三坐標測量儀畢業(yè)設(shè)計

1、本科畢業(yè)設(shè)計(論文)附件題目：拉刀測量儀的設(shè)計院 （系）： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及自動化班 級： 090202 學(xué) 生： 張棟 學(xué) 號： 090202122 指導(dǎo)教師： 陳曉東 2013年 6月II拉刀測量儀的設(shè)計摘要由于拉刀在磨齒前進行淬火處理后產(chǎn)生變形，導(dǎo)致齒距不均勻，從而使磨齒過程中不能一次調(diào)整好齒輪位置，為了提高生產(chǎn)效率，就要先測出每個齒間的齒距，因此拉刀測量儀就成為提高生產(chǎn)效率的必備機械設(shè)備。對于拉刀測量儀的設(shè)計采用接觸式測量方法，及將測頭移至拉刀表面，進行在線測量，所以拉刀測量儀要滿足X,Y,Z,三個方向的運動，為了滿足運動的要求，采用絲杠螺母副的傳動方式，所以需要進

2、行合理的選擇絲杠、電機等標準件。為了滿足制造的工藝的簡單性，要進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，測頭部分選用能夠滿足在線測量的要求。本文首先了解了絲杠的選擇，導(dǎo)軌的選擇安裝，電機的選擇，整體設(shè)計。通過大致的估算床身質(zhì)量，以及在滿足測量精度的情況下確定每個方向的運動速度，進而確定電機，絲杠的型號。然后畫二維裝配圖，零件圖。通過本次設(shè)計的拉刀測量儀對于測量裝置有了更深入的認識，也更好的掌握了機械的結(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)鍵詞：拉刀測量儀，絲杠，電機，導(dǎo)軌。BroachMeasuring InstrumentAbstractSincebroachgrinding teethinbeforedeformationafterqu

3、enching, resulting in unevenpitch, making agrindingprocess can notadjustthe gear position, In order to improveproduction efficiency, we must first measure thedistanceof eachtoothteeth, so broachesmeasuring instrumentto improve production efficiencyhas becomeessentialequipment。ForBroachmeasuring inst

4、rumentwas designed withcontact measurement method, andthe probemovesbroachesthe surface, on-line measurement，Broachmeasuring instrumentto meet theX, Y, Z,movementin three directions，In order to meetthe requirements ofmovement，usingscrew nuttransmission mode，a reasonable choicescrew,motor and otherst

5、andard parts。In order tomeet themanufacturingprocesssimplicity, to conduct a reasonablebed design, the probepart of the selectionto meetthe requirements ofonline measurement。Firstly,to understandthe choice ofscrew, railschoose to install, motor selection, the overall design。Byrough estimate of thequ

6、ality ofthe bed, andinthe case ofmeasurement accuracyto meet thedeterminedspeed of movementin each direction，and to determine themotor, screw models。Then drawtwo-dimensionalassembly drawings,parts diagram。Through thisdesignbroachmeasuring deviceformeasuringa deeperunderstanding, but alsoa better gra

7、sp ofthe mechanicalstructure design。Keyword：Broachmeasuring instrument，Screw，Motor, Rail.目錄中文摘要（）英文摘要（）1緒論（1）1.1課題背景及其意義（1）1.2拉刀測量儀的發(fā)展階段及其發(fā)展現(xiàn)況（1）1.3設(shè)計指標及其要求（2）1.4本文主要研究內(nèi)容（2）2拉刀測量儀的總體方案設(shè)計（3）2.1總體方案設(shè)計思路（3）2.2方案提出、分析及確定方案（4）2.2.1 總體方案提出（5）2.2.2 總體方案分析及方案確定（6）3拉刀測量儀的詳細設(shè)計（7） 3.1X軸的設(shè)計（7） 3.1.1X軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計（7） 3

8、.1.2X軸滾珠絲杠副的設(shè)計計算（11）3.1.3X軸軸承的設(shè)計計算（15）3.1.4X軸導(dǎo)軌的設(shè)計計算（16）3.1.5X軸的電機設(shè)計計算（17）3.1.6聯(lián)軸器的設(shè)計計算（19）3.2Y軸的設(shè)計（20）3.3Z軸的設(shè)計（28）3.4測頭的設(shè)計計算（35）4 結(jié)論（37）參考文獻（38）致謝（39）畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明（40）畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明（41）43西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）一、緒論1.1題目背景和意義：拉刀在磨齒前進行淬火處理后發(fā)生形變，導(dǎo)致齒距不均勻，從而使磨齒過程中不能一次調(diào)整好砂輪位置，磨每個齒時都需要調(diào)整砂輪位置，生產(chǎn)效率很低，為了提高磨削拉刀的工作效率，需

9、要在磨削拉刀時，先測出每個齒間的齒距，并根據(jù)測出的數(shù)據(jù)進行編程，將生成的NC代碼通過串口導(dǎo)入到拉刀磨齒機的數(shù)控系統(tǒng)，控制整個磨削過程，提高拉刀磨削生產(chǎn)效率。拉刀刃形復(fù)雜，精度要求高，制造工藝復(fù)雜，成本高，因此要求拉刀能夠多次重磨，并保證兩次重磨間具有很高的耐用度，只有這樣才能降低拉削加工的刀具成本，提高經(jīng)濟效益。實現(xiàn)拉刀重磨，并保持重磨后拉刀的精度和切削性能，是采用拉削加工的基本前提。拉刀重磨的傳統(tǒng)加工方法是在專用拉刀磨床上進行的，這種加工方法不僅需要復(fù)雜的手工計算和機床調(diào)整，而且加工質(zhì)量嚴重依賴于操作者的經(jīng)驗和技巧，拉刀精度和切削性能難以得到保證。所以設(shè)計拉刀測量儀，就是為了提高加工精度，提

10、高工作效率。1.2拉刀測量儀的發(fā)展階段及其發(fā)展現(xiàn)況：拉刀測量儀是近十幾年來新發(fā)展的一種高效率精密測量儀器, 它被廣泛用于機械制造、儀器制造、電子工業(yè)、汽車和航空工業(yè)中, 測量各種機械零件、模具等的形狀尺寸、孔的位置、孔的中心距以及形狀復(fù)雜的輪廓。按日本的定義, 這種測量機在X、Y 、Z方向一般均有導(dǎo)向機構(gòu), 并在各座標上設(shè)有測量座標移動距離的測長元件和讀數(shù)裝置, 同時具有放置工件的工作臺, 測量頭可以用手或機動輕快地移到測量點上, 通過數(shù)顯裝置就能將各方向的座標值顯示出來。16如果在這種測量機上加上諸如分度頭或萬能轉(zhuǎn)臺之類的附件, 它還能在四個或五個座標軸上測量零件。很早以前就有各種各樣的測量

11、機。例如測長機, 它用來在一個方向上測量工件的長度, 實際上就是一個座標的測量機, 而萬能工具顯微鏡具有X、Y 方向移動的工作臺, 用以測量平面內(nèi)的位置, 可以稱為雙座標測量機。拉刀測量機出現(xiàn)以前, 三座標尺寸測量方法有兩種: 一種是在座標機上用指示表代替切削刀具作三座標尺寸測量, 另一種是將被測工件放置在平板上, 通過一些和平板垂直或平行的量具(高度規(guī)和量塊等) , 把被測工件的形狀、尺寸和相關(guān)位置測量出來。因此目前三座標測量機有兩類: 一類是由平板測量法發(fā)展而成的, 國外通稱為座標測量機，簡稱C M M, 另一類是由座標機床發(fā)展而成的, 稱為萬能測量機，簡稱UMM，其特點是測量元件沿用原座

12、標幢床使用的絲杠或刻線尺等, 精度很高, 比一般座標測量儀精度高一個數(shù)量級, 而且萬能性很廣。這類測量機只有美國的莫爾，瑞士的西浦、毫澤和日本的三井精機等少數(shù)廠家生產(chǎn)。 當前，我國的拉刀測量儀的制造行業(yè)的相關(guān)技術(shù)還比較落后，尤其在測量系統(tǒng)、誤差補償?shù)确矫姘l(fā)展還比較緩慢。測量儀的精度是衡量一臺機器好壞的重要指標，對拉刀測量儀的首要要求就是測量精度，測量儀的示值和被測量的真值之差稱為拉刀測量儀測量誤差。拉刀測量儀產(chǎn)生測量誤差的主要原因包括拉刀測量儀本身的誤差（測量儀機構(gòu)產(chǎn)生的靜態(tài)誤差）和與測量條件相聯(lián)系的各種因素（如在加速測量時產(chǎn)生的動態(tài)誤差）。拉刀測量儀誤差補償多采用非實時誤差補償，即用精度高的

13、量具將拉刀測量儀的誤差檢驗出來，在測量儀工作時，按檢驗的結(jié)果對誤差進行修正。誤差檢驗可事先進行，并將結(jié)果存入拉刀測量儀的軟件中，在測量儀工作時，將誤差補償程序調(diào)出來，對拉刀測量儀的測量結(jié)果進行修正4-51.3設(shè)計指標及要求：、實現(xiàn)拉刀測量機在拉刀磨床上的在線測量。 、 完成拉刀測量機的本體設(shè)計。 、 測量精度在0.005mm。 、 X方向最大行程為0.8m,Y方向最大行程為0.4m。1.4本文主要研究內(nèi)容：（1）了解拉刀測量儀的測量技術(shù)，進而進行設(shè)計，以及拉刀測量儀的發(fā)展狀況。（2）分析拉刀測量儀的功能要求，提出總體結(jié)構(gòu)方案.(3)對拉刀測量儀的機械部分進行詳細的設(shè)計，并對其中關(guān)鍵零部件進行校

14、核計算。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）二、拉刀測量儀的總體方案設(shè)計2.1總體方案的設(shè)計思路由于拉刀在磨齒前進行淬火處理后發(fā)生形變，導(dǎo)致齒距不均勻，從而使磨齒過程中不能一次調(diào)整好砂輪位置，磨每個齒時都需要調(diào)整砂輪位置，生產(chǎn)效率很低，為了提高磨削拉刀的工作效率，需要在磨削拉刀時，先測出每個齒間的齒距，并根據(jù)測出的數(shù)據(jù)進行編程，將生成的NC代碼通過串口導(dǎo)入到拉刀磨齒機的數(shù)控系統(tǒng)，控制整個磨削過程，提高拉刀磨削生產(chǎn)效率。拉刀磨齒測量修正圖2-1.閉環(huán)生產(chǎn)循環(huán)圖由于拉刀測量儀的設(shè)計比較復(fù)雜，不利于直接設(shè)計出幾個總體方案圖，從中選擇一個，便進行具體的詳細設(shè)計，這時我們需要從拉刀測量儀的功能出發(fā)，將任務(wù)抽象化

15、，抓住設(shè)計中的主要矛盾，所以將拉刀測量儀的設(shè)計任務(wù)抽象化設(shè)計：拉刀測量儀拉刀齒距測量結(jié)果驅(qū)動能工件圖2-2.拉刀測量儀的黑箱示意圖拉刀測量儀是實現(xiàn)高精度、高重復(fù)性的關(guān)鍵，由于拉刀測量儀不需復(fù)雜的機械展成傳動鏈，機械結(jié)構(gòu)擺脫了傳統(tǒng)齒輪量儀的結(jié)構(gòu)限制，機械結(jié)構(gòu)可以根據(jù)拉刀在磨床上的特點設(shè)計的更加合理、可靠。拉刀的外形如圖所示： 圖2-3.拉刀示意圖所以拉刀的齒距測量需要將側(cè)頭沿拉刀的縱向橫向移動，即需要有X,Y方向的運動，因為要針對每個機床的高度調(diào)整測頭高度，所以需要Z方向的運動。拉刀測量儀的總功能是測齒距，所以可以分為離線測量和在線測量兩種方式。對于每個方向的運動需要有驅(qū)動和傳動、測量和導(dǎo)向方式

16、，顯然，對于拉刀測量儀這種復(fù)雜的機電系統(tǒng)如果采用一個形態(tài)學(xué)矩陣就過于龐大，這時可將各低層的分功能先建立形態(tài)學(xué)矩陣，分別考慮局部的設(shè)計方案，然后再整合為整體方案。所以可以列出拉刀測量儀的底層形態(tài)學(xué)矩陣：表2-1.拉刀測量儀的低層形態(tài)學(xué)矩陣分功能分功能解12345A導(dǎo)向滑動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌液體靜壓導(dǎo)軌氣體靜壓導(dǎo)軌B位移檢測激光檢測器光柵尺磁柵尺感應(yīng)步器測量感應(yīng)頭C傳動齒輪傳動齒形帶傳動渦輪傳動絲杠傳動齒輪齒條傳動D驅(qū)動交流伺服電機直流伺服電機步進電機直線電機氣動機對于拉刀測量儀的系統(tǒng)功能圖的建立：實際設(shè)計時，建立系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)可以從系統(tǒng)功能分解出發(fā)，分析功能關(guān)系和邏輯關(guān)系。首先從上層分功能的結(jié)構(gòu)考慮起，

17、建立該層功能的雛形，再逐層向下細化最終得到完善的功能結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)拉刀測量儀的“黑箱”，將總功能逐級分層，得到第一層功能結(jié)構(gòu)圖，如圖2-4所示。由于該系統(tǒng)是由許多小系統(tǒng)組成，如運動控制系統(tǒng)、運動驅(qū)動系統(tǒng)、運動測量系統(tǒng)、工件安裝系統(tǒng)、測頭系統(tǒng)等等。工件測頭驅(qū)動與傳動運動控制圖 2-4拉刀測量儀功能結(jié)構(gòu)拉刀測量儀的設(shè)計中，主要抓住整體技術(shù)，在掌握整體技術(shù)的前提下，各零部件的設(shè)計選型采用成熟產(chǎn)品，一方面分散技術(shù)難度，縮短了研制周期，另一方面提高系統(tǒng)的可靠性。從機械運動的角度出發(fā)，可以認為拉刀測量儀是一種三坐標測量機，它有三個移動坐標。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）2.2方案提出、分析及確定方案 2.21

18、 總體方案提出方案一：本方案是拉刀離線測量，即將拉刀取下來放在測量儀的工作面上進行測量，驅(qū)動、傳動、導(dǎo)向、位移檢測方式選擇為A1、B2、C1C4、D3，方案簡圖如下：圖2-5離線式拉刀測量儀方案二：本方案采用在線測量，即直接在拉刀磨床上進行拉刀齒距測量，驅(qū)動、傳動、導(dǎo)向、位移檢測方式選擇為A2、B5、C4、D1，方案簡圖如下：圖2-6.在線拉刀測量儀2.22 總體方案分析及方案確定通過兩個方案比較：方案一的測量是離線測量，這樣測量儀的設(shè)計復(fù)雜，而且還要設(shè)計夾持拉刀的夾具，制造成本高，不能提高拉刀的生產(chǎn)效率；同時考慮到拉刀的形狀，測量時還需旋轉(zhuǎn)測頭，對拉刀整個圓柱方向進行測量，增加了測頭的移動方

19、向，使測量儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案二的傳動方式相對方案一簡單，利與設(shè)計，同時在線測量不用考慮旋轉(zhuǎn)運動，因為拉刀在磨床上即可進行旋轉(zhuǎn)，這樣大大提高了拉刀磨床的工作效率。所以通過兩個方案的比較，選擇方案二。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）三、拉刀測量儀的詳細設(shè)計拉刀測量儀主要由三部分組成，X方向的軸向運動，Y方向的軸向運動，Z方向的軸向運動。每個方向的運動都是電機帶動絲杠運動，由于交流伺服電機可以調(diào)整轉(zhuǎn)速，滿足測量精度，所以每個方向都選用不同型號的交流伺服電機。為了滿足測量精度，盡可能使每個軸向的運動速度低點，所以我把X,Y方向的進給速度定為4mm/s，Z方向的速度定為2mm/s。31X軸的設(shè)計計算3.1.1

20、X軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計：1.絲杠螺母副傳動形式:由于拉刀測量儀在測量齒距時，為了保證測量精度，測量儀的絲杠傳動速度較低，這時絲杠做較低的勻速運動時，工作臺可能產(chǎn)生一快一慢或跳躍式的運動，即會產(chǎn)生爬行運動。為了防止爬行運動的產(chǎn)生，采用電機和絲杠的直連方式，即通過聯(lián)軸器把電機軸和絲杠軸端直接連接。這樣就縮短了傳動鏈，減少了傳動件數(shù)和彈性變形量。同時提高各傳動件或組件的剛度，減小各傳動軸的跨度，合理布置軸上零件的位置。通過減輕Y工作臺和Z方向的立柱的重量，減小摩擦阻力，也能起到一定的效果。同時為了降低摩擦力使用滾珠絲杠較好。因為具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間元件的傳動機構(gòu)稱為滾珠絲杠副，絲杠或者螺母

21、轉(zhuǎn)動時，滾珠沿螺旋槽滾動，滾珠在絲杠上滾過數(shù)圈后，通過回程引導(dǎo)裝置，逐個地滾回到絲杠和螺母之間，構(gòu)成了一個閉合的循環(huán)回路，這種機構(gòu)把絲杠和螺母之間的滑動摩擦變成滾動摩擦。這樣降低了摩擦系數(shù)，減小摩擦阻力。16而且滾珠絲杠具有傳動效率高，傳動精度高，摩擦損失小，磨損小，使用壽命長等優(yōu)點。2.軸向間隙的調(diào)整：當絲杠改變轉(zhuǎn)動方向時，間隙會使運動產(chǎn)生空程，從而影響機構(gòu)的傳動精度。為了消除軸向間隙，一般采用雙螺母預(yù)緊，把預(yù)緊后的彈性變形量控制在一定限度內(nèi)，不但能消除間隙，減少誤差，而且還能提高進給精度。為保證滾珠絲杠副傳動的剛度和精度，應(yīng)選擇合適的支承方式，選用軸承組合。考慮到X軸的受力狀況，采用雙推-

22、雙推的支撐方式。因為這種支撐方式軸向剛度較高，適用于中低速，高精度的場合。雙推雙推的支撐方式圖如下：圖3-1.絲杠的支撐方式為使?jié)L珠絲杠副能充分發(fā)揮機能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，選用潤滑脂潤滑，潤滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的1/3.如果污物及異物進入滾珠絲杠副，它就很快磨損，使其破損，因此需要防塵裝置，選擇折皺保護罩，將絲杠軸完全保護起來。安裝應(yīng)注意絲杠的軸線必須和與之配套的軸線平行，機床的兩端軸承座與螺母座必須三點一線；安裝螺母時，盡量靠近支撐軸承。2.滾動軸承的組合設(shè)計：采用兩端固定方式，外圈用軸承蓋頂住深溝球軸承的外圈的外側(cè)，軸承內(nèi)圈固定使用圓螺母和止動墊圈緊固，因為圓螺母還可

23、用于調(diào)整軸承游隙，如圖：圖3-2.軸承組合圖軸承端蓋的選用凸緣式，將端蓋用螺釘擰在箱體上，為保證定位精度。端蓋與軸承座的配合長度不小于58mm，如圖：圖3-3.軸承端蓋3.滾動軸承的潤滑與密封：采用的是脂潤滑，因為滾動軸承的速度較低，脂潤滑的結(jié)構(gòu)簡單，易于密封。一般每隔半年左右補充或更換一次潤滑脂。潤滑脂的填裝量不應(yīng)該超過軸空間的1/31/2?？赏ㄟ^軸承座上的注油孔及通道注入，為防止箱內(nèi)的油浸入軸承與脂混合，并防止脂流失，應(yīng)在箱體內(nèi)側(cè)裝擋油環(huán)，密封選用氈封式，因為氈封式主要用于脂潤滑，而且簡單、經(jīng)濟。其結(jié)構(gòu)如圖：圖3-4.軸承4.滾珠直線導(dǎo)軌副滾珠直線導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向裝置、密封

24、裝置等組成。當導(dǎo)軌與滑塊做相對運動時，鋼球就沿著導(dǎo)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器進入反向孔后在進入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始地進行滾動運動。如圖：圖3-5.滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)基準導(dǎo)軌副的設(shè)計計算：導(dǎo)軌副連接基準面的結(jié)構(gòu)形式，用壓板固定的方式，如圖：圖3-6滾珠絲杠導(dǎo)軌副1）利用U型夾頭將導(dǎo)軌的基準側(cè)面與安裝臺階的基準側(cè)面夾緊，然后在該處用固定螺栓擰緊，由一端開始，依次將導(dǎo)軌固定。圖3-7.導(dǎo)軌安裝步驟5床身的設(shè)計計算：對于X方向的床身的設(shè)計，因為X方向最大行程是800mm，考慮到聯(lián)軸器，絲杠的實際長度，所以設(shè)定X方向的床身長為1200mm，床身中間加工出

25、來一個矩形槽，其中軸承座與床身鑄為一體，這樣可以提高軸的裝配精度和機床的整體精度，為了實現(xiàn)整機功能，這時就要提供可靠的剛度和強度支承，其結(jié)構(gòu)功能應(yīng)保證在工作情況下的工作應(yīng)力、形變、撓度和位移在規(guī)定范圍以內(nèi)。因此，要滿足靜剛度要高，變形量不超過規(guī)定值，在移動時，靜剛度的變化要小。X床身屬于拉刀測量儀的支承大件，支撐大件與床身整體剛度有很大的關(guān)系。X床身剛度是機床的基本技術(shù)性能之一，指機床在外加載荷下抵抗被迫變形的能力。確定了基本尺寸后，其次是確定結(jié)構(gòu)的壁厚。在此選取d=30mm，截面高度、寬度或壁厚的加大，都受諸多因素的限制，要大幅的提高剛度，往往是十分困難的，一般采用改善結(jié)構(gòu)的材料和布置加強肋

26、等措施來提高剛度。由于要安裝滾動導(dǎo)軌，所以設(shè)計了安裝臺階，這樣可以方便導(dǎo)軌的安裝，在X床身增加了加強肋提高了床身的剛度。由于軸承座和床身是一體的，所以在加工床身時應(yīng)該注意軸承座與軸承接觸的面，因為軸承和軸承座的接觸面應(yīng)該光滑，表面粗糙度在0.8左右，同時裝電機的部分應(yīng)該留出定位面，經(jīng)上所述，床身的結(jié)構(gòu)如圖：圖3-12床身3.1.2X軸滾珠絲杠副的設(shè)計與選型：1）計算載荷FC:，（3.1）K為工況系數(shù)；：載荷系數(shù)，按表1選?。唬嚎煽啃韵禂?shù)，按表2選取；：精度系數(shù)，按表3選?。唬浩骄ぷ鬏d荷（N）表3-1 載荷系數(shù)載荷性質(zhì)無沖擊平穩(wěn)運轉(zhuǎn)一般運轉(zhuǎn)有沖擊和振動fw11.21.21.51.52.5表3-

27、2 可靠性系數(shù)可靠性系數(shù)%9095969798fc1.00.620.530.440.33表3-3 精度系數(shù)精度系數(shù)C,DE,FGHfa1.00.90.80.7為軸向載荷，對于X軸的運動情況，近似取為Y,Z工作臺的重力。N查表得機器的使用壽命為15000h，根據(jù)公式：Lh=106L/60n（3.2）n=60r/min，解得L=54（106r）L=（Ca/Fc）3（3.3）Ca=4.91KN根據(jù)動載荷選擇絲杠副的尺寸。絲杠的型號及參數(shù)如下表：表3-4 絲杠型號：代號公稱直徑（d0）公稱導(dǎo)程（ph0）外徑（d1）鋼球直徑（Dw）絲杠底徑（d2）總?cè)?shù)n動載荷CaKN靜載荷CoaKN剛度KCN/mFF

28、ZD2004L-320419.32.38117.535.312.1519圖3-13電機1）穩(wěn)定性驗算：采用雙推-雙推支撐方式，因為絲杠較長，所以用壓桿穩(wěn)定性來求臨界載荷Fcr，(3.4)式中：絲杠的彈性模量，對鋼=206Gpa，：絲杠危險截面的軸慣性矩，：長度系數(shù)，兩端鉸接， ：絲杠的工作長度。 （3.5）故絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。2）臨界轉(zhuǎn)速驗證當絲杠高速運轉(zhuǎn)時，需要驗算其是否會發(fā)生共振的臨界轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速所以：（3.6）d1絲杠底徑；長度系數(shù)，兩端鉸接，l絲杠的工作長度fc取值如下表所示：表3-5 支撐方式選擇系數(shù)支撐系數(shù)雙推-自由雙推-簡支雙推-雙推安全系數(shù)S3-42.5-3.

29、3-長度系數(shù) 22/3-臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)fc1.8753.9274.730由于；所以不會發(fā)生共振。3）剛度驗算：滾珠絲杠在工作負載F和轉(zhuǎn)矩T共同的作用下，引起每個導(dǎo)程的變形量L0為 （3.7）A絲杠的截面積:JC絲杠的極慣轉(zhuǎn)矩：G鋼的剪切彈性模量，對于鋼G=83.3GPa;F 工作載荷 ( N )P 絲杠的導(dǎo)程(mm)T轉(zhuǎn)矩（Nm）取工作載荷F等于平均工作載荷Fm，即 F = Fm，則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差：（3.8）通常，要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其傳動精度的1/2，即故絲杠的剛度滿足要求4）效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率為（3.9）要求 在90%95%之間，所以該絲杠副能滿足使

30、用要求。3.1.3X軸軸承的設(shè)計計算軸承可分為：滾動軸承和滑動軸承兩大類。由于拉刀測量儀是精密的測量儀器，所以要選擇摩擦系數(shù)小,傳動效率高的軸承，一般滑動軸承的摩擦系數(shù)為0.08-0.12,而滾動軸承的摩擦系數(shù)僅為0.001-0.005;而且滾動軸承已實現(xiàn)標準化、系列化、通用化,適于大批量生產(chǎn)和供應(yīng)，使用和維修十分方便；同時滾動軸承用軸承鋼制造,并經(jīng)過熱處理,因此,滾動軸承不僅具有較高的機械性能和較長的使用壽命,而且可以節(jié)省制造滑動軸承所用的價格較為昂貴的有色金屬;對于拉刀測量儀這種精密機械，滾動軸承內(nèi)部間隙很小,各零件的加工精度較高,因此,運轉(zhuǎn)精度較高。同時,可以通過預(yù)加負荷的方法使軸承的剛

31、性增加，這是很重要的。在軸承的潤滑方面，由于滾動軸承傳動效率高,發(fā)熱量少,因此,可以減少潤滑油的消耗,潤滑維護較為省事;而且滾動軸承可以方便地應(yīng)用于空間任何方位的軸上。拉刀測量儀的承受的載荷不需要很大，而且振動較小，相比于滑動軸承，滾動軸承目前已發(fā)展成為機械的主要支承型式。所以選擇滾動軸承。 又因為X軸受軸向力和徑向力，所以可以選用推力球軸承和深溝球軸承，根據(jù)絲杠的型號可以選軸徑為15mm的滾動軸承，通過型號的查詢，選用型號如下：X軸的深溝球軸承型號：表3-6 深溝球軸承型號型號尺寸（mm）額定載荷疲勞負荷額定轉(zhuǎn)速體積6202內(nèi)徑外徑厚度動態(tài)（C）靜態(tài)（Co）PU(KN)參照速 度限制速 度m

32、31535118.063.750.1643000280000.045X軸的推力球軸承：表3-7 推力球軸承型號型號尺寸（mm）額定載荷疲勞負荷額定轉(zhuǎn)速體積51102內(nèi)徑外徑厚度動態(tài)（C）靜態(tài)（Co）PU(KN)參照速度限制速度m31528910.618.30.678500120000.024為了使軸承使用的壽命增長，對于軸承的使用進行了解：軸承的安裝是否正確，影響著精度、壽命、性能。因此要嚴格按照作業(yè)標準進行安裝，作業(yè)標準的項目通常如下：（1）、清洗軸承及軸承關(guān)連部件（2）、檢查關(guān)連部件的尺寸及精加工情況（3）、安裝（4）、安裝好軸承后的檢查（5）、供給潤滑劑在即將安裝前，方才打開軸承包裝。一

33、般潤滑脂潤滑，不清洗，直接填充潤滑脂。潤滑油潤滑，普通也不必清洗，但是，儀器用或高速用軸承等，要用潔凈的油洗凈，除去涂在軸承上的防銹劑。除去了防銹劑的軸承，易生銹，所以不能放置不顧。再者，已封入潤滑脂的軸承，不清洗直接使用。軸承的安裝方法，因軸承結(jié)構(gòu)、配合、條件而異，一般，由于多為軸旋轉(zhuǎn)，所以內(nèi)圈需要過盈配合。圓柱孔軸承，多用壓力機壓入，或多用熱裝方法。錐孔的場合，直接安裝在錐度軸上，或用套筒安裝。安裝到外殼時，一般游隙配合多，外圈有過盈量，通常用壓力機壓入，或也有冷卻后安裝的冷縮配合方法。用干冰作冷卻劑，冷縮配合安裝的場合，空氣中的水分會凝結(jié)在軸承的表面。所以，需要適當?shù)姆冷P措施。3.1.4

34、X軸導(dǎo)軌的設(shè)計計算對于導(dǎo)軌分為滾動導(dǎo)引，和傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)引兩大類，為了保證拉刀測量儀的線性運動的高精度，選擇滾動導(dǎo)引組成的導(dǎo)軌，因為滾動導(dǎo)引，它由鋼珠在滑塊與導(dǎo)軌之間作無限滾動循環(huán)，使得負載平臺能沿著導(dǎo)軌輕易的以高精度作線性運動，其摩擦系數(shù)可降至傳統(tǒng)滑動導(dǎo)引的1/50，使之能輕易地達到m級的定位精度。滾動導(dǎo)引中滑塊與導(dǎo)軌間的末制單元設(shè)計，使得線形導(dǎo)軌可同時承受上下左右等各方向的負荷，專用的回流系統(tǒng)及精簡化的結(jié)構(gòu)設(shè)計讓線性導(dǎo)軌有更平順且低噪音的運動。直線運動導(dǎo)軌的作用是用來支撐和引導(dǎo)運動部件，按給定的方向做往復(fù)直線運動。按摩擦性質(zhì)而定，直線運動導(dǎo)軌可以分為滑動摩擦導(dǎo)軌、滾動摩擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、

35、流體摩擦導(dǎo)軌等種類。直線導(dǎo)軌主要用在自動化機械上比較多,。根據(jù)預(yù)估的工作載荷FH和估算的Wx和Wy負載，計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本額定靜載荷，單位kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.03.0(一般運行狀況)，3.05.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：因系統(tǒng)受幾乎不受沖擊,因此fSL=1.0，F(xiàn)H=600, WX=300N,WY=300N，為使結(jié)構(gòu)簡單緊湊X向和Y向?qū)к壗y(tǒng)一，現(xiàn)在以X向計算導(dǎo)軌。（3.10） (3.11)PX=150NC0X=fSLPX=1x300=300N根據(jù)計算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:選擇GGB型滾動直線導(dǎo)

36、軌，其型號為：GGB16BA基本參數(shù)如表：表3-8 導(dǎo)軌型號型號額定動載荷（KN）額定靜載荷(KN)GGB16BA8.5113.38導(dǎo)軌的額定動載荷Ca=8510N；依據(jù)使用速度V（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷(kN)驗算導(dǎo)軌的工作壽命Ln公式額定行程長度壽命:（3.12）導(dǎo)軌的額定工作時間壽命: ，導(dǎo)軌的工作壽命足夠。3.1.5X軸電機的設(shè)計計算X軸的運動為直線運動，直線運動的實現(xiàn)可以通過電機帶動滾珠絲杠來實現(xiàn)。圖3-14電機絲杠傳動一、 驅(qū)動電機的選擇按照力矩匹配原則：就是根據(jù)負載力矩來選擇電機。也就是說機床在任何狀態(tài)下工作，電機都應(yīng)有足夠的力矩來驅(qū)動負載。為此應(yīng)滿足兩點要求，一

37、是進給傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的最大負載力矩應(yīng)小于或等于電機的額定力矩，對于這一點，數(shù)控機床與普通機床選擇電機的思路是一致的；二是進給傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的最大加速力矩應(yīng)小于或等于電機的瞬時最大轉(zhuǎn)矩。X軸的移動是通過絲杠來傳動的。TL=Ta+Tf+To（3.13）TL折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩(N.m)Ta折算到電機軸上的加速力矩(N.m)Tf折算到電機軸上的摩擦力矩(N.m)To折算到電機軸上的附加摩擦力矩(N)（3.14） （3.15）絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：工作臺的轉(zhuǎn)動慣量：加速力矩： （3.16）摩擦力矩： （3.17）附加摩擦力矩：式中，Jr折算到電機軸上的總慣量(kg.m)；t系統(tǒng)時間常數(shù)(

38、s)；nmax電機最大轉(zhuǎn)速(r/min)；Fo導(dǎo)軌摩擦力(N)；P絲杠螺距(mm)；i降速比；傳動鏈總效率(0.70.8)。故選用：表3-9 電機型號型號額定功率/kw額定力矩（N.m）額定轉(zhuǎn)速/r/min60HBM00630CBM0.20.6373000LRSLALBLCLELFLZLL3014705060375.5102圖3-15 電機3.1.6聯(lián)軸器的設(shè)計計算據(jù)傳遞扭矩的大小，軸轉(zhuǎn)速的高低，被聯(lián)接兩部件的安裝精度，參考各類聯(lián)軸器特性，選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。通常選擇時考慮以下幾點：(1)所需傳遞的扭矩的大小和性質(zhì)以及對緩沖減振功能的要求。(2)聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的偏心力大小。(

39、3)兩軸相對位移的大小和方向。(4)聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境。(5)聯(lián)軸器的制造，安裝，維護，和成本。由于機器起動過程有動載荷，可能出現(xiàn)過載現(xiàn)象，所以應(yīng)當按軸上的最大扭矩作為計算扭矩，計算扭矩按下式進行計算：（3.18）式中T為公稱轉(zhuǎn)矩，單位為；為工作情況系數(shù)。公稱轉(zhuǎn)矩： （3.19）查得KA=1.3，=1.3×40.11=41.38Nm 表3-10 聯(lián)軸器型號型號d1.d2DNLLFSFKM底孔最小最大SFS-08S12143582546630611424-M6*29圖3-16 聯(lián)軸器3.2 Y軸的設(shè)計計算3.2.1Y軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計：主要參數(shù)確定：Y工作臺質(zhì)量大體估算： (3.20)

40、絲杠的設(shè)計計算：對于Y工作臺受力分析，Y工作臺主要支承上方立柱和縱向移動，所以對Y工作臺經(jīng)受力分析可得，Y方向絲杠上受到軸向力和徑向力，主要以軸向力為主，為了減小摩擦力，提高傳動效率，選用滾珠絲杠副，通過縮短傳動鏈來提高測量儀的精度，選用電機絲杠直連的連接方式；同樣選擇可以滿足測量精度的支承方式，選用雙推雙推的支撐方式，如圖：圖3-17 絲杠支撐方式絲杠的潤滑采用潤滑脂潤滑;防塵采用褶皺的保護套，保護套兩端通過磁鐵與床身連接，因為磁鐵的連接方便于更換保護套，其結(jié)構(gòu)如圖:圖3-18 絲杠防護罩滾動軸承的組合設(shè)計：采用兩端固定方式，外圈用軸承端蓋頂住兩軸承的外圈的外側(cè)，軸承內(nèi)圈的使用圓螺母和止動墊

41、圈緊固，因為圓螺母還可用于調(diào)整軸承游隙軸承的潤滑密封與X軸一樣。導(dǎo)軌的安裝基準面的選擇也同X軸。Y方向最大行程是400mm，同樣考慮到聯(lián)軸器，等其他零件的長度，將Y方向的床身長定為600mm，床寬是200mm，厚度為60mm，床身的材料定為灰口鑄鐵，查的灰口鑄鐵的密度為7x103Kg/m3，其余設(shè)計參數(shù)與X床身相似,形狀如圖所示圖3-18 Y工作臺3.2.2Y軸絲杠的選擇及校核1.絲杠螺母副傳動特點：1.傳動效率高，摩擦損失小，2.傳動的可逆性，3.傳動精度高，4.磨損小，使用壽命長2.支承方式的選擇：為保證滾珠絲杠副傳動的剛度和精度，應(yīng)選擇合適的支承方式，選用軸承組合。考慮到Y(jié)軸水平運動，滾

42、珠絲杠副水平布置，采用雙推雙推的支撐方式。因為這種支撐方式軸向剛度最高，適用于高速、高剛度、高精度的場合。4.滾珠絲杠副的選型與校核:1）.計算載荷：，K為工況系數(shù)，和X軸的取值一樣，從表1、2、3中取值，算得k=1.3，為軸向載荷，對于Y軸的運動情況，近似取為Z工作臺的重力。Z方向床體質(zhì)量大致估算前面已經(jīng)算的為10Kg，加上伸出的機械臂，絲杠和電機的質(zhì)量，給定Z工作臺的總體質(zhì)量為30Kg，所以=300N。查表得機器的使用壽命為15000h，n=60r/min，解得L=54（106r），L=（Ca/Fc）3，Ca=1.74KN根據(jù)動載荷選擇絲杠副的尺寸絲杠的型號及參數(shù)表3-11 絲杠型號代號公

43、稱直徑（d0）公稱導(dǎo)程（ph0）外徑（d1）鋼球直徑（Dw）絲杠底徑（d2）總?cè)?shù)n動載荷CaKN靜載荷CoaKN剛度KCN/mFFZD1604-316415.32.38113.534.89.7442圖3-19絲杠3.2.3.穩(wěn)定性驗算：采用雙推-雙推支撐方式，因為絲杠較長，所以用壓桿穩(wěn)定性來求臨界載荷Fcr，（3.10）式中：絲杠的彈性模量，對鋼=206Gpa，：絲杠危險截面的軸慣性矩，：長度系數(shù)，兩端鉸接， ：絲杠的工作長故絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。3.2.4臨界轉(zhuǎn)速ncr驗證高速運轉(zhuǎn)時，需要驗算其是否會發(fā)生共振的臨界轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速可按公式計算：d1絲杠底徑；長度系數(shù)，兩端

44、鉸接，l絲杠的工作長度fc取值如下表所示：表3-12 fc取值表支撐系數(shù)雙推-自由雙推-簡支雙推-雙推安全系數(shù)S3-42.5-3.3-長度系數(shù) 22/3-臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)fc1.8753.9274.730；所以不會發(fā)生共振。3.2.5剛度驗算滾珠絲杠在工作負載F和轉(zhuǎn)矩T共同的作用下，引起每個導(dǎo)程的變形量L0為（3.11）式中：A絲杠的截面積JC絲杠的極慣轉(zhuǎn)矩G鋼的剪切彈性模量，對于鋼G=83.3GPa;F 工作載荷 ( N ) P 絲杠的導(dǎo)程(mm)T轉(zhuǎn)矩（N.m）取工作載荷F等于平均工作載荷Fm，即 F = Fm，則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為:（3.13）通常，要求絲杠的導(dǎo)程誤

45、差應(yīng)小于其傳動精度的1/2，即故絲杠的剛度滿足要求3.2.6效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率為 （3.14）要求 在90%95%之間，所以該絲杠副能滿足使用要求3.2.7Y軸軸承的設(shè)計計算Y軸軸承的選用：Y軸和X軸受力類似，都受軸向力和徑向力，所以選則同樣的軸承，Y軸的深溝球軸承型號：表3-13 深溝球軸承型號型號尺寸（mm）額定載荷疲勞負荷額定轉(zhuǎn)速體積6202外徑內(nèi)徑厚度動態(tài)（C）靜態(tài)（Co）PU(KN)參照速 度限制速 度m31535118.063.750.1643000280000.045Y軸的推力球軸承：表3-12推力球軸承型號型號尺寸（mm）額定載荷疲勞負荷額定轉(zhuǎn)速體積51102外徑內(nèi)徑

46、厚度動態(tài)（C）靜態(tài)（Co）PU(KN)參照速度限制速度m31528910.618.30.678500120000.0243.2.8 Y軸的導(dǎo)軌的設(shè)計計算：因為對于X軸所選的導(dǎo)軌同樣也滿足Y軸，所以使用相同的導(dǎo)軌，其型號為：GGB16BA。3.2.9 Y軸電機的設(shè)計計算Y軸的移動是通過絲杠來傳動的。TL=Ta+Tf+To（3.15）式中，TL折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩(N.m)Ta折算到電機軸上的加速力矩(N.m)Tf折算到電機軸上的摩擦力矩(N.m)To折算到電機軸上的附加摩擦力矩(N)式中，Jr折算到電機軸上的總慣量(kg.m)；t系統(tǒng)時間常數(shù)(s)；nmax電機最大轉(zhuǎn)速(r/min)；Fo導(dǎo)

47、軌摩擦力(N)；P絲杠螺距(mm)；i降速比；傳動鏈總效率(0.70.8)。TL=Ta+Tf+To=0.00354+0.47 +0.09=0.28N.m故選用：表3-13 電機型號型號額定功率/kw額定力矩（N.m）額定轉(zhuǎn)速/r/min40HBM00330BAT0.10.323000LRSLALBLCLELFLZLL258463040444.599.5圖3-20 電機3.2.10Y軸聯(lián)軸器的設(shè)計計算：由于機器起動過程有動載荷，可能出現(xiàn)過載現(xiàn)象，所以應(yīng)當按軸上的最大扭矩作為計算扭矩，計算扭矩按下式進行計算：（3.15）式中T為公稱轉(zhuǎn)矩，單位為；為工作情況系數(shù)。公稱轉(zhuǎn)矩 =9550x0.1/60=

48、15.91Nm查得KA=1.3，=1.3×15.91=21.6Nm 表3-14 聯(lián)軸器型號型號d1.d2DNLLFSFKM底孔 最小最大SFS-06S782568405625610304-M6*25圖3-21 聯(lián)軸器3.3Z軸的設(shè)計計算3.3.1z軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計：主要參數(shù)的確定：Z工作臺質(zhì)量大體估算：滾珠絲杠副的支撐方式的選擇：選擇單推單推的支撐方式，如圖：圖3-22 絲杠的支撐方式絲杠的潤滑、防塵、安裝、方式與X軸絲杠的潤滑、防塵、安裝方式相同。滾動軸承的組合設(shè)計：采用兩端固定方式，外圈用軸承端蓋頂住兩軸承的外圈的外側(cè)，軸承內(nèi)圈的使用圓螺母和止動墊圈緊固，因為圓螺母還可用于調(diào)整軸承游

49、隙軸承的潤滑密封與X軸一樣。導(dǎo)軌的安裝基準面的選擇也同X軸。由于拉刀測量儀的Z方向，有沿立柱上下運動的部件，這時就要選用合適的配重來平衡運動部件的質(zhì)量，以減小電機的負荷。由于拉刀測量儀屬于輕型機床，配重質(zhì)量約占待平衡運動部件質(zhì)量的80%，同時添加配重也可以減小螺桿的負載，抑制電機和螺桿的發(fā)熱，從而保證加工精度，延長電機和螺桿的壽命。 配重的形式有機械配重，液壓配重，彈性配重；由于機械配重形式結(jié)構(gòu)簡單，故障率低。用配重體的重量來抵消主軸單元的重量，從而降低絲杠上的載荷和減小電機負載，此種形式不適合高速切削。對于機械臂和測頭的質(zhì)量估計約為20Kg，而且拉刀測量儀屬于輕型機床，所以配重質(zhì)量為16kg

50、。圖3-22立柱傳動系統(tǒng)由于拉刀是截面逐漸增大的圓形，所以在Z向上也要有一定的運動，同樣Z方向也有聯(lián)軸器等零件，考慮其中，將Z方向定為200mm，寬100mm，厚60mm，以立柱的形式存在，對于如圖所示：圖3-23 Z軸立柱示意圖3.3.2滾珠絲杠副的選型與校核:1）.計算載荷：，k為工況系數(shù)，和X軸的取值一樣，從表1、2、3中取值，算的K=1.3，為軸向載荷，對于Z軸的運動情況，近似取為Z工作臺的機械臂和測頭的重力100N，查表得機器的使用壽命為15000h，n=60r/min，解得L=54（106r），Ca=1.74KN，根據(jù)動載荷選擇絲杠副的尺寸表3-15 絲杠型號代號公稱直徑（d0）公

51、稱導(dǎo)程（ph0）外徑（d1）鋼球直徑（Dw）絲杠底徑（d2）總?cè)?shù)n動載荷CaKN靜載荷CoaKNFFZD1604-38281.5886.742.343.3.3穩(wěn)定性驗算：采用單推-單推支撐方式，用壓桿穩(wěn)定性來求臨界載荷Fcr，（3.16）式中：絲杠的彈性模量，對鋼=206Gpa，：絲杠危險截面的軸慣性矩，：長度系數(shù)，兩端鉸接， ：絲杠的工作長度。 (3.17)故絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。3.3.4臨界轉(zhuǎn)速ncr驗證高速運轉(zhuǎn)時，需要驗算其是否會發(fā)生共振的臨界轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速可按公式計算：d1絲杠底徑；長度系數(shù)，兩端鉸接，l絲杠的工作長度所以不會發(fā)生共振。3.3.5剛度驗算滾珠絲杠在工作負載F和轉(zhuǎn)矩T共同的作用下，引起每個導(dǎo)程的變形量L0為（3.17）式中：A絲杠的截面積JC絲杠的極慣轉(zhuǎn)矩G鋼的剪切彈性模量，對于鋼G=83.3GPa;F 工作載荷 ( N ) P 絲杠的導(dǎo)程(mm)T轉(zhuǎn)矩（Nm）取工作載荷F等于平均工作載荷Fm，即F = Fm，則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為:通常，要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其傳動精度的1