伺服行星减速器的原理探究和机构设计.doc

1、 齐 齐 哈 尔 大 学 毕业设计（论文 ） 题 目 伺服减速器原理研究与结构设计 学 院 机电工程学院 专业班级 学生姓名 指导教师 成 绩 2015 年 6 月 23 日 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） I 摘 要 随着现代工业的发展，机械化和自动化水平的不断提高，各工业部门现代化与自动化程度的增强，促使伺服系统有了大的发展，而对在伺服系统中起到关键作 用的伺服电机和伺服减速机的需求，也越来越大。 伺服 减速机是行业内对 行星减速机 的另一种称呼。它的主要传动结构为： 行星 轮，太阳 轮，内齿圈。相对其他减速机，精密行星减速机具有高刚性、高精度（单级可做到 1 分以内）、高传动效率 (单级在

2、 97%-98%)、高的扭矩 /体积比、终身免维护等特点。多数是安装在伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量。 本文 首先 确定减速机总体设计方案，对伺服行星减速机的工作原理进行深入研究 ;确定伺服行星减速机的各项重要参数，并对其 进行整体设计 ;同时对减速机的各重要零部件的强度等因素进行校核 . 关键词 ： 伺服电机；行星减速器；伺服控制 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） II Abstract With the development of modern industry, mechanization and automation level unceasing enhancement,

3、 various industry modernization and the increase of the degree of automation to servo system with the development of large, to play a key role in the servo system is the demand of the servo motor and servo reducer, is becoming more and more big. Servo reducer is the industry of machine of decelerate

4、 of planet of another call.Its main transmission structure is: the planets round and round the sun, the ring gear.Relative to other gear reducer, precision planetary reduction machine has high rigidity, high precision, can be done in single stage 1 points), high transmission efficiency, single stage

5、 from 97% to 98%), high torque/volume ratio, lifelong free maintenance, etc.Majority is installed on the servo motor, which is used to reduce speed and increase torque, match the moment of inertia. This article first to determine the overall design of the gearbox, the working principle of servo plan

6、etary reducer in-depth research;All important parameters of the servo planetary reducer is determined, and carries on the overall design;At the same time of speed reducer of various factors such as the strength of the important parts for checking. Key words: Servo motor Planetary reducer Servo contr

7、ol 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） III 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 研究的目的及意义 . 1 1.3 国内外研究状况 . 2 1.4 本文主要工作 . 2 第 2 章 行星减速器的总体设 . 3 2.1 方案设计 . 3 2.1.1 设计输入参数 . 3 2.1.2 传动型式选择 . 3 2.1.3 材料、性能选者、热处理及齿形要求 . 3 2.1.4. 传动比的分配 . 4 2.1.5 配齿计算 . 5 2.1.6 齿轮几何计算 . 6 2.1.7 齿面疲劳强度校核 . 9 2.1.8 齿轮联轴器的设计 . 11 2.1.9 行星架的结构设计 .

8、 12 2.1.10 行星轴的强度计算 . 13 2.1.11 出轴的强度校核及涨套的选择 . 14 2.1.12 轴承的寿命校核 . 14 2.1.13 润滑装置及散热计算 . 16 2.1.14 入轴花键强度校核 . 17 2.1.15 销联接的强度校核计算 . 18 第 3 章 伺服系统常用器件的选择 . 19 3.1 伺服电机的选择 . 19 3.1.1 伺服电机的选择方法 . 19 3.1.2 伺服电机选择考虑的问题 . 20 3.2 PLC 的选择原则 . 20 第 4 章 伺服系统设计 . 21 4.1 伺服系统概述 . 21 4.1.1 伺服系统执行元件 . 21 4.1.2

9、伺服电机 . 21 4.2 步进电机 . 22 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） IV 4.2.1 工作原理 . 22 4.2.1 种类划分 . 23 4.2.2 特点 . 23 4.2.3 步进电机和伺服电机的区别 . 23 4.2 行星减速机伺服系统设计 . 24 4.2.1 系统总体设计 . 24 4.2.1 伺服系统性能要求 . 25 4.3 PLC 的基本结构和工作原理 . 25 4.3.1 基本结构 . 25 4.3.2 工作原理 . 25 4.4 基于 PLC 触摸屏控制伺服电机 . 26 4.4.1 伺服电机和 PLC 的选择 . 26 4.4.2 PLC 控制系统设计 . 26

10、4.5 总结 . 28 结 论 . 29 参考文献 . 30 致 谢 . 31 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景 随着现代工业的发展，机械化和自动化水平的不断提高，各工业部门现代化与自动化程 度的增强，促使伺服系统有了大的发展，而对在伺服系统中起到关键作用的伺服电机和伺服减速机的需求，也越来越大。 伺服 减速机是行业内对 行星减速机 的另一种称呼。它的主要传动结构为： 行星 轮，太阳 轮，内齿圈。相对其他减速机，精密行星减速机具有高刚性、高精度（单级可做到 1 分以内）、高传动效率 (单级在 97%-98%)、高的扭矩 /体积比、终身免维护等特点。多数是安

11、装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量。 由于我国在伺服系统相关技术发展较晚难以与国 外品牌竞争，直到 2000 年，中国加入 WTO，中国企业在吸取国外先进技术经验的前提下，开始自主研发伺服系统。至此，中国的伺服系统的市场份额有所提高。到了 2011 年市场容量 60 多亿元，比上年增长 22.0%。 2012 年，由于国际经济的影响以及国内供求问题导致伺服市场下滑14.9%。直到 2013 年下半年，伺服市场才开始逐步回暖，上升幅度在 5%左右。现在中国的伺服系统市场仍由国外企业占据大半壁江山。而一批国内企业也在激烈的市场竞争中逐渐成长起来。 伺服电机主要有直流与交流之

12、分，运用最为广泛的伺服电机为交流伺服电机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的 机械特性 ，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻 大和 转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 由上述可看出，对伺服系统中的关键部分，伺

13、服行星减速机的研究，对我国伺服减速机的发展有着重要意义。 1.2 研究的目的及意义 世界各先进工业国，经由工业化 、信息工业化，正在进入知识化时代，行星齿轮传动在设计上日趋完善，制造技术不断进步，使行星齿轮传动以达到较高的水平。我国与世界先进水平虽存在明显差距，但随着改革开放带来设备引进、技术引进，在消齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 2 化吸收国外先进技术方面取得长足的进步。 随着生产的不断发展，制造技术的不断进步，以及行星齿轮传动在设计上日趋完善，从而使行星齿轮传动至今已达到了较高的水平。目前渐开线行星齿轮传动圆周速度达 160 200 米 /秒，传递功率达 100000 马力，效率达 0.9

14、8 以上，齿轮噪音达 85 分贝以下，并且外廓尺寸小，重量轻，它比同等工作条件下 的定轴齿轮传动外廓尺寸和重量减小 1/2 1/6。 Delaval 公司生产的传动比 i=7.15， N=6000 马力的行星齿轮减速箱与该工作条件下的一般定轴齿轮减速箱的比较情况。行星齿轮传动与一般齿轮传动在相同条件下，圆周速度也较小，故传动载荷比一般齿轮也小些，并且行星齿轮传动还具有工作可靠，同轴传动等一系列优点。 1.3 国内外研究状况 自从德国 MANNESMANN的 Rexroth公司的 Indramat分部在 1978年 汉诺威 贸易博览会上正式推出 MAC永磁交流伺服电机驱动系统开始，标志着新一代交

15、流伺服技术已经成熟。到 1980年代中后期，各大公司都已有了完整的系列产品，整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（ DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可由软件完成。到 20世纪 90年代以后，全数字正弦波控制的永磁交 流伺服电机驱动系统在传动领域中的地位进一步上升。 目前高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司 我国从 20世纪

16、60年代开始研制应用行星齿轮减速器， 20 世纪 70 年代制订了 NGW 型渐开线行星齿轮减速器标准系列 JB1799-1976. 1.4 本文主要工作 1 确定减速机总体设计方案 ; 2 对伺服行星减速机的工作原理进行深入研究 ; 3 确定伺服行星减速机的各项重要参数，并对其进行整体设计 ; 4 对减速 机的各重要零部件结构进行设计 ; 5 对减速机的各重要零部件的强度等因素进行校核 ; 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 3 第 2 章 行星减速器的总体设计 2.1 方案设计 2.1.1 设计输入参数 1. 工作扭矩： 14000Nm； 2. 最大扭矩： 55000Nm； 3. 转速范围： 0

17、.2-2.5rpm； 4. 减速机速比： 37.92： 1； 5.根据机械设计手册查的各传动件效率 1联轴器的动效率： 1=0.9925 2每对轴承的传动效率： 2=0.9875 3行星轮的传动效率： 3=0.918 这里 3=1-|1-(1/i1H)|(1- 1nH)1， 1nH 为转化轮系的效率，即把行星轮系视为定轴轮系的效率， 1nH= =0.9560.956=0.914。 ( ，为把行星轮系视为定轴轮系时每对齿轮传递的效率，这里取 =0.956) 3=1-|1-(1/i1H)|(1- 1nH)= 1-|1-(1/25)|(1-0.914)=0.918 总 = 15 22 3 4 =0.

18、99255 0.98752 0.918=0.811 （ 2-1） 所以电动机的有效输出功率 PR = Pw / 总 =1.763/0.811=2.17 （ 2-2） 2.1.2传动型式选择 按最大扭矩 55000Nm，总传动比 37.92，选用两级 NGW 行星齿轮减速机。两级行星轮个数均选 np=3，高速级采用行星架浮动而太阳轮和内齿轮固定的结构；低速级采用太阳轮浮动的结构。 2.1.3材料、性能选者、热处理及齿形要求 1. 材料 a 太阳轮和行星轮的材料为 20CrNi2MoA，渗碳淬火处理，表面硬度 57+4HRC， 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 4 齿面接触疲劳极限： Hlim=145

19、0N/mm2 ， 齿根弯曲疲劳极限 ：太阳轮 Flim=400N/mm2 ， 行星轮 Flim=280N/mm2 ， b 内齿轮的材料为 42CrMo，调质处理，硬度为 HB262293， 齿面接触疲劳极限 Hlim=750N/mm2 ， 齿根弯曲疲劳极限 Flim=255N/mm2 ， 2齿形 齿形为渐开线直齿，外啮合最终加工为磨齿， 6级精度；内啮合最终加工为插齿， 7级精度。 为提高齿轮承载能力，两极均采用变位齿轮传动。 2.1.4.传动比的分配 按高速级（ I）和 低速级（ II）齿面接触等强度的原则进行传动比的分配。取系数 =1.2（低速级内齿轮分度圆直径 2d 与高速级内齿轮分度圆

20、直径 2d 之比 ,一般=11.3），齿宽系数 aI=0.4， aII=0.7， HlimI= HlimII，其余见下表 2-1。 步进电机与伺服电机的区别表 2-1 传动比分配 代 号 名 称 说 明 取 值 KA 使用系数 按中等冲击 1.5 KHPI 行星轮间载荷分配系数 按齿轮手册表 7.3-7 1.1 KHPII 1.05 KH I 综合系数 按齿轮手册表 7.3-4 1.8 KH II 由齿轮手册可知， q 值为 8 3 4.11 3 5 08.105.14.03 1 3 5 08.11.17.03.).( .).( 22l i m2l i m2 xxxx xxxxKKn KKnq

21、IHIIHH P I IaIdPIIIHIHH P Ia I IdP I I（ 2-3） 17.32.18 3 4.1 33 Xq （ 2-4） 由此查齿轮手册图 7.2-9，得 PI=5.75 ，则 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 5 75.675.511 11 Pi (2-5) 58.575.6/68.37/ 1 iiiII （ 2-6) 2.1.5配齿计算 a 高速级 太阳轮齿数 Za 2075.6 453 Xi CnZ IPa取 C=45（整数） （ 2-7） 内齿圈齿数 Zb 1 1 5)175.6(20)1( XiZaZb I （ 2-8） 行星轮齿数 Zc 5.47)201 1 5

22、(5.0)(5.0 XZZXZ abC (2-9) 取 Zc=47 整数，满足装配条件453 1 1 520 p ba n zzM b 同理可求出低速级齿数 913520 bca zzz ， 整数，满足装配条件373 9120 p ba n zzM (2-10) c 按齿面接触强度，计算太阳轮分度圆直径 高速级太阳轮传递扭矩为： T=55000/37.68=1560N。 m 一对啮合副传动转矩： mNXn KTT P P .5 9 83 15.11 5 6 01 则 mmUUKKKTKd IdHHPAtd 5.96).()1.(. lim213 (2-11)说明： KA， KHP， KH 同前， KP 不均载系数， U=Zc/Za