毕业设计（论文）-机构仿真Lisp程序开发与精密微型轧机的设计.doc

洛阳理工学院毕业设计（论文） i 机构仿真 lisp 程序开发与精密微型轧机的设计 摘 要 本论文主要介绍了机构仿真和轧机的设计，通过运用仿真软件 lisp 程序，绘 制出一些简单的零部件，机构方面是介绍了几种常用的一些机构进行了仿真，它 具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点，可以减少生产设 计中的成本，已成为对系统进行分析、设计、试验和评估的有效方法。 本论文设计的轧机是 zdw-01 型实验室用小型两辊可逆轧机，通过强大的压 力，使金属材料变形，轧机是成型加工必不可少的设备之一，对轧机的研究逐步 深入，本设计的轧机调整过程省时、省力，传动装置简单可靠，便于维修和调整， 轧机总体结构紧凑、体积小，可满足各类科研试验和中小企业小批量生产中种类 多、批量少的板、带材轧制要求。 本文基于 autocad 的 lisp 开发平台实现了机构运动仿真动画演示，根据这 些演示结果对轧机进行必要的优化设计，改进结构设计参数，从而可以使轧机在 满足强度和刚度的情况下具有较合理的结构，通过 nc 转换后生成的数据链表， 可以实现数控仿真。 关键词：加工仿真，机械运动分析，轧机 洛阳理工学院毕业设计（论文） ii machining simulation and analysis ofmechanism motion enable design in mill abstract this paper mainly introduced the design of simulation and mill organization lisp, through the application of simulation software program, mapped some simple components, the agency is introduced some common simulated some institutions, it has economic, reliable, practical, safe, flexible, can be repeated use of advantages, can reduce production cost, has become in the design of the system analysis and design, test and assessment method. this paper zdw of rolling mill is designed with small 2001-02 type laboratory two roller reversible through powerful rolling mill, pressure, make metal material deformation, mill is one of necessary equipments for shaping the research of rolling mill, deepens, this design of rolling mill adjustment process save time, energy, transmission device simple, reliable and convenient in maintenance and adjustment, mill overall compact structure, small volume, can meet all kinds of scientific research test and small and medium-sized enterprise small batch production in many species and batch less board, strip rolling requirements. based on autocad lisp development mechanism motion simulation platform and realize the animation, according to these demonstration on the mill is necessary to the optimized design, structure is improved, which can make the design parameters in satisfy the intensity and rigidity of rolling mill of cases has a reasonable structure, through the nc after converting data generated linked list, can achieve nc simulation. key words: machining simulation，mechanical motion，analysis mill design 洛阳理工学院毕业设计（论文） iii 目 录 前 言.1 第 1 章 加工仿真.2 1.1 仿真简介.2 1.2 仿真的目的.2 1.3 仿真的过程.3 1.4 加工仿真的原理.3 1.4.1 加工仿真的基本结构.3 1.4.2 加工仿真的程序运行流程.4 1.5 工件图的加工.4 1.5.1 简单工件图的加工4 1.5.2 复杂工件图的加工.7 第 2 章 机构运动的仿真.10 2.1 机构的简介.10 2.2 平面机构具有确定运动的基本条件.10 2.3 运动仿真的分析和目的.11 2.4 运动分析的基本方法.11 2.5 dcl 对话框.12 2.6 典型机构运动实例.13 2.6.1 四杆机构加滑块的运动分析.13 2.6.2 曲柄机构摇杆处于不同位置的分析.14 第 3 章 zdw-01 型实验室用小型两辊轧机的简介型实验室用小型两辊轧机的简介.16 3.1 轧机的用途及其发展.16 3.2 轧机的结构及原理分析.16 3.3 轧机的用途及其发展.17 3.4 zdw-01 轧机结构特点和使用范围.18 第 4 章 zdw-01 型实验室用小型两辊轧机的设计 .20 4.1 轧机的已知数据.20 4.2 运动参数机动力参数的计算.20 洛阳理工学院毕业设计（论文） iv 4.3 v 带轮的设计21 4.3.1 带传动的介绍.21 4.3.2 带的选择.22 4.4 蜗杆传动的类型及特点.24 4.4.1 蜗杆传动的类型.24 4.4.2 蜗杆传动的特点.24 4.5 蜗杆传动参数的选择.24 4.6 蜗杆的结构设计.28 4.7 蜗杆的受力分析.28 4.7.1 蜗杆的受力简图.28 4.7.2 求作用在蜗杆上的力.29 4.7.3 计算弯矩图的数据.29 4.8 各个零件在装配图中的功能.30 结 论.31 谢 辞.32 参考文献.33 附 录.34 外文资料翻译.37 洛阳理工学院毕业设计（论文） 1 前 言 科学技术的快速发展对机械系统的性能分析与设计提出了越来越高的要求。 建立对机械系统进行仿真与设计，对于机械的开发与设计具有极其重要的作用。 加工仿真属于一门基础性学科，它是利用模型进行的一种试验，可极为有效 而经济地用于科研、设计、训练以及系统的试验。机构运动仿真分析，是指利用 计算机仿真软件求解机构的运动学或力学方程，以此确定机构在连续运动过程中 的参数之间的关系，其包括三方面的内容：位置分析，速度分析，加速度分析， 机构运动学是研究机构的位置、速度、加速度与位置变量之间的关系，并不考虑 产生这一运动的力。 实验室轧机的设计主要反应的是一些机械方面的基础，零件尺寸的选择，粗 糙度、平行度等公差的标注，受力的分析。从轧机的设计可以充分的运用了自己 所学的机械理论知识和查机械手册的水平能力。 本论文主要介绍了加工仿真原理与案例、机构运动仿真与案例，以及在轧机 设计中的运用，通过具体实例提出利用几何法进行机构的运动仿真分析,及将对 机构的运动规律分析转化为对基本单元的运动规律分析.同时提出了运动副的自 动生成、运动机构的自动搜索及机构的识别等核心算法,有效地减少在虚拟环境 下完成装配仿真后机构运动仿真前处理的工作量,提高了机构运动仿真的智能化 程度。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 2 第 1 章 加工仿真 1.1 仿真简介 加工仿真是近三十年发展起来的一门新兴的技术科学，它涉及系统分析、控 制理论、信号处理、计算方法等各专业理论与技术，在科学研究、教育训练和工 程实践等方面发挥着巨大的作用，应用前景比较广阔。 仿真英文全称是:simulation，即使用项目模型将特定于某一具体层次的不 确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目整体的层次上表示的。项目仿 真利用计算机模型和某一具体层次的风险估计，一般采用蒙特卡了法进行仿真。 通过模型建立、模型转换、仿真实验、结果分析等过程达到预期的目的，加工仿 真具有精度高，使用方便，修改参数容易，采用程序控制，自动化程度高。当所 研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化 所引起的仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真过 程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。 1.2 仿真的目的 仿真的目的是通过建立各种模型对数控加工过程进行仿真,期望达到以下目标： (1) 检验数控加工程序的几何正确性：通过数控加工仿真可用几何图形、图 像或动画的，方式显示加工过程,从而检验零件的最终几何形状是否符合要求,在 加工过程中是否有忘记加工的现象，刀具运动过程中是否会与夹具或机床产生碰 撞,从而确保能加工出符合设计的零件,并避免刀具、夹具和机床的不必要损坏。 (2) 检验数控加工参数的合理性：数控加工参数,如切削深度、切削速度和进 给量的选择直接影响最终零件的表面质量和精度,并对刀具寿命和机床变形等有直 接影响,通过仿真可对数控加工参数进行优化,从而提高产品质量或提高加工效率。 (3) 为在线精度补偿提供依据：在仿真过程中计算切削力、切削热,进而计算 洛阳理工学院毕业设计（论文） 3 出工件、刀具、夹具和机床的变形量,以便进行在线精度补偿,从而提高加工精度。 (4) 预测刀具寿命：根据刀具和工件的材料属性、加工过程中的物理参数切 削热、切削力可计算出刀具的使用寿命,以便当刀具接近寿命极 限时及时换刀,避 免因刀具刀刃崩裂或过度磨损产生废品或使夹具和机床产生不必要的损坏。 (5) 进行技术培训：传统的技术培训方式是,操作人员学习了基本理论和操作 规程后,直接到现场练习,动手开动数控机床进行加工,由于初学者不可避免地要犯 各种错误,因此常常造成零件废品,甚至导致昂贵的数控机床损坏。利用数控加工 仿真系统进行技术培训可降低培训成本,提高培训速度和质量,因此这种培训方式 越来越受到重视。 1.3 仿真的过程 仿真的过程如下所述: (1) 描述问题，明确目的，进行方案设计与系统定义。 (2) 建立系统的数学模型。 (3) 将系统的数学模型转换为仿真模型。 (4) 编制仿真程序。 (5) 进行仿真实验并输出结果 。 (6) 根据试验要求，对结果进行分析、整理和文档记录，根据分析的结果修 正数学模型和仿真程序，重新进行试验。 1.4 加工仿真的原理 1.4.1 加工仿真的基本结构 本程序由一个主调程序和六个子程序组成。各个分程序结构及其功能介绍： (1) nc.lsp 这是本设计程序的主程序，主要的作用是组织子程序的运行次序和 对子程序的调用。 (2) nc 代码 这个子程序是写备用文件用的，每次程序运行的时候，都会自动 生成一个 tt.txt 文件，用以对结论的判断和资料的保存。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 4 (3) zdw.lsp 此子程序的作用是捕获所绘图形的基本信息，并配合模拟加工。 (4) 仿真.lsp 这是对整个加工路线进行仿真模拟的程序。 (5) 加工代码.lsp 这是本程序的关键段，它根据所绘图形的基本数据， 程序 结构图生成源代码，从而可直接与轧机机床形成对接。 (6) 线方向计数器.lsp 这是针对所绘直线的进行参数确定用的。 (7) 圆转向及起点象限计数器.lsp 这是对所绘的圆和圆弧进行参数确定用的。 1.4.2 加工仿真的程序运行流程 本程序充分利用了 autocad 软件对所绘图形的资源库及较好的组建及管理 功能，结合实际应用的需要，对生成的备用文件及 nc 加工代码的所允许的数据 进行统一的分配及处理，提高了程序的可靠性，也精简了程序的设计过程。具体 的操作流程如下： (1) autocad 下的机械图纸设计。 (2) 运行捕获信息的子程序。 (3) 提示用户选择加工路线。 (4) 数据处理。 (5) 自动模拟仿真加工过程。 (6) 构件信息文件输出。 (7) nc 代码的输出。 1.5 工件图的加工 1.5.1 简单工件图的加工 一般来说线性零件较容易加工，因为现行零件的尺寸结构简单，且输入程序 较为便捷，走刀时没有曲折，所以一般用仿真软件进行对线性零件的模拟，能够 得到较为理想的效果。例如丁字尺的加工前后工件图如图 1-1 和图 1-2 所示。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 5 图 1-1 丁字尺加工仿真前的图 图 1-2 丁字尺加工仿真后的 仿真加工前后，通过在 autocad 中加载 nc，就可以在文件中找出程序生成 的程序。 程序的操作是在 autocad 中选择工具，点击选项、添加，加入 nc 应用，然 后再点击加载运用程序，选择 nc.lsp,画图，输入 bb，然后按指示操作就可以完成 仿真过程。 把图片有 autocad 置入 word 中的操作过程是：先点击 alt+print screen sysrq 键，然后在程序中选择画图，点击编辑后粘贴，按鼠标右键选择反色单击后，选 择选定，然后就可以复制到 word 版本中了，这种方法操作方便，可以根据自己 需求的资料进行合理的修剪，这样做出的图美观和便捷。 程序的代码如图 1-3 所示。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 6 图 1-3 丁字尺加工程序代码图 小红旗的仿真前后加工图形如下图所示： 程序代码图如图 1-4 所示。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 7 图 1-4 小旗的加工仿真程序图 1.5.2 复杂工件图的加工 复杂零件就是有线性和曲线组合而成的图形，这类零件的加工较现行零件较 难一些。 轴的加工如图 1-5 和图 1-6；轴的加工程序代码为图 1-7 所示。 图 1-5 轴的图形图 1-6 轴加工仿真后的图形 洛阳理工学院毕业设计（论文） 8 图 1-7 轴加工的程序代码 支架的加工如图 1-8 和 1-9 所示。 图 1-8 支架工件图 图 1-9 支架工件加工仿真后图 加工程序代码如图 1-10 所示。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 9 图 1-10 加工代码 洛阳理工学院毕业设计（论文） 10 第 2 章 机构运动的仿真 2.1 机构的简介 机构（mechanism）是两个或两个以上的构件通过活动联接以实现规定运动 的构件组合。连杆机构是有若干构件用低副（传动副、移动副、球面副等）连接 而成，故又称低副机构。机构的运动特性主要取决于构件间的相对尺寸、运动副 的性质以及相互配置方式等 。机构中用以支持运动构件的构件称为机架，用作 研究运动的参考坐标系。 机构的种类繁多。按组成的各构件间相对运动的不同 ，可分为平面机构 （如平面连杆机构等）和空间机构（如空间连杆机构等） ；按运动副类别可分为 低副机构（如连杆机构等）和高副机构（如凸轮机构等） ；按结构特征可分为连 杆机构、齿轮机构、斜面机构、棘轮机构等；按所转换的运动或力的特征可分为 匀速、非匀速转动机构、直线运动机构、换向机构、间歇运动机构等。 2.2 平面机构具有确定运动的基本条件 为了使机构具有确定的相对运动，必须研究机构的自由度。机构能够产生独 立运动的数目称为机构的自由度。 平面机构具有确定运动的基本条件：机构的原动件个数应等于机构的自由 度数目；若原动件数小于自由度数，机构无确定运动；若原动件数大于自由度 数，机构在薄弱处损坏 。 平面机构的自由度的计算方法： 式中 n活动构件数， hl p2p3nf n=n-1,其中 n 为机构中的构件数，包括机架在内；机构中的低副数目； l p 机构中的高副数目；f机构中的自由度数。 h p 一个连杆机构，总可以看成是原动件与自由度为 0 的构件和机架相连而组成 的。原动件与机架组成的机构称为级机构，如电动机，杠杆机构或斜面机构等； 最简单的、不可再分的自由度为 0 的构件组称为基本杆组。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 2.3 运动仿真的分析和目的 机构的运动分析，就是根据给定的原动件写出运动规律，求出机构中其它构 件的运动，即求出各构件的位置、速度、加速度、或角位置、角速度，角加速度 等运动参数。其目的在于研究评价机构的运动及动力性能，或求出某些构件上特 定点的轨迹，以确定机构的行程或外形尺寸。总之，运动分析是了解、分析现有 机械或优化综合新机械的基本手段。 计算机动态仿真技术已经广泛应用在机构的研究和设计中,对机构进行运动仿 真,在动态显示前,需要对原动件写出周期运动的整个过程,即组成机构的所有构件 的运动位置进行分析计算,得到机构在做周期运动过程中所有构件均满足和不满足 装配条件的原动件位置信息,该过程可称作机构仿真的预算运行,将满足装配条件 的区域称为可行域。由此提出了机构运动仿真的可行性概念。这样,在运动仿真演 示时,显示的是机构在可行域内的连续运动。该理论的提出对于生产中机构运动情 况的分析与问题解决、以及机构的优化设计等具有重要意义。 2.4 运动分析的基本方法 本运动分析，一般来讲有图解法和解析法。 (1) 图解法 用图解法记录机构的位置图时，主要采用圆弧相交法。由原动 件的已知位置开始，按机构的组成顺序，逐步按杆组依次确定各个构件的位置。 (2) 杆组法 根据机构组成原理，机构可由级机构本杆组组成，当给定 级机构的运动规律后，机构中各基本杆组的运动是确定的、可解的。因此，机 构的运动分析可以从级机构开始，通过逐次求解各基本杆组来完成。这样，把 级机构和各类基本杆组看成是各自独立的模块，分别建立其运动分析的数学模 型并编制程序，对其位置、速度和角速度、加速度和角加速度等运动参数进行求 解。 2.5 dcl对话框 对话框是操作者与计算机对话的工具，所以是必不可少的，我们的对话框是 使用 dcl 语句所编写的，该语言以 ascii 文件形式定义对话框,对话框中的各种 洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 元素又称为控件,控件的尺寸和功能由控件的属性控制。用户只需提供最基本的位 置信息,autocad 就可以自动确定对话框的大小和布局。visual lisp 提供了查看 对话框的工具, 在 visual lisp 菜单中选择“工具” “界面工具” “预览编辑器中 的 dcl”命令,可以显示编辑器窗口中定义的对话框。对话框设计好以后,可以在 visual l isp 中用 load dialog 函数加载 dcl 文件;用 new_ dialog 函数初始化对 话框; 用 start _ dialog 函数将对话框的控制传递给 autocad 以便演示给用户;调 用 unload dialog 函数,在用户响应后从内存中删除对话框。在其上可以选择所要 的机构，其界面如图 2-1。 图 2-1 dcl 对话框图 dcl 对话框的程序如图 2-2 所示。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 图 2-2 dcl 对话框程序图 2.6 典型机构运动实例 在典型机构中的分析有位移，速度，加速度曲线等。我们能从这些数据中得 到机构的运动形态和方式，下面为经过演示所得的图形，在这些图形中我们可以 看到机构的形态，主要构件的运动轨迹等。下面介绍一些结构的运动仿真实例， 例如四杆机构、滑块机构、摇杆滑块机构、牛头刨床机构等。 2.6.1 四杆机构加滑块的运动分析 铰链滑块机构的工作原理：铰链滑块机构是四杆构和滑块共同作用来完 成机械运动的一种组合机构。以图 2-3 铰链滑块机构运动图作为例图详细说明 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 工作原理。以曲柄 ab 为主动件，导杆 ef 为运动输出构件。通过曲柄 ab 的连 续转动，从而带动摇杆 cd 在 c 点的两极限点间来回摆动，在曲柄 ab 和摇杆 cd 的共同作用下使滑块-连杆在 ef 范围内上下移动。 以上小节的曲柄摇杆作为基础，摇杆处于不同位置运动的情况进一步分析铰 链-滑块机构的运动。 图 2-3 铰链-滑块机构及运动模拟曲线 从图 2-3 铰链滑块机构及运动模拟曲线我们可以看出，运动平稳，空回时， 急回特性不太明显，工作效率一般，速度 v 有较大的波动，加速度 a 也有较大波 动。 2.6.2 曲柄机构摇杆处于不同位置的分析 图 2-4 为用户在 autocad 环境下，通过人机交互输入方式画好的四杆机构动 以及根据机构运动绘制的摇杆位移 s，速度 v 和加速度 a 在转动一个周期（）2 内变化规律的模拟运动曲线。 机构的运动特性主要反映摇杆的位移 s，速度 v 和加速度 a 的变化，通过调 整几何参数，可获得不同的运动特性。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 图 2-4 四杆机构及运动模拟曲线 曲柄摇杆机构摇杆为图 2-4 所示位置时，ab 为曲柄、cd 为摇杆，回程时四 杆机构的急回特性不明显，运动较平稳。 图 2-5 四杆机构及运动模拟曲线 曲柄摇杆机构摇杆为图 2-5 所示位置时，ab 为曲柄、cd 为摇杆，四杆机构 的运动不平稳，但是回程时有明显大的急回特性，工作效率较高。四杆机构的这 种急回作用，在各种机器中可以用来节省空回行程的时间，以节省动力和提高生 产率。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 16 第 3 章 zdw-01 型实验室用小型两辊轧机的简介型实验室用小型两辊轧机的简介 3.1 轧机的用途及其发展 轧机是实现金属轧制过程的设备。泛指完成轧材生产全过程的装备，包括有 主要设备辅助设备起重运输设备和附属设备等。但一般所说的轧机往往仅指 主要设备。 各类材料轧制科研实验和中小企业小批量生产中，轧制试样或产品品种多、 批量小、尺寸一般比较小，轧制设备根据不同产品和试样条件需频繁调整，调整 工作量大，此外，实验室或中小企业厂房空间较小，无法摆放体积庞大的工业用 轧机。zdw 系列轧机采用新型专利技术，利用蜗轮蜗杆传动机构带动两轧辊的 运动，无须更换齿轮即可在 020 毫米之间任意调整轧制板、带材厚度，调整过 程省时、省力，传动装置简单可靠，便于维修和调整，轧机总体结构紧凑、体积 小，可满足各类科研试验和中小企业小批量生产中种类多、批量少的板、带材轧 制要求。 3.2 轧机的结构及原理分析 轧机的主要设备有工作机座和传动装置。 工作机座:由轧辊轧辊轴承机架轧机座轧辊调整装置上轧辊平衡装 置和换辊装置等组成。 轧辊:是使金属塑性变形的部件。 轧辊轴承:支承轧辊并保持轧辊在机架中的固定位置。轧辊轴承工作负荷重而 变化大，因此要求轴承摩擦系数小，具有足够的强度和刚度，而且要便于更换轧 辊。 轧机机架:由两片“牌坊”组成以安装轧辊轴承座和轧辊调整装置，需有足够 的强度和钢度承受轧制力。 轧机座:用于安装机架，并固定在地基上，又称地脚板。承受工作机座的重力 和倾翻力矩，同时确保工作机座安装尺寸的精度。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 17 上轧辊平衡装置:用于抬升上辊轴及防止轧件进出轧辊时受冲击的装置。 传动装置:电动机、皮带轮、蜗杆与蜗轮、机架等组成。 3.3 轧机的用途及其发展 图 3-1 小型轧机仿真图 如图 3-1 所示为传统的小型轧机，由于小型轧机用齿轮啮合传动动力，实现 板型轧制，所以轧制的板型厚度相对比较单一，且调整相对较为繁琐，而又由于 本轧机是做科研实验之用，所以需要频繁的调整上齿轮的高度，已达到调节间隙， 进而达到调节轧制板材厚度的目的，又由于齿轮啮合需要一定的条件，否则就啮 合不好，效率不高；另外当板材厚度达到一定的厚度时，现有齿轮不能满足要求， 在这种情况下就要更换齿轮，总而言之，由于传统的小型轧机用齿轮啮合，所以 造成调节板型的厚度很不方便且范围很小，效率也比较低，给工作造成了很大的 不便。 为了改变这种局面，特对现有轧机进行了改造，以期克服上述缺点。蜗杆传 洛阳理工学院毕业设计（论文） 18 动是由蜗杆和蜗轮组成的交错轴齿轮传动机构。通常以蜗杆为主动件，实现减速 传动。 由改进结构图可知(图 3-2),蜗杆固定在机架上,两个蜗轮的距离随着蜗杆的转 动而发生改变(下轧辊是固定的),从而使轧辊的轧制厚度随着两个蜗轮的距离大小 的变化而得到改变,这样就省去了当距离过大而需要更换齿轮所带来的繁琐操作。 从而使操作更简便,工作效率提高。 图 3-2 改进轧机结构图 3.4 zdw-01 轧机结构特点和使用范围 实验室用小型轧机的结构特点是： 1可实现 0 至 20 毫米之间任意调整轧制厚度。 zdw 型实验室用小型可逆两辊轧机，利用改进的蜗轮蜗杆传动机构，蜗杆 位置固定，电机通过皮带轮把扭矩传到蜗杆，再通过两轧辊端部蜗轮传递扭矩， 带动轧辊转动。当轧辊间隙发生改变时，蜗轮蜗杆的中心距并不随之改变，仍保 洛阳理工学院毕业设计（论文） 19 持原有啮合状态，只是蜗轮在蜗杆上的啮合位置发生改变，传递扭矩的能力不受 影响，从而实现了轧制厚度可以在 020 毫米之间任意调整。 2轧制厚度调整方便。 由于 zdw 型轧机采用专利技术以蜗轮蜗杆传动代替了原有的齿轮传动，随 着轧制厚度的改变蜗轮蜗杆的中心距不发生改变，改变的只是蜗轮在蜗杆上的啮 合位置。通过优化设计蜗杆结构，改变轧制厚度时，利用一斜铁丝杠机构， 通过丝杠的转动，带动斜铁块前后运动，支撑斜铁块之上的下轧辊随之上下移动， 实现轧制厚度的调整，在调整过程中下轧辊端部蜗轮沿蜗杆轴向进行滚动，中心 距不发生改变，不需要像齿轮传动那样更换传动齿轮，简化了轧制厚度的调整工 作流程，使轧制厚度的调整更方便、可靠。经过巧妙设计的丝杠和斜铁块结构能 够保证轧机过程中丝杠、斜铁块不发生移动或转动，从而保证了轧制厚度的稳定。 3传动平稳，轧制精度高，噪音小。 由于采用蜗轮蜗杆传动，蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮啮合时是 连续不断的，蜗杆没有进入和退出啮合的过程，冲击、震动小，工作过程平稳， 轧制精度高，噪音小。 4结构紧凑，体积小、重量轻。 在电机到轧辊的传动比一般都比较大（ 300 至 1000） ，这样大的传动比如 果用齿轮传动，就需要采取多级传动才能实现，随着传动级数的增加，轧机的 体积和重量都会相应增加。 zdw 型轧机采用蜗轮蜗杆传动，蜗轮蜗杆单级传 动比可达 10 至 100，加上电机到蜗杆的皮带轮传动，这两级传动比可达 10 至 1800，完全能够满足轧机的传动要求。由于传动级数少，中间环节少，传动零 件数量大幅减少，造就了 zdw 型轧机结构紧凑，体积小、重量轻的特点。 适用范围：可以各类大学、科研院所材料轧制实验室在科研或教学工作中轧 制小型、多品种试样；小型金属加工企业轧制加工小规格、多品种、小批量的板、 带材；小型电子元器件加工企业加工电子元器件制造中用到的各种小规格金属板、 带材加工。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 20 第 4 章 zdw-01 型实验室用小型两辊轧机的设计 4.1 轧机的已知数据 轧机电动机的额定功率为 2.2，转速为 940。轧机要求连续单向运转，kwr / min 载荷平稳，空载启动，小批量生产，轧辊工作速度为 0.115。m/s 4.2 运动动力参数的计算 运动动力参数的计算见表 4-1。 表 4-1 运动动力参数的计算 轴的转速 （v 带轴 ，蜗杆 轴） 各轴的功 率 各轴转矩 计算 w n 计算传动 比i =940; 1 nr / min =470 2 n 960 2 r / min =2.2； ed ppkw =2.20.96=2.112；pp kw =2.1120.970.82=1.68pp 承承 kw =22351 3 9550 10 p t n 3 9550 10 2.2 940 n mm 42914 33 2.112 9550 109550 10 470 p t n =n mm =24.42 60 1000 w n d 60 1000 0.112 3.14 90 r / min =38.5； 940 24.42 m w n i n 由表 2-1 查的 v 带传动常用的传动比范围 =24，蜗杆传动常 1 i 用传动比=740，取 v 带传送比为 =2；蜗杆的传动比为 2 i 1 i =20。 2 i =940 1 nr / min =470 2 nr / min =2.2 ed ppkw 2.112 pkw 1.68pkw 22351tn mm 42914tn mm =24.42 w nr / min 38.5i =2 1 i =20 2 i 洛阳理工学院毕业设计（论文） 21 4.3 v 带轮的设计 4.3.1 带传动的介绍 原有轧机的减速装置为齿轮减速，成本较高。此次改进为蜗杆蜗轮方案，蜗 杆传动平稳，因此改进后减速装置选择带传动。带传动采用承受拉力的挠性元件 带，适用于两轴中心距较大的场合。 带传动由带和带轮组成的传递运动和动力的传动，主要有主动轮，从动轮和张紧 在两轮上的封闭环形带组成。如图 4-1。 图 4-1 带传动机构运动示意图 当主动轮 1 转动时，利用带轮和传动带间的摩擦或啮合作用，将运动和动力 通过传动带 2 传递给从动带轮 3。带传动的特点： 1. 传动带具有良好的弹性，能缓冲和吸振，传动平稳，噪声小。 2. 过载时，带和带轮间发生打滑，可防止其他零件损坏。 3. 带传动结构简单，制造、安装和维护均较方便。 4. 可用于中心距较大的两轴的传动。 5. 带传动不能保证准确的传动比，对轴和轴承的压力较大，传动的效率较低， 带的寿命较短，传动的外廓尺寸较大。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 22 4.3.2 带的选择 v 带的截面形状为等腰梯形，两侧面为工作面，在同样压紧力的作用下，v 带的极限摩擦力比平带大，传递的功率也大。显然，在传递同样功率的情况下， v 带传动的结构更紧凑。v 带传动通常式多根并用，应用更广泛。因此，此次改 进设计选用 v 带传动。表 4-2 为 v 带的计算与说明。 表 4-2 v 带的设计与说明 确定 v 的类型 小带轮直径 大带轮直径 确定中心距和 v 带 基准长度 小带轮包角 由表 9-131可得 =1.1； a k 设计功率=1.12.2=2.42 d p a kpkw 有和可以由图 9-81可以知用 a 型带 1 n d p 由表 9-71可知: =100 1d dmm 由于 =2,所以大带轮的直径: 1 i =2100=200 2d dmm 由 知 12012 0.7()2() dddd ddadd 210600,取=400;mm 0 amm 0 amm 初定 v 带基准长度: +2 2 01221 0 1 ()() 24 ddddd ldddd a 0 a =477.5+800 =1277.5mm 由图 9-31取得:=1250 d lmm 传动中心: 0 0 2 dd ll aa = 1250-1277.5 400 2 =372.75mm 164.72 21 1 18057.3 dd dd a =1.1 a k =2.42 d pkw 选 a 型 =100 1d dmm =200 2d dmm =400 0 amm =1277.5 0d lmm =1250 d lmm 375a mm =164.72 1 洛阳理工学院毕业设计（论文） 23 6 确定 v 带根数 7 计算出拉力 8 带轮结构设计 单根 v 带的基本额定功率由查图可得：=0.94 1 p kw 额定功率增量：=0.108 1 pkw 包角修正系数：由图 9-14 得=0.9594k 带长修正系数：由图 9-15 得=0.81 l k v 带根数： 11 () d l p z pp k k = 2.42 (0.940.108) 0.9594 0.93 2.6 即 v 带的根数为 3 根 作用在周上的载荷由式 9-23 可得： 2 0 2.5 500(1)q d p f zk = 2.422.5 500(1)0.10 4.92 3 4.920.9594 131.64n 作用在轴上的载荷由式 9-24 可得： 1 0 2sin 2 q ff z = 164.72 2 131.64 3 sin 2 783n 材料：当转速 v25 时，采用 ht150，即此m/s 结构采用 ht150。 结构：当 mm 时，采用实心式，(1.5 d d 0 2)d 即此结构采用实心式结构。 =0.94 1 pkw =0.108 1 pkw =0.9594k =0.81 l k z=3 =131.64 0 fn =783 q fn ht150 实心式结构 洛阳理工学院毕业设计（论文） 24 4.4 蜗杆传动的类型及特点 4.4.1 蜗杆传动的类型 根据蜗杆形状的不同,蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动(图 4-2),环面蜗杆传动a (图 4-2b)和锥蜗杆传动(图 4-2c) 。 圆柱蜗杆传动又包括普通圆柱蜗杆传动和 圆弧圆柱蜗杆传动两类。其中普通圆柱蜗杆传动根据不同的齿廓曲线又可分为阿 基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆和锥面包络蜗杆等四种。 图 4-2 蜗杆传动类型 4.4.2 蜗杆传动的特点 (1) 蜗杆连续不断的螺旋使得蜗杆传动平稳、冲击和噪音均很小。 (2) 单级蜗轮杆传动就获得很大的传动比（可达 1000） ，减速传动比高达 70，增速时，传动比范围在 0.2 至 0.0667。 (3) 蜗杆与蜗轮啮合齿面间的相对滑动速度较大，磨损和发热较严重，传动 效率较低。常需用较贵的减磨耐磨材料来制造涡轮,成本较高。 (4) 当蜗杆导程角较小,小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构反行程自锁。 4.5 蜗杆传动参数的选择 已知输入轴的传递功率=1.68，转速=47，传动比=20，单向 pkw nr / min i 传动，载荷平稳，连续运转。 此蜗杆传动为开式传动，蜗杆选择 45 钢表面淬火，齿面硬度45hrc，蜗轮 轮缘选用 zcusn10pb1，金属型铸造。根据载荷与工作环境的要求，应按蜗轮齿面 洛阳理工学院毕业设计（论文） 25 接触疲劳强度设计，并进行热平衡计算。计算如表 4-3。 表 4-3 蜗杆传动的计算与说明 1 确定许用应力 的初估值 s 影响系数 vsz 接触强度寿命系数 nz 弯曲强度寿命系数 y 许用接触应力 h 许用弯应力 f 2 按接触疲劳强度 设计 蜗杆头数 蜗轮齿数 蜗轮转速 初估啮合效率 3 蜗轮轴转矩 查表 12-7，,=220 n/mmh 2 查表 12-7，=70 n/mm f 2 查表 12-13，7 s m/s 由图 12-14，=0.87, vsz 由图 12-15，=0.8, nz 由图 12-16，=0.66y =2200.870.8=153 n/mm h 2 =700.66=46 n/mm f 2 查表 12-2 可得：=2 1 z =202=40 21 zz =47020=23.5nr / min =0.84 1 1003.5 20 %（） 21 2 2 p 9550 n t = 1.68 0.84 9550 23.5 573.5n mm 载荷系数，载荷平稳，蜗轮转速不高， 取 =1.1k =220 n/mmh 2 =70 n/mm f 2 7 s m/s =0.87 vsz =0.8 nz =0.66y =153 n/mm h 2 =46 n/mm f 2 =2 1 z 40 2 z =23.5nr / min 0.84 1 2 t 573.5n mm =1.1k 洛阳理工学院毕业设计（论文） 26 蜗杆强度接触系数 确定模数和蜗杆分 度圆直径 4 求蜗轮圆周速度 并校核效率 蜗轮分度圆导程角 实际传动比i 蜗轮实际转速 蜗轮的圆周速度 2 滑动速度 s 啮合效率 2 蜗杆的传动效率 5 校核蜗轮齿面强 度 材料弹性系数 ez 动载系数 v k 使用系数 a k 载荷系数k 22 12 2 15000 () h m dkt z =1.1573.5 2 15000 () 40 153 =3783.8 3 mm 由表 12-4 查得：=8，=63m 1 dmm 蜗轮分度圆直径: 22 120dmzmm 14.252 1 1 arctan mz d 查表可得实际传动比为： =38i =24.74 3 n 470 38 r / min =0.39 23 2 d n = 60 1000 m/s =1.6 2 cos s 0.39 cos14.252 m/s = =0.857 2 v tan tanu （） =0.8570.960.98=0.81 查表 12-8 可得： 2 e=155 n / mmz 查表可得：= 1 v k 查表 12-9 可得：=1 a k =1k 3783.8 2 1 m d 3 mm =8m =63 1 dmm 120 2 d mm 14.252 =38i =24.74 3 nr / min =0.39 2 m/s 1.6 s m/s =0.857 2 =0.81 2 e=155 n / mmz =1 v k =1 a k =1k 洛阳理工学院毕业设计（论文） 27 蜗轮实际转矩 2t 滑动速度影响速度 系数 vsz 许用接触应力h 校核蜗轮齿面接触 强度 6 确定主要几何尺 寸 齿顶高 齿根高 齿高 蜗杆分度圆直径 蜗杆齿顶圆直径 蜗杆齿根圆直径 蜗杆导程角 蜗杆齿宽 蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径 蜗轮外圆直径 中心距 =525 n/mm 2 1.68 19 0.81 9550 470 t 2 由图 12-14 可得，0.97 vsz =hh vsznz =2200.970.8 170 n/mm 2 2 2e 12 9400 z hva t k k k d d =155 n/mm 2 9400 525.35 1 1 1 63 304 2 =142.75 n/mm =170 n/mm 2 h 2 齿距 1 25.12 x pmmm 18=8 * aa hh mmm 1.28=9.61.2 f hmmm =2.28=19.62.2 af hhhmmm 63 1 dmm 63+16=7 11 2 aa ddhmm 6319.2=43.8 11 2 ff ddhmm 14.252 1 1 arctan mz d 2 8 arctan 63 116.32 12 (11.50.08)bz mmm 838=304 22 dmzmm 304+16=320 22 2 aa ddhmm 30419.2=284.8 22 2 ff ddhmm 320+12=332 22 1.5 ea ddmmm =183.5 12 11 ()(63304) 22 addmm = n/mm 2 t525 2 0.97 vsz =170 n/mmh 2 合格 25.12 1x pmm =8 a hmm =9.6 f hmm =19.6hmm 63 1 dmm =79 1a dmm =43.8 1f dmm 14.252 116.32 1 b mm 304 2 d mm =320 2a dmm =284.8 2f dmm =332 2e dmm 183.5a mm 洛阳理工学院毕业设计（论文） 28 蜗轮咽喉母圆直径 蜗轮齿宽 热平衡计算 环境温度 工作温度 传热系数 需要散热的面积 183.5160=23.5 2 2 2 a g d amm 0.779=55.3 21 0.7 a bdmm 取= 0 t20 取70t 取 t k 2 13w /(mc) 1 0 100(1)100 1.68 (1 0.857) ()13 (7020 ) t p a k tt =0.37 =23.5 2g mm 55.3 2 b mm = 0 t20 70t t k 2 13w /(mc) 0.37a= 4.6 蜗杆的结构设计 蜗杆通常与轴做成一体，称为蜗杆轴。根据加工方法的不同其结构形式有两 种，即铣刀制造的蜗杆和车制蜗杆。用铣刀制造的蜗杆无退刀槽，且轴径可大d 于蜗杆齿根圆直径；车制蜗杆有退刀槽，且要求轴径， 1f d2( 1 f dd)4mm 以便车制蜗杆齿时退刀。 4.7 蜗杆的受力分析 蜗杆传动的受力分析和斜齿圆柱齿轮传动相似。在进行蜗杆传动的受力分析 时，通常不考虑摩擦力的影响。 已知蜗杆轴的传递功率=1.68，转速=470，蜗杆的齿宽为 118， pkw nr / minmm 齿数 2，模数 8，螺旋角。mm14.252 4.7.1 蜗杆的受力简图 圆周力，径向力，轴向力，当蜗杆旋向见附录图 2 所示，蜗杆所受 t f r f a f 轴向力与大小相等，方向相反，故而蜗杆所受轴向力可以抵消即其所受轴 1a f 2a f 向力为 0。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 29 4.7.2 求作用在蜗杆上的力 轴传递的转矩： ； 6 9.55 1034136.2 p t n n mm 作用在蜗轮上的圆周力： 12 1 22 34136.2 cos14.252 1050.34 6