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畢業(yè)設計(論文) 機器人點焊電極修磨器設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 摘 要 點焊機器人【spot welding robot】 用于點焊自動作業(yè)的工業(yè)機器人。世界上第一臺點焊機于1965年開始使用，是美國Unimation公司推出的Unimate機器人，中國在1987年自行研制成第一臺點焊機器人──華宇-Ⅰ型點焊機器人。點焊機器人由機器人本體、計算機控制系統(tǒng)、示教盒和點焊焊接系統(tǒng)幾部分組成，由于為了適應靈活動作的工作要求，通常電焊機器人選用關節(jié)式工業(yè)機器人的基本設計，一般具有六個自由度：腰轉、大臂轉、小臂轉、腕轉、腕擺及腕捻。其驅動方式有液壓驅動和電氣驅動兩種。其中電氣驅動具有保養(yǎng)維修簡便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點，因此應用較為廣泛。點焊機器人按照示教程序規(guī)定的動作、順序和參數(shù)進行點焊作業(yè)，其過程是完全自動化的，并且具有與外部設備通信的接口，可以通過這一接口接受上一級主控與管理計算機的控制命令進行工作。 機器人點焊電極修磨器整個裝置由電機通過二級減速裝置帶動錐齒輪運動，從而實現(xiàn)刀具的旋轉和切削，同時利用“行星齒輪可以實現(xiàn)變速”的原理實現(xiàn)電極的粗削和精削，另外，可調式支架能夠輕松的控制裝置的高度。從而保證裝置的高效性和實用性。 NGW型行星齒輪傳動機構的傳動原理：當高速軸由電機驅動，帶動太陽輪，然后帶動行星輪轉動，內齒圈固定，然后帶動行星架輸出運動的，在行星架上的行星輪既自轉和公轉，具有相同的結構。二級，三級或多級傳輸。NGW型行星齒輪傳動機構主要由太陽齒輪，行星齒輪，內齒圈，行星架，命名為基本成分后，也被稱為zk-h型行星齒輪傳動機構。 關鍵詞： 行星齒輪減速器、運動仿真、裝配、三維建模 V Abstract Spot welding robot] [spot welding robot automatic spot welding robots for industrial jobs. The world's first welder in 1965 started, the United States launched the Unimate Unimation robot, China in 1987 developed into the first spot welding robot ── Arima -Ⅰ type spot welding robots. Spot welding robots, robot consists of several parts of the body computer control system, teach pendant and spot welding system, because in order to meet work requirements and flexible action, usually welding robot use of basic design articulated industrial robots, typically with six degrees of freedom : turn back, the arm turn, turn arm, wrist rotation, and wrist twisting the wrist swing. Which drive a hydraulic drive and electric drive in two. Wherein the electric drive with a simple maintenance, low energy consumption, high speed, high precision, security and good benefits, and therefore is widely used. Spot welding robot teaching program in accordance with the provisions of the action, sequence and parameters of spot welding, the process is fully automated and has an interface to communicate with an external device, you can accept the level of the interface on the host computer and management control command to work. Robot spot welding electrode grinding is the entire device by a motor driven by a secondary bevel gear reduction device so as to perform rotation and cutting tools, while using the principle of "planet gear shift can be achieved," the realization of roughing and finishing cutting electrode, and the other Adjustable brackets can easily control the height of the apparatus. In order to ensure efficient and practical means. NGW planetary gear transmission principle transmission mechanism: When the high speed shaft driven by a motor to drive the sun gear, and then drive the planetary gear rotates, the ring gear fixed, then the carrier output drive movement, both in the rotation and the planet carrier of the planetary gear revolution, has the same structure. Two, three or more stages of transmission. After NGW planetary gear mechanism consists of a sun gear, a planetary gear, ring gear, planet carrier, named as the basic component, also called zk-h type planetary gear mechanism. Keywords: planetary gear reducer, assembly, motion simulation, 3D modeling 目 錄 摘 要 II Abstract III 第1章 緒論 1 1.1 點焊機器人介紹及其研究意義 1 1.2 工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 1 1.2.1工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2.2 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢 2 1.3 國內外研究現(xiàn)狀 3 1.4 主要的工作內容 4 第2章 機器人點焊電極修磨器總體設計 5 2.1 機器人點焊電極修磨器簡介 5 2.2 機器人點焊電極修磨器方案說明 5 2.3 設計總體方案 6 2.3.1 電陰點焊電極的基本介紹 6 2.3.2 刀具的設計 7 第3章 行星減速器結構設計 11 3.1 行星齒輪減速器的工作過程和結構機構簡圖的確定 11 3.2 周轉輪系部分的選擇 11 3.3 NGW型行星輪減速器方案確定 11 3.4 行星輪系中各輪齒數(shù)的確定 13 3.5 基本參數(shù)要求與選擇 15 3.6 方案設計 17 3.6.1 機構簡圖 17 3.6.2 齒形及精度 17 3.6.3 齒輪材料及性能 18 3.7 齒輪的計算與校核 18 3.7.1 配齒數(shù) 18 3.7.2 初步計算齒輪主要參數(shù) 18 3.7.3 按彎強度曲初算模數(shù)m 21 3.7.4 齒輪疲勞強度校核 23 3.8 軸上部件的設計計算與校核 28 3.8.1 軸的計算 28 3.8.2 行星架設計 34 3.9 鍵的選擇與校核 38 3.9.1 鍵的選擇 38 3.9.2 鍵的校核 38 3.10 聯(lián)軸器的選擇 40 第4章 圓錐直齒輪設計 41 4.1 選定齒輪精度等級、材料及齒數(shù) 41 4.2 軸的設計計算 45 4.3 滾動軸承的選擇及計算 50 總 結 52 參考文獻 53 致 謝 54 第1章 緒論 1.1 點焊機器人介紹及其研究意義 點焊機器人【spot welding robot】 用于點焊自動作業(yè)的工業(yè)機器人。世界上第一臺點焊機于1965年開始使用，是美國Unimation公司推出的Unimate機器人，中國在1987年自行研制成第一臺點焊機器人──華宇-Ⅰ型點焊機器人。點焊機器人由機器人本體、計算機控制系統(tǒng)、示教盒和點焊焊接系統(tǒng)幾部分組成，由于為了適應靈活動作的工作要求，通常電焊機器人選用關節(jié)式工業(yè)機器人的基本設計，一般具有六個自由度：腰轉、大臂轉、小臂轉、腕轉、腕擺及腕捻。其驅動方式有液壓驅動和電氣驅動兩種。其中電氣驅動具有保養(yǎng)維修簡便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點，因此應用較為廣泛。點焊機器人按照示教程序規(guī)定的動作、順序和參數(shù)進行點焊作業(yè)，其過程是完全自動化的，并且具有與外部設備通信的接口，可以通過這一接口接受上一級主控與管理計算機的控制命令進行工作。 焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經驗、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業(yè)機器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強度，同時也可以保證焊接質量和提高焊接效率。點焊機器人在汽車裝配生產線上的大量應用大大提高了汽車裝配焊接的生產率和焊接質量，同時又具有柔性焊接的特點，即只要改變程序，就可在同一條生產線上對不同的車型進行裝配焊接。應用點焊機器人，有如下優(yōu)點： 容易實現(xiàn)生產過程的完全自動化； 對生產設備的適應能力將大大加強； 可以提高產品的生產效率及質量； 可以明顯改善工作條件。 1.2 工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 1.2.1工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距；應用規(guī)模小，沒有形成機器人產業(yè)。 工業(yè)機器人在焊接領域的應用最早是從汽車裝配生產線上的電阻點焊開始的。原因在于電阻點焊的過程相對比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機器人的精度和重復精度的控制要求比較低。國際工業(yè)機器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關系，向各大型汽車生產企業(yè)提供各類點焊機器人單元產品并以焊接機器人與整車生產線配套形式進入中國，在該領域占據市場主導地位。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產線要求焊鉗一體化，重量越來越大，165公斤點焊機器人是目前汽車焊接中最常用的一種機器人。2008年9月，機器人研究所研制完成國內首臺165公斤級點焊機器人，并成功應用于奇瑞汽車焊接車間。2009年9月，經過優(yōu)化和性能提升的第二臺機器人完成并順利通過驗收，該機器人整體技術指標已經達到國外同類機器人水平[1]。 1.2.2 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢 目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究。從機器人技術發(fā)展趨勢看，焊接機器人和其它工業(yè)機器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個方面： l 機器人操作機結構：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代設計方法的運用，實現(xiàn)機器人操作機構的優(yōu)化設計。探索新的高強度輕質材料，進一步提高負載/自重比。 l 機器人控制系統(tǒng)：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性；控制系統(tǒng)的性能進一步提高，實現(xiàn)軟件伺服和全數(shù)字控制；人機界面更加友好 l 機器人傳感技術：機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。 l 網絡通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網絡的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設備發(fā)展。 l 虛擬機器人技術：虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術，實現(xiàn)機器人的虛擬遙控操作和人機交互。 l 機器人性能價格比：機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修，而單機價格不斷下降。由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高 l 多智能體調控技術：這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究[2]。 1.3 國內外研究現(xiàn)狀 當前國內外同類課題研究水平： 像日本的kyokutoh生產的tip dressers 系列，外觀突破傳統(tǒng)設計，可以同時修磨兩個電極，但功率較低，修磨范圍有限。 ABB旗下的Electrode dressers 系列，電機驅動，體型相對較大。 美國Lutz生產的修磨器系列，如M2,外觀小巧，攜帶方便，但電機功率較小，只能修磨硬度較低的電極和電極帽。 以及德國Die WEDO WERKZEUGBAU GMBH 公司生產的修磨器，也是電機驅動，不過較為普通。 國外的這些電極修磨器產品早已在市場上占有一席之地，但在國內還是寥寥無幾，個別提供此產品的也都是由國外公司生產的。不足之處有以下幾點： （1）報價高，像一套固定式的電極帽修磨器價格大約在五萬人民左右，手持氣動修磨器在一萬到兩萬之間； （2）.由于只有一個馬達帶動，刀具的轉速和扭矩受到限制，這使得修磨器刀片的切削力一定，對于不同硬度的電極材料，往往需要兩套不同的修磨器產品，且修磨精度不高； （3）.由于馬達經一級減速直接帶動刀具轉動，使修磨器在工作過程中不平穩(wěn)，影響修磨精度； （4）.對于一般的立式修磨器，由于不能調節(jié)高度，使其在實際應用中受到一定的限制。 由于上述原因，國內的許多點焊廠讓員工直接拿銼刀挫電極，這顯然不能保證修磨質量。針對市場上所售電極修磨器的不足，我們設計了一個修磨精度高，應用范圍廣的可調速立式電極修磨器，其可廣泛適用于點焊機領域，更具體適用于汽車業(yè)焊接生產線的點焊機領域。 1.4 主要的工作內容 分析機器人點焊電極修磨器行星齒輪機構傳動方案；并通過計算分析，確定行星輪系齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和軸、行星架的各項參數(shù)，校核齒輪的接觸和彎曲強度；完成內外嚙合齒輪、軸、行星架的設計計算；在整機設計開發(fā)背景下，結合運動參數(shù)完成設計。 51 第2章 機器人點焊電極修磨器總體設計 2.1 機器人點焊電極修磨器簡介 整個裝置由電機通過二級減速裝置帶動錐齒輪運動，從而實現(xiàn)刀具的旋轉和切削，同時利用“行星齒輪可以實現(xiàn)變速”的原理實現(xiàn)電極的粗削和精削，另外，可調式支架能夠輕松的控制裝置的高度。從而保證裝置的高效性和實用性。 詳細介紹： 可調速立式電極修磨器的簡易結構如圖1、2、3所示，主要由電機1、2，行星輪系，傘齒輪系，刀具10，齒輪10、11、12，支撐架15等構件組成，其中電機1與太陽輪4之間通過雙齒聯(lián)軸器3連接。啟動電機1、電機2，松開彈簧銷14，可使刀具獲得大的轉速和扭矩，對電極進行粗削；啟動電機1，關閉電機2，鎖緊彈簧銷14,可使刀具獲得小的轉速和扭矩，對電極進行精削。 2.2 機器人點焊電極修磨器方案說明 國外的這些電極修磨器產品早已在市場上占有一席之地，但在國內還是寥寥無幾，個別提供此產品的也都是由國外公司生產的。不足之處有以下幾點： （1）. 報價高，（2）.由于只有一個馬達帶動，刀具的轉速和扭矩受到限制，這使得修磨器刀片的切削力一定，對于不同硬度的電極材料，往往需要兩套不同的修磨器產品，且修磨精度不高； （3）.由于馬達經一級減速直接帶動刀具轉動，使修磨器在工作過程中不平穩(wěn)，影響修磨精度； （4）.對于一般的立式修磨器，由于不能調節(jié)高度，使其在實際應用中受到一定的限制。 由于上述原因，國內的許多點焊廠讓員工直接拿銼刀挫電極，這顯然不能保證修磨質量。針對市場上所售電極修磨器的不足，我們設計的電極修磨器具有精度高，應用范圍廣,生產成本低，使用范圍廣等優(yōu)點，所以能夠充分的填補國內市場的空白,特別是更加適用于國內汽車業(yè)焊接生產線的點焊領域。 技術特點： 可行性——行星輪系調速調扭 實用性——易調節(jié)高度 使用說明： 啟動馬達1、馬達2，松開彈簧銷，可使刀具獲得大的轉速和扭矩，對電極進行粗削；啟動馬達1，關閉馬達2，鎖緊彈簧銷,可使刀具獲得小的轉速和扭矩，對電極進行精削。 技術特點及優(yōu)勢： 動力由馬達1、馬達2雙向輸入，最終在刀片處輸出，在增強動力的同時，通過對內齒圈的約束于解除約束，能夠較好的調節(jié)轉速輸出，從而保證了精磨質量。此外，該套裝置大量采用齒輪傳動方式，其制造技術相對...(查看更多) 2.3 設計總體方案 2.3.1 電陰點焊電極的基本介紹 在介紹本次設計的電極修磨器之前先對所要修磨的對象一點焊電極的材料,結構等做一定的介紹. (1) 點焊電極材料 點焊電極在進行焊接生產時要承受高溫高壓的作用,是焊機最易損壞的一個零件.因此它對材料有較高的要求:1.有足夠的高溫硬度與強度.再結晶溫度高;2.有高的抗氧化能力與焊件形成合金的傾向小;3.在常溫和高溫都有合適的導電,導熱性;4.具有良好的加工性能等.綜合上述條件,在一般的生產應用中大多數(shù)是采用銅電極. (2) 點焊電極結構 在實際焊接生產中由于被焊件開關尺寸不同以及焊接參數(shù)要求的不同,點焊電極的形狀也有很多種.其主要有平面形(F型),圓錐形(C型),尖頭形(P型),球面形(R型),偏心形(E型),帽裝電極,球鉸鏈平衡電極,復合電極等.本文主要是針對球面形電極的修磨進行研究.選擇電極材料為鉻鑄鋁,電極的公稱直徑為?=15mm點焊電極,電極的機構簡圖如圖8所示. 圖8 球狀電極端面 2.3.2 刀具的設計 刀具的設計采用2部分，一部分為刀具的外形參數(shù)設計，一部分是刀具材料的設計，采用的是成型車刀的原理。 2.3.2.1 外形參數(shù)的設計 電陰點焊的專用電極的直徑尺寸是一系列的,它從?=5mm到?=15mm.其端面形狀因焊接工件,工藝的不同也分成很多種.例如端面為平面的點焊電極,端面為錐形球面的點焊電極,端面為半球面的點焊電極.本設計要修磨的對象是一個斷面形狀為半球形的點焊電極,選擇的電極直徑為15mm,在上文中已有介紹.由于在點焊焊接生產時電極要承受高溫高壓,所以上下兩個電極必須要有較高的對中性即上下兩電極接觸時上電極端面的球心必須要正對下電極端面的球心 (以端面為球面的電極為例),以至于不發(fā)生偏離產生力矩從而損壞電機和電極.故在進行點焊電極修磨時必須要能保證電極端面較高的形狀精度和位置精度.在車床進行金屬車削加工時,對于特定形狀的高精度的零件,常用成形刀具來加工.在此,根據成形車刀的結構原理將刀具設計成形車刀形式,其零件圖如10圖所示. 刀具是由上圖中刀片一和刀片二相互疊加成”十”字形鑲嵌裝配到刀具載體上的.其與刀具載體的裝配圖如圖12所示.由圖可以看出刀具在進行磨削工作時是靠刀具與刀具載體配合的部分來傳遞動力的.刀具載體在后文中做介紹.本設計中對于刀具動力傳動的設計采用的是鍵傳動中的花鍵傳動原理,即將相互疊加的兩個加片看成為一個鍵數(shù)為4的花鍵. 2.3.2.2 刀具的材料選擇 本次設計中的電極修磨器的修磨的電極的材料是鉻鋯銅,其材料成分為Cr0.25-0.65,Zr0.08-0.20.其余的為銅:為冷拔件和鍛件,硬度為135HRC.本次修磨器采用的是金屬切削的原理,不同的工件材料的切割加工性能不同,一般分為八個等級.其中有色金屬及其合金屬于很容易切削加工的材料.由上文所述的鉻鋯銅的材料特性可知該材料的切削加工性能良好,容易切削. 由車床車刀方面的知識可知,車刀的材料一般要具有以下幾個性能:硬度和耐磨性,強度和韌性,耐熱性,導熱性,工藝性等.車刀一般選擇的材料有以下這幾種: A. 調整剛刀具材料.它一般含有鎢,鑰,鉻,釩等. B. 硬質合金刀具材料.它是由高硬度,難熔化金屬化合物粉末和金屬粘結劑燒結成的粉末冶金制品. C. 陶瓷刀具材料.它具有很高的硬度,高的硬度,耐磨性等特性. D. 超硬刀具材料.其材料由金剛石和立方氮化硼等. E. 涂層刀具材料等. 電極在修磨后要保持原有的形狀,故對刀具的耐磨性有一定的要求.而高速鋼在電極在修磨后要保持原有的形狀,故對刀具的耐磨性有一定的要求,而高速鋼在強度,韌性,耐磨性等各方面都比較好,結合刀具的材料的特性和鉻鋯銅電極的材料特性,在本次設計中選擇高速鋼為修磨器刀具的材料,選用的調整鋼具體牌號是W18Cr4V. 第3章 行星減速器結構設計 3.1 行星齒輪減速器的工作過程和結構機構簡圖的確定 機器人點焊電極修磨器內部采用NGW型行星傳動系統(tǒng)。 查《漸開線行星齒輪傳動設計》書表4-1確定=2或3。從提高傳動裝置承載力，減小尺寸和重量出發(fā)，取=3。 計算系統(tǒng)自由度 W=3*3-2*3-2=1 3.2 周轉輪系部分的選擇 周轉輪系的類型很多，按其基本構件代號可分為2Z-X、3Z和Z-X-F三大類(其中Z—中心輪)。其他各種復雜的周轉輪系，大抵可以看成這三類輪系的聯(lián)合貨組合機構。按傳動機構中齒輪的嚙合方式、又可分為許多傳動形式，如NGW型、 NW型、 NN型、WW型、ZUWGW型、 NGWN型、 N型等（其中N—內嚙合，W—外嚙合，G—公用齒輪，ZU—錐齒輪）。其傳動類型與傳動特點如表1-1。 3.3 NGW型行星輪減速器方案確定 NGW行星輪系由內外嚙合和公用行星輪組成。結構簡單、軸向尺寸小、工藝性好、效率高；然而傳動比較小。但NGW性能多級串聯(lián)成傳動比打的輪系，這樣便克服了淡季傳動比較小的缺點。 表1-1行星齒輪傳動的類型與傳動特點 傳 動 類 型 機構簡圖 傳 動 特 性 應用特點 類 組 性 傳動比范圍 傳動比推薦值 傳遞功率KW 2Z-X 負 號 機 構 NGW 1.13 ~13.7 = 2.7~ 9 不限 廣泛地用于動力及輔助傳動中，工作制度不限，可作為減速、增速和差速裝置 軸向尺寸小，便于串聯(lián)多級傳動，工藝性好 NW 1~50 = 5~25 不限 >7時，徑向尺寸比NGW型小，可推薦采用 工作制度不限 NN 1700 一個行星輪時=30~100三個行星輪時<30 40 可用于短時、間斷性工作制動力傳動 轉臂X為從動時，當， 大于某值后，機構自鎖 3Z 負 號 機 構 NGWN 500 =20~100 100 結構很緊湊，適用于中小、功率的短時工作制傳動 工藝性差 當a輪從動時，達到某值后機構會自鎖，即0 3.4 行星輪系中各輪齒數(shù)的確定 在行星輪系中，各齒輪齒數(shù)的選配需滿足下述四個條件?，F(xiàn)以圖2-4所示的行星輪系為例，說明如下： 圖2-4 行星輪系參考圖 圖中，太陽輪1，齒數(shù)為，分度圓半徑為；行星輪2，齒數(shù)為，分度圓半徑為；內齒圈3，齒輪為，分度圓半徑為。 （1）保證實現(xiàn)給定的傳動比 根據上面的行星輪系圖示，通過機械原理知識可以知道，因，故 （2）保證滿足同心條件 要行星輪系能正?；剞D，其三個基本構件的回轉軸線必須在同一直線上。因此，對于圖示的行星輪系來說，必須滿足下式 當采用標準漸開線直齒齒輪傳動或等變位齒輪傳動時，上式變?yōu)? 或 （3）保證安裝均布條件 為使各個行星輪都能夠正確均布地安裝在太陽輪和內齒之間，行星輪的數(shù)目與各輪之間齒數(shù)必須滿足一定的關系，否則將會因行星輪與太陽輪輪齒的干涉不能正確裝配（圖2-4所示）。下面就對為了使行星輪能均布且正確裝配，行星輪個數(shù)k與各輪齒數(shù)之間應滿足的關系進行分析。 （4）保證滿足鄰接條件 對于標準齒輪傳動： 式中，m為模數(shù)，為齒頂高系數(shù)。 以上式子說明的是在選擇各齒輪的齒數(shù)與行星輪個數(shù)時，所必需滿足的條件。 3.5 基本參數(shù)要求與選擇 考慮到該工況條件下，電機的要求不高，選擇北京和利時電機電器廠的86BYG250CN型步進電機。 北京和利時電機電器有限公司的一些步進電機技術參如表3.1。 表3.1 步進電機產品系列及技術參數(shù) 型號 相數(shù) 步距角 (DEG.) 電壓 (V) 電流 (A) 靜轉矩 (N.m) 空載運行頻率 (KHZ) 轉動慣量 (Kg.cm2) 備注 86BYG250AN 2 0.9°/1.8° 110 3.6 2.4 ≥15 0.56 86BYG250BN 2 0.9°/1.8° 110 4 5.0 ≥15 1.2 86BYG250CN 2 0.9°/1.8° 110 5 7.0 ≥15 4.28 北京和利時電機電器有限公司86BYG250CN型步進電機的運行矩頻特性曲線如圖3.3。 圖3.3 運行矩頻特性 北京和利時電機電器有限公司86BYG250CN型步進電機的外型簡圖如圖3.4。 圖3.4 步進電機外形簡圖 根據前面計算，選擇北京和利時電機電器廠的86BYG250CN型步進電機。 3.6 方案設計 3.6.1 機構簡圖 圖2-4機構簡圖設計 圖中，太陽輪1，齒數(shù)為，分度圓半徑為；行星輪2，齒數(shù)為，分度圓半徑為；內齒圈3，齒輪為，分度圓半徑為。 遵循以上原則, 通過配齒計算, 確定該兩級NGW行星齒輪減速機的主要參數(shù)見表1。各級齒輪采用相同的材料及熱處理工藝, 精度6級。 表1 主要設計參數(shù)表 齒數(shù) 傳動比 第一級 太陽輪 20 5.4 行星輪 34 內齒輪 88 減速器的傳動比為5.4， NGW行星輪部分 3.6.2 齒形及精度 因屬于低速運動，采用壓力角=20 的直齒輪傳動，精度等級為6級。 3.6.3 齒輪材料及性能 高速機太陽輪和行星輪采用硬齒面，以提高承載能力，減低尺寸，內齒輪用軟齒面（便于切齒，并使道具不致迅速磨損變鈍）。高速級部分采用軟齒面。兩級材料分別如表3-1。 疲勞極限бHlim 和бFlim 查書【1】圖10-20（c）、（d），10-21（d）、（e）選取，行星輪的бFlim 是乘以0.7后的數(shù)值。 表3-1 齒輪材料及性能 齒輪 材料 熱處理 бHlim (N/mm) бFlim (N/mm) 加工精度 太陽輪 20CrMnTi 滲碳淬火 HRC58~62 1400 375 6級 行星輪 267.5 內齒輪 40Cr 調質 HB262~286 650 275 7級 3.7 齒輪的計算與校核 3.7.1 配齒數(shù) 表1 主要設計參數(shù)表 齒數(shù) 傳動比 第一級 太陽輪 20 5.4 行星輪 34 內齒輪 88 3.7.2 初步計算齒輪主要參數(shù) （1）選擇齒輪材料、熱處理方法及精度等級 ① 齒輪材料、熱處理方法及齒面硬度 因為載荷中有輕微振動，傳動速度不高，傳動尺寸無特殊要求，屬于一般的齒輪傳動，故兩齒輪均可用軟齒面齒輪。查《機械基礎》P322表14－10，小齒輪選用45號鋼，調質處理，硬度236HBS；大齒輪選用45號鋼，正火處理，硬度為190HBS。 ② 精度等級初選 減速器為一般齒輪傳動，圓周速度不會太大，根據《機械設計學基礎》P145表5－7，初選8級精度。 （2）按齒面接觸疲勞強度設計齒輪 由于本設計中的減速器是軟齒面的閉式齒輪傳動，齒輪承載能力主要由齒輪接觸疲勞強度決定，其設計公式為： ① 確定載荷系數(shù)K 因為該齒輪傳動是軟齒面的齒輪，圓周速度也不大，精度也不高，而且齒輪相對軸承是對稱布置，根據電動機和載荷的性質查《機械設計學基礎》P147表5－8，得K的范圍為1.4~1.6， 取K＝1.5。 接觸疲勞許用應力 ?。┙佑|疲勞極限應力 由《機械設計學基礎》P150圖5－30中的MQ取值線，根據兩齒輪的齒面硬度，查得45鋼的調質處理后的極限應力為 =600MPa , =560MPa ⅱ）接觸疲勞壽命系數(shù)ZN 應力循環(huán)次數(shù)公式為 N=60 n jth 工作壽命每年按300天，每天工作2×8小時，故 th=(300×10×2×8)=48000h N1=60×466.798×1×48000=1.344×109 查《機械設計學基礎》P151圖5－31，且允許齒輪表面有一定的點蝕 ZN1=1.02 ZN2=1.15 ⅲ) 接觸疲勞強度的最小安全系數(shù)SHmin 查《機械設計學基礎》P151表5－10，得SHmin＝1 ⅳ）計算接觸疲勞許用應力。 將以上各數(shù)值代入許用接觸應力計算公式得 ⅶ）齒寬系數(shù) 由于本設計的齒輪傳動中的齒輪為對稱布置，且為軟齒面?zhèn)鲃?，查《機械基礎》P326表14－12，得到齒寬系數(shù)的范圍為0.8～1.1。取。 ⅵ）計算小齒輪直徑d1 由于，故應將代入齒面接觸疲勞設計公式，得 ④ 圓周速度v 查《機械設計學基礎》P145表5－7，v1<2m/s，該齒輪傳動選用9級精度。 （1）用【5】式（6-6）進行計算式中系數(shù)， 、、K、如表3-2 u=29/19, 電動機效率，電機與輸入軸間彈性柱銷聯(lián)軸器之間的效率為。 則輸入功率：= 則太陽輪的傳遞扭矩為 T== (3-5) 直齒輪算式系數(shù)，則太陽輪分度圓直徑 （3-6） 表3-2接觸強P度有關系數(shù) 代號 名稱 說明 取值 K 使用系數(shù) 查書【5】表6-5，輕微沖擊 1.25 行星輪間載荷分配 不均系數(shù) 查書【5】表7-2行星架浮動， 6級精度 1.20 K 綜合系數(shù) n=3,高精度，硬齒面 1.80 齒寬系數(shù) 查書【5】表6-6 0.7 3.7.3 按彎強度曲初算模數(shù)m 因為取和中的較小值 = （3-7） 則=293.25N/mm 則齒數(shù)模數(shù)的出算公式為： 查書【2】10-1取模數(shù)m=2.5mm. ① 其他幾何尺寸的計算（，） 其他幾何尺寸的計算（，） 齒頂高 由于正常齒輪， 所以 齒根高 由于正常齒 所以 全齒高 1. 幾何尺寸計算： 將分度圓、齒頂圓、齒根圓、齒寬列于表3-3 表3-3 高速級齒輪基本幾何尺寸 單位：mm 齒輪 齒數(shù) 分度圓直徑 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒寬 太陽輪 20 50 55 43.75 34 行星輪 34 85 90 78.75 34 內齒輪 88 220 225 213.75 34 表3-4 接觸強度有關系數(shù) 代號 名稱 說明 取值 算式系數(shù) 直齒輪 12.1 行星輪間載荷 分配系數(shù) 1.3 綜合系數(shù) 查【5】表6-4高精度 1.6 齒形系數(shù) 查書【5】6-25 2.84 2.54 3.7.4 齒輪疲勞強度校核 （1）外嚙合 查書【5】式6-19、6-20, 計算接觸應力,用式6-21計算其需用應力,式中的參數(shù)和數(shù)值如表3-4 表3-4外嚙合接觸強度有關參數(shù)和系數(shù) 代號 名稱 說明 取值 使用系數(shù) 按中等沖擊查【5】表6-5 1.25 動載系數(shù) 6級精度，查【5】圖6-5b 1.01 齒向載荷 分布系數(shù) 查書【4】圖6-7（a）（b）（c）得=0.31 1.065 齒間載荷 分布系數(shù) 查【4】表6-9，六級精度 1 行星輪間載 荷分布系數(shù) 行星架浮動，查【5】表7-2 1.20 節(jié)點 區(qū)域系數(shù) 2.5 彈性系數(shù) 查【5】表6-17 189.8 重合度系數(shù) 查【4】6-10得， 0.90 螺旋角系數(shù) 直齒，=0 1 分度圓上 切向力 685.7N b 工作齒寬 17 u 齒數(shù)比 1.526 壽命系數(shù) 按工作15年，每年工作300天，每天12小時計算 ，按 【5】圖6-18HRC=60,v=0.957,查【5】表8-10 1 潤滑油系數(shù) 查【4】圖6-17 1.03 速度系數(shù) 查【5】圖6-20， 0.95 粗超度最小 安全系數(shù) 查【5】圖6-21 1.01 工作硬化系數(shù) 內齒輪均為硬齒面，查【5】圖6-22 1 尺寸系數(shù) 查【4】表6-15 1 最小安全系數(shù) 按高可靠度，查【5】表6-22 1.25 接觸應力基本值 （3-10） 接觸應力 （3-11） 許用接觸應力: / = （3-12） 故,接觸強度通過 （2） 齒根彎曲疲勞強度 齒根彎曲疲勞應力及許用應力 用書【5】6-34,、6-35、6-35、6-36計算并分別對太陽輪和行星輪進行校核。各項參數(shù)如表3-5 表3-5 外嚙合齒根彎曲強度有關參數(shù)和系數(shù) 代號 名稱 說明 取值 齒向載荷分布系數(shù) 1.054 齒間載荷分布系數(shù) 1 行星輪載荷分布系數(shù) 按【5】式7-43 1.3 太陽輪齒形分配敘述 x=0,z=19,查【5】6-25 2.84 行星輪齒形分布系數(shù) x=0,,查【5】圖6-25 2.54 太陽輪應力修正系數(shù) 查【5】圖6-27 1.57 太陽輪應力修正系數(shù) 查【5】圖6-27 1.72 重合度系數(shù) 查【5】式6-40， 0.72 彎曲壽命能夠系數(shù) N>3 1 試驗齒輪應力修正系數(shù) 按所給區(qū)域圖取 2 太陽輪齒根圓角敏感系數(shù) 查【5】圖6-35 0.96 行星齒輪齒根圓角敏感系數(shù) 查【5】圖6-35 0.97 齒根表面形狀系數(shù) ，查【5】圖6-35 1.045 最小安全系數(shù) 按高可靠度，查【5】表6-8 1.6 ①太陽輪： 彎曲應力基本值： = （3-13） 彎曲應力： =.....Y= （3-14） 故<, 彎曲強度通過 ② 行星輪 =../bm=103.79N/mm =./ = =..... = 故<,彎曲強度通過 （2）內嚙合 ① 齒輪接觸疲勞強度 、仍用【5】式（6-19）、（6-20）、（6-21）計算，其中與外嚙合取值，不同的參數(shù)為u=77/29=2.655 , =0.87, =1.03,=0.97, =1.11 =....Z （3-15） （3-16） =mm （3-17） 故 < ②齒根彎曲疲勞強度 只需計算內齒輪，計算公式仍為書【5】（6-34）、（6-35）和式6-36，其中取值與外嚙合不同的系數(shù)：，，=0.683 = 1.02 =1.045 = （3-18） =..... = (3-19) =./ = (3-20) 故<,彎曲強度通過 3.8 軸上部件的設計計算與校核 3.8.1 軸的計算 3.8.1.1輸出軸 1.輸出軸上的功率 (為齒輪嚙合效率) 2..求齒輪上的力 2.初步確定軸的最小直徑 先按書【1】式（15-2）初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為40Cr,調質處理 根據表【1】式（15-3），取,于是得 軸的輸出最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器的直徑dⅠ-Ⅱ,為了所選軸直徑孔徑相適，故需同時選取聯(lián)軸器型號，聯(lián)軸器查 【1】表14-1，取，則 （3-47） 按計算轉矩小于聯(lián)軸器公轉轉矩條件，查【6】表11-17，ZL3彈性柱銷齒式聯(lián)軸器dⅠ=38，半聯(lián)軸器長度L=82,半聯(lián)軸器與軸配合得轂孔長度L1=60。 3.軸的結構設計 (1）根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 1）為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求Ⅰ-Ⅱ軸端有段需制造出軸肩，故Ⅱ-Ⅲ段，dⅡ-Ⅲ=46mm，左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑D=50。半聯(lián)軸器與軸配合得轂孔長度，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸端面上，故Ⅰ-Ⅱ段的長度應該L1略短一些，現(xiàn)取LⅠ-Ⅱ=58mm。 2）初選滾動軸承。應為軸承只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承6010，其尺寸d-D-T=50mm-80mm-16mm,故dⅢ-Ⅳ=dⅦ-Ⅷ=50mm,而LⅦ-Ⅷ=16mm. 端右滾動軸承采用軸肩進行的軸向定位。有手冊上查的6010軸間高度，h=3,因此選取dⅥ-Ⅶ=56。 1） 取安裝齒輪出的軸段Ⅳ-Ⅴ的直徑dⅣ-Ⅴ=54,齒輪的左端與軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為60mm ,為了使套筒斷面可靠的緊壓齒輪，此軸段應略短于輪轂寬度，故取LⅣ-Ⅴ=56mm ,齒輪的右端采用軸肩定位，軸肩高度h=6mm,則軸環(huán)處的直徑dⅤ-Ⅵ=64mm 。軸環(huán)寬度取10mm。 2） 軸承端蓋的總寬度為21mm (由減速器及軸承端蓋的結構設計而定),取LⅢ-Ⅳ=30.5。 3） 取齒輪距箱體的內壁之間的距離a=10.5,. (2)軸上零件的周向定位 齒輪、半聯(lián)軸器的周向定位均采用平減連接。由書【1】表6-1查的平鍵截面,鍵槽用槽銑刀加工，長度為50mm，同時為了保證齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為；同時半聯(lián)軸器的連接，選用平鍵為，半聯(lián)軸器的配合為。滾動軸承與軸的周向定位是由過度配合來保證的，此處的直徑尺寸公差為m6。 4.求軸上的載荷 首先根據軸的結構圖做出軸的計算簡圖。軸承的支點位置為滾動軸承的中點位置。，因此，作為簡支梁的軸的支撐跨距為L1+L2=72.5+127.5=200mm。令水平面為 H面，垂直面為 V面。 圖3-3 軸的載荷分析圖 3 , （3-47） , （3-48） 代入數(shù)值可得： 則截面C處的 ,代入數(shù)值可得， N （3-49） 總彎矩： （3-50） （3-51） 5.按彎矩合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）的強度。根據書【1】式（15-5）及上表中的數(shù)據，以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)應力，取，軸的計算應力 (3-52) 前已選定軸的材料為40Cr,調質處理，由【1】表15-1查得，，故 < 3.8.1.2輸入軸 1．輸入軸上的功率、轉速、和轉矩 =2.465kw，=960r/min，=8.413N.m 2．求作用在齒輪上的力 3. 初步確定軸的最小直徑 先按書【1】式（15-2）初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為40Cr,調質處理 根據表【1】式（15-3），取,于是得 (3-53) 4．軸的結構設計 按照輸入軸的設計方法各段軸的大小、長度如圖3-4所示 選滾動軸承型號為 ：6005 (單位為mm) 聯(lián)軸器處鍵槽： 3.8.1.3滾動軸承的壽命校核 1．求軸向力與徑向力的比值 根據【1】表13-5 ,滿足壽命要求。 3.8.2 行星架設計 因為單臂式行星架結構簡單，可容納較多的行星輪，所以選擇單臂式行星架。軸與孔之見采用過盈配合（），用溫差裝配，配合長度為1.5d-2.5d范圍內取，取配合長度為20mm。取左端與齒輪軸配合長度為20mm,孔與軸之間采用間隙配合?；編缀螀?shù)如圖3-7所示 （三）、滾動軸承選擇 2、高速軸軸承的校核 ①根據軸承型號30307查設計手冊取軸承基本額定動載荷為：C=75200N；基本額定靜載荷為： ② 求兩軸承受到的徑向載荷 將軸系部件受到的空間力系分解為鉛垂面和水平面兩個平面力系。有力分析可知： ③求兩軸承的計算軸向力 對于圓錐滾子軸承，軸承派生軸向力，Y由設計手冊查得為1.9，因此可以估算： 則軸有向右竄動的趨勢，軸承1被壓緊，軸承2被放松 ④求軸承當量動載荷 查設計手冊知e=0.31 查課本表13-5得徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù) 軸承1 軸承2 因軸承運轉中有輕微沖擊,查課本表13-6得 則 ⑤ 驗算軸承壽命 因為,所以按軸承1的受力大小驗算 選擇軸承滿足壽命要求. 1、低速軸軸承的校核 ①根據軸承型號30306查設計手冊取軸承基本額定動載荷為：C=59000N；基本額定靜載荷為： ② 求兩軸承受到的徑向載荷 將軸系部件受到的空間力系分解為鉛垂面和水平面兩個平面力系。有力分析可知： ③求兩軸承的計算軸向力 對于圓錐滾子軸承，軸承派生軸向力，Y由設計手冊查得為1.9，因此可以估算： 則軸有向左竄動的趨勢，軸承1被壓緊，軸承2被放松 ④求軸承當量動載荷 查設計手冊知e=0.31 查課本表13-5得徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù) 軸承1 軸承2 因軸承運轉中有輕微沖擊,查課本表13-6得 則 ⑤ 驗算軸承壽命 因為,所以按軸承1的受力大小驗算 選擇軸承滿足壽命要求. 3.9 鍵的選擇與校核 3.9.1 鍵的選擇 在本設計中，所選擇的鍵的類型均為A型圓頭普通平鍵，其材料為45鋼，在帶輪1上鍵的尺寸如下表所示： 軸 鍵 鍵 槽 半徑 r 公 稱 直 徑 d 公稱 尺寸 bh 寬度b 深度 公稱 尺寸 b 極限偏差 軸t 轂 一般鍵聯(lián)結 軸N9 轂9 公稱 尺寸 極限 偏差 公稱尺寸 極限偏差 最小 最大 28 87 8 0 -0.036 0.018 4.0 +0.2 0 3.3 +0.2 0 0.25 0.40 3.9.2 鍵的校核 3.9.2.1 鍵的剪切強度校核 鍵在傳遞動力的過程中，要受到剪切破壞，其受力如下圖所示： 圖5-6 鍵剪切受力圖 鍵的剪切受力圖如圖3-6所示，其中b=8 mm,L=25 mm.鍵的許用剪切應力為[τ]=30 ，由前面計算可得，軸上受到的轉矩T=55 Nm ，由鍵的剪切強度條件： （其中D為帶輪輪轂直徑） （5-1） =10 M30 （結構合理） 3.9.2.2鍵的擠壓強度校核 鍵在傳遞動力過程中，由于鍵的上下兩部分之間有力偶矩的作用，迫使鍵的上下部分產生滑移，從而使鍵的上下兩面交界處產生破壞，其受力情況如下圖所示：（初取鍵的許用擠壓應力=100 ） 圖5-7 鍵擠壓受力圖 由 （5-2） =2000 N 又有 （5-3） 8 結構合理 3.10 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器的計算轉矩，查課本表14-1，考慮到轉矩變化很小，故取，則 按照計算轉矩應小于聯(lián)軸器公稱轉矩的條件，查手冊，選用HL1型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉矩為160000N.mm。半聯(lián)軸器的孔徑=24mm （6）潤滑與密封 ① 齒輪的潤滑 采用浸油潤滑，浸油深度為一個齒高，但不小于10mm。 ② 滾動軸承的潤滑 由于軸承周向速度為1m/s <2m/s，所以選用軸承內充填油脂來潤滑。 ③ 潤滑油的選擇 齒輪選用普通工業(yè)齒輪潤滑油，軸承選用鈣基潤滑脂。 ④ 密封方法的選取 箱內密封采用擋油盤。箱外密封選用凸緣式軸承蓋，在非軸伸端采用悶蓋，在軸伸端采用透蓋，兩者均采用墊片加以密封；此外，對于透蓋還需要在軸伸處設置氈圈加以密封。