手自一体柔性胎架的设计毕业论文.docx

手自一体柔性胎架的设计毕业论文目录第1章绪论11.1选题背景11. 2数控柔性胎架的研究现状11.3论文的主要工作21.4本章小结3第二章胎架的结构设计42.1胎架的设计基础42.1.1胎架分类42.1.2胎架的设计原则及方法42.1.3柔性胎架结构技术要求52.2胎架结构设计52.2.1总体结构设计52.2.2丝杠的机构与尺寸设计62.2.3蜗轮、蜗杆具体参数以及尺寸的设计122.2.4带轮传动的设计202.2.5支撑机构设计212.3手自一体柔性胎架结构252.4本章小结27第3章手自一体柔性胎架的结构强度校核283.1常规校核283.2丝杠与蜗轮螺纹强度的校核283.3丝杠强度校核293.4上、下立柱强度校核303.5胎架结构稳定性校核313.5.1计算校核313.5.2 ANSYS分析333.6结构总强度及稳定性393.7本章小结39第4章手自一体柔性胎架控制系统的设计414.1控制系统概述414.1.1控制系统的主体功能414.1.2控制系统的基本功能要求414.1.3控制系统的分类424.1.4控制系统的选择434.2控制系统初步构想434.2.1执行元件434.2.2胎架控制系统的原理444.3胎架控制系统方案464.4本章小结47第5章总结与展望485.1总结485.2展望49参考文献50II第1章绪论1.1选题背景随着数字化技术的应用，我国的船舶行业发展迅猛。2014年，全国造船完工量3905万载重吨，新承接船舶订单量5995万载重吨，手持船舶订单量14890万载重吨，其中出口船舶占总量的95.9%。行业三大指标市场份额：造船完工量、新接订单量、手持订单量以载重吨计分别占世界市场份额的41.7%、50.5%和47.1%，继续保持世界领先，是当之无愧的世界第一造船大国1-2。目前，世界各国都在积极制定可持续性发展规划，来缓解日趋严峻的环境污染和资源紧缺问题。因此，倡导绿色船舶制造技术势在必行，实现船舶制造的数字化、高效化，已经成为造船行业发展的必然趋势，也是国家发展的要求。随着数字化技术的发展，数控技术己经运用到造船生产中。在分段制造装备方面，目前，我国许多中小型船厂在曲面分段建造时，仍然在使用传统的模板胎架3，自动化程度还很低。然而，传统的模板胎架已经不能适应生产环境和制造任务的迅速变化，在建造结束以后只能采取割除建造割除的方法反复循环，并不能重复使用。这种方法不但耗料、耗时、耗力4，而且最重要的是最终会影响交付周期，降低造船精度。此外，由于我国在生产成本方面具有明显的优势，我国的船舶制造行业已经面向全世界，船舶的制造种类正日渐增多，船舶企业经常会出现人员紧张、及场地紧缺等问题。因此，为推动造船舶企业的现代化发展，必须要提高胎架数字化以及通用化水平，使之符合绿色化、数字化造船工装的发展方向5。1. 2数控柔性胎架的研究现状在建造大型船舶过程中，分段制造是船舶建造的基础，将两个或多个分段组合在一起，形成总段，再将总段合拢形成整个船体。在分段建造和合拢过程中，一般都需要胎架。胎架11是船体分段建造及焊接的一种专用工艺装备，其作用是保证分段在装配、焊接时具有良好的作业条件，保证船体曲面分段的准确线型，并具有控制焊接变形的作用。因此，胎架必须要具有足够的结构强度、刚性以及稳定性。传动的模板胎架12是按照船体分段形状设计制造的，各型船各个分段都有专门的胎架制造图。在胎架上建造船体分段，可以保证分段的外板线型，继而保证总段、整个船体的外板的线型，因此制造合格、适用度高的胎架是保证建造优质舰船的关键之一。柔性胎架6的概念基于“多点成形”，20世纪中后期，最早由日本人提出。国内最早关于多点成形的研究是李明哲教授从日本归国后在吉林大学展开的。1990年，李教授7-11筹建无模成形技术中心，主要从事多点成形技术与柔性胎架系统的研究。2008年，江苏科技大学佘建国教授13-17，基于生产中心制造船模式，提出选用柔性胎架来支撑船体反造时的分段，以保证其船体分段的形线。该系统不仅可以按固定的轨道进行整体移动，而且还通过滑块和丝杠对单个胎架进行纵向或者横向的调节，将船舶生产流水化。柔性胎架系统12适用于大中型船厂，为船舶建造提供了一种高效的工装设备与生产方法。目前，柔性胎架18主要一下有三个特点：首先，胎架的高度可以根据需要，自由调节，以满足不同船型的的外板型值；其次，胎架可以滑动，改变的位置，以适应不同的船体型值；第三，当需要移动场地时，只需要将胎架按照固定的轨道进行移动，有利于分段船体的套造。1.3论文的主要工作本文通过分析现有通用胎架的经济性、操作性、数字化程度等特性，根据其不足之处以及其功能需求，提出一种手自一体柔性胎架，以满足船舶企业生产需求。本文的研究内容主要包括以下三个方面：第一，对数控胎架进行结构设计，将胎架分为执行机构和支撑机构。执行机构：根据胎架额定工作承载能力（初定30000N），设计集中主体结构，比较其各项指标，选出最优方案。支撑机构：根据胎架执行机构的各项参数，及胎架支柱所承受的载荷范围，设计支撑机构的结构形式以及几何参数。第二，对胎架的结构进行强度校核：根据涡轮结构支撑形式和蜗杆传动设计计算结果进行轴承静载校核（因胎架使用工况为长时间间歇使用），针对螺杆的压杆进行稳定性分析。第三，初步设计胎架的控制系统：分析胎架控制系统的功能要求，选择合适类型的胎架控制系统，并选取合适的相应硬件驱动设备；在软件程序方面，提出控制系统的程序编写思路。1.4本章小结本章简要的介绍了当前船舶企业对工艺装备（即胎架）的需求及其在船舶制造企业中实际应用的状况，指出现有胎架所存在的不足。分析了柔性胎架的研究现状，指出了柔性胎架的结构特点。提出设计一种手自一体柔性胎架，以满足船舶制造企业的生产需求，对提高造船行业的绿色化、自动化、高效化程度有重要意义。第二章 胎架的结构设计2.1胎架的设计基础2.1.1胎架分类按照不同的分类方法可以将胎架分为不同的类型，其具体分类见表2-1表 2-1 胎架的分类分类类型特点使用范围按使用范围专用胎架专供某类型船舶的某一分段使用用于底部、舷侧分段及首、尾柱等通用胎架供各种船舶的船体不同区域分段使用用于甲板、舷侧、底部分段按胎架工作面内胎架工作表面为船体外板的内表面一般应用甚少外胎架工作表面为船体分段或总段外板的外表面通常使用的均为外胎架按结构形式固定胎架固定在平台上的胎架用于底部、舷侧、甲板分段及首、尾柱等活动胎架可以分段使按照需要改变位置，使焊缝一直保持平焊用于筒形结构及批量生产的同类型分段从表2-1可以看出，当前各个型号的胎架每一种都具体不同的缺陷，一种型号的胎架只适合某一种船型。为了制造不同型号的船段，船舶企业就须要设计不同类型的胎架，这样就使得胎架的通用性大大降低。在分段建造完成之后，为继续制造下一船体分段，须要对胎架进行割除。如此割除、焊接反复循环，造成了大量的浪费，使得造船成本大大增加，并且延长了交付周期，降低造船的准确性。2.1.2胎架的设计原则及方法（1）根据船体分段外板的型值，胎架的模板调节所形成的工作面应与分段的外表面相贴合。（2）胎架应根据其所要承受船体分段的具体情况来确定整体结构的刚性与强度，分段重量包括预舾装的重量。（3）根据生产的批量、分段制造的周期、劳动力的分配、场地的面积等因素，选择适当的胎架结构，确认胎架数量，使生产规划能够满足要求。（4）为便于操作人员施工，胎架支柱的最低点与地基的高度约为600mm。（5）制作胎架时，应考虑节约材料，减少工时，降低成本，又必须保证其具有便于搬移、堆叠、保养等管理特性。（6）胎架上应划出必要标记。2.1.3柔性胎架结构技术要求（1）具有面向各种舰船曲面分度建造适用性（2）可以满足在露天工况下使用，具有防风、防雨、防腐蚀性（3）具有调整精度高、调整便捷、具有手自一体调整等特点（4）胎架具有无级调整特点（5）具有造价便宜、模块化、系列化设计特点（6）针对特定类舰船所设计的胎架模块在类内舰船之间具有可移植性2.2胎架结构设计2.2.1总体结构设计根据2.1.3中所述功能需求，所设计胎架不仅要能够调节支柱的型值，还要能实现无极调节，并且能够实现自动控制。在综合考虑各项要求之后，本设计选择蜗轮、蜗杆、丝杠作为手自一体柔性胎架核心部件。由蜗杆提供动力，带动蜗轮，再通过蜗轮内的螺纹推动丝杠进行上下直线运动，从而实现无级调节，符合功能需求。此类传动方式具有结构简易、操作方便、成本少、污染低等优点。为了给执行机构提供有效的保护，将支持机构分为上中下三个部分：上立柱、箱体和下立柱，同时这样也方便了丝杠、蜗杆以及蜗轮的安装。下面对具体结构形式以及尺寸进行设计。2.2.2丝杠的机构与尺寸设计2.2.2.1丝杠载荷分析分段船体的外板面通常是有曲率的。生产制造时，胎架支柱会受到来自安放在胎架上船体所带来的压力。支撑曲率船体部分的胎架，受到的压力一般是斜向的，这个力可以分解为水平和垂直两个方向的分力。一般情况下，曲率越大，支柱所受的水平分力就较大。计算丝杠的几何参数时，需要对其进行载荷分析。分析时，只考虑竖直方向上的作用力对丝杠的作用效果。在胎架结构设计结束之后，会对胎架进行强度校核并验证船体分段的受力情况。在校验时，会给出一个平衡水平分力影响的安全系数。2.2.2.2丝杠结构形式的设计丝杠是调节胎架型值的核心结构，也是胎架直接与分段船体接触的支撑结构。通过丝杠在竖直方向上的直线运动，可以改变胎架支柱的型值，使其到达所需的工作曲面。而胎架的上下运动由蜗轮蜗杆实现，首先由蜗杆提供动力，带动蜗轮，再通过蜗轮内的螺纹推动丝杠，实现直线运动。蜗轮与丝杠的传动方式是螺纹传动，下面首先对螺纹传动进行具体设计。（1） 螺旋传动类型的选择蜗轮与丝杠之间运动通过螺纹进行传递。按照摩擦属性，可以将螺旋传动分成滚动螺旋和滑动螺旋两类，其详尽特点见表2-2。表2-2螺旋传动的分类、特征以及具体应用分类类型特征具体应用滑动螺旋1 结构简单，加工方便2 容易自锁3 运行平稳，在低速以及进行微调是可能出现爬行4 传动效率低，摩擦阻力大5 定位精度和轴向刚度较差6 磨损较快，工作寿命短1. 金属切削机床的进给2. 千斤顶的传力螺旋3. 摩擦压力机滚动螺旋1. 结构复杂，制造难度大2. 传动具有可逆性3. 运行平稳，低速无爬行，启动无颤动，但扛冲击性较差4. 传动效率高，摩擦阻力小5. 定位精度和轴向刚度较高6. 工作寿命长，不易发生故障1. 精密机床2. 数控机床3. 测试机床4. 仪器的传动螺旋和调整螺旋根据两种螺旋传动的特点，综合考虑胎架的设计原则和结构技术要求：丝杠是胎架的核心结构，应能满足支承分段重量，包括预舾装的重量，要求具有自锁功能；胎架应具有造价便宜、模块化、系列化等设计特点。制作胎架时，应考虑节约材料，降低成本，因此选用传动螺旋副应制作简单、结构简易；胎架调节的行程较短，对效率要求不是很高。考虑到以上三各方面，选择滑动螺旋传动作为执行机构的传动方式。（2） 螺旋副螺纹类型的选择首先分析各类螺纹的特点以及应用，见表2-3。表2-3常见传动螺纹的类型、特点及相关应用类型形状描述特点应用梯形螺纹1. 牙型角为30度2. 螺纹副的大径和小径处有相等的径向间隙1. 牙根强度高，螺纹的工艺性好2. 内外螺纹以锥面贴合，对中性良好，不易松动1. 用于传力螺旋2. 用于传动螺旋锯齿形螺纹1. 工作面的牙形角为3度，非工作面的牙形斜角为30度2. 外螺纹的牙根处有相当大的圆角1. 外螺纹牙根齿的圆角可以有效的减小应力集中，提高动载强度1. 用于单向受力的传力螺旋矩形螺纹1. 牙型为正方形2. 牙形角为30度1. 传动效率高，但精度制造困难2. 螺纹强度比梯形螺纹以及锯齿形螺纹低3. 对中性较差1. 用于传动螺旋2. 用于传力螺旋三角形螺纹1. 公制三角螺纹2. 传动效率低3. 自锁性好1. 用于小螺距的高强度调整螺旋圆螺纹1. 牙型为圆弧2. 螺纹强度高，应力集中小3. 于其他螺纹相比较，对污染物和腐蚀的敏感度小，但效率低1. 用于受冲击和变载荷的传力螺旋丝杠在整个系统中起到的作用就是传递运动，因此，需要选择传动螺纹，根据表2-3可知，选择梯形螺纹和矩形螺纹都符合条件，再根据2.1.3胎架的设计要求，选择制造相对简单，应用也是最广泛的梯形螺纹作为滑动螺旋副的传动螺纹。2.2.2.3丝杠尺寸以及具体参数的确定（1）丝杠的直径计算因为是初步计算，可以对胎架支柱的受力情况进行简化。根据胎架额定工作承载能力计算，初定每个胎架承受的平均负载为。根据这个平均负载，依据杆件的强度计算公式，可计算得出丝杠的截面直径。 (2-1)式中，是材料的许用应力。由公式（2-1）得出，, 其中d为丝杠的直径，加载在每个支柱上的压力，丝杠的材料选用45号钢，取安全系数为2.5，根据45号钢的屈服极限 ，得到丝杠的许用应力为 =142。经过计算，得。然后，由于胎架上还和受到船体分段施加的水平方向的分力，取安全系数为4，得到丝杠的直径。螺纹是标准件，可查阅机械设计简明手册，根据手册选取丝杠的公称直径为70mm。（2）梯形螺纹参数设计梯形螺纹基本参数查阅机械设计简明手册上（GB/T 5796.3-2005），梯形螺纹的基本尺寸，根据机械设计理论，由已经确定的丝杠直径d=70mm,选择所需梯形螺纹的各项参数，详见下表。表2-4梯形螺纹的各项参数公称直径d螺距外螺纹小径外、内螺纹中径内螺纹大径小径70 mm10 mm59 mm65 mm71 mm60 mm梯形螺旋配合等级为了方面机械零件的加工，需要选择梯形螺纹的公差带等级，见表2-5。表2-5梯形螺纹配合等级及旋合长度项目中等旋合长度N长旋合长度L螺纹长度范围25N75L75内外螺纹配合等级内螺纹7H，外螺纹7e内螺纹8H，外螺纹8e验证螺纹自锁胎架需要承受分段船体的重量，所有，在胎架型值调节完成之后，需要能够自锁。梯形螺纹螺杆作为胎架的主体，必须验算其自锁能力，以便使其能承受来自分段的压力。根据机械设计理论，梯形螺纹螺纹副的自锁条件为 （2-2）式中为当量摩擦角，为螺纹的升角。根据螺纹升角的计算公式 （2-3）式中m为螺纹的螺旋线数目，s为螺纹的导程，为螺纹中径，p为螺距。再根据当量摩擦角的计算公式 （2-4）式中f为摩擦系数，为牙型角。下面开始校核螺纹自锁由前文可得该梯形螺纹的相关参数：n=1，p=10mm，=65mm。根据公式（2-3）可以得到，梯形螺纹的升角。梯形螺纹为标准件，其牙形角为30度，通过查表，得到梯形螺纹的摩擦系数f=0.15。使用公式2-4计算，得到选取螺纹的当量摩擦角。通过将当量摩擦角与螺纹的升角进行比较，可以得到，因此，该梯形螺纹副满足自锁条件。(3) 丝杠的截面设计丝杠在胎架中的运动只是竖直方向上的直线运动，所以，丝杠不能在圆周方向上有自由度。在本设计当中，设计丝杠的截面为圆形，并在丝杠上开一条键槽，同时在支撑盖上也开一个键槽，两者之间安装键，通过螺钉连接，以达到限制丝杠在圆周方向上运动的目的。键槽的长度为800mm，宽为12mm，键上开有M10的螺纹孔。丝杠的截面形状见图2-1图2-1丝杠的截面形状（4）丝杠结构设计根据上文，丝杠的基本结构形式已经确定，下面进行结构尺寸的设计。在本设计中，结合螺纹的螺旋长度，选取丝杠的长度为1000mm，设计螺纹长度为800mm。具体结构见图2-2。图2-2丝杠工程图2.2.2.4支承头设计在以往的传统胎架中，胎架与分段船体之间的接触是点接触，这种接触十分不稳定。在本设计当中，在丝杠顶端设计一个球头以及一个与之配套的的支承活络头，球头通过螺纹与丝杠相连接。通过支撑头实现胎架与船体分段外板的面接触。其结构见图2-3。图2-3支撑头结构2.2.3蜗轮、蜗杆具体参数以及尺寸的设计进行蜗轮蜗杆的传动设计，先选择合适传动类型，然后再确定主要的技术参数及几何尺寸。2.2.3.1蜗杆传动类型的选择根据分度曲面的形状，可以将蜗杆的传动分为三种类型：圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动以及锥蜗杆传动(1) 圆柱蜗杆传动圆柱蜗杆传动主要可分为四种，见表2-6。表2-6圆柱蜗杆传动的分类类型加工方法外形特征特点阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆）加工时，车刀刀刃平面通过蜗杆轴线，车刀切削刃夹角2=401. 在轴向剖面上具有直线齿廓2. 其齿面为阿基米德螺旋面3. 端面上齿廓为阿基米德螺旋线4. 法相剖面上齿廓为外凸线1. 精度较低2. 切削简单法向直廓圆柱蜗杆（ZN蜗杆）加工时，刀刃顶面置于螺旋线的发面上1. 在端面上为延伸渐开线齿廓2. 锅杆在法向剖面上具有直线齿廓1. 加工较简单2. 常用作机床的多头精密锅杆传动。渐开线圆柱蜗杆（ZI蜗杆）加工时，车刀切削刃与基圆柱相切1. 端面上齿廓为渐开线2. 被切出的锅杆齿面是渐开线螺旋面1. 加工精度高2. 可磨削圆弧圆柱蜗杆（ZC蜗杆）采用增量逼近包络线成形的工艺方法，通过改变蜗杆参数的变量值进行加工1. 在中间平面上蜗杆的齿廓为圆弧2. 蜗杆与锅轮两共辆齿面是凹凸哨合3. 是一种非直纹面圆柱锅杆1. 容易加工，重量轻2. 传动比范围大。3. 传动中心距相对固定（2）环面蜗杆传动环面蜗杆的蜗杆分度曲面是圆环面，它共用三种类型：渐开面包络环面蜗杆传动（又分为一、二次包络）；平面包络环面蜗杆（同样分为一、二次包络）；直廓环面蜗杆传动（俗称球面蜗杆传动）。（3）锥蜗杆传动蜗杆为一等导程的锥形螺旋的蜗杆称为锥蜗杆，与锥蜗杆相配的蜗轮则与一曲线齿圆锥齿轮相似。在本设计中，蜗杆的传动主要用于调节胎架的型值，调节型值的过程传动机构只需要承受系统本身的重量，没有载荷，仅需要将运动传递给丝杠，使其完成升降运动。通过比较上述几种蜗杆传动类型，选取加工制造简单，应用广泛的阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）。2.2.3.2蜗杆传动的具体参数蜗杆传动的主要参数包括：模数m、压力角、直径系数q、锅杆分度圆直径、蜗杆头数和蜗轮齿数。这些参数是相互联系的，因此不能孤立地确定某一个参数的值。它们直接影响蜗杆和蜗轮各部分的尺寸，也影响蜗杆传动的相关性能。因此，要确定这些参数，需要考虑各参数之间的相互影响，以及蜗杆传动的工作条件和加工条件，综合分析，合理选定。（1） 模数m，分度圆直径d与齿距p以及齿数z是齿轮几何尺寸计算最重要的基本参数。它们之间的关系如下：式中为圆周率，是无理数，计算d时不是很方便。一般的，为了方便计算，将把(单位为mm)规定如1、1.5、2、2.5、3、4、5等简单的有理数，m表示，单位为mm，这样使得齿轮的制造与设计更为简便。即m= (2-5)由式2-5可得，模数m越大，则齿距p就越大，即齿轮越大，相应的齿轮的抗弯曲性能也就变强了。由此可得结论：模数m是齿轮抗弯曲能力的重要标志。在设计时，模数m必须取标准值，因为，轮齿的模数已拥有国家标准。选择蜗杆头数与蜗轮齿数时，需要考虑三个方面：第一是传动比，传动比方面，主要看两者的比值；第二是效率，在提高效率方面，头数与齿数越多，效率越高；第三是制造精度，从制造方面看，蜗杆蜗轮的制造精度要求随着其头数与齿数的增多而随之变高。在本设计当中，为达到手自一体的效果，蜗轮配有两根蜗杆，一根手动蜗杆，一根机动蜗杆，两者均可以单独工作，互不影响。因此，蜗轮与蜗杆不能自锁，选取蜗杆为双头蜗杆，这样避免自锁。（2） 标准中心距用a表示，它的定义是：一对标准齿轮按标准安装，其分度圆与节圆重合时的中心距，是标准中心距。我国同样已有中心距的国家标准，在选取时，需要使用标准值。根据赫兹公式，确定中心距的范围： （2-5）式中，a为中心距，T为旋转螺纹的扭矩，为材料综合弹性系数，为接触系数，为使用系数，一般取1.11.4，为许用接触应力。根据胎架承受的载荷，计算出旋转扭矩，螺旋传动到直线位移的传力公式： （2-6）式中F为承受载荷，p为螺距。带入30000N,计算得到T=188.7Nm。将T带入式（2-5），取=1.4，=150，=3，=10，得到80.1mm查阅机械设计手册，选取a=100mm。根据分度圆直径d和模数m计算公式 （2-7） （2-8）得到d=40mm，m=4，通过查阅简明机械设计手册表，分析蜗轮蜗杆参数的匹配（GB10085-88）、6-5-111蜗杆的基本尺寸表，设计蜗杆的基本参数如下表：表2-7蜗杆传动参数选择模数m4mm传动比i20螺旋方向右旋蜗杆直径系数q10中心距a100mm蜗杆分度圆直径40mm蜗杆头数2导程角r11.3deg蜗轮齿数40蜗杆压力角19.6deg2.2.3.3蜗轮蜗杆尺寸计算（1）蜗杆尺寸计算蜗杆的相关参数计算见表2-8。表2-8ZA蜗杆基本几何尺寸名称计算公式结果（mm）分度圆直径40齿根圆直径30.4齿顶圆直径48齿根高4齿顶高4.8节圆直径40齿厚6.161轴向齿厚6.283螺纹长度70(2) 配套蜗轮几何尺寸计算（见表2-9）表2-9蜗轮几何尺寸名称计算公式结果（mm）分度圆直径160齿根圆直径150.4齿顶圆直径168齿根高4齿顶高4.8节圆直径160蜗轮轮缘宽度b实取b=30蜗轮齿顶圆弧半径16蜗杆齿根圆弧半径24.8(3) 蜗轮蜗杆公差配合为了方面机械零件的加工，需要选择梯蜗轮蜗杆的公差等级，查阅简明机械设计手册表，选取蜗轮蜗杆的公差值与极限偏差值。表2-10蜗杆的公差值与极限偏差值公差组项目公差值（极限偏差值）（单位mm）蜗杆轴向齿距偏差0.02蜗杆轴向齿距累计误差0.034蜗杆齿槽径向跳动0.025蜗杆齿形误差0.032表2-11蜗杆的公差和极限偏差公差组项目公差值（极限偏差值）（单位mm）蜗轮齿距累计公差0.09蜗轮齿距极限偏差0.025蜗轮齿形误差0.02（4）蜗轮蜗杆材料选择蜗轮蜗杆是胎架传动机构的主要结构。选取材料时，一般会选取碳钢或合金钢等材料。因为，不仅要考虑蜗杆的强度，还需要考虑材料的耐热性、耐磨性能等特性。 通常情况下，对于高速重载蜗杆以及在核心传动中、蜗杆常用15Cr、20Cr、20c、20MnVB和MnTi等型号的钢材进行渗碳萍火，也可用40#、45#、40Cr等型号的钢材进行表面淬火；在低中载传动以及不太重要的传动的中载，蜗杆一般使用常用40#、45#等型号的钢进行正火或者调质处理。本文使用45号钢，作为蜗轮蜗杆的材料。（5）蜗轮蜗杆工作图综上所述，计算得出蜗轮蜗杆的几何尺寸以及基本参数，在本设计的当中，为了实现手自一体的功能，在蜗轮的两边设计两根蜗杆，一根由电机驱动，一根由手动操作。蜗轮的工程图见图2-4，蜗杆的工程图见图2-5图2-4蜗轮图2-4手动蜗杆（上）与机动蜗杆（下）2.2.4带轮传动的设计2.2.4.1张紧装置的设计在本设计当中，蜗杆传动机构在胎架中仅起传递运动的作用，在运动过程中处于空载状态。为了防止丝杠在到达与定位置后，驱动电机发生停滞，需要传动机构具有一定的过载保护功能，因此可以选取带传动。一般情况下，传送带的长度与带轮的中心距存在一定的误差，容易发生松动，为解决上述问题，本文设计了一种张紧轮。张紧轮安装在张紧轮轴上，通过螺栓与支架联接，其余支架的位置可以通过螺栓进行调节，从而达到张紧皮带的作用。其具体结构见图2-5。图2-5张紧轮轴与张紧轮支架2.2.4.2联轴器的选取为了防止丝杠在到达与定位置后，驱动电机停转，发生故障，在电机轴上安装一扭力限制器。根据电机的工作扭矩选择扭力限制器，电机的工作扭矩与蜗杆的转矩相关联。根据蜗轮蜗杆的传力公式：（2-9）式中，为蜗杆的工作扭矩，i是传动比。将上文i=20带入（公式2-9），计算得到=14.1Nm，考虑到启动加速度，取整15 Nm。根据=15Nm，选择02X型AQ扭力限制器。2.2.5支撑机构设计2.2.5.1支撑机构的组成部分支撑机构是对执行机构进行有效的保护而设计的，保证其受到外界干扰时仍然能运作，为执行机构提供稳定的工作平台，保证传动机构的正常运转。为了使蜗轮蜗杆的安装更加方便，将支持机构分为上中下三个部分：上立柱、箱体和底柱。三者对执行机构以及传动机构进行保护，使得传动机构能稳定的工作。与此同时，为方便胎架高度上的调节，本设计专门设计一种柔性止推螺母。下面对立柱进行具体设计。2.2.5.2底柱的设计在本设计当中，为了使底柱具有足够的强度与稳定性，将其设计为由法兰、立柱钢管、底座以及肘板等几个部分组成。（1） 立柱钢管设计无缝立柱钢管的的设计主要依据丝杠的尺寸。前文已经得出丝杠的直径为70mm，为保证丝杠在竖直方向进行运动时，运动空间充足，同时，保证在工作时不会产生摆动，设计立柱钢管的外径为100毫米，壁厚为10毫米。（2）底座以及肘板的设计底座是胎架与地基直接连接的部分，通过四个地脚螺栓与地基相连接。胎架的下立柱与底座焊接在一起，在四周均布四块相同的肘板（加强筋）进行局部加强。为使得整个胎架系统具有相当的稳定性，设计底座为边长200mm的正方形。底座结构以及底座的设计见图2-5。图2-5底柱（3）法兰的设计法兰的作用是连接下立柱与箱体，它与立柱钢管焊接在一起，通过六个均布的螺栓与箱体相连接。设计法兰的与立柱钢管部分直径为155mm；与箱体配合部分直径为115mm，期配合公差为mm；法兰内径为80mm。法兰的具体结构设计见图2-6。图2-6法兰2.2.5.3箱体的设计根据蜗轮蜗杆的几何参数以及具体尺寸，设计出箱体的结构以及几何尺寸。箱体外形大体是一个长宽高分别为330mm、220mm、150mm的长方体。箱体分为主箱体和箱盖，在一边的长壁板设计有一个安装步进电机的耳板。主箱体内安装蜗轮蜗杆。主箱体结构见图2-7，箱盖结构见图2-8。图2-7箱体图2-8箱盖2.2.5.4上立柱的设计上立柱与箱体以及下立柱一起构成密闭空间，保护传动机构，为传动机构提供平稳工作的条件。它由法兰、立柱钢管和支撑盖组成。（1） 法兰与立柱钢管的设计法兰与立柱钢管焊接在一起，结构与下立柱相似。见图2-9图2-9上支柱（2） 支撑盖的设计支撑盖与空心钢管焊接，其作用是限制丝杠在圆周方向上的转动，以及限制丝杠的左右摆动。设计支撑盖的内径为70mm，开有键槽，在键槽上开有螺纹孔。通过安装螺钉就可起到固定丝杠，限制其在圆周方向上转动。其具体机构设计见图2-10。图2-10支撑盖2.2.5.5止推螺母的设计在实际工作当中，有可能出现胎架高度达不到要求的情况，以往的解决办法就是设计一种新的型号的胎架。针对这一问题，本文专门设计了一种柔性止推螺母。其结构与支撑盖类似，通过螺纹以及键固定在丝杠上。当丝杠高度不够时，可以再止推螺母上加套筒，以此来提高胎架的高度。这样就可以使胎架的型号统一，使得胎架的设计和制造成本大大降低。止推螺母的结构见图2-11。图2-11止推螺母2.3手自一体柔性胎架结构经过上述一步一步的结构设计，完成手自一体柔性胎架结构设计如图2-12，图中1为下立柱、2为箱体、3为丝杠、4为蜗轮、5为蜗杆、6为上立柱、7为止推螺母、8为支撑头。各零件规格参数见表2-12。2-12胎架零件规格参数表名称数量材料质量（kg）备注单件总计下立柱1Q23519.6419.64包括四块加强筋箱体1Q23531.8431.84包括箱体和箱盖丝杠145#29.4129.41蜗轮145#7.097.09蜗杆245#1.362.72包括手动蜗杆和机动蜗杆上立柱1Q23511.1511.15止推螺母1Q2353.263.26支撑头1Q2355.845.84图2-12胎架整体结构2.4本章小结本章重点介绍了手自一体柔性胎架的结构设计过程。首先，分析胎架的功能以及技术要求，根据胎架的设计原则对胎架的总体结构进行设计。然后，依据机械功能，将胎架分解为执行机构和支撑机构，分别进行设计。先设计的是胎架的主体结构执行机构，根据给定的胎架额定工作承载能力（初定为30000N），确定执行机构的相关尺寸参数。而后，根据执行机构的结构及其几何参数，设计支撑机构，完成支撑机构的结构以及尺寸设计。至此，手自一体柔性胎架的结构设计全部完成。第3章手自一体柔性胎架的结构强度校核3.1常规校核工程机械在设计和制造完成之后，必须要校核其结构的强度以及稳定性。在本设计当中，主要考虑手自一体柔性胎架在常规工况下的强度校核。常规工况即校核胎架是否可以支持分段船体的重量，根据给定的胎架额定工作承载能力（初定为30000N）就可以计算出胎架是否满足强度要求。校核的的主要内容包括：校核丝杠受到分段船体施加的压力时的应力；校核蜗轮与丝杠受到来自分段压力产生自锁时螺纹的剪应力；校核螺纹的受力通过蜗轮传递到支柱无缝钢管上的应力。由于分段船体外板有弧度，胎架支柱会受到侧向力，这个力产生的弯矩由胎架支柱与地基相连接的地角螺栓承受。因此，需要考虑在受到侧向力时，地脚螺栓的强度。3.2丝杠与蜗轮螺纹强度的校核由于功能需要，丝杠与蜗轮之间的螺纹具有自锁功能。当胎架受到分段船体的压力时，螺纹就会受到来自胎架支柱的压力。因此，需要计算丝杠螺纹上的螺纹牙所能承受的最大外载荷，来校核当胎架上加载分段船体时的强度。蜗轮与丝杠之间配合螺纹的剪应力的计算，需要先给出螺纹的基本参数。根据前文结构设计时选择的螺纹类型确定其基本参数。蜗轮与丝杠之间配合螺纹的基本参数见表3-1。表3-1配合螺纹的基本参数螺纹材料公称直径d螺距P外螺纹中径外螺纹小径45#钢70mm10mm65mm59mm校核螺纹牙根部受到的弯曲应力和剪切应力：（1）螺纹牙弯曲强度的计算公式: （3-1）式中，b为螺纹牙根宽度，h为螺纹牙高度，d为螺纹大径， z为螺纹圈数，为许用弯曲应力。首先计算弯曲情况下，螺纹的屈服极限。前文中选取的螺栓类型为梯形螺纹，因此：螺纹牙宽：b=0.65p=0.6510=6.5mm；螺纹牙高： ； 螺纹圈数z=45#钢的屈服极限=310MPa,取安全系数为2,45号钢的许用应力 ，许用弯曲应力 。根据公式（3-1）有， ，带入数据计算，得到F733.2KN,取安全系数为2.5，则有F293.3KN。（2）螺纹剪切强度的计算公式： （3-2）式中， 为许用剪切应力，许用剪应力 。根据公式（3-2），有 ，带入数据计算得F930.1KN，取安全系数为2.5，则有F372.2KN。综上所述，螺纹所能承受的最大载荷为293.3KN。而所给定的胎架额定工作承载能力初定为30000N，在螺纹的承受范围以内。3.3丝杠强度校核校核丝杠的强度需要校核两个方面：一是丝杠的拉压强度，二是丝杠的弯曲应力，根据钢材的许用应力，就能计算出丝杠能负载的极限拉压力，同时也能计算出丝杠能负载的极限侧向力。（1） 根据材料力学，丝杠所受拉压力的校核公式为： （3-3）式中，F为杆件所受拉压力，A为截面面积，为材料的许用应力。丝杠的材料选取45号钢，查表得45 号钢的抗拉强度为590MPa，屈服极限为310MPa，前文计算得到=155MPa。由公式（3-3）可得 ,丝杠的截面面积 ，带入数据计算，得F596.4KN。（2） 校核丝杠的弯曲应力，根据材料力学弯曲应力公式： (3-4)式中，M为界面弯矩，为截面模数(抗弯截面模量)，对于圆形截面，D是圆形截面的直径。是相对于中性层的惯性矩,是相对于中性层的最大钜离。丝杆的截面为圆形，直径为70mm，带入数据计算其截面模数Wz=2199，将Wz带入公式（3-4）可得，M=340.9Nm。在本设计中，根据胎架的结构，丝杠在上立柱底部承受的弯矩最大，前文设计胎架上立柱的高度：L=335mm，则丝杠顶端所能承受的最大侧向力 KN。综合以上两种情况的分析，丝杠顶端所能承受的极限侧向力为1.02KN，丝杠所能承受的极限拉压力为596.4KN。在这里，计算的是单个胎架支柱所受的侧向力，实际工作中，会在胎架之间会增加支撑钢材，来加强胎承受架侧向力的能力。因此，在实际生产中，胎架所能承受的侧向力会比计算值要大很多。3.4上、下立柱强度校核螺纹受到的压力会通过蜗轮传递到支柱无缝钢管上，因此需要对钢管的强度进行校核。钢管强度的校核包括两个部分：一是钢管的弯曲强度，二是钢管的拉压强度。（1） 校核拉压强度根据公式（3-3）可计算出钢管的拉压强度。前文中已经设计好，钢管的外径为100毫米，壁厚为10毫米，选取的材料是Q235钢。经过查阅手册，可得Q235钢的屈服极限=235MPa,弯曲应力为158MPa。钢管的截面面积 。根据公式（3-3），得到立柱钢管所能承受的最大压力为：（2） 校核钢管的弯曲强度环状截面的截面模数计算公式为： （3-5）式中， 。带入数据=100mm，=80mm，由公式（3-5）计算，得到 。根据公式（3-4）得到钢管所能承受的最大弯矩M=8984.1Nm。将胎架看做一个整体，并且将其刚性的固定在地基上，胎架的整体高度为1000mm，最大行程为300mm，因此，当调节到最大行程是，胎架顶端与地面的距离高度为1.3m，则胎架支柱顶端所能承受的最大侧向力 KN。综合以上两种情况的分析，胎架立柱能支撑的极限侧向力为6.91KN，能承受的极限压力为664.4KN。根据上文考虑到胎架支柱之间装有加扶强材，因此胎架所能承受的侧向力会增大。3.5胎架结构稳定性校核3.5.1计算校核胎架的结构稳定性包括两个方面：一是丝杠的稳定性，二是上下立柱钢管的稳定性。下面对两个方面分别进行校核。（1） 丝杠的稳定性根据本设计中胎架的结构，丝杠仅在竖直方向运动，将其看成一根一端自由，一端固定在地基的细杆。根据材料力学杆件的稳定性校核公式： （3-6）丝杠的截面为圆形，圆形截面的关系距公式： （3-7）丝杠截面的直径为70mm，带入公式（3-7），得到。钢材的弹性模量E=200GPa，丝杠受力点距离上支柱顶端高度118mm为最大行程为300mm。当丝杠调节到最高点时，丝杠处于最不稳定的状态。这个时候，将丝杠底端进行刚性固定约束，此时长度l=0.418m。将数据代入公式（3-6）得=3228KN则，丝杠不失稳的临界压力为3228KN。（2） 上下立柱钢管稳定性校核同样，可把钢管看成一个一端自由，一端固定在地基的细杆。使用材料力学杆件的稳定性校核公式（3-6）计算校核。管子截面形状是环形，其截面惯性矩公式为： （3-8）式中， 为钢管外直径，为管钢内直径。钢管外直径=100mm，管钢内直径=80mm，将数据带入公式（3-8）的=2898119.2。胎架丝杠的长度为1000mm，与上文相同，校核最不稳定的状态，当丝杠上升到最大行程300mm时，支柱钢管的稳定性最低，此时，校核长度l=1.3mm。将钢材的截面惯性矩、弹性模量E以及校核长度了，代入公式（3-6）得=846.2KN因此，上下立柱钢管不失稳的临界压力为846.2KN。综上所述，整个胎架系统不失稳的最大临界压力为846.2KN。3.5.2 ANSYS分析限于篇幅，本文这里只对胎架的核心部件丝杠进行稳定性分析。通过载入模型，进行有限元分析，计算得出在给定的胎架额定工作承载能力（初定为30000N）的压力下，丝杠所承受的最大应力以及最大形变，与前文计算出的整个胎架系统不失稳的最大临界压力进行对比验证。下面是具体的验证过程：1） 定义工作文件名和工作标题（1） 定义工作文件名：Utility MenuFileChange Jobname命令，在弹出的对话框中输入“sigang”，单击确定按钮。（2） 定义工作标题：Utility MenuFileChange Title命令，在弹出的对话框中输入“sigang”，单击确定按钮。（3） 重新显示：执行Utility MenuPlotReplot命令。（4） 关闭三角坐标符号：执行Utility MenuPlotCtrlsWindow Options，命令，在对话框中“Location of triad”选项下面选择“Not Show”选项，单击确定。2） 载入丝杠模型（1） 载入丝杠模型：执行Utility MenuFileImportPARA，在弹出的对话框中找到模型“sigang .x_t”，单击OK按钮。出现的模型如图3-1。图3-1丝杠初始模型 图3-2更新后的模型（2） 改变模型状态：执行Utility MenuPlotCtrlsStyleSoild Model Facets命令，在弹出的对话框中选择“Normal Faceting”命令，单击OK按钮。（3） 刷新模型：执行Utility MenuPlotReplot命令，模型变为图3-2所示。3） 定义单元类型、分析类型以及材料属性（1） 选择分析类型：执行Main MenuPreferences命令，勾选“Structural”选项，单击OK按钮。（2） 选择单元类型：执行Main MenuPreferencesorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，弹出【Eelment Type】对话框。单击“Add”按钮，在弹出的对话框中选择“Solid”和“8node 185”选项，单击OK按钮。如图3-3.图3-3【Labrary of Eelment Types】对话框(3) 设计材料属性：执行Main MenuPreferencesorMaterial PropsMaterial Models命令，在弹出的对话框中选择“StructuralLinearElasticIsotropic”,弹出【Linear Isotropic Material Properties for Material Number1】对话框，在【EX】和【PRXY】文本框中输入“2e11”和“0.3”，单击OK按钮，完成定义。见图3-4图3-4材料属性的定义4） 划分有限元网格（1） 选择网格划分方式：执行Main MenuPreferencesorMeshingMeshTool命令，弹出【Mesh Tool】对话框，选择“Free”模式。（2） 设置单元格尺寸：单击【Mesh Tool】对话框中的“Global”后的“Set”按钮，弹出的【Global Element Sizes】对话框，在【SIZE Element edge length】文本框中输入“0.01”，单击OK按钮。见图3-5图3-5【Global Element Sizes】对话框（3） 划分网格：单击【Mesh Tool】对话框中的“Mesh”按钮，在弹出的对话框中单击“Pick all”，完成网格划分。见图3-6图3-6划分网格5） 添加载荷与约束（1） 在面上添加约束：执行Main MenuSolutionDefine LoadsApply Structural DisplacementOn Areas命令，拾取底面作为被约束的面，弹出【Apply U,ROT on Areas】对话框，选择“ALL DOF”全约束，单击OK按钮。（2） 添加载荷：执行Main MenuSolutionDefine LoadsApply Structural DisplacementPressureOn Areas命令，拾取丝杠顶面，弹出【Apply PRES on areas】，在【VALUE Load PRES value