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摘 要
本論文針對(duì)某類大型設(shè)備動(dòng)力裝置與減速裝置的對(duì)接方案開展研究，旨在通過設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)反饋功能的對(duì)接平臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)裝配部件對(duì)接的的同時(shí)，達(dá)到提高對(duì)接精度與成功率、節(jié)省調(diào)整時(shí)間的目的。同時(shí)，使平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)對(duì)接功能時(shí)，有一定的適應(yīng) 性?？烧{(diào)整自己的位姿，應(yīng)對(duì)不同條件下的對(duì)接要求。
論文首先從平臺(tái)的功能要求入手，分析平臺(tái)機(jī)構(gòu)自由度，完成動(dòng)作分解與機(jī)構(gòu)選型，確定平臺(tái)機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案，使其從原理上滿足功能要求。
其次，對(duì)關(guān)鍵零部如齒輪副、傳動(dòng)絲杠、傳動(dòng)軸以及導(dǎo)軌等進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算，完成強(qiáng)度、剛度等性能的分析與校核，確保設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)。
同時(shí)對(duì)平臺(tái)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸綜合，完成平臺(tái)詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定關(guān)鍵部位配合精度，完成裝配圖與零件圖，并采用 3D 軟件建立了部分結(jié)構(gòu)的三維模型。
最后，從保證調(diào)節(jié)精度的角度出發(fā)，對(duì)調(diào)節(jié)平臺(tái)的控制方案以及部分控制元件進(jìn)行選型與布置，并對(duì)調(diào)節(jié)精度進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞：對(duì)接平臺(tái)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，絲杠，導(dǎo)軌，精度
II
ABSTRACT
In this paper, for the docking program of some large-scale equipment power plant and the gear reduction device’ research, it aims to design a docking platform with real-time feedback function, which can achieve the improvement of docking precision and success rate and reduce the adjustment time while realizing the docking of assembly parts. At the same time, the platform in the realization of docking function, there is a certain degree of adaptability. It can adjust their position, to deal with different conditions of the docking requirements.
The paper begins with the functional requirements of the platform, analysis platform mechanism freedom, complete action decomposition and institutional selection, and determine the overall design of the platform to make it meet the functional requirements from the principle.
Second, for the key parts such as gears, drive screw, drive shaft and rail, doing the relevant design calculation and completing the strength, stiffness and other performance analysis and verification to ensure that the design of the structure can successfully complete the design task.
At the same time, integrated specific structure size of platform, complete the detailed structure of the platform design, determine cooperate precision of the key parts, complete the assembly diagram and parts diagram, and use 3D software to establish the three-dimensional model of the partial structure.
Finally, from the point of view of the accuracy of regulation, the control scheme of the adjustment platform and some control elements should be selected and arranged, and the adjustment precision should be analyzed.
Keywords: docking platform, structural design, screw, rail, precision
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目錄
68
摘 要 I
ABSTRACT II
1. 緒論 3
1.1 選題背景 3
1.2 設(shè)計(jì)意義 3
1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.4 主要研究?jī)?nèi)容 7
2. 動(dòng)作原理與總體結(jié)構(gòu)方案 8
2.1 設(shè)計(jì)要求 8
2.2 機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 9
2.3 設(shè)計(jì)過程規(guī)劃 9
3. 方案論證和方案選擇 11
3.1 高度調(diào)節(jié)方案論證 11
3.2 驅(qū)動(dòng)的方案論證和選擇 13
4. 具體功能部件與結(jié)構(gòu)計(jì)算 14
4.1 整體高度調(diào)節(jié)平臺(tái)重量的估算 14
4.2 螺桿的設(shè)計(jì) 14
4.3 箱體中斜齒錐齒輪的設(shè)計(jì) 17
4.4 箱體中斜直齒輪的設(shè)計(jì)： 23
4.5 箱體中伺服電機(jī)的選擇： 25
4.6 箱體中軸的設(shè)計(jì) 26
4.7 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 28
4.8 整體高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的推力軸承的選擇 29
4.9 螺桿、錐齒輪、推力滾子軸承三者連接設(shè)計(jì) 31
4.10 總體箱體箱體設(shè)計(jì) 31
4.11 滾珠絲杠的選擇和絲杠軸的設(shè)計(jì) 33
4.12 三層調(diào)節(jié)平臺(tái)的設(shè)計(jì) 33
4.13 三層調(diào)節(jié)平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)方式設(shè)計(jì) 34
4.14 高度方向調(diào)節(jié)平臺(tái)設(shè)計(jì) 36
4.15 螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 37
4.16 錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 38
4.17 斜齒直齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 42
4.18 伺服電機(jī)的選擇 43
4.19 小零件選擇匯總 44
5. 各個(gè)構(gòu)件的材料匯總和材料性能介紹 46
5.1 整體高度調(diào)節(jié)平臺(tái)的材料使用 46
5.2 螺桿傳動(dòng)使用的材料介紹 46
5.3 錐齒輪材料的選用 46
5.4 斜齒輪材料的選用 46
5.5 軸的材料的選用 46
5.6 箱體的材料選擇 46
5.7 其他的調(diào)節(jié)平臺(tái)的材料選用 46
6. 對(duì)接平臺(tái)動(dòng)作調(diào)整與誤差分析 47
6.1 動(dòng)作調(diào)整 47
6.3 控制流程及檢測(cè)件選擇 47
6.2 誤差分析 48
結(jié) 論 50
參考文獻(xiàn) 51
附錄一：外文翻譯 52
附錄二：翻譯原文 60
致 謝 66
1. 緒論
1.1 選題背景
隨著大型現(xiàn)代化機(jī)械裝備在社會(huì)上的廣泛應(yīng)用，規(guī)格較大的動(dòng)力部件與減速部件的裝配工作中存在的問題日益突顯出來。由于大型設(shè)備的動(dòng)力裝置與減速裝置質(zhì)量較大，且對(duì)接處接口精度較高，因此如何實(shí)現(xiàn)兩部件的精準(zhǔn)對(duì)接是裝配過程中的一個(gè)難點(diǎn)。由于該類對(duì)接過程的傳統(tǒng)調(diào)整方式基本采用人工手動(dòng)與天車輔助吊裝的方式進(jìn) 行，且對(duì)接調(diào)整過程無實(shí)時(shí)反饋，只能憑經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)，耗時(shí)較長(zhǎng)，效率較低。針對(duì)裝配過程中存在的這類情況，設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)反饋功能、并能夠多自由度調(diào)節(jié)的對(duì)接平臺(tái)， 以達(dá)到提高對(duì)接精度與成功率，從而節(jié)省調(diào)整時(shí)間的目的。
1.2 設(shè)計(jì)意義
由于裝配工作是一個(gè)頻度較高的工作，人工操作效率低并且給工人帶來了很大的工作強(qiáng)度。因此，開發(fā)此對(duì)接平臺(tái)具有較高的實(shí)用價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。意義 1：利用機(jī)械的優(yōu)越性，可以大大的減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且效率較高。意義 2：在設(shè)計(jì)過程中， 使用導(dǎo)軌部件可以提高平臺(tái)的精度；再附加上反饋設(shè)備，通過特定的程序來控制，可以減少對(duì)接時(shí)間，以適應(yīng)社會(huì)對(duì)機(jī)械對(duì)接平臺(tái)的要求越來越高的大趨。
1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
目前，混聯(lián)六自由度精密裝校平臺(tái)、六自由度精密裝校平臺(tái)在整個(gè)下裝裝校系統(tǒng)中具有核心地位。其六自由度末端執(zhí)行器的位姿調(diào)整速度及調(diào)整精度直接影響到對(duì)接效果的精確、可靠以及高效率的裝校。平臺(tái)的輸入是伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，其中六自由度平臺(tái)的末端執(zhí)行器在空間的位置變化與伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輸入存在一定的數(shù)學(xué)映射關(guān)系，簡(jiǎn)稱控制算法，將這種控制算法以程序的形式輸入運(yùn)動(dòng)控制器，則通過運(yùn)動(dòng)控制器的控制即可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)末端執(zhí)行器的可控調(diào)整。用運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，推導(dǎo)用于運(yùn)動(dòng)控制器控制的末端平臺(tái)位置逆解及正解、速度的正解與逆解，構(gòu)建誤差模型并對(duì)末端平臺(tái)誤差作補(bǔ)償，研究傳感器反饋的閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)六自由度精密裝校平臺(tái)對(duì)對(duì)接效果的可控精密自動(dòng)調(diào)整。目前能對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行六自由度位姿調(diào)整的主要是并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)臺(tái)，簡(jiǎn)稱 Stewan 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生以后，并未引起時(shí)人們的足夠關(guān)注，基于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的串聯(lián)機(jī)器人占據(jù)主導(dǎo)地位，主要是由于并聯(lián)結(jié)構(gòu)計(jì)算量大，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及動(dòng)力學(xué)難度大，并且位置有時(shí)還存在奇異性。然而串聯(lián)機(jī)構(gòu)由于自身的缺點(diǎn)無法克服，在工業(yè)應(yīng)用上有一定的局限性，隨著對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的認(rèn)識(shí)不斷加深、一些理論問題的解決及計(jì)算機(jī)的計(jì)算功能增強(qiáng)，并聯(lián)機(jī)器人較串聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)得到凸顯，因此并聯(lián)機(jī)構(gòu)大大彌補(bǔ)了串聯(lián)機(jī)構(gòu)在應(yīng)用中存在的不 足。混聯(lián)精密裝校平臺(tái)是一個(gè)較為復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，涉及到并聯(lián)機(jī)構(gòu)的各類知識(shí)，是
一個(gè)較為復(fù)雜的綜合性的工程，涉及到空間機(jī)構(gòu)、調(diào)平技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、先進(jìn)制造和精度設(shè)計(jì)等多項(xiàng)領(lǐng)域。對(duì)于現(xiàn)代飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接裝配技術(shù)涉及面向柔性裝配的數(shù)字化產(chǎn)品定義、裝配 T 藝規(guī)劃與仿真優(yōu)化、數(shù)字化柔性定位、自動(dòng)控制、先進(jìn)測(cè)量檢測(cè)和計(jì)算機(jī)軟件等眾多先進(jìn)技術(shù)和裝備，是機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科交叉融合的高新技術(shù)。
現(xiàn)在比較廣為應(yīng)用的是六自由度精密裝校平臺(tái)，目前能對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行六自由度位姿調(diào)整的主要是并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，簡(jiǎn)稱 Stewan 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。到目前為止，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的樣機(jī)多種多樣，包括多自由度的平面機(jī)構(gòu)，不同自由度的空間機(jī)構(gòu)，多種布置方式結(jié)構(gòu)，少自由度結(jié)構(gòu)以及超多自由度串并聯(lián)機(jī)構(gòu)。小型并聯(lián)機(jī)構(gòu)大多輕載，輸入多采用“伺服電機(jī)+滾動(dòng)絲杠+導(dǎo)軌”等方式實(shí)現(xiàn)，而大型重載并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸入則主要采用電液伺服液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓伺服驅(qū)動(dòng)具有體積小、功率大、精度高、速度快等特點(diǎn)。該精密裝校平臺(tái)提出如下功能要求：①一級(jí)提升功能。LRU 模塊在粗定位以后需要作一級(jí)提升。②調(diào)平功能。LRu 模塊粗定位完成以后，LRu 模塊需要作調(diào)平調(diào)節(jié)。使 LRu 模塊盡量保證與潔凈廂平行。③平面對(duì)接功能。LRu 模塊調(diào)平功能完成以后，需要與潔凈廂底端的卡槽自動(dòng)對(duì)接。為插入式安裝提供基礎(chǔ)性準(zhǔn)備。對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)來說，機(jī)械結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)誤差以及驅(qū)動(dòng)輸入誤差是位姿輸出誤差的主要因素。① 調(diào)平機(jī)構(gòu)：幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差包括：上、下鉸點(diǎn)零件形位誤差，如：上、下鉸點(diǎn)分度圓的半徑誤差，角度分度誤差和安裝平面的平面度誤差；上、下鉸點(diǎn)裝配誤差，如： 鉸的間隙、支撐腿安裝誤差等，調(diào)平機(jī)構(gòu)存在超靜定問題，為了使機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中有一定的柔性，要求鉸點(diǎn)有一定的間隙，所以間隙造成的誤差不可避免；另外還有伺服電動(dòng)推缸的初始長(zhǎng)度誤差及運(yùn)動(dòng)過程中自身的定位誤等。②對(duì)接機(jī)構(gòu)。導(dǎo)軌自身在基準(zhǔn)平臺(tái)上的安裝偏差。[1,2]
伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。伺服系統(tǒng)（servomechanism）是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到 1 個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn) 1 個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)椋欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度， 都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)， 如此一來，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來，這
樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到 0.001mm。直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求高。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。對(duì)于它的選用，文獻(xiàn) 2 指出：步進(jìn)電機(jī)的比較(1)控制精度更高；(2)低頻特性好，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象（3）具有較強(qiáng)的速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力，最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的 2—3 倍；(4) 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣．內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，控制性能更為可靠：因此，伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于對(duì)精度有較高要求的機(jī)械設(shè)備。伺服電機(jī)選型的原則：1 負(fù)載／電機(jī)慣量比正確沒定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提，伺服系統(tǒng)的默認(rèn)參數(shù)在 1～3 倍負(fù)載電機(jī)慣量比下，系統(tǒng)會(huì)達(dá)到晟佳工作狀態(tài)。2 轉(zhuǎn)速電機(jī)選擇首先應(yīng)依據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的快速行程速度來計(jì)算，快速行程的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)，并應(yīng)在接近電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速的范圍使用，以有效利用伺服電機(jī)的功率；額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速、允許瞬間轉(zhuǎn)速之問的關(guān)系為：允許瞬間轉(zhuǎn)速>最大轉(zhuǎn)速>額定轉(zhuǎn)速。3 轉(zhuǎn)矩伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩必須滿足實(shí)際需要，但是不需要留有過多的余量，因?yàn)橐话闱闆r下，其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的 3 倍。[3,4]需要注意的是，連續(xù)工作的負(fù)載轉(zhuǎn)矩≤伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，機(jī)械系統(tǒng)所需要的最大轉(zhuǎn)矩<伺服電機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動(dòng)力和對(duì)接平臺(tái)執(zhí)行部件要通過出動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，常用的有滾珠絲杠副和蝸輪蝸桿。
對(duì)于傳動(dòng)方面的問題，文獻(xiàn) 3 指出：宏微雙重驅(qū)動(dòng)精密工作臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)大行程、高精度的要求．其中宏動(dòng)部分由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)．滾珠絲杠傳動(dòng)是傳統(tǒng)的精密驅(qū)動(dòng)方式，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，成本低．但宏動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)中的一些非線性因素，如滾珠絲杠螺母副間隙存在、彈性聯(lián)軸器的變形、導(dǎo)軌摩擦等，對(duì)微運(yùn)動(dòng)特性的影響非常明顯，制約了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度和定位精度的進(jìn)一步提高，因而研究滾珠絲杠傳動(dòng)工作臺(tái)的微定位特性顯得尤為重要．宏動(dòng)部分系統(tǒng)主要有：1)工作臺(tái)與光柵測(cè)量裝置組成的控制對(duì)象及位置測(cè)量系統(tǒng)；2)基于 FPGA 的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，由電機(jī)控制模塊，光柵計(jì)數(shù)模塊、與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸入／輸出接口等組成[5]。
1 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)滾珠絲杠傳動(dòng)效率高。摩擦小，在伺服控制系統(tǒng)中采用滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)，不僅提高傳動(dòng)效率，而且可以減小啟動(dòng)力矩、顫動(dòng)及滯后時(shí)間，但傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度不高，尤其細(xì)長(zhǎng)的滾珠絲杠更是剛度的薄弱環(huán)節(jié)．起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)能量的一部分要消耗在克服中間環(huán)節(jié)的彈性變形上，彈性變形使系統(tǒng)的控制難度增加，伺服性能下降。2 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)光柵檢測(cè)部分利用光柵的莫爾條紋測(cè)量位移，需要 2 塊光柵：指示光柵和標(biāo)尺光柵．指示光柵與運(yùn)動(dòng)件連在一起，并與運(yùn)動(dòng)件一起運(yùn)動(dòng)，光
源發(fā)出的光線經(jīng)透鏡后成為平行光束，垂直投向標(biāo)尺光柵．而 2 塊光柵迭合時(shí)就形成了莫爾條紋．光柵測(cè)量實(shí)質(zhì)上就是讀取相應(yīng)的柵線數(shù)．
除了滾珠絲桿傳動(dòng)外，還有其他傳動(dòng)方式，例如渦輪蝸桿和齒輪傳動(dòng)。文獻(xiàn) 4 指出：蝸輪蝸桿傳動(dòng)是一種桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)．是可廣泛替代已有擾性傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)．由桿輪和作為擾性曳引元件的桿共同構(gòu)成蝸輪的傳動(dòng)比齒輪傳動(dòng)動(dòng)力大，而且在動(dòng)力傳遞中，傳動(dòng)比在 8～100，在分度機(jī)構(gòu)中傳動(dòng)比可以達(dá)到 1 000．所以動(dòng)力較大，應(yīng)用性比較廣泛，傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低；結(jié)構(gòu)緊湊；在一定條件下可以實(shí)現(xiàn)自鎖等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛使用[6,7]。但蝸桿傳動(dòng)有效率低、發(fā)熱量大和磨損嚴(yán)重，蝸輪齒圈部分經(jīng)常用減磨性能好的有色金屬(如青銅)制造，成本高：蝸輪傳動(dòng)是垂直軸傳動(dòng)，圓柱齒輪為平行軸傳動(dòng)．傘齒輪傳動(dòng)兩軸可成 90 度或其他角度。
在實(shí)現(xiàn)對(duì)接平臺(tái)導(dǎo)向的機(jī)構(gòu)是導(dǎo)軌。在文獻(xiàn) 5 中，我們可以了解到深層次的導(dǎo)軌問題：機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的作用是用來支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件，按給定的方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，其結(jié)合部包含了導(dǎo)軌與滑塊，以及兩者相聯(lián)結(jié)的結(jié)合面．導(dǎo)軌結(jié)合部是數(shù)控機(jī)床整機(jī)系統(tǒng)中最重要的結(jié)合部之一，其動(dòng)力學(xué)特性對(duì)整機(jī)動(dòng)力學(xué)性能有著顯著的影
響．影響數(shù)控機(jī)床結(jié)合部動(dòng)力學(xué)特性的因素眾多．以直線滾動(dòng)導(dǎo)軌為例，主要包括結(jié)合部的尺寸與形狀、初始面壓、滾動(dòng)體的接觸形態(tài)、結(jié)合面之間的介質(zhì)狀態(tài)、結(jié)合部的材質(zhì)等。通常將導(dǎo)軌滑塊結(jié)合部簡(jiǎn)化成一個(gè)單自由度系統(tǒng)，進(jìn)一步可通過識(shí)別滑塊在導(dǎo)軌上所表現(xiàn)出來的模態(tài)來獲得導(dǎo)軌結(jié)合面的接觸剛度忌、阻尼比 f、阻尼系數(shù) f 等
[8]．
在對(duì)接平臺(tái)的控制方面，我們可以以文獻(xiàn) 6 為參考，它講了一個(gè)機(jī)械手控制的例子：從往復(fù)移動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖可知，機(jī)械手的移動(dòng)，是通過同步齒形帶，帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)作往復(fù)移動(dòng)的，齒形帶移動(dòng)的距離通過增量型編碼器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)， 此脈沖信號(hào)被ＰＬＣ的高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值與齒形帶移動(dòng)的距離存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)齒形帶移動(dòng)達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)， 通過高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就可以控制ＰＬ Ｃ輸出，ＰＬＣ的輸出控制電動(dòng)機(jī)停止工作，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的位置控制。[9]利用編碼器與ＰＬＣ實(shí)現(xiàn)齒形帶移動(dòng)距離的控制原理。為了控制齒形帶的移動(dòng)距離，必須知道編碼器的脈沖當(dāng)量，即一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)齒形帶移動(dòng)的距離，也就是控制齒形帶的移動(dòng)精度。
對(duì)接平臺(tái)主要部分也就是驅(qū)動(dòng)部分伺服電機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副和蝸輪蝸桿， 已經(jīng)執(zhí)行部件的移動(dòng)導(dǎo)軌。這些是一個(gè)對(duì)接平臺(tái)基本而有重要的東西。現(xiàn)在還有升華的部分，如對(duì)接中平臺(tái)的反饋系統(tǒng)，對(duì)接平臺(tái)的誤差分析已經(jīng)計(jì)算，而對(duì)于自動(dòng)對(duì)接裝配技術(shù)更涉及面向柔性裝配的數(shù)字化產(chǎn)品定義、裝配 T 藝規(guī)劃與仿真優(yōu)化、數(shù)字化柔性定位、自動(dòng)控制、先進(jìn)測(cè)量檢測(cè)和計(jì)算機(jī)軟件等眾多先進(jìn)技術(shù)和裝備，是機(jī)械、
電子、控制、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科交叉融合的高新技術(shù)。總之，未來整個(gè)裝配過程的柔性化、自動(dòng)化會(huì)成為一個(gè)大趨勢(shì)。
1.4 主要研究?jī)?nèi)容
（1） 分析設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行動(dòng)作分解，分別考慮實(shí)現(xiàn)每個(gè)動(dòng)作可采用的機(jī)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)構(gòu)選型，做整體機(jī)構(gòu)分析，確定總體設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)方案與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方案，確定各個(gè)部件位置布局。
（2） 完成電機(jī)的選擇，傳動(dòng)比的確定。電機(jī)在箱體中安裝位置的確定及其固定方式。
（3） 對(duì)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行選擇和受力計(jì)算，以及強(qiáng)度剛度等校核。設(shè)計(jì)軸系，驅(qū)動(dòng)軸及其相關(guān)零件裝配方式的確定；軸承的選擇和校核。
（4） 按功能部件進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)，對(duì)重要零部件如齒輪副、螺紋副、導(dǎo)軌等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、分析與校核，確保各零部件能按要求完成既定動(dòng)作，完成機(jī)械本體裝配圖。
（5） 拆畫部分重要零件，如齒輪、軸等，以及重要結(jié)構(gòu)件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成標(biāo)準(zhǔn)件的選擇。同時(shí)，根據(jù)控制方式選用相應(yīng)控制元件，并布置于裝配圖中合理的位置。
（6） 對(duì)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)精度進(jìn)行分析，確保能夠?qū)崿F(xiàn)既定要求。
2. 動(dòng)作原理與總體結(jié)構(gòu)方案
2.1 設(shè)計(jì)要求
（1） 平臺(tái)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置的可靠固定，兩者的支撐固定應(yīng)能相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，以滿足對(duì)中要求，圖 2-1 給出的是一種最復(fù)雜的傳動(dòng)裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)連接形
式。
圖 2-1 傳動(dòng)裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)連接形式
（2） 基座最大承重： 8t
（3） 基座初始高度距離安裝臺(tái)表面為 300mm ，可向上調(diào)整至 600mm，且在運(yùn)動(dòng)過程中任意位置可閉鎖 。調(diào)整精度為±10mm。
（4） 用于支撐傳動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)和支撐發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)相對(duì)高度可調(diào)，調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)有標(biāo)尺指示 。
調(diào)整范圍：±100mm 調(diào)整精度±0.1mm
（5） 用于支撐傳動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)和支撐發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)相對(duì)縱向可調(diào)，調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)有標(biāo)尺指示。
調(diào)整范圍：0mm～300mm 調(diào)整精度±0.1mm
（6） 用于支撐傳動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)和支撐發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)相對(duì)橫向可調(diào)，調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)有標(biāo)尺指示。
調(diào)整范圍：±100mm 調(diào)整精度±0.1mm
（7） 發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)傳動(dòng)裝置角度可調(diào) ，調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)有標(biāo)尺指示。旋轉(zhuǎn)調(diào)整范圍：±5°調(diào)整精度±0.1°
（8） 基座外廓尺寸 ≤3m×2.5m （長(zhǎng)×寬）
（9） 設(shè)計(jì)方案不推薦液壓系統(tǒng)。
2.2 機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)
根據(jù)以上給出的設(shè)計(jì)要求，分析可得平臺(tái)確定需要調(diào)節(jié)的自由度數(shù)共有四個(gè)，其中三個(gè)移動(dòng)自由度，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。[10]
據(jù)此初步擬定總體布置方案，平臺(tái)分為三個(gè)主要部分：總體高度調(diào)節(jié)平臺(tái)、相對(duì)高度調(diào)節(jié)平臺(tái)、相對(duì)位置調(diào)節(jié)平臺(tái)，如圖 2-2 所示：
相對(duì)高度調(diào)節(jié)部件 相對(duì)位置調(diào)節(jié)部件
整體高度調(diào)節(jié)部件
圖 2-2 對(duì)接平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)布置方案示意圖
2.2.1 功能實(shí)現(xiàn)如上圖所示，整體高度調(diào)節(jié)部分可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)整體上下調(diào)整。相對(duì)位置調(diào)整部分的執(zhí)行部分可以實(shí)現(xiàn)橫向，縱向的調(diào)節(jié)和角度調(diào)整。左邊的執(zhí)行相對(duì)高度調(diào)節(jié)部分可以進(jìn)行相對(duì)高度的調(diào)整。
2.2.2 驅(qū)動(dòng)部分介紹：整體部分的調(diào)整靠螺旋傳動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng)，其中動(dòng)力源是伺服電機(jī)。相對(duì)高度調(diào)整調(diào)整也是靠螺旋傳動(dòng)。相對(duì)位置的縱向和橫向調(diào)節(jié)用的是絲 杠，導(dǎo)軌調(diào)節(jié)。角度調(diào)節(jié)用的是推力軸承和連桿滑塊調(diào)節(jié)。
2.3 設(shè)計(jì)過程規(guī)劃
2.3.1 總體高度調(diào)節(jié)部分的體型較大，是要被首先確定尺寸的。再者，它把整個(gè)裝置聯(lián)系到了一起，并且承載工作時(shí)的重量，所以不論是在尺寸布局的層面上還是在受力安全的問題上都應(yīng)該被第一確定、于是確定它的尺寸為 2.8m×1.5m,然后設(shè)計(jì)中間部分的鋼板厚度，和肋板排列，進(jìn)而算出中間部分自重。為后面螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。
2.3.2 根據(jù)已經(jīng)算出來的總體高度調(diào)節(jié)部分的自重，和對(duì)其上面重量的估計(jì)加上工作載荷。然后在轉(zhuǎn)換成螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的力矩，再確定螺桿的直徑，和其他具體參
數(shù)。
2.3.3 根據(jù)傳動(dòng)要求，設(shè)計(jì)軸與螺桿的傳動(dòng)方式，在此處的傳動(dòng)方式，有兩種方案可以達(dá)到這種要求，一種是蝸輪蝸桿傳動(dòng)，一種是錐齒輪傳動(dòng)。此處選擇了后者。再確定錐齒輪傳動(dòng)之后，進(jìn)行錐齒輪傳動(dòng)比的選擇和具體參數(shù)設(shè)計(jì)和錐齒輪的強(qiáng)度校
核。
2.3.4 在確定了錐齒輪傳動(dòng)之后，然后進(jìn)行電機(jī)軸和輸出軸傳動(dòng)方式的選擇，此處從理論運(yùn)動(dòng)分析依然有三種傳動(dòng)方案。1.錐齒輪傳動(dòng)，2 斜齒輪傳動(dòng)，3.蝸輪蝸桿傳動(dòng)。此處選擇了方案 2。然后進(jìn)行傳動(dòng)比的確定和斜齒輪的具體參數(shù)計(jì)算和強(qiáng)度校核
2.3.5 根據(jù)總的設(shè)計(jì)傳動(dòng)比和中間部分的調(diào)節(jié)要求進(jìn)行伺服電機(jī)的選擇
2.3.6 再設(shè)計(jì)出來的錐齒輪和斜齒輪的基礎(chǔ)上，再根據(jù)軸所需要傳動(dòng)的力矩，進(jìn)行軸的設(shè)計(jì)。此處還包括軸肩的設(shè)計(jì)和軸承，鍵的選擇等
2.3.7 進(jìn)行箱體和中間部分之間的導(dǎo)軌選擇。以及固定導(dǎo)軌螺釘選擇和排列。
2.3.8 然后進(jìn)行箱體的設(shè)計(jì)，內(nèi)容主要有確定箱體內(nèi)那個(gè)軸的位置，電機(jī)位置，箱體壁厚，以及箱體固定。
2.3.9 進(jìn)行上面執(zhí)行部分的設(shè)計(jì)?？梢韵劝延颐鎴?zhí)行部分設(shè)計(jì)出來。右面執(zhí)行部分分 3 層，第一層橫向調(diào)節(jié)，第二層縱向調(diào)節(jié)，它們都是直線調(diào)節(jié)，故可以使用相似的調(diào)節(jié)方式，即導(dǎo)軌加絲杠調(diào)節(jié)。還有就是要確定板的厚度。
2.3.10 進(jìn)行右面執(zhí)行部分的第 3 層設(shè)計(jì),這層設(shè)計(jì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，用連桿滑塊調(diào)節(jié)。選擇推力軸承和板厚度的確定。
2.3.11 進(jìn)行左邊執(zhí)行部分的設(shè)計(jì)。部分主要進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。依舊使用螺旋傳動(dòng)方式。進(jìn)行錐齒輪設(shè)計(jì)和電機(jī)的選擇
3. 方案論證和方案選擇
方案論證有兩個(gè)：一個(gè)是上升和下降的調(diào)節(jié)方案論證，一個(gè)是驅(qū)動(dòng)方案論證，這兩個(gè)都要帶有優(yōu)缺點(diǎn)分析。
3.1 高度調(diào)節(jié)方案論證
在對(duì)于高度方向調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)過程中方案選擇介紹以及特性分析： 高度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可采用的方案如下：
圖 3-1 方案一
圖 3-2 方案二
圖 3-3 方案三
圖 3-4 方案四
方案一：對(duì)于方案一而言，它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本也會(huì)相對(duì)比較低，但本次設(shè)計(jì)承載的對(duì)象是重載物體，因此連桿的受力壓力比較大，不僅如此，這個(gè)機(jī)構(gòu)， 隨著距離的下降，桿受到的彎曲應(yīng)力會(huì)跟大，以至于桿會(huì)被壓彎，這個(gè)機(jī)構(gòu)對(duì)于輕型載荷是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但對(duì)于重載，也就是本次設(shè)計(jì)而言，不是很適合。
方案二：既然方案一中的桿會(huì)隨著下降，指示受到的彎曲應(yīng)力很大。那么就應(yīng)該像一種辦法，讓這個(gè)機(jī)構(gòu)隨著位移的改變，彎曲應(yīng)力不會(huì)隨之增大，于是有了方案二的這種方案，這種辦法在受力的方面上得到很大改善，是可以說在受力的問題上已經(jīng)達(dá)到要求，但這種方案，使用了 2 個(gè)升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣 2 個(gè)機(jī)構(gòu)不能很好的保證上升的同步性，如果存在誤差，會(huì)使高度調(diào)節(jié)平臺(tái)產(chǎn)生傾斜，進(jìn)而對(duì)平臺(tái)造成應(yīng)力的增大。所以方案二并不是很完備的方案，仍然有改進(jìn)的空間。
方案三：這個(gè)方案是方案二的改進(jìn)。為了上升的同步性，把升降機(jī)構(gòu)改成了一個(gè)。這個(gè)就可以在高度調(diào)節(jié)中不存在傾斜了。但方案三中的導(dǎo)軌導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不適合， 因?yàn)榭臻g不允許，如果使用用方案三中的機(jī)構(gòu)，將會(huì)占用很大的空間。因此，這個(gè)方案仍然有改進(jìn)的空間。
方案四：滿足了導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的空間問題。
綜上所述，選擇了方案四的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
3.2 驅(qū)動(dòng)的方案論證和選擇
對(duì)于高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方法有兩種： 錐齒輪傳動(dòng)
蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方案分析：
錐齒輪傳動(dòng)：轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比恒定；傳遞速度和傳遞功率都比較大，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。
蝸輪蝸桿傳動(dòng)具有很大的傳動(dòng)比，但它也具有它的劣勢(shì)，比如傳動(dòng)效率低，不是適合在大功率下連續(xù)工作，為了減磨耐磨，蝸輪齒圈需要使用貴重的青銅制造。成本高。
在進(jìn)行蝸輪蝸桿的粗略計(jì)算的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)時(shí)重載，導(dǎo)轉(zhuǎn)矩很大， 使得渦輪的直徑很大，首先在空間上不允許，之后在成本上也不適合。再結(jié)合錐齒輪傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)的性能比較，最終選擇了錐齒輪傳動(dòng)。
4. 具體功能部件與結(jié)構(gòu)計(jì)算
4.1 整體高度調(diào)節(jié)平臺(tái)重量的估算
4.1.1 整體調(diào)節(jié)平臺(tái)的上部分體積 ：280cm×150cm×4cm=168000cm 3 280cm×15cm×16cm=67200cm 3 135cm×28cm×16cm=60480cm 3
總的上部分體積 295680cm 3 ρ=7.85g/cm 3 重 2.32t
取整體調(diào)節(jié)平臺(tái)的下面的其中一個(gè)研究。板后計(jì)為 1cm，再有螺紋孔處可以使用2cm 厚的板
4cm×70cm×45cm=12600 cm 3
1cm×35cm×70cm=2450 cm 3
1cm×70cm×20cm=1400 cm 3
2×10cm×2cm×70cm=2800 cm 3
2cm×10cm×70cm=1400 cm 3
4cm×15cm×70cm=4200 cm 3
1cm×31cm×70cm=2170 cm 3
4.1.2 整體調(diào)節(jié)平臺(tái)下面體積總計(jì)：27.02 cm 3 ×4=108.08 cm 3 重 0.85t
4.1.3 故整體調(diào)節(jié)平臺(tái)總重是：2.32t+0.85t=3.17t
4.2 螺桿的設(shè)計(jì)
根據(jù)整體上下調(diào)節(jié)平臺(tái)的計(jì)算，估計(jì)高度調(diào)節(jié)平臺(tái)，橫向調(diào)節(jié)平臺(tái)，縱向調(diào)節(jié)平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)平臺(tái)的重量為 3t 左右。
故在不工作時(shí)，螺桿的預(yù)受力為 6×10 4 N
在工作時(shí)的載荷達(dá)到 1.4×10 5 N
一共有 2 個(gè)螺桿，每個(gè)螺桿的受力為 7×10 4 N 4.2.1.螺桿中徑：
d 2 = z
j[P ]查表 15.2-9 選取j[P ]=10MPa
d 2 =
0.8
7 ′ 103 mm
= 67mm
4.2.2. 螺母高度：
H=j d 2
j 取 1.2-2.5 j 取 2
H=2×67mm=134mm
4.2.3. 螺旋圈數(shù)：
Z = H P
4.2.4. 螺距：
￡ 10 - 12
Z 取為 12
134
P= 12
mm=11.2mm
4.2.5. 螺紋的工作高度（梯形螺紋）：
h=0.5P=0.5×11.2mm=5.6mm
4.2.6 工作壓強(qiáng)（用于校核）：
F
P= pd 2hz ≤j[P ]
7 ′ 104
= p 67 ′ 5.6 ′ 12 =4.95MPa<10MPa
4.2.7 螺旋升角y 單位 ° 驗(yàn)算自鎖。導(dǎo)程 L=P
自鎖公式：
y = arctan
L ￡ r
pd 2
y = arctan
11.2
= arctan 0.05321
y = 3.046°
r = arctan
p ′ 67
ms
cos a
2
已知α=30° 其中ms 為螺旋副中的摩擦系
數(shù)，查表 15.2-8
r = 8.83°
ms 0.11-0.17 取ms 為 0.15
y < r
可以自鎖[11,12]
4.2.8 螺桿強(qiáng)度校核：
s =
當(dāng)量應(yīng)力
)2 ￡ [s ]
≤[σ]
其中：T-傳遞轉(zhuǎn)矩 Nmm
[σ]-螺桿許用應(yīng)力,見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 15.2-10。載力 F:F=7×10 4 N
此處螺紋牙使用梯形螺紋，理由：此螺紋可以用于傳力螺旋和傳動(dòng)螺旋，如載重
螺旋螺旋式起重機(jī)。
螺紋牙底寬度 b：b=0.65P=0.65×11.2mm=7.28mm
d 2 =
67mm
h=5.6mm
d =d 2 +h=67mm+5.6mm=72.6mm
因?yàn)?p 在 6～12mm 之間，所以牙頂間隙為 0.5mm
d 1 =d 2 -h-1=60.4mm
4.2.9 傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩 T：
對(duì)于單螺紋而言，旋轉(zhuǎn)一周上升一個(gè)螺距（P），可以用這樣的一個(gè)公式表達(dá)：
F · P = T · 2p · h
螺旋傳動(dòng)的效率是30% - 60% ，取50% 。
T = F · P
= 7 ′ 104
′ 11.2 N
· mm
= 249600N
· mm
2p · h
s =
2p · 50%
)2
當(dāng)量應(yīng)力
F= 7 ′ 104 N
d1 =
60.4N
T=249600Nmm
o = = = 26.32MPa < 170MPa
故強(qiáng)度校核符合要求。
熱處理：滲碳，高頻淬火，56-62HRC（洛氏硬度）[13]
20CrMnTi 抗拉強(qiáng)度：sb
= 1080MPa
屈服強(qiáng)度：ss =
查表 15.2-10 螺桿強(qiáng)度
850MPa
[s ]=
ss
3 - 5
分母?。?
[s ]=
ss
3 - 5
= 850 MPa
5
= 170MPa
4.2.10 螺紋牙強(qiáng)度：
剪切[t ]=0.6[s ]=106MPa
彎曲[s ] b =(1.0～1.2)[s ]
螺紋牙強(qiáng)度校核：
螺桿
抗剪強(qiáng)
度t
t
=
F = 7 ′ 104 = <
MPa 4.22MPa
pd 1bz p ′ 60.4 ′ 7.28 ′ 12
106MPa
抗彎強(qiáng)
度sb
t
=
3Fh = 3 ′ 7 ′ 104 ′ 5.6 =
MPa 9.74MPa
pd b 2z p ′ 60.4 ′ 7.282 ′ 12
1
< 170MPa
螺母
抗
剪強(qiáng)度t
t
=
F = 7 ′ 104 = <
MPa 3.51MPa
pdbz p ′ 72.6 ′ 7.28 ′ 12
37.8MPa
抗彎強(qiáng)
度sb
t
=
3Fh = 3 ′ 7 ′ 104 ′ 5.6 = <
MPa 8.1MPa
pdb 2z p ′ 72.6 ′ 7.282 ′ 12
63MPa
表 4-1
螺母材料選用 35 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 ss
= 315MPa
[s ]=
ss
3 - 5
分母取：5 [s ]=63MPa
[t ]=0.6×63MPa=37.8MPa
[s ] b =(1.0～1.2)[s ]=63MPa～75.6MPa[14]
P=11.2mm 表明螺桿旋轉(zhuǎn)一圈，螺母上升 11.2mm
設(shè)計(jì)要求中中間部分上升 300mm 300mm÷11.2mm=26.78 圈 相當(dāng)于 27 圈就可以從最低端升到最高端。
4.3 箱體中斜齒錐齒輪的設(shè)計(jì)
使用斜錐齒輪驅(qū)動(dòng)，螺桿連接的錐齒輪所需要的力矩是 249600Nmm
選用斜錐齒輪的原因：
(1) 和直齒錐齒輪相比，承載能力較大，噪聲較小。
(2) 重合度能大些，齒輪的強(qiáng)度和剛度要優(yōu)于直齒錐齒輪。(3)斜齒錐齒輪的應(yīng)用范圍廣。
多用于大型機(jī)械 模數(shù)>5 的傳動(dòng)低速重載。
4.3.1 主要尺寸的確定
查表 14-3-24 初步計(jì)算公式
齒輪類型
接觸強(qiáng)度
彎曲強(qiáng)度
正交傳動(dòng)斜
齒
d = eZ Z T1K A K Hb
1 b f 3 us 2
H lim
d = 42 T1K A K Fb ′ YF ′ 4 z
1 3 s 1
u 2 + 1 F lim
表 4-2
接觸強(qiáng)度的計(jì)算公式僅適用于鋼對(duì)鋼齒輪副，當(dāng)配對(duì)材料不同時(shí)，應(yīng)將計(jì)算所得到d 1 乘以下列數(shù)值
鋼對(duì)鑄鐵 0.9 鑄鐵對(duì)鑄鐵 0.83
對(duì)于重要傳動(dòng)，應(yīng)將計(jì)算得到的d 1 值增大 15%左右。[15]
注：以下的查的表在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查。
d 1 = eZ b Z f
設(shè)定傳動(dòng)比 u=3，將大錐齒輪和螺桿相連，小錐齒輪為主動(dòng)輪。求出 T 1 ，可以用能量守恒和效率計(jì)算 T 1 。
一般來講，由于加工精度不同和潤(rùn)滑條件的不同，其傳動(dòng)效率在 0.88～0.9。
3T1
· 2p · h
= T · 2p
此處的 T 是上節(jié)的 T 1 =249600Nmm
T
T1 =
3h
= 249.6 N · m
3 ′ 0.88
= 94.55N · m
查表 e=1200 K A =1.35 用零傳動(dòng) 格里森齒制Zb = 1
Z f = 1.683
K Hb
= K Fb
= 1.5K Hbbe =1.5×1.5=2.25
閉式傳動(dòng)的主要失效形式為齒面點(diǎn)蝕和輪齒的彎曲疲勞折斷，因此一般按齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件計(jì)算齒輪的分度圓直徑及主要的幾何參數(shù)，然后再對(duì)輪齒的抗彎疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。
材料使用合金鋼調(diào)質(zhì)。
sHlm
= 800
d 1 = eZ b Z f
=1200×1×1.683×
=107.2mm
對(duì)于重要的傳動(dòng),d 1 增加 15%左右
d 1 ×1.15=123mm
斜齒錐齒輪的幾何計(jì)算使用等頂隙收縮齒
齒輪類型
齒型制
齒型角a
齒頂高系
數(shù)ha *
頂隙系數(shù)c *
螺旋角b
變位方式
斜齒錐齒
輪
格里森
20°
1
0.188 + 0.05
m
由計(jì)算確
定
高切變位
齒數(shù) z：
小錐齒輪 1.通常z1
= 16 - 30
表 4-3
2ha *
2.不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù)z min =
計(jì)算得到的d 1 ×1.15=123mm
sin2 a
cos d =16.22=17
1.對(duì)于模數(shù) m 而言，模數(shù)大些承載能力高些。大型機(jī)械 m 一般≥5.
取模數(shù) m=6
因?yàn)?u=3
z1 = 20
z2 = 60
d 1 =120mm
d 2 =360mm
tan d1 = u
sin S = 1 = 1
+ cos S u 3
d1 =18.435°
3. 變位系數(shù)：
d 2 =71.565°
對(duì)于格里森齒制
x 1 =0.46(1 -
1 ), x
u 2 2
= -x1 ；
xt 1 按圖 14-3-4 選取，xt 1 =-xt 2
4. 錐距：
xt 1 =0.0075
R = d 1
2 sin d1
= d 2
2 sin d2
= 120
2 sin d1
=189.74mm
5. 齒寬系數(shù)fR ，齒寬系數(shù)不宜取的過大，否則將引起小端齒頂過薄，齒根圓角半
f
徑過小，應(yīng)力集中過大，故一般取f = 1 - 1 ，取 = 1
R 4 3 R 4
6. 齒寬 b： b=fR R, 但不得大于 10m
1
b=fR R=
4
×189.74mm=47.435mm<10m=60mm
7. 齒頂高 ha
ha1 ha2
= (ha *
= (ha *
+ x1 )m
+ x 2 )m
= (1 + 0.41)m
= (1 - 0.41)m
= 6 ′ 1.41 =
= 6 ′ 1.41 =
8.46mm 3.54mm
8. 齒高 h：
h = (2ha *
+ c * )m
= (2 + 0.188 +
0.05)m 6
= 13.178mm
9. 齒根高 hf：
hf1 hf2
= h - ha1
= h - ha2
= 4.718mm
= 9.638mm
10. 齒頂圓直徑 da：
da1
= d1
+ 2ha1 cos d1
= 120mm
+ 2 ′ 8.46 ′ cos 18.435 °mm=136.052mm
da2
= d 2
+ 2ha2 cos d2
= 360mm
+ 2 ′ 3.54 ′ cos 71.565 °mm=362.24mm
11. 齒頂角qa ：
qa1
= qf 2
qa 2
= qf 1
12. 齒根角qf 的求法：
因?yàn)槭切饼X輪，要確定螺旋角b 的。
tan qf 1
= hf1
R cos2 b
tan qf 2
= hf2
R cos2 b
13. 先確定螺旋角b 。
3）.旋向的選用：大小齒輪的旋向應(yīng)相反，且其產(chǎn)生的軸向力應(yīng)使兩齒輪趨于分離，如做不到時(shí)，也應(yīng)使小齒輪趨向分離。
因?yàn)楸菊n題設(shè)計(jì)中，錐齒輪要實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。當(dāng)正轉(zhuǎn)軸向力使兩齒輪趨于分 離，當(dāng)反轉(zhuǎn)軸向力就會(huì)使兩齒輪趨于靠近，結(jié)論就是總會(huì)有相互靠近的時(shí)間段。但是考慮到斜齒輪的可以降低噪音，增加重合度，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，強(qiáng)度高。綜合考慮，還是選用了斜齒輪。
p R=189.74mm b=47.435mm m=6 令eb
= 1.2
tan b
= p(189.74 - 47.435) ′ 6 ′ 1.2 189.74 ′ 47.435
= 0.35764
b = 19.68 ° 取b = 20 °
tan qf 1 =
4.718
189.74 ′ cos2 20°
qf 1
= 1.6°
tan qf 2 =
9.638
189.74 ′ cos2 20°
qf 2
= 3.3°
14. 齒頂角qa ：
qa1
= qf 2
= 3.3°
qa 2
= qf 1
= 1.6°
15. 頂錐角da
da1
= d1
+ qa1
= 18.435° + 3.3°
= 21.735°
da 2
= d2
+ qa2
= 71.565° + 1.6°
= 73.165°
16. 安裝距 A： 按結(jié)構(gòu)確定17.外錐高 A：
AK 1
AK 2
= d 2
2
= d 1
2
- ha1
- ha2
sin d1
sin d2
=180mm-8.46×sin18.435°=177.325mm
=60mm-3.54×sin71.565°=56.642mm
18. 齒距 P:
P=p · m = 6p =18.85mm
19. 切圓半徑rt ：
rt =
R sin b
= 189.74 ′ sin 20° =64.9mm
20. 分度圓齒厚 s：
s = (p
1 2
+ 2x1 tan a
cos b
+ xt1 )m
= (p
2
+ 2 ′ 0.41 tan 20°
cos 20°
+ 0.0075) ′ 6
= 11.4mm
s2 = p · m
- s1
= 7.45mm
21. 弦齒厚sn ：
s sin 2b s 3 cos2 d
sn1
= (1 - 1 )(s
4R 1
- 1 1 )cos b =10.7mm
1
6d 2
s sin 2b s 3 cos2 d
sn 2
= (1 - 2 )(s
4R 2
- 2 2 )cos b =7mm
2
6d 2
22. 弦齒高h(yuǎn)n ：
s sin 2b s 2
hn1
= (1 - 1 )(ha
4R 1
+ 1 cos d
1
4d 1
)=8.72mm
s sin 2b s 2
hn 2
= (1 - 2 )(ha
4R 2
+ 2 cos d ) =
2
4d 2
3.552mm
23. 當(dāng)量齒數(shù)zv ：
zv 1
z
= cos d
1
=
z1
· cos3 b
z2
= 20
cos 18.435° · cos3 20°
= 60
=25.4
=228.7
2
v 2 cos d
· cos3 b
cos 71.565° · cos3 20°
24. 端面重合度ea ：
當(dāng)a = 20° 時(shí)， ea 的值可以由圖 14-3-9 查出。
ha * + x
= 1 + 0.41
= 1.5
cos b
ea = ea1
cos 20°
+ ea 2
zv 1 ? 25.4 時(shí)：
ea1 = 1.12
zv 2 ? 228.7 時(shí)：
ea 2 = 1.4
ea = ea1
+ ea 2 =2.52
表 4-4
sFP =
sF limYST
SF min
YdrelTY
RelTYx
（N/mm 2 ）
計(jì)算齒根應(yīng)力
o = K A KV K Fb K Fa Ftm Y
Y Y Y Y (N
/ mm 2 )
F
beF mnm
Fa sa e b k
強(qiáng)度條件：
sF ￡
sFP
使用調(diào)質(zhì)合金鋼
sF lim =
370
YsT
= 2.0
SF min = 1.60
YdrelT
= 1.05
YReelT
= 1.025
Yx = 1.0
代入數(shù)據(jù)得：sFP
2) 計(jì)算齒根應(yīng)力
= 497.8MPa
K A = 1.35 KV = 1.15
Ftm
= 2 ′ T1 = 1576N
d
vb
beF
= 0.85b
= 40.32mm
mnm
= (5(R
- 0.5b)cos bm )/ R = 5
（ z = z
b = arcsin(sin 20o cos 20o ) = 18.7o
vn cos d
cos2
bvb
cos bm
zvn1 = 25
zvn2 =
225
括號(hào)里的數(shù)據(jù)查表用）
0.75 cos2 b
YFa
= 2.3 Y
= 1.9
Y = 0.25 + ?vb
= 0.61
e
1 sa1 e
va
YFa2
= 2.2
Ysa2
= 1.95
Yb = 1 - evb
bm
120o
= 0.8
YK = 1
sF 1 =
sF 2 =
合適
69.9MPa
60.6MPa
￡ sFP
￡ sFP
= 497.8MPa
= 497.8MPa
4.4 箱體中斜直齒輪的設(shè)計(jì)：
齒數(shù)比 u：
U 一般為 6-8 取 u=7
因?yàn)樾″F齒輪的轉(zhuǎn)矩是 94.55Nm
因?yàn)樵趥鲃?dòng)軸的兩端各有一個(gè)錐齒輪，故大斜直齒輪的轉(zhuǎn)矩是 94.55 N · m
×2=189.1 N · m
斜直齒輪的傳動(dòng)效率在 0.9-0.99 之間。取效率為 0.95。可以用能量守恒和效率計(jì)算 T 1 。
7T1
· 2p · h
= T · 2p
此處的 T =189.1 N · m
T
T1 =
7h
= 189.1 N · m
7 ′ 0.95
= 28.5N · m
圓柱齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算公式
齒輪類型
接觸強(qiáng)度
彎曲強(qiáng)度
斜齒輪
d 3 7563 KT1 · u + 1
1 f s 2 u
d HP
m 3 12.43 KT1 · YFs
n f z s
m 1 FP
表 4-5
其中：T1
= 28.5N · m
K = 1.5
fd = 1.1 u = 7
s = sH lim
= 750
= 577
HP S
F min
1.3
帶入數(shù)據(jù)得：d1 3
KT1
39mm
YFs
f
z
mn 3 12.43
m 1
·
sFP
其中： K
= 1.5
T1 =
28.5N · m
fm = 20
復(fù)合齒型系數(shù)Y
= 4.7 s
= sFE
= 350
= 233.3
Fs
取b = 10o
FP S
F min
1.5
帶入數(shù)據(jù)得： mn 3 1.55
取mn
= 2.5
[16]
z1 = 22 z2 = 154
an =
20o
at =
20.284o
n
t
ha * = 1
ha * =
0.985
t
n
c * =
0.25
c * =
0.246
zV 1
xn
= z1
cos3 b
= 0 xt
= 23.034
= 0
zV 2
= z2
cos3 b
= 16