購買設計請充值后下載，，資源目錄下的文件所見即所得，都可以點開預覽，，資料完整，充值下載可得到資源目錄里的所有文件。。。【注】：dwg后綴為CAD圖紙，doc,docx為WORD文檔，原稿無水印，可編輯。。。具體請見文件預覽，有不明白之處，可咨詢QQ:12401814
平行光管測量平臺總體方案及擺動機構設計
摘要：平行光管主要是用來產(chǎn)生平行光束的光學儀器，平行光管測量儀是一種光學精密測量儀器，本設計要為給定的平行光管測量儀設計建造一個測量平臺，手動實現(xiàn)要求的測量動作。???
本設計首先將運用所學理論基礎知識對平行光管測量平臺進行運動分析，包括測量平臺的前后平動上下平動，水平擺動和俯仰擺動四個自由度的運動。確定測量平臺的總體的設計方案及其主要結構，然后運用UG三維CAD軟件對測量平臺進行三維建模，得到平行光管測量平臺的三維模型。最后通過給定的原始數(shù)據(jù)和要求對該平臺的擺動機構進行詳細的設計計算。
關鍵字：平行光管，測量平臺，UG軟件，擺動機構
I
The Design of collimator Measuring platform—Overall Plan and Design of Tilting Mechanism
Abstract: Collimator is mainly used to produce a parallel beam optical instrument. Collimator is a kind of optical precision measuring instrument. The design will built a measuring platform for a given collimator, which will measure implementation requirements manually.
First, this design will use the basic knowledge of theory which we have learned design collimator measurement platform and make motion analysis, including before and after ,from top to bottom, horizontal swing and pitch oscillation four degrees of freedom of movement of the measurement platform. And make sure the overall design scheme of measuring platform and its main structure. And then using UG three-dimensional CAD software make 3D modeling for measuring platform, and get 3D model of the collimator measuring platform. Finally, by using the original data and the demand make a a detailed design and calculation for tilting mechanism of the platform .
Keywords: collimator, measuring instrument, UG software, tilting mechanism
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
1 緒論 1
1.1 選題背景與研究意義 1
1.1.1 選題背景 1
1.1.2 研究意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1
1.3 本課題研究的內(nèi)容 1
2 平行光管及其測量平臺的介紹 3
2.1 平行光管的結構 3
2.2 平行光管測量平臺的介紹 4
3 UG軟件功能簡介及測量平臺結構建模 9
3.1 測量平臺總體運動分析與結構建模 9
4 蝸輪蝸桿傳動機構的介紹和運動分析 14
4.1 蝸輪蝸桿傳動機構 14
4.2 蝸輪蝸桿傳動機構的傳動特點 14
4.3 蝸輪蝸桿傳動機構的傳動類型 14
4.4 蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺的運動分析 15
5 蝸輪蝸桿傳動機構的參數(shù)和尺寸計算 15
5.1 蝸輪蝸桿傳動的主要參數(shù)及選擇 15
5.2 蝸輪蝸桿傳動中失效形式和設計準則 20
5.3 蝸輪蝸桿傳動的材料和結構 21
5.4 蝸輪蝸桿傳動的強度計算 24
5.5 蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算 28
總結與展望 30
參考文獻 32
致謝 34
IV
1 緒論
1.1 選題背景與研究意義
1.1.1 選題背景
某研究所需要為其購買的平行光管測量儀設計建造一個平臺，手動實現(xiàn)要求的測量動作。
平行光管測量平臺主要用于平行光管的上下平動前后平動，俯仰擺動和水平擺動四個自由度的運動。
1.1.2 研究意義
平行光管測量平臺作為平行光管測量儀器的一個載體，它的結構特性和運動功能將很大程度上影響平行光管測量的結果和效率，所以對平行光管測量平臺進行結構分析和設計有很大的現(xiàn)實意義。
傳統(tǒng)的定位平臺在性能方面滿足不了平行光管的測量要求，特別是該平臺必須能夠?qū)崿F(xiàn)四個自由度的運動，這對定位平臺的開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
日本日立(Hitachi)公司研制的XY定位平臺。此平臺具有微動臺和粗動臺雙層結構。粗動臺可作160μrad的旋轉(zhuǎn)。Heui Jae Pahk等設計的精密運動平臺采用雙層驅(qū)動技術，粗動臺采用滾珠絲杠驅(qū)動，微動臺采用壓電元件驅(qū)動，在200mm的運動行程內(nèi)，實現(xiàn)10nm的定位精度[3]。x方向的定位精度為20nm，Y方向的定位精度為15.6nm[6-8]。
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國對精密定位平臺的研究與發(fā)達國家相比還有很大差距。比如清華大學在步進掃描光刻機硅片臺掩膜臺系統(tǒng)上取得了重要的研究成果，使其運動定位精度可達12nm[9]。比如哈爾濱工大節(jié)德剛設計的高速高精度XY定位平臺，最大運動加速度可達50-100m／s2[10]。比如天津大學設計的兩自由度高速高加速定位平臺。該平臺運動最大加速度50m／s2[11]。以設計宏微兩級驅(qū)動和直線旋轉(zhuǎn)混合驅(qū)動，并以氣浮、磁浮技術試驗運動性能極限，已經(jīng)成為業(yè)界研究的新熱點[14-15]。
1.3 本課題研究的內(nèi)容
本設計首先對平行光管實驗平臺作簡單介紹，并對其進行詳細地運動分析，并用UG對測量平臺進行總體結構建模。同時本設計將利用所學理論基礎知識對平行光管測量平臺的擺動機構進行了詳細地運動分析，并對關鍵零部件進行設計計算，畫出零部件的CAD工程圖紙，掌握機械設計的一般步驟，將所學知識運用到生產(chǎn)實際中。具體研究過程如下：
1) 平行光管實驗平臺功能與結構分析
通過對平行光管實驗平臺進行功能與結構分析，根據(jù)平臺設計具體的技術要求來確定本設計研究的具體內(nèi)容。
2) UG三維CAD軟件的學習和應用
UG是美國UGS(Unigraphics?Solutions)公司的主導產(chǎn)品，是集CAD/CAE/CAM于一體的三維參數(shù)化軟件，本文將利用UG軟件對平行光管測量平臺進行總體結構參數(shù)化建模，形象直觀地表達自己的設計思想和設計內(nèi)容。?
3) 蝸輪蝸桿傳動機構的介紹和運動分析
蝸輪蝸桿機構一般用來傳遞兩交錯軸之間的運動和動力，此次設計采用蝸輪蝸桿機構來實現(xiàn)平行光管測量平臺的水平擺動和俯仰擺動，對其運動過程進行詳細地分析與計算。
4） 蝸輪蝸桿擺動機構的零件參數(shù)選擇和關鍵件的強度校核
本文通過查閱《機械設計手冊》等參考資料對蝸輪蝸桿擺動機構的零部件進行選型和設計，并對關鍵零部件進行強度校核。
VI
`
2 平行光管及其測量平臺的介紹
本章主要介紹平行光管的結構與功能，并對本設計中平行光管測量平臺的結構特點和工作條件作簡單介紹。
2.1 平行光管的結構
平行光管是用來產(chǎn)生平行光束的一種光學儀器。
圖2-1 直筒式光源示意圖
1．平行光管主要規(guī)格
（１）物鏡焦距：550毫米
（2）物鏡口徑：55毫米。
（3）高斯目鏡：焦距為44毫米，放大倍數(shù)為5.7×。
圖2-2 平行光管5種分劃板
2．分劃板
型平行光管有種分劃板，如圖1-3所示。
（１） 十字分劃板（２）鑒別率板（３）星點板（４）玻羅板
3．用平行光管測量焦距
因為
所以
（1－1）
式中為被測透鏡焦距，為平行光管焦距實測值，為玻羅板上所選用線距實測值（），為測微目鏡上玻羅板低頻線的距離（，即測量值）。
本設計給定平行光管長1500mm,最大口徑150mm，重量10.5KG。其三維模型如下圖2-5所示。
圖2-3 平行光管三維模型
2.2 平行光管測量平臺的介紹
平行光管測量平臺有四個自由度，分別為前后平動，上下平動，水平擺動，俯仰擺動。其中上下平動可實現(xiàn)快速移動和微調(diào)，運動臺的結構主要有底座，四塊運動板，四個手輪，兩個導柱，兩個導套，轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)臺，燕尾導軌以及配重平衡塊組成。
技術參數(shù)如下：
平行光管長1500mm,最大口徑150mm，重量10.5KG。
圖2-4 平行光管示意圖
運動范圍：
平行光管上下平動行程為1500mm-2500mm,其中微調(diào)范圍為50mm,偏差10μm；
圖2-5平行光管上下平動行程示意圖
平行光管前后平動行程為100mm,偏差10μm；
圖2-6平行光管前后平動行程示意圖
平行光管水平擺動角度為3°到5°；
圖2-7平行光管水平擺動角度示意圖
平行光管俯仰擺動3°到5°。
圖2-8 平行光管俯仰擺動角度示意圖
平行光管要實現(xiàn)的運動過程：
1、上下平動
上下平動分為快速和微調(diào)運動?？焖龠\動的實現(xiàn)是通過推或拉手柄，借助配重平衡塊施加一定的力，使平行光管支撐平臺沿支架導軌快速上下移動，到達預定位置后，通過旋緊螺栓使其固定不動。若再次移動需重新松開旋緊螺栓方可移動。微調(diào)運動通過轉(zhuǎn)動手柄，手柄通過絲杠螺母副帶動平行光板托板上固定的導柱沿著導套做上下微調(diào)運動。
2、前后平動
轉(zhuǎn)動手輪通過絲杠螺母副使測量平臺沿底座V型和矩形導軌實現(xiàn)橫向移動，螺母固定在移動平臺上，一端采用V型槽導軌，防止平臺起伏。
3、水平擺動
轉(zhuǎn)動手柄，通過蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺帶動測量平臺水平轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動的另一端通過矩形槽和固定軸來實現(xiàn)擺動角度的控制。
4、俯仰擺動
轉(zhuǎn)動手柄，通過蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺帶動測量平臺俯仰擺動，俯仰擺動的角度控制是通過兩條固定在平臺上的鐵片和固定轉(zhuǎn)臺之間距離來控制的。
XXXVI
`
3 UG軟件功能簡介及測量平臺結構建模
UG是美國UGS(Unigraphics?Solutions)公司的主導產(chǎn)品，是集CAD/CAE/CAM于一體的三維參數(shù)化軟件
3.1 測量平臺總體運動分析與結構建模
平行光管測量平臺總體結構三維建模最終結果如下圖3-1所示。
立柱支架17
旋緊螺栓16
推拉手柄15
微調(diào)絲杠14
螺母固定板13
導套支撐臺11
滾輪支撐架6
配重上板4
擰緊螺母2
配重塊支撐臺1
緊固槽鋼18
微調(diào)螺母12
微調(diào)導套10
平行光管支撐臺9
微調(diào)導柱8
滾輪7
配重側板5
配重塊導桿3
配重平衡塊4
底座箱體
支撐固定臺
水平轉(zhuǎn)動機構箱體
止動銷
水平擺動角度控制鐵片
俯仰擺動角度控制鐵片
固定架
俯仰擺動機構箱體
分度連接盤
夾緊塊
圖3-1 平行光管測量平臺總體結構三維模型
1、上下平動
上下平動分為快速運動和微調(diào)運動。
快速運動的實現(xiàn)是通過推或拉推拉手柄15，在左邊配重平衡塊4的配合下，帶動整個微調(diào)裝置沿著立柱支架17的導軌上下快速平動，到達預定位置后，通過旋緊旋緊螺栓16使其固定不動，保持現(xiàn)有的位置狀態(tài)。若再次移動需重新松開旋緊螺栓16方可移動。
2、前后平動
螺母6
絲杠支撐塊4
絲杠1
V型導軌2
矩型導軌5
支撐移動平臺3
圖3-2 前后平動示意圖
測量平臺的前后平動也是通過絲杠螺母副來實現(xiàn)的。通過手柄帶動絲杠1轉(zhuǎn)動，絲杠1通過固定在平臺上的螺母6從而帶動平臺沿著矩型導軌5和V型導軌2實現(xiàn)前后平動。
3、水平擺動
轉(zhuǎn)動手柄，手柄固定在蝸桿上，通過轉(zhuǎn)動機構帶動測量平臺水平轉(zhuǎn)動，在另一端，通過矩形塊和固定軸實現(xiàn)擺動角度的控制。如圖3-3所示。
圖3-3 水平擺動角度的控制裝置圖
4、俯仰擺動
轉(zhuǎn)動手柄，手柄固定在蝸桿上，通過蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動機構帶動測量平臺俯仰擺動，俯仰擺動的角度控制是通過兩條固定在轉(zhuǎn)臺上的鐵片和固定轉(zhuǎn)臺之間距離來控制的具體結構如圖4-4所示。
圖3-4 俯仰擺動角度的控制裝置圖
4 蝸輪蝸桿傳動機構的介紹和運動分析
4.1 蝸輪蝸桿傳動機構
圖4-1蝸輪蝸桿傳動機構示意圖
蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動，兩軸線間的夾角可為任意值，常用的為90°。蝸桿傳動具有傳動比大, 結構緊湊等優(yōu)點，所以它廣泛應用在機床、汽車、儀器、起重運輸機械、冶金機械以及其它機械制造部門中。
蝸桿傳動中蝸桿為主動件，其由蝸輪和蝸桿組成。其中常用的有阿基米德圓柱蝸桿傳動和圓弧齒圓柱蝸桿傳動。
4.2 蝸輪蝸桿傳動機構的傳動特點
蝸輪蝸桿傳動有以下特點：
1、可以得到很大的傳動比
2、承載能力高于交錯軸斜齒輪機構；
3、傳動比較平穩(wěn)，噪音比較??；
4、具有很好的自鎖性能
5、效率比較低，磨損比較嚴重；
6、蝸桿的軸向力較大；
7、一般用于間歇工作場合。
4.3 蝸輪蝸桿傳動機構的傳動類型
根據(jù)螺桿形狀的不同，可以分為圓柱面蝸桿傳動環(huán)面蝸桿傳動,和錐面蝸桿傳動。
a) b) c)
圖4-2蝸桿的傳動類型
4.4 蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺的運動分析
由于蝸桿傳動比較平穩(wěn),振動較小,沖擊和噪聲也較小，可以單級傳動并獲得教大的傳動比,有利于平臺分度的實現(xiàn)，所以選用蝸輪蝸桿傳動。
5 蝸輪蝸桿傳動機構的參數(shù)和尺寸計算
5.1 蝸輪蝸桿傳動的主要參數(shù)及選擇
1、模數(shù)m和壓力角
因為蝸桿傳動在主平面內(nèi)相當于漸開線齒輪與齒條的嚙合，故蝸桿的軸向齒距應等于蝸輪的端面齒距 , 蝸桿、蝸輪以主平面內(nèi)的參數(shù)為標準值。蝸桿的軸向壓力角ax1應等于蝸輪的端面壓力角。且均為標準值 。
蝸桿傳動正確嚙合的條件為:
( 5 - 1 )
根據(jù)測量平臺的實際尺寸大小要求，本設計中選取蝸桿的模數(shù)m=8。
2、蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)
蝸桿的頭數(shù)一般取=1，2，4，6。傳動比大或傳遞轉(zhuǎn)矩大, 取小值；要求自鎖時取=1；傳動功率較大、傳動效率較高、傳動速度大，取大值，但蝸桿頭數(shù)過多，加工精度難于保證。綜上所述，本設計中取=1。
在動力傳動中，為了增加同時嚙合齒的對數(shù)，一般取＝29～83。過少將產(chǎn)生根切；過大，將導致模數(shù)過小以使齒根彎曲疲勞強度不足；當模數(shù)一定時，蝸輪直徑過大，蝸桿長度增加，剛度減小。
、可根據(jù)傳動比按表5-1選取。
表5-1 和的推薦值
傳動比
5～8
7～16
15～32
30～83
蝸桿頭數(shù)
6
4
2
1
蝸輪齒數(shù)
29～48
29～64
30～64
30～83
蝸桿傳動設計中，傳動比公稱值按以下數(shù)值來選?。?、7.5、10、12.5、15、20、25、30、40、50、60、70、80。其中10、20、40、80為基本傳動比，應優(yōu)先選用。
本設計中取蝸輪的齒數(shù)z2=30。
3、蝸桿的分度圓直徑d1和導程角
如圖5-2所示，可得
( 5—2 )
圖5-2 分度圓柱展開圖
式中：px1為蝸桿軸向齒距(mm)；d1為蝸桿分度圓直徑（mm）。
當蝸桿導程角選擇大時，傳動效率比較高。效率高的傳動通常取=150~300，所以我們采用多頭蝸桿；當要求具有自鎖性能的傳動，通常采用<的蝸桿傳動，此時蝸桿的頭數(shù)為1。
由式5--2 得
(5—3)
式中：，若m值一定，q值增大，則蝸桿直徑d1增大，蝸桿的剛度提高。小模數(shù)蝸桿通常具有較大的q值，才能使蝸桿有足夠的剛度。
表5-2蝸桿基本參數(shù)（Σ= 90o）(摘自GB10085-1988)
模數(shù)m
(mm)
分度圓直徑d1(mm)
蝸桿頭數(shù)
直徑系數(shù)
q
m2d1
(mm)3
模數(shù)m
(mm)
分度圓直徑
d1(mm)
蝸桿頭數(shù)
直徑系數(shù)
q
m2d1
(mm)3
1
18
1（自鎖）
18.000
18
6.3
(80)
1, 2, 4
12.698
3175
1.25
20
1
16.000
31.25
112
1（自鎖）
17.778
4445
22.4
1（自鎖）
17.920
35
8
(63)
1, 2, 4
7.875
4032
1.6
20
1, 2, 4
12.500
51.2
80
1, 2, 4, 6
10.000
5376
28
1
17.500
71.68
(100)
1, 2, 4
12.500
6400
2
(18)
1, 2, 4
9.000
72
140
1（自鎖）
17.500
8960
22.4
1, 2, 4
11.200
89.6
10
(71)
1, 2, 4
7.100
7100
(28)
1, 2, 4
14.000
112
90
1, 2, 4, 6
9.000
9000
35.5
1（自鎖）
17.750
142
(112)
1, 2, 4
11.200
11200
2.5
(22.4)
1, 2, 4
8.960
140
160
1（自鎖）
16.000
16000
28
1, 2, 4, 6
11.200
175
12.5
(90)
1, 2, 4
7.200
14062
(35.5)
1, 2, 4
14.200
221.9
112
1, 2, 4
8.960
17500
45
1（自鎖）
18.000
281
(140)
1, 2, 4
11.200
21875
3.15
(28)
1, 2, 4
8.889
278
200
1（自鎖）
16.000
31250
35.5
1, 2, 4, 6
11.27
352
16
(112)
1, 2, 4
7.000
28672
45
1, 2, 4
14.286
447.5
140
1, 2, 4
8.750
35840
56
1（自鎖）
17.778
556
(180)
1, 2, 4
11.250
46080
4
(31.5)
1, 2, 4
7.875
504
250
1（自鎖）
15.625
64000
40
1, 2, 4, 6
10.000
640
20
(140)
1, 2, 4
7.000
56000
(50)
1, 2, 4
12.500
800
160
1, 2, 4
8.000
64000
71
1（自鎖）
17.750
1136
(224)
1, 2, 4
11.200
89600
5
(40)
1, 2, 4
8.000
1000
315
1（自鎖）
15.750
126000
50
1, 2, 4, 6
10.000
1250
25
(180)
1, 2, 4
7.200
112500
(63)
1, 2, 4
12.600
1575
200
1, 2, 4
8.000
125000
90
1（自鎖）
18.000
2250
(280)
1, 2, 4
11.200
175000
6.3
(50)
1, 2, 4
7. 936
1985
400
1（自鎖）
16.000
250000
63
1, 2, 4, 6
10.000
2500
注：①表中模數(shù)和分度圓直徑僅列出了第一系列的較常用數(shù)據(jù)。②括號內(nèi)的數(shù)字盡可能不用。
由以上所述可得，本設計中選取蝸桿頭數(shù)z1=1，分度圓直徑d1=80mm，直徑系數(shù)q=12.6。
4、傳動比和中心距
蝸桿傳動中的傳動比等于蝸桿與蝸輪轉(zhuǎn)速的比值。當蝸桿回轉(zhuǎn)一周時，蝸輪轉(zhuǎn)過個齒（或周），因此傳動比為:
（5—4）
式中：n1、n2分別為蝸桿和蝸輪的轉(zhuǎn)速（r/min）。
在蝸桿傳動中，當蝸桿節(jié)圓和蝸輪分度圓重合，蝸桿軸線與蝸輪軸線之間的距離為中心距。計算公式為：
（5—5）
5、蝸桿傳動的幾何尺寸
表5-3 阿基米德蝸桿傳動的尺寸計算
名 稱
計 算 公 式
蝸 桿
蝸 輪
齒頂高和齒根高
，
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
頂隙
蝸桿軸向齒距 蝸輪端面齒距
蝸桿分度圓導程角
蝸輪分度圓螺旋角
中心距
蝸桿寬度(蝸桿螺紋部分長度)b1
蝸輪咽喉母圓半徑
=1、2時
≥（11＋0.06）m
=3、4時
≥(12.5+0.09) m
蝸輪外圓直徑
=1,
=2～3,
=4～6,
蝸輪寬度
=1、2 ≤0.75
=4～6, ≤0.67
蝸桿軸面壓力角
蝸輪齒寬角
=200
=900~1000
蝸輪齒頂圓弧半徑
蝸輪齒根圓弧半徑
蝸輪輪緣寬度
= 1, 2 0.75
= 4 = 0.67
蝸輪輪齒包角
一般動力傳動 = 700 ~ 900
高速動力傳動 = 900 ~ 1300
分度傳動 = 450 ~ 600
5.2 蝸輪蝸桿傳動中失效形式和設計準則
蝸桿傳動中蝸桿的螺旋面和齒面之間有比較大的相對滑動?；瑒铀俣葀s沿蝸桿螺旋線的切線方向。如圖5-3所示，v1為蝸桿的圓周速度，v2為蝸輪的圓周速度，作速度三角形得：
(5—6)
式中，---蝸桿直徑 ， ---蝸桿轉(zhuǎn)速 。
滑動速度vs，對蝸桿傳動有很大的影響。當潤滑條件比較差時，滑動速度大,會加快磨損，使摩擦發(fā)熱嚴重而發(fā)生膠合；潤滑條件好時，增大vs有利于油膜形成，摩擦系數(shù)fv反而下降，磨損情況得以改善，從而提高嚙合效率和抗膠合能力。其概略值如圖5-4所示。
圖5—3 蝸桿傳動滑動速度圖 5—4 滑動速度vs的概略值
蝸桿傳動的失效形式和齒輪傳動類似. 但其有相對滑動速度較大、發(fā)熱量較大從而使效率低，傳動更容易發(fā)生磨損和膠合,。
5.3 蝸輪蝸桿傳動的材料和結構
1、蝸桿、蝸輪的材料選擇
對于蝸桿傳動的失效形式，設計所選中的材料不僅要有足夠的強度，還要有良好的減摩性、耐磨性和抗膠合能力。所以蝸桿傳動中一般采用青銅齒圈與淬硬的鋼制蝸桿相匹配.
蝸桿一般用碳鋼或合金鋼制造，蝸桿常用材料見表5-4。
蝸輪材料可參考相對滑動速度vs來選擇。常用的材料為鑄錫青銅或鑄鋁鐵青銅、灰鑄鐵等。常用材料見表5-5。
表5—4蝸桿常用材料及應用
材料牌號
熱 處 理
硬 度
表面粗糙度/um
應 用
45鋼，42SiMn，40Cr，42CrMo，38SiMnMo，
40CrNi
表面淬火
45～55HRC
1.6~0.8
中速、中載、一般傳動
20Cr，15CrMn，20CrMnTi，
20CrMn，
滲碳淬火
56～62HRC
1.6~0.8
高速、重載、重要傳動
45鋼
調(diào)質(zhì)或正火
220~270HBS
6.3
低速、輕、中載、不重要傳動
表5—5蝸輪常用材料及應用
材料
牌號
適用的滑動速度/（m/s）
特性
應 用
鑄錫青銅
ZCuSn10P1
≤25
耐磨性、跑合性、抗膠合能力、可加工性能均較好，但強度低，成本高
連續(xù)工作的高速、重載的重要傳動
ZCuSn5Pb5Zn5
≤12
速度較高的輕、中、重載傳動
鑄鋁鐵青銅
ZCuA110Fe3
≤10
耐沖擊，強度較高，可加工性能好，抗膠合能力較差，價格較低
速度較低的重載傳動
速度較低，載荷穩(wěn)定的輕、中載傳動
黃銅
ZCuZn38Mn2Pb2
≤10
灰鑄鐵
HT150
HT200
HT250
≤2
鑄造性能、可加工性能好，價格低，抗點蝕和抗膠合能力強，抗彎強度低，沖擊韌度低
低速，不重要的開式傳動；蝸輪尺寸較大的傳動；手動傳動
所以選用鑄鋁鐵青銅ZCuA110Fe3為蝸輪材料，選擇45鋼為蝸桿材料。
2、蝸桿、蝸輪的結構
蝸桿通常和軸做成一體，稱之為蝸桿軸，如圖5-5所示，按照蝸桿螺旋部分加工方法的不同,可以分為車制蝸桿和銑削蝸桿.，因為車制蝸桿有退刀槽，所以剛性比較差（圖a）；當銑削蝸桿無退刀槽時，d大于df (圖b)，剛性較好。
a） b）
圖5-5 蝸桿軸結構
蝸輪結構分為整體式和組合式，如圖5-6所示。
鑄鐵蝸輪和直徑小于100mm的青銅蝸輪可以做成整體式，如圖( 5-6C)所示。
組合形式有以下三種。
(1) 齒圈壓配式，如圖(5-6a）所示。 齒圈采用青銅材料，兩者使用過盈配合，并沿著配合面安裝4到6個緊定螺釘，此結構通常用于中等尺寸且工作溫度變化小的場合。
(2) 螺栓連接式，如圖(5-6b）所示。齒圈和輪芯一般采用普通螺栓或者鉸制孔螺栓連接，通常用于尺寸較大的場合。
(3) 組合澆注式，如圖(5-6d）所示。在鑄鐵輪芯上制出榫槽，澆注上青銅輪緣，然后切齒，這種結構適用于中等尺寸，批量生產(chǎn)的蝸輪。
圖5-6 蝸輪的結構形式
本設計中的蝸輪結構選擇螺栓連接式結構。
3、蝸桿傳動的精度等級
表5 – 6 蝸桿傳動精度等級的選擇
精度等級
蝸輪圓周速度
/m·s
蝸桿齒面的表面粗糙度Ra值/ μm
蝸輪齒面的表面粗糙度Ra值/μm
使用范圍
6
＞5
≤0.4
≤0.8
中等精密機床的分度機構
7
＜7.5
≤0.8
≤0.8
中速動力傳動
8
＜3
≤1.6
≤1.6
速度較低或短期工作的傳動
9
＜15
≤3.2
≤3.2
不重要的低速傳動或手動傳動
5.4 蝸輪蝸桿傳動的強度計算
1、蝸輪旋轉(zhuǎn)方向的判定
蝸輪旋轉(zhuǎn)方向，按照蝸桿螺旋線旋向和旋轉(zhuǎn)方向，應用于左右手定則判定。
如果蝸桿為右旋時，順著右手四個手指方向并沿著蝸桿轉(zhuǎn)向握起來，大拇指所指的方向相反為蝸輪上嚙合點的線速度方向，則蝸輪逆時針轉(zhuǎn)動，如圖5-7a所示。當蝸桿為左旋時，同理則用左手按相同方法判定。如圖5-7b所示
圖 5-7 蝸輪旋轉(zhuǎn)方向的判斷
2、輪齒上的作用力
由于蝸桿傳動受力分析與斜齒圓柱齒輪的受力分析相似，如圖5-8所示，如果不計齒面間的摩擦力，當蝸輪作用于蝸桿齒面上的法向力Fn ，再節(jié)點C處可以分解為三個相互垂直的分力：圓周力Ft1 、軸向力Fx1、徑向力Fr1 。由圖上可知，蝸輪上的圓周力等于蝸桿上的軸向力，蝸輪上的徑向力等于蝸桿上的徑向力，蝸輪上的軸向力等于蝸桿上的圓周力。這些對應力的大小相等方向相反。
各力的大小可按下式計算：
N （5—7 )
N (5—8)
N (5—9)
N .mm (5—10)
式中：T1、T2分別為作用在蝸桿和蝸輪上的轉(zhuǎn)矩，、分別為蝸桿和蝸輪的分度圓直徑（m m）,η為蝸桿傳動的總效率（可參考相關資料確定）。
圖5—8 蝸桿傳動受力分析
3、蝸輪齒面接觸疲勞強度計算
鋼制蝸桿與青銅蝸輪的強度校核公式：
（5—11）
設計公式為：
≥ （5—12）
式中：T2為蝸輪軸的轉(zhuǎn)矩（Nmm）；當載荷相對滑動速度較小時，取較小值，反之取較大值，嚴重沖擊時取K=1.5；[σH ]— 蝸輪材料的許用接觸應力（MPa）。當蝸輪材料為錫青銅（σb<300MPa）時，其主要失效形式為疲勞點蝕，。為蝸輪材料基本許用接觸應力，如表9—6所示；ZN為壽命系數(shù)，，N為應力循環(huán)次數(shù)， ，n2為蝸輪轉(zhuǎn)速(r/min)，為工作壽命（h）；N >25×107時應取N=25×107，時應取。
表5—6 錫青銅蝸輪的基本許用接觸應力[σ0H] (N=107) ( MPa )
蝸輪材料
鑄造方法
適用的滑動速度vS
m/s
蝸桿齒面硬度
≤350HB
>45HRC
ZCuSn10P1
砂 型
金屬型
≤12
≤25
180
200
200
220
ZCuSn5Pb5Zn5
砂 型
金屬型
≤10
≤12
110
135
125
150
表5—7 鑄鋁青銅及鑄鐵蝸輪的許用接觸應力[σH] （MPa）
蝸輪材料
蝸桿材料
滑動速度vS（m/s）
0.5
1
2
3
4
6
8
ZCuAl10Fe3
淬火鋼
250
230
210
180
160
120
90
ZCuZn38Mn2Pb2
淬火鋼
215
200
180
150
135
95
75
HT150；HT200
滲碳鋼
130
115
90
—
—
—
—
HT150
調(diào)質(zhì)鋼
110
90
70
—
—
—
—
4、蝸輪輪齒的齒根彎曲疲勞強度計算
齒根彎曲強度的校核公式:
≤ （9—12）
設計公式為： ≥ （9—13）
式中：[σ0F]為蝸輪材料的基本許用彎曲應力，如表5—9所示。YN為壽命系數(shù)，N = 60n2Lh。當N > 25×107時，取N =25×107;
當N <105時，取N=105。
表5—8 蝸輪的齒形系數(shù)（，）
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
22
24
26
YF2
4. 55
4. 14
3. 70
3. 55
3. 34
3. 22
3. 07
2. 96
2. 89
2. 82
2. 76
2. 66
2. 57
2. 51
28
30
35
40
45
50
60
70
80
90
100
150
200
300
YF2
2. 48
2. 44
2. 36
2. 32
2. 27
2. 24
2. 20
2. 17
2. 14
2. 12
2. 10
2. 07
2. 04
2. 04
表5—9 蝸輪材料的基本許用彎曲應力 ( N=106 ) （MPa）
材 料
鑄造方法
蝸桿硬度≤45HRC
蝸桿硬度>45HRC
單向受載
雙向受載
單向受載
雙向受載
ZCuSn10Pb1
砂 模
金 屬 模
200
250
140
150
51
58
32
40
64
73
40
50
ZCuSn5Pb5Zn5
砂 模
金 屬 模
180
200
90
90
37
39
29
32
46
49
36
40
ZCuAi10Fe3
金 屬 模
500
200
90
80
113
100
HT150
砂 模
150
—
38
24
48
30
HT200
砂 模
200
—
48
30
60
38
5.5 蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算
1、蝸桿傳動的效率
閉式蝸桿傳動的總效率由嚙合效率、攪油效率和軸承效率三部分組成即：
（5—15）
當蝸桿為主動件時，嚙合效率為：
通常，攪油效率 =0.95 ～ 0.99，滾動軸承效率=0.99，滑動軸承效率=0.98～0.99綜合考慮，?。?.95～0.97,故有：
（5—16）
如表5—10所示。
在初步計算時，蝸桿傳動效率可以近似取下列數(shù)值：
閉式傳動： 1 2 4 6
0.7~0.75 0.75~0.82 0.82~0.92 0.86~0.95
開式傳動：＝1、2 ；＝0.60~0.70。
表5—10當量摩擦系數(shù) 和當量摩擦角
蝸輪材料
錫青銅
鋁青銅
灰鑄鐵
蝸桿齒面硬度
≥45HRC
<45HRC
≥45HRC
≥45HRC
<45HRC
滑動速度 (m/s)
0.01
0.110
6o17ˊ
0.120
6o51ˊ
0.180
10o12ˊ
0.018
10o12ˊ
0.190
10o45ˊ
0.05
0.090
5o09ˊ
0.100
5o43ˊ
0.140
7o58ˊ
0.140
7o58ˊ
0.160
9o05ˊ
0.10
0.080
4o34ˊ
0.090
5o09ˊ
0.130
7o24ˊ
0.130
7o24ˊ
0.140
7o58ˊ
0.25
0.065
3o43ˊ
0.075
4o17ˊ
0.100
5o43ˊ
0.100
5o43ˊ
0.120
6o51ˊ
0.50
0.055
3o09ˊ
0.065
3o43ˊ
0.090
5o09ˊ
0.090
5o09ˊ
0.100
5o43ˊ
1.00
0.045
2o35ˊ
0.055
3o09ˊ
0.070
4o00ˊ
0.070
4o00ˊ
0.090
5o09ˊ
1.50
0.040
2o17ˊ
0.050
2o52ˊ
0.065
3o43ˊ
0.065
3o43ˊ
0.080
4o34ˊ
2.00
0.035
2o00ˊ
0.045
2o35ˊ
0.055
3o09ˊ
0.055
3o09ˊ
0.070
4o00ˊ
2.50
0.030
1o43ˊ
0.040
2o17ˊ
0.050
2o52ˊ
3.00
0.028
1o36ˊ
0.035
2o00ˊ
0.045
2o35ˊ
4.00
0.024
1o22ˊ
0.031
1o47ˊ
0.040
2o17ˊ
5.00
0.022
1o16ˊ
0.029
1o40ˊ
0.035
2o00ˊ
8.00
0.018
1o02ˊ
0.026
1o29ˊ
0.030
1o43ˊ
10.0
0.016
0o55ˊ
0.024
1o22ˊ
15.0
0.014
0o48ˊ
0.020
1o09ˊ
24.0
0.013
0o45ˊ
注：對于硬度≥45HRC的蝸桿，值系指< 0.32~1.25μm，經(jīng)跑合并充分潤滑的情況
2、蝸桿傳動的潤滑
為提高蝸桿傳動的效率，降低齒面的工作溫度，避免膠合和減少磨損。對蝸桿傳動進行良好的潤滑顯得特別重要。
一般采用粘度較大的潤滑油，使其提高其抗膠合能力，可以加入油性添加劑從而提高油膜的剛度，但是青銅蝸輪不可以采用活性大的油性添加劑，以防止被腐蝕。
閉式蝸桿傳動的潤滑油粘度和潤滑方法可以參考表5—11選擇。開式傳動所以采用粘度比較高的齒輪油或者潤滑脂進行潤滑。vS >5m/s時常用上置式（圖5—9c），油面允許達到蝸輪半徑1/3處。
表9—11 蝸桿傳動的潤滑油粘度及潤滑方法
滑動速度vS (m/s)
<1
<2.5
<5
>5～10
>10～15
>15～25
>25
工 作 條 件
重載
重載
中載
－
－
－
－
運動粘度υ40℃ (mm2/s)
1000
680
320
220
150
100
68
潤 滑 方 法
浸 油
浸油
或噴油
噴油潤滑，油壓（MPa）
0.07
0.2
0.3
3、蝸桿傳動的熱平衡計算
在單位時間內(nèi)，蝸桿傳動由于摩擦發(fā)熱，因功率損耗而產(chǎn)生的熱量為：
W
式中：P1— 蝸桿傳動的輸入功率（KW）；η— 蝸桿傳動的效率。
自然冷卻時單位時間內(nèi)經(jīng)箱體外壁散逸到周圍空氣中的熱量為：
W
式中：KS — 為傳熱系數(shù)（W/m2℃）。箱體通風良好時，可取Ks=14～17.5W/m2℃，通風不良時，取Ks=14～17.5W/m2℃；
A — 為散熱面積（m2）。 凸緣和散熱片的面積按其表面積的50 % 計算；
— 為箱體內(nèi)的油溫。
— 為周圍空氣的溫度，通常取 =20℃。
根據(jù)熱平衡條件Q1= Q2，于是可得滿足熱平衡條件時潤滑油的溫度為：
≤ （5—17）
一般取許用油溫[t1]=750～80℃，最高不超過90℃。
總結與展望
本文主要對平行光管測量平臺進行了詳細地運動分析，并對平臺的擺動機構進行了詳細地設計計算，對機械零件設計的一般過程有了深刻的了解。同時讓我對蝸輪蝸桿傳動機構進行了深入的了解和學習。
通過此次畢業(yè)設計，我了解了很多測量平臺的知識。使我了解了當前國內(nèi)外在該方面的先進技術。這次設計是對大學四年所學的知識一個綜合考察，也使我在機械設計方面有了更大的進步。這段時間，我通過網(wǎng)上查找資料，翻閱有關專業(yè)書籍，使我學到很多測量平臺的有關的知識。還熟悉了擺動機構設計的過程和步驟，并且鞏固了機械設計方面的知識。
在本次設計中，更多的是對機械CAD軟件的使用，這使我能更加熟練的運用CAD畫圖，而且還熟練掌握了一些常用軟件的應用，比如UG，OFFICE等。
此次畢設是一個實際應用型課題，我國的機械產(chǎn)業(yè)還沒有達到國際領先水平。這些年來，國家對機械制造業(yè)更加大力的發(fā)展和推動，對于其相關產(chǎn)業(yè)也有大幅度的推進。
參 考 文 獻
[1] 節(jié)德剛. 宏/微驅(qū)動高速高精度定位系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2006.
[2] 丁漢,朱利民,林忠欽. 面向芯片封裝的高加速度運動系統(tǒng)的精確定位和操作[J]. 自然科學進展,2003,06:10-16.
[3] 王華,張憲民. 低成本柔順板式精密定位平臺的理論與試驗[J]. 機械工程學報,2008,10:177-181.
[4] 孫麟治,李鳴鳴,程維明. 精密定位技術研究[J]. 光學精密工程,2005,S1:69-75.
[5] SangJoo Kwon; Wan Kyun Chung; Youngil Youm, "On the coarse/fine dual-stage manipulators with robust perturbation compensator," Robotics and Automation, 2001. Proceedings 2001 ICRA. IEEE International Conference on , vol.1, no., pp.121,126 vol.1, 2001
[6] Matthew Williams;Dan Cornford;Lucy Bastin. Automatic processing, quality assurance and serving of real-time weather data. Computers and Geosciences.2011, Vol.37(No.3): 353~358
[7] Paresh Shah and Jian S. Dai. Orientation capability representation and application to manipulator analysis and synthesis. ROBOTICA.2002, Vol.20(No.5): 529-535
[8] Chandramouli Anandaraman,ArunVikram Madurai Sankar,Ramaraj Natarajan. Evolutionary approaches for scheduling a flexible manufacturing system with automated guided vehicles and robots. International Journal of Industrial Engineering Computations,2011,3(4)
[9] 周海波. 磁懸浮直線運動系統(tǒng)的設計與控制研究[D].中南大學,2010.
[10] 朱煜,尹文生,段廣洪. 光刻機超精密工件臺研究[J]. 電子工業(yè)專用設備,2004,02:25-27+44.
[11] 李欣欣. 宏/微兩級驅(qū)動的大行程高精度二維定位平臺基礎技術研究[D].浙江大學,2008.
[12] 郭翠娟. 超高加速度精密運動平臺研制[D].哈爾濱工業(yè)大學,2011.
[13] 高加速精密運動平臺建模及控制關鍵技術研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2013.
[14] 陸愛明. 面向高端制造裝備的高速精密定位平臺控制技術研究[D].合肥工業(yè)大學,2013.
[15] 面向芯片封裝的高速精密定位平臺控制系統(tǒng)設計[D].天津大學,2006.
XXXIX
`
致 謝
光陰似箭，日月如梭。大學生活眨眼間就過去了，看著自己走過的路，心中倍感充實，當我做完此次畢業(yè)設計時，感慨良多。
首先感謝培養(yǎng)教育我的中北大學，它濃厚的學術氛圍，舒適的學習環(huán)境讓我終生難忘！感謝我的畢業(yè)設計指導教師王彪老師。他在忙碌的科研工作中擠出時間來審查、修改我的論文。他循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。在課題研究的整個過程中，王彪老師一直都給予了悉心的指導與幫助。
感謝我的同窗好友，他們和我共同度過四年美好美好的大學時光，正是他們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本次設計的順利完成。
感謝生我養(yǎng)我的父母，他們給予了我最無私的愛，為我的成長付出了許多許多，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，惟愿他們健康長壽！