鋸片刀具工具磨床分度工作臺(tái)的設(shè)計(jì)【M7130磨床分度工作臺(tái)】

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Traditional indexing rotary table to maneuver, but only some of the provisions of sub-degree angle, it is difficult to meet some special requirements indexing workpieces. Control technology for the use of this topic, stepper motor control technology to sub-degree rotary table for the NC transformation, design of an automatic indexing rotary table. It MCU to control the core, by controlling the pulse distributor to send pulses to the stepper motor, stepper motor drives the worm gear drive to achieve sub-degree rotation of the workpiece, as opposed to traditional mechanical dividing head, easy operation, high precision indexing. Key Words: Flexible connecting structure of planetary reducer-box; the Impact Dynamics; the Optimization Design; the Finite Element Analysis. 第1章 緒 論 1.1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的主要種類及特點(diǎn)概述 帶有可轉(zhuǎn)動(dòng)的臺(tái)面、用以裝夾工件并實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)和分度定位的機(jī)床附件，簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)臺(tái)或第四軸。轉(zhuǎn)臺(tái)按功能的不同可分為通用轉(zhuǎn)臺(tái)和精密轉(zhuǎn)臺(tái)兩類。 （1）通用轉(zhuǎn)臺(tái) 通用轉(zhuǎn)臺(tái)是鏜床、鉆床、銑床和插床等重要附件，用于加工有分度要求的孔、槽和斜面，加工時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)，則可加工圓弧面和圓弧槽等。通用轉(zhuǎn)臺(tái)按結(jié)構(gòu)不同又分為水平轉(zhuǎn)臺(tái)、立臥轉(zhuǎn)臺(tái)和萬(wàn)能轉(zhuǎn)臺(tái)。 1）水平轉(zhuǎn)臺(tái)： 在圓臺(tái)面上有工件定位用的中心孔和夾緊用的T型槽 。臺(tái)面外圓周上刻有360°的等分刻線。臺(tái)面與底座之間設(shè)有蝸桿-蝸輪副（見(jiàn)蝸桿傳動(dòng)）,速比為90:1或120:1，用以傳動(dòng)和分度,蝸桿從底座伸出的一端裝有細(xì)分刻度盤和手輪。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪即可驅(qū)動(dòng)臺(tái)面，并由臺(tái)面外圓周上的刻度（以度為單位）與細(xì)分刻度盤讀出旋轉(zhuǎn)角度。分度精度一般為±60″。水平轉(zhuǎn)臺(tái)的蝸桿伸出端也可用聯(lián)軸器與機(jī)床傳動(dòng)裝置聯(lián)接，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。 　　2）立臥轉(zhuǎn)臺(tái)： 底座有兩個(gè)相互垂直的安裝基面，使臺(tái)面既可水平也可垂直放置。 　 3）萬(wàn)能轉(zhuǎn)臺(tái)： 臺(tái)面可以在0°～90°范圍內(nèi)傾斜任意角度, 使工件在空間的任何角度都能準(zhǔn)確調(diào)整?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)。 （2）精密回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（rotary table） 精密轉(zhuǎn)臺(tái)用于在精密機(jī)床上加工或角度計(jì)量。常見(jiàn)的有光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)、數(shù)顯轉(zhuǎn)臺(tái)和超精密端面齒盤轉(zhuǎn)臺(tái)。 1）光學(xué)轉(zhuǎn)臺(tái)： 主軸上裝有玻璃或金屬精密刻度盤，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)將刻度細(xì)分、放大，通過(guò)目鏡或光屏讀出角度值。 2）數(shù)顯轉(zhuǎn)臺(tái)： 轉(zhuǎn)臺(tái)主軸上裝有精密圓光柵或圓感應(yīng)同步器，由數(shù)字顯示裝置讀出角度值。上述兩種精密轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度最高可達(dá)±1″。 3）超精密端面齒盤轉(zhuǎn)臺(tái)： 利用一對(duì)經(jīng)過(guò)精密對(duì)研的1440齒、720齒或360齒的端面齒盤分度定位,其分度精度最高可達(dá)±0.01″，作精密角度計(jì)量用。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外相同品種、不同結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床附件產(chǎn)品也在不斷出現(xiàn)。例如轉(zhuǎn)軸直接驅(qū)動(dòng)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)已經(jīng)出現(xiàn)，完全改變了傳統(tǒng)的工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)速度及精度要比傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)高得多，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控刀架也已出現(xiàn)兩年多時(shí)間，當(dāng)然，真正普及應(yīng)用還要有一個(gè)過(guò)程。 我國(guó)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床附件產(chǎn)品應(yīng)該說(shuō)滿足中低擋數(shù)控機(jī)床的配套需求沒(méi)問(wèn)題，但在為高檔數(shù)控機(jī)床配套的附件產(chǎn)品方面與國(guó)外比較差距較大，產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力方面有差距，但不是很大主要差距在于整個(gè)行業(yè)的裝備制造能力和協(xié)作配套能力。因此對(duì)整個(gè)數(shù)控機(jī)床附件產(chǎn)品水平影響較大，這是目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品水平較國(guó)外產(chǎn)品水平低的主要原因。 我國(guó)數(shù)控機(jī)床附件產(chǎn)品水平較國(guó)外低主要表現(xiàn)在: 1）速度 基于材料、檢測(cè)能力、裝備制造能力等方面的條件限制，我過(guò)附件產(chǎn)品在速度方面較國(guó)外同類產(chǎn)品要差。例如數(shù)控銑床、加工中心配套的各類數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，日本日研公司直徑200mm數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)88r/min,而國(guó)內(nèi)的只有12～16r/min.主要差別在于材料的選用。 2）可靠性 國(guó)外數(shù)控機(jī)床附件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用比較早，經(jīng)驗(yàn)豐富，再由于技術(shù)進(jìn)步，新材料、新結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)與應(yīng)用，使得其產(chǎn)品可靠性非常好。如日本日研公司部分規(guī)格的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的核心部件蝸桿副，齒輪采用氮化鋼，齒部表面氮化處理，硬度高；蝸桿為硬質(zhì)合金蝸桿；整個(gè)蝸桿副為硬齒面接觸，耐磨。既實(shí)現(xiàn)了高速，又保證了可靠性。而國(guó)內(nèi)基本上均采用傳統(tǒng)材料和傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，加上外購(gòu)配套件的可靠性差造成產(chǎn)品的整體可靠性較外國(guó)產(chǎn)品的差距?？梢哉f(shuō)數(shù)控機(jī)床附件產(chǎn)品的整體可靠性與我國(guó)目前整個(gè)工業(yè)發(fā)展水平有相當(dāng)密切的關(guān)系，隨著配套件水平的提高，整體狀況將有所改善。 3）精度 我國(guó)數(shù)控機(jī)床附件的精度及穩(wěn)定性應(yīng)該說(shuō)還是比較好的，基本上能滿足主機(jī)的配套要求。較日本、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品有一定差距，但不大，與臺(tái)灣地區(qū)產(chǎn)品相當(dāng)。這與行業(yè)企業(yè)近幾年抓質(zhì)量、提高質(zhì)量意識(shí)有密切的關(guān)系。 我國(guó)數(shù)控機(jī)床附件產(chǎn)品可以說(shuō)還處在一個(gè)發(fā)展階段，品種、規(guī)格、可靠性等方面還需要有一個(gè)完善的過(guò)程，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到成熟的程度。因此作為國(guó)家應(yīng)該給予一定的扶持，作為企業(yè)應(yīng)在適應(yīng)市場(chǎng)需要、加大產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)力度、提高裝備水平、采用新材料、新工藝、新技術(shù)方面多下工夫。我國(guó)高檔數(shù)控制造水平達(dá)到或接近國(guó)際水平，在制造手段上已逐步完善并已有頗具實(shí)力的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)能力，建立起不同程度的擁有一定規(guī)模的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)基地。數(shù)控機(jī)床正朝著高精度、高效率、高自動(dòng)化、全功能的機(jī)電一體化方向發(fā)展。 1.3 分度工作臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì) 1.3.1市場(chǎng)前景 隨著我們制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)將會(huì)越來(lái)越多的被應(yīng)用，以擴(kuò)大加工范圍，提高生產(chǎn)率。估計(jì)近幾年要求轉(zhuǎn)配數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)床將會(huì)大幅度增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，雖然某些行業(yè)由于產(chǎn)能過(guò)剩，受到宏觀調(diào)控的影響而繼續(xù)保持著較低的行業(yè)景氣度外，部分裝備制造業(yè)將有望保持較高的增長(zhǎng)率，特別是那些國(guó)家行業(yè)政策鼓勵(lì)振興和發(fā)展的裝備行業(yè)。作為裝備制造業(yè)的母機(jī)，普通加工機(jī)床將獲得年均15%----20%左右的穩(wěn)定增長(zhǎng)。 1.3.2發(fā)展趨勢(shì) 目前回轉(zhuǎn)工作臺(tái)已廣泛應(yīng)用于組合機(jī)床、數(shù)控機(jī)床和加工中心上，它的總發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)為： 1）在規(guī)格上將向兩頭延伸，即開(kāi)發(fā)小型和大型轉(zhuǎn)臺(tái)； 2）在性能上將研制以鋼為材料的渦輪，大幅度提高工作臺(tái)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)臺(tái)的承載能力； 3）在形式上繼續(xù)研制兩軸聯(lián)動(dòng)和多軸并聯(lián)回轉(zhuǎn)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)。 1.4本課題研究的內(nèi)容 隨著數(shù)控技術(shù)不斷發(fā)展與提高，使機(jī)床主機(jī)對(duì)配件要求與依賴都越來(lái)越高。機(jī)床配件技術(shù)發(fā)展間接決定了機(jī)床主機(jī)發(fā)展水平，專業(yè)化發(fā)展方向成為我國(guó)機(jī)床配件業(yè)總體發(fā)展趨勢(shì)。為了縮小與國(guó)外工業(yè)大國(guó)差距，我們各大機(jī)床廠應(yīng)全力配合，企業(yè)本身要加快技術(shù)改革步伐，積極自主創(chuàng)新，并且勇于與國(guó)外企業(yè)多多學(xué)習(xí)。企業(yè)應(yīng)該努力學(xué)習(xí)國(guó)際先進(jìn)機(jī)床技術(shù)，全面開(kāi)展創(chuàng)新工作，企業(yè)高層也應(yīng)該鼓勵(lì)并且大力支持機(jī)床配件創(chuàng)新，從而使我們機(jī)床配件業(yè)越做越強(qiáng)。 本設(shè)計(jì)研究M7130磨床分度工作臺(tái)，以端齒盤作為分度定位機(jī)構(gòu)的液壓式數(shù)控分度工作臺(tái)的工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算部分，設(shè)計(jì)思路是先原理后結(jié)構(gòu)，先整體后局部。 目前端齒盤為分度定位機(jī)構(gòu)的液壓式數(shù)控分度工作臺(tái)廣泛運(yùn)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心上。它的總發(fā)展趨勢(shì)是： 1）在規(guī)格上向兩頭延伸，即開(kāi)發(fā)小型和大型分度工作臺(tái)。 2）在性能上研制以鋼為主的齒輪、齒盤，大幅度提高分度工作臺(tái)的承載能力。 3）分度定位裝置不斷提高分度工作臺(tái)分度時(shí)的定位精度。 在各種數(shù)控機(jī)床和其他機(jī)械的制造中，數(shù)控端齒盤分度工作臺(tái)等分度裝置的應(yīng)用十分廣泛。近些年來(lái)，隨著數(shù)控技術(shù)的不斷進(jìn)步、自動(dòng)化程度的普遍提高，組合機(jī)床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床的生產(chǎn)和應(yīng)用日益廣泛，對(duì)高精度、高效率的分度裝置的需求也越來(lái)越大。隨著我們制造業(yè)的發(fā)展，為了適應(yīng)不同的產(chǎn)品加工要求，擴(kuò)大加工范圍，分度工作臺(tái)也將在一定范圍內(nèi)得到運(yùn)用。 第2章 分度工作臺(tái)總體方案設(shè)計(jì) 隨著人類生活的物質(zhì)要求不斷提高和人類社會(huì)的不斷發(fā)展，越來(lái)越復(fù)雜的零件被設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)到各個(gè)領(lǐng)域。所以對(duì)加工它們的機(jī)床提出了更高的要求，同樣對(duì)分度工作臺(tái)能實(shí)現(xiàn)工件的多工位加工功能提出了較高的要求，以滿足工件的加工要求。本設(shè)計(jì)的分度工作臺(tái)為液壓式數(shù)控式，作為M7130磨床的重要部件，其功能與磨床加工功能密切相關(guān)。 在分度工作臺(tái)總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要確定工作臺(tái)的參數(shù)，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)最主要的參數(shù)為工作臺(tái)尺寸等，根據(jù)確定的零件的典型零件進(jìn)行選擇。工作臺(tái)尺寸是回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的主參數(shù)，主要取決于典型零件的外廓尺寸、裝夾方式等。應(yīng)選比典型零件稍大一些的工作臺(tái)，以便留出安裝夾具所需的空間，還應(yīng)考慮工作臺(tái)的承載能力，承載能力不足時(shí)應(yīng)考慮加大工作臺(tái)尺寸，以提高承載能力。 2.1 分度工作臺(tái)原理設(shè)計(jì) 工作臺(tái)工作原理是采用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)，通過(guò)鍵盤和顯示屏幕發(fā)送指令給單片機(jī)，控制脈沖分配器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖，步進(jìn)電機(jī)直接帶小齒輪，大齒輪在蝸輪軸上，經(jīng)過(guò)蝸輪輪桿運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)后，將工作臺(tái)分度到設(shè)定好的角度。 自動(dòng)回轉(zhuǎn)分度主要由兩部分組成，工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)部分和控制系統(tǒng)部分。傳動(dòng)系統(tǒng)部分主要由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)組成；工作臺(tái)控制系統(tǒng)部分主要由單片機(jī)、鍵盤顯示屏、I/O接口芯片和驅(qū)動(dòng)器組成。工作臺(tái)總體框圖見(jiàn)圖2-1。 圖2.1 工作臺(tái)總體框 2.2 分度工作臺(tái)的主要組成結(jié)構(gòu) 分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要用于數(shù)控鏜床和銑床，其外形和通用工作臺(tái)幾乎一樣，但它的驅(qū)動(dòng)是伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式。它可以與其他伺服進(jìn)給軸聯(lián)動(dòng)。整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)由，步進(jìn)電機(jī)、軸、齒輪副、蝸輪蝸桿和工作臺(tái)組成。 圖2-2為自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。它的回轉(zhuǎn)、分度轉(zhuǎn)位和定位鎖緊都是由給定的指令進(jìn)行控制的。工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是由伺服電動(dòng)機(jī)，經(jīng)齒輪減速后由蝸輪蝸桿帶動(dòng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)分度。 圖2.2自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 1）工作臺(tái)箱體；2）回轉(zhuǎn)工作臺(tái)；3）步進(jìn)電機(jī)；4）齒輪傳動(dòng)；5）調(diào)整套；6）圓錐滾子軸承；7）深溝球軸承；8）蝸輪軸；9）蝸桿傳動(dòng)。 工作臺(tái)回轉(zhuǎn)分度工作時(shí)候，由控制系統(tǒng)發(fā)送指令給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)，由大齒輪帶動(dòng)蝸輪軸回轉(zhuǎn)，并由蝸輪帶動(dòng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)分度；工作臺(tái)停止時(shí)，通過(guò)蝸輪蝸桿的自鎖和步進(jìn)電機(jī)的自鎖保證工作臺(tái)的自鎖。 2.3 分度工作臺(tái)的控制系統(tǒng)方案 工作臺(tái)控制系統(tǒng)電路由單片機(jī)主控電路、I/O擴(kuò)展電路、步進(jìn)電機(jī)接口電路和鍵盤顯示電路組成。工作臺(tái)控制系統(tǒng)元件主要單片機(jī)，外部RAM，ROM，I/O接口，光電隔離，功率放大，鍵盤，顯示屏和驅(qū)動(dòng)器等組成。由鍵盤輸入?yún)?shù)，通過(guò)I/O接口芯片到進(jìn)行單片機(jī)處理，然后一面通過(guò)I/O芯片輸出到顯示屏，另一面輸出通過(guò)光電隔離與功率放大到驅(qū)動(dòng)器，再由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2.3。 圖 2-3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 第3章 分度工作臺(tái)部件設(shè)計(jì) 3.1工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)箱體起著支承并包容各種傳動(dòng)零件，如齒輪、軸、軸承等，使它們能夠保持正常的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和運(yùn)動(dòng)精度。箱體還可以儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)零件的潤(rùn)滑。安全保護(hù)和密封作用，使箱體內(nèi)的零件不受外界環(huán)境的影響，又保護(hù)機(jī)器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔熱和隔音作用。使機(jī)器各部分分別由獨(dú)立的箱體組成，各成單元，便于加工、裝配、調(diào)整和修理。改善機(jī)器造型，協(xié)調(diào)機(jī)器各部分比例，使整機(jī)造型美觀。 自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要用于磨床等需要多面轉(zhuǎn)位加工的工件，是機(jī)械加工中常用的機(jī)床附件，因此尺寸不易過(guò)大，要能配合機(jī)床的使用?？紤]箱體內(nèi)零件的布置及與機(jī)床上的工件關(guān)系，設(shè)計(jì)尺寸圖3.1所示： 自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)尺寸：長(zhǎng) × 寬 × 高 550mm ×500mm × 160mm 工作臺(tái)右端蓋部分尺寸：長(zhǎng) × 寬 × 高 240mm × 50mm × 160mm 圖3.1 工作臺(tái)尺寸 分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的箱體蝸輪設(shè)計(jì)，考慮到蝸桿傳動(dòng)的裝卸，設(shè)計(jì)成上端放置蝸輪，在蝸輪上面放置回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，而蝸輪由蝸輪上的軸與箱體用軸承固定。蝸輪箱體布置如3.2圖所示。 圖3.2 自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)箱體圖 自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的蝸桿及軸的設(shè)計(jì)，考慮蝸桿軸的拆卸不便，將箱體后方和右邊放置蝸桿軸與蝸輪配對(duì)。蝸桿箱體布置如圖3.3所示。 圖3.3 自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)箱體圖 3.2工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 3.2.1 傳動(dòng)比設(shè)定 系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的參數(shù)：工作臺(tái)回轉(zhuǎn)速度最大為20度/秒，工作臺(tái)分度精度為0.25度。 總傳動(dòng)比為各級(jí)傳動(dòng)比、的乘積，即 分配總傳動(dòng)比，即各級(jí)傳動(dòng)如何取值，是設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。傳動(dòng)比分配得合理，可使傳動(dòng)裝置得到較小的外廓尺寸或較輕的重量，以實(shí)現(xiàn)降低成本和結(jié)構(gòu)緊湊的目的；也可以使傳動(dòng)零件獲得較低的圓周速度以減小動(dòng)載荷或降低傳動(dòng)精度等級(jí)；還可以得到較好的潤(rùn)滑條件。要同時(shí)達(dá)到這幾方面的要求比較困難，因此應(yīng)按設(shè)計(jì)要求考慮傳動(dòng)比分配方案，以滿足某些主要要求。 為了保證工作臺(tái)分度精度，傳動(dòng)比需要很大，同時(shí)為了保證結(jié)構(gòu)尺寸，將蝸桿傳動(dòng)比設(shè)定在120，齒輪傳動(dòng)比設(shè)定為3，即傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為360。 3.2.2 最大回轉(zhuǎn)速度 工作臺(tái)最大回轉(zhuǎn)速度為20度/秒；即： 根據(jù)系統(tǒng)總傳動(dòng)比為360，可得 3.2.3 分度精度 工作臺(tái)的分度精度保證主要靠步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)的總傳動(dòng)比來(lái)確定，工作臺(tái)分度精度為0.25度，既蝸輪最小的轉(zhuǎn)動(dòng)單位為0.25度，系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為360，即 可得步進(jìn)電機(jī)最小分度精度為90度，即步進(jìn)電機(jī)每次回轉(zhuǎn)的度數(shù)為90度的倍數(shù)。 3.3 步進(jìn)電機(jī)選擇 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是專門工廠批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)部件，設(shè)計(jì)時(shí)要選出具體型號(hào)以購(gòu)置。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)包括確定型號(hào)、結(jié)構(gòu)、步距角、功率和轉(zhuǎn)速，并在產(chǎn)品目錄中查出其尺寸和型號(hào)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或?yàn)殡A躍電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)有三大部分組成：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。如圖3.4所示。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過(guò)程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到工作臺(tái)所需的脈沖當(dāng)量。 圖3.4 步進(jìn)電機(jī) 3.3.1 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩計(jì)算 步進(jìn)電機(jī)選用三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，初選步進(jìn)電機(jī)步距角θb=3°。 設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為T，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)做的功與負(fù)載力做的功有如式（3.1）關(guān)系： 式（3.1） 式中 φ — 電機(jī)轉(zhuǎn)角； S — 轉(zhuǎn)動(dòng)部件的相應(yīng)位移； η — 機(jī)械傳動(dòng)效率。 若取φ=θb，則S=δb，且P= Pz +μ（G+ W2），所以 式（3.2） 式中 G——轉(zhuǎn)動(dòng)部件負(fù)載，N； W——轉(zhuǎn)動(dòng)部件重量，N； Pz——與中立方向一致的作用在轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的負(fù)載力，N； μ——摩擦系數(shù)； θb——步進(jìn)電機(jī)步距角，rad； T——電機(jī)軸負(fù)載力矩，N·cm。 取μ=0.03，η=0.96，Pz=500N。 可求得 不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件的慣性影響，啟動(dòng)力矩為 Tm=T/（0.3~0.5）=10N·m（取安全系數(shù)0.5） 步進(jìn)電機(jī)為三相六拍的電機(jī) 3.3.2步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 根據(jù)工作臺(tái)最大轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)總傳動(dòng)比i=360，可得 所以，步進(jìn)電機(jī)的選擇的最大轉(zhuǎn)速 3.2.3步進(jìn)電機(jī)最大頻率 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步距角，可得 所以步進(jìn)電機(jī)選擇最高的頻率 3.3.4 步進(jìn)電機(jī)型號(hào) 由于步進(jìn)電機(jī)步距角，步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)最高頻率，步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，選擇的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)參數(shù)如表3.1所示。 表3.1步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 主要技術(shù)參數(shù) 外形尺寸/mm 重量/(KN) 步距角/(°) 保持轉(zhuǎn)矩/ N·cm 相數(shù) 電壓/V 電流/A 外徑 長(zhǎng)度 軸徑 130BC3100 3 12 3 27 3 100 168 22 10 3.4 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。按齒輪軸線的相對(duì)位置分平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。齒輪傳動(dòng)是指用主、從動(dòng)輪輪齒直接、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的裝置。在所有的機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)應(yīng)用最廣，可用來(lái)傳遞相對(duì)位置不遠(yuǎn)的兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是：齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬(wàn)千瓦；速度最高可達(dá)300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。但是制造齒輪需要有專門的設(shè)備，嚙合傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲。 根據(jù)兩軸的相對(duì)位置和輪齒的方向，可分為以下類型：圓柱齒輪傳動(dòng)；錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)。根據(jù)齒輪的工作條件，可分為：開(kāi)式齒輪傳動(dòng)式齒輪傳動(dòng)，齒輪暴露在外，不能保證良好的潤(rùn)滑；半開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，齒輪浸入油池，有護(hù)罩，但不封閉；閉式齒輪傳動(dòng)，齒輪、軸和軸承等都裝在封閉箱體內(nèi)，潤(rùn)滑條件良好，灰沙不易進(jìn)入，安裝精確，齒輪傳動(dòng)有良好的工作條件，是應(yīng)用最廣泛的齒輪傳動(dòng)。 3.4.1 齒輪的材料及類型 由于前述所選電機(jī)可知:T=5N·m，齒輪傳動(dòng)比設(shè)定為i=3，效率η=0.97工作日安排每年300工作日計(jì)，壽命為10年。 根據(jù)整體傳動(dòng)的要求，傳動(dòng)效率不大、速度中等和使用壽命長(zhǎng)，需要在封閉條件下工作，因此設(shè)計(jì)為閉式齒輪傳動(dòng)，采用圓柱直齒輪傳動(dòng)的形式。 齒輪材料應(yīng)具備下列條件：1）齒面具有舉個(gè)的硬度，以獲得較高的抗點(diǎn)蝕、抗磨粒磨損、抗膠合和抗塑性流動(dòng)的能力；2）在變載荷和沖擊載荷下有足夠的彎曲疲勞強(qiáng)度；3）具有良好的加工和熱處理工藝性；4）價(jià)格較低。 考慮到齒輪傳動(dòng)效率不大，速度只是中等，故齒輪用45號(hào)鋼；為達(dá)到更高的效率和更好的耐磨性，進(jìn)行整體淬火后再低溫回火，使齒輪面硬度達(dá)到45-55HRC。 3.4.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)尺寸 先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式如式（3.3）。 式（3.3） 式中 d1——小齒輪直徑； K ——載荷系數(shù) T1——小齒輪轉(zhuǎn)矩； [σH]——許用接觸應(yīng)力； Ψd——齒寬系數(shù)； ZE——彈性系數(shù)； ZH——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)； Zε——重合度系數(shù)。 ?。盒↓X輪轉(zhuǎn)矩 ； 載荷系數(shù) 因載荷平穩(wěn)，?。? 齒寬系數(shù) ； 摩擦系數(shù) ； 許用接觸壓力 ； 查圖表得試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限； 接觸強(qiáng)度的最小安全系數(shù)； 接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)； 彈性系數(shù) 查表得； 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 查表得； 重合度系數(shù) ； 將以上參數(shù)代入公式 3.4.3 確定齒輪的主要參數(shù)與主要尺寸 齒數(shù) 取，則。 模數(shù) 取標(biāo)準(zhǔn)值。 中心距 標(biāo)準(zhǔn)中心距 其他主要尺寸 分度圓直徑： 齒頂圓直徑： 齒寬：取齒寬系數(shù)， 3.4.4 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核公式如式(3.4)所示。 式(3.4) 式中 ——載荷系數(shù)； ——小齒輪轉(zhuǎn)矩； ——齒輪齒寬； ——齒形系數(shù)； ——應(yīng)力修正系數(shù)； ——重合度系數(shù)。 ?。狠d荷系數(shù) ； 小齒輪轉(zhuǎn)矩 ； 齒輪齒寬 重合度系數(shù) 齒形系數(shù) 應(yīng)力修正系數(shù) 所以 許用彎曲應(yīng)力計(jì)算公式如式（3.5）所示。 式（3.5） 式中 σFlim——齒輪的齒根彎曲疲勞極限； SFmin——彎曲疲勞強(qiáng)度的最小安全極限； YN——彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù) YX——尺寸系數(shù)。 ?。糊X輪的齒根彎曲疲勞極限σFlim =400MPa 彎曲疲勞強(qiáng)度的最小安全極限SFmin=1.4 彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)YN=1 尺寸系數(shù)YX=0.8 所以 根據(jù)計(jì)算，σF≤[σF] 所以齒輪齒根彎曲強(qiáng)度足夠。 3.5 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)，兩軸線間的夾角可為任意值，常用的為90°。蝸桿傳動(dòng)用于在交錯(cuò)軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。蝸桿傳動(dòng)由蝸桿和蝸輪組成，一般蝸桿為主動(dòng)件。蝸桿和螺紋一樣有右旋和左旋之分蝸桿傳動(dòng)，分別稱為右旋蝸桿和左旋蝸桿。蝸桿上只有一條螺旋線的稱為單頭蝸桿，即蝸桿轉(zhuǎn)一周，蝸輪轉(zhuǎn)過(guò)一齒，若蝸桿上有兩條螺旋線，就稱為雙頭蝸桿，即蝸桿轉(zhuǎn)一周，蝸輪轉(zhuǎn)過(guò)兩個(gè)齒。按蝸桿形狀的不同可分：圓柱蝸桿傳動(dòng)、環(huán)面蝸桿傳動(dòng)和錐蝸桿傳動(dòng)。 蝸桿傳動(dòng)特點(diǎn)：傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊。蝸桿頭數(shù)用Z1表示（一般Z1=1~4），蝸輪齒數(shù)用Z2表示。從傳動(dòng)比公式I=Z2/Z1可以看出，當(dāng)Z1=1，即蝸桿為單頭，蝸桿須轉(zhuǎn)Z2轉(zhuǎn)蝸輪才轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，因而可得到很大傳動(dòng)比，一般在動(dòng)力傳動(dòng)中，取傳動(dòng)比I=10-80；在分度機(jī)構(gòu)中，I可達(dá)1000。這樣大的傳動(dòng)比如用齒輪傳動(dòng)，則需要采取多級(jí)傳動(dòng)才行，所以蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕。 傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)噪音。因?yàn)槲仐U齒是連續(xù)不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時(shí)是連續(xù)不斷的，蝸桿齒沒(méi)有進(jìn)入和退出嚙合的過(guò)程，因此工作平穩(wěn)，沖擊、震動(dòng)、噪音小。蝸桿傳動(dòng)。具有自鎖性。蝸桿的螺旋升角很小時(shí)，蝸桿只能帶動(dòng)蝸輪傳動(dòng)，而蝸輪不能帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸桿傳動(dòng)效率低，一般認(rèn)為蝸桿傳動(dòng)效率比齒輪傳動(dòng)低。尤其是具有自鎖性的蝸桿傳動(dòng)，其效率在0.5以下，一般效率只有0.7～0.9。發(fā)熱量大，齒面容易磨損，成本高。 3.5.1 蝸桿傳動(dòng)類型 由于前述所選電機(jī)可知T=5N·m，蝸桿傳動(dòng)比設(shè)定為i=120，效率η=0.8，工作日安排每年300工作日計(jì)，壽命為10年。 根據(jù)本次傳動(dòng)場(chǎng)合用于機(jī)床上的工作臺(tái)，整體傳動(dòng)要求傳動(dòng)精度高，所以蝸桿采用漸開(kāi)線蝸桿；根據(jù)整體傳動(dòng)比需要設(shè)計(jì)比較大，蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比也需比較大，而且工作臺(tái)的在工作中需要有自鎖功能，蝸桿采用單頭蝸桿；為了工作臺(tái)在工作中需要受力平衡與工作平穩(wěn)，蝸桿的旋向采用右旋。 3.5.2 蝸輪蝸桿的材料 考慮到蝸桿傳動(dòng)效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號(hào)鋼；為達(dá)到更高的效率和更好的耐磨性，要求蝸桿螺旋齒面淬火，硬度為45-55HRC。蝸輪用鑄錫青銅ZCuSn10Zn2，金屬鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。 3.5.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心距公式如式（3.6）： 式（3.6） 式中 T2——蝸輪轉(zhuǎn)矩； k ——使用系數(shù)； ZE——彈性系數(shù)； Zρ——接觸系數(shù)； [δH]——許用應(yīng)力。 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距T2 按Z1=1，估取效率η=0.9，則 確定載荷系數(shù)k 因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)Kβ=1；見(jiàn)表3.2查得使用系數(shù)KA而選取KA=1.15；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)KV=1.2；則 表3.2 使用系數(shù) KA 動(dòng)力機(jī)工作特性 動(dòng)力機(jī)工作特性 均勻平穩(wěn) 輕微沖擊 中等沖擊 嚴(yán)重沖擊 均勻平穩(wěn) 1.00 1.25 1.50 1.75 輕微沖擊 1.10 1.35 1.60 1.85 中等沖擊 1.25 1.50 1.75 2.0 嚴(yán)重沖擊 1.50 1.75 2.0 ≥2.25 確定彈性影響系數(shù)ZE 選用的鑄錫青銅蝸輪和蝸桿相配，見(jiàn)表3.3可查得ZE=152 表3.3 蝸輪材料的力學(xué)性能 蝸輪材料 力學(xué)性能 ZE σHlim σFlim MPa MPa ZCuSn10Zn2 152 350 165 確定接觸系數(shù)Zρ 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距a的比值d1/a=1：11，從而可算出Zρ=3.6。 確定許用應(yīng)力[σH] 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫青銅ZCuSn10Zn2，砂型鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度＞45HRC，從而可查得蝸輪的基本許用應(yīng)力[σH]‘=260MPA。 因?yàn)殡妱?dòng)刀架中蝸輪蝸桿的傳動(dòng)為間隙性的，故初步定位、其壽命系數(shù)為KHN=0.85，則 [σH]= KHN[σH]‘=0.85×260=221MPa 計(jì)算中心距 根據(jù)d1/a=1：11，取蝸輪齒數(shù)Z2=120， m取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，，所以中心距。 3.5.4 蝸輪蝸桿主要參數(shù)與幾何尺寸 傳動(dòng)比： 蝸輪齒數(shù)：，變位系數(shù)； 蝸輪分度圓直徑： ； 蝸輪喉圓直徑： ； 蝸輪喉母圓直徑 蝸桿直徑系數(shù)；分度圓直徑，蝸桿頭數(shù)；分度圓導(dǎo)程角，齒形角； 蝸桿軸向齒距： 蝸桿齒頂圓直徑： 蝸桿軸向齒厚： 3.5.5 校核蝸輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度 蝸輪輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度取決于輪齒模數(shù)的大小，由于輪齒齒形比較復(fù)雜，且在距中間平面的不同平面上的齒厚也不同，都相當(dāng)于具有不同變?yōu)橄禂?shù)的正變位齒。距中間平面愈遠(yuǎn)，齒愈厚，變位系數(shù)也愈大。因此蝸輪輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度難于精確計(jì)算，只好進(jìn)行條件性的概略估算。 蝸輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度條件公式為式（3.5） 式（3.7） 式中 KA——齒形系數(shù)； T2——蝸輪轉(zhuǎn)矩； b2——蝸輪齒寬； d2——蝸輪直徑； 取齒形系數(shù)KA=1.15； 蝸輪轉(zhuǎn)矩T2=1440N·m， 蝸輪齒寬； 所以 許用應(yīng)力計(jì)算公式如式（3.8）所示。 式（3.8） 式中 σFlim——齒根彎曲疲勞極限； SFmin——彎曲疲勞強(qiáng)度的最小安全極限。 ?。簭澢趶?qiáng)度的最小安全極限SFmin=1.4； 根據(jù)蝸輪材料鑄錫青銅ZCuSn10Zn2，查得齒根彎曲疲勞極限σFlim =165MPa。 所以 根據(jù)以上結(jié)果得出， 所以彎曲強(qiáng)度是滿足要求的。 3.5.6 蝸桿傳動(dòng)溫度計(jì)算 蝸桿傳動(dòng)的效率一般比齒輪傳動(dòng)和其他幾種機(jī)械傳動(dòng)都要低，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的熱量。閉式箱體若散熱條件不足，則易于造成潤(rùn)滑油工作溫度過(guò)高而導(dǎo)致使用壽命降低，甚至有使蝸輪蝸桿副發(fā)生膠合的危險(xiǎn)，因此對(duì)蝸桿傳動(dòng)有必要進(jìn)行溫度計(jì)算。箱體工作溫度計(jì)算公式如（3.8）所示。 式（3.9） 式中 P——蝸輪蝸桿效率； A——箱體的散熱面積，； t1——箱體工作溫度； t0——工作環(huán)境溫度，通常取20℃； αw=表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，系單位箱體面積、單位溫度差時(shí)由箱體傳給大氣的熱量。 ?。簜鲃?dòng)嚙合效率 攪油效率 軸承效率 總效率 散熱面積 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 在中等通風(fēng)環(huán)境， 所以 故郵箱工作溫度合格 3.6 軸的設(shè)計(jì) 軸是支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩或彎矩的機(jī)械零件。一般為金屬圓桿狀，各段可以有不同的直徑。機(jī)器中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件就裝在軸上。根據(jù)軸線形狀的不同，軸可以分為曲軸和直軸兩類。根據(jù)軸的承載情況，又可分為：轉(zhuǎn)軸，工作時(shí)既承受彎矩又承受扭矩，是機(jī)械中最常見(jiàn)的軸，如各種減速器中的軸等。心軸，用來(lái)支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件只承受彎矩而不傳遞扭矩，有些心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如鐵路車輛的軸等，有些心軸則不轉(zhuǎn)動(dòng)，如支承滑輪的軸等。傳動(dòng)軸，主要用來(lái)傳遞扭矩而不承受彎矩，如起重機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)中的長(zhǎng)光軸、汽車的驅(qū)動(dòng)軸等。軸的材料主要采用碳素鋼或合金鋼，也可采用球墨鑄鐵或合金鑄鐵等。軸的工作能力一般取決于強(qiáng)度和剛度，轉(zhuǎn)速高時(shí)還取決于振動(dòng)穩(wěn)定性。 功用相同的軸卻有各不相同的結(jié)構(gòu)形狀。因?yàn)?，影響軸的結(jié)構(gòu)形狀因素很多，這些因素是：載荷的大小、方向、性質(zhì)及其分布狀態(tài)，軸上零件的數(shù)量及安裝位置、定位方法。軸的制造工藝和生產(chǎn)規(guī)模等。 3.6.1 蝸桿軸的設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確定軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸，為軸設(shè)計(jì)的重要步驟。它由軸上安裝零件類型、尺寸及其位置、零件的固定方式，載荷的性質(zhì)、方向、大小及分布情況，軸承的類型與尺寸，軸的毛坯、制造和裝配工藝、安裝及運(yùn)輸，對(duì)軸的變形等因素有關(guān)。設(shè)計(jì)者可根據(jù)軸的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，必要時(shí)可做幾個(gè)方案進(jìn)行比較，以便選出最佳設(shè)計(jì)方案，以下是一般軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則： 1）節(jié)約材料，減輕重量，盡量采用等強(qiáng)度外形尺寸或大的截面系數(shù)的截面形狀； 2）易于軸上零件精確定位、穩(wěn)固、裝配、拆卸和調(diào)整； 3）采用各種減少應(yīng)力集中和提高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)措施； 4）便于加工制造和保證精度。 本次設(shè)計(jì)的軸用于傳遞扭矩，通過(guò)齒輪副到蝸輪蝸桿，不需要承受彎矩，所以用到的為傳動(dòng)軸。軸的材料的選擇，考慮到軸的材料的經(jīng)濟(jì)性，一般使用45碳素鋼，碳素鋼對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較小，而且使用廣泛；為保證其力學(xué)性能，會(huì)進(jìn)行調(diào)制或正火處理。本次設(shè)計(jì)選用軸的材料為正火處理的45鋼。 3.6.2 蝸桿軸的計(jì)算 蝸桿上軸受力： 軸向力 徑向力 圓周力 大齒輪上軸受力：圓周力 徑向力 根據(jù)結(jié)構(gòu)上的考慮及軸上零件的布置給出支承間跨距l(xiāng)=181mm，蝸桿中央截面至左支承的距離l1=110mm，大齒輪中央截面距離右支承的距離l2=90mm，如圖3.5所示。 圖3.5 軸的受力圖 由圖3-5可知，F(xiàn)a1產(chǎn)生的力矩為： 根據(jù)給定條件作軸在xoy平面的受力圖，如圖3.6 a所示，支反力及彎矩圖如圖3.6 b所示。 分別對(duì)支承點(diǎn)1及2取矩可求得xoy平面的支反力 做xoz平面的受力圖，如圖3-6 c所示，求支反力，做彎矩圖，如圖3-6 d所示，分別向兩支點(diǎn)取矩得： 作合成彎矩圖，如圖3-6 e所示；合成彎矩的計(jì)算結(jié)果示于圖3-6 f所示，其中截面1和2的合彎矩為 軸的最小直徑計(jì)算公式如下式(3.10) 式(3.10) 式中 M’——當(dāng)量彎矩 [σ-1b] ——對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力。 取：對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力[σ-1b]=90MPa； 當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變化時(shí)，a=1 當(dāng)量彎矩 所以 蝸桿軸最小直徑 圖3.6 蝸桿軸的彎矩、扭矩圖 3.7 鍵聯(lián)接的選擇 設(shè)計(jì)鍵聯(lián)接時(shí)，通常被聯(lián)接件的材料、構(gòu)造和尺寸已初步?jīng)Q定，聯(lián)接的載荷也已求得。因此可根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用要求和工作條件來(lái)選出鍵的類型，再根據(jù)軸徑從標(biāo)準(zhǔn)中選出鍵的截面尺寸，并參考輪轂長(zhǎng)選出鍵的長(zhǎng)度，然后用適當(dāng)?shù)男：擞?jì)算公式作強(qiáng)度驗(yàn)算。 3.7.1 鍵聯(lián)接的類型 鍵主要用于軸和帶轂零件（如齒輪、蝸輪等），實(shí)現(xiàn)周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩的軸轂連接。其中，有些還能實(shí)現(xiàn)軸向固定以傳遞軸向力；有些則能構(gòu)成軸向動(dòng)聯(lián)接。鍵的類型有平鍵、半圓鍵、斜鍵和花鍵，其各有特點(diǎn)。因其軸上鍵的作用是傳遞扭矩，并且要求一定的定心性，因此應(yīng)用平鍵連接就可以了。 3.7.2 鍵聯(lián)接的尺寸 根據(jù)小齒輪上軸徑，小齒輪輪轂長(zhǎng)度為，見(jiàn)表3.4表可查得當(dāng)時(shí)，鍵截面尺寸為：寬，高。參考轂長(zhǎng)選鍵長(zhǎng)。則鍵的接觸長(zhǎng)度 表 3.4 平鍵尺寸表 軸徑 鍵 鍵　　　　　槽 d b×h 寬　　度 深　　度 半徑 b 偏　　差 軸 轂 較松 一般 較緊 軸H9 轂D10 軸N8 轂JS9 軸轂P9 t 偏差 t1 偏差 最大 最小 6~8 2×2 2 +0.025 0 +0.060 +0.020 -0.004 -0.029 ±0.0125 -0.006 -0.031 1.2 +0.1 0 1 +0.1 0 0.08 0.16 ＞8~10 3×3 3 1.8 1.4 ＞10~12 4×4 4 +0.030 0 +0.078 +0.030 0 -0.030 ±0.015 -0.012 -0.042 2.5 1.8 ＞12~17 5×5 5 3.0 2.3 0.16 0.25 ＞17~22 6×6 6 3.5 2.8 3.7.3 鍵聯(lián)接的強(qiáng)度驗(yàn)算 對(duì)于平鍵聯(lián)接，如果忽略摩擦，則當(dāng)聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)鍵軸一體的受力時(shí)，可能的實(shí)效有：較弱零件（通常為輪轂）的工作面被壓潰（靜聯(lián)接）或磨損（動(dòng)聯(lián)接，特別是在載荷作用下移動(dòng)）和鍵的剪斷等。因此在要驗(yàn)算鍵的強(qiáng)度。 鍵標(biāo)準(zhǔn)考慮了聯(lián)接中各零件的強(qiáng)度，按照等強(qiáng)度設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)，視轂材料的不同，規(guī)定鍵在軸和輪轂中的高度也不同。但一般來(lái)說(shuō)，轂常是較弱零件，所以按輪轂計(jì)算公式 (3.10)所示。 式(3.11) 式中：d——小齒輪軸的直徑； h——鍵的高度 l’ ——鍵的接觸長(zhǎng)度 [σp] ——許用擠壓應(yīng)力 Tmax——傳遞的最大轉(zhuǎn)矩 ?。盒↓X輪軸的直徑： 鍵的高度： 鍵的接觸長(zhǎng)度： 許用擠壓應(yīng)力：鍵、軸和連軸器的材料都是鋼，聯(lián)接工作方式為靜聯(lián)接，在輕微沖擊載荷下，因而由表3.5可查得許用擠壓力[σp]= 100～120MPa，取其平均值[σp]=110MPa。 帶入公式 所以平鍵的強(qiáng)度滿足條件。 表 3.5 鍵聯(lián)接的許用擠壓應(yīng)力[σp] 或壓強(qiáng)[p] 聯(lián)接的工作方式 聯(lián)接中較弱零件的材料 [σp]或[p] 靜載荷 輕微沖擊載荷 沖擊載荷 靜聯(lián)接用[σp] 鍛鋼、鑄鋼 125-150 100-120 60-90 鑄鐵 70-80 50-60 30-45 動(dòng)聯(lián)接用[p] 鍛鋼、鑄鋼 50 40 30 3.8 軸承的選擇 滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中廣泛應(yīng)用的部件之一。它是依靠主要元件的滾動(dòng)接觸來(lái)支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件的。與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承摩擦力小，功率消耗少，啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。并且常用的滾動(dòng)軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此使用滾動(dòng)軸承時(shí)，只要根據(jù)具體工作條件正確選擇軸承的類型和尺寸。驗(yàn)算軸承的承載能力。以及與軸承的安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑、密封等有關(guān)的“軸承裝置設(shè)計(jì)”問(wèn)題。 3.8.1 軸承的類型 軸承是支承軸頸的部件，有時(shí)也用來(lái)支承軸上的回轉(zhuǎn)零件。按照承受載荷的方向，軸承可分為徑向軸承和推力軸承兩類。軸承上的反作用力與軸中心線垂直的稱為徑向軸承；與軸中心線方向一致的稱為推力軸承。根據(jù)軸承工作的摩擦性質(zhì)，又分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩類。本次設(shè)計(jì)中要采用的是滾動(dòng)軸承。 滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，應(yīng)用廣泛，安裝、維修方便，價(jià)格也比較便宜。滾動(dòng)軸承主要由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架組成，內(nèi)圈和外圈分別與軸頸及軸承座孔裝配在一起。 本次設(shè)計(jì)中齒輪傳動(dòng)采用的是直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，無(wú)軸向力存在，所以軸承選用主要考慮的是蝸桿傳動(dòng)。蝸桿與大齒輪在同一軸上，整個(gè)軸存在軸向力，所以在選用廉價(jià)的深溝球軸承支持蝸桿回轉(zhuǎn)的同時(shí)，應(yīng)在大齒輪處采用角接觸球軸承承受軸向力；蝸輪所在的軸需要承受蝸輪、工作臺(tái)和工件的重力，軸上所受軸向力方向應(yīng)該與重力方向相反，承受較大的軸向載荷，而且需要對(duì)中精度高，因此選擇有調(diào)心性能好的推力調(diào)心滾子軸承。 考慮到電動(dòng)刀架工作時(shí)轉(zhuǎn)速很高，并且是不間斷工作，溫度也很高。故采用油潤(rùn)滑，轉(zhuǎn)速越高，應(yīng)采用粘度越低的潤(rùn)滑油；載荷越大，應(yīng)選用粘度越高的。 3.8.2 軸承的尺寸 軸承的基本代號(hào)包括三項(xiàng)內(nèi)容：類型代號(hào)、尺寸系列代號(hào)和內(nèi)徑代號(hào)。支持蝸桿回轉(zhuǎn)的軸徑分別為30mm和35mm，滾動(dòng)軸承為深溝球軸承，因此軸承的代號(hào)為62206和62207；大齒輪上軸的直徑為35，滾動(dòng)軸承為角接觸球軸承，因此軸承的代號(hào)為72207；蝸輪上軸的直徑為40mm，滾動(dòng)軸承為推力調(diào)心滾子軸承，軸承的代號(hào)為22208。 3.8.3 軸承的密封裝置 軸承的密封裝置是為了阻止灰塵，水，酸氣和其他雜物進(jìn)入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇ФO(shè)置的。密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類。此處，采用接觸式密封，唇形密封圈。 唇形密封圈靠彎折了的橡膠的彈性力和附加的環(huán)行螺旋彈簧的緊扣作用而套緊在軸上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要緊密封的部位。即如果是為了油封，密封唇應(yīng)朝內(nèi)；如果主要是為了防止外物浸入，蜜蜂唇應(yīng)朝外。 3.9 聯(lián)軸器的選擇 用來(lái)聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。一般動(dòng)力機(jī)大都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接。 聯(lián)軸器的用途很廣泛，一般情況下只要有電機(jī)或減速機(jī)就要用聯(lián)軸器，大型聯(lián)軸器在冶金機(jī)械上用的比較多。不同的聯(lián)軸器有不同的作用，綜合各種聯(lián)軸器的作用如下: 1）是把原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)械的軸聯(lián)接起來(lái)并傳遞扭矩。2）是可以適當(dāng)補(bǔ)償兩根軸因制造、安裝等因素造成的徑向軸向和角向誤差。3）安全聯(lián)軸器當(dāng)發(fā)生過(guò)載時(shí)，聯(lián)軸器打滑或銷子斷開(kāi)以保護(hù)工作機(jī)械。4）彈性聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用 聯(lián)軸器有些已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。選擇時(shí)先應(yīng)根據(jù)工作要求選定合適的類型，然后按照軸的直徑計(jì)算扭矩和轉(zhuǎn)速，再?gòu)挠嘘P(guān)手冊(cè)中查出適用的型號(hào)，最后對(duì)某些關(guān)鍵零件作必要的驗(yàn)算。 3.9.1 聯(lián)軸器的類型 聯(lián)軸器種類繁多，按照被聯(lián)接兩軸的相對(duì)位置和位置的變動(dòng)情況，可以分為：1)固定式聯(lián)軸器。主要用于兩軸要求嚴(yán)格對(duì)中并在工作中不發(fā)生相對(duì)位移的地方，結(jié)構(gòu)一般較簡(jiǎn)單，容易制造，且兩軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速相同，主要有凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器等。2)可移式聯(lián)軸器。主要用于兩軸有偏斜或在工作中有相對(duì)位移的地方，根據(jù)補(bǔ)償位移的方法又可分為剛性可移式聯(lián)軸器和彈性可移式聯(lián)軸器。剛性可移式聯(lián)軸器利用聯(lián)軸器工作零件間構(gòu)成的動(dòng)聯(lián)接具有某一方向或幾個(gè)方向的活動(dòng)度來(lái)補(bǔ)償，如牙嵌聯(lián)軸器（允許軸向位移）、萬(wàn)向聯(lián)軸器（用于兩軸有較大偏斜角或在工作中有較大角位移的地方）等，彈性可移式聯(lián)軸器（簡(jiǎn)稱彈性聯(lián)軸器）利用彈性元件的彈性變形來(lái)補(bǔ)償兩軸的偏斜和位移，同時(shí)彈性元件也具有緩沖和減振性能，如彈性圈栓銷聯(lián)軸器、尼龍栓銷聯(lián)軸器等。 本次聯(lián)軸器使用在小齒輪所在的軸與電機(jī)的聯(lián)接。考慮到兩軸能嚴(yán)格對(duì)中并在工作中不發(fā)生相對(duì)唯一，聯(lián)軸器可選用剛性聯(lián)軸器中的有凸緣聯(lián)軸器，由鉸制孔和受剪螺栓對(duì)中如圖3.7所示。 凸緣聯(lián)軸器可以分為基本型凸緣聯(lián)軸器GY、有對(duì)中摔凸緣聯(lián)軸器GYS和有對(duì)中環(huán)凸緣聯(lián)軸器GYH三類?？紤]到電機(jī)與軸的對(duì)中精度要可靠，所在軸受到的轉(zhuǎn)矩不是很大，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速不大，選用有對(duì)中環(huán)凸緣聯(lián)軸器GYH，凸緣聯(lián)軸器的材料使用中等強(qiáng)度的鑄鐵HT200。 圖 3.7 有對(duì)中環(huán)凸緣聯(lián)軸器 3.9.2 聯(lián)軸器的尺寸 聯(lián)軸器類型為有對(duì)中環(huán)凸緣聯(lián)軸器GYH。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，而小齒輪所在的軸，電機(jī)軸徑，根據(jù)凸緣聯(lián)軸器參數(shù)表3.6所示選得對(duì)中環(huán)凸緣聯(lián)軸器型號(hào)為。 表3.6 凸緣聯(lián)軸器參數(shù)表 型號(hào) 公稱轉(zhuǎn)矩(Nm) 許用轉(zhuǎn)速（r/min） 軸孔直徑d1、d2 軸孔長(zhǎng)度L D D1 b bs S 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J（kgm2） 質(zhì)量（m/kg） Y型 J1型 GY1 GYS1 GYH1 25 12000 12 32 27 80 30 26 42 6 0.0008 1.16 14 16 42 30 18 19 GY2 GYS2 GYH2 63 10000 16 42 30 90 40 28 44 6 0.0015 1.72 18 19 20 52 38 22 24 25 62 44 第4章 總 結(jié) 經(jīng)過(guò)幾個(gè)多月的努力，我順利完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)，對(duì)磨床的設(shè)計(jì)過(guò)程有了一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，特別對(duì)液壓數(shù)控磨床的分度工作臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程有了深刻和清晰的了解。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我大學(xué)所學(xué)知識(shí)的一次綜合應(yīng)用，它涉及到機(jī)械制圖、機(jī)械制造技術(shù)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械裝備設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)、互換性和測(cè)量技術(shù)、單片機(jī)、電子信息技術(shù)等多門課程的內(nèi)容，使我對(duì)知識(shí)的綜合知識(shí)的運(yùn)用有了很大的提高。 數(shù)控磨床的分度工作臺(tái)可以同時(shí)加工帶軸肩類零件的外圓和端面，從而提高了磨削效率，減少加工時(shí)間，節(jié)省工件的生產(chǎn)成本。 本課題設(shè)計(jì)了磨床分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，按照以下面方案步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1.分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。主要由工作臺(tái)的機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。工作臺(tái)的機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案主要是根據(jù)工作臺(tái)的功能選擇傳動(dòng)的方式，有齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)等選擇?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要是根據(jù)工作的功能選擇單片機(jī)，鍵盤顯示控制芯片，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器等元件。 2.分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)，主要包括工作臺(tái)總體參數(shù)的設(shè)計(jì)和部分機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)。工作臺(tái)總體參數(shù)的設(shè)計(jì)主要為系統(tǒng)傳動(dòng)比，工作回轉(zhuǎn)速度等參數(shù)的設(shè)計(jì)，而工作臺(tái)部分機(jī)械參數(shù)包括工作臺(tái)外形尺寸設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)的選擇，齒輪傳動(dòng)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)，蝸桿傳動(dòng)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)，蝸桿軸的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)，軸承的選擇，鍵選擇和聯(lián)軸器的選擇等。 3.自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要包括單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)，I/0擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)接口電路設(shè)計(jì)和鍵盤顯示電路設(shè)計(jì)四大部分。 4. 自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。機(jī)械傳動(dòng)方面圖紙?jiān)O(shè)計(jì)包括自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)裝配圖設(shè)計(jì)，蝸桿軸和定心軸零件圖設(shè)計(jì)，齒輪傳動(dòng)零件圖設(shè)計(jì)和蝸輪蝸桿的零件圖設(shè)計(jì)；控制部分圖紙?jiān)O(shè)計(jì)主要為控制系統(tǒng)的總體電氣控制圖。 致 謝 首先，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師XXXXXXXX，他對(duì)我畢業(yè)設(shè)計(jì)給予了很多的指導(dǎo)，花費(fèi)了很多的心血，使我最后圓滿完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。在張老師的悉心教導(dǎo)下的這段時(shí)間里，他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的知識(shí)，正直的人格，給我留下了極深的印象，為我今后的工作、生活樹(shù)立了良好的榜樣。 其次，我還要感謝我的同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程給予我很大的幫助，在我不懂的時(shí)候，他們總是耐心的給我講解，同樣使我受益匪淺。 最后，我要感謝所有幫助過(guò)我的人，在這里真誠(chéng)的