机械毕业设计（论文）-超声波旋转加工机结构设计【全套图纸】 .pdf

黑龙江工程学院本科生毕业设计 i 摘 要 超声加工技术是近 30 年来逐步发展的一种特种加工方法，并以它的工艺效果得 到了广泛的应用。由于它横跨机械学、电学和声学三个学科，因而也可把超声加工技 术视为边缘学科。 超声加工，是指给工具或工件沿一定方向施加超声振动进行振动加工的方法。超 声加工系统，由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等 构成。超声波发生器的作用是，将 220v 或 380v 的交流电源转换成超声频电振荡信 号；换能器的作用是，将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用 是，将换能器的振动振幅进行放大。 近 20 多年来，国外采用烧结或镀金刚石的先进工具，既作超声波频振动，同时 又绕本身轴线以 10005000r/min 的高速旋转的超声波旋转加工，比一般超声波加工 具有更高的生产效率和孔加工的深度，同时直线性好、尺寸精度高、工具磨损小，除 可加工硬脆材料外，还可加工碳化钢、二氧化钢、二氧化铁和硼环氧复合材料，以及 不锈钢与钛合金叠层的材料等。目前，已用于航空、原子能工业，效果良好。 本文设计的超声波旋转加工机，包括整机的工具头、进给装置等机械结构设计和 驱动元件的选择。 关键词: 超声波；结构设计；旋转加工；变幅杆；换能器 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 黑龙江工程学院本科生毕业设计 ii abstract the technology of ultrasonic process is a special method process in recent 30 years, and it has a wide application because of its good crafty result. since the technology of ultrasonic process is relative with mechanism, electricity and acoustics, it can be considered as frontier science. ultrasonic process, it is a processing method which manufacture the work piece ultrasonic vibration at a direction. the system of ultrasonic process is consist of the manufacturing install of ultrasound, the ultrasonic transforming install, the pole of changed flap , the system of transmitting vibration, tools, and the system of craft, and so on. the function of the manufacturing install of ultrasound is to transform the 220 or 380 mains to the ultrasonic electric vibrating signal；the function of the ultrasonic transforming install is to transform the ultrasonic electric vibrating signal to the machining vibration；and the function of the pole of changed flap is to amplify the amplitude. the rotary ultrasonic machining that the text designed, which include tools, feeding device etc. selection of driver is either included. key words:ultrasonic; structure design; rotary ultrasonic machining amplitude transformer；transducer 黑龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘要 i abstract .ii 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 课题的意义 . 2 1.3 超声加工的工艺效果 . 3 1.3.1 切削力大幅度降低 3 1.3.2 切削温度大幅度降低 3 1.3.3 大幅度降低表面粗糙度，制和显著提高加工精度 4 1.3.4 大幅降低切削温度 4 1.3.5 提高了切屑液的使用效果 4 1.3.6 提高已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性 5 1.3.7 大大节省能源，简化机床结构 5 1.4 超声加工的应用范围 6 1.5 本文的主要内容 . 7 第 2 章 总体方案 8 2.1 加工头设计 . 8 2.1.1 超声换能器 8 2.1.2 超声变幅杆 8 2.1.3 进给机构 8 2.1.4 动力机构 9 2.2 工作台设计 . 9 2.3 本章小结 . 9 第 3 章 机械结构设计 . 11 3.1 超声波换能器设计 11 3.1.1 晶体的压电效应 11 3.1.2 压电材料 11 3.1.3 压电换能器设计 11 3.1.4 基本理论 . 12 3.2 变幅杆的设计 12 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3.2.1 变幅杆的作用 . 12 3.2.2 圆锥形变幅杆的计算 . 13 3.3 进给机构设计 14 3.3.1 滚珠丝杠 . 14 3.3.2 步进电机 . 19 3.4 工作头升降机构设计 21 3.4.1 电动机 . 21 3.4.2 联轴器 . 22 3.4.3 螺旋丝杠 . 23 3.5 滚珠丝杠的校核 23 3.5.1 静载荷计算 . 23 3.5.2 寿命计算 . 23 3.6 螺旋丝杠校核 24 3.6.1 耐磨性计算 . 24 3.6.2 自锁性计算 . 25 3.7 轴承的校核 . 25 3.8 本章小结 . 27 结 论 .28 参考文献 .29 致谢 .30 附录 .31 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第1章 绪 论 1.1 课题背景 人耳可以听到的声波频率范围约为 16-20000hz。低于 16hz 的声波称为次声波， 高于 2000ohz 的声波称为超声波。人们还把频率为 9 0.5 10hz 以上的声波称为特超声 或微波超声。人耳听不见次声和超声，而很多海洋动物能感受。可见，此声波和超声 波也是客观存在的自然现象。 由于人耳听不到超声，所以人们研究它比较玩。直到上世纪生产和科学有了相当 发展，对超声的研究和应用有了可能和需要之后，超声学才发展起来。超声具有许多 独特的性质和优点，所以超声学的发展很迅速，应用领域十分广泛，并有广阔的应用 前景。超声加工技术是功率超声应用的一个分支。 超声加工起源于 20 世纪 50 年代初期。最早研究超声加工技术的国家是日本。日 本在甲府设立了专门的振动切削研究所，许多大学和科研机构也都设有这个研究课 题。日本研究超声加工的主要代表人物有两位：一位是中央大学的岛川正宪教授， 超音波工学理论和实际是他的代表作；另一位是宇都宫大学的限部淳一朗教 授，精密加工、振动切削基础和应用是他的代表作。日本研究人员不但把超声加 工用在普通设备上，而且在精密机床、数控机床中也引入了超声振动系统，并且试图 将超声加工引入超精密加工机床。超声加工在日本已获得近百项专利，在生产中发挥 了一定的作用。 前苏联的超声加工研究也比较早，二十世纪 50 年代末 60 年代初已经发表过很有 价值的论文。在超声车削、钻孔磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并 取得了良好的经济效果。他们对超声加工设备操作人员的技能等级共分为五级。为了 推动超声加工的应用，1973 年原苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声 加工的经济效果和实用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。 上世纪 60 年代初，美国开始了超声加工的研究工作。由于当时超声技术还很不 成熟，包括声振系统、换能器、发生器的设计制造和质量都较差，美国的研究工作曾 经停顿了 10 年。70 年代中期，美国在超声钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接 等方面，已处于生产应用阶段；超声车削、钻孔、膛孔已处于试验性生产设备原型阶 段；通用超声振动切削系统已供工业应用，目前已形成部分标准。 德国和英国也对超声加工的机理和工业应用进行了大量的研究工作，并发表了许 多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 我国超声加工的研究始于上世纪 50 年代末，曾经掀起过群众性的“超声热”， 由于当时超声波发生器、换能器、声振系统很不成熟，缺乏合理的组织和持续的研究 工作，很快就冷了下来。60 年代末，哈尔滨工业大学应用超声车削，加工了一批飞 机上的铝制细长轴，取得了良好的切削效果，但事后没有进行深入的总结和研究。由 于我国特定的历史条件，中断了这项新技术的研究工作十多年。1976 年以后，我国 再次开展超声加工的试验研究和理论讨论工作。吉林工业大学、广西大学及甘肃光学 仪器厂等单位，率先进行超声车削设备及试验研究。1982 年，上海钢管厂、中国科 学院声学研究所及上海超声波仪器厂研制成功超声拉管设备，为我国超声加工在金属 塑性加工中的应用填补了空白。1983 年 10 月，机械电子工业部科技司委托机械工 艺师杂志编辑部在西安召开了我国第一次“振动切削专题讨论会”，会议充分肯定 了振动切削在金属切削中的重要作用，交流了研究和应用成果，促进了这项新技术在 我国的深入研究和推广应用。1985 年，机械电子工业部第 11 研究所研制成功超声旋 转加工机，在玻璃、陶瓷、yag 激光晶体等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨 削及螺纹加工中，取得了优异的工艺效果。1989 年，张云电研制成功超声布磨装 置，在汽车、拖拉机、摩托车发动机气缸、炮管、油缸、煤矿液压支架等精密孔的晰 磨加工中进行了生产应用，并通过了部级鉴定，填补了国内技术空白。1990 年，超 声晰磨装置被列为国家级新产品。1991 年，张云电研制成功变截面细长杆超声车削 装置，从根本上解决了节制杆、各种复杂形状的变幅杆、等截面细长杆精密加工的重 大技术问题，对保证产品质量、提高制造技术水平有重大意义，这项新技术也已通过 部级鉴定。到 1993 年为止，我国已发表了 300 多篇有关超声加工方面的科学技术论 文。可见，随着超声加工设备的不断完善和理论研究的不断深入，它必将在我国技术 进步和社会主义现代化建设中起到重要的作用。 1.2 课题的意义 陶瓷材料具有一些优异的性质，如化学一致性、高温下的高强度和稳定性、高 的强度重量比、高硬度、抗腐蚀性和抗氧化性等，故而在航空、汽车、电子和切削工 具等工业中有着广泛的应用，并且其应用领域还在不断向新的方向扩展。而复杂陶瓷 零件在烧制的过程中会发生尺寸变形，这样就必须对其进行再加工以达到所需的外形 尺寸、公差和表面粗糙度值。通常，对陶瓷基体的加工是通过机械、化学、电或热能 等对工件表面直接或间接作用来实现的。 由于陶瓷材料的一些特性（如高硬度、脆性等）使得陶瓷工件加工，尤其是复杂 轮廓外形的陶瓷工件加工有相当大的局限性。机加工所导致的后果由：工具寿命短、 工件材料去除率低、表面质量差、表面下层材料受损（它可导致工件材料的突然断 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 裂） 。化学加工腐蚀过程慢。电加工需要导电陶瓷中附加导电成分。激光加工所用的 高能量，使得工件表面受损，一些材料成分改变，表层需重新加工。磨削需要有一个 昂贵的金刚石砂轮，不能加工复杂轮廓表面，且高度集中的裂纹常延伸至 25mm 以 上。有资料表明陶瓷部件的加工费用占总生产费用的 30%60%，有的甚至达到 90%。因此有必要发展一种既具有较高的材料去除率，又对陶瓷表面下层的损伤保持 在可接受范围内的特种加工方法。对于别的硬脆材料，如玻璃、宝石、半导体材料等 也存在着类似的问题。 对于硬脆材料而言，传统超声波加工与上述方法相比有许多重要的优势：导致或 非导体都可被加工；材料硬度相对不重要；复杂的三维几何外形工件加工也很快；加 工过程没有热影响点，工件表面没有化学或电特性的改变；高频小冲击在工件的表面 上传递的非常浅；加工后的残余压应力导致工件材料的周期疲劳应力提高；材料去除 率高、精度高、裂纹少。但由于传统超声波加工本身加工工艺的限制，它也有一定的 局限性，如：不能用于大面积工件的加工；孔加工的长径比限制在约 3：1 等。 而在此基础上发展而来的旋转式超声波加工，是一种加工脆硬材料的有效方法。 国内外研究表明，由于这种加工方法把工具的旋转运动和超声波振动结合在一起，与 采用磨料悬浮液的传统超声波加工相比，旋转超声波加工具有如下特点：加工速度 快，比传统超声波加工快 6- 10 倍； （2）加工精度高； （3）工具磨损小； （4）对加工 材料的适应性广。 1.3 超声加工的工艺效果 1.3.1 切削力大幅度降低 超声车削时，切削速度的大小和方向产生周期性的变化，这种变化改变了整个工 艺系统的受力情况。用 v=o.lm/min, f=20khz,进行超声切削时，刀具在每一个振动 周期 t=1/20000s 内的纯切削时间 t。是非常短的，只有 5 10-s。在纯切削时间 t 之 内，刀具沿切削方向的切削长度 1t=v/f= 6 8 10-mm。由此可见，超声车削是一个在 极短时间内完成的微量切削过程。在一个切削循环过程中，刀具在很小位移上得到很 大的瞬时速度和加速度，在局部产生很大的能量。这时被加工材料在局部微小体积内 的物理、机械性能必将发生重大变化。在超声振动的影响下，摩擦系数大大降低，只 有普通切削的 1/10 左右，使超声车削的切削力下降到普通切削的 1/3-1/100 这种工 艺效果对精密加工或对刚度低、功率小的仪表机床将有重要意义。 1.3.2 切削温度大幅度降低 超声车削时，被加工材料的弹塑性变形和刀具各接触表面的摩擦系数大幅度下 降，且切削力和切削热都以脉冲形式出现，使切削热的平均值大幅度下降。切屑的平 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 均温度仅 400c 左右，切屑完全没有氧化变色，用手去摸也不会烫伤，这是普通切削 不可想象的。由于超声车削过程是一种分离型的断续过程，切削热是以脉冲形式出现 变化的，在极短的切削过程中，热量来不及传到更深的金属内部，所以切削温度的绝 对值是比较低的。超声车削消除了大部分无用的切削热，也没有普通切削因严重发热 而引起的后遗症。 1.3.3 大幅度降低表面粗糙度，制和显著提高加工精度 超声车削破坏了产生积屑瘤和鳞刺的条件，又由于大幅度降低切削力、切削温 度，使得工件表面粗糙度 r 值大幅度降低，加工精度大幅度提高。超声车削过程中， 刀刃虽在振动，但在刀刃于工件接触并产生切屑的各个瞬时，刀刃所处的位置遵从不 灵敏性振动切削机理。按照这个机理，不仅工件的变形量减少，而且完全不随时间变 动，宛如静止的状态一样，从而使精密加工成为可能。 大量的超声切削试验证明，超声切削可显著提高零件的尺寸精度和几何精度。 流变仪是一种对材料的流变特性进行测定的仪器。流变仪通过模拟实际的生产过 程和生产工艺，测定分析测定材料的流变性能，通过流变仪测量出的数据可直接用于 材料的生产加工。 1.3.4 大幅降低切削温度 超声加工时，由于切削力小、切削温度低、冷却充分，使工具寿命明显提高。当 振动方向、振动参数和切削用量选择合适时，一般可使工具寿命提高几倍至几十倍， 对难加工材料和难加工工序，其效果更好。刀具寿命的延长不仅节约了刀具材料，减 少刀具刃磨和更换刀具所需的辅助时间，降低了生产成本，而且有利于保证加工质 量。 1.3.5 提高了切屑液的使用效果 普通切削中，切屑总是压在刀具前刀面上，形成一个高温、高压区。 对冷却液来说，这是个禁区。切削过程中，冷却液只能在外围间接地起冷却作 用。超声切削时，切削过程是断续发生的，当刀具与工件分离时，冷却液从四面进入 切削区，包围刀尖，进行充分的冷却和润滑。在刀具切入时，切削液被强力挤压，形 成瞬时高压，使切削液直接渗到刀具与切屑的接触表面，充分地起冷却和润滑作用。 超声切削时，由于超声振动的影响所形成的空化作用，一方面可是冷却液均匀乳化， 形成均匀一致的乳化液微粒；另一方面，切削液更容易渗透到材料的裂纹内，进一步 提高了冷却液的使用效果，改善了排屑条件。 在没有冷却液的情况下，由空气起冷却作用。由于刀具在离开切屑时，前刀面完 全暴露在空气中，而钢在空气中只需要有 8 10-s 的时间就能形成一分子层后的氧化 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 层，并随时间成近似抛物线关系扩散加厚。形成的氧化层减少了刀具与切屑接触表面 之间的摩擦，延长了刀具的使用寿命。 1.3.6 提高已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性 超声切削时，在一个周期内的切削长度 11 是很小的。刀具是按正弦规律振动 的，在加工面上形成的细小刀痕如同二次再加工时形成的花格式网状花纹。数量如此 巨大的花纹均匀密布在零件的表面上，工作时在零件的表面形成较强的油膜，对提高 滑动面耐磨性有着重要作用。用 4) 28mm 的 45 号钢圆棒进行普通车削、超声车削和 普通磨削，然后把试件放在 q835 型平面抛光机上进行研磨，磨盘线速度为 30m/min，加压 80n，加 306 号金刚沙研磨剂，用万分之一天平秤重，其结果列于表 1.1。此表说明，超声车削工件表面的耐磨性高于普通车削，接近普通磨削。 表 1.1 耐磨性试验 研磨时间 (min) 金属去除量（mg） 普通车削 超声车削 普通磨削 20 0.6 0.25 0.2 40 0.9 0.4 0.3 60 1.1 0.5 0.4 表 1.2 耐腐蚀性试验 加工方法 10min 20min 30min 磨蚀量（m） 普通车削 2 3 3.8 超声车削 1 1.6 2.4 普通磨削 0.8 1.5 2 用普通车削、超声车削、普通磨削三种不同加工方法加工同样材料的圆棒后，进 行耐腐蚀试验。把试件放入腐蚀液中，用电加热器加热至 300c 并保温，每 10min 测量一次，其结果列于表 1.2。试验结果表明：超声车削工件表面的耐腐蚀性高于普 通车削，接近普通磨削。 1.3.7 大大节省能源，简化机床结构 普通车削中，使用大功率电动机带动工件高速回转，并使车刀挤压工件进行加 工。一方面，带动工件回转并推动刀刃振动的能量都是来自远离刀刃的电动机的转动 能量，且从电动机工件回转和从电动机一刀具运动都需要复杂的传动链：主传动 链、进给传动链。另一方面，切削力大，切削温度高。因此，必须使用大功率电动 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 机。在对能源越来越重视的情况下，如果降低切削力，动力就会有富裕，因而就可以 加大切削深度和进给量。如果加工精度和表面质量对转速和进给量（一定条件下）不 敏感，则在保证生产率的前提下，可以大大简化主传动链和进给传动链，使普通车床 cw6140a 的 21 级转速转换成三四级转速，而且进给量级数减半。这时简化机构结构 大有益处。如果从更本上而不是靠冷却液大幅度降低切削温度，就会大大节约因刀具 与切屑接触表面之间的剧烈摩擦、磨蚀所消耗的大量无用能量。超声切削恰有这些特 点。 总之，超声加工有着普通加工无法比拟的工艺效果，尤其是在难加工材料、精密 零件的加工和圆度误差、圆柱度误差、平行度误差、直线度误差等超精密加工中，更 是大显身手，因此成为机械加工中的一种新技术，在生产实践中获得了越来越多的应 用。 1.4 超声加工的应用范围 由于超声加工的工艺效果十分显著，因而在生产中获得了广泛的应用。超声加工 的应用范围列于图 1.1。随着超声加工研究的不断深入，它的应用范围还将继续扩 大。 见图 1.1 所示为超声波加工应用范围。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 超声加工 图 1.1 超声加工的应用范围 1.5 本文的主要内容 在查阅、综述国内外有关超声波加工研究资料的基础上研制旋转式超声波加工装 置，并将其与数控系统相结合，建立出超声波旋转加工结构的装置。分析超声波加工 过程中，其零件的应力分布并选择零件的类型和材料。利用超声波旋转式加工分析加 工所需工艺参数如工具转速，机床进给量等对各个零件进行选择。确定出最合理的工 作方式。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 第 2 章 总体方案 1.6 加工头设计 1.6.1 超声换能器 超声波换能器的作用，是将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频 机械振动，它是超声波设备的关键部件之一。 按其使用的材料分，可划分为两大类：一类是磁致伸缩换能器，它使用的材料有 冲孔镍片；具有磁致伸缩性能的合金，如镍铁合金、铝铁合金以及铁氧体等。另一类 是压电换能器，使用的材料有非铁型压电晶体和铁茗型压电陶瓷。在本设计中采用应 用很普遍的压电换能器。 压电换能器有如下特点：结构尺寸小，瞬时输出功率达 35- 40w/ 2 cm ；电声转换 效率高达 80%；抗拉强度低，设计、装配和工作不当时易损坏；振动系统的设计、制 造和调整精度要求较高；频率范围窄；价格便宜；冷却方便。 1.6.2 超声变幅杆 超声波变幅杆就是改变换能器的振幅。它是个无源器件，本身不产生振动，只是 将输入的振动改变振幅后再传递出去，同时也完成了阻抗变换。超声波在合适的电场 激励下能产生有规律的振动，其振幅一般在 10um 左右，这样的振幅要直接完成焊接 和加工工序是不够的，连上通过合理设计的变幅杆后，超声波的振幅可以在很大的范 围变化，只要材料强度足够，振幅可以超过 100um。我们把超声波换能器与变幅杆连 接后的整体叫振动子。另一方面，变幅杆在做纵向伸缩振动时，其中的某横截面左右 两边的质点运动方向刚好相反。相当于存在一个相对静止的节面。这个节面叫做节 点，这里也是振动子的最佳固定点，偏离这个节点固定就会降低震动子的工作效率， 俗称漏波。一般来说，铝质变幅杆声传递效率高，但材料强度低，易开裂和螺丝滑 丝；钢质变幅杆强度高，但声阻抗相对较大；钛合金变幅杆综合性能好，缺点就是价 格高难加工 它的作用主要是将超声换能器输出的振幅放大。考虑到变幅杆的加工及前后振速 比，采用圆锥形并在小端面后接一平滑圆柱体的超声变幅杆。同时，为了增加加工头 的刚度，使用4 变幅杆以减少加工头长度。 1.6.3 进给机构 由于设计要求进给分辨率为微米级，因此采用步进电机，利用步进电机的按步运 动来达到精度。同时，采用滚珠丝杠副结构使电机的回转运动转化为直线运动。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 1.6.4 动力机构 采用三相异步电动机带动工作头进行旋转加工。 1.7 工作台设计 进给机构由于设计要求进给分辨率为微米级，采用步进电机驱动 x，y 方向工作 台运动，并使用滚珠丝杠副结构将回转运动转为直线运动。 1.8 本章小结 本小节主要列出了超声波旋转加工机的主要结构和各结构的用途，并依据其工作 状况选定了各个零件的材料。为后面章节的数据计算和超声波旋转加工机的设计提供 了理论依据。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 第 3 章 机械结构设计 3.1 超声波换能器设计 超声换能器的作用，是将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机 械振动。 3.1.1 晶体的压电效应 自然界里的晶体品种很多，例如金刚石、蓝宝石、红宝石、石英及硫化锌等。晶 体学家将他们归纳为 32 种对称类型，其中有 20 种可能有压电性能。具有压电性能的 晶体称为压电晶体。将这种晶体以一定方式切成薄片，当此类薄片表面受到压力时， 薄片两面会带上正、负电，内部产生电场。这就是说，晶体将机械转换成了电能，这 种效应称为正压电效应。反之，当晶体薄片外加电场时，薄片就产生内应力和应变， 薄片会变形。这就是说，晶体将电能转换成了机械能，这种效应称为逆压电效应。压 电晶体同时具有正压电效应和逆压电效应。利用逆压电效应可将电信号转换成声信 号，构成压电换能器。 具有压电效应的单晶体有石英、罗息尔盐等，多晶体有钦酸钡、错钦酸铅等。 3.1.2 压电材料 本设计采用错钦酸铅压电陶瓷（pzt-8)o 错钦酸铅压电陶瓷简称 pzt,在 300.4000c 之间，没有较低的相变点，在较大的温度范围内胜能比较稳定。作为换能 材料，它的压电效应显著。可以通过变更其化学组分在很大范围内调整其性能，以满 足多种不同的需要。错钦酸铅种类繁多，各具特点。对于 pzt-8，它的场强损耗特 低，额定静态和动态抗张强度大，压电常数、祸合系数比较高，介电常数小，在超声 加工中有着广泛的应用。 3.1.3 压电换能器设计 压电换能器是由螺栓将金属盖板和压电陶瓷元件堆联接在一起，形成压电陶瓷元 件在中央的“夹心”结构。 本设计之所以选择压电使换能器是因为它有以下几个优点： 1 陶瓷元件都有大的抗压强度，中心螺栓给与预紧力，一方面能在环境强度发生 变化时增强换能器的稳定性；另一方面，确保在大功率驱动条件下处于压缩状态，从 而避免陶瓷膨胀而造成的破裂，因陶瓷材料的缺点是可允许的张应力小。 2 圆环的数目及联接方式都有选择余地，从而能在较宽的阻抗及频率范围内设计 换能器。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 3 改变首、尾金属盖板的材料、尺寸能够控制换能器的带宽、前后振速比和有效 机电藕合系数等性能参数。 对于超声换能器，它的主要设计参数有：振子振速，应力分布，振子前后振速比 等。 3.1.4 基本理论 对于本设计来说，我们采用的是四分之一波长的超声振子，节面设在振子与变幅 杆的交界上，因而本振子无前盖板。为了提高前后振速比，后盖板的特性声阻抗应比 变幅杆的特性声阻抗要大。因此，选取软钢作为后盖板材料（声阻抗率为 smkg 26 3 /1078.39=z ) ， 选 用pzt-8作 为 陶 瓷 材 料 （ 声 阻 抗 率 为 smkg 26 2 /1042.22=z ) ， 选 用 钛 合 金 作 为 变 幅 杆 的 材 料 （ 声 阻 抗 率 为 smkg 26 54 /1014.22=z=z )。 选择 2 2 0.6k l =，则陶瓷晶堆长度 2 l （共振频率为 18hz)： m k l01565 . 0 10182 2950 6 . 0 6 . 0 3 2 2 = = p 使用两片晶片，每片厚 7.05mm 后盖板软钢长度 3 l ： m f c k l ctgtglctgk z z tglk 03111 . 0 10182 5100 69 . 0 2 69 . 0 6 . 0 69 . 0 )6 . 0 78.39 42.22 )( 3 2 3 1 22 3 2 1 33 = = = - pp 3.2变幅杆的设计 3.2.1 变幅杆的作用 即将机械振动位移或速度振幅放大，或者把能量集中在较小的辐射面上进行聚 能。超声换能器的振幅一般为 4-10um，而超声加工对振幅的要求往往需要达到 10- 100um，这就必须借助于变幅杆将换能器的振幅放大。 变幅杆之所以能放大振幅，是由于通过它任一截面的振动能量是不变的（传播损 耗不计），截面小的地方能量密度变大。 作为机械阻抗的变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量由超 声换能器更有效地向负载传输。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 本设计中，为了增加加工头的刚度，使用四分之一波长的变幅杆以减少加工头长 度。四分之一波长的变幅杆种类很多，按其母线的形状分：有阶梯形、圆锥形、指数 函数形、双曲函数形等等。在这之中，圆锥形变幅杆的功效比较低，但由于它制造较 简单，因此选圆锥形变幅杆，我们可以 通过在小端面后接一平滑圆锥体来增加它的前后振速比。 3.2.2 圆锥形变幅杆的计算 图 3.1 变幅杆 如图 3.1，本设计采用钛合金作为变幅杆的材料，并令变幅杆大、小截面积之比为 45 4rr = ， 4 4 0.8k l =，大端直径为 72mm，共振频率为 18hz，则圆锥体部分长度 4 l 为 m f c kl0348 . 0 10182 5100 8 . 0 2 8 . 0/8 . 0 3 44 = = pp 小圆柱长度 5 l 为 29 . 1 8 . 0 13 8 . 0 1 1 44 5 4 44 1 55 = - += - += - ctgtg lk r r lctgktglk m f c kl05613 . 0 10182 5100 29 . 1 2 29 . 1 /29 . 1 3 55 = = pp 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 应力分布图 3.2 图 3.2 应力分布 3.3 进给机构设计 由于工作头和工作台的进给分辨率都是 0. 005mm，因此把它们放在一起考虑。 3.3.1 滚珠丝杠 滚珠丝杠的作用是将步进电机的旋转运动变为直线运动。滚珠丝杠传动的最大特 点在于螺杆和螺母间的螺纹轨道间放置有滚动体（钢球），这样螺杆和螺母间的相对 运动的摩擦为滚动摩擦，从而减小摩擦系数，提高效率和精度。 滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠，这些滚 珠作为中间传动件，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装 置。其结构如图 3.3 所示。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 1-钢球； 2-挡球器； 3-反向器； 4-丝杠 图 3.3 滚动螺旋传动 它由螺母 1、钢球 2、挡球器（图 a） 、返向器（图 b）3 及丝杠 4 等四个部分组 成。当螺杆转动螺母移动时，滚珠则沿螺杆螺旋滚道面滚动，在螺杆上滚动数圈后， 滚珠从滚道的一端滚出并沿返回装置返回另一端，重新进入滚道，从而构成闭合回 路。 滚珠丝杆副传动的特点 1.传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副传动的效率0.920.96，比常规的丝杠 螺母副提高 34 倍（滑动丝杆效率为 0.20.4） 。因此，功率消耗只相当于常规丝杆 螺母副的1/41/3。 2.给予适当预紧，壳消除丝杆和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区， 定位精度高，刚性好。 3.启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。 4.有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运 动，即丝杆和螺母都可以作为主动件。 5.磨损小，使用寿命长，精度保持性好。 6.制造工艺复杂。滚珠丝杆和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值特别 小，故制造成本高。 7.不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于重力作用，下降时当传动切断后，不能 立刻停止运动，故常需添加制动装置6。 典型滚珠丝杠螺母副的结构 黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 1螺母 2套 3钢球 4螺旋槽返回通道 5挡球器 6丝杠 图 3.4 单螺母外循环滚动螺旋副 1、7螺母 2挡球器 3钢球 4丝杠 5垫圈 6圆螺母 图 3.5 双螺母外循环螺纹调整式滚动螺旋副 1、6螺母 2调整垫片 3返向器 4钢球 5丝杠 图 3.6 双螺母内循环垫片调整式滚动螺旋副 黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 1、6螺母 2内齿圈 3返向器 4钢球 5丝杠 图 3.7 双螺母内循环齿差调整式滚动螺旋副 滚珠丝杠的安装与支承 数控机床的进给要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母副本身的刚度 外，滚珠丝杠正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座丝杠端部的 轴承及其加工的不精确性和它们在受力之后的过量都会给进给系统的传动刚度带来影 响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配合，并应保证孔对端面的垂直 度。螺母座应增加适当的筋板，并加大螺母座和机床结合部件的接触面积，以提高螺 母座的局部刚度和接触刚度。滚珠丝杠的不正确安装以及支承机构的刚度不足会使滚 珠丝杠的寿命大为下降。 滚珠丝杆常用推力轴承支承，以提高轴向刚度（当轴向负载很小时，也可用角接 触轴承） ，滚珠丝杠在机床上的安装支承方式如图 3.8 所示。 图 3.8 滚珠丝杠安装方式 丝杠的选取设计 1.滚动丝杠副的选择 已知：精密机床丝杠副寿命 lh =15000h y 向工作台重量为 400n,x 向工作 台重量为 800n nm=400r/min 黑龙江工程学院本科生毕业设计 18 （1） y 向滚珠丝杠的的选择 1)fm计算 ) m ffgg=+（=0.18（400+200）=108n 129.6 cfham fk k k fn= 2)选用滚珠丝杠副。 根据式 3 4 1.67 10 mh ac n l cf= (3.1) 得 2320 a cn= 选用系列代号为 20042.5,ca=5393n，且尺寸较为合适。 3)滚珠丝杠长度的确定。 滚珠丝杠的有效丝杠长度根据工作台的尺寸和 y 向的行程确定为 70mm,丝杠的 轴端尺寸参考 14 文献查表确定公称直径为 20mm 的尺寸系列。 （2） x 向滚动丝杠副的选择 1)fm计算 ) m ffgg=+（=0.18（800+200）=180n 216 cfham fk k k fn= 2)选用滚珠丝杠副。 根据式 3 4 1.67 10 mh ac n l cf= (3.2) 得 3972 a cn= 选用系列代号为 20042.5,ca=5393n，且尺寸较为合适。 其中 ca 额定轴向动负荷，n fm丝杠的轴向当量负荷，n nm 丝杠的当量转速，r/min f 导轨上的摩擦系数，0.18f =。 g工作台重 g 工件重 f k 载荷系数，取 f k =1.2 h k 硬度影响系数，取 h k =1 黑龙江工程学院本科生毕业设计 19 a k 可靠性系数，取 a k =1 3)滚珠丝杠长度的确定。 滚珠丝杠的有效丝杠长度根据工作台的尺寸和 x 向的行程确定为 80mm,丝杠的 轴端尺寸参考 14 文献查表公称直径为 20mm 的尺寸系列。 3.3.2 步进电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制组件。在非超载的情 况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化 的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在， 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域 用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。 步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体 化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选 用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负 载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须 在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说 最大静力矩 mjmax 大的电机，负载力矩大。 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，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） 步进电机开环驱动原理，它由以下几部分组成： 单片机：单片机的作用是接受指令，并将指令转化为脉冲信号，控制环形分配 器。 环形分配器：它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上， 使各相绕组按一定的顺序和时间导通和关断，并根据指令使电动机正转或反转， 实现确定的运行方式。 功率放大电路：由于从单片机发出的脉冲经过分配器分配给各相绕组，其功率很 小。功率放大电路的作用就是将脉冲信号进行电流和电压放大，驱动步进电机，使步 进电机随着不同的控制脉冲信号作正转、反转、快转、慢转和停止等。 由 4 文献可知，伺服电动机的主参数是功率(kw),但是选择伺服电动机却并不按 功率，而是根据下列指标选择的。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 20 （1）最大负载转矩不得超过电动机的额定转矩 折算至电动机机轴的最大负载转 矩 itt pf t ff h l += 21 max 2ph (3.3) 式中 max f丝杠上的最大轴向载荷，等于轴向进给力加导轨摩擦力 （n）； h p 丝杠的导程（m）； h 滚珠丝杠的机械效率； 1f t 因滚珠丝杠螺母预加载荷引起的附加摩擦转矩； 2f t滚珠丝杠轴承的摩擦转矩 根据所设计的 12ff tt和可以忽略不计。 所以fm =2t/s 其中 s 为进给丝杠导程，s=4mm 为进给丝杠的正效率，取 =0.9； 得t=fm s/2电机驱动的额定扭矩要大于 t。 y 向的步进电机 t=fm s/2=76nmm tt x 向的步进电机 t=fm s/2=127nmm tt 由己知条件，进给分辨率为 0. 005mm，考虑误差，选脉冲当量pd =0. 004mm脉 冲，取 i=1，则由 0 360 b p l i q d = (3.4) 得 0 3 360 360 0.004 10 0.004 0.36 / p b l d q - = = =脉冲 式中bq为电机步距角，l。为滚珠丝杠导程，i 为传动比。 由电机步距角可选择步进电机型号 90bf006，其各项参数为： 相数：5 步距角：0.36 /0.72 电压：24v 相电流：3a 黑龙江工程学院本科生毕业设计 21 最高空载启动频率：2. 4khz 分配方式：五相十拍。 3.4 工作头升降机构设计 为了扩大机床的加工范围，以适应不同尺寸工件，并提高工作效率 快速接近工件，设计工作头自由升降来调整工作头与工作台之间的空间，扩大加 工范围。 本设计利用螺旋丝杠，采用三相异步电动机通过螺旋丝杠带动工作头升降，并利 用自锁使工作头停于某个位置。 3.4.1 电动机 计算转动惯量，选电动机 电动机上所带动的零件有变幅杆，换能器，支撑架和套筒，其他的可忽略不计。分别 计算他们的转动惯量如下： 变幅杆的转动惯量 1 j 变幅杆的质量分两部分：一个是圆柱形的，一个是圆锥形的。 圆柱体的那部分质量 2 155 mr lr p=4.53.140.90.95.6=64.094g 圆锥体的那部分质量 2 244 1 3 mr lr p=4.5 1 3 3.143.63.63.5=213.646g 22 11 52 4 13 210 jm rm r=+= 1 2 64.09499+ 3 10 213.6463636 =830655 g mm2=0.083 kgm2 换能器的转动惯量 2 j 换能器有压电陶瓷和后盖板组成 压电陶瓷的质量 2 12 mr lr p=7.53.1425257.052=207.525g 后盖板的质量 2 2 3 mr lr p=7.83.14252531=474.552g 2 2 11 22 jmr=(207.525+474.552) 2525 =213149 gmm2=0.0213 kgm2 支架和套筒的转动惯量 3 j 他们的质量分为两部分 黑龙江工程学院本科生毕业设计 22 2 1 mr lr p=7.83.14484830=1692.88g 2 211 mr lr p=7.83.14151550=275.535g 22 312 1 11 22 jm rm r=+= 1 2 1692.884848+ 1 2 275.5351515 =1981195 gm m2=0.198 kgm2 总转动惯量j j= 1 j + 2 j + 3 j =0.083+0.022+0.198=0.303 gkm2 要求其转速两秒到达 角速度 2 60 n w p =104.67/rads 其角加速度 w t b=52.33/s 电动机空载时所需的转矩 1 m 1 mjb=0.30352.33=15.86nm 当电动机带有负载时所需的的转矩 2 m 选用工件材料是工具钢，查 15 文献知道单位切削力是 2100/n 2 mm 钻用直径 4mm 的孔。 其总切削力 f= 2100 2 rp=26376n 2 95509550 pfv m nn =52.73nm 所以电动机所需的转矩 m 12 mmm=+=15.86+52.73=68.59nm 电动机所选转矩值大于 m,综合考虑选 yz100m2- 6 型号电动机，其参数：额定功率为 15kw，转速为 943/ minr，输出转矩为 143 nm 3.4.2 联轴器 为了确保伺服系统的定位精度和工作稳定性，在机构传动结构设计上都要求无间 隙、底摩擦、低惯量、高刚度、高谐振以及适宜的阻尼比。为了达到这些要求，最重 要的是提高传动刚度和降低惯量。提高刚度的措施可以采用带有锥形夹紧环（简称锥 环）的挠性联轴器，由于锥环之间的楔紧作用，内外环分别产生径向弹性变形，消除 黑龙江工程学院本科生毕业设计 23 配合间隙，并产生接触压力以传递扭矩；柔性片能补偿同轴度及垂直误差引起的憋劲 现象。参考 14 文献选用选用 yl6 型。 28 44 584386 25 44 j gb j - . 3.4.3 螺旋丝杠 根据上面工作台中丝杠的选取方法一样，综合考虑选用公称直径为 20mm 螺旋丝 杠，并采用双向受载的整体式螺母结构。 步进电机在带动丝杠运动的过程中只克服方主轴的自重，同样按照上面的算法综 合考虑选取步进电机型号 90bf006。 控制系统设计 3.5 滚珠丝杠的校核 由于本次设计的特种加工机的特点就是加工时，受力、受热、受冲击较一般加工 机小许多，所以设计中选择的轴承、导轨等一般都能满足设计要求。滚珠丝杠对加工 机的加工精度有影响，而对于工作头升降机构来说，螺旋丝杠的作用也比较重要。因 此，在本节中将对滚珠丝杠及螺旋丝杠作校核。 滚珠丝杠的主要失效形式是疲劳点蚀和塑性变形。因此，主要根据工作速度确定 计算准则。本设计采用的滚珠丝杠为低速工作，则按寿命条件和静载荷确定其基本尺 寸，并选择其中较大者。 3.5.1 静载荷计算 oafhck k q （3.5） 式中： oac基本额定静载荷 hk硬度影响系数 fk 载荷系