凸轮轴测量机的逆向设计与虚拟展示（全套含CAD及三维建模）
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凸轮轴
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故障的分析、尺寸的决定以及凸轮的分析和应用 前言介绍： 作为一名设计工程师有必要知道零件如何发生和为什么会发生故障，以便通过进行最低限度的维修以保证机器的可靠性。有时一次零件的故障或者失效可能是很严重的一件事情，比如，当一辆汽车正在高速行驶的时候，突然汽车的轮胎发生爆炸等。另一方面，一个零件发生故障也可能只是一件微不足道的小事，只是给你造成了一点小麻烦。一个例子是在一个汽车冷却系统里的暖气装置软管的松动。后者发生的这次故障造成的结果通常只不过是一些暖气装置里冷却剂的损失，是一种很容易被发现并且被改正的情况。 能够被零件进行吸收的载荷是相当重要的。一般说来，与静载重相比较，有两个相反方向的动载荷将会引起更大的问题，因此，疲劳强度必须被考虑。另一个关键是材料是可延展性的还是脆性的。例如，脆的材料被认为在存在疲劳的地方是不能够被使用的。 很多人错误的把一个零件发生故障或者失效理解成这样就意味着一个零件遭到了实际的物理破损。无论如何，一名设计工程师必须从一个更广泛的范围来考虑和理解变形是究竟如何发生的。一种具有延展性的材料，在破裂之前必将发生很大程度的变形。发生了过度的变形，但并没有产生裂缝，也可能会引起一台机器出毛 病，因为发生畸变的零件会干扰下一个零件的移动。因此，每当它不能够再履行它要求达到的性能的时候，一个零件就都算是被毁坏了（即使它的表面没有被损毁）。有时故障可能是由于两个两个相互搭配的零件之间的不正常的磨擦或者异常的振动引起的。故障也可能是由一种叫蠕变的现象引起的，这种现象是指金属在高温下时一种材料的塑性流动。此外，一个零件的实际形状可能会引起故障的发生。例如，应力的集中可能就是由于轮廓的突然变化引起的，这一点也需要被考虑到。当有用两个相反方向的动载荷，材料不具有很好的可延展性时，对应力考虑的评估就特别重要。 一般说来，设计工程师必须考虑故障可能发生的全部方式，包括如下一些方面： 压力 变形 磨损 腐蚀 振动 环境破坏 固定设备松动 在选择零件的大小与形状的时候，也必须考虑到一些可能会产生外部负载影响的空间因素，例如几何学间断性，为了达到要求的外形轮廓及使用相关的连接件，也会产生相应的残余应力。 凸轮是被应用的最广泛的机械结构之一。凸轮是一种仅仅有两个组件构成的设备。主动件本身就是凸轮，而输出件被称为从动件。通过使用凸轮，一个简单的输入动作可以被修改成几乎可以想像得到的任何输出运动 。常见的一些关于凸轮应用的例子有： 凸轮轴和汽车发动机工程的装配 专用机床 自动电唱机 印刷机 自动的洗衣机 自动的洗碗机 高速凸轮 (凸轮超过 1000 的轮廓必须从数学意义上来定义。无论如何，大多数凸轮以低速 (少于 500 行而中速的凸轮可以通过一个大比例的图形表示出来。一般说来，凸轮的速度和输出负载越大，凸轮的轮廓在被床上被加工时就一定要更加精密。 材料的设计属性 当他们与抗拉的试验有关时，材料的下列设计特性被定义如下。 静强度： 一个零件的强度是指零件在不会 失去它被要求的能力的前提下能够承受的最大应力。因此静强度可以被认为是大约等于比例极限，从理论上来说，我们可以认为在这种情况下，材料没有发生塑性变形和物理破坏。 刚度： 刚度是指材料抵抗变形的一种属性。这条斜的模数线以及弹性模数是一种衡量材料的刚度的一种方法。 弹性： 弹性是指零件能够吸收能量但并没有发生永久变形的一种材料的属性。吸收的能量的多少可以通过下面弹性区域内的应力图表来描述出来。 韧性： 韧性和弹性是两种相似的特性。无论如何，韧性是一种可以吸收能量并且不会发生破裂的能力。因此可以通过应力图里面的总面 积来描述韧性，就像用图2.8 b 描绘的那样。显而易见，脆性材料的韧性和弹性非常低，并且大约相等。 脆性： 一种脆性的材料就是指在任何可以被看出来的塑性变形之前就发生破裂的材料。脆性的材料一般被认为不适合用来做机床的零部件，因为当遇到由轴肩，孔，槽，或者键槽等几何应力集中源引起的高的应力时，脆性材料是无法来产生局部屈服的现象以适应高的应力环境的。 延展性： 一种延展性材料会在破裂之前表现出很大程度上的塑性变形现象。延展性是通过可延展的零件在发生破裂前后的面积和长度的百分比来测量的。一个在发生破裂的零件，其伸 长量如果为 5%，则认为该伸长量就是可延展性和脆性材料分界线。 可锻性： 可锻性从根本上来说是指材料的一种在承受挤压或压缩是可以发生塑性变形的能力，同时，它也是一种在金属被滚压成钢板时所需金属的重要性能。 硬度： 一种材料的硬度是指它抵抗挤压或者拉伸它的能力。一般说来，材料越硬，它的脆性也越大，因此，弹性越小。同样，一种材料的极限强度粗略与它的硬度成正比。 机械加工性能（或切削性）： 机械加工性能是指材料的一种容易被加工的性能。通常，材料越硬，越难以加工。 压应力和剪应力 除抗拉的试验之外，还有其它一些可以提 供有用信息的静载荷的实验类型。 压缩测试： 大多数可延展材料大约有相同特性，当它们处于受压状态的紧张状态时。极限强度，无论如何，不能够被用于评价压力状态。当一件具有可延展性的样品受压发生塑性变形时，材料的其它部分会凸出来，但是在这种紧张的状态下，材料通常不会发生物理上的破裂。因此，一种可延展的材料通常是由于变形受压而损坏的，并不是压力的原因。 剪应力测试： 轴，螺钉，铆钉和焊接件被用这样一种方式定位以致于生产了剪应力。一张抗拉试验的试验图纸就可以说明问题。当压力大到可以使材料发生永久变形或发生破坏时，这时 的压力就被定义为极限剪切强度。极限剪切强度，无论如何，不等于处于紧张状态的极限强度。例如，以钢的材料为例，最后的剪切强度是处于紧张状态大约极限强度的 75%。当在机器零部件里遇到剪应力时，这个差别就一定要考虑到了。 动力载荷 不会在各种不同的形式的力之间不停发生变化的作用力被叫作静载荷或者稳定载荷。此外，我们通常也把很少发生变化的作用力叫作静载荷。在拉伸实验中，被分次、逐渐的加载的作用力也被叫作静载荷。 另一方面，在大小和方向上经常发生变化的力则被称为动载荷。动载荷可以被再细分为以下的 3种类型。 变载荷： 所 谓变载荷，就是说载荷的大小在变，但是方向不变的载荷。比如说，变载荷会产生忽大忽小的张应力，但不会产生压应力。 周期性载荷： 像这样的话，如果大小和方向同时改变，则就是说这种载荷会反复周期性的产生变化的拉应力和压应力，这种现象往往就伴随着应力在方向和大小上的周期性变化。 冲击载荷： 这类载荷是由于冲击作用产生的。一个例子就是一台升降机坠落到位于通道底部的一套弹簧装置上，这套装置产生的力会比升降机本身的重量大上好几倍。 当汽车的一个轮胎碰撞到道路上的一个突起或者路上的一个洞时，相同的冲击荷载的类型也会在汽车的减震 器弹簧上发生。 疲劳失效疲劳极限线图 正如图 果材料的某处经常会产生大量的周期性作用力，那么在材料的表面就很可能会出现裂缝。裂缝最初是在应力超过它极限压力的地方开始出现的，而通常这往往是有微小的表面缺陷的地方，例如有一处材料出现瑕疵或者一道极小的划痕。当循环的次数增加时，最初的裂缝开始在轴的周围的逐渐产生许多类似的裂缝。所以说，第一道裂缝的意义就是指应力集中的地方，它会加速其它裂缝的产生。一旦整个的外围斗出现了裂缝，裂缝就会开始向轴的中心转移。最后，当剩下的固体的内部地区变得足够小，且当压 力超过极限强度时，轴就会突然发生断裂。对断面的检查可以发现一种非常有趣的图案，如图 部的一个环形部分相对光滑一些，因为原来表面上相互交错的裂缝之间不断地发生磨擦导致了这种现象的产生。无论如何，中心部分是粗糙的，表明中心是突然发生了断裂，类似于脆性材料断裂时的现象。 这就表明了一个有趣的事实。当正在使用的机器零件由于静载荷的原因出现问题时，由于材料具有的延展性，他们通常会发生一定程度的变形。 尽管许多地由于静压力导致的零件故障可以通过频繁的做实际的观察并且替换全部发生变形的零件来避免。不管怎样 ，疲劳失效有助于起到警告的作用。汽车中发生故障的零件中的 90%的原因都是因为疲劳的作用。 一种材料的疲劳强度是指在压力的反复作用下的抵抗产生裂缝的能力。持久极限是用来评价一种材料的疲劳强度的一个重要参数。进一步说明就是，持久极限就是指在无限循环的作用力下不引起失效的压力值。 让我们回头来看在图 示的疲劳试验机器的。试验是这样被进行的：一件小的重物被插入，电动机被启动。在试样的失效过程中，由计算寄存器记录下循环的次数 N，并且弯曲压力的相应最大量由第 程式计算。然后用一个新的样品替换掉被毁坏的样 品，并且将另一个重物插入以增加负荷量。压力的新的数值再次被计算，并且相同的程序再次被重复进行，直到零件的失效只需要一个完整周期时为止。然后根据压力值和所需的循环的次数来绘制一个图。图被称为持久极限曲线或者 线。由于这需要的前提是要进行无限次的循环，所以我们可以以 100万个循环用来作循环参考单位。因此， 持久极限可以从图表 材料是在承受了 100万个循环后而没有发生失效的。 用图 绘的关系对于钢的材料来说更为典型，因为当 N 接近非常大的数字时， 曲线就会变得水平。因此持久极限等于曲线接近一条水平的切线时的压力水平。由于包含了大量的循环，在绘图时， 图 采用这样的方法做时，水平的直线就可以更容易发现材料的持久极限值。对于钢的材料来说，持久极限值大约等于极限强度的 50%。无论如何，已经加工完成的表面如果不是一样的光滑，持久极限的值就会被降低。例如，对于钢材料的零件来说， 63 微英寸（ 的机械加工的表面，零件的持久极限占理论的持久极限的百分比降低到了大约 40%。而对于粗糙的表面来说 （ 300至更多），百分比可能降低到 25%左右的水平。 最常见的疲劳损坏的类型通常是由于弯曲应力所引起的。其次就是扭应力导致的失效，而由于轴向负载引起的疲劳失效却极少发生。弹性材料通常使用从零到最大值之间变化的剪应力值来做实验，以此来模拟材料实际的受力方式。 就一些有色金属而论，当循环的次数变得非常大时，疲劳曲线不会随着循环次数的增大而变得水平。，而疲劳曲线的继续变小，表明不管作用力有多么的小，多次的应力反复作用都会引起零件的失效。这样的一种材料据说没有持久极限。对于大多数有色金属来说，它们都有一个持久极限，数值大小大约是极限强度的25%。 温度对屈服强度和弹性模数的影响 一般说来，当在说明一种拥有特殊的属性的材料时，如弹性模数和屈服强度，表示这些性能在室温环境下就可以存在。在低的或者较高的温度下，材料的特性可能会有很大的不同。例如，很多金属在低温时会变得更脆。 此外，当温度升高时，材料的弹性模数和屈服强度都会变差。图 示了低碳钢的屈服强度在从室温升高到 10000%。 当温度升高时，图 方面的削减。正如从图上可以看见的那样，弹性模数在从室温升高到 10000%。从这张图表中，我们也能看到在室温下承受了一定载荷而不会发生变形的零件却可能在高温时承受相同载荷时发生永久变形。 蠕变： 一种塑性变形的现象 由于温度效应的影响，金属中产生了一种被称为蠕变的现象，一个承受了一定的载荷的零件的塑性 变形是按照一个时间函数来逐渐增加的。蠕变现象在室温的条件下也是存在的，但它发生的过程是如此之慢，以致于很少变得像在预期寿命中温度被升高到 300渐增加的塑性变形可能在一段短的时期内变得很明显。材料的抗蠕变强度是指材料抵抗蠕变的属性，并且抗蠕变强度的数据可以通过处理长期的蠕变试验 (模拟实际零件的操作条件 )来获得。在试验的过程中，给定的材料在规定的温度下的塑性应变被被进行了实时监控。 由于蠕变是一种塑性变形现象，发生了蠕变的零件的尺寸可能就会被永久的改变。因此，如果一个零件是在很强的强度下 运转的话，那么设计工程师必须精确地预言将在机器的使用寿命期间可能发生的蠕变的次数。否则，与此伴随的或者相关的问题就可能发生。 在高温下，当螺栓被用来紧固零件时，蠕变就可能变成一个必须解决的问题。处在压力状态下的螺钉，蠕变是按照一个时间函数来发生的。因为变形是塑性的，夹紧力的损失将可能导致螺纹连接件的意外松动。像这种特殊的现象，通常被称为松弛，我们可以通过进行适当的蠕变强度时测试来确定是不是发生了蠕变。 图 中，我们可以注意到在高温条件下，蠕 变发生的速度逐渐加速，直到零件失效。从图表里的时间轴上 (，我们可以描述在 10年的时间里，这种产品的预期寿命。 总结 机器设计者必须理解进行抗拉的静止强度的测试目的。这种试验可以确定被在设计方程式过程中使用的许多金属的机械特性。像弹性模数，比例极限，屈服强度，弹性，以及延展性等等可以根据抗拉试验来决定它们的特性。 动载荷是指那些，在大小和方向上发生变化并且可能需要对机器零件在抵抗失效能力上的研究。由于应力的反复作用，允许使用的安全应力是基于材料的持久极限而不是基于屈服强度或者是极限强度。 压力集中在机器 零件改变尺寸的位置发生，例如在一块平的金属板上的一个孔或者一块平板、一个沟槽、一个圆轴上的皮带在宽度方向上的突然变化。尤其是在一块平板上或一块条板上有一个孔的情况下，当孔的大小减少时，最大应力 的值相对于平均应力变得大得多。减少的压力集中影响的方法通常就是使在形状上的变化更有规律性。 被设计出来的机械零件被用于在低于屈服强度或者极限强度的一些允许的环境下使用。这种方法可以用来照顾到在加工期间像材料属性的变化和残余应力的产生这样的未知因素， 以及用来做近似而不是精确计算的方程式。根据屈服强度或者极限强度来确定安 全系数以决定安全应力的大小。 温度能影响金属的机械特性。温度的增加可能会引起金属的热胀和蠕变，并且还可能降低它的屈服强度和它的弹性模数。如果大多数金属不被允许在温度发生变化时发生膨胀或者收缩，那么压力就会被当做载荷来看待。这现象在依靠干涉配合来进行零件装配时是有益的。一个毂或者孔的内径比与它相配的轴或者圆柱的直径小一点。先将毂加热后，由于热胀冷缩，此时可以轻松的将轴插入其中。当它冷却以后，同样由于热胀冷缩，它的内孔直径会变小，从而对插入其中的轴产生了很大的摩擦力，有效的防止了轴的松动。 计算机辅助制造构造的 类型 盘形凸轮 . 这类凸轮是最受欢迎的类型之一，因为这种凸轮的设计和制造是比较简单和容易的。如图 以注意到从动件移动到了与凸轮的旋转轴垂直的位置。所有的凸轮都按照两个不同的实体在运转时不会互相碰撞的基本原理来运行。因此，随着凸轮的旋转（在这种情况下，一般是逆时针转），从动件要么向上移动要么就接受适当的约束。我们应该把注意力集中于防止从动件发生粘接和使从动件的运动满足生产的要求。当从动件向下移动时，弹簧需要使从动件的棍子和凸轮的轮廓保持。棍子是被用来减少齿轮接触表面的磨擦力的。对于凸轮的 每次旋转来说，从动件通过对凸轮底部死点的冲击使其移动到顶端。 图 示的是一个带有一个尖顶从动件的盘形凸轮。复杂的动作可以通过这类从动件产生，因为一个点能够精确地跟随着凸轮轮廓的任何突然变化。无论如何，这种设计局限于负荷是非常小的应用里；否则两个实体的接触点将会被磨损掉，从而导致一系列的问题出现。 盘形凸轮的两个另外的变量分别是旋转的从动件和从动件的偏移量，需要的是旋转的运动时，一个旋转的从动件就会被使用。关于从动件的偏移量，我们需要注意从动件的偏移量的大小是取决于像压力角和凸轮外 轮 廓等参数的，这两个参数稍后将会被介绍。没有偏移量的从动件被称作同轴心的从动件。 传递动力的凸轮：如图 描绘的被用来传递动力的凸轮。当凸轮朝着水平的方向传递运动时，从动件会产生上下滑动。从这里我们可以看出，一个旋转的从动件和一个滑动的从动件都可以被使用。这种类型的动作通常会被用在一些生产用于凸轮上的产品的专用机床上。这种设计上的变化在旋转和传输动力的三维的凸轮上体现了出来。例如，一块手工制造的步枪原料被放在一台专用车床上。这块原料的形状是要求能够实现以各凸轮所要达到的功能。当它旋转并传输动力时，从动 件就可以控制用来把一块木材加工成生产步枪原料的机床。 主动凸轮：在上述的凸轮设计中，凸轮和从动件之间在往返运动中保持接触是通过弹簧力的作用来保证的。无论如何，处于高速运转中的凸轮，用来保持凸轮和从动件之间的接触的弹簧力可能会变得很大，这是由于凸轮在高速运动中的加速度会产生额外的动作用力，接触的位置可能会发生变形。在这种情况下，接触面可能产生过大的压力，这样将会导致零件过早的被磨损。主动凸轮是不需要弹簧的，因为从动件被迫在两个方向上与凸轮接触。这样的主动凸轮可以分为 4类：圆柱形的凸轮，开槽的盘形凸轮 (也叫表 面凸轮 )，分型板凸轮，以及共轭凸轮。 圆柱形凸轮：如图 柱形凸轮可以使从动件实现不断的往复运动。图 过凸轮上槽沟的设计，我们可以实现使用几个凸轮轴来完成从动件的圆周分布。 开槽的盘形凸轮：在图 们可以看到一个带有旋转的从动件的分型板凸轮，但是这样的设计也可以被用于传递动力的从动件上面。凸轮 一起绕着凸轮轴 轮 接触，而凸轮 筒 都被安装在一根直角杠杆上，而这个直角杠杆是绕着点 A 摆 动的从动件。当凸轮 的需要的动作时，凸轮 提供需要的动作。 共轭凸轮这种类型的凸轮，正如图表 一个被安装在凸轮轴偏心处的圆凸轮组成。从动件每次的摆度等于两倍的凸轮的偏心矩 e。这样的凸轮会生产简谐振运动而没有保留时间。下面更进一步的讨论一下第 分。 计算机辅助制造的专有名词 在我们涉及凸轮的设计之前，我们很有必要知道各种各样被用于鉴别凸轮的重要的设计参数。看一下下图 果你把凸轮想像成是不动的，而从动件是绕着凸轮转动的，那么，你将更容易理 解对凸轮的描述。 轨迹点：是指尖顶从动件的终点或者辊子中心或者辊子之类的从动件的终点。 凸轮轮廓：凸轮的实际形状。 基圆：是指能够画出来的且与凸轮的轮廓线相切的最小的圆。它的中心也就是凸轮轴的中心。凸轮轴里的最小的半径就是基圆的半径。 啮合曲线：假定凸轮是固定不动的，从动件绕着凸轮旋转的，那么，轨迹点的路径就是啮合曲线。 优圆：优圆是指与啮合曲线相切，且它的中心也在分配轴的中心的圆。 压力角：压力角是指从动件的运动方向与节圆上辊子的中心所在的点之间的角度。 凸轮外形：与凸轮轮廓相同。 指从动件离凸轮中心最近的位置。 行程：是指从动件在 高度上的行程：是指从动件从 时高度的变化值。 返程：是指从动件从 轮廓平行线：是指当凸轮在转动时，从动件可以和凸轮的中心保持恒定的距离不变的轨迹。 我们可以通过图 深刻的理解。在这里， 任何一个接触点的地方，它一定是与表面垂直的。 反 ，它时通过压力角 来表明从动件的运动的方向的。因此，力 直分量是向上驱动从动件的那个力，因此，忽略了摩擦力，就等于从动件所受的力。水平方向的力没有座有用功，但是它仍然是不可或缺的。事实上，它试图使从动件能够沿着它的方向走。这样就可能会损坏从动件或者使从动件被卡死。很明显，我们希望压力角能够尽可能的减小测向 力的大小。一个实际的经验法则是设计凸轮轮廓时，应使压力角的度数不超过30o 。压力角的大小，一般说来，取决于从动件的以下四个参数： 基圆的大小 。 从动件相对主动件的圆心的偏移量的大小。 滚筒直径的大小。 凸轮轮廓平面 (取决于使用的从动件运动的从动件行程和类型 )。 如果凸轮的要求没有改变，那么前面提到的一些参数就不能被改变。例如空间的限制。在我们已经学习过了如何设计凸轮之后，我们将学到减小压力角的各种各样的方法。 in to of of on is in in of in to of be by of to is a to a is a a of is of to of at is a o., s R & D of of by as by of of on of at in is it (1) to by on (2): by up (3) in of (4) s (5) of (6) be in It of of of on 1 of in be in of 40m/s), V 40m/s）、中速和低速（ v 25m/s）的传动；功率可从小于 1w 到 1054) 传动效率高。一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达 99%以上。 5) 结构紧凑。适用于近距离传动。其中，渐开线圆柱齿轮的应用非常广泛。它传动的速度和功率范围很大；传动效率高，一对齿轮可达 98% 精度越高，效率越高；对中心距的敏感性小，装配和维修比较简便；可以进行变位切削及各种维修、修缘，以适应提高传动质量的要求；易于进行精确加工；单级传动比为 1 8。在我的设计中，对结构的要求比较严格。丝杠的直径、电机的大小等都是定好的。而且我所需的仅是一级齿轮传动，传动比为 4，根据以上特点，再根据 总体功能要求，整个传动部件只起传动作用，为了节约成本，加工方便，因此我最后选定外啮合的渐开线圆柱齿轮传动。滚动轴承的选择 ,滚动轴承一般由外圈，内圈，滚动体和保持架组成。其中内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转，外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用，滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命，保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起润滑作用。经过计算我选择的轴承其代号6202。 我将凸轮轴测量仪分为 A:传动部件， B:测 量部件， C 外壳，皮老虎和拖链 :， D 床身部件， E 底柜， F 电控柜， G 顶尖部件 . A 传动部件，这个部件的主要功能是带动 动，达到测量的效果。因此在设计时的初步想法就是选用步进电机为动力源，经过一对齿轮减速后带动丝杠转动，从而使丝杠螺母往复运动。我的设计过程如下：根据设计任务书速度与载荷的要求，初定两齿轮的传动比、模数、中心距及分度圆直径。根据这些尺寸，在草绘中做一个齿轮啮合的示意图，作为装配用的布局图。根据转速及载荷的要求，选定电机，为电机建模。在装配中装入布局图，再根据布局图将电机装入。根据行程、精度等要 求，初定丝杠的长度及结构，选择丝杠的型号，在装配环境下，用 成并根据布局图装配（丝杠虽是外购件，但是部分结构可以定制，因此需要另行设计）。根据电机与丝杠的相对位置，从 调入齿轮雏形，再设计齿轮的详细结构。根据电机的位置及结构，在装配环境下设计电机安装板。根据丝杠、齿轮的位置及结构选取轴承，设计轴承座、轴承盖、导筒及内垫圈。调整丝杠的结构，使丝杠的结构紧凑合理。丝杠螺母为外购件，根据产品说明书将丝杠螺母画出。在装配环境下，根据丝杠螺母的结 构设计连接板、铜套及推板 调入键及各种螺钉、弹垫、平垫。 B 测量部件，它包括和滑板左右微调。 采用紧定螺钉来固定上下动作。滑板左右微调采用螺母调节，保证对中性，确保数据采集准确。本机构相对比较简单，主要测试软件的建模、装配、从 中调入标件、从 检入、检出等功能。 C 外壳，皮老虎和拖链。本部分在造型方面主要特点是相同的零部件多，装配复杂，要实现皮老虎，拖链与测量系统部件的联动，要求两个分开的设计部分都能够很好的完成各自的运动方式，并希望能通过 管理实现部件与部件之间的装配。在实际装配时，由于有上百个的相同零件的装入，导致最后简单的拖动的动作都不能实现，更不能实现仿真了。采取的方法是装配成若干的小部件然后再进行总体的装配。当按此方法将装配好的皮老虎和拖链装入外壳部件中时能得到很好的外观，当拆开部件时能实现仿真运动。 D 床身部件 :床身部件主要由床身及安装在上面的操作盒、导轨合件、 T 型槽等组成。床身材料为大理石，是安装其它部件的基础，这里都用螺纹联接，即在安装位置用过盈方式装入带内螺纹的柱塞，柱塞材料为 45 钢。 E 底柜的设计 :主要涉及到了 008 中的钣金、焊接、结构件生成器及基础建模四个模块。首先，建立底柜的总体草图。然后，进入 结构生成器中调入所需的结构件搭成底柜的整体框架。接着，将确定了位置关系的结构件进行焊接处理。接下来的工作便是进行各个板子和零件的造型，并装入底柜的装配中。 F 电控柜设计 :首先确定电控柜的外形尺寸为 600 600 1800。然后确定其基本结构，最后进行具体的设计。 G 顶尖部件 :顶尖部件分为两个组件顶尖活动部件和顶尖固定部件。顶尖活动部件通过调节锁紧装置将活动部件与床身装配，搬 动回缩手柄，实现被测凸轮轴的装卸。顶尖固定部件通过锁紧螺栓及螺母将固定部件与床身装配夹紧，从而实现被测凸轮轴的定位。顶尖部件设计步骤为 a 通过被测凸轮轴规格设计顶尖； b 根据总装配尺寸确定顶尖座的规格； c 完成其它夹紧装置。 作为一个测量仪器，要求的精度以及重复性是非常高的，这次设计的凸轮轴测量仪运用了现在比较热门的机器视觉作为测量手段，又采用了步进电机光栅等元件，因此对信号采集，图像处理，运动控制等方面有较高的要求。导致影响最后测量精度的因素太多，因此调试过程会比较复杂。本设计中的机械结构相对比较简单， 但是关键零件精度要求非常高，对加工工艺以及设备要求较高，装配精度也要求较高，因此装配调试也比较复杂。本设计中需要提高的地方有：活动顶尖部件的锁紧结构的优化，齿轮传动比、电机、丝杠参数选择的优化。在设计过程中，要实现真正意义上的并行设计很难， 供了一种 的协同设计。在实际的设计过程中，也发现了很多的问题，包括了我自己对 及 机制的理解及应用，也包括了 及 某些机制或者功能的缺失。 f t is a so be a be as a on an at On a be no a An is of in an of is of a is of a is as as be is is or to be is to of a a a of A a to a to a a if it it no be to or be to a is of a at In of a be to in be of is is In of of he as to of of A is a is is of a be is of of of he of in 000 be of at 00 or be a In be is F he of as to of a is to be to be to no no is to is of a of of of of a is of a it to of is by is to is by as 8b of A is to at of of as or A a of to is by of a to A 5%at is to be is a of of a as is an of to be of a is to or a it is of a is to is a of a be In it is to n to of in as in be As a in is no as is in a in as a of in a A of is as at in in in of is 5% of in be in n in is a or It is to to be is a is a On in be to no In to as of is to is an on a of at of a be of of in a a or in he a of a at is of on it is is a as a or a As of to a of of of is a to of of a as is is a to of an as a of of of be by to 0% of of a is to of is a to of a By is an of us to is as A is is At of of ， is by an an is to A of is is A is of of to is -N it to an of 1 is as a be by it is is a a to of N is on a as is be by 0% of if is of of be a 3 )， to 0% 300or be as 5% of is to is to by to a In of as of a of of of a is to no an is 5% of F N F a of as of it is at At or of be at In of as is by 0% in 000 in of as As be a 30% in of in 000In we a at be at A us to a is of a as a of at is so it of is 00oC or a of of a is to be by is at is a of a if a of of or be a in to at as a of is of in an of of be by of a a to in a 0 of he of a of of in as of be in an of s to be on of on or at a as a in a or a in of a or a or on a of a in a or of in to as of of of to at or is to of as be of is to or to of in a to of If to or a in up be to is in by of A or an or is so it to it it a on in a F of is it is to 1 a to of of on no at as in ， or We on of of is to of is is to at of to DC .2 a a be of in is to in of of A is is to of on as be A no is an .4 a up as in a be as as a foll 北京印刷学院 毕业设计（论文）任务书 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 学 生 姓 名： 李铭铭 学 生 学 号： 100110117 起迄日期： 2013 年 11 月 17 日 20143 年 5 月 23 日 指导教师： 赵吉斌 职称： 副教授 发任务书日期： 2013 年 11 月 17 日 任务书填写要求 1、毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经 教研室主任审查签字后生效。此任务书应在毕业设计（论文）开始前两 周内 （不含寒假） 填好发给学生 ，要求指导教师、学生签字确认 。 2、任务书的内容必须用黑墨水笔工整填写或用计算机打印，不得随意涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴。 3、 “二级学院”、“专业班级”等名称，应写中文全称，不能用数字代码。学生的“学号”应写完整。 4、有关年月日等日期的填写，应按照 7408据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书，如“ 2007 年 11 月 16 日”或“ 2007 5、任务书要求统一用 打印 。 一、 本 毕业设计（论文） 课题任务的 内容和要求 （包括原始数据、技术要求、工作要求等） 凸轮轴测量机是公差实验室的主要实验设备。为了帮助学生在实验之前充分了解该设备的结构原理，并针对实验要求进行实验预习，需要针对该设备进行计算机仿真。本课题主要任务是对该实验装置的结构进行逆向设计，重建实验装置的三 维模型，并对结构进行改进。基本要求是：针对实验，能够对设备整体及局部进行展示，对测量机整体结构及装夹部位、测量部位等部分实现仿真，对关键零件进行力学分析。 二、对本毕业设计（论文）课题成果的要求（包括毕业论文或毕业设计说明书、外文翻译、图表、作品、实物样品等） 1. 凸轮轴测量机 装配图及零件图等设计图样不少于 2 张 2. 三维实体展示效果 ; 3. 毕业设计说明书， 不少于 字， 包括： 课题调研，方案确定； 总体结构分析、说明； 其他要求内容。 3. 英文翻译资料（不少于 2500 汉字） 。 三 、主要参考 资料或完成毕业设计（论文）应具备的条件 1 王伟 ， 张融 . 程应用 M. 武汉 ： 华中科技大学出版社 ， 2013 2 胡仁喜 ， 康士廷 ， 刘昌丽 . 009 中文版曲面造型从入门到精通 M . 北京 ：机械工业出版社 ， 2009 3 詹迪维 . 面设计实例精解 M. 北京 ： 机械工业出版社 ， 2009 4 美国 2012版 ) M. 北京 ： 机械工业出版社 ， 2012 5 美国 司 . 级 教程 M. 北京 ： 机械工业出版社 ， 2013 6 美国 司 . 动仿真教程 M. 北京 ： 机械工业出版社 ， 2012 7 陶仲林 ， 黄继风 . 凸轮轴自动检测仪的研制 M. 1996 8 钟莉娟 . 全自动凸轮轴仿形测量系统的研 究 J. 中国制造业信息化 ， 2009， 38(23) 9 高宏远 . 虚拟实验室构建技术的分析与探讨 D， 2012 10 陈怡 . 虚拟实验室平台设计的研究与实现 D， 2010 四 、 本 毕业设 计（论文） 课题工作 进度安排 序号 毕业设计（论文）各阶段内容 起迄日期 备注 1 确定选题 2013 年 11 月 1 日 2013 年 11 月 17 日 2 毕设调研，完成开题报告及开题答辩 2013 年 11 月 18 日 2013 年 12 月 11 日 3 外文资料翻译，确定设计方案 2013 年 12 月 12 日 2013 年 12 月 31 日 4 零件逆向的设计 2014 年 01 月 01 日 2014 年 02 月 22 日 5 整机模型重建与展示 2014 年 02 月 23 日 2014 年 03 月 31 日 6 结构分析 计算 2014 年 04 月 01 日 2014 年 04 月 15 日 7 整理数据、完成毕设论文初稿 2014 年 4 月 16 日 2014 年 4 月 25 日 8 毕业论文修改、定稿，修改图纸 2014 年 4 月 26 日 2014 年 5 月 5 日 9 提交设计图纸、论文由评阅老师评阅 2014 年 5 月 5 日 2014 年 5 月 18 日 10 答辩 2014 年 5 月 19 日 2014 年 5 月 30 日 所在专业审查意见： 教研室主任签字： 年 月 日 指导教师签字： 年 月 日 学生签字： 年 月 日 购买后包含有 纸三维建模和论文 ,咨询 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。 关键词： 凸轮轴测量机 ， 联轴器 ， 滚珠丝杠 购买后包含有 纸三维建模和论文 ,咨询 I is of of of of on of to is by to to of of (1) of (2) of (3) of (4) a (5) of (6) of 3D of (7) to 买后包含有 纸三维建模和论文 ,咨询 录 摘 要 . I . 录 . 1 章 概述 . 5 言 . 10 内外主要的一些凸轮测量仪 . 10 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 . 10 士 功能轴类 检测仪 . 2 章 凸轮轴测量机分析和方案拟订 . 13 案比较 . 13 劣分析 . 14 第 3 章 凸轮轴测量机机械结构设计 . 16 定脉冲当量 . 16 珠丝杠螺母副的计算和选型 . 16 度的选择 . 16 杠导程的确定 . 16 大工作载荷的计算 . 16 大动载荷的计算 . 17 珠丝杠螺母副的选型 . 18 珠丝杠副的支承方式 . 18 动效率的计算 . 18 度的验算 . 19 定性校核 . 20 界转速的验证 . 20 进电动机的选择 . 21 购买后包含有 纸三维建模和论文 ,咨询 V 杠轴的校核 . 23 的校核 . 24 承的校核 . 24 轨的特点及设计 . 26 直线滚动导轨副的计算、选择 . 27 柱的强度与刚度的计算 . 29 第 4 章 机架的设计 . 34 机架结构的基本要求 . 34 架的结构 . 35 梁设计 . 36 架的基本尺寸的确定 . 38 子材料的选择确定 . 38 要梁的强度校核 . 39 第 5 章 凸轮轴测量机的三维虚拟展示 . 41 结 论 . 46 参考文献 . 47 致 谢 . 49 5 6 7 8 9 10 第 1 章 概述 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 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 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 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。 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。 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 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 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 11 （ 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 尔信凸轮轴检测仪装置图 士 功能轴类检测仪 如图 示， 瑞士 司生产的 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。 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 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 =12 6. 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 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 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 量系统可选，例如：孔测头，角度测量系统等，可为客户定做 图 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。 13 第 2 章 凸轮轴测量机分析和方案拟订 案比较 1） 方案一：如图 示 采用相 对测量法，定做标准轴，利用高精度的位移传感器对每一个测量参数进行测量 ，利用测量值与标准轴的测量值进行计算，得到所需要的精确测量结果。 图 案一 2）方案二：如图 示。 采用顶尖定位被测工件、步进电机驱动、齿轮变速、丝杠传动，从而带动 头瞄准工件边界通过软件识别边界，用反射式光栅记录轴向距离、通过运算，得到所需要的精确测量结果。 14 图 案二 3） 方案 三 ：如图 示。 图 案三 方案三是在方案二的基础 上加了一个 当于方案二的升级版，参考国内外很多厂家的测量机，发现多为一个方向的测量，即测量曲轴的径向方向，相对来讲这个部分相对比较重要一些。 劣分析 方案一采用的是接触式测量，用电感传感器采集数据进行测量，属于比较传统的测 15 量方式。这种方式由于采用的是电感传感器，这种传感器分辨率较高，抗干扰能力也较强，因此测量结果精确可靠，测量速度很快，技术也非常成熟。但是由于这里要求测量的工件型号较多，尺寸也较多，将需要大量的电感传感器，以及数据转换通道，成本将非常高。而且被测工件的两两参数之 间的距离也比较小，会在结构布置上产生很多限制。 方案二采用的是 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 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 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。 综合以上原因，我选择了第二种方案。 16 第 3 章 凸轮轴测量机 机械结构 设计 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。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是 冲。 根据 凸轮轴测量机 精度要求确定脉冲当量 冲 。 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。 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程变动量300 1/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用滚珠丝杠的精度等级 X 轴为 1 3 级（ 1 级精度最高） ， Z 轴为 2 5级，考虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性，选择 X 轴精度等级为 3 级， Z 轴为4级。 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 大工作载荷的计算 最大工作 载荷叫进给牵引力 ,其实验计算公式如表 3 17 表 3导轨类型 实验公式 K 矩形导轨 )( 尾导轨 )2( 合或三 角导轨 )( 8 表中 K 为考虑颠覆力矩影响时的实验系数； 为滑动导轨摩擦系数； G 为移动部件总重量。 G=1000 N 查表 3K 取 取 为 1000N ； 算得 )( =1197+ 3420+1000） =(N 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 式中： L 滚珠丝杠副的寿命系数，单位为 610 r， 610/60 （ T 为使用寿命，普通凸轮轴测量机 000控 凸轮轴测量机 5000h； 载荷系数，一般取 设计 取 硬度系数（ 58时取 等于 55时取 于 取 于 50时取 于 45时取 滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为 N。 本设计中车床纵向承受最大切削力条件下最快的进给速度 a x mV j ,初选丝杠基本导程 ，则丝杠转速 m 5/1 0 0 0m a x 。取滚珠丝杠使用寿命 5000 ，带入 610/60 得 L =90；取 2.1 1入 18 ，求得 ： 17390N。 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 C , 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下10( 长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷 C )32( 。 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用双螺母螺纹式预紧，精度等级为 4 级，其参数如表 3 表 3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 / 1 02d 0 8 6 31 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。 动效率的计算 滚珠丝杠的传动效率 一般在 计算公式如下： =) 19 式中： 螺距升角，d,可得 =2 91； 摩擦角，一般取 =10。 算得： =)01192192 =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 1 、丝杠与螺母间滚道的接触变形 2 、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形3。 因转矩和丝杠 以 2 、3可以忽略不计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为： 1 = （“ +”号代表拉伸，“ -”代表压缩） 式中：丝杠的最大工作载荷，单位为 N ； 丝杠纵向最大有效行程，单位为 E 丝杠材料的弹性模量，钢 ； S 丝杠的横截面面积，单位 2丝杠螺纹的底径2 根据前面的设计，6652算得： 1 =25 ) 6 3 3 = ( m 查表 3m 361 ,所以刚度足够。 表 3有效行程精度等级 1 2 3 4 5 大于 至 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23 20 400 500 8 7 10 9 15 13 20 19 27 26 1600 2000 18 13 25 18 35 25 48 36 65 51 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 22式中：丝杠支承系数，双推 2，其他方式如表 3示； K 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取 4，垂直安装时取最小值，本设计取 4； a 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） I 按丝杠底径 2d 确定的截面惯性矩（6442 ，单位为 4 ,本设 中将 代入算出 I = 由以上数据可以算出： 2 0 0 02 0 0 04 2 0 5 5 1 = )( N 临界载荷 大于工作载荷故丝杠不会失稳。 表 3丝杠支承系数双推 双推 单推 双推 4 2 1 0 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求丝杠的最高转速： 722m a x 10 式中：丝杠支承系数，双推 值如表 3 临界转速计算长度，单位为 本设计中该值为 2300 21 2d 丝杠内径，单位 安全系数，可取 3丝杠支承系数式 双推 双推 单推 双推 过计算，得出 1293 r ，由已知 m ax ， 可以算出 50m a x ，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。 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 44 17 . 8 1 0 L 式中 D 滚珠丝杠的公称直径； 1L 丝杠长度。 则 齿轮的转动惯量 4 4 21 7 . 8 1 0 6 . 4 2 2 6 . 1 7 N g c 4 4 22 7 . 8 1 0 8 2 6 3 . 9 N g 电机的转动惯量很小可忽略。 因此，总转动惯量 2 1 122211 ( 2 9 9 . 5 2 6 3 . 9 ) 2 6 . 1 7 5 . 5 5 2 6 4 . 3 N g c 2 5s Z J J （ 2） 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 m a x 0 M M 22 最大切削负载时所需力矩 0a t f M M M 快速进给时所需力矩 0 M 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； 0M 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。 41 0 N g 6a 当 m a xm a x 4 0 0 0 1 . 2 5 8 3 3 . 3 3 r / m i 4m a x 2 6 . 4 3 8 3 3 . 3 3 1 0 9 . 1 7 7 N g m 9 1 . 7 7 k g f g c 6 0 . 0 2 5 当 a 0010001 0 0 0 1 5 0 0 . 3 1 . 2 5 1 4 2 . 1 7 r / m i 1 4 2 1 6f i 42 6 . 4 3 1 4 2 . 1 7 1 0 1 . 5 7 1 5 . 7 k g f g c 6 0 . 0 2 5 g m 00 022f FL f W LM i h i 当 时， 时 0 . 1 6 9 5 0 . 6 1 . 4 5 2 2 k g f g c m 1 4 . 5 2 2 N g c . 1 4 0 . 8 1 . 2 5 00 20012i 当0 时预加载荷 13则 220001 9 5 . 4 7 2 0 . 6 1 0 . 9 0 . 5 7 7 6 k g f g c m 5 . 7 7 6 N g c 3 . 1 4 0 . 8 1 . 2 5 23 0 9 5 . 4 7 2 0 . 6 9 . 1 2 k g f g c m 9 1 . 2 N g c 3 . 1 4 0 . 8 1 . 2 5LM i 所以，快速空载启动所需力矩 m a x 0 9 1 7 . 7 1 4 . 5 2 2 5 . 7 7 6 7 3 8 . 0 0 0 N g c M M 切削时所需力矩 0 1 5 . 7 1 . 4 5 2 2 0 . 5 7 7 6 9 . 1 2 2 6 . 8 5 k g f g c m 2 6 8 . 5 N g c ma t M M 快速进给时所需力矩 0 1 . 4 5 2 2 0 . 5 7 7 6 2 . 0 2 9 8 k g f g c m 2 0 . 2 9 8 N g c M 由上分析计算可知，所需最大力矩 m a x 7 3 8 . 0 0 0 N g c （ 3） 纵向进给系统步 进电机的确定 0 9 3 8 . 0 7 8 1 8 7 6 . 1 6 N c 5 0 . 5M 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 / 0 . 8 6 6q 所以，步进电机最大静转距1 8 7 6 . 1 6 2 1 6 6 . 4 6 N c 8 6 6 0 . 8 6 6 步进电机最高工作频率 m a xm a x 6 6 6 . 6 6 0 0 . 0 1 综合考虑，查表选用 110满足要求 7 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
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