五軸加工中心C軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及控制精度設(shè)計(jì)【說明書+CAD】

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XX 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ） 題目 五軸加工中心C軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及控制精度設(shè)計(jì) 作者 學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué)號 指導(dǎo)教師 年 月 日 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) XX 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 機(jī)電工程 學(xué)院 機(jī)械制造 系（教研室） 系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日 學(xué)生姓名: 學(xué)號: 專業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專題：五軸加工中心C軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及控制精度設(shè)計(jì) 2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時間：自 2015 年 3 月 8 日開始至 2015 年 5 月30日止 3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料： 1. 搖籃式五軸加工中心的設(shè)計(jì)； 2. 回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計(jì)及機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊； 3. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊及相關(guān)資料。 4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容： 1. 對比能實(shí)現(xiàn)C軸轉(zhuǎn)向的傳動機(jī)構(gòu)，比較其優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最佳方案； 2. 根據(jù)所選擇的方案，能對角度進(jìn)行分度； 3. 進(jìn)行詳細(xì)的理論論證與計(jì)算。 5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說明與圖紙或論文等）及要求： 1. 裝配圖、主要零件的零件圖（不少于2.5張A0圖紙）； 2. 設(shè)計(jì)說明書一份，要求目標(biāo)明確、原理清晰、計(jì)算準(zhǔn)確，不少于40頁； 3. 翻譯英文文獻(xiàn)一片，不少于3000漢字。 6 發(fā)題時間： 2015 年 3 月 8 日 指導(dǎo)教師： （簽名） 學(xué) 生： （簽名） XX大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)人評語 [主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評價] 指導(dǎo)人： （簽名） 年 月 日 指導(dǎo)人評定成績： XX 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評閱人評語 [主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評價] 評閱人： （簽名） 年 月 日 評閱人評定成績： XX大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄 日期： 學(xué)生： 學(xué)號： 班級： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會下列材料： 1 設(shè)計(jì)（論文）說明書 共 頁 2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙 共 頁 3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會評語： [主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的研究思路，設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計(jì)（論文）的介紹，回答問題情況等進(jìn)行綜合評價] 答辯委員會主任： （簽名） 委員： （簽名） （簽名） （簽名） （簽名） 答辯成績： 總評成績： 摘 要 C軸是五軸加工中心中的機(jī)床附件，用于需要多面轉(zhuǎn)位加工的工件加工?？商岣呒庸ば?，完成更多的工藝，是一種很實(shí)用的加工工具。它的傳動系統(tǒng)由原動力、齒輪傳動、蝸桿傳動組成，并可進(jìn)行間隙消除和蝸輪加緊。 本文依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的規(guī)則和步驟，充分借鑒現(xiàn)有各類機(jī)床的工作特性、傳動、夾緊結(jié)構(gòu)和調(diào)整技術(shù)。首先，進(jìn)行總體傳動方案設(shè)計(jì)，傳動方案采用齒輪和蝸桿傳動；其次進(jìn)行各零件的設(shè)計(jì)與校核，蝸桿與軸采用整體式結(jié)構(gòu)；然后，對C軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制精度設(shè)計(jì)；最后運(yùn)用AUTOCAD繪制出裝配圖和零件圖。 關(guān)鍵詞：C軸；五軸加工中心；齒輪傳動；蝸桿傳動；控制精度設(shè)計(jì) ABSTRACT C axis is used in Five axis machining center machine tool accessories,for need more processing of the work surface trans-location.It can improve processing efficiency,and the completion of more technology,is a very practical processing tools.The drive system is composed of motive power,gear run,worm drive,and gap elimination and worm can be intensified. This mechanical design based on the rules and steps to fully draw on the work of the existing characteristics of various types of machine tool table, drive, clamping structure and adjustment techniques.First of all, the overall design is using of transmission scheme and worm gear drive;Secondly, we have to continue the each part of the design and verification, the worm and shaft are whole structure;Then,we need design the control precision of the steering mechanism of C axis;Lastly,drawing out the final assembly drawings and parts drawing by using of AUTOCAD. Keywords: C axis; Five axis machining center; Gear Transmission;Worm drive；design the control precision XX大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 引言 1 1.2加工中心在國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1 1.3 課題研究的目的和內(nèi)容 2 1.4 五軸加工中心分類及加工特點(diǎn) 3 第二章 C軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳動方案設(shè)計(jì) 5 2.1 傳動方案應(yīng)滿足的要求 5 2.2對能實(shí)現(xiàn)C軸轉(zhuǎn)向的傳動方案分析 5 第三章 C軸轉(zhuǎn)動控制精度設(shè)計(jì) 7 3.1 傳動比及參數(shù)確定 7 3.1.1 傳動比設(shè)定 7 3.1.2 最大回轉(zhuǎn)速度 7 3.1.3 步進(jìn)電機(jī)分度精度確定 7 3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 8 3.2.1 步進(jìn)電機(jī)啟動力矩計(jì)算 8 3.2.2步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 9 3.2.3步進(jìn)電機(jī)最大頻率 10 3.2.4 選取步進(jìn)電機(jī)型號 10 3.3 C軸控制精度的驗(yàn)證計(jì)算 10 3.3.1 C軸轉(zhuǎn)動角度的驗(yàn)證 10 3.3.2 傳動過程減少誤差措施 11 第四章 C軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核計(jì)算 12 4.1 齒輪傳動設(shè)計(jì) 12 4.1.1 齒輪的材料及類型 12 4.1.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)尺寸 13 4.1.3 確定齒輪的主要參數(shù)與主要尺寸 14 4.1.4 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 14 4.2 蝸桿傳動設(shè)計(jì) 16 4.2.1 蝸桿傳動類型 17 4.2.2 蝸輪蝸桿的材料 17 4.2.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 17 4.2.4 蝸輪蝸桿主要參數(shù)與幾何尺寸 19 4.2.5 校核蝸輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度 19 4.2.6 蝸桿傳動溫度計(jì)算 21 4.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 21 4.3.1 輸入軸的設(shè)計(jì) 22 4.3.2 蝸桿軸的設(shè)計(jì) 27 4.3.3 蝸桿軸的計(jì)算 27 ii 4.4 鍵聯(lián)接的選擇 30 4.4.1 鍵聯(lián)接的類型及尺寸 31 4.4.2 鍵聯(lián)接強(qiáng)度驗(yàn)算 31 4.5 軸承的選擇 32 4.5.1 軸承的類型 33 4.5.2 軸承的尺寸 33 4.5.3 軸承的密封裝置 34 4.6 聯(lián)軸器的選擇 34 4.6.1 聯(lián)軸器的類型 34 4.6.2 聯(lián)軸器的尺寸 35 4.7 C軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的箱體設(shè)計(jì) 36 4.7.1 箱體結(jié)構(gòu) 36 4.7.2 箱體的參數(shù)設(shè)計(jì) 38 第五章 結(jié)論 40 參考文獻(xiàn) 41 致謝 42 ii 第一章 緒論 1.1 引言 五軸加工中心是具備刀庫并且可以自動換刀對工件實(shí)行多個工序加工的數(shù)控機(jī)床。它是適應(yīng)時代發(fā)展要求應(yīng)運(yùn)而生的高端設(shè)備，綜合了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、液壓技術(shù)、氣動技術(shù)、拖動技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測試傳感技術(shù)以及刀具和應(yīng)用編程技術(shù)，并將數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控銑床結(jié)合到一臺機(jī)床上，再配備自動換刀系統(tǒng)，在一次加工中，根據(jù)各工序的需要，自動選擇刀具，改變主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給方式及進(jìn)給量；可以完成諸如多個面的加工、孔加工、倒角加工、環(huán)形槽加工以及攻螺紋之類的多種加工方式。 1952年第一臺數(shù)控機(jī)床問世，是機(jī)械加工在自動化上產(chǎn)生一大飛躍。能夠達(dá)到兩坐標(biāo)以上聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床在精度和效率上都普通機(jī)床上加工的復(fù)雜零件高出許多。1958年世界上第一臺的數(shù)控加工中心在美國的卡尼特雷克公司宣告誕生。加工中心的出現(xiàn)是數(shù)控加工上的又一次大飛躍，功能上的三個大改進(jìn)決定了它是人類工業(yè)歷史上的一個重要事件。第一：在數(shù)控銑床和鏜床的基礎(chǔ)上，使用了自動換刀系統(tǒng)，這樣只要通過一次裝夾就可以完成在工件上進(jìn)行鉆削、銑削、鏜孔、攻螺紋等工序；第二：加工中心上裝有帶有回轉(zhuǎn)和擺動功能的工作臺或者多轉(zhuǎn)向的萬向銑頭，這就意味著在一次的裝夾中，可以完成多個方向、多個平面和多個角度的加工；第三，有的加工中心上具有交換工作臺，一個工件在工作位置上進(jìn)行加工的同時，已經(jīng)加工的工件在拆卸位置進(jìn)行拆卸，待加工的工件在裝夾位置進(jìn)行裝夾，一次加工連著一次加工，效率極高。有上述可見，加工中心在又在數(shù)控機(jī)床柔性、加工效率和自動化程度上實(shí)現(xiàn)了新的變革，又上了一個新臺階。 1.2加工中心在國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 加工中心的發(fā)展已經(jīng)有40多年了，由于它的作用明顯，各個發(fā)達(dá)國家都是極其重視。美國加工中心擁有6萬臺以上，占全國數(shù)控機(jī)床的百分五十。德國的加工中心技術(shù)最為先進(jìn)，雖然年產(chǎn)量只為2500，但是產(chǎn)值卻是10億美元，大多都是高精密的機(jī)床。而日本是加工中心的第一生產(chǎn)大國，年產(chǎn)量達(dá)到了15000，產(chǎn)值達(dá)到了30億美元。70年代我國才開始發(fā)展加工中心，技術(shù)和產(chǎn)量上都和世界有著較大的差距。 雖然我國對加工中心的發(fā)展可謂是突飛猛進(jìn)，但是國外的高性能加工中心還是有著明顯的優(yōu)勢。在我國的加工中心普遍只具有30m/min快速進(jìn)給速度的時候，國外的加工中心快進(jìn)速度已經(jīng)可以達(dá)到40m/min，最高的可以到90m/min，直線電機(jī)驅(qū)動的甚至可以到120m/min。而相較于主軸轉(zhuǎn)速較慢的國內(nèi)加工中心，國外的高速主軸更有利于對加工精度的保證，國外的主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)普遍達(dá)到12000~25000r/min，最高轉(zhuǎn)速甚至已經(jīng)可以達(dá)到70000r/min。在機(jī)床精度方面，國內(nèi)與國外也有著極大的差距，國外加工中心大多都帶有溫度補(bǔ)償系統(tǒng)和機(jī)床精度補(bǔ)償系統(tǒng)，加工精度高而且穩(wěn)定，而國內(nèi)尚未研制成功。國外的加工中心都是按照德國標(biāo)準(zhǔn)VDI3441驗(yàn)收，在1000mm行程范圍內(nèi)，定位精度可以達(dá)到0.006到0.01，這是國內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能相比的。 1.3 課題研究的目的和內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)題目為五軸加工中心C軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及控制精度設(shè)計(jì)，主要研究工作臺回轉(zhuǎn)的立式五軸加工中心C軸的控制設(shè)計(jì)。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要解決的問題是C軸回轉(zhuǎn)工作原理和機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，設(shè)計(jì)思路是先原理后結(jié)構(gòu)，先整體后局部。研究目的是用于控制圍繞Z軸轉(zhuǎn)動的C軸的旋轉(zhuǎn)，從而轉(zhuǎn)換裝在C軸工作臺上的工件的旋轉(zhuǎn)，就可以加工一些復(fù)雜的斜孔、面，得到所需要的復(fù)雜零件。 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容對五軸加工中心C軸的設(shè)計(jì)，運(yùn)用制圖軟件初步繪制出各個機(jī)構(gòu)，初步得出各個傳動軸上的齒輪嚙合的空間位置關(guān)心，然后進(jìn)行軸和齒輪，渦輪的設(shè)計(jì)計(jì)算，最后用CAD繪制出裝配圖和零件圖。 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)技能和專業(yè)知識能力，培養(yǎng)學(xué)生建立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序、規(guī)范和方法。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，可樹立正確的生產(chǎn)觀點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和全局觀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)由學(xué)生向工程技術(shù)人員的過渡。 1.4 五軸加工中心分類及加工特點(diǎn) 五軸加工中心一般分為立式五軸加工中心和臥式五軸加工中心，目前高端的加工中心正朝著五軸控制方向發(fā)展，五軸聯(lián)動加工中心具有高效率、高精度的特點(diǎn)，工作一次裝夾就可以完成五面體的加工。如果配上五軸聯(lián)動的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可以對復(fù)雜空間曲面進(jìn)行高精度加工。立式五軸加工中心的有兩種方式：一種是工作臺回轉(zhuǎn)五軸加工中心，另一種是依靠立式主軸頭的回轉(zhuǎn)五軸加工中心。前者結(jié)構(gòu)相對簡單、制造成本較低，尤其是主軸設(shè)計(jì)不受結(jié)構(gòu)限制，主軸的剛度有保證，設(shè)置在床身上的工作臺可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，A軸一般工作范圍+30度至-120度。工作臺的中間還設(shè)有一個回轉(zhuǎn)臺，環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C軸都是360度回轉(zhuǎn)。這樣通過A軸與C軸的組合，固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的五個面都可以由立式主軸進(jìn)行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0.001度，這樣又可以把工件細(xì)分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。而且，可以配用“標(biāo)準(zhǔn)”的刀庫和換刀機(jī)構(gòu)，但由于回轉(zhuǎn)工作臺不能設(shè)計(jì)的太大，承重也較小，特別是當(dāng)A軸回轉(zhuǎn)到90°時，工作臺受到很大的偏載力矩，所以適合中、小零件的加工。后一種配置形式由于回轉(zhuǎn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)集中在主軸端，結(jié)構(gòu)密集，主軸前端是一個回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞Z軸360度，成為C軸，回轉(zhuǎn)頭上還帶可環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，一般可達(dá)±90度以上，實(shí)現(xiàn)上述同樣的功能。由于回轉(zhuǎn)進(jìn)給結(jié)構(gòu)只驅(qū)動主軸頭與道具，不受工件重力負(fù)荷，所以機(jī)構(gòu)可小巧、靈活，而直線移動的工作臺可以設(shè)計(jì)的非常大，所以更適合如客機(jī)機(jī)身，大型發(fā)動機(jī)機(jī)殼，大型模具等大型、重型零件的加工。根據(jù)課題的研究內(nèi)容與所給定參數(shù)，本次設(shè)計(jì)所選取的結(jié)構(gòu)是在原立式銑削加工中心的基礎(chǔ)上配置一個可繞Z軸回轉(zhuǎn)的數(shù)控工作臺和繞X軸回轉(zhuǎn)搖擺工作臺。實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動到五軸聯(lián)動的改造。 五軸聯(lián)動機(jī)床也稱五坐標(biāo)機(jī)床，它是在三個平動軸（沿X、Y、Z軸的直線運(yùn)動）的基礎(chǔ)上增加了兩個轉(zhuǎn)動軸（能實(shí)現(xiàn)繞X軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即A軸和C軸），不僅可使刀具相對與工件的位置任意可控，而且刀具軸線相對工件的方向也在一定范圍內(nèi)任意可控，工作時具有以下特點(diǎn)：a.可避免道具干涉，加工普通三坐標(biāo)機(jī)床難以加工的復(fù)雜零件，加工適應(yīng)性廣；b.對于直紋面類零件，可采用側(cè)銑方式一刀成型，加工質(zhì)量好、效率高；c.對于一般立體型特別是較為平坦的大型表面，可用大直徑端銑刀端面逼近表面進(jìn)行加工，走刀次數(shù)少，殘余高度小，可大大提高加工效率和表面質(zhì)量；d.對工件上多個空間表面可一次裝夾進(jìn)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；e.五軸加工時，刀具相對于工件表面可處于最有效的切削狀態(tài)；f.在某些加工場合，如空間受到限制的通道加工或組合曲面的過渡區(qū)域加工，可采用較大尺寸的刀具避開干涉，刀具剛度好，有利于提高加工效率與精度。 五軸加工中心C軸作為數(shù)控機(jī)床中的一個非常重要的部分，研究其設(shè)計(jì)、制造過程是非常有實(shí)際的工程應(yīng)用價值。C軸的應(yīng)用非常多，而C軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的研究必然有著其實(shí)際的意義。 - 43 - 第二章 C軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳動方案設(shè)計(jì) 2.1 傳動方案應(yīng)滿足的要求 傳動裝置在原動機(jī)和工作臺之間傳遞運(yùn)動和動力，并可實(shí)現(xiàn)分度運(yùn)動。本設(shè)計(jì)中原動機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)。 合理的傳動方案主要應(yīng)滿足以下要求： 1　 機(jī)械的功能要求：應(yīng)滿足工作臺的功率、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動形式的要求。 2　 工作條件的要求：例如工作環(huán)境、場地、工作制度等。 3　 工作性能要求：保證工作可靠、傳動效率高等。 4　 結(jié)構(gòu)工藝性要求；如結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、使用維護(hù)便利、工藝性和經(jīng) 濟(jì)合理等。 2.2對能實(shí)現(xiàn)C軸轉(zhuǎn)向的傳動方案分析 能實(shí)現(xiàn)C軸轉(zhuǎn)向的傳動方案有很多種，現(xiàn)分析對比以下四種常見的傳動方案優(yōu)缺點(diǎn)，得出最佳傳動方案。 方案一：步進(jìn)電機(jī)——齒輪傳動——蝸輪蝸桿傳動——工作臺。即一級為齒輪傳動，二級為蝸輪蝸桿傳動。優(yōu)點(diǎn)： 1　 傳動比大，在分度機(jī)構(gòu)中可達(dá)1000以上。與其他傳動形式相比，傳動比相同時，機(jī)構(gòu)尺寸小，因而結(jié)構(gòu)緊湊。 2　 傳動平穩(wěn)，蝸桿齒是連續(xù)的螺旋齒，與蝸輪的嚙合是連續(xù)的，因此傳動平穩(wěn)，噪聲低。 3　 可以自鎖，當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于齒輪間的當(dāng)量摩擦角時，若蝸桿為主動件，機(jī)構(gòu)將自鎖。 4　 相比其它傳動具有較大的速比，渦輪蝸桿的輸入、輸出軸不在同一軸線上，甚至不在同一個平面上。 缺點(diǎn)：齒面滑動速度大，效率低，發(fā)熱量大，容易使齒面磨損；制造成本高，軸向力大，精度不是很高。 方案二：步進(jìn)電機(jī)——齒輪傳動——齒輪傳動——工作臺。即為二級齒輪傳動，它的優(yōu)點(diǎn)是：傳動比精確，傳遞效率高，工作可靠，使用壽命長。但最大的缺點(diǎn)是：總傳動比??；占用空間大，不能實(shí)現(xiàn)自鎖。且在傳遞運(yùn)動時不能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動方向的改變。 方案三：步進(jìn)電機(jī)——帶傳動——蝸輪蝸桿傳動——工作臺。即一級為帶傳動，二級為渦輪蝸桿傳動。此方案相比方案一的缺點(diǎn)是：承載能力不高，是和傳動中心距較大的場合；有彈性，傳動比不恒定；不宜高溫、易蝕環(huán)境，帶的壽命較低，傳動效率低；需要張緊裝置對軸壓力比較大；帶傳動易打滑，不能保證固定不變的傳動比；不能保證精確的傳動比。此方案也有許多優(yōu)點(diǎn)：過載打滑，起過載保護(hù)作用；結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉；傳動平穩(wěn)，帶有彈性，可減緩吸振。 方案四：步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器直接帶動工作臺轉(zhuǎn)動，形成C軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。此方案的缺點(diǎn)是只能用于高速五軸加工中心，對于一般轉(zhuǎn)動速度的五軸加工中心，此方案具有一定局限性。 對比以上四種方案，綜合分析其優(yōu)缺點(diǎn)可得方案一：步進(jìn)電機(jī)——齒輪傳動——蝸輪蝸桿傳動——工作臺為實(shí)現(xiàn)C軸轉(zhuǎn)向的傳動機(jī)構(gòu)的最佳方案，即由步進(jìn)電機(jī)通過齒輪帶動渦桿、渦輪，再由渦輪帶動工作臺回轉(zhuǎn)分度。工作臺停止時，通過蝸輪蝸桿的自鎖和步進(jìn)電機(jī)的自鎖保證工作臺的自鎖。該傳動方案分析如下：齒輪傳動承受載能力較高，傳遞運(yùn)動準(zhǔn)確、平穩(wěn)，傳遞功率和圓周速度范圍很大，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊?？傮w傳動大致框圖如下圖2-1所示： 圖2-1 傳動總體框圖 第三章 C軸轉(zhuǎn)動控制精度設(shè)計(jì) C軸轉(zhuǎn)動要實(shí)現(xiàn)的參數(shù)設(shè)定為：回轉(zhuǎn)速度最大為20rad/s，每次轉(zhuǎn)動精度為0.25°。根據(jù)這些參數(shù)，分配設(shè)定各級傳動比，從而可算出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動精度，即可完成C軸轉(zhuǎn)動精度的控制設(shè)計(jì)。 3.1 傳動比及參數(shù)確定 3.1.1 傳動比設(shè)定 總傳動比為各級傳動比、的乘積，即分配總傳動比，即各級傳動如何取值，是設(shè)計(jì)中的重要問題。傳動比分配得合理，可使傳動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；也可以使傳動零件獲得較低的圓周速度以減小動載荷或降低傳動精度等級；還可以得到較好的潤滑條件。要同時達(dá)到這幾方面的要求比較困難，因此應(yīng)按設(shè)計(jì)要求考慮傳動比分配方案，以滿足某些主要要求。 為了保證C軸的分度精度，傳動比需要很大，同時為了保證結(jié)構(gòu)尺寸，將蝸桿傳動比設(shè)定在120，齒輪傳動比設(shè)定為3，即傳動系統(tǒng)的總傳動比為360。 3.1.2 最大回轉(zhuǎn)速度 C軸最大回轉(zhuǎn)角速度為20rad/s；即： ω蝸輪=ω工作臺=20rad/s 根據(jù)系統(tǒng)總傳動比為360，可得 n電機(jī)=n蝸輪×360=×360=20rad/s 3.1.3 步進(jìn)電機(jī)分度精度確定 C軸的轉(zhuǎn)動精度保證主要靠步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)的總傳動比i來確定，C軸轉(zhuǎn)動精度為0.25度，既蝸輪最小的轉(zhuǎn)動單位為0.25度，系統(tǒng)的總傳動比為360，即可得步進(jìn)電機(jī)最小轉(zhuǎn)動分度精度為0.25×360=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)。 3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電動機(jī)是專門工廠批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)部件，設(shè)計(jì)時要選出具體型號以購置。選擇步進(jìn)電動機(jī)包括確定型號、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。 步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)或?yàn)殡A躍電動機(jī)，步進(jìn)電機(jī)有三大部分組成：步進(jìn)電動機(jī)本體，步進(jìn)電動機(jī)控制器及步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器。如圖3-1所示。選擇步進(jìn)電機(jī)時，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，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所需的脈沖當(dāng)量。 圖3-1 步進(jìn)電機(jī) 3.2.1 步進(jìn)電機(jī)啟動力矩計(jì)算 步進(jìn)電機(jī)選用三相步進(jìn)電動機(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)動部件的相應(yīng)路程； η — 機(jī)械傳動效率。 若取Φ=θb，則S=δb，且P= Pz +μ（G+W），所以 式（3.2） 式中 G——轉(zhuǎn)動部件負(fù)載，N； W——轉(zhuǎn)動部件重量，N； Pz——與中立方向一致的作用在轉(zhuǎn)動部件上的負(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 不考慮啟動時運(yùn)動部件的慣性影響，啟動力矩為 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) 3.2.2步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 根據(jù)工作臺最大轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)總傳動比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θb=3°與步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，可得 所以步進(jìn)電機(jī)選擇最高的頻率 步進(jìn)電機(jī)的功率：P=kw 3.2.4 選取步進(jìn)電機(jī)型號 由于步進(jìn)電機(jī)步距角θb=3°，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)型號參數(shù)如表3-1所示。 表3-1步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 型號 主要技術(shù)參數(shù) 外形尺寸/mm 重量/(Kg) 步距角/(°) 保持轉(zhuǎn)矩/ N·m 相數(shù) 電壓/V 電流/A 外徑 長度 軸徑 130BC3100 3 12 3 27 3 100 168 22 10 3.3 C軸控制精度的驗(yàn)證計(jì)算 3.3.1 C軸轉(zhuǎn)動角度的驗(yàn)證 根據(jù)所選電機(jī)，有步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動角度為90度。由于步進(jìn)電機(jī)與小齒輪聯(lián)接，即小齒輪每次轉(zhuǎn)動角度為90度，根據(jù)傳動比，其中θ1和θ2分別為小齒輪與大齒輪轉(zhuǎn)動的角度。故。所以當(dāng)步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級齒輪傳動之后大齒輪轉(zhuǎn)動角度變?yōu)?0度，由大齒輪用鍵與蝸桿相連，所以蝸桿轉(zhuǎn)動30度，再由蝸輪蝸桿傳動，因?yàn)槲佪單仐U傳動比為120，即，其中θ3和θ4分別為蝸桿與蝸輪轉(zhuǎn)動的角度，所以，即蝸輪轉(zhuǎn)動角度變?yōu)?.25度，因?yàn)楣ぷ髋_通過定心軸與蝸輪聯(lián)接，故工作臺轉(zhuǎn)動0.25度，即C軸轉(zhuǎn)動精度為0.25度，綜上所述，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動控制精度為90度時，經(jīng)一級齒輪傳動與二級蝸輪蝸桿傳動之后，C軸的控制精度為0.25度，這與開始時所設(shè)定的C軸控制精度是相一致的，故此步進(jìn)電機(jī)符合控制精度要求。 3.3.2 傳動過程減少誤差措施 由于傳動過程，蝸輪副的嚙合側(cè)隙對轉(zhuǎn)動精度影響最大，因此消除蝸輪副的側(cè)隙就是減少誤差保證控制精度的關(guān)鍵問題。而常見的蝸輪消隙方法是雙螺距蝸桿傳動機(jī)構(gòu)。一般在要求連續(xù)精確分度的機(jī)構(gòu)中為了避免傳動機(jī)構(gòu)因承受脈動載荷而引起扭轉(zhuǎn)振動的場合往往采用雙螺距漸厚蝸桿,以便調(diào)整嚙合側(cè)隙達(dá)到最小限度。雙螺距漸厚蝸桿與普通蝸桿的區(qū)別是:雙螺距漸厚蝸桿齒的左、右兩側(cè)面具有不同的齒距(導(dǎo)程);而同一側(cè)面的齒距(導(dǎo)程)則是相等的。雙螺距漸厚蝸桿副的嚙合原理與一般蝸桿副嚙合原理相同,蝸桿的軸向截面仍相當(dāng)于基本齒條,蝸輪則相當(dāng)于同它嚙合的齒輪。由于蝸桿齒左、右兩側(cè)面具有不同的齒距,即左、右兩側(cè)面具有不同的模數(shù)m(m=t/π)。因而同一側(cè)面的齒距相同,故沒有破壞嚙合條件。雙螺距漸厚蝸桿傳動的公稱模數(shù)m可看成普通蝸輪副的軸向模數(shù),一般等于左、右齒面模數(shù)的平均值。此蝸桿齒厚從頭到尾逐漸增厚。但由于同一側(cè)的螺距是相同的,所以仍然可以保持正常的嚙合。因此,可用軸向移動蝸桿的方法來消除蝸桿與渦輪的齒側(cè)隙。這樣當(dāng)左邊的齒厚大于右邊的齒厚時，蝸桿向右移動時可以嚙合側(cè)隙會逐漸減小，從而減少傳動誤差，保證控制精度。同理右邊大于左邊齒厚時，向左移動會減少誤差。 第四章 C軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核計(jì)算 4.1 齒輪傳動設(shè)計(jì) 齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運(yùn)動的機(jī)械傳動。按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長等特點(diǎn)。齒輪傳動是指用主、從動輪輪齒直接、傳遞運(yùn)動和動力的裝置。在所有的機(jī)械傳動中，齒輪傳動應(yīng)用最廣，可用來傳遞相對位置不遠(yuǎn)的兩軸之間的運(yùn)動和動力。 齒輪傳動的特點(diǎn)是：齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，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，嚙合傳動會產(chǎn)生噪聲。 根據(jù)兩軸的相對位置和輪齒的方向，可分為以下類型：圓柱齒輪傳動；錐齒輪傳動和交錯軸斜齒輪傳動。根據(jù)齒輪的工作條件，可分為：開式齒輪傳動式齒輪傳動，齒輪暴露在外，不能保證良好的潤滑；半開式齒輪傳動，齒輪浸入油池，有護(hù)罩，但不封閉；閉式齒輪傳動，齒輪、軸和軸承等都裝在封閉箱體內(nèi)，潤滑條件良好，灰沙不易進(jìn)入，安裝精確，齒輪傳動有良好的工作條件，是應(yīng)用最廣泛的齒輪傳動。 4.1.1 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)整體傳動的要求，傳動效率不大、速度中等和使用壽命長，需要在封閉條件下工作，因此設(shè)計(jì)為閉式齒輪傳動，采用圓柱直齒輪傳動的形式。 齒輪材料應(yīng)具備下列條件：1）齒面具有舉個的硬度，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）價格較低。 考慮到齒輪傳動效率不大，速度只是中等，故齒輪用45號鋼；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。 4.1.2 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)，再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（4.1）。 式（4.1） 式中 d1——小齒輪分度圓直徑； K ——載荷系數(shù) T1——小齒輪轉(zhuǎn)矩； [σH]——許用接觸應(yīng)力； Φd——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T1=5Nm； 載荷系數(shù) 因載荷平穩(wěn)，取； 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 4.1.3 確定齒輪的主要參數(shù)與主要尺寸 小齒輪齒數(shù) 取，則大齒輪齒數(shù)。 模數(shù)： 其中取d1=23。則取標(biāo)準(zhǔn)值m=1mm。 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： 齒根圓直徑： 齒寬：取齒寬系數(shù)， 基圓直徑： 齒距：。 4.1.4 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(4.2)所示。 式(4.2) 式中 K——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)。 ?。? 載荷系數(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（4.3）所示。 式（4.3） 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 =500MPa 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。 4.2 蝸桿傳動設(shè)計(jì) 蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運(yùn)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°。蝸桿傳動用于在交錯軸間傳遞運(yùn)動和動力。蝸桿傳動由蝸桿和蝸輪組成，一般蝸桿為主動件。蝸桿和螺紋一樣有右旋和左旋之分蝸桿傳動，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)過兩個齒。按蝸桿形狀的不同可分：圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動和錐蝸桿傳動。 蝸桿傳動特點(diǎn)：傳動比大，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比，一般在動力傳動中，取傳動比i=10-80；在分度機(jī)構(gòu)中，i可達(dá)1000。這樣大的傳動比如用齒輪傳動，則需要采取多級傳動才行，所以蝸桿傳動結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕。 傳動平穩(wěn)，無噪音。因?yàn)槲仐U齒是連續(xù)不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時是連續(xù)不斷的，蝸桿齒沒有進(jìn)入和退出嚙合的過程，因此工作平穩(wěn)，沖擊、震動、噪音小。蝸桿傳動。具有自鎖性。蝸桿的螺旋升角很小時，蝸桿只能帶動蝸輪傳動，而蝸輪不能帶動蝸桿轉(zhuǎn)動。蝸桿傳動效率低，一般認(rèn)為蝸桿傳動效率比齒輪傳動低。尤其是具有自鎖性的蝸桿傳動，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。 4.2.1 蝸桿傳動類型 由于前述所選電機(jī)可知T=5N·m，蝸桿傳動比設(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)本次傳動場合用于機(jī)床上的工作臺，整體傳動要求傳動精度高，所以蝸桿采用漸開線蝸桿；根據(jù)整體傳動比需要設(shè)計(jì)比較大，蝸輪蝸桿的傳動比也需比較大，而且工作臺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。 4.2.2 蝸輪蝸桿的材料 考慮到蝸桿傳動效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼；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。 4.2.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 根據(jù)閉式蝸桿傳動的設(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。傳動中心距公式如式（4.4）： 式（4.4） 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)； [H]——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=0.8，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；見表4-1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，可取動載系數(shù)KV=1.2；則 表4-1 使用系數(shù) KA 動力機(jī)工作特性 動力機(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，見表4-2可查得ZE=152 表4-2 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和傳動中心距a的比值=1：11，從而可算 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)殡妱拥都苤形佪單仐U的傳動為間隙性的，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。 4.2.4 蝸輪蝸桿主要參數(shù)與幾何尺寸 傳動比：； 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： 蝸輪齒根圓直徑： 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： 4.2.5 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（4.5） 式（4.5） 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（4.6）所示。 式（4.6） 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。 取：彎曲疲勞強(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。 4.2.6 蝸桿傳動溫度計(jì)算 蝸桿傳動的效率一般比齒輪傳動和其他幾種機(jī)械傳動都要低，工作時會產(chǎn)生較多的熱量。閉式箱體若散熱條件不足，則易于造成潤滑油工作溫度過高而導(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)，因此對蝸桿傳動有必要進(jìn)行溫度計(jì)算。箱體工作溫度計(jì)算公式如（4.7）所示。 式（4.7） 式中 P——蝸輪蝸桿功率； 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、單位溫度差時由箱體傳給大 氣的熱量。 ?。簜鲃訃Ш闲? 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。 4.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 軸是支承轉(zhuǎn)動零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運(yùn)動、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，工作時既承受彎矩又承受扭矩，是機(jī)械中最常見的軸，如各種減速器中的軸等。心軸，用來支承轉(zhuǎn)動零件只承受彎矩而不傳遞扭矩，有些心軸轉(zhuǎn)動，如鐵路車輛的軸等，有些心軸則不轉(zhuǎn)動，如支承滑輪的軸等。傳動軸，主要用來傳遞扭矩而不承受彎矩，如起重機(jī)移動機(jī)構(gòu)中的長光軸、汽車的驅(qū)動軸等。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)速高時還取決于振動穩(wěn)定性。 功用相同的軸卻有各不相同的結(jié)構(gòu)形狀。因?yàn)椋绊戄S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。 4.3.1 輸入軸的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中輸入軸的材料采用45號鋼。通過對軸的受力分析，畫出受力圖及彎矩圖，根據(jù)強(qiáng)度理論分析其強(qiáng)度是否符合要求。并對其強(qiáng)度進(jìn)行必要的校核計(jì)算。 軸上參數(shù)計(jì)算： 1) 求輸入軸上的P1、T1 設(shè)計(jì)中取軸承傳動效率η1=0.99，聯(lián)軸器傳動效率η2=0.99。則： P1=Pη1η2=kw T1= 2) 計(jì)算作用于齒輪上的力 軸上受力情況如下圖4-1所示 圖4-1 軸受力圖 3) 求軸的最小直徑 因?yàn)橹莸牟牧蠟?5號鋼，而且是調(diào)制處理，可知A0=112，所以 用輸入軸的最小直徑作為聯(lián)軸器安裝的地方d6，該段與聯(lián)軸器相配，根據(jù)聯(lián)軸器的型號故取d6=10mm。從動端半聯(lián)軸器L=22mm，為保證軸段的擋圈有安放空間，6的長度要取比L略小的值，故取L6=18mm。因?yàn)?左端需制夷軸肩，故取d5=15mm。 4) 軸的設(shè)計(jì) 1　 本設(shè)計(jì)擬定軸上零件的結(jié)構(gòu)情況如圖4-2所示 2　 本設(shè)計(jì)中軸承初步選為滾動軸承。由于軸承同時受徑向力和軸向力作用，所以選用圓錐滾子軸承。根據(jù)需要，且d5=15mm，查參考文獻(xiàn)初步選定圓錐滾子軸承30204.其尺寸為。所以d4=d1=20mm，L4=15.25mm。 3　 按照軸向定位來確定軸的各段參數(shù) 如圖4-2的軸的結(jié)構(gòu)。 圖4-2 輸入軸結(jié)構(gòu) d1=20mm L1=25mm d2=25mm L2=46mm d3=30mm L3=15mm d4=20mm L4=15.25mm d5=15mm L5=30mm d6=10mm L6=18mm 4　 軸上的周向定位 半聯(lián)軸器、齒輪與軸三者的周向定位都是采用平鍵連接。按d2由參考文獻(xiàn)得。同時設(shè)計(jì)中為了確保齒輪與軸的配合有較好的對中性，故取齒輪與軸的配合為,同樣在半聯(lián)軸器與軸的連接中，取平鍵為，選取半聯(lián)軸器與軸的配合為。同時滾動軸承與軸的周向定位設(shè)計(jì)中采用過度配合，為。 5　 倒角、圓角 查表選軸兩端的倒角為45。各軸肩出的圓角半徑在圖中可看出。 6　 求軸的載荷 如圖4-3所示是輸入軸的受力分析圖； 從設(shè)計(jì)中軸的工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)圖可以得知截面A才是軸的危險(xiǎn)截面。下表為截面上的MH、MV及M，如表4-3所示： 各載荷 水平面H 垂直面V 支反力F 軸上彎矩M 20100 7300 軸上總彎矩 M= 軸上扭矩T T=18340 表4-3 輸入軸的危險(xiǎn)截面應(yīng)力 7　 按彎扭組合進(jìn)行應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受的最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面）的強(qiáng)度。根據(jù)公式及上表數(shù)據(jù)，以及軸的雙向旋轉(zhuǎn)，扭矩切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取α=0.6，軸上計(jì)算應(yīng)力為 前面選定軸的材料為45鋼，調(diào)制處理，查表可得[]=60MPa。因此，故安全。 圖4-3輸入軸受力分析圖 4.3.2 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)，必要時可做幾個方案進(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，通過齒輪副到蝸輪蝸桿，不需要承受彎矩，所以用到的為傳動軸。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。 4.3.3 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=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，形狀如圖4-4所示。 圖4-4 蝸桿軸 對蝸桿軸做簡要分析，作出受力圖如圖4-5所示。根據(jù)以上分析及所學(xué)相關(guān)公式可求出各受力的大小，對軸畫出彎矩和扭矩圖，分析可求出危險(xiǎn)截面，并對危險(xiǎn)截面進(jìn)行校核，檢驗(yàn)是否符合強(qiáng)度剛度要求。 圖4-5 軸的受力圖 根據(jù)上圖有 Fa1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4-6a所示，支反力及彎矩圖如圖4-6b所示。分別對支承點(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4-6c所示，求支反力，做彎矩圖，如圖4-6d所示，分別向兩支點(diǎn)取矩得： 作合成彎矩圖，如圖4-6e所示；合成彎矩的計(jì)算結(jié)果示于圖4-6f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(4-8) 式(4-8) 式中 ——當(dāng)量彎矩 [σ-1b] ——對稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力。 取：對稱循環(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)力對稱循環(huán)變化時，?=1 當(dāng)量彎矩 所以 蝸桿軸最小直徑 圖4-6 蝸桿軸的彎矩、扭矩及合成圖 4.4 鍵聯(lián)接的選擇 設(shè)計(jì)鍵聯(lián)接時，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，并參考輪轂長選出鍵的長度，然后用適當(dāng)?shù)男：擞?jì)算公式作強(qiáng)度驗(yàn)算。 4.4.1 鍵聯(lián)接的類型及尺寸 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，并要一定的定心性，因此平鍵連接就可以。 根據(jù)小齒輪上軸徑，小齒輪輪轂長度為，見表4-4表可查得當(dāng)時，鍵截面尺寸為：寬，高。參考轂長選鍵長。則鍵的接觸長度 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 4.4.2 鍵聯(lián)接強(qiáng)度驗(yàn)算 對于平鍵聯(lián)接，如果忽略摩擦，則當(dāng)聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時鍵軸一體的受力時，可能的實(shí)效有：較