目录

摘要......................................................................................................................... III

Abstract....................................................................................................................... IV

1 绪论........................................................................................................................... 1

1.1课题的来源..................................................................................................... 1

1.2课题的意义..................................................................................................... 2

1.3 NN型渐开线少齿差行星减速器国内外发展现状....................................... 4

1.3.1 渐开线少齿差行星齿轮传动干涉条件和主要参数选择问题........... 4

1.3.2 渐开线少齿差行星齿轮传动的强度计算和多齿啮合问题............... 4

1.3.3 NN型减速器的传动比计算和内啮合齿轮副的齿数确定................. 5

1.3.4 NN型减速器的回差精度分析............................................................. 5

1.4课题研究的主要内容..................................................................................... 6

2 数控精密回转工作台减速器的方案设计............................................................... 7

2.1 数控精密回转工作台减速器方案设计........................................................ 7

2.1.1 减速器传动结构方案设计................................................................... 7

2.1.2 减速器平衡结构方案设计................................................................... 7

2.2方案评价......................................................................................................... 8

3 数控精密回转工作台减速器的设计....................................................................... 9

3.1齿轮传动的配齿计算..................................................................................... 9

3.2 内啮合齿轮副的设计计算.......................................................................... 12

3.2.1 啮合角与变位系数的确定................................................................. 12

3.2.2 几何尺寸的计算................................................................................. 13

3.2.3 内啮合齿轮副的干涉检验................................................................. 16

3.3 内啮合齿轮副的强度校核.......................................................................... 17

3.3.1 传动比减速器内啮合齿轮副的校核............................... 18

3.3.2 传动比减速器内啮合齿轮副的校核............................. 21

3.5 轴承的选择.................................................................................................. 22

3.6 偏心轴的设计.............................................................................................. 23

3.7 动平衡设计计算.......................................................................................... 23

3.9 壳体结构和连接方式的设计...................................................................... 24

4减速器的工程图设计和三维设计.......................................................................... 25

4.1 减速器的装配图.......................................................................................... 25

4.2减速器的三维造型设计............................................................................... 25

结论............................................................................................................................. 26

参考文献..................................................................................................................... 27

致谢............................................................................................................................. 29

附录............................................................................................................................. 30

附录图1 焊接底板A.......................................................................................... 30

附录图2 焊接底板B.......................................................................................... 30

附录图3 焊接底板C.......................................................................................... 30

附录图4 焊接组件............................................................................................. 30

附录图5 搅拌轴................................................................................................. 30

附录图6 箱体..................................................................................................... 30

附录图7 支架..................................................................................................... 30

1 绪论

1.1课题的来源

目前，数控机床、加工中心、复合机床在装备制造业内已呈现出量大面广态势，这类工作母机在各类制造业已经普及应用，并清晰地表达出时代特征与发展潮流。机床运动无论是并联运动机床，还是运动叠加串联机床，对大多数金属加工机床来说，数控进给复合运动的加工，是以直线轴加上回转轴的联动来实现。为了应对日益增多的复杂零件加工、提高加工精度和效率，多轴机床（5轴或以上）和复合机床将会进一步创新发展。因此在现代加工中心的开发中，数控回转轴的设计与制造，成为研制机床的核心任务之一。

数控回转工作台（简称转台）的有两个，一是进给分度，即在非切削时，工件在360°范围内，进行分度旋转和任意分度定位；二是实现工作台圆周方向的进给运动，即在进行切削时，与X、Y、Z三个坐标轴联动，进行复杂曲面的加工，细分度数一般为0.001°。同时转台也起着承载工件重量、夹持工件的功能。因此精密数控回转工作台具有极好的发展前景，成为世界各国重点研究的对象。

通常连续分度转台的结构主要由承载轴承、减速蜗轮副、定位锁紧机构构成。但是随着高速加工技术的发展，对数控机床回转轴来说，要求能达到高精度、高加速度，而传统的蜗杆传动，是达不到要求的，因此必需发展高速、高精度回转元件。目前，个别国际知名大公司，如美国捷力公司，将滚子蜗轮传动应用于回转轴上，与传统的减速蜗轮副相比，大大提高了定位精度、回转速度和使用寿命。随着交流伺服急速的发展与进步，力矩电动机的扭矩，可以达到机床所需功率的使用程度，故力矩电动机直接驱动回转轴，在机床上也有试验应用。然而，在正从制造业大国向制造业强国迈进的中国，以上两种技术的发展现状与国际先进水平相比差距较大，无法代替传统的蜗轮蜗杆传动应用于数控回转工作台，且实现的可能性较小，因此高精度、高相率、高可靠性、低成本的减速器的开发是实现我国机床发展的必然要求。

数控回转工作台使用伺服电机产生旋转运动，但通常需要减速装置以获取较大的转矩。为保证转台具有良好的回转精度、承载能力和动态分度特性，要求减速器具有回转精度高、扭转刚度大、回差小、超载能力强、结构紧凑、效率高等优点。行星齿轮减速器具有传动功率大、效率高、结构紧凑、传动比精确恒定、工作可靠、使用寿命长、速度和功率的适用范围广等一系列优点，因此广泛应用于机械、冶金、化工、建筑、汽车、武器及航天航空等各个领域。

渐开线少齿差行星减速器按其结构分为：N型（机构中一个内齿轮）和NN型（机构中两个内齿轮）两种类型。由于输人轴与输出轴存在偏心，N型须另设输出机构;常见的有销柱式、十字滑块式、浮动盘式、双曲柄式。NN型不需另加输出机构，直接由内齿轮或外齿轮输出。一般推荐：N型传动比宜用于i<30场合。NN型外齿轮输出宜于i=30-100场合，内齿轮输出宜用于i>100场合。

NN型减速器采用了渐开线少齿差行星齿轮传动机构，NN型传动可以实现大速比传动，具有体积紧凑，结构简单，传动效率较高，传递功率较大，运动平稳等优点，在很大传动比的情况下，依然可以保持80﹪以上的高传动效率，寿命长，模块化的设计应用及安装容易，正反转均可适用，导热性佳，温升低，齿轮采用渐开线齿廓，可在普通齿轮加工机床上加工，因此在国内具有良好的发展前景。

对我国现今制造水平而言，NN型渐开线少齿差斜齿行星减速器是一种具有广泛通用性的新型减速机，是数控精密回转工作台减速的最好选择。NN型减速器本身具有传动比大、承载能力大，体积小，效率高的特点，能够满足数控回转工作台的性能要求。关键是要对其承载能力、回转精度和扭转刚度进行深入研究，提出科学合理的设计理论和方法。因此本课题针对数控精密回转工作台减速器机械性能的高参数要求，将NN型渐开线少齿差斜齿行星减速器作为研究对象，对其承载能力、回转精度、扭转刚度等问题进行研究，设计数控精密回转工作台减速器。

1.2课题的意义

随着我国数控技术和工业机器人的普及，伺服传动越来越受到人们的关注，传动精密度高、体积小、运行平稳的减速器市场需求越来越大，每年呈几何级数在增长。近年来，随着国防科学技术的发展和现代化战争的需求，对军用电子设备的精度、体积、重量和可靠性等要求越来越高，NN型渐开线少齿差减速器也越来越多地应用于军用电子设备机械传动中。

在国际上，由于外国公司在技术研究上走在了国内的前面，也就不断地有新的产品开发出来，如德国的SEW、法兰德公司，其减速器传动精度高。我国在研发能力上与国际知名大公司相比，还有很大的差距，特别是体积小、传动精密、能与伺服电机配套的小型行星齿轮减速器。国内很多公司、研究机构都在尝试开发，仍未有满意的结果。与伺服电机配套的行星齿轮减速器市场都被少数国外公司瓜分，因其开发技术难度大，生产条件要求高，这些公司对外都进行了技术封锁，导致这些产品的销售价格奇高，直接制约了我国基础装备工业的现代化进程。

NN型渐开线少齿差斜齿行星减速器具有大速比、高效率、体积小、承载力大等优点，与在机器人和数控机床产业已得到广泛应用的谐波减速器、RV减速器相比，也有较大优势。谐波减速器的加工和热处理工艺复杂，价格也偏高。RV减速器的制造进度要求很高，且需要先进的专用设备，生产成本极高。因此对NN型渐开线少齿差斜齿行星减速器进行研究，设计数控精密回转工作台减速器，能加快我国装备制造业的振兴。

目前，市场上的渐开线少齿差行星减速器均使用直齿轮，这样大大限制了渐开线少齿差行星减速器的发展。与直齿轮传动相比，斜齿轮传动具有较高的承载能力、过载能力、扭转刚度，并且可以提高传动的平稳性和降低噪音，降低齿轮误差和提高运动精度。因此采用斜齿轮是渐开线少齿差行星减速器更合适的选择。NN型少齿差有2个内啮合齿轮副，将2对内啮合齿轮副的螺旋角大小设置为相等，旋向相反或相同，就可以抵消斜齿轮的大部分轴向力，同时具有NN型直齿渐开线少齿差传动的优点：

1、加工方便，制造成本较低。渐开线少齿差传动的特点是用普通的渐开线齿轮刀具和齿轮机床就可以加工齿轮，不需要特殊的刀具与专用设备，材料也可采用普通齿轮材料。

2、结构紧凑、体积小、重量轻。由于采用内啮合行星传动，所以结构紧凑；当传动比相等时，与同功率的普通圆柱齿轮减速器相比，体积和重量均可减少1/3~2/3。

3、传动比范围大。一级传动比可达100，二级传动传动比可达10000以上。

4、效率高。当传动比为10-100时，效率为80％-90％。设计与制造精良的传动，效率可达90％以上。效率随着传动比的增加而降低。

5、结构形式多，应用范围广。由于其输入轴与输出轴可在同一轴线上，也可以不在同一轴线上，所以能适应各种机械的需要。

6、运转平稳、噪音小、承载能力大。由于是内啮合传动，两啮合轮齿一为凹齿、一为凸齿，两者的曲率中心在同一方向，曲率半径义接近相等，因此接触面积大，使轮齿的接触强度大为提高；又因采用短齿制，轮齿的弯曲强度也提高了。此外，少齿差传动时，由于齿廓面间的间隙很小，通常不是一对轮齿啮合，而是几对轮齿同时啮合共同承受载荷，所以运转平稳，噪音小，并且在相同的模数情况下，其传递力矩比普通圆柱齿轮减速器大。

7、运转可靠，使用寿命长。

基于以上优点，NN型渐开线少齿差斜齿行星减速器不仅可以作为数控精密回转工作台减速器，还可以被广泛用于冶金机构、食品工业、石油化工起重运输及仪表制造等行业，具有广泛的发展前景。因此，本课题是十分有意义的。

1.3 NN型渐开线少齿差行星减速器国内外发展现状

国内外学者在渐开线少齿差传动干涉条件、主要参数选择、传动比计算、接触分析、结构强度、传动效率、运动精度方面进行了大量的研究，并应用到产品的设计中，取得了许多有价值的成果，国内一些学者出版了多部专著，比较详细的介绍了渐开线少齿差行星齿轮传动的原理和设计方法。国外有关齿轮传动的专著中只是简单介绍了渐开线少齿差行星齿轮传动的原理和设计方法，较少见到相关论文，最新论文有韩国釜山大学学者的一篇论文“Development of SpeedReducer with Planocentric Involute Gearing Mechanism”。渐开线少齿差行星齿轮传动的主要研究情况和成果如下：

1.3.1渐开线少齿差行星齿轮传动干涉条件和主要参数选择问题

当内啮合的两渐开线齿轮齿数差很小时，极易产生各种干涉，理论上干涉条件多达近十项，因此在设计过程中选择齿轮几何参数的计算十分复杂，但是此问题已经得到很好的解决，许多学者发表了相关论文，冯晓宁教授在上世纪九十年代也发表过系列文章：“NN型行星传动的传动比与配齿计算”；“NN型行星齿轮传动的设计方法与参数选择”；“NN型行星传动变位系数的确定方法”；“NN型传动的传动比计算与特点分析”。

1.3.2渐开线少齿差行星齿轮传动的强度计算和多齿啮合问题

理论上，一对渐开线齿轮副同时啮合齿数不会超过1，对于渐开线少齿差行星齿轮传动，当一对内啮合轮齿处于啮合状态时，即将进入啮合状态的其它齿对最小间隙只有1微米左右。一方面，这样小的的侧隙值已经远小于齿轮制造的公差；另一方面，齿轮受载后的弹性变形也可能超过其间隙值。因此实际上少齿差内齿啮合齿轮副工作在多齿啮合状态下。一些文献已对这一问题进行过研究并得出上述结论。

1991年，谭同德对渐开线少齿差齿轮副承载能力系数进行了研究，推导出轮齿受载弹性变形后同时啮合的确切齿对数和承受载荷最大的齿对的载荷与总载荷的比例系数—承载能力系数，并进行了样机测试，证明在额定载荷作用下，一台4齿差的渐开线少齿差减速器承载能力可以从11kw提高到22kw，提高了1倍。1990年和2003年，杨锡和对少齿差内啮合实际接触齿数及承载能力的研究，建立了强度计算承载能力系数K_ε的计算和应用方法。2002年，舒小龙等提出在渐开线少齿差齿轮强度计算中引入载荷分配系数Kp的概念，提供了Kp值，并说明了在齿轮强度计算中应用该系数的方法。2002年，朱才朝等在考虑内外啮合齿轮副齿廓理论间隙、制造误差及轮齿弹性变形的基础上，建立少齿差内啮合行星齿轮传动实际接触齿对数及各齿间载荷分配的理论分析模型，分析计算了在额定载荷工况下的实际接触齿对数及各齿上的载荷分配；并利用应变测试方法进行了相应的实验研究；验证了理论分析计算的结果。2006年，刘斌彬，张策等在综合考虑轮齿弹性变形、法向啮合刚度、基节误差的基础上详细推导了多齿弹性啮合作用的理论模型，并通过有限元仿真实验对该模型的可靠性进行了验证。2008年，李红保，黄恺等利用大型有限元分析软件ANSYS分别计算正常渐开线齿轮内啮合和短齿渐开线齿轮内啮合的承载能力，说明少齿差内啮合传动的实际承载能力以及齿形长短对承载能力的影响。证明多齿或是短齿啮合时其最大应力远小于齿轮的极限应力。所以多齿短齿内啮合明显提高了齿轮的承载能力。以上工作的不足之处是，均为理论研究，缺少实验证据，因此在实践工作中设计者不敢合理地利用渐开线少齿差行多齿啮合优势进行强度计算，这是一个最大的遗憾。

1.3.3 NN型减速器的传动比计算和内啮合齿轮副的齿数确定

NN型传动的传动比规律相当复杂，给定传动比，要确定两个内啮合齿轮合适的齿数并不是件容易的事情，冯晓宁教授对此问题上世纪九十年代就发表过有关文章，对NN型传动的传动比计算与特点进行了分析，详细分析了双联行星轮的齿数差和齿数对传动比的影响以及传动比的特点与范围，很好的解决了此问题，并于2011年在国际期刊上发表了学术论文“Analysis of TransmissionRatio Problem for Planetary Gear Reducer with Two Internal Gear Pairs”，对NN型传动的全部四种型式的传动比计算与特点进行了分析，完善了相关的分析设计理论。

1.3.4 NN型减速器的回差精度分析

关于NN型减速器的回差精度分析的论文和研究成果很少，目前有资料可查的有：1982年，叶勖达进行了渐开线少齿差行星传动空回计算分析，研究了齿厚偏差和中心距偏差对空回误差的影响。2003年，李新年对高精度少齿差减速器的传动回差精度控制进行了研究，提出了要保证包括偏心轴误差、齿轮误差、轴承误差在内的综合齿轮侧隙的概念，着重研究了不同工艺方案对传动回差拧制的具体影响，并对高精度少齿差减速器研制工艺方案、工艺要点及装配调整作了较为详细的介绍。