大型数控成形磨齿机Z轴传动系统设计

大型数控成形磨齿机Z轴传动系统设计
摘要随着航天航空，汽车行业的飞速发展，人们对于齿轮要求越来越高。但目前国内大型数控磨齿机较少且加工精度不高，许多精密的大型齿轮加工机床仍然需要进口，为了减轻外国进口的依赖，提高综合国力，需要对于大型数控磨齿机有更加详细的研究和分析设计。
本文主要对大型数控磨齿机 Z 轴传动系统进行了设计，首先对于 Z 轴传动系统进行总体性的分析。其次对于 Z 轴传动系统进行详细的设计，主要包括（1）大型数控磨齿机 Z 轴传动原理设计；（2）Z 轴传动系统进给部件的选用和计算；（3）Z 轴传动系统动力源的选择和计算；（4）Z 轴传动系统传动元件和连接元件的选型；（5）Z 轴传动系统支承部件的相关设计。最后对于 Z 轴传动系统进行仿真设计，采用 UG 进行三维建模并且进行有限元分析。
本次设计所设计的 Z 轴传动系统能初步满足设计要求，利用 CAD 软件进行绘制图纸，同时对某些关键的零部件进行了有限元分析来验证其工作时的稳定性，通过对 Z 轴传动系统的设计，对所学力学、材料学、机械学等知识有了系统性的总结。
关键词：数控成形砂轮磨齿机 Z 轴传动系统三维建模 UG 有限元分析

第 1 章绪论............................................................................................1

1.1前言 ..................................................................................................1

1.2 国内外研究现状 ..................................................................................1

1.2.1国内研究现状 ..........................................................................1

1.2.2国外研究现状 ......................................................................3

1.3本文研究内容 ..................................................................................5

第 2 章 Z 轴传动系统设计 .........................................................................6

2.1加工方案 ..........................................................................................6

2.1.1成形磨齿原理及其特点 ........................................................6

2.2Z 轴传动系统方案 ........................................................................6

2.3Z 轴数控技术方案 ........................................................................7

2.4Z 轴传动系统主要组成部分 ........................................................7

2.5磨齿机 Z 轴传动系统主要设计参数 ...........................................7

2.6 Z 轴主要部件的选择 .......................................................................8

2.6.1进给的选择 ..........................................................................8

2.6.2电机类型的选择 .................................................................10

2.6.3支承件材料的选择 ..............................................................11

2.6.4测量反馈系统的选择 .........................................................11

2.6.5数控系统的选择 .................................................................12

第 3 章Z 轴传动系统主要部件设计 .....................................................13

3.1丝杠的计算及选型 .......................................................................13

3.1.1丝杠的初选 ..........................................................................13

3.1.2丝杠轴的校核 ......................................................................14

3.2轴承的选择 ....................................................................................15

3.2.1滚动轴承的选择 ..................................................................16

3.2.2轴承的配置形式 ................................................................16

3.2.3轴承精度和预紧 ................................................................16

3.2.4润滑及密封 ........................................................................17

3.3电机型号的选择 .........................................................................17

3.3.1传动效率η ........................................................................17

3.3.2丝杠所需转速 ....................................................................18

3.3.3电机负载转矩的计算 ........................................................18

3.3.4电机转速的优化 ................................................................19

3.4 联轴器的选择 .............................................................................19

3.4.1联轴器 ................................................................................19

3.4.2联轴器的优化 ....................................................................19

第 4 章 Z 轴支承部件设计 .......................................................................21

4.1设计采用软件及方法 ...................................................................21

4.2轴承座的设计 ................................................................................21

4.2.1轴承座的配合尺寸 ..............................................................21

4.2.2轴承座其余部分 ..................................................................22

4.2.3轴承座的有限元分析 ..........................................................24

4.3立柱的设计 ....................................................................................27

4.3.1 立柱形状设计27

4.3.2 立柱的有限元分析29

第 5 章 Z 轴传动系统装配32

5.1 Z 轴传动系统的装配32

5.1.1 非标准件的建模32

5.1.2 装配34

5.1.3 Z 轴传动系统干涉分析35

结论37

致谢38

参考文献39

第一章 绪论
本文主要研究了大型数控磨齿机 Z 轴传动系统，分析了国内外数控磨齿机的工作原理，对于国内数控磨齿机的研究空白进行补充，采用了理论力学、材料力学、机电系统等理论，通过 UG10.0 作为软件分析，具体分析了数控磨齿机 Z 轴部件的强度刚度和总体干涉情况，初步获得了能实现 Z 轴传动系统，为日后工作打下良好的基础。
1.1 选题背景
齿轮作为机械传动的一种形式，有着工作时可靠，使用寿命长，传动比稳定，传动的效率高等优点，被广泛的用于汽车、航天航空、船舶等领域^[1]，传统的齿轮加工工艺是通过滚齿/插齿→淬火，这种加工方式效率低，已经逐渐被淘汰了，现行的加工工艺采用铣齿→滚齿/插齿→淬火^[2]，虽然效率得到了改进，但面对更高的加工精度要求，现行工艺便不再满足，于是提出了通过铣齿→淬火→磨齿的方法来加工齿轮。通过磨齿加工过的齿轮消除了热处理变形等造成的影响，可以大大的提高精度。磨齿中按照其加工种类可以分为展成法和成形法，展成法是通过机床的传动链来限制砂轮和工件的相对运动，从而完成渐开线的形成；成形法则是将砂轮修整成为齿轮渐开线的形状，直接磨削成齿轮。
国内生产大型精密齿轮的数控机床很少，主要是通过进口来实现，但进口先进的大型数控磨齿机受多方面因素的制约，通常进口机床价格偏高，运输速度慢，部分高端机床甚至不对外出口，使得齿轮加工进程缓慢，影响其后装配的运行，所以为了缓解此类矛盾，需要国内进行自主研发机床，但对于数控磨齿机的结构设计还较少，对于大学生熟悉其工作原理^[3]，设计出简单的磨齿机传动结构很有必要，本文主要是运用所学知识，对大型数控磨齿机 Z 轴进行传动系统设计^[4]。
1.2 国内外研究状况
针对不同时期，参考文献，对国内外研究情况进行分析。
1.2.1 国内研究状况
我国的数控技术起步较早，早在上世纪 80 年代起，国内便已经开始了对数控技术的研究，但是数控机床发展缓慢，对于一些发达国家所生产的数控机床还是有一定的差距，很多高端机床只能依赖进口。经过人们的不懈努力，国内一些机床取得了巨大的突破，已经可以基本满足制造领域的需求，如下图 1.1 所示，YK73 系列是由秦川机床厂所开发的产品，它的出现标志着国内数控成形磨齿机的进步，弥补了国内对于大型齿轮加工的空缺，该系列也多次获得了国家的奖项^[5]。以 YK7380A 为例，参数见下表 1.1，采用了全闭环的控制，可以更好的提高精度；同时可以加工大型齿轮；能精确的进行定位。其他的机床制造厂也都在研制自己的产品，如上海机床厂的 YKA7232 数控蜗杆砂轮磨齿机；重庆机床厂的数控万能磨齿机。另外，国内的许多高校也在研究磨齿机上有一定的进展，南京工业大学、河南科技大学也对应的推出了相关的磨齿机产品，国产数控磨齿机正朝着积极的方向发展。

图 1.1 YK7380 磨齿机
表 1.1YK7380 机床参数

最大齿顶直径	800		mm

最小齿根直径	100		mm

模数	2-20		mm

齿数		不限

磨具功率	20		KW(max)

砂轮直径	300-400		mm

砂轮线速度	50		m/s(max)

工作台负载	2000		Kg(max)

螺旋角	±45		º

机床数控轴		立柱径向进给轴（X 轴）
		立柱拖板走刀轴（Z 轴）
		磨具螺旋角旋转轴（A 轴）
		圆工作台旋转轴（C 轴）
		砂轮架轴间运动轴（V 轴）
		砂轮修整轴（W 轴）
		砂轮旋转轴（S 轴）
		金刚石滚轮旋转轴（S1 轴）

结论
数控磨齿机的开发，增加了齿轮的精度，减少了制造成本，成为齿轮制造的主流，本次毕业设计对大型数控成形砂轮磨齿机 Z 轴传动系统设计，该传动系统原理是通过电机带动丝杠从而带动部件做上下运动。Z 轴传动系统的好坏，对于加工效率和精度有着重要影响，如进给系统出现故障，则必须停止生产，所以，对于 Z 轴传动系统的设计要尽可能全面，减少问题的产生。通过归纳，可以的出以下结论：
（1）数控磨齿机为实现精度方面的要求，需要精密的元部件进行配合，如导轨质量，减速器传动效率，联轴器传动效率，电机功率等。
（2）在设计大型数控磨齿机时，不仅要考虑高精度，高刚度的要求，还需要节约成本，方便制造和维修。
（3）利用所学 UG 软件，对设计部分进行建模，装配，有限元分析，运动仿真，提高了数控磨齿机的可行性。
在未来的设计中还需要进行进一步的探索新的传动方案，例如传动方案的选择，采用其他进给系统，而不是采用电机带动丝杠副的形式，要多进行自主创新。
本次毕业设计总结了我们所学的知识，也获得了一些成果，但还是有一些地方考虑的不是很周到，例如强度校核，和其他部件的配合等。

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