【《一台自动拧紧设备的结构设计》9400字（论文）】

I一台自动拧紧设备的结构设计中文摘要在机械行业中，用螺栓拧紧的方法来固定一个机器的零部件是一个常见的现象。随着最近几年我国的机械+制造行业飞速的发展，用于机械装配的螺栓也与日俱增，而且在工厂生产中是不同的人在不同的工位进行某一个零件的预留孔进行螺栓拧紧，那么需要的螺栓数量将是一个难以想象的数字，工人也必须保证拧紧的限度达到企业产品要求的拧紧力矩的数值。为了提高螺栓拧紧效率，保证拧紧力矩，由此生产了自动拧紧机。本文主要设计的是一台自动拧紧（工位）设备结构的核心零部件，分别是上部间距变换机构和下部旋转机构。齿轮传动是这两部分机构采用的主要传动方式，本文的主要内容也是在设计齿轮，设计轴并对齿轮和轴进行校核达到设计要求范围。关键词：自动拧紧；齿轮传动；机械装配目录第一章 绪论 51.1 课题研究背景及意义 51.2 国内外发展现状 51.3 设计软件介绍 6第二章 拧紧设备主要结构 72.1 拧紧设备设计方案 72.2 双轴间距变位机构 72.3 底部旋转部分介绍 7第三章 上部变位机构设计 93.1 变位过程的分析 93.2 定位分度盘的设计 103.3 减速机构设计 103.4 单级减速机构计算 113.5 校核齿面接触疲劳强度 143.6 齿轮轴的设计 153.7 齿轮轴的校核 163.8 轴的寿命的计算 17第四章 低部旋转机构 194.1 设计参数 194.2 行星减速器以及电动机选择 204.3 单级减速部分齿轮计算 214.4 校核齿面接触疲劳强度 254.5 齿轮轴的设计 254.6 齿轮轴的校核 274.7 轴承的寿命计算 28第五章 其他零件设计及零件清单 305.1 分度盘的设计 305.2 滑块的设计 305.3 零件清单 31第六章 总结 32参考文献 33绪论课题研究背景及意义中国自从改革开放以来就在不断的发展重工业和制造业，但是底蕴不足，发展较晚，和西方老牌强国对比还是有很大的差距，甚至还需要向其他国家进口相比我国较为先进的技术和设备。种种原因下，我国在汽车装配领域的影响力一般，国产汽车也时刻处于风口浪尖上，时常因为汽车出现质量问题而被消费者进行投诉。国产汽车零部件可能几年后就会出现生锈的情况，而这种问题在外国汽车上就不会出现，可见我国在汽车领域还是缺乏相应的技术手段和设备。在汽车流水线生产过程中，最为常见的环节也就是螺纹拧紧了。基本上每个零件装配都会用到，所以说螺纹拧紧对于汽车装配尤为重要，螺纹拧紧的效率和拧紧程度直接反映汽车装配整体的质量。汽车质量越高，汽车生产业，汽车装配业乃至整个机械制造行业都会处于一个良性的向上发展的态势。最近几年来，我国的汽车制造行业发展非常的迅速，那么伴随着飞速发展的汽车制造行业汽车装配行业也在进行着发展与换代，以前的主要靠人工到现在半机械化甚至是全机械化自动生产。本文主要进行自动拧紧设备（工位）的结构设计，设计出一款拧紧效率高，误差低，耗能低的自动拧紧设备对于制造行业也是非常重要，提高制造业流水化作业的效率，提高产量。国内外发展现状螺栓拧紧技术最先出现于西方的一些工业和经济发展强大的国家中，随着时间的发展，我国也开始不断的引进这些关于螺栓拧紧技术的工厂，并同步开始自我研发和设计。在这些掌握了螺栓拧紧技术的公司中比较出名的有阿特拉斯，德国博世，美国史丹利，日本DDK等等，这些公司都是目前市面上用的比较广泛的，相对性价比还是比较好的但是价钱也比较高。而国产的螺栓拧紧机就是大连嘉禾、龙口春龙、大连德欣是稍微好点的。近年来，伴随着电机可以在不同等级进行调速、可控制扭矩等技术的出现，在一些工业强国的装配流水线上的装配设计工具逐步从手动工具向低能耗、精度高、效率高等可控制自动拧紧设备（工位）方向逐步过渡。每年,我国都会有花费大量的资金购买国外有名的大公司的自动拧紧设备。伴随着我国汽车和机械制造和装配行业的快速发展,为了改善和提高汽车和机械行业产品的总体质量及其国际市场竞争能力,我国汽车和机械工业正朝着规模化、自动化的方向发展,对于装配设备的质量及其生产效率都提出了新技术的要求。因此,对于大批量生产所需要螺栓或者是螺母拧紧效率都有了更高要求,极大程度提升了其需要。现阶段,我国螺栓连接式紧固工艺发展迅速。随着螺栓拧紧工艺和电子技术的进一步发展,我国各种机械制造行业很有可能已经出现了装配精度和生产过程自动化水平较高的螺栓拧紧机,也很有可能已经生产了应用于全新工艺的螺栓拧紧机。由此可见,我国的汽车装配工程行业将更加广泛地应用于自动螺栓式拧紧器,从而大大提高了汽车制造和装配工作的质量与效率。设计软件简介SolidWorks是一款容易上手且功能十分完备的三维建模软件，是基于Windows设计开发的，SolidWorks可以很方便的处理零件，零件和装配体的相互参考关系，也可以方便的给零件重命名。在大学期间也开设了这门课程，对这款软件也有了初步的认识，能进行一些简单的建模，也可以将零件图通过软件进行组装生成装配图，也可以把零件图组装成装配图再转换为工程图纸并进行标注。我选择用这个软件来进行相关零部件的三维建模，方便快捷，比较容易上手操作。图一SolidWorks界面AutoCAD是一款主要面对二维建模作图的软件，AutoCAD用户界面十分清晰明了，各种操作方式都能被迅速的找到，AutoCAD应用比较广泛，操作十分简单，而且在校期间机械制图都是在学习这款软件，应用比较熟练，所以用这个软件来做自动拧紧机的装配图和三维视图。

拧紧设备主要结构拧紧设备设计方案在大学期间对自动拧紧机的了解不深，而且拧紧机内部的机构比较繁琐，故此论文中只设计了自动拧紧机中最为核心的零件：底部圆周旋转机构、双轴间距变位机构。底部圆周旋转机构是齿轮传动的转动方式，双轴间距变位机构采用的是曲柄滑块机构。双轴间距变位机构简介导轨滑块分度定位盘导轨滑块分度定位盘变距齿盘变距齿盘图2双轴间距变位机构从上面图中可以看出双轴间距变位机构的主要组成，包括分度定位盘，滑块，导轨，和变距齿盘。而工作原理是电机转动带动变距齿轮盘转动，变距齿轮盘带动分度定位盘，滚轮轴受到定位盘上的腰型孔的压迫；从而滚轮轴带动滑块运动使双轴之间距离变化。底部旋转机构简介伺服电机伺服电机驱动齿轮外啮合齿轮驱动齿轮外啮合齿轮行星减速器行星减速器图3底部旋转机构在图5中可以看到底部传动机构主要有四个零部件，分别是伺服电机、行星减速器、驱动齿轮、外啮合齿轮。底部传动机构主要的工作流程也比较简单，伺服电机转动通过行星减速器，然后行星减速器带动驱动齿轮运动，然后驱动齿轮带动外啮合齿轮转动以此达到双轴的同时转动。因为齿轮转动的设计方式比较常见而且比较简单，在大学课本也有过系统的学习，所以此处使用齿轮转动的方式。根据设计要求——外啮合齿轮盘要有足够的空间来容纳其他的零件，其分度圆直径：d齿轮角速度：φ

上部变位机构设计变位过程的分析 上部变位机构的基本结构和主要工作过程我们是了解的，电机通过行星减速器和单级减速机构，由内啮合齿轮盘带动分度定位盘转继而挤压滑块滑动。我们把两个拧紧轴对称的安装在两个滑块上，这样就实现了两个轴之间的间距变化，那么再结合上面一章的旋转机构我们就可以实现以圆周阵列分布的螺纹不同直径的圆上任意两个螺纹拧紧。下图是上部变位机构的简化;图4两轴间距最小草图当分度盘处于上图展示的这种情况下，此时两轴的间距最短，我们需要通过加工的产品模型来进行确定这时最短间距的数值，依据模型数据：a=237mm通过AutoCAD这款软件来绘制上部变位机构的简图，然后再用旋转这个命令不断旋转分度盘来寻找轴间距最大的时候。下面就是找到的间距最大的时候所绘制的简图。图5两轴间距最大草图上面就是找到的间距最大的时候所绘制的简图，最大值我们要根据加工的工件来确定，通过对加工工件的测量得到：b=260mm在AutoCAD中发现从轴的最小间距到轴的最大间距分度盘是旋转了40°，根据这个角度结合对底部旋转机构的设计标准，轴从最大间距到最小间距完成的时间不能超过0.5秒，所以计算出分度盘运动的角速度：ω=定位分度盘的设计这部分主要设计定位分度盘，尺寸需要用到上面几节计算到的数值，再结合简图进行分析，一目了然。腰型孔的长度目前我们不知道，但是它和轴的最大间距和最小间距有关，我们可以根据数学中的勾股定理公式来计算腰型孔的长度l:

l=减速机构设计伺服伺服电机行星行星减速器高速高速齿轮高速高速齿轮图6上部变位机构简图分度盘的转速:n高速齿轮的输入扭矩:T关于行星减速器的还有伺服电机的选择,减速器我们选择SB-62-30,具体参数为：减速比i行=30，额定输入转速为3000r/min，额定输出扭矩为45N∙m，效率伺服电机型号我们选择西门子S-1FL6，具体参数为：工作电压为230V，额定功率（P0）为200W，额定转速(n0)为3000r/min，额定转矩(T0)为0单级减速机构计算变位部分传动比计算：i分配传动比：ii齿轮加工材料选择45号钢，调质—表面淬火的热处理工艺，齿面硬度达到HRC40-45。我们选择齿轮加工精度为8级精度。计算齿轮尺寸：d高速齿轮在机构中的输入转矩：T载荷系数：K弹性系数：Z齿宽系数：∅齿数比：i节点区域系数：Z根据以上数据分析估算出两齿轮齿数：ii端面重合度：ε应力循环次数： N4σHσσ公式中未知的参数都已经计算出，再代入公式,d高速齿轮线速度:v下面就是验证一下动载荷系数是不是在范围内，K=载荷系数Kt初取为1.3因为

K≈确定下高速齿轮的分度圆直径，模数：m=根据国标GB/T1357-2008我们选取计算的模数应该选择最为接近国标的数值，因此我们选择模数为

m=2.5下面计算两个齿轮的相关参数。中心距：a=高速级齿轮分度圆：d低速级齿轮分度圆：d齿宽：b=按照底部旋转机构设计要求我们取bb校核齿面接触疲劳强度我们使用的校核公式为：σ下面是已知参数：ZE=189.8MPa

Z除了已知数据，新的数据有：db需要计算的数据：F我们把所有的已知数据代入到校核公式中，将计算出来的结果和极限值进行对比，看是否符合要求。σ=794由此可见，设计的减速齿轮是符合要求的。齿轮轴的设计为了机构更加的紧凑，传动过程中更加的平稳，应该安装一段短轴在行星减速器和高速齿轮中间，轴的材料选择45号钢，热处理工艺采取调质处理的方法，表面镀硬铬/亮光。轴径的计算公式：d式中的输入功率我们需要根据电机的功率来进行计算,具体电机的参数如下：输入功率P=200w输入转矩T=45N∙m输入转速n=100r/min系数C这里取：C=106将数值代入公式：

d考虑到轴上可能要安装不同的零部件，轴径取的要比计算的结果大一点；d为了减少成本，让机构更加简单，我们将短轴设计成三部分，分为Ⅰ轴Ⅱ轴Ⅲ轴，Ⅰ轴上安装的是两个轴承和高速齿轮；Ⅱ轴是过渡部分，Ⅲ轴连接着减速器。图7短轴草图根据高速齿轮的设计参数和选取的轴承的有关参数来确定Ⅰ轴的长度，轴承选择6005-2RZ型号，具体的参数参考下表。表6轴承参数内径（d）25mm外径（D）47mm厚度(B)12mm额定动载荷（Cr10kN额定静载荷（C0r5.85kNⅡ轴主要起到过渡作用，是用来分开第一段轴与第三段轴的；Ⅲ轴是用来与减速器进行连接的，Ⅲ轴的尺寸参数还要根据减速器的具体尺寸才能确定下来。在利茗减速器官网查到减速器相关的参数，短轴Ⅰ轴Ⅱ轴Ⅲ轴长度分别选定为：l

l

l齿轮轴的校核根据机构中轴的安装位置，我们发现需要对轴进行扭转切应力的计算，把计算出来的σT与选取的材料的τT进行比较，看计算出来的首先计算轴的抗扭截面系数WTW轴所承受的扭矩T，我们知道减速器的输出扭矩，具体的值我们通过表1可以得到:T=45000N∙mm把T和WTττT从上表我们可以得知45钢的τT是在25~45之间这个信息，我们计算出来的τT的值是轴的寿命的计算由上一节可知，在Ⅲ轴上我们是安装了两个轴承的，轴承的型号都选取为6005-2RZ，所以下面要分别计算两个轴承的寿命，来确定轴承的工作时间能够满足自动拧紧设备要求的工作时长15000个小时。查书得知轴承寿命公式。轴承寿命计算的公式：L轴承的当量动载荷：P=XFF对于寿命计算公式中两个系数X、Y，根据书上的表格查出分别为X=0.56,Y=1.45则P的值：

P=X然后把计算得到的数值代入到校核公式中那么我们还有fT和fPfffT和fPL根据设计需求需要拧紧机工作15000小时，那么很明显我们选择的轴承是符合需求的

低部旋转机构低速齿轮高速齿轮伺服电机行星减速器设计参数低速齿轮高速齿轮伺服电机行星减速器图8下部旋转机构简图根据设计要求：低速齿轮分度圆直径：d旋转角速度：ω转速：n高速齿轮输入扭矩：T行星减速器以及电动机选择行星减速器：行星减速器具有占用空间小，重量也比较轻，扭矩大，传动比范围较大，使用寿命也比较长，传动效率也相对较高等优点，行星减速器是机械自动化中使用最多的减速器。因此，我们选择的减速器是利茗公司生产的，从该公司的产品手册中选择符合本次设计需求选择的减速器型号为SB-62-30。下表是该减速器一些主要参数。表2减速器主要参数参数数值减速比30额定输入转速3000r/min额定输出扭矩45N∙m效率≥94%根据表2数据，我们选择的电机的额定转速n0也应该在3000r/min这个数值左右。电机的额定转速n0确定下来了，接下来就是电机类型的选择，电机可以在步进电机和伺服电机之间进行选择。步进电机其最高转速一般为300600r/min，而且一般不具备过载能力，在转速设定比较低的条件下比较容易出现低频振动，最常用的方法是采用阻尼技术来克服振动现象，而伺服电机就不会出现这种情况。伺服电机还具有速度和转矩过载能力，一般是可以过载35倍，这是步进电机所不能达到的。伺服电机达到额定转速所需要的时间也比步进电机短的多，因此伺服电机选择西门子S下表是该电机主要参数：表3伺服电机主要参数参数数值工作电压230V额定功率（P0200W额定转速(n03000r/min额定转矩(T00.64N∙m单级减速部分齿轮计算由选定的电动机额定转速n1和设计要求的低速齿轮额定转速n0可得传动装置总传动比：i高低速齿轮传动比：i因为机构设计的标准较高，工作环境也比较恶劣，我们选取45号钢作为机构的低速齿轮和高速齿轮的铸造材料，齿面硬度要求达到HRC40-45，也就是需要达到40-45的洛氏硬度。采用调质-表面淬火的热处理工艺。齿轮精度为8级精度。下面是齿轮的参数设计，设计过程中所使用的公式和一些具体参数的数值都是从王黎钦和陈铁鸣主编的机械设计第六版这本书中的表格得到。下面对齿轮的尺寸进行初步计算，d式中各参数高速齿轮在机构中的输入转矩：T载荷系数：K弹性系数：Z齿宽系数：∅齿数比：i节点区域系数：Z由上面结果计算高速齿轮的齿数为：z低速齿轮的齿数为：

z端面重合度：ε然后再通过以上计算的数值查书得重合系数：Z许用接触应力σHσ根据两个齿轮的材质和热处理工艺，我们在机械设计书中查表得：σ高低速齿轮的应力循环次数：NN根据以上数据查书得：ZZ根据已经计算的数据代入许用接触应力σH的计算公式

得：σσ在以上结果取最小值则得：

σ我们把以上所计算的数据代入最初的高速轮分度圆的计算公式d得到：d然后计算两个齿轮的传动尺寸，高速齿轮的线速度：v得到线速度后验算载荷系数是否合理，如果选择不合理，载荷系数需重新选择并计算。根据高速齿轮线速度v2动载系数：Kv再根据齿轮的安装方式即对称安装结合齿轮的齿宽系数在书中查表得齿向载荷分布系数：K根据单级减速器使用的机构类型，高低速齿轮的精度，齿轮表面的处理方式在书中查得齿间载荷分配系数:K通过以上数据可以计算出载荷系数，然后拿计算得到的载荷系数与我们之前选取的载荷系数相比较是否在误差允许范围内。K=前面我们选取的载荷系数Kt的数值为1.3由于K≈得高速齿轮分度圆的数值：d根据高速齿轮分度圆的数值可知高速级齿轮的模数：m=模数是决定齿大小的因素，模数的出现也是为了让齿轮刀具更标准，都有一个共同的规则，这样可以减少生产成本，降低损耗。根据（GB/T1357-2008）的规定选取高速齿轮的模数：m=2由模数可计算两个齿轮的中心距：a=以下是齿轮各项参数:高速级齿轮分度圆：d低速齿轮分度圆：d齿宽：b=根据机构的设计要求我们取：bb校核齿面接触疲劳强度校核疲劳强度是防止零件在经历一定的压力和持续工作后不会在应力集中地方产生开裂或者断裂，这一环是必不可少的，如果校核出现了问题，那就需要对零件或者构件重新设计。校核公式为：σ上面公式中的参数通过前面的计算以及查书中的表得知：ZE=189.8MPa

Z需要计算得到的参数数值如下:F将上面所有参数代入校核公式：σ可知，我们设计的齿轮是符合要求的。齿轮轴的设计齿轮轴上的高速齿轮和行星减速器是通过一小段轴连接起来的，那接下来就要计算这一段轴的有关参数，设计参考查阅王黎钦和陈铁鸣主编的机械设计一书第六版。表4短轴设计数据输入功率P=200w输入转矩T=45N∙m输入转速n=100r/min因轴之间传递功率不大，对轴的质量及结构等没有特殊的要求，故选用45号钢，调质处理，表面镀硬铬/亮光。下面对轴进行设计，公式来源于机械设计书中：d因为轴的材料是45号钢，在书上查表得到：C=106计算轴径：d考虑轴上键槽的影响，取轴径dmin图9短轴草图短轴分为两部分，左边是Ⅰ轴，右边是Ⅱ轴，下面分开来设计Ⅰ轴和Ⅱ轴。高速齿轮和两个深沟球轴承安装在Ⅰ轴，根据设计要求轴承型号选择6005-2RZ。下表为6005-2RZ型号轴承主要参数：表56005-2RZ主要参数内径（d）25mm外径（D）47mm厚度(B)12mm额定动载荷（Cr10kN额定静载荷（C05.85kNlⅡ轴主要是与前面选用的行星减速器的输出轴连接，根据我们设计安装的要求通过在利茗减速器官网查到的SB-62-30的行星减速器尺寸参数，以及符合安装要求我们选取该段轴长度为：l齿轮轴的校核根据前面对上部旋转结构的分析得知短轴仅仅受到扭转力的作用，所以我们在对这个短轴校核的时候只考虑扭转切应力的影响并准确计算其数值，如果计算得出的数值在材料的扭转切应力误差允许范围，则短轴可用。否则需重新设计。扭转切应力公式：τ上面式子中T为该短轴在传动机构中所承受的转矩，T=45000N∙mmWT为轴的抗扭截面系数，对于不同的截面形状有不同的截面计算方法，具体的计算方法参考图图10抗扭截面系数参考表根据轴的截面形状对应上图可知：W将计算得来的WTττT根据轴的材料我们可以判断，τ由此看来我们所设计的轴是符合要求的。轴承的寿命计算轴上安装了两个轴承，但是安装位置的不同。所以我们需要知道哪一个轴承的工作条件更加恶劣，我们只要校核这一个工作条件比较恶劣的轴承就可以，不用两个轴承一起校核。机械设计书中介绍了轴承寿命计算的公式；L在上面的公式中我们需要计算轴承的当量动载荷P=X在前面的计算中我们已知：FF至于两个系数X、Y，根据书上的表格查出分别为0.56,1.45那么P的值我们就可以计算出来了。P=X接下来再把计算得到的数值回带到校核公式中那么我们还有两个系数没有确定，这两个系数我们是要根据轴承的工作环境中的摄氏温度，以及机构工作的场合进行确定的，我们在书中提供的资料中查到ff算到这里我们所有需要的数据就都有了，最后一步就是把数据都带入到公式中L根据设计需求需要拧紧机工作15000小时，那么很明显我们选择的轴承是符合需求的

其他零件设计及零件清单分度盘的设计在这里我们主要是设计下分度盘的尺寸，因为分度盘和双轴变位机构的内啮合齿轮盘是连接在一起的，所以分度盘的尺寸要根据前两章计算出的内啮合尺寸来确定，下面是分度盘的零件图，已经详细的标明了各个参数尺寸。图11分度盘零件图滑块的设计我们是采用曲柄滑块的机构来实现上部变位过程，实现这个过程的机理是滑块和分度盘之间连接一个短轴，通过短轴连接，通过轴承来配合实现。