藥筒直焊縫自動(dòng)檢測(cè)裝置數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)

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大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 1 頁(yè) 共 43 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 2 頁(yè) 共 43 頁(yè)藥筒直焊縫自動(dòng)檢測(cè)裝置數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)摘要：本課題主要研究一套可供企業(yè)檢測(cè)適用的藥筒直焊縫超聲自動(dòng)檢測(cè)裝置。其筒體是焊接而成的。在焊接處，焊接后形成 4～6 mm 寬的焊縫，且內(nèi)表面有起伏，不規(guī)則。在炮彈發(fā)射時(shí)，藥筒內(nèi)壓力很大，焊縫中的疵病可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。軍方要求對(duì)焊縫百分之百的檢驗(yàn)。焊縫中主要會(huì)出現(xiàn)氣孔、橫裂紋、焊偏等缺陷。為了適應(yīng)生產(chǎn)線批量生產(chǎn)自動(dòng)檢測(cè)的要求，結(jié)合成本等因素，采用藥筒直焊縫相對(duì)于探頭沿下母線方向的掃描運(yùn)動(dòng)，超聲的耦合采用水浸耦合方式。所設(shè)計(jì)的裝置要求成本低，操作方便，安全可靠，檢測(cè)精度高，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，在同類產(chǎn)品中有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：焊縫，超聲，檢測(cè)，自動(dòng) 大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 3 頁(yè) 共 43 頁(yè)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目錄1 緒論 11.1 本課題的概述與簡(jiǎn)介 11.2 本課題研究的背景及意義 .31.3 超聲檢測(cè)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) .42 總體技術(shù)方案設(shè)計(jì) .62.1 解決問(wèn)題的初步方案 .62.1.1 課題具體闡述 .62.1.2 總體初步技術(shù)方案 .72.1.3 宜采用的設(shè)計(jì)方法 .92.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)方案 112.3 進(jìn)給系統(tǒng)方案 112.4 待測(cè)工件在工作臺(tái)上的定位和夾緊 113 主傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 113.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 .11大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 4 頁(yè) 共 43 頁(yè)3.1.1 選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu) 123.1.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 143.1.3 步進(jìn)電機(jī)的確定 153.2 滾珠絲杠的選用 183.2.1 軸向負(fù)荷的計(jì)算 193.2.3 基本靜額定負(fù)荷 Co .213.2.4 基本動(dòng)額定負(fù)荷 ca .213.3 hdl50 三坐標(biāo)加工單元絲杠定位精度 213.4 絲杠熱變形的解決辦法 213.5 絲杠的壽命 234 進(jìn)給傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) .244.1 導(dǎo)軌的選用 244.1.1 導(dǎo)軌的功用和分類 244.1.2 導(dǎo)軌應(yīng)滿足的要求 244.2 導(dǎo)軌的材料 244.3 滑動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu) 254.3.1 導(dǎo)軌的截面形狀及組合 254.3.2 導(dǎo)軌間隙的調(diào)整 264.4 滑動(dòng)導(dǎo)軌的驗(yàn)算 264.5 導(dǎo)軌的許用壓強(qiáng) 274.6 導(dǎo)軌的潤(rùn)滑與防護(hù) 274.7 提高導(dǎo)軌耐磨性的措施 285 裝置和具體零部件的設(shè)計(jì) 285.1 裝置的框架 295.2 水箱及探頭的定位 305.3 絲杠軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 305.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與減速器之間的聯(lián)軸器 315.5 藥筒的定位 33大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 5 頁(yè) 共 43 頁(yè)5.5.1 支撐桿 1 335.5.2 支撐桿 2 345.5.3 藥筒軸向定位件 346 外包裝箱體的設(shè)計(jì) 35結(jié)論 .36參考文獻(xiàn) .37致 謝 .401 緒論1.1 本課題的概述與簡(jiǎn)介藥筒是炮彈的重要組成部分，它的出現(xiàn)和應(yīng)用，為武器的發(fā)展提供了必要的條件，使火炮實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)裝填及連發(fā)射擊，從而大幅度地提高了火炮的射速，增強(qiáng)了火炮的威力。鑒于本課題主要研究藥筒直焊縫的超聲自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)，故只對(duì)其中的整體式藥筒和裝配式藥筒做簡(jiǎn)要介紹 [1]：整體式藥筒分為：1) 整體引伸藥筒 2) 焊接藥筒 筒體采用低碳薄鋼板卷制，再經(jīng)焊接而成。由于選用的材料規(guī)格和所采用的工藝不同，筒體焊縫有直焊縫和螺旋焊縫兩種。筒底采用中碳鋼鍛制的毛胚，經(jīng)輔助加工后，將筒體與筒底半制品焊接成一體，得到焊接藥筒的半制品。如圖 1 所示：大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 6 頁(yè) 共 43 頁(yè)圖 1 焊接藥筒 1—筒體 2—筒底裝配式藥筒的幾種典型結(jié)構(gòu)包括：1) 卷筒式藥筒 其筒體由低碳薄鋼板卷制而成，并由壓緊環(huán)壓緊在筒體上。筒體底部由兩層薄鋼板卷成，以防止火藥氣體對(duì)炮閂的破壞，由于消耗材料比較多，所以藥筒比較重。2) 焊筒式藥筒 筒體沿縱縫焊接，為了加強(qiáng)筒體的底部強(qiáng)度，以及防止高溫高壓的火藥氣體從筒體與筒底的接縫處泄出，在筒體內(nèi)還裝有密封用的襯墊和開有縱向缺口的套筒。如圖 2 所示大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 7 頁(yè) 共 43 頁(yè)圖 2 焊筒式藥筒1—筒體 2—套筒 3—壓緊螺母 4—襯墊 5—筒底3) 整筒式藥筒 筒體為一整體，由緊固件與筒底連接而成。超聲檢測(cè)是五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一，與其它常規(guī)技術(shù)相比，它具有被測(cè)對(duì)象范圍廣、檢測(cè)深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、檢測(cè)靈敏度高、成本低、使用方便、速度快、對(duì)人體無(wú)傷害及便于現(xiàn)場(chǎng)使用等優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻度最高且發(fā)展較快的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù) [2]。縱覽眾多的無(wú)損檢測(cè)方法，超聲無(wú)損檢測(cè)浸液法以其波穩(wěn)定、探頭不易磨損（即非接觸測(cè)量）、對(duì)工作表面質(zhì)量無(wú)嚴(yán)格要求和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化而受到肯定和廣泛接納 [3]。標(biāo)準(zhǔn)超聲檢測(cè)技術(shù)的當(dāng)今趨勢(shì)是使現(xiàn)有的方法精化，并進(jìn)一步發(fā)展各種自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，后一項(xiàng)任務(wù)包括檢測(cè)工作自動(dòng)評(píng)價(jià)技術(shù)的改進(jìn)，以及努力將由于這種活那種原因至今仍然只能手工方式操作的檢測(cè)方法自動(dòng)化 [4]。隨著電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展日趨先進(jìn)，涌現(xiàn)出一下幾種最前沿的檢測(cè)技術(shù) [5]：1） 超聲導(dǎo)波技術(shù)2）聲發(fā)射新技術(shù)大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 8 頁(yè) 共 43 頁(yè)3）新型非接觸超聲換能方法4）另外，還有諸多新的技術(shù)也應(yīng)用在了超聲無(wú)損檢測(cè)上：人工智能技術(shù)如專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；自適應(yīng)技術(shù)；機(jī)器人技術(shù)；相關(guān)技術(shù)等。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明超聲檢測(cè)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的突出貢獻(xiàn)與重要地位，所以超聲檢測(cè)一直以來(lái)都是研究的熱點(diǎn)。隨著電子學(xué)的和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用人工智能技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、相關(guān)技術(shù)、信息融合技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造等技術(shù)與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形面復(fù)合構(gòu)件的超聲掃描成像檢測(cè)，是近年來(lái)國(guó)外復(fù)合材料構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域研究的前沿課題 [6]。1.2 本課題研究的背景及意義由于大口徑自行火炮用藥筒的技術(shù)要求高，設(shè)計(jì)難度大，使藥筒的使用環(huán)境更為惡劣，以至于西方國(guó)家另辟溪徑尋找藥包替代藥筒，但是這種方式又給火炮的密封等諸多環(huán)節(jié)帶來(lái)了難以克服的技術(shù)難題，致使火炮發(fā)展舉步艱難。由于我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)薄弱，在火炮的密封技術(shù)上，關(guān)鍵密封件難以達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命要求，同時(shí)傳統(tǒng)的引伸藥筒的制造技術(shù)難以達(dá)到火炮對(duì)藥筒的技術(shù)要求而止步。一段時(shí)期使系統(tǒng)研究陷于停滯狀態(tài)，制約了系統(tǒng)的研制，影響了系統(tǒng)的總體進(jìn)度。經(jīng)過(guò)幾年的方案論證和試驗(yàn)，最終又以焊接鋼質(zhì)藥筒取代了藥包的裝填方案。 焊接鋼質(zhì)藥筒作為現(xiàn)代炮彈藥筒家族中的重要組成之一，由于其在制造上的優(yōu)良特點(diǎn)：焊接鋼質(zhì)藥筒是一種不需要大型的壓力設(shè)備，制作工藝比較簡(jiǎn)單的鋼質(zhì)藥筒，成本低，效益好，最適宜大中口徑高膛壓火炮的彈藥的應(yīng)用 [7]。焊接鋼質(zhì)藥筒是國(guó)營(yíng)753廠研制定型的火炮藥筒。其筒底和筒體是由環(huán)焊機(jī)焊接而成的。在焊接處，筒底厚度為2.6 mm，筒體厚度1.6 mm，焊接后形成4～6 mm寬的環(huán)形焊縫，且內(nèi)表面有起伏，不規(guī)則。在炮彈發(fā)射時(shí)，藥筒內(nèi)壓力很大，焊縫中的疵病可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。軍方要求對(duì)焊縫百分之百的檢驗(yàn)。焊縫中主要會(huì)出現(xiàn)氣孔、橫裂紋、大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 9 頁(yè) 共 43 頁(yè)焊偏等缺陷。在過(guò)去，面對(duì)這樣的問(wèn)題我國(guó)工作人員只能通過(guò)抽樣檢測(cè)的方法，將炮筒沿焊縫鋸開來(lái)檢查炮筒是否符合，這種檢測(cè)方法效率低，同時(shí)還有很大的可能漏檢。因此，我們需要一種高效，高質(zhì)的焊縫檢測(cè)裝置，來(lái)保證我們的生產(chǎn)要求。為了適應(yīng)生產(chǎn)線批量生產(chǎn)自動(dòng)檢測(cè)的要求，結(jié)合成本等因素，采用水浸超聲自動(dòng)檢測(cè)方法 [8]。1.3 超聲檢測(cè)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀：我國(guó)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是從無(wú)到有，從低級(jí)階段逐漸發(fā)展到應(yīng)用普及的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測(cè)儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化。五十年代，我國(guó)開始從國(guó)外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國(guó)的 UCT-2 超聲波檢測(cè)儀，重達(dá) 24Kg，各單位積極開展試驗(yàn)研究工作，在一些工程檢測(cè)中取得了較好的效果。五十年代末六十年代初，國(guó)內(nèi)科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。隨后，上海同濟(jì)大學(xué)研制出 CTS-10 型非金屬超聲檢測(cè)儀，也是電子管式，儀器重約 20Kg。該儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。但當(dāng)時(shí)這種儀器只有個(gè)別科研單位使用，建工部門使用不多。直至七十年代中期，因無(wú)損檢測(cè)技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，未推廣普及，所以儀器沒有多大發(fā)展，仍使用電子管式的 UCT-2，CTS-10 型儀器。1976 年，國(guó)家建委科技司主持召開全國(guó)建筑工程檢測(cè)技術(shù)交流會(huì)后，國(guó)家建委將混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，組織全國(guó) 6 個(gè)單位協(xié)作攻關(guān)。從此，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)開始進(jìn)入有計(jì)劃，有目的的研究階段。1978 年 10 月，中國(guó)建筑科學(xué)院研制出 JC-2 型便攜式超聲波檢測(cè)儀。該儀器采用 TTL 線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為 5Kg。同期研制出的超聲檢測(cè)儀器還有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超聲波檢測(cè)儀。從此，我國(guó)有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器。超聲檢測(cè)系統(tǒng)的國(guó)外研究現(xiàn)狀：國(guó)際上超聲檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)字化逐漸成為超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前，國(guó)際上超聲檢測(cè)系統(tǒng)正朝著系統(tǒng)化、智能化、小型化的方向發(fā)展，國(guó)外一些生產(chǎn)和研究超聲波檢測(cè)儀器的公司已經(jīng)在這方面走上了前列，其中以德國(guó)的 KrautKramer 公司、英國(guó)的聲納公司，美國(guó)的泛美公司和通用公司、加拿大 R/DTECH 公司的產(chǎn)品最具代表性，上述這些公司生產(chǎn)的超生檢測(cè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、分析和成像處理方面的技術(shù)水平較高，大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 10 頁(yè) 共 43 頁(yè)在世界上處于領(lǐng)先水平。德國(guó) KrautKramer 公司生產(chǎn)的 USM35XDAC 超聲波探傷儀，探頭頻率在0.2MHZ~20MH 內(nèi)連續(xù)可調(diào)，采樣頻率高達(dá) 100MHZ，檢測(cè)精度可至 0.5mm,增益范圍為0~110dB,采用 A 掃描方式，并具有彩色顯示功能。此外，國(guó)外一些超聲波檢測(cè)儀器研發(fā)公司還利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論克服了檢測(cè)過(guò)程中需要耦合劑和換能器接近被檢材料這一限制條件，如英國(guó)聲納公司的超聲波管道機(jī)器人探測(cè)器可自動(dòng)調(diào)節(jié)位置和角度，使超聲波探頭始終處于良好的耦合狀態(tài)；意大利航空公司提出的超聲波自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制可將換能器置于任意形狀結(jié)構(gòu)件需要檢測(cè)的位置，這些儀器的發(fā)明和問(wèn)世擴(kuò)大了超生檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域，使超聲檢測(cè)方法在更多行業(yè)等到推廣 [9]。超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì):1) 向高精度、高分辨率方向發(fā)展；2) 高溫條件下的測(cè)量明顯增多，在線檢測(cè)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)增多；3) 在若干領(lǐng)域向超聲無(wú)損評(píng)價(jià)發(fā)展，使得超聲檢測(cè)內(nèi)容有了新的內(nèi)涵%如超聲檢測(cè)技術(shù)與斷裂力學(xué)相結(jié)合，對(duì)重要構(gòu)件進(jìn)行剩余壽命評(píng)價(jià)，超聲檢測(cè)技術(shù)與材料科學(xué)相結(jié)合、對(duì)材料進(jìn)行物理評(píng)價(jià)；4) 在無(wú)損檢測(cè)方面向定量化、圖像化方向發(fā)展，超聲檢測(cè)系統(tǒng)將進(jìn)一步數(shù)字化、圖像化、自動(dòng)化、智能化；現(xiàn)代信息處理技術(shù)如數(shù)值分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊技術(shù)、遺傳算法、虛擬儀器技術(shù)將廣泛應(yīng)用于超聲檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域 [10]。20世紀(jì)70年代以來(lái)，超聲檢測(cè)的數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化和圖象化成為超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)，標(biāo)志著超聲無(wú)損檢測(cè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。近年來(lái)，隨著傳感技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)B經(jīng)進(jìn)人到以計(jì)算機(jī)控制為主舯信息加工時(shí)代。表現(xiàn)在：生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)督(如對(duì)軋鋼的生產(chǎn)線的監(jiān)控)；對(duì)涂有各種厚度的防腐材料和保溫層的工程檢澍技術(shù)；能自動(dòng)掃描、自動(dòng)定位與跟蹤檢測(cè)對(duì)象的各種檢測(cè)機(jī)器人；對(duì)缺陷的自動(dòng)識(shí)別與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的探人研究等。其中計(jì)算機(jī)模擬或仿真技木就是可以不通過(guò)制造試件(預(yù)埋有各種人工與自然缺陷)．獲得各種缺陷信號(hào)。采用計(jì)算機(jī)軟件方法模擬檢測(cè)過(guò)程。要對(duì)檢測(cè)系大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 11 頁(yè) 共 43 頁(yè)統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與缺路參數(shù)建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型比較困難。所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用還相當(dāng)少[11]。在羅馬召開的第 15 屆世界無(wú)損檢測(cè)會(huì)議上，超聲檢測(cè)的發(fā)展集中體現(xiàn)在自動(dòng)化、無(wú)耦合技術(shù)，特別是復(fù)合材料壓電換能器和 100MHz 以上超高頻換能器等也是研究重點(diǎn)[12]。目前在若干領(lǐng)域超聲檢測(cè)開始向超聲無(wú)損評(píng)價(jià)發(fā)展，使得超聲檢測(cè)內(nèi)容有了新的內(nèi)涵。如超聲波應(yīng)力與殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)、超聲顯微鏡技術(shù)及超聲層析成像技術(shù)等 [13]。2 總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)2.1 解決問(wèn)題的初步方案2.1.1 課題具體闡述本課題主要研究一套可供企業(yè)檢測(cè)適用的藥筒直焊縫超聲自動(dòng)檢測(cè)裝置。其筒體是焊接而成的。在焊接處，焊接后形成4～6 mm寬的焊縫，且內(nèi)表面有起伏，不規(guī)則。在炮彈發(fā)射時(shí)，藥筒內(nèi)壓力很大，焊縫中的疵病可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。軍方要求對(duì)焊縫百分之百的檢驗(yàn)。焊縫中主要會(huì)出現(xiàn)氣孔、橫裂紋、焊偏等缺陷。超聲波檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用和研究最活躍的方法之一，基于焊縫的超聲波檢測(cè)技術(shù)在過(guò)去的研究中已經(jīng)取得了初步的成果，但是在實(shí)際操作中仍然存在有待提高的方面，本次課題研究將主要著眼于儀器和探頭性能、檢測(cè)精密度及焊縫缺陷掃查的準(zhǔn)確率，在已有超聲自動(dòng)檢測(cè)裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)水浸法超聲自動(dòng)檢測(cè)直焊縫的裝置。本課題設(shè)計(jì)要求能實(shí)現(xiàn)藥筒直焊縫相對(duì)于探頭沿下母線方向的掃描運(yùn)動(dòng)，超聲的耦合采用水浸耦合方式。技術(shù)要求： 根據(jù)產(chǎn)品線設(shè)計(jì)要求（1）年生產(chǎn)任務(wù) 6 萬(wàn)件（2）年有效工作天數(shù)為 250 天（3）每班有效工作小時(shí)為 6 小時(shí)設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)節(jié)拍為：每班產(chǎn)品量＝60000/250＝ 240 件，每小時(shí)生產(chǎn)產(chǎn)品為240/6=40 件，則每個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間＝3600/40＝90 秒大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 12 頁(yè) 共 43 頁(yè)為此設(shè)計(jì)系統(tǒng)的檢測(cè)速度為：90 秒/件。設(shè)每件產(chǎn)品的輔助檢測(cè)時(shí)間為：30 秒，直焊縫最大長(zhǎng)度為：600mm，則每秒檢測(cè)速度為 20mm/秒。被檢工件：圖 2.1 被檢工件運(yùn)動(dòng)方式：探頭沿焊縫方向平動(dòng)耦合方式：水浸耦合，要考慮防銹問(wèn)題。2.1.2 總體初步技術(shù)方案（主要為運(yùn)動(dòng)方案方面的選擇）方案一：大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 13 頁(yè) 共 43 頁(yè)圖 2.2 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖 2.3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)模型機(jī)械系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)控制的載體，操縱探頭運(yùn)動(dòng)和工件裝夾固定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時(shí)主要考慮兩個(gè)問(wèn)題 [14]：1）探頭與工件裝夾固定牢固2）各導(dǎo)軌精度高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。本課題中機(jī)械系統(tǒng)主要由機(jī)械手（裝有探頭夾持器） 、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、工作臺(tái)以及水槽等四部分組成，上圖 1 是該機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。1）.機(jī)械手：機(jī)械手是裝夾探頭、實(shí)現(xiàn)探頭自動(dòng)掃描運(yùn)動(dòng)的直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)械手上裝有探頭夾持器，它可分別繞 Z 向和 Y 向手動(dòng) 360°轉(zhuǎn)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)焊縫的超聲自動(dòng)掃描檢測(cè)，需要有水平方向(X、Y)、垂直方向(Z)及工件回轉(zhuǎn)方向角度四個(gè)自由度。其中機(jī)械手有 x、Y 和 z 三個(gè)方向的自由度，其運(yùn)動(dòng)模型如圖所示，可以實(shí)現(xiàn)水平面、鉛垂面的平面弓字形掃查、平面回字形掃查，加上工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)圓盤類工件的大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 14 頁(yè) 共 43 頁(yè)平面圓環(huán)掃查、圓柱體的母線掃查等。機(jī)械手的自動(dòng)掃查運(yùn)動(dòng)是通過(guò)伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的。2).導(dǎo)軌：本系統(tǒng)中。探頭有x、Y 、z三個(gè)自由度，因此設(shè)計(jì)有x、Y、z 三個(gè)方向的探頭運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，其中x、Y向?yàn)樘筋^水平運(yùn)動(dòng)方向，z向?yàn)殂U直運(yùn)動(dòng)方向。本系統(tǒng)采用了鋁合金外框的直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，通過(guò)高精度的滾珠絲杠傳動(dòng) [15]。3)．工作臺(tái)：工作臺(tái)是實(shí)現(xiàn)工件裝夾固定的機(jī)構(gòu)。裝夾采用的是三爪式的夾緊機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)于圓柱形、圓錐形工件具有自動(dòng)對(duì)中夾緊功能。4).水槽：超聲自動(dòng)檢測(cè)裝置采用的是水浸法，因此水槽是本系統(tǒng)的必備部分為了在檢測(cè)工作中方便觀察，本系統(tǒng)水槽設(shè)計(jì)時(shí)四面采用鋼化玻璃。方案二：圖 2.4 總體運(yùn)動(dòng)方案簡(jiǎn)圖一本方案相對(duì)于方案一簡(jiǎn)單明了，制作簡(jiǎn)單，操作方便，只需要放在水箱里的探頭固定在水箱里沿著 X 方向一個(gè)自由度移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，此方案藥筒只需部分放置于水箱中，此方案明顯優(yōu)于方案一。2.1.3 宜采用的設(shè)計(jì)方法方案二為最佳方案焊縫超聲正交掃描檢測(cè)法：疵病有點(diǎn)狀和線狀兩種。通過(guò)對(duì)藥筒及環(huán)焊縫的具體分析，從兩個(gè)方向?qū)缚p進(jìn)行正交檢測(cè)，這樣不易漏檢，也可根據(jù)兩個(gè)方向獲得的信息對(duì)缺陷進(jìn)行定性分析。三個(gè)探頭裝在一個(gè)探頭架上，全部采用水浸聚焦探頭。整個(gè)探頭和藥筒被測(cè)部分浸在水中發(fā)射探頭 1，發(fā)射的縱波在水中傳播斜入射到藥筒筒體，在鋼板中產(chǎn)生板波。板波大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 15 頁(yè) 共 43 頁(yè)沿垂直于焊縫的方向傳播，在傳播的同時(shí)部分能量以縱波的形式向水中輻射，穿過(guò)焊縫的板波到達(dá)某一點(diǎn)時(shí)，其輻射的縱波能量被探頭 2 接收。當(dāng)板波聲束穿過(guò)的焊縫處有氣孔或焊偏缺陷時(shí)，探頭 2 接收到的信號(hào)變小 [16]。探頭 3 發(fā)射的縱波斜入射到焊縫上，在焊縫中產(chǎn)生表面波，沿焊縫方向傳播，當(dāng)在焊道上距入射點(diǎn)一定距離內(nèi)有橫裂紋、氣孔等缺陷時(shí)，表面波沿焊縫方向反射，反射回波的部分能量以縱波的形式向水中輻射，被探頭 3 接收形成缺陷反射回波信號(hào)(無(wú)疵病時(shí)，信號(hào)幅度為零)。通過(guò)對(duì)兩組探頭信號(hào)的處理與綜合分析，可得出焊道上被測(cè)點(diǎn)的焊接情況。這就是檢測(cè)的基本原理和方法 [17]。根據(jù)檢測(cè)方案，檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：1）兩組探頭對(duì)同一點(diǎn)先后檢測(cè)，并把各自的回波信號(hào)進(jìn)行處理；2）提取回波信號(hào)的主要特征以便分析判斷；3）為了獲得整個(gè)焊道的信息，藥筒和探頭必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)對(duì)整個(gè)直焊縫都能檢測(cè)到；4）整個(gè)系統(tǒng)由微機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)自動(dòng)做出結(jié)論；5）遇到不合格的藥筒報(bào)警，并能在不合格的位置自動(dòng)打標(biāo)記，以便操作人員進(jìn)行X 射線檢驗(yàn)核對(duì)本課題最終結(jié)果不做出實(shí)物，完全借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件 Pro/E,solidworks 等構(gòu)造出裝置的模型，并實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的仿真。2.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)方案采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠間采用聯(lián)軸器連接。為裝置的主傳動(dòng)系統(tǒng)。2.3 進(jìn)給系統(tǒng)方案滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)水箱左右移動(dòng)。2.4 待測(cè)工件在工作臺(tái)上的定位和夾緊依靠支撐桿 1 和支撐桿 2 的設(shè)計(jì)，以及軸向定位件的設(shè)計(jì)使得藥筒定位準(zhǔn)確。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 16 頁(yè) 共 43 頁(yè)3 主傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算為使執(zhí)行部件具有快速響應(yīng)能力，必須選用加速能力大的電動(dòng)機(jī)，亦即能夠快速響應(yīng)的電機(jī)（如采用大慣量的伺服電機(jī)） ，但又不能盲目追求大慣量，否則由于不能充分發(fā)揮其加速能力，會(huì)影響其經(jīng)濟(jì)性。因此，必須使電機(jī)慣量與進(jìn)給負(fù)載慣量有個(gè)合理的匹配 [18]。通常在電動(dòng)機(jī)慣量 JM 與負(fù)載慣量 JL（折算至電動(dòng)機(jī)軸）或者總慣量 JR 之間，推薦下列匹配關(guān)系：14LMJ?或 0.5.8L或 .2.rJ?步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中的注意點(diǎn):1)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過(guò) 1000 轉(zhuǎn)，（0.9 度時(shí) 6666PPS)，最好在 1000-3000PPS(0.9 度）間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)功率大、效率高。 2)步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。 3)由于歷史原因，只有標(biāo)稱為 12V 電壓的電機(jī)使用 12V 外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57BYG 采用直流 24V-36V，86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V），當(dāng)然 12 伏的電壓除 12V 恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過(guò)要考慮溫升。4)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。5)電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。 大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 17 頁(yè) 共 43 頁(yè)6)高精度時(shí)，應(yīng)通過(guò)機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用 5 相電機(jī)，不過(guò)其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說(shuō)法是外行話。 7)電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過(guò)改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 8)電機(jī)在 600PPS（0.9 度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。 9）應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。3.1.1 選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)選擇電機(jī)時(shí)可以選擇兩種電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)性能比較： [19]步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。 1）控制精度不同 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 3.6°、 1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 0.72 °、0.36° 。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為 0.09°；德國(guó)百格拉公司（ BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過(guò)撥碼開關(guān)設(shè)置為 1.8°、0.9° 、0.72°、0.36°、0.18° 、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn) 2500 線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為 360°/10000=0.036°。對(duì)于帶 17 位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收 217=131072 個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為 360°/131072=9.89 秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的 1/655。 2）低頻特性不同 大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 18 頁(yè) 共 43 頁(yè)步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等[20] 交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。 3）矩頻特性不同 步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在 300～600RPM 。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為 2000RPM 或 3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。4）過(guò)載能力不同 步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。 5）運(yùn)行性能不同 步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 6）速度響應(yīng)性能不同 大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 19 頁(yè) 共 43 頁(yè)步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要 200～400 毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下 MSMA 400W 交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速 3000RPM 僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。 考慮到本裝置的要求不高，綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用步進(jìn)電機(jī)比較合適 [21]3.1.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。1）步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相電機(jī)）、0.9 度/1.8 度（二、四相電機(jī)）、1.5 度/3 度 （三相電機(jī)）等。2）靜力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載 [22]一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的 2-3 倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）3）電流的選擇靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）4）力矩與功率換算大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 20 頁(yè) 共 43 頁(yè)步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下：P= Ω·MΩ=2π·n/60P=2πnM/60其 P 為功率單位為瓦，Ω 為每秒角速度，單位為弧度，n 為每分鐘轉(zhuǎn)速，M 為力矩單位為牛頓·米P=2πfM/400(半步工作）其中 f 為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱 PPS)3.1.3 步進(jìn)電機(jī)的確定脈沖當(dāng)量：一個(gè)指令脈沖使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)的移動(dòng)距離（輸入一個(gè)指令脈沖工作臺(tái)移動(dòng) 0.01 毫米）初選之相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 0.75°/1.5°，當(dāng)三相六拍運(yùn)行時(shí)，步距角其每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿間的傳動(dòng)比 ii===2.03勻速運(yùn)行，非精確計(jì)算可以套用以下公式：Ta=（Fa×I） /（2×3.14×n1） 式中 Ta：驅(qū)動(dòng)扭矩 kgf.mm； Fa：軸向負(fù)載 N（Fa=F+μmg， F：絲杠的軸向切削力 N，μ：導(dǎo)向件的綜合摩擦系數(shù)，m：移動(dòng)物體重量(工作臺(tái)+ 工件)kg，g:9.8 ）； I：絲杠導(dǎo)程 10mm； n1：進(jìn)給絲杠的正效率。工況：水平使用，伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，2005 滾珠絲杠傳動(dòng)，25 滾珠直線導(dǎo)軌承重和導(dǎo)向，理想安裝，垂直均勻負(fù)載 20kg，求電機(jī)功率：Fa=F+μmg，設(shè)綜合摩擦系數(shù) μ=0.1，F(xiàn)=100N （無(wú)載荷時(shí)阻力）得：大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 21 頁(yè) 共 43 頁(yè)Fa=0.1×20×9.8+100=119.6N；Ta=（Fa×I） /（2×3.14×n1），設(shè) n1=0.94，得 Ta=119.6×10/5.9032≈202N.mm=0.21N.M根據(jù)這個(gè)得數(shù)，可以選擇電機(jī)功率。所選電機(jī)為86mm系列大力矩混合式步進(jìn)電機(jī)，具體型號(hào)為：SM86120AA表3.1 電機(jī)常規(guī)參數(shù)表表3.2 電機(jī)參數(shù)表大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 22 頁(yè) 共 43 頁(yè)圖3.1 電機(jī)尺寸圖3.2 滾珠絲杠的選用圖 3.2 滾珠絲杠原理圖滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 23 頁(yè) 共 43 頁(yè)滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn) [23] 1）與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為 1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到 1/3 以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的 1/3。在省電方面很有幫助。 2）高精度的保證 3）微進(jìn)給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。 4）無(wú)側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使螺母部的剛性增強(qiáng)) [24]。 5）高速進(jìn)給可能 滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。3.2.1 軸向負(fù)荷的計(jì)算 1)（水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)） 螺母及承載重物水平的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其軸向負(fù)荷分析如下： 向左等加速運(yùn)動(dòng)：fa1=μ×mg+f+ma 向左等速運(yùn)動(dòng)：fa2=μ×mg+f 向左等減速運(yùn)動(dòng)：fa3=μ×mg+f-ma 向右等加速運(yùn)動(dòng)：fa4=-μ×mg-f-ma 向右等速運(yùn)動(dòng)：fa5=-μ×mg-f 向右等減速運(yùn)動(dòng)：fa6=-μ×mg-f+ma a=Vmax/t Vmax：為最高速度 大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 24 頁(yè) 共 43 頁(yè)t：達(dá)到最高速度所用時(shí)間 m：總質(zhì)量，指螺母帶動(dòng)的所有物重 μ：導(dǎo)軌摩擦系數(shù) f：無(wú)負(fù)荷時(shí)的阻力 由此可得向左等加速運(yùn)動(dòng)或向右等加速運(yùn)動(dòng)時(shí)螺母的載荷最大，但在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，沒有加速運(yùn)動(dòng)的情況，只有勻速運(yùn)動(dòng)，因此在設(shè)計(jì)軸向載荷時(shí)應(yīng)該主要參考勻速運(yùn)動(dòng)參數(shù)值 [25] 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為 0.01，螺母帶動(dòng)的滑動(dòng)桌子及固定在上面的水箱總質(zhì)量不超過(guò)50kg，滾珠絲杠無(wú)負(fù)荷時(shí)的阻力 f=100N，則：fa1=μ×mg+f=0.1×100×9.8+100 =198N同理，向右勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)Fa2=-μ×mg-f=-198N3.2.2 絲杠軸容許軸向負(fù)荷 因工作臺(tái)、主軸箱、工件等自重，對(duì)絲杠本身產(chǎn)生的壓縮負(fù)荷，所以必須驗(yàn)算對(duì)絲杠挫屈的安全性。如下公式分析：2NEILaP????Ndrm10324?a:安全系數(shù)（取 a=0.5)e:彈性系數(shù) i：絲杠軸牙底直徑（i=πdr4/640n/mm2) dr:絲杠軸牙底直徑（dr=絲杠節(jié)圓直徑-鋼珠直徑 mm) l：安裝間距（絲杠兩端安裝的相對(duì)距離) m、n: 依據(jù)絲杠安裝的方式而定的系數(shù) 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大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 25 頁(yè) 共 43 頁(yè)3.2.3 基本靜額定負(fù)荷 Co 即絲杠軸向靜止的負(fù)荷，是絲杠承受絲杠溝槽與鋼珠接觸點(diǎn)（即螺母與絲杠軸)的永久變形量和鋼珠本身的永久變形量的總和達(dá)到鋼珠直徑的 0.01%時(shí)的最大的軸向力，此負(fù)荷即為基本靜額定負(fù)荷 [26]。 3.2.4 基本動(dòng)額定負(fù)荷 ca 動(dòng)負(fù)荷是指一批相同規(guī)格的絲杠以相同條件轉(zhuǎn) 10 次，其中 90%的絲杠不會(huì)因?yàn)槠诙a(chǎn)生剝離現(xiàn)象。此軸向負(fù)荷為動(dòng)額定負(fù)荷 [27] 3.3 hdl50三坐標(biāo)加工單元絲杠定位精度 在機(jī)床進(jìn)給精度的誤差中，導(dǎo)程精度、進(jìn)給系統(tǒng)的剛性是研究的重點(diǎn)，其他像因溫升產(chǎn)生的熱變形和導(dǎo)引面的組裝精度等因素也須加以考慮。 3.4 絲杠熱變形的解決辦法 絲杠軸因熱而伸長(zhǎng)變形，會(huì)導(dǎo)致定位精度的變化。熱變形的多少可以由下列公式計(jì)算：Ll?????其中 ：熱變形量：熱膨脹系數(shù)：絲杠軸的平均升溫?L：絲杠的全長(zhǎng)上式可以解釋為 1000mm 長(zhǎng)的絲杠在每升 1℃就會(huì)有產(chǎn)生 12μm的伸長(zhǎng)量。因此即使絲杠軸的導(dǎo)程經(jīng)過(guò)高精度的加工，也會(huì)因溫升產(chǎn)生的變形而無(wú)法滿足高精度的定位要求。另外絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)速度越高，則平均溫升也相對(duì)提高，熱變形也就越大。因此必須想出辦法解決此問(wèn)題，如下有三種解決的方案 [28]： 1)控制發(fā)熱量： a：選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力。 b：選擇正確且適量的潤(rùn)滑劑。 c：加大滾珠絲杠的導(dǎo)程、降低轉(zhuǎn)數(shù)。 2)施加強(qiáng)制冷卻 大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 26 頁(yè) 共 43 頁(yè)a：采用中空絲杠，利用冷卻液通入，將產(chǎn)生的熱量帶走。 b：絲杠軸外緣以潤(rùn)滑油或空氣冷卻。 3)避免溫升的影響： a：求出累積導(dǎo)程誤差的目標(biāo)值取負(fù)值補(bǔ)正。 b：待機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)溫升后，再使用。 c：絲杠安裝時(shí)施加預(yù)拉力。 d：使用光柵尺進(jìn)行誤差補(bǔ)償；采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。 絲杠熱變形的具體計(jì)算 根據(jù)軸承的負(fù)荷能力，累計(jì)導(dǎo)程的目標(biāo)溫升 3℃ =12× ×3×600=0.022（mm ）Ll?????610=20029N4drEKF2S???3.5 絲杠的壽命 絲杠在正常使用狀態(tài)下，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)因?yàn)楦鞣N原因惡化而無(wú)法使用，這段時(shí)間就是它的壽命。一般分為兩種 [29]： a．疲勞壽命：即發(fā)生剝離現(xiàn)象時(shí)。b．精度壽命：因磨損而使精度惡化時(shí)。 3.5.1壽命的計(jì)算 疲勞壽命有三種表達(dá)形式： a：總回轉(zhuǎn)數(shù) b：總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間 c：總行程 6610,,10FCLlLnLfwst ??????????長(zhǎng)的壽命會(huì)使選擇的絲杠的尺寸太大，造成不經(jīng)濟(jì)的結(jié)果，因此大部分都會(huì)選擇在 10000 小時(shí)到 20000 小時(shí)。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 27 頁(yè) 共 43 頁(yè)圖 3.3 滾珠絲杠螺桿大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 28 頁(yè) 共 43 頁(yè)4 進(jìn)給傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)4.1 導(dǎo)軌的選用4.1.1 導(dǎo)軌的功用和分類導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。在導(dǎo)軌副中，運(yùn)動(dòng)的一方叫動(dòng)導(dǎo)軌，不動(dòng)的一方叫做支撐導(dǎo)軌 [30]按摩擦性質(zhì)可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。按運(yùn)動(dòng)性質(zhì)可分為主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和移置導(dǎo)軌。按受力狀況可分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。4.1.2 導(dǎo)軌應(yīng)滿足的要求1）導(dǎo)向精度 可分為幾何精度和接觸精度2）精確保持性3）低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好4.2 導(dǎo)軌的材料1)鑄鐵鑄鐵是一種成本低，有良好的減震性和耐磨性，易于鑄造和切削加工的金屬材料。在動(dòng)導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌中都有應(yīng)用 [31]灰鑄鐵 應(yīng)用最多的是 HT200，在潤(rùn)滑與防護(hù)較好的條件下有一定的耐磨性。鑄鐵—鑄鐵的導(dǎo)軌摩擦副適用于：需要手工刮研的導(dǎo)軌；對(duì)加工精度保持性要求不高的次要導(dǎo)軌；不經(jīng)常工作的導(dǎo)軌，其中包括移置導(dǎo)軌等。孕育鑄鐵 孕育鑄鐵的耐磨性比灰鑄鐵高牌號(hào)為 HT300。這種鑄鐵在車床、銑床、磨床上都有應(yīng)用。耐磨鑄鐵 耐磨鑄鐵中的合金元素有細(xì)化石墨和促進(jìn)基體珠光體化的作用。具有力學(xué)性能好、耐磨性比孕育鑄鐵高 1.5—2 倍、鑄鐵質(zhì)量容易控制等優(yōu)點(diǎn)，但成本較高，多用于精密機(jī)床，如坐標(biāo)鏜床和螺紋磨床等。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 29 頁(yè) 共 43 頁(yè)鑄鐵導(dǎo)軌的淬火 采用淬火的方法提高鑄鐵導(dǎo)軌表面的硬度，可以增強(qiáng)抗磨料磨損、粘著磨損的能力，防止劃傷與撕傷，提高導(dǎo)軌的耐磨性。2)鋼采用淬火鋼或氮化鋼的鑲鋼支撐導(dǎo)軌，可大幅度提高導(dǎo)軌的耐磨性。多用于數(shù)控機(jī)床的加工中心上 [32]3)有色金屬多用于重型機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌上，與鑄鐵的支撐導(dǎo)軌相搭配。4）塑料5）導(dǎo)軌副材料的選用在導(dǎo)軌副中，為了提高耐磨性和防止咬焊，動(dòng)導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌贏分別采用不同的材料。如果采用相同的材料，也應(yīng)采用不同的熱處理使雙方具有不同的硬度。目前在滑動(dòng)導(dǎo)軌副中，應(yīng)用較多的是動(dòng)導(dǎo)軌采用鑲裝氟塑料導(dǎo)軌軟帶，支撐導(dǎo)軌采用淬火鋼或淬火鑄鐵；其次是動(dòng)導(dǎo)軌采用不淬火鑄鐵，支撐導(dǎo)軌采用淬火鋼或淬火鑄鐵。高精度裝置，因采用刮研進(jìn)行導(dǎo)軌的精加工，可采用不淬火的耐磨鑄鐵導(dǎo)軌副。只有移置導(dǎo)軌或不重要的導(dǎo)軌，才采用不淬火的普通灰鑄鐵導(dǎo)軌副 [33]在直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌中，長(zhǎng)導(dǎo)軌用較耐磨的和硬度較高的材料制造。這是因?yàn)椋海?）長(zhǎng)導(dǎo)軌各處使用難以均衡，磨損往往不均勻。不均勻磨損對(duì)精度的影響較大。因此，長(zhǎng)導(dǎo)軌的耐磨性應(yīng)高一些。短導(dǎo)軌磨損比較均勻，即使磨損大一些，對(duì)加工精度的影響也不大。 （2）減少修理的勞動(dòng)量，短而軟的導(dǎo)軌容易刮研。（3）不能完全防護(hù)的導(dǎo)軌都是長(zhǎng)導(dǎo)軌。它露在外面，容易被刮傷。4.3 滑動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)4.3.1 導(dǎo)軌的截面形狀及組合直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的截面形狀主要有三角形、矩形、燕尾形和圓形，并可互相組合大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 30 頁(yè) 共 43 頁(yè)圖 4.1 導(dǎo)軌的截面形狀4.3.2 導(dǎo)軌間隙的調(diào)整導(dǎo)軌集合面配合的松緊對(duì)機(jī)床的工作性能有相當(dāng)大的影響。配合過(guò)緊步進(jìn)操作費(fèi)力還會(huì)加快磨損；配合過(guò)松則將影響配合精度，甚至?xí)a(chǎn)生振動(dòng)。因此，除災(zāi)裝配過(guò)程中應(yīng)仔細(xì)地調(diào)整導(dǎo)軌的間隙外，在使用一段時(shí)間后因磨損還需重調(diào)。常用鑲條和壓板來(lái)調(diào)整導(dǎo)軌的間隙 [34]。鑲條用來(lái)調(diào)整矩形導(dǎo)軌和燕尾形導(dǎo)軌的側(cè)隙，以保導(dǎo)軌面的正常接觸。鑲條應(yīng)放在導(dǎo)軌受力較小的一側(cè)。常用的鑲條有平鑲條和楔形鑲條兩種圖 4.2 導(dǎo)軌間隙的調(diào)整壓板用于調(diào)整輔助導(dǎo)軌面的間隙和承受顛覆力矩。4.4 滑動(dòng)導(dǎo)軌的驗(yàn)算導(dǎo)軌的主要變形是接觸變形，有時(shí)也應(yīng)考慮導(dǎo)軌部分局部變形的影響。導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)，首先初步確定導(dǎo)軌的型式和尺寸，然后進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌，應(yīng)驗(yàn)算導(dǎo)軌的壓強(qiáng)和壓強(qiáng)的范圍內(nèi)部。壓強(qiáng)的大小直接影響導(dǎo)軌表面的耐磨性，壓強(qiáng)的分布影響磨損的均勻性。通過(guò)壓強(qiáng)的分布還可以判斷是否采用壓板，即決定導(dǎo)軌應(yīng)采用閉式還是