求 3 1 6润滑方式的选择 济南大学泉城学院毕业设计 论文 21 因为传动装置属于轻型的 且传速较低 所以其速度远远小于 所以采用脂润滑 箱体内选用 SH0357 92 中的 50 号润 5 1 5 2 10 minmmr 滑 装至一定高度 3 2 棘轮参数计算棘轮参数计算 棘轮机构的结构简单 制造方便 运动可靠 而且棘轮每次转过角度的大小可 以在较大的范围内调节 这些都是它的优点 本次设计的棘轮如下图所示 本次设计的棘轮直径 258mm 宽度 27mm 共 32 齿 每次转动棘爪拨动 3 齿 偏心 轮转动一圈 棘轮转动 3 32 济南大学泉城学院毕业设计 论文 22 4 4 轴承及键的校核 4 1 轴承的校核轴承的校核 轴承是支承轴及轴上零件的重要部件 又分为滑动轴承和滚动轴承两大类 在 本设计中根据需要都选用滚动轴承 轴承的选择在上面的设计中都已完成 现在对 轴所选轴承进行校核 先求轴 承承受的径向载荷 13 左轴承所受径向力 4 1 NFFF VHr 2 261 6 89 3 245 22 2 1 2 11 右轴承的径向力 4 2 NFFF VHr 5 62 4 21 7 58 22 2 2 2 22 已知 轴承转速 运转时有中等冲击 预期寿命min 375 9 rn hLh72000 1 求比值 由于该轴承承受很小的轴向力 较小 a F 则 19 0 0 e Fr Fa 则 1 X0 Y 深沟球轴承的最小 值为 0 19 e 2 初步计算当量动载荷P 4 3 arp FYFXfP 式中 载荷系数 p f 径向载荷 r F 轴向力Fa 济南