火車輪對(duì)盤位差檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)含CATIA三維及15張CAD圖.zip

火車輪對(duì)盤位差檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)含CATIA三維及15張CAD圖.zip,火車,輪對(duì),盤位差,檢測(cè),系統(tǒng),機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),CATIA,三維,15,CAD 火車輪對(duì)盤位差檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) MACHANISM DESIGN OF TRAIN WHEELSET’S BREAK DISC　POSITION DIFFERENCE DETACTION SYSTEM 摘 要 在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中，作為主要行走部件的列車輪對(duì)是影響列車運(yùn)行狀況的一個(gè)重要因素。它不僅承受著本身和車身的全部重量，而且還要傳遞車輛與鐵軌之間的驅(qū)動(dòng)力與制動(dòng)力。所以必須使其隨時(shí)保持一個(gè)良好的技術(shù)狀態(tài)，否則將影響列車運(yùn)行狀況甚至?xí)＜靶熊嚢踩?。?duì)于輪對(duì)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，必須及時(shí)準(zhǔn)確地加以檢測(cè)和判斷。在本設(shè)計(jì)中，通過點(diǎn)激光測(cè)距傳感器非接觸式測(cè)量及傳感器相對(duì)位移法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪對(duì)制動(dòng)盤厚度、端面跳動(dòng)及盤位差的自動(dòng)測(cè)量，能顯著提高輪對(duì)參數(shù)測(cè)量的工作效率。 本次設(shè)計(jì)工作主要包括以下幾個(gè)部分： 1.傳感器行走部分；通過滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳感器移動(dòng)，并精確到達(dá)各個(gè)位置進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量。完成了對(duì)絲杠、導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等相關(guān)部件的選型與校核。 2.輪對(duì)定位及旋轉(zhuǎn)部分；定位方法采用以軸頸面定位，而需要添加轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)使輪對(duì)在定位夾緊的同時(shí)能慢速旋轉(zhuǎn)，以便于測(cè)量制動(dòng)盤的端面跳動(dòng)。完成了對(duì)定位軸承及轉(zhuǎn)輪電機(jī)的選擇。 3.上下料部分；為防止直接垂直上料使輪對(duì)與傳感器發(fā)生碰撞，需要添加一個(gè)能將輪對(duì)頂起到安全高度后水平移入或移出測(cè)量位置的送料機(jī)構(gòu)。完成對(duì)升降氣缸、導(dǎo)向?qū)к壍倪x型與校核。 關(guān)鍵詞：厚度；端面跳動(dòng)；火車輪對(duì)；激光位移傳感器。 Abstract In the railway transportation system，As the main walking component, the train wheelset is an important factor that affects the running status of trains. It not only bears the entire weight of itself and the vehicle, but also transfers the driving force and braking force between the vehicle and the rail. Therefore, it must be kept in a good technical condition at any time, otherwise it will affect the running condition of the train and even endanger the driving safety. The technical parameters of the wheelset must be tested and judged in time and accurately. In this design, through point laser ranging sensor contactless measurement and relative displacement method of sensor, the automatic measurement of the thickness, beat of end face and disc position difference of the brake disc of wheelset can be realized, the working efficiency of wheel pair parameter measurement can be obviously improved. Work of this design mainly includes the following parts: 1. The walking and transmission part of the sensor; The movement of the sensor can be realized through the ball screw transmission mechanism, and relevant parameters are measured accurately at various positions. Finished the selection and check of screw, guide rail, drive motor and other related parts 2. Wheelset positioning and rotating part; The positioning method uses a journal surface for positioning, and a rotating wheel mechanism needs to be added to enable the wheel pair to rotate slowly while positioning and clamping so as to measure the beat of end face of the brake disc. The selection of positioning bearing and runner motor is completed. 3. The loading and unloading part; In order to prevent the wheelset from colliding with the sensor due to direct vertical feeding, it is necessary to add a feeding mechanism that can move the wheelset horizontally into or out of the measuring position after reaching a safe height. Complete the type selection and check of lifting cylinder and guide rail. Key words: Thickness; Beat of end face; Wheelset; Laser displacement sensor. 目錄 第1章 緒論 1 1.1概述 1 1.2文獻(xiàn)綜述 1 1.3發(fā)展趨勢(shì) 2 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 3 2.1課題內(nèi)容 3 2.2設(shè)計(jì)思路 3 2.3激光位移傳感器測(cè)量原理及選用 4 2.4方案比較與選定 5 2.5小結(jié) 9 第3章 傳感器行走及傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 10 3.1簡(jiǎn)介 10 3.2垂直運(yùn)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 10 3.2.1導(dǎo)向?qū)к壐钡倪x擇計(jì)算 11 3.2.2滾珠絲杠選擇與計(jì)算 13 3.2.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算與選擇 15 3.2.4軸承的選擇 16 3.2.5聯(lián)軸器選擇 18 3.3水平運(yùn)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 18 3.3.1導(dǎo)向?qū)к壐钡倪x擇計(jì)算 19 3.3.2滾珠絲杠選擇與計(jì)算 20 3.3.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算與選擇 21 3.3.4軸承的選擇 22 3.3.5聯(lián)軸器選擇 23 第4章 輪對(duì)定位與旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 24 4.1簡(jiǎn)介 24 4.2定位座尺寸設(shè)計(jì)及定位軸承的選擇與計(jì)算 24 4.2.1尺寸設(shè)計(jì)與軸承選擇 24 4.2.2軸承壽命校核 24 4.3轉(zhuǎn)輪電機(jī)的選擇與計(jì)算 25 4.4聯(lián)軸器的計(jì)算與校核 25 第5章 上下料部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 27 5.1簡(jiǎn)介 27 5.2升降氣缸計(jì)算 27 5.3導(dǎo)向?qū)к夁x擇與計(jì)算 28 5.4水平氣缸的選擇 28 第6章 總結(jié) 30 致 謝 31 參考文獻(xiàn) 32 第1章 緒論 1.1概述 在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中，作為車輛行走主要部件的輪對(duì)是影響列車運(yùn)行狀況的一個(gè)重要因素。輪對(duì)不僅承受自身與車身的全部重量，而且還要傳遞列車與鋼軌之間的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力，所以要求輪對(duì)必須保持良好的技術(shù)狀態(tài)，否則將影響列車運(yùn)行狀態(tài)，甚至危及行車安全。目前影響我國(guó)車輛提速的重要因素之一就是車輛輪對(duì)檢測(cè)技術(shù)落后，無法快速精確地檢測(cè)出輪對(duì)的參數(shù)狀態(tài)。在輪對(duì)檢測(cè)過程中，需要檢測(cè)的參數(shù)多達(dá)十幾個(gè)，如軸肩距離、輪緣輪輞厚度、車輪跳動(dòng)、車輪直徑、制動(dòng)盤厚度及端跳、盤位差等，這些都是直接影響車輛運(yùn)行狀況的重要參數(shù)，必須及時(shí)準(zhǔn)確地加以檢測(cè)和判斷。然而當(dāng)前輪對(duì)參數(shù)檢測(cè)及數(shù)據(jù)記錄在國(guó)內(nèi)基本還是靠手工完成，大都采用特制的卡鉗和量尺作為測(cè)量工具。長(zhǎng)期大量重復(fù)性的手工作業(yè)使工人極容易產(chǎn)生疲勞，加上目測(cè)誤差等因素，使得測(cè)量記錄數(shù)據(jù)誤差較大，工作效率也難以提高 [18]。通過該設(shè)計(jì)題目，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車輪對(duì)盤位差、制動(dòng)盤厚度及端面跳動(dòng)的自動(dòng)測(cè)量，對(duì)改進(jìn)輪對(duì)參數(shù)測(cè)量工藝具有重要意義。而且對(duì)我個(gè)人而言，可以使我在設(shè)備總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及零件強(qiáng)度校核計(jì)算、編寫技術(shù)文件、查閱文獻(xiàn)資料等應(yīng)用能力受到一次綜合訓(xùn)練，鞏固并綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，掌握正確設(shè)計(jì)思想與方法，培養(yǎng)實(shí)際工程應(yīng)用、綜合分析、解決問題和獨(dú)立工作的能力，同時(shí)對(duì)我們的思想品德、工作態(tài)度以及作風(fēng)等方面也會(huì)有很大的影響，增強(qiáng)事業(yè)心和責(zé)任感，為以后走向社會(huì)，走上工作崗位打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。 1.2文獻(xiàn)綜述 國(guó)外鐵路運(yùn)輸發(fā)展較早，對(duì)列車輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)方面的研究已經(jīng)進(jìn)行了很多年，西方發(fā)達(dá)國(guó)家在輪對(duì)外形與尺寸檢測(cè)方面進(jìn)行了深入研究，并且擁有了較為成熟的技術(shù)，開發(fā)出了適用于不同場(chǎng)合的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。而國(guó)內(nèi)開展列車輪對(duì)外形尺寸檢測(cè)研究工作相對(duì)較晚，嚴(yán)格來說是從上個(gè)世紀(jì)90年代才開始，在此之前大都是引進(jìn)或照搬發(fā)達(dá)國(guó)家較為成熟的技術(shù)。這種引進(jìn)弊端很多，首先是價(jià)格昂貴，其次是這些技術(shù)大多是人家已經(jīng)或即將淘汰的東西。到目前經(jīng)過十多年的努力，我國(guó)技術(shù)界也提出了一些新思路和新方法，研制出了不同類型的檢測(cè)裝置，但是大多情況下是單打獨(dú)斗式的“單兵作戰(zhàn)”，未將科研力量有機(jī)的結(jié)合，所以效率很不理想，只停留在零敲碎打、修修補(bǔ)補(bǔ)的階段，更沒有研制也具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。沒有形成廣泛適用的自動(dòng)化檢測(cè)產(chǎn)品，也就無法改變我國(guó)輪對(duì)尺寸定期進(jìn)行人工檢測(cè)的落后狀態(tài)。這顯然與當(dāng)今飛速發(fā)展的鐵路運(yùn)輸技術(shù)不相適應(yīng)，尤其是這種落后的人工檢測(cè)與先進(jìn)的車輛技術(shù)、軌道及橋梁技術(shù)很不合拍，相比之下嚴(yán)重滯后 [18]。因此，開發(fā)和研究出適合我國(guó)國(guó)情的鐵路車輛輪對(duì)檢測(cè)裝置，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際市場(chǎng)中占有一席之地，是一個(gè)十分迫切的問題。 1.3發(fā)展趨勢(shì) 隨著火車速度的不斷提高，對(duì)列車運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性也將有越來越高的要求。作為列車行走重要部件的車輪，對(duì)其質(zhì)量狀態(tài)的檢測(cè)與監(jiān)控更是不容忽視，對(duì)火車輪對(duì)實(shí)現(xiàn)全面精確高效率的自動(dòng)檢測(cè)是大勢(shì)所趨，列車輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)與在線檢測(cè)技術(shù)的研究與開發(fā)勢(shì)在必行。手工測(cè)量向自動(dòng)化測(cè)量過渡，靜態(tài)檢測(cè)向動(dòng)態(tài)檢測(cè)過渡，接觸式測(cè)量向非接觸式測(cè)量過渡，單一參數(shù)測(cè)量向多參數(shù)同步測(cè)量過渡，勢(shì)必成為未來列車輪對(duì)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的大方向。 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1課題內(nèi)容 利用CATIA等軟件完成火車輪對(duì)制動(dòng)盤檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模，檢測(cè)項(xiàng)目包括盤位差、端跳及盤厚。完成主要部件的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。 主要技術(shù)參數(shù)： ①軸的兩側(cè)軸肩距離為17980+0.4mm； ②盤位差509±0.5mm，939±0.5mm，509±0.5mm； ③3個(gè)制動(dòng)盤兩側(cè)端面跳動(dòng)0.3mm； ④3個(gè)制動(dòng)盤盤厚80mm。 圖2-1 火車輪對(duì)簡(jiǎn)圖 1.盤位差509；2.盤位差939；3.軸肩距離1798；4.火車車軸；5.火車車輪；6..制動(dòng)盤。 2.2設(shè)計(jì)思路 根據(jù)檢測(cè)參數(shù)位置及檢測(cè)工藝，檢測(cè)設(shè)備采用龍門架式結(jié)構(gòu)，主要包括上下料部分、輪對(duì)定位與旋轉(zhuǎn)部分、檢測(cè)裝置行走與驅(qū)動(dòng)部分以及高精度檢測(cè)傳感器等。輪對(duì)經(jīng)上料機(jī)構(gòu)進(jìn)入測(cè)量位置后通過各個(gè)部分部件（包括電控、氣動(dòng)等）及測(cè)量傳感器的協(xié)調(diào)動(dòng)作，自動(dòng)完成輪對(duì)的定位、旋轉(zhuǎn)以及各個(gè)參數(shù)的測(cè)量。 2.3激光位移傳感器測(cè)量原理及選用 本設(shè)計(jì)中所用的測(cè)量方式為點(diǎn)激光測(cè)距傳感器非接觸式測(cè)量。激光測(cè)距具有測(cè)量精度與靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，非接觸式測(cè)量則可以避免壓力等物理因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾，也可避免對(duì)被測(cè)件表面產(chǎn)生破壞。激光三角測(cè)量法一般適用于高精度、短距離的測(cè)量，所以本設(shè)計(jì)采用的是三角測(cè)量法的激光位移傳感器，激光位移傳感器的測(cè)量原理為三角測(cè)量法：激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離。同時(shí)，光束在接收元件的位置通過模擬和數(shù)字電路處理，并通過微處理器分析，計(jì)算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)，按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)。如果使用開關(guān)量輸出，則在設(shè)定的窗口內(nèi)導(dǎo)通，窗口之外截止。另外，模擬量與開關(guān)量輸出可獨(dú)立設(shè)置檢測(cè)窗口。采取三角測(cè)量法的激光位移傳感器最高線性度可達(dá)1um，分辨率更是可達(dá)到0.1um的水平。點(diǎn)激光測(cè)距測(cè)量原理如圖2-2所示，由發(fā)射端發(fā)射激光束照射在目標(biāo)面上，形成漫反射，并被接收端接收到。根據(jù)發(fā)射端發(fā)射激光和接收端收到激光的時(shí)間差即可計(jì)算得到傳感器與目標(biāo)面的距離。 圖2-2 點(diǎn)激光傳感器測(cè)量原理簡(jiǎn)圖 1.點(diǎn)激光傳感器發(fā)射端；2.目標(biāo)平面；3.反射激光接收端。 本設(shè)計(jì)中所需要測(cè)量的盤位差和制動(dòng)盤厚度均為平面之間的距離，所以要用兩個(gè)距離已知的測(cè)距傳感器從兩個(gè)平面同時(shí)測(cè)量，根據(jù)傳感器示數(shù)與距離計(jì)算得到兩個(gè)平面的距離，即所要測(cè)量的厚度值。測(cè)量方法為傳感器相對(duì)位移法，如圖2-3所示，左圖中，先將一個(gè)經(jīng)過傳統(tǒng)三坐標(biāo)方法測(cè)量已知厚度為A的標(biāo)準(zhǔn)件放在兩個(gè)間距無法精確測(cè)量的測(cè)距傳感器中間，若兩個(gè)傳感器示數(shù)分別為B和C，則兩個(gè)傳感器間距為L(zhǎng)=B+C+A。該步驟為傳感器距離標(biāo)定。如右圖，傳感器間距不變，將一個(gè)厚度未知的待測(cè)件放在兩個(gè)傳感器中間，若兩個(gè)傳感器示數(shù)分別為E、F，則該被測(cè)件厚度為X=L-E-F。這種通過已知參數(shù)標(biāo)定傳感器距離，再根據(jù)傳感器示數(shù)變化計(jì)算得到未知被測(cè)參數(shù)的方法即為傳感器相對(duì)位移測(cè)量法。 圖2-3 雙側(cè)傳感器測(cè)量厚度原理示意圖 1.2.3.4：點(diǎn)激光測(cè)距傳感器；5.厚度已知的標(biāo)準(zhǔn)件；6.被測(cè)件。 根據(jù)被測(cè)量參數(shù)的性質(zhì)及被測(cè)輪對(duì)的尺寸參數(shù)，選用基恩士公司的LK-G5000系列超高速/高精度激光位移傳感器，采用LK-H055型漫反射感測(cè)頭，其安裝參考距離為50mm，測(cè)量范圍為±10mm，測(cè)量精度可達(dá)4μm，能夠滿足距離測(cè)量與端面跳動(dòng)測(cè)量的要求。 型號(hào) LK-H025 LK-H027 LK-H055 LK-H057 LK-H020 LK-H022 安裝模式 漫反射型 參考距離 20mm 50mm 20mm 測(cè)量范圍 ±3mm ±10mm ±3mm 光點(diǎn)直徑 φ25μm φ50μm φ25μm 線性度 ±0.02％F.S. (F.S.=6m)2 ±0.02％F.S. (F.S.=20m)2 ±0.02％F.S. (F.S.=6m)2 重復(fù)精度 0.02μm（0.01μm）3 0.025μm3 0.02μm（0.01μm）3 材料 鋁鑄外殼 重量 約230g 約260g 約230g 2.4方案比較與選定 隨著課題的研究與設(shè)計(jì)的進(jìn)行，對(duì)于設(shè)備的檢測(cè)部件行走傳動(dòng)部分、上下料部分和定位旋轉(zhuǎn)部分，我一共設(shè)想過如下三種方案： 方案一：如圖2-4所示為方案一示意圖。 圖2-4 方案一示意圖 1.定位頂尖；2被測(cè)輪對(duì).；3點(diǎn)激光測(cè)距傳感器.；4.測(cè)量臂；5.送料導(dǎo)軌；6.立柱；7底座。 如圖2-2所示，上料部分采用導(dǎo)軌上料，定位旋轉(zhuǎn)部分采用雙頂尖，測(cè)量部分采用兩個(gè)可以水平、垂直動(dòng)作的裝有高精度點(diǎn)激光測(cè)距傳感器的測(cè)量臂。當(dāng)被測(cè)輪對(duì)沿著導(dǎo)軌進(jìn)入測(cè)量工位后，由頂尖頂起并旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)測(cè)量臂通過滾珠絲杠傳動(dòng)移動(dòng)到相應(yīng)位置測(cè)量不同的參數(shù)。 方案二：如圖2-5所示為方案二示意圖。 圖2-5 方案二示意圖 1. 定位頂尖；2被測(cè)輪對(duì).；3點(diǎn)激光測(cè)距傳感器.；4.固定測(cè)量臂；5.移動(dòng)測(cè)量臂；6.送料導(dǎo)軌；7立柱； 8.底座。 如圖2-5所示，與方案一相比，方案二的上料、定位方式均沒有變化，在傳感器行走部分則是比方案一多了兩個(gè)測(cè)量臂。其中中間的兩個(gè)測(cè)量臂負(fù)責(zé)測(cè)量三個(gè)制動(dòng)盤，要求既能水平移動(dòng)，也能垂直移動(dòng)。而兩側(cè)的兩個(gè)測(cè)量臂是水平固定在軸肩位置的，只能垂直移動(dòng)。相比于方案一，其優(yōu)點(diǎn)在于可以消除測(cè)量臂在定位兩側(cè)軸肩位置時(shí)的定位誤差。通過中間兩個(gè)測(cè)量臂傳感器的示數(shù)可以測(cè)得制動(dòng)盤厚度及端面跳動(dòng)，通過相隔的兩個(gè)傳感器的示數(shù)則可以測(cè)得盤位差。 方案三：如圖2-6所示為方案三示意圖。 圖2-6 方案三示意圖 1.定位推進(jìn)氣缸；2.轉(zhuǎn)輪電機(jī)；3.被測(cè)輪對(duì)；4.固定測(cè)量臂；5.升降導(dǎo)軌；6.橫向移動(dòng)導(dǎo)軌；7.縱向移動(dòng)導(dǎo)軌8.移動(dòng)測(cè)量臂；9.升降氣缸。 如圖2-6所示，與前兩種方案相比，方案三送料及定位采用了不同的方法。定位方式垂直方向采用以軸頸面定位，將輪對(duì)軸頸部放在兩個(gè)固定的軸承中間，利用輪對(duì)自身的重力來實(shí)現(xiàn)徑向定位，軸向定位與夾緊則是通過兩側(cè)的氣缸推動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)輪方法是在推動(dòng)軸與輪對(duì)軸端的接觸面上加一層聚氨酯，由電機(jī)帶動(dòng)推動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，利用聚氨酯軟驅(qū)動(dòng)來帶動(dòng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)，并且定位軸承能使輪對(duì)在旋轉(zhuǎn)時(shí)不受摩擦力作用。送料機(jī)構(gòu)改用升降氣缸與水平導(dǎo)軌相配合，首先將輪對(duì)放在升起的氣缸所支承的V型塊上，由升降氣缸平臺(tái)沿水平導(dǎo)軌將輪對(duì)運(yùn)輸?shù)綔y(cè)量位置然后將輪對(duì)落在定位面上。對(duì)于檢測(cè)部件行走部分，和方案二相比，不同之處在于這次將中間的兩個(gè)傳感器安裝在了一個(gè)測(cè)量架上，其距離固定且恰好能卡在一個(gè)制動(dòng)盤兩側(cè)。測(cè)量架本身能垂直移動(dòng)，以防止傳感器與制動(dòng)盤發(fā)生碰撞，并且由一個(gè)水平移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)，能到達(dá)三個(gè)制動(dòng)盤的位置分別進(jìn)行測(cè)量。兩端負(fù)責(zé)定位測(cè)量軸肩的兩個(gè)測(cè)量臂與方案二相比沒有什么變化。 經(jīng)過思考與對(duì)比，最終決定選擇方案三。因?yàn)樵跍y(cè)量部件行走部分，要求中間的兩個(gè)測(cè)量臂（方案一中為兩個(gè)測(cè)量臂）都能達(dá)到三個(gè)制動(dòng)盤的兩側(cè)進(jìn)行測(cè)量，這樣前兩個(gè)方案的測(cè)量臂都存在行程沖突，滾珠絲杠布置難度大。而方案三中間的兩個(gè)傳感器在一個(gè)測(cè)量架上，水平方向的移動(dòng)由一個(gè)平臺(tái)帶動(dòng)，不存在行程沖突。其次，在精度方面，方案一在測(cè)量臂定位所有位置時(shí)都不可避免有定位誤差存在，而方案二雖然兩端負(fù)責(zé)定位軸肩的傳感器是固定的，但是中間兩個(gè)傳感器的定位及定位后間距皆存在誤差。在方案三中，兩端傳感器是固定的，中間負(fù)責(zé)測(cè)量制動(dòng)盤的兩個(gè)傳感器間距也是固定的，甚至在測(cè)量?jī)蓚?cè)的制動(dòng)盤時(shí)也可以用限位開關(guān)來確定水平移動(dòng)平臺(tái)的整體位置，這樣只有在測(cè)量中間制動(dòng)盤的盤位差時(shí)存在誤差，數(shù)據(jù)誤差數(shù)量可以達(dá)到最少。在定位方面，由于要測(cè)量制動(dòng)盤的端面跳動(dòng)，所以要使輪對(duì)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。選擇軸頸面軸承定位在轉(zhuǎn)輪時(shí)要比頂尖定位方便一些。 2.5小結(jié) 綜上所述，最終設(shè)計(jì)方案如下： 設(shè)備總體采用龍門架式結(jié)構(gòu)，上方橫梁上安裝測(cè)量傳感器及其行走驅(qū)動(dòng)裝置，下方工作臺(tái)面負(fù)責(zé)被測(cè)輪對(duì)的支承、定位、夾緊及旋轉(zhuǎn)； 測(cè)量傳感器選用高精度的點(diǎn)激光測(cè)距傳感器，方法為傳感器相對(duì)位移法，根據(jù)兩傳感器示數(shù)及其經(jīng)過標(biāo)定的已知的間距，計(jì)算得到被測(cè)兩平面的間距； 傳感器行走部分采用滾珠絲杠傳動(dòng)，其中左右兩端的傳感器只能垂直移動(dòng)，負(fù)責(zé)定位輪對(duì)軸肩所在平面；中間的兩個(gè)傳感器安裝在一個(gè)測(cè)量架上，要求能水平、垂直移動(dòng)，負(fù)責(zé)測(cè)量三個(gè)制動(dòng)盤的厚度及端面跳動(dòng)，并配合兩端的傳感器測(cè)量盤位差。 定位部分：徑向定位每側(cè)以兩個(gè)軸承支承輪對(duì)軸頸面利用輪對(duì)自身重力實(shí)現(xiàn)徑向定位；再由兩端的兩個(gè)氣缸實(shí)現(xiàn)軸向定位與夾緊。 轉(zhuǎn)輪部分：在定位軸與輪對(duì)軸端面接觸的端面上覆蓋一層聚氨酯，輪對(duì)夾緊之后，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾緊軸轉(zhuǎn)動(dòng)，利用聚氨酯軟驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。 上下料部分采用升降氣缸水平移動(dòng)平臺(tái)，將輪對(duì)放在兩個(gè)由升降氣缸支承的V型塊上，由平臺(tái)沿水平導(dǎo)軌將輪對(duì)送到測(cè)量位置后氣缸收回，將輪對(duì)落在定位軸承上。測(cè)量完成后由氣缸將輪對(duì)頂起后送出測(cè)量位置。 第3章 傳感器行走及傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)中的測(cè)量部件為四個(gè)點(diǎn)激光測(cè)距傳感器，其中兩個(gè)負(fù)責(zé)定位輪對(duì)軸肩，另外兩個(gè)負(fù)責(zé)測(cè)量制動(dòng)盤。為防止上料時(shí)輪對(duì)與傳感器發(fā)生碰撞損壞傳感器，所以要求傳感器能垂直移動(dòng)。其中負(fù)責(zé)測(cè)量制動(dòng)盤的兩個(gè)傳感器要對(duì)三個(gè)位置的制動(dòng)盤進(jìn)行測(cè)量，所以還要有一個(gè)水平運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)來帶動(dòng)其所在的檢測(cè)架進(jìn)行移動(dòng)，使其能分別到達(dá)三個(gè)制動(dòng)盤的位置進(jìn)行測(cè)量。 本設(shè)計(jì)為精密檢測(cè)設(shè)備，對(duì)精度要求較高。尤其是負(fù)責(zé)中間的制動(dòng)盤檢測(cè)架移動(dòng)的水平移動(dòng)平臺(tái)，因?yàn)閭鞲衅骶嚯x已經(jīng)過標(biāo)定，所以對(duì)其在中間制動(dòng)盤位置的重復(fù)定位精度要求較高。因此傳動(dòng)方式選擇精度較高的滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①傳動(dòng)效率高，最高可達(dá)97%左右； ②運(yùn)行平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象； ③傳動(dòng)精度高，絲杠與螺母經(jīng)過預(yù)緊，可消除軸向間隙，這樣在啟動(dòng)與反向運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)空行程，大大提高了軸向傳動(dòng)精度； ④因?yàn)榻z杠與螺母之間的摩擦力為滾動(dòng)摩擦，其阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑動(dòng)摩擦力，在提高傳動(dòng)效率的同時(shí)減小了磨損，使用壽命也大大延長(zhǎng)。 滾珠絲杠作為一種精密而又省力的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，憑借以上優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床、檢測(cè)設(shè)備等精密機(jī)械裝備中得到普遍的選擇與應(yīng)用。 滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滾珠絲杠、聯(lián)軸器、軸承及導(dǎo)向?qū)к壐钡取１静糠中枰O(shè)計(jì)的包括垂直運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與水平運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分。其中定位兩側(cè)軸肩的傳感器與中間的制動(dòng)盤檢測(cè)架均要求能夠垂直移動(dòng)，但因?yàn)樗鼈兊囊苿?dòng)部件與所受載荷都大致相同，移動(dòng)部件質(zhì)量較輕，因此三者共用一套設(shè)計(jì)即可。而水平移動(dòng)部分絲杠所受載荷的方向、大小與垂直部分均不相同，精度要求也要高于垂直運(yùn)動(dòng)部分，所以需要另行設(shè)計(jì)。 3.2垂直運(yùn)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 如圖3-1為制動(dòng)盤檢測(cè)傳感器垂直移動(dòng)平臺(tái)（左）與定位軸肩傳感器垂直移動(dòng)平臺(tái)（右）。由圖可見兩者結(jié)構(gòu)相似，傳動(dòng)部分相同，移動(dòng)部件均為傳感器、安裝板及板下的導(dǎo)軌滑塊和絲杠螺母座。由于制動(dòng)盤檢測(cè)傳感器垂直移動(dòng)平臺(tái)上移動(dòng)部件質(zhì)量略大，所以以此為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，即可滿足三個(gè)垂直移動(dòng)平臺(tái)的要求。 圖3-1 制動(dòng)盤檢測(cè)傳感器垂直移動(dòng)平臺(tái)（左）與定位軸肩傳感器垂直移動(dòng)平臺(tái)（右） 3.2.1導(dǎo)向?qū)к壐钡倪x擇計(jì)算 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件重量估算： 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件包括傳感器、安裝板、板下的導(dǎo)軌滑塊和絲杠螺母座，初步估計(jì)質(zhì)量為15kg，即重力為G=mg=150N。因?yàn)閷?dǎo)軌為垂直布置，所以導(dǎo)軌實(shí)際受力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)值。但是此時(shí)導(dǎo)軌未選，移動(dòng)部件重心與導(dǎo)軌之間的距離未知，因此無法進(jìn)行具體的受力分析。考慮最不利的情況，即所有重力由一只滑塊承受，如此計(jì)算選擇導(dǎo)軌也足以滿足要求。 導(dǎo)軌承受最大工作載荷為： Fmax=mg=150N 選擇導(dǎo)軌： 導(dǎo)軌選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)工作載荷Fmax=150N，初選臺(tái)灣上銀公司的HGH-15CA型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，其額定動(dòng)載荷為11.38KN，額定靜載荷為25.31KN。 導(dǎo)軌行程確定： 圖3-2 1.安裝板；2.導(dǎo)軌板； 3.制動(dòng)盤；4.傳感器 如圖3-2，在安裝板中，X為安裝導(dǎo)軌滑塊及絲杠螺母座所需要的長(zhǎng)度，約為150mm；Z為導(dǎo)軌板與制動(dòng)盤之間為防止上料時(shí)發(fā)生碰撞留出的安全距離，大概需要150mm；當(dāng)安裝板移動(dòng)到最底部時(shí)，傳感器應(yīng)到達(dá)制動(dòng)盤圓周以內(nèi)100mm左右，以便于測(cè)量制動(dòng)盤不同圓周的端面跳動(dòng)量，所以長(zhǎng)度Y=150+100=250mm是比較合適的。所以安裝板的全長(zhǎng)為X+Y=150+250=400mm。為確保安全，盡量避免上料時(shí)因輪對(duì)位置不當(dāng)而導(dǎo)致制動(dòng)盤與傳感器發(fā)生碰撞，當(dāng)安裝板移動(dòng)到最頂部時(shí)，傳感器底部應(yīng)不低于導(dǎo)軌板底部所在的平面，所以導(dǎo)軌有效行程取安裝板總長(zhǎng)400mm完全可以達(dá)到這個(gè)效果，是比較合適的。 這個(gè)結(jié)果是根據(jù)中間的制動(dòng)盤測(cè)量平臺(tái)來確定的，但是對(duì)于兩側(cè)的軸肩定位傳感器也同樣適用。因?yàn)檩S頸高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于制動(dòng)盤高度，所以安全距離是足夠的。這時(shí)只要適當(dāng)延長(zhǎng)傳感器安裝板，使傳感器在最低位置時(shí)能到達(dá)軸肩測(cè)量的位置，在最高位置時(shí)能保證與軸頸面之間的距離足夠安全即可。 距離額定壽命計(jì)算： 上述所選取的HGH-15CA型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100℃，每側(cè)導(dǎo)軌配有兩只滑塊，精度等級(jí)為4級(jí)，工作速度較低，載荷不大。查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，得壽命期望值一般取50km。查表3-1～表3-5，分別取硬度系數(shù)fH=1.0，溫度系數(shù)fT=1.0，接觸系數(shù)fC=0.81，精度系數(shù)fR=0.9，載荷系數(shù)fW=1.5。 表3-1 硬度系數(shù)（選自《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-36） 滾道硬度/HRC 50 55 58～64 硬度系數(shù)fH 0.53 0.8 1 表3-2 溫度系數(shù)（選自《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-37） 工作溫度/℃ <100 100～150 150～200 200～250 溫度系數(shù)fT 1.00 0.90 0.73 0.60 表3-3 接觸系數(shù)（選自《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-38） 每根導(dǎo)軌上滑塊數(shù) 1 2 3 4 5 接觸系數(shù)fC 1.00 0.81 0.72 0.66 0.61 表3-4 精度系數(shù)（選自《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-39） 精度等級(jí) 2 3 4 5 精度系數(shù)fR 1.0 1.0 0.9 0.9 表3-5 載荷系數(shù)（選自《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-40） 工作情況 無外部沖擊或振動(dòng)的低速場(chǎng)合，速度小于15m/min 無明顯沖擊或振動(dòng)的中速場(chǎng)合，速度為15～60m/min 有外部沖擊或振動(dòng)的高速場(chǎng)合，速度大于60m/min 載荷系數(shù)fW 1～1.5 1.5～2 2～3.5 則距離壽命為： L=(fH×fT×fC×fRfW×CaFmax)3×50=2506293Km 遠(yuǎn)大于期望值50km，故選擇的導(dǎo)軌距離額定壽命滿足要求，可用。 3.2.2滾珠絲杠選擇與計(jì)算 使用條件計(jì)算： 移動(dòng)部件質(zhì)量m=15kg，重力G=mg=150N，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榇怪狈较?，最大慣性力Fa=ma=150N。則最大軸向載荷為： Fm=k（G+Fa）=1.1（150+150）=330N 其中k為顛覆力矩影響系數(shù)，因?yàn)檫x用導(dǎo)軌為矩形導(dǎo)軌，查表3-6，取1.1。 表3-6 Fm參考系數(shù)（選自《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-29） 導(dǎo)軌類型 顛覆力矩影響系數(shù)K 摩擦因數(shù)μ 矩形導(dǎo)軌 1.1 0.15 燕尾導(dǎo)軌 1.4 0.2 三角形或綜合導(dǎo)軌 1.15 0.15～0.18 注：上述摩擦因數(shù)μ均指滑動(dòng)導(dǎo)軌，對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌，μ=0.003～0.005。 設(shè)最快運(yùn)行速度為v=3000mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph=10mm，則絲杠轉(zhuǎn)速為： n=vPh=300r/min 支承結(jié)構(gòu)為兩端固定，垂直放置。 計(jì)算動(dòng)載荷： 查表3-7，取絲杠工作壽命Lh=15000h， 則絲杠總轉(zhuǎn)數(shù)為: nk=n×Lh=300×60×15000=2.7×108r 表3-7 各種機(jī)械的工作壽命Lh值（選自《滾珠絲杠副動(dòng)力學(xué)與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表7-1） 機(jī)械類別 工作壽命Lh值/h 普通機(jī)械 5000～10000 普通金屬切割機(jī)床 10000 數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)械 15000 測(cè)示機(jī)械、儀器 15000 航空機(jī)械 1000 根據(jù)總轉(zhuǎn)數(shù)查表3-8得壽命修正系數(shù)Kh=6.5421；查表3-9得載荷系數(shù)KF=1.2；查表3-10得硬度系數(shù)KH=1.0。 表3-8 壽命修正系數(shù)與總轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系（選自《滾珠絲杠副動(dòng)力學(xué)與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表7-2） 總轉(zhuǎn)數(shù)/×106r 260 280 500 600 壽命修正系數(shù)Kh 6.3825 6.5421 7.9271 8.4343 表3-9 載荷系數(shù)KF（選自《滾珠絲杠副動(dòng)力學(xué)與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表7-3） 載荷性質(zhì) 載荷系數(shù)KF 平穩(wěn)或輕度沖擊 1.0～1.2 中等沖擊 1.2～1.5 較大沖擊或振動(dòng) 1.5～3.0 表3-10 硬度系數(shù)KH（選自《滾珠絲杠副動(dòng)力學(xué)與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表7-4） HRC ≥58 55 52.5 50 47.5 45 40 硬度系數(shù)KH 1.0 1.11 1.40 1.67 2.10 2.65 4.50 故絲杠承受動(dòng)載荷為： Cm=KhKFKHFm=6.5432×1.2×1.0×330=2591N 根據(jù)動(dòng)載荷選取絲杠： 預(yù)選臺(tái)灣上銀公司FSV25-10B2型滾珠絲杠，并查上銀絲杠手冊(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)：公稱直徑d0=25mm；導(dǎo)程Ph=10mm；滾珠直徑dw=4.763mm；額定動(dòng)載荷2888N；額定靜載荷6472N。 螺旋升角計(jì)算： tanα=Phπd0=10π×25=0.127 α=7.24° 傳動(dòng)效率和驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算： 當(dāng)量摩擦因數(shù)取μ=0.005，tanρ=μ，ρ=0.286°。 傳動(dòng)效率為： η=tanαtan?(α+ρ)=0.96 則克服最大軸向工作載荷所需驅(qū)動(dòng)力矩為： TP=Fm×Ph2πη=330×102π×0.96=547.1N?mm=0.547N?m 穩(wěn)定性驗(yàn)算： 設(shè)定絲杠有效行程與導(dǎo)軌行程一致，即L=400mm；絲杠承結(jié)構(gòu)為兩端固定，垂直放置，查表3-11得支承系數(shù)m=40×104； 表3-11 支承系數(shù)m（選自《滾珠絲杠副動(dòng)力學(xué)與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表7-5） 絲杠軸軸承情況 支承系數(shù)m 絲杠軸軸承情況 支承系數(shù)m 兩端固定 40×104 一端固定，一端不完全固定 28×104 一端固定，一端鉸支 20×104 兩端不完全固定 18×104 兩端鉸支 10×104 一端固定，一端自由 2.5×104 臨界載荷為： Fc=m(d0-dw)4L2=40×104×(25-4.763)44002=419300N 穩(wěn)定安全系數(shù)： ηy=FcCm=4193002591=161.8?ηy=2~4 所以絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。 3.2.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算與選擇 已知條件： 根據(jù)之前的滾珠絲杠計(jì)算，已知工作載荷參數(shù)如下： 電機(jī)軸轉(zhuǎn)速nm=n=300r/min； 電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=TP=0.547N?m。 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算： 直線運(yùn)動(dòng)部分： JL1=m(Ph2πR)2=15×(0.012×π×1)2=3.80×10-5kg?m2 滾珠絲杠部分： JB=π32?ρ?L?d04?1R2=π32×7900×0.4×0.0254×112=1.21×10-4kg?m2 電機(jī)軸換算負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： JL=JL1+JB=1.59×10-4kg?m2 負(fù)載功率計(jì)算： 啟動(dòng)加速功率計(jì)算： 已知直線運(yùn)行速度v=3000mm/min= 50mm/s =0.05m/s ，設(shè)加速度為a=0.05m/s2 ，則加速度時(shí)間為： ta=va=1s 則加速功率為： Pa=(2πnm60)2?JLta=2π×300602×1.59×10-41=0.16w 行走功率計(jì)算： P0=2πnmTL60=2π×300×0.54760=17.18w 選擇電機(jī)： 根據(jù)以上求得的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率，初步選擇日本松下公司MHMJ系列042G1C型伺服電機(jī)，其額定輸出為400w，額定轉(zhuǎn)矩為1.3N?m，最大轉(zhuǎn)矩為3.8N?m，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JM=0.7×10-4kg?m2。 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩驗(yàn)算： TP=2πnmJM+JL60ta+TL=2π×300×(0.7+1.59)×10-460×1+0.547=0.554N?m 小于電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，所以選擇的電機(jī)符合要求，可用。 3.2.4軸承的選擇 根據(jù)絲杠軸頸直徑，選擇B6004ZZ型雙蓋式深溝球軸承，其優(yōu)點(diǎn)為用途廣泛且生產(chǎn)成本低，且兩側(cè)端蓋能有效防止灰塵進(jìn)入軸承內(nèi)部。其主要參數(shù)為內(nèi)徑20mm，外徑42mm，額定轉(zhuǎn)速12000r/min，額定靜載荷C0=5050N，額定動(dòng)載荷C=9400N。主要承受徑向載荷，也可承受少量軸向載荷。 表3-12 推薦的軸承預(yù)期計(jì)算壽命（選自《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-3） 機(jī)器類型 預(yù)期計(jì)算壽命/h 每日工作8h的機(jī)械（利用率不高），如一般的齒輪傳動(dòng)、某些固定電機(jī)等 12000～20000 每日工作8h的機(jī)械（利用率較高），如金屬切削機(jī)床、連續(xù)使用的起重機(jī)、木材加工機(jī)械、印刷機(jī)械等 20000～30000 壽命校核：查表3-12，取壽命期望值20000h，軸承布置方式為垂直布置，需要承受的軸向力為絲杠和移動(dòng)部件的重力，按照之前的估計(jì)為150N，即軸向載荷Fa=150N。故軸承的相對(duì)軸向載荷為： FaC0=1505050=0.030 表3-13 徑向動(dòng)載荷系數(shù)X與軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y（選自《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-5） 軸承名稱 軸承代號(hào) 相對(duì)軸向載荷Fa/C0 Fa/Fr≤e Fa/Fr>e 判斷系數(shù)e X Y X Y 深溝球軸承 60000 0.025 1 0 0.56 2.0 0.22 0.040 1.8 0.24 0.070 1.6 0.27 0.130 1.4 0.31 0.250 1.2 0.37 0.500 1.0 0.44 查表3-13，該值接近于0.025，故取判斷系數(shù)e=0.22，X值取0.56，Y值取2.0。因?yàn)檩S承為垂直布置，承受徑向載荷Fr幾乎為零，所以Fa/Fr?e。因此軸承當(dāng)量動(dòng)載荷為： P=XFr+YFa=0.56×0+2×150=300N 額定壽命校核： Lh=10660n(CP)ε=10660×300(9400300)3=1.709×106h 其中n為轉(zhuǎn)速，已知為300r/min；ε為指數(shù)，對(duì)球軸承取3，滾子軸承取10/3。 計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于壽命期望值20000h，所以選擇的軸承符合要求，可用。 3.2.5聯(lián)軸器選擇 本設(shè)計(jì)為較精密的檢測(cè)裝置，且軸頸直徑規(guī)格較小，轉(zhuǎn)矩變化沖擊較小，因此選擇輕型的雙膜片式彈性聯(lián)軸器是比較合適的。其優(yōu)點(diǎn)為高靈敏度，高扭矩，零背隙，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，適用于精度高，沖擊小的設(shè)備。根據(jù)電機(jī)軸直徑及滾珠絲杠軸頸直徑，初步選擇CPDW-32-14-15-LK5型雙膜片式彈性聯(lián)軸器，其左側(cè)孔徑為14mm并開有深度為5mm的鍵槽，與電機(jī)軸相配合；右側(cè)孔徑為15mm，無鍵槽，與絲杠軸相配合。最高轉(zhuǎn)速為15000r/min，滿足轉(zhuǎn)速要求；容許力矩為3.5N?m，待校核。 表3-14 工作情況系數(shù)KA（選自《機(jī)械設(shè)計(jì)》表14-1） 工作情況 原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)的工作情況系數(shù)KA 轉(zhuǎn)矩變化很小 1.3 轉(zhuǎn)矩變化小 1.5 轉(zhuǎn)矩變化中等 1.7 轉(zhuǎn)矩校核： 由于機(jī)器啟動(dòng)時(shí)和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中載荷變化可能引起聯(lián)軸器過載，所以應(yīng)當(dāng)以軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca，并按如下公式計(jì)算： Tca=KAT=1.5×0.547=0.82N?m 其中，T為公稱轉(zhuǎn)矩，由之前計(jì)算已知負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.547N?m； KA為工作情況系數(shù)，查表3-14，取1.5。 計(jì)算結(jié)果小于所選聯(lián)軸器容許力矩3.5 N?m，所以該聯(lián)軸器符合要求。 3.3水平運(yùn)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 如圖3-3為制動(dòng)盤檢測(cè)架水平移動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)由水平布置的電機(jī)、絲杠導(dǎo)軌副帶動(dòng)制動(dòng)盤檢測(cè)架進(jìn)行水平移動(dòng)，分別到達(dá)三個(gè)制動(dòng)盤對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)榻z杠導(dǎo)軌布置的方式不同，所受載荷大小、方向與垂直方向都不相同；而且需要保證平臺(tái)在中間制動(dòng)盤位置的重復(fù)定位精度，對(duì)精度的要求更高，所以需要另行設(shè)計(jì)。 圖3-3 水平移動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置 3.3.1導(dǎo)向?qū)к壐钡倪x擇計(jì)算 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件重量估算： 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件包括整個(gè)垂直移動(dòng)平臺(tái)，以及導(dǎo)軌滑塊、螺母座等，初步估計(jì)質(zhì)量為100kg，則導(dǎo)軌承受的工作載荷為: Fmax=mg=1000N 選擇導(dǎo)軌： 導(dǎo)軌仍然選用摩擦系數(shù)小的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。根據(jù)工作載荷Fmax=1000N，初選臺(tái)灣上銀公司的HGH-20CA型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，其額定動(dòng)載荷為17.75KN，額定靜載荷為37.84KN。 導(dǎo)軌行程的確定： 水平移動(dòng)平臺(tái)負(fù)責(zé)帶動(dòng)垂直平臺(tái)到達(dá)三個(gè)制動(dòng)盤的位置進(jìn)行測(cè)量，所以至少要保證平臺(tái)的垂直等分面與兩側(cè)制動(dòng)盤的等分面能夠重合。已知兩側(cè)制動(dòng)盤端面間距為940mm，制動(dòng)盤厚度為80mm，則兩側(cè)制動(dòng)盤等分面距離為940-2×40=860mm。平臺(tái)背面需要安裝導(dǎo)軌滑塊及絲杠螺母座，需要的寬度大概為180mm。則平臺(tái)到達(dá)兩側(cè)制動(dòng)盤位置時(shí)平臺(tái)在制動(dòng)盤等分面兩側(cè)的距離皆為90mm，則導(dǎo)軌行程最小應(yīng)該為860+2×90=1040mm。考慮到行程應(yīng)留有一定的余量，但是在行程方向上還需要安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，且需要注意不可與兩側(cè)負(fù)責(zé)測(cè)量軸肩的垂直移動(dòng)平臺(tái)發(fā)生干涉，所以余量不能太多，每側(cè)留出20mm行程余量即可。綜上所述，導(dǎo)軌行程定為1080mm。 距離額定壽命計(jì)算： 上述所選取的HGH-15CA型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100℃，每側(cè)導(dǎo)軌配有兩只滑塊，精度等級(jí)為4級(jí)，工作速度較低，載荷不大。查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，得壽命期望值一般取50km。查表3-1～表3-5，分別取硬度系數(shù)fH=1.0，溫度系數(shù)fT=1.0，接觸系數(shù)fC=0.81，精度系數(shù)fR=0.9，載荷系數(shù)fW=1.5。 則距離壽命為： L=(fH×fT×fC×fRfW×CaFmax)3×50=32097Km 遠(yuǎn)大于期望值50km，故選擇的導(dǎo)軌距離額定壽命滿足要求，可用。 3.3.2滾珠絲杠選擇與計(jì)算 使用條件計(jì)算： 移動(dòng)部件質(zhì)量m=100kg，重力G=mg=1000N。運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樗椒较?，設(shè)最快速度為v=3000mm/min，啟動(dòng)加速時(shí)間為t=1s，則啟動(dòng)加速度為： a=vt=50mm/min=0.05m/s 則最大軸向載荷為： Fmax=μG+ma=10N 其中μ為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，查表3-6，對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005。 初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm，則絲杠轉(zhuǎn)速為： n=vPh=600r/min 支承結(jié)構(gòu)為兩端固定，垂直放置。 計(jì)算動(dòng)載荷： 查表3-7，取絲杠工作壽命Lh=15000h， 則絲杠總轉(zhuǎn)數(shù)為: nk=n×Lh=600×60×15000=5.4×108r 根據(jù)總轉(zhuǎn)數(shù)查表3-8得壽命修正系數(shù)Kh=8.4343；查表3-9得載荷系數(shù)KF=1.2；查表3-10得硬度系數(shù)KH=1.0。 故絲杠承受動(dòng)載荷為： Cm=KhKFKHFm=6.5432×1.2×1.0×10=101.2N 根據(jù)動(dòng)載荷選取絲杠： 考慮到本部分絲杠長(zhǎng)度較大，所以絲杠直徑不宜太小。預(yù)選臺(tái)灣上銀公司FSV32-5B2型滾珠絲杠，并查上銀絲杠手冊(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù)：公稱直徑d0=32mm；導(dǎo)程Ph=5mm；滾珠直徑dw=3.175mm；額定動(dòng)載荷1886N；額定靜載荷5666N。 螺旋升角計(jì)算： tanα=Phπd0=5π×32=0.050 α=2.85° 傳動(dòng)效率和驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算： 當(dāng)量摩擦因數(shù)取μ=0.005，tanρ=μ，ρ=0.286°。 傳動(dòng)效率為： η=tanαtan?(α+ρ)=0.91 則克服最大軸向工作載荷所需驅(qū)動(dòng)力矩為： TP=Fm×Ph2πη=10×52π×0.91=8.74N?mm=0.009N?m 穩(wěn)定性驗(yàn)算： 絲杠有效行程取導(dǎo)軌最小行程L=1040mm即可，因?yàn)槠脚_(tái)位置到達(dá)極限時(shí)對(duì)絲杠螺母座來說仍留有余量。絲杠承結(jié)構(gòu)為兩端固定，垂直放置，查表3-11得支承系數(shù)m=40×104； 臨界載荷為： Fc=m(d0-dw)4L2=40×104×(32-3.175)410402=2.56×105N 穩(wěn)定安全系數(shù)： ηy=FcCm=2.56×105101.2?ηy=2~4 所以絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。 3.3.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算與選擇 已知條件： 根據(jù)之前的滾珠絲杠計(jì)算，已知工作載荷參數(shù)如下： 電機(jī)軸轉(zhuǎn)速nm=n=600r/min； 電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=TP=0.009N?m。 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算： 直線運(yùn)動(dòng)部分： JL1=μm(Ph2πR)2=0.005×100×(0.0052×π×1)2=3.2×10-7kg?m2 滾珠絲杠部分： JB=π32?ρ?L?d04?1R2=π32×7900×1.04×0.0324×112=8.45×10-4kg?m2 電機(jī)軸換算負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： JL=JL1+JB=8.4532×10-4kg?m2 負(fù)載功率計(jì)算： 啟動(dòng)加速功率計(jì)算： 已知直線運(yùn)行速度v=3000mm/min= 50mm/s =0.05m/s ，設(shè)加速度為a=0.05m/s2 ，則加速度時(shí)間為： ta=va=1s 則加速功率為： Pa=(2πnm60)2?JLta=2π×600602×1.59×10-41=3.40w 行走功率計(jì)算： P0=2πnmTL60=2π×600×0.00960=0.56w 選擇電機(jī)： 考慮到本部分絲杠軸端直徑為20mm，所以電機(jī)軸直徑不宜太小，否則難以選擇聯(lián)軸器來互相配合。再根據(jù)以上求得的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率，仍然選擇日本松下公司MHMJ系列042G1C型伺服電機(jī)，其額定輸出為400w，額定轉(zhuǎn)矩為1.3N?m，最大轉(zhuǎn)矩為3.8N?m，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JM=0.7×10-4kg?m2。 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩驗(yàn)算： TP=2πnmJM+JL60ta+TL=2π×300×(0.7+8.5432)×10-460×1+0.009=0.299N?m 小于電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，所以選擇的電機(jī)符合要求，可用。 3.3.4軸承的選擇 本部分絲杠為水平布置，軸承只需要承受徑向力，所以選擇最常用且生產(chǎn)成本低的深溝球軸承即可。根據(jù)絲杠軸頸直徑，選擇B6205ZZ型雙蓋式深溝球軸承，其優(yōu)點(diǎn)為用途廣泛且生產(chǎn)成本低，且兩側(cè)端蓋能有效防止灰塵進(jìn)入軸承內(nèi)部。其主要參數(shù)為內(nèi)徑25mm，外徑52mm，額定轉(zhuǎn)速12000r/min，額定靜載荷C0=7850N，額定動(dòng)載荷C=14000N。主要承受徑向載荷，也可承受少量軸向載荷。 壽命校核：查表3-12，取壽命期望值20000h，軸承布置方式為水平布置，需要承受的徑向力僅為絲杠重力。其中絲杠有效行程為1040mm，但還要加上軸端及軸頸長(zhǎng)度，一共為1120mm。按照絲杠的直徑及長(zhǎng)度，大致估算其質(zhì)量為： m=πR2Lρ=3.14×0.0162×1.12×7900=7.11kg 則軸承承受絲杠重力為： G=mg=71.1N 因?yàn)檩S承只承受絲杠重力，因此軸承當(dāng)量動(dòng)載荷為： P=G=71.1N 額定壽命校核： Lh=10660n(CP)ε=10660×600(1400071.1)3=2.12×108h 其中n為轉(zhuǎn)速，已知為600r/min；ε為指數(shù)，對(duì)球軸承取3，滾子軸承取10/3。 計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于壽命期望值20000h，所以選擇的軸承符合要求，可用。 3.3.5聯(lián)軸器選擇 本設(shè)計(jì)為較精密的檢測(cè)裝置，且軸頸直徑規(guī)格較小，轉(zhuǎn)矩變化沖擊較小，因此選擇輕型的雙膜片式彈性聯(lián)軸器是比較合適的。雙膜片式彈性聯(lián)軸器具有高靈敏度，高扭矩，零背隙，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低等優(yōu)點(diǎn)，適用于精度高，沖擊小的設(shè)備。根據(jù)電機(jī)軸直徑及滾珠絲杠軸頸直徑，初步選擇CPDW-32-14-20-LK5型雙膜片式彈性聯(lián)軸器，其左側(cè)孔徑為14mm并開有深度為5mm的鍵槽，與電機(jī)軸相配合；右側(cè)孔徑為20mm，無鍵槽，與絲杠軸相配合。最高轉(zhuǎn)速為15000r/min，滿足轉(zhuǎn)速要求；容許力矩為3.5N?m，待校核。 轉(zhuǎn)矩校核： 由于機(jī)器啟動(dòng)時(shí)和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中載荷變化可能引起聯(lián)軸器過載，所以應(yīng)當(dāng)以軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca，并按如下公式計(jì)算： Tca=KAT=1.5×0.009=0.0135N?m 其中，T為公稱轉(zhuǎn)矩，由之前計(jì)算已知負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.009N?m； KA為工作情況系數(shù)，查表3-14，取1.5。 計(jì)算結(jié)果小于所選聯(lián)軸器容許力矩3.5 N?m，所以該聯(lián)軸器符合要求。 第4章 輪對(duì)定位與旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 4.1簡(jiǎn)介 圖4-1 徑向定位座示意圖 1.輪對(duì)軸頸；2.深溝球軸承 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)需要測(cè)量制動(dòng)盤的端面跳動(dòng)，所以要使輪對(duì)在定位夾緊的同時(shí)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。定位方式采用徑向以軸頸面定位，軸向以兩側(cè)氣缸推進(jìn)定位并夾緊。徑向定位如圖4-1所示，將輪對(duì)軸頸部放在兩個(gè)固定的軸承中間，利用輪對(duì)自身的重力來實(shí)現(xiàn)徑向定位，軸向定位與夾緊則是通過兩側(cè)的氣缸推動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)輪方法是在推動(dòng)軸與輪對(duì)軸端的接觸面上加一層聚氨酯，由轉(zhuǎn)輪電機(jī)帶動(dòng)推動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，利用聚氨酯軟驅(qū)動(dòng)來帶動(dòng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)，并且定位軸承能大大減小輪對(duì)在旋轉(zhuǎn)時(shí)所受摩擦力作用。 4.2定位座尺寸設(shè)計(jì)及定位軸承的選擇與計(jì)算 4.2.1尺寸設(shè)計(jì)與軸承選擇 圖4-2 尺寸與受力分析圖 如圖4-2為尺寸與受力分析圖，已知輪對(duì)軸頸直徑為130mm，則其半徑為65mm。為了方便確定輪對(duì)軸心到軸承軸心連線高度h的數(shù)值，所以由輪對(duì)軸頸與軸承半徑之和、軸承中心線間距的一半經(jīng)勾股定理計(jì)算得到的h應(yīng)為整數(shù)。因?yàn)檩S承只需要承受單純的徑向力，所以選用應(yīng)用范圍最廣且制造成本低的深溝球軸承即可。初步選擇6208型深溝球軸承，其外徑為80mm，則輪對(duì)軸頸與軸承半徑之和為105mm。設(shè)定兩軸承軸心間距為126mm，其一半就是63mm。則輪對(duì)軸心到軸承軸心連線之間的高度為： h=1052-632=84mm 已知輪對(duì)質(zhì)量為1457kg，為方便計(jì)算取1500。如圖4-2所示，因?yàn)檩唽?duì)兩端都有支承，且軸承只承受徑向載荷，所以軸承所承受的載荷為： P=F=12mgcosθ=12×15000×84105=6000N 4.2.2軸承壽命校核 上述所選擇的6208型深溝球軸承主要參數(shù)為：外徑D=80mm，內(nèi)徑d=40mm，軸承額定靜載荷為C0=18.0KN，額定動(dòng)載荷為C=29.5KN。查表3-12，取壽命期望值20000h；因?yàn)橐獪y(cè)量制動(dòng)盤端面跳動(dòng)，所以轉(zhuǎn)速不能太快。設(shè)定轉(zhuǎn)速為n=3r/min。所以軸承壽命為： Lh=10660n(CP)ε=10660×3(29.56)3=0.66×106h 其中ε為指數(shù)，對(duì)球軸承取3，滾子軸承取10/3。 計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壽命期望值20000h，所以選擇的軸承符合要求，可用。 4.3轉(zhuǎn)輪電機(jī)的選擇與計(jì)算 電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 已知輪對(duì)質(zhì)量為1457kg，為方便計(jì)算，取1500。軸頸半徑為65mm，則輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J=12mr2=12×1500×0.0652=3.17kg?m2 設(shè)轉(zhuǎn)速為n=3r/min，則角速度為： ω=2πn60=π10 初步設(shè)定啟動(dòng)加速時(shí)間為ta=2s，則角加速度為： β=ωta=π20 則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為： T=Jβ=3.17×π20=0.498N?m 電機(jī)軸換算負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： TL=T=0.498N?m 根據(jù)轉(zhuǎn)矩選擇日本松下公司MHMJ系列042G1C型伺服電機(jī)，其額定輸出為400w，額定轉(zhuǎn)矩為1.3N?m，最大轉(zhuǎn)矩為3.8N?m，額定轉(zhuǎn)速為3000r/