x-ray殘余應力分析系統結構設計畢業設計論文-資料下載頁

【導讀】故本文旨在設計一種四自由度的。力分析儀器的精確定位，以達到高精度測量金屬表面殘余應力的預期效果。柱絲杠副結構實現傳動和一對圓錐滾子軸承實現轉動。確定了系統結構主要尺寸參數，其中著重進行了三向進給傳動系統的設計計算及校核。后期采用Pro/E軟件對此平臺進行外觀造型設計。

　　

【正文】 Z ?? ? （ 2 26) 代入計算得 ZI = 710? mm3 。 2） 行星滾絲杠副彎曲截面系數計算 對于行星滾柱絲杠 ZW = 2/dIZ （ 2 27) 代入 公式 （ 225） 計算結果得 ZW = 410? mm3 。 對于行星滾 柱絲杠上部套筒 ZW =2/2dIZ （ 2 28) 代入 公式 （ 226） 計算結果得 ZW = 510? mm3 。 3） 確定彈性模量 查閱《機械設計手冊》 行星滾柱 絲杠彈性模量 E= 510? 2/mmN ，行星滾柱絲杠上部套筒材料選用 45 號鋼，查閱手冊 E 為 196216GPa，取 E=200 GPa=2 510? 2/mmN 。 4） 彎矩計算 豎直方向所受彎矩如下圖所示， M=800N? 354mm= 510? （ N mm） 。 圖 34 平臺所受彎矩示意圖 5） 正應力計算校核 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 23 對于行星滾柱絲杠 ZWM?max? （ 2 29) 將公式和公式計算結果代入得 max? =4 ?? = N/mm2 = MPa。 對于行星滾柱絲杠上部套筒 由 公式 （ 229） 計算得 ZWM?max? = ?? =6） 撓度計算 行星 滾柱絲杠彎曲撓度計算 EIlMeB 22?? （ 2 30) 由公式 （ 225）、 公式 （ 227） 計算結果 代入得： B? = 65 25 ???? ?? = m? 行星滾柱絲杠上部套筒撓度計算，由于套筒上端采用筋板進行加固，故其加固部分彎曲撓度可忽略不計。未加固部分彎曲撓度計算 ，將公式 （ 226） 、公式 （ 228） 計算結果代入公式 （ 230） 得 EIlMeB 2 2?? = 75 25 ???? ?? = m? 7） 按彎曲撓度確定行星滾柱絲杠的規格 參考瑞士 ROLLVIS 公司行星滾柱絲杠尺寸規格，選取行星滾柱絲杠尺寸 D? P 為70? 6。 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 24 圖 35 RV 行星滾柱絲杠尺寸規格圖 行星滾柱絲杠傳動的設計 1） 確定當量轉速與當量載荷 （ 1） 當量轉速計算 快速進給方式下，絲杠轉速 由公式 （ 22） 知 hii Pvn? 式中： in —— 絲杠轉速 ， r/min， i= ； iv —— 進給速度 ， m/min， i= ； ① 1v =，工作時間百分比為 70% ② 2v =,代入得 n2 =10 r/min，工作時間百分比為 30% 當量轉速 由公式 （ 23） 知 nm =n1 1001t +n2 1002t 式中： nm —— 當量轉速 ， r/min； t1 、 t2 —— 工作時間百分比 ； 代入得 nm =100? +10? =73 r/min。 （ 2）當量載荷計算 平臺進給過程中，滾珠絲杠所受載荷基本不變， GFm? （ 2 31) 式中： G—— 平臺重量 ， N； 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 25 已知 G=1200N， 代入得 Fm =1200N。 2） 確定 行星滾柱 絲杠副預緊力 由于行星滾柱絲杠對每個時間段都需要零齒隙，預緊力應該按照最大的載荷力計算： maxFFv ? （ 2 32) 式中： maxF —— 最大軸向工作載荷 ； 其中 maxF =1200N， 則 vF =1200N。 3）確定 行星滾柱 絲杠副支承用的軸承代號、規格 （ 1） 軸承所承受的最大軸向載荷 m a xm a x FFF tB ?? =18326+1200=19526N （ 2） 軸承類型 采用一端固定一端自由的支承形式， 選背對背 60176。角接觸推力球軸 承 。 （ 3） 軸承內徑 d 略小于 md2 =， 查閱《機械設計手冊》取 d=65mm。 （ 4）軸承預緊力 由公式 （ 212） max31 BBP FF ? 代入得 BPF =6509N。 （ 5）按樣本選軸承型號規格 當 d=65mm 預加 載 荷 ? BPF 時，查閱《機械設計手冊》選用 7013C/DB軸承，預加載荷為 6600N? BPF =6509N 4) 行星滾柱 絲杠副工作圖設計 見附表 5） 螺母負載計算 主動側半螺母， 因為 Fn ? vF ，故 Fnv （ 1） = Fv + （ 2 33) 由 vn FF? =1200N，代入計算得： Fnv （ 1） =1980N。 從動側半螺母，因為 Fn ? vF ，故 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 26 Fnv （ 2） = Fv （ 2 34) 由 vn FF? =1200N，代入計算得： Fnv （ 2） =780N。 6） 行星滾柱絲杠副壽命計算 我們需要首先計算每半個螺母的預期壽命 )1(10L 、 )2(10L ,也就是得分別計算每半個螺母每時間段載荷和預緊載荷的合成載荷，再分別計算半螺母的平均載荷 。 6310 10)1()1( ?????????? maF CL （ 2 35) 已知 C=， )1(maF =1980N， 代入計算得 ： )1(10L =? 1012 （轉數） 。 6310 10)2()2( ?????????? maF CL （ 2 36) 同理代入 C=， )2(maF =780N， 計算得 ： )2(10L =? 1011 （轉數） 。 螺母總壽命 ? ? 10/99/10109/101010 )2()1( ??? ?? LLL （ 2 37) 代入公式（ 235）、公式（ 236）計算結果得： 10L =? 1011 （轉數 ） 。 rn fLL ?? 10 （轉數） （ 2 38) 表 36 可靠性系數 rf 可靠性 % 90 95 96 97 98 99 cf 1 要求 可靠性 95%，由表 （ 36） 選取 rf = ，依 據上式計算 得：rn fLL ?? 10 =? 1011 ? =? 10 10 （轉數） 。 hnL = 6073 10?? =2 710? （小時） 行星滾柱絲杠的校核 1） 剛度計算 （ 1）螺母剛度計算 3/1nkmme FffC ??? （ 2 39) 依據下表選取 mf =，剛度系數 kf =，軸向力 nF 按照標準預緊力計算，即：nF = vF =3396N。 表 37 螺母剛度修正系數 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 27 單螺母 預緊螺母 雙螺母 mf 1 代入上式計算得 meC =? 。 （ 2）行星滾柱絲杠剛度計算 絲杠剛度 SC 有下列簡單公式計算 LdCS20xx4 ?? （ 2 40) 已知 0d =70mm， L=600mm，代入計算的 SC =1339 N/ m? 。 （ 3）在轉速為 0 時允許彎矩 knzulF knzulF =2 Ldfkn ??? （ 2 41) 根據安裝方式不同 由圖 （ 36） 選取 knf =。 圖 36 不同支承方式下的修正系數 又已知 0d =70mm， L=600mm，代入計算得 knzulF =1355KN。 (4) 支承軸承剛度 ① 預緊軸承的剛度 3 5m a x20 s ?aQB FZdK ??? （ 2 42) 式中： 0BK —— 預緊軸承的剛度 ， N/ m? ； Qd —— 滾珠直徑 ， mm； Z —— 滾珠數 ； maxaF —— 最大軸向工作載荷 ， N； ? —— 軸承接觸角 ； 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 28 查閱《機械設計手冊》后，設計 Qd =， Z =20， 又已知 maxaF =19526N ? =60176。， 代入計算得 3 320 60s in1 9 5 2 ??????BK =1608 N/ m? 。 ② 支承軸承組合剛度 對于一端固定一段自由形式 ， 軸承組合剛度 bK = 0BK =1608 N/ m? 。 2） 剛度驗算及精度選擇 （ 1） 行星滾柱絲杠的整體剛度 RCCC Smeges 1111 ??? （ 2 43) 代入計算得 gesC = N/ m? 。 （ 2）確定精度 pV300 )300( mmm ???? 定位精度 式中： pV300 —— 任意 300mm內的行程變動量 （ 對半閉環系統言 ） ； 已知 定位精度為 30 m? /300mm， 計算得 pV300 ? 24 m? 。 表 38 行星滾柱絲杠精度等級標準 精度等級 C1 導程誤差 G1 6 m? /300mm G3 12 m? /300mm G5 23 m? /300mm G9 200 m? /1000mm 行星滾柱絲杠精度等級 參考表 （ 38） 選取 G5。 （ 3） 確定滾珠絲杠副的規格代號 已確定的型號： RV 70? 6 公稱直徑： 70 導程： 6 螺紋長度： 500 絲杠全長： 630 精度等級： G5 級精度 3 ) 驗算臨界轉速 臨界轉速也為危險轉速，是指 在高速運轉的條件下 絲杠 在不產生共振所能達到的最高轉速 。 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 29 RV系列： nd?0 ? 140000 （ 2 44) 已知 0d =70mm， maxn =100 r/min，代入計算得 ： nd?0 =7000? 140000 絲杠的臨界轉速 206 1101 0 8 Ldn kr ??? （ 2 45) 已知 0d =70mm， L=500mm，代入計算得 krn =21000 r/min。 考慮不同的支撐方式所允許的極限轉速 krkrkrzul fnn ??? （ 2 46) 根據支承方式不同，選取 krf =，計算得 krzuln =5376 r/min。 圖 37 不同支承方式下的修正系數 行星滾柱絲杠相關參數的確定 1） 行星滾柱絲杠的參數 計算 從行星滾柱絲杠的基本幾何形狀可知 ,絲杠和螺母的導程相等 : SP = NP （ 2 47) 式中 ： SP —— 絲杠的導程 ； NP —— 螺母的導程 ； 則： SP = NP =6mm。 滾柱和螺母的螺旋升角相等 : R? = N? （ 2 48) 式中 ： R? —— 滾柱的螺旋升角 ； N? —— 螺母的螺旋升角 ； 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 30 組件同心條件 : Nd = Sd +2 Rd （ 2 49) 式中 ： Nd —— 螺母的公稱直徑 ； Sd —— 絲杠的公稱直徑 ； Rd —— 滾柱的公稱直徑 ； 螺母的螺旋升角 : NNN dP?? ?tan （ 2 50) 滾柱的螺旋升角 : RRR dP?? ?tan （ 2 51) 由公式可得到螺旋角和導程之間的關系 : 2??RSRS PPdd （ 2 52) 由 上式 可知 ,對于行星滾柱絲杠，即使絲杠和滾 柱的導程比是確定的，絲杠和滾柱的導程也是可以成比例對應變化的。一般情況下，滾柱為單頭螺紋，在生產應用過程中滾柱的頭數為 5或 6， 此處選用行星滾柱絲杠螺紋頭數為 6， 因此導程比 NS PP/ 是6,絲杠和滾柱的直徑比 RS dd / 是 4。 已知 絲杠的公稱直徑 Sd =70mm，由 RS dd / =4知 Rd =15mm， 由公式 （ 249） 知，Nd =100mm。 2） 滾柱的布置 因為滾 柱 在由主絲杠和外部螺母構成的螺紋槽中進行螺紋傳動 ，故需要滾珠軸向均勻的分布，對于相鄰兩根滾珠之間的間距也有規定。 設相鄰兩滾柱間的夾角為 ? ，轉動 ? 角后 ， 螺母上的螺紋接觸點相對于滾柱的周向位移為 ?? 2/snN 。 其中 ,Nn 為螺母的頭數 ， s 為螺母螺距 。 同樣 ， 絲杠上的螺紋接觸點相對 于滾柱的周向位移為?? 2/snS 。 其中 ,Sn 為絲杠的頭數 。 滾柱圍繞主絲杠均與的分布 ， 生產 應用中滾柱個數 一般 為 8或 10,此處選取滾柱個數為 8， 此時不難計算出 兩個相鄰滾柱 之間的 夾 角 為? /4。 3） 內齒圈和滾柱的端齒輪設計 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 31 在滾柱兩端 加工特殊齒輪 ,其主要目的就是為了辦證絲杠軸線與滾柱軸線完全平行，從而使滾柱和絲杠螺母之間保持良好的線接觸，以滿足傳動需要 ,為了更加直觀方便的了解行星滾柱絲杠副 內部各元 件之間的傳動關系，特 將實體模型簡化為如圖 （ 38）所示： 圖 38 行星滾柱絲杠傳動示意圖 ① 計算 l一 2一 3的傳動關系 ??????????03221?????SNH dd （ 2 53) 可得： 1?? SN SH dd d?? （ 2 54) ② 計算 1一 2一 4一 5的傳動關系 ??????????? ??0521?????RNSRHH ZZdd （ 2 55) 可得： 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 32 1?? RSNR RSH ZdZd Zd ??? （ 2 56) 要使傳動成為可能 ， 須使 HH ?? ?? 。 即： RSNRRSSNS ZdZd Zddd d ??? （ 2 57) 得： RN ZkZ )2( ?? （ 2 58) 式中： 1? 為絲杠的角速度 ， 2? 為滾柱的角速度 ， 3? 為螺毋的角速度 ， 5? 為內齒圈的角速度 ， NZ 為內齒圈的齒數 ， RZ 為滾柱兩端齒輪的齒數 ， k為 RS dd / =4， 滾柱的齒數 RZ 設計為 30，則內齒圈的齒數為 NZ =30? 6=180。 擋板 、 擋圈和圓柱銷 的尺寸 在三維造型過程中根據配合尺寸及經驗選定 。 . 同步帶傳動的設計與計算 1） 設計功率 dP 計算 PKP Ad ? （ 2 59) 式中： AK —— 工況系數 ； P—— 傳動功率 ， KW； 查閱《機械設計手冊》 ，對于四自由度測量平臺 AK 取 ，行星滾柱絲杠的傳動功率 P0 = VF? =，又角接觸軸承的傳動效率為 .，行星滾柱絲杠的傳動效率為 。則同步帶的傳動功率為 ???P = 代入上式計算得 dP =。 2）帶型節距 bP 已知 dP =，小帶輪轉速 n1 =100 r/min，查閱 《機械設計手冊》 選取 L型同步帶，節距 bP =。 3）小帶輪齒數 min1 zz ? （ 2 60) 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 33 帶速 v和安裝尺寸允許時， 1z 盡可能選取較大值 。 對于 L型同步帶，當轉速 900 r/min 時， 12min ?z ， 選取 1z =30。 4）小帶輪節圓直徑 1d ?11 zpd b? （ 2 61) 已知 bP =， 1z =30，代入計算得 1d =。同步帶輪的型號為 30L。 5）計算帶速 v m