本科生畢業(yè)設計設計題目： 數(shù)控銑床用光學對刀儀設計 系 部：專 業(yè)：學 生 姓 名：班 級：指導教師姓名：最終評定成績- 1 -本科生畢業(yè)設計說明書數(shù)控銑床用機外對刀儀設計系 部：專 業(yè)：學 生 姓 名：班 級：指導教師姓名：最終評定成績I摘 要本課題是數(shù)控銑床用機外光學對刀儀的設計。本文在研究分析國內(nèi)外產(chǎn)品以及查閱大量技術資料的基礎上提出了自己的設計方案，主要進行了三部分工作。首先對國內(nèi)外對刀儀產(chǎn)品進行分析，明確了對刀儀的工作任務和性能要求。然后進行對刀儀機械系統(tǒng)的方案論證，并設計出對刀儀的機械部分內(nèi)容。本設計采用手動方式，通過手輪的轉(zhuǎn)動帶動蝸輪蝸桿的傳動，進而帶動滾珠絲桿的旋轉(zhuǎn)，推動工作臺上下左右運動，利用光柵尺進行精確測量，從而實現(xiàn)準確測量刀具的目的。此外對主軸系統(tǒng)也進行了分析設計。主軸由定位系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)組成，同樣通過手輪帶動蝸輪蝸桿來實現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)。通過主軸與編碼器的連接實現(xiàn)角度的精確定位。關鍵詞：機外對刀儀，滾珠絲桿，蝸輪蝸桿，主軸系統(tǒng)。IIABSTRACTThis topic is the design of NC milling machine with machine optical tool setting instrument. In this paper, based on domestic and foreign products and access to a large number of technical information and brought forward the design scheme of its own in the research analysis, mainly for the three part of the work. The author analyzed the domestic and foreign Micro set products, clear requirements of tasks and performance of tool detection. Then the scheme demonstration tool of mechanical system, and designs the mechanical part of tool detection. This design uses the manual way, through the rotation to drive the worm wheel, and then drive the ball screw rotation, promoting the work up and down motion, accurate measurement by grating ruler, in order to achieve accurate measurement tool to. In addition to the spindle system is analyzed and designed. The main positioning system and rotation system, also by the hand wheel to drive the worm to realize the spindle rotation.Through the connection can achieve precise positioning angle of the spindle and the encoder.Keywords: machine tool setting gauge, ball screw, worm gear,shaft system.III目 錄摘 要 IABSTRACTII第 1 章 緒 論 .11.1 課題背景 .11.2 對刀儀的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .1第 2 章 對刀儀的整體設計方案 .42.1 總體技術方案 .42.1.1 對刀儀測量原理 42.1.2 對刀儀組成 42.1.3 儀器測量過程 .52.2 驅(qū)動方式的選擇 .52.3 機械位移檢測系統(tǒng) .62.3.1 傳動方式的選擇 .62.3.2 導軌系統(tǒng)選擇 .62.3.3 手輪與絲桿的連接 .72.3.4 測量裝置 .82.4 主軸系統(tǒng) .82.4.1 主軸定位系統(tǒng) .82.4.2 主軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng) .82.4.3 測量裝置 .92.6 光學系統(tǒng) 92.6.1 照明方式的選擇 92.6.2 成像系統(tǒng) 92.6.3 光源選擇 9第 3 章 機械位移傳動系統(tǒng) .103.1 工作臺結(jié)構(gòu)設計及其相關計算 .103.1.1 XZ 工作臺部件進給系統(tǒng)受力分析 .103.1.2 確定 XZ 工作臺基本參數(shù) 103.2 橫向滾珠絲桿副的計算與選型 113.2.1 確定橫向滾珠絲杠副的導程 113.2.2 絲桿當量轉(zhuǎn)速與當量載荷的確定 113.2.3 允許的最小螺紋底徑 113.2.4 滾珠絲杠副的類型及規(guī)格的確定 123.2.5 確定滾珠絲杠副預緊力 12IV3.2.6 行程補償值與與拉伸力 123.2.7 確定滾珠絲杠副支承用的軸承 133.2.8 滾珠絲杠副具體結(jié)構(gòu)尺寸設計 133.3 縱向滾珠珠絲桿副的計算與選型 143.3.1 確定縱向滾珠絲杠副的導程 143.3.2 絲桿的當量轉(zhuǎn)速與當量載荷 143.3.3 允許的最小螺紋底徑 153.3.4 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 153.3.5 確定滾珠絲杠副預緊力 153.3.6 行程補償值與與拉伸力 163.3.7 確定滾珠絲杠副支承用軸承形式 163.3.8 滾珠絲杠副工作圖設計 163.4 直線導軌的設計計算與選型 173.4.1 預選滾動直線導軌副的型號，規(guī)格，進行初步設計 173.4.2 計算導軌的壽命 173.5 蝸輪蝸桿設計 183.5.1 傳動機構(gòu)選用蝸輪蝸桿 183.5.2 蝸輪蝸桿的材料的選用 183.5.3 按齒面接觸疲勞強度進行設計 183.5.4 蝸輪與蝸桿的主要參數(shù) 193.5.5 校核齒根彎曲疲勞強度 203.5.6 軸承的選用 203.6 光柵尺的選型與安裝 213.6.1 光柵尺的結(jié)構(gòu)與工作原理 213.6.2 光柵尺的選型 213.6.3 光柵尺的安裝方式 21第 4 章 主軸系統(tǒng)分析設計 .224.1 主軸傳動機構(gòu)的設計 224.1.1 蝸桿傳動的選用 224.1.2 蝸輪蝸桿的材料的選用 224.1.3 按齒面接觸疲勞強度設計蝸桿 224.1.4 蝸輪與蝸桿的主要參數(shù) 234.1.5 校核齒根彎曲疲勞強度 244.2 軸承的選用 244.3 軸的設計 254.3.1 確定主軸的功率 P，轉(zhuǎn)速 n 和轉(zhuǎn)矩 T .254.3.2 確定軸的最小直徑 254.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設計 254.4 編碼器的選型 264.4.1 編碼器的工作原理 .264.4.2 編碼器的選型 264.4.3 編碼器的安裝 .26V第 5 章 基礎件的設計 .275.1 底座的設計 275.1.1 底座材料的選擇 275.1.2 底座結(jié)構(gòu)設計 275.2 Z 向?qū)к壸脑O計 275.2.1 Z 向?qū)к壸牧系倪x擇 275.2.2 Z 向?qū)к壸慕Y(jié)構(gòu)設計 275.3 Z 向滑座的設計 285.3.1 滑座材料選擇 .285.3.2 滑座的結(jié)構(gòu)設計 .285.4 主軸箱體的設計 295.4.1 主軸箱體材料選擇 295.4.2 主軸箱體結(jié)構(gòu)設計 295.5 光學系統(tǒng)臂架設計 295.5.1 臂架材料選擇 .295.5.2 臂架的結(jié)構(gòu)設計 .29第 6 章 使用維護說明書 .316.1 儀器用途 .316.2 儀器組成及各部分作用 .316.3 對刀儀的安裝說明 .316.4 使用方法 .316.4 對刀儀日常維護 .326.5 對刀儀的故障處理 .32結(jié) 論 .33參考文獻 .34致 謝 .351第 1 章 緒 論1.1 課題背景對刀儀是數(shù)控機床及加工中心的必要設備。對刀儀用于測量數(shù)控設備、加工中心數(shù)控刀具刀尖位置相對于設定原點的坐標尺寸。其作用是快速測量出數(shù)控機床或者加工中心的刀庫中刀具的尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)，從而進行刀具補償，這樣在加工過程中隨時控制調(diào)整刀具的運動軌跡，達到較高精度的加工。能否迅速準確地確定數(shù)控機床以及加工中心的刀具的尺寸參數(shù)，直接影響到機床生產(chǎn)工件的周期以及加工精度。刀具通過刀柄固定到機床主軸上，接著將機床定位到指定好的位置，控制刀具恰好觸碰到一已知的平面，于是操作者就可以算出刀具實際尺寸。通常情況下，采用這種方式獲得的數(shù)據(jù)可信度較高，但浪費大量時間，造成生產(chǎn)效率低下。對刀儀是為節(jié)省數(shù)控機床的對刀時間而設計的一種測量工具，是檢測刀具具體尺寸參數(shù)的精密測量設備，是現(xiàn)代加工制造所必備的檢測儀器，其作用就是準確的測量出刀具的參數(shù)以便在加工中精確控制刀具的運動軌跡，實現(xiàn)高精度加工。對刀儀的使用可避免機上測量的缺點，從而提高了刀具預調(diào)和測量的速度 。]1[目前國外的一些企業(yè)看準中國機床工業(yè)壯大的市場，許多外國對刀儀制造商迅速搶占國內(nèi)的市場。國外對刀儀雖有速度快、精度高等諸多優(yōu)點，但其價格非常昂貴。國內(nèi)對刀儀普遍存在技術含量較低，使用不方便，測量參數(shù)少等缺點，在與國外產(chǎn)品競爭中難有勝算。因此，面對市場上的競爭劣勢，為使我國從制造業(yè)大國發(fā)展為制造強國，我們有必要研制出國產(chǎn)的高品質(zhì)對刀儀。1.2 對刀儀的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀對刀儀可大致分為機械式，光學投影式和圖像式三種類型。一、接觸式接觸式對刀儀是利用測量儀表的測頭接觸刀具，再通過光柵尺測量此時的位置所得的數(shù)據(jù)，其測量精度很低且操作過程較為繁雜，但是價格較低。圖 1.1 所示是臺灣安威公司接觸式對刀儀。二、光學投影式光學投影式對刀儀是通過發(fā)光源將刀尖輪廓投影到固定的投影屏上，通過光學投影屏的刻線對刀具進行精確對準，從而完成刀具尺寸參數(shù)的測量。操作者要瞄準刀具刀尖會引起主觀誤差，影響測量精度。 光學投影式對刀儀目前依舊是國內(nèi)市場上的主要產(chǎn)品，但隨著技術的進步其市場占有率將會越來越低。圖 1.2 為天津天門公司生產(chǎn)2的光的光學投影式對刀儀 。圖 1.1 臺灣安威 AW-H300 型接觸式 圖 1.2 天門光學投影式 DTJ II 1540 型三．電子攝像式對刀儀電子攝像式的對刀儀充分結(jié)合了圖像采集技術、計算機軟件處理技術，機械傳動裝置，電路電子技術和光學技術等先進技術。圖像式對刀儀利用圖像傳感器來得到的刀具刀尖的圖像，并在計算機系統(tǒng)中進行圖像處理，獲得刀具的輪廓外形尺寸?，F(xiàn)在隨著 CCD 傳感器技術的快速進步，圖像采集的準確性明顯提高，為對刀儀提供了十分準確的圖像分析數(shù)據(jù)，從而提高了測量精度。現(xiàn)在國外的電子攝像式對刀儀精度可3以達到 0.001mm 。圖 1.3 為美國 PARLEC 公司電子攝像式對刀儀。]2[圖 1.3 PARLEC 電子攝像式國內(nèi)生產(chǎn)的對刀儀產(chǎn)品大部分是機械光學式的，對刀儀的光學系統(tǒng)將刀具刀尖輪廓的圖像照射到投影屏上，通過光柵尺測得數(shù)據(jù)傳送到數(shù)顯箱輸出結(jié)果。光學投影式對刀儀是目前國內(nèi)市場上的主流產(chǎn)品，但由于面臨著國外先進產(chǎn)品的激烈競爭而市場占有率逐年下降。 綜上可知國外廠商對刀儀有對刀速度快、精度高等諸多優(yōu)點，但是價格十分昂貴。因此我們有必要加強對刀儀研究的投入，以促進機床生產(chǎn)制造業(yè)的快速發(fā)展，從而提升我國制造業(yè)的競爭力和影響力。第 2 章 對刀儀的整體設計方案2.1 總體技術方案本章進行刀具預調(diào)測量儀的總體設計方案的研究，下面依據(jù)技術指標和設計的原理對各組成部分進行具體分析設計。機械位移傳動系統(tǒng)、主軸測量系統(tǒng)、計算機測量軟件和電路是構(gòu)成對刀儀系統(tǒng)的主要部分。其中機械位移檢測系統(tǒng)和計算機測量軟件是最重要部分，直接決定精度的高低 。]3[2.1.1 對刀儀測量原理對刀儀是一種測量刀具參數(shù)的儀器，其功能是測量刀具徑向和軸向的長度。如圖2.1，即用對刀儀主軸系統(tǒng)來仿照數(shù)控機床或者加工中心的主軸，使對刀儀的坐標系4與加工設備的坐標系等效，所以在對刀儀主軸上測得刀具的尺寸參數(shù)也就相應的得到了數(shù)控機床上刀具的坐標值，只要將測得的數(shù)據(jù)直接輸入機床即可 。對刀儀測量原]4[理如圖 2.1 所示。圖 2.1 對刀儀測量原理圖2.1.2 對刀儀組成對刀儀是測量刀具尺寸的一種工具。操作方式可用手動或者電動式。在外力作用下，橫向和縱向的滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，從而帶動 X 向和 Z 向滑板的滑動，光學系統(tǒng)就固定在立柱的滑板上，這樣就可以使光學系統(tǒng)上下左右移動，使刀具對準光源投影到屏幕上，得到刀具的圖像。通過光柵尺測量位移，將光柵尺的脈沖輸入計算機獲取刀具尺寸數(shù)據(jù)。測量時，視覺系統(tǒng)沿著導軌移動瞄準測量，運動由手輪帶動滑座的運動從而使視覺系統(tǒng)進行上下左右移動，實現(xiàn)瞄準測量。對刀儀的基本結(jié)構(gòu)的組成原理如圖 2.2 所示。51-X 向?qū)к?2-Z 向?qū)к?3-視覺系統(tǒng) 4-主軸系統(tǒng) 圖 2.2 對刀儀的測量原理圖2.1.3 儀器測量過程將刀柄固定在對應型號的刀套中，再把刀套插入對刀儀的主軸錐孔中，利用錐形定心，用緊頂螺釘固定好。系統(tǒng)開始工作后，儀器的軟件系統(tǒng)中選擇要測量刀具的類型以及輸入要所需要獲取的參數(shù)，通過手柄的轉(zhuǎn)動帶動 X 軸左右移動以及 Z 軸上下運動。這樣便能讓刀具對準光源從而投影到屏幕上，得到刀具的圖像。通過光柵尺測量位移以獲取刀具尺寸數(shù)據(jù)。2.2 驅(qū)動方式的選擇對刀儀常用的驅(qū)動方式為手動驅(qū)動和電機驅(qū)動。手動驅(qū)動相對于電機驅(qū)動具有操作靈活簡便，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟，可以進行微動手調(diào)，精確度較高等優(yōu)點。由于手動驅(qū)動可以滿足本課題的基本要求，考慮到手動方式結(jié)構(gòu)更簡單，經(jīng)濟性更高，本文采用手動驅(qū)動。2.3 機械位移檢測系統(tǒng)2.3.1 傳動方式的選擇傳動方式有很多種，適用于本設計的傳動主要有齒輪齒條，蝸輪蝸桿等傳動方式。6下面有兩種方案。方案一：滾珠絲桿螺母副絲杠是現(xiàn)代機床及其他精密傳動裝置上最常使用的傳動系統(tǒng)，以滾珠作為滾動體在絲桿和螺母之中反復循環(huán)運轉(zhuǎn)的裝置。滾珠絲桿的基本功能就是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動。主要特點有： 移動速度輕快平穩(wěn)，安裝結(jié)構(gòu)尺寸大，定位精度高 ，結(jié)構(gòu)比較復雜，成本較高等 。]5[方案二：齒輪齒條傳動齒輪齒條傳動要求傳動的距離比較長，安裝的空間也比較大。齒輪齒條運動傳動剛性很高，但精度較低。如果使用齒輪齒條傳動，一定要消除齒側(cè)間隙以減少誤差。主要特點有：承載能力大，移動速度中等，安裝要求較高，需要預留間隙， 需補償磨損，成本較低，容易制造等。對比以上兩種方案可知，滾珠絲桿擁有定位精度高，移動速度快，傳動效率高等明顯優(yōu)點，本人采取第一種方案。滾珠絲桿的設計圖 2.3 所示。圖 2.3 滾珠絲桿圖2.3.2 導軌系統(tǒng)選擇導軌是支撐滑座的關鍵部位。導軌上下左右運動帶動滑座運動，通過滑座上的光柵尺測量出視覺系統(tǒng)的位移量，其測量所得的數(shù)據(jù)通過光柵數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機中。對刀儀屬于精密測量儀器，測量精度要求很高。所以安裝在對刀儀上的導軌必須有足夠高的精度，粗糙度要控制在 0.8，要有良好的導向性，剛度也要達到要求，滑臺的滑動要十分平穩(wěn)。導軌主要有滾動導軌和滑動導軌兩種。方案一：滾動導軌滾動直線滑軌副是直線運動滾動支承中的一類，通過滾珠在滑塊與軌道之間不斷7循環(huán)往復的運動，使得滑塊在軌道上平穩(wěn)地做直線運動。其特點主要有：摩擦因素小，運動十分靈敏，動靜摩擦因素相差很小，起動阻力小不易產(chǎn)生爬行，可通過預緊來提升剛度。維修、潤滑比較方便，提高機械效率，節(jié)省了能源，降低造價 。]6[方案二：滑動導軌滑動導軌是一種傳統(tǒng)的導向方式，用的地方很廣。多數(shù)使用金屬對塑料型，稱為貼塑導軌。其特點有：摩擦系數(shù)比較小但高于滾動式，制造比較簡單，容易裝配，剛性差等。對比以上兩種方案可知，滾動導軌相對滑動導軌而言有定位精度高，摩擦阻力小，運動快速平穩(wěn)等優(yōu)點。本人采取第一種方案。滾動導軌的設計如圖 2.4 所示。圖 2.4 滾動導軌圖2.3.3 手輪與絲桿的連接根據(jù)設計需要，手輪的轉(zhuǎn)向與滾珠絲桿的螺旋方向成 90 度夾角，因此手輪與絲桿的連接可采用錐齒輪，蝸輪蝸桿等結(jié)構(gòu)。方案一：錐齒輪本設計可采用一對正交的錐齒輪來連接手輪與絲桿的連接。錐齒輪通過軸與手輪連接，另一個錐齒輪與絲桿連接。錐齒輪傳動精確度很高，可轉(zhuǎn)變運動的角度，但是不能自鎖。方案二：蝸輪蝸桿本設計也可采用蝸輪蝸桿傳動來連接絲桿與手輪。蝸桿反向自鎖的特性符合本設計的需要。 由于滾珠絲桿不能自鎖，如果用錐齒輪連接則需要設計一個絲桿制動裝置，較為復雜，而蝸輪蝸桿傳動可以自鎖，能起到絲桿制動的作用。對比以上兩種方案，選用蝸輪蝸桿為手輪與絲桿的連接方式。2.3.4 測量裝置選用光柵尺作為對刀儀的位移檢測裝置，光柵尺經(jīng)常作為高精度數(shù)控機床的位置檢測裝置，可以用來檢測線位移，精度高。82.4 主軸系統(tǒng)2.4.1 主軸定位系統(tǒng)數(shù)控機床上的刀具以錐形孔槽定位。同樣，本設計利用錐度的定心作用來實現(xiàn)對刀儀主軸系統(tǒng)對刀具的定位。即主軸上端做一錐孔，將固定刀柄的錐形刀套放在主軸錐孔中實現(xiàn)錐向定位。主軸系統(tǒng)除了要對刀具進行定位外，還應具有主軸旋轉(zhuǎn)裝置。圖 2-5 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.4.2 主軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)測量刀具的徑向尺寸需要使刀柄旋轉(zhuǎn)，所以放置刀柄的主軸要有旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。本設計的主軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)用蝸桿傳動帶動主軸轉(zhuǎn)動。刀柄裝在刀套上，刀套放置于主軸錐孔中，用螺釘緊固。這樣就能成功的實現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)，從而使刀柄隨之轉(zhuǎn)動。2.4.3 測量裝置本設計用編碼器來測量主軸旋轉(zhuǎn)的角位移。2.6 光學系統(tǒng)2.6.1 照明方式的選擇對刀儀的光學系統(tǒng)對測量結(jié)果及測量精度有很大影響。一般而言，光學系統(tǒng)常用9兩種照明方式，即臨界照明和柯拉照明方式。臨界照明：臨界照明法相當于在物體平面上放置光源，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但光源表面的亮度不均勻?？吕照彰鳎嚎吕照彰髂芸朔彰鞑痪鶆?。光學系統(tǒng)的應用中，由于柯勒照明方式相對于前者有明顯的優(yōu)勢，主要應用于對光學測量要求較高的裝置中。本系統(tǒng)采用柯勒照明方式。2.6.2 成像系統(tǒng)可將濾光片放置在成像系統(tǒng)中，如此可以大大減少外來光源對系統(tǒng)的干擾，從而提高成像質(zhì)量。2.6.3 光源選擇對刀儀等測量儀器可用冷、熱兩種光源。熱光源在發(fā)光時會產(chǎn)生較大的熱量，而產(chǎn)生的熱量又會導致儀器和工件發(fā)生熱變形從而影響到測量精度。冷光源則避免了熱變形的缺陷，具有強度高，成像質(zhì)量好的特點。本設計可供選擇的光源有：白熾燈，閃光燈，LED 等。綜合比較上述幾種光源，本設計選用 LED 發(fā)光二級管作為視覺系統(tǒng)的照明光源 。]7[第 3 章 機械位移傳動系統(tǒng)3.1 工作臺結(jié)構(gòu)設計及其相關計算3.1.1 XZ 工作臺部件進給系統(tǒng)受力分析因?qū)Φ秲x視覺瞄準器不與被測刀具直接接觸,因此在測量過程中沒有外力負載作用。XZ 工作臺部件由滾珠絲桿、直線導軌、支撐座、蝸輪蝸桿和底座等零部件組成,10各零件之間都通過滾動直線導軌副連接,從而確保相對運動的精度。底座的傳動系統(tǒng)由橫向和縱向兩部分組成。3.1.2 確定 XZ 工作臺基本參數(shù)設定工作臺基本參數(shù)：長×寬×高度=810×350×240mm，材料為 HT200，估重400N。設立柱尺寸為：長×寬×高度=266×350×800mm，材料為 HT200，估重為 400N。另外估計其他零件的重量約為 200N。則工作臺總重為 W=400+400+200=1000N。則底座導軌副所承受的最大負載 G=400+200=600N。XZ 工作臺設計如圖 3.1 所示。圖 3.1 工作臺結(jié)構(gòu)設計圖3.2 橫向滾珠絲桿副的計算與選型3.2.1 確定橫向滾珠絲杠副的導程maxhniVP??（3.1） 11Ph：絲桿副的導程 mm Vmax：絲桿最高移動速度 m/min nmax: 手輪最高轉(zhuǎn)速 r/mini:傳動比 因手輪與蝸輪蝸桿連接再與絲杠直聯(lián)，i=82 Vmax=0.5m/minnmax=100r/min代入得 Ph=5mm，即絲桿導程為 5mm。3.2.2 絲桿當量轉(zhuǎn)速與當量載荷的確定導軌上面部分的重量，包括工作臺、立柱，導軌座等，是絲桿的主要受力來源，其重量大概在 500N 左右。即滾珠絲桿副承受的力為 Fm=500N。按預期工作時間估算cawhmfLnC1063?（3.2）：預期額定動載荷 N按文獻[13]表 6.2-90 查得：輕微沖擊取 f w=1.3表 6.2-88 查得：1～3 取 fa=1表 6.2-89 查得：可靠性 97%取 fc=0.44表 6.2-87 查得：L n=20000 小時代入公式 3.2 得:C am=7287N（2）滾珠絲杠副采用預緊方式消隙，根據(jù)最大載荷 Fmax計算：maxFfCe?由文獻[13]根據(jù)表 6.2-91 查得：輕載荷取 F e=6.7計算得 Cam=3350N取以上兩種結(jié)果的最大值 Cam=7287N3.2.3 允許的最小螺紋底徑（1）估算絲杠軸向變形量 m?重復定位精度的（1/3～1/4）??min0kF?一般估算 ≤定位精度的（ 1/4～1/5）查得重復定位精度為 10μm, 定位精度為 25μm。12由以上兩種方法估算出最小值 =3μm。m?(2）估算絲桿螺紋底徑由于滾珠絲杠要求預拉伸，故本設計采用一端固定，一端游動的安裝方式，通過軸向預緊的作用來消除絲桿的軸向間隙，可以消除因溫升導致的熱變形，此種安裝方式被廣泛采用于精密傳動裝置中 。]8[m0m0239.1???LFEd?: 最小螺紋底徑m2(1.1～1.2)行程+（10～14）P h靜摩擦力 10WF??行程為 300mm,W1=1000N, μ 0=0.2 代入得 d2m=6.5mm，L=420mm，F(xiàn) 0=200N 。3.2.4 滾珠絲杠副的類型及規(guī)格的確定（1）選用雙螺母墊片作為絲桿的預緊方式。（2）根據(jù)計算所得 d2m Cam Ph數(shù)據(jù)取相應的滾珠絲杠副。FFZD3205-3 Ph=5mmCa=13000＞C am=7287N d2=30.5＞d 2m=6.5 3.2.5 確定滾珠絲杠副預緊力max31FP?其中 Fmax=500N，E p=167N3.2.6 行程補償值與與拉伸力（1）行程補償值3108.????tLuC(3.3 )式中： ank2u?Lk=300mm，L n=90mmLa=（2～4）P h=15mmLu≈420mm溫差取 2.5℃t?C≈12μm13(2) 預拉伸力 2t95.1tdF??代入得 Ft=4535N3.2.7 確定滾珠絲杠副支承用的軸承（1）所承受的軸向力為maxaxtB??得 Fbmax=5035N（2）軸承類型采用一端固定，一端游動的安裝方式，游動端選用型號為 6005 的深溝球軸承，固定端選用型號為 51205 的推力球軸承。（3） 軸承內(nèi)徑d 略小于 d2=30.5 ，F(xiàn) BP=1/3FBmax取 d=30mm 代入得 FBP=1678N（4）軸承預載預緊力應大于 FBP（5）軸承型號規(guī)格當 d=30mm 預加載荷應不小于 FBP故選用雙向推力球軸承d=30mm預加負荷為 2900＞F BP=1678N3.2.8 滾珠絲杠副具體結(jié)構(gòu)尺寸設計(1) 絲杠螺紋長度 Ls：Ls=Lu+2Le ，其中取 Le=40（2）兩固定支承距離 L1滾珠絲桿副螺母安裝聯(lián)接尺寸可查樣本（3）行程起點離固定支承距離 L0由絲桿設計尺寸有Ls=420，L 1=460，L=720，L 0=30。143.3 縱向滾珠珠絲桿副的計算與選型3.3.1 確定縱向滾珠絲杠副的導程maxhniVP??（3.4） Ph：縱向絲桿副的導程 mm Vmax：縱向移動速度 m/min nmax: 手輪最高轉(zhuǎn)速 r/mini:傳動比 因手輪與絲杠直聯(lián)，i=1 Vmax=0.5m/minnmax=100r/min代入得,P h=5mm按第 2 頁表，取 Ph=5mm3.3.2 絲桿的當量轉(zhuǎn)速與當量載荷導軌側(cè)面部分的重量，包括滑座，瞄準器，導軌座等,是縱向絲桿承重的主要來源，估計重量約為 300N。即滾珠絲桿副所受到的載荷 Fm=300N。根據(jù)預期載荷計算公式cawhmfLnC1063?（3.5）：預期額定動載荷 N按文獻[13]表 6.2-90 查得：輕微沖擊取 f w=1.3表 6.2-88 查得：1～3 取 fa=1表 6.2-89 查得：可靠性 97%取 fc=0.44Lh=250×16×10×0.5=20000h代入得:C am=7287N（2）滾珠絲杠副采用預緊方式，按最大載荷 Fmax計算：maxFfCe?按文獻[13]表 6.2-91 可知輕預載取 F e=6.7則有 Cam=3350N顯然，上述計算中最大值為 Cam=7287N153.3.3 允許的最小螺紋底徑（1）估算絲杠軸向變形量 m?重復定位精度的（1/3～1/4）??min0kF?一般估算 ≤定位精度的 1/4～1/5: 最大允許軸向變形量，單位 μm重復定位精度為 10μm, 定位精度為 25μm，可得：（1） =3m?（2） =6取其最小值 =3μm。(2）估算最小螺紋底徑滾珠絲桿采用一端固定，一端游動的安裝方式，消除滾珠絲桿的軸向間隙，免除溫度高可能導致的熱變形，此為常用的安裝方式。 m0m0239.1???LFEd?: 最小螺紋底徑(1.1～1.2)行程+（10～14）P h靜摩擦力 10W??已知：行程為 300mm,W1=1000N, μ 0=0.2 代入得 L=420mm，F(xiàn) 0=200N ，d 2m=6.5mm3.3.4 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號（1）以雙螺母墊片作為絲桿的預緊方式。（2） 根據(jù)計算結(jié)果 選取符合條件的滾珠絲杠副madCP2h,FFZD3205-3 Ph=5mmCa=13000＞C am=7287N d2=30.5＞d 2m=6.5 3.3.5 確定滾珠絲杠副預緊力(3.6)max31FP?其中 Fmax=500N，Ep=167N163.3.6 行程補償值與與拉伸力（1）行程補償值 3108.????tLuC式中： ank2?Lk=300mm，L n=90mmLa=（2～4）P h=15mmLu≈420mm溫差取 2.5℃t?C≈12μm(2) 預拉伸力 2t9.1tdF?代入得 Ft=4535N3.3.7 確定滾珠絲杠副支承用軸承形式（1） 軸承所承受的最大軸向載荷maxaxtB??代入得 Fbmax=5035N（2）軸承類型采用一端固定，一端游動的安裝方式，游動端選用型號為 6005 的深溝球軸承，固定端選用型號為 51205 的推力球軸承。（3） 軸承內(nèi)徑d 略小于 d2=30.5 ，F(xiàn) BP=1/3FBmax取 d=30mm 代入得 FBP=1678N（4）軸承預緊力預加負荷≥F BP（5）按樣本選軸承型號規(guī)格當 d=30mm 預加負荷為：≥F BP所以選 7602030TVP 軸承d=30mm預加負荷為 2900＞F BP=1678N3.3.8 滾珠絲杠副工作圖設計(1) 絲杠螺紋長度 Ls：17Ls=Lu+2Le ，由表二查得余程 Le=40（2）兩固定支承距離 L1滾珠絲桿副螺母安裝聯(lián)接尺寸可查樣本（3）行程起點離固定支承距離 L0由縱向絲桿設計尺寸有Ls=390，L 1=430，L=690，L 0=30。3.4 直線導軌的設計計算與選型3.4.1 預選滾動直線導軌副的型號，規(guī)格，進行初步設計查參考文獻[13]表 6.3-15，選用 GGB 型滾動直線導軌。導軌的受力在各個方向均相等。按表 6.3-11，選擇導軌精度等級為 4 級。考慮精度及平衡性，基座上應采用雙導軌的形式，而導軌上均安裝兩個滑塊。選用導軌型號的規(guī)格為 30。選用型號為 GGB30BA 型導軌 。]9[選擇導軌的預加載荷為普通載荷，則有 P=690N。導軌是承受力的主要部件。本設計的橫向和縱向?qū)к壘捎脙蛇厡ΨQ導軌支撐，一條導軌安裝兩個滑塊。則在一般情況下有：FG??4max本設計移動部件重量Ｇ＝500N，預緊力為 F=690N，得最大工作載荷=815N=0.815kN。maxF初選直線滾動導軌副的型號為 GGB30BA 型，其額定動載荷 Ca=17.7KN，額定靜載荷 C0=22.6KN。查表選取導軌的長度為 810mm。3.4.2 計算導軌的壽命（3.7）50)(3???cwtFfL式中：f t：溫度系數(shù)。查參考文獻[13]由表 6.3-3，取 ft=1fc：接觸系數(shù)。查表 6.3-4，f c=0.81fw：載荷系數(shù)。查表 6.3-5，f w=1.2壽命 kmFCfLccwt 1.20945)7.2416.801(5)( 33 ???????根據(jù)要求所知其壽命要在 10 年以上，一年 300 天，一天 8 小時；假設每分鐘走1 個行程，則 kmh 56104.60833?????18由以上計算可知選用導軌的壽命大于設計要求的壽命，故符合要求。3.5 蝸輪蝸桿設計3.5.1 傳動機構(gòu)選用蝸輪蝸桿由第二章方案論證選用蝸桿傳動作為手輪與滾珠絲桿之間連接的傳動形式。本設計選用兩軸線交角為 90°的蝸輪傳動。根據(jù)反向自鎖的作要求，選用漸開線蝸桿（ZI 型） 。3.5.2 蝸輪蝸桿的材料的選用蝸桿：由于蝸桿轉(zhuǎn)動帶動主軸的旋轉(zhuǎn)，只需很小的傳動功率，速度也比較低，所以蝸桿選用 45 鋼：同時為了是蝸桿的傳動效率高些，耐磨性好些，需對蝸桿螺旋齒面進行淬火處理 。]10[蝸輪：蝸輪的材料選用鑄造錫磷青銅 ZCuSn10P1。3.5.3 按齒面接觸疲勞強度進行設計在齒面接觸疲勞強度設計的基礎上校核齒根彎曲疲勞強度。由參考文獻[11]查得蝸桿傳動中心距的計算公式：a≥ （3.8）??32??????HEZKT??（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 T2蝸桿齒數(shù)為 Z1=1，設蝸桿傳動效率 η=0.8，則有T2=9.55×106×P2/n2=100N.mm（2）確定載荷系數(shù) K因蝸桿受力較穩(wěn)定，故載荷分布不均系數(shù) Kβ取為 1，由文獻[11]表 11-5，載荷均勻選取使用系數(shù) KA=1，由于設計中的蝸桿轉(zhuǎn)速較低，取動載系數(shù) KV=1.05，則K=Kβ×KA×KV=1.05（3）確定彈性影響系數(shù) ZE當鑄錫青銅蝸輪和鋼蝸桿相配時，Z E=160MPa?（4）確定接觸系數(shù) Zρ設蝸桿的參數(shù) d1 與傳動中心距 a 之比為 d1/a=7/20=0.35，由參考文獻[11]圖11-8 可查得 Zρ =2.95。（5）確定許用接觸應力[σ H]19根據(jù)蝸輪材料采用青銅合金 ZCuSn10P1，蝸桿螺旋齒面硬度應大于 45HRC，由參考文獻[11]表 11-7 中查得蝸輪的基本許用應力[σ H]′=268MPa應力循環(huán)次數(shù) N=60jn 2Lh=60×1×1450/20×12000=5.22×107壽命系數(shù) K HN= =0.8134870.51?σ H= KHN×[σ H]′ =0.8134× 268=218MPa。（6）計算中心距a≥ =8.5mm32189.6021. ??????取中心距 a=63，蝸桿分度圓直徑為 22.4，蝸桿的模數(shù) m=1.25，d1/a=0.35,從參考文獻[11]圖 11-18 中可查得接觸系數(shù) Zρ ′=2.9，Z ρ ′ Zρ ,因此以上計算滿足要求。3.5.4 蝸輪與蝸桿的主要參數(shù)（1）蝸桿蝸桿的基本尺寸查參考資料表 3-6-6（GB/T10085-1988）選有合適的數(shù)值。尺寸參數(shù)如下：模數(shù) m=1.25；齒頂圓直徑 da1=24.9；軸向齒距 Pa=3.927；分度圓直徑 d1=22.4；蝸桿頭數(shù) Z1=1；齒根圓直徑 df1=19.4；直徑系數(shù) q=17.92；分度圓柱導程角 γ=3°11′38″；加工精度為 7 級。（2）蝸輪由參考文獻[11]表 3-6-5 查得圓柱蝸桿和蝸輪相匹配的參數(shù)（GB/T10085-1988）蝸桿與蝸輪的數(shù)值如下：中心距 a=63；傳動比 i=82；模數(shù) m=1.25；蝸輪齒數(shù) Z2=82；蝸輪變位系數(shù) X2=+0.440；20蝸輪分度圓直徑 d2=mz2=1.25×82=102.5；蝸輪喉圓直徑 da2=d2+2ha2=102.5+2m(ha*+x2)=102.5+2×1.25×(1+0.440)=106.1；蝸輪齒根圓直徑 df2=d2-2hf2=102.5-2×m（ha *-x2+c*）=102.5-2×1.25×（1-0.125+0.2）=99.81；蝸輪咽喉母圓半徑 rg2=a-0.5da2=63-53=10。3.5.5 校核齒根彎曲疲勞強度由參考文獻[11] 查得公式（11-13）F= ?2a2153.FYmdKT?????當量齒數(shù) ZV2=Z2/COS3γ=82/0.995=85.86。根據(jù) x2=0.440，Z V2=85.86，可查得齒形系數(shù) YFa2=2.18。螺旋角系數(shù) Yβ =1-γ/140°=0.977許用彎曲應力[σ F]= [σ F]′× KFN查得本設計蝸輪的基本許用彎曲應力[σ F]′=56MPa壽命系數(shù) KFN = =0.644976102.5?[σ F]=56×0.644=36.08MPaσ F = 0.33MPa?92.8643.1即有 σ F [σ F]彎曲強度完全滿足強度要求。3.5.6 軸承的選用蝸桿傳動帶動滾珠絲桿運動，在這個運動過程中，蝸桿受到一定的軸向力。本設計采用角接觸球軸承，以面對面的形式組合。蝸桿軸系結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示。前端選用深溝球軸承，代號 6004；厚度 B=12，外徑 D=42，內(nèi)徑 d=20。后端選用一組面對面的角接觸球軸承，代號為 7004C；外徑 D=42，內(nèi)徑 d=20，厚度 B=12。21圖 3.1 蝸桿軸系結(jié)構(gòu)圖3.6 光柵尺的選型與安裝3.6.1 光柵尺的結(jié)構(gòu)與工作原理光柵尺是一種廣泛應用的位移傳感器。其測量輸出的數(shù)據(jù)具有誤差很小，測量精度很高，反應十分靈敏的優(yōu)點。光柵尺的結(jié)構(gòu)主要有兩個組成部分，即主尺和讀數(shù)頭。一般情況下兩者應安裝在相對運動的物體上。通過兩者產(chǎn)生的相對運動來進行位移測量。在光源照射下，由光的衍射作用產(chǎn)生莫爾條紋。這樣，檢測莫爾條紋移動的變化就可測量出光柵水平方向移動的微小距離。3.6.2 光柵尺的選型{1}準確度等級的選擇根據(jù)對刀儀設計精度的要求選擇準確度等級為 0.01mm 的光柵尺。{2}光柵尺型號的選擇選用型號為 SCR3923 的光柵尺。3.6.3 光柵尺的安裝方式 光柵主尺應安裝在讀數(shù)頭上方，以避免讀數(shù)頭受到外部環(huán)境的影響。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在對刀儀機座相對運動的兩個部件上。光柵主尺固定在底座內(nèi)壁上，而光柵讀數(shù)頭則通過支架用螺釘連接到滾珠絲桿螺母座上，隨著絲桿的運動而移動。22第 4 章 主軸系統(tǒng)分析設計4.1 主軸傳動機構(gòu)的設計4.1.1 蝸桿傳動的選用本設計中的蝸輪蝸桿需要能反向自鎖，選用漸開線蝸桿（ZA 型） 。4.1.2 蝸輪蝸桿的材料的選用蝸桿：由于蝸桿轉(zhuǎn)動帶動主軸的旋轉(zhuǎn)，只需很小的傳動功率，速度也比較低，所以蝸桿選用 45 鋼：同時為了是蝸桿的傳動效率高些，耐磨性好些，需對蝸桿螺旋齒面進行淬火處理。蝸輪：蝸輪采用青銅合金 ZCuSn10P1 制造。4.1.3 按齒面接觸疲勞強度設計蝸桿查得蝸桿傳動中心距的計算公式：a≥ （4.1）??32??????HEZKT??（1）確定蝸輪所受的轉(zhuǎn)矩 T2按 Z1=1，估取效率 η=0.8，則有T2=9.55×106×P2/n2=100N.mm（2）確定載荷系數(shù) K因蝸桿受力較穩(wěn)定，故載荷分布不均系數(shù) Kβ取為 1，由文獻[11]表 11-5，載荷均勻選取使用系數(shù) KA=1，由于設計中的蝸桿轉(zhuǎn)速較低，取動載系數(shù) KV=1.05，則有K=Kβ×KA×KV=1.05。（3）彈性影響系數(shù) ZE的確定取 ZE=160MPa?（4）確定接觸系數(shù) Zρ設定蝸桿的參數(shù) d1 與傳動中心 a 之比值為 d1/a=7/20=0.35，由參考文獻[11]圖 11-8可查得 Zρ =2.95。（5）確定許用接觸應力[σ H]根據(jù)蝸輪材料采用青銅合金 ZCuSn5Pb5Zn5，蝸輪的基本許用應力[σ H]′=268MPa應力循環(huán)次數(shù) N=60jn 2Lh=60×1×1450/20×12000=5.22×10723壽命系數(shù) K HN= =0.813487102.5?σ H= KHN×[σ H]′ =0.8134× 268=218MPa。（6）計算中心距a≥ =8.5mm321895.6021. ???????按照設計的需要，取中心距 a=100，蝸桿分度圓直徑為 28，模數(shù) m=1.6，d1/a=0.35,從參考文獻[11]圖 11-18 中可查得接觸系數(shù) Zρ ′=2.9，Z ρ ′ Zρ ,因此以上計算滿足要求。4.1.4 蝸輪與蝸桿的主要參數(shù)（1）蝸桿蝸桿的基本尺寸查參考資料表 3-6-6（GB/T10085-1988）選有合適的數(shù)值。尺寸參數(shù)如下：模數(shù) m=2；軸向齒距 Pa=6.283；分度圓直徑 d1=32；蝸桿頭數(shù) Z1=1；直徑系數(shù) q=17.75；齒頂圓直徑 da1=35.2；齒根圓直徑 df1=28；分度圓柱導程角 γ=3°13′28″；加工精度為 7 級。（2）蝸輪由參考文獻查得圓柱蝸桿和蝸輪相匹配的參數(shù)（GB/T10085-1988）蝸桿與蝸輪的數(shù)值如下：中心距 a=100；傳動比 i=82；模數(shù) m=2；蝸輪齒數(shù) Z2=82；蝸輪變位系數(shù) X2=+0.125；蝸輪分度圓直徑 d2=mz2=2×82=164；蝸輪喉圓直徑 da2=d2+2ha2=164+2m(ha*+x2)=164+2×1.6×(1+0.125)=167.6；