壓縮包內含有 CAD 圖紙和說明書 咨詢 Q 197216396 或 11970985 壓縮包內含有 CAD 圖紙和說明書 咨詢 Q 197216396 或 11970985 畢業(yè)設計說明書 論文 作 者 學 號 系 專 業(yè) 題 目 絲杠測量儀工作臺的結構設計 指導者 姓 名 專業(yè)技術職務 評閱者 姓 名 專業(yè)技術職務 年 月 壓縮包內含有 CAD 圖紙和說明書 咨詢 Q 197216396 或 11970985 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 中 文 摘 要 本文簡要介紹了絲杠測量儀工作臺的研究概況以及發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢 并以 絲杠測量儀工作臺的結構設計為題 主要進行絲 杠 測 量 儀 工作臺及測量架的結 構 設 計 和計算 本次設計過程中首先 通過對滾珠絲杠副結構及原理進行分析 在此分析基 礎上提出了絲杠測量儀工作臺的總體結構方案 然后 對各主要零部件進行了設 計與校核 最后 通過 AutoCAD 制圖軟件繪制了其裝配圖及主要零部件圖 通過構思機構運動方式和傳動結構布局 并對零部件采用 AutoCAD 進行繪制 等環(huán)節(jié) 培養(yǎng)了我的設計 計算 制圖能力 通過比較完整系統(tǒng)的設計過程 以 提高我的獨立分析與解決工程實際問題的能力 關鍵詞 絲杠測量儀 滾珠絲杠 工作臺 測量架 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 論 文 外 文 摘 要 Title The Structural Design of Screw Gauge Table Abstract This paper describes the research before screw gauge table and the status and trends of and screw gauge table design in the title the main structural design screw gauge table and measurement and calculation of frame The design process first through the analysis of ball screw structure and principle on the basis of this analysis the overall structure of the program proposed screw gauge table then for each of the main components were designed and Verification Finally AutoCAD drawing software to draw their main components and assembly drawings FIG By way of the idea of body movement and transmission structure and layout and the use of AutoCAD drawing parts and other sectors cultivated my design computing graphics capability through a more complete system design process to improve my independent analysis and solving engineering capacity issues Keywords Screw gauges Ball Table Goniometer I 目 錄 1 緒 論 1 1 1 研究背景及意義 1 1 2 滾珠絲杠螺母副介紹 1 1 3 滾珠絲杠的特點及應用 2 1 3 1 滾珠絲杠副的特點 2 1 3 2 滾珠絲杠副的應用范圍 2 1 4 國內外滾珠絲杠的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 3 1 4 1 國內研究現(xiàn)狀 3 1 4 2 國外研究現(xiàn)狀 4 2 總體方案設計 5 2 1 設計要求 5 2 2 方案選擇 5 2 2 1 測量方法選擇 5 2 2 2 總體結構方案 6 2 3 總體方案確定 8 3 總體參數(shù)計算與選擇 9 3 1 橫向移動電動機的選擇 9 3 1 1 選擇電動機的類型 9 3 1 2 選擇電動機的功率 9 3 1 3 選擇電動機的轉速 11 3 2 縱向步進電機的選擇 12 3 3 運動和動力參數(shù)計算 13 3 3 1 傳動比計算 13 3 3 2 各軸的轉速 13 3 3 3 各軸的輸入功率 14 3 3 4 各軸的輸入轉矩 14 4 主要零部件的設計 15 4 1 渦輪蝸桿傳動的設計 15 4 1 1 選擇蝸桿傳動類型 15 4 1 2 選擇材料 15 4 1 3 按齒面接觸疲勞強度進行設計 15 4 1 4 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 16 II 4 1 5 校核彎曲疲勞強度 17 4 2 軸的設計計算 17 4 2 1 軸的材料的選擇 18 4 2 2 軸的結構尺寸設計 18 4 2 3 軸的校核計算 以軸 為例 20 4 3 軸承的選擇與校核 21 4 4 鍵的選擇與校核 21 4 5 聯(lián)軸器的選用 22 4 6 傳動滾珠絲桿的選定 22 4 6 1 滾珠絲杠型號確定 22 4 6 2 滾珠絲杠穩(wěn)定性驗算 23 4 6 3 滾珠絲杠剛度驗算 24 4 6 4 滾珠絲杠效率驗算 25 4 7 導軌的選型與計算 25 4 7 1 導軌的選型 25 4 7 2 直線滾動導軌副的計算 選擇 26 4 8 其他結構設計 28 4 8 1 底座設計 28 4 8 2 測量支架設計 29 4 8 3 平臺設計 29 4 8 4 夾緊裝置設計 30 結 論 31 參考文獻 32 致 謝 33 絲杠測量儀工作臺的結構設計 1 1 緒 論 1 1 研究背景及意義 由于滾珠絲杠副具有高效率 高精度 高剛度等特點 被廣泛應用于機械 航 空 核工業(yè)等領域 現(xiàn)在 滾珠絲杠副已成為機械傳動與定位的首選部件 隨著機 械產品向高速 高效 自動化方向發(fā)展 對滾珠絲杠副的要求也越來越多 普通規(guī) 格的滾珠絲杠副已經遠遠滿足不了使用要求 工業(yè)機器人 加工中心及機電一體化 自動機械的出現(xiàn) 使其進給驅動速度不斷提高 但是大導程滾珠絲杠副的出現(xiàn) 滿 足了高速驅動的要求 3 長期以來 我國過于追求對滾珠絲杠副精度的研究 而在滾珠絲杠副綜合性能 的研究上相對滯后 致使產品在性能上與國際先進水平存在較大的差距 這也是制 約我國數(shù)控機床向更高檔次發(fā)展的主要原因之一 本課題主要進行絲杠測量儀工作臺及測量架的結構設計和計算 要求結構緊湊 可靠 以提高絲杠測量儀工作臺及測量架系統(tǒng)的動力學性能和精度 通過系統(tǒng)的分 析 設計與計算等過程 完成絲杠測量儀工作臺及測量架系統(tǒng)的設計 1 2 滾珠絲杠螺母副介紹 滾珠絲杠副主要是由螺桿 螺母循環(huán)系統(tǒng)和滾珠組成 如圖 1 1 所示 圖 1 1 滾珠絲杠副 滾珠絲杠副是機床和 IT 光電 半導體 醫(yī)療等精密設備上最常用的傳動元件 它的主要功能是將旋轉運動轉換為線性運動 或將扭矩轉換為軸線反覆作用力 同 時具有高精度 可逆性和高效率的特點 絲杠測量儀工作臺的結構設計 2 1 3 滾珠絲杠的特點及應用 1 3 1 滾珠絲杠副的特點 滾珠絲杠副在使用上有很多的優(yōu)點 下列詳述了滾珠絲杠副的的各項特點 1 1 高效率及可逆性 由于滾珠絲杠的螺桿軸和螺帽都是點接觸的滾動運動 所以其效率可以達到 90 以 上 所以其傳動扭矩只有傳統(tǒng)絲杠的 1 3 2 零背隙及高剛度 數(shù)控機床 半導體設備等對于傳動絲杠的要求為零背隙 最小彈性變形及高順 暢感 滾珠絲杠采用施加預壓力 來達到數(shù)控機床的重現(xiàn)性及全行程的高剛度 3 高精度 滾珠絲杠采用了哥德式的溝槽形狀 可以使軸向精度調整得很小 也能輕松的 傳動 如果消除軸向間隙 可以使絲杠具有更好的剛度 減少絲杠 螺母和滾珠在 承載時的彈性變形 可以達到更高的精度 4 低起動扭矩及順暢度 傳統(tǒng)絲杠因為是金屬與金屬間的面接觸 所以為了克服起動摩擦力 則必須采 用較高的起動扭矩 然而滾珠絲杠是由鋼珠滾動接觸 只需很小的起動扭矩就可以 克服摩擦力 5 靜音及壽命長 高精度的設備在快速進給及重負載操作下 必須要求低噪音和有較長的使用壽 命 滾珠絲杠的絲杠 螺母和滾珠都經過表面精密加工 在滾動摩擦時產生的磨損 極小 保證了低噪音的效果和較長的使用壽命 6 優(yōu)于氣 液壓制動器的優(yōu)點 如果制動器中采用滾珠絲杠取代傳統(tǒng)的氣壓或液壓起動可以得到許多的優(yōu)點 比如 不會滲漏 不須過濾 省能源及重現(xiàn)性高 1 3 2 滾珠絲杠副的應用范圍 滾珠絲杠的應用很廣泛 滾珠絲杠的應用已經滲透到我們生活的方方面面 在 我們周圍很多設備都離不開滾珠絲杠 下面列出了一些滾珠絲杠的應用范圍 1 CNC 機械 CNC 加工中心 CNC 車床 CNC 銑床 CNC 放電加工機 CNC 磨床 CNC 線切割機等等 絲杠測量儀工作臺的結構設計 3 2 精密工具機 銑床 磨床 道具磨床 齒輪加工機 車銑復合機 3 產業(yè)機械 印刷機 造紙機 自動化機械 紡織機 繪圖機 射出成型 機 4 電子機械 量測儀器 X Y 平臺 醫(yī)療設備 工廠自動化設備 IC 封裝 機 半導體設備等等 5 輸送機械 材料搬送設備 核能反應器 高度制動器等等 6 航天航空工業(yè) 飛機襟翼 機場負載設備 尾翼制動器等等 7 其他 如天線使用的制動器 閥門開關裝置 太陽能板伸縮機構 電子 顯微鏡對焦機構等等 1 4 國內外滾珠絲杠的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 滾珠絲杠副早在 19 世紀末就發(fā)明的 但是因為制造難度過大 很長一段時間沒 能投入實際使用 美國通用汽車公司是第一個使用滾珠絲杠副的企業(yè) 它將滾珠絲 杠副用于汽車的轉向機構上 隨后滾珠絲杠副被逐漸大量使用在汽車 飛機等行業(yè) 相比起國外 我國研究滾珠絲杠副只有不到 50 年的歷史 我國與國外在絲杠發(fā)展水 平上還是有較大的差距 不過隨著科學技術的進步和我國的不斷努力 我國在絲杠 行業(yè)與國外正在逐漸縮小差距 有些研究領域已經趕超國外先進潮流 1 4 1 國內研究現(xiàn)狀 我國在 1960 成功試制了程控龍門銑床插管式滾珠絲杠副 在 1976 年成功研制 出 JCS 014 型激光絲杠導程誤差動態(tài)測量儀 并批量生產 1984 年第二代滾珠絲杠 測量儀研制成功 1992 年我國研制成功了第三代 3 米滾珠絲杠副動態(tài)測量儀 2000 年 我國成功研制出了 48m min 高速滾珠絲杠副 并在加工中心上得到成功應用 我國在 40 多年的滾珠絲杠副發(fā)展史中 涌現(xiàn)出了不少著名研究單位和企業(yè) 比 如北京機床研究所 南京工藝裝備制造有限公司 山東博特精工股份有限公司等 2 目前 國內的不少絲杠生產廠家已經制造出了高精度的滾珠絲杠副 不再依賴 與國外進口 比如北京機床研究所研制出的 GCBM4016 高速滾珠絲杠副 線速度超 過了 48m min 北京機床研究所的絲杠測量儀如圖 1 2 所示 絲杠測量儀工作臺的結構設計 4 圖 1 2 絲杠測量儀 我國在滾珠絲杠行業(yè)不斷走以科技為先導的發(fā)展道路 已經取得了不少的成就 但是在國際知名度方面還不夠響亮 今后我國絲杠產業(yè)的發(fā)展在不斷追求精益求精 的同時 更要在國際舞臺上打響知名度 發(fā)展自己的民族品牌 1 4 2 國外研究現(xiàn)狀 隨著數(shù)控機床和各種自動化設備的發(fā)展 促進了滾珠絲杠副的研究和生產 國 外出現(xiàn)了不少滾珠絲杠副生產廠家 世界上比較知名的滾珠絲杠副生產制造商有 日本的黑田精工 KURODA 公司 THK 公司 NSK 公司 韓國的 SBC 公司 美國 的 SM SAGINAW 公司 英國的 POTAX 公司等 日本的 NSK 公司已開發(fā)出公稱直徑 導程為 20mm 60mm 25mm 80mm 超大導程滾珠絲杠副 快速進給速度達到了 180m min 隨著現(xiàn)在制造技術的發(fā)展 測量技術的進步 國際上對滾珠絲杠副產品的質量 和多樣化的要求越來越強烈 絲杠測量儀的研究也向著智能化 高速化 高精度化 多功能化 開放化 模塊化的方向發(fā)展 計算機技術 機電一體化技術 機器人技 術等也被廣泛地應用到了滾珠絲杠副產業(yè) 絲杠測量儀工作臺的結構設計 5 2 總體方案設計 2 1 設計要求 測量儀的主要技術性能及參數(shù)指標 工作臺及測量架的設計要求如下 測量對象 雙圓弧形滾珠絲杠 測量長度 2000mm 可測直徑 16 80mm 被測滾珠絲杠導程范圍 2 40mm 被測工件重量 140kg 測量范圍及精度 長度 2000mm 長徑比 40 1 的 1 級精度滾珠絲杠 工作臺及測量架的外形結構尺寸 300mm 450mm 450mm 長 寬 髙 采用交流伺服電機驅動 設計和計算工作臺及測量架部件及調節(jié)機構和驅動 系統(tǒng) 測量工作時工作臺最大移動速度為 3mm s 電機在 0 0 5s 內達到最大工 作速度 2 2 方案選擇 2 2 1 測量方法選擇 圖 2 1 相比法測量原理示意圖 絲杠動態(tài)測量中運用較多的是比相法 基本原理見圖 2 1 絲杠的作用是將角位 移轉化為軸向直線位移 因此對絲杠的測量都是基于圓分度的長度測量 測量絲杠 角度位移的基準件有圓光柵 圓磁柵等 測量軸向長度位移的基準件有磁柵尺 光 柵尺 激光光波波長等 比相法測量時將絲杠轉動的圓周基準信號和軸向直線位移 基準信號分別進行不同的分頻 使兩路信號在系統(tǒng)勻速運行和絲杠誤差為零的條件 下成為同頻率信號 將分頻后的兩路信號的時間間隔作為采樣周期 兩信號相位差 應保持不變 實際相位差對應于初始相位差的誤差反映了被測絲杠的導程誤差 傳 絲杠測量儀工作臺的結構設計 6 統(tǒng)的比相方法采用分立元件比相器進行模擬式比相 存在可靠性差 分辨率受到限 制 信號難以保持的缺點 計算機的應用使數(shù)字比相代替模擬比相 取消了分頻器 比相器 積分器 采樣及保持電路 實現(xiàn)了大量程 高分辨率的測量 并得到高精 度的結果 2 2 2 總體結構方案 1 系統(tǒng)中應有提供被測絲杠與傳感器運動的裝置 且此裝置的設計能夠利于 控制被測絲杠與傳感器相對運動的距離 這樣做 一方面可以方便工作論文人員的 測量 一般對滾珠絲杠的測量 我們都是要對絲杠的某一段長度進行測量 如任意 100mm 行程內的行程變動量 任意 250mm 行程內的行程變動量等等 若我們采用 能夠根據已知的測量長度進行控制的運動系統(tǒng) 就可以避免工作人員對測量距離的 目測 從而減輕工作人員的勞動強度 另一方面 可以準確的把握已測量的距離 避免少測量或多測量一段距離 造成測量的失效或冗余數(shù)據的產生 例如 我們要 測量滾珠絲杠 100mm 行程內的行程變動量 若只測量了 90mm 的行程運動系統(tǒng)便停 止工作 勢必引起測量數(shù)據的不足 造成本次測量的失敗 如果測量了 150mm 的行 程 便會產生多余的測量數(shù)據 不但加大了系統(tǒng)的數(shù)據處理量 而且也增加了測量 過程的時間 不利于測量效率的提高 2 系統(tǒng)應盡量滿足阿貝原則 在緒論中我們已經提出過阿貝原則 即測工件 與標準尺必須處在測量方向的同一直線上 采用阿貝原則能避免一次誤差 得到較 高的測量精度 如果系統(tǒng)的設計不能完全滿足阿貝原則的要求 為了減小阿貝誤差 我們可以對阿貝原則進行擴展 即在測量過程中 使測量線和基準線盡量靠近 并 保證沒有角運動 即保證兩條線平行 11 這樣 我們就應該在設計系統(tǒng)結構的時 候使其盡量滿足阿貝原則 根據以上分析 我們確定以下的機械結構方案 如圖 2 2 絲杠測量儀工作臺的結構設計 7 圖 2 2 系統(tǒng)機械結構簡圖 在此系統(tǒng)中 伺服電機用來控制傳動絲杠的旋轉 從而控制移動機架帶著被測 絲杠移動 移動機架下固定著橫向位移傳感器的移動端 當固定機架移動時 橫向 位移傳感器也隨之移動 測量出被測絲杠的軸向位移 另外 在被測絲杠的正上方 在絲杠的軸向橫截面內 相對機架固定不動的位置安裝一個縱向位移傳感器 可 以測量絲杠牙型輪廓縱向的坐標 由于可能產生測量頭的自鎖問題 具體的縱向位 移傳感器機構將在本文后面的敘述中給出 夾具采用兩塊 V 型鐵 用上下兩塊鋼板 并配以 m10 的螺栓加以固定 這樣的夾具可以做到對滾珠絲杠的夾持固定 有較好 的定位效果 夾具示意圖如圖 2 3 圖 2 3 夾具示意圖 由于滾珠絲杠的牙型為圓弧狀 所以 如果電感測量頭相對于被測滾珠絲杠運 動時 就會產生自鎖 影響滾珠絲杠測量儀的自動測量 這樣 我們就需要找到一 種辦法來解決自鎖問題 我們采用凸輪作為解決自鎖問題的主要工具 如圖 2 4 所 示 絲杠測量儀工作臺的結構設計 8 圖 2 4 凸輪與電感位移傳感器測量頭的位置 a 圖為被測滾珠絲杠運動時 凸輪與電感位移傳感器的相對位置圖 凸輪將電 感位移傳感器的測量頭頂起 使其不與被測絲杠接觸 從而不影響被測絲杠的運動 b 圖為被測絲杠停止運動 傳感器進行采樣測量時 凸輪與電感位移傳感器的相對 位置圖 此時 凸輪旋轉到與測量頭不接觸的位置 依靠電感位移傳感器的彈簧使 測量頭接觸被測絲杠的輪廓 由于凸輪每轉 180 度要有一個停頓 這里我們就再次 選用步進電機作為動力部件 當系統(tǒng)步進電機給進一個步距以后 凸輪步進電機帶 動凸輪旋轉 180 度 使測量頭接觸被測絲杠 測量結束后 凸輪步進電機再旋轉 180 度 電感位移傳感器測量頭被頂起 系統(tǒng)步進電機繼續(xù)給進 以此循環(huán) 凸輪 步進電機控制 驅動電路與系統(tǒng)步進電機相同 這里不在復述 圖 2 5 為凸輪系統(tǒng) 的側視圖 圖 2 5 凸輪系統(tǒng)側視圖 2 3 總體方案確定 匯總上述各裝置得到絲杠測量儀工作臺的總體方案如下圖 2 6 所示 絲杠測量儀工作臺的結構設計 9 圖 2 6 絲杠測量儀工作臺總體方案 3 總體參數(shù)計算與選擇 3 1 橫向移動電動機的選擇 原動機的種類 無特殊需要 均選用交流電動機作為原動機 電動機作為系列 化產品 機械設計中僅需根據工作機的工作情況 合理選擇電動機類型 結構形式 容量和轉速 提出具體的電動機型號 3 1 1 選擇電動機的類型 由于絲杠測量儀的負載比較平穩(wěn) 對啟動 制動無特殊要求 任務書中要求采 用交流伺服電機驅動 一般可以選用 Y 系列三相交流異步電動機 Y 系列三相交流異步電動機具有高效 節(jié)能 起動轉矩高 噪聲小 可靠性高 壽命長等優(yōu)點 安裝尺寸和功率等級也完全符合 IEC 標準 一般用于無特殊要求的 機械設備 4 3 1 2 選擇電動機的功率 電動機的功率選擇是否合適 對電動機的正常工作和經濟性都有影響 功率選 得過大則電動機的價格高 能力又得不到充分發(fā)揮 而且由于電動機經常不在滿載 絲杠測量儀工作臺的結構設計 10 下運轉 其效率和功率因素都較低而造成能源的浪費 對于載荷比較穩(wěn)定 連續(xù)運轉的機械 通常只需使電動機的額定功率等于或稍 大于所需電動機的工作功率 即 而不必校驗電動機的發(fā)熱和啟動轉矩 dPde 所需電動機工作功率為 3 1 awd 式中 工作機所需功率 即輸入工作機軸的功率 wP 電動機至工作機的傳動裝置的總效率 a 工作機所需功率 可由工作的工作阻力和運動參數(shù)計算求得 其計算公式為 w 3 2 w950 TnP 式中 工作機的阻力矩 T 工作機轉速 wn 工作機的效率 對于勻速運行 非精確計算求 可以套用以下公式 T 3 3 1n2a IF 式中 軸向負載 aF 絲杠導程 I n1 進給絲杠的正效率 軸向負載 的計算公式為aF 3 4 mgF a 式中 絲杠的軸向切削力 導向件的綜合摩擦系數(shù) 移動物體重量 m 重力加速度 g 絲杠測量儀工作臺的結構設計 11 設軸向切削力不考慮 綜合摩擦系數(shù) 任務書中要求被測工件重量1 0 140kg 取 140kg 由式 3 4 可求出 m 0 1 140 9 8N 137 2NaF 若取工作臺傳動絲杠的導程為 4mm 即 4mm 設進給絲杠的正效率 n1 為I 0 92 由式 3 3 可算得 137 2 4 2 3 14 0 92 94 99N mmT 任務書中要求測量工作時工作臺最大移動速度為 3mm s 上述已選定取工作臺 傳動絲杠的導程為 4mm 則 min 45i 360wrrn 而工作機效率 為 0 98 由式 3 2 可算得工作機所需功率 w wP kW457 098 509w TP 由電動機至工作機的總效率 可按下式計算 a 3 5 63421a 聯(lián)軸器傳動效率 0 99 蝸桿 0 8 每對軸承效率 0 99 由式 3 5 12 3 可算得總效率 76 09 80 2a 知道了工作機所需功率 和總效率 根據式 3 1 可求得電動機工作功率 wPakW589 076 4ad 由于電動機的額定功率 略大于 即可 所以選擇電動機額定功率 為edPd edP 0 75kW 3 1 3 選擇電動機的轉速 額定功率相同的同類型電動機 可能有不同的轉速 Y 系列三相交流異步電動 機有四種常用的同步轉速 即 3000r min 1500r min 1000r min 750r min 低 絲杠測量儀工作臺的結構設計 12 轉速電動機的級數(shù)多 外廓尺寸及重量都比較大 價格高 但可使傳動裝置總傳動 比及尺寸較小 高轉速電動機則相反 因此確定電動機轉速時 應進行分析比較 以確定合理的電動機轉速 一般來說 如果沒有特殊要求通常選擇同步轉速為 1500r min 或 1000r min 的電動機 5 為了設計出合理的傳動裝置 電動機轉速的選擇范圍可以通過各個傳動副的傳 動比范圍和工作機的轉速要求來推算出 即 3 6 wadni 式中 電動機可選轉速范圍 dn 傳動裝置總傳動比的合理范圍 ai 工作機轉速 w 蝸桿傳動推薦的傳動比范圍 8 60 上述已算得傳動絲杠轉速 45r min 由式wn 3 6 可算得電動機轉速的可選范圍為 8 60 45 360r min 2700r mindn 符合這一范圍的常用同步轉速有 1500r min 1000r min 750r min 三種 由于 之前已算得電動機的額定功率為 0 75kW 符合這一轉速范圍的同步轉速只有 1500r min 1000r min 兩種 以兩種方案作比較 結果如表 2 1 所示 表 2 1 電動機方案表 方案 電動機型號 額定功率 同步轉速 滿載轉速 電動機重量 總傳動比 1 Y80M2 4 0 75 1500 1390 18 139 2 Y90S 6 0 75 1000 910 21 91 綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸 重量 傳動比等因素 第 2 種方案比較合 適 選定電動機型號為 Y90S 6 其主要技術參數(shù)列于表 2 2 表 2 2 Y90S 6 電動機主要技術參數(shù) 滿載時電動機型號 額的功率 kW 轉速 r min 電流 A 效率 功率因素 Y90S 6 0 75 910 4 77 5 0 74 Y90S 6 電動機主要外形尺寸和安裝尺寸如下圖 2 3 所示 絲杠測量儀工作臺的結構設計 13 圖 2 3 電動機外形 安裝尺寸簡圖 按圖 2 3 所示 Y90S 6 電動機主要外形尺寸和安裝尺寸如下表 2 3 所示 表 2 3 Y90S 6 電動機主要外形尺寸和安裝尺寸 H A B C D E F G K AA AC AB AD HD L 90 140 100 56 24 50 8 20 10 62 195 180 155 250 320 3 2 縱向步進電機的選擇 依據文獻 實用機床設計手冊 上 有 1 對于在最大工作條件下工作時所需要電機最大靜轉矩為 5 0 31max切Mj 18 37 618Ncm 2 對于空載起動時所需要的電機最大靜轉矩為 951 02max起j 61 c 由 1 和 2 可知 以計算得 恒大于 所以就以 作為選max1jM2maxj 1maxjM 取步進電機最大靜轉矩的依據 而初選的步進電機為 110BF003 它的最大靜轉矩 為 max1689jNcM 所以初選的步進電機型號符合要求 3 步進電機動載荷矩頻特性和運行矩頻特性 由 數(shù)控技術 得 動矩頻特性 4167HzP Vf 601maxax 2 501 絲杠測量儀工作臺的結構設計 14 運行矩頻特性 P SeVf 601 其中 最大工作條件下的進給速度 可取最高進給速度 e min 的 現(xiàn)取中間值 即 max2 5inV 3 1 2ax71 462SV 所以 2431ef 0 46 Hz 由步進電機 110BF004 的矩頻特性和運行矩頻特性參數(shù)可以看出所選步進電機在 起動時力矩是滿足要求的 所以最終就確定步進電機的型號為 110BF004 反應式步 進電動機 3 3 運動和動力參數(shù)計算 3 3 1 傳動比計算 滿載轉速 故總傳動比為 min 910rnm 5 2 45 取wi 3 3 2 各軸的轉速 1 軸 in 9101rnm 2 軸 mi 3 45 22i 3 3 3 各軸的輸入功率 1 軸 kwP583 09 8 0101 2 軸 462 53322 3 3 4 各軸的輸入轉矩 電機軸 mNnPT 18 905 900 1 軸 2 6183 5511 絲杠測量儀工作臺的結構設計 15 2 軸 mNnPT 39 46209595022 整理列表 軸名 功率 kwP 轉矩 T 轉速 in r傳動比 電機軸 0 589 6 18 910 1 軸 0 583 6 12 910 1 2 軸 0 462 99 39 44 39 20 5 4 主要零部件的設計 4 1 渦輪蝸桿傳動的設計 4 1 1 選擇蝸桿傳動類型 因為蝸輪蝸桿傳動的特點 并考慮到傳動系統(tǒng)空間的布置 和嚙合等特點選擇 為圓柱蝸桿傳動 并根據 GB T 10085 1998 的推薦 在此傳動系統(tǒng)中采用漸開線蝸 桿 ZI 蝸桿 4 1 2 選擇材料 因為考慮到蝸桿傳動的功率不大 速度只是中等 所以蝸桿用 45 鋼 又因希望 效率高些 耐磨性好些 所以蝸桿螺旋齒面要求淬火 硬度選為 45 55 HRC 蝸輪 用鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 用金屬模鑄造 并且為了節(jié)約貴重的有色金屬 僅齒圈 絲杠測量儀工作臺的結構設計 16 用青銅制造 但輪芯用灰鑄鐵 HT100 制造 4 1 3 按齒面接觸疲勞強度進行設計 從根據閉式蝸桿傳動的設計準則 首先按齒面接觸疲勞強度進行設計 再校核 齒根彎曲疲勞強度 由 機械設計 中式 11 12 傳動中心距為 4 1 232 HPEZKTa 1 確定作用在蝸輪上的轉矩 T1 上述計算可知 T1 99 39N m 2 確定載荷系數(shù) K 因為工作載荷較穩(wěn)定 故載荷分布不均勻系數(shù) K 1 由表 11 5 選取使用系數(shù) K 1 15 由于轉速一般不高 沖擊載荷也不大 可取動載荷系數(shù) Kv 1 05 則 K K K Kv 1 05 1 15 1 1 21 3 確定彈性影響系數(shù) ZE 因為選用的蝸輪材料是鑄錫磷青銅 蝸桿材料是 45 號鋼 因此彈性影響系數(shù) ZE 160MPa1 2 4 確定接觸系數(shù) Zp 我們先假設蝸桿分度圓直徑 d1 和傳動中心距 a 的比值為 d1 a 0 35 因此我們 可以從 機械設計 圖 11 18 中可查到 Zp 2 9 5 確定許用接觸應力 H 因為根據蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 采用金屬模制造 蝸桿螺旋齒面 硬度 45HRC 因此我們可以從 機械設計 表 11 7 中查到蝸輪的基本許用應力是 H 268MPA 6 計算循環(huán)次數(shù) N 60jn1Lh 60 1 910 20 5 12000 3 2 107 7 壽命系數(shù) KHN 0 865 87102 3 則 H KHN H 0 865 268MPa 231 8MPa 8 計算中心距 絲杠測量儀工作臺的結構設計 17 78 4mm 232 HPEZKTa 3 238 19609 1 考慮到本次設計中傳動系統(tǒng)的空間布局 渦輪轉速較低 所需功率較低的特殊 性 因此為了設計的合理性選取中心距 a 100 因為傳動比為 i 20 5 因此我們 可以從 機械設計 表 11 2 中取模數(shù) m 4 蝸桿分度圓直徑 d1 40mm 這時 d1 a 0 4 從 機械設計 圖 11 18 中可查得接觸系數(shù) Z p 2 74 所以 Z p S 絲杠是安全的 不會失穩(wěn) 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振 因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速 臨街轉速 要求絲杠的最大轉速 crncrn max 臨街轉速按下式計算 21 90ldfccr 式中 為臨界轉速系數(shù) 見表 2 10 本題取 cf 927 3 cf3 絲杠測量儀工作臺的結構設計 25 2 5 03 987 91 crn min 10 34r in 6maxr 即 所以絲杠工作時不會發(fā)生共振 axncr 此外滾珠絲杠副還受 值的限制 通常要求D0 min 107 40rnD mi 17min 140430 rrD 4 6 3 滾珠絲杠剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載 F N 和轉矩 T 共同作用下引起每個導程的變形量N m 為 0L cGJTpEAF 20 式中 A 絲杠截面積 為絲杠的極慣性矩 G 為絲杠 214d cJ4132dJc 切變模量 對鋼 T 為轉矩 Pa3 8 tan 20 DFTm 式中 為摩擦角 其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù) 衛(wèi)平均工作載荷mFN 54 2 0 34tan 1024763 按最不利的情況取 其中 mF412120 6GdTpEJTpEAFLc 492 23293 08 1 8 3 5 08 2614 37 m 079 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為 絲杠測量儀工作臺的結構設計 26 mpLl 85 4107 95320 通常要求絲杠的導程誤差 小于其傳動精度的 1 2 即L 21 該絲杠的 滿足上式 所以其剛度可以滿足要求 L 4 6 4 滾珠絲杠效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率 為 947 0 2 34tan tan 要求在 90 95 之間 所以該絲杠副合格 經上述計算驗算 FC1 4010 2 5 各項性能均符合題目要求 所以合格 4 7 導軌的選型與計算 4 7 1 導軌的選型 導軌主要分為滾動導軌和滑動導軌兩種 直線滾動導軌在數(shù)控機床中有廣泛的 應用 相對普通機床所用的滑動導軌而言 它有以下幾方面的優(yōu)點 定位精度高 直線滾動導軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導軌的 1 50 由于動摩擦與靜摩擦系數(shù) 相差很小 運動靈活 可使驅動扭矩減少 90 因此 可將機床定位精度設定到超 微米級 降低機床造價并大幅度節(jié)約電力 采用直線滾動導軌的機床由于摩擦阻力小 特別適用于反復進行起動 停止的 往復運動 可使所需的動力源及動力傳遞機構小型化 減輕了重量 使機床所需電 力降低 90 具有大幅度節(jié)能的效果 可提高機床的運動速度 直線滾動導軌由于摩擦阻力小 因此發(fā)熱少 可實現(xiàn)機床的高速運動 提高機 床的工作效率 20 30 可長期維持機床的高精度 對于滑動導軌面的流體潤滑 由于油膜的浮動 產生的運動精度的誤差是無法 避免的 在絕大多數(shù)情況下 流體潤滑只限于邊界區(qū)域 由金屬接觸而產生的直接 絲杠測量儀工作臺的結構設計 27 摩擦是無法避免的 在這種摩擦中 大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了 與之相反 滾動接觸由于摩擦耗能小 滾動面的摩擦損耗也相應減少 故能使直線滾動導軌系 統(tǒng)長期處于高精度狀態(tài) 同時 由于使用潤滑油也很少 大多數(shù)情況下只需脂潤滑 就足夠了 這使得在機床的潤滑系統(tǒng)設計及使用維護方面都變的非常容易了 所以 在結構上選用 開式直線滾動導軌 參照南京工藝裝備廠的產品系列 4 7 2 直線滾動導軌副的計算 選擇 根據給定的工作載荷 Fz 和估算的 Wx 和 Wy 計算導軌的靜安全系數(shù) fSL C0 P 式中 C0 為導軌的基本靜額定載荷 kN 工作載荷 P 0 5 Fz W fSL 1 0 3 0 一 般運行狀況 3 0 5 0 運動時受沖擊 振動 根據計算結果查有關資料初選導軌 因系統(tǒng)受中等沖擊 因此取 4 0sLf 0 5 OSLXYZCfPFW xYYOXSL 20 671 58 3 79N 26fP413 94 C 根據計算額定靜載荷初選導軌 選擇漢江機床廠 BGX 系列滾動直線導軌 其型號為 BGXH25BE 基本結構及參數(shù)如下 絲杠測量儀工作臺的結構設計 28 導軌的額定動載荷 N1750aC 依據使用速度 v m min 和初選導軌的基本動額定載荷 kN 驗算導軌的工aC 作壽命 Ln 額定行程長度壽命 HTCaWfSFK 2045MF1 81 oTCHRdffff 導軌的額定工作時間壽 3310 8752 14209 58HTCaWfSFKkm 命 3102SoTHln 3 310249 5849715060SoTln hTh 導軌的工作壽命足夠 導軌的靜安全系數(shù) 絲杠測量儀工作臺的結構設計 29 04 2163SLCfP 靜安全系數(shù) 基本靜額定負載 工作載荷Sf 0CP 導軌壽命計算 3 5748htwcfLKmP 4 8 其他結構設計 4 8 1 底座設計 底座具體尺寸根據其他結構匹配得到 詳細尺寸見 CAD 圖紙 1 材料的選擇 毛坯材料的確定一般應考慮零件在整個機器中的作用 零件的形狀 大小 生 產綱領以及工作環(huán)境 零件材料應具備主要機械性能指標 此外 還有材料的工藝 性 經濟性 也是該零件選擇材料時要考慮的因素 支座殼起著支承 聯(lián)接的作用 因而對強度 塑性 任性要求較高 故選擇鑄鐵材料 考慮到鑄鐵材料的工藝性和 經濟性 因而選用目前廣泛使用的球墨鑄鐵 5 7 球墨鑄鐵具有較高的強度 其抗 拉強度也大大超過灰口鑄鐵 球墨鑄鐵具有良好的鑄造性 減摩性 切削性和低的 缺口敏感性 其生產工藝簡便 成本低廉 可選用 QT420 10 2 結構設計工藝性要求 砂型造型鑄件設計 不僅要考慮工作功能和力學性能的要求 還必須考慮合金 鑄造性能 鑄造工藝對鑄件結構的要求 鑄件結構設計是否合理 對鑄件質量 生 產率和制造成本都有很大影響 鑄件的結構 假如不能滿意合金鑄造性能的要求 將可能產生澆不到 冷隔 縮孔 縮松 液孔 裂紋和變形等缺陷 絲杠測量儀工作臺的結構設計 30 流動性好的合金 充型能力強 鑄造時就不易產生澆不到 冷隔等缺陷 而且 能鑄出鑄件的最小壁厚也小 不同的合金 在一定的鑄造條件下能鑄出的最小壁厚 也不同 設計鑄件的壁厚時 一定要大寸 該合金的 最小答應壁厚 以保證鑄件 質量 鑄件的 最小允許壁厚 主要取決于合金種類 鑄造方法和鑄件的大小等 表 5 1 為鑄件最小允許壁厚值 但是 鑄件壁也不宜太厚 厚壁鑄件晶粒粗大 組 織疏松 易產生縮孔和縮松 力學性能下降 鑄件艱載能力并不是隨截面積增大成 比例地增加 設計過厚的鑄件壁 將會造成金屬浪費 為了提高鑄件承載能力而不 增加壁厚 鑄件的結構設計應選用合理的截面形狀 此外 鑄件內部的筋或壁 散熱條件比外壁差 冷卻速度慢 為防止內壁的晶 粒變粗和產生內應力 一般內壁的厚度應小于外壁 表 5 2 為鑄鐵件外壁 內壁和 加強筋的最大臨界壁厚 鑄件各部分壁厚若相差過大 厚壁處會產生金屬局部積聚 形成熱節(jié) 凝固收縮時在熱節(jié)處易形成縮孔 縮松等缺陷 此外 各部分冷卻速度 不同 易形成熱應力 致使鑄件薄壁與厚壁連接處產生裂紋 因此在設計鑄件時 應盡可能使壁厚均勻 以防止上述缺陷產生 檢查鑄件壁厚是否均勻時 應將鑄件的加工余量考慮在內 如果零件圖上各處 壁厚是均勻的 加上加工余量后 加工面上的鑄造厚度將增加 鑄件熱節(jié)卻很大 4 8 2 測量支架設計 測量支架采用 Q235 線切割后機加工而成 其結構尺寸根據總體結構配匹得到 結果如下圖示 絲杠測量儀工作臺的結構設計 31 4 8 3 平臺設計 測量支架采用 HT150 鑄造后機加工而成 其結構尺寸根據總體結構配匹得到 結果如下圖示 絲杠測量儀工作臺的結構設計 32 4 8 4 夾緊裝置設計 本次設計的夾緊裝置采用雙 V 型塊結構 最終設計的結果如下圖示 絲杠測量儀工作臺的結構設計 33 結 論 滾珠絲杠副在高速度的基礎上具有高的精度穩(wěn)定性 達到高剛度 高負載等性 能 這就要求能夠承受較大載荷 因此滾珠絲杠副生產過程中需要測試其極限承載 能力 首先 通過對滾珠絲杠副結構及原理進行分析 在此分析基礎上提出了絲杠 測量儀工作臺的總體結構方案 然后 對各主要零部件進行了設計與校核 最后 通過 AutoCAD 制圖軟件繪制了其裝配圖及主要零部件圖 通過這次對絲杠測量儀工作臺理論知識和實際設計的相結合 鍛煉了我的綜合 運用所學專業(yè)知識 解決實際工程問題的能力 同時也提高了我查閱文獻資料 設 計手冊 設計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平 而且通過對整體的掌控 對局部的 取舍 以及對細節(jié)的斟酌處理 都使我的能力得到了鍛煉 經驗得到了豐富 并且 意志品質力 抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升 當然 由于缺乏實踐 經驗 該設計還有許多的不足之處 還去老師指教 絲杠測量儀工作臺的結構設計 34 參考文獻 1 黃玉美 機械制造裝備設計 M 北京 高等教育出版社 2008 2 李圣怡等 精密和超精密機床設計理論與方法 M 長沙 國防科技大學出版社 2009 3 陳建國 張純亮 電機與控制 M 西安 西北工業(yè)大學出版社 2006 4 肖正義 滾珠絲杠副結構與功能發(fā)展動態(tài) J 功能部件 2001 9 100 102 5 梅景登 焦杰 滾珠絲杠副綜合導程的微機動態(tài)測量 J 機床 1993 12 23 25 6 張曉晶 絲杠滾道型面誤差測量儀機械系統(tǒng)設計與分析 D 南京 南京理工大學 碩士學位論文 2009 7 陳非凡 儀器設計技術基礎 M 北京 清華大學出版社 2007 8 王志民 張西勇 歷勇 滾珠絲杠傳動使用與發(fā)展 J 機電工程技術 2004 33 88 89 9 浦玿邦 王寶光 測控儀器設計 M 北京 機械工業(yè)出版社 2001 10 Rober B Northrop 測量儀表與測量技術 M 北京 機械工業(yè)出版社 2009 11 倪育才 幾何量測量設備校準的不確定度評定 M 北京 中國計量出版社 2006 12 杜朝水 絲杠摩擦力矩動態(tài)測量系統(tǒng)設計與分析 D 南京 南京理工大學碩士學 位論文 2007 13 權義魯?shù)?現(xiàn)代實用機床設計手冊 M 北京 機械工業(yè)出版社 2006 14 秦樹人 機械工程測試原理與技術 M 重慶 重慶大學出版社 2002 15 程光仁 施祖康 滾珠螺旋傳動設計基礎 M 北京 機械工業(yè)出版社 1987 16 馮虎田等 滾珠絲杠副綜合性能測量方法與技術 M 機械工業(yè)出版社 2011 絲杠測量儀工作臺的結構設計 35 致 謝 在本文即將結束之際 請允許我對在這四年的大學生活學習中給予我支持和鼓 勵的各位老師和同學致以深深的感謝 首先 我要感謝我的指導老師 感謝他在我的研究和學習過程中給予我的指導 和幫助 老師深厚的理論素養(yǎng) 淵博的學識和誨人不倦的精神使我受益非淺 更重 要的是 老師嚴謹?shù)闹螌W風范和對學術問題的概括與抽象能力在潛移默化中影響著 我 教育著我 在大學生活中 老師對我的言傳身教以及給予我許多無私的關心和 幫助 所有這些不僅是我得以順利地完成本文 而且更是使我終身受益 我還要感 謝系里的各位老師 他們?yōu)槲业漠厴I(yè)設計提出諸多良好的建議以及努力方向 使我 得以較快地完成設計 其次 我還要特別感謝我的母校 為我提供了一個先進的學習 工作環(huán)境 能 讓我順利完成自學考試的各個課程 最后 請讓我將這篇學士學位論文獻給我的父母親 感謝他們的養(yǎng)育之恩 感 謝他們使我成為一個對社會有用的人 他們的關懷 支持和鼓勵是我所有信念的力 量源泉