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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
題 目： Z32K型搖臂鉆床變速
箱的改進(jìn)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名: 鄧 玉 佳
學(xué) 號(hào): 131021087
專業(yè)班級(jí): 機(jī)自02103班
指導(dǎo)教師: 張 世 安 覃 道 益
完成時(shí)間： 2006年5月30日
機(jī) 械 工 程 系
目 錄
中文摘要及關(guān)鍵詞 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
英文摘要及關(guān)鍵詞 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
第一章 概述 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.1搖臂鉆床的簡(jiǎn)介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.2搖臂鉆床的國(guó)內(nèi)發(fā)展動(dòng)態(tài)及趨勢(shì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
第二章 原動(dòng)機(jī)的選擇 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.1常用原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.2原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.3原動(dòng)機(jī)選擇應(yīng)考慮的因素 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.4原動(dòng)機(jī)的性能比較 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.5確定原動(dòng)機(jī)的選擇 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
第三章 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案的擬訂與比較 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
3.1傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的目的 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
3.2傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的原則 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
3.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較與確定 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
第四章 繪制變速箱中升降系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
第五章 傳動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
5.1部分傳動(dòng)連接設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
5.2傳動(dòng)比、各軸轉(zhuǎn)速、功率及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
5.3齒輪材料的選擇 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
5.3.1齒輪材料的基本要求 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
5.3.2常用材料及熱處理 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
5.4直齒圓錐齒輪的尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
5.4.1圓錐齒輪的各參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
5.4.2受力分析 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
5.4.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
5.4.4計(jì)算載荷 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
5.4.5齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
5.4.6輪齒彎曲強(qiáng)度校核 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
5.5錐齒輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
5.5.1錐齒輪部分主要參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
5.5.2軸端部分參數(shù)設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
5.5.3錐齒輪軸的固定 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
5.6機(jī)-4齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
5.6.1 尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
5.6.2結(jié)構(gòu)分析 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
5.6.3受力分析 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
5.7雙聯(lián)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
5.8 過(guò)渡軸的設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
5.8.1軸的失效形式 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
5.8.2軸的材料 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
5.8.3過(guò)渡軸的強(qiáng)度校核 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
5.8.4過(guò)渡軸的固定 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
第六章 軸承的選擇與校核 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
6.1軸承的分類 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
6.2滾動(dòng)軸承及類型 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
6.3 滾動(dòng)軸承的失效形式 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
6.4 軸承的選擇計(jì)算 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33
第七章 鍵的選擇和鍵聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35
7.1 鍵的選擇 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35
7.2 鍵聯(lián)結(jié)強(qiáng)度計(jì)算 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35
第八章 設(shè)計(jì)小結(jié) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37
參考文獻(xiàn) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．38
致謝 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．39
IV
本科生畢業(yè)論文開題報(bào)告書
題 目 Z32K型搖臂鉆床變速
箱的改進(jìn)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
專業(yè)班級(jí)
指導(dǎo)老師
2006年 3月 18 日
論文（設(shè)計(jì)）題目
Z32K型搖臂鉆床變速箱的改進(jìn)設(shè)計(jì)
課題目的、意義及相關(guān)研究動(dòng)態(tài)：
1. 課題目的、意義
搖臂鉆床主軸裝在搖臂上，可以沿著搖臂導(dǎo)軌移動(dòng)，而搖臂鉆床又可以繞立柱做旋轉(zhuǎn)。主軸箱上搖臂的水平運(yùn)動(dòng)和搖臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，可以使主軸高速運(yùn)動(dòng)到機(jī)床尺寸范圍內(nèi)的任意位置，搖臂鉆床又可以沿著立柱上下調(diào)整。Z32K型搖臂鉆床主要是適合大中型零件的多孔加工。在實(shí)際的操作過(guò)程中，這種老牌型號(hào)鉆床還是存在著許多不足之處，例如搖臂鉆床的升降系統(tǒng)。由于Z32K型搖臂鉆床的升降系統(tǒng)是單手柄集中操作，操作起來(lái)比較麻煩，搖臂鉆床體架太重，費(fèi)力又費(fèi)時(shí)，以前為了適當(dāng)?shù)厥×?，根?jù)杠桿原理，手柄長(zhǎng)度又比較長(zhǎng)，稍微操作不當(dāng)，容易發(fā)生意外事故。為了提高工作效率，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免不必要的意外事故發(fā)生，很是有必要對(duì)Z32K型搖臂鉆床變速箱進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將原單手柄集中操作系統(tǒng)改進(jìn)能實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)升降。這樣的話，可以使工作效率大大地提高和降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
2. 相關(guān)研究動(dòng)態(tài)
沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司中捷搖臂鉆床廠的產(chǎn)品國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率高達(dá)70％，出口產(chǎn)品遍及中東、北美、西歐等86個(gè)國(guó)家和地區(qū)。進(jìn)入市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)后，國(guó)內(nèi)機(jī)床行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，與中捷搖臂鉆廠生產(chǎn)相同型號(hào)產(chǎn)品的企業(yè)有40多家，中捷搖臂鉆廠產(chǎn)品領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)受到挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，中捷搖臂鉆廠在產(chǎn)品賣得正火的時(shí)候，提出了進(jìn)行跨越產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整。第一，用先進(jìn)技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品。如普通搖臂鉆床實(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)，價(jià)格由幾萬(wàn)元上升到幾十萬(wàn)元，達(dá)到中國(guó)搖臂鉆床最高水平。第二，向國(guó)際先進(jìn)水平靠攏，不斷擴(kuò)大產(chǎn)品領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。ZK系列、橋式和動(dòng)橋系列產(chǎn)品，十幾項(xiàng)技術(shù)居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。ZK3050獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并成為國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品；Z3580A萬(wàn)向搖臂鉆，在任何空間、任意方向、任意位置上實(shí)現(xiàn)鉆削功能，不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，在國(guó)外也不多見。在國(guó)際著名的芝加哥機(jī)床展覽會(huì)上，中捷搖臂鉆廠參展產(chǎn)品被一位美籍華商相中并當(dāng)場(chǎng)拉走。德國(guó)、意大利、西臘、瑞典、伊朗等國(guó)家和地區(qū)紛紛提出做中捷牌搖臂鉆的代理經(jīng)銷商。在上海國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司參展的數(shù)控鉆銑床，同時(shí)被國(guó)內(nèi)三家企業(yè)看好。
搖臂鉆床和大多數(shù)機(jī)床一樣，將向數(shù)控自動(dòng)化、機(jī)電一體化和智能化方向發(fā)展。搖臂鉆床未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是：應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高和擴(kuò)大自動(dòng)化工作的功能，使機(jī)床適應(yīng)于納入柔性制造系統(tǒng)工作；提高功率主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度，相應(yīng)提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜剛度以適應(yīng)采用新型刀具的需要，提高切削效率；提高加工精度并發(fā)展超精密加工機(jī)床，以適應(yīng)電子機(jī)械、航天等新興工業(yè)的需要。
課題的主要內(nèi)容（觀點(diǎn)）、創(chuàng)新之處：
1.主要內(nèi)容
本課題的主要任務(wù)是對(duì)Z32K型搖臂鉆床變速箱進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，它要求我們通過(guò)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)原有舊型搖臂鉆床在實(shí)際生產(chǎn)使用過(guò)程中存在的缺點(diǎn)與不足，然后針對(duì)其缺點(diǎn)與不足進(jìn)行變速箱改進(jìn)設(shè)計(jì)，以達(dá)到改善、提高其使用性能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在充分考慮在現(xiàn)有生產(chǎn)條件以及材料選擇的同時(shí)，重點(diǎn)研究問(wèn)題有：變速箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)設(shè)計(jì)、升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)連接設(shè)計(jì)、裝備圖的繪制、設(shè)計(jì)改進(jìn)后變速箱的可行性、實(shí)用性以及它的經(jīng)濟(jì)性。
2.創(chuàng)新之處
本次設(shè)計(jì)主要是改進(jìn)搖臂鉆床的升降系統(tǒng)。通過(guò)變速箱內(nèi)齒輪嚙合的改變，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降。此次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處是將原有的手動(dòng)升降改為自動(dòng)升降。
研究方法、設(shè)計(jì)方案或論文撰寫提綱：
1. 研究方法與設(shè)計(jì)方案
本課題屬于對(duì)傳動(dòng)部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者須具備一定的有關(guān)機(jī)械傳動(dòng)方面的知識(shí)和機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，還須對(duì)Z32K型搖臂鉆床的變速箱的傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)部分有一定的了解。根據(jù)以往的課題設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用理論與實(shí)際相結(jié)合的方法，多看、多想、多動(dòng)手。多查相關(guān)資料，多和指導(dǎo)老師交流，理論聯(lián)系實(shí)際，選擇最優(yōu)方案。
針對(duì)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，絲桿螺距較大（P=6），兩圓錐齒輪傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)比雖小，但機(jī)床的體架太重，升降比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，為了適當(dāng)省力，手柄長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，操作動(dòng)作大，當(dāng)拖板接近變速箱時(shí)，進(jìn)給手柄與升降手柄容易打在一起，操作者易受傷。而市面上有一種升降系統(tǒng)是在絲桿的端頭安裝小型電機(jī)和減速器，這種升降系統(tǒng)雖然彌補(bǔ)了手動(dòng)升降的缺點(diǎn)，但是又派生了另外的缺點(diǎn)。我查閱相關(guān)資料，采用基本理論與實(shí)踐相結(jié)合的辦法，與老師、工人、同學(xué)研究討論，已初步設(shè)計(jì)出一套方案。
我的研究設(shè)計(jì)方案大體是：直接采用原有的電動(dòng)機(jī)作為升降系統(tǒng)的動(dòng)力源，在變速箱內(nèi)附加若干齒輪，在原有的主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中，通過(guò)齒輪的變化嚙合，把動(dòng)力傳到螺母上，使螺母達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降。
2. 論文撰寫提綱
1 ) 了解Z32K型搖臂鉆床的工作環(huán)境及工作原理,并對(duì)搖臂鉆床的傳動(dòng)部分進(jìn)行分析,尤其了解其升降系統(tǒng)；
2 ) 制定傳動(dòng)方案；
3 ) 繪制傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖；
4 ) 電機(jī)功率輸入時(shí),對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析；
5 ) 通過(guò)繪制Z32K型搖臂鉆床傳動(dòng)總裝圖從而計(jì)算出各零件的尺寸及裝配關(guān)系
完成期限和預(yù)期進(jìn)度：
1.2006.02.15 ------ 2006.03.15 查閱、搜索相關(guān)資料和專業(yè)英語(yǔ)翻譯；
2.2006.03.16 ------ 2006.03.31 畢業(yè)實(shí)習(xí)與調(diào)研及開題報(bào)告階段；
3.2006.04.03 ------ 2006.05.19 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要工作階段，完成各種運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力設(shè)計(jì)計(jì)算、校核及所有圖紙；
4.2006.05.21 ------ 2006.06.02 完成說(shuō)明書的編寫和收尾工作。
主要參考資料：
1 He Guang Ping . Self-reconfiguration Of Underactuated Redundant Manipulators With Optimizing The Flexibility Ellipsoid . Chinese Journal of Mechanical Engineering 2005,VOL 18: 92-97
2 張世安.擺線針輪行星傳動(dòng)中擺線輪最佳修形量的分析與計(jì)算 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002（6）：906-908
3 孫橫,傅則紹.機(jī)械原理 北京：高等教育出版社，1993
4 邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì) 北京：高等教育出版社，1994
5 周開勤.機(jī)械零件手冊(cè) 北京：高等教育出版社，1989
6 申永勝主編.機(jī)械原理教程 北京：清華大學(xué)出版社，1999
7 濮良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版） 北京：高等教育出版社，2002
8 龔溎義主編.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)圖冊(cè) 北京：高等教育出版社，2002
9 吳宗澤主編.機(jī)械設(shè)計(jì)使用手冊(cè) 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999
10 陳遠(yuǎn)章主編.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)（ 第2卷） 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996
11 黃靖遠(yuǎn).機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999
12 陳鐵鳴主編.新編機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)圖冊(cè) 北京：高等教育出版社，2003
13 成大仙主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第1、2、3卷）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002
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