X_ray殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 . 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題 目：X-ray殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)生：英華指導(dǎo)教師：龔海學(xué) 院：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：機(jī)械1005班完成時(shí)間：2014年5月27日本科生院制2014年5月摘要目前，國(guó)殘余應(yīng)力測(cè)量機(jī)構(gòu)多為手動(dòng)或半手動(dòng)裝置且定位精度不高，無(wú)法滿足制造業(yè)需求。故本文旨在設(shè)計(jì)一種四自由度（即X、Y、Z三維平動(dòng)和Z向轉(zhuǎn)動(dòng)）的全自動(dòng)、高精度、新型結(jié)構(gòu)平臺(tái)，通過(guò)此平臺(tái)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)放置在其上的X-ray殘余應(yīng)力分析儀器的精確定位，以達(dá)到高精度測(cè)量金屬表面殘余應(yīng)力的預(yù)期效果。本文在X、Y方向設(shè)計(jì)了滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)滿足傳動(dòng)進(jìn)給要求，Z向設(shè)計(jì)了行星滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)和一對(duì)圓錐滾子軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。確

2、定了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要尺寸參數(shù)，其中著重進(jìn)行了三向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核。采用Pro/E軟件進(jìn)行三維模型繪制，重點(diǎn)繪制了行星滾柱絲杠副，滾珠絲杠副三維模型結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)造四自由度平臺(tái)三維整體模型，另外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)預(yù)緊、預(yù)拉伸、調(diào)隙與軸承固定等具體結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了設(shè)計(jì)。后期采用Pro/E軟件對(duì)此平臺(tái)進(jìn)行外觀造型設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：四自由度 X-ray殘余應(yīng)力 行星滾柱絲杠副 三向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算 三維模型繪制AbstractAt present, the domestic residual stress measurement instrumentmostly are manual or semi-ma

3、nual device and its positioning accuracy is not high, which Can not meet industry needs .This thesis aims to design a fully automatic four degrees of freedom, high-precision, new structural platform. By moving this platform, where the X-ray residual stress analysis instruments is placed to achieve p

4、recise positioning. In order to achieve high-precision measurement of metal surface residual stress effects which is expected.In the design process, using ball screw deputy achieve X, Y direction requirements of feed transmission, planetary roller screw deputy achieve Z direction requirements of fee

5、d transmission, a pair of tapered roller bearings for rotating the Z direction. The transmission system analysis and calculation was Completed. Determine the main dimensions of the system structure,which were focused on three directions drive feed transmission system design calculations and checking

6、. The three-dimensional model was drawn by Using Pro / E softwareFocus drawn three-dimensional model of the structure of planetary roller screw deputy and ball screw deputy.Eventually construct a three-dimensional model of four degrees of freedom platform.In addition, the specific structure of prelo

7、ad, pre-stretch, transfer gap, and bearing fixed also were designed and constructed in the design process.In the late, the exterior of this four-DOF platform was designed by using Pro / E softwareKey word: four degrees of freedom，X-ray residual stress，planetary roller screw deputy，three-dimensional

8、model目錄第一章緒論11.1.課題的背景11.2.國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品與研發(fā)現(xiàn)狀11.2.1國(guó)外殘余應(yīng)力研究現(xiàn)狀11.2.2X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)試的基本原理21.3.本文的主要研究容與技術(shù)路線3第二章四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案的擬定52.1.X、Y方向傳動(dòng)進(jìn)給結(jié)構(gòu)的擬定52.2.Z方向幾種方案可行性分析與選定52.2.1液壓傳動(dòng)可行性分析62.2.2傳統(tǒng)滾珠絲杠可行性分析62.2.3行星滾柱絲杠可行性分析72.3.Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的擬定82.4.四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)初始參數(shù)擬定82.5.四自由度平臺(tái)布局形式的確定9第三章四自由度平臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的理論計(jì)算113.1.滾珠絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與校核113.1.1滾珠絲

9、杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)123.1.2滾珠絲杠傳動(dòng)的校核173.2.行星滾柱絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與校核203.2.1行星滾柱絲杠原理與結(jié)構(gòu)介紹203.2.2行星滾柱絲Z方向彎曲撓度的計(jì)算213.2.3行星滾柱絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)243.2.4行星滾柱絲杠的校核273.2.5行星滾柱絲杠相關(guān)參數(shù)的確定303.3.同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算323.4.導(dǎo)軌強(qiáng)度校核與彎曲撓度計(jì)算353.5.底座螺栓的校核37第四章四自由度平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)原理性設(shè)計(jì)394.1.X、Y向進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)394.2.Z向進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)424.3.Z向轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)444.4.同步帶與帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)45第五章平臺(tái)三維布局與造型輔助設(shè)計(jì)465.1.四自由度平

10、臺(tái)主要部件三維參數(shù)化建模465.1.1行星滾柱絲杠副475.1.2滾珠絲杠副與導(dǎo)軌475.1.3Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)體結(jié)構(gòu)485.1.4底座495.2.四自由度平臺(tái)外觀造型優(yōu)化設(shè)計(jì)50結(jié)論52致53參考文獻(xiàn)5452 / 57第一章 緒論1.1. 課題的背景隨著國(guó)科技進(jìn)步和制造業(yè)發(fā)展，機(jī)械儀器制造的主流趨勢(shì)向著高精密的方向發(fā)展。在此大背景下，測(cè)量機(jī)構(gòu)殘余應(yīng)力的需求的越來(lái)越強(qiáng)，而且進(jìn)一步要求殘余應(yīng)力測(cè)量機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量、高精度定位。但目前，國(guó)殘余應(yīng)力測(cè)量機(jī)構(gòu)多為手動(dòng)或半手動(dòng)測(cè)量裝置且定位精度不高，無(wú)法滿足國(guó)制造業(yè)需求。基于上述現(xiàn)狀，本課題旨在設(shè)計(jì)一種四自由度（即X、Y、Z三維平動(dòng)和Z向轉(zhuǎn)動(dòng)）全自動(dòng)X-ra

11、y殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)平臺(tái)，并使X射線衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微米級(jí)定位。從而嘗試改變國(guó)測(cè)量殘余應(yīng)力機(jī)構(gòu)多為手動(dòng)、半手動(dòng)且定位精度不高的現(xiàn)狀。1.2. 國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品與研發(fā)現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外殘余應(yīng)力研究現(xiàn)狀目前殘余應(yīng)力的測(cè)量方法主要有機(jī)械法和無(wú)損法兩大類。機(jī)械法是從工件中將具有殘余應(yīng)力的部件切割或分離出來(lái)以使應(yīng)力釋放，通過(guò)測(cè)量其應(yīng)變的變化量求出殘余應(yīng)力，故此方法會(huì)對(duì)工件造成一定程度的破壞或損傷，但其理論較完善、技術(shù)較成熟、測(cè)量精度也較高，目前應(yīng)用依舊十分廣泛。主要有取條法、切槽法、鉆孔法和剝層法等，其中破壞性最小是淺盲孔法。無(wú)損法也被稱為物理檢測(cè)法，主要有超聲法、磁性法、掃描電子聲顯微鏡法、

12、X 射線法、X 射線衍射法、電子散斑干涉法和中子衍射法等。這些方法對(duì)被測(cè)件沒(méi)有損傷，但測(cè)量設(shè)備昂貴，故成本較高、其中以超聲法和X射線法的應(yīng)用最為成熟。X 射線法是現(xiàn)如今應(yīng)用最為廣泛并且最為成熟的部件表面殘余應(yīng)力測(cè)量方法。由電腦控制專用的應(yīng)力測(cè)量?jī)x，配備相關(guān)軟件，可以進(jìn)行衍射線強(qiáng)度的修正、進(jìn)行峰值定位與計(jì)算應(yīng)力等各方面工作，使整個(gè)測(cè)量變得簡(jiǎn)單、快速。具體有如下特點(diǎn)：（1）技術(shù)較為成熟，測(cè)量的結(jié)果可靠、準(zhǔn)確，精度也較高。與其他的測(cè)量方法相比，X射線衍射法在應(yīng)力測(cè)量的定性和定量方面都有著較高的可信度。（2）由于 X 射線衍射的穿透深度特別淺，所能測(cè)定部件的深度只有 10-35，故其測(cè)量的僅為材料表面

13、的應(yīng)力狀態(tài)，不會(huì)對(duì)材料造成損傷，屬于無(wú)損測(cè)量。即測(cè)量構(gòu)件上的應(yīng)力所用的方法為無(wú)直接接觸法，特別是在研究構(gòu)件各種表面強(qiáng)化技術(shù)處理機(jī)理，檢測(cè)其工藝的效果，以與控制表面機(jī)加工質(zhì)量等諸多方面有著極其重要的意義。（3）也可精確測(cè)量沿層深應(yīng)力的變化，但此時(shí)的測(cè)量已經(jīng)屬于有損的了，需對(duì)材料進(jìn)行剝除，以便進(jìn)行逐層測(cè)定。1.2.2 X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)試的基本原理X射線衍射法殘余應(yīng)力測(cè)試的基本原理是以所測(cè)得的衍射線位移作為初始數(shù)據(jù)，我們測(cè)得結(jié)果實(shí)際為殘余應(yīng)變量，而殘余應(yīng)力是通過(guò)代入殘余應(yīng)變量由虎克定律計(jì)算出來(lái)的。其原理為：當(dāng)樣品部存在殘余應(yīng)力之時(shí)，晶面的間距將產(chǎn)生變化，進(jìn)行布拉格衍射時(shí)，所得到的衍射峰將相應(yīng)的移

14、動(dòng)，而且其所移動(dòng)的距離與應(yīng)力大小直接相關(guān)。由波長(zhǎng)為的X射線，以不同的入射角先后數(shù)次照射到樣品上，測(cè)得對(duì)應(yīng)的衍射角2，求出2關(guān)于的斜率M，便可計(jì)算出其應(yīng)力，其原理如圖1-1所示圖1-1 X射線衍射原理圖X射線衍射法一般為測(cè)量樣品表面某一方向上的應(yīng)力,因此需運(yùn)用材料力學(xué)的方法求出。 由于X射線對(duì)樣品穿透能力并不強(qiáng)，對(duì)高強(qiáng)度鋁合金來(lái)說(shuō)其穿透深度不會(huì)超過(guò)60，故只能用來(lái)探測(cè)鋁合金樣品表面的殘余應(yīng)力，由材料力學(xué)知識(shí)可知，樣品表面殘余應(yīng)力分布可視作二維平面的應(yīng)力狀態(tài)， 其垂直方向樣品方向的主應(yīng)力，因此，可求得與樣品表面法向成角的應(yīng)變?yōu)椋海?- 1）式中：、為樣品表面的主應(yīng)力，E、v是樣品的彈性模量和泊松比

15、。值由衍射晶面的間距相對(duì)變化引起，且可通過(guò)衍射峰的位移計(jì)算得到（1- 2）式中為在沒(méi)有應(yīng)力狀態(tài)下樣品衍射峰的布拉格角，為有應(yīng)力狀態(tài)下樣品衍射峰的布拉格角。 將式（1-1）代入式（1-2）并求偏導(dǎo)，得=（1- 3）令K=,M=,則有=。式中，K是由樣品的材質(zhì)以與衍射面所選定HKL決定，若前述樣品材質(zhì)與所選定HKL不變時(shí)，K為定值,稱為應(yīng)力系數(shù)。M為2對(duì)的斜率，如果衍射面一樣，那么選定一組值，測(cè)量其對(duì)應(yīng)的并作出-圖，采用最小二乘法計(jì)算出斜率M,從而得到應(yīng)力,是試樣平面選定主應(yīng)力方向后所測(cè)得的主應(yīng)力和應(yīng)力方向的夾角。1.3. 本文的主要研究容與技術(shù)路線我國(guó)國(guó)現(xiàn)有X射線衍射測(cè)量殘余應(yīng)力機(jī)構(gòu)多為手動(dòng)或半

16、手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，定位精度不高，對(duì)于普通合金表面殘余應(yīng)力測(cè)試尚能滿足需求，但在航空航天等高精密儀器制造過(guò)程中，需要精確定位來(lái)測(cè)量金屬表面殘余應(yīng)力，傳統(tǒng)測(cè)量裝置便不能滿足要求?；谏鲜銮闆r，本課題著重設(shè)計(jì)X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)試四自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，以求解決此方面的問(wèn)題。本論文以滿足X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)試四自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為核心問(wèn)題展開(kāi)研究，重點(diǎn)進(jìn)行以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)與論述。1、 四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案的擬定查閱國(guó)外相關(guān)資料，收集國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品布局形式，運(yùn)用Pro/E三維仿真手段，構(gòu)造可能的幾種平臺(tái)總體模型。綜合分析四自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所需滿足的傳動(dòng)要求與精度，考慮加工與裝配難度，選取切實(shí)可行的

17、方案。2、 四自由度平臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的理論計(jì)算重點(diǎn)進(jìn)行三向進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、校核以與Z向絲杠彎曲撓度，X、Y向?qū)к墢澢鷵隙鹊睦碚撚?jì)算。在計(jì)算過(guò)程中確定傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中比較重要的尺寸參數(shù)。3、 四自由度平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)原理性設(shè)計(jì)重點(diǎn)進(jìn)行四自由度平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以與設(shè)計(jì)各方向預(yù)拉伸力、預(yù)緊力的施加方式，滾珠絲杠副間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。綜合分析提高其傳動(dòng)性能結(jié)構(gòu)的措施，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。4、 平臺(tái)三維布局與造型輔助設(shè)計(jì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)三維建模設(shè)計(jì)手段進(jìn)行平臺(tái)總體仿真設(shè)計(jì)，細(xì)化仿真平臺(tái)每一零部件并進(jìn)行裝配，在裝配過(guò)程中與時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤并改正，后期運(yùn)用三維軟件進(jìn)行外觀優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到合理美觀的要求。第二章

18、四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案的擬定對(duì)于此四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)，需實(shí)現(xiàn)X、Y、Z方向平動(dòng)和Z向轉(zhuǎn)動(dòng)。臥式機(jī)床設(shè)計(jì)也需實(shí)現(xiàn)三向進(jìn)給傳動(dòng)，且其傳動(dòng)過(guò)程與四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)有相似之處，故在設(shè)計(jì)過(guò)程中可參考其結(jié)構(gòu)，并結(jié)合四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)實(shí)際要求做進(jìn)一步設(shè)計(jì)。對(duì)于三向進(jìn)給機(jī)床與四自由度平臺(tái)的主要區(qū)別分析如下：1) 三向進(jìn)給機(jī)床不需要實(shí)現(xiàn)Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而四自由度平臺(tái)需考慮Z向轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與其位置安裝方面設(shè)計(jì)問(wèn)題。2) 機(jī)床需切削加工零件，軸向受力較大，而四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)只需實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)需求，所受軸向力、扭矩較小，所需功率也較小。3) 機(jī)床Z向安裝可采用兩端固定的方式，但對(duì)于四自由度平臺(tái)，由于平臺(tái)上需放置X-ray殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x

19、器，故Z向只能采用一端固定一端自由的安裝方式，由此衍生出Z向彎矩、撓度等問(wèn)題需解決。4) 四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)定位精度較高，對(duì)于大部分機(jī)床其設(shè)計(jì)沒(méi)有如此高的精度要求。綜上所述，對(duì)于三向進(jìn)給機(jī)床，其在X、Y向傳動(dòng)進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于本課題有一定參考價(jià)值，而對(duì)于Z方向的設(shè)計(jì)參考價(jià)值不大。2.1. X、Y方向傳動(dòng)進(jìn)給結(jié)構(gòu)的擬定X、Y方向可參考三向進(jìn)給機(jī)床采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滾珠絲杠還兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。在此結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)軌承受X-ray殘余應(yīng)力分析儀器的重量，滾珠絲杠副傳動(dòng)只需克服摩擦力即可。由于滾珠絲杠結(jié)構(gòu)較為成熟，此處不再贅述。2.2. Z方向幾種方案可行性分析與選定

20、平臺(tái)的Z方向?yàn)榇怪边M(jìn)給方向，由于Z軸上方要安裝平臺(tái)放置X-ray殘余應(yīng)力分析儀器，故只能采用一端固定一端自由的安裝方式 ，而對(duì)于這種方式并沒(méi)有辦法安裝導(dǎo)軌，故Z軸將承受整個(gè)平臺(tái)的重量。且當(dāng)儀器由于X、Y方向平移不在Z軸正上方時(shí)，對(duì)Z軸強(qiáng)度要求較高。經(jīng)過(guò)查閱國(guó)外相關(guān)資料，收集整理后提出以下幾種解決方案進(jìn)行可行性分析。2.2.1 液壓傳動(dòng)可行性分析液壓傳動(dòng)可以承受較大平臺(tái)重量，對(duì)于本課題的儀器重量完全可以承受，但其定位精度能否達(dá)到微米級(jí)呢？影響液壓傳動(dòng)定位精度的因素主要有液壓傳動(dòng)的移動(dòng)速度和電液控制系統(tǒng)的響應(yīng)滯后時(shí)間，理論上，兩者的乘積即為定位誤差。但在實(shí)際控制過(guò)程中,因電磁閥的機(jī)械滯后、液壓缸運(yùn)

21、動(dòng)慣性等原因也會(huì)引起定位誤差,這可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)解決。液壓缸活塞的最低移動(dòng)速度受活塞與活塞桿運(yùn)動(dòng)摩擦，以與缸筒、活塞桿等加工精度的制約而不宜太低，否則活塞桿在運(yùn)動(dòng)中可能產(chǎn)生爬行（不均勻運(yùn)動(dòng)）。一般0.10.2m/min。對(duì)于電液控制系統(tǒng)，響應(yīng)滯后的主要因素有3個(gè)：輸入濾波器響應(yīng)時(shí)間、輸出繼電器響應(yīng)時(shí)間、程序執(zhí)行掃描時(shí)間。查閱相關(guān)資料，液壓傳動(dòng)的定位精度在2000年已經(jīng)可以達(dá)到0.2mm。隨著科學(xué)技術(shù)日益進(jìn)步，電液控制系統(tǒng)的滯后時(shí)間進(jìn)一步縮短，液壓傳動(dòng)的最低速度進(jìn)一步降低，使液壓傳動(dòng)的定位精度大幅度提高，已經(jīng)可以達(dá)到本課題所要求的微米級(jí)精度，可滿足方案設(shè)計(jì)要求，但因我們?cè)O(shè)計(jì)的四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)為

22、便攜式，若在此平臺(tái)中增加液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)體積將會(huì)增大，且不易于攜帶，故此方案并不理想。2.2.2 傳統(tǒng)滾珠絲杠可行性分析由于本課題X射線衍射測(cè)量殘余應(yīng)力機(jī)器體積較小，重量?jī)H有幾十千克，經(jīng)過(guò)計(jì)算，對(duì)于傳統(tǒng)滾珠絲杠，在采用較大直徑的情況下，也能勉強(qiáng)滿足Z方向傳動(dòng)進(jìn)給要求，但此時(shí)滾珠絲杠直徑已經(jīng)較大，相應(yīng)的四自由度平臺(tái)體積也較大。若此X射線衍射測(cè)量殘余應(yīng)力機(jī)器重量進(jìn)一步增加，傳統(tǒng)滾珠絲杠則無(wú)法滿足傳動(dòng)進(jìn)給要求，由于初步方案選定時(shí)計(jì)算結(jié)果并不一定準(zhǔn)確且所考慮因素較多，故對(duì)于測(cè)量殘余應(yīng)力機(jī)器重量進(jìn)一步增加的情況也作了進(jìn)一步分析。對(duì)于X射線衍射測(cè)量殘余應(yīng)力機(jī)器重量進(jìn)一步增大的情況經(jīng)查閱資料分析思考，能否采用

23、幾根滾珠絲杠并聯(lián)的形式？對(duì)于幾根滾珠絲杠并聯(lián)的形式，電機(jī)通過(guò)同步帶輪傳動(dòng)，使三根滾珠絲杠同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)榇似脚_(tái)定位精度要求達(dá)到微米級(jí)，所以必須保證三根滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)形式完全一樣，尤其是滾珠絲杠停止轉(zhuǎn)動(dòng)以與方向改變時(shí)，而這對(duì)于加工與安裝精度要求過(guò)高，在現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下很難達(dá)到，而且此種設(shè)計(jì)同樣也會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)體積增大。綜上所述若采用此方案，尤其是單根滾珠絲杠副支承的形式，不符合機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原則，且無(wú)創(chuàng)新性可言。故在指導(dǎo)老師的建議下，放棄此方案。2.2.3 行星滾柱絲杠可行性分析行星滾柱絲杠是一種將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置。與梯形絲杠、滾珠絲杠的傳動(dòng)方式有點(diǎn)相近，但不同點(diǎn)則是：行星絲杠能夠在極

24、其艱苦的工作環(huán)境下承受重載上千個(gè)小時(shí)，這樣就使得行星絲杠成為要求連續(xù)工作制應(yīng)用場(chǎng)合的理想選擇。行星滾柱絲杠載荷傳遞元件為螺紋滾柱，是典型的線接觸；而滾珠絲杠載荷傳遞元件為滾珠，是點(diǎn)接觸。主要優(yōu)勢(shì)是有眾多的接觸點(diǎn)來(lái)支撐負(fù)載。螺紋滾柱替代滾珠將使負(fù)載通過(guò)眾多接觸點(diǎn)迅速釋放，從而能有更高的抗沖能力。行星滾柱絲杠的傳動(dòng)力的方式是與眾不同的，在主螺紋絲杠周圍，行星布置安裝了6-8個(gè)螺紋滾柱絲杠，這樣將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲杠或螺母的直線運(yùn)動(dòng)。圖2-1 行星滾柱絲杠行星滾柱絲杠與液壓缸/氣缸的性能對(duì)比：在那種需要較高承載力，或高速度的應(yīng)用場(chǎng)合中，比起液壓缸、氣缸，行星絲杠電動(dòng)推桿是更加理想的一種選擇。行星

25、絲杠配置簡(jiǎn)單單一的控制系統(tǒng)，便帶來(lái)了無(wú)與倫比的優(yōu)越性。并不需要諸如閥門、泵、過(guò)濾器、傳感器等復(fù)雜的配套系統(tǒng)。行星滾柱絲杠體積小，工作壽命長(zhǎng)，日常無(wú)需維護(hù)，不存在液壓缸的液體滲漏情況，噪音顯著減小行星滾柱絲杠與滾珠絲杠的性能對(duì)比：負(fù)載與硬度：行星滾柱絲杠為受力多線接觸，而滾珠絲杠為受力多點(diǎn)接觸。接觸面的增加，行星滾柱絲杠的承載能力和剛性將大大提高。在實(shí)際的應(yīng)用中，對(duì)于一樣的負(fù)載，選擇行星滾柱絲杠將節(jié)約2/3的空間。運(yùn)行壽命：行星滾柱絲杠與滾珠絲杠都適用于赫茲Hertz定律，由赫茲Hertz壓力定律，我們可以得出：行星滾柱絲杠能承受的靜載為滾珠絲杠的3倍，壽命為滾珠絲杠的15倍。超高速度：普通的滾

26、珠絲杠為了避免滾珠之間相互碰撞，因而輸入速度不超過(guò)2000rpm；而行星滾柱絲杠的行星絲杠均布固定在主絲杠的四周，故可以運(yùn)行在5000rpm或更高的轉(zhuǎn)速下，最高速度可至 2000mm/s.通過(guò)行星滾柱絲杠和液壓缸、滾珠絲杠性能的對(duì)比，我們可以得出行星滾柱絲杠的諸多優(yōu)越性。行星滾柱絲杠完全能夠達(dá)到此四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)的精度要求，軸向也完全可以承受平臺(tái)的重量，且具有一定的創(chuàng)新性?；谏鲜隼碛?，Z方向采用行星滾柱絲杠實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。2.3. Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的擬定平臺(tái)Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，對(duì)于此四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)，其Z向裝動(dòng)結(jié)構(gòu)既受向下軸向力又受傾覆力矩。查閱相關(guān)資料，可采用相對(duì)安裝的一對(duì)圓錐滾子

27、軸承構(gòu)成的回轉(zhuǎn)支承，作為滾動(dòng)回轉(zhuǎn)導(dǎo)軌使用。但由于此平臺(tái)精度要求較高，故要求其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件在徑向的擺動(dòng)量和軸向的竄動(dòng)量不得超過(guò)一定值，即對(duì)徑向和軸向有精度要求。2.4. 四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)初始參數(shù)擬定根據(jù)X射線衍射測(cè)量殘余應(yīng)力機(jī)構(gòu)的精度需要，最高定位精度應(yīng)能夠達(dá)到微米級(jí)，由于此四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)承載測(cè)量?jī)x器，故其運(yùn)動(dòng)速度要求不高，甚至在不影響測(cè)量時(shí)間的前提下越慢越好，故此平臺(tái)軸向最高移動(dòng)速度不宜過(guò)快。對(duì)于此四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)，X、Y方向性能基本一樣，故可將X、Y方向設(shè)置為一樣參數(shù)，進(jìn)而減少設(shè)計(jì)計(jì)算量，同時(shí)也降低加工與安裝難度。綜合考慮以上因素，查閱相關(guān)資料，結(jié)合實(shí)際情況，X、Y方向滾珠絲杠副初始參數(shù)確

28、定如下：工作臺(tái)軸向最高移動(dòng)速度=0.6m/min，X、Y方向所承受重量約為800N，滾珠絲杠副定位精度15/300mm，全行程定位精度25，重復(fù)定位精度10，安裝方式為兩端固定，所選電機(jī)最高轉(zhuǎn)速=2000r/min，選用滑動(dòng)導(dǎo)軌，其中動(dòng)導(dǎo)軌材料為HT150，支承導(dǎo)軌材料為HT200（淬火處理），導(dǎo)軌表面進(jìn)行磨削處理。平臺(tái)的Z方向?yàn)榇怪边M(jìn)給方向，采用行星滾柱絲杠副實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)進(jìn)給要求。對(duì)于無(wú)特殊要求的參數(shù)，盡量設(shè)置為與X、Y方向一樣，以使平臺(tái)整體參數(shù)結(jié)構(gòu)較為合理。按照上述原則，Z方向初始參數(shù)確定如下：工作臺(tái)軸向最高移動(dòng)速度=0.6m/min，Z方向所承受重量約為1200N，行星滾柱絲杠副定位精度30

29、/300mm，全行程定位精度50，重復(fù)定位精度30，安裝方式為一端固定一端自由，所選電機(jī)最高轉(zhuǎn)速=2000 r/min。2.5. 四自由度平臺(tái)布局形式的確定經(jīng)過(guò)收集分析國(guó)外相關(guān)資料，確定布局方案如下：1）X、Y向采用滾珠絲杠與導(dǎo)軌配合工作的機(jī)構(gòu)。由電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而沿導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)。2）Z向轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)電機(jī)聯(lián)軸器形式傳動(dòng)，帶動(dòng)一對(duì)圓錐滾子軸承轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。但其放置位置尚未確定。3）豎直方向（即Z向）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)通過(guò)行星滾柱絲杠副將轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其放置位置有X、Y向上方和下方兩種選擇。綜合上述布局形式的初步確定，運(yùn)用Pro/E軟件做出兩種不同的布局造型如下：方案一（如圖2-2所示）：

30、將X、Y向結(jié)構(gòu)置于最下方作為底座，Z向移動(dòng)安裝于X、Y向上方，Z向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于最上方（即圓形平臺(tái)下方）。方案二（如圖2-3所示）：將Z向移動(dòng)結(jié)構(gòu)置于最下方通過(guò)底座固定，傳動(dòng)形式為電機(jī)同步帶輪傳動(dòng)，以減小平臺(tái)高度與體積。Z想轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于Z向移動(dòng)結(jié)構(gòu)上方（即X、Y結(jié)構(gòu)下方），X、Y向結(jié)構(gòu)安裝于最上方。圖2-2 平臺(tái)布局方案一圖2-3 平臺(tái)布局方案二考慮到Z向所受負(fù)載較大，且質(zhì)量較大，若置于X、Y向?qū)к壣戏剑捶桨敢唬?，有可能?dǎo)致失穩(wěn)。而方案2底座較大可避免此種情況發(fā)生，另外方案2底座Z向移動(dòng)采用同步帶輪傳動(dòng)，可降低豎直方向的高度。參考國(guó)外此種平臺(tái)的設(shè)計(jì)，也是將Z方向垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)安裝于最下方，故

31、在指導(dǎo)老師建議下確定選用方案二。第三章 四自由度平臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的理論計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的理論計(jì)算是四自由度平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的重要部分。在總體設(shè)計(jì)階段，我們將重點(diǎn)進(jìn)行X、Y方向滾珠絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與校核，Z方向行星滾柱絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與校核等。3.1. 滾珠絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與校核滾珠絲杠的計(jì)算步驟如圖3-1所示圖3-1 滾珠絲杠計(jì)算步驟下述滾珠絲杠副均有精度要求，故選用P類絲杠副3.1.1 滾珠絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)1）確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程Ph：（2- 1）式中：滾珠絲杠副的導(dǎo)程，mm；滾珠絲杠副最大移動(dòng)速度，mm/min；滾珠絲杠副最大相對(duì)轉(zhuǎn)速，r/min；已知工作臺(tái)最高移動(dòng)速度=0.6m/min=600mm/mi

32、n，滾珠絲杠副最大相對(duì)轉(zhuǎn)速=100 r/min，代入得=0.6/100=6mm，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取=6mm。2）確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷（1）當(dāng)量轉(zhuǎn)速計(jì)算快速進(jìn)給方式下，絲杠轉(zhuǎn)速（2- 2）式中：絲杠轉(zhuǎn)速，r/min，i=1.2··· ；進(jìn)給速度，m/min，i=1.2··· ；=0.6m/min 代入得n=100 r/min，工作時(shí)間百分比為70%=0.06m/min,代入得n=10 r/min，工作時(shí)間百分比為30%當(dāng)量轉(zhuǎn)速n=n+n（2- 3）式中：n當(dāng)量轉(zhuǎn)速，r/min；t、t工作時(shí)間百分比；代入得n=1000.7+100.

33、3=73 r/min（2）當(dāng)量載荷計(jì)算平臺(tái)進(jìn)給過(guò)程中，滾珠絲杠所受載荷基本不變，（2- 4)式中：導(dǎo)軌的靜摩擦系數(shù)；導(dǎo)軌所受壓力；查閱相關(guān)資料，動(dòng)導(dǎo)軌材料為HT150，支承導(dǎo)軌材料為HT200（淬火處理），導(dǎo)軌表面進(jìn)行磨削處理，在潤(rùn)滑良好的工作條件下，速度較慢時(shí)動(dòng)摩擦系數(shù)隨運(yùn)動(dòng)速度變化，靜摩擦因數(shù)隨靜止接觸時(shí)間而變化，綜上所述，取0.30。代入得F=8000.3=240N。3）預(yù)期額定動(dòng)載荷計(jì)算（1）按滾珠絲杠副預(yù)期工作時(shí)間估算C=（2- 5）式中：L預(yù)期工作時(shí)間（小時(shí)）（見(jiàn)表3-1）；f精度系數(shù)，根據(jù)初定精度等級(jí)選（見(jiàn)表3-2）；f可靠性系數(shù)。一般情況下f=1.在重要場(chǎng)合，要求一組同樣的滾珠

34、絲杠副在同樣條件下使用壽命超過(guò)希望壽命的90%以上時(shí)，f（見(jiàn)表3-3）選；f負(fù)荷系數(shù)。根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)（見(jiàn)表3-4）選；已經(jīng)求得n=73 r/min，F(xiàn)=240N，根據(jù)表1選取L=15000（小時(shí)），根據(jù)表3-2選取f=1，根據(jù)表3-3選取f=0.62，根據(jù)表3-4選取f=1.2代入上式計(jì)算得=1874.4N。表3-1 各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間L機(jī)械類型備注普通機(jī)械5000-10000=250（天）16（小時(shí)）10（年）0.5（開(kāi)機(jī)率）普通機(jī)床10000數(shù)控機(jī)床15000精密機(jī)床20000測(cè)示機(jī)械15000航空機(jī)械100表3-2 精度等級(jí)f精度等級(jí)1.2.34.571010.90.80.7表3-3 可

35、靠性系數(shù)f可靠性%90959697989910.620.530.440.330.21表3-4 負(fù)載性質(zhì)系數(shù)f負(fù)荷性質(zhì)無(wú)沖擊（很平穩(wěn)）輕微沖擊伴有沖擊或震動(dòng)1-1.21.2-1.51.5-2（2）按滾珠絲杠副預(yù)期運(yùn)行距離計(jì)算C=（2- 6）式中：L預(yù)期運(yùn)行距離（km），一般取250km；上述已算得=6mm，F(xiàn)=240N，已選取f=1，f=0.62，f=1.2代入上式計(jì)算得=1610.4N（3）有預(yù)加負(fù)荷的滾珠絲杠副還需按最大軸向負(fù)荷F計(jì)算：C=fF（2- 7）式中：f預(yù)加負(fù)荷系數(shù)，根據(jù)預(yù)載（見(jiàn)表3-5）選；滾珠絲杠為輕預(yù)載，根據(jù)表3-5選取預(yù)加載荷系數(shù)f=6.7，代入上式得=6.7240=160

36、8N表3-5 預(yù)加載荷系數(shù)f預(yù)加負(fù)荷系數(shù)輕預(yù)載中預(yù)載重預(yù)載6.74.53.4取以上三種結(jié)果中較大值，最終得C=1874.4N4）根據(jù)精度要求確定滾珠絲杠允許的最小螺紋底徑（1）估算絲杠的軸向變形的最大允許量（1/31/4）重復(fù)定位精度（1/41/5）定位精度式中：最大軸向變形量，；已知，重復(fù)定位精度10，定位精度253.336.25取兩種結(jié)果的較小值，則=3（2）估算所需最小螺紋底徑絲杠要求預(yù)拉伸，故采用兩端固定的支承形式（2- 8）式中：最小螺紋底徑，mm；L(1.11.2)行程+（1014）P；上述已求得F=240N，=3，滾珠絲杠副的行程約為450mm，則L600mm代入上式計(jì)算得=0.

37、039=8.54mm5）選取滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)（1）選取循環(huán)式滾珠絲杠，采用齒差式調(diào)隙法。（2） 由計(jì)算出的，C，在手冊(cè)中選取規(guī)格最為相近的滾珠絲杠副。由=6mm ，C=1874.4N，=8.54mm選取滾珠絲杠規(guī)格為FFZD2506-3，=6mm， C=11.3kN，=25mm。6) 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力（2- 9）式中：最大軸向工作載荷；其中=240N，則=240/3=80N。7）計(jì)算行程補(bǔ)償值與預(yù)拉伸力（1）行程補(bǔ)償值C=（2- 10）式中：C行程補(bǔ)償值，；溫度變化值23；絲杠的線膨脹系數(shù) 11.810/度；滾珠絲杠副的有效行程（mm）工作臺(tái)行程+螺母長(zhǎng)度+兩個(gè)安全行程行程+

38、（814）P；選取=2，=450+126522mm，依照上式計(jì)算得C=11.825221012.3。（2）預(yù)拉伸力（2- 11)式中：F預(yù)拉伸力，N；d滾珠絲杠螺紋底徑，mm；E 氏彈性模量2.1N/mm；滾珠絲杠的溫升23；選取=2，前述以選取d=25mm，代入上式計(jì)算得F=1.95225=2437.5N8）確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號(hào)、規(guī)格（1） 軸承所承受的最大軸向載荷=2437.5+240=2677.5N（2）軸承類型采用兩端固定的支承形式，由于滾珠絲杠軸向載荷并不十分大，且轉(zhuǎn)速較高，故選用60°角接觸球軸承。（3） 軸承徑d 略小于=25mm，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取d=20m

39、m。（4）軸承預(yù)緊力（2- 12)代入得=892.5N，預(yù)加載荷（5）按樣本選軸承型號(hào)規(guī)格當(dāng)d=20mm  預(yù)加載荷時(shí)，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選用7004C軸承，預(yù)加載荷為900N=892.5N9 )  滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)見(jiàn)附表3.1.2 滾珠絲杠傳動(dòng)的校核1) 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度計(jì)算（1）絲杠抗壓剛度（2- 13)式中：抗壓剛度；d2 絲杠底徑；L1 固定支承距離；絲杠最小抗壓剛度當(dāng)a=L/2時(shí)，（即處在兩支承的中點(diǎn)時(shí)）剛度最?。?- 14)式中：最小抗壓剛度 ；已求得 L=572mm，=25mm，代入得：=721.2N/。絲杠最大抗壓剛度（2- 15

40、)式中：最大抗壓剛度；由設(shè)計(jì)尺寸知L=86mm，代入得：=1411.3 N/。(2) 支承軸承剛度預(yù)緊軸承的剛度（2- 16)式中：預(yù)緊軸承的剛度，N/；滾珠直徑，mm；Z 滾珠數(shù)；最大軸向工作載荷，N；軸承接觸角；查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)后，設(shè)計(jì)=4.1mm，Z =12 ，又已知=2517.5N =60°，代入計(jì)算得=462.5N/。支承軸承組合剛度對(duì)于兩端固定形式，軸承組合剛度=2=925.1N/。（3）軸向接觸剛度R查閱相關(guān)資料對(duì)于FFZD2506-3滾珠絲杠，R=900 N/。2)  剛度驗(yàn)算與精度選擇（1）（2- 17)代入求得=279.4N

41、/。（2- 18)代入求得=344.8 N/。（2）驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度（2- 19)式中：K傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 ，N；已知靜摩擦力F=240N，反向差值或重復(fù)定位精度為10，代入計(jì)算得：K=38.4 N/，=279.4N/>38.4N/。（3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差（2- 20)已求得F=240N，=279.4N/，=344.8N/，代入計(jì)算得：=0.162。（4）確定精度 （2- 21)式中：任意300mm的行程變動(dòng)量（對(duì)半閉環(huán)系統(tǒng)言）；定位精度為15/300mm，計(jì)算得12，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，滾珠絲杠精度等級(jí)3級(jí)。(5) 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)已確定的

42、型號(hào)：FFZD公稱直徑：25   導(dǎo)程：6螺紋長(zhǎng)度：500絲杠全長(zhǎng)：604P類3級(jí)精度FFZD2506-3-P  /604×5003)  驗(yàn)算臨界壓縮載荷：N絲杠所受最大軸向載荷小于絲杠預(yù)拉伸力F，故不用驗(yàn)算。4) 驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速（2- 22)式中：臨界轉(zhuǎn)速，r/min；f與支承形式有關(guān)的系數(shù)；絲杠底徑，mm；L臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 ，mm；查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得f=21.9，又已知=25mm，L=492mm，代入計(jì)算得= 22617 r/min=100 r/min，顯然不會(huì)產(chǎn)生共振。5）dn值檢驗(yàn)70000（2- 23)已知=25mm，=10

43、0 r/min代入得=250070000。6）驗(yàn)算額定靜載荷（2- 24)式中：靜態(tài)安全系數(shù)，一般取12，有沖擊與振動(dòng)時(shí)取23；滾珠絲杠副最大軸向載荷，N；：滾珠絲杠副軸向基本額定靜載荷，N；取=1.5，又=240N，代入得=360=23.7KN。3.2. 行星滾柱絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與校核3.2.1 行星滾柱絲杠原理與結(jié)構(gòu)介紹行星滾柱絲杠是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置。行星滾柱絲杠傳動(dòng)方式是十分特別的，在主螺紋絲杠的周圍，行星布置了6-12個(gè)螺紋滾柱絲杠，采用此種結(jié)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成絲杠和螺母的直線運(yùn)動(dòng)。行星滾柱絲杠能夠在環(huán)境特別艱苦的條件下承受重載高達(dá)上千小時(shí)，這就使得行星滾柱絲杠成

44、為需要連續(xù)工作條件的理想選擇。行星滾柱絲杠工作原理與行星輪系有一定的相似之處，當(dāng)滾柱絲杠滾動(dòng)時(shí)，它與主絲杠和外部螺母的接觸形成螺紋傳動(dòng)。如圖3-2所示，這些螺紋與絲杠能夠?qū)崿F(xiàn)精確地嚙合。主絲杠旋轉(zhuǎn)一周,滾柱在軸向恰好運(yùn)動(dòng)主絲杠一個(gè)導(dǎo)程的位移。其中為絲杠的半徑，為滾柱的半徑,為絲杠的角速度，為滾柱的角速度，為絲杠的旋轉(zhuǎn)角度，為滾柱的旋轉(zhuǎn)角度。因?yàn)闈L柱與螺母沒(méi)有軸向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故不要滾珠絲杠式的循環(huán)裝置。圖3-2 行星滾柱絲杠工作原理圖行星滾柱絲杠的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，主要的組成部件有：絲杠1，其螺紋牙型是直角三角形螺紋(至少是三頭螺紋，實(shí)際選用為六頭螺紋)，螺母7,其螺紋牙型與絲杠一樣；滾柱5

45、,其螺紋牙型是直角的圓弧螺紋(單頭螺紋)，在每個(gè)滾柱的末端都有一個(gè)圓柱形的樞軸和齒輪。樞軸安裝在擋板2的圓孔,這確保了滾柱的徑向均勻分布。此處輪齒與常規(guī)輪齒有所不同，其先加工成螺紋，然后再經(jīng)插齒加工成輪齒，從而與絲杠1接觸時(shí)為螺紋傳動(dòng)，與齒圈4接觸時(shí)為齒輪嚙合傳動(dòng)，這使得滾軸向平穩(wěn)地運(yùn)行。擋圈3,用來(lái)鎖緊擋板。其拆裝較方便,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,對(duì)中性也較好,適合于高速、承受沖擊、變載的工作場(chǎng)合。1.絲杠 2.擋板 3.擋圈 4.齒圈 5.滾柱6.平鍵 7.螺母圖3-3 行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)示意圖3.2.2 行星滾柱絲Z方向彎曲撓度的計(jì)算豎直方向行星滾柱絲杠軸抗拉強(qiáng)度與撓度計(jì)算1）行星滾柱絲杠副慣性矩計(jì)算，

46、經(jīng)過(guò)反復(fù)選取計(jì)算，當(dāng)選取行星滾柱絲杠直徑d=70mm時(shí)，（2- 25)計(jì)算慣性矩=1.18 mm。參考相關(guān)資料，行星滾柱絲杠上部套筒選取小徑=130mm，大徑=172mm，（2- 26)代入計(jì)算得=2.89 mm。2）行星滾絲杠副彎曲截面系數(shù)計(jì)算對(duì)于行星滾柱絲杠=（2- 27)代入公式（2-25）計(jì)算結(jié)果得=3.37 mm。對(duì)于行星滾柱絲杠上部套筒=（2- 28)代入公式（2-26）計(jì)算結(jié)果得=3.36 mm。3）確定彈性模量查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)行星滾柱絲杠彈性模量E=2.1，行星滾柱絲杠上部套筒材料選用45號(hào)鋼，查閱手冊(cè)E為196-216GPa，取E=200 GPa=2。4）彎矩計(jì)算豎直方向所受

47、彎矩如下圖所示，M=800N354mm=2.832（N·mm）。圖3-4 平臺(tái)所受彎矩示意圖5）正應(yīng)力計(jì)算校核對(duì)于行星滾柱絲杠（2- 29)將公式和公式計(jì)算結(jié)果代入得=8.40 N/mm=8.40 MPa。對(duì)于行星滾柱絲杠上部套筒由公式（2-29）計(jì)算得=0.84N/mm=0.84 MPa6）撓度計(jì)算行星滾柱絲杠彎曲撓度計(jì)算（2- 30)由公式（2-25）、公式（2-27）計(jì)算結(jié)果代入得：=91.4行星滾柱絲杠上部套筒撓度計(jì)算，由于套筒上端采用筋板進(jìn)行加固，故其加固部分彎曲撓度可忽略不計(jì)。未加固部分彎曲撓度計(jì)算，將公式（2-26）、公式（2-28）計(jì)算結(jié)果代入公式（2-30）得=2.

48、27）按彎曲撓度確定行星滾柱絲杠的規(guī)格參考瑞士ROLLVIS公司行星滾柱絲杠尺寸規(guī)格，選取行星滾柱絲杠尺寸DP為706。圖3-5 RV行星滾柱絲杠尺寸規(guī)格圖3.2.3 行星滾柱絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)1）確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷（1）當(dāng)量轉(zhuǎn)速計(jì)算快速進(jìn)給方式下，絲杠轉(zhuǎn)速由公式（2-2）知式中：絲杠轉(zhuǎn)速，r/min，i=1.2··· ；進(jìn)給速度，m/min，i=1.2··· ；=0.6m/min 代入得n=100 r/min，工作時(shí)間百分比為70%=0.06m/min,代入得n=10 r/min，工作時(shí)間百分比為30%當(dāng)量轉(zhuǎn)速由公式（2-3）知n=

49、n+n式中：n當(dāng)量轉(zhuǎn)速，r/min；t、t工作時(shí)間百分比；代入得n=1000.7+100.3=73 r/min。（2）當(dāng)量載荷計(jì)算平臺(tái)進(jìn)給過(guò)程中，滾珠絲杠所受載荷基本不變，（2- 31)式中：G平臺(tái)重量，N；已知G=1200N，代入得F=1200N。2）確定行星滾柱絲杠副預(yù)緊力由于行星滾柱絲杠對(duì)每個(gè)時(shí)間段都需要零齒隙，預(yù)緊力應(yīng)該按照最大的載荷力計(jì)算：（2- 32)式中：最大軸向工作載荷；其中=1200N，則=1200N。3）確定行星滾柱絲杠副支承用的軸承代號(hào)、規(guī)格（1） 軸承所承受的最大軸向載荷=18326+1200=19526N（2）軸承類型采用一端固定一端自由的支承形式，選背對(duì)背60

50、76;角接觸推力球軸承。（3） 軸承徑d 略小于=68.55mm，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取d=65mm。（4）軸承預(yù)緊力由公式（2-12）代入得=6509N。（5）按樣本選軸承型號(hào)規(guī)格當(dāng)d=65mm  預(yù)加載荷時(shí)，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選用7013C/DB軸承，預(yù)加載荷為6600N=6509N4)  行星滾柱絲杠副工作圖設(shè)計(jì)見(jiàn)附表5）螺母負(fù)載計(jì)算主動(dòng)側(cè)半螺母，因?yàn)镕，故F（1）= F + 0.65F（2- 33)由=1200N，代入計(jì)算得：F（1）=1980N。從動(dòng)側(cè)半螺母，因?yàn)镕，故 F（2）= F - 0.35F（2- 34)由=1200N，代入計(jì)算得：F（2）=780N。6）行星

51、滾柱絲杠副壽命計(jì)算我們需要首先計(jì)算每半個(gè)螺母的預(yù)期壽命、,也就是得分別計(jì)算每半個(gè)螺母每時(shí)間段載荷和預(yù)緊載荷的合成載荷，再分別計(jì)算半螺母的平均載荷。（2- 35)已知C=406.6KN，=1980N，代入計(jì)算得：=8.6610（轉(zhuǎn)數(shù)）。（2- 36)同理代入C=406.6KN，=780N，計(jì)算得：=1.4210（轉(zhuǎn)數(shù)）。螺母總壽命（2- 37)代入公式（2-35）、公式（2-36）計(jì)算結(jié)果得：=1.4110（轉(zhuǎn)數(shù)）。（轉(zhuǎn)數(shù)）（2- 38)表3-6 可靠性系數(shù)可靠性%90959697989910.620.530.440.330.21要求可靠性95%，由表（3-6）選取=0.62，依據(jù)上式計(jì)算得：=

52、1.41100.62=8.7410（轉(zhuǎn)數(shù)）。=2（小時(shí)）3.2.4 行星滾柱絲杠的校核1）剛度計(jì)算（1）螺母剛度計(jì)算（2- 39)依據(jù)下表選取=1.5，剛度系數(shù)=42.5，軸向力按照標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊力計(jì)算，即：=2.83=3396N。表3-7 螺母剛度修正系數(shù)單螺母預(yù)緊螺母雙螺母0.7511.5代入上式計(jì)算得=159.7N/。（2）行星滾柱絲杠剛度計(jì)算絲杠剛度有下列簡(jiǎn)單公式計(jì)算（2- 40)已知=70mm，L=600mm，代入計(jì)算的=1339 N/。（3）在轉(zhuǎn)速為0時(shí)允許彎矩=（2- 41)根據(jù)安裝方式不同由圖（3-6）選取=0.25。圖3-6 不同支承方式下的修正系數(shù)又已知=70mm，L=600mm

53、，代入計(jì)算得=1355KN。(4) 支承軸承剛度預(yù)緊軸承的剛度（2- 42)式中：預(yù)緊軸承的剛度，N/；滾珠直徑，mm；Z 滾珠數(shù)；最大軸向工作載荷，N；軸承接觸角；查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)后，設(shè)計(jì)=8.0mm，Z =20， 又已知=19526N =60°，代入計(jì)算得=1608 N/。支承軸承組合剛度對(duì)于一端固定一段自由形式，軸承組合剛度=1608 N/。2）剛度驗(yàn)算與精度選擇（1）行星滾柱絲杠的整體剛度（2- 43)代入計(jì)算得=131.1 N/。（2）確定精度 式中：任意300mm的行程變動(dòng)量（對(duì)半閉環(huán)系統(tǒng)言）；已知定位精度為30/300mm，計(jì)算得

54、24。表3-8 行星滾柱絲杠精度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)C1導(dǎo)程誤差G16/300mmG312/300mmG523/300mmG9200/1000mm行星滾柱絲杠精度等級(jí)參考表（3-8）選取G5。（3）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)已確定的型號(hào)：RV 706公稱直徑：70   導(dǎo)程：6螺紋長(zhǎng)度：500絲杠全長(zhǎng)：630精度等級(jí)：G5級(jí)精度3 ) 驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速也為危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速，是指在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下絲杠在不產(chǎn)生共振所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速。RV系列：140000（2- 44)已知=70mm，=100 r/min，代入計(jì)算得：=7000140000絲杠的臨界轉(zhuǎn)速（2- 45)已知=70mm，L=

55、500mm，代入計(jì)算得=21000 r/min?？紤]不同的支撐方式所允許的極限轉(zhuǎn)速（2- 46)根據(jù)支承方式不同，選取=0.32，計(jì)算得=5376 r/min。圖3-7 不同支承方式下的修正系數(shù)3.2.5 行星滾柱絲杠相關(guān)參數(shù)的確定1）行星滾柱絲杠的參數(shù)計(jì)算從行星滾柱絲杠的基本幾何形狀可知,絲杠和螺母的導(dǎo)程相等:=（2- 47)式中：絲杠的導(dǎo)程；螺母的導(dǎo)程；則：=6mm。滾柱和螺母的螺旋升角相等:=（2- 48)式中：滾柱的螺旋升角；螺母的螺旋升角；組件同心條件:=+2（2- 49)式中：螺母的公稱直徑；絲杠的公稱直徑；滾柱的公稱直徑；螺母的螺旋升角:（2- 50)滾柱的螺旋升角:（2- 51)由公式可得到螺旋角和導(dǎo)程之間的關(guān)系:（2- 52)由上式可知,對(duì)于行星滾柱絲杠，即使絲杠和滾柱的導(dǎo)程比是確定的，絲杠和滾柱的導(dǎo)程也是可以成比例對(duì)應(yīng)變化的。一般情況下，滾柱為單頭螺紋，在生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中滾柱的頭數(shù)