機械畢業(yè)設(shè)計論文凸輪軸測量機的逆向設(shè)計全套圖紙三維

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1、 北京印刷學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 課 題 名 稱： 凸輪軸測量機的逆向設(shè)計與虛擬展示 專 業(yè) 班 級： 機械工程10-1班 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 生 學(xué) 號： 起迄日期： 2013年11月17日—20143年5月23日 指導(dǎo)教師： 職稱： 副教授 發(fā)任務(wù)書日期：2013年11月17日 摘 要 本次設(shè)計是對凸輪

2、軸測量機的設(shè)計。在這里主要包括:傳動系統(tǒng)的設(shè)計、裝夾部位系統(tǒng)的設(shè)計、測量部位系統(tǒng)的設(shè)計這次畢業(yè)設(shè)計對設(shè)計工作的基本技能的訓(xùn)練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進行一般機械的設(shè)計創(chuàng)造了一定條件。 整機結(jié)構(gòu)主要由電動機產(chǎn)生動力通過聯(lián)軸器將需要的動力傳遞到絲桿上，絲桿帶動絲桿螺母，從而帶動整機裝置運動裝置運動，提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動化水平。更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。 本論文研究內(nèi)容： (1) 凸輪軸測量機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 (2) 凸輪軸測量機工作性能分析。 (3)電動機的選擇。 (4) 凸輪軸測量機的傳動系統(tǒng)、執(zhí)行部件及機架設(shè)計。 (5)對設(shè)計零件進行設(shè)計計算分析和校

3、核。 (6)運用計算機輔助設(shè)計，對設(shè)計的零件進行三維建模。 (7)繪制整機裝配圖及重要部件裝配圖和設(shè)計零件的零件圖。 關(guān)鍵字：凸輪軸測量機， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠 全套圖紙三維，加153893706 ABSTRACT This design is the design of the cam shaft measuring machine. Here mainly include: design, drive system design of the clamping system design, part of the system measuring par

4、ts of the graduation design on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create the conditions for general mechanical design. The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the

5、screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, which drives the motion machine device, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development. The research of this thesis: (1) the overall structure of cam shaf

6、t measuring machine design. (2) analysis of cam shaft measuring machine performance. (3) the choice of motor. (4) transmission system, execution unit and a cam shaft measuring machine. (5) the design of components for the design calculation and check. (6) the use of computer aided design, 3D mo

7、deling on Design of parts. (7) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design. Keywords: cam shaft measuring machine, coupling, ball screw 目 錄 1 概述 6 1.1 前言 6 1.2 國內(nèi)外主要的一些凸輪測量儀 6 1.2.1中外合資廣州威而信精密儀器有限責(zé)任公司研發(fā)的凸輪軸測量儀 6 1.2.2 瑞士TRIMOS 多功能軸類檢測儀 7 2 凸輪軸測量機分

8、析 9 2.1 凸輪軸測量儀整體設(shè)計 9 2.1.1 凸輪軸測量儀的測量原理 10 2.1.2 主要組成 11 2.1.3 凸輪軸測量儀設(shè)計方案 11 2.2 凸輪軸測量儀的數(shù)據(jù)處理 12 2.2.1 凸輪桃尖的確定 12 2.2.2 角度基準的確定 12 2.3 位移傳感器簡介及選擇 13 3 凸輪軸測量機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 3.1 確定脈沖當量 15 3.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型 15 3.2.1 精度的選擇 15 3.2.2絲杠導(dǎo)程的確定 15 3.2.3 最大工作載荷的計算 15 3.2.4 最大動載荷的計算 16 3.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型

9、16 3.2.6 滾珠絲杠副的支承方式 17 3.2.7 傳動效率的計算 17 3.2.8 剛度的驗算 17 3.2.9 穩(wěn)定性校核 18 3.2.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 19 3.3 步進電動機的選擇 20 3.4 絲杠軸的校核 22 3.5 鍵的校核 23 3.6 軸承的校核 23 3.7導(dǎo)軌的特點及設(shè)計 24 3.8直線滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇 25 3.9 立柱的強度與剛度的計算 28 4 凸輪軸測量機的三維虛擬展示 33 結(jié) 論 38 參考文獻 39 致 謝 41 1 概述 1.1 前言 凸輪軸是工程中常用的零件，在凸輪軸的大批量生產(chǎn)

10、中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品的測量變得非常重要。凸輪軸的軸向尺寸較多并且精度較高，用傳統(tǒng)的測量方法無法保證每一件產(chǎn)品的測量精確、且容易造成測量成本過高，因此需要一臺專用的測量設(shè)備才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量控制。所以我設(shè)計了一臺凸輪軸專用測量儀。 采用方案是利用CCD傳感器識別邊界，進行非接觸式測量。這在現(xiàn)階段的測量技術(shù)領(lǐng)域還屬于比較新穎的測量技術(shù)。因為CCD傳感器的視角范圍很小，不能直接利用它來測量這樣大尺寸的工件。因此在本測量儀中，只利用它作為一個識別工件邊界的工具，再利用光柵記錄CCD傳感器移動的距離，這樣也可以得到精確的測量結(jié)果。而且成本也比較低。但是這種測量方法受環(huán)境光源的影響較大，因此對環(huán)境

11、有一定的要求。 1.2 國內(nèi)外主要的一些凸輪測量儀 凸輪機構(gòu)是常用機構(gòu)，應(yīng)用范圍很廣。因此，對凸輪工作性能的要求就越來越高，而凸輪工作性能的好壞主要由相關(guān)的凸輪形線參數(shù)來決定。因此，目前國內(nèi)外對凸輪參數(shù)的測量儀的研究和開發(fā)也越來越廣泛和深入。下面將對此進行一下簡要的介紹。 1.2.1中外合資廣州威而信精密儀器有限責(zé)任公司研發(fā)的凸輪軸測量儀 如圖1.1所示，為該公司研發(fā)的凸輪軸測量儀的實物圖。左邊為凸輪測量儀器的安裝和測量平臺，右邊為數(shù)據(jù)采集與處理平臺。 該廠家研發(fā)的這套凸輪軸測量儀器，采用凸輪軸立式安裝測量結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)軸由精密氣浮主軸與氣浮頂尖構(gòu)成，雙氣浮直線運動導(dǎo)軌立柱做為直線運動基

12、準，由進口電機驅(qū)動；電器部分由高級計算機及進口精密圓光柵傳感器、精密光柵位移傳感器組成。測量軟件采用基于中文版WINDOWS操作系統(tǒng)平臺的WILSON測量軟件，完成參數(shù)輸入、測量選擇、數(shù)據(jù)采集、處理及測量數(shù)據(jù)管理和測量結(jié)果打印輸出等工。 這款測量儀器目前在國內(nèi)還算是比較先進的，它主要有以下一些優(yōu)點： （1）立式主機測量結(jié)構(gòu)：凸輪軸垂直安裝，避免重力因素影響對測量造成的誤差； （2）高精度：機械運動部件和工件的定位（超精密氣浮主軸與氣浮頂尖、雙氣浮直線運動導(dǎo)軌立柱）均采用氣浮結(jié)構(gòu)，主軸精度高達0.08um； （3）長壽命：主軸、導(dǎo)軌均采用氣浮結(jié)構(gòu)，故永不磨損、精度保持長久、儀器精度壽命長

13、達十年以上； （4）數(shù)據(jù)采集采用世界上最著名的德國海德漢公司的精密光柵傳感器（旋轉(zhuǎn)、位移）及其相關(guān)技術(shù)，準確度高，穩(wěn)定性好； （5）工作平臺和立柱導(dǎo)軌均采用精密花崗巖材料制成，可抑制周圍環(huán)境的噪聲和震動； （6）可放置在企業(yè)計量室和生產(chǎn)車間現(xiàn)場使用 圖1.1 威爾信凸輪軸檢測儀裝置圖 1.2.2 瑞士TRIMOS 多功能軸類檢測儀 如圖1.2所示，瑞士TRIMOS公司生產(chǎn)的TWINNER多功能軸類測量系統(tǒng)可完成以下測量任務(wù)：長度、直徑、距離、遞增尺寸、槽寬、槽徑、中點距離、角度、孔的位置、曲軸和凸輪軸沖程、跳動、基于工件軸線的跳動、圓度、端面跳動、同心度、對稱度、平行度

14、、直線度、圓錐角度、最大最小值/差值、交點尺寸等。 TWINNER儀器特點： 1. 穩(wěn)定性高（儀器基體都由花崗巖制成），精度高、重復(fù)性好、操作簡便 2.在車間環(huán)境下，長度、直徑和跳動的測量精度能得到保證 3. 一般情況下，儀器不必經(jīng)常標定 4. 更換工件后，無需對儀器進行重新標定 5. 導(dǎo)軌直線度好<=0.002mm 6. 頂針頭座和尾座可以自由移動，工件可裝夾在任意位置 7. 特殊頂針座可選，可安放于兩標配頂針座之間，這樣可同時裝夾兩種工件，可同時測量 8. 導(dǎo)軌和頂針座間平行度調(diào)整方便，在一些情況下（如頂針座受到撞擊后）方便調(diào)整 9. 長度和直徑測量模塊固定于測量支架上，與導(dǎo)軌垂直度好

15、 10. 測力固定，極大的減少了人為誤差 11.長度和直徑測量模塊上裝有特殊的機電機構(gòu)，測量時所有測量結(jié)果和測量信息(如測量位置)有自動采集提示 12.儀器基本上有3個支架，第一個安放可選測量模塊，第二個為長度測量系統(tǒng)，第三個為直徑和跳動測量系統(tǒng) 13.另有各種測頭、測量系統(tǒng)可選，例如：孔測頭，角度測量系統(tǒng)等，可為客戶定做 圖 1.2 TWINNER多功能軸類測量系統(tǒng) 以上簡要介紹了一下，目前國內(nèi)外關(guān)于凸輪軸測量儀器產(chǎn)品研發(fā)的一些情況，可見目前，凸輪軸測量儀器的發(fā)展越來越趨向于全自動化、高精度的要求

16、。 2 凸輪軸測量機分析 2.1 凸輪軸測量儀整體設(shè)計 目前儀器使用者對儀器的一貫要求為精度高、功能全、工作可靠、自動化程度高需要人工少量干預(yù)或者根本不需要人工干預(yù)。筆者通過調(diào)研、查詢大量資料，根據(jù)凸輪的測量特點并結(jié)合廣州威而信精密儀器有限公司長時間研發(fā)和生產(chǎn)軸類高精密測量儀（圓柱度、圓度儀、輪廓儀）經(jīng)驗的基礎(chǔ)研制生產(chǎn)全自動凸輪軸測量儀。 全自動凸輪軸測量儀總體結(jié)構(gòu)：全自動凸輪軸測量儀整體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖 2.5所示： 立式測量結(jié)構(gòu)； 高精度空氣靜壓軸承； 大理石工作臺、大理石氣浮立柱、氣浮導(dǎo)軌； 圓光柵系統(tǒng)、長光柵系統(tǒng)； 計算機采集控制和運動控制系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)處理、程

17、序評價、屏幕輸出和打印系統(tǒng)； 國內(nèi)首次提出并集成融合了氣浮結(jié)構(gòu)（大承載氣浮轉(zhuǎn)軸，其承重最大可達 600kg，其精度能保證在 0.1um、氣浮立柱、氣浮橫導(dǎo)軌）、高精度光柵編碼器、自動控制、計算機補償及處理技術(shù)，形成全自動控制和測量的高精度凸輪軸測量儀，具有測量準確度高、測試速度快、操作簡便和便于數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點，能有效滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求，儀器精度達到國際先進先進水平，在國內(nèi)具有領(lǐng)先水平。 凸輪軸測量儀主要技術(shù)參數(shù)： 系統(tǒng)精度：升程誤差2um，角度誤差2um 可測最大工件長度：1200mm 長光柵量程：30mm 圓光柵系統(tǒng)： 圓光柵傳感器系統(tǒng)精度：≤5um 分辨率：0.08um

18、 長光柵系統(tǒng)： 量程 200 mm 分辨率 0.02um 精度0.2um/200mm 主軸跳動不大于 0.2um 測量一個凸輪時間：＜0.5 分鐘 主軸徑向精度：≤0.1um 主軸軸向精度：≤0.1um 每個輪廓測量時間＜1min 圖2.5 1-大理石龍門立柱 ，2-左側(cè)滑塊組件，3-上頂尖，4-右側(cè)氣浮滑塊組件，5-測桿，6-氣浮橫導(dǎo)軌 ，7-長光柵 ， 8-大理石橫導(dǎo)軌 ， 9-滾珠絲杠 ，10-下頂尖 ，11-三維工作臺 ，12-氣浮主軸，13-工作平臺 ，14-儀器架 2.1.1 凸輪軸測量儀的測量原理 凸輪測量儀工作原理示意圖，如圖 2

19、.6 所示，凸輪軸測量儀采用凸輪軸立式安裝測量結(jié)構(gòu)，由上、下主軸構(gòu)成工件回轉(zhuǎn)中心，被測量凸輪軸隨主軸產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動，通過精密圓光柵測頭讀數(shù)；測頭在工件的徑向接觸被測量面，隨測量面產(chǎn)生徑向位移，使氣浮橫導(dǎo)軌帶動長光柵傳感器，測量出每一讀數(shù)的徑向位移；實現(xiàn)凸輪軸各個截面的測量；由計算機根據(jù)被測量凸輪軸參數(shù)計算出凸輪軸桃形升程誤差和軸徑圓度誤差等參數(shù)。 圖2.6凸輪測量儀工作原理 這里，應(yīng)特別強調(diào)：凸輪測量時，測頭的形狀應(yīng)與凸輪機構(gòu)中的從動件的頭部形狀一致，這樣才能更好地模擬凸輪機構(gòu)的實際工作情況，使測量出的凸輪升程值準確反映凸輪機構(gòu)從動件的工作位移。 2.1.2 主要組成 凸輪軸

20、測量儀由凸輪軸、測頭裝置、位移傳感器、角度傳感器、帶動器、帶輪、主軸箱、工作臺組成。 2.1.3 凸輪軸測量儀設(shè)計方案 凸輪軸測量儀整體結(jié)構(gòu)可分為臥式結(jié)構(gòu)和立式結(jié)構(gòu)兩種。臥式結(jié)構(gòu)便于人工操作和讀取數(shù)據(jù),但是由于重力作用下廠凸輪軸產(chǎn)生彎曲變形,影響測量結(jié)果;立式結(jié)構(gòu)則可以有效消除凸輪軸在測量過程中由于重力作用而產(chǎn)生得彎曲變形,從而使測量結(jié)果更準確。本課題中,凸輪軸測量儀整體采用立式結(jié)構(gòu),主要由工作臺,測頭,W軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng),Z軸移位驅(qū)動系統(tǒng),X軸進給驅(qū)動系統(tǒng),和凸輪軸定位夾緊裝置等組成。 凸輪軸測量儀實質(zhì)上是一個以凸輪軸旋轉(zhuǎn)軸線與軸頸或凸輪中截面交點為極點,指向測頭方向為極徑的二維極座標測

21、量系統(tǒng)。其中伺服電機和主頂尖構(gòu)成測量儀的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng),實現(xiàn)凸輪軸的旋轉(zhuǎn),并由安裝在主軸箱主軸上的圓光柵對凸輪軸轉(zhuǎn)過的角度進行采樣;并由長度光柵對測頭在X軸方向的直線位移進行長度采樣;測頭采用一維掃描測頭即電感式傳感器,來獲取X軸方向上的微小位移;主頂尖座,主頂尖,可以沿導(dǎo)軌上下移動的尾座和尾頂尖是凸輪軸的定位和夾緊裝置。 2.2 凸輪軸測量儀的數(shù)據(jù)處理 本文所討論的凸輪測量，是指測頭的形狀與凸輪機構(gòu)中從動件的形狀一致的情況，這樣能真實反映凸輪機構(gòu)的實際工作情況，長光柵測量出的凸輪升程值準確反映凸輪的實際升程，如果是用不同的測頭，在同一角度測出的升程值有可能不同，其測量的值要經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)運

22、算才能轉(zhuǎn)化成從動件對應(yīng)的真正升程值，由于凸輪的種類多，被動件也就多，則對應(yīng)的測頭形狀也很多，把每種凸輪不同測頭測量值轉(zhuǎn)換成一種測頭測量值，工作量之大是可以想象的。又因為我們目前所見到的凸輪種類還不能囊括所有類型凸輪，用一個測頭測所有凸輪也是不現(xiàn)實的，由于時間和客觀因素本文只討論測頭和從動件一致的情況，測頭之間的轉(zhuǎn)換留作進一步展望。 2.2.1 凸輪桃尖的確定 由于凸輪軸的用途不同，凸輪的形狀也有所不同，有凸輪升程上升段和下降段是對稱的也有非對稱的，有凸輪升程是正值也有凸輪的升程是負值（前面有介紹和圖示），因此不同形狀的凸輪的消偏心、確定凸輪桃尖位置、確定其升程誤差等數(shù)據(jù)處理方法也略有不同；

23、為了使算法能適應(yīng)于各種凸輪檢測，我們采用了凸輪都有的敏感點法來確定凸輪桃尖。 凸輪敏感點是指凸輪升程段中的升程變化率最大的點，敏感點是凸輪加工時最難加工的點，敏感點附近是誤差最大的區(qū)域，因此我們采用敏感點區(qū)域誤差最小法來得到凸輪桃尖位置。其算法如下：首先在 0到 360范圍內(nèi)尋找升程最大值點區(qū)域，以最大值點區(qū)域的中心點為初始桃尖位置；然后在敏感點附近確定角度區(qū)間本文用的是 10～25，移動初始桃尖位置計算在該角度區(qū)間內(nèi)敏感點左右兩側(cè)附近的誤差平方和。最后找出敏感點左右兩側(cè)誤差平方和最小的桃尖位置對應(yīng)的數(shù)據(jù)，該點即為最終凸輪桃尖位置。 2.2.2 角度基準的確定 在凸輪軸加工過程中，以凸輪

24、軸端面的定位孔或軸頸鍵槽的作為角度基準來加工凸輪,因此在凸輪軸測量時需要確定凸輪軸端面的定位孔或軸頸鍵槽的中心位置來作為角度基準。鍵槽的中心位置可以通過測量與鍵槽緊密配合圓柱形鍵銷的中心位置獲得；定位孔的中心位置可以通過測量與定位孔緊密配合圓柱形定位銷的中心位置獲得。 當被測凸輪軸以上下頂尖為旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動時，鍵銷或定位銷的運動軌跡是凸輪軸的同心圓，隨著測頭與鍵銷或定位銷接觸點位置的不斷改變，測頭將產(chǎn)生相應(yīng)位移，可以把鍵銷或定位銷看成是凸輪軸上的一個凸輪，這個凸輪的桃尖就是鍵槽或定位孔的中心位置，角度基準以桃尖的方式確定了。 2.3 位移傳感器簡介及選擇 測量位移的方法很多，現(xiàn)已形成多種位

25、移傳感器,而且有向小型化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的趨勢。位移傳感器又稱為線性傳感器，常用的有電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器，磁致伸縮位移傳感器以及基于光學(xué)的干涉測量法，光外差法，電鏡法，激光三角測量法和光譜共焦位移傳感器等技術(shù)。 （1）電感式位移傳感器 電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化，接通電源后，在開關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個交變磁場，當金屬物體接近此感應(yīng)面時，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器式位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長

26、壽命，可使用在各種惡劣條件下。電感式位移傳感器主要應(yīng)用在自動化裝備生產(chǎn)線對模擬量的智能控制方面。 （2）霍耳式位移傳感器 它的測量原理是保持霍耳元件的激勵電流不變，并使其在一個梯度均勻的磁場中移動，則所移動的位移正比于輸出的霍耳電勢。磁場梯度越大，靈敏度越高；梯度變化越均勻，霍耳電勢與位移的關(guān)系越接近于線性?；舳轿灰苽鞲衅鞯膽T性小、頻響高、工作可靠、壽命長，因此常用于將各種非電量轉(zhuǎn)換成位移后再進行測量的場合。消除了機械接觸，壽命長、可靠性高，缺點：對工作環(huán)境要求較高。 （3）光電式位移傳感器 它根據(jù)被測對象阻擋光通量的多少來測量對象的位移或幾何尺寸。特點是屬于非接觸式測量，并可進

27、行連續(xù)測量。光電式位移傳感器常用于連續(xù)測量線材直徑或在帶材邊緣位置控制系統(tǒng)中用作邊緣位置傳感器。光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)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，光電傳感器在檢測和控制中應(yīng)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。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成

28、分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應(yīng)用。 （4）長光柵 光柵是用于機床的精密檢測裝置，是一種非接觸式測量。它是利用光學(xué)原理進行工作，按形狀可以分為圓光柵和長光柵。圓光柵用于角位移的檢測，長光柵用于直線位移的檢測。 光柵是利用光的透射、衍射現(xiàn)象制成的光電檢測元件，它主要有光柵尺和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。 光柵讀數(shù)頭由光源、透鏡、指示光柵和驅(qū)動線路組成。如圖4.1所示。 圖4.1 光柵讀數(shù)頭 光

29、柵的工作原理是根據(jù)莫爾條紋的形成原理進行工作的。 光柵具有如下特點： （1）響應(yīng)速度快、量程寬、測量精度高。測量直線位移精度可達0.5-3um(300mm范圍內(nèi))，分辨率可達0.1um;測量位移精度可達0.15”,甚至更高。 （2）可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化。 （3）具有較強的抗干擾能力。 綜合比較精度要求與經(jīng)濟性，該設(shè)計中的位移傳感器選用長光柵。 3 凸輪軸測量機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 確定脈沖當量 一個進給脈沖，使凸輪軸測量機運動部件產(chǎn)生位移量，也稱為凸輪軸測量機的最小設(shè)定單位。脈沖當量是衡量數(shù)控凸輪軸測量機加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。根據(jù)凸輪軸測量機精度

30、要求確定脈沖當量0.01mm/脈沖。 3.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，其螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。 3.2.1 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控凸輪軸測量機的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對凸輪軸測量機定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意300行程變動量應(yīng)小于目標設(shè)定定位精度值的

31、1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。對于，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設(shè)計的定位精度要求選擇X軸精度等級為3級，Z軸為4級。 3.2.2絲杠導(dǎo)程的確定 選擇導(dǎo)程跟所需要的運動速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導(dǎo)程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導(dǎo)程（利于提高控制精度），本設(shè)計中初選縱向絲杠導(dǎo)程為8，橫向絲杠導(dǎo)程為5。 3.2.3 最大工作載荷的計算 最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動工作臺時所承受的最大軸向力，也叫進給牽引力,其實驗計算公式如表3

32、-1所示。 表3-1 實驗計算公式及參考系數(shù) 導(dǎo)軌類型 實驗公式 矩形導(dǎo)軌 1.1 0.15 燕尾導(dǎo)軌 1.4 0.2 綜合或三角導(dǎo)軌 1.15 0.15-0.18 表中為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)；為滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；為移動部件總重量。G=1000 N 查表3-1選擇綜合導(dǎo)軌，取1.15,取0.18,為1000； 算得=1.151197+0.18（3420+1000） =2171.55 3.2.4 最大動載荷的計算 載荷隨時間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動載荷。比如起重機以等速度

33、吊起重物，重物對吊索的作用為靜載，起重機以加速度吊起重物，重物對吊索的作用為動載。 對于滾珠絲杠螺母副的最大動載荷計算公式如下： 式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（T為使用壽命，普通凸輪軸測量機T取5000-10000h，數(shù)控凸輪軸測量機T取15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）； —載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設(shè)計取1.2； —硬度系數(shù)（HRC58時取1.0；等于55時取1.11；等于52.5時取1.35；等于50時取1.56；等于45時取2.40）； —滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。 本設(shè)計

34、中縱向承受最大切削力條件下最快的進給速度,初選絲杠基本導(dǎo)程，則絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。 3.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型 初選滾珠絲桿副時應(yīng)使其額定動載荷, 當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長時間承受工作載荷時，還應(yīng)使額定靜載荷。 根據(jù)計算出的最大動載荷,選擇江蘇啟東潤澤凸輪軸測量機附件有限公司生產(chǎn)的FL4008-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預(yù)緊，精度等級為4級，其參數(shù)如表3-2所示。 表3-2 FL4008-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù) 公稱直徑/ 導(dǎo)程/ 鋼球直徑/ 絲杠外徑/ 絲杠底徑/ 額定載荷/ 接觸剛度

35、 / 1897 40 8 4.763 38.6 35.24 66 31 3.2.6 滾珠絲杠副的支承方式 滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合?？紤]到縱向絲杠長度較大，本設(shè)計縱向絲杠采用雙推—簡支支承方式，該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。 3.2.7 傳動效率的計算 滾珠絲杠的傳動效率一般在0.8～0.9之間，其計算公式如下： = 式中：—螺距升角，根據(jù),可得=291′； —摩擦角，一般取=10′。

36、 算得： ==96.67% 3.2.8 剛度的驗算 滾珠絲杠副工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，引起導(dǎo)程的變化，從而影響定位精度和運動的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。 因轉(zhuǎn)矩和絲杠-螺母滾道接觸對絲杠產(chǎn)生的導(dǎo)程變化很小，所以、可以忽略不計，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為： =（“+”號代表拉伸，“-”代表壓縮） 式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為； —絲杠縱向最大有效行程，單位為； —絲杠材料的彈性模量，鋼； —絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定

37、。 根據(jù)前面的設(shè)計，為3234.36，取1665，為45.24，算得： ==0.01597=15.97 查表3-3可知，,所以剛度足夠。 表3-3 有效行程內(nèi)的目標行程公差和行程變動量 有效行程 精度等級 1 2 3 4 5 大于 至 — 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23 400 500 8 7 10 9 15 13 20 19 27 26 1600 2000 18 13 25 18 35 25 48 36 65 5

38、1 3.2.9 穩(wěn)定性校核 由于滾珠絲杠本身比較細長又受軸向力的作用，若軸向負載過大，則會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應(yīng)該滿足： = 式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取2，其他方式如表3-4所示； —滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時取最小值，本設(shè)計取4； —滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計中該值為2000； （其中工件加工長度為1400，取2000，留600的兩端余量） —按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設(shè) 中將代入算出=205513.36。

39、由以上數(shù)據(jù)可以算出：== 臨界載荷遠大于工作載荷（3234.36N），故絲杠不會失穩(wěn)。 表3-4 絲杠支承系數(shù) 支承方式 雙推-雙推 雙推-簡支 單推-單推 雙推-自由 取值 4 2 1 0.25 3.2.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速： 式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取值如表3-5所示； —臨界轉(zhuǎn)速計算長度，單位為，本設(shè)計中該值為2300； —絲杠內(nèi)徑，單位； —安全系數(shù)，可取=0.8 表3-5 絲杠支承系數(shù) 支承方式 雙

40、推-雙推 雙推-簡支 單推-單推 雙推-自由 取值 27.4 18.9 12.1 4.3 經(jīng)過計算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。 3.3 步進電動機的選擇 （1）工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑； ——絲杠長度。 則 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 電機的轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略。 因此，總轉(zhuǎn)動慣量 （2）所需轉(zhuǎn)動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 最大切削負載時所需力矩 快速進給時所需力矩 式中

41、 ——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； ——折算到電機軸上的摩擦力矩； ——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩； ——切削時折算到電機軸上的加速度力矩； ——折算到電機軸上的切削負載力矩。 當時 當時 當時， 時 當時預(yù)加載荷，則 所以，快速空載啟動所需力矩 切削時所需力矩 快速進給時所需力矩 由上分析計算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時：

42、（3）進給系統(tǒng)步進電機的確定 為了滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知 所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距為 步進電機最高工作頻率 綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電動機，能滿足要求[7-12]。 3.4 絲杠軸的校核 需要驗算傳動軸薄弱環(huán)節(jié)處的傾角荷撓度。驗算傾角時，若支撐類型相同則只需驗算支反力最大支撐處傾角；當此傾角小于安裝齒輪處規(guī)定的許用值時，則齒輪處傾角不必驗算。驗算撓度時，要求驗算受力最大的齒輪處，但通?？沈炈銈鲃虞S中點處撓度（誤差<%3）. 當軸的各段直徑相差不大，計算精度要求不高時，可看做等直徑，采用平均直徑進行計算，彎曲剛度驗算

43、；的剛度時可采用平均直徑或當量直徑。一般將軸化為集中載荷下的簡支梁，其撓度和傾角計算公式見【5】表7-15.分別求出各載荷作用下所產(chǎn)生的撓度和傾角，然后疊加，注意方向符號，在同一平面上進行代數(shù)疊加，不在同一平面上進行向量疊加。 ：通過受力分析， 最大撓度： 查【1】表3-12許用撓度； 。 3.5 鍵的校核 鍵和軸的材料都是鋼，由【4】表6-2查的許用擠壓應(yīng)力,取其中間值，。鍵的工作長度，鍵與輪榖鍵槽的接觸高度。由【4】式（6-1）可得 可見連接的擠壓強度足夠了，鍵的標記為： 3.6 軸承的校核 ⑴、軸軸承的校核 Ⅰ軸選用的是深溝球軸承6206，其基本

44、額定負荷為19.5KN, 由于該軸的轉(zhuǎn)速是定值，所以齒輪越小越靠近軸承，對軸承的要求越高。根據(jù)設(shè)計要求，應(yīng)該對Ⅰ軸未端的滾子軸承進行校核。 ②軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 ∴ 受力 根據(jù)受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為: 在水平面： 在水平面： ∴ ④因軸承在運轉(zhuǎn)中有中等沖擊載荷，又由于不受軸向力，【4】表13-6查得載荷系數(shù)，取，則有： ⑤軸承的壽命計算:所以按軸承的受力大小計算壽命 故該軸承6206能滿足要求。 ⑵、其他軸的軸承校核同上，均符合要求

45、。 3.7導(dǎo)軌的特點及設(shè)計 滑動導(dǎo)軌的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和抗振性良好；缺點是磨損快。 為了提高耐磨性，國內(nèi)外主要采用鑲鋼滑動導(dǎo)軌和塑料滑動導(dǎo)軌。 滑動導(dǎo)軌常用材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等。 1．鑄鐵 鑄鐵有良好的耐磨性、抗振性和工藝性。常用鑄鐵的種類有： （1）灰鑄鐵 一般選擇HT200，用于手工刮研、中等精度和運動速度較低的導(dǎo)軌，硬度在HB180以上； （2）孕育鑄鐵 把硅鋁孕育劑加入鐵水而得，耐磨性高于灰鑄鐵； （3）合金鑄鐵 包括：含磷量高于0.3％的高磷鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵一倍以上；磷銅鈦鑄鐵和釩鈦鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵二倍

46、以上；各種稀土合金鑄鐵，有很高的耐磨性和機械性能； 鑄鐵導(dǎo)軌的熱處理方法，通常有接觸電阻淬火和中高頻感應(yīng)淬火。接觸電阻淬火，淬硬層為0.15~0.2mm。硬度可達HRC55。中高頻感應(yīng)淬火， 淬硬層為2~3mm，硬度可達HRC48~55，耐磨性可提高二倍，但在導(dǎo)軌全長上依次淬火易產(chǎn)生變形，全長上同時淬火需要相應(yīng)的設(shè)備。 2．鋼 鑲鋼導(dǎo)軌的耐磨性較鑄鐵可提高五倍以上。常用的鋼有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整體淬硬處理，硬度為52~58HRC；20Cr、20CrMnTi、15等滲碳淬火，滲碳淬硬至56~62HRC；38C rMoAlA等采用氮化

47、處理。 3．有色金屬 常用的有色金屬有黃銅HPb59-l，錫青銅ZCuSn6Pb3Zn6，鋁青銅ZQAl9-2和鋅合金ZZn-Al10-5，超硬鋁LC4、鑄鋁ZL106等，其中以鋁青銅較好。 4．塑料 鑲裝塑料導(dǎo)軌具有耐磨性好(但略低于鋁青銅)，抗振性能好，工作溫度適應(yīng)范圍廣(-200~+260℃)，抗撕傷能力強，動、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運動的臨界速度，加工性和化學(xué)穩(wěn)定件好，工藝簡單，成本低等優(yōu)點。目前在各類凸輪軸測量機的動導(dǎo)軌及圖形發(fā)生器工作臺的導(dǎo)軌上都有應(yīng)用。塑料導(dǎo)軌多與不淬火的鑄鐵導(dǎo)軌搭配。 導(dǎo)軌的使用壽命取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法、以及使用與維護

48、。提高導(dǎo)軌的耐磨性，使其在較長時期內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度，就能延長設(shè)備的使用壽命。常用的提高導(dǎo)軌耐磨性的方法有：采用鑲裝導(dǎo)軌、提高導(dǎo)軌的精度與改善表面粗糙度、采用卸荷裝置減小導(dǎo)軌單位面積上的壓力(即比壓)等。 3.8直線滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇 根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy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(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌： （1）選BR直線滾動導(dǎo)軌導(dǎo)軌,E級精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,fα=

49、1,fw=1. （2）工作壽命每天8小時，連續(xù)工作5年，250/年,額定壽命為: Lh=52508=10000 h,每分鐘往復(fù)次數(shù)nz=8 L=(2lsnz60Lh)/(103)=(20.3186038400)/ (103)=11428Km 計算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為4000N 計算需要的動載荷Cα P=110/4=27.5N Cα=( fwP)(fh ft fc fα)(L/50)1/3=208N 由《機械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書》表3-20中選用LY15AL直線滾

50、動導(dǎo)軌副,其Cα=606N, C0α=745N. 基本參數(shù)如下: 導(dǎo)軌的額定動載荷N 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： 額定行程長度壽命: 導(dǎo)軌的額定工作時間壽命: 導(dǎo)軌的工作壽命足夠. （3）滾動導(dǎo)軌間隙調(diào)整 預(yù)緊可以明顯提高滾動導(dǎo)軌的剛度,預(yù)緊采用過盈配合,裝配時,滾動體、滾道及導(dǎo)軌之間有一定的過盈量。 （4）潤滑與防護 潤滑:采用脂潤滑,使用方便,但應(yīng)注意防塵。 防護裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進入導(dǎo)軌,以提高導(dǎo)軌壽命。 防護方式用蓋板式。 3.9 立

51、柱的強度與剛度的計算 由于橫梁是三個方向上尺寸相差不太多的箱體零件，用材料力學(xué)的強度分析方法不能全面地反應(yīng)它的應(yīng)力狀況。目前，在進行初步設(shè)計計算時，還只能將橫梁簡化為簡支梁進行粗略核算，而將許用應(yīng)力取得很低。按簡支梁計算出的橫梁中間截面的應(yīng)力值和該處實測應(yīng)力值還比較接近，因此作為粗略核算，這種方法還是可行的。但無法精確計算應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力，那里的最大應(yīng)力要大很多。 橫梁的強度及剛度計算： （1）集中載荷 如對鍛造液壓機砧座的窄邊，可看作集中載荷，受力簡圖如下： 圖中簡支梁的跨度為立柱窄邊或?qū)掃呏行木嘤烧枳姆胖梦恢枚ā? 最大彎矩： Mmax = PL /4 最大撓度：

52、 ?max = PL/48EJ－KPL/4GF 各符號代表意義同前。 （2）均布載荷 一般是對砧座寬邊或模鍛，鐓粗等情況，受力簡圖如下： 最大彎矩為： Mmax =PL/4－qL1/8 式中： q —— 均布力，q =P/L1（N/cm）； L1 —— 均布力分布寬度（cm）。 若設(shè)L1 =2/3L，則最大撓度為： ?max =11/648PL/EJ +KPL/6GF 最大彎矩為： Mmax =Pɑ/2 最大剪力為： Qmax =P/2 1受力分析 橫梁I-I截面受力圖及剪力彎矩圖。

53、均布載荷 圖3-3 橫梁受力圖 在I-I截面上彎矩為： （3-13） 截面(Ⅱ-Ⅱ)剪力： （3-17） 2截面Ⅱ-Ⅱ強度計算 截面寬度 截面高度

54、 截面積 （3-18） 面積重心至x軸距離 截面對x軸的靜面矩 （3-19） 靜面矩S與面積重心至x軸距離乘積 （3-20） 各截面積的慣性矩

55、 （3-21） 重心至x軸的慣性矩 截面對x軸的慣性矩 （3-22） 截面對x軸的慣性矩 （3-23） 受壓截面和受拉截面彎曲應(yīng)力相等為 （3-24） 由此可得，在截面Ⅱ-Ⅱ上彎曲應(yīng)力小于許用應(yīng)力，安全。 3截面Ⅱ-Ⅱ剪切強度計算 由分析得，最大應(yīng)力在中心橫斷面及截面Ⅱ-Ⅱ上。 （3-25） 式中： Q—截面Ⅱ-Ⅱ剪切力 B—簡化截面寬度 H—簡化截面高度 代入得：