可任意分度的插齿机齿轮加工回转工作台的设计【毕业论文答辩资料】

需要购买对应 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 可任意分度的插齿机齿轮加工回转工作台的设计 F N I 摘要 插齿机作为齿轮加工机床的一种，已逐步体现出其加工的优越性，在滚齿机、铣齿机上无法加工的一些齿轮，如双联齿轮和内齿轮，在插齿机上可加工制造出来。在本课题的设计中，采用步进电机控制回转工作台的转角。在单片机的控制下，步进电机每秒钟发出的脉冲数决定了工作台的转位角度，使该插齿机 成为真正意义上的可任意分度加工，进而可实现加工任意齿数的齿轮。 本课题所设计的回转工作台是用单片机作为控制系统来控制步进电机的转速，动力由步进电机发出，通过齿轮传动和蜗轮蜗杆传动，将动力传递到蜗轮上，蜗轮的转动再带动主轴转动，从而实现与主轴夹紧的工件的转动。所设计的回转工作台实用、简单、可靠、效率高。 关键词 步进电机；回转工作台；单片机；任意分度 s of in on t be e,be on In I a to of of of of be to s to in is be in is by to of is to it to be to my of is is I 目 录 1 绪论 . 1 课题的背景及 应解决的主要问题 . 1 课题的研究目的和现实意义 . 1 齿概述 . 2 齿机类型与适用范围 . 2 齿机类型 . 2 种插齿机的适用范围 . 3 . 3 齿机的外观图 . 3 齿机的工作原理 . 4 齿机的参数 . 5 2 设计方案选择 . 6 度工作台 . 6 控回转工作台 . 6 环数控转台 . 6 环数控回转工作台 . 7 3 工作台设计 . 8 进电机的选择与控制 . 8 进电动机的特点与种类 . 8 进电动机的选择 . 9 进电动机的控制 . 9 轮蜗杆设计计算 . 14 杆传动输入参数 . 14 触疲劳强度计算 . 15 定蜗轮蜗杆的主要尺寸 . 16 定蜗轮蜗杆的传动效率 . 16 择蜗轮蜗杆的精度等级 . 17 轮蜗杆传动的热平衡计算 . 17 轮设计计算 . 18 轮设计输入参数 . 18 轮的材料及热处理 . 18 轮的基本参数 . 18 面接触疲劳强度校核 . 20 齿根弯曲强度校核 . 21 承设计计算 . 21 承方案选择 . 21 承动载荷和寿命计算 . 22 体设计计算 . 23 4 控制系统设计 . 24 片机 . 24 动电路的设计 . 24 源电路设计 . 25 序设计 . 26 结论 . 32 致谢 . 33 参考文献 . 34 附录 . 35 附录 1 . 35 附录 2 . 42 买文档送全套图纸 扣扣 414951605 1 1 绪论 课题的背景及 应解决的主要问题 齿轮是重要的基础传动元件。近年来，随着技术的发展，尽管采用电气、液压传动装置日益增多，对齿轮的需求仍有增无减。目前，中国齿轮市场的年销售额超过了 800亿元。而齿轮加工机床也是结构复杂、制造难度大的机床产品之一。 世界进入 20 世纪，齿轮的需求量迅速增长，从而促进了齿轮加工机床的开发和生产。 20 世纪 70 年代以后，由于现代机械设备的功率、速度、噪声与结构尺寸等工作参数的提高， 以及对加工可靠性的进一步要求，目前齿轮装置的制造精度和内在质量都提高了。齿轮加工技术在高精度、高效率、自动化和柔性化等方面提出更高的要求。当前齿轮机床的发展趋势是：提高精度；提高刚度；提高效率；应用数控技术增加柔性和扩展工艺性能。 插齿机作为齿轮加工机床的一种，已逐步体现出其加工的特殊性，在滚齿机、铣齿机上无法加工的一些齿轮，如双联齿轮和内齿轮，在插齿机上可加工制造出来。为了插齿机工作的可靠性、工艺适应性，增强机床的柔性和自动化程度、简化机械传动结构，特别是为满足一些特殊齿轮加工需要，如各种非圆异形的内啮合 齿轮加工，国外先进工业国家的插齿机产品早在 80年代末就已全部数控化，近年来我国已开发了不同品种的数控插齿机，推向市场，逐步向机电一体化产品发展。 在保证产品质量的前提下 ,如何扩大插齿机的加工范围和降低制造成本是提高产品竞争力的关键所在。产品成本一般包括原材料、工具损耗、机床折旧、工人工资等各项管理费用。他们与劳动生产效率密切相关 ,因此 ,扩大机床加工范围 ,提高产品加工效率是降低产品成本的有效途径。 课题的研究目的和现实意义 在本课题的设计中，采用步进电机控制回转工作台的转角。在单片机的控制下，步进电机 每秒钟发出的脉冲数决定了工作台的转位角度，使该插齿机成为真正意义上的可任意分度加工，进而可实现加工任意齿数的齿轮。 为了扩大插齿机的加工性能，适应某些齿轮加工的需要，插齿机的进给运动，除了 X、Y、 可以绕 X、 Y、 别称 A、 B、 齿机的圆周进给运动，一般由回转工作台来实现。插齿机除了可以实现圆周进给运动之外，还可以完成分度运动，一次装夹即可多次加工，大大提高生产率。 一般插齿机等加工设备都配有回转工作台等标准附件。标准附件的普通回转工作台不能调 整中心 ,使用很不方便 ,在操作过程中必须把中心与回转工作台中心重合装夹后 ,才能进行加工。若如工件有多个中心位置需要加工 ,一次装夹就无法完成。只能是逐个装夹、调整和加工 ,这样做使安装和调整的时间大幅度增加 ,不但影响了加工的效率 ,也降低了工件的加工精度 ,增加产品的制造成本。 2 本课题设计的回转工作台，在加工多个中心的工件时 ,显示出它的优越性 ,调整中心十分方便 ,省去了多次找正、调整和装夹的麻烦。由于一次装夹后实现了多个中心位置的加工 ,明显地减少了因多次调整安装所造成的积累误差 ,所加工零件的尺寸精度比原先有大幅度的提高 ,工效提高 3 倍以上。 齿概述 插齿加工（如图 1示）是由插齿刀具与工件齿轮之间作无间隙的啮合运动，插齿刀具作往复运动，并绕本身轴线转动，在展成运动中加工出工件齿形。插齿是广泛采用的切齿方法，用形状为齿轮或齿条的插齿刀具，与被加工齿轮按一定的速比作啮合运动的同时，刀具沿齿宽方向作往复运动形成切削加工。 插齿运动包括：往复运动、圆周运动、径向进给运动、分度运动和让刀运动。插齿，能加工滚齿、铣齿等无法加工的一些齿轮，如双联齿轮和内齿轮。 插齿方法最常见的是用齿轮型插齿刀插齿，其次是用齿条型插齿刀插齿 。以上两种方法为滚切法，此外还有成形法插齿。 图 1齿刀和插齿运动 1 插齿刀 2 齿坯 齿机类型与适用范围 齿机类型 插齿机按其工件轴线的空间位置分为立式插齿机和卧式插齿机。立式插齿机又可分为工件（工作台）让刀和插齿刀（刀架）让刀两种。卧式插齿机又可分为单插齿刀和双插齿刀两种。卧式插齿机的刀具轴线与工件主轴轴线是水平布置的。 插齿机按其刀具形状分为齿条刀插齿机和圆盘刀插齿机两种型式。齿条刀插齿机也分立式和卧式两种。立式齿条刀插齿机以一把齿条刀作为切削工具；卧式齿条刀插齿机 以两把齿条刀作为切削工具。齿条刀插齿机的生产厂家为数不多，主要以瑞士马格公司为代表，绝大多数厂家都生产圆盘刀插齿机。 目前生产和使用得最多的是立式插齿机。立式插齿机与卧式插齿机的加工原理是相同 3 的，但结构形式差别很大。 种插齿机的适用范围 插齿是加工范围最广的制齿方法之一。和滚齿机一样，插齿机加工也采用展成原理，但插齿的主运动采用往复运动形式，因此圆盘插齿刀轴不仅可在工件的外部 加工外齿轮，也可伸入到工件的内部 加工内齿轮；由于插齿刀切出工件端面只需很小的空间，所以它是加工台阶齿轮 双联或 多联齿轮的主要方法；此外，它还是目前加工齿条、尤其是 7级精度以上齿条的最重要的方法。但是，当用圆盘刀加工斜齿轮时，相应于每一种螺旋角和旋向的斜齿轮需要一特定的斜齿插齿刀，并且在一般情况下，还需要设计专用的插斜齿附件 螺旋导轨。 齿条刀插齿机加工外齿轮时，由于齿条刀的长度有限，当插销到一定齿数时工件必须自动退回到原始位置，同时完成分齿动作，因而滚切过程不是连续的，而是周期性的。用同一把齿条刀既可加工直齿又可加工斜齿，但螺旋角越大，刀具切出时需要的空间越大。齿条刀插齿机只有一对分度蜗轮副，并且齿条刀形状简单容 易达到高精度，所以加工精度较圆盘刀插齿机高。特别是当切制大模数大直径的外齿轮时，齿条刀插齿机的刀架和齿条刀的刚性都可得到加强，因而可获得较高的加工精度和生产率。 圆盘刀插齿机主要用于加工内、外啮合直齿圆柱齿轮，当刀架换装上螺旋导轨时，还可以加工相应的斜齿圆柱齿轮。特别适宜于加工带有台阶的双联或多联齿轮。如采用特殊刀具和专用附件时，可加工各种多边轮廓的工件：无声链轮、棘轮、内外花键、齿形带轮、扇形齿轮、非完整齿齿轮和特殊齿形的离合器、齿条、端面齿轮和锥齿轮等。 齿机的工作原理及其参数 齿机 的外观图 插齿机的外观立体图如图 1 4 图 1齿机的外观立体图 1 插齿刀 2 刀架 3 横梁 4 工件 5 工作台 6 床身 齿机的工作原理 插齿加工按展成原理 滚切法。 插销过程如同一对齿轮作无间隙的啮合运转，其中一个是工件，另一个是特殊的齿轮（插齿刀）。插齿刀本身如同一个修正齿轮，它在磨损后可重复刃磨使用。插齿刀的模数和压力角必须与被加工齿轮的模数和压力角相等，当用圆盘刀插销斜齿轮时两者的螺旋角必须相等，加工外齿轮时两者螺旋方向相反；加工内齿轮时两者 螺旋方向相同。插齿刀每个刀齿的渐开线齿廓和齿顶都做出刀刃：一个顶刃和两个侧刃，它们有前角和后角。 为了在切削时实现滚切过程，插齿刀和齿坯（工件）按不同的方向各绕其本身的轴线回转，它们的相互关系见式（ n/n0=z0/z 式（ 式中 n 工件转速； 插齿刀转速； z 工件齿数； 5 插齿刀齿数。 滚切运动是形成工件渐开线齿廓所必须的，插齿刀 轴的上下往复运动（主运动）形成齿线。 此外，整个加工过程还需要插齿刀相对于工件作径向进给（切入）运动。这个运动根据具体情况可分为一次至多次进行。若采用一次进给，则一次进给到全齿深时为止。此后插齿刀与工件继续对滚，当工件转过一整转时，全部轮齿切到全齿深，加工结束。刀架或工作台退出并回到原始位置。 通常，插齿刀轴向下运动为工作行程，向上运动为空行程。滚切运动、进给运动和刀轴往复运动同时进行，为了避免插齿刀刮伤已加工的工件表面，在插齿刀空回行程时，插齿刀相对于工件还必须有一个让刀运动，而在工作行程开始时插齿刀（或 工件）必须回复到原来的位置。 齿机的参数 插齿机的主要联系尺寸如图 1床的参数应符合表 1规定。 图 1齿机主要机床尺寸 表 1大工件直径 D 00 320 500（ 800） 1250（ 2000） 3150 最大模数 m 6 8 12 16 最大加工齿宽 B 0 70 100 160 240 插齿刀 主轴 轴颈 D 0 锥孔 莫氏三号 1： 20 插 齿 刀 孔径 0 80 100 180 240 4 4 8 16 槽宽 12 14 22 36 注 =1250轴应增加轴颈直径为 当 D=3150轴应增加轴颈直径为 889 6 2 设计方案选择 回转工作台是插齿机不可缺少的重要附件。它的作用是按照控制装置的信号或指令作回 转分度或连续作回转进给运动，以使插齿机能完成指定的加工工序。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。 分度工作台 分度工作台的功能是完成回转分度运动，即按照控制系统的指令，在需要分度时，将工作台及其工作台回转一定角度。其作用是在加工中自动完成工作的转位换面，实现工件一次安装完成几个面的加工。按照采用的定位元件的不同，有定位销式分度工作台和鼠牙盘式分度工作台。分度工作台通常由于结构的关系，仅能作规定好的度数的分度运动，不能连续旋转运动。机床的分度结构，它本身很难保证工作台的分度的高精度的要求不 适合本设计要求。 数控回转工作台 数控回转工作台的功用有： （ 1）使工作台进行圆周进给完成切削工作； （ 2）使工作台进行分度工作。 它按照控制系统的指令，在需要时候完成任务。其作用是既能作为数控机床的一个回转坐标轴，用于加工直线、曲线、圆弧或与直线坐标轴联动加工曲面，又能作为分度头完成工作的转位换面。这正式本设计所需要的。 再看数控回转工作台与分度工作台的区别，数控回转工作台，从外形上看，与分度工作台没有什么区别，但在结构上有以下一系列特点，现就开环数控工作台和闭环数控工作台分述如下： 开环数控转台 开环系统数控转台是由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。数控转台一般由电液脉冲马达或功率步进电机驱动，当接到控制系统的回转指令后，首先要把蜗轮松开，然后开动电 液脉冲马达，按照指令脉冲来确定工作台回转的方向、回转的速度快慢、回转的角度大小以及回转过程中速度的变化等参数。当回转工作台回转完毕后，再把蜗轮夹紧恢复到原来的位置。数控转台的分度定位是按控制系统所指定的脉冲数来决定转位角度的，没有其他的定位元件。因此，对开环数控转台的传动精度要求高，传动间隙应尽量小。 数控回转工作台既没有鼠 牙盘，也没有定位销，它的定位精度完全是由控制系统来决定的。因此，对于开环系统的数控回转工作台，要求它的传动系统中没有间隙，否则在反向时产生传动误差而影响定位精度。 7 当工作台静止时，必须处于锁紧状态。为此，在蜗轮底部的辐射方向装有 八 对夹紧瓦，并在底座上均布同样数量的小液压缸。当小液压缸的上腔接通压力油时，活塞便压向钢球，撑开夹紧瓦，并夹紧蜗轮。在工作台需要回转时，先使小液压缸的上腔接通回油路，在弹簧的作用下，钢球抬起，夹紧瓦将蜗轮松开。 回转工作台的导轨面由大型滚动轴承支承，并由圆锥滚柱轴承及双列向心圆柱滚子 轴承保持准确的回转中心。数控回转工作台的定位精度主要取决于蜗杆副的传动精度，因而必须采用高精度蜗杆副。在半闭环控制系统中，可以在实际测量工作台静态定位误差之后，确定需要补偿角度的位置和补偿的值，记忆在补偿回路中，由数控装置进行误差补偿。在全闭环控制系统中，由高精度的圆光栅发出工作台精确到位信号，反馈给数控装置进行控制。 回转工作台设有零点，当它作回零运动时，先用挡铁压下限位开关，使工作台降速，然后由圆光栅或编码器发出零位信号，使工作台准确地停在零位。数控回转工作台可以作任意角度的回转和分度，也可以作连续回转 进给运动。 这种数控回转工作台的驱动采用开环系统，其定位精度主要取决于蜗杆蜗轮的运动精度，虽然采用高精度的五级蜗杆蜗轮副，但还是不能满足机床的定位精度 10 。因此还需要借助于数控装置进行误差补偿。 回转工作台的导轨面是由大型滚柱轴承支承，径向又有圆锥滚子轴承及双列向心圆柱滚子轴承保证回转平稳，并有上述强力夹紧机构。因此回转工作台的刚度很好。 闭环数控回转工作台 闭环数控回转工作台一般采用直流或交流伺服电机驱动，其结构与开环数控转台大致相同。区别在于：闭环 数控回转工作台有角度测量元件（圆光栅或圆感应同步器）。所测量的结果反馈与指令进行比较，按闭环原理进行工作，使回转工作台定位精度更高。 总结，对以上三种方案进行分析，它们各有优缺点，为了达到设计要求，我选择开环数控回转工作台。另外，为了消除蜗轮副的传动间隙，采用双导程蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置来调整间隙。 在此设计中将采用此结构来控制工作台绕 用步进电机驱动，通过变速齿轮和蜗杆传递动力给大蜗轮，从而带动附加工作台在 8 3 工作台设计 进电机的选择与控制 进电动机的特点与种类 进电动机的特点 步进电动机又称为脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，既每当电动机的绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数与频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量，频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得所需的转角，转速及转向，很容易用微机实现数字控制。步进电动机具有以下主要特点： （ 1）步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素（如电源电 压的波动，电流的大小与波形的变化，温度等）的影响，只要在他们的大小未引起步进电动机产生“丢失”现象之前，就不会影响其正常工作； （ 2）步进电动机的步距角有误差，转子转过一定的步数以后也会出现累计误差，但转子转过一转之后，其累计误差就会变为“零”，因此不会长期积累； （ 3）控制性能好，在启动、停止、反转时不易“丢失”。 因此，步进电动机被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠的获得较高的位置精度。 进电动机的种类 步进电动机的种类很多 ,有旋转式步进电动机 ,也有直线步进电动机 ;从 励磁相数来分有三相 ,四相 ,五相 ,六相等步进电动机 可将其分为一下三种 : （ 1）可变磁阻型 ( 该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动 ,故又称作反应式步进电动机 ,其结构原理为 :其定子与转子由铁心构成 ,没有永久磁铁 ,定子上嵌有线圈 ,转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动 ,并由此而得名可变磁阻型 转子直径小，有利于高速下的响应 故不需要改 变电流极性 ,为此多为单极性励磁 . 该类电动机的定子与转子均不含永久磁铁 ,故无励磁时没有保持力 需要将气隙做得尽可能小 ,例如几个微米 效率低 ,转子的阻尼差 ,噪声大等缺点 . （ 2）永磁型 (步进电动机的转子采用永久磁铁 ,定子采用软磁钢制成 ,绕组轮流通电 ,建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩 ,这种电动机采用了永久磁铁 ,即使定子 9 绕组断电也能保持一定转矩 ,故具有记忆能力 ,可用作定位驱动 电动机的特点是励磁功率小 ,效率高 ,造价便宜 ,但由于转子磁铁的磁化间距受到限制 ,难于制造 ,故步距角较大 . （ 3）混合型 (这种电动机转子上嵌有永久磁铁 ,故可以说是永磁型步进电动机 ,但从定子和转子的导磁体来看 ,又和可变磁组型相似 ,所以是永磁型和可变磁组型相结合的一种形式 ,故称为混合型步进电动机 ,它不仅具有 步进电动机步矩角小 ,响应频率高的优点 ,而且还具有 效率高的优点 R 型没有多大的差别 ,只是在相数和绕组接线方面有其特殊的地方 ,例如 ,一般都作成集中绕组的形式 ,每极上放有一套绕组 ,相对的两极为一相 ,而 步进电动机的定子绕组大多数为四相 ,而且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路绕一相绕组 ,按正反脉冲供电 . 这种类型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决定步距角的大小 ,可制造出步距角较小的电动机 可使用轴向各向异性磁铁制成高效电动机 . 进电动机的选择 本设计选用反应式步进电动机，其技术性能数据如下： 型号： 75数： 3 步距角： 1.5/o（ ） 电压 : 24V 相电流 : 3A 最大静转矩 : 空载起动频率 : 1750 步 /S 电感 : 19阻 : 分配方式 : 三相六拍 外形尺寸 : 75 6) 转子动惯量： 210 m 重量： 进电动机的控制 控制步进电动机的运行速度实际上就是控制系统发出 冲的频率或者是换相的周期 ,系统可用两种办法来确定 一种是延时 ,一种是定时器 . （ 1）延时方法 这种方 法是在每次换相后 ,调用一个延时子程序 ,待延时结束后再次执行换相子程序 , 10 延时子程序的延时时间与换相子程序所用的时间的和就是 例如 : 正转一步 调用延时子程序 返回继续 （ 2）定时器方法 片内部有两个定时器 ,都是可编程的利用定时器的定时功能就可以产生任意周期的定时信号 ,从而可以方便地控制系统输出 我们 将电动机的换相子程序放在定时器中断服务程序中则定时器中断一次电动机就换相一次 ,从而实现对电动机的速度控制 ,在本设计中 ,电动机的驱动频率是每秒 2500 步(2500则周期为 400 s. 计算装载初值 : 1 6 6 60( 2 ) 1 0 4 0 0 1 0 初 值X=于从定时器申请中断到系统响应中断 ,再到中断服务程序中对定时器进行装载 ,都需要花费一定的时间 ,这个时间形成附加延时 ,为实现精确定时 ,应将这个时间