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摘要 本課題是設計一種專門對法蘭盤進行加工的帶自動分度機構的回轉工作臺的設 計，利用步進電動機進行自動分度的控制，再通過齒輪傳動帶動心軸和工件轉動， 配合鉆床對法蘭盤進行加工，使工件能任意角度的旋轉。在單片機的控制下，步進 電機每秒鐘發(fā)出的脈沖數(shù)決定了工作臺的轉位角度。 關鍵詞 步進電動機；自動分度；齒輪傳動 I Abstract This subject is a special design to the flange with automatic processing of the rotary table, the subject is to use a stepper motor of automatic control, then through the drive spindle and the workpiece rotation, and then processing flange plate of the drilling machine, the work piece can be revolving random angle. Under the control of the microcontroller, the pulse per second from the stepper motor decides the table of the transfer point. Keywords stepper motor automatic degrees gear 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 目 錄 1 緒論 .1 1.1 回轉工作臺的簡介和應用 .1 1.1.1 回轉工作臺的簡介 .1 1.1.2 回轉工作臺的應用 .2 2 方案的選擇 .3 2.1 數(shù)控回轉工作臺 .4 2.2 分度工作臺 .4 2.2.1 開環(huán)數(shù)控轉臺 .4 2.2.2 閉環(huán)數(shù)控回轉工作臺 .5 3 工作臺的設計 .7 3.1 加工零件分析 .7 3.2 步進電動機的選擇 .8 3.2.1 步進電動機簡介 .8 3.2.2 步進電動機的選擇和參數(shù) .9 3.2.3 單片機控制步進電機原理 .11 3.2.4 單片機驅動工作臺上步進電機設計 .12 3.3 錐齒輪的選擇和計算 .21 3.3.1 齒輪設計輸入?yún)?shù) .21 3.3.2 齒輪的材料及熱處理 .21 3.3.3 齒輪的基本參數(shù) .21 3.3.4 齒面接觸疲勞強度校核 .23 3.3.5 齒根彎曲強度校核 .24 3.4 心軸的設計 .25 3.4.1 軸類零件的技術要求 .25 3.4.2 軸類零件的材料、毛坯及熱處理 .25 3.4.3 心軸的較核 .25 3.5 軸承的選擇 .30 3.5.1 軸承的分類 .30 3.5.2 推力球軸承的作用 .30 3.5.3 軸承的選定 .31 3.5.4 軸承的動載荷和壽命計算 .31 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) I 3.6 夾緊裝置的設計 .32 3.7 箱體 的設計 .33 結論 .33 致謝 .36 參考文獻 .37 附錄 .38 附錄 1 .38 附錄 2 .43 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 0 1 緒論 1.1 回轉工作臺的簡介和應用 1.1.1 回轉工作臺的簡介 回轉工作臺(以下稱轉臺) 根據(jù)其精度的不同分別是銑床、鉆床和坐標鏜床、坐標磨床 的主要附件，高精度的轉臺還是計量檢驗工作中的測量儀器。 （1） 國內轉臺簡介 工作臺直徑是轉臺主參數(shù)，目前我國專業(yè)生產(chǎn)廠制造的轉臺有手動和手動機動(即 通過萬向節(jié)傳動)兩種，全是水平式，規(guī)格有 200, 250, 320, 400 和 500 五種，分度精 度按部標為 3。去年獲得一機部質量信得過產(chǎn)品獎的武漢機床附件廠生產(chǎn)的 400mm 轉臺。 （2） 國外轉臺簡介 國外轉臺品種繁多，按驅動控制方式可分電動、氣動、濃壓和數(shù)控。按分度方式可 分機械、光學、數(shù)顯、端齒盤、鋼球、電感和多面體。工業(yè)水平發(fā)達國家生產(chǎn)的轉臺品 種多、規(guī)格全、精度高。沒有單一的轉臺生產(chǎn)廠，如西德霍夫曼公司生產(chǎn)七十多個品種 規(guī)格的轉臺，日本津田駒工業(yè)株式會社也有四十多種，這兩家還生產(chǎn)多種分度頭，有的 產(chǎn)品既是轉臺又是分度頭，而機床附件又都僅是這兩家公司的一個分部。在分度精度上， 首推美國莫爾公司的 1440 齒機械分度轉臺，其精度高達0.1。瑞士的西浦公司生產(chǎn) 200-450 mm 八種規(guī)格的轉臺，分度精度在 4-18之間。以前的產(chǎn)品采用蝸輪副分度，近 年則多采用光學分度。在鎖緊機構上采用鋼盤機構，不致使工作臺面受力而產(chǎn)生變形。 英國 OMT 光學測量工具公司生產(chǎn)的轉臺與其座標銼床配套，它采用圓柱銷鎖緊， .工作臺 面不受力、結構簡單、工藝性也好，但操作不集中，它有 12 個品種規(guī)格，自 203 一 914mm，分度精度在 4 -30之間，全是光學轉臺。:日本工業(yè)株式會社以生產(chǎn)鋼球分 度超精密轉臺而著稱，有手動和電氣液壓驅動兩類 11 個規(guī)格，自 200-1250mm,分度 精度高達1。國外轉臺制造廠，據(jù)不完全統(tǒng)計約一百余家，以美、法、英、西德、日 本、瑞士最多，下面簡略介紹三家典型的公司: 美國莫爾公司(Moors) 1924 年創(chuàng)立，五十年代制造轉臺，生產(chǎn)座標銑床、座標磨床，是美國精密機床廠代 表之一，職工 380 人。莫爾轉臺，蝸輪副分度，不使用校正裝置、操作方便、重復精度 好，易于維修，制造難度大。它還可用步進電機調整角度增量，對轉臺進行程序控制， ， 實現(xiàn)簡單的分度控制。蝸輪副加工是轉臺的關鍵，莫爾公司有一整套工藝予以保證，其 分度精度為：標準級12, 精密級6、超精級 2。轉臺直徑僅有 726mm 一種， 立臥式，中心高 200mm,可當分度頭用。莫爾端面齒分度臺，1440 齒，分度精度高達 0.1。1440 齒分布在 8 寸的圓周長上即 203= 610mm，每齒間距僅為 0.432mm， 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 1 每一齒側接觸僅為百分之幾毫米，可見端齒加工的難度。1440 齒分度只能細分到十度， 加裝小角度發(fā)生器便可直接讀到 0.1。1440 齒分度盤是計量莫爾轉合的儀器。 西德霍夫曼公司(Hofmann) 霍夫曼是生產(chǎn)分度頭和轉臺頗具盛名的廠家，但這卻是該公司一個很小的部分，霍 夫曼僅有職工 350 人，一各類機床附件晶種達幾十種，規(guī)格 200 余個，據(jù)統(tǒng)計僅轉臺一 項就有 30 余種 126 個規(guī)格?；舴蚵?GR 型手動精密機械轉臺采用 180 齒的蝸輪，模數(shù) 1.75，壓力角 10。蝸桿升角 213，因而分度精度高，且蝸輪副分度誤差可由杠桿機 構進行補償，轉臺結構緊湊、密封性好，轉合高度也較低， 、分度精度為5和10 兩種。日本北川鐵工廠生產(chǎn)的 R、RI、WR 和 WRI 型轉臺均自霍夫曼引進，以同型號共 商標出廠。 日本津田駒工業(yè)株式會社 津田駒主要生產(chǎn)紡織機械，分度頭、轉臺、平口鉗等機床附件，約占生產(chǎn)能力 10%?，F(xiàn)有職工 1500 人。1937 年開始生產(chǎn)轉臺，是日本最大的機床附件生產(chǎn)廠之一。津 田駒生產(chǎn) 14 種轉臺、計 41 個規(guī)格， CTK 型手動轉臺，快速進給的 CTM 型手動轉臺。 津田駒轉臺的幾種方法簡介如下： 1) 手動蝸輪分度：分度精度可達 10-15，鑒于蝸輪副節(jié)距誤差和齒面接觸精度直接影 響分度精度，嚴格地控制了蝸輪的副加工和裝配。 2) 伺服電機分度：利用數(shù)控裝置發(fā)出信號、操縱伺服電機驅動轉臺。也采用蝸輪副，工 作臺主軸系用向心止推滾珠軸承，滑動部位用鋼球支承，為適用于強力切削選用自動鎖 緊機構，分度精度為 12-15。 3) 分度盤分度：為電動轉臺采用，在電機驅動主軸上裝分度盤，分度數(shù)為一些固定量， 在分度盤側裝有與分度數(shù)相等的信號銷，電動機根據(jù)信號準確停止，一般可分 24 的約數(shù)， 分度精度取決于分度盤，當然也受主軸和分度盤不同心度影響。 4) 分度盤：蝸輪并用分度。大型轉臺多采用并用分度，因為大規(guī)格轉臺定位銷相應增大， 使電磁吸鐵吸力受到限制，大轉臺受沖擊力，慣性力大，為此還采用了減速機構，分度 精度可達 3。 5) 端齒盤分度： CTPM-300 型轉臺系超精密自動分度轉臺，即是此法分度。分度精度可 達 4。能承受重切削，自動定心精度高。 1.1.2 回轉工作臺的應用 回轉工作臺在各種數(shù)控銑床中的應用 例如 TK13250B 數(shù)控立臥回轉工作臺 TK13250B 數(shù)控立臥回轉工作臺是各類數(shù)控銑床和加工中心的理想配套附件，可分別 以垂直或水平兩種方式安裝于主機工作臺上。工作時，利用主機的有關控制系統(tǒng)完成與 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 2 主機相協(xié)調的各種分度回轉工作。工作臺上可安裝板、盤或其它形狀較復雜的加工零部 件。也可利用與之相配套的尾座，安裝棒、軸類的被加工零件，從而實現(xiàn)等分和不等分 的，連續(xù)的孔盤、槽盤、曲面的加工，且達到較高的精度。另外也可和非數(shù)控機床配套， 利用專門控制系統(tǒng)，獨立地完成等分的和不等分的、連續(xù)的分度圓弧面的加工。 TK13315B 數(shù)控立臥回轉工作臺 TK13315B 數(shù)控立臥回轉工作臺是各類數(shù)控銑床和加工中心的理想配套附件，可分別 以垂直或水平兩種方式安裝于主機工作臺上。工作時，利用主機的有關控制系統(tǒng)完成與 主機相協(xié)調的各種分度回轉工作。工作臺上可安裝板、盤或其它形狀較復雜的加工零部 件。也可利用與之相配套的尾座，安裝棒、軸類的被加工零件，從而實現(xiàn)等分和不等分 的，連續(xù)的孔盤、槽盤、曲面的加工，且達到較高的精度。另外也可和非數(shù)控機床配套， 利用專門控制系統(tǒng)，獨立地完成等分的和不等分的、連續(xù)的分度圓弧面的加工。 TK13400B 數(shù)控立臥回轉工作臺 TK13400B 數(shù)控立臥回轉工作臺是各類數(shù)控銑床和加工中心的理想配套附件，可分別 以垂直或水平兩種方式安裝于主機工作臺上。工作時，利用主機的有關控制系統(tǒng)完成與 主機相協(xié)調的各種分度回轉工作。工作臺上可安裝板、盤或其它形狀較復雜的加工零部 件。也可利用與之相配套的尾座，安裝棒、軸類的被加工零件，從而實現(xiàn)等分和不等分 的，連續(xù)的孔盤、槽盤、曲面的加工，且達到較高的精度。另外也可和非數(shù)控機床配套， 利用專門控制系統(tǒng)，獨立地完成等分的和不等分的、連續(xù)的分度圓弧面的加工。 TK13500 數(shù)控立臥回轉工作臺 TK13500 數(shù)控立臥回轉工作臺是各類數(shù)控銑床和加工中心的理想配套附件，可分別以 垂直或水平兩種方式安裝于主機工作臺上。工作時，利用主機的有關控制系統(tǒng)完成與主 機相協(xié)調的各種分度回轉工作。工作臺上可安裝板、盤或其它形狀較復雜的加工零部件。 也可利用與之相配套的尾座，安裝棒、軸類的被加工零件，從而實現(xiàn)等分和不等分的， 連續(xù)的孔盤、槽盤、曲面的加工，且達到較高的精度。另外也可和非數(shù)控機床配套，利 用專門控制系統(tǒng)，獨立地完成等分的和不等分的、連續(xù)的分度圓弧面的加工。 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 3 2 方案的選擇 回轉工作臺是加工法蘭盤不可缺少的重要附件。它的作用是按照控制裝置的信號或 指令作回轉分度或連續(xù)作回轉進給運動。常用的回轉工作臺有數(shù)控回轉工作臺和分度工 作臺。 2.1 數(shù)控回轉工作臺 數(shù)控回轉工作臺的功用有： （1）使工作臺進行圓周進給完成切削工作； （2）使工作臺進行分度工作。 它按照控制系統(tǒng)的指令，在需要時候完成任務。其作用是既能作為數(shù)控機床的一個 回轉坐標軸，用于加工直線、曲線、圓弧或與直線坐標軸聯(lián)動加工曲面，又能作為分度 頭完成工作的轉位換面。 2.2 分度工作臺 分度工作臺的功能是完成回轉分度運動，即按照控制系統(tǒng)的指令，在需要分度時， 將工作臺及其工作臺回轉一定角度。其作用是在加工中自動完成工作的轉位換面，實現(xiàn) 工件一次安裝完成幾個面的加工。按照采用的定位元件的不同，有定位銷式分度工作臺 和鼠牙盤式分度工作臺。分度工作臺通常由于結構的關系，僅能作規(guī)定好的度數(shù)的分度 運動，不能連續(xù)旋轉運動。機床的分度結構，它本身很難保證工作臺的分度的高精度的 要求不適合本設計要求。 再看數(shù)控回轉工作臺與分度工作臺的區(qū)別，數(shù)控回轉工作臺，從外形上看，與分度 工作臺沒有什么區(qū)別，但在結構上有以下一系列特點，現(xiàn)就開環(huán)數(shù)控工作臺和閉環(huán)數(shù)控 工作臺分述如下： 2.2.1 開環(huán)數(shù)控轉臺 開環(huán)系統(tǒng)數(shù)控轉臺是由傳動系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪夾緊裝置等組成。數(shù)控轉臺 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 4 一般由電液脈沖馬達或功率步進電機驅動，當接到控制系統(tǒng)的回轉指令后，首先要把蝸 輪松開，然后開動電液脈沖馬達，按照指令脈沖來確定工作臺回轉的方向、回轉的速 度快慢、回轉的角度大小以及回轉過程中速度的變化等參數(shù)。當回轉工作臺回轉完畢后， 再把蝸輪夾緊恢復到原來的位置。數(shù)控轉臺的分度定位是按控制系統(tǒng)所指定的脈沖數(shù)來 決定轉位角度的，沒有其他的定位元件。因此，對開環(huán)數(shù)控轉臺的傳動精度要求高，傳 動間隙應盡量小。 數(shù)控回轉工作臺既沒有鼠牙盤，也沒有定位銷，它的定位精度完全是由控制系統(tǒng)來 決定的。因此，對于開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控回轉工作臺，要求它的傳動系統(tǒng)中沒有間隙，否則 在反向時產(chǎn)生傳動誤差而影響定位精度。 當工作臺靜止時，必須處于鎖緊狀態(tài)。為此，在蝸輪底部的輻射方向裝有八對夾緊 瓦，并在底座上均布同樣數(shù)量的小液壓缸。當小液壓缸的上腔接通壓力油時，活塞便壓 向鋼球，撐開夾緊瓦，并夾緊蝸輪。在工作臺需要回轉時，先使小液壓缸的上腔接通回 油路，在彈簧的作用下，鋼球抬起，夾緊瓦將蝸輪松開。 回轉工作臺的導軌面由大型滾動軸承支承，并由圓錐滾柱軸承及雙列向心圓柱滾子 軸承保持準確的回轉中心。數(shù)控回轉工作臺的定位精度主要取決于蝸桿副的傳動精度， 因而必須采用高精度蝸桿副。在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，可以在實際測量工作臺靜態(tài)定位誤 差之后，確定需要補償角度的位置和補償?shù)闹?，記憶在補償回路中，由數(shù)控裝置進行誤 差補償。在全閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由高精度的圓光柵發(fā)出工作臺精確到位信號，反饋給數(shù) 控裝置進行控制。 回轉工作臺設有零點，當它作回零運動時，先用擋鐵壓下限位開關，使工作臺降速， 然后由圓光柵或編碼器發(fā)出零位信號，使工作臺準確地停在零位。數(shù)控回轉工作臺可以 作任意角度的回轉和分度，也可以作連續(xù)回轉進給運動。 這種數(shù)控回轉工作臺的驅動采用開環(huán)系統(tǒng)，其定位精度主要取決于蝸桿蝸輪的運動 精度，雖然采用高精度的五級蝸桿蝸輪副，但還是不能滿足機床的定位精度 。因10 此還需要借助于數(shù)控裝置進行誤差補償。 回轉工作臺的導軌面是由大型滾柱軸承支承，徑向又有圓錐滾子軸承及雙列向心圓 柱滾子軸承保證回轉平穩(wěn)，并有上述強力夾緊機構。因此回轉工作臺的剛度很好。 2.2.2 閉環(huán)數(shù)控回轉工作臺 閉環(huán)數(shù)控回轉工作臺一般采用直流或交流伺服電機驅動，其結構與開環(huán)數(shù)控轉臺大 致相同。區(qū)別在于：閉環(huán)數(shù)控回轉工作臺有角度測量元件（圓光柵或圓感應同步器） 。所 測量的結果反饋與指令進行比較，按閉環(huán)原理進行工作，使回轉工作臺定位精度更高。 這兩工作臺數(shù)控回轉工作臺的成本比較高,而兩種工作臺的功用相差不大,所以選用 分度工作臺。 而分度工作臺傳動機構又有好多種:如蝸輪蝸桿傳動和齒輪傳動 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 5 蝸輪蝸桿傳動有如下特點： （1）結構緊湊、并能獲得很大的傳動比，一般傳動比為 7-80。 （2）工作平穩(wěn)無噪音 （3）傳動功率范圍大 （4）可以自鎖 （5）傳動效率低，蝸輪常需用有色金屬制造。蝸桿的螺旋有單頭與多頭之分。 齒輪傳動有哪些特點： 1) 傳動平穩(wěn)，傳動比準確 2) 結構緊湊，傳動效率高 3) 使用壽命長 4) 制造和安裝精度要求高 他們各有優(yōu)缺點，由加工法蘭盤的具體考慮我選擇齒輪傳動的分度回轉工作臺。 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 6 3 工作臺的設計 3.1 加工零件分析 法蘭盤為一個廠常用件，所謂法蘭盤一個類似盤狀的金屬體色的周邊開上幾個固定 用的孔用于連接其它東西。這東西在機械上應用很廣泛，所以樣子也千奇百怪的，只要 像就是叫法蘭盤，工精度要求不太高，但年需求量較大。 因此，加工此法蘭盤時，首先，需要考慮的問題就是加工的生產(chǎn)效率。 （1）采用通用機床加工此法蘭盤時，加工的范圍可以進行擴大，可以加工出一系列 的法蘭盤，但通用機床的調整時間較長，裝夾與拆卸工件的時間較長，使得法蘭盤的加 工效率無法進行提高。 （2）專門化機床的工藝范圍較窄，只能加工一尺寸范圍內的某一類零件，完成某一 種特定工序，但生產(chǎn)效率較通用的機床高。 （3）專用機床的工藝范圍最窄，通常只能完成某一特定零件的特定工序，但專用機 床的加工效率是這三類機床中最高的。因此專用機床較為適用了加工此類法蘭盤。 （4）組合機床作為專用機床中的一種與通用機床的專門化機床相比較。 1）組合機床由 70-90的通用零部件組成，可以縮短設計和制造周期，而且在需要 的時候，還可以部分或全部改裝。以組成適應新加工要求的設備就是說組合機床有重新 改裝的優(yōu)越性，其通用零部件可以多次重復利用。 2）組合機床是按具體加工對象專門設計的，中以按最佳工藝方案進行加工。 3）在加工零件時，組合機床可以同時從幾個方向采用多把刀具對幾個工件進行加工， 是實現(xiàn)集中工序，提高生產(chǎn)效率的最好途徑，這也正是加工法蘭盤所需要的。 4）組合機床是在工件一次裝夾下用的軸實現(xiàn)多孔同時加工，有利保證各孔相互之間 的精度要求，提高產(chǎn)品質量，減少了工件工序間的搬運，改善了勞動條件上，減少了占 地面積。 5）組合機床在多數(shù)的零部件是同類的通用部件簡化了機床的維護和修理。 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 7 6）組合機床的通用部件可以組織專門廠家集中生產(chǎn)。有利于提高產(chǎn)品質量和技術水 平，降低制造成本。綜合上面的分析，可得采用組合機床加工法蘭盤，有利于提高法蘭 盤的加工精度和生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本。 （5）在采用組合機床的基礎上，如果采用自動或回轉工作臺來進行加工，將可以進 一步提高法蘭盤的加工效率，采用自動或回轉工作臺，可以減少工件的搬運和裝夾次數(shù)， 減少了工人的勞動強度。 法蘭盤以往工廠下料時，都采用氣割或液壓機，但氣割時毛坯的精度比較低，加工 時毛坯的切削余量比較大，使得加工成本與加工時間都有所提高。且采用氣割下料時， 毛坯易形成氧化層從而給下一工序的加工帶來困難。 采用液壓機進行下料時，加工精度與加工效率都有較氣割有較提高。但毛坯的厚度 提高，液壓機的噸位也在提高，從而使得液壓機的制造成本也隨之提高。 因此，就法蘭盤的下料有必要也設計一臺專機，從而提高加工效率與降低加工成本。 下料專機的設計得法蘭盤的外圓尺寸在下料時就可以得到保證，下料后的法蘭盤外 圓加工精度也達到了要求，從而法蘭盤的外圓無須再進行加工。 3.2 步進電動機的選擇 3.2.1 步進電動機簡介 3.2.1.1 步進電動機的特點 步進電動機又稱為脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元件。 其輸入一個電脈沖就轉動一步，既每當電動機的繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個 相應的步距角。轉子角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數(shù)與頻率成正比，并在時 間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量，頻率以及電動機繞組的通電順序， 電動機即可獲得所需的轉角，轉速及轉向，很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。步進電動機具 有以下主要特點： （1）步進電動機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動，電流的大小 與波形的變化，溫度等）的影響，只要在他們的大小未引起步進電動機產(chǎn)生“丟失”現(xiàn) 象之前，就不會影響其正常工作； （2）步進電動機的步距角有誤差，轉子轉過一定的步數(shù)以后也會出現(xiàn)累計誤差，但 轉子轉過一轉之后，其累計誤差就會變?yōu)椤傲恪?，因此不會長期積累； （3）控制性能好，在啟動，停止，反轉時不易“丟失” 。 因此，步進電動機被廣泛應用于開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠 的獲得較高的位置精度。 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 8 3.2.1.2 步進電動機原理 步進電機 2 個相鄰磁極之間的夾角為 60。線圈繞過相對的 2 個磁極,構成一相(A- A,B-B,C-C)。磁極上有 5 個均勻分布的矩形小齒,轉子上沒有繞組,而有 40 個小齒 均勻分布在其圓周上,且相鄰 2 個齒之間的夾角為 9。當某組繞組通電時,相應的 2 個磁 極就分別形成 N-S 極,產(chǎn)生磁場,并與轉子形成磁路。如果這時定子的小齒與轉子沒有對 齊,則在磁場的作用下轉子將轉動一定的角度,使轉子齒與定子齒對齊,從而使步進電機向 前“走”一步。 （1） 步進電機的控制方式 如果通過單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流,就可以控制電機的轉動,從而實 現(xiàn)數(shù)字角度的轉換。轉動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比,轉動的速度與脈沖頻率成 正比,而轉動方向則與脈沖的順序有關。以三相步進電機為例,電流脈沖的施加共有 3 種 方式。 1)單相三拍方式(按單相繞組施加電流脈沖):ABC正轉;ACB反轉。 2)雙相三拍方式(按雙相繞組施加電流脈沖):ABBCCA正轉; ACCBAB反轉。 3)三相六拍方式(單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖): AABBBCCCA正轉;AACCCBBBA反轉。單相三拍方式的每一拍 步進角為 3,三相六拍的步進角則為 1.5,因此,在三相六拍下,步進電機的運行反轉平 穩(wěn)柔和,但在同樣的運行角度與速度下,三相六拍驅動脈沖的頻率需提高 1 倍,對驅動開關 管的開關特性要求較高。 （2） 步進電動機的驅動方式 步進電機常用的驅動方式是全電壓驅動,即在電機移步與鎖步時都加載額定電壓。為 了防止電機過流及改善驅動特性,需加限流電阻。由于步進電機鎖步時,限流電阻要消耗 掉大量的功率,故限流電阻要有較大的功率容量,并且開關管也要有較高的負載能力。步 進電機的另一種驅動方式是高低壓驅動,即在電機移步時,加額定或超過額定值的電壓,以 便在較大的電流驅動下,使電機快速移步；而在鎖步時,則加低于額定值的電壓，只讓電 機繞組流過鎖步所需的電流值。這樣,既可以減少限流電阻的功率消耗,又可以提高電機 的運行速度,但這種驅動方式的電路要復雜一些。驅動脈沖的分配可以使用硬件方法,即 用脈沖分配器實現(xiàn)。現(xiàn)在,脈沖分配器已經(jīng)標準化、芯片化,市場上可以買到。但硬件方 法結構復雜,成本也較高。步進電機控制(包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配)也可以使用軟件方 法,即用單片機實現(xiàn),下面給出具體的使用單片機以軟件方式驅動步進電機的實現(xiàn)方法。 3.2.2 步進電動機的選擇和參數(shù) （1）步進電機的選擇 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 9 步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素 確定，步進電機的型號便確定下來了。 1） 步距角的選擇 電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸 上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目 前市場上步進電機的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相電機）、0.9 度/1.8 度（二、 四相電機）、1.5 度/3 度 （三相電機）等。 2） 靜力矩的選擇 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇 的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和 單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起 動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦 負載的 2-3 倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。 3） 電流的選擇 靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲 線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓） 4） 力矩與功率換算 步進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力 矩與功率換算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其 P 為功率單位為瓦， 為每秒角速度，單位為弧度，n 為每分鐘轉速，M 為力矩單 位為牛頓米 P=2fM/400(半步工作） 其中 f 為每秒脈沖數(shù)（簡稱 PPS) （2）步進電機應用中的注意點 1） 步進電機應用于低速場合-每分鐘轉速不超過 1000 轉，（0.9 度時 6666PPS)， 最好在 1000-3000PPS(0.9 度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作 效率高，噪音低。 2） 步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 3） 由于歷史原因，只有標稱為 12V 電壓的電機使用 12V 外，其他電機的電壓值不是 驅動電壓伏值 ，可根據(jù)驅動器選擇驅動電壓（建議：57BYG 采用直流 24V-36V，86BYG 采 用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V），當然 12 伏的電壓除 12V 恒壓驅動外也可以采用 其他驅動電源， 不過要考慮溫升。 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 10 4） 轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。 5） 電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速， (1)電機不失步，(2)可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。 6） 高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅動器來解決， 也可以采用 5 相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外 行話。 7） 電機不應在振動區(qū)內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 8） 電機在 600PPS（0.9 度）以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。 9） 應遵循先選電機后選驅動的原則。 本課題選用反應式步進電動機，其技術性能數(shù)據(jù)如下： 型號： 75BF001 相數(shù)： 3 步距角： 1.5/ o（ ） 電壓: 24V 相電流: 3A 最大靜轉矩 : 0.392（N.M） 空載起動頻率: 1750 步/S 電感: 19mH 電阻: 0.62 分配方式: 三相六拍 外形尺寸: 75x53( 6) 轉子動慣量： 1.274 5210.Kgm 重量： 1.1（Kg） 3.2.3 單片機控制步進電機原理 步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進 電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應式步進電機 （簡稱 VR） 、永磁式步進電機（簡稱 PM）和混合式步進電機（簡稱 HB） 。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的， 即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 步進電機的驅動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用 如下： （1） 控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 11 電順序為 A-B-C-D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制 A,B,C,D 相的通斷。 （2） 控制步進電機的轉向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就 反轉。 （3） 控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩 個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進 電機進行調速。 3.2.4 單片機驅動工作臺上步進電機設計 步進電機在低頻工作時，會有振動大、噪聲大的缺點。如果使用細分方式,就能很好 的解決這個問題。步進電機的細分控制,從本質上講是通過對步進電機勵磁繞組中電流的 控制,使步進電機內部的合成磁場為均勻的圓形旋轉磁場,從而實現(xiàn)步進電機步距角的細 分。一般情況下,合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小,相鄰兩合成磁場 矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。步進電機半步工作方式就蘊涵了細分的工作 原理。 實現(xiàn)細分方式有多種方法,最常用的是脈寬調制式斬波驅動方式,大多數(shù)專用的步進 電機驅動芯片都采用這種驅動方式,TA8435 就是其中一種芯片。 基于 TA8435H 芯片的步進電機細分方式 TA8435 芯片特點 TA8435 是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細分二相步進電機驅動專用芯片,該芯片具有以 下特點： （1） 工作電壓范圍寬(1040 v); （2） 輸出電流可達 15 A(平均)和 25 A(峰值); （3） 具有整步、半步、14 細分、18 細分運行方式可供選擇; （4） 采用脈寬調制式斬波驅動方式; （5） 具有正反轉控制功能; （6） 帶有復位和使能引腳; （7） 可選擇使用單時鐘輸入或雙時鐘輸入。 從圖 3-1 中可以看出,TA8435 主要由 1 個解碼器、2 個橋式驅動電路、2 個輸出電流 控制電路、2 個最大電流限制電路、1 個斬波器等功能模塊組成。 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 12 圖 3-1 TA8435 工作原理 在圖 3-2 中,第一個 CK 時鐘周期時,解碼器打開橋式驅動電路,電流從 VMA 流經(jīng)電機 的線圈后經(jīng) RNFA 后與地構成回路,由于線圈電感的作用,電流是逐漸增大的,所以 RNFB 上 的電壓也隨之上升。當 RNFB 上的電壓大于比較器正端的電壓時,比較器使橋式驅動電路 關閉,電機線圈上的電流開始衰減,RNFB 上的電壓也相應減小;當電壓值小于比較器正向電 壓時,橋式驅動電路又重新導通,如此循環(huán),電流不斷的上升和下降形成鋸齒波,其波形如 圖 3-2 中 IA 波形的第 1 段。另外由于斬波器頻率很高,一般在幾十 kHz,其頻率大小與所 選用電容有關。在 OSC 作用下電流鋸齒波紋是非常小的,可以近似認為輸出電流是直流。 在第 2 個時鐘周期開始時,輸出電流控制電路輸出電壓 Ua 達到第 2 階段,比較器正向電壓 也相應為第 2 階段的電壓,因此,流經(jīng)步進電機線圈的電流從第 l 階段也升至第二階段 2。 電流波形如圖 IA 第 2 部分。第 3 時鐘周期,第 4 時鐘周期 TA8435 的工作原理與第 1、2 是一樣的,只是又升高比較器正向電壓而已,輸出電流波形如圖 IA 中第 3、4 部分。如此 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 13 最終形成階梯電流,加在線圈 B 上的電流,如圖 3-2 中 IB。在 CK 一個時鐘周期內,流經(jīng)線 圈 A 和線圈 B 的電流共同作用下,步進電機運轉一個細分步。 圖 3-2 TA8435 工作原理圖 圖 3-3 是單片機與 TA8435 相連控制步進電機的原理圖。引腳 M1 和 M2 決定電機的轉 動方式：MI=0、M2=O,電機按整步方式運轉;Ml=1、M2=0,電機按半步方式運轉; M1=O、M2=1,電機按 14 細分方式運轉;Ml=1、M2=1,電機按 l8 步細分方式運轉。 CWCWW 控制電機轉動方向,CKl、CK2 時鐘輸入的最大頻率不能超過 5 kHz?？刂茣r鐘的 頻率,即可控制電機轉動速率。REFIN 為高電平時,NFA 和 NFB 的輸出電壓為 08 V,REFIN 為低電平時,NFA 和 NFB 輸出電壓為 05 V,這 2 個引腳控制步進電機輸入電流,電流大小 與 NF 端外接電阻關系式為：,Io=VrefRnf。圖 3-3 中,設 REFIN=l,選用步進電機額定電 流為 04 A,Rl、R2 選用 16 、2W 的大功率電阻 ,O、C 兩線不接。步進電機按二相雙 極性使用,四相按二相使用時可以提高步進電機的輸出轉矩。D1D4 快恢復二極管用來泄 放繞組電流。 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 14 圖 3-3 單片機與 TA8435 相連控制步進電機的原理圖 下面是步進電機的外形圖 3-4，接線圖 3-5，和電路圖 3-6 圖 3-4 型步進電機外形圖 圖 3-5 步進電機的接線圖 要求：開機后，電機不轉，按下啟動鍵，電機旋轉，速度為 25 轉/分，按下加 1 鍵， 速度增加，按下減 1 鍵，速度降低，最高速度為 100 轉/分，最低轉帶為 25 轉/分，按下 停止鍵，電機停轉。速度值要求在數(shù)碼管上顯示出來。 (1) 要求分析 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 15 按上面的分析，改變轉速，只要改變 P1.0P1.3 輪流變低電平的時間即可達到要求， 這個時間不應采用延時來實現(xiàn)，因為會影響到其他功能的實現(xiàn)。這里以定時的方式來實 現(xiàn)。下面首先計算一下定時時間。 比如說按要求，最低轉速為 25 轉/分，而上述步進電機的步距角為 7.5，即每 48 個 脈沖為 1 周，即在最低轉速時，要求為 1200 脈沖/分，相當于 50ms/脈沖。而在最高轉速 時，要求為 100 轉/分，即 48000 脈沖/分，相當于 12.5ms/脈沖。 (2) 程序實現(xiàn) StartEnd bit 01H ;起動及停止標志 MinSpd EQU 25 ;起始轉動速度 MaxSpd EQU 100 ;最高轉動速度 Speed DATA 23H ;流動速度計數(shù) Hidden EQU 10H ;消隱碼 Counter DATA 57H ;顯示計數(shù)器 DISPBUF DATA 58H ;顯示緩沖區(qū) ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH JMP DISP ORG 001BH JMP DJZD ORG 30H MAIN: MOV SP,#5FH MOV P1,#0FFH MOV A,#Hidden MOV DispBuf,A MOV DispBuf+1,A MOV DispBuf+2,A MOV DjCount,#11110111B MOV SPEED,#MinSpd ;起始轉動速度送入計數(shù)器 CLR StartEnd ;停轉狀態(tài) MOV TMOD,#00010001B ; MOV TH0,#HIGH(65536-3000) MOV TL0,#LOW(65536-3000) MOV TH1,#0FFH; 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 16 MOV TL1,#0FFH SETB TR0 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 LOOP: ACALL KEY ;鍵盤程序 JNB F0,m_NEXT1 ;無鍵繼續(xù) ACALL KEYPROC ;否則調用鍵盤處理程序 m_NEXT1: MOV A,Speed MOV B,#10 DIV AB MOV DispBuf+5,B ;最低位 MOV B,#10 DIV AB MOV DispBuf+4,B MOV DispBuf+3,A JB StartEnd,m_Next2 CLR TR1 ;關閉電機 JMP LOOP ORL P1,#11110000B m_Next2: SETB TR1 ;啟動電機 AJMP LOOP ;主程序結束 D10ms: ;-延時程序,鍵盤處理中調用 KEYPROC: MOV A,B ;獲取鍵值 JB ACC.2,StartStop ;分析鍵的代碼,某位被按下,則該位為 1 JB ACC.3,KeySty JB ACC.4,UpSpd JB ACC.5,DowSpd AJMP KEY_RET StartStop: 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 17 SETB StartEnd ;啟動 AJMP KEY_RET KeySty: CLR StartEnd; ;停止 AJMP KEY_RET UpSpd: INC SPEED; MOV A,SPEED CJNE A,#MaxSpd,K1 ;到了最多的次數(shù)？ DEC SPEED ;是則減去 1，保證下次仍為該值 K1: AJMP KEY_RET DowSpd: DEC SPEED MOV A,SPEED CJNE A,#MAXSPD,KEY_RET ;不等（未到最大值），返回 MOV SPEED,#MinSpd; KEY_RET: RET KEY: 獲取鍵值的程序 RET DjZd: ;定時器 T1 用于電機轉速控制 PUSH ACC PUSH PSW MOV A,Speed SUBB A,#MinSpd ;減基準數(shù) MOV DPTR,#DjH MOVC A,A+DPTR MOV TH1,A MOV A,Speed SUBB A,#MinSpd MOV DPTR,#DjL MOVC A,A+DPTR MOV TL1,A 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 18 MOV A,DjCount CPL A ORL P1,A MOV A,DjCount JNB ACC.7,d_Next1 JMP d_Next2 d_Next1: MOV DjCount,#11110111B d_Next2: MOV A,DjCount RL A MOV DjCount,A ;回存 ANL P1,A POP PSW POP ACC RETI DjH: DB 76,82,89,95,100,106,110,115,119,123,12 DjL: DB 0,236,86,73,212,0,214,96,163,165 DISP: ;顯示程序 POP PSW POP ACC RETI BitTab: DB 7Fh,0BFH,0DFH,0EFH,0F7H,0FBH DISPTAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH END (3) 程序分析 本程序主要由鍵盤程序、顯示器程序、步進電機驅動程序三部份組成，主程序首先 初始化各變量，將顯示器的高 3 位消隱，步進電機驅動的各引腳均輸出高電平，然后調 用鍵盤程序，并作判斷，如果有鍵按下，則調用鍵盤處理程序，否則直接轉下一步。下 一步是將當前的轉速值轉換為 BCD 碼，送入顯示緩沖區(qū)；接著判斷 StartEnd 這個位變量， 是“1”還是“0”，如果是“1” ，則開啟定時器 T1，否則關閉定時器 T1，為防止關閉時某一相 線圈長期通電，因此，在關閉定時器 T1 時，將 P1.0P1.3 均置高。至此，主程序的工作 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 19 即結束。這里為簡便起見，這里沒有做高位“0” 消隱的工作，即如果速度為 10 轉/ 分，則 顯示值“010”，讀者可以自行加入相關的代碼來處理這一工作。 步進電機的驅動工作是在定時器 T1 的中斷服務程序中實現(xiàn)的，由前述分析，每次的 定時時間到達以后，需要將 P1.0P1.3 依次接通，程度中用了一個變量 DjCntr 來實現(xiàn)這一 功能，在主程序初始化時，該變量被賦予初值 11110111B，進入到定時中斷以后，將該 變量取出送 ACC 累加器，并在累加器中進行左移，這樣，該數(shù)值就變?yōu)?1110 1111，然 后將該數(shù)與 P1 相“與”，此時，P1.4 即輸出低電平，第二次進入中斷時，先將該數(shù)取反， 成為 00010000，然后將該數(shù)與 P1 相“或”，這樣，P1.4 即輸出高電平，關斷了相應的 線圈，然后將該數(shù)重新取出，并作左移，即1110，1111 右移成為 11011111，將該數(shù) 與 P1 相“與” ，這樣 P1.5 即輸出低電平，依次類推，P1.7P1.4 即循環(huán)輸出低電平。當這 一數(shù)據(jù)變?yōu)?0111 1111 后，需要作適當?shù)母膭?，將?shù)據(jù)重新變回11110111，進行第二 次循環(huán)，相關代碼。 定時時間又是如何確定的呢？這里用的是查表的方法，首先用 Excel 計算得出在每一 種轉速下的 TH 值和 TL 值，然后，分別放入 DjH 和 DjL 表中，在進入 T1 中斷程序之后， 將速度值變量 Speed 送入累加器 ACC，然后減去基數(shù) 25，使其基數(shù)從 0 開始計數(shù)，然后 分別查表，送入 TH1 和 TL1，實現(xiàn)重置定時初值的目的。 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 20 3.3 錐齒輪的選擇和計算 3.3.1 齒輪設計輸入?yún)?shù) 傳遞功率： P=0.98 kw 齒輪 1 的轉速： n1=1500r/min 齒輪 2 的轉速： n2=800 r/min 傳動比： i=1500/800=1.875 預定壽命： H=24000 h 原動機載荷特性： 均勻平穩(wěn) 工作機載荷特性： 均勻平穩(wěn) 3.3.2 齒輪的材料及熱處理 齒面類型：軟齒面 熱處理質量要求級別： MQ (1) 材料及熱處理： 齒輪 1： 齒輪 1 選擇材料為 45 鋼；熱處理方式為調質處理。硬度范圍為：HB240-270 本設計 取硬度為： HB250 齒輪 2： 為了提高齒輪的抗膠合性能，大齒輪和小齒輪應選擇不同牌號的鋼來制造,根據(jù)這個 原則，齒輪 2 選擇的材料為 40Cr；熱處理為調質處理。硬度范圍為：HB200-230 所以本 設計選用硬度為：HB215 (2) 機械性能： 齒輪 1： 查表得： 許用接觸強度極限應力： MPb6471 許用彎曲強度極限應力： Fp3 齒輪 2： 查表得： 許用接觸強度極限應力： b82 許用彎曲強度極限應力： Ps59 3.3.3 齒輪的基本參數(shù) 模數(shù) m 的選取，取模數(shù)為 m=2 齒數(shù) Z1、Z2 的確定，取齒數(shù)為 Z1=32 所以 60875.3i21 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 21 變位系數(shù) X： 由于齒輪有偏心調節(jié)環(huán)約束，所以取變位系數(shù) x=0，總變位系數(shù) 0.x 齒輪主要尺寸： 分度圓直徑： mzd12064321 齒頂圓直徑： 取 5.*cha 所以 daa12*21 齒根圓直徑： mchdaff 415*21 基圓直徑： osb 取標準值為 o20 mdb 49.210cs24cs1673o0o2 節(jié)圓直徑： d421 標準中心距 a: mza321 中心距變動系數(shù) y： y=-0.001 齒高變動系數(shù)為 0.001 小齒輪齒寬 B： 1dB 因 取值為 1，所以 B=224mmd 分度圓弦齒厚 和弦齒高 ：*ns*anh 查表得： 對齒輪 1： 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 22 5697.1*ns02ah 對齒輪 2： 57.1*ns03ah 固定弦齒厚 和固定弦齒高 ：cns* cn* 查表得： 74.2*cns951h 公法線跨齒數(shù) K 和公法線長度 ：*knW 對齒輪 1： K=3 76. 對齒輪 2： K=5 915.3*kn 3.3.4 齒面接觸疲勞強度校核 有關參數(shù)和系數(shù)的確定 確定圓周力 Ft 120dTFt 因 mNnPT.46598.95011 所以 dFt 20.21 查表得： ，因此0.VAK smnd/768.3601548.361 所以按 V= 查表選齒輪的精度為 7 級；sm/7683 重合度的計算，重合度可由下公式算出： 2/21tgtZtgtZaa 因 897.045.cos 62.21abd 所以 o8.3921 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 23 所以 0.167. 查圖得： 8Z 由于齒輪對稱軸承布置，查圖得： 21.BK 查表得： .9E 查圖得： 42H 核算齒面接觸疲勞強度 MPaKubdFtZVAE079.18 21.460.1875.142608.421 因已知：許用接觸疲勞強度 ， ，所以接觸強度足夠。MPaHFHF 3.3.5 齒根彎曲強度校核 確定有關參數(shù)和系數(shù) 與接觸強度相同；FtAKV 查圖得：齒形系數(shù) 4.2FaY 查圖得：重合度系數(shù) 70 因為是直齒圓柱齒輪，所以螺旋角系數(shù) 0.1Y 核算齒根彎曲強度 MPaYbmKFaVAtF478. 7480.18.04.26.1.0126 因許用齒根彎曲強度 ， ，所以，齒跟彎曲強度足夠。MPFp3Fp 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 24 3.4 心軸的設計 3.4.1 軸類零件的技術要求 軸是機械加工中常見的典型零件之一，它在機械中主要用于支承齒輪、帶輪、凸輪 以及連桿等傳動件，以傳遞扭矩。按結構形式不同，軸可以分為階梯軸、錐度心軸、光 軸、空心軸、曲軸、凸輪軸、偏心軸、各種絲杠等，其中階梯傳動軸應用較廣，其加工 工藝能較全面地反映軸類零件的加工規(guī)律和共性。 根據(jù)軸類零件的功用和工作條件，其技術要求主要在以下方面： (1) 軸類零件的主要表面常為兩類：一類是與軸承的內圈配合的外圓軸頸，即支承 軸頸，用于確定軸的位置并支承軸，尺寸精度要求較高，通常為 IT 5IT7；另一類為與 各類傳動件配合的軸頸，即配合軸頸，其精度稍低，常為 IT6IT9。 (2) 何形狀精度 主要指軸頸表面、外圓錐面、錐孔等重要表面的圓度、圓柱度。 其誤差一般應限制在尺寸公差范圍內，對于精密軸，需在零件圖上另行規(guī)定其幾何形狀 精度。 (3) 相互位置精度 包括內、外表面、重要軸面的同軸度、圓的徑向跳動、重要端 面對軸心線的垂直度、端面間的平行度等。 (4) 面粗糙度 軸的加工表面都有粗糙度的要求，一般根據(jù)加工的可能性和經(jīng)濟性 來確定。支承軸頸常為 0.21.6m，傳動件配合軸頸為 0.43.2m。 (5) 其他 熱處理、倒角、倒棱及外觀修飾等要求。 3.4.2 軸類零件的材料、毛坯及熱處理 (1) 軸類零件的材料 1）零件材料 常用 45 鋼，精度較高的軸可選用 40Cr、軸承鋼 GCr15、彈簧鋼 65Mn，也可選用球墨鑄鐵；對高速、重載的軸，選用 20CrMnTi、20Mn2B、20Cr 等低碳合 金鋼或 38CrMoAl 氮化鋼。 2）毛坯 常用圓棒料和鍛件；大型軸或結構復雜的軸采用鑄件。毛坯經(jīng)過加熱鍛造 后，可使金屬內部纖維組織沿表面均勻分布，獲得較高的抗拉、抗彎及抗扭強度。 (2) 軸類零件的熱處理 鍛造毛坯在加工前，均需安排正火或退火處理，使鋼材內部晶粒細化，消除鍛造應 力，降低材料硬度，改善切削加工性能。 調質一般安排在粗車之后、半精車之前，以獲得良好的物理力學性能。 表面淬火一般安排在精加工之前，這樣可以糾正因淬火引起的局部變形。 精度要求高的軸，在局部淬火或粗磨之后，還需進行低溫時效處理。 本軸的設計步驟： 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 25 1) 擬定軸上零件的裝配方案 2) 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 3) 軸上零件的周向定位 4) 確定軸上圓角和倒角尺寸 3.4.3 芯軸的較核 設計軸的主要尺寸如圖 3-7 R545R107658241502X452X866 圖 3-7 芯軸 軸的主要參數(shù)如圖 3-7 所示 已知：齒輪 d=420mm 電動機功率 P=1KW 轉速 n=800r/min 軸所受的轉距 950/91/802.TPnNm 圓周力 2/1.4257.Fxd 傳動比為 i=1.875cos/.87/.i22n1091 則徑向力 tancos57.tan20.48.73Fr N 軸向力 i 19 對軸進行水平受力分析如圖 3-8,垂直受力分析如圖 3-9, 軸的總彎矩圖 3-10, 軸的轉矩圖 3-11 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 26 Fa2Fr10.4Nm2tFr軸 的 彎 矩 圖軸 的 水 平 受 力 分 析軸 的 受 力 分 析 圖 3-8 軸的水平受力分析圖軸 的 受 力 分 析軸 的 垂 直 受 力 分 析軸 的 彎 矩 圖 Fr1Ftr2Faa22.7Nmr1 圖 3-9 軸的垂直受力分析圖軸 的 總 彎 矩 圖 2.73Nm 圖 3-10 軸的總彎矩圖 徐 州 工 程 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 27 軸 的 轉 矩 圖當 量 轉 矩 圖 14.73Nm2Nm12N.m 圖 3-11 軸的轉矩圖 水平方向的方程組 12036.57.FyRFrxaM.N27419Fa 垂直方向的方程組 2036.57.tRFMt18.N24F 合成彎矩 22.3MNm水 平 垂 直 因為軸的材料是 45# 則可查表得1602.51