測控設備與儀表機構零件及工藝設計

1、精密機械課程設計報告微動螺旋機構設計摘要車刀進給機構是車床中的重要機構，刀具進給的精度決定了工件的精度。本文設計的是一個提高車床車刀進給精度的裝置。該裝置采用的是螺旋差動微動原理，實現車刀進給量的微米級精確控制，比普通的車刀進給裝置精度上有了大幅的提升。該裝置的示數原理與螺旋測微器相似，是通過長刻度筒和圓刻度筒確定車刀當前位置。然后論述了該裝置的加工工藝并分析了影響該裝置精度的一些因素。關鍵詞：車刀；進給量；精度；螺旋微動目錄1 緒論12 方案論證23 結構設計33.1整體結構設計33.2微動裝置設計33.3示數裝置設計53.4導軌設計63.4.1 結構設計63.4.2工藝設計74誤差分析95

2、 總結體會10參考文獻11測控設備與儀表機構零件及工藝設計課程設計說明書1 緒論車削加工可以實現工件的外表面、端面、內表面以及內外螺紋的加工，不僅是切削加工中應用最廣泛的形式，并且在整個機加工中占據著重要位置。車削加工過程由主運動和進給運動兩種運動形式構成。主運動是指車床主軸的回轉運動，是切削力的主要來源；進給運動指的是刀具的移動，包括沿工件軸向的進給運動、沿工件徑向的進給運動和斜向運動，刀具的運動決定了工件的外形輪廓，當然也決定了工件的加工精度。傳統(tǒng)刀架是通過螺紋桿的轉動利用螺旋副直接實現前進或回退的。由于人手靈敏度的限制，刀具進給最小刻度一般不小于0.02mm，不可能實現微米級的精確進給控

3、制，無法實現精確的尺寸控制。目前解決這一問題的方法主要是靠數控加工，或使用精密車床，但數控車床或者精密車床成本都很高，因此只適用于批量加工。針對這一缺陷，本文介紹了一種新的刀具進給控制機構。這種機構采用的是差動螺旋微動機構的原理，用機械的方式提高了加工精度。經過這種改造，普通車床也能實現較高精度要求零件的加工，可以為小批量生產節(jié)約生產成本。2 方案論證方案一：減小螺紋螺距螺距就是螺桿旋轉一周時所前進的距離（單線螺紋），減小螺距必然可以實現更高精度的進給量控制。對于公稱直徑為10mm的螺紋，其最小標準螺距為1mm。要想得到更小的螺距，一是可以減少螺紋直徑，二是不按標準螺距加工，保持直徑不變的的情

4、況下減小螺距。但是減小螺紋直徑會導致螺桿強度降低，使用壽命縮短；保持直徑不變的的情況下減小螺距又會導致加工成本的上升，兩種方式都不理想。方案二：通過齒輪改變傳動比在手輪與螺桿之間增加一組或機組齒輪，改變手輪與螺桿之間的傳動比，實現在手輪轉動一圈的情況下螺桿旋轉更小角度，從而實現更精確的進給量控制。這一方案可以到的預期目的。方案三：通過差動螺旋裝置實現更精確進給在兩端螺紋同旋向的情況下，差動螺旋機構可動螺母移動的距離是兩部分螺紋螺距之差，將刀架作為差動螺旋裝置的可動螺母部分便可實現刀架的“微動”。與方案一相比，方案三可以在不改變螺紋螺距的情況下實現更精確的進給量控制，明顯優(yōu)于方案一。而方案二在傳

5、動比較大時，為避免單級傳動比過大，只能通過多組齒輪實現，比較復雜，并且齒輪的安裝要求嚴格，成本高，所以方案三為最優(yōu)方案。3 結構設計3.1整體結構設計結構整體由導軌、車刀支架、固定螺母、螺紋桿、長刻度筒、圓刻度筒以及手輪幾部分組成，如圖3.1所示。圖3.1 整體結構1/4剖視圖螺桿與固定螺母和刀具支架構成兩個螺旋副，手柄與螺桿之間無相對運動。固定螺母固定在導軌上，與導軌之間無相對運動。當轉動手柄時，刀具支架沿導軌做直線運動。刀具固定在刀具支架上（圖中未畫出），從而實現刀具的進給運動。刀具運動的距離可從兩個刻度筒上讀出。3.2微動裝置設計微動裝置有多種結構形式，如螺旋微動、螺旋斜面微動、螺旋杠桿

6、微動、螺旋齒輪微動、彈性微動等1。本次設計中采用的是螺旋微動形式。螺旋微動裝置是由兩個螺旋副組成的使活動螺母與螺桿產生差動的螺旋傳動裝置。從定義中可以看出，螺旋微動裝置包含固定螺母、活動螺母和螺桿三部分，如圖3.2所示。圖3.2 螺旋微動裝置示意圖注：1機架 2活動螺母 3螺栓 4固定螺母 5手輪差動螺旋傳動的工作原理為，螺桿3與活動螺母2、固定螺母4組成兩個螺旋副，機架上的固定螺母與機架之間無相對運動，而活動螺母不能回轉，只能沿導向槽（螺紋桿軸向）移動。因為螺桿上兩段螺紋螺距不同，所以當螺桿旋轉一周時，其在固定螺母內移動的距離與在活動螺母內移動的距離不同。這一距離差則由活動螺母的移動來補償，

7、從而使活動螺母產生位移2。當螺桿3的兩段螺紋旋向相同時，活動螺母實際移動距離為螺桿在固定螺母中移動距離和在活動螺母中移動距離之差，而當兩端螺紋旋向相反時，活動螺母實際移動距離為螺桿在固定螺母中移動距離和在活動螺母中移動距離之和。所以要想構成螺旋微動機構，螺桿3的兩段螺紋旋向必須相同。微動機構的活動螺母移動距離可由式3-1計算。L=N(P1-P2) (3-1)式中：L活動螺母實際移動距離，mmN螺桿的回轉圈數P1機架上固定螺母的導程，mmP2活動螺母的導程，mm計算結果中L的正負表示活動螺母實際移動方向。計算結果為正值時，活動螺母實際移動方向與螺桿移動方向相同，計算結果為負值時，活動螺母實際移動

8、方向與螺桿移動方向相反。本次設計中，考慮到螺紋桿只是起傳導作用，受力并不是很大，所以取其直徑為10mm左右。公稱直徑為10的螺紋標準螺距有1.25、1和0.75幾種，公稱直徑為12的螺紋標準螺距有1.5和1.25。對于單線螺紋，其導程等于螺距。所以1.5與1.25組合或者1.25與1組合所形成的導程差都為0.25。所以在靈敏度上兩種配合方式是一樣的。但由于螺距越小則自鎖性能越好，所以選1.25與1這一組合穩(wěn)定性會更好一些3。即取固定螺母公稱直徑為12mm螺距為1.25mm，旋向為右旋；活動螺母，也就是刀架支架，的公稱直徑為10mm，螺距為1mm，旋向也為右旋。這樣由式3-1可計算出，螺桿每旋轉

9、一周，刀架移動0.25mm。因為固定螺母的導程大于活動螺母的導程，所以刀架移動方向和螺桿移動方向一致。微動裝置的連接關系如圖3.3所示。圖3.3 微動裝置結構圖3.3示數裝置設計示數裝置由長刻度筒和圓刻度筒兩部分組成，如圖3.4所示。圖3.4 示數裝置圖圖中：1固定螺母 2長刻度筒 3圓刻度筒 4螺桿長刻度筒固定在固定螺母上，圓刻度筒固定在螺桿上，隨螺桿一起轉動和移動。長刻度筒共分為20小格，螺桿每轉動一圈前進一小格，所以每小格的實際間距為1.25mm。而螺桿每轉動一圈，刀架前進0.25mm，每小格的刻度值為0.25。為便于讀數，每四小格畫一大格，刻度為1mm。設定刀具的最大進給距離為5mm，

10、刻度如圖3.4所示。圖3.5 長刻度筒刻度將圓刻度筒一圈劃分為50格，則每小格的刻度值為0.005mm，即螺桿每轉動一小格刀架移動5um，這就是整個微動裝置的分度值。圓刻度筒上的刻度值如圖3.6所示。圖3.6 圓刻度筒刻度所標注的刻度值為刀架實際移動距離的100倍。刀具實際進給距離可由式3-2計算。L=S2-S1+(P2-P1)/100 (3-2)式中S2-S1 為轉動前后長刻度筒上刻度值的變化量，P2-P1為轉動前后原刻度筒上刻度值的變化量，其讀數方法與螺旋測微器讀數方法相同。從以上分析中可以看出，與精度為0.02mm的傳統(tǒng)進給裝置相比，經過改進后的裝置精度得到提升，可以精確到微米數量級。3

11、.4導軌設計3.4.1 結構設計導軌是整個結構的重要組成部分。導軌的作用有兩個，一是支撐刀架，承受安裝在導軌上的刀架及工件的質量和切削力，二是對刀架的運動其導向作用。刀架導軌的導向精度對零件的精度也有很大影響。影響導軌導向精度的因素有導軌的幾何精度、導軌的結構形式、裝配質量以及導軌的剛度和熱變形等。另外，導軌在使用過程中的磨損也是影響導軌精度的一大重要因素。直線導軌常見截面形狀有四種：矩形、三角形、燕尾形和圓柱形4。矩形導軌承載能力大制造維修方便，但導向性差，不適用于精密場合。三角形導軌有著導向性好、無間隙且能實現磨損量自動補償，但其抗顛覆力矩能力差。車床刀架導軌承受較大的顛覆力矩，所以不適宜

12、采用三角導軌。而燕尾形導軌有較高的抗顛覆力矩性能，并且導向精度也很高，所以燕尾形導軌是最佳選擇。燕尾形導軌有分凹形和凸型兩種。凹形導軌易儲存潤滑油，所以最終確定導軌的形式為凹形燕尾形。導軌形狀如圖3.7所示。端面的三個螺紋孔用于固定固定螺母。圖3.7 刀架導軌3.4.2工藝設計為增加導軌的剛度和耐磨性，一是要選擇硬度較高的材料，如常用的HT20 40型灰鑄鐵并對其表面進行淬火處理使其硬度達到HRC56625。二是采取一些常用的提高耐磨性的措施。常用的提高耐磨性的措施有粘貼塑料軟帶、增加塑料涂層等。粘貼塑料軟帶能夠顯著減小摩擦系數，就有減震性好、耐磨性好、結構簡單、使用壽命長、維修方便等特點，是

13、一種非常經濟的措施。但其缺點在于剛性差，受力后易產生變形，對加工精度有一定影響。增加塑料涂層能夠增加導軌的硬度和強度，提高導熱率，并且還可以在無潤滑油的的情況下防止爬行，顯著提高導軌的性能，特別是低速運動時的平穩(wěn)性。為減小導軌表面的摩擦力，需要盡量降低導軌表面粗糙度。因為對導軌精度要求較高，取導軌表面粗糙度值為Ra0.6。降低表面粗糙度不僅可以減小摩擦力，同時也可以減輕導軌的磨損，延長導軌壽命，對于減少爬行也有一定幫助。4誤差分析影響刀具進給精度的因素有很多。各零件在制造過程中必然存在加工誤差，如導軌的直線度和平面度等6。如果導軌的的直線度誤差較大，刀具實際沿工件軸向或徑向進給的距離是刀具進給

14、距離在該方向的一個分量，會導致刀具實際進給距離小于理論值。按裝過程中會產生安裝誤差，如活動螺母、固定螺母和螺桿之間的同軸度，導軌與刀架之間的間隙等。導軌與刀架之間的間隙會影響導軌的導向型，使刀具前進方向產生偏差，而活動螺母、固定螺母和螺桿之間的同軸度則直接影響刀具的進給量，最終在成零件加工尺寸的誤差。另外，螺旋副在兩次方向相反的運動中會產生空程誤差，使刀具進給距離少于從刻度值上讀出來的距離。這就要求操作工人要有一定技巧，在確定初始刻度之前應先將螺桿按將要轉動的方向旋轉一定角度，從而消除空程誤差。5 總結體會本次課程設計綜合了學過的精密機械設計、互換性測量技術、儀器制造工藝學以及工程制圖等多門學科的知識，對我們是一次很好的鍛煉。由于長時間沒有接觸機械方面的知識，在本次課程設計中對一些問題感到比較生疏。在設計導軌時，這方面的知識之前很少接觸過。通過上網查閱資料以和查閱書籍等方式，了解了導軌的基本形式以及各種各種形式的優(yōu)缺點和應用場合，最終確定導軌的基本機構形式為凹形燕尾形。在確定機構形式后還要考慮導軌的材料和硬度、表面粗糙度、直線度、平面度等一系列問題，綜合性比較強。這些問題一一解決不僅是對耐心的一種考驗，也是對自己查閱資料學習新知識的能力的一種鍛煉。通過本次課程設計，我溫習了很對以前學過的知識。同時也提醒了我對于學過的東西要經常