Y3150E型滾齒機(jī)的PLC改造設(shè)計(jì)【說明書+CAD】,說明書+CAD,Y3150E型滾齒機(jī)的PLC改造設(shè)計(jì)【說明書+CAD】,y3150e,型滾齒機(jī),plc,改造,設(shè)計(jì),說明書,仿單,cad 旋轉(zhuǎn)彎曲軸承的微加工 H.P.Luo, B.Zhang, Z.X.Zhou 湖南大學(xué)，湖南，中國 美國康涅狄格大學(xué)，CT，美國 摘要 本研究方案提出了一種新型的以研究旋轉(zhuǎn)彎曲軸承為基礎(chǔ)的彈性彎曲的設(shè)計(jì)方法。軸承在一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)振蕩周期里具有潛在的高重復(fù)性流暢的運(yùn)動(dòng)、無機(jī)械磨損、無需潤滑、沒有間隙或接口、無需維護(hù)的特點(diǎn)。除了其緊湊的特點(diǎn)外，該研究還從其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和彎曲軸承的基本工作原則對(duì)軸承的各個(gè)方面，包括材料的選擇、應(yīng)力分析和計(jì)算（如非線性有限元分析、靜態(tài)和疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)）、運(yùn)動(dòng)誤差分析、誤差減少方案、參數(shù)化設(shè)計(jì)等提供了設(shè)計(jì)分析。 關(guān)鍵詞：主軸、有限元方法、旋轉(zhuǎn)彎曲軸承。 1. 緒論 特征尺寸小的工業(yè)產(chǎn)品正變得更為重要。這些產(chǎn)品分布在許多行業(yè)，包括機(jī)床、汽車、醫(yī)藥、電子、光學(xué)、制藥和通信。這些可以是微型機(jī)器（M-機(jī)器）或微型設(shè)備（M-設(shè)備），它們通常具有體積小、重量輕、高能量轉(zhuǎn)換效率和低能耗消耗、快速響應(yīng)、高可靠性、低成本、高集成度、高智力水平的特點(diǎn)。典型的例子有M機(jī)床、M機(jī)器人、M飛機(jī)、M潛艇、M、M醫(yī)療設(shè)備、M衛(wèi)星、M齒輪、M泵、M閥、M傳感器和M驅(qū)動(dòng)器。大部分微型機(jī)械設(shè)備都具有的一個(gè)共同特點(diǎn)是：其結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，往往是三維的而它們的尺寸也越來越小，這對(duì)它們的生產(chǎn)問題是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的MEMS和LIGA技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在2-D和2.5-D的微型制造中，然而，它們不能提供3-D的微型制造能力，因此一個(gè)重要的和富有挑戰(zhàn)性的研究課題是能夠用3-D的微型制造技術(shù)把微型機(jī)器設(shè)計(jì)或微型設(shè)備達(dá)到納米級(jí)精度的水平。 這項(xiàng)研究提出了一種新穎的旋轉(zhuǎn)彎曲軸承能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)速/振蕩運(yùn)動(dòng)精度的設(shè)計(jì)方法。這軸承是針對(duì)微型制造精密計(jì)量的使用，如M-EDM、M-ECM、超聲波M-加工、激光M-加工、三坐標(biāo)測量機(jī)。軸承的設(shè)計(jì)是以彎曲機(jī)制為原則的，通過彈性變形的彈性彎曲實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期的旋轉(zhuǎn)/小值振蕩運(yùn)動(dòng)。 2. 擬議的旋轉(zhuǎn)彎曲軸承 圖1顯示了一個(gè)旋轉(zhuǎn)彎曲軸承示意圖，它有三個(gè)軸承部分并配置了一個(gè)微型的主軸單元。軸承有內(nèi)部和外部的軸承籠，軸承軸耦合連接到一個(gè)微型的伺服電機(jī)（外部電源）。軸承引導(dǎo)軸承軸旋轉(zhuǎn)/小值振蕩運(yùn)動(dòng)期望獲得非常高的準(zhǔn)確性。整個(gè)設(shè)計(jì)的尺寸緊湊，沒有任何冗余。利用耦合可以最大限度地減少錯(cuò)誤扭矩的傳輸并避免造成軸承軸和伺服電機(jī)軸之間的可能不對(duì)稱以及振蕩或伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)誤差，這樣一來軸承的旋轉(zhuǎn)/小值振蕩的精度都能夠得以保證。 2.1 一般的設(shè)計(jì)方法 軸承必須滿足以下的要求： 1. 應(yīng)該能夠完成一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)/振蕩運(yùn)動(dòng)周期； 2. 必須具有足夠的強(qiáng)度和較長時(shí)間的疲勞壽命； 3. 具備納米級(jí)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)精度的水平或更好； 4. 結(jié)構(gòu)緊湊，以適應(yīng)各種微型機(jī)器或設(shè)備的有限空間。 在擬議的設(shè)計(jì)中，內(nèi)部和外部的軸承籠嵌套連接在一端（圖1左端）。 圖1 微型主軸軸承配置的示意圖 雖然軸承可以作為一個(gè)單一的沒有任何接縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擬議的兩片設(shè)計(jì)純粹是基于制造角度考慮的，因?yàn)閱纹脑O(shè)計(jì)制造是極其困難的。在圓周方向，軸對(duì)稱安排在內(nèi)部和外部的籠子里軸承的彈性彎曲是靈活的，但在其他方向就會(huì)變得比較僵硬?？梢缘玫?60°（一個(gè)完整的周期）或者更大的旋轉(zhuǎn)/振蕩運(yùn)動(dòng)，如果取一個(gè)較大的角位移（如＞360°）則需要添加更多軸承部分的設(shè)計(jì)，但這樣會(huì)使軸承更長剛性變差。否則，軸承具有緊湊的結(jié)果和相對(duì)較高的剛性強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。 應(yīng)當(dāng)指出，從理論上說軸承應(yīng)無運(yùn)動(dòng)誤差。實(shí)際上，運(yùn)動(dòng)誤差會(huì)因?yàn)檩S承制造和裝配過程中所涉及的各種誤差而產(chǎn)生，它也可因軸承的材料缺陷而引起。因此因根據(jù)以下考慮軸承的設(shè)計(jì)： 2.1.1使用直彎曲軸承 相比其他類型的彎曲軸承，直彎曲軸承具有一定的優(yōu)勢，例如它的彎曲應(yīng)力分布在整個(gè)彎曲軸承中而不是遵守集中在一定壓力條件下。直彎曲軸承能夠有效的抑制應(yīng)力集中，同時(shí)這反過來又提供了更多的在材料疲勞極限的合規(guī)性和更長的疲勞壽命。此外，直彎曲軸承厚度小，但在旋轉(zhuǎn)方向和其他方向剛度較高時(shí)具有更大的靈活性。 2.1.2使用對(duì)稱軸承 在減少或消除軸承誤差上對(duì)稱設(shè)計(jì)是一個(gè)非常有效的設(shè)計(jì)手段。在本設(shè)計(jì)中，相同的彈性彎曲軸對(duì)稱排列并均勻分布在軸承上，這樣將有助于抑制徑向、軸向和傾斜方向的運(yùn)動(dòng)誤差周長。同時(shí)，這種軸承對(duì)工作環(huán)境的溫度的上升是不敏感的，這是因?yàn)橛捎跓崤蛎浾`差傾向于相互抵消。此外，軸對(duì)稱設(shè)計(jì)在很大程度上簡化了軸承的制造，它也有利于提供因制造工藝的誤差而導(dǎo)致幾何誤差的補(bǔ)償，這也有助于提高軸承的整體性能。 2.1.3偶數(shù)特性的彈性彎曲 事實(shí)上完美的軸對(duì)稱彈性彎曲是不切實(shí)際的，由于在制造和裝備過程期間存在抗彎承載力的幾何誤差。對(duì)稱分布的彈性彎曲中的任何誤差都可能會(huì)導(dǎo)致軸承的運(yùn)動(dòng)誤差。為了盡量減少在制造和裝配過程中的幾何誤差，一個(gè)很好的方法是使用偶數(shù)在軸承的彈性彎曲設(shè)計(jì)中。利用機(jī)器的彈性彎曲而采用電火花加工（線切割機(jī)床），例如兩個(gè)對(duì)立的彎曲可以同時(shí)削減，同時(shí)加工兩個(gè)對(duì)立的彎曲軸承，不僅最大限度地減少了兩者之間的彎曲幾何差異，但也放寬了對(duì)整個(gè)軸承的加工公差。 圖2 軸承的縮頸現(xiàn)象 2.1.4 多個(gè)系列的復(fù)合軸承部分 一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)周期，軸承至少需要360°角位移。因此這不可能是一個(gè)單節(jié)軸承實(shí)現(xiàn)一個(gè)這樣打的撓度，這是因?yàn)橐粋€(gè)單一的軸承部分撓度可能會(huì)隨著彈性彎曲的壓力而增大，這會(huì)造成永久性的塑性變形甚至斷裂。也可能導(dǎo)致超過偏轉(zhuǎn)所謂的“縮頸”和“交叉干擾”的現(xiàn)象，如圖2所示。為了獲得一個(gè)大的振蕩范圍如果有這樣的問題的話應(yīng)使用多個(gè)系列的復(fù)合軸承設(shè)計(jì)。 2.1.5 軸承籠嵌套設(shè)計(jì) 軸承采用圓周方向的彎曲變形以實(shí)現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如果受到扭矩軸承部分不得不減少其長度。長度的減少直接導(dǎo)致軸向運(yùn)動(dòng)誤差，為了減小或消除這種誤差建議采用軸承籠嵌套設(shè)計(jì)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，內(nèi)部的軸承保持架插入類似長的外軸承籠中并連接到外部的軸承保持架一端。當(dāng)它受到外部扭矩時(shí)，如果外軸承籠的另一端是固定的，則自由端（圖3右側(cè)端）內(nèi)的軸承保持架將很少甚至沒有軸向運(yùn)動(dòng)誤差。這是因?yàn)檩S向誤差能有效地補(bǔ)償外軸承籠內(nèi)的軸承保持架的運(yùn)動(dòng)誤差。 在嵌套和軸對(duì)稱設(shè)計(jì)中，由于軸承材料的熱膨脹可以有效的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)誤差，這是因?yàn)槿绻S承的溫度場均勻膨脹其內(nèi)部和外部的軸承籠將有一個(gè)在徑向和軸向方向暴露。此外，嵌套設(shè)計(jì)不僅有效提高了軸承的振蕩區(qū)間，也降低了其整體尺寸使結(jié)構(gòu)更為緊湊。 2.1.6 邊角圓角 在連接軸承部分的彈性彎曲的邊角圓角應(yīng)妥善設(shè)計(jì)，一盡量減少應(yīng)力集中從而提高軸承的疲勞壽命。出了上述考慮外，軸承的設(shè)計(jì)還包括材料的選擇；強(qiáng)度分析和計(jì)算（靜態(tài)和疲勞因素）；分析和減少徑向、軸向和傾斜方向的運(yùn)動(dòng)誤差；剛度分析和計(jì)算等。 2.2 材料的選擇 由于軸承實(shí)現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)/振蕩運(yùn)動(dòng)是根據(jù)其圓周排列的彈性彎曲變形，這是受到循環(huán)應(yīng)力條件限制的。在選擇軸承材料時(shí)，疲勞強(qiáng)度和靈活性是首要考慮的。軸承的尺寸必須緊湊，以盡量減少引力的作用和以滿足M機(jī)器和M設(shè)備的應(yīng)用要求。材料的選擇都應(yīng)考慮以下的情況： 1. 高的靜態(tài)強(qiáng)度。為了實(shí)現(xiàn)軸承的彈性彎曲變形最大，軸承材料應(yīng)有一個(gè)大的彈性模量，屈服強(qiáng)度比盡可能大，這被認(rèn)為是對(duì)材料最重要的要求。 2. 材料密度低。軸承材料的密度應(yīng)該盡可能低，以盡量減少偏轉(zhuǎn)引力能使軸承軸彎曲，從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)誤差。 3. 高的彈性模量。有一個(gè)良好的動(dòng)態(tài)性能，軸承必須具有高彈性模量和低質(zhì)量密度相結(jié)合。 4. 良好的可加工性。軸承材料必須易于加工，加工軸承應(yīng)具備良好的表面光潔度、表面完整性和三維精度。 圖3 嵌套的內(nèi)部和外部的籠設(shè)計(jì)，有效降低軸承的軸向誤差 5. 疲勞強(qiáng)度高。疲勞強(qiáng)度高，容許軸承在一個(gè)循環(huán)加載條件下具有長的軸承壽命。 6. 具有長期的穩(wěn)定性。材料應(yīng)該能在各種環(huán)境條件下有一個(gè)長期穩(wěn)定的狀態(tài)，包括在腐蝕性和高溫環(huán)境下它不應(yīng)該有老化和蠕變問題。 基于上述在選材以及材料靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能上的考慮，下面全面的介紹選材參數(shù)。 （1） 在式（1）中a1和a2是選材的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)；A1和A2是各自的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)加權(quán)因子；E和是材料的彈性模量和質(zhì)量密度，綜合參數(shù)計(jì)算值為2400pa/（kg/）。與鈦合金TI-6AL-4V相比，鈹銅為1199，彈簧鋼為370。 在選定的軸承材料中，鈦合金是最具有全面的參數(shù)和耐力極限（與700Mpa的鈦合金相比，鈹銅、彈簧鋼分別為321和490）。此外，這種材料能達(dá)到很到的表面光潔度和尺寸精度，應(yīng)當(dāng)使用電火花的方法加工。鈦合金還具有優(yōu)良的耐腐蝕性，這甚至比不銹鋼還好。因此，基于上述考慮鈦合金被認(rèn)定為最好的軸承材料選擇。 應(yīng)當(dāng)指出，雖然這種鈦合金是一種綜合性能的材料，但是它具有敏感的表面缺陷和應(yīng)力集中（疲勞缺口敏感性或應(yīng)力集中敏感性）。出于這個(gè)原因，在軸承制造過程中，彈性彎曲軸承加工表面粗糙度應(yīng)小于Ra2.5微米，邊緣光滑并沒有尖銳的缺口或坑。 2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算 受力分析是軸承優(yōu)先考慮的。軸承不能在其循環(huán)旋轉(zhuǎn)/振蕩過程中出現(xiàn)斷裂，受力分析需要在軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算。 在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)用有限元法（FEM）用在各自的內(nèi)部和外部的軸承籠進(jìn)行分析，軸承籠是由單軸承串行連接形成籠。這樣工作中的有限元計(jì)算的計(jì)算量會(huì)顯著的降低，而不是整個(gè)軸承的計(jì)算。圖4顯示了一個(gè)單獨(dú)的軸承承受順時(shí)針和逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)。在這樣的有限元分析過程中獲得內(nèi)部軸承部分的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力點(diǎn)。當(dāng)軸承承受扭矩后會(huì)發(fā)生彈性彎曲的變形，由于合并后的彎曲和扭矩的影響軸承會(huì)發(fā)生變形。由于徑向的彈性彎曲局限在連接部分，分布在圓周方向的軸承保持架上，它們受到不停的旋轉(zhuǎn)或扭曲而承受張緊力、剪切力和彎曲力，因此受到三個(gè)方向的應(yīng)力狀態(tài)。 圖4 受到順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的軸承部分 2.4非線性有限元分析 由于彎曲軸承在工作過程中會(huì)發(fā)生較大的變形，在良好的彈性限度內(nèi)即使實(shí)際壓力很小也可能產(chǎn)生幾何非線性問題。在這項(xiàng)研究中，使用ANSYS9.0通過對(duì)軸承的有限元計(jì)算，在計(jì)算中使用位移（在這項(xiàng)研究中主要是角位移）加載方法。對(duì)非線性變形問題，使用位移加載方法通常能夠加快計(jì)算速度。 2.5軸向誤差的分析和最小化 彎曲軸承的軸向誤差來自兩個(gè)不同的來源。第一，也是最主要的軸向誤差來源是由于軸承的彈性運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軸承給出了一個(gè)角位移它的長度會(huì)減少，由于整個(gè)軸承的角位移，內(nèi)外軸套會(huì)有各自的長度減少。雖然兩個(gè)軸套的長度減少彼此相抵消，但因?yàn)檩S承的耦合效應(yīng)，如果兩者不抵消為零的話會(huì)發(fā)生軸向誤差運(yùn)動(dòng)。幸運(yùn)的是，這樣的軸向誤差運(yùn)動(dòng)的減少或可以通過精心設(shè)計(jì)內(nèi)部和外部的軸承套來達(dá)到目的，這樣可以使軸承套在外部負(fù)載條件下長度減少的相同甚至消除。 第二，輕微的軸向傾斜誤差運(yùn)動(dòng)也是軸向誤差的一個(gè)源頭。任何誤差的傾斜運(yùn)動(dòng)，如果放到軸的軸承中都會(huì)使它有軸向的誤差運(yùn)動(dòng)，但這種影響是次要的可以忽略不計(jì)。圖5顯示了一個(gè)嵌套單一的內(nèi)/外軸承部分受到外部轉(zhuǎn)矩條件的軸向誤差運(yùn)動(dòng)的有限元分析結(jié)果。由于幾何非線性現(xiàn)象，軸向誤差運(yùn)動(dòng)是非現(xiàn)性施加的扭矩產(chǎn)生的。 2.6疲勞分析和設(shè)計(jì) 因?yàn)槭艿窖h(huán)應(yīng)力，因此為了軸承有一個(gè)較長的壽命必須在設(shè)計(jì)階段考慮軸承的疲勞問題。軸承材料為鈦合金，其S-N曲線不應(yīng)該超出該材料循環(huán)加載條件下的耐力極限。設(shè)計(jì)中使用的疲勞安全系數(shù)超過了允許的疲勞安全系數(shù)，這樣可以獲得較大的材料疲勞極限。 軸承的應(yīng)力水平是與角位移成正比的，當(dāng)軸承的應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，其角位移也達(dá)到最大。在單軸、恒定振幅和非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力條件下，軸承的彈性彎曲承 圖5 嵌套單一內(nèi)/外的軸承部分受到外部轉(zhuǎn)矩條件的軸向誤差運(yùn)動(dòng) 圖6旋轉(zhuǎn)彎曲軸承的裝配 受非對(duì)稱循環(huán)三軸復(fù)雜的應(yīng)力。其疲勞安全系數(shù)表示為： （2） 在公式（2）中被稱為平均應(yīng)力的影響因素，它與循環(huán)應(yīng)力、材料特性、應(yīng)力集中系數(shù)和材料的熱處理方法有關(guān)。它也可以得到材料的脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限的方程為： （3） 在公式（3）中表示對(duì)稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度系數(shù)。必須指出的是它受如軸承的軸承套子、材料缺陷和材料的熱處理?xiàng)l件、環(huán)境和負(fù)載條件下的三維表面的完整性和準(zhǔn)確性多種因素的影響。當(dāng)軸承的疲勞強(qiáng)度等于或超過了允許的疲勞安全系數(shù)時(shí)，軸承具有較長的軸承壽命，其疲勞安全系數(shù)是。 值得注意的是，使用的軸承材料的疲勞極限理論上是可以允許設(shè)計(jì)無限壽命的軸承。但實(shí)際上，由于一些原因軸承的壽命可能會(huì)受到限制。例如包括軸承材料的疲勞強(qiáng)度可能不完全由循環(huán)應(yīng)力來確定其它的因素，如應(yīng)力狀態(tài)、軸承加工和加工后的條件以及軸承的應(yīng)用環(huán)境，都可能會(huì)帶來不確定的因素而影響軸承的壽命。此外，軸承材料的疲勞極限通常是通過THES-N測試獲得的，這是典型的單向軸向載荷條件下進(jìn)行的，但在三軸軸向載荷條件下，S-N曲線的疲勞極限會(huì)有所不同。在這樣的考慮下更好的方法來確定軸承的使用壽命應(yīng)該是在實(shí)際符合條件下對(duì)軸承進(jìn)行實(shí)際的測試。 相比無限壽命的軸承設(shè)計(jì)，軸承被設(shè)計(jì)為不一定有頻繁的周期性振蕩應(yīng)用程序的有限生命的軸承。在設(shè)計(jì)中使用耐力極限更高的材料，這可以獲得更緊湊和更好精度的軸承設(shè)計(jì)。 3 原型設(shè)計(jì) 絲線切割機(jī)床用于制造軸承，在制造過程中發(fā)現(xiàn)軸承彎曲撓度的產(chǎn)生往往是由于加工應(yīng)力、加工產(chǎn)生的熱量和火花引起的振蕩而產(chǎn)生的。為了盡量減少在加工過程中的彎曲變形，應(yīng)進(jìn)行專用夾具的設(shè)計(jì)和制造。與通用夾具相比，專用夾具工件受純拉伸力是可調(diào)的。圖6顯示了軸承的裝配，它由內(nèi)/外網(wǎng)籠、軸承軸、耦合伺服電機(jī)軸承。根據(jù)測量結(jié)果，可獲得長超過150米、厚5毫米尺寸精度的彎曲軸承。此外可獲得整個(gè)軸承彎曲小于3毫米的變化，并使得對(duì)立雙方彎曲軸承的表面粗糙度Ra小于0.3毫米。 雖然軸承的設(shè)計(jì)、制造和裝配都已經(jīng)做好了，但其性能的實(shí)驗(yàn)尚在進(jìn)行。在性能測試中，軸承的徑向、軸向和傾斜方向的誤差運(yùn)動(dòng)將被確定。測試結(jié)果將在不久的將來發(fā)表出來。 4總結(jié)和對(duì)未來的期望 旋轉(zhuǎn)彎曲軸承已被設(shè)計(jì)和制造，軸承有望實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用程序中的高精度的旋轉(zhuǎn)/振蕩運(yùn)動(dòng)的微型制造。表現(xiàn)軸承的特征是一個(gè)相當(dāng)艱巨的任務(wù)，今后的工作是表現(xiàn)軸承運(yùn)動(dòng)精度的條件，如軸承的徑向、軸向和傾斜誤差的運(yùn)動(dòng)、疲勞壽命等?；谶@些特征數(shù)據(jù)，軸承的設(shè)計(jì)將在工業(yè)應(yīng)用中得到很大的改善。 參考文獻(xiàn) [1] Alting L, Kimura F, Hansen H-N, Bissacco G (2003) Micro Engineering.Annals of the CIRP 52(2):635–657. 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