加工中心刀库及驱动装置设计

第一章绪论1课题的背景和意义加工中心是在一般铣床的基础上发展起来的，两者的加工工艺基本相同，结构也有些相似，但加工中心是靠程序控制的自动加工机床，所以其结构也与普通铣床有很大区别，如图1所示，为加工中心。图1加工中心在现代数控机床中，加工中心(MC-MachiningCenter)能进行自动换刀、自动更换工件，实行平面、任意曲面、孔、螺纹等加工，成为一种独特的多功能高精、高效、高自动化的机床，并迅速向高速化、复合化、环保化、五轴联动等方向发展，己成为当今国际机床展上最大的亮点，加工中心（MachiningCenter,MC）是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。数控加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一（HolbrookL.Horto，1959)。它的综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的5-10倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用(曹秋霞，2005；依兰欧克拉，2000)。数控加工中心是一种功能较全的数控加工机床。它把铣削、镗削、钻削、攻螺纹和切削螺纹等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺手段。加工中心设置有刀库，刀库中存放着不同数量的各种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选用和更换。这是它与数控铣床、数控镗床的主要区别。加工中心是一种综合加工能力较强的设备，工件一次装夹后能完成较多的加工步骤，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率可以提高。加工中心特别适合于箱体、框架、叶片等特殊复杂零件的柔性高效加工，能减省一些普通铣床、钻床、键床，提高加工精度和效率，减少转换时间，降低生产成本。在当今机械工业中，产品不断向个性化、精密化、小批量发展，世界对MC的市场需求在不断增多。特别是在要求适量柔性、大批高效生产的汽车工业、单件、小批重切、快速生产的航空、模具工业以至IT高精尖工业中，MC已逐渐成为重要的高效性机种，如图2所示。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床3倍4倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。图2加工中心制造的汽车外壳和飞机外壳2加工中心国内外现状1996年国产加工中心与进口加工中心的台数比，仅为百分之几，到2005年逐步增长到39.4%。2005年与2000年相比，进口的加工中心数量增加4.8倍。加工中心需求猛增的主要原因，大致有三：(l)整个机械工业原有工艺装备结构陈旧、性能落后，呈“三多三少”(手动的多、自动的少；粗加工的多、精加工的少;低效的多、高效的少)，函需大量更新。能源、交通、冶金、发电、工程机械、造船、模具、IT各业均需购置大、中、小各种Mc，量大面广；(2)汽车工业迅速发展，2002-2004年汽车产量分别为325、444、507万辆，发动机缸体、缸盖、变速箱及各种汽车零部件加工，均需增添高速、高精、环保、节能的各式MC；(3)航空、国防、军工产业，适应新形势发展，均在提高生产能力，需要大、中型各种立式、卧式、龙门式、五轴控制的高性能MC，而且要求品种多、质量好、供货快。1958年，美国卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。图3钻、镗、铣一体加工中心该产品出现后，销路惊人，引起了日、德、美、英、法、意等先进工业国家的高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有1000多个品种规格。加工中心进口的快速增加，一方面反映了我国制造业对这类数控机床的需求旺盛，另一方面也反映了我国机床制造业在加工中心的生产能力和国产加工中心的竞争力上还存在差距。国产加工中心市场占有率低的主要原因是国产加工中心在产品水平、交货期、质量和可靠性上与国外同类产品相比存在不少差距。因此研究加工中心及其控制系统具有现实和长远的意义，掌握其中的关键技术是充分发挥加工中心功能和性能的先决条件，必将对我国装备制造业的整体水平的提高起到积极的作用。未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要。随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用。由于加工中心在机械加工中的重要作用，各个工业发达国家都极为重视，在技术和产量上都发展很快。目前全球加工中心年生产量为50,00055,000台左右，并且以日本、欧盟、美国及中国台湾、韩国等为最具代表性的生产基地。日本市场消费能力强，年生产量超过10,000台。主要机种为立式加工中心，年产量约5,0006,000台，而且不断研发高速、高精密、五面加工、五轴联动加工等技术，满足特殊与复杂曲面加工工件的要求，日本生产加工中心的厂家有MAZAK、大隈、庄田、三菱等公司。德国生产最佳品质与高加工效益的加工中心，近年来生产量每年约在4,0005,000台左右。代表性机种为卧式加工中心，年生产量约1,5002,000台。其他加工中心年生产量约2,0003,000台左右，德国生产加工中心的厂家有西门子、MAKA、GEISS、科恩等公司。美国是全球机床生产代表性国家之一，但近年来由于其国内消费能力不足，再加上出口也面临市场竞争，导致其生产有逐渐下滑的趋势，年生产加工中心仅约为5,0006,000台左右，生产厂家有哈挺、MAG、Hurco等公司。台湾是全球加工中心生产量最大的供货基地，年生产量可达到16,00018,000台，其中有部分是空机台，未加装微机控制器等，平均单价有偏低的情形。韩国是全球加工中心主要生产国家之一。其加工中心主要用于韩国汽车工业、模具工业及机械工业，年生产加工中心在4,0005,000台左右。未来加工中心的生产基地则有可能是大陆，特别是日本、美国、德国、中国台湾、韩国已竞相到大陆设厂生产加工中心，再加上大陆本身的企业研发与制造，未来技术成熟、品质稳定、成本降低后，必将会成为全球重要供应基地之一。20世纪70年代我国研制的加工中心，如图4所示，多数因配套件和设计、制造的缺陷而不能正常使用。进入80年代后，由于引进了日本FANUC、德国图4我国研制的加工中心SIEMENS等公司的数控系统、直流进给伺服电机和主轴电机及其伺服单元之后，数控系统的可靠性有了很大提高。但就整机而言，可靠性还不够高。20世纪90年代中期以来，随着加工中心技术的进步和配套的完善，国内生产企业注意到了采用标准功能部件来取代产品的某些部件，同时优先选择世界知名公司的名牌产品(如：数控系统、滚动直线导轨、滚珠丝杠、轴承、ATC装置、液压气动元件、电气元件和检测元件等)作为配套，提高了国产加工中心的档次和可靠性，在一定程度上缩短了与国外同类产品的差距。当前，国产加工中心的可靠性与国外同类产品相比依然不高。除此以外，还有整机防护与密封、外观粗糙、整体造型不尽如意等缺陷，在一定程度上影响了国产加工中心的市场竞争力。目前国内生产加工中心的有沈阳机床厂、大连机床厂、上海祥裕等厂家。研究主要成果如下：90年代以来，国外一些机床厂家先后开发出一批高速加工中心，其主要技术参数为：主轴最高转速：一般为1200015000r/min，有的高达4000060000r/min。坐标轴的加工进给最高速度：3060m/min，快速移动速度高达7080m/min。换刀时间(刀-刀)普遍在1.53.5s，有的快到0.80.9s；托板交换时间普遍在68s。综上所述，高速加工中心的出现使得单轴加工中心的效率赶上了多轴的组合机床或专用机床。因此，高效高柔性的加工中心已开始在汽车工业中应用，并成为重要的工艺装备。目前世界上比较有名的加工中心有：德国EX-CELL-OGMBH公司XHC240卧式加工中心、德国ChironWerke公司FZ12W立式加工中心、日本Mazak公司产品、日本新泻铁工所SPN50、SPN40加工中心、美国Giddings&Lewis公司RAM500型、RAM630型卧式加工中心和美国Ingersoll铣床公司HVM600型卧式加工中心等等。目前，国产加工中心的主要品种是立式加工中心和卧式加工中心。为市场提供的产品主要是立式加工中心。其规格(是指工作台宽度，单位：mm)一般为300、400、500、630和800。其中，前三种属于较小规格产量较大；后两种属于中大型产量较小。目前，国产立式加工中心拥有的规格基本上覆盖了中小型立式加工中心的规格范围。在我国，人们习惯上把数控机床按其技术水平的高低分为高、中、低三个档次。所谓高档数控机床是指高速度、高精度、五轴联动和工艺高度复合化的数控机床，包括部分重型机床；而所谓低档数控机床主要是指以步进电机驱动为主要特征的开环控制的经济型数控车床、钻床和铣床，其精度和速度都不高；其他数控机床则属于中档数控机床，也就是人们常说的通用普及型数控机床。国产加工中心大多数产品的档次属于此范畴。1.4加工中心的特点加工中心加工除了具有普通铣床加工的特点外，还有如下特点：1、零件加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件，如模具类零件、壳体类零件等；2、能加工普通机床无法加工或很难加工的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件；3、能加工一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件；4、加工精度高、加工质量稳定可靠；5、生产自动化程度高，可以减轻操作者的劳动强度。有利于生产管理自动化；6、生产效率高；7、从切削原理上讲，无论是端铣或是周铣都属于断续切削方式，而不像车削那样连续切削，因此对刀具的要求较高，具有良好的抗冲击性、韧性和耐磨性。在干式切削状况下，还要求有良好的红硬性。1.5加工中心的分类按主轴加工时的空间位置分类有：卧式和立式加工中心。卧式加工中心是指主轴轴线水平设置的加工中心。如图5所示，卧式加工中心有多种形式，如固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心的立柱不动，其主轴箱在立柱上做上下移动，而工作台可在两个水平方向移动；固定工作台式的卧式加工中心的三个坐标方向的运动由立柱和主轴箱的移动来定位，安装工件的工作台是固定不动的(指直线运动)。卧式加工中心一般具有3个5个运动坐标轴，常见的是三个直线运动坐标轴和一个回转运动坐标轴(回转工作台)它能在工件一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工箱体类工件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。图5卧式加工中心图6卧式加工中心1-主轴头2-刀库3-立柱4-立柱底座5-工作台6-工作台底座立式加工中心。如图9所示，立式加工中心主轴的轴线为垂直设置，其结构多为固定立柱式，工作台为十字滑台，适合加工盘类零件，一般具有三个直线运动坐标轴，并可在工作台上安置一个水平轴的数控转台(第四轴)来加工螺旋线类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格低，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。图7立式加工中心图8立式加工中心1-X轴的直流伺服电动机2-换刀机械手3-数控柜4-盘式刀库5-主轴箱6-操作面板7-驱动电源柜8-工作台9-滑座10-床身大型龙门式加工中心。如图9所示，轴多为垂直设置，尤其适用于大型或形状复杂的工件，像航空、航天工业及大型汽轮机上的某些零件的加工都需要用这类多坐标龙门式加工中心。图9龙门加工中心五面加工中心。如图10所示，这种加工中心具有立式和卧式加工中心的功能，在工件一次装夹后，能完成除安装面外的所有五个面的加工，这种加工方式可以使工件的形状误差降到最低；省去二次装夹工件，从而提高生产效率，降低加工成本。图10五面加工中心图11万能加工中心1.5国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势国产加工中心目前存在的问题有：(1)技术水平上，与国外同类产品的先进水平相比大约落后1015年，在高精尖技术方面则更大。(2)产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前的数控技术的深入研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强。(3)产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，虽然近年来国产加工中心的产量增加较快，但从总体上看，还没有形成规模生产；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。(4)国产数控系统MTBF(平均无故障时间)大都超过1万小时，但国际上知名品牌如：FANUC、SIEMENS等先进企业的数控系统MTBF已达8万小时。国产加工中心MTBF虽有少数厂达500小时，但国外加工中心的先进水平已达800小时。(5)刀库和机械手的可靠性还比较低，近年来虽有改进，但用户仍然不放心。(6)位置精度，特别是重复定位精度还有待于进一步提高。(7)至于外观粗糙，漏油、漏水、漏气等老问题仍然不同程度的存在。加工中心未来发展趋势有：（1）高速度、高效率众所周知，机床向高速化方向发展，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。是进入新世纪以来国内外机床技术发展的重要趋势。20世纪90年代以来，欧、美、日等工业发达国家争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴，转/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60120m/min，切削进给速度高达60m/min)、高效率的自动换刀装置、高性能数控装置和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。（2）高精度追求加工中心的高精度，一直是世界各工业发达国家努力的方向。当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m；精密级加工中心的加工精度则从35m提高到11.5m，甚至更高。（3）高可靠性随着数控机床应用领域的日益普及，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造厂家和数控机床制造厂家十分注重和追求的目标。数控机床也只有首先具有较高的可靠性，才能谈得上高速度、高效率和高精度。这已经是众多的数控系统制造厂家和数控机床制造厂家达成的共识。当前，国外先进数控系统的MTBF值已达8万小时以上。1.6本章小结本章主要介绍了加工中心的定义，发展历程以及加工中心的国内外现状，并介绍了当今加工中心存在的一些问题及其未来的发展趋势。第二章加工中心刀库总体方案1加工中心刀库设计的任务及要求设计任务和要求：1)旋转工作盘的直径D=660，圆周装夹刀具。2)24工位：（刀库容量为24把刀）。3)转位时间：1.52秒。4)控制方式：采用圆柱凸轮分度机构来完成刀库转盘的转位和定位。5）最大刀具尺寸：100250mm6）最大刀具质量：6kg/pc7）所用刀柄规格：40#8）拉钉拉紧方式：采用钢珠9)总体连接尺寸：决定该机构的轮廓尺寸为：（660350）（直径宽）2刀库的类型选择目前一般刀库按结构形式可以分为以下几种：1）刀具储存在圆型鼓轮上，如图1所示，这种刀库结构简单，但刀具环形排列，空间利用率低，为了不致于刀库外径过大导致转动惯量过大，一般刀库容量在32把以下。使刀库中处于换刀位置的刀具轴线平行于主轴轴线，以简单的回转式机械手对刀库和主轴进行交换。要求刀库容量较大的场合，可以采用空间利用率较高的多重型鼓轮式刀库，这种刀库的传动装置和控制装置较为复杂。图1盘式刀库2）链式刀库，如图2所示，刀具储存在链条环节上，再以链轮驱动，结构紧凑，刀库容量较大，链环的现状可以根据机床的布局配置成各种形状，也可以将换刀位置突出以利换刀。当链式刀库需要增加刀库容量时，只需增加链条的长度，在一定的范围内，无需变更线速度及惯量，这种条件对系列刀库的设计与制造带来了很大的方便，可以满足不同的使用条件。图2链式刀库3）盒式刀库，如图3所示，刀具储存在纵横排列的格子上，此种刀库空间利用率最高，刀库容量大。图3盒式刀库4）转塔式刀库，如图4所示，刀具储存在同一转塔上，其主要特征是刀库环绕是主轴，储刀位置即为主轴位置，因储存刀具数量有限，主要用于小型加工中心。图4转塔式刀库5）斗笠式刀库，如图5所示，斗笠式刀库由于其形状像个大斗笠而得名，一般存储刀具数量不能太多，1024把刀具为宜，具有体积小、安装方便等特点，在立式加工中心中应用较多。图5斗笠式刀库加工中心的一个很大优势在于它有ATC装置，使加工变得更具有柔性化。根据以上几种刀库的类型，立式加工中心的具体工作状态所需，所以选择盘式刀库。按设置部位可以分为以下两类：（1）设置在机床上的刀库如上面所述的转塔式刀库、圆盘式刀库和部分链式刀库。这些刀库结构小，可直接安装在机床侧面或上面。（2）设置在机床外的刀库（落地式刀库）如上面所述的部分链式刀库(主要是大型链式刀库)和格子式刀库。这些刀库刀具容量大，结构尺寸比较大且整体较重，安置在地面上可以将刀库的运动与机床隔离开，而且刀库的重量主要由地面来承受。3刀具的选择方式在自动换刀装置换刀时，按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具准确地自动地选出，并转换到取刀位置称为自动选刀。从刀库中选择刀具通常采用下述方式：（1）顺序选择方式。顺序选择方式是按零件加工的预定工序要求依次将所用刀具存入刀库的刀座中，使用时按顺序将其转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座中，亦可以按加工顺序故入下一个刀座中。这种方法不需要刀具识别装置，驱动控制也较简单，工作可靠，但刀具不能重复使用。即工艺相同的不同工序，也要重新安排刀具，故增加了刀具数量和刀库容量。一般用于刀具较少的中小型加工中心、加工批量较大但工件品种较少的加工中心、刀库与主抽之间直接换刀的加工中心、有自动换刀库的数控机床(当加工小批量零件时)。另外，在装刀时必要认真谨慎对号入座，否则将会产生严重后果。（2）任意选择刀具方式这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放。每把刀具(或刀座)都编上代码。自动换刀时，刀库旋转，每把刀具(或刀座)都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该把刀具被选中，刀库将选中的刀具送至换刀位置，等待机械手来抓取。任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关。相同的刀具可重复使用，故刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些，刀库也相应小一些。4刀库总体方案和主要参数载刀量：24把主轴鼻端：刀具形式BT40刀具直径：80mm平均重量：7Kg初选刀库直径：660mm刀盘最低转速：60r/min由于刀具形式为BT40，其刀具直径为80mm，按初选的刀库直径660mm来排列可知每把刀之间的间隔约为6mm，符合安装要求。刀库的系统传动部分的简图如上图6所示。连轴器电动机I轴I轴I轴图6系统设计简图5电动机的初选（1）选择电动机类型按工作要求和条件，选用三相异步电动机，电压380V，Y型。（2）选择电动机的容量初选电动机型号为Y27122，其主要参数如下表2-1：表2-1电动机参数型号额定功率满载转速额定转矩最大转矩质量Y271220.5528202.22.3电动机输出转矩：9550Nm=9550Nm=1.86NmdTmdnP2805.式中、分别为轴承、齿轮传动（包括蜗轮蜗杆）的传动效率。12取=0.98(滚子轴承),=0.97(齿轮精度为8级,不包括轴承效率)。2（3）确定电动机转速刀库工作刀库转盘所必需满足的转速最低为：n=60mir根据传动比合理取值，取一级齿轮的传动比i2,二级涡轮蜗杆减速器传动1比i20，则总传动比合理范围为i40，故电动机转速约为：2an=in=40=2400da60minr6确定传动装置的总传动比和分配传动比由选定电动机满载转速n和工作机主动轴转速n,可得传动装置总传动比为m（2-1）ia总传动比为各级传动比,、的乘积，即电动机型号为1i23inY27122，满载转速n=2820。mir（1）总传动比由上式（2-1）：=47nima6028（2）分配减速器的各级传动比按展开式布置。考虑润滑条件，得2，=19.5，则此时的输出转速为1iin=72.31ami5.980minr7确定各轴转速、转矩和功率（1）各轴转速（2-2）01inmir式中：电动机满载转速；mn电动机至轴的传动比。0i以及=（2-3）In101iimnr（2-4）2102iiII由式（2-3）（2-5）得I轴=141001inm8inrII轴=1410InminrIII轴=72.31201IIii829.5inr（2）各轴输入功率kW（2-5）dIP3kW,（2-6）12IIP12kW,（2-7）3II33式中、分别为轴承、齿轮传动的传动效率。23由式（5）（7）得I轴=0.550.98=0.54kWdIP01II轴=0.5390.980.97=0.51kW2II23dIII轴0.510.40kWI3II80.9IIII轴的输出功率则分别为输入功率乘轴承效率0.98,例如I轴输出功率为0.53kW,其余类推。98.0IP（3）各轴输入转矩Nm（2-8）01IdTi其中为电动机的输出转矩，按下式计算：dT9550Nm（2-9）ddnP所以=9550Nm（2-10）01IdTi01dmin=9550Nm（2-11）12Ii012dPi=9550Nm（2-12）23IITi0120123dmin=9550Nm（2-13）34IVIT01201234dmPin由式（8）（13）电动机轴输出转矩9550=9550=1.86NmdTmdnP2805.IIII轴的输入转矩I轴=9550=1.860.972=3.61Nm01Idi01dmPniII轴=0.97=3.610.97=3.50NmIIT1III轴=3.5019.50.980.8023IIi21Ii=53.51NmIIII轴的输出转矩则分别为各轴的输入转矩乘轴承效率0.98,例如I周的输出转矩为3.610.98=3.54Nm,其余类推。98.0IT运动和动力参数计算结果如下表2-2：表2-2运动和动力参数转矩TNm功率PkW轴名输入输出输入输出转速nmir传动比i效率电动机轴1.860.55282020.96I轴3.613.540.540.53141010.95II轴3.503.430.510.50141019.50.78III轴53.5152.440.400.3972.311.000.972.5电动机的校核（1）转矩校核加载在刀盘转轴上的重力为刀库旋转刀架的重力，其中刀架厚度为15mm：G1=5.640.0150.160.06+（-）0.03+（-g310426.0542.0）0.0310=150N21.0刀库转盘的重量，其中转盘厚度为30mm：G2=+7024=5.60.15=4560Ng3426.0则可得刀库作用在轴3上的转矩T/3=Gd3=0.004(4560+150)0.06Nm=1.13Nm可得T/3n，故此电动机的转速也满足刀库的转速要求。mirmd综合考虑电动机和传动装置的尺寸、转矩、价格和带传动、减速器的传动比，可见此电动机比较合适。因此选定电动机型号为Y2-112-2。5本章小结本章主要介绍了加工中心刀库形式、特点及各自应用范围，介绍了总体方案的设计，进行了电机的选型和参数校核。第三章刀库驱动装置设计计算3.1齿轮传动的设计计算1、选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）选用直齿轮2）加工中心为一般工作机器且轻质载荷，故选用7级精度（GB1009588）3）材料选择。选择小齿轮材料为40（调质），硬度为280HBS，大齿轮rC材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。4）选小齿轮齿数=20，传动比为=2,大齿轮齿数=220=40。1ziz2、按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即2.32td1321)(HEdZuKT(1)确定公式内的各计算数值1）试选载荷系数=1.3。t2）计算小齿轮传递的转矩。=Nmm=0.3657Nmm1T150.9nP1405.94103)由表选取齿宽系数=1。d4)由表查得材料的弹性影响系数=189.8EZ21aMP5)由表按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600；大齿1limHaP轮的接触疲劳强度极限=550。2limHa6）计算应力循环次数。=60=6014101（283658）=1NhjLn1.441=0.25190275.049917)由图取接触疲劳寿命系数=0.95；=0.96。1HNK2HN8）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1，安全系数S=1，由式得0=0.95600=570H1NlimaMPa=0.96550=5282SK2liaa(2)计算1）试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。td1H2.32=2.32mm=22.6mmtd132)(1HEdZuKT324)58.19(0657.由于机床实际的尺寸关系，这里小齿轮的分度圆直径取为=40mmtd12)计算圆周速度v。v=1.08160tdn4051sm3)计算齿宽b。根据机床经验公式，齿宽为模数的68倍，这里模数先试取2，故b=（68）m=16mm,这里取b=20mm4)计算齿宽与齿高之比。h模数=40/20mm=2mmtm1zdt齿高h=2.25=2.252mm=4.5mmt=10.67b096.5345)计算载荷系数。根据v=1.46,7级精度，由图108查得动载系数=1.0621；smvK直齿轮，=1HKF由表查得使用系数=1.25；A由表用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，=1.420。H由=10.67,=1.420查图得=1.35；故载荷系数：hbHKFK=1.251.0611.420=1.8815AvH6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式得：=40=45.246mm1dt3tK3.1857）计算模数m：m=mm=2.26mm1z2046.53、按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为m321)(FSadYzKT（1）确定公式内的各计算数值1）由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500大齿轮的弯1FEaMP曲强度极限=3802FEaMP2）由图取弯曲疲劳寿命系数=0.88,=0.90；1FNK2FN3）计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式得：=314.29F1SKFEN14.508aMPa=244.29F2FE2.39aa4）计算载荷系数K。K=1.251.0611.35=1.789AvF5）查取齿形系数。由表查得=2.80;=2.40。1FaY2Fa6）查取应力校正系数。由表查得=1.55;=1.67。1Sa2Sa7）计算大、小齿轮的并加以比较。FY=0.013811FSa29.34580=0.016402FSaY.67大齿轮的数值大。（2）设计计算mmm=0.81mm324016.013657.89.2故可知上面所预选的模数m=2符合设计要求。=201zmdt24大齿轮齿数=220=40。2z4、几何尺寸计算（1）计算分度圆直径=m=202=40mm1dz=m=402=80mm2（2）计算中心距a=mm=60mm21d804（3）计算齿轮宽度根据机床实际设计取值，取=20mm,=15mm。1B25、结构设计及绘制齿轮零件图3-1图3-1齿轮配合2蜗轮蜗杆的设计计算根据第三章的计算，选择伺服电机，最高转速为3000r/min，旋转惯量为0.0145，临界转速：2Kgmv=4.3m/s601dn2830式中d为输入轴的直径，n为电机主轴的最高转速。中心距的计算，蜗轮转矩：=5901240.82T1i619.50Pin6149.5080.Nm式中-蜗杆轴的输入转矩，；1Nm-电机的输出功率，KW；P-蜗杆轴的转速，r/min；1ni蜗轮蜗杆机构的传动比；-蜗轮蜗杆机构传递的效率1使用系数：按题意查参考文献可知，=1.1AK转速系数：=0.86nZ128()18450()式中-蜗轮的转速，r/min；2n弹性系数：根据蜗轮副的材料为ZCuSn10P1可知，查高等教育出版社的机械设计表13.2：=147EZMPa寿命系数：=1.131.6h6250hL601式中-蜗轮的预期寿命hL接触系数：由参考文献查出，=3.6Z接触疲劳极限，查表13.2：=265MPalimH接触疲劳极限的最小安全系数：由设计要求可知，=1.3limHS中心距：a=358mm2lim32(EHAnhZSKT）231473.61.5902.8(05）传动基本尺寸的计算：蜗杆头数：由参考文献查得导程角=，=11z蜗轮齿数：=i，=801=802z1式中i蜗轮蜗杆传动中的传动比；-蜗轮蜗杆传动中的蜗杆的头数。1z模数：m=(1.41.7)a/=(1.41.7)，取m=82z408式中a蜗轮蜗杆传动中的中心距，mm；-蜗轮的齿数。2z蜗杆分度圆的直径，查机械工业出版社的现代机械传动手册可知：=80mm，=96mm，=60.8mm1d1a1fd蜗轮分度圆直径：=m=880mm=640mm2z蜗杆的导程角：tan=0.11md80因此=。5.71蜗轮的宽度：=61.1mm2b1(0.5dm）802(.51）式中m蜗轮蜗杆传动啮合中的模数；-蜗杆的分度圆直径，mm；1d蜗杆圆周速度：=6.07m/s1v160dn80145式中-蜗杆的分度圆直径，mm；1d-蜗杆轴的转速，r/min；n相对滑动速度：=6.1m/svs1co6.07s5式中-蜗杆圆周速度，m/s；1v-蜗轮蜗杆传动中的蜗杆的导程角；当量摩擦系数：由高等教育出版社的机械设计中的表13.6查得=0.021，=。vuv1.20结构设计及绘制齿轮零件图3-2所示。图3-2蜗杆蜗轮结构示意图第四章装置零部件校核计算1凸轮轴的校核1、计算凸轮受力见1图凸轮的受力情况，所受轴向力N，扭矩T：0.8.60.80.626210.37612149NDfHBN1.9.72.Tf圆周力：2472.6=143tTFd径向力：tan13.0.52rN，1=6rFN2=8r，9r4r由上述条件画水平面受力图（a）；画水平面弯矩图（b）：=140xMNm画垂直面受力图（c），画垂直面弯矩图（d）：386y合成弯矩图（e）：2=+=4108xyMNm2、画轴转矩图轴受转矩T，画转矩图(f)。3.许用应力根据机械设计，P315表16.3转轴和心轴的许用弯曲应力可知：0=13bMPa-175应力校正系数：-10=.58b4、画当量弯矩图计算当量转矩：=0.58472.6740TNm计算当量弯矩，轴承和齿轮中间处：222218938M画当量弯矩图（g）：（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）图18轴的校核校核轴径，轴径330.1498=.720.5bMdm校核合格，符合设计要求。2齿面接触疲劳强度的验算许用接触应力：=198.09MPaHlimHnhZS2650.813.式中-转速系数，由计算可知=0.86；nZnZ-寿命系数，由上面的计算可知=1.13；hh-接触疲劳极限，MPa；limH-接触疲劳的最小安全系数。liS最大接触应力：=168MPa198.09MPaH23AEKTZa31.5902447.6式中-弹性系数；-接触系数，由高等教育出版社的机械设计图13.12查出，=3.6；-使用系数；-蜗轮转矩，；a中心距。ZAK2TNm由上面的数据可看出齿面接触疲劳强度验算合格。3轮齿弯曲疲劳极限验算齿根弯曲疲劳强度，高等教育出版社的机械设计中的表13.2查出：=115MPalimF弯曲疲劳最小安全系数：按照要求自取=1.4。liFS许用弯曲疲劳应力：=82MPaFlim15.4式中-齿根弯曲疲劳强度，MPa；limF-弯曲疲劳最小安全系数，MPa；liS轮齿的最大弯曲应力：=40.9MPa82MPaF2AKTmbd1.5902486式中-使用系数；-蜗轮转矩，；m蜗轮蜗杆中的模数；A2N-蜗轮的有效宽度；-蜗轮的分度圆直径。由上面的数据可知曲疲劳强度验2b2算是合格的。4蜗轮蜗杆的校核计算4.1驱动蜗杆的输入选择根据第三章的计算，选择伺服电机，最高转速为3000r/min，旋转惯量为0.0145，临界转速：2Kgmv=4.3m/s601dn2830式中d为输入轴的直径，n为电机主轴的最高转速。中心距的计算，蜗轮转矩：=5901240.82T1i619.50Pin6149.5080.Nm式中-蜗杆轴的输入转