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軸類零件加工誤差分析及檢測裝置設計說明書 目 錄 摘要..............................................................................2 Abstract.....................................................................................3 第一章緒論................................................5 1.1引言.....................................................5 1.2技術(shù)特點.................................................5 1.3 非接觸式測量及光電傳感器的應用...........................5 1.4 軸類零件加工誤差分析及檢測裝置的設計思路.................7 第二章傳動機構(gòu)和測量平臺的設計.......................7 2.1導軌的選擇...............................................7 2.2導軌的確定...............................................9 2.3絲桿的確定選擇與計算………………………………………………10 2.4 齒輪選擇計算與校核......................................20 2.5 同步帶輪選擇............................................22 2.6 步進電機選取與計算......................................25 第三章光電傳感器的選擇................................27 3.1光電傳感器的選型........................................27 3.2 LS-7000系列測量頭的選取.................................29 3.3.測量軸的應用............................................32 第四章主軸數(shù)控車削加工工藝及編程設計...............33 第五章 軸類零件加工工藝設計..........................34 5.1 主軸零件的工藝分析......................................35 5.2 零件的尺寸標注分析......................................36 5.3 零件的幾何要素分析......................................37 5.4 零件的技術(shù)要求分析......................................38 5.5毛坯及夾具的確定........................................39 5.5.1毛坯的確定..........................................40 5.6刀具的選擇.............................................47 5.6.1刀具材料的選擇.....................................49 5.6.2常用的車刀的選用...................................50 5.6.2.1外圓、端面車刀的選用.............................51 5.7該零件加工所需用到的刀具................................52 5.8工藝路線及其工藝卡片....................................53 5.9工藝卡片的確定..........................................54 5.10主要加工程序清單.......................................56結(jié)論.......................................................57 致謝………………………………………………………………………..59 參考文獻…………………………………………………………………60 摘要 軸類零件加工誤差分析及檢測裝置采用精密機械、光柵、微型計算機等技術(shù)，為滿足汽車、摩托車發(fā)動機軸、汽車前后橋剎車軸等檢測要求而特殊設計制造的新型測量裝置，可測量軸的桃形型而誤差、桃形對定位鍵槽的相位角誤差、桃形間相位角誤差、軸徑的徑向跳動及速度、加速度等測量項目。裝置采用通用微機系統(tǒng)進行測量循環(huán)控制、測量數(shù)據(jù)采集處理以及測量誤差評值和測量結(jié)果輸出。最大軸測量長度可達1.5米。 非接觸式測量是指不接觸被測物體的前提下進行精準測量。其測量精度可以達到μm，非接觸式測量裝置利用CCD采集變焦鏡下樣品的影像,再配合XYZ軸移動平臺及自動變焦鏡，運用影像分析原理，通過計算機處理影像信號，對科研生產(chǎn)零件進行精密的幾何數(shù)據(jù)的測量，并可進行CPK數(shù)值的分析。 關(guān)鍵詞：軸；測量裝置；非接觸；光電傳感器 Abstract Camshaft measuring instrument with precision machinery, grating, micro-computer technology, to meet the automotive, motorcycle engine camshaft, cam brakes front and rear axles and other automotive testing requirements and special design and manufacture of new measuring instruments, to measure camshaft Peach Type of error, Peach keyway positioning error of the phase angle, phase angle error between Peach, and the cam shaft of the radial velocity, acceleration and other measurements. Equipment using a common computer system for measuring loop control, measurement data acquisition and processing, and measurement error evaluation and measurement results output. Camshaft measurements maximum length of up to 1.5 meters. Non-contact non-contact measurement is the premise of the measured object for accurate measurements. The measurement accuracy can be achieved μm non-contact measuring microscope samples using CCD image acquisition zoom, coupled with the XYZ axes mobile platform and automatic zoom lens, the use of image analysis principle, through computer processing the image signal, on the research and production of precision parts Measurement geometry, and numerical analysis of the CPK. Keywords: Camshaft; measuring instrument; non-contact; photoelectric sensor. 第1章　緒 論 1.1 引言 軸類零件加工誤差分析及檢測裝置采用精密機械、光柵、微型計算機等技術(shù)，為滿足汽車、摩托車發(fā)動機軸類零件、汽車前后橋剎車軸等檢測要求而特殊設計制造的新型測量裝置，可測量軸類零件的桃形型而誤差、桃形對定位鍵槽的相位角誤差、桃形間相位角誤差、軸徑的徑向跳動和圓度及軸的速度、加速度等測量項目。裝置采用通用微機系統(tǒng)進行測量循環(huán)控制、測量數(shù)據(jù)采集處理以及測量誤差評值和測量結(jié)果輸出。最大軸類零件的測量長度可達1.5米。 1.2 軸類零件加工誤差分析及檢測裝置的技術(shù)特點 普通接觸性軸類零件測量裝置的技術(shù)特點如下： 1、機械主機采用被測軸類零件立式安裝結(jié)構(gòu)形式，整機由圓數(shù)控轉(zhuǎn)臺、垂直、徑向數(shù)控導軌三個坐標軸及測頭系統(tǒng)、機座、立柱等幾部分組成： 2、采用圓向、徑向及軸向光柵定位，以通用型微機進行測量控制、數(shù)據(jù)采集和誤差處理。三個坐標軸均采用電機驅(qū)動； 3、全自動測量循環(huán)，軸類零件一次安裝后，自動完成測量過程，并自動進行誤差評值和輸出測量結(jié)果； 4、通用測量軟件：配備相應鍵槽等定位裝置，一臺裝置滿足多種軸類零件的檢測的要求； 5、測量裝置同時滿足多種軸類零件的測量； 6、測量裝置的測頭部分可換（圓測頭、直線測頭、刀口測頭及店測頭）； 7、對軸類零件按實際鍵槽（或定位孔等）設計定位校正卡具。 1.3 非接觸式測量和光電檢測的技術(shù)特點 非接觸式測量是指不接觸被測物體的前提下進行精準測量。其測量精度可以達到μm非接觸式測量裝置利用CCD采集變焦鏡下樣品的影像,再配合XYZ軸移動平臺及自動變焦鏡，運用影像分析原理，通過計算機處理影像信號，對科研生產(chǎn)零件進行精密的幾何數(shù)據(jù)的測量，并可進行CPK數(shù)值的分析。 目前常見的非接觸測量有光學測量，紅外線測量，超聲波測量，電磁感應測量，視覺成像測量等等都是非接觸式測量。 針對軸類零件的非接觸式測量，則廣泛采用光電傳感器來測量，此類傳感器應用于測量裝置而用，在精密度上和準確性上很大的保證。 光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。 　　光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。 ①檢測距離長 　　如果在對射型中保留10m以上的檢測距離等，便能實現(xiàn)其他檢測手段（磁性、超聲波等） 無法離檢測。 　　②對檢測物體的限制少 　　由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，所以不象接近傳感器等將檢測物體限定 在金屬，它可對玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進行檢測。 　?、垌憫獣r間短 　　光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機械性工作時間，響應時間非常短。 　　④分辨率高 　　能通過高級設計技術(shù)使投光光束集中在小光點，或通過構(gòu)成特殊的受光光學系統(tǒng)，來實現(xiàn)高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。 　　⑤可實現(xiàn)非接觸的檢測 　　可以無須機械性地接觸檢測物體實現(xiàn)檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。 　?、蘅蓪崿F(xiàn)顏色判別 　　通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對檢測物體的顏色進行檢測。 　?、弑阌谡{(diào)整 在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調(diào)整。 1.4 軸類零件加工誤差分析及檢測裝置的內(nèi)容 整個軸類零件固定在上下頂錐上面，由于軸類零件的表面是曲線面，此非接觸性軸類零件加工誤差分析及檢測裝置就是用來測量軸類零件表面的圓度和圓跳動公差值。 本測量裝置在測量時，軸類零件的參數(shù)是變化的，這樣就引起了軸的外徑不同，所以在本測量系統(tǒng)中，在測量不同的軸類零件時，機械裝置應根據(jù)情況適當調(diào)整。 當直徑變化時，可以通過步進電機來調(diào)整本系統(tǒng)工作臺的位置，使光電傳感器測頭能在正確位置測量。還要調(diào)整激光測頭的位置，來適應軸類零件的直徑的變化。在本系統(tǒng)中測量軸類零件時，本系統(tǒng)中設計了采用對射型傳感器，一個測量頭負責發(fā)出紅外光，一個測量頭負責接收光源。 1.5光電傳感器的選擇 本測量系統(tǒng)采用的是光穿透型光電傳感器，這里我們采用的是基恩士的LS-7000系列： 1.5.1 LS-7000 系列產(chǎn)品特性 LS-7000 系列產(chǎn)品是一款高速、高精度的數(shù)字測微計，無需接觸目標物即可對其尺寸進行測量。該系列用途廣泛，可應用于聯(lián)機測量和脫機測量。每秒 2400 次的高速采樣可以確保達到兩倍于普通型號的采樣速度。這樣就可以對擠壓制品進行連續(xù)測量以及對運動工件進行聯(lián)機測量。重復精度為 0.15 μm配備最新的光學系統(tǒng)，確保兩倍于普通型號的重復精度，從而為高精度產(chǎn)品的制造提供了有力的支持。連接兩個測量頭進行雙渠道同步測量結(jié)合使用兩個測量頭可對兩個目標物進行同步測量。利用閾值更改功能對透明目標物進行穩(wěn)定的檢測DE 處理器支持閾值更改功能，這樣就可以對透明目標物進行穩(wěn)定的檢測。 1.5.2測量原則 高亮度 GaN 綠色 LED 輻射光能夠通過專用的散射模組和準直裝置鏡頭變成均勻的平行光，并照射到測量范圍內(nèi)的目標物上。然后目標物的影像即通過遠心光學系統(tǒng)顯示在HL-CCD (高速線性 CCD) 上。HL-CCD (高速線性) 的輸出入射信號將由控制器中的DE (數(shù)字邊緣檢測) 處理器和 CPU 進行處理。因此，目標物的尺寸規(guī)格就可以被顯示和輸出。 1.6 軸類零件圓度和圓跳動測量方法 1.6.1軸類零件圓度測量方法 圓度公差帶是在同一正截面上，半徑差為公差值t的兩同心圓之間的區(qū)域。 例如，被測圓柱面任一正截面的圓周必須位于半徑差為公差值0.03的兩同心圓之間 用光電傳感器測量示意如下： 光電傳感器 接收器 軸 光電傳感器 發(fā)射器、 傳感器發(fā)射器發(fā)出紅外線光透過軸類零件，接收器接收發(fā)出的光源，在此時光源經(jīng)過軸類零件的表面，得出此時軸類零件的軸徑，軸徑除以二便得半徑值；軸類零件再旋轉(zhuǎn)到另一位置時，又測出此時的軸徑，便得出此處位置的半徑值，依次下去當軸類零件轉(zhuǎn)一周后，我們測量出軸類零件表面的多處半徑值，得出的這些半徑值上下波動在一定范圍內(nèi)，這樣就得出軸類零件的圓度值。比如測量的幾處半徑值分別是15.032、15.028、15.034、15.029、15.030等，這樣測量的幾處半徑值差值為0.006mm，即測得被測量的軸類零件該處圓度為0.006mm。 1.6.2軸類零件圓跳動度測量方法 圓跳動公差，指的是徑向圓跳動，公差帶是在垂直于基準軸線的任一測量平面內(nèi)半徑差為公差值t，且圓心在基準軸線上的兩個同心圓之間的區(qū)域，當被測要素圍繞公共基準線A—B(公共基準軸線)旋轉(zhuǎn)一周時，在任一測量平面內(nèi)的徑向圓跳動量均不得大于0.1 軸類零件 光電傳感器 發(fā)射器 用光電傳感器測量方法如下： 光電傳感器 接收器 軸類零件兩端靠圖示兩個箭頭位置的兩個頂尖定位，這樣便確定測量此處的圓跳動的基準軸線為軸類零件的整個中心軸線，同樣軸類零件繞著基準線轉(zhuǎn)動一周，傳感器按測量圓度的原理一樣，分別測量出轉(zhuǎn)動一周時多處的軸徑值，即可得半徑值，最大半徑值和最小半徑值的差即為該處段的圓跳動公差值。 1.7 軸類零件加工誤差分析及檢測裝置機械系統(tǒng)總體方案 1.7.1 機械系統(tǒng)分析 在深入了解測量裝置的性質(zhì)和特點，掌握軸類零件加工誤差分析及檢測裝置的工作原理，提出系統(tǒng)的可行性分析。對非接觸軸類零件參數(shù)化測量裝置有多種形式，本裝置采用Z軸方向為軸類零件的轉(zhuǎn)動方向，兩側(cè)裝光電傳感器的，光電傳感器可以在X軸方向上左右移動，同樣整個兩側(cè)測量裝置可以Y軸上下移動。Z軸軸類零件轉(zhuǎn)動用步進電機驅(qū)動，X，Y兩個方向用步進電機帶動同步輪驅(qū)動滾珠絲杠副，軸類零件表面采用光投射型傳感器，裝在軸類零件的兩側(cè)。 1.7.2 機械系統(tǒng)總體方案和布局 1、測量裝置總體布局的基本要求有以下幾點： （1）首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性等各種要求。確保實現(xiàn)既定工藝方法所要求的被測軸類零件和光電傳感器的相對位置與相對運動。 （2）在經(jīng)濟、合理的條件下，盡量采用簡單的傳動鏈，以簡化機構(gòu)，提高傳動精度和傳動效率。結(jié)構(gòu)簡單，合理可靠，便于測量和裝配，便于防護和維修；體積小，重量輕，節(jié)約原材料，降低制造成本。在滿足總體布局的基本要求的基礎(chǔ)上，還應當考慮影響軸類零件測量裝置布局的基本因素。 2、測量裝置基本布局形式采用以下方案，如下圖： 1.7.3 非接觸圓柱直齒輪測量裝置的系統(tǒng)構(gòu)成 1、主軸傳動裝置 上頂尖 下頂尖 軸類零件 主軸 齒輪嚙合 轉(zhuǎn)動電機 主軸傳動裝置為軸類零件轉(zhuǎn)動裝置，由轉(zhuǎn)動電機帶動齒輪傳動主軸，軸類零件靠上下頂尖定位固定住。 2、測量裝置 對射型光電傳感器 步進電機同步帶輪機構(gòu) 同步帶輪機構(gòu) 直線導軌+滑塊 步進電機 兩側(cè)測量裝置均采用步進電機帶動滾珠絲桿上下移動，傳感器的左右移動靠步進電機帶動同步輪機構(gòu)，整個測量裝置裝在直線導軌+滑塊機構(gòu)上，實現(xiàn)精確移動和定位。 第2章　機械系統(tǒng)的設計 2.1 步進電機的選用 2.1.1 測量裝置步進電機的選用 1、各參數(shù)設定 滑塊工作重量臺w=60N 工作臺上最大承受重量為200N 滑塊與導軌貼塑板間摩擦系數(shù)=0.08 滑塊進給速=1～1000毫米/分 滾珠絲桿導程Lp=1.5毫米 滾珠絲桿節(jié)圓直徑（名義直徑）=12毫米 絲桿總長=320毫米 定位精度0.001毫米 2、確定步進電動機的型號 （1）脈沖當量的選擇，脈沖當量：一個指令脈沖使步進電動機驅(qū)動拖動的移動距離=0.01mm/p（輸入一個指令脈沖工作臺移動0.01毫米）[7]。 初選之相步進電動機的步距角0.60 /1.20 ，當三相六拍運行時，步距角￡=0.60 其每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)S==600 p/r 步進電動機與滾珠絲桿間的傳動比i為1 （2）等效負載轉(zhuǎn)矩的計算[7] 1、空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩 得= =0.014N.M 2、測量裝置工作時的轉(zhuǎn)矩 得=0.467N.M 得電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩為（0.3～0.5）TL=（0.1152～0.192）N.M （3）等效轉(zhuǎn)動慣量計算 1、滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量 Js= Js=5.146x10-6 kgm2 2、滑塊的運動慣量 得JW=3.419x10-7 kgm2 換算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 JL= 得JL=0.00035 kgm2 （4） 初選步進電動機型號，根據(jù)TL=（0.1152～0.192）N.M和電動機總轉(zhuǎn)動慣量=0.00035初步選定電動型號為85BYG3H358B反應式步進電動機。該電動機的最大靜扭距Tmax=6.0N.M 查表選用兩個85BYG3H358B型步進電機。 電機的有關(guān)參數(shù)見下表2.1： 表2.1 測量裝置步進電機參數(shù) 型號 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸（mm） 重量 (N) 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動頻率 （step/s） 相數(shù) 電壓 (V) 電流 (A) 外徑 長度 軸徑 85BYG3H358B 0.6-1.2 6.0 500 3 60 5.8 85 97 12 35 2.1.2 測量裝置及上頂針Y軸移動步進電機的選用 1、各參數(shù)設定 滑塊工作重量臺w=90N 工作臺上最大承受重量為400N 滑塊與導軌貼塑板間摩擦系數(shù)=0.08 滑塊進給速=1～1000毫米/分 滾珠絲桿導程Lp=1.5毫米 滾珠絲桿節(jié)圓直徑（名義直徑）=12毫米 絲桿總長=1000毫米 定位精度0.001毫米 2、 確定步進電動機的型號 3、 （1）脈沖當量的選擇，脈沖當量：一個指令脈沖使步進電動機驅(qū)動拖動的移動距離=0.01mm/p（輸入一個指令脈沖工作臺移動0.01毫米）[7]。 初選之相步進電動機的步距角0.60 /1.2 ，當三相六拍運行時，步距角￡=0.60其每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)S==4600 p/r 步進電動機與滾珠絲桿間的傳動比i為1 （2）等效負載轉(zhuǎn)矩的計算[7] 1、空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩 得= =0.025N.M 2、測量裝置工作時的轉(zhuǎn)矩 得=0.56N.M 得電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩為（0.5～0.7）TL=（0.1352～0.232）N.M （3）等效轉(zhuǎn)動慣量計算 1、滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量 Js= Js=1.6x10-5 kgm2 2、滑塊的運動慣量 得JW=5.7x10-7 kgm2 換算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 JL= 得JL=0.00035 kgm2 （4） 初選步進電動機型號，根據(jù)TL=（0.1352～0.232）N.M和電動機總轉(zhuǎn)動慣量=0.00035初步選定電動型號為110BYG3H525反應式步進電動機。該電動機的最大靜扭距Tmax=8.0N.M 表2.2 Y軸步進電機參數(shù) 型號 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸（mm） 重量 (N) 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動頻率 （step/s） 相數(shù) 電壓 (V) 電流 (A) 外徑 長度 軸徑 110BYG3H525 0.6-1.2 8.0 500 3 60 2.5 110 126 16 50 2.1.3 主軸步進電機的選擇 1、設計參數(shù) 主軸最大承受重量為200N； 被測軸類零件直徑為d=65mm，長度365mm 傳動兩個齒輪的直徑分別為222和123mm，厚度均為30mm 定位精度0.001毫米； 被測量軸類零件的轉(zhuǎn)動慣量 +me2 Jg=4.99X10-2 kgm2 傳動齒輪1的慣量為J=1/8md2+me2=0.05 kgm2 傳動齒輪2的慣量為J=1/8md2+me2=0. 55 kgm2 總的轉(zhuǎn)動慣量為0.049+0.05+0.55=0.649 kgm2 可得電機的轉(zhuǎn)動慣量為0.649，初步選定電動型號為110BYG3H525反應式步進電動機。 查表選用110BYG3H525型步進電機。 表2.3 主軸電機參數(shù) 型號 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸（mm） 重量 N 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動頻率 （step/s） 相數(shù) 電壓 (V) 電流 (A) 外徑 長度 軸徑 110BYG3H525 0.6/1.2 12 480 3 60 3.5 110 150 20 70 2.2齒輪選擇計算與校核 2.2.1齒輪的選擇 1）選擇小齒輪材料為45（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 2） 精度等級選用7級精度； 3）小齒輪齒數(shù)z1＝41，大齒輪齒數(shù)z2＝74的； 4） 齒輪模數(shù)都為3的直齒輪 2.2.2按齒面接觸強度設計 因為低速級的載荷大于高速級的載荷，所以通過低速級的數(shù)據(jù)進行計算 1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （1） 試選Kt＝1.6 （2）選取區(qū)域系數(shù)ZH＝2.433 （3）選取尺寬系數(shù)φd＝1 （4）查得εα1＝0.75，εα2＝0.87，則εα＝εα1＋εα2＝1.62 （5）查得材料的彈性影響系數(shù)ZE＝189.8Mpa （6）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim1＝600MPa；大齒輪的解除疲勞強度極限σHlim2＝550MPa； （7）計算應力循環(huán)次數(shù) N1＝60n1jLh＝601921（283005）＝3.3210e8 N2＝N1/5＝6.64107 （8） 查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1＝0.95； KHN2＝0.98 （9） 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1％，安全系數(shù)S＝1，由得 [σH]1＝＝0.95600MPa＝570MPa [σH]2＝＝0.98550MPa＝539MPa [σH]＝[σH]1＋[σH]2/2＝554.5MPa 2.2.3齒輪的校核 m=3,Z1=41,Z2=74, 兩齒輪材料均選用45,表面淬火，48~55HRC。 查得： 預期齒輪壽命5年，每天工作12小時，工作載荷輕微沖擊，則 查《機械設計基礎(chǔ)》圖，得： (1) 驗算齒面接觸疲勞強度 載荷系數(shù)，取K=1.5 查得： 接觸應力為： (2)驗算齒根彎曲疲勞強度 取 K=1.5 查表：許用彎曲應力： 彎曲疲勞強度的最小安全系數(shù)，取 則： 由上述計算可知，均滿足要求。 2.3 軸的設計 2.3.1 主軸的設計 軸是組成精密機械的重要零件之一。一切作為回轉(zhuǎn)運動的零件，都必須在軸上才能傳遞運動和動力。在本課題所使用的軸，承受的負荷比較小，尺寸也比較小，制造精度高，要求材料具有足夠高的機械強度和良好的加工性能。因此，選用材料40Cr，熱處理為對軸進行調(diào)質(zhì)處理。 由于主軸轉(zhuǎn)動電機軸徑為20mm，連接的聯(lián)軸器與輸入軸的軸徑也為20mm，傳動的齒輪中間孔即為20mm，中間端軸徑為25mm。 此輸入軸大致圖形如下： 輸出軸段的軸直接連接下頂尖頂住軸類零件，可以將下頂尖連同輸出軸作為一個整體的輸出軸，由于傳動齒輪的中間孔為30mm，與齒輪連接的軸徑為30mm，與下頂尖連接段的軸徑為20mm，中間段為25mm。輸入軸的大致圖形如下： 2.3.2 主軸的校核和軸承的選擇 1、軸的較核 一般而言，軸的強度是否滿足要求只需對危險截面進行校核即可，而軸的危險截面多發(fā)生在當量彎矩最大或當量彎矩較大且軸的直徑較小處。根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸和當量彎矩圖可知，截面與電機連接處彎矩最大, 且截面尺寸也非最大, 屬于危險截面；校核公式[6]： （2.13） ，圓角處的有效應力集中系數(shù)， ， ， ； 上式中，Z和Zp—軸在截面的抗彎和抗截面模數(shù)； M、T—軸在計算截面上的抗彎和抗扭截面系數(shù)； 、—有效應力集中系數(shù)； —疲勞極限； [s]—許用安全系數(shù)； —表面粗糙度系數(shù)； —表面狀態(tài)系數(shù)； 、—絕對尺寸影響系數(shù)。 D—軸徑；b—鍵的寬度。查機械設計手冊得： [s]=2.2；為275N/mm；T為7.84N/m； =2.45； =1 =0.91；=1.7 ；=0.89；t=1.8mm ；=2.5。==3605.4 ==1253.6 ==0.858 ==1.076 M=0.418 N/m 機床允許的最大扭矩[6]。 S==6.89 S≥[S] 符合安全系數(shù) 2、軸承的選擇和校核 由于輸入軸端和輸出端軸徑均為20mm，工作時為輕度沖擊，正常工作溫度，預期壽命為5000h，所選擇的軸承為6004，查手冊可知道軸承6004的基本額定負載Cr=9.38kN,基本額定負載荷Cor=5.02kN Fa/Cor=e=0.228查表可知道e=0.38，徑向力 ；轉(zhuǎn)速 ；基本額定動載荷 ；基本額定靜載荷；極限轉(zhuǎn)速 ；壽命系數(shù)。 查表可得判斷系數(shù)；軸向載荷系數(shù),；載荷系數(shù)； 當量動載荷 軸承壽命。 軸承壽命要求合格。 2.4導軌的選擇 導軌主要根據(jù)導軌副之間的摩擦情況，導軌分為： （1）滑動導軌 兩導軌之間為滑動摩擦。結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，剛度好，抗振性高，是機床上最廣泛采用的。 特點：導向精度高，不會出現(xiàn)間隙，能自動補償磨損。一般選取三角形頂角γ=90,重型機械采用大頂角γ=110～120。當水平力大于垂直力，V形導軌兩側(cè)受力不均勻時，采用不對稱V形導軌。直線導軌和圓導軌均可采用 　　承載能力大，制造方便。必須留有側(cè)向間隙。不能補償磨損。用鑲條調(diào)整時，會降低導向精度。 需注意導軌的保護。直線導軌和圓導軌均可采用 尺寸緊湊，適用于要求高度小﹑導軌層數(shù)多的場合?？蓸?gòu)成閉式導軌。用一根鑲條可以調(diào)整各面的間隙。剛度比平面導軌小。制造簡單，彎曲剛度小，主要用于受軸向載荷的導軌。適用于同時作直線和旋轉(zhuǎn)運動的場合。 （2）滾動導軌 滾動直線導軌副是由導軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成。當導軌與滑塊作相對運動時，鋼球就沿著導軌上的經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通過返向裝置（返向器）進入返向孔后再 進入滾道，鋼球就這樣周而復始地進行滾動運動。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進入滑塊內(nèi)部。 特點： 滾動直線導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當?shù)匿撉颍够瑝K與導軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而獲得： 動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應速度和靈敏度。 驅(qū)動功率大幅度下降，只相當于普通機械的十分之一。與V型十字交叉滾子導軌相比，摩擦阻力可下降約40倍。 適應高速直線運動，其瞬時速度比滑動導軌提高約10倍。能實現(xiàn)高定位精度和重復定位精度。 能實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度。 成對使用導軌副時，具有“誤差均化效應”，從而降低基礎(chǔ)件（導軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎(chǔ)件的機械制造成本與難度。導軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點接觸時大大提高，滾動摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。 導軌采用表面硬化處理，使導軌具有良好的可校性；心部保持良好的機械性能。簡化了機械結(jié)構(gòu)的設計和制造。 2.5導軌的確定 查《機械設計手冊3》第二版選取直線滾動導軌副系列，又根據(jù)機床設計要求的特點，本設計初步選擇: (1)直線滾動導軌副選取四方向等載荷型（GGB型），其特點是：垂直向上向下和左右水平額定載荷是等同的，額定載荷比較大，剛度高。 (2)尺寸規(guī)格初選45，其結(jié)構(gòu)形式選擇AA 型。 (3)每根導軌上的滑塊數(shù)為2。 (6)查出全自動軸承磨床推薦的精度等級為3。 (7)導軌的材料為HT200. 初步確定直線滾動導軌的型號為GGB45AA1C123 選擇用南京工藝設備制造廠的滾動直線導軌如圖1 2.6絲桿的確定選擇與計算 2.6.1 確定滾珠絲杠副的導程 因同步皮帶輪直徑相等，皮帶輪與絲杠直聯(lián)，i=1 由表1查得 V=8m/min n=1000r/min 代入得， P≈1.516mm 由于計算出的P值應取較大值圓整，因此 P=1.5mm 2.6.2 確定當量轉(zhuǎn)速與當量載荷 （1）各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速 由表1查得V=0.6 V=0.8 V=1 V=8 代入得n=100 n=133 n=167 n=1333 （2）各種切削方式下，絲杠軸向載荷 由表1查得 已知W=3000N W=5000N 代入得 （3）當量轉(zhuǎn)速 由表1查得 代入得 n≈267r/min （3）當量載荷 代入得 F=1380N 2.6.3預期額定動載荷 （1） 按預期工作時間估算 按表9查得：輕微沖擊取 fw=1.3 按表7查得：1～3取 按表8查得：可靠性97%取fc=0.44 已知：Lh=20000小時代入得C=27899N （2）擬采用預緊滾珠絲杠副，按最大負載Fmax計算： 按表10查得：中預載取 Fe=4.5 代入得 取以上兩種結(jié)果的最大值 C=27899N 2.6.4確定允許的最小螺紋底徑 （1） 估算絲杠允許的最大軸向變形量 ① ≤（1/3～1/4）重復定位精度 ② ≤（1/4～1/5）定位精度 : 最大軸向變形量 m 已知：重復定位精度10m, 定位精度25m ① =3 ② =6 取兩種結(jié)果的小值 =3m (2）估算最小螺紋底徑 絲杠要求預拉伸，取兩端固定的支承形式 (1.1～1.2)行程+（10～14） 已知：行程為1000mm, W=3000N ,μ=0.2 代入得 F=600N D=20.04mm 2.6.5 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 （1）選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒雙螺母型墊片預形式 （2）由計算出的在樣本中取相應規(guī)格的滾珠絲杠副 FFZD4008-5 P=8mm C=30700﹥C=27899 2.6.6 確定滾珠絲杠副預緊力 其中 2.6.7 行程補償值與與拉伸力 （1） 行程補償值 式中： =（2～4） (2) 預拉伸力 代入得 2.6.8 滾珠絲杠副工作圖設計 (1) 絲杠螺紋長度Ls： Ls=Lu+2Le 由表二查得余程Le=40 繪制工作圖 （2）兩固定支承距離L1 按樣本查出螺母安裝聯(lián)接尺寸 絲杠全長L （3）行程起點離固定支承距離L0 由工作圖得 Ls=890 L1=1000 L=1000 L0=30 得KC=920 N/m 2.6.9 剛度驗算及精度選擇 （1） = = N/m = N/m F0 = 已知W1=5000 N ， =0.2 F0=1000 N F0 ： 靜摩擦力 N ：靜摩擦系數(shù) W1 ：正壓力N （2）驗算傳動系統(tǒng)剛度 Kmin Kmin ：傳動系統(tǒng)剛度N 已知反向差值或重復定位精度為10 Kmin=222＞160 （3）傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差 =1.7m （4）確定精度 V300p ：任意300mm內(nèi)的行程變動量對半閉環(huán)系統(tǒng)言， V300p≤0.8定位精度- 定位精度為20m/300 V300p＜14.3m 絲杠精度取為3級 V300p=12m＜14.3 (5)確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 已確定的型號：WWCM 公稱直徑：12 導程：3 螺紋長度：900 絲杠全長：1000 P類3級精度 FFZD4010-3-P3 /14101290 2.6.10 驗算臨界壓縮載荷 Fc：N 絲杠所受最大軸向載荷Fmax小于絲杠預拉伸力F不用驗算。 2.6.11 驗算臨界轉(zhuǎn)速 nc=f10 nc:臨界轉(zhuǎn)速n/min f：與支承形式有關(guān)的系數(shù) ：絲杠底徑 ：臨界轉(zhuǎn)速計算長度mm 由表14得f=21.9 由樣本得d2=34.3 由工作圖及表14得：Lc2= L1- L0 4310＞nmax=1500 2.6.12 驗算： Dn=Dpw nmax Dpw ：滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑mm nmax :滾珠絲杠副最高轉(zhuǎn)速n/min Dpw≈41.4mm 2.7同步帶輪選擇 2.7.1 軸類零件轉(zhuǎn)動上下調(diào)整同步帶和測量裝置的同步帶選擇 (1)傳動名義功率P_=0.5kW (2)主動輪轉(zhuǎn)速n1=1500r／min，從動輪 =350r／min (3)中心距a=100mm左右 (4)工作情況， 24小時運轉(zhuǎn)． 求設計功率P=K0 Pm=0.42= 0.8Kw，式中Ko為載荷修正系數(shù) 由設計功率0.8Kw 和n =1500r／min，由查得帶的型號為L型，對應節(jié)距P =9.525mm （1）選擇小帶輪齒數(shù) 由小帶輪轉(zhuǎn)速n=1500r/min，L型帶，查表得小帶輪最小許用齒數(shù) Z1=14，則大帶輪齒數(shù) Z2= i Z1，其中i= n1／n2=1500／350=4．286 Z2=4．28614=60取標準帶輪齒敦==60 （2）確定帶輪節(jié)圓直徑 dI==Pb Z1/π=42.736mm d2= Pb Z2/π=182mm （3）確定同步帶的節(jié)線長度L， L= 2acosψ +π(d2+d1 )／2+πψ( d2-d1)／180 式中：ψ =sin-1 (d2-d1)/2a =0．218；12．6 (以a=100mm代入) 則L =150.54 選擇最接近計算值的標準 節(jié)線長(見表4)L=160.20mm （4）計算同步帶齒數(shù)z Zb=Lp/Pb=160.20/9.525=17 （5）傳動中心距n的計算 a=Pb( Z2-Z1)／2zcosθ 式中： inV =3．14l6 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法計算，θ=1．351 8(弧度)代入上式 得出a=102.45與精確計算結(jié)果相似。 最后測量裝置同步帶選用L型同步帶P= 9.525mm ZB=17， L,= 150．20ram b．= 25.4mm 同步帶輪： Z1=14，Z2=60，dI==Pb Z1/π=42.736mm d2= Pb Z2/π=182mm 2.7.2 光電傳感器移動同步帶與帶輪選擇 1)傳動名義功率P_=0.25kW (2)主動輪轉(zhuǎn)速n1=1500r／min，從動輪 =350r／min (3)中心距a=55mm左右 (4)工作情況，24小時運轉(zhuǎn)． 求設計功率P=K0 Pm=0.32= 0.6Kw，式中Ko為載荷修正系數(shù) 由設計功率0.6Kw 和n =1500r／min，由查得帶的型號為XL型，對應節(jié)距P =5.08mm （1）選擇小帶輪齒數(shù) 由小帶輪轉(zhuǎn)速n=1500r/min，L型帶，查表得小帶輪最小許用齒數(shù) Z1=12，則大帶輪齒數(shù) Z2= i Z1，其中i= n1／n2=1500／350=4．286 Z2=4．28612=51取標準帶輪齒敦==50 （2）確定帶輪節(jié)圓直徑 dI==Pb Z1/π=19.414mm d2= Pb Z2/π=80.9mm （3）確定同步帶的節(jié)線長度L， L= 2acosψ +π(d2+d1 )／2+πψ( d2-d1)／180 式中：ψ =sin-1 (d2-d1)/2a =0．218；12．6 (以a=100mm代入) 則L =54.54 選擇最接近計算值的標準 節(jié)線長(見表4)L=55.20mm （4）計算同步帶齒數(shù)z Zb=Lp/Pb=55.20/5.08=11 （5）傳動中心距n的計算 a=Pb( Z2-Z1)／2zcosθ 式中： inV =3．14l6 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法計算，θ=1．351 8(弧度)代入上式 得出a=102.45與精確計算結(jié)果相似。 最后測量裝置同步帶選用XL型同步帶P= 5.08mm ZB=11， L,= 55．20ram b．= 9.5mm 同步帶輪： Z1=11，Z2=50，dI==Pb Z1/π=19.4146mm d2= Pb Z2/π=80.9mm 2.8 鍵聯(lián)接的設計與校核 2.8.1鍵的選型 根據(jù)輸入軸徑和輸出大小選取鍵，輸入軸徑為20mm，選取鍵尺寸6X6X45；輸出軸徑為30，選取鍵尺寸8X7X25。 2.8.2鍵的校核 材料選用：45鋼；許用壓強；； 鍵校核公式： 輸入軸鍵的校核：； ； 輸出軸鍵的校核：； ； 本文以軸類零件的形位公差研究對象，針對如何精確測量軸類零件的圓度、同軸度、圓跳動進行研究，并選取光透過性傳感器這種特殊應用于測量裝置中。 在此次設計過程中，對特殊的光透過性傳感器的選型及應用有了特殊的了解，并對整個測量裝置中的傳動機構(gòu)，以及精密滾珠絲杠傳動有較深的認識，并熟練使用SOLIDWORKS三維設計軟件，將測量裝置的設計方案并最后出三維模型，并對三維模型進行仿真實驗，使得自己收獲頗大。 由于條件和時間有限，本論文所做的研究和探索僅僅是初步的，要真正實現(xiàn)精密測量和實際應用，還需要作進一步的深入研究。 第5章 軸類零件加工工藝設計 5.1 主軸零件的工藝分析 如圖所示的是軸類零件的三維圖，還有零件是二維零件圖，試制定出該軸的加工工藝方案，編制其數(shù)控加工程序，并對程序進行仿真加工。 軸類零件的三維圖 5.2零件的尺寸標注分析 零件圖上的尺寸是制造、檢驗零件的重要依據(jù)，生產(chǎn)中要求零件圖中的尺寸不允許有任何差錯。在零件圖上標注尺寸，除要求正確、完整和清晰外，還應考慮合理性，既要滿足設計要求，又要便于加工、測量。 關(guān)于尺寸標注主要包括功能尺寸、非功能尺寸、公稱尺寸、基本尺寸、參考尺寸、重復尺寸等等。 該零件圖說標注的尺寸均完整，符合國家要求，位置準確，表達清楚。 5.3零件的幾何要素分析 從圖分析得知，該零件的結(jié)構(gòu)主要由圓柱面、螺紋孔、鍵槽，外牙等特征組成，為了達到加工精度以及表面光潔度，這些特征在普通車床上難以完成，需要在數(shù)控車上加工。 5.4零件的技術(shù)要求分析 該零件的尺寸精度要求有：尺寸Ф46 的尺寸精度等級為IT7級、尺寸Ф35的尺寸精度等級為IT7級，其余未注尺寸精度公差按IT12進行控制。 各軸段的位置精度有：54的精度為IT7級，20的精度等級為IT8-9級、其余等級按IT10等級進行控制。 表面粗糙度要求有：Ф46外圓、Ф35外圓，表面粗糙度為0.8，其余未注表面粗糙度為Ra3.2um。 綜上所述，該零件的加工精度較高，應設計比較合理的加工方案，選擇合適的刀具，合適的切削參數(shù)等等。 5.5毛坯及夾具的確定 5.5.1毛坯的確定 5.5.1.1常見的毛坯種類 (1) 鑄件 鑄件適用于形狀較復雜的零件毛坯。其鑄造方法有砂型鑄造、精密鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造等。 (2) 鍛件 鍛件適用于強度要求高、形狀比較簡單的零件毛坯。其鍛造方法有自由鍛和模鍛兩種。 (3) 型材 型材有熱軋和冷拉兩種。熱軋適用于尺寸較大、精度較低的毛坯；冷拉適用于尺寸較小、精度較高的毛坯。 (4) 焊接件 焊接件是根據(jù)需要將型材或鋼板等焊接而成的毛坯件。 (5) 冷沖壓件 冷沖壓件毛坯可以非常接近成品要求，在小型機械、儀表、輕工電子產(chǎn)品方面應用廣泛。 5.5.1.2毛坯選擇時應考慮的因素 (1) 零件的材料及機械性能要求 零件材料的工藝特性和力學性能大致決定了毛坯的種類。 (2) 零件的結(jié)構(gòu)形狀與外形尺寸 (3) 生產(chǎn)綱領(lǐng)的大小 (4) 現(xiàn)有生產(chǎn)條件 (5) 充分利用新工藝、新材料 為節(jié)約材料和能源，提高機械加工生產(chǎn)率，應充分考慮精密鑄造、精鍛、冷軋、冷擠壓、粉末冶金、異型鋼材及工程塑料等在機械中的應用。 5.5.1.3毛坯的確定 綜合考慮，根據(jù)以上因素及零件的技術(shù)要求，確定該零件的毛坯為棒料，其尺寸為Ф135425mm，材料為45鋼。 5.6.刀具的選擇 數(shù)控車床一般采用機夾可轉(zhuǎn)位刀具，所用的刀具，要求有可靠的斷屑性能，足夠的耐用，刀片轉(zhuǎn)位后有精確的重復定位精度，刀片要有足夠的夾緊可靠性，此外，由于數(shù)控車床功率比較大，剛性強，要求刀具壽命較長，質(zhì)量相對穩(wěn)定，因此，對刀片材料的要求高，以保證刀具壽命，一般情況下大多使用涂層刀片。 5.6.1刀具材料的選擇 刀片材料要根據(jù)零件材料及熱處理后的材料性能合理選用。對與一般低碳鋼，低碳低合金鋼的加工刀片材料可以選擇普通硬質(zhì)合金或超微粒子硬質(zhì)合金材料，在國際標準中（ISO），硬質(zhì)合金通常分為三大類，即K、P、M分別相當與我國國標中的YG、YT YW類。通常情況下又分別在K、P、M三種代號后附加上01、05、20、40、50等數(shù)字進行更進一步細分。一般來講數(shù)字越小者硬度更高，但 韌性降低，數(shù)字越大韌性高但硬度降低。一般情況下K類主要用于加工鑄鐵、有色金屬及非金屬材料；P類主要用于加工普通鋼；M類主要用于加工難加工鋼，鑄鐵及有色金屬。超微粒子硬質(zhì)合金適合加工不銹鋼、高錳高及耐熱鋼，選用時可結(jié)合具體加工工藝參數(shù)合理選擇。在數(shù)控車削中，為提高刀具壽命，實際應用中大多使用涂層刀具材料。涂層刀具是在韌性較好的工具表面涂上一層耐磨損，耐溶著、耐反應的物質(zhì)，使刀具在切削中同時具有硬而不易破損的性能。涂層的方法分為兩大類，一為物質(zhì)涂層PVD，另為化學涂層CVD，一般來說，物理涂層是在550℃以下將金屬和氣體離子化后噴涂在工具表面；而化學涂層則是將各種化合物通過化學反應來沉積在工具上形成表面皮膜，一般普遍采用中溫涂層，溫度控制在800℃左右。用于涂層常見的材料有Tic、TiN、TiCN、AI2O3等陶瓷材料，涂層厚度為5?15um。由于這些陶瓷材料都具有耐磨損（硬度高），耐化學反應等性能。所以涂層刀具是數(shù)控機床最為廣泛使用的刀具類型，從非金屬、鋁合金、到鑄鐵鋼以及高強度鋼、高硬度鋼和耐熱合金、鈦合金等難加工材料的切削中均可使用，比普通較硬質(zhì)合金的性能要好，性能價格比較高，是數(shù)控機床用刀具材料的首選。對于普通鋼材，優(yōu)先選擇涂層刀片，高速連續(xù)切削選用涂層厚度為5—15um多為CVD法制造刀片。沖擊較強的斷續(xù)切削時，要求涂膜的附著強度以及涂層對工具的韌性不會產(chǎn)生太大的影響，所以選擇涂層厚度為2?3um左右采用PVD涂層的刀片。對于普通灰鑄鐵加工來講，線速度小于300m/min以下宜采用涂層硬質(zhì)合金，線速度300?500m/min以內(nèi)可采用陶瓷刀具。 5.6.2常用的車刀選用 5.6.2.1外圓、端面車刀的選用 加工外圓及臺階是刀片的形狀有刀尖角為80菱形刀片，55菱形刀片，圓形刀片，方形刀片，等邊三角形刀片和35菱形刀片，其標準后角通常有0、7、11、25、30等幾種規(guī)格。主偏角主要有45、50、60、75、85、90、93、95等形式。一般情況下加工臺階軸類零件宜采用裝有80菱形刀片的95車刀，這種車刀的特點是前角和副偏