机械毕业设计（论文）-凸轮轴测量机的逆向设计（全套图纸三维）

北京印刷学院毕业设计（论文）课 题 名 称： 凸轮轴测量机的逆向设计与虚拟展示 专 业 班 级： 机械工程10-1班 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 起迄日期： 2013年11月17日20143年5月23日 指导教师： 职称： 副教授 发任务书日期：2013年11月17日3摘 要本次设计是对凸轮轴测量机的设计。在这里主要包括:传动系统的设计、装夹部位系统的设计、测量部位系统的设计这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上，丝杆带动丝杆螺母，从而带动整机装置运动装置运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本论文研究内容：(1) 凸轮轴测量机总体结构设计。(2) 凸轮轴测量机工作性能分析。(3)电动机的选择。(4) 凸轮轴测量机的传动系统、执行部件及机架设计。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。(6)运用计算机辅助设计，对设计的零件进行三维建模。(7)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键字：凸轮轴测量机， 联轴器，滚珠丝杠 全套图纸三维，加153893706ABSTRACTThis 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 parts 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 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 shaft 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 modeling 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 录1 概述61.1 前言61.2 国内外主要的一些凸轮测量仪61.2.1中外合资广州威而信精密仪器有限责任公司研发的凸轮轴测量仪61.2.2 瑞士TRIMOS 多功能轴类检测仪72 凸轮轴测量机分析92.1 凸轮轴测量仪整体设计92.1.1 凸轮轴测量仪的测量原理102.1.2 主要组成112.1.3 凸轮轴测量仪设计方案112.2 凸轮轴测量仪的数据处理122.2.1 凸轮桃尖的确定122.2.2 角度基准的确定122.3 位移传感器简介及选择133 凸轮轴测量机机械结构设计153.1 确定脉冲当量153.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型153.2.1 精度的选择153.2.2丝杠导程的确定153.2.3 最大工作载荷的计算153.2.4 最大动载荷的计算163.2.5 滚珠丝杠螺母副的选型163.2.6 滚珠丝杠副的支承方式173.2.7 传动效率的计算173.2.8 刚度的验算173.2.9 稳定性校核183.2.10 临界转速的验证193.3 步进电动机的选择203.4 丝杠轴的校核223.5 键的校核233.6 轴承的校核233.7导轨的特点及设计243.8直线滚动导轨副的计算、选择253.9 立柱的强度与刚度的计算284 凸轮轴测量机的三维虚拟展示33结 论38参考文献39致 谢41北京印刷学院毕业设计（论文）1 概述1.1 前言凸轮轴是工程中常用的零件，在凸轮轴的大批量生产中，为了保证产品质量，产品的测量变得非常重要。凸轮轴的轴向尺寸较多并且精度较高，用传统的测量方法无法保证每一件产品的测量精确、且容易造成测量成本过高，因此需要一台专用的测量设备才能保证产品的质量控制。所以我设计了一台凸轮轴专用测量仪。采用方案是利用CCD传感器识别边界，进行非接触式测量。这在现阶段的测量技术领域还属于比较新颖的测量技术。因为CCD传感器的视角范围很小，不能直接利用它来测量这样大尺寸的工件。因此在本测量仪中，只利用它作为一个识别工件边界的工具，再利用光栅记录CCD传感器移动的距离，这样也可以得到精确的测量结果。而且成本也比较低。但是这种测量方法受环境光源的影响较大，因此对环境有一定的要求。1.2 国内外主要的一些凸轮测量仪凸轮机构是常用机构，应用范围很广。因此，对凸轮工作性能的要求就越来越高，而凸轮工作性能的好坏主要由相关的凸轮形线参数来决定。因此，目前国内外对凸轮参数的测量仪的研究和开发也越来越广泛和深入。下面将对此进行一下简要的介绍。1.2.1中外合资广州威而信精密仪器有限责任公司研发的凸轮轴测量仪如图1.1所示，为该公司研发的凸轮轴测量仪的实物图。左边为凸轮测量仪器的安装和测量平台，右边为数据采集与处理平台。该厂家研发的这套凸轮轴测量仪器，采用凸轮轴立式安装测量结构。旋转轴由精密气浮主轴与气浮顶尖构成，双气浮直线运动导轨立柱做为直线运动基准，由进口电机驱动；电器部分由高级计算机及进口精密圆光栅传感器、精密光栅位移传感器组成。测量软件采用基于中文版WINDOWS操作系统平台的WILSON测量软件，完成参数输入、测量选择、数据采集、处理及测量数据管理和测量结果打印输出等工。这款测量仪器目前在国内还算是比较先进的，它主要有以下一些优点：（1）立式主机测量结构：凸轮轴垂直安装，避免重力因素影响对测量造成的误差；（2）高精度：机械运动部件和工件的定位（超精密气浮主轴与气浮顶尖、双气浮直线运动导轨立柱）均采用气浮结构，主轴精度高达0.08um；（3）长寿命：主轴、导轨均采用气浮结构，故永不磨损、精度保持长久、仪器精度寿命长达十年以上；（4）数据采集采用世界上最著名的德国海德汉公司的精密光栅传感器（旋转、位移）及其相关技术，准确度高，稳定性好；（5）工作平台和立柱导轨均采用精密花岗岩材料制成，可抑制周围环境的噪声和震动；（6）可放置在企业计量室和生产车间现场使用图1.1 威尔信凸轮轴检测仪装置图1.2.2 瑞士TRIMOS 多功能轴类检测仪 如图1.2所示，瑞士TRIMOS公司生产的TWINNER多功能轴类测量系统可完成以下测量任务：长度、直径、距离、递增尺寸、槽宽、槽径、中点距离、角度、孔的位置、曲轴和凸轮轴冲程、跳动、基于工件轴线的跳动、圆度、端面跳动、同心度、对称度、平行度、直线度、圆锥角度、最大最小值/差值、交点尺寸等。TWINNER仪器特点：1. 稳定性高（仪器基体都由花岗岩制成），精度高、重复性好、操作简便2.在车间环境下，长度、直径和跳动的测量精度能得到保证3. 一般情况下，仪器不必经常标定4. 更换工件后，无需对仪器进行重新标定5. 导轨直线度好=0.002mm6. 顶针头座和尾座可以自由移动，工件可装夹在任意位置7. 特殊顶针座可选，可安放于两标配顶针座之间，这样可同时装夹两种工件，可同时测量8. 导轨和顶针座间平行度调整方便，在一些情况下（如顶针座受到撞击后）方便调整9. 长度和直径测量模块固定于测量支架上，与导轨垂直度好10. 测力固定，极大的减少了人为误差11.长度和直径测量模块上装有特殊的机电机构，测量时所有测量结果和测量信息(如测量位置)有自动采集提示12.仪器基本上有3个支架，第一个安放可选测量模块，第二个为长度测量系统，第三个为直径和跳动测量系统13.另有各种测头、测量系统可选，例如：孔测头，角度测量系统等，可为客户定做 图 1.2 TWINNER多功能轴类测量系统 以上简要介绍了一下，目前国内外关于凸轮轴测量仪器产品研发的一些情况，可见目前，凸轮轴测量仪器的发展越来越趋向于全自动化、高精度的要求。2 凸轮轴测量机分析2.1 凸轮轴测量仪整体设计 目前仪器使用者对仪器的一贯要求为精度高、功能全、工作可靠、自动化程度高需要人工少量干预或者根本不需要人工干预。笔者通过调研、查询大量资料，根据凸轮的测量特点并结合广州威而信精密仪器有限公司长时间研发和生产轴类高精密测量仪（圆柱度、圆度仪、轮廓仪）经验的基础研制生产全自动凸轮轴测量仪。全自动凸轮轴测量仪总体结构：全自动凸轮轴测量仪整体结构示意图，如图 2.5所示：立式测量结构；高精度空气静压轴承；大理石工作台、大理石气浮立柱、气浮导轨；圆光栅系统、长光栅系统；计算机采集控制和运动控制系统；数据处理、程序评价、屏幕输出和打印系统；国内首次提出并集成融合了气浮结构（大承载气浮转轴，其承重最大可达 600kg，其精度能保证在 0.1um、气浮立柱、气浮横导轨）、高精度光栅编码器、自动控制、计算机补偿及处理技术，形成全自动控制和测量的高精度凸轮轴测量仪，具有测量准确度高、测试速度快、操作简便和便于数据处理等优点，能有效满足现代工业的需求，仪器精度达到国际先进先进水平，在国内具有领先水平。凸轮轴测量仪主要技术参数：系统精度：升程误差2um，角度误差2um可测最大工件长度：1200mm长光栅量程：30mm圆光栅系统：圆光栅传感器系统精度：5um 分辨率：0.08um 长光栅系统：量程 200 mm分辨率 0.02um 精度0.2um/200mm主轴跳动不大于 0.2um测量一个凸轮时间：0.5 分钟主轴径向精度：0.1um主轴轴向精度：0.1um每个轮廓测量时间1min图2.51-大理石龙门立柱 ，2-左侧滑块组件，3-上顶尖，4-右侧气浮滑块组件，5-测杆，6-气浮横导轨 ，7-长光栅 ， 8-大理石横导轨 ， 9-滚珠丝杠 ，10-下顶尖 ，11-三维工作台 ，12-气浮主轴，13-工作平台 ，14-仪器架2.1.1 凸轮轴测量仪的测量原理 凸轮测量仪工作原理示意图，如图 2.6 所示，凸轮轴测量仪采用凸轮轴立式安装测量结构，由上、下主轴构成工件回转中心，被测量凸轮轴随主轴产生回转运动，通过精密圆光栅测头读数；测头在工件的径向接触被测量面，随测量面产生径向位移，使气浮横导轨带动长光栅传感器，测量出每一读数的径向位移；实现凸轮轴各个截面的测量；由计算机根据被测量凸轮轴参数计算出凸轮轴桃形升程误差和轴径圆度误差等参数。图2.6凸轮测量仪工作原理 这里，应特别强调：凸轮测量时，测头的形状应与凸轮机构中的从动件的头部形状一致，这样才能更好地模拟凸轮机构的实际工作情况，使测量出的凸轮升程值准确反映凸轮机构从动件的工作位移。2.1.2 主要组成凸轮轴测量仪由凸轮轴、测头装置、位移传感器、角度传感器、带动器、带轮、主轴箱、工作台组成。2.1.3 凸轮轴测量仪设计方案凸轮轴测量仪整体结构可分为卧式结构和立式结构两种。卧式结构便于人工操作和读取数据,但是由于重力作用下厂凸轮轴产生弯曲变形,影响测量结果;立式结构则可以有效消除凸轮轴在测量过程中由于重力作用而产生得弯曲变形,从而使测量结果更准确。本课题中,凸轮轴测量仪整体采用立式结构,主要由工作台,测头,W轴旋转驱动系统,Z轴移位驱动系统,X轴进给驱动系统,和凸轮轴定位夹紧装置等组成。凸轮轴测量仪实质上是一个以凸轮轴旋转轴线与轴颈或凸轮中截面交点为极点,指向测头方向为极径的二维极座标测量系统。其中伺服电机和主顶尖构成测量仪的旋转驱动系统,实现凸轮轴的旋转,并由安装在主轴箱主轴上的圆光栅对凸轮轴转过的角度进行采样;并由长度光栅对测头在X轴方向的直线位移进行长度采样;测头采用一维扫描测头即电感式传感器,来获取X轴方向上的微小位移;主顶尖座,主顶尖,可以沿导轨上下移动的尾座和尾顶尖是凸轮轴的定位和夹紧装置。2.2 凸轮轴测量仪的数据处理本文所讨论的凸轮测量，是指测头的形状与凸轮机构中从动件的形状一致的情况，这样能真实反映凸轮机构的实际工作情况，长光栅测量出的凸轮升程值准确反映凸轮的实际升程，如果是用不同的测头，在同一角度测出的升程值有可能不同，其测量的值要经过大量的数据运算才能转化成从动件对应的真正升程值，由于凸轮的种类多，被动件也就多，则对应的测头形状也很多，把每种凸轮不同测头测量值转换成一种测头测量值，工作量之大是可以想象的。又因为我们目前所见到的凸轮种类还不能囊括所有类型凸轮，用一个测头测所有凸轮也是不现实的，由于时间和客观因素本文只讨论测头和从动件一致的情况，测头之间的转换留作进一步展望。2.2.1 凸轮桃尖的确定由于凸轮轴的用途不同，凸轮的形状也有所不同，有凸轮升程上升段和下降段是对称的也有非对称的，有凸轮升程是正值也有凸轮的升程是负值（前面有介绍和图示），因此不同形状的凸轮的消偏心、确定凸轮桃尖位置、确定其升程误差等数据处理方法也略有不同；为了使算法能适应于各种凸轮检测，我们采用了凸轮都有的敏感点法来确定凸轮桃尖。凸轮敏感点是指凸轮升程段中的升程变化率最大的点，敏感点是凸轮加工时最难加工的点，敏感点附近是误差最大的区域，因此我们采用敏感点区域误差最小法来得到凸轮桃尖位置。其算法如下：首先在 0到 360范围内寻找升程最大值点区域，以最大值点区域的中心点为初始桃尖位置；然后在敏感点附近确定角度区间本文用的是 1025，移动初始桃尖位置计算在该角度区间内敏感点左右两侧附近的误差平方和。最后找出敏感点左右两侧误差平方和最小的桃尖位置对应的数据，该点即为最终凸轮桃尖位置。2.2.2 角度基准的确定在凸轮轴加工过程中，以凸轮轴端面的定位孔或轴颈键槽的作为角度基准来加工凸轮,因此在凸轮轴测量时需要确定凸轮轴端面的定位孔或轴颈键槽的中心位置来作为角度基准。键槽的中心位置可以通过测量与键槽紧密配合圆柱形键销的中心位置获得；定位孔的中心位置可以通过测量与定位孔紧密配合圆柱形定位销的中心位置获得。当被测凸轮轴以上下顶尖为旋转中心转动时，键销或定位销的运动轨迹是凸轮轴的同心圆，随着测头与键销或定位销接触点位置的不断改变，测头将产生相应位移，可以把键销或定位销看成是凸轮轴上的一个凸轮，这个凸轮的桃尖就是键槽或定位孔的中心位置，角度基准以桃尖的方式确定了。2.3 位移传感器简介及选择测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器,而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，磁致伸缩位移传感器以及基于光学的干涉测量法，光外差法，电镜法，激光三角测量法和光谱共焦位移传感器等技术。（1）电感式位移传感器电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。电感式位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制方面。（2）霍耳式位移传感器 它的测量原理是保持霍耳元件的激励电流不变，并使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的位移正比于输出的霍耳电势。磁场梯度越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀，霍耳电势与位移的关系越接近于线性。霍耳式位移传感器的惯性小、频响高、工作可靠、寿命长，因此常用于将各种非电量转换成位移后再进行测量的场合。消除了机械接触，寿命长、可靠性高，缺点：对工作环境要求较高。（3）光电式位移传感器 它根据被测对象阻挡光通量的多少来测量对象的位移或几何尺寸。特点是属于非接触式测量，并可进行连续测量。光电式位移传感器常用于连续测量线材直径或在带材边缘位置控制系统中用作边缘位置传感器。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。（4）长光栅光栅是用于机床的精密检测装置，是一种非接触式测量。它是利用光学原理进行工作，按形状可以分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要有光栅尺和光栅读数头两部分组成。光栅读数头由光源、透镜、指示光栅和驱动线路组成。如图4.1所示。图4.1 光栅读数头光栅的工作原理是根据莫尔条纹的形成原理进行工作的。光栅具有如下特点：（1）响应速度快、量程宽、测量精度高。测量直线位移精度可达0.5-3um(300mm范围内)，分辨率可达0.1um;测量位移精度可达0.15”,甚至更高。（2）可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。（3）具有较强的抗干扰能力。综合比较精度要求与经济性，该设计中的位移传感器选用长光栅。3 凸轮轴测量机机械结构设计3.1 确定脉冲当量一个进给脉冲，使凸轮轴测量机运动部件产生位移量，也称为凸轮轴测量机的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控凸轮轴测量机加工精度的一个基本技术参数。根据凸轮轴测量机精度要求确定脉冲当量0.01mm/脉冲。3.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。3.2.1 精度的选择滚珠丝杠副的精度直接影响数控凸轮轴测量机的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对凸轮轴测量机定位精度最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。对于，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），Z轴为25级，考虑到本设计的定位精度要求选择X轴精度等级为3级，Z轴为4级。3.2.2丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、10、12、20中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚）。在速度满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度），本设计中初选纵向丝杠导程为8，横向丝杠导程为5。3.2.3 最大工作载荷的计算最大工作载荷是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力,其实验计算公式如表3-1所示。表3-1 实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2综合或三角导轨1.150.15-0.18表中为考虑颠覆力矩影响时的实验系数；为滑动导轨摩擦系数；为移动部件总重量。G=1000 N查表3-1选择综合导轨，取1.15,取0.18,为1000；算得=1.151197+0.18（3420+1000） =2171.553.2.4 最大动载荷的计算载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力），此类载荷为动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷计算公式如下： 式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r，（T为使用寿命，普通凸轮轴测量机T取5000-10000h，数控凸轮轴测量机T取15000h；n为丝杠每分钟转速）； 载荷系数，一般取1.21.5，本设计取1.2； 硬度系数（HRC58时取1.0；等于55时取1.11；等于52.5时取1.35；等于50时取1.56；等于45时取2.40）； 滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。本设计中纵向承受最大切削力条件下最快的进给速度,初选丝杠基本导程，则丝杠转速。取滚珠丝杠使用寿命，带入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。3.2.5 滚珠丝杠螺母副的选型初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷, 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷。根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽凸轮轴测量机附件有限公司生产的FL4008-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母螺纹式预紧，精度等级为4级，其参数如表3-2所示。表3-2 FL4008-3型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/ 18974084.76338.635.2466313.2.6 滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合。考虑到纵向丝杠长度较大，本设计纵向丝杠采用双推简支支承方式，该方式临界转速、压杆稳定性高，有热膨胀的余地。3.2.7 传动效率的计算滚珠丝杠的传动效率一般在0.80.9之间，其计算公式如下： =式中：螺距升角，根据,可得=291； 摩擦角，一般取=10。算得： =96.67%3.2.8 刚度的验算滚珠丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用，引起导程的变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母间滚道的接触变形、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形。因转矩和丝杠-螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小，所以、可以忽略不计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为：=（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：丝杠的最大工作载荷，单位为； 丝杠纵向最大有效行程，单位为； 丝杠材料的弹性模量，钢； 丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。根据前面的设计，为3234.36，取1665，为45.24，算得： =0.01597=15.97查表3-3可知，,所以刚度足够。表3-3 有效行程内的目标行程公差和行程变动量有效行程精度等级12345大于至31566881212161623234005008710915132019272616002000181325183525483665513.2.9 稳定性校核由于滚珠丝杠本身比较细长又受轴向力的作用，若轴向负载过大，则会产生失稳现象，不失稳时的临界载荷Fk应该满足： =式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取2，其他方式如表3-4所示； 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取最小值，本设计取4； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为2000；（其中工件加工长度为1400，取2000，留600的两端余量） 按丝杠底径确定的截面惯性矩（，单位为）,本设中将代入算出=205513.36。 由以上数据可以算出：= 临界载荷远大于工作载荷（3234.36N），故丝杠不会失稳。表3-4 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值4210.253.2.10 临界转速的验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速： 式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取值如表3-5所示；临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为2300；丝杠内径，单位；安全系数，可取=0.8表3-5 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值27.418.912.14.3 经过计算，得出=1293，由已知，可以算出，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。3.3 步进电动机的选择（1）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量丝杠的转动惯量 式中 滚珠丝杠的公称直径； 丝杠长度。则齿轮的转动惯量 电机的转动惯量很小可忽略。因此，总转动惯量 （2）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩最大切削负载时所需力矩快速进给时所需力矩式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的摩擦力矩；由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；切削时折算到电机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的切削负载力矩。 当时 当时 当时， 时 当时预加载荷，则 所以，快速空载启动所需力矩 切削时所需力矩 快速进给时所需力矩由上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时：（3）进给系统步进电机的确定为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知所以，步进电机最大静转距为步进电机最高工作频率综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电动机，能满足要求7-12。3.4 丝杠轴的校核需要验算传动轴薄弱环节处的倾角荷挠度。验算倾角时，若支撑类型相同则只需验算支反力最大支撑处倾角；当此倾角小于安装齿轮处规定的许用值时，则齿轮处倾角不必验算。验算挠度时，要求验算受力最大的齿轮处，但通常可验算传动轴中点处挠度（误差%3）.当轴的各段直径相差不大，计算精度要求不高时，可看做等直径，采用平均直径进行计算，弯曲刚度验算；的刚度时可采用平均直径或当量直径。一般将轴化为集中载荷下的简支梁，其挠度和倾角计算公式见【5】表7-15.分别求出各载荷作用下所产生的挠度和倾角，然后叠加，注意方向符号，在同一平面上进行代数叠加，不在同一平面上进行向量叠加。：通过受力分析，最大挠度：查【1】表3-12许用挠度； 。3.5 键的校核键和轴的材料都是钢，由【4】表6-2查的许用挤压应力,取其中间值，。键的工作长度，键与轮榖键槽的接触高度。由【4】式（6-1）可得可见连接的挤压强度足够了，键的标记为：3.6 轴承的校核、轴轴承的校核轴选用的是深沟球轴承6206，其基本额定负荷为19.5KN, 由于该轴的转速是定值，所以齿轮越小越靠近轴承，对轴承的要求越高。根据设计要求，应该对轴未端的滚子轴承进行校核。轴传递的转矩 受力 根据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为:在水平面：在水平面： 因轴承在运转中有中等冲击载荷，又由于不受轴向力，【4】表13-6查得载荷系数，取，则有： 轴承的寿命计算:所以按轴承的受力大小计算寿命 故该轴承6206能满足要求。、其他轴的轴承校核同上，均符合要求。3.7导轨的特点及设计滑动导轨的优点是结构简单、制造方便和抗振性良好；缺点是磨损快。为了提高耐磨性，国内外主要采用镶钢滑动导轨和塑料滑动导轨。 滑动导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。1铸铁 铸铁有良好的耐磨性、抗振性和工艺性。常用铸铁的种类有：（1）灰铸铁 一般选择HT200，用于手工刮研、中等精度和运动速度较低的导轨，硬度在HB180以上； （2）孕育铸铁 把硅铝孕育剂加入铁水而得，耐磨性高于灰铸铁； （3）合金铸铁 包括：含磷量高于0.3的高磷铸铁，耐磨性高于孕育铸铁一倍以上；磷铜钛铸铁和钒钛铸铁，耐磨性高于孕育铸铁二倍以上；各种稀土合金铸铁，有很高的耐磨性和机械性能；铸铁导轨的热处理方法，通常有接触电阻淬火和中高频感应淬火。接触电阻淬火，淬硬层为0.150.2mm。硬度可达HRC55。中高频感应淬火， 淬硬层为23mm，硬度可达HRC4855，耐磨性可提高二倍，但在导轨全长上依次淬火易产生变形，全长上同时淬火需要相应的设备。2钢 镶钢导轨的耐磨性较铸铁可提高五倍以上。常用的钢有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整体淬硬处理，硬度为5258HRC；20Cr、20CrMnTi、15等渗碳淬火，渗碳淬硬至5662HRC；38C rMoAlA等采用氮化处理。3有色金属 常用的有色金属有黄铜HPb59-l，锡青铜ZCuSn6Pb3Zn6，铝青铜ZQAl9-2和锌合金ZZn-Al10-5，超硬铝LC4、铸铝ZL106等，其中以铝青铜较好。4塑料 镶装塑料导轨具有耐磨性好(但略低于铝青铜)，抗振性能好，工作温度适应范围广(-200+260)，抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低、差别小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学稳定件好，工艺简单，成本低等优点。目前在各类凸轮轴测量机的动导轨及图形发生器工作台的导轨上都有应用。塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法、以及使用与维护。提高导轨的耐磨性，使其在较长时期内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。常用的提高导轨耐磨性的方法有：采用镶装导轨、提高导轨的精度与改善表面粗糙度、采用卸荷装置减小导轨单位面积上的压力(即比压)等。3.8直线滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：（1）选BR直线滚动导轨导轨,E级精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,f=1,fw=1.（2）工作寿命每天8小时，连续工作5年，250/年,额定寿命为:Lh=52508=10000 h,每分钟往复次数nz=8L=(2lsnz60Lh)/(103)=(20.3186038400)/ (103)=11428Km计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为4000N计算需要的动载荷CP=110/4=27.5N C=( fwP)(fh ft fc f)(L/50)1/3=208N由机械电子工程专业课程设计指导书表3-20中选用LY15AL直线滚动导轨副,其C=606N, C0=745N.基本参数如下:导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够.（3）滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度,预紧采用过盈配合,装配时,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量。（4）润滑与防护润滑:采用脂润滑,使用方便,但应注意防尘。防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨,以提高导轨寿命。防护方式用盖板式。3.9 立柱的强度与刚度的计算由于横梁是三个方向上尺寸相差不太多的箱体零件，用材料力学的强度分析方法不能全面地反应它的应力状况。目前，在进行初步设计计算时，还只能将横梁简化为简支梁进行粗略核算，而将许用应力取得很低。按简支梁计算出的横梁中间截面的应力值和该处实测应力值还比较接近，因此作为粗略核算，这种方法还是可行的。但无法精确计算应力集中区的应力，那里的最大应力要大很多。横梁的强度及刚度计算：（1）集中载荷 如对锻造液压机砧座的窄边，可看作集中载荷，受力简图如下：图中简支梁的跨度为立柱窄边或宽边中心距由砧座的放置位置而定。最大弯矩：Mmax = PL /4最大挠度：max = PL/48EJKPL/4GF各符号代表意义同前。 （2）均布载荷 一般是对砧座宽边或模锻，镦粗等情况，受力简图如下：最大弯矩为：Mmax =PL/4qL1/8式中： q 均布力，q =P/L1（N/cm）； L1 均布力分布宽度（cm）。若设L1 =2/3L，则最大挠度为：max =11/648PL/EJ +KPL/6GF最大弯矩为：Mmax =P/2最大剪力为： Qmax =P/21受力分析 横梁I-I截面受力图及剪力弯矩图。 均布载荷 图3-3 横梁受力图 在I-I截面上弯矩为： （3-13） 截面(-)剪力： （3-17） 2截面-强度计算 截面宽度 截面高度 截面积 （3-18） 面积重心至x轴距离 截面对x轴的静面矩 （3-19） 静面矩S与面积重心至x轴距离乘积 （3-20） 各截面积的惯性矩 （3-21） 重心至x轴的惯性矩 截面对x轴的惯性矩 （3-22） 截面对x轴的惯性矩 （3-23） 受压截面和受拉截面弯曲应力相等为 （3-24） 由此可得，在截面-上弯曲应力小于许用应力，安全。3截面-剪切强度计算 由分析得，最大应力在中心横断面及截面-上。 （3-25） 式中： Q截面-剪切力 B简化截面宽度 H简化截面高度 代入得： 28