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机械毕业设计全套

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JC02-018@Z32K型摇臂钻床变速箱的改进设计,机械毕业设计全套

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本科生毕业论文开题报告书 题 目 Z32K 型摇臂钻床变速 箱的改进设计 学生姓名 邓 玉 佳 学 号 131021087 专业班级 机自 02103 班 指导老师 张 世 安 2006 年 3 月 18 日 nts论文（设计）题目 Z32K 型摇臂钻床变速箱的改进设计 课题目的、意义及相关研究动态： 1. 课题目的、意义 摇臂钻床主轴装在摇臂上，可以沿着摇臂导轨移动，而 摇臂钻床又可以绕立柱做 360 旋转。主轴箱上摇臂的水平运动和摇臂旋转运动两运动相结合，可以使主轴高速运动到机床尺寸范围内的任意位置，摇臂钻床又可以沿着立柱上下调整。 Z32K 型摇臂钻床主要是适合大中型零件的多孔加工。在实际的操作过程中，这种老牌型号钻床还是存在着许多不足之处，例如摇臂钻床的升降系统。由于 Z32K 型摇臂钻床的升降系统是单手柄集中操作，操作起来比较麻烦，摇臂钻床体架太重，费力又费时，以前为了适当地省力，根据杠杆原理，手柄长度又比较长，稍微操作不当，容易发生意外 事故。为了提高工作效率，减少工人的劳动强度，避免不必要的意外事故发生，很是有必要对 Z32K 型摇臂钻床变速箱进行改进设计，将原单手柄集中操作系统改进能实现快速自动升降。这样的话，可以使工作效率大大地提高和降低工人的劳动强度。 2. 相关研究动态 沈阳机床股份有限公司中捷摇臂钻 床 厂 的 产品国内市场占有率高达 70，出口产品遍及中东、北美、西欧等 86 个国家和地区。进入市场经济后，国内机床行业竞争日趋激烈，与中捷摇臂钻厂生产相同型号产品的企业有 40 多家，中捷摇臂钻厂产品领先优势受到挑战。为了应对挑战，中捷摇臂钻厂在 产品卖得正火的时候，提出了 进行 跨越产品结构调整。第一，用先进技术改造传统产品。如普通摇臂钻床实现了五轴联动，价格由几万元上升到几十万元，达到中国摇臂钻床最高水平。第二，向国际先进水平靠拢，不断扩大产品领先优势。 ZK 系列、桥式和动桥系列产品，十几项技术居国内领先地位。 ZK3050 获得自主知识产权，并成为国家重点新产品； Z3580A 万向摇臂钻，在任何空间、任意方向、任意位置上实现钻削功能，不仅填补了国内空白，在国外也不多见。在国际著名的芝加哥机床展览会上，中捷摇臂钻厂参展产品被一位美籍华商相中并当场拉走。德国、 意大利、西腊、瑞典、伊朗等国家和地区纷纷提出做中捷牌摇臂钻的代理经销商。在上海国际机床展览会上，沈阳机床股份有限公司参展的数控钻铣床，同时被国内三家企业看好。 摇臂钻床和大多数机床一样，将向数控自动化、机电一体化和智能化方向发展。摇臂钻床未来的发展趋势是： 应用电子计算机技术，简化机械结构，提高和扩大自动化工作的功能，使机床适应于纳入柔性制造系统工作；提高功率主运动和进给运动的速度，相应提高结构的动、静刚度以适应采用新型刀具的需要，提高切削效率；提高加工精度并发展超精密加工机床，以适应电子机械、航天等新兴工业 的需要 。 nts课题的主要内容（观点）、创新之处 ： 1.主要内容 本课题的主要任务是对 Z32K 型摇臂钻床变速箱进行改进设计，它要求我们通过调研，发现原有旧型摇臂钻床在实际生产使用过程中存在的缺点与不足，然后针对其缺点与不足进行变速箱改进设计，以达到改善、提高其使用性能。在设计过程中，在充分考虑在现有生产条件以及材料选择的同时，重点研究问题有：变速箱的结构设计、传动设计、升降系统的结构及传动连接设计、装备图的绘制、设计改进后变速箱的可行性、实用性以及它的经济性。 2.创新之处 本次设计主要是改进摇臂钻床的升降系统。通过变速箱内齿轮啮合的改变 ，从而实现自动升降。 此次设计的创新之处是将原有的手动升降改为自动升降。 研究方法、设计方案或论文撰写提纲： 1. 研究方法与设计方案 本课题属于对传动部件进行改进设计，所以设计要求设计者须具备一定的有关机械传动方面的知识和机械设计方面的知识，还须对 Z32K 型摇臂钻床的变速箱的传动等结构部分有一定的了解。 根据以往的课题设计经验，采用理论与实际相结合的方法，多看、多想、多动手。多查相关资料，多和指导老师交流，理论联系实际，选择最优方案。 针对调研后发现存在的问题， 丝杆螺距较大（ P=6），两圆锥齿轮传动时，传动比虽小，但机床的体架太重，升降比较费时费力，为了适当省力，手柄长度过长，操作动作大，当拖板接近变速箱时，进给手柄与升降手柄容易打在一起，操作者易受伤。 而市面上有一种升降系统是在丝杆的端头安装小型电机和减速器，这种升降系统虽然弥补了手动升降的缺点，但是又派生了另外的缺点。我查阅相关资料，采用基本理论与实践相结合的办法，与老师、工人、同学研究讨论，已初步设计出一套方案。 我的研究设计方案大体是：直接采用原有的电动机作为升降系统的动力源，在变 速箱内附加若干齿轮，在原有的主运动传动系统中，通过齿轮的变化啮合，把动力传到螺母上，使螺母达到转动，从而实现自动升降。 2. 论文 撰写提纲 1 ) 了解 Z32K 型摇臂钻床的工作环境及工作原理 ,并对摇臂钻床的传动部分进行分析 ,尤其了解其升降系统 ； 2 ) 制定传动方案 ； 3 ) 绘制传动运动简图 ； 4 ) 电机功率输入时 ,对其进行运动和动力分析 ； 5 ) 通过绘制 Z32K 型摇臂钻床传动总装图从而计算出各零件的尺寸及装配关系 nts完成期限和预期进度： 1.2006.02.15 - 2006.03.15 查阅、搜索相关资料和专业英语翻译； 2.2006.03.16 - 2006.03.31 毕业实习与调研及开题报告阶段； 3.2006.04.03 - 2006.05.19 毕业设计主要工作阶段，完成各种运动和动力设计计算、校核及所有图纸； 4.2006.05.21 - 2006.06.02 完成说明书的编写和收尾工作。 主要参考资料： 1 He Guang Ping . 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机械臂能应用于许多领域，例如太空技术、合作机械人、变形装置。在太空领域里，由于没有失去有用功能或 了解系统的自重构 。 当驱动构件出现一些问题时 ， 基于欠驱动技术的误差出现是不可避免的。欠驱动机械臂也能被设计为合作机器人，也就是说COBOT。 COBOT 的驱动不是作驱动装置而是提供动力学非函数约束 。 COBOT 需 要操作人员提供外力才能完成准确的应用，例如在生物工程学上外科手术和半导体制造等等。在机械领域机械变形有多种模态，并能从一种模态向另一种模态转变。 引用不同模态之间的改变可能导致连杆数目的变化或 机械变形的约束限制。很显然，欠驱动控制、冗余度驱动和柔性装置是不可避免的。因此，欠驱动系统逐渐的成为研究领域一个具有吸引力的话题。 从力学角度 看， 研究欠驱动机械臂系统是不可能控制的。被动关节的运动是必须靠与动力装置连接。 Jain等表明动力装置是欠驱动机械臂的非完整性约束 是二阶的 。 在机械实际上，与非完整性约束广泛被研究比较 也有 100多年历史，然而， 关于这种系统的运动规划和控制技术的研究只是近 10的事情 ， 研究多针对轮式移动机器人、跳跃机器人、航空航天机器人等一阶非完整性约束系统。 关于欠驱动机械臂的研究观点， Anthoney等研究运动的稳定性，Arai 等提出随时间变化方法完成系统的位置控制。 Lee 等为欠驱动 机器人提供了多种非线性控制方法。 欠驱动研究的这些方法已 从本质上 揭示了它是非线性的，并且是随时间变化的、抽象的。 事实上， Brockett 已证实 这并没有消除阻碍和稳定给定结构系统的静电状况反馈。很显然，非线性系统的特征在组合 空间多自由度是可以控制的。所以，非线性系统的控制研究受到更多的关注。 欠驱动 机构 和机械臂 是对传统机械设计基本原理相违背的，传动机械设计基本原理认为，原动件的数目要与自由度的数目相等时，机构才具有确定的运动。 欠驱动机械臂首先被提出并不是由于它的价值优点，但一些研究表明，欠驱动机构的故意设计也是很有价值的。例如， Rivhter 等 获得由柔性欠驱动机械臂多维受力的测量。 Nakamura 等设计出了轮式滚动接触的非完整机器人和平面四连杆二驱动机械臂的控制 。 He 等针对欠驱动冗余度机械臂提出一种自由碰撞运动规 划演算法。从以上讨论的结果来看，我们可推断出在研究欠驱动时，可能遇到一些未被发现的新 问题 ， 如 所提到的技术和理论的形成。因此， 我们改善这装置具有很大的潜能性。 这篇论文中，我们对欠驱动机械臂的静态特征和自重构控制方法进行探索与研究。 1 柔性椭球体 模型 机械硬度是机械臂的一个重要要素，它是用来抵抗受力和阻碍力的能力。对于开式链接机械臂而言，链接部分是非常重要的部分。所以末端位姿的变形将会对 连杆带nts 2 来不良影响。转矩可以近似满足如下方程： iii KM i=1， 2， ， n （ 1） 式中 iM 关节 i 的转矩 i 关节 i 的变形量 ik 关节 i 的硬度系数 如果忽略关节 i 的重力和摩擦力不计，假设机械臂末端位姿力矢 mRF ，则转矩方程又可以写成： FJM T （ 2） 式中 nRM 关节的转矩 nmRJ 雅可比矩阵 众所周知，关节有会有变形，机械臂末端位姿有如下关系式： Jx （ 3） 式中 x 机械臂末端位姿矢量 关节的位姿矢量 将（ 1）式写成矩阵的形式，结合（ 2）、（ 3）式，经简单的计算， X 和 F 之间的关系如下： F)JJk(X T1 （ 4） 式中 如果定义 T1 JJkC （ 6） （ 6）式是末端位姿的柔性矩阵。 然而，在太空工作 1c 强度矩阵一致。柔性矩阵 C可以用来测量机械臂的静态特征。矩阵 C 也有雅可比函数功能。 因此， 它 在组合和构造要素较大范围内是可改变的，在稳定条件下机械臂的可变特征能用于完成一些应该的复杂的操作。如装配、抛光、维修等等。由（ 5）、（ 6）式可知矩阵 C 是对称性矩阵。 如果定义 )CCdet( T （ 7） nts 3 对矩阵 C 进行微分，方程式（ 7）我们又可以得到 m1i i （ 8） 式中 i ， i=1,2,3,， m 应用了矩阵 C 的单一性。因此， TCC 是其对称矩阵，有如下关系： 1x)CC(x TT （ 9） 式（ 9）被描述为椭球体 曲线方程， 当椭球体的主要曲线与矩阵 C 的单一值相等时，这椭球体也被认为是一般柔性椭球体 GFE。 由于直观原因， 图一中 平面 2 连杆机械臂的的连杆长 2,1i,m0.1L i ， GFE 如图（ 2）和（ 3）所示。 图一 平面 2R 杆机械臂 图 2 平面 2R 杆全驱动机械臂的 GFE 模型 nts 4 图 3 平面 2R 杆全驱动机械臂的 GFE 模型 这些图示表明测量是需要依赖组合和机构要素。然而全驱动机械臂 并不能 改变其机构要素。因此， 由于不同的构件 （图 2），而不是结构要素（从图 2 改变到图 3） ， GFE 模型是可以改变的 。当被动关节 被引进作为 全驱动机械臂时，为了方便使用，假设这些 被动关节具有制动装置和位置控制，以便被动关节能在自由模式和锁定模式下进行制动。然而在运动学上，欠驱动机械臂揭示了一些冗余度连杆问题，并没有表明在输入方式下的自运动不如工作状态下的自 运 动。另一方面，被动关节的制动模式能使欠驱动机械臂具有重构能力 ,系统具有敏捷性而使其能适合不同的工作。 2. 柔性矩阵 假设在欠驱动冗余度机械臂中 s 连杆为被动关节 ，被动关节装有制动装置，当被动关节处于自由状态时，其速度运动方程可以写成为： ppaa JJx （ 10） 式中 mRX 机械臂末端位姿矢量 nmRJ 驱动机械臂的雅可比矩阵 3pn R,R 分别为驱动和被动机械臂的广义坐标矢量 当机械臂中被动关节处于锁定状态时，系统运动方程可变为 qJx i （ 11） 式中 mRX 机械臂末端位姿矢量 nmi RJ 锁定状态下被动关节机械臂的雅可比矩阵 nRq 驱动关节的机械臂广义坐标 很显然，方程（ 11）和（ 3）是同一形式，方程（ 10）和（ 11）表明欠驱动机械臂在运动学上具有不同的模式。换句话说， 在运动学上 系统 具有多中模式特征。 图（ 4）平面 3R 连nts 5 杆机械臂就是很好的例子。机械臂的第二关节是被动关节，其他的都是驱动关节。当被动关节处于自由状态时， 3R 被选做为广义坐标变量。如果被动关节处于自锁状态，机械臂的 维数将变为 2 维，这广义坐标变量为 2Rq ，显然由于 0q ，但雅可比矩阵有如下关系： 图 4 平面 3R 杆机械臂 由于欠驱动机械臂存在不同的运动模式，一种可以用来优化和机械臂的机构组合及自重构以使用不同的工作。预测如何完成基于欠驱动下的全驱动机械臂操作是不可避免的问题。不象全驱动冗余度机械臂那样，欠驱动冗余度机械臂并不能改善其操作工作，执行机械臂任务类似于输入空间的体积比工作空间少的缘故。有一条可行的途径就是在不同的时间分解 机构的工作。例如， 当 机械臂 工作处于驱动模式下，机构组合能进行机构自重构。然而当机械臂工作在全驱动模式下，其功能之一就是能控制机构的运动。事实上， 处于欠驱动工作模式下的机械臂能辩别机构的运动，如位置控制或间断点对应点运动。但是这并不是此论文所讨论的重点。我们应关注的是欠驱动冗余度机械臂的静态特征和机构自重构控制方法。 欠驱动机械臂两中模式的运动方程可以被多种方法描述。但是在复杂的机械装置中多连杆机械臂的机构要素定义还存在一定的困难。为了解决这些问题，我们将进行分析欠驱动冗余度机械臂的两种模式间的关系。 假定一种特殊的机械臂组合机构，假设有 mn ，处于装置的两种模式下的末端位姿表达式是一致的，可以表示为 ppaai JJqJ （ 12） 假设 0JJaaaa （ 13） （ 13）式表示微运动发生在关节部分而不是发生在末端位姿处，根据（ 13）式，方程式又可以写成 aapp JJ （ 14） 把（ 14）代入（ 12）式中，我们可以得到 nts 6 aappi J)JJI(qJ （ 15） （ 15）式描述欠驱动机械臂两种模式下的不同一机构。因此，两种广义坐标也是相等的。设q，又可以得到 appi J)JJI(J （ 16） （ 16）式表示两种模式下的雅可比矩阵间的关系。此式能预测出全驱动模式的运动。把（ 16）式代入方程式（ 5），可以得到全驱动模式下的欠驱动矩阵方程 Ti1i JkJC （ 17） 根据方程（ 7）， GFE 欠驱动机械臂也能定义，方程（ 17）表示在机械装置改装 后的系统静态特征。其一，我们以通过 3R 杆机械臂模拟（图 4）。作为非冗余度机械臂而言，如果我们假定处于工作状态下的一点，它不仅与柔性椭球体 模型有关。相反有许多与处于冗余度机械臂 工 作 状 态 下 的 这 一 点 相 关 。 假 设 3R 杆 平 面 机 械 臂 三 杆 长 分 别 为mm0.1Lmm5.0LL 321 和，机构的起始角度为 30,60,60 321 ，GFE 其他末端位姿起始位置如图 5 所示。 显然，根据处于工作状态下的这种状况，可知存在许多这样的关节组合。这些机构都是与 GFE 相关的。但是一欠驱动冗余度机械臂存在机构自重构的能力。一般而言，我们期望的 GFE 在不同的基本组合中有类似的运动。换句话说，椭球体模型类似于一个球。如图 5所示，在 3 杆中第一杆 运动 状态表现最佳。 nts 7 3 非线性控制 我们通过分析系统的动态特性，为了寻求一种能有效地控制欠驱动机械臂运动。欠驱动机械臂动态方程可以写成 McII apapaaa （ 18） 0cIIppppaTap （ 19） 式中 为质量惯性矩， 为中心吸引力和摩擦转矩矢量。 M 是驱动关节转矩矢量。是驱动关节广义坐标矢量。p是被动关节广义坐标矢量 。 Jain 等证实方程（ 19）是二阶非线性约束方程。通过自重构，在工作状态下给定位置，欠驱动机械臂具有改善装置运动的能力。由于系统输入空间维数少于空间关节的维数，被动关节 的位置控制只能通过动态藕合来实现。基于 Brockett 理论，给定机构的系统并不是光滑的，稳定性完全符合静平衡反馈定律。因此，非线性控制的结果表明系统是非线性的、随时间变化的、离散的。非线性控制方法还有一种就是在 Ref（ 17）中所提到的全驱动关节的 简 谐 振动。这种方法的本质就是当驱动关 节运动到一个周期时被动关节将偏离平衡位置 （图 6） 。 驱动关节的简 谐 振动方程有 tcosAa （ 20） tsinA （ 21） tcosA 2a （ 22） 式中 A 简谐振动的振幅 nts 8 W 简谐振动的角频率 如果我们将式中（ 22）变换一下，代入（ 19）式得到 2Tapp1ppp AIcI （ 23） 通常，角频率 是一个较大的数，因此，简 谐 振动周期 T=2是一个非常小的数。TPPPP ICI ,1 被作为一个周期的约束，（ 23）式有可以写成 22Tapp1pp TAIcI21p （ 24） （ 24）式表示一个周期后有一点发生偏离。显然，构成整体的价值在于简 谐 振动的振幅和角频率，者就是简 谐 振动中的驱动关节能控制被动关 节的原因之一。 4 自重构控制律 自重构需要稳定的控制技术。间谐振动非线性控制方法在第 3 部分已经简单地介绍了。下面我们将设计一个新的控制方法来 执行机构的自重构运动。这种方法将用于优化在工作状态下给定位置时的 广义 柔性椭球体 模型 。 假设d引用于一个期望的组合，此组合源于一些优化方法， 是驱动机械臂的驱动位nts 9 置角。 设 de （ 25） 式中 e 关节位置 矢量 误差 对方程（ 24）进行微分有： padadapaee （ 26） 取滑动模态为 a1aa ekeS （ 27） 集中律为 a3a2a Sk)Ss g n (kS （ 28） 式中 0,0,0321 KKK，且 sgn（）作为符号函数，有如下式子： 如果 矢量S有 Tn1 SSS ，可以得到下面式子： （ 27）式表示驱动关节的运动满足莱布罗定律。假设驱动关节输入与（ 20）、（ 21）有关，当0K4K,0K p2dd 时，又可以得到如下关系式 将（ 26）式中 2 杆的 2 倍偏离量代入（ 30）式，可以得到 设驱动关节输入为 将（ 32）和（ 31）式代入（ 19）式，有如下关系 振动振幅为 虽被动关节并没有达到期望的位置，驱动关节输入控制可用（ 32）式来描述，另一方面，被动关节处于期望的位置，输入控制方式有以下方程。从（ 27）式中可知偏离时间为 结合（ 28）和（ 35）式，控制律为 nts 10 显然，这种控制方法是非线性的、随时间变化的、且遵循 Brockett 理论。有以上关系重新整理振幅，控制律为 当 ep=0 时满足 当 ep 0 时满足 5 仿真研究 在这部分中，选平面 3R 杆机械臂作为仿真模型，如图 4 所示。设第二杆为机械臂的被动关节，其他两杆为驱动关节 。如果初始位置为 30,60,60321 ，为了改善执行广义的柔性椭球体模型，更好的位置为 15.81,89.17,85.24321 ，这在第三部分已给出。我们认为后面一种情况是我们期望的结果。根据第四部分所提供的控制方法，模拟仿真结果如图 7 所示。 nts 11 图 7 3R 杆欠驱动机械臂的自重构运动 1.连杆 1 2.连杆 2 3.连杆 3 图 7（ a）表示随时间变化的关节位置误差；图 7（ b）表示与时间有关的关节运动轨道轨迹；图 7（ c）表示在自重构控制中机械臂机构位置的改变；图 7（ d）表 示关节速度与位置间关系图。显然，机械臂已满足期望的机构完成自重构控制。 6 结束语 欠驱动技术是一个非常关键性的问题，它不仅能够产生空间机器人系统的线性误差，而nts 12 且能操控合作机器人和机器装置。欠驱动机械臂有实现机械自重构的能力。新的关仪广义柔性椭球体欠驱动冗余度制动式机械臂的测量被提出。这测量由于 优化系统的稳定性。简谐振动的非线性控制方法能执行自重构运动。有 3 连杆欠驱动机械臂的仿真结果证明测量和振幅的控制是有效的。 References 1 Nakamura Y, Mukerherjee R 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Asymptotic stability and feedback stabilization in Deferential Geometric Control Theory In： Brocker R W Millman R S Sussman H J eds In：Birkgauser,1983： 181 208 14 Rivhter K Pfeiffer F A flexible 1ink manipulator as a force measuring and controlling unit In： Proceedings of the 1991 IEEE International Confer ence on Robotics and Automation, Sacramento CaHfomia,1999： 1214 1219 l5 Nakamura Y Chuan W Sordalen O J Design an d contro1 of the nonholonomic manipulator IEEE Transactions on Robotics and Automation， 2001 17(1)： 48nts 13 59 16 He G P, Lu Z Wang F X Optimal approximation contro1 of underactuated redundant manipulators In： Proceedings of the 11th World Congress in Mechanism and Machine Science Apri1 1 4， 2004， Tianjin， China 17 He G P, Lu Z, Wang F X Harmonic function contro1 of planar 3-DOF underactuated manipulators Chinese Jouma1 of Aeronautics， 2004， 25(5)： 52O 524(In Chinese) nts 本科生毕业设计 调研 报告书 题 目 : Z32K 型摇臂钻床变速箱 的改进设计 学生姓名 : 邓 玉 佳 专业班级 : 机自 02103 班 指导老师 : 张 世 安 机 械 工 程 系 2006 年 03 月 16 日 nts实习或调研地点 常德纺织机械有限公司 实习与调研时间 2004 年 3 月 14 日 2004 年 3 月 15 日 毕业实习与调研的目的、意义： 目的： 主要是熟悉 Z32K 型摇臂钻床 变速箱 的结构和原理及其现场工 作环境，并了解 摇臂钻床 在实际使用过程中 存在 的问题 ,通过与工程师们交谈，了解一些见解和想法及一些技术问题， 为开展毕业课题设计提供原始数据和资料，针对存在的问题，提出具体可行的 改进 方案， 从而 确保 此次 课题设计的可行性、经济性和实用性。 意义：这是一次理论联系实际的的好机会，它 能 使我们将四年来所学到的理论 基础知识和专业知识结合实际工程问题得到综合运用，也是检测我们 对所学 知识的掌握程度。通过此次设计，可以大大提高我们的分析 问题 能力、解决问题的能力 及设计创新能力 ，为我们以后走上工作岗位打下了良好的基础 。 毕业实习与毕 业设计调研鉴定： 指导教师： 年 月 日 毕业实习与毕业设计调研成绩评定 指导教师建议成绩： 指导教师（签名）： 年 月 日 系毕业设计工作指导小组审定成绩： 组长签名： 机械工程系（盖章） nts 毕业实习与毕业设计调研报告正文 一、 实习与调研单位基本情况 我们这次到了常德纺织机械有限公司进行调研， 常德纺织机械有限公司是中国纺织机械（集团）公司控股的经纬股份的子公司。位于湖南省常德市经济开发区高新技术工业园内，公司占地 25 万平方米 ， 拥有雄厚的技术人才实力。公司的产品包括： KS 系列高速经编机、 GE272SM 系列毛巾经编机、 GE241Y 系列贾卡提花经编机、 E2268 网类经编机、 GE283A、 E2281、 E2291 系列双针床经编机等 7 个系列的经编机； FA251E、 FA256 两种系列的棉精梳机；用于棉、毛、麻、绢、中长纤维的 8 大类 26 个产品的各 系列摇架。 二、 实习 心得和体会 我的毕业设计课题是“ Z32K 型摇臂钻床变速箱的改进设计”。这次毕业设计是为了培养我们学生开发和创新机械产品的能力，要求我们能够结合原 Z32K型摇臂钻床机械的传动系统，针对实际使用过程中存在的问题，综合所学的机械理论 设计与 方法，对 Z32K 型摇臂钻床变速箱的传动系统进行改进，从而达到解决问题。 为了顺利开展我的毕业设计论文课题，我们在张老师的联系下，到常德纺织机械有限公司进行实习与调研。在调研的过程中，我们必须认真记录我们所见到的、所听到的及所想到的，为课题设计提供原始的资料。我 们还要了解 Z32K型摇臂钻床的工作环境，设备的生产厂家，更要了解摇臂钻床的工作原理和操作过程中所存在的问题，以便我针对它存在的问题而对摇臂钻床变速箱进行改进，尽量使改进后的产品能够克服这些问题。 我们到了常德纺织机械有限公司之后， 厂里的工程师李卫忠师傅热情地接待了我们。他带领我们参观了各个不同的车间，并给我们介绍了该厂的基本情况及现状。由于我的设计是对摇臂钻床变速箱的改进设计，所以对有关此次设计有关的都做了详细的记录。 Z32K 摇臂钻床主轴装在摇臂上，可以沿着摇臂导轨移动，而摇臂钻床又可以绕立柱做 360 旋转。主轴箱上摇臂的水平运动和摇臂旋转运动两运动相结合，可以使主轴高速运动到机床尺寸范围内的任意位置。工件一般装在工作台上，如果工件太高，可以直接装在底座上。为了适应工件nts的加工高度，摇臂钻床又可以沿着立柱上下调整。为了钻床钻孔时具有足够的刚度，并使主轴调整好位置不变，摇臂和主轴箱都有夹紧机构，可实现快速夹紧，摇臂钻床适合于大中型工件上多孔加工。 在来调研之前，我对原旧型 Z32K摇臂钻床的变速箱的结构及其原理稍做了解，这次设计的主要任务是对摇臂钻床的传动部分设计与改进，因而我在 齿轮车间对齿轮的加工特别留意了一下，并在李师傅的讲解下，对齿轮的加工有了一定的了解。齿轮的选材：低速、重载、冲击载荷选综合性较好的材料 20CrMnTi； 线速度高、易疲劳点蚀、齿面硬度较高选 38CrMoAiA 渗 氮钢；非传力齿轮，材料可以选非淬火钢、铸铁、夹布、胶木和尼龙等等。齿轮的热处理：齿轮加工前进行正火或调质，其目的是消除残余应力，改善其切削性能，综合力学性能；齿轮加工后进行渗碳淬火、高频感应加热淬火、渗氮等等，其目的是提高齿面的硬度和耐磨性。 齿轮的毛坯一般有棒料、锻件和铸件。在车间还亲眼看到一个双联齿轮 的加工过程，其工艺为： 锻坯 粗车 热处理 精车 平磨 划线 钻 钳工去毛刺 滚齿 插齿 倒角 剃齿 热处理 精车 衍齿 磨齿 检验。 后来我们去了装备车间，不巧的是来的不是时候，前一批量刚刚装箱完毕，因而没有什么东西可以看的，不过还好，看到了各种不同型号的经编机样机。 Z32K 型摇臂钻床原旧型机在使用过程中，工人们反映丝杆螺距较大（ P=6），两圆锥齿轮传动时，传动比虽小，但机床的体架太重，升降比较费时费力，为了适当省力，手柄长度过长，操作动作大，当拖板接近变速箱时，进给手柄与升降手柄容易打在一起，操作 者易受伤。我本次设计的主要任务是通过对变速箱的改进，以完成对升降系统改进。 三、实习总结 实习与调研之后， 结合实际存在的问题， 我 已经粗略地把课题设计方案 拟定了下来。实习与调研阶段是此次设计过程中必不可缺少的环节，因为我认为在这个过程中，我学会了不 少知识 ，也从中获得了一些相关技术资料和机床在使用过程中存在问题。这些是在书本上找不到的东西 。正是有了这第一手资料，我的毕业设计课题才能够紧张而有序地进行下去，才能准时保质保量地完成此次 设计任务 。 通过这次实习与调研，我了解一些事实，明白要对一个产品 进行改进或创新以满足 用户的需求，信息的获取是非常重要的，然而用户想要能实nts现某种功能的机器或原有机器存在缺点和不足需改进的话，这些 重要 信息来源于调研。有了调研，才能针对存在的客观问题，设计出满足用户的产品来，才能在社会的激烈竞争中获得胜利。这次实习与调研所获得的技术资料及存在的问题，为我顺利进行毕业是设计提供了重要依据。本次实习确实使我获益匪浅！ 学生签名： 2006 年 3 月 16 日 nts目录 1开题报告 2 英文翻译 3 英文翻译原件 ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 1 目 录 中文摘要及关键词 1 英文摘要及关键词 2 第一章 概述 3 1.1摇臂钻床 的简介 3 1.2摇臂 钻床的国内发展动态及趋势 4 第二章 原动机的选择 5 2.1常用原动机的运动形式 5 2.2原动机的驱动形式 5 2.3原动机选择应考虑的因素 5 2.4原动机的性能比较 6 2.5确定原动机的选择 7 第三章 机械传动设计方案的拟订与比较 8 3.1传动设计方案评价的目的 8 3.2传动设计方案评价的原则 8 3.3系统设计方案的比较与确定 8 第四章 绘制变速箱中升降系统的传动机构运动简图 11 第五章 传动部分运动和动力分析 12 5.1部分传动连接设计 12 5.2传动比、各轴转速、功率及转矩的计算 12 5.3齿轮材料的选择 14 5.3.1齿轮材料的基本要求 14 5.3.2常用材料及热处理 14 5.4直齿圆锥齿轮的尺寸设计计算及校核 17 5.4.1圆锥齿轮的各参数设计计算 17 5.4.2受力分析 18 5.4.3结构设计 18 5.4.4计算载荷 19 5.4.5齿面接触疲劳强度的校核 20 ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 2 5.4.6轮齿弯曲强度校核 21 5.5锥齿轮轴的设计计算及校核 21 5.5.1锥齿轮部分主要参数设计计算 21 5.5.2轴端部分参数设计 23 5.5.3锥齿轮轴的固定 23 5.6机 -4齿轮设计计算及校核 24 5.6.1 尺寸设计计算 24 5.6.2结构分析 25 5.6.3受力分析 25 5.7双联齿轮的设计计算 26 5.8 过渡轴的设计 27 5.8.1轴的失效形式 27 5.8.2轴的材料 27 5.8.3过渡轴的强度校核 28 5.8.4过渡轴的固定 31 第六章 轴承的选择与校核 32 6.1轴承的分类 32 6.2滚动轴承及类型 32 6.3 滚动轴承的失效形式 32 6.4 轴承的选择计算 33 第七章 键的选择和键联接强度计算 35 7.1 键的选择 35 7.2 键联结强度计算 35 第八章 设计小结 37 参考文献 38 致谢 39 中文摘要及关键词 ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 3 摘要 ： 本 次 设计课题为“ Z32K 型摇臂钻床变速箱的改进设计 ”。主要是对 Z32K型摇臂钻床的升降系统进行了改进、分析与设计，并对其主要传动零件进行设计及强度校核。了解和掌握 Z32K 型摇臂钻床在实际使用过程中出现的问题，在理论分析，计算的基础上，针对 Z32K 型摇臂钻床的升降系统是单手柄集中操作，操作起来比较麻烦，摇臂钻床体架太重，费力又费时 ，将其手动改进为自动升降，并提出了具体可行的解决方案。 关键词 ： 摇臂钻床 手动、自动升降系统 电动机 齿轮 强度校核 英文摘要及关 键词 ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 4 Abstraction ： This design topic is the Z32K radial drill drilling machine gear box improvement design. Mainly was has made the improvement, the analysis and the design to the Z32K radial drill drilling machine jacking system, and carried on the design and the intensity examination to its main transmission components. Understood and grasps the Z32K radial drill drilling machine the question which appears in the actual use process, in the theoretical analysis, in the computation foundation, in view of the Z32K radial drill drilling machine jacking system is the single handle centralism operation, operates quite troublesomely, radial drill drilling machine body too is heavy, takes the trouble to take time, its manual improvement is the power elevation, and proposed specifically the feasible solution. Keywords: universal raidial drilling machine manual operating and automatic fluctuation system electric motor gear strength cheeks. 第一章 概述 ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 5 1.1 摇臂钻床的简介 机床的品种和规格繁多，为了便于区别、使用和管理，将各 种机床都进行了分类和和编制型号。分类方法也有多种。主要是按照加工的性质和所用的刀具进行分类。根据国家规定的机床型号的编制方法，目前将机床分为 12 大类 ： 车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、特种加工机床、锯床及其他机床。在每一类机床中，又可以按照工艺范围、步型型式和结构等等，可以分为若干组，每一组又可以分为若干系列。如钻床又包括：坐标镗钻床、深孔钻床、摇臂钻床、台式钻床、立式钻床、卧式钻床、中心孔钻床及其他钻床。在上述的基本分类方法的基础上，还可以根据机床的其他特征进一步进行 分类。同类型机床按照应用范围（通用性程度），可以分为通用机床（或者称万能机床）、专门化机床和专用机床三大类。其中通用机床是可以加工多种工件，完成多种多样工序的加工范围较广的机床，如卧式车床、摇臂钻床等等。 摇臂钻床是摇臂绕立柱回转和升降 的 ，主轴箱在摇臂上作水平运动的钻床。对于大，中型工件上的孔，通常采用摇臂钻床加工。加工时工件固定不动，移动主轴（刀具）可以方便地对准被加工孔的位置。摇臂钻床广泛用于大 、 中型零件的 多孔 加工。 摇臂钻床主要由立柱，摇臂，主轴箱，和底座等部分组成。主轴箱装在摇臂上，可沿立柱上下移 动，以适应加工不同高度工件的要求。此外，摇臂还可以随外 立柱在 360 范围回转，因此主轴很容易调整到所需要的加工位置。为了使主轴在加工时保持确定的位置，摇臂钻床还具有 内 立柱，摇臂及主轴箱的夹紧机构，当主轴的位置调整确定后，可以快速将它们夹紧。 摇臂钻床的其他变形如万向摇臂钻床摇臂和主轴箱可以回转或倾斜，使主轴可在空间任意方向都可以进行钻削，适用于重型机器，机车车辆，船舶和锅炉等制造业中加工大型工件。车式摇臂钻床的底座有车轮，可以在轨道上移动，适用于桥梁和机床等行业窄长形工件的孔加工。 1.2 摇臂钻床的国内 发展动态及趋势 ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 6 目前国内摇臂钻床生产厂家有许多家，但是在这个行业做的较好的厂家不是很多。其中 沈阳机床股份有限公司中捷摇臂钻 床 厂 的 产品国内市场占有率高达70，出口产品遍及中东、北美、西欧等 86 个国家和地区。进入市场经济后，国内机床行业竞争日趋激烈，与中捷摇臂钻厂生产相同型号产品的企业有 40 多家，中捷摇臂钻厂产品领先优势受到挑战。为了应对挑战，中捷摇臂钻厂在产品卖得正火的时候，提出了 进行 跨越产品结构调整。第一，用先进技术改造传统产品。如普通摇臂钻床实现了五轴联动，价格由几万元上升到几十万元，达到中国摇臂钻床最 高水平。第二，向国际先进水平靠拢，不断扩大产品领先优势。 ZK系列、桥式和动桥系列产品，十几项技术居国内领先地位。 ZK3050 获得自主知识产权，并成为国家重点新产品； Z3580A万向摇臂钻，在任何空间、任意方向、任意位置上实现钻削功能，不仅填补了国内空白，在国外也不多见。在国际著名的芝加哥机床展览会上，中捷摇臂钻厂参展产品被一位美籍华商相中并当场拉走。德国、意大利、西腊、瑞典、伊朗等国家和地区纷纷提出做中捷牌摇臂钻的代理经销商。在上海国际机床展览会上，沈阳机床股份有限公司参展的数控钻铣床，同时被国内三家企业看 好。 摇臂钻床和大多数机床一样，将向数控自动化、机电一体化和智能化方向发展。摇臂钻床未来的发展趋势是： 应用电子计算机技术，简化机械结构，提高和扩大自动化工作的功能，使机床适应于纳入柔性制造系统工作；提高功率主运动和进给运动的速度，相应提高结构的动、静刚度以适应采用新型刀具的需要，提高切削效率；提高加工精度并发展超精密加工机床，以适应电子机械、航天等新兴工业的需要 。 第二章 原动机的选择 ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 7 机械系统通常是由原动机、传动装置、工作机和控制操纵部件及其它辅助部件组成。工作机是机械系统中的执行 部分，原动机是机械系统的中的驱动部分，传动装置则是把原动机和工作机有机地联系起来，实现能量传递和运动形式转换不可缺少的部分，而其中原动机在机械系统中所起的作用是：（ 1）把自然界的能源变成机械能；（ 2）把发电机等变能机所产生的各种形态的能量转换为机械能。 2.1 常用原动机的运动形式 常用原动机有以下三种运动形式，具体见 表 2-1： 表 2-1 原动机运动形式 运动形式 实例 连续运动 电动机、液压马达、气压马达、柴油机、汽油机 往复运动 直线电动机、汽缸、液压缸 往复摆动 摆动油缸、摆动汽缸 2.2 原动机 的驱动方式 原动机的驱动方式分为单机集中驱动和多机分别驱动。由一台原动机通过传动装置驱动执行机构工作，叫做单机集中驱动。而多机分别驱动自然而然是用多台原动机来驱动各执行机构工作。两种驱动方式中，单机集中驱动传动装置复杂，操作麻烦，功率大，但价格便宜。而多机分别驱动传动装置简单，电动机功率小，但成本比较高。 2.3 原动机选择应考虑的因素 1） 必须考虑到现场能源的供应情况及工作环境因素； 2） 必须考虑原动机的机械特性与工作机的匹配情况； 3） 必须考虑到维修是否方便，操作是否简单，工作是否可靠； 4） 必须考虑到工 作机对原动机所提出的起动、过载、运转平稳性等方面的要求； 5） 必须考虑到其经济效益及其成本，这也是非常重要的一项。 2.4 原动机的性能比较 表 2-2 原动机性能比较 ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 8 类别 电动机 气缸马达 液压马达 柴油机 尺寸 较大 较小 较小 较大 功率及取范围 功 率 大 ；0.31000KW，范围广 功率比电动机大 ； 一 般 在2.2KW 以下，尤其适用于0.75KW 以下的高速传动 功率最大；受实际油压和马达尺寸的限制 功率大；538000KW 重量 大 比电动机大 最大 大 输出刚度 硬 软 较硬 较硬 运行温 度控制 温度应低于许应值 排气时空气膨胀，噪声较大，排气处应安装消声器 对油箱进行风冷或水冷 调整方法和性能 直流电动机用改变电枢电阻、电压或改变磁通的方法；交流电动机用变频、变极或变转差率的方法 用气阀控制，简单，迅速，但不够精确 通过阀或泵控制改变流量，调速范围大 较难 噪声 小 较大 较大 较大 维护要求 较少 少 较多 较多 初始成本 低 较高 高 高 运转费用 最低 最高 高 高 应用 很广，需要动力电源 小功率高速场合 较广 很广，如各种车辆，船舶、农用机械、工程机械和压ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 9 缩机等等 2.5 确定原动机的选择 考虑到 Z32K 型摇臂钻床的现场工作环境及工作需求， Z32K 型摇臂钻床的起动力矩和调速范围等要求，我选择电动机作为其原动机。由于生产机械装置及工作机所处的工作环境各不相同，电动机的 工作环境也自然而然就各不一样。在绝大多数情况下，电动机工作的周围大气中有不同分量的灰尘和水分，有的处于潮湿之处甚至水下工作，有的周围含有腐蚀性气体甚至爆炸物，为了保证电动机能在不同的工作环境中顺利地安全运行，电动机的外壳也就有多种型式，其型式有：开启式、防护式、封闭式、防爆式。由于 Z32K 型摇臂钻床工作常 处于灰尘较多的场合，其外壳选用封闭式，电动机型号为 Y 系列， Y90L-4，额定功率1.5KW，满载转速 1400r/min，额定转矩 2.2N m，质量 27Kg。 第三章 机械传动设计方案的拟定与比较 机械系统设计中的首要环节就是拟定传动设计方案。其拟定的合理与否，在ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 10 很大程度上决定了机械产品的合理、先进和具备市场竞争力的程度。在机械系统设计中，为了达到预定的运动和动力要求。可以采用不同的传动方案。 3.1 传动设计方案评价的目的 机械运动方案的拟定和设计，最终要求通过分析 比较提供最优的方案。一个方案的优劣只有通过系统能够方案的评价来确定。从工作机系统设计的全过程来看，评价工作不仅在整个机械传动方案设计完成后是需要的，而且评价工作在设计全过程中的每一阶段也是需要的。一个机械传动运动方案要求某一工艺动作过程，这一工艺动作过程又可以分解成若干个动作，采用一些执行机构来加以实现。由于机械系统传动方案评价指标是多方面的。选用某一机构型式时往往对各评价指标反应不一。有时也会相互矛盾。因此，需要建立一个评价体态，进行全面的，综合性的评价。由此可以得出整个最优机械传动运动方案。 3.2 机械 传动设计方案评价的原则 机械传动设计方案评价的原则有：（ 1）保证评价的客观性 评价的目的是为了决策，因此评价是否客观，就会影响决策是否正确。为了保证评价的客观性，要求评价资料的全面性和可靠性，要求防止评价人员的倾向性，评价人员组成要有代表性等等。（ 2）保证方案的可比性 各个方案要求在实现基本功能上要有可比性和一致性，有的方案个别功能突出或有新颖之处。只能表明它在这个方面的优越之处，不能代替其他方面的要求，更不能掩盖其它方面的不足。否则，会失去综合评价的作用。陷入“突出一点，不顾其余”的错误。这种主观偏面的 做法。显然不利于评选最优方案。（ 3）要有评价指标体系 评价指标体系是全面反映系统目标要求的一种评价模式。因此，评价体系应主要考虑机械传动运动方案总功能所涉及到的对机构系统的各方面要求和指标。不考虑或少考虑其他方面的要求建立的评价指标体系，不仅是定性的要求，而且应该将各个评价的指标进行量化。评价指标体系的建立要求依据科学知识和专家的经验，要体现评价指标体系的科学性、全面性格外专家经验性。 3.3 系统设计方案的比较与确定 根据 Z32K 型摇臂钻床的工作情况，以及结合毕业设计课题，我现对摇臂钻床的升降系统进行改进 ，现拟定以下三种传动方案供选择： ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 11 方案一： 手动升降系统 手柄 锥齿轮轴 锥齿轮 螺母 方案二： 自动升降系统 新增电动机 齿轮 1 齿轮 2 锥齿轮 1 锥齿轮 2 螺母 方案三：原电动机 齿轮 四联滑移齿轮 双联齿轮 齿轮 锥齿轮轴 锥齿轮 螺母 表 3-1 系统传动方案性能的比较 性能指标 具体项目 方案一 方案二 方案三 功能 传动精度 高 高 高 升降速度 慢 快 快 工作 性能 可调性 好 好 较好 运转速度 慢 快 快 承载能力 大 较大 较大 动力 性能 加速度峰值 小 较大 较大 噪声 较小 小 小 耐磨性 耐磨 耐磨 耐磨 可靠性 可靠 可靠 可靠 经济 性 制造性 易 难 易 调整方便性 方便 不方便 方便 能耗大小 一般 一般 一般 制造费用 便宜 贵 便宜 结构紧凑 尺寸 小 小 小 重量 轻 重 较轻 结构复杂性 简单 一般 一般 方案一：升降时费力又费时，再加上手柄长度较长， 在实际操作过程中，当拖板接近变速箱时，进给手柄与升降手柄容易打在一起，操作者易受伤。 方案二：在丝杆的端头装上小型电动机和减速器，使丝杆转动，螺母固定实现自动升降。那是一种传动的自动升降系统。很多机床都用的上。但是针对 Z32K型摇臂钻床来说，虽然弥补了自动升降的缺点，但又派生出另外的缺点：（ 1）钻床立柱的顶端面积是有限的，而附加的电动机和减速器体积较大，结构复杂，安ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 12 装困难，也增加了成本，再说提重吊环的安装问题也难以解决。（ 2）增加一个动力源、减速器和一组控制电路，使成本增加。 方案三：直接利用原有电动机作为 升降系统的动力源。在变速箱内附加若干齿轮，在原有的主运动传动系统中，通过齿轮的变化啮合，把动力传到螺母上，使螺母转动，从而实现自动升降。方案的优点：（ 1）利用原电动机作为动力源，成本低。（ 2）附加零件部件结构简单、容易生产。（ 3）充分利用了变速箱的有限空间，使原机床的各部分结构和机床外观不受影响。（ 4）控制电路部分保持不变，操作简单、方便。（ 5）升降平稳、快捷、工作效率高。 根据以上的评价比较和分析，最终选择方案三作为升降系统的传动方案。 图 3-1 变速箱传动示意图 第四章 绘制变速箱中升降系统的传动机构运动简图 在生产中实际使用的各种机械在外形、构造和用途等各方面各不大相同。组ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 13 成机械（机器）的各种机构及各个机构和形状也是很复杂的。但各构件间的运动是由原动件的运动规律及个运动副的类型和机构的运动尺寸来决定的，与各构件之间的相对运动和整个机构的运动状态与机构中所包含的运动副数量、类型以及运动副之间的相对位置（也即机构的运动尺寸）有关。而与组成构件的零件形状和数量、构件的外形及其截面积的形状和尺 寸以及运动副的具体构造等等因素都无关。因此，在研究机构的运动时，为了便于分析，常常不计或者是略去那些与机构运动无关的因素，而是用规定的运动副符号及代表构件的线条来表示机构的运动特性，并根据运动学尺寸按比例画出各运动副之间的相对位置。如转动副中心间的距离和移动副导路中心位置等等。这种简单的运动图形是机构分析和设计的模型。如果仅仅以机构和运动副组成的符号表示机构，其图形若不按照精确比例绘制，目的是为了进行初步的结构组成分析，弄懂动作原理等等，则称这种简图为机构示意图或者机构简图。 绘制机构运动简图的步骤与方法： 1） 为了将机构运动简图表示清楚，在绘制时应该恰当地选择投影面。 2） 认清机架、输出机构和输入机构。 3） 搞清楚机构运动传递路线。 4） 了解两构件间的相对运动关系。 5） 选用适当的比例。 6）原动件标箭头表示运动方向。 根据以上步骤，初步绘制出了 Z32K 型摇臂钻床改进后的变速箱升降系统的传动机构运动简图。 机机机 机机机图 4-1 升降系统运动机构简图 1 电动机； 2、机 -2 轴； 4 花键轴； 3、 5、机 -4 直齿轮；机 -3 双联齿轮；6 四联滑移齿轮；机 -6 锥齿轮 轴； 7 锥 齿轮 ；机 -1、机 -5 轴承 第五章 传动部分运动及动力分析 5.1 部分传动连接设计 ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 14 由 Z32K 型摇臂钻床变速箱装配图和 升降系统机构运动简 图可以知道，升降系统的传动路线为：电动机 2 轴 4 轴 机 -2 过度轴 机 -6 锥齿轮轴 锥齿轮 7 螺母。为了设计和 加工方便，机 -6 锥齿轮轴的各部分参数大部分 上 与原来手 动系统中与升降手柄相连接的 圆锥齿轮轴相同，而在末端又将方头改为平键槽，采用平键与机 -4齿轮连接。机 -3过度齿轮的产生，因为固定机 -6圆锥齿轮轴径向位置的箱体孔中心高度受原有带动螺母及 丝 杆运动的 圆锥齿轮位置的限制，其箱体孔 较接近箱体孔内壁，使得机 -4 齿轮的分度圆直径受到限制，而固定在花键径向位置的箱体孔的距离较远，所以必须在四联滑移齿轮和机 -4 齿轮之间加上过渡齿轮连接，从而这样产生了机 -3 齿轮。我将机 -3 齿轮设计为双联齿轮，那是因为：为了提高工作效率，初定升 降速度为 800mm/min，已知：原有丝杆螺距 P=6， 原有带动螺母及丝杆运动的 圆锥齿轮齿数 Z=36，机 -6 圆锥齿轮齿数 Z=20。通过计算得出；要求机 -6圆锥齿轮轴的转速 N=240r/min。又已知电动机的转速 N=1400r/min， 与电动机轴相连最近的 齿轮齿数 Z=18（为了方便下面的计算，又 将其写成 18Z51 ） ，四联 滑 移齿轮的小齿数70Z=28，假如机 -3过渡齿轮为单联齿轮，那么机 -6 的齿数 Z=54，为了能让传动的模数一致 m=2， 则机 -6 的齿轮分度圆直径为 108mm，而箱体孔内壁限于机 -6 的齿轮的分度圆直径为 72mm，所以必须将机 -3过渡齿轮设计为双联齿轮，以减少齿轮和分度圆直径，由于花键轴、机 -2 过渡轴与机 -6 圆锥齿轮轴径向位置的各箱体孔之间呈三角形分布，因此机 -3双联齿轮的分度圆直径在设计上能作适当的调整。 5.2 传动比、各轴转速、功率及转矩的计算 已知假定了升降系统速度为 800mm/min，又已知： 18Z51 ， 55Z69 ，28486659Z 70 、 ， 36Z7 ， 206 机Z ，电动机转速 N=1400r/min，电动机功率为 P=1500KW，圆锥齿轮的传递效率为 %951 ，圆柱齿轮传递效率为%982 ，联轴器的传递效率为 %5.993 ，电动机的转速 min/14000 rn ，所以： m in/r1 4 0 0nn 02 轴 ， KW4 9 2 5.1995.05.1PP 32 轴 ， ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 15 1855i24 m in/r4 5 855181 4 0 0inn2424 轴KW4 6 2 6 5.198.04 9 2 5.1PP 224 轴轴 为了使 4轴转速经过过渡轴机 -2传到机 -6锥齿轮轴上， m in/r24020366800inn 676 机机 ，初步确定各齿轮参数如下 表 ： 表 5-1 齿轮参数 名称 齿数 分度圆直径 模数 机 -3 64 128 2 机 -3 44 88 2 机 -4 36 72 2 所以有 ： 7162864i 24 轴机 m in/r375.200167458i nn 24 42 轴机 轴机，KW4 3 3.198.04 6 2 6 5.1PP 242 轴机 1194436i 62 机机， m in/r9.244911375.200inn6226 机机机机 ，KW4 0 5.198.04 3 3.1PP 226 机机 m in/r11.13636209.244inn 67 机 KW335.195.0405.1PP 167 机 各参数确定之后，重新计算的升降速度为： 136.11 6=816.66r/min 各轴转矩为： 电动机轴 mN23.10NP95 50T 电2轴 mN179.10995.023.10TT32 电轴4轴 mN48.30185598.0179.10iTT 2424 2 轴轴机 -2轴 mN275.60286498.048.30iTT 2442 2 轴机轴机ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 16 机 -6锥齿轮轴 mN75.55443698.0275.60iTT 6226 2 机机机机7锥齿轮 mN33.95203695.075.55iTT 167 机各参数值列表如下： 表 5-2 各轴参数 轴号 功率 KW 转矩 mN 转速 r/min 传动比 效率 电动机 1.50 10.23 1400 / / 2轴 1.49 10.18 1400 / 0.995 4轴 1.46 30.48 458 3.06 0.975 机 -2轴 1.43 68.28 200.375 2.29 0.956 机 -6 1.405 55.75 244.91 0.82 0.937 7Z1.335 95.33 136.11 1.8 0.89 5.3 齿轮材料的选择 5.3.1、齿轮材料的基本要求 从对齿轮的失效分析可知，为了使齿轮能够正常工作，应对齿轮的材料提出如下基本要求： （ 1） 齿面应有足够的硬度和耐磨性，以防止齿面磨损、点蚀、胶合以及塑性变形等失效。 （ 2） 轮齿心部应有足够的强度和较好的韧性，以防止齿根折断忽然抵抗冲击载荷。 （ 3） 应有良好的加工工艺性能及热处理性能，以便加工和提高力学性能。 5.3.2、常用材料及热处理 适合制造齿轮的材料有很多，最常用的是钢、铸铁，有些场合也采用非金属材料。 1、钢 钢具有强度高、韧性好、便 于制造和热处理等优点。大多数齿轮毛坯都采用优质碳素钢和合金钢通过锻造而成，并通过热处理改善和提高力学性能。按热处理后齿面硬度的不同，钢制齿轮分为软齿面齿轮和硬齿面齿轮两种。 软齿面齿轮的齿面硬度小于或等于 350HBS，通常适用于一般用途、中小功ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 17 率以及精度要求不高的场合，例如一般用途的减速器。由于齿面硬度不高，这种齿轮的毛坯在进行调质或正火的热处理之后再进行精加工，一般采用插齿或滚齿等方法。 对于一对软齿面的齿轮来说，在传动的过程中，小齿轮的轮齿啮合次数比大齿轮的多，同时小齿轮的齿根较薄，使得小齿轮的轮齿弯曲 强度较弱。因此，通常使小齿轮的齿面硬度要比大齿轮的齿面硬度高 30 50HBS或更多，以保证大、 小齿轮的使用寿命相接近。在一般情况下，通常选用不同的材料或不同的热处理可以实现这个要求。 硬齿面齿轮的齿面硬度大于 350HBS，常用于高速重载及受有冲击载荷的或要求结构紧凑的重要机械传动中，例如机床、汽车变速箱等。这种齿轮的毛坯在进行调质或正火后，进行精切齿，然后再进行表面淬火处理，使得齿轮的耐磨性提高，承载能力增大。 硬齿面齿轮与软齿面齿轮比较，其综合承载能力可提高 2 3 倍。或者说，在相同的承载能力下，硬齿面的 齿轮传动要比软齿面的结构尺寸小得多。所以，除非受到工艺或生产等条件的限制，一般情况下应尽可能采用硬齿面齿轮。 2、铸钢 对于齿轮的直径尺寸较大（大于 400 600mm），或结构复杂不易锻造的齿轮毛坯，可用铸钢来制造。例如低速、重载的矿山机械中的大齿轮。 3、铸铁 灰铸铁具有较好的减磨性和加工性能，而且价格低廉，但它的强度较低，抗冲击性能差，因此，常用于开式、低速轻载、功率不大及冲击振动的齿轮的传动中。 球墨铸铁的力学性能和抗冲击能力较灰铸铁高，可代替灰铸铁、铸钢和调质钢铸造大直径齿轮。 4、非金属材料 非金 属材料的弹性好，耐磨性好，可注塑成型，成本低，但承载能力小，适用高速轻载以及精度要求不高场合。例如食品机械、家电产品以及办公设备等。 常用齿轮的材料见下表 5-3： 表 5-3 常用齿轮的材料及其力学性能 ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 18 材料 牌号 热处 理方法 齿面硬度 强度极限 MPaB / 屈服极限 MPas / 主要应用 优质 碳 素钢 45 正火 160 217HBS 580 290 低速轻载 调质 217 255HBS 650 360 低速中载 表面 淬火 48 55HRC 750 450 高速中载或低速重载 50 正火 180 220HBS 620 320 冲击很小 合金钢 40Cr 调质 表面淬火 240 260HBS 48 55HRC 700 900 550 650 中速中载 高速中载无剧烈冲击 42SiMn 调质 表面淬火 217 269HBS 45 55HRC 750 470 高速中载无剧烈冲击 20Cr 渗碳淬火 56 62HRC 650 400 高速中载 承受冲击 20CrMnTi 渗碳淬火 56 62HRC 1100 850 铸钢 ZG310 570 正活 表面淬火 160 210HBS 40 50HRC 570 320 中速、中载、大直径 ZG340 640 正火 调质 170 230HBS 240 270HBS 650 700 350 380 球墨铸铁 QT600-2 QT500-5 正火 220 280HBS 147 241HBS 600 500 低中速轻载有小的冲击 灰铸铁 HT250 HT300 人工时效 170 240HBS 187 235HBS 200 300 低速轻载冲击很小 根据上述齿轮材料的介绍，我 设计改进后新增的齿轮中，机 -6锥齿轮材料选ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 19 用 40Cr，直齿轮机 -4的材料选用 20CrMnTi，机 -3双联齿轮选用 20CrMnTi。 5.4 直齿圆锥齿轮的尺寸设计计算及校核 圆锥齿轮传动用于传递两个相交轴之间的运动和动力，圆锥齿圆按照分度圆上的饿齿向，圆锥齿轮可以分为直齿、斜齿和曲齿齿轮三种类型。直齿圆锥齿轮易于制造，则安装也比较简单，适用于低速、轻载传动的场合，应用也比较广泛。斜齿圆锥齿轮应用较少。而曲齿圆锥齿轮传动平稳、承载能力高，常应用于高速重 载的场合。但是设计和制造较为麻烦，复杂。圆锥齿轮 7是直齿圆锥齿轮。 5.4.1 圆锥齿轮的各参数设计计算 已知：齿数 1Z =36，模数 1m =2，配对齿轮齿数 2Z =20，模数 2m =2 分度圆直径： 72362zmd 111 分度圆锥角： 293620a r cct gzza r cct g121齿顶高： 221mhh1 齿根高： 4.22)2.01(m)ch(h1f 全齿高： 4.44.22hhh1f1 顶隙 c： 4.022.0mcc 齿顶圆直径： 4 9 8.7529c o sh2dd111a 齿根圆直径： 8 0 2.6729s inh2dd 1f11f 锥矩： 4397.74dd21R 2121 齿顶角： 54.1Rhar c tg 齿根角： 85.1Rharc tg ff 当量齿角： 16.41c o szZ111v 根锥角： 15.271f1f ntsZ32K型摇臂钻床变速箱的改进设计 20 顶锥角： 54.3011 当量齿轮分度圆半径： 16.41co s2dr111v 当量齿轮齿顶圆半径： 16.43hrr11vv 当量齿轮齿顶压力角： 48.33rco srar c co s1v1v1v 不发生根切的最少齿数： 15c o s)s in/h2(Z 2m in 5.4.2 受力分析 进行受力分析，为了简便起见，近似假定载荷沿齿宽分布均匀，并集中作用于齿宽中点节线处的法向平面内，和圆柱齿轮传动机构相似，齿面的法向为nF，也可以分解为圆周力tF，径向力 rF 和轴向力aF，求得各分力 公式 为： 1R11t d)5.01( T2F （ 5-1） 11t1r co stgFF （ 5-2） 11t1a s intgFF （ 5-3） cos/FF1tn（ 5-4） 计算结果如下： N87.1 7 8 81072)44.74 205.01(75.552d)R b5.01(T2d)5.01(T2F31111R11t N46.5 6 929c o s20tg87.1 7 8 8c o stgFF 11t1r N66.3 1 520s i n20tg87.1 7 8 8s i ntgFF 11t1