第一章 引言
1.1概述
随着我国制造业的发展，加工中心的需求也在增加，特别是四轴、五轴联动的加工中心。作为数控机床的主要功能部件，数控转台在整个机床工具行业中的作用越来越重要。我湘潭大学机械工程学院近期够买的一台国产4轴4联动数控铣床配置的作为机床第四轴的数控转台就是TK13系列中的TK13250型号。在使用中已经充分暴露其刚性不足，在旋转过程中承载能力差的弱点。这几乎是国产数控转台的通病。生产厂家在其说明书已经明确的规定，转台处于非刹紧状态时只能承受较低的切削扭矩的零件加工。因此，数控机床虽有多轴联动的功能，却很难再转台参与联动的过程中进行实质性的切削加工，极大地限制了数控机床的使用范围。
上述弊端的存在，主要是因为传动链的最后一环的蜗杆蜗轮机构品质低劣，与国际上高品质的蜗杆蜗轮副相去甚远。精度、强度、寿命等均不在一个档次，所以要突破传统的蜗杆蜗轮传动模式，以环面蜗杆、行星滚子齿轮为传动链来改进
1.2超环面行星蜗杆传动的发展概况
超环面行星蜗杆传动(Tropical Drive)，是1966年由美国later系统公司的M .R .Kushner提出的发明专利，它由中心蜗杆、行星蜗轮、面内齿轮、行星架以及滚动体等组成。该机构工作时，动由中心蜗杆轴并带动行星蜗轮旋转，当超环面内齿轮不动时，行星蜗轮作环状的螺旋运动的结构优化设计、承载能力、啮合强度和加工工艺等，并成功地制造出这种传动的减速器，传动效率为90%左右，最高时可达95%。对这种传动的关键技术，即传动结构中的关键部件内齿蜗轮（超环面内齿轮）的加工方法与加工工艺，亚琛工业大学的学者们提出了采用烧结、电塑、精铸和旋风铣削等方法来实现。但结果表明，除了旋风铣削比较容易实现外，其它几种方法费用昂贵而且工艺性较差。
我国从八十年代中期也陆续出现了对超环面行星蜗杆传动的研究报告，主要研究工作可分为两个方面，一是对这种传动的啮合理论研究，另一方面是对传动的结构、加工工艺、效率、载荷计算和实验等的研究。早期的啮合理论研究只停留在繁杂的公式上，没有从理论上探讨各个啮合参数对超环面行星蜗杆传动特性的影响，也没有进行数值计算和分析。20世纪末，福州大学姚立纲对传动的啮合理论进行了比较深入的研究，通过在转化机构中的啮合分析，论证了当行星轮轮齿为球体时，行星轮与超环面内齿轮、行星轮与蜗杆的接触线是过球面顶点的大圆，齿面没有根切界线，二界曲线退化为滚珠的顶点。同时还探讨了不同滚动体形状对超环面行星蜗杆传动啮合特性的影响。对超环面行星蜗杆传动的设计、制造和载荷计算等方面的研究，一般都集中在对超环面内齿轮的加工方法与加工工艺的研究。陈定方等人通过对滚齿机的改装，加工出了这种传动的超
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环面内齿轮并完成了样机的制造，但由于加工精度等原因，样机“工作原理无误，惜于制造精度不高，而未进行任何台架实验”。姚立纲提出了采用飞刀粗切超环面内齿轮齿形，然后再精确磨削的包络加工方法，采用两片超环面内齿轮同时切齿，保证了加工与装配精度，并成功地制造出了样机，经实验，传动效率可达85%。姚立纲还对这种传动结构参数选法，经实际安装和运行表明均载效果良好。燕山大学的许立忠等人在国家自然科学基金的资助下对超环面行星蜗杆传动的效率和承载情况进行了研究，证明了这种传动的啮合由于以滚动摩擦为主而具有较高的啮合效率，一般可达97%以上，而且，啮合效率的高低与结构参数的选取有直接关系，这也和德国学者研制的减速器的效率相一致，同时他们也对超环面蜗杆传动的摩擦理论以及接触应力进行了研究，使得该传动在理论上不断完善。
哈尔滨工业大学的徐晓俊和张春丽等人在重庆大学国家重点实验室的资助下提出了用内斜齿轮近似代替螺旋超环面内齿轮的方法，通过优化设计和计算机代数系统计算，证明传动机构连续接触，并制造出减速器样机，但实验结果表明“样机传动平稳，载荷不大时噪音较低，而当载荷逐渐增大时温升较快、噪音较大。这导致齿面磨损加重，并在加载至实际承载能力的70%以上时，超环面行星蜗杆传动的关键技术研究噪音加剧，不得不中断实验的继续进行”。超环面行星蜗杆传动在国内的研究尚未成熟，因此在不少领域存在理论和实践空白，本文力争在已有研究的基础上解决一些关键技术问题。
1.3本文主要研究的内容
在给定的设计要求的前提下，设计一个高精度数控转台的减速器，重点是解决其蜗轮蜗杆的廓面方程、关键零件的廓面方程求解以及传动效率的研究，并对其滚动轴承和其它零件进行寿命和强度的校核。
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第二章 减速器的方案设计
根据题目的设计要求，我们知道要实现较大的减速比，而一般的形式有多级齿轮传动，蜗杆传动以及行星齿轮传动，另外还有近几年被研究较多的超环面行星蜗杆传动。下面对这几种传动方式一一介绍。
2.1三级齿轮传动
由于题目的设计要求传动比较大，而圆柱齿轮传动每级的传动比闭式的为3-5，开式的为4-7，故使用齿轮传动的话就要涉及成三级传动。齿轮传动虽然结构简单，但齿轮相对于轴的结构不对称，因此要求轴要有较大的刚度。同时采用多级齿轮传动时，会使结构的尺寸变大，相互尺寸不协调，成本高，制造和安装不方便。而且不能兼顾到每一个齿轮的强度，不能很好的发挥每一个齿轮的全部承受能力，这样就极大地浪费材料。特别是多级齿轮传动的结构尺寸大，这样就给润滑带来了麻烦，不能集中润滑；而且大的结构尺寸带来的直接后果是重量很大，这样运输和装卸都很不方便。
2.2蜗杆传动
蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，能实现较大的传动比，一般为5-80 。由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它的蜗轮齿是不断进入啮合有逐渐退出啮合的，同时啮合的齿数又较多，顾冲击载荷小，传动平稳，噪声低。但蜗杆传动在啮合处有相对滑动，当速度很大时，工作条件不够良好时候会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。因此摩擦损失大，效率低；当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时候，蜗杆传动便具有自锁性，此时效率只有0.4左右。同时由于摩擦与磨损严重，常需要有色金属制造蜗轮。综上所述，蜗杆传动虽然有传动平稳和结构紧凑等优点，但它传动效率低，摩擦与磨损严重，发热量大，特别是在功率大的情况下不利于润滑，会使工作环境更加恶化
2.3行星齿轮传动
行星齿轮传动与普通定轴齿轮传动比较，具有质量小，体积小，传动比大，承载能力强以及传动平稳和传动效率高等优点；这些已被我国越来越多的机械工程技术人员所了解和重视。由于在行星齿轮传动中有效地利用了功率分流的特点和输入输出的同轴性以及合理的采用了内啮合，才使得其具有上述诸多优点。行星齿轮传动不仅适用于高速，大功率，而且适用于低速，大转矩的机械传动装置上，可以用来减速，增速和变速传动，运动的分解和合成，以及一些特殊的应用中。行星齿轮的特性要求行星齿轮使用有色金属的贵重材料，结构设计乜比较复杂，制造和安装角困难，对装配的精度要求较高，
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样就要求素质较高的人员来安装和维修，增加了成本。
2.4超环面行星蜗杆传动
超环面行星蜗杆传动(Tropical Drive)的结构如图1所示,它由中心杆、行星蜗轮、内超环面齿轮、行星架和行星蜗轮齿(滚动体)组成。该机构运动时,运动由中心蜗杆输入带动行星蜗轮旋转,当内超环面齿轮固定不动时,行星蜗轮作环状的螺旋运动,并通过行星架实现运动的输出,超环面行星蜗杆传动减速器与其他类型传动的减速器比较,在输入功率,材料相同和传动比不变的情况下,重量减少50%以上,而且最多啮合点可达到30以上,是其它齿轮传动(摆线针轮传动、行星传动、蜗杆传动和圆柱齿轮传动)的3-20倍。
图2-1 超环面行星蜗杆传动减速器结构图
综上所述，虽然每种传动装置都有自己的优点和缺点，也都可以用来完成设计任务，但是超环面行星蜗杆传动较好的综合了其他传动方案的优点，使其传动性能更加优越，能够狠好的满足设计的要求，故在本次毕业设计中我们采用超环面行星蜗杆传动来做减速器
2.5电动机的选择
由设计条件可知：M2=3000Nm
又由公式M2?M1?i，已知i=180 得到M1=16.7Nm
由减速器的要求，选用交流伺服电机，选用韩国迈克彼恩Mecapion 品牌的交流伺服电机。由图2-1得到型号为 AMP-SB40GDK1G2180.
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图2-2 型号选择图
转速-扭矩特性：
图2-3转速-扭矩特性图
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