药筒直焊缝自动检测装置数字样机设计

大学 届毕业设计说明书第 1 页 共 43 页毕业设计说明书专 业： 机械设计制造及其自动化 大学 届毕业设计说明书第 2 页 共 43 页药筒直焊缝自动检测装置数字样机设计摘要：本课题主要研究一套可供企业检测适用的药筒直焊缝超声自动检测装置。其筒体是焊接而成的。在焊接处，焊接后形成 46 mm 宽的焊缝，且内表面有起伏，不规则。在炮弹发射时，药筒内压力很大，焊缝中的疵病可能导致严重的后果。军方要求对焊缝百分之百的检验。焊缝中主要会出现气孔、横裂纹、焊偏等缺陷。为了适应生产线批量生产自动检测的要求，结合成本等因素，采用药筒直焊缝相对于探头沿下母线方向的扫描运动，超声的耦合采用水浸耦合方式。所设计的装置要求成本低，操作方便，安全可靠，检测精度高，自动化程度相对较高，在同类产品中有一定的竞争优势。关键词：焊缝，超声，检测，自动 大学 届毕业设计说明书第 3 页 共 43 页Cartridge straight seam detection device digital prototype designAbstract:This topic research a set of available for inspection of the enterprise YaoTong straight weld automatic ultrasonic testing devices. The cylinder is welded together. In the welding and welding formed after 4 6 mm wide, and the inner surface of the weld had ups and downs, irregular. In its YaoTong when the pressure inside the weld defects disease may cause serious consequences. The military requirement of weld 100% inspection. Main will appear in the weld transverse cracks, porosity, welding defects such as partial. In order to meet the production batch production automatic detection requirements, combining factors such as YaoTong, use cost straight weld relative to probe the direction of movement, the bus ultrasonic scanning the coupling with water extraction coupling. The device design requirement of low cost, convenient operation, safe and reliable, high accuracy, high automation degree of relative, in the similar products in the competitive advantage.Keywords: weld，ultrasound，detection ，automatic目录1 绪论 11.1 本课题的概述与简介 11.2 本课题研究的背景及意义 .31.3 超声检测系统国内外现状和发展趋势 .42 总体技术方案设计 .62.1 解决问题的初步方案 .62.1.1 课题具体阐述 .62.1.2 总体初步技术方案 .72.1.3 宜采用的设计方法 .92.2 主传动系统方案 112.3 进给系统方案 112.4 待测工件在工作台上的定位和夹紧 113 主传动部分的设计 113.1 电动机的选择 .11大学 届毕业设计说明书第 4 页 共 43 页3.1.1 选择电动机的类型和结构 123.1.2 步进电机的选择 143.1.3 步进电机的确定 153.2 滚珠丝杠的选用 183.2.1 轴向负荷的计算 193.2.3 基本静额定负荷 Co .213.2.4 基本动额定负荷 ca .213.3 hdl50 三坐标加工单元丝杠定位精度 213.4 丝杠热变形的解决办法 213.5 丝杠的寿命 234 进给传动部分设计 .244.1 导轨的选用 244.1.1 导轨的功用和分类 244.1.2 导轨应满足的要求 244.2 导轨的材料 244.3 滑动导轨的结构 254.3.1 导轨的截面形状及组合 254.3.2 导轨间隙的调整 264.4 滑动导轨的验算 264.5 导轨的许用压强 274.6 导轨的润滑与防护 274.7 提高导轨耐磨性的措施 285 装置和具体零部件的设计 285.1 装置的框架 295.2 水箱及探头的定位 305.3 丝杠轴的结构设计 305.4 步进电动机与减速器之间的联轴器 315.5 药筒的定位 33大学 届毕业设计说明书第 5 页 共 43 页5.5.1 支撑杆 1 335.5.2 支撑杆 2 345.5.3 药筒轴向定位件 346 外包装箱体的设计 35结论 .36参考文献 .37致 谢 .401 绪论1.1 本课题的概述与简介药筒是炮弹的重要组成部分，它的出现和应用，为武器的发展提供了必要的条件，使火炮实现了自动装填及连发射击，从而大幅度地提高了火炮的射速，增强了火炮的威力。鉴于本课题主要研究药筒直焊缝的超声自动检测装置设计，故只对其中的整体式药筒和装配式药筒做简要介绍 1：整体式药筒分为：1) 整体引伸药筒 2) 焊接药筒 筒体采用低碳薄钢板卷制，再经焊接而成。由于选用的材料规格和所采用的工艺不同，筒体焊缝有直焊缝和螺旋焊缝两种。筒底采用中碳钢锻制的毛胚，经辅助加工后，将筒体与筒底半制品焊接成一体，得到焊接药筒的半制品。如图 1 所示：大学 届毕业设计说明书第 6 页 共 43 页图 1 焊接药筒 1筒体 2筒底装配式药筒的几种典型结构包括：1) 卷筒式药筒 其筒体由低碳薄钢板卷制而成，并由压紧环压紧在筒体上。筒体底部由两层薄钢板卷成，以防止火药气体对炮闩的破坏，由于消耗材料比较多，所以药筒比较重。2) 焊筒式药筒 筒体沿纵缝焊接，为了加强筒体的底部强度，以及防止高温高压的火药气体从筒体与筒底的接缝处泄出，在筒体内还装有密封用的衬垫和开有纵向缺口的套筒。如图 2 所示大学 届毕业设计说明书第 7 页 共 43 页图 2 焊筒式药筒1筒体 2套筒 3压紧螺母 4衬垫 5筒底3) 整筒式药筒 筒体为一整体，由紧固件与筒底连接而成。超声检测是五大常规无损检测技术之一，与其它常规技术相比，它具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无伤害及便于现场使用等优点。因此，超声无损检测技术是国内外应用最广泛、使用频度最高且发展较快的一种无损检测技术 2。纵览众多的无损检测方法，超声无损检测浸液法以其波稳定、探头不易磨损（即非接触测量）、对工作表面质量无严格要求和易于实现自动化而受到肯定和广泛接纳 3。标准超声检测技术的当今趋势是使现有的方法精化，并进一步发展各种自动检测技术，后一项任务包括检测工作自动评价技术的改进，以及努力将由于这种活那种原因至今仍然只能手工方式操作的检测方法自动化 4。随着电子学和计算机科学技术的飞速发展,超声无损检测技术发展日趋先进，涌现出一下几种最前沿的检测技术 5：1） 超声导波技术2）声发射新技术大学 届毕业设计说明书第 8 页 共 43 页3）新型非接触超声换能方法4）另外，还有诸多新的技术也应用在了超声无损检测上：人工智能技术如专家系统、人工神经网络等；自适应技术；机器人技术；相关技术等。统计数据表明超声检测在无损检测领域中的突出贡献与重要地位，所以超声检测一直以来都是研究的热点。随着电子学的和计算机科学技术的飞速发展，采用人工智能技术、自适应技术、机器人技术、相关技术、信息融合技术、激光技术和计算机辅助设计/计算机辅助制造等技术与无损检测技术有机结合，以实现复杂形面复合构件的超声扫描成像检测，是近年来国外复合材料构件无损检测领域研究的前沿课题 6。1.2 本课题研究的背景及意义由于大口径自行火炮用药筒的技术要求高，设计难度大，使药筒的使用环境更为恶劣，以至于西方国家另辟溪径寻找药包替代药筒，但是这种方式又给火炮的密封等诸多环节带来了难以克服的技术难题，致使火炮发展举步艰难。由于我国基础工业薄弱，在火炮的密封技术上，关键密封件难以达到设计使用寿命要求，同时传统的引伸药筒的制造技术难以达到火炮对药筒的技术要求而止步。一段时期使系统研究陷于停滞状态，制约了系统的研制，影响了系统的总体进度。经过几年的方案论证和试验，最终又以焊接钢质药筒取代了药包的装填方案。 焊接钢质药筒作为现代炮弹药筒家族中的重要组成之一，由于其在制造上的优良特点：焊接钢质药筒是一种不需要大型的压力设备，制作工艺比较简单的钢质药筒，成本低，效益好，最适宜大中口径高膛压火炮的弹药的应用 7。焊接钢质药筒是国营753厂研制定型的火炮药筒。其筒底和筒体是由环焊机焊接而成的。在焊接处，筒底厚度为2.6 mm，筒体厚度1.6 mm，焊接后形成46 mm宽的环形焊缝，且内表面有起伏，不规则。在炮弹发射时，药筒内压力很大，焊缝中的疵病可能导致严重的后果。军方要求对焊缝百分之百的检验。焊缝中主要会出现气孔、横裂纹、大学 届毕业设计说明书第 9 页 共 43 页焊偏等缺陷。在过去，面对这样的问题我国工作人员只能通过抽样检测的方法，将炮筒沿焊缝锯开来检查炮筒是否符合，这种检测方法效率低，同时还有很大的可能漏检。因此，我们需要一种高效，高质的焊缝检测装置，来保证我们的生产要求。为了适应生产线批量生产自动检测的要求，结合成本等因素，采用水浸超声自动检测方法 8。1.3 超声检测系统国内外现状和发展趋势超声检测系统的国内研究现状：我国的无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的 UCT-2 超声波检测仪，重达 24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出 CTS-10 型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约 20Kg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的 UCT-2，CTS-10 型仪器。1976 年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国 6 个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。1978 年 10 月，中国建筑科学院研制出 JC-2 型便携式超声波检测仪。该仪器采用 TTL 线路，数码显示，仪器重量为 5Kg。同期研制出的超声检测仪器还有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器。超声检测系统的国外研究现状：国际上超声检测系统的数字化逐渐成为超声无损检测技术研究的热点。当前，国际上超声检测系统正朝着系统化、智能化、小型化的方向发展，国外一些生产和研究超声波检测仪器的公司已经在这方面走上了前列，其中以德国的 KrautKramer 公司、英国的声纳公司，美国的泛美公司和通用公司、加拿大 R/DTECH 公司的产品最具代表性，上述这些公司生产的超生检测系统在数据采集、分析和成像处理方面的技术水平较高，大学 届毕业设计说明书第 10 页 共 43 页在世界上处于领先水平。德国 KrautKramer 公司生产的 USM35XDAC 超声波探伤仪，探头频率在0.2MHZ20MH 内连续可调，采样频率高达 100MHZ，检测精度可至 0.5mm,增益范围为0110dB,采用 A 扫描方式，并具有彩色显示功能。此外，国外一些超声波检测仪器研发公司还利用计算机技术和控制理论克服了检测过程中需要耦合剂和换能器接近被检材料这一限制条件，如英国声纳公司的超声波管道机器人探测器可自动调节位置和角度，使超声波探头始终处于良好的耦合状态；意大利航空公司提出的超声波自动监测装置采用计算机辅助设计技术，通过计算机的控制可将换能器置于任意形状结构件需要检测的位置，这些仪器的发明和问世扩大了超生检测的应用领域，使超声检测方法在更多行业等到推广 9。超声检测技术的发展趋势:1) 向高精度、高分辨率方向发展；2) 高温条件下的测量明显增多，在线检测、动态检测增多；3) 在若干领域向超声无损评价发展，使得超声检测内容有了新的内涵%如超声检测技术与断裂力学相结合，对重要构件进行剩余寿命评价，超声检测技术与材料科学相结合、对材料进行物理评价；4) 在无损检测方面向定量化、图像化方向发展，超声检测系统将进一步数字化、图像化、自动化、智能化；现代信息处理技术如数值分析法、神经网络技术、模糊技术、遗传算法、虚拟仪器技术将广泛应用于超声检测技术领域 10。20世纪70年代以来，超声检测的数字化、自动化、智能化和图象化成为超声无损检测技术研究的热点，标志着超声无损检测的现代化进程。近年来，随着传感技术、电子技术、自动控制技术、计算机技术的发展，现代无损检测技术B经进人到以计算机控制为主舯信息加工时代。表现在：生产过程实时监控和产品运行过程的监督(如对轧钢的生产线的监控)；对涂有各种厚度的防腐材料和保温层的工程检澍技术；能自动扫描、自动定位与跟踪检测对象的各种检测机器人；对缺陷的自动识别与计算机模拟技术的探人研究等。其中计算机模拟或仿真技木就是可以不通过制造试件(预埋有各种人工与自然缺陷)获得各种缺陷信号。采用计算机软件方法模拟检测过程。要对检测系大学 届毕业设计说明书第 11 页 共 43 页统的结构与缺路参数建立准确的数学模型比较困难。所以在实际生产中应用还相当少11。在罗马召开的第 15 届世界无损检测会议上，超声检测的发展集中体现在自动化、无耦合技术，特别是复合材料压电换能器和 100MHz 以上超高频换能器等也是研究重点12。目前在若干领域超声检测开始向超声无损评价发展，使得超声检测内容有了新的内涵。如超声波应力与残余应力测量技术、超声显微镜技术及超声层析成像技术等 13。2 总体技术方案设计2.1 解决问题的初步方案2.1.1 课题具体阐述本课题主要研究一套可供企业检测适用的药筒直焊缝超声自动检测装置。其筒体是焊接而成的。在焊接处，焊接后形成46 mm宽的焊缝，且内表面有起伏，不规则。在炮弹发射时，药筒内压力很大，焊缝中的疵病可能导致严重的后果。军方要求对焊缝百分之百的检验。焊缝中主要会出现气孔、横裂纹、焊偏等缺陷。超声波检测是无损检测领域中应用和研究最活跃的方法之一，基于焊缝的超声波检测技术在过去的研究中已经取得了初步的成果，但是在实际操作中仍然存在有待提高的方面，本次课题研究将主要着眼于仪器和探头性能、检测精密度及焊缝缺陷扫查的准确率，在已有超声自动检测装置的基础上进一步改进水浸法超声自动检测直焊缝的装置。本课题设计要求能实现药筒直焊缝相对于探头沿下母线方向的扫描运动，超声的耦合采用水浸耦合方式。技术要求： 根据产品线设计要求（1）年生产任务 6 万件（2）年有效工作天数为 250 天（3）每班有效工作小时为 6 小时设计检测系统节拍为：每班产品量60000/250 240 件，每小时生产产品为240/6=40 件，则每个产品生产时间3600/4090 秒大学 届毕业设计说明书第 12 页 共 43 页为此设计系统的检测速度为：90 秒/件。设每件产品的辅助检测时间为：30 秒，直焊缝最大长度为：600mm，则每秒检测速度为 20mm/秒。被检工件：图 2.1 被检工件运动方式：探头沿焊缝方向平动耦合方式：水浸耦合，要考虑防锈问题。2.1.2 总体初步技术方案（主要为运动方案方面的选择）方案一：大学 届毕业设计说明书第 13 页 共 43 页图 2.2 机械系统结构图图 2.3 机械手运动模型机械系统是运动控制的载体，操纵探头运动和工件装夹固定的执行机构。设计机械结构系统时主要考虑两个问题 14：1）探头与工件装夹固定牢固2）各导轨精度高运动平稳。本课题中机械系统主要由机械手（装有探头夹持器） 、运动导轨、工作台以及水槽等四部分组成，上图 1 是该机械系统的结构简图。1）.机械手：机械手是装夹探头、实现探头自动扫描运动的直接执行机构，机械手上装有探头夹持器，它可分别绕 Z 向和 Y 向手动 360转动。要实现焊缝的超声自动扫描检测，需要有水平方向(X、Y)、垂直方向(Z)及工件回转方向角度四个自由度。其中机械手有 x、Y 和 z 三个方向的自由度，其运动模型如图所示，可以实现水平面、铅垂面的平面弓字形扫查、平面回字形扫查，加上工件的回转运动，可以实现圆盘类工件的大学 届毕业设计说明书第 14 页 共 43 页平面圆环扫查、圆柱体的母线扫查等。机械手的自动扫查运动是通过伺服电机来驱动的。2).导轨：本系统中。探头有x、Y 、z三个自由度，因此设计有x、Y、z 三个方向的探头运动导轨，其中x、Y向为探头水平运动方向，z向为铅直运动方向。本系统采用了铝合金外框的直线运动导轨，通过高精度的滚珠丝杠传动 15。3)工作台：工作台是实现工件装夹固定的机构。装夹采用的是三爪式的夹紧机构，由步进电机驱动，对于圆柱形、圆锥形工件具有自动对中夹紧功能。4).水槽：超声自动检测装置采用的是水浸法，因此水槽是本系统的必备部分为了在检测工作中方便观察，本系统水槽设计时四面采用钢化玻璃。方案二：图 2.4 总体运动方案简图一本方案相对于方案一简单明了，制作简单，操作方便，只需要放在水箱里的探头固定在水箱里沿着 X 方向一个自由度移动即可实现检测，此方案药筒只需部分放置于水箱中，此方案明显优于方案一。2.1.3 宜采用的设计方法方案二为最佳方案焊缝超声正交扫描检测法：疵病有点状和线状两种。通过对药筒及环焊缝的具体分析，从两个方向对焊缝进行正交检测，这样不易漏检，也可根据两个方向获得的信息对缺陷进行定性分析。三个探头装在一个探头架上，全部采用水浸聚焦探头。整个探头和药筒被测部分浸在水中发射探头 1，发射的纵波在水中传播斜入射到药筒筒体，在钢板中产生板波。板波大学 届毕业设计说明书第 15 页 共 43 页沿垂直于焊缝的方向传播，在传播的同时部分能量以纵波的形式向水中辐射，穿过焊缝的板波到达某一点时，其辐射的纵波能量被探头 2 接收。当板波声束穿过的焊缝处有气孔或焊偏缺陷时，探头 2 接收到的信号变小 16。探头 3 发射的纵波斜入射到焊缝上，在焊缝中产生表面波，沿焊缝方向传播，当在焊道上距入射点一定距离内有横裂纹、气孔等缺陷时，表面波沿焊缝方向反射，反射回波的部分能量以纵波的形式向水中辐射，被探头 3 接收形成缺陷反射回波信号(无疵病时，信号幅度为零)。通过对两组探头信号的处理与综合分析，可得出焊道上被测点的焊接情况。这就是检测的基本原理和方法 17。根据检测方案，检测系统应具有以下功能：1）两组探头对同一点先后检测，并把各自的回波信号进行处理；2）提取回波信号的主要特征以便分析判断；3）为了获得整个焊道的信息，药筒和探头必须有相对运动，使系统对整个直焊缝都能检测到；4）整个系统由微机进行控制和数据处理。根据检测到的数据自动做出结论；5）遇到不合格的药筒报警，并能在不合格的位置自动打标记，以便操作人员进行X 射线检验核对本课题最终结果不做出实物，完全借助计算机辅助设计软件 Pro/E,solidworks 等构造出装置的模型，并实现其运动学和动力学的仿真。2.2 主传动系统方案采用步进电机驱动滚珠滚珠丝杠转动，步进电机和滚珠丝杠间采用联轴器连接。为装置的主传动系统。2.3 进给系统方案滚珠丝杠转动带动水箱左右移动。2.4 待测工件在工作台上的定位和夹紧依靠支撑杆 1 和支撑杆 2 的设计，以及轴向定位件的设计使得药筒定位准确。大学 届毕业设计说明书第 16 页 共 43 页3 主传动部分的设计3.1 电动机的选择转动惯量的计算为使执行部件具有快速响应能力，必须选用加速能力大的电动机，亦即能够快速响应的电机（如采用大惯量的伺服电机） ，但又不能盲目追求大惯量，否则由于不能充分发挥其加速能力，会影响其经济性。因此，必须使电机惯量与进给负载惯量有个合理的匹配 18。通常在电动机惯量 JM 与负载惯量 JL（折算至电动机轴）或者总惯量 JR 之间，推荐下列匹配关系：14LMJ或 0.5.8L或 .2.rJ步进电机应用中的注意点:1)步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过 1000 转，（0.9 度时 6666PPS)，最好在 1000-3000PPS(0.9 度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机功率大、效率高。 2)步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 3)由于历史原因，只有标称为 12V 电压的电机使用 12V 外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG 采用直流 24V-36V，86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V），当然 12 伏的电压除 12V 恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。4)转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5)电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。 大学 届毕业设计说明书第 17 页 共 43 页6)高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用 5 相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。 7)电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。 8)电机在 600PPS（0.9 度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。 9）应遵循先选电机后选驱动的原则。3.1.1 选择电动机的类型和结构选择电机时可以选择两种电机：步进电机和伺服电机。步进电机和交流伺服电机性能比较： 19步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 1）控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为 0.72 、0.36 。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为 0.09；德国百格拉公司（ BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8、0.9 、0.72、0.36、0.18 、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为 360/10000=0.036。对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收 217=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360/131072=9.89 秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的 1/655。 2）低频特性不同 大学 届毕业设计说明书第 18 页 共 43 页步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等20 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 3）矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300600RPM 。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。4）过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 5）运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6）速度响应性能不同 大学 届毕业设计说明书第 19 页 共 43 页步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA 400W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。 考虑到本装置的要求不高，综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用步进电机比较合适 213.1.2 步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1）步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相电机）、0.9 度/1.8 度（二、四相电机）、1.5 度/3 度 （三相电机）等。2）静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载 22一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 2-3 倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）3）电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）4）力矩与功率换算大学 届毕业设计说明书第 20 页 共 43 页步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P= M=2n/60P=2nM/60其 P 为功率单位为瓦， 为每秒角速度，单位为弧度，n 为每分钟转速，M 为力矩单位为牛顿米P=2fM/400(半步工作）其中 f 为每秒脉冲数（简称 PPS)3.1.3 步进电机的确定脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离（输入一个指令脉冲工作台移动 0.01 毫米）初选之相步进电动机的步距角 0.75/1.5，当三相六拍运行时，步距角其每转的脉冲数步进电动机与滚珠丝杆间的传动比 ii=2.03匀速运行，非精确计算可以套用以下公式：Ta=（FaI） /（23.14n1） 式中 Ta：驱动扭矩 kgf.mm； Fa：轴向负载 N（Fa=F+mg， F：丝杠的轴向切削力 N，：导向件的综合摩擦系数，m：移动物体重量(工作台+ 工件)kg，g:9.8 ）； I：丝杠导程 10mm； n1：进给丝杠的正效率。工况：水平使用，伺服电机直接驱动，2005 滚珠丝杠传动，25 滚珠直线导轨承重和导向，理想安装，垂直均匀负载 20kg，求电机功率：Fa=F+mg，设综合摩擦系数 =0.1，F=100N （无载荷时阻力）得：大学 届毕业设计说明书第 21 页 共 43 页Fa=0.1209.8+100=119.6N；Ta=（FaI） /（23.14n1），设 n1=0.94，得 Ta=119.610/5.9032202N.mm=0.21N.M根据这个得数，可以选择电机功率。所选电机为86mm系列大力矩混合式步进电机，具体型号为：SM86120AA表3.1 电机常规参数表表3.2 电机参数表大学 届毕业设计说明书第 22 页 共 43 页图3.1 电机尺寸图3.2 滚珠丝杠的选用图 3.2 滚珠丝杠原理图滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。大学 届毕业设计说明书第 23 页 共 43 页滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点 23 1）与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。 2）高精度的保证 3）微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4）无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使螺母部的刚性增强) 24。 5）高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。3.2.1 轴向负荷的计算 1)（水平往复运动） 螺母及承载重物水平的往复运动，其轴向负荷分析如下： 向左等加速运动：fa1=mg+f+ma 向左等速运动：fa2=mg+f 向左等减速运动：fa3=mg+f-ma 向右等加速运动：fa4=-mg-f-ma 向右等速运动：fa5=-mg-f 向右等减速运动：fa6=-mg-f+ma a=Vmax/t Vmax：为最高速度 大学 届毕业设计说明书第 24 页 共 43 页t：达到最高速度所用时间 m：总质量，指螺母带动的所有物重 ：导轨摩擦系数 f：无负荷时的阻力 由此可得向左等加速运动或向右等加速运动时螺母的载荷最大，但在运动过程中，没有加速运动的情况，只有匀速运动，因此在设计轴向载荷时应该主要参考匀速运动参数值 25 导轨的摩擦系数为 0.01，螺母带动的滑动桌子及固定在上面的水箱总质量不超过50kg，滚珠丝杠无负荷时的阻力 f=100N，则：fa1=mg+f=0.11009.8+100 =198N同理，向右匀速运动时Fa2=-mg-f=-198N3.2.2 丝杠轴容许轴向负荷 因工作台、主轴箱、工件等自重，对丝杠本身产生的压缩负荷，所以必须验算对丝杠挫屈的安全性。如下公式分析：2NEILaPNdrm10324a:安全系数（取 a=0.5)e:弹性系数 i：丝杠轴牙底直径（i=dr4/640n/mm2) dr:丝杠轴牙底直径（dr=丝杠节圆直径-钢珠直径 mm) l：安装间距（丝杠两端安装的相对距离) m、n: 依据丝杠安装的方式而定的系数 支持-支持 m=5.1(n=1) 固定-支持 m=10.2(n=2) 固定-固定 m=20.3(n=4) 固定-自由 m=1.3(n=1/4) P=20.3=414729N大学 届毕业设计说明书第 25 页 共 43 页3.2.3 基本静额定负荷 Co 即丝杠轴向静止的负荷，是丝杠承受丝杠沟槽与钢珠接触点（即螺母与丝杠轴)的永久变形量和钢珠本身的永久变形量的总和达到钢珠直径的 0.01%时的最大的轴向力，此负荷即为基本静额定负荷 26。 3.2.4 基本动额定负荷 ca 动负荷是指一批相同规格的丝杠以相同条件转 10 次，其中 90%的丝杠不会因为疲劳而产生剥离现象。此轴向负荷为动额定负荷 27 3.3 hdl50三坐标加工单元丝杠定位精度 在机床进给精度的误差中，导程精度、进给系统的刚性是研究的重点，其他像因温升产生的热变形和导引面的组装精度等因素也须加以考虑。 3.4 丝杠热变形的解决办法 丝杠轴因热而伸长变形，会导致定位精度的变化。热变形的多少可以由下列公式计算：Ll其中 ：热变形量：热膨胀系数：丝杠轴的平均升温L：丝杠的全长上式可以解释为 1000mm 长的丝杠在每升 1就会有产生 12m的伸长量。因此即使丝杠轴的导程经过高精度的加工，也会因温升产生的变形而无法满足高精度的定位要求。另外丝杠的运转速度越高，则平均温升也相对提高，热变形也就越大。因此必须想出办法解决此问题，如下有三种解决的方案 28： 1)控制发热量： a：选择适当的预压力。 b：选择正确且适量的润滑剂。 c：加大滚珠丝杠的导程、降低转数。 2)施加强制冷却 大学 届毕业设计说明书第 26 页 共 43 页a：采用中空丝杠，利用冷却液通入，将产生的热量带走。 b：丝杠轴外缘以润滑油或空气冷却。 3)避免温升的影响： a：求出累积导程误差的目标值取负值补正。 b：待机床高速运转温升后，再使用。 c：丝杠安装时施加预拉力。 d：使用光栅尺进行误差补偿；采用闭环控制系统。 丝杠热变形的具体计算 根据轴承的负荷能力，累计导程的目标温升 3 =12 3600=0.022（mm ）Ll610=20029N4drEKF2S3.5 丝杠的寿命 丝杠在正常使用状态下，在经过一段时间后会因为各种原因恶化而无法使用，这段时间就是它的寿命。一般分为两种 29： a疲劳寿命：即发生剥离现象时。b精度寿命：因磨损而使精度恶化时。 3.5.1寿命的计算 疲劳寿命有三种表达形式： a：总回转数 b：总运转时间 c：总行程 6610,10FCLlLnLfwst 长的寿命会使选择的丝杠的尺寸太大，造成不经济的结果，因此大部分都会选择在 10000 小时到 20000 小时。大学 届毕业设计说明书第 27 页 共 43 页图 3.3 滚珠丝杠螺杆大学 届毕业设计说明书第 28 页 共 43 页4 进给传动部分设计4.1 导轨的选用4.1.1 导轨的功用和分类导轨的功用是导向和承载。在导轨副中，运动的一方叫动导轨，不动的一方叫做支撑导轨 30按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。按运动性质可分为主运动导轨、进给运动导轨和移置导轨。按受力状况可分为开式导轨和闭式导轨。4.1.2 导轨应满足的要求1）导向精度 可分为几何精度和接触精度2）精确保持性3）低速运动平稳性4）结构简单，工艺性好4.2 导轨的材料1)铸铁铸铁是一种成本低，有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和切削加工的金属材料。在动导轨和支撑导轨中都有应用 31灰铸铁 应用最多的是 HT200，在润滑与防护较好的条件下有一定的耐磨性。铸铁铸铁的导轨摩擦副适用于：需要手工刮研的导轨；对加工精度保持性要求不高的次要导轨；不经常工作的导轨，其中包括移置导轨等。孕育铸铁 孕育铸铁的耐磨性比灰铸铁高牌号为 HT300。这种铸铁在车床、铣床、磨床上都有应用。耐磨铸铁 耐磨铸铁中的合金元素有细化石墨和促进基体珠光体化的作用。具有力学性能好、耐磨性比孕育铸铁高 1.52 倍、铸铁质量容易控制等优点，但成本较高，多用于精密机床，如坐标镗床和螺纹磨床等。大学 届毕业设计说明书第 29 页 共 43 页铸铁导轨的淬火 采用淬火的方法提高铸铁导轨表面的硬度，可以增强抗磨料磨损、粘着磨损的能力，防止划伤与撕伤，提高导轨的耐磨性。2)钢采用淬火钢或氮化钢的镶钢支撑导轨，可大幅度提高导轨的耐磨性。多用于数控机床的加工中心上 323)有色金属多用于重型机床的动导轨上，与铸铁的支撑导轨相搭配。4）塑料5）导轨副材料的选用在导轨副中，为了提高耐磨性和防止咬焊，动导轨和支撑导轨赢分别采用不同的材料。如果采用相同的材料，也应采用不同的热处理使双方具有不同的硬度。目前在滑动导轨副中，应用较多的是动导轨采用镶装氟塑料导轨软带，支撑导轨采用淬火钢或淬火铸铁；其次是动导轨采用不淬火铸铁，支撑导轨采用淬火钢或淬火铸铁。高精度装置，因采用刮研进行导轨的精加工，可采用不淬火的耐磨铸铁导轨副。只有移置导轨或不重要的导轨，才采用不淬火的普通灰铸铁导轨副 33在直线运动导轨中，长导轨用较耐磨的和硬度较高的材料制造。这是因为：（1）长导轨各处使用难以均衡，磨损往往不均匀。不均匀磨损对精度的影响较大。因此，长导轨的耐磨性应高一些。短导轨磨损比较均匀，即使磨损大一些，对加工精度的影响也不大。 （2）减少修理的劳动量，短而软的导轨容易刮研。（3）不能完全防护的导轨都是长导轨。它露在外面，容易被刮伤。4.3 滑动导轨的结构4.3.1 导轨的截面形状及组合直线运动导轨的截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆形，并可互相组合大学 届毕业设计说明书第 30 页 共 43 页图 4.1 导轨的截面形状4.3.2 导轨间隙的调整导轨集合面配合的松紧对机床的工作性能有相当大的影响。配合过紧步进操作费力还会加快磨损；配合过松则将影响配合精度，甚至会产生振动。因此，除灾装配过程中应仔细地调整导轨的间隙外，在使用一段时间后因磨损还需重调。常用镶条和压板来调整导轨的间隙 34。镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧隙，以保导轨面的正常接触。镶条应放在导轨受力较小的一侧。常用的镶条有平镶条和楔形镶条两种图 4.2 导轨间隙的调整压板用于调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。4.4 滑动导轨的验算导轨的主要变形是接触变形，有时也应考虑导轨部分局部变形的影响。导轨的设计，首先初步确定导轨的型式和尺寸，然后进行验算。对于滑动导轨，应验算导轨的压强和压强的范围内部。压强的大小直接影响导轨表面的耐磨性，压强的分布影响磨损的均匀性。通过压强的分布还可以判断是否采用压板，即决定导轨应采用闭式还是