畢業(yè)設計-----曲軸中心孔加工機床設計

1、<p>　　畢業(yè)設計(論文)開題報告</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　ABSTRACT1</p><p><b>　　1緒論2</b></p><p>　　1.

2、1研究背景及研究意義2</p><p>　　1.2國內外研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3本課題主要研究內容和研究思路4</p><p>　　1.3.1數控搖臺簡介及加工特點4</p><p>　　1.3.2數控搖臺基本結構與組成4</p><p>　　2曲軸中心孔加工機床總體設計5</p>

3、<p>　　2.1 機床設計要5</p><p>　　2.2 機床必要動作分析5</p><p>　　2.3 總體方案的分析6</p><p>　　2.4 具體方案的設計6</p><p>　　2.5 機床初始參數的擬定7</p><p>　　2.6 機床布局形式的確定8</

4、p><p>　　3數控搖臺主要機構零件的選擇和特點9</p><p>　　3.1數控搖臺底座的設計和特點9</p><p>　　3.2數控搖臺與數控轉臺的連接部件設計10</p><p>　　3.3數控搖臺驅動副的選擇與特點10</p><p>　　3.3.1蝸桿傳動的類型選擇11</p><

5、p>　　3.3.2減小傳動間隙的雙程蝸桿傳動原理和特點11</p><p>　　3.4電機的選擇和特點13</p><p>　　4雙導程蝸桿蝸輪的參數選擇和驗算13</p><p>　　4.1雙導程蝸桿蝸輪的結構原理13</p><p>　　4.2雙導程蝸桿蝸輪參數的設計與計算15</p><p>　　

6、4.2.1材料的選擇15</p><p>　　4.2.2基本參數的確定16</p><p>　　4.2.3蝸桿蝸輪驗算19</p><p>　　5左右轉臺軸的設計與計算20</p><p>　　5.1軸的材料與設計主要問題20</p><p>　　5.2軸的初步計算與選擇20</p><

7、p>　　5.2.1初步估算軸徑20</p><p>　　5.2.2軸的結構設計21</p><p>　　5.2.3軸的強度驗算22</p><p>　　6數控搖臺有關部位的介紹和特點23</p><p>　　6.1閉環(huán)結構方案設計23</p><p>　　6.2數控搖臺的鎖緊23</p>

8、<p>　　6.3電機的固定24</p><p>　　6.4搖動部分的潤滑與密封。24</p><p><b>　　參考文獻24</b></p><p><b>　　致謝24</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><

9、;p>　　介紹一種新型的數控搖臺的工作原理及結構特點，使用時，工作臺固定在直線進給工作臺的V形槽內，不用時，即可拆下，工作臺可以由幾臺數控機床共用，其結構具有適應高溫和裝配合理的特點，能夠實現(xiàn)回轉軸與擺動軸的兩坐標定位。在組合機床以及高速加工中心中有著廣泛的應用。</p><p>　　詳細分析和說明了雙回轉工作臺的作用、構造、工作原理和設計過程，設計中采用了先進的伺服電機作為數控搖臺的驅動電機，使搖臺回轉控

10、制的角度位置更加準確精準，驅動軸尾部裝有光柵，能夠反饋工作臺回轉的角度和位置，幫助提高工作臺的回轉精度。</p><p>　　關鍵詞： 關鍵詞1 數控搖臺；關鍵詞2 原理結構；關鍵詞3 擺動軸</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　A new type of NC rotary table works an

11、d structural characteristics, use, table fixed in the linear feed of the T-slot table, when not in use can be removed, the table can be shared by a number of CNC machine tools Its structure has to adapt to high temperatu

12、res and assembly reasonable, and can achieve rotary and oscillating axle positioning the two coordinates. In the combination of machine tools and high-speed machining center has a wide range of applications.</p>&

13、lt;p>　　Detailed analysis and description of the role of the double rotary table, structure, working principle and design process, design of servo motor using advanced numerical control roll station as the Qudong motor

14、, Shi rock station rotary control of Jiaodu Weizhigengjia accurate precision, drive shaft Tail with grating feedback table to the angle of rotation and position of the rotary table to help improve accuracy. </p>

15、<p>　　Key words: NC rotary table；Principle structure；Oscillating axle ；GIS</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1研究背景及研究意義</p><p>　　曲軸是發(fā)動機的心臟零件，在發(fā)動機運轉過程中，曲軸受到周期性變化的燃氣壓力、

16、往復慣性力、旋轉運動的慣性力及力矩作用。這些力和力矩的共同作用使曲軸受到復雜的交變應力，由于扭轉振動和彎曲振動容易造成疲勞破壞，這就要求曲軸必須有足夠的強度、剛度及良好的平衡性。曲軸具有結構復雜、剛性差、加工表面多、技術要求高的特性，加工工藝較為繁雜，其加工質量將直接影響到發(fā)動機的技術性能及壽命。因此，各工業(yè)發(fā)達國家十分重視曲軸的生產，以提高其性能水平，滿足發(fā)動機行業(yè)的需要。近幾年來，國內曲軸加工發(fā)展十分迅速。</p>&

17、lt;p>　　曲軸的加工中心孔，起著曲軸各道工序加工定位基準作用，因此中心孔的定位直接影響產品的質量，中心孔位置的確定至關重要，關系到該工件是否具有適當的加工余量，在批量生產中這個問題的處理更具經濟意義。</p><p>　　為了尋求各種曲軸毛坯以及其它種類零件的最佳加工基準，本課題提出了一種全新的曲軸毛坯初始加工基準的加工尋位方式：即在機器視覺的基礎上， 運用三維重構技術在計算機中所生成的曲軸毛坯模型與最

18、終所要加工成形的曲軸產品進行相關匹配，獲得曲軸初始加工基準的最佳定位點，從而更快更好地對曲軸進行后續(xù)整體加工制造。</p><p>　　本論文所研究開發(fā)的方法和技術，不要求曲軸在機床上占有唯一正確的位置，因而也無須設計制造使用專門的夾具或無須人工測量找正曲軸毛坯，只需將曲軸依加工方位任意夾緊在機床上就能正確地進行曲軸的數控加工，即“夾緊一尋位一加工"這一新的操作模式。這種全新的曲軸初始基準尋位方案將使得

19、目前數控加工僅僅實現(xiàn)的切削過程的數字化(數字程序控制)擴展到包含曲軸毛坯安裝找正、機床調整和切削過程的數字化，從而實現(xiàn)在數控機床上進行的曲軸毛坯加工過程的全面數字化。該項目的研究將解決目前數控加工曲軸中存在的，采用夾具安裝工件所帶來的生產準備時間長、成本增加、柔性低的問題，采用人工測量找正安裝曲軸帶來的輔助時間長、安裝效率低、安裝精度不易保證的問題，以及曲軸毛坯后續(xù)加工中加工余量的均布問題。</p><p>　　

20、1.2國內外研究現(xiàn)狀</p><p>　　曲軸屬于細長類零件，加工過程中主要定位基準是兩端中心孔，按其加工位置可分為兩種：一種是利用雙V型塊或其它方式找出曲軸支承軸頸的幾何中心，在此中心上加工出的中心孔稱為幾何中心孔；另一種是利用專門的質量定心機測出曲軸的質量中心，在此中心上加工出的中心孔稱為質量中心孔。由于毛坯的幾何形狀誤差和質量分布不勻等原因，一般兩者并不重合。國內生產線中大多采用幾何定心法，在兩工位銑端面打

21、中心孔機床上完成，但是利用幾何中心孔作定位中心進行車加工或磨削加工時，工件旋轉會產生離心力，不但影響加工質量，降低定心元件的使用壽命，而且在加工后剩余的動不平衡量較大。在后面的動平衡工序中需多次反復測量和去重才能達到要求，影響生產節(jié)拍，效率低，且會造成個別半成品報廢。基于這種原因，國外大都采用了質量中心孔，利用專門設計的測試設備來測試質量中心，然后加工出中心孔，并且可將銑兩端長度和加工質量中心孔合并為一道工序，采用CNC技術控制，加工效

22、率很高。這樣就基本上解決了由于采用幾何中心孔而造成的問題。但值得一提的是若毛坯彎曲變形嚴重或質量嚴重分布不均勻。采用質量中心孔仍不能徹底解決上述問題。對目前國內外所采用的兩種定心法進行比</p><p>　　(1)當曲軸毛坯質量較差時，質量中心與幾何中心相差較遠，如采用質量中心孔，則大部分毛坯在打完中心孔后，由于與幾何中心孔相差較大成為廢品，質量定心機變成了一臺檢測設備。</p><p>

23、　　(2)當曲軸毛坯加工余量較為均勻時，質量中心孔與幾何中心孔基本重合，可以采用幾何中心孔加工設備。由于曲軸生產線設備昂貴，在“八五”前，國內主要發(fā)動機制造廠大多將投資放在曲軸精加工機床上，如進口曲軸磨床、拋光機、動平衡機等，對曲軸粗加工尤其是軸頸的粗加工設備不夠重視，這將造成曲軸在粗加工段產生較大的變形量，直接影響曲軸的最終加工精度，并嚴重影響引進的精加工設備的效率、精度性，部分廠家甚至對這些設備的精度產生懷疑，加工出的曲軸無法滿足高

24、質量發(fā)動機的配套需要。“八五”以后，各發(fā)動機制造廠及曲軸專業(yè)制造廠開始意識到這個問題，通過咨詢考察，相繼引進了一些曲軸的高效、高精度粗加工設備，如質量定心機、曲軸數控車床、曲軸內銑床、曲軸車拉(車一車拉)機床等。</p><p>　　目前曲軸質量定心機的核心技術掌握在德國申克公司和美國平衡工程公司等手中，他們生產的設備是比較成熟的設備，不過國內的沈陽數控機床有限公司已成功的開發(fā)車曲軸質量定心機并應用于生產。<

25、;/p><p>　　在計算機視覺方面，國內外的研究非?；钴S。在國內研究中，哈工大采用異構雙目活動視覺系統(tǒng)實現(xiàn)了全自主足球機器人導航。將一個固定攝像機和一個可以水平旋轉的攝像機分別安裝在機器人的頂部和中下部，可以同時監(jiān)視不同方位視點，體現(xiàn)出比人類視覺優(yōu)越的一面；在國外研究中，Nihon大學將雙目視覺系統(tǒng)用于人體身高的測量。人體身高在交通售票系統(tǒng)、公園中游客使用娛樂設施甚至在發(fā)現(xiàn)犯罪嫌疑人方面都是重要的特征。他們在各種入

26、口處安裝兩臺攝像機，通過兩臺攝像機獲取的圖像的處理和匹配，利用成像的三角法則對人體身高做出了判斷，而對于將計算機視覺應用于曲軸初始基準定位方面，在國內外的研究中還很少。</p><p>　　1.3本課題主要研究內容和研究思路</p><p>　　1.3.1數控搖臺簡介及加工特點</p><p>　　設計加工中心回轉工作臺時，應考慮合理的布局，在滿足功能的前提下，降低

27、成本，同時要使工作臺的結構盡量簡單，裝配容易。下面就新開發(fā)的加工中心回轉工作臺進行簡單的論述。</p><p>　　在數控機床上加工曲軸中心孔時，工作臺除了需要沿著X坐標軸直線方向進給外，還需要有繞著X、Y坐標軸方向圓周方向旋轉。即在一個平動軸基礎上增加兩個轉動軸，不僅可使刀具相對于工件的位置任意可控，而且刀具軸線相對于工件的方向也在一定范圍內任意可控，使加工工具有以下特點：</p><p&g

28、t;　　a. 可避免刀具干涉，加工復雜零件時，加工適應性廣。</p><p>　　b. 對工件上的多個空間表面可一次裝夾進行多面、多工序加工，加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度</p><p>　　c. 對于直紋面類零件。可采用側銑方式一刀成型，加工質量好、效率高</p><p>　　設置在機床身上的工作臺可以環(huán)繞X軸回轉。定義為A軸，A軸一般工作范圍

29、±10°。工作臺的中間還設有一個回轉臺，可以環(huán)繞Y軸回轉，定義為C軸，C軸是360°回轉的。這種沒置方式的優(yōu)點是主軸的結構比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低，特別是當A軸回轉角度不大時，工件切削時不會對工作臺帶來很大的承載力矩。但一般工作臺不能設計太大，承重不大。環(huán)繞Y軸回轉的即為轉臺，環(huán)繞X軸回轉的即為搖臺。</p><p>　　數控搖臺的基本功用：</p>&

30、lt;p>　　第一，使工作臺進行圓周進給完成切削工作；第二，使工作臺進行分度工作。它按照控制系統(tǒng)的命令，在需要時完成上述任務。數控搖臺由伺服電動機驅動，采用無級變速方式工作，所以定位精度完全由控制系統(tǒng)決定。</p><p>　　1.3.2數控搖臺基本結構與組成</p><p>　　數控搖臺是基于搖臺底座基礎上，在數控搖臺機架上通過左右兩個搖臺軸與數控轉臺的連接帶動數控轉臺的擺動，搖臺

31、軸的控制則由蝸輪蝸桿副驅動，搖臺軸支撐起轉臺。而整個搖臺底座通過導軌與機床連接，整個數控搖臺設計的草圖如圖1-1：</p><p>　　圖1-1 數控搖臺設計草圖</p><p>　　所以主軸中心孔加工機床的搖臺部件主要由搖臺底座、左右兩轉臺軸、蝸輪蝸桿驅動副以及伺服電機等組成。 </p><p>　　2曲軸中心孔加工機床總體設計 </p><

32、;p>　　2.1 機床設計要</p><p>　　本機床的設計最主要是考慮零件在相對機床位置的任意性和機床加工動作的特殊要求，工作環(huán)境和效率要求等，還要考慮機床結構合理，占用小，工作可靠，經濟成本等因素。本論文研究的曲軸中心孔專用鉆床，起加工工件是任意放置在機床工作臺上的，需要調整動力頭或工作臺的位置來適應加工孔的位置要求。</p><p>　　（1）要求設備占用盡量小的空間；&l

33、t;/p><p>　?。?）要求機床能在水平面和垂直面內進行±10°的擺動調整，以保證動力頭軸線與要加工的曲軸毛坯軸線重合；</p><p>　?。?）要求機床在對曲軸毛坯進行加工前后能有足夠的空間保證曲軸毛坯的上料及下料。</p><p>　　2.2 機床必要動作分析</p><p>　　傳統(tǒng)的曲軸中心孔加工機床其主要運行

34、動作可分為：主運動、進給運動。當進行曲軸中心孔加工時，由專用夾具將曲軸緊固在機床工作臺上，兩邊鉆頭同時進行鉆削加工。鉆削加工時，鉆頭一邊進行旋轉切削，一邊進行橫向進給，其運動形式為：</p><p>　?。?）中心孔加工機床的主運動為主軸的旋轉運動；</p><p>　?。?）進給運動為主軸的橫向進給。</p><p>　　本文研究的曲軸中心孔加工機床最主要的技術要

35、求是：需要調整機床床身和動力頭位置來適應加工孔的位置要求。這主要是由曲軸毛坯的位置特性和效率要求等因素所決定的。</p><p>　　由于曲軸毛坯是以任意姿態(tài)放置在機床工作臺上，放置其上后不能保證曲軸毛坯自身加工中心孔軸線與動力頭軸線的重合度，這就需要改變傳統(tǒng)曲軸中心孔加工機床的動力頭或機床工作臺的運動方式，以補償曲軸任意放置引起的曲軸加工軸線與動力頭軸線的不重合度。</p><p>　　

36、針對以上分析，我們的總體思路是把機床的運動方式分成動力頭和工作臺兩部分，即兩部分都可以運動。故對于該機床來說，其運動形式主要有：</p><p>　?。?）動力頭的橫向進給運動；</p><p>　?。?）平端面時工作臺的縱向進給運動；</p><p>　?。?）動力頭為了補償曲軸中心孔軸線高度而做的豎直移動；</p><p>　?。?）工作

37、臺為了補償曲軸毛坯的放置傾斜度而做的搖擺及旋轉定位運動。</p><p>　　2.3 總體方案的分析</p><p>　　針對以上分析，我們得到了幾套整體運動思路：</p><p>　　工作臺動的基本構思是，動力頭只負責沿軸向的進給切削運動，而讓整個工作臺部分實現(xiàn)三個坐標軸方向的移動以及搖擺和旋轉定位運動，由于工作臺加上曲軸毛坯的質量很大，同時滿足各個方向的移動所

38、需的驅動力相應也很大，并且要求同時實現(xiàn)工作臺機構的三個軸向移動及繞坐標軸的擺動對工作臺的結構設計增加了很大的難度。故該方案難以實現(xiàn)。</p><p>　　動力頭動的基本構思是，完全由動力頭單獨運動來實現(xiàn)曲軸毛坯的對位加工，即由動力頭實現(xiàn)空間中三個坐標軸方向的移動以及搖擺和旋轉運動，這就要求動力頭所在床身要有復雜地運動，對機床動力頭結構的設計來說難度很大，特別是搖擺和旋轉運動，完全由動力頭來完成不易實現(xiàn)。</

39、p><p>　　組合運動的基本構思是，分別調整動力頭和工作臺的位置，由兩者進行相關運動，使曲軸毛坯中心孔與動力頭準確對位，方便動力頭對曲軸毛坯的加工。該方案的特點是不再需要動力頭或工作臺單獨運動來實現(xiàn)曲軸毛坯的對位加工，以致增加各自結構設計的復雜性，將所需的對位運動分解到兩個部件來承擔，若分配合理不僅占用空間小、傳動鏈短，且加工精度也能很好保證。故選用組合運動方案。</p><p>　　2.4

40、 具體方案的設計</p><p>　　選定組合運動方案后，就要對具體的運動方案進行設計及比較，以滿足曲軸毛坯的中心孔定位加工要求。為了實現(xiàn)動力頭對曲軸毛坯中心孔的精確定位加工，需要機床提供沿三個軸向的移動及搖擺和旋轉運動，即沿X、Y、Z三個方向的移動和繞X、Y方向的轉動。 </p><p>　　對于沿X、Y、Z三個軸向的移動，可以分散到工作臺、立柱和主軸箱上，由三個部件分別運動來滿足，這

41、樣每個部件都分擔到相差不多的負載，系統(tǒng)的結構也比較簡單。剩下兩個運動則是本設計的重點——如何調整動力頭和工作臺的轉動以補償曲軸任意放置引起的曲軸加工軸線與動力頭軸線的不重合度。</p><p>　　在這兩個轉動中，繞Y軸的轉動，即在水平面內的擺動由工作臺來實現(xiàn)較為容易，由于本機床的動力頭為兩端設置，即兩個動力頭同時加工，若用動力頭來實現(xiàn)繞Y軸的轉動需調節(jié)兩個動力頭的擺動，而對于工作臺來說，只需使用常見的旋轉工作臺

42、即可實現(xiàn)該運動要求。故繞Y軸上的擺動可完全由工作臺來完成。剩下繞X軸轉動的幾個方案分析如下：</p><p>　?。?）立柱動方案的基本構思是，底座固定不動，立柱及其上整個機床部分作為一個整體與底座活動連接，使其在水平面內輕微擺動。由于機床整機除開底座后的部分質量很大，而此方案中是對整個該部分進行微調以連帶達到鉆頭微調的目的，對實現(xiàn)該目的的裝置要求較高。并且位置調好后，還要對該部分進行牢靠的固定以保證加工穩(wěn)定性，

43、以及微調精度如何保證等，引出了一系列的問題。</p><p>　?。?）主軸箱動：是指機床除了主軸箱以外的其它部分不擺動，通過單一的對主軸箱軸線的微調來實現(xiàn)動力頭軸線與曲軸毛坯軸線的對位加工。主軸箱相對于機床其它部分來說，無論是其質量還是體積均較小，且在機床上的布置空間也較偏，這就使得在直接對其進行微調時，對機床其它部分的正常運行基本上不會產生影響。但是由于主軸箱還要負責Y方向的移動，結構已比較復雜，再要對其實行

44、改動以達到設計要求基本不可。</p><p>　?。?）工作臺動：立柱和主軸箱都不動，僅僅是工作臺在繞X軸轉動。這就需要在轉臺的基礎上再加裝一個搖臺，雖然看上去結構比較復雜，甚至不如以上兩種方案，但由于轉臺和搖臺的技術都已相當成熟，將兩者加在一起，不僅不會使結構復雜，而且減少了因為分開而占用的空間，使機床整體看起來簡潔，精度也不會受到影響。</p><p>　　綜合考慮，選擇方案（3）。&

45、lt;/p><p>　　2.5 機床初始參數的擬定</p><p>　　對于本機床的參數確定可參照沈陽機床廠的SUC8116a型锪端面轉中心孔機床的主要參數。該機床主要參數如下：</p><p>　　圖2-1 機床參數</p><p>　　2.6 機床布局形式的確定</p><p>　　經過收集分析國內外各種臥式車

46、床及銑床的布局，確定如下布局方案：</p><p>　　立柱在床身上做Z方向的移動；</p><p>　　工作臺包含數控搖臺和數控轉臺，可做X方向的移動；</p><p>　　正掛式主軸箱在立柱上做Y方向的移動。</p><p>　　根據以上布局形式的初步確定，運用Proe三維軟件做出布局造型如下：</p><p>　

47、　圖2 機床布局方案</p><p>　　3數控搖臺主要機構零件的選擇和特點</p><p>　　3.1數控搖臺底座的設計和特點</p><p>　　設計數控搖臺時，應考慮合理的布局，在滿足功能的前提下，降低成本，同時要使工作臺的結構盡量簡單，裝配容易。因為被加工的曲軸在銑端面時，需要有沿著X軸方向的直線進給，因此整個數控搖臺可以選擇三角形與矩形導軌配合的方式放置

48、在機床底座上，擺動部分則由左右兩轉臺軸帶動，因此整個數控搖臺具有夾具式特點的工作臺，具有兩大特點：</p><p>　　a. 使用時，工作臺如夾具固定在直線進給工作臺的三角形與矩形槽內，不用時，即可拆下，工作臺是一個獨立體。</p><p>　　b． 便于保證裝配精度的特點。</p><p>　　考慮到需要加工的曲軸大多是直徑500㎜～1000㎜，繼而數控轉臺的長

49、度與寬度在900㎜，考慮設計時盡量降低成本、滿足功能的前提下，盡量的縮小搖臺的尺寸，數控搖臺的材料為TH200。</p><p>　　3.2數控搖臺與數控轉臺的連接部件設計</p><p>　　考慮到數控轉臺的特點是通過傳感副驅動整個轉臺環(huán)繞Y坐標軸旋轉，而數控搖臺的作用是驅動整個數控搖臺環(huán)繞X坐標軸±10°旋轉，從而實現(xiàn)曲軸加工時的方位調整，因此設計時通過左右兩根搖臺

50、軸與數控搖臺的連接起到支撐作用，而搖臺軸與轉臺的固定則需要在搖臺軸上鍛造一個與法蘭盤一樣結構的凸起軸臂，通過安放在軸臂四周的左右一起八個螺釘連接來固定搖臺軸與數控轉臺而數控搖臺的驅動副帶動轉臺軸的轉動，從而實現(xiàn)整個數控轉臺環(huán)繞X坐標軸的旋轉。設計草圖如下:</p><p>　　圖3-1 數控搖臺與數控轉臺連接示意圖</p><p>　　兩根搖臺軸通過圓錐滾子軸承放在搖臺底座兩側，為了保證

51、整個數控轉臺現(xiàn)實環(huán)繞X坐標軸方向的環(huán)繞，數控搖臺底座的上表面需要與數控轉臺有一定的間隙，因而數控搖臺驅動副帶動左右兩根搖臺軸跟數控轉臺一起轉動。</p><p>　　3.3數控搖臺驅動副的選擇與特點</p><p>　　數控搖臺驅動副的選擇是蝸桿傳動，蝸桿傳動是傳遞空間兩交錯軸之間的運動和轉矩的一種機構，蝸桿傳動具有結構緊湊，傳動比大，傳動平穩(wěn)，振動、沖擊和噪聲均很小，在一定的條件下具有自

52、鎖性等特點。</p><p>　　3.3.1蝸桿傳動的類型選擇</p><p>　　按蝸桿分度曲面的形狀不同，蝸桿傳動可分為圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動和錐面蝸桿傳動三大類。如下圖：</p><p>　　圖3-2 蝸桿傳動類型</p><p>　　其中環(huán)面蝸桿傳動具有高效率（85％～90％）、承載能力強（為普通蝸桿傳動的2～4倍）的特點，但制

53、造工藝復雜，國內應用還不夠廣泛，但在發(fā)達國家，它已成為動力蝸桿傳動的主要形式。</p><p>　　錐面蝸桿，在美國由于有專業(yè)工廠成批生產，積累了較豐富的經驗，解決了制造上許多</p><p>　　難點，但是在國內尚處于試制階段，未得到廣泛應用。</p><p>　　而普通圓柱蝸桿傳動中的阿基米德圓柱蝸桿（ZA蝸桿）具有加工簡便等優(yōu)點，在機械中應用最廣，所以蝸桿傳動

54、類型的選擇為ZA蝸桿。</p><p>　　圖3-3 阿基米德圓柱蝸桿</p><p>　　3.3.2減小傳動間隙的雙導程蝸桿傳動原理和特點</p><p>　　蝸輪蝸桿傳動機構由于傳動比大等特點在機械傳動及伺服驅動系統(tǒng)中有著廣泛的應用。在某些機械傳動系統(tǒng)中，特別是伺服驅動系統(tǒng)中，對間隙的要求越來越嚴格，通常要求零間隙傳動，這是因為傳動間隙對伺服控制系統(tǒng)而言直接影

55、響到啟動及反向控制精度。為了改善蝸輪蝸桿傳動間隙，可采取雙導程蝸桿調隙法，以及改變蝸輪蝸桿的中心距法，但后者的結構較復雜，并且要有足夠的實施空間，因此使用范圍受到限制。因此采用雙導程蝸桿傳動更為方便。</p><p>　　一：雙導程蝸桿傳動的原理</p><p>　　雙導程圓柱蝸桿傳動的工作原理與普通圓柱蝸桿傳動沒有本質上的不同。在沿蝸桿軸的中心剖面內，同樣的蝸桿齒形相當丁齒條，蝸輪相當于

56、與它嚙合的齒輪。雙導程蝸輪桿傳動與普通圓柱蝸輪蝸桿傳動的區(qū)別在于：雙導程圓柱蝸桿(包括蝸輪)的左右齒面具有不相等的導程，而同一側齒面的導程則相等。假如沿著雙導程圓柱蝸桿的分度圓柱展開，其左右齒面上的螺旋線如圖3-4所示。從圖中可以看出，蝸桿的兩個齒面(即左齒面與右齒面)上有兩個不相等的導程，導致了蝸桿的軸向齒厚沿其軸線從一端到另一端按一定的比例增大(或者減小)，而與雙導程圓柱蝸桿嚙合的蝸輪齒厚均相等。這樣，當蝸桿沿軸向移動時，它們之間的

57、嚙合側隙也隨之改變。當一對雙導程蝸輪副運轉很長時間后，因磨損造成齒面嚙合側隙加人而破壞了運動的平穩(wěn)性，此時，將雙導程圓柱蝸桿沿齒厚減簿的方向位移一段軸向距離，嚙合側隙則隨之減小或完全消除，隨之恢復了運動的平穩(wěn)性，而無須增加新的結構或改變中心距。這就是雙導 圓柱蝸桿傳動的工作原理。</p><p>　　雙導程蝸輪副的嚙合原理與一般蝸輪副的嚙合原理相同。蝸桿的軸向截面相當于基本齒條， 蝸輪則相當于與其嚙合的齒輪。雖然

58、蝸桿齒左右側面具有不同的齒距（即不同的模數）， 但因同一側面的齒距相同，故沒有破壞嚙合條件，當軸向移動蝸桿后，也能保證良好嚙合。</p><p>　　圖3-4 左右齒面上的螺旋線</p><p>　　二： 雙導程蝸桿傳動的特點：</p><p>　　1. 嚙合間隙可調整得很小。 根據經驗，側隙可調整至0.01㎜～0.015㎜，而普通蝸輪副一般只能達到0.03㎜～0

59、.08㎜再小就容易咬死，因此雙導程蝸輪副能在較小的側隙下工作，對提高數控搖臺的分度精度非常有利。</p><p>　　2.普通蝸輪副是以蝸桿作徑向移動來調整嚙合側隙，從而改變傳動副的中心距。從嚙合原理角度看，是不合理的。因為改變中心距會引起齒面接觸情況變差，甚至加劇磨損，不利于保持蝸輪副的精度，雙導程蝸輪副則是用蝸桿軸向移動來調整嚙合側隙，不會改變中心距。</p><p>　　3.雙導程蝸

60、桿是用修磨調整環(huán)來控制調整量，調整準確，方便可靠，而普通蝸輪副的徑向調整量較難掌握，調整時也容易產生蝸桿軸線歪斜。</p><p>　　3.4電機的選擇和特點</p><p>　　為了保證曲軸加工的精度，則需要數控搖臺擺動平穩(wěn)，反應迅速，轉角精準，而整個數控轉臺上面所需的夾具、工件等重量的不確定性，要求傳動裝置有一定的過載能力，因此選取交流伺服電機。</p><p>

61、;　　伺服電動機在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，將電信號轉換為軸上的轉角或者轉速，以帶動控制對象，有控制信號輸入時，伺服電動機就轉動，沒有信號時就停止轉動。改變控制電壓的大小和相位就可以改變伺服電動機的轉速和轉向，因此比普通電動機具有以下特點：</p><p>　　一：調速范圍廣。伺服電動機的轉速隨著控制電壓改變，能在寬廣的范圍內連續(xù)調節(jié)。</p><p>　　二：轉子的慣性小，即能實現(xiàn)迅速啟動

62、、停轉。</p><p>　　三：控制功率小，過載能力強，可靠性好。</p><p>　　四：脈沖定位，精準而穩(wěn)定，容易控制。</p><p>　　值得注意的是蝸桿與電機連接的時候需要聯(lián)軸器，而在安裝一個剛性聯(lián)軸器時要格外小心，特別是過度的彎曲負載可能導致軸端和軸承的損壞或磨損。</p><p>　　在實際機械設計數控搖臺的過程中，在選取所需

63、的電動機時，需要選取參照大量同類搖臺上的負載及受力參數，通過整理等到一個有效的線性表，去掉兩級的少數參數，再計算大多數情況下的負載和受力來確定所需的電機型號，但是本次畢業(yè)論文設計條件有限，因此在參照了一些其它相關的數控搖臺設計中所選取的電機后，選擇了FANCU交流伺服電動機，型號5S，輸出功率0.75KW，最高轉速nm=2000r／min。</p><p>　　4雙導程蝸桿蝸輪的參數選擇和驗算</p>

64、<p>　　4.1雙導程蝸桿蝸輪的結構原理</p><p>　　雙導程蝸桿蝸輪副與普通蝸輪副相比，在結構上主要表現(xiàn)在雙導程蝸桿齒的左、右兩側面具有不同的導程．而同一側的導程則是相等的。因為該蝸桿的齒厚從蝸桿的一端向另一端均勻地逐漸增厚或減薄，所以雙導程蝸桿又稱變齒厚蝸桿。故可用軸向移動蝸桿的方法來消除或調整蝸輪副的嚙合間隙。</p><p>　　雙導程蝸輪副的嚙合原理與一般蝸

65、輪副的嚙合原理相同。蝸桿的軸向截面相當于基本齒條，蝸輪則相當于與其嚙合的齒輪。雖然蝸桿齒左右側而具有不同的齒距(即不同的模數)，但同一側的齒距相同，故沒有破壞嚙合條件，當軸向移動蝸桿后．也能保證良好嚙臺．如圖4-1所示．圖中，實線表示變導程漸厚齒形，點化線表示標準齒形。</p><p>　　圖4-1 雙導程蝸桿軸向剖面齒形圖</p><p>　　蝸桿左、右齒面具有不等的軸向節(jié)距：<

66、;/p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中 ——右側軸向節(jié)距</p><p><b>　　——左側軸向節(jié)距</b></p><p>　　——公稱軸向節(jié)距，等于左右側節(jié)距的平均值

67、；</p><p>　　——左右側節(jié)距與公稱節(jié)距的差值。</p><p>　　相鄰兩齒厚之差為2 ，從中間某個齒開始，向一側螺牙厚度依次遞減；而向另一側螺牙厚度則依次遞增，中間某個齒的螺牙厚度定為標準值為 ，但各個齒厚中點的節(jié)距是不變的，都等于公稱節(jié)距 。</p><p>　　由于左右側節(jié)距是不變的，左右側模數也不等。</p><p><

68、;b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　式中 md——右側齒模數；</p><p>　　mx ——左側齒模數；</p><p>　　m0——公稱模數，等于左右側模數的平均值；</p><p>　　——左、右側模數與公稱模

69、數的差值。</p><p>　　圖3-2為蝸輪中間剖面齒形圖。公稱分度圓直徑d2和公稱齒頂圓直徑De2分別為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　（3-6）</b></p><p>　　但是實際上兩齒側的模數是不同的，因此由這兩個模數所決定的標準齒形如圖中實

70、線所示，其分度圓直徑和齒頂圓直接分別為</p><p>　　d2x=mxZ2<d2 （3-7）</p><p>　　De2x=mx（Z2+2 ）<De2 （3-8）</p><p>　　d2d=mdz2>d2

71、（3-9）</p><p>　　De2d=md（Z2+2 ）>De2 （3-10）</p><p>　　蝸輪輪齒兩側的齒頂圓和齒根圓直徑必須分別相同，都應等于公稱齒頂圓和齒根圓直徑。因此，把小模數側進行正變能，把大模數側進行負變位。這樣．蝸桿與蝸輪不但能正常相互嚙合傳動．且還能調整相互嚙合的側隙。當蝸輪副磨損，傳動間隙過大時，通過增減蝸桿兩端的墊

72、片使蝸桿軸向移動，從而達到調整間隙的作用。</p><p>　　圖4-2 蝸輪中間剖面齒形圖 </p><p>　　4.2雙導程蝸桿蝸輪參數的設計與計算</p><p>　　4.2.1材料的選擇</p><p>　　蝸桿采用45鋼，表面高頻淬火，硬度45～55

73、HRC，考慮到蝸輪轉動帶動整個數控搖臺的擺動，精度要求非常高，載重也比較大，但是滑行速度較低，因此采用含錫量低的鑄錫鋅鉛青銅（ZcuSn5Pb5Zn5）。</p><p>　　4.2.2基本參數的確定</p><p>　　參照機械設計蝸桿頭數與蝸輪齒數的推薦值，蝸桿頭數Z1=1，傳動比𝔦=50，則Z2=1×50=50，電機輸出功率為0.75KW，電機與蝸桿通過聯(lián)軸

74、器連接，傳動效率為0.99，則蝸桿輸入功率P=0.75×0.99KW=0.7425KW。蝸桿轉速取為n1=250r/min，因此蝸桿上的轉矩</p><p>　　一：作用在蝸輪上的轉矩T2</p><p><b>　　蝸輪蝸桿傳動效率 </b></p><p>　　二：載荷系數KA和許用接觸應力、彈性系數的確定</p>

75、<p>　　查機械設計表取KA=1， ，選取壽命系數 ，則許用應力</p><p>　　由于銅蝸輪與鋼蝸桿相配，得彈性系數 </p><p>　　三：確定公稱模數及蝸桿蝸輪直徑</p><p>　　參考機械設計普通圓柱蝸桿傳動的基本參數表，選取 </p><p>　　所以選取公稱模數 ，直徑系數 ，蝸桿公稱軸向節(jié)距和公稱導程：<

76、;/p><p>　　選取頂隙 ，蝸桿公稱分度圓、齒頂圓、齒根圓直徑為：</p><p>　　蝸桿公稱分度圓柱上的螺旋升角為</p><p><b>　　中心距為</b></p><p>　　蝸輪公稱分度圓直徑 和齒頂圓直徑De2可以根據式（3-5）和（3-6）計算</p><p>　　根據機械設計蝸輪

77、寬度和外徑計算公式，齒寬B和外徑 為：</p><p>　　所以取齒寬B=70㎜，外徑 =426㎜。</p><p>　　四：雙導程蝸桿傳動副的特殊參數</p><p>　?。?）齒厚增量系數 </p><p>　　雙導程圓柱蝸桿軸向移動單位長度時的軸向齒厚變化量稱為齒厚增量系數 。 在雙導程圓柱蝸桿傳動的設計計算中是一個重要參數，是確定

78、的原始數據</p><p>　　蝸輪左右側變位移距為圖3-3</p><p>　　圖4-3 雙導程蝸桿蝸輪的嚙合原理</p><p>　　為保證正確嚙合， 點不應該超出蝸桿的齒頂高， 點不應該超出蝸輪齒頂高，即</p><p>　　所以 </p><p>　　對于

79、的蝸桿， 值可按下表選取</p><p><b>　　選擇 </b></p><p>　?。?）模數差 和兩側模數分別為</p><p><b>　　㎜</b></p><p><b>　?。?）齒厚調整量 </b></p><p>　　應該根據補償制造

80、誤差和蝸輪允許的最大磨損量所形成的側隙選取，選擇 </p><p>　　（4）蝸桿的標準齒形角 和蝸輪分度圓上的壓力角</p><p>　　蝸桿軸向齒形角 可以根據蝸桿公稱分度圓柱上的螺旋升角λ按照標準選取，因此選取 ，以減少它對傳動誤差的影響。對于阿基米德蝸桿，蝸桿兩側面的軸向齒形角和蝸輪兩側的分度圓壓力角都等于 ，公稱分度圓上兩側面的壓力角分別為</p><p>

81、;　?。?）蝸桿螺旋線部分長度L</p><p>　　L由嚙合長度 、調整長度 和工藝長度組成，計算較為復雜，可用作圖法求得。分別過左、右齒面嚙合節(jié)點 、 分別作出左、右齒面嚙合線 ，與蝸輪頂圓和蝸桿齒頂線分別相交，共產生四個交點。由4個交點引嚙合線的垂線分別交于蝸桿左、右齒面節(jié)線，得左齒面嚙合區(qū)長度 及右齒面嚙合區(qū)域長度 ，同理可得大模數齒面的 、 ，分別比較兩段數值較大的相加作為嚙合長度 ，運用PRO/E制圖

82、軟件畫出上述圖形后測量嚙合長度為：</p><p>　　當ΔS取為0.03時，</p><p><b>　　，</b></p><p>　　應該把 加在蝸桿的厚齒端一邊。</p><p><b>　　工藝長度 </b></p><p>　　螺旋部分中點處軸向齒厚：</p

83、><p>　　因此蝸輪蝸桿基本尺寸見下表：</p><p>　　4.2.3蝸桿蝸輪驗算</p><p>　　一 ：蝸桿的剛度計算</p><p>　　蝸桿受力后，變形若太大將引起蝸桿牙上的載荷集中，通常將蝸桿的螺旋部分看作以齒根圓直徑為直徑的軸段，主要是校核彎曲剛度，最大彎曲擾度y可按下式計算：</p><p>　　式中：

84、 、 ——分別為蝸桿所受的圓周力和徑向力；</p><p>　　E——蝸桿材料彈性模量；</p><p>　　I——蝸桿危險截面慣性距；</p><p>　　——蝸桿兩端支承的跨距；</p><p>　　——最大許用撓度，一般取 ； 為蝸桿分度圓直徑。</p><p>　　計算得 ，滿足剛度要求。</p>

85、<p>　　二：驗算是是否會發(fā)生根切，因為大模數側進行負變位，所以只驗算大模數一側，不發(fā)生根切的蝸輪齒數 為</p><p><b>　　所有參數滿足要求。</b></p><p>　　5左右轉臺軸的設計與計算</p><p>　　5.1軸的材料與設計主要問題</p><p>　　因為此處軸帶動整個數控搖臺的

86、轉動，載荷較大，無其他特殊要求，因而選用調質處理的45鋼。</p><p>　　由于數控搖臺上工件不確定性，載荷與受力無法確定，因此彎矩無法求出，但是與蝸輪連接處的軸主要承受轉矩，所以在進行轉軸設計時，只能根據轉矩強度或者經驗公示估算出軸的直徑，然后進行軸的結構設計，最后進行軸的強度驗算。</p><p>　　5.2軸的初步計算與選擇</p><p>　　5.2.1

87、初步估算軸徑</p><p>　　扭轉強度估算輸出端的最小軸徑，輸出軸的功率</p><p>　　P為電機輸出功率0.75KW， 分別為聯(lián)軸器效率、蝸輪蝸桿嚙合效率、平鍵效率，分別取為0.99、0.75、0.99。所以輸出軸功率為</p><p>　　根據公示 , 為軸的轉速，等于蝸輪的轉速，取為 ,輸出軸最小直徑：</p><p>　　由于

88、考慮到與蝸輪的連接需要平鍵，軸徑應該增加5%，因為未考慮到彎矩的影響，整個轉臺的重量較大，所以先取相對一個較大的值，待整個軸設計完成后通過計算彎矩的驗算，完成整個設計，故取 =70㎜。</p><p>　　5.2.2軸的結構設計</p><p>　　軸與蝸輪的定位采用平鍵連接，為了防止搖臺軸向移動，需要在中間加一相對兩者大的軸臂，而輸出軸尾部需要加一個光柵，來對轉臺搖動速度和精度進行檢測反

89、饋，選取的時候應該參選光柵標準，因為此處軸臂沒有起到定位、支撐、傳動作用，設計時以光柵標準加工，而與數控轉臺連接處需要鍛造一類似于法蘭盤的軸臂，因此右轉臺軸軸一共為九個軸臂組成，左搖臺軸由于沒有光柵和輸出軸，只有四個個軸臂，結構與右搖臺軸相同。右轉臺軸結構如圖4-1</p><p>　　4-1 軸上零件的裝配方案</p><p>　　參照機械設計軸上零件的軸向定位和固定方法，非定位軸肩高度

90、一般取為 ，所以對右轉臺軸徑從右到左取 、 、 、 、 、 、 、 。蝸輪寬度為70㎜，參照平鍵選擇標準，以及輪轂寬度選為104㎜，加上套筒的長度，選擇軸臂寬度為 ㎜。選取雙列圓錐滾子軸承型號為97516GB299-85,其寬度為74㎜，選擇軸臂寬度為 ㎜。定位軸臂寬度取為 ㎜，末節(jié)與轉臺連接的軸臂寬度為 。總體結構見圖如圖5-1</p><p>　　圖5-1 軸的結構設計</p><p&

91、gt;　　5.2.3軸的強度驗算</p><p>　　因為輸出軸只承受轉矩強度，所以按上式求出的直徑只能滿足轉矩強度條件，將底座與軸的連接整體看成一個支點，但是對于轉臺軸與整個數控轉臺的連接處截面受到來自轉臺重力所帶來的彎矩，因此需要校核此截面的彎扭合成強度。</p><p>　　左右兩根轉臺軸與數控轉臺一起放在搖臺的底座支架上，因此將兩軸與支架連接處看成支點，而與數控轉臺最接近的截面為危

92、險截面</p><p>　　圖5-2 軸的受力圖</p><p>　　上圖中A、B為軸的支點，C、E相當于整個轉臺載荷力，C、E即為兩軸的危險截面，根據數控轉臺設計的長度為 =802㎜，高度為350㎜，根據公式 ，估算已經設計完成的轉臺估算重量為17969N, </p><p><b>　　㎜,</b></p><p&g

93、t;　　所以C、E截面的剪力為：</p><p>　　所以C、E截面的彎矩為：</p><p><b>　　軸的轉矩：</b></p><p>　　因為轉矩產生的扭剪應力往往不是對稱循環(huán)變應力，因此在計算彎矩時，必須計及這種應力循環(huán)特性差異的影響，于是將轉矩T轉化為相當于對稱循環(huán)是的當量彎矩。</p><p><b

94、>　　所以當量彎矩 ：</b></p><p>　　其中 為考慮轉矩性質的應力校正系數，因為軸受不變的轉矩，取 </p><p><b>　　由強度計算公示：</b></p><p>　　查詢機械設計教材軸的常用材料、主要力學性能、許用彎曲應力及用途表得45鋼的許用彎曲應力 ，所以強度滿足要求。</p><

95、p>　　6數控搖臺有關部位的介紹和特點</p><p>　　6.1閉環(huán)結構方案設計</p><p>　　考慮到機器性能要求的精密性以及加工的準確性，還要與數控鉆銑床相連成為精密的曲軸中心孔加工機床，因此要求系統(tǒng)為閉環(huán)．即設計一閉環(huán)數控搖臺臺。因此選用特制光柵安裝在與搖臺支座連接的轉臺軸末端，即使在傳動過程中有誤差或間隙也可在反饋后得到數控系統(tǒng)的補償。</p><p

96、>　　6.2數控搖臺的鎖緊</p><p>　　因為數控搖臺采用的是伺服電機驅動，而伺服電機內部配有專門的鎖緊裝置，因此電機在停止工作后會自動鎖緊。</p><p><b>　　6.3電機的固定</b></p><p>　　由于箱體表面不利于加工，因此把伺服電機的固定需要一固定支座，支座為L型，通過螺釘把支座固定在箱體右邊的底座上，然后再

97、把電機與支座端面通過螺釘連接。</p><p>　　6.4搖動部分的潤滑與密封。</p><p>　　擺動部分是固定在平動工作臺上的，只能隨X軸平動，所以選擇甩油潤滑，可采用噴油潤滑。在左右搖臺軸兩端的軸承采用脂潤滑，由于蝸桿的轉速不高，也可以采用脂潤滑。各軸承端則需采用透蓋跟悶蓋密封。</p><p><b>　　參考文獻</b></p

98、><p>　　[1] 彭文生，李志明.機械設計.北京：高等教育出版社 ，2002，8.</p><p>　　[2] 甘永立.幾何量公差與檢測.上海：上?？茖W技術出版社，2003，1.</p><p>　　[3] 吳宗澤.機械零件設計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2006，3.</p><p>　　[4] 范云漲，陳兆年.金屬切削機床設計簡明手冊.北

99、京：機械工業(yè)出版社，1994，7.</p><p>　　[5] 汪星橋.機床設計手則.北京：機械工業(yè)出版社，1986.12</p><p>　　[6]《Modern Control Engineering Fourth Edition》 Katsuhiko Ogata University of Minnesota.</p><p>　　[7] 《Flow Cont

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