数控回转工作台的设计【含7张CAD图+文档】
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数控回转工作台的设计【含7张CAD图+文档】,数控,回转,工作台,设计,CAD,文档
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*学院本科生毕业设计（论文）数控回转工作台结构设计*学院本科生毕业设计（论文）II摘要数控机床在机械行业中扮演的角色越来越重要。特别是数控机床朝着大功率、高速度、高精度、高稳定性的方向发展，其可靠性已成为衡量其性能的重要指标。而数控回转工作台作为数控机床中不可或缺的部件，其精度已直接影响到机床的整体性能。为了提高效率，扩大机床制造范围，数控机床除了做三轴直线进给运动之外，通常还需要用数控回转工作台来做加工的圆周运动。由此来满足自动改变工件相对主轴的位置，让机床更好的对工件各个面的加工。配合数控系统的控制，数控回转工作台可以有效提高生产率，消除人为误差，提高加工精度。数控回转工作台主要是应用于数控铣床与数控镗床或加工中心，它主要是用于对板类、箱体等类似工件的不间断回转加工和多面加工。本次主要设计方向是数控铣床中的数控回转工作台，我们对主要的零件进行了结构功能设计。装配图、零件图用CAD 软件绘制。 关键词：数控铣床；数控回转工作台；蜗杆传动*学院本科生毕业设计（论文）IIIAbstract The NC machine is playing an increasingly important role in mechanism manufacture. The reliability is the main signal to measure its performance with the tendency of high power, high speed, high fidelity and high stability. However, the NC rotating table, as an inevitable part of NC machine, has affected its overall performance directly because of its high fidelity. In order to improve the optional efficiency and expand the technology scope of NC machine, the feed movement must follow X, Y, and Z coordinate axes as well as being accomplished by NC rotating table to finish its circular feed movement, to reach a purpose that enable the indexing automatically to change the position of machining work pieces with related spindle, and finally make the surface machining conveniently. Besides, improving productivity and machining fidelity, eliminating artificial errors, can also be realized when the NC rotating table is in conjunction with the control of NC system. It is, available to rotating and multi-faced machining, floor parts and boxes parts, mainly applied in NC milling machines and boring machines. The topic in my essay is primarily designed for NC rotating table of milling machines with key parts designing and checking, using the auto CAD software to render assembly drawing and parts drawing.Key Words:NC milling machines; NC rotating table; worm transmissi*学院本科生毕业设计（论文）目 录第 1 章概述.11.1机床数控化改造的内容及优缺点.21.2数控技术发展趋势.21.3数控回转的原理.41.4设计准则.51.5主要技术参数.51.6本章小结.5第 2 章传动方案的确定.72.1步进电机的原理.72.2传动时应满足的要求.72.3传动方案及其分析.72.4本章小结.8第 3 章齿轮传动的设计.93.1选择齿轮传动的类型.93.2材料的选择.93.3按齿面接触疲劳强度设计.113.4确定齿轮的主要参数与主要尺寸.133.5校核齿根弯曲疲劳强度.133.6本章小结.14第 4 章电液脉冲马达的选择及运动参数的计算.154.1电液脉冲马达的特点.154.2电液脉冲马达的选择与参数计算.154.3本章小结.16第 5 章 蜗轮蜗杆的设计与校核.175.1选择蜗杆传动类型.17*学院本科生毕业设计（论文）5.2材料的选择.175.3按齿面接触疲劳强度设计.185.4蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸.205.5校核齿根弯曲疲劳强度.205.6本章小结.21第 6 章轴.226.1轴的设计要求和设计步骤.226.2轴的材料.226.3轴的强度计算.236.4本章小结.24第 7 章轴上配合件的选用.257.1齿轮上键的选取与校核.257.2轴承的选用.257.3本章小结.26结论.27参考文献.28致谢 .29*学院本科生毕业设计（论文）1 1第 1 章概述目前国内数控机床可以说得到了快速的发展，近年来取得的进步也是非常明显不过了。尤其是国内的数控系统，从没有到现在的这么成熟。可以说我国的数控技术大有可为，不断在接近西方国家的先进技术。作为机床的主要组成部分，回转工作台相对机床的各方面的性能来说是非常重要的。在未来数控回转工作台主要是向着两个极端发展，一个是开发小型转台，一个是大型转台。于此同时呢它在性能方面主要还是朝着以更强的以钢为材料的蜗轮，这样可以很大程度的增加工作台转动的速度，增加转台承担负载的能力。未来在设计形式上也是向着多轴一起联动的趋势前进。在不久的将来，我国机床的附件将会朝着高档的水平发展。不管是产品质量或是产品性能，都会慢慢跟上西方发达国家的水平。并不断地创新，走出自己的特色。加强对产、学、研的结合力度，从而走专业化生产道路，面向市场，满足数控机床发展的需求。(1)数控(NC)阶段(1952-1970 年)最早期的计算机运算速度低,对科学计算的时间和数据处理，完全无法适应实时控制机床的要求有点效果。人们用数字逻辑电路“搭”成机专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD WIREDNC） ，简称为数控（NC） 。随着发展和进步的组成部分，这一阶段三次以后，在 1952 年的第一代 - 管； 1959 年，第二代 - 晶体管；1965 年，第三代 - 小规模集成电路。 (2)计算机数控(CNC)阶段(1970-现在)到了 1970 年，一般的小型计算机已经出现，并投入批量生产。它的运算速度超过五十年代已显着提高，这是比“搭”成一台专用计算机专业成本低，可靠性高。一般的小型计算机，然后移植作为数控系统的核心部件，开始进入计算机数字控制（CNC）阶段。到 1971 年美国英特尔在计算机第一次在世界上两个最核心的部件 - 运算器和控制器，采用大规模集成电路集成在一个芯片称为微处理器（微处理器） ，也被称为中央处理单元（CPU）上。1974 年微处理器被在数控系统中的应用。主要的原因是，小型计算机，它控制一个机器的能力具有丰富的，比采用微处理器经济合理，小型机可靠性的时间不是很理想。早期的微处理器速度和功能不够高，但可用于解决多处理器结构。由于微处理器是通用计算机部分的核心，所以仍称为计算机数控。 1990 年， PC（个人计算机，国内微型计算机）已经发展到一个很高的阶段，性能能够满足核心部件的要求，作为数控系统，和 PC 生产批量大，价格便宜，可靠性高。从*学院本科生毕业设计（论文）2那时起进入基于 PC 的数控系统的时代。总之，计算机数控阶段也经历了三次。在 1970 年的第四代小型计算机逐一 1974 年，第五代 - 微处理器； 1990 年，第六代 - 基于 PC （也称为基于 PC 的）国外。 数控系统经历了两个阶段，在过去五十年六代的发展，直到第五代的发展之后，从根本上解决了可靠性低，价格也非常昂贵，应用的关键问题，如不方便。即使在工业发达的国家，因此，数控系统已经大规模普及和应用，是在上世纪 70 年代和早期的 80 年代，之后即来到经过近三十年的数控技术发展到推广应用。在国外早已更名为计算机数字控制（CNC） ，而我国仍习称数控（NC） 。所以我们日常讲的“数控”其实是指“计算机数控” 。1.1机床数控化改造的内容及优缺点(1) 减少相比购买新机床的投资和交货时间缩短，一般可节省 6080的费用，改造费用低。特别是大型，特殊机床。也会出现特殊情况，如高速主轴，托盘生产和安装的自动切换装置，太工作和昂贵，往往改造成本 23 倍，与购置新机床相比，可以节省 50的投资。(2)稳定可靠的机械性能，该结构由床身，立柱受限制等部件都很重，实型铸造组件，而不是焊接元件的种类，改造后的机床性能高，质量好，可以继续作为一种新的设备使用了许多年。但由于原有的机械结构的限制，不适合做突破。(3) 熟悉设备，操作维修方便购买新设备，不明白的新设备能够满足加工要求。转型是不是真正的，能够准确地计算出机床的加工能力;由于多年的使用此外，操作者了解机床的特点了，所以在操作和维护训练时间方面是短，见效快。一旦安装完毕，机床的转换可以达到满负荷运转。(4) 可以充分利用现有条件，可充分利用现有的基础，不喜欢买新设备需要建立一个基础。最新的控制技术可用于可根据技术创新的发展需要，瞬间提升自动化水平和生产设备的效率，提高了机床的质量和档次，改变了传统机床机床在当今的先进水平。1.2数控技术发展趋势(1)性能发展方向高速高精高效化。速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由 于采用了高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测 元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。*学院本科生毕业设计（论文）3 柔性化。包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。 工艺复合性和多轴化。以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或者转台等各种措施，完成多道工序、多个表面的复合性加工。数控技术轴，西门子 880 系统能够控制轴数可以达到 24 轴。 实时智能化。早期的实时系统通常针对理想的工作环境是比较简单的，它的作用是如何调度任务，以确保任务的时间在规定期限内完成。人工智能，然而，随着计算模型，以实现各种人类智能行为。由于科学技术，实时系统和人工智能相结合的发展，人工智能是让现场的实时响应，并且还对实时系统，更复杂的应用程序开发的智能行为，所以实时智能控制这一新技术。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正在发展成几个主要分支：自适应控制，模糊控制，专家控制，神经网络控制，学习控制和前馈控制，等等。这样的作为数控系统配备的专家系统，参数自动设定和刀具自动管理及补偿和自适应控制系统，故障诊断专家系统，在集成运动控制功能，动态前馈功能的高速加工编程时间提前预测和预算，压力，温度，位置和速度控制，模糊控制，从而实现数控系统的控制，以提高性能和实施，以达到最佳控制的目的介绍。(2)功能发展方向用户界面图形化。用户界面是对话的用户和接口之间的数字控制系统。因为不同的用户对界面的不同的要求，因此在用户界面的开发工作中，用户界面成为计算机软件的研究和开发中最困难的部分之一。目前，互联网，虚拟现实，科学计算可视化和多媒体技术，提出了更严格的要求在用户界面上。使用非专业用户的图形用户界面，用户可以通过这个窗口和菜单操作，快速蓝图编程和编程，三维彩色立体动态图形显示，图形模拟，图形仿真和动态跟踪和不同的看法和当地演出的实现缩放功能的方向。科学计算可视化。科学计算可视化应用于高效的数据处理和解释数据，使信息通信可以通过文字和语言表达的突破，可以直接使用图形，图像，动画，视频信息等可视化技术结合虚拟环境技术，进一步拓宽应用领域，如无图纸设计，虚拟样机技术等，以缩短产品设计周期，提高产品质量，降低产品成本具有十分重要的意义。在数控技术领域，可视化技术可以在 CAD / CAM，如自动编程设计，参数设定，刀具补偿和动态管理数据处理和显示以及过程可视化仿真演示等使用。 插补和补偿方式多样化。多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2 螺旋插补、NANO 插补、*学院本科生毕业设计（论文）4NURBS 插补(非均匀有理 B 样条插补)、样条插补(A、B、C 样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 内装高性能 PLC。数控系统内装高性能 PLC 控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包扩应用车床铣床的标准 PLC 用户程序实例，用户能够在标准 PLC 用户程序上进行编辑修改，实现建立自己的应用程序。 多媒体技术应用。集计算机多媒体技术，音响和通讯技术，让计算机实现综合处理声音，文字，图像和视频信息。在数控技术领域，应用多媒体技术可以集成，智能信息处理，实时监测和控制系统，生产设备的故障诊断和生产监控过程等参数的现场作出显著的应用价值。1.3数控回转的原理 数控回转工作台主要应用在数控镗床和铣床，其外形和通用工作台相似度极高，但是驱动却是伺服系统的驱动方式。它能够与其他伺服进给轴联动。 图 1-1 为自动换刀数控镗床的回转工作台。进给、分度转位和定位锁紧全是由给定的指令进行控制的。工作台的运动是由伺服电动机。1 一蜗杆 2 一蜗轮 3、4 一夹紧瓦 5 一小液压缸 6 一活塞 7 一弹簧8 一钢球 9 一支座 10 一光栅 11、12 一轴承图 1-1 自动换刀数控镗床的回转工作台为了消除蜗杆副的传动间隙，可以采用了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置来调整间隙。蜗杆的左右两侧面拥有不同的螺距，所以蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。但是因为同一侧的螺距是相同的，所以能够保持正常的啮合。当工作台静止时，必须处于锁紧状态。为此，在蜗轮底部的辐射方向装有 8*学院本科生毕业设计（论文）5对夹紧瓦 4 和 3，并在底座 9 上均布同样数量的小液压缸 5。当小液压缸的上腔接通压力油时，活塞 6 便压向钢球 8，撑开夹紧瓦，并夹紧蜗轮 2。在工作台需要回转时，先使小液压缸的上腔接通回油路，在弹簧 7 的作用下，钢球 8 抬起，夹紧瓦将蜗轮松开。 回转工作台的导轨面由大型滚动轴承支承，并由圆锥滚柱轴承 12 及双列向心圆柱滚子轴承 11 保持准确的回转中心。数控回转工作台的定位精度主要取决于蜗杆副的传动精度，因而必须采用高精度蜗杆副。在半闭环控制系统中，可以在实际测量工作台静态定位误差之后，确定需要补偿角度的位置和补偿的值，记忆在补偿回路中，由数控装置进行误差补偿。在全闭环控制系统中，由高精度的圆光栅 10 发出工作台精确到位信号，反馈给数控装置进行控制。回转工作台设有零点，当它作回零运动时，先用挡铁压下限位开关，使工作台降速，然后由圆光栅或编码器发出零位信号，使工作台准确地停在零位。数控回转工作台可以作任意角度的回转和分度，也可以作连续回转进给运动。1.4设计准则我们的设计过程中，本着以下几条设计准则(1)创造性的利用所需要的物理性能(2)分析原理和性能(3)判别功能载荷及其意义(4)预测意外载荷(5)创造有利的载荷条件(6)提高合理的应力分布和刚度(7)重量要适宜(8)应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸(9)根据性能组合选择材料(10)零件与整体零件之间精度的进行选择(11)功能设计应适应制造工艺和降低成本的要求1.5主要技术参数(1)回转半径：500 mm(2)重复定位精度：0.005 mm(3)电液脉冲马达功率：0.75 kw(4)电液脉冲马达转速：3000 rpm(5)总传动比：72.5*学院本科生毕业设计（论文）6(6)最大承载重量：100kg1.6本章小结本章介绍了数控回转工作台的发展与展望，数控机床具有高速、高效、高精度、高可靠性等优点，介绍了数控回转工作台的的原理，让我们更加直观的了解数控回转工作台的结构以及运行的规则，同时让我们知道设计过程中的设计准则与主要参数。*学院本科生毕业设计（论文）7第 2 章 传动方案的确定2.1步进电机的原理步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机是机电一体化产品中关键组成部件之一，一般被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、无累积误差、定位精度高、控制简单等特点。选择步进电机时，要确保步进电机的输出功率大于负载所需的功率。但在选用功率步进电机时，首先必须要计算机械系统的负载转矩，静扭矩是选择步进电机的主要参数之一。负载大时，需采用大力矩电机。力矩指标大时，电机外形也大。转速要求高时，应选相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入。且在选择驱动器时采用较高供电电压。选择功率步进电机时，应估算的机械负荷和机床要求的启动频率的惯性力矩，转动惯量匹配和某些津贴的让步电机频率特性，使得它最高速连续工作频率能满足需求快速移动的机床。2.2传动时应满足的要求数控回转工作台一般由原动机、传动装置和工作台组成，传动装置在原动机和工作台之间传递运动和动力，并可实现分度运动。在本课题中，原动机采用电液脉冲马达，工作台为 T 形槽工作台，传动装置由齿轮传动和蜗杆传动组成。合理的传动方案主要满足以下要求： (1)机械的功能要求：应满足工作台的功率、转速和运动形式的要求； (2)工作条件的要求：例如工作环境、场地、工作制度等； (3)工作性能要求：保证工作可靠、传动效率高等； (4)结构工艺性要求：如结构简单、尺寸紧凑、使用维护便利、工艺性和经济合理等。2.3传动方案及其分析数控回转工作台传动方案为：电液脉冲马达齿轮传动蜗杆传动工作。*学院本科生毕业设计（论文）8该传动方案分析如下：齿轮传动承受载能力较高 ，传递运动准确、平稳，传递功率和圆周速度范围很大，传动效率高，结构紧凑。蜗杆传动有以下特点：(1)传动比大在分度机构中可达 1000 以上。与其他传动形式相比，传动比相同时，机构尺寸小，因而结构紧凑；(2)传动平稳。蜗杆齿是连续的螺旋齿，与蜗轮的啮合是连续的，因此，传动平稳，噪声低；(3)可以自锁。当蜗杆的导程角小于齿轮间的当量摩擦角时，若蜗杆为主动件，机构将自锁。这种蜗杆传动常用于起重装置中；(4)效率低、制造成本较高 。蜗杆传动是，齿面上具有较大的滑动速度，摩擦磨损大，故效率约为 0.7-0.8，具有自锁的蜗杆传动效率仅为 0.4 左右。为了提高减摩擦性和耐磨性，蜗轮通常采用价格较贵的有色金属制造。由以上分析可得：将齿轮传动放在传动系统的高速级，蜗杆传动放在传动系统的低速级，传动方案较合理。同时，对于数控回转工作台，结构简单，它有两种型式：开环回转工作台、闭环回转工作台。两种型式各有特点：(1)开环回转工作台。 开环回转工作台和开环直线进给机构一样，都可以用点液脉冲马达、功率步进电机来驱动。(2)闭环回转工作台 。闭环回转工作台和开环回转工作台大致相同，其区别在于：闭环回转工作台有转动角度的测量元件（圆光栅） 。所测量的结果经反馈与指令值进行比较，按闭环原理进行工作，使转台分度定位精度更高。2.4本章小结步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。传动方案要满足机械的功能要求，工作条件的要求，工作性能的要求，还有结构工艺性要求。*学院本科生毕业设计（论文）9第 3 章 齿轮传动的设计由于前述所选电机可知传动比设定为，效率工作MNT39. 23i97. 0日按 300 工作日计，寿命为 10 年。3.1选择齿轮传动的类型齿轮类型较多，按照两传动轴相对位置和齿向的不同，齿轮机构可分如图 3-1 所示。图 3-1 齿轮机构的类型根据 GB/T100851988 的推荐，采用直齿轮传动的形式。3.2材料的选择(1)齿轮传动对材料的基本要求由齿轮的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合及塑性变形的能力，而齿根要求有较高的抗折断能力。因此，对齿轮材料性能的基本要求为：齿面要硬，齿芯要韧；具有良好的力学性能和热处理性能。(2)齿轮常用的材料*学院本科生毕业设计（论文）10常用的齿轮材料是各种牌号的优质碳素钢、合金结构钢、铸铁和铸钢等。表3-1 列出了常用齿轮的材料及其热处理后的硬度。表 3-1 常用的齿轮材料类别牌号热处理硬度正火调质优质碳素钢45表面淬火调质40Cr表面淬火调质35SiMn表面淬火调质渗碳淬火回火渗碳淬火回火合金钢机构调质后渗碳正火40MnB20Cr20CrMnTi38CrMoAlAZG310-570ZG340-640正火正火铸钢ZG35SiMn调质灰铸铁球墨铸铁HT200HT300QT500-5QT600-2162217HBS217255HBS4550HRC241286HBS4855HRC217269HBS4045HRC241286HBS5662HRC5662HRC850HV160220HBS180220HBS160220HBS200250HBS170230HBS187255HBS147241HBS229302HBS齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选材时参考。(1)闭式软齿面齿轮传动常用材料闭式软齿面齿轮传动常选用的材料有 35、45、40Cr 和 35SiMn 经调质或正火处理。此类材料的特点是制造方便，多用于对强度、速度和精度要求不高的一般机械传动中。由于小齿轮轮齿工作次数较多，应使其齿面硬度比大齿轮的高出2550HBS。(2)闭式硬齿面齿轮传动常用的材料闭式硬齿面齿轮传动常用的材料有 20、20Gr、20GrMnTi 表面渗碳淬火和45、40Gr 表面淬火或整体淬火，一般齿面硬度为 4565HRC。通常两齿轮轮齿采*学院本科生毕业设计（论文）11用相同的齿面硬度。此类材料的特点是制造较复杂，精度要求高，多用于高速、重载及精密机械中。(3)大尺寸齿轮及开式低俗齿轮传动常用材料当齿轮尺寸较大而轮坯不易锻造时，可采用铸钢；开式低俗传动可采用灰口铸铁；球墨铸铁有时可代替铸钢。考虑到齿轮传动效率不大，速度只是中等，故蜗杆用 45 号钢；为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求齿轮面，硬度为 45-55HRC。3.3按齿面接触疲劳强度设计先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。(1)转距 T (3-1) 1161055. 9NPT式中：P1 传递的功率，kW； N1 小齿轮转速，r/min。转矩 MNT39. 2(2)载荷系数 K (3-2) KKKKKVA式中: K 载荷系数； KA使用系数； KV动载系数； K齿间载荷分配系数； K齿向载荷分布系数。因为载荷平稳，查表 3-2，取00. 1K分别查取 KV，K和 K的值，得到2 . 1K表 3-2 使用系数 KA工作机的载荷特性原动机均匀平稳轻微冲击中等冲击严重冲击电动机多缸内燃机单缸内燃机1.0051.351.501.501.601.751.751.852.0对于增速传动可取表中值的 1.1 倍；当外部机械与齿轮装置之间挠性连接时，其值可适当降低。*学院本科生毕业设计（论文）12(3)齿宽系数 d由表 3-3 得。1d表 3-3 齿宽系数 d齿面硬度齿轮相对轴承的位置软齿面硬齿面对称分布非对称分布悬臂布置5直齿圆柱齿轮宜取较小值，斜齿轮可取较大值，人字齿轮可取到 2；载荷稳定，轴刚性大时取较大值；变载荷，轴刚性较小时宜取较小值。(4)许用接触应力H表 3-4 最小安全系数参考值使用要求SFminSHmin高可靠度较高可靠度一般可靠度低靠度2.001.601.251.001.501.601.251.301.001.100.85在经过使用验证或材料强度、载荷工况及制造精度拥有较准确的数据时，1SHmin可取下限。建议对一般齿轮传动不采用低可靠度。2 (3-3) minlimHNHHSZ式中：Hlim失效率为 1%时，试验齿轮的接触疲劳极限； SHmin齿面接触强度最小安全系数，因弯曲疲劳造成的轮齿折断有可能引起重大事故，而接触疲劳产生的点蚀只影响使用寿命，故齿轮弯曲疲劳安全系数 SFmin的数值远大于齿面接触疲劳安全系数 SHmin； ZN接触疲劳强度计算的寿命系数取决于工作应力循环次数 NL。 取失效率为 1%，查表 3-4，最小安全系数1minSHMpaH220(5)端面重合度*学院本科生毕业设计（论文）13 (3-4)cos112 . 388. 121zz 0cos6612212 . 388. 1 69. 1(6)重合度系数 Z (3-5)88. 0369. 1434Z(7)齿轮分度园直径 d (3-6) 21312HHEdZZZuuKTd 22088. 05 . 28 .1892 . 32 . 411039. 22 . 1243 mm88.323.4确定齿轮的主要参数与主要尺寸(1)传动比： 3i(2)齿数：取 221Z则 6612ZiZ(3)模数： mmZdm49. 12288.3211取标准值：5 . 1m(4)中心距： mmZZm5 .60)(221(5)齿顶圆直径 mmmZd99665 . 122mmmZd66225 . 111 (6)齿顶圆直径： mmmdda365 . 1233211 mmmdda1025 . 1299222(7)齿宽： mmdbd333311 取10521 bbmmb2523.5校核齿根弯曲疲劳强度 (1)大小齿轮弯曲疲劳极限*学院本科生毕业设计（论文）14 ，MPaF5001limMPaF3802lim(2)弯曲寿命系数 ， 86. 01NY88. 02NY(3)许用弯曲应力取失效率 1%，最小安全系数，25. 1minFS (3-7)minlimFXNFFSYY ，MpaF3441MpaF52.2672(4)重合度系数 Y 69. 075. 025. 0aY(5)应力修正系数 ，59. 11SaY77. 12SaY(6)复合齿形系数，12. 41FaY96. 32FaY(7)校核计算 (3-8) 6 .74211121311FSaFadFYYYzmKT (3-9)7 .712112212FSaFaSaFaFFYYYY弯曲强度足够。3.6本章小结本章齿轮传动的设计，通过对齿轮传动的类型，对材料的要求与选择，选出合适的齿轮传动形式和材料。计算齿面接触疲劳强度，确定齿轮的主要技术参数和主要尺寸。*学院本科生毕业设计（论文）15第 4 章 电液脉冲马达的选择及运动参数的计算4.1电液脉冲马达的特点许多机械加工需要微量进给。要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可作为驱动元件。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。在闭环系统中，广泛采用电液脉冲马达作为执行单元。这是因为电液脉冲马达具有以下优点：(1)直接采用数字量进行控制(2)转动惯量小，启动、停止方便(3)成本低(4)无误差积累(5)定位准确(6)低频率特性比较好(7)调速范围较宽采用电液脉冲马达为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如 0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用电液脉冲马达的细分驱动技术。4.2电液脉冲马达的选择与参数计算(1)电液脉冲马达电机的选择按照工作要求和条件选 Y 系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电机。(2)选择电液脉冲马达的额定功率马达的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。额定功率小于工作要求，则不能保证工作机器正常工作，或使马达长期过载、发热大而过早损坏；额定功率过大，则马达价格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪费。工作所需功率为： WwwTP9950式中r/min,电机工作效率，代入上式得MNT.15036w97. 0W KWPW56. 0)97. 09950/(36150电机所需的输出功率为：wPP 0*学院本科生毕业设计（论文）16式中： 为电机至工作台主动轴之间的总效率。由表 2-4 查得：齿轮传动的效率为；一对滚动轴承的效率为97. 0W 99. 0W蜗杆传动的效率为。因此，8 . 0W75. 08 . 099. 097. 033321 KWPPW747. 075. 0/56. 00(1)一般电机的额定功率 0)3 . 11 (PPm 97. 0747. 0747. 0)3 . 11 (电机额定功率为： KWPm75. 0(2)电机机构传动范围：齿轮传动比：3-5 蜗杆传动比：15-32(3)则总的传动范围为：1604532515321iii电机转速的范围为：r/min5760162036)16045(wiN为降低电机的重量和价格，选取常用的同步转速为 3000r/min 的 Y 系列电机，型号为 Y801-2，其满载转速r/min。3000mn4.3本章小结 在闭环系统中，广泛采用电液脉冲马达作为执行单元，电液脉冲马达具有直接采用数字量进行控制，转动惯量小，启动、停止方便，成本低，无误差积累，定位准确，低频率特性比较好，调速范围较宽。电液脉冲马达电机的选择和额定功率通过计算得出。*学院本科生毕业设计（论文）17第 5 章 蜗轮蜗杆的设计与校核由于前述所选电机可知 T=6.93NM 传动比设定为 i=27.5，效率 =0.8 工作日安排每年 300 工作日计，寿命为 10 年。5.1选择蜗杆传动类型按蜗杆螺旋线方向的不同，蜗杆传动有右旋和左旋之分。除特殊需要外，一般都采用右旋。两者工作原理和设计方法相同。按蜗杆头数的不同，可分为单头蜗杆和多头蜗杆。单头蜗杆主要用于大传动比的场合，要求自锁的蜗杆传动必须才用单头蜗杆。多头蜗杆主要用于传动比不大和要求效率较高的场合。按蜗杆形状的不同，可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动三类。普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车窗上用直母线切削刃的车刀切制的，刀位置不同，所加工出的蜗杆齿面在不同截面中的齿轮廓线也不同。可分为阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、锥面包络蜗杆、法向直廓蜗杆和圆弧圆柱蜗杆。根据 GB/T100851988 的推荐，采用渐开线蜗杆。5.2材料的选择(1)蜗杆材料常用的蜗杆材料有碳钢和合金钢两类。按热处理的不同可分为硬面蜗杆和调质蜗杆，设计时应首先考虑选用硬面蜗杆，但要注意硬面蜗杆制造时必须磨削；在缺乏磨削设备或蜗杆传动承受短期冲击载荷作用时，可选用调质蜗杆。常用的蜗杆材料及热处理方法见表 5-1。表 5-1 蜗杆材料及工艺要求材料牌号热处理硬度齿面粗糙度 Ra/m40Cr,40CrNi,42SiMn,35CrMo,38SiMnMo表面淬火4555HRC1.60.820Cr,20CrMnTi,16CrMn,20CrV渗碳淬火5863HRC1.60.845,40Cr,42CrMo,35SiMn调质350HBS6.33.238CrMoAlA,50CrV,35CrMo表面渗氮6570HRC3.21.6*学院本科生毕业设计（论文）18(2)蜗轮材料蜗轮材料通常是指蜗轮齿冠部分的材料。考虑到蜗杆传动难有高的接触精度，滑动速度又较大，以及蜗杆变形等因素，故蜗杆、蜗轮不能都用硬材料制造，通常蜗轮用减摩性良好的软材料来制造。设计时可根据滑动速度选择蜗轮材料，通常的材料如下。铸造锡青铜。其耐磨性最好，抗胶合能来高，易加工，用于重要传动，允许的滑动速度可达 25m/s，但是价格昂贵。常用的有ZcuSn10Pb1、ZcuSnPb5Zn5，其中后者常用于小于 12m/s 的传动。铸造铝青铜。强度较高但价格教锡青铜便宜，其他性能均比锡青铜略差，一般用于小于 4m/s 的传动，且与之配套的蜗杆硬度不低于 45HRC。常用的有ZuAl10Fe3、ZcuAl10Fe3Mn2 等。灰铸铁。其各项性能远不如前面两类材料，但价格便宜。适用于小于 2m/s的低速、且对效率要求不高的一般传动。考虑到蜗杆传动效率不大，速度只是中等，故蜗杆用 45 号钢；为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求蜗杆螺旋齿面淬火，硬度为 45-55HRC。蜗轮用铸锡磷青铜 ZCuSn10P1，金属铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁 HT100 制造。5.3按齿面接触疲劳强度设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，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。(1)确定作用在蜗轮上的转距 T2按 Z1=2，估取效率 =0.8，则 NminPnPT4 .1531055. 91055. 9162262(2)确定载荷系数 K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数 K=1；由使用系数 KA表从而选取 KA=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数 KV=1.1；则27. 11 . 115. 11KKKKVA(3)确定弹性影响系数 ZE根据表 5-2 选用与铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配的 ZE的值。 *学院本科生毕业设计（论文）19 表 5-2 材料系数 ZE 单位：Mpa蜗轮材料蜗杆材料铸锡青铜铸铝青铜灰铸铁球墨铸铁钢155.0156.0162.0181.4球墨铸铁156.6173.9取 MpaZE155(4)确定接触系数 Z先假设蜗杆分度圆直径 d1和传动中心距 a 的比值 d1/a=0.30，从图 5-1 可查出Z=3.12。 Z 图 5-1 圆柱蜗杆传动的接触系数(5)确定许用应力0H根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，可查表 5.3 得蜗轮的基本许用应力0H=268MPa。因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位、其寿命系数为YN=0.92，则H= YN0H=0.92268=246.56247MPa(6)传动中心距mmZZKTaHE242477 . 21602 .353827. 123223*学院本科生毕业设计（论文）20取中心距 a=50mm表 5-3 锡青铜蜗轮的基本许用应力0H 蜗杆螺线面的硬度（单位：Mpa）蜗轮材料铸造方法45HRC45HRC砂模铸造150180铸造磷青铜金属模铸造220268砂模铸造113135金属模铸造128140铸锡铅锌青铜离心铸造1581835.4蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸(1)蜗杆直径系数： q=17.92分度圆直径： d1=22.4mm蜗杆头数： Z1=1分度圆导程角： =31138蜗杆的轴向齿距： mmPA94. 3蜗杆的齿顶圆直径：mmmhdhddaaa2 .3222*1111蜗杆轴向齿厚： 1.97mmm2/1aS(2)蜗轮蜗轮齿数： Z2 =62变位系数： x=0传动比： 621/62/12zzi蜗轮分度圆直径： mmmzd5 .776225. 122蜗轮喉圆直径： mmhddaa5 .932222蜗轮喉母圆直径： mmdarag25. 35 .93215021225.5校核齿根弯曲疲劳强度*学院本科生毕业设计（论文）21(1)当量齿数ZV26218. 3cos62cos3322ZZV(2)齿形系数YFa2根据2=0，ZV2=62，得齿形系数YFa2=2.31(3)螺旋角系数Y9773. 01401Y(4)校核计算29. 45 . 2155451704027. 153. 153. 1F2212MPaYYmddKTFaF所以弯曲强度是满足要求的。5.6本章小结蜗杆传动类型按蜗杆螺旋线方向分为左旋和右旋，按蜗杆头数的不同分为单头蜗杆和多头蜗杆，按蜗杆形状的不同分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动。蜗杆材料以及工艺要求，计算齿面接触疲劳强度、蜗杆涡轮的主要技术参数和几何尺寸，校核齿根弯曲疲劳强度。*学院本科生毕业设计（论文）22第 6 章 轴6.1轴的设计要求和设计步骤合理的结构和足够的强度是轴设计所必需满足的基本要求。如果如果轴的结构设计不合理，则会影响轴的加工和装配工艺，增加制造成本，甚至影响轴的强度和刚度。足够的强度是轴承载能力的基本保证。如果轴的强度不足，则会发生塑性变形或者断裂失效，使其不能正常工作。不同的机器对轴的设计要求不同。如机床主轴、电机轴要求有足够的刚度；对一些高速机械轴，如高速磨床主轴、汽轮机主轴等要考虑震动稳定性问题。轴的通常设计步骤：(1)按工作要求选择轴的材料(2)估算轴的基本直径(3)轴的结构设计(4)轴的强度校核计算(5)必要时作刚度或震动稳定性等的校核计算在轴的设计计算过程中，应注意轴的设计计算与其他有关零件的设计计算往往相互联系、相互影响，因此必须结合起来进行。6.2轴的材料轴的常用材料是碳素钢、合金钢及球墨铸铁。(1)中碳钢3050钢因具有较高的综合力学性能，常用于比较重要或承载较大的轴，其中45钢应用最广。对于这类材料，可通过调质或正火等热处理方法改善和提高力学性能。普通碳素钢Q235、Q275等可用于不重要或承载较小的轴。(2)合金钢一般具有较高的综合能力和较好的热处理性能，常用于较高的强度、重要性很强、承载很大而质量尺寸受限，或有较高的耐磨性以及防腐性要求的轴。(3)球墨铸铁适于制造成形轴，它具有廉价、强度较高、良好的耐磨性、耐热性、吸震性好、抗压性能好以及易切性，以及对应力集中的敏感性较低等优点。但铸铁件品质不易控制，可靠性差，其抗拉强度和抗冲击性能差，不能用于其它受力部件上。铸钢的综合机械性能好于铸铁，尤其是抗拉强度和抗冲击性能，由于铸钢兼顾了可铸造性，所以应用范围更广。*学院本科生毕业设计（论文）236.3轴的强度计算 轴的强度计算主要有三种方法：按需用切应力计算；按许用弯曲应力计算；安全系数校核计算。按许用切应力计算只需要知道转矩大小，方便简单，常用于传动轴的强度计算和转轴基本直径的估算。按许用弯曲应力计算必须先知到作用力的大小和作用点的位置、轴承跨距、各段轴径等参数，主要用于计算一般重要的、弯矩复合作用的轴。(1)按许用切应力计算TTTndPWT2 . 01055. 936由此得到轴的基本直径nPCnPdT363 2 . 01055. 9式中: d轴的直径，mm； T轴的扭剪应力，MPa；T轴传递的转矩，Nmm； P轴传递的功率，KW； n轴的转速，r/min； WT轴的抗扭剖面系数，3mmT许用扭剪应力，MPaC计算常数，取决于轴的材料及受载情况，见表6-1。 表 6-1 轴常用材料的 C 值材料Q235、20354540Cr、35SiMnC16014813512511811210710298(2)按需用弯曲应力计算作受力简图6-1，扭矩图6-2，弯矩图6-3。 由图分系得到危险界面在M处。当量弯矩 ，其中a是考虑转矩与弯矩性质不同而设的应力校正系22aTMMe数。对于不变的转矩，取=1。如转矩变化规律不清楚，一般按脉动循环处理。实心圆轴上危险截面满足以下条件：WeeedMWM1 . 013式中: W危险截面的抗弯截面系数，；3mm d危险截面直径，mm； -1 材料在对称循环状态下的许用弯曲应力，MPa。见表6-2。*学院本科生毕业设计（论文）24 表6-2 轴的许用弯曲应力 单位：MPa材料b+1w0w-1w400130704050017075456002009555碳素钢7002301106580027013075合金钢1000330150904001005030铸钢5001207040图6-1受力简图 图6-2扭矩图 图6-3弯矩图6.4本章小结 足够的强度是轴承载能力的基本保证，轴的常用材料是碳素钢、合金钢以及球墨铸铁，根据需用的切应力计算、许用弯曲应力计算和安全系数校核计算，计算出轴的强度。*学院本科生毕业设计（论文）25第 7 章 轴上配合件的选用7.1齿轮上键的选取与校核(1)取键连接的类型好尺寸因其轴上键的作用是传递扭矩，应用平键连接就可以了。在此用平键。由资料可查出键的截面尺寸为：宽度 b=5mm，高度 h=5mm，由连轴器的宽度并参考键的长度系列，从而取键长 L=10mm。(2)键连接的强度键、轴和连轴器的材料都是钢，因而可查得许用挤压力P= 5060MPa，取其平均值P=135MPa。键的工作长度 l=L-b=10-5=5mm，键与连轴器的键槽的接触高度k=0.5h=2.5mm，从而可得：P =2000T/(kld)=127P 可见满足要求。 此键的标记为：键 B510，GB/T10961979。7.2轴承的选用滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。通过主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。跟滑动轴承相较，滚动轴承摩擦系数较低，功率消耗少，启动容易，滚动轴承的结构紧凑、体积小、重量轻，安装拆卸方便。常用的滚动轴承大部分已经标准化，所以使用滚动轴承时，根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能力，轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。(1)轴承的类型考虑到轴误差的各个方面将直接传递到工件的加工误差，所以选择自动调心性能更好的圆锥滚子轴承。此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙。其机构代码为 3000，然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号为：30208。(2)轴承的游隙及轴上零件的调配轴承的游隙和欲紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。(3)滚动轴承的配合滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采*学院本科生毕业设计（论文）26用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸为基准。
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