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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 48 頁 共 48 頁
1 緒論
1.1引言
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)各部門所需求的多品種、多功能、高精度、高品質(zhì)、高度自動化的技術(shù)裝備的開發(fā)和制造，促進(jìn)了先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。磨削加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要領(lǐng)域，是現(xiàn)代制造業(yè)中實(shí)現(xiàn)精密加工、超精密加工最有效、應(yīng)用最廣的基本工藝技術(shù)[1]。齒輪傳動系統(tǒng)是各種機(jī)器和裝備中應(yīng)用最廣泛的動力和運(yùn)動傳遞裝置。
磨床上的砂輪在對工件進(jìn)行磨削時(shí)，砂輪磨削區(qū)的溫度大約在1000°C左右，磨粒磨削點(diǎn)的溫度也有幾百度。在磨削過程中砂輪磨損經(jīng)過磨耗磨損、磨粒磨損、脫落磨損三個(gè)周期以后，在它的表面會形成砂粒蛻化不鋒利，并且還留下許多磨削顆粒堵塞砂輪氣孔，這樣就難以對工件進(jìn)行磨削加工。所以，在磨削的過程中要不斷地對砂輪進(jìn)行表面修整或?qū)Τ尚紊拜喰螤畹男拚_(dá)到去除鈍化磨粒，保證有新磨粒和足夠數(shù)量的有效切削刃，從而保證工件的尺寸精度和表面的粗糙度[2]。
修整砂輪，主要是根據(jù)所加工工件幾何形狀以及表面精度要求等，對砂輪進(jìn)行修整后再對工件進(jìn)行修磨，達(dá)到保證磨切工件質(zhì)量要求[3]。通常修整砂輪時(shí)，把若干個(gè)砂輪修整片裝在砂輪修整架上，完全靠手支撐并左右移動修整架，利用砂輪的轉(zhuǎn)動帶動修整片旋轉(zhuǎn)的差動力，實(shí)現(xiàn)砂輪的修整。這種傳統(tǒng)修整砂輪方法會出現(xiàn)以下情況：第一，砂輪修整片磨損快并且在使用過程中孔的間隙變大，影響修整精度。第二，操作過程穩(wěn)定性差，有一定的危險(xiǎn)性。第三，被修整的砂輪表面較粗糙、圓柱度差。第四，不能完全消除砂輪運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的徑向跳動，此項(xiàng)是影響砂輪使用的關(guān)鍵[4，5]。
1.2 砂輪修整器的發(fā)展現(xiàn)狀
砂輪修整是傳統(tǒng)磨床上磨削時(shí)最困難的部分，也是相當(dāng)復(fù)雜的幾何學(xué)難題[6]。目前砂輪修整法大致可分為3種。一種是硬質(zhì)合金輪滾軋法.這種方法修出的砂輪表面較鋒利，但壓碎的碎肩易堵塞砂輪，影響砂輪的磨削能力，修整效率低。另一種是用金剛石修整工具以車削方式修整砂輪，修出的砂輪較鋒銳，磨削能力較強(qiáng)，但修整效率也低。第3種是用金剛石滾輪以“切入磨俐”的方式修整砂輪[7]。另外，砂輪修整器根據(jù)產(chǎn)品的不同要求有多種形狀和形式組成。例如單粒精鋼石、多功能單粒精鋼石修整器，液壓磨仿形修整器，NC數(shù)控控制修整器，成型平面磨床砂輪修整器等。下面三幅圖是兩種普通砂輪修整器：
圖1.1 多功能砂輪修整器結(jié)構(gòu)示意圖
圖1.2 普通手動砂輪修整器
圖1.3萬能砂輪修整器
近些年來，超硬材料在生產(chǎn)工程和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的廣泛使用，使超硬磨料砂輪的應(yīng)用急劇增加，砂輪的修整問題變得日益突出，成為世界各國研究的重要課題[8]。超硬磨料砂輪具有優(yōu)良的磨削性能，抗磨損能力強(qiáng)，不需經(jīng)常修整。但在初始安裝和使用磨鈍后修整卻比較困難。超硬磨料砂輪的修整，通常分為整形和修銳兩個(gè)工序，整形是對砂輪進(jìn)行微量切削使砂輪達(dá)到所要求的幾何形狀精度，并使磨料尖端細(xì)微破裂，形成鋒利磨刃。修銳是去除磨粒間的結(jié)合劑，使磨粒間有一定的容屑空間，并使磨刃突出結(jié)合劑之外，形成切削刃。其中整形法有金剛石筆整形法、滾壓整形法、磨削整形法、軟鋼磨削整形法等。而修銳的方法有很多，但主要是以下幾種：游離磨粒擠軋修銳法、噴射修銳法、剛玉塊切入修銳法、磨削修銳法、電解修銳法、液壓噴射修銳法等?？梢詤⒖继挲X刀磨床砂輪修整器的數(shù)控化改型實(shí)例[10]、簡便實(shí)用的導(dǎo)軌磨砂輪修整器[11] 、外圓磨床液壓砂輪修整器[12]、S7332—64A自動圓弧砂輪修整器的結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)[13]、調(diào)心球軸承磨外溝用砂輪修整器[14]、磨削凸度用單點(diǎn)砂輪修整器的工作原理[15]。
各國的研究者不僅對超硬磨料砂輪的修整機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，而且對常用的修整方法作了較大的改進(jìn)并通過實(shí)驗(yàn)提出了新的修整工具和修整方法[9]。日本東京大學(xué)莊司克雄教授研制出了GC杯形砂輪修整器，該修整器解決了傳統(tǒng)修整器的修整工具磨耗太快而導(dǎo)致的修正精度差的問題。日本理化研究所大森教授研制成功了在線電解修整法（簡稱ELID法）。ELID修銳法是近年來金屬結(jié)合劑類超硬料修正技術(shù)的一項(xiàng)新成就。利用ELID法在線修銳金剛石砂輪磨削港片陶瓷或者其他超硬材料，目前已可以達(dá)到鏡面的加工水平。而后在ELID法的基礎(chǔ)上，又提出了一種簡易的雙電極在線修銳法（簡稱為T-ECD法）。該方法對ELID法作了進(jìn)一步的工裝改進(jìn)和簡化，從而更實(shí)用和方便。除了上述的修整法，還有彈性修銳法、超聲波振動修整法和激光修銳法等。這些方法從各個(gè)方面提高了砂輪修整后的精度，石砂輪的修整進(jìn)入了更高的水平。
為獲得所需的工件輪廓和良好的精度，砂輪必須獲得精確的輪廓形狀，成形砂輪修整主要要達(dá)到以下要求：成形輪廓精度，廓形相對砂輪回轉(zhuǎn)軸的位置精度，工作面的圓跳動，為此，必須嚴(yán)格控制修整進(jìn)給量、修整速度和修整次數(shù)。所以新的修整工具、修整技術(shù)的發(fā)展將趨于高精、高效、柔性及自動化發(fā)展，具體如下：
（1）開展實(shí)用的、成本低、高效率的修整技術(shù)研究。當(dāng)前的金屬基金剛石砂輪修整法或多或少的都存在著修整成本高、效率低、裝置復(fù)雜、操作不易掌握等局限，所以開發(fā)新型的砂輪修整器十分的必要。
（2）開發(fā)修整的在線監(jiān)測、監(jiān)控、故障自診技術(shù)。利用聲發(fā)射信號來判斷砂輪的工況，對砂輪質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對修整過程進(jìn)行控制，開發(fā)檢測、處理、質(zhì)量評價(jià)、控制一體化的修整系統(tǒng)。
（3）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)和專家系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)砂輪的智能化修整。這些高科技技術(shù)為砂輪修整技術(shù)的智能化提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。
（4）開發(fā)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對修整過程進(jìn)行遠(yuǎn)程操作、管理、臨控和診斷。
1.3 課題的來源和要求
本課題來源于江蘇省自然基金項(xiàng)目——數(shù)控絲杠磨床精密智能磨削方法及關(guān)鍵技術(shù)研究。本課題是該項(xiàng)目的子課題，目的是研制出一種新型絲杠磨床砂輪修整器。
在本課題的研究中，主要由下面幾個(gè)問題要解決：
（1）完成新型砂輪修整器的運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。運(yùn)用SolidWorks和CAD等軟件設(shè)計(jì)出該機(jī)構(gòu)的三維模型和二維平面圖。
（2）完成其運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析和力學(xué)計(jì)算。針對已有的機(jī)構(gòu)，分析它的運(yùn)動過程，并進(jìn)行其運(yùn)動時(shí)的受力計(jì)算。
（3）掌握砂輪修整器的算法。根據(jù)砂輪修整器的運(yùn)動軌跡，掌握其算法。
（4）完成砂輪修整器的運(yùn)動仿真。仿真模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，完善其中的不足。
1.4 論文的組織結(jié)構(gòu)
本論文的組織結(jié)構(gòu)如下：
第一章簡要介紹本課題的理論意義與實(shí)際價(jià)值、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及背景；
第二章介紹砂輪修整器總體方案設(shè)計(jì)；
第三章介紹運(yùn)動的正反解和力學(xué)分析；
第四章介紹機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析；
第五章介紹砂輪修整器的控制方法和流程；
2 砂輪修整器總體方案設(shè)計(jì)
2.1 絲杠磨床簡介
機(jī)床主要由床身、工作臺、頭架、砂輪架、砂輪架托板、精密主軸、砂輪修整器、中心架、冷卻及恒溫裝置、復(fù)合托架等主要部件組成。機(jī)床的螺紋運(yùn)動是由頭架主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與砂輪架托板縱向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)聯(lián)動而成的。
機(jī)床配備砂輪修整器，利用包絡(luò)成形原理實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的生成，一臺砂輪修整器可以修整出多種齒形。在機(jī)床進(jìn)行外圓磨削時(shí)，砂輪修整器可以很方便的修整外圓砂輪。
2.2 修整器的功能要求
由于磨削過程中砂輪的損耗，會造成加工的工件不符合精度和技術(shù)要求。且砂輪的造價(jià)較高，如果砂輪出現(xiàn)損耗就更換砂輪的話，會加大生成成本，為了降低成本，就要對砂輪進(jìn)行修整。
砂輪在磨削過程中主要有以下幾種磨損形式：
（1）砂輪工作表面變鈍。磨粒在工作中磨損，使刃口變鈍，出現(xiàn)明顯的小平面，以致磨削力增大、發(fā)熱及出現(xiàn)明顯的振動和噪聲，不能很好的切下金屬。
（2）砂輪工作面堵塞。切屑粘附在磨粒切刃和結(jié)合橋上，阻塞了磨粒間的孔隙，使砂輪的磨削能力明顯降低，磨削功率增大，工件發(fā)熱，以致工件表面發(fā)生燒傷現(xiàn)象或出現(xiàn)明顯的振動或噪聲。
（3）砂輪廓形畸變。磨粒脫落顯著，自銳作用過強(qiáng)，不能使砂輪保持正確的輪廓形狀（產(chǎn)生畸變）
修整需要達(dá)到的目的：修整就是通過修整輪和磨削砂輪的撞擊使磨削輪磨鈍的磨粒脫落、碎裂，形成新的磨粒切削刃，使砂輪恢復(fù)利刃口和正確形狀，達(dá)到去除鈍化磨粒，保證有新磨粒和足夠數(shù)量的有效切削刃，從而保證工件的尺寸精度和表面粗糙度。
2.3 砂輪修整器總體設(shè)計(jì)
2.3.1運(yùn)動過程分析
對砂輪的修整主要是針對砂輪的外緣，砂輪的外緣的平面投影是一條沿豎直方向?qū)ΨQ的特殊的曲線，所以要實(shí)現(xiàn)對砂輪的完全修整，就必須使砂輪修整器的修整砂輪的軌跡能和被修整的砂輪外緣形狀相吻合。這就要求修整砂輪不僅能實(shí)現(xiàn)在平面內(nèi)X、Y方向的移動，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)繞垂直于平面的軸（Z軸）的轉(zhuǎn)動。
由于修整砂輪的平面運(yùn)動是多自由度的運(yùn)動，所以考慮用并聯(lián)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動。并聯(lián)運(yùn)動是一種用于傳送運(yùn)動的裝置，它包括適合于提供至少一個(gè)自由度的并聯(lián)運(yùn)動傳送結(jié)構(gòu)，該自由度包括三個(gè)平移自由度。所以初步設(shè)計(jì)大致的機(jī)構(gòu)如圖2.1所示：
圖2.1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡圖
在圖示的機(jī)構(gòu)中，滑塊4和滑塊5的平動帶動連桿組1和連桿組2的擺動，從而實(shí)現(xiàn)底桿3在水平面內(nèi)的多自由度的運(yùn)動。（圖中連桿組一和連桿組2分別組成兩個(gè)平行四邊形，從而使底桿3能夠保持水平）
由于砂輪修整要求的精度比較高，所以就對滑塊的移動速度與距離有精確的要求，而且為了實(shí)現(xiàn)底桿3能夠到達(dá)平面內(nèi)的任意位置，兩個(gè)連桿組的運(yùn)動情況也不相同。綜合考慮，讓滑塊在絲杠上運(yùn)動，形成一個(gè)絲杠螺母副，且在左右兩端各加一個(gè)電機(jī)來帶動絲杠的旋轉(zhuǎn)。然后就通過控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來控制兩根絲杠的轉(zhuǎn)速，用絲杠帶動連桿的水平移動。這樣一來，不僅能控制底桿所處的位置，而且又更很好的保證精度。
若將底桿3換成一個(gè)平板，這就能夠?qū)崿F(xiàn)底板在平面內(nèi)多自由度的運(yùn)動。再通過另外的連接件將修整砂輪固定在底板上，這樣也就是實(shí)現(xiàn)了修整砂輪在平面內(nèi)的運(yùn)動。
由于砂輪在修整時(shí)轉(zhuǎn)速較高，考慮使用帶傳動。將電機(jī)固定在底板上，將休整砂輪和小帶輪連接在一起，通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動大帶輪的旋轉(zhuǎn)，然后帶動小帶輪，實(shí)現(xiàn)修整砂輪的高速旋轉(zhuǎn)。
修整砂輪還要實(shí)現(xiàn)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)，由于修整砂輪已經(jīng)垂直于平面，所以就要使連接修整砂輪的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。在進(jìn)行修整砂輪時(shí)，為了保證修整精度，要求修整砂輪在Z軸方向的轉(zhuǎn)速很低，考慮到此，利用步進(jìn)電機(jī)帶動連接修整砂輪的機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，從而也就實(shí)現(xiàn)了修整砂輪繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。
綜上所述，在進(jìn)行砂輪修整時(shí)，運(yùn)動過程如下：兩個(gè)連接絲杠的電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動絲杠的旋轉(zhuǎn)，絲杠的旋轉(zhuǎn)使連桿和絲杠的連接件做水平運(yùn)動，帶動連桿的運(yùn)動，從而使底板實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)多自由度的運(yùn)動。同時(shí)，帶輪電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動修整砂輪的高速旋轉(zhuǎn)；另外一個(gè)電機(jī)帶動修整砂輪繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。綜合起來，就能實(shí)現(xiàn)修整砂輪的復(fù)雜運(yùn)動，使其按照磨削砂輪的外緣形狀進(jìn)行修整。
2.3.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析
結(jié)合上文所分析的運(yùn)動過程及運(yùn)動簡圖，設(shè)計(jì)如下的機(jī)構(gòu)：
圖2.2 工作原理
1.底板 2.電機(jī) 3.滑塊 4.滑槽 5.絲杠 6.滑塊2 7絲杠2 8.電機(jī) 9.連桿 10.連桿 11.電機(jī) 12.待修整砂輪 13.修整砂輪 14.修整輪夾具 15.V帶 16.軸 17.載物臺 18.連桿 19.連桿
砂輪修整器的工作原理如圖2.2所示，通過絲杠電機(jī)2和8的旋轉(zhuǎn)帶動絲杠5和絲杠7的旋轉(zhuǎn)，從而使上滑塊3和上滑塊6沿著導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)水平方向的移動。用四根連桿將修整輪底座和兩個(gè)滑塊相連，這樣通過兩個(gè)滑塊的移動可以實(shí)現(xiàn)底板的平面運(yùn)動。同時(shí)在底板后面加一電機(jī)，通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動軸16，軸16帶動修整輪夾具14旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)修整砂輪繞Z軸的轉(zhuǎn)動。修整砂輪13通過加在搖桿上的電機(jī)帶動帶輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)修整砂輪的旋轉(zhuǎn)。綜上，該機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)搖桿在平面內(nèi)的移動和繞渦輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)修整砂輪復(fù)雜的平面運(yùn)動。
設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)時(shí)，須考慮到以下幾個(gè)問題：
（1）在上平板中間有打斷部分，防止兩個(gè)上固定架移動出范圍，導(dǎo)致連桿相互交叉，無法運(yùn)動。
（2）底板需要特殊設(shè)計(jì)以用來裝夾搖桿和絲杠螺母。
（3）底板間兩根連桿之間的距離要大于上平板間打斷部分的距離，用以防止連桿運(yùn)動到死點(diǎn)，導(dǎo)致無法運(yùn)動或損毀零件。
（4）控制搖桿和底板之間的距離，防止在裝上帶輪后，在繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶輪或修整與底板產(chǎn)生干涉。
3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析
3.1 機(jī)構(gòu)的正反解
機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型如圖2.1所示
砂輪修整器結(jié)構(gòu)原理可簡化為平面機(jī)構(gòu)，如圖3.1示：兩上固定架簡化為A、B兩點(diǎn)，連桿即為圖中AD和BC，CD為運(yùn)動平臺，F(xiàn)GH為旋轉(zhuǎn)平臺，GH為金剛石滾輪(金剛筆)伸出運(yùn)動平臺的長度。建立如圖坐標(biāo)系，取AD=BC=l1，CD=l2，GF=l3，GH=l4，E(xE,yE),。
該并聯(lián)機(jī)構(gòu)砂輪修整器正解可描述為：已知并聯(lián)機(jī)構(gòu)左右滑塊的位置，求金剛石滾輪(金剛筆)H點(diǎn)坐標(biāo)及姿態(tài)角β。
由圖可知：
xG=12(xA+xB)yG=l12-(xB-xA-l22)2 (3.1)
xH=xG+l4cosβyH=yG+l4sinβ (3.2)
又：
cosβ=12xA+xB-xFl3sinβ=l12-(xB-xA-l22)2-yFl3 (3.3)
則其正解為：
xH=12xA+xB+l412xA+xB-xFl3yH=l12-(xB-xA-l22)2+l4l12-(xB-xA-l22)2-yFl3β=arccos12xA+xB-xFl3 (3.4)
F點(diǎn)坐標(biāo)可由下方程解得：
(xF-xG)2+(yF-yG)2=l32(xF-xE)2-(yF-yE)2=lEF2 (3.5)
該并聯(lián)機(jī)構(gòu)砂輪修整器反解可描述為：給定金剛石滾輪(金剛筆)H點(diǎn)坐標(biāo)及姿態(tài)角β，求并聯(lián)機(jī)構(gòu)左右滑塊的位置。
易知：
xA=xH-l4cosβ-12l2-l12-(yH-l4sinβ)2xB=xH-l4cosβ+12l2+l12-(yH-l4sinβ)2xF=xH-(l3+l4)cosβyF=yH-(l3+l4)sinβ (3.6)
則其反解為：
xA=xH-l4cosβ-12l2-l12-(yH-l4sinβ)2xB=xH-l4cosβ+12l2+l12-(yH-l4sinβ)2lEF=xH-l3+l4cosβ-xE2+yH-l3+l4sinβ-yE2 (3.7)
通過上面的運(yùn)動學(xué)正反解分析，可以看出該并聯(lián)三自由度機(jī)構(gòu)的正逆解同時(shí)存在解析解，并且解算過程較為方便，在初始條件確定后，其正反解結(jié)果具有唯一性。
3.2 基本尺寸的確定
該砂輪修整器要保證修整砂輪有一定的工作空間，才可以對砂輪進(jìn)行修整，且至少要保證其工作空間在100×100(mm)這一范圍內(nèi)，本機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，將其空間設(shè)置在100×100(mm)范圍,這樣足以保證修整時(shí)的工作空間。通過上面的正反解分析和綜合方案設(shè)計(jì)中的分析，可以確定出該砂輪修整器中如下的基本尺寸：
固定架架的最大移動距離：260mm
兩側(cè)連桿的長度：200mm
底桿的最小長度：150mm
兩側(cè)連桿在底桿的中心孔的距離：60mm
底板中間軸承座外側(cè)距離：70mm
兩側(cè)連桿處于豎直位置時(shí)底桿和上平板的最小距離：54mm
以這些尺寸為基本尺寸，同時(shí)綜合考慮多方因素，比如一些標(biāo)準(zhǔn)的國標(biāo)、運(yùn)動時(shí)的安全系數(shù)等，對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。
3.3 修整力的計(jì)算
因無具體的修整力計(jì)算公式，現(xiàn)采用計(jì)算磨削力公式求其修整力大小：
角正回歸法為北京工業(yè)大學(xué)提出的一種磨削力計(jì)算方法。
——磨削深度 ——工件軸向進(jìn)給速度 ——工件速度
（1）采用其外圓磨削力實(shí)驗(yàn)公式。
外圓磨削力實(shí)驗(yàn)公式為：
取，，。
求得： 19.48N
（2）采用平面磨削力實(shí)驗(yàn)公式。
平面磨削力實(shí)驗(yàn)公式為：
取，，。
求得：22.13N
(3) 采用金剛石滾輪修整力計(jì)算公式：
式中：為修整比能，為切向修整力，為砂輪線速度，為修整輪線速度，為修整進(jìn)刀量為。
修整比能參考金剛石滾輪取為小于，可求得單位寬度徑向修整力為，則徑向修整力不會超過10N。
4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
在該機(jī)構(gòu)的三維建模中，采用了Pro/E這一軟件進(jìn)行輔助建模,二維軟件則是采用了Cad軟件。
4.1 電機(jī)的選擇
4.1.1 交流伺服電機(jī)的介紹
一．原理
伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）
二．交流伺服電機(jī)的基本常識
交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動機(jī)一種兩相的交流電動機(jī)。 交流伺服電動機(jī)使用時(shí)，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動機(jī)很快就會轉(zhuǎn)動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。 為了在電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場，要求激磁電壓Uj和控制電壓UK之間應(yīng)有90度的相位差，常用的方法有：
（1）利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90度的移相
（2）利用三相電源的任意線電壓；
（3）采用移相網(wǎng)絡(luò)
（4）在激磁相中串聯(lián)電容器
三．交流伺服電機(jī)及其調(diào)速分類和特點(diǎn)：
長期以來，在要求調(diào)速性能較高的場合，一直占據(jù)主導(dǎo)地位的是應(yīng)用直流電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。但直流電動機(jī)都存在一些固有的缺點(diǎn)，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護(hù)。換向器換向時(shí)會產(chǎn)生火花，使電動機(jī)的最高速度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制，而且直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高。而交流電動機(jī)，特別是鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)沒有上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下，交流電動機(jī)輸出功率可比直流電動機(jī)提高10﹪～70﹪，此外，交流電動機(jī)的容量可比直流電動機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都傾向采用交流伺服驅(qū)動，交流伺服驅(qū)動已有取代直流伺服驅(qū)動之勢。
四．異步型交流伺服電動機(jī)：
異步型交流伺服電動機(jī)指的是交流感應(yīng)電動機(jī)。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應(yīng)電動機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流電動機(jī)相比，質(zhì)量輕1/2，價(jià)格僅為直流電動機(jī)的1/3。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流。因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。
這種鼠籠轉(zhuǎn)子的異步型交流伺服電動機(jī)簡稱為異步型交流伺服電動機(jī)，用IM表示。
五．同步型交流伺服電動機(jī)：
同步型交流伺服電動機(jī)雖較感應(yīng)電動機(jī)復(fù)雜，但比直流電動機(jī)簡單。它的定子與感應(yīng)電動機(jī)一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。其中磁滯式和反應(yīng)式同步電動機(jī)存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床中多用永磁式同步電動機(jī)。與電磁式相比，永磁式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、效率較高；缺點(diǎn)是體積大、啟動特性欠佳。但永磁式同步電動機(jī)采用高剩磁感應(yīng)，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動外形尺寸約小1/2，質(zhì)量減輕60﹪，轉(zhuǎn)子慣量減到直流電動機(jī)的1/5。它與異步電動機(jī)相比，由于采用了永磁鐵勵磁，消除了勵磁損耗及有關(guān)的雜散損耗，所以效率高。又因?yàn)闆]有電磁式同步電動機(jī)所需的集電環(huán)和電刷等，其機(jī)械可靠性與感應(yīng)（異步）電動機(jī)相同，而功率因數(shù)卻大大高于異步電動機(jī)，從而使永磁同步電動機(jī)的體積比異步電動機(jī)小些。這是因?yàn)樵诘退贂r(shí)，感應(yīng)（異步）電動機(jī)由于功率因數(shù)低，輸出同樣的有功功率時(shí)，它的視在功率卻要大得多，而電動機(jī)主要尺寸是據(jù)視在功率而定的。
六．交流伺服電機(jī)的優(yōu)良性能：
（1）控制精度高。
步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為1．8。(兩相)或0．72。(五相)，而交流伺服電機(jī)的精度取決于電機(jī)編碼器的精度。以伺服電機(jī)為例，其編碼器為l6位，驅(qū)動器每接收2 =65 536個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，其脈沖當(dāng)量為360‘／65 536=0，0055 ；并實(shí)現(xiàn)了位置的閉環(huán)控制．從根本上克服了步進(jìn)電機(jī)的失步問題。
（2） 矩頻特性好。
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會急劇下降，其工作轉(zhuǎn)速一般在每分鐘幾十轉(zhuǎn)到幾百轉(zhuǎn)。而交流伺服電機(jī)在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000r／min或3000r／rain)以內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩輸出，在額定轉(zhuǎn)速以E為恒功率輸出。
（3） 具有過載能力。
（4） 加速性能好。
步進(jìn)電機(jī)空載時(shí)從靜止加速到每分鐘幾百轉(zhuǎn)，需要200—400ms：交流伺服電機(jī)的加速性能較好。
六．步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)性能比較：
步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運(yùn)動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。
（1）控制精度不同
兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。
（2）低頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等。 交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。
（3）矩頻特性不同
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
（4）過載能力不同
步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。
（5）運(yùn)行性能不同
步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
（6）速度響應(yīng)性能不同
步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。該設(shè)計(jì)中控制夾具旋轉(zhuǎn)的電機(jī)和絲杠電機(jī)都選用交流伺服電機(jī)。而V帶電機(jī)則選用交流電機(jī)。
4.1.2 修整輪使用的V帶電機(jī)
選用常州瀚瑪機(jī)電有限公司Y系列(IP23)三相異步電動機(jī)。如下圖：
Y系列(IP23)三相異步電動機(jī)為一般用途鼠籠型三相異步電動機(jī)，是新設(shè)計(jì)的更新?lián)Q代產(chǎn)品。其功率等級和安裝尺寸符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。電動機(jī)的外殼防護(hù)等級為IP23，冷卻方式為IC01，連續(xù)工作制(S1)，適用于不含易燃、易爆、腐蝕氣體和較為清潔的場所。用于驅(qū)動各種無特殊要求的機(jī)械設(shè)備，如機(jī)床、泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械等。
電動機(jī)具有效率高、噪聲低、起動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)。電動機(jī)符合JB5271-91(H280)、JB5272-91(H315～355)Y系列(IP23)三相異步電動機(jī)技術(shù)條件。
Y系列(IP23)三相異步電動機(jī)采用B級絕緣。額定電壓為380V，額定頻率為50Hz，△接法，出線盒引出六個(gè)(H280)，三個(gè)(H315～355)出線端。電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及安裝型式為IMB3(機(jī)座帶底腳，端口無凸緣，臥式)，可滿壓起動或降壓起動。電動機(jī)運(yùn)行地點(diǎn)的海拔不超過1000m，最高環(huán)境空氣溫度隨季節(jié)而變化，但不超過40℃，最低環(huán)境空氣溫度為-15℃，是濕月時(shí)月平均最高相對濕度為90%，同時(shí)該月月平均最低溫度不高于25℃。如圖4.1。
要求軸高為28，功率為380W，額定轉(zhuǎn)速為6000rpm。
4.1.3 交流伺服電機(jī)的選取
下面是ACM系列交流伺服電機(jī)的參數(shù)及尺寸等
產(chǎn)品型號
ACM601V36
ACM602V36
ACM602V36A
ACM602V60
ACM602V60A
ACM604V60
額定電壓
V
36
36
36
60
60
60
額定功率
W
100
200
200
200
200
400
額定力矩
N.M
0.318
0.64
0.64
0.64
0.64
1.27
峰值力矩
N.M
0.95
1.91
1.91
1.91
1.91
3.82
額定轉(zhuǎn)速
RPM
3000
3000
3000
3000
3000
3000
最大轉(zhuǎn)速
RPM
4000
4000
4000
4000
4000
4000
額定電樞電流
A
4
7.6
7.6
4.7
4.7
8.4
峰值電樞電流
A
11
22
22
14
14
25
力矩系數(shù)
N.M/A
0.0866
0.0918
0.0918
0.15
0.15
0.161
反電勢系數(shù)
V/RPM
3.03 x10-3
3.213x10-3
3.213x10-3
5.24x10-3
5.24x10-3
5.54x10-3
電阻
mohm
380
163
163
378
378
192
電感
mH
0.91
0.41
0.41
1.07
1.07
0.59
轉(zhuǎn)動慣量
kg㎡x10-4
0.1032
0.176
0.296
0.176
0.296
0.3549
最大徑向負(fù)載
N
78.6
245
245
245
245
245
最大軸向負(fù)載
N
38.2
68
68
68
68
74
電機(jī)機(jī)座尺寸
mm
60
60
60
60
60
60
電機(jī)安裝直徑
mm
70
70
70
70
70
70
電機(jī)法蘭直徑
mm
50
50
50
50
50
50
電機(jī)軸直徑
mm
8
11
14
11
14
14
軸連接方式
無鍵槽
帶鍵槽
帶鍵槽
帶鍵槽
帶鍵槽
帶鍵槽
出軸長度
mm
25
30
30
30
30
30
電機(jī)總長
mm
86.7
100.7
100.7
100.7
100.7
127.8
磁對極
4
4
4
4
4
4
編碼器
2500可選
2500可選
2500可選
2500可選
2500可選
2500可選
電機(jī)重量
Kg
0.701
0.966
0.984
0.966
0.984
1.463
工作環(huán)境溫度
℃
0～40
0～40
0～40
0～40
0～40
0～40
?
ACM系列交流伺服電機(jī)安裝尺寸?
200W交流伺服電機(jī)ACM602V36A、ACM602V60A安裝尺寸如下所示：
200W交流伺服電機(jī)ACM602V36、ACM602V60安裝尺寸如下所示：
適配驅(qū)動器
適配電機(jī)選型
適配驅(qū)動器
100W電機(jī)
ACS806、ACS1806
200W電機(jī)
ACS806、ACS1806
400W電機(jī)
ACS806、ACS1806
選取型號為ACM602V36A。
4.2 修整輪部分的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.2.1 V帶輪電機(jī)的額定數(shù)據(jù)
(1)額定功率
P = 380KW
(2)轉(zhuǎn)速n
n = 6000r/min
(3)選定電機(jī)機(jī)型
西門子1FK7011-5AK21號電機(jī)
4.2.2 V帶傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算
(1) 設(shè)計(jì)功率Pd
計(jì)算公式和參數(shù)設(shè)定
(4.1)
P-傳遞的功率（kW）
KA-工況系數(shù)
查表14-8 KA=1.1
(2) 選定帶型
根據(jù)Pd和n1由圖14-2、3或圖14-4選取
普通V帶Z型號
節(jié)寬bp=8.5 頂寬b = 10 高度h = 6.0 契角
(3) V帶的根數(shù)
(4.2)
取 z = 1
(4) 帶速
(4.3)
(5) 單根V帶的預(yù)緊力
(4.4)
(6) 作用在軸上的力
(4.5)
(7) 帶輪結(jié)構(gòu)的尺寸
基準(zhǔn)寬度
基準(zhǔn)上槽深
基準(zhǔn)下槽深
最小輪緣厚δmin=5.5
帶輪寬B
B = 14
外徑
(4.6)
輪槽角
(8) 小帶輪包角
(4.7)
由電動機(jī)可知，其軸伸直徑d =11mm長度L =23mm故帶輪軸，轂長小于110mm。
查得，小帶輪的結(jié)構(gòu)為實(shí)心輪，如圖2.3所示
圖4.1 小帶輪三維結(jié)構(gòu)
圖4.2 小帶輪的二維尺寸
由上文可知，傳動比為1.0，所以大帶輪的數(shù)據(jù)和小帶輪相同。
圖4.2 大帶輪
圖4.3 大帶輪二維尺寸
4.2.3 帶輪的安裝
小帶輪和發(fā)動機(jī)之間用鍵連接，大帶輪和修整輪之間用圓柱銷的過盈鏈接?？梢娤聢D：
圖4.4 小帶輪于電機(jī)之間的鍵連接
圖4.5 帶輪與修整輪之間的銷連接
圖4.6 帶輪與V帶的裝配
4.2.3 鍵的選取
鍵可分為平鍵、半圓鍵、楔鍵、切面鍵等幾類。
? （1）平鍵聯(lián)接。它具有結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、對中性較好等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。鍵的兩側(cè)面是工作面，*它來傳遞扭矩，但不能承受軸向力，不能對軸上的零件起到軸向固定的作用。按鍵構(gòu)造分，有圓頭（A型0、方頭（B型）及單圓頭（C型）三種。鍵一般用抗拉強(qiáng)度δΒ≥MPa的碳鋼或精拔鋼制造，常用的材料為45號鋼。
（2）半圓鍵。鍵在槽中能繞其幾何中心擺動以適應(yīng)輪轂中鍵槽的斜度，工作時(shí)，其側(cè)面來傳遞扭矩。特點(diǎn)是：工藝性較好，裝配方便、尤其適用于錐形軸與輪轂的聯(lián)接。缺點(diǎn)是鍵槽較深，對軸的強(qiáng)度削弱較大，故一般只用于輕載聯(lián)接中。
（3）楔鍵聯(lián)接。工作時(shí)，*鍵的楔緊作用來傳遞扭矩，同時(shí)還可承受單向的軸向載荷，對輪轂起到單向的軸向定位作用。它分為普通楔鍵及鉤頭楔鍵兩種。常用于一些低速、輕載和對傳動精度要求不高的聯(lián)接中。
（4）切向鍵。工作時(shí)，*工作面上的擠壓力和軸與輪轂間的摩擦力來傳遞扭矩。用一個(gè)切向鍵時(shí)，只能單間傳動；有反轉(zhuǎn)要求時(shí)，必須用兩個(gè)切向鍵，常用于重型機(jī)械、直徑較粗的軸等場合。
選用鍵4×18 GB/T1096-79
圖4.6 鍵
4.2.4 修整砂輪夾具和底座的設(shè)計(jì)及裝配
砂輪夾具的設(shè)計(jì)如下圖
圖4.7 修整輪夾具設(shè)計(jì)
圖4.8 修整輪夾具二維尺寸
載物臺的設(shè)計(jì)如下圖
圖4.9 載物臺三維結(jié)構(gòu)
圖4.10 載物臺二維尺寸
載物臺上有四個(gè)小通孔，用來與連桿用銷連接成轉(zhuǎn)動副。中間部分的大孔用來安裝兩個(gè)軸承，用來保證軸6的轉(zhuǎn)動
修整器夾具與電機(jī)用軸連接，軸與砂輪座的孔用鍵連接。如圖4.11。軸與砂輪座之間用軸承連接，如圖4.7。
圖4.11 砂輪夾具與軸的鍵連接
上述各零件的三維裝配圖如下
圖4.12 修整輪部分的裝配
4.3 絲桿螺母副軸承和聯(lián)軸器的選取
4.3.1聯(lián)軸器的選取
本測量裝置將電機(jī)軸與絲杠直接相連，減少了中間傳動環(huán)節(jié)，可提高測量裝置的精度。聯(lián)軸器是連接兩軸或軸和回轉(zhuǎn)件，在傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動過程中一同回轉(zhuǎn)而不脫開的一種裝置，在傳動過程中不改變轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)矩的大小，這是各類聯(lián)軸器的共性功能。聯(lián)軸器連接的兩軸，由于制造及安裝誤差，承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴(yán)格的對中，而是存在著某種程度的相對位移，相對位移的基本形式如圖4.13 所示：
圖4.13 被連接兩軸相對位移基本形式
圖4.13中，（1）表示兩軸平行但中心線不在同一直線上，這時(shí)產(chǎn)生的偏差稱為徑向偏差。（2）表示安裝時(shí)兩軸互成一個(gè)角度，這時(shí)產(chǎn)生的偏差稱為角向偏差。（3）表示由種偏差的組合，稱為復(fù)合偏差。
相對位移的存在，要求在設(shè)計(jì)聯(lián)軸器時(shí)，要從結(jié)構(gòu)上采取各種不同的措施，使之具有適應(yīng)一定范圍的相對位移的性能。根據(jù)對各種相對位移有無補(bǔ)償能力（即能否在發(fā)生相對位移條件下保持聯(lián)接的功能），聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器（無補(bǔ)償能力）和撓性聯(lián)軸器（有補(bǔ)償能力）兩大類。撓性聯(lián)軸器又可按是否具有彈性元件分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓性聯(lián)軸器兩個(gè)類別。撓性聯(lián)軸器因其具有撓性，故可在不同程度上補(bǔ)償兩軸間某種相對位移。撓性聯(lián)軸器品種多，用量大，是最常用的聯(lián)軸器。
十字滑塊聯(lián)軸器屬于撓性聯(lián)軸器。十字滑塊聯(lián)軸器由兩個(gè)在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)兩面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動，故可補(bǔ)償安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸間的相對位移。十字滑塊聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如圖4.14所示：
圖4.14 十字滑塊聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)
十字滑塊聯(lián)軸器適用于多種場合，如轉(zhuǎn)速計(jì)、編碼器、絲杠、機(jī)床、產(chǎn)業(yè)機(jī)械等。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、容易安裝、節(jié)省時(shí)間、尺寸范圍廣、轉(zhuǎn)動慣量小，便于目測檢查，可電氣絕緣等。半聯(lián)軸器和中間盤之間的滑動能容許大的徑向和角向偏差。
聯(lián)軸器的固定方式有如下幾種：
（1）定位螺絲固定：兩個(gè)定位螺絲間隔90°對所固定的軸進(jìn)行鎖緊，是一種傳統(tǒng)的固定方式。
（2）夾緊螺絲固定：利用內(nèi)六角螺栓擰緊的力量，使狹縫收縮，而將軸心緊緊夾持住。
（3）鍵槽型：這種類型與定位螺絲固定型一樣，是一種最傳統(tǒng)的固定方式，適合高扭矩的傳動，為防止軸向滑動，通常與定位螺絲固定型、夾緊螺絲固定型并用。
（4）復(fù)合固定方式：在聯(lián)軸器的固定中，采用兩種固定方式來進(jìn)行聯(lián)接固定稱為復(fù)合固定方式。
查閱《聯(lián)軸器設(shè)計(jì)選用手冊》，根據(jù)絲杠小端直徑選擇HL-12-06 型十字滑塊聯(lián)軸器，選用緊定螺釘固定方式。
4.3.2絲杠螺母副的選取
螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時(shí)傳遞運(yùn)動或動力。螺旋傳動根據(jù)螺紋副的摩擦情況，可以分為三類：滑動螺旋，滾動螺旋和靜壓螺旋[13]?；瑒勇菪龢?gòu)造簡單、加工方便、易于自鎖、但摩擦大、效率低（一般為30% ~ 40%）、磨損快，低速時(shí)可能爬行，定位精度和軸向剛度較差。靜壓螺旋實(shí)際上是采用靜壓流體潤滑的滑動螺旋。靜壓螺旋傳動效率可達(dá)99%，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要供油系統(tǒng)。滾珠絲杠傳動是滾動螺旋傳動的一種。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）傳動效率高。滾珠絲杠傳遞系統(tǒng)的效率高達(dá)90% ~ 98%，為傳統(tǒng)的滑動絲杠系統(tǒng)的2~4 倍，所以能以較小的轉(zhuǎn)矩獲得較大的推力。
（2）運(yùn)動平穩(wěn)。滾珠絲杠傳動系統(tǒng)為點(diǎn)接觸滾動運(yùn)動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動時(shí)無顫動、低速時(shí)無爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進(jìn)給。
（3）高精度。滾珠絲杠傳動系統(tǒng)中溫升較小，并可預(yù)緊消除軸向間隙和對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。
（4）高耐用性。鋼球滾動接觸處均經(jīng)硬化（HRC58~63）處理，并經(jīng)精密磨削，運(yùn)動過程屬純滾動，小隊(duì)磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。
（5）高可靠性。與其它傳動機(jī)械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進(jìn)行一般的潤滑和防塵，還可在許多特殊場合下工作。除此之外，目前很多廠家的滾珠絲杠產(chǎn)品已形成系列且規(guī)格齊全，方便選用。鑒于此，我選擇滾珠絲杠。
（2）絲杠螺母副的預(yù)緊
滾珠絲桿副的軸向間隙，是指在無負(fù)載情況下的原始軸向間隙，和在負(fù)載作用下
由于滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)的彈性變形，而引起螺母軸向位移量的總和。預(yù)緊是為了消除滾珠絲杠副的軸向間隙并提高其剛度，最終是為了達(dá)到定位精度的需要。預(yù)緊的方法有很多種，最普遍和常用的是雙螺母結(jié)構(gòu)，在兩個(gè)螺母之間配有墊片來達(dá)到預(yù)緊。雙螺母預(yù)緊方式如圖4.10 所示，在一根絲桿上裝兩個(gè)螺母，通過墊片對其施加一定的預(yù)緊力Fao，使?jié)L珠與滾道接觸處產(chǎn)生一定的預(yù)變形，這樣，滾珠絲桿副不論在哪一個(gè)方向承受軸向力，只要軸向力的大小在一定范圍內(nèi)，滾珠絲桿螺母副間都不會出現(xiàn)軸向間隙。還有一種預(yù)緊是在單螺母和絲杠間通過控制中徑，并調(diào)節(jié)增大鋼球直徑，而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊目的。四點(diǎn)接觸預(yù)緊方式如圖 4.16 所示。
圖4.15 雙螺母預(yù)緊
圖4.16 四點(diǎn)接觸預(yù)緊方式
本測量裝置選用雙螺母預(yù)緊方式。查優(yōu)勵聶夫滾珠絲杠尺寸標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)程4mm，底徑9.5mm 的絲杠，其額定動載荷Ca 為4380N。根據(jù)下面公式可計(jì)算預(yù)緊載荷Fao
Fao =ξCa （3-2） （4.8）
其中ζ為預(yù)緊系數(shù)，其值可查下表
載荷類型
輕載荷
中載荷
重載荷
ζ
0.05
0.07
0.1
表1 預(yù)緊系數(shù)表
本裝置中的絲杠承受輕載荷，故取ζ=0.05，則得預(yù)緊載荷
（4.9）
滾珠絲杠的支承方式主要有四種：
（1）兩端固定。這種支承方式適用于高轉(zhuǎn)速，高精度的情況
（2）一端固定，一端支承。適用于中等轉(zhuǎn)速，高精度的情況
（3）兩端支承。適用于中等轉(zhuǎn)速，中等精度的情況
（4）一端固定，一端自由。適用于低轉(zhuǎn)速，中精度，短軸絲杠
本文選擇兩端支承的方式。固定端具體結(jié)構(gòu)如圖4.17所示：
圖4.17 固定端結(jié)構(gòu)
圖中 1 是軸承座，2 是軸承，3 是壓蓋，4 是間隔環(huán)（共有兩個(gè)），5 是固定螺帽，6 是防松小螺栓（附銅墊片）。
4.3.3 絲杠的計(jì)算
絲杠主要用來傳遞運(yùn)動，通過電機(jī)帶動其旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)上固定架的水平移動。在實(shí)際修整時(shí)，上固定架的移動速度不高，所以絲杠的轉(zhuǎn)速也不高，而且由于是通過四根連桿相連，所以絲杠受到的平均載荷很小，經(jīng)過初步的估算，絲杠受到的載荷大概在幾十牛左右，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，考慮到安全因素，取100N進(jìn)行計(jì)算。
絲杠的相關(guān)計(jì)算如下：
（1）初始條件
螺桿材料為：50Mn 熱處理為：高、中頻加熱,表面淬火
螺母材料為：20CrMnTi 熱處理為：滲氮、淬火
擋球器材料為：40Cr 熱處理為：離子滲氮
螺紋滾道法面截形為：半圓弧
平均載荷為：100N
平均轉(zhuǎn)速為：450(r/min)
工作長度為：260mm
兩支承間最大距離為：50mm
軸向載荷與運(yùn)動方向?yàn)椋和?
使用壽命為：8000h
（2）載荷計(jì)算
載荷系數(shù)KF為：1.0
短行程系數(shù)KL為：1.00
硬度影響系數(shù)KH為：1.0
硬度影響系數(shù)KH‘為：1.0
動載荷Ca(計(jì)算值)為：600.2N
靜載荷Coa(計(jì)算值)為：100N
（3）壽命計(jì)算
額定動載荷為：13100N
額定靜載荷為：27400N
公稱直徑d0為：20mm
導(dǎo)程Ph為：6mm
螺紋升角ψ為：5°24′
鋼球直徑Dw為：3.969mm
圈數(shù)×列數(shù)為：2.5×1
計(jì)算所得動載荷的值：
計(jì)算所得靜載荷的值：
（4）螺旋副幾何尺寸
螺紋滾道曲率半徑為：2.064～2.183mm
偏心距為：0.056～0.14mm
螺桿大徑為：19.008～19.206mm 取19.1
螺桿小徑為：15.984～15.915mm 取15.95
螺桿接觸點(diǎn)直徑為：17.915mm
螺桿牙頂圓角半徑為：0～0mm
螺母螺紋大徑為：24.016～24.085mm 取24.05
螺母螺紋小徑為：20.794～20.992mm 取20.80
（5）計(jì)算驅(qū)動轉(zhuǎn)矩
驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為：-912.99(N*mm)
（6）軸向彈性變形量
載荷分布不均系數(shù)Kz為：1.25
軸向彈性變形量為：0.00117mm
（7）螺桿系統(tǒng)的剛性
螺桿材料彈性模量E為：207000
螺桿材料切變模量G為：83000
兩端固定的長度系數(shù)μ為：0.5
螺桿系統(tǒng)的剛性為：87340.087(N/mm)
（8）螺桿的強(qiáng)度
螺桿當(dāng)量應(yīng)力為：1.999Mpa
（9）螺桿的穩(wěn)定性
螺桿臨界載荷為：79496.393N
（10）橫向振動
兩端固定的系數(shù)μ1為：4.730
螺桿臨界轉(zhuǎn)速為：1759486.695(r/min)
（11）計(jì)算效率
效率為：1.334
根據(jù)計(jì)算的尺寸我們選取絲杠的型號：GB/T8541
設(shè)計(jì)的絲杠如下所示：
圖4.18 絲杠
在圖示該絲杠的兩端還相應(yīng)的延長出一段軸來，左端部分用于通過聯(lián)軸器和電機(jī)相連，右端通過軸承和底座的機(jī)構(gòu)相連，這樣起到固定了絲杠的作用。
4.3.4 軸承的選取
與滑動軸承比較，滾動軸承有下列優(yōu)點(diǎn)：
（1）摩擦系數(shù)小，啟動力矩小，效率高（與混合潤滑滑動軸承比較）。
（2）徑向游隙小，還可用預(yù)緊方法消除游隙，因此運(yùn)轉(zhuǎn)精度高。
（3）軸向尺寸（寬度）較小，可使機(jī)器的軸向尺寸緊湊。
（4）某些滾動軸承能同時(shí)承受徑向與軸向載荷，因此可使機(jī)器結(jié)構(gòu)簡化，緊湊。
（5）潤滑簡單，耗油量少，便于密封，易于維護(hù)。
（6）為標(biāo)準(zhǔn)件，互換性好，易于選用與更換，且成本較低。
滾動軸承廣泛應(yīng)用于中速，中載和一般工作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備中。儀器精密軸承多為微型深溝球軸承。本測量裝置要求精度較高，且所用軸承主要承受徑向載荷，故選用深溝球軸承。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，根據(jù)GB/T276-94，選擇內(nèi)徑為12 的6001型深溝球軸承，軸承代號為36101。
4.4 機(jī)構(gòu)底座部分的設(shè)計(jì)
4.4.1 滑槽和滑塊的選取
兩個(gè)滑塊通過導(dǎo)軌與底板相連，同時(shí)用四根連桿與載物臺相連。其主要作用就是通過絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動實(shí)現(xiàn)其水平方向的移動，同時(shí)通過連桿帶動載物臺的平面運(yùn)動。
絲杠螺母副中螺母（即滑塊）的移動需要導(dǎo)軌的導(dǎo)向，下面我們來了解并選擇滑槽。
導(dǎo)軌主要是用來保證各運(yùn)動部件的相對位置和和相對運(yùn)動精度，以及用來承受載荷（包括工作臺、滑板部件的重量）[14]。依定位原理，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須限制運(yùn)動件的5 個(gè)自由度，而僅保留其按規(guī)定方向移動的自由度[15]。對導(dǎo)軌的基本要求為：
方向精度——運(yùn)動件沿規(guī)定方向做直線運(yùn)動的準(zhǔn)確程度，它取決于導(dǎo)軌本身的直線度；
運(yùn)動的靈便型和平穩(wěn)性——主要取決于導(dǎo)軌中的摩擦力和導(dǎo)軌表面的幾何形狀誤差；
對溫度變化的不敏感性——當(dāng)溫度變化時(shí)導(dǎo)軌仍能正常工作，即不“卡死”又不晃動；
耐磨性——導(dǎo)軌在長時(shí)間使用后不降低精度。它主要取決于相配材料、導(dǎo)軌表面粗糙度及表面硬化；
結(jié)構(gòu)工藝性——導(dǎo)軌應(yīng)在保證儀器工作性能的條件下，結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、裝修簡易、造價(jià)低。
按摩擦性質(zhì)分，導(dǎo)軌可分為滑動摩擦導(dǎo)軌、滾動摩擦導(dǎo)軌和彈性摩擦導(dǎo)軌。滑動導(dǎo)軌是支承件和運(yùn)動件直接接觸的導(dǎo)軌，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造容易且接觸剛度大。缺點(diǎn)是摩擦阻力大，磨損快?；瑒幽Σ翆?dǎo)軌按承導(dǎo)面形狀可分為兩類：圓柱面滑動摩擦導(dǎo)軌和棱柱面滑動摩擦導(dǎo)軌。圓柱面滑動摩擦導(dǎo)軌的承導(dǎo)面是圓柱面。這里我們選用滑動導(dǎo)軌。
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查表可知，選用滑動導(dǎo)軌里面的三角形導(dǎo)軌，國標(biāo)尺寸如下圖：
圖4.19 三角形導(dǎo)軌尺寸
選取b=2mm，B=20mm，角度α=90°
同時(shí)為了保證滑動時(shí)不出現(xiàn)誤差，采用雙側(cè)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的機(jī)構(gòu)圖如下：
圖4.20 導(dǎo)軌三維圖
圖4.21 導(dǎo)軌具體尺寸
導(dǎo)軌的尺寸確定后，上固定架的相應(yīng)的尺寸也就能夠知道，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如下：
圖4.22 滑塊三維圖
圖4.23 滑塊具體尺寸
該零件中，下面的兩個(gè)小孔用于連接連桿，且下面溝槽的高度保證了連桿在旋轉(zhuǎn)時(shí)不會該零件發(fā)生干涉。中心孔為一螺紋孔（圖中未顯示），而且該孔與上平板上四個(gè)軸承座的孔同心，用于通過絲杠，使絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為該零件的水平移動。兩個(gè)滑槽的尺寸是根據(jù)導(dǎo)軌的尺寸設(shè)計(jì)，與導(dǎo)軌相互配合，實(shí)現(xiàn)其在導(dǎo)軌上的滑動。
4.4.2 底座部分的其他零件設(shè)計(jì)
砂輪修整器的底板是該機(jī)構(gòu)中最大的部件，該平板主要負(fù)責(zé)裝夾導(dǎo)軌、滑塊、絲杠、絲杠電機(jī)、減速裝置。同時(shí)，若將該修整器裝配到機(jī)床上，也主要是通過上平板與機(jī)床相連接來固定和確定位置。而且在上固定架的水平移動時(shí)，還要確保不會出現(xiàn)運(yùn)動死點(diǎn)。所以在設(shè)計(jì)該平板時(shí)，要綜合考慮以上幾種因素?，F(xiàn)設(shè)計(jì)如下：
圖4.24 底板三維圖
圖4.25 底板尺寸
在圖示的機(jī)構(gòu)中，上平板兩端突出的部分打有螺紋孔，通過螺栓連接來固定絲杠電機(jī)；下方有四個(gè)軸承座，四個(gè)孔尺寸相同且中心線重合；中間兩個(gè)軸承座的尺寸都相同，但比兩端的略小，因?yàn)樵谘b夾導(dǎo)軌時(shí)，導(dǎo)軌的地面與兩端軸承座的內(nèi)面相接觸，側(cè)面與中間軸承座的側(cè)面相接觸，以此來起到固定導(dǎo)軌的作用。同時(shí)，中間兩個(gè)軸承座的距離比底桿兩中間孔的距離要大，這樣就保證了兩個(gè)上固定架同時(shí)向中間運(yùn)動時(shí)不會出現(xiàn)運(yùn)動四點(diǎn)的情況。大小軸承座之間的距離則是根據(jù)修整砂輪的運(yùn)動空間范圍計(jì)算得出，同時(shí)又考慮到了連桿的尺寸，這樣既能保證了修整砂輪的工作范圍，又不會出現(xiàn)死點(diǎn)的情況。
圖4.26 連桿
圖4.27連桿尺寸
連桿的與滑塊和載物臺之間的連接時(shí)利用銷來實(shí)現(xiàn)的，連桿上的兩個(gè)孔與銷過盈配合。
底座部分的三維組裝圖如下所示
圖4.28底座部分的三維結(jié)構(gòu)
4.5 砂輪修整器的三維總裝圖
砂輪修整器的整體結(jié)構(gòu)如下所示：
圖