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设计 100 钻机 变速箱

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(设计)100米钻机变速箱设计,设计,100,钻机,变速箱

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黑龙江科技学院毕业设计（论文）任务书姓名： 闵艳芳 任务下达日期 设计（论文）开始日期：设计（论文）完成日期： 一、设计（论文）题目： 100米钻机变速箱设计 二、专题题目： 轴的机械加工工艺过程 三、设计的目的和意义： 针对传统钻探行业施工过程中设备搬迁困难、钻孔效率低以及无法倾斜钻探等问题，研制、改进新一代高效可倾式钻探设备则尤为必要。该矿用钻机改型过程中所面对的若干问题进行了较为详细研究，并对关键件加工过程出现的工艺文体进行分析和调整。因此，该设计对改装其他类型的钻机具有一定的知道意义。四、设计（论文）主要内容： 100米钻机的总体设计、动力的确定、机械传动系统、变速箱的设计与计算，液压系统的设计与计算。五、设计目标： 研制、改进新一代实用的钻探设备 六、进度计划：1.第13周 实习、查资料及进行钻机的结构计算 2.第46周 对钻机的各个部分进行设计计算 3.第79周 绘制钻机总装图、速箱组装图及零件图 4.第1011周。完成专题部分 。5.第1213周 完成翻译部分 第17周准备答辩。七、参考文献资料：1.良贵主编 机械设计 第五版 北京：高等教育出版社 1996 2.俊等主编 机械设计 北京：高等教育出版社，1986 3.章日晋等编 机械零件的结构设计 北京：机械工业出版社，1987 4.郑文伟吴克坚主编机械原理第7版北京：高等教育出版社，1997 指 导 教 师： 院（系）主管领导： 年 月 日I摘要针对传统钻探行业施工过程中设备搬迁困难、钻孔效率低以及无法倾斜钻探等问题，研制、改进新一代高效可倾式钻探设备则显得尤为必要。该矿用钻机改型过程中所面对的若干问题进行了较为详细研究，并对关键件加工过程出现的工艺文体进行分析和调整。通过调研了解到，对钻孔深度 100 米左右的钻机需求量比较大，而目前的 100 米钻机，存在着劳动强度大、适应性差等缺点。鉴于以上原因，我们决定开发 100 米钻机。经几次方案讨论决定，钻机应具有以下特点：经济耐用可靠、质优价廉；便于解体搬运；体积小，重量轻；操作简单，维修方便；适用于 42、50mm 两种钻杆；适用于合金钻头或金刚石钻头钻进；钻进速度快，效率高；动力为电机或柴油机。关键词:100 米 变速箱 钻机IIAbstractthe equipment moves the difficulty in view of the traditional drilling profession construction process in, the drill hole efficiency lowers as well as is unable to incline questions and so on drilling, the development, improves new one generation highly effective to be possible to lean the type drilling equipment to appear especially essential. In this mineral product drilling machine modification process faces certain questions have conducted the comparatively dissect, and the craft literary style which appears to the key processing process carries on the analysis and the adjustment. Understood through the investigation and study, quite is big to the drill hole depth 100 meter about drilling machine demands, but the present 100 meters drilling machines, have the labor intensity in a big way, the compatible inferior shortcoming. In view of the fact that above reason, we decided develops 100 meters drilling machines. Decided after several plan discussions that, the drilling machine should have following characteristic: economy durable reliable, high quality at low price; is advantageous for the disintegration transporting; the volume is small, the weight is light; the operation is simple, the service is convenient; is suitable for 42, 50mm two kind of drill rods; is suitable in the alloy drill bit or the carbon bit sneaks in; sneaks in the speed to be quick, the efficiency is high; the power is the electrical machinery or the diesel engine.Kewords: drilling machines 100 meters gearboxIII目 录摘要 .ABSTRACT.绪论 .1第 1 章 总体设计 .2第 2 章 钻机的主要技术特性 .3第 3 章 动力确定 .53.1 回转钻进及破碎岩层,土层所需功率.53.2 进给油缸所需功率计算.63.2.1 进给油缸的基本参数.63.2.2 油缸工作压力计算.63.2.3 油泵最大工作流量计算.73.2.4 进给油缸功率.73.3 动力机功率的确定.7第 4 章 机械传动系统设计 .104.1 要参数的选择.104.1.1 回转器.104.1.2 升降机.104.1.3 变速箱.104.2 机械传动系统.10第 5 章 回转器 .125.1 结构特点.125. 2 零部件的强度与寿命计算.125.2.1 齿面按接触疲劳强度计算.135.2.2 弯曲疲劳强度极限应力.13第 6 章 变速箱的设计与计算 .156.1 变速箱的结构特点.156.2 零件的强度计算.156.3 齿轮的强度计算.156.4 轴系零部件强度与寿命的校核计算.20第 7 章 绞 车 .247.1 结构特点.24IV7.2 主要参数的选择.247.3 绞车所需功率.257.4 零部件的强度及寿命计算.25第 8 章 液压系统的设计与计算 .318.1 液压卡盘的设计与计算.318.2 进给油缸的设计.33第 9 章 钻机的使用说明书 .35总结 .50致谢 .51参考文献 .52专题 轴的机械加工工艺过程 .53附录 1 .59附录 2 .68绪论国内外的科技现状国内：“六五”“九五”期间，我国地质调查工作中探矿工艺与设备获得长足发展，在引进、消化、吸收的基础上，研究开发了一大批新技术、新装备，如：以绳索取心为主体的金刚石钻探技术；液动冲击回转钻探技术；受控定向钻探技术（含对接井施工技术）；多工艺空气钻探技术（中心反循环连续取样及空气潜孔锤钻探技术）；水力反循环连续取心钻探技术；人造金刚石超硬复合材料及其钻头；低固相泥浆等钻井液应用及护壁堵漏技术；XY系列、CD系列、全液压等新型岩心钻机及配套装备；水文水井钻探设备；短浅坑道机械化作业线等等。在这一领域，我省煤田地质局在煤田地质钻探方面，成功地采用了受控定向钻探技术，并完善了SMQ-1型取芯器，发展成3SMQ-2型取芯器；此外，还研制改进了煤层气储存监测罐。地矿、煤田系统多工艺空气钻探技术的采用更加完善和成熟。 国外：传统的地质勘查工程技术与装备已十分成熟。立轴式液压钻机仍然是主要机型，全液压动力头钻机获得广泛应用，美国金刚石岩心钻机制造商协会制定的DCDMA标准仍然占据钻探管材和钻具市场的主流，国际标准化组织（ISO）的TC82（矿业技术委员会）/SC6（金刚石钻探设备分技术委员会）也制定了一些标准，可能成为今后的发展方向。 通过调研了解到，对钻孔深度100米左右的钻机需求量比较大，而目前的100米钻机，存在着劳动强度大、适应性差等缺点。鉴于以上原因，我们决定开发100米钻机。经几次方案讨论决定，钻机应具有以下特点：1. 经济耐用可靠、质优价廉；2. 便于解体搬运；3. 体积小，重量轻；4. 操作简单，维修方便；5. 适用于42、50mm两种钻杆；6. 适用于合金钻头或金刚石钻头钻进；7. 钻进速度快，效率高；8. 动力为电机或柴油机。第1章 总体设计经过调研和几次方案论证，考虑到现场特点，从实用角度出发，确定方案如下：1. 考虑到井下、井上和野外作业，动力可选电机或柴油机。2. 考虑到有软岩石、硬岩石的钻进，除了正常的钻进速度外，增加高速340r/min。3. 钻机除配机动绞车外，增加了液压卡盘减轻劳动强度，节约时间，提高有效钻进速度。4. 考虑到高转速时，绞车速度不能太快，所以增加了互锁装置，安全可靠。5. 由于本机动力较大，动力由V型带传动到变速箱的传动轴上易使传动轴弯曲，所以增加了卸荷装置。6. 采用二级回归式变速箱，减少变速箱体积，根据不同的地质条件，选用不同的钻进速度。7. 设置压带轮，皮带调整安全可靠。8. 在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适于整体或解体搬运。尽量做到标准化, 通用化，系列化。第2章 钻机技术特性1. 钻进深度 100m 2. 钻孔直径 1开孔直径 892终孔直径 603. 钻孔倾斜角度 03604. 立轴转速 110、190、340/min5. 立轴行程 4006最大液压给进压力 4MPa7卡盘最大工作压力（弹簧常闭式液压卡盘） 6MPa8立轴内孔直径 529油缸最大起拔力 28.5KN 10油缸最大给进力 20KN 11. 绞车提升速度 0.25、0.57、0.65m/s 12. 绞车转速 28、50、78r/min 13绞车提升负荷 0.75m/s 3.35KN . 0.44m/s 6.00KN . 0.22m/s 12KN 14. 卷筒 直径 140mm 宽度 100m 钢丝绳直径 8.8mm 容绳长度 32.8m 15配备动力 1 电动机 型号 YB160M4 电压 380/660V 功率 5.5KW 转速 1440r/min2 柴油机 型号 S1100 功率 5.5KW 转速 1500r/min 16外型尺寸（Lhb） 13706851200mm 17重量（不含柴油机） 750Kg 第3章 动力机的确定本机组的驱动装置采用交流感应电动机，因为这种动力机重量轻、结构简单、使用维护方便易实现防爆。为了便于搬运和机场的布置，钻机和水泵各用一台电机单独驱动，而回转器与油泵共用一台电机联合驱动。输出功率为N。N。1.2Nj式中：Nj钻机所需功率 KW Nj（NhNy）/式中: Nh回转钻进所需功率 KW 效率 =0.85 Ny油泵所需功率 KW Nh=N1+N2+N3式中: N1井底破碎岩石、土层所需功率 KW N2钻头与孔底摩擦所需功率 KW N3回转钻杆所需功率 KW3.1 回转钻进及破碎岩石、土层所需功率 KWNh=N1+N2+N3 1. N1= 3-1式中: m钻头切削刃数 取m=6 n立轴转速 r/min h钻进速度 h=1.5cm/min. 岩石抗压强度,其值见表3-1A 井底环状面积，取钻头直径D=7.3cm,内孔直径 d=5.8cm,A=(D2d2)/4=(7.325.82)/4=15.43cm2 2. N2=fen(R+r)/1944800 3-2式中: 孔底压力或岩石抗压强度. f钻具与岩石直接的摩擦系数 f=0.3 e侧摩擦系数 e=1.1 n立轴转速 R钻头外圆半径 R=3.65cm r钻头内孔半径 r=2.91cm 将立轴不同转速和不同空底压力代入式3-2中,所得相应数值见表3-2。 3. N3=7.81011Ldn1。7 (当n200r/min时) 3-3-2式中：L孔深 ， 硬质合金钻进时，取L150000mm 金刚石钻进时，取L75000mm d钻杆直径 ，取d=42mm计算 n立轴转速， r冲洗液比重。 r=1.15 将上述参数及立轴不同转速代入上式，所得值列表32中。 3.2 给进油缸所需功率的计算 3.2.1. 给进油缸的基本参数 1）给进油缸的数量 n2 2）油缸直径 D55mm 3）活塞杆直径 d30mm 4）活塞杆有效行程 L400mm 5）油缸面积 A123.76cm2 6）活塞杆面积 A27cm2 7）有效面积 AA1A216.76cm2 3.2.2油缸工作压力的计算 钻机大水平孔时，油缸的最大推力为： WCFm式中：W油缸最大推力 C孔底最大压力 C10000N Fm钻杆与孔壁间的摩擦力 FmqLf式中：q钻杆单位长度重量 q45.6N/m L钻杆长度 L1050m f摩擦系数 f0.35 Fm45.610500.35=1675.8N W=10000+1675.8=11675.8N 油泵的工作压力PP=W/A=11675.8/16.76=696.6N/cm2 3.2.3.油泵最大工作流量计算 油缸回程时的最大容油量: V1=A1L=23.7640=950.4mL=0.9504L 油缸送进时的最大容油量: V2=AL=16.7640=0.6704L当选用立轴的钻进速度V=0.06m/min=0.6dm/min时,立轴送进时每分钟所需的油量为: Q=2AV=20.16760.6=0.2 令活塞回程时间为0.3min,则回程所需油量为: Q1=0,95042/0.3=6.336 3.2.4.给进油缸功率Ny Ny=PQ/60102=696.60.2/60102=0.0233.2.5.根据上面的计算,选用YBC10/80型齿轮油泵(排油量10L/min,压力800N/cm2 )。油泵满负荷时所需功率是:Ny=PQ/6010212式中:P额定压力 P=800N/cm2 Q额定流量 Q=10L/min 1机械效率 1=0.9 2容积效率 2=0.71 Ny=80010/601020.90.71=2.04KW3.3动力机功率的确定 通过上述的计算说明，立轴钻进时给进所需功率很小，而且油泵满负荷工作时一般是立轴停止转动状态，液压卡盘松开时，必须停止钻进。所以参考表32本机选用5.5KW电机或柴油机，基本能满足表32中粗线以上各种工作状态。表31岩 石 名 称 抗 压 强 度 （N/cm2 ）粘土、页岩、片状砂岩4000石灰岩、砂岩8000大理石、石灰岩10000坚硬的石灰岩、页岩12000黄铁况、磁铁矿14000煤2000N (kw) r/minN/cm2110190340N120000.06930.07940.091840000.13860.15890.183780000.27710.31770.3675100000.34640.39710.4593120000.4157 0.4765 0.5512N220000.24430.42300.756940000.48980.84601.513880000.97951.69193.0277100001.22442.114937846 12000 1.4693 2.5379 4.5346N3 r/minN/cm21.01602.57282.2804Nh20001.32963.07523.129240001.64443.57693.977980002.27264.58245.6756100002.58685.08486.5243120002.90105.58797.3662Ny r/minN/cm20.0230.0230.023Nj=Nh/3.41293.61793.6814N0=1.2Nj4.09204.34154.4177第4章 机械传动系统设计 4.1 主要参数的选择 4.1.1 回转器立轴的转速，主要取决于地质条件、钻头直径及钻进方式，当使用直径为75mm钻头时，采用硬质合金和钻粒，根据国内外的经验，立轴转速取n90400r/min比较适宜；采用金刚石钻头钻进时，立轴转速取n4001000r/min比较适宜。本机选用110340r/min，即适合合金钻头钻进，由适合金刚石钻头钻进。4.1.2 升降机为了减轻钻机重量，不使动力机过大，绞车的缠绳速度不宜过高，基本上采用低速，本机升降机速度为0.220.66m/s。4.1.3 变速箱参考国内外现有小型钻机的转速系列，本机采用了不规则排列的中间转速系列。（1） 立轴有三种转速，110、190、340r/min转速适合合金钻头钻进。（2） 卷筒缠绳速度为三种，见表41 表41档档档立轴转速 r/min110190340 缠绳速度 m/s0.220.370.664.2 机械传动系统机械系统传动路线见图41传动计算如下：1.立轴的转速:n=nD1/D2Z1/Z2Z3/Z4Z10/Z11式中: n立轴的第一档转速 r/min n电机转速 n=1440r/min D1主动皮带轮直径 D1=125mm D2大皮带轮直径 D2=285mm Z1Z11传动链中各齿轮的齿数,Z1=31,Z2=54,Z3=31,Z4=54Z10=21,Z11=39 n=1440125/28531/5431/5421/39=112.1110r/min n=nD1/D2Z1/Z2Z5/Z6Z10/Z11式中:Z5=42,Z6=43 n=1440125/28531/5442/4321/39=190.69190r/min n=nD1/D2Z1/Z4内Z10/Z11式中: Z4内=31 n=1460160/36531/3121/39=340.08340r/min考虑到皮带传动、齿轮传动、轴承等的效率，所以各档转速确定为110、190、340r/min。2. 绞车的缠绳速度V1=D(nD1/D2Z1/Z2Z3/Z4Z9/Z12/Z13/Z14)/60000 m/s式中:D=D0+d=140+8.8=148.8mm式中:D0=140mm为卷筒直径,d=8.8mm为钢丝绳直径。V1=148.8(1460160/36525/3118/3833/8318/1818/54)/60000 =0.22m/s V2=0.44m/s V3=0.75m/s (计算从略)考虑到皮带、轴承、齿轮等的效率，确定绞车提升速度分别为：U10.22m/s U2=0.44m/s U3=0.75m/s。第5章 回转器5.1 结构特点 回转器的结构如图51所示，是由本体、立轴、立轴导管、弧齿锥齿轮等组成。立轴上端装有常闭式液压卡盘。其特点是：1、回转器尺寸小、紧凑。2、回转器适用于各种角度的孔的钻进。3、离开孔口采用开箱式，简单可靠，减轻钻机重量。4、立轴行程比过去小型钻机大，为500mm，缩短钻进辅助时间。5.2 零部件的强度与寿命计算弧齿锥齿轮副的强度校核:Z10与Z11的主要参数见表51。齿面硬度Z10为HRC52、Z11为HRC57，锥距R77.515m,节锥角10=28018 22”,11=6104128”表5-1齿 号齿 数模数变位系数齿宽材料齿顶系数压力角螺旋角旋向精度Z10213.502220CrMnTi0.85200350右8DCZ11393.502220CrMnTi0.85200350左8DC齿轮在各种转速下传递的功率、转速及转矩见表52 表52功率 KW转速 r/min转矩 nm 5.1763280 5.07208233 5.07354137 5.2.1 齿面按接触疲劳强度计算（1）接触应力HZE 1.5ftmaxKAKVKHZR 3 Ft1 N/mm2 bd1I Ftmax ZE弹性系数 ZE189.8 N/mm2 Ft1=Ftmax小轮运转中最小切向力 Ftmax=2758N KA使用系数 KA=1.25 Kv动载系数 KV1=KV2=1 KH齿间载荷分布系数 KH=1.2 Zx尺寸系数 Zx=1.0 ZR表面状况系数 ZR=1 b有效齿宽 b=22mm d1小轮大端分圆直径 d1=94.5mm I几何系数 I=0.1 将以上各值代入上式,得H=1197N/mm2 (2)接触疲劳极限应力 HIin=HIinZNZW/ZQ N/mm2 HIin接触疲劳极限应力 HIin1352 Zwgz工作硬化系数 Zw1 ZN寿命系数 ZN1 ZQ温度系数 ZQ=1 HIin=135211=1352 (3)安全系数:SH=HIin/H=1352/1197=1.12SHIin=1 所以安全。 5.2.2 弯曲疲劳强度极限应力（1） 计算齿根弯曲应力 FFtKAKUKFYX/bmsJ N/mm2 Ft作用于大端分度圆上的切向力 Ft=2758N KA使用系数 KA =1.25 Kv动载系数 Kv=1 KF载荷分布系数 KF1.15 Yx尺寸系数 Yx1 ms大端端面模数 ms=4.5 J几何系数 J0.18 F141N/mm2（2） 齿根弯曲疲劳极限应力 FIimFIimYN/YQ N/mm2 YQ温度系数 YQ1 YN寿命系数 YN1 FIim齿根弯曲疲劳极限应力 FIim206.82N/mm2（3） 安全系数 SFFIim/F206.82/141=1.46SFmin=1所以安全。第6章 变速箱的设计与计算 6.1 变速箱的结构特点变速箱的结构如图61所示，它是由变速部分、分动部分及操纵部分和壳体等组成。也是变速部分和分动部分合为一体的传动箱。其特点是：1、采用了回归式的传动形式，箱体呈扁平状，有利于降低钻机的高度，齿轮Z4即是移动齿轮由是结合子，因此结构紧凑。2、变速、分动相结合，减少了零件数目，有效利用变速箱内的空间。3、操纵结构采用了齿轮齿条拨叉机构，操纵灵活可靠，每个移动齿轮单独控制，并有互锁装置，这种互锁装置安全可靠，结构简单。4、增加了卸荷装置，减少了轴齿轮的受力状况。6.2 零件的强度计算 1、在校核零件的强度时，假设电机的功率全部输入变速箱，然后再输入绞车和回转器。2、变速箱在不更换齿轮的情况下，可连续工作10000小时，纯机动时间每班16小时，可连续工作20个月。每个速度的工作时间分配情况如下：第一速（110r/min） 为40即4000小时；第二速（190r/min） 为40即4000小时；第三速（340r/min） 为20即2000小时； 3、本机零部件的强度和寿命计算方法和数据是按机械设计手册（冶金工业出版社）计算的。6.3齿轮强度计算 1、变速箱内各齿轮主要参数及材料见表61表61齿数模数齿宽变位系数Xn材料硬度RC应力角备注Z1312351.040Cr40-45200Z2542220.140Cr40-45200Z3312261.0 40Cr 40-45200Z4542 260.140Cr40-50200Z5422240.140Cr40-45200Z6432241.040Cr40-45200Z735325040Cr40-45200Z826326 040Cr45-50200Z933422040Cr45-50200Z121732604540-45200Z13183350.1520CrMnTi57-62200 Z14183200.120CrMnTi57-62200 Z15543280.3540Cr2002、Z3、Z4齿轮副的强度校核1) 齿根弯曲疲劳强度验算（A） 计算齿轮的弯曲疲劳极限应力式中被校核齿轮的弯曲疲劳极限应力实验齿轮的弯曲疲劳极限应力，由图F813查得：（Mpa） 弯曲寿命系数，因两齿轮的应力循环次数为：=*0.4*60*365=0.87*次=*0.4*60*210=0.5*次由图F814知=1尺寸系数=1（图F815）有效应力集中系数，有图F816查知=1.03，=0.97所以 =*/=400*1*1/1.03=370（Mpa） =*/=400*1*1/0.97=412（Mpa）（B） 比较弯曲强度图F86查得齿形系数=1.94，=2.26 则有/=370/1.94=191/=412/2.26=182因此齿轮弯曲强度弱。（C） 计算弯曲工作应力=/bm() （Mpa）式中 计算圆周力，而=其中 工作圆周力=2000/=2000*132.5/62=4273（N）工作状况系数，由表F87查知=1.25 动载系数，因为V/100=1.18*31/100=0.37，由F84知=1载荷分配系数，=1/，当=1.6时，=0.7，所以=1/0.7=1.43载荷分布系数，因=b/=26/62=0.45,故由表F85查知=1.05则 =4273*1*1*1.43*1.05=6417.5（N） 载荷作用位置数 =0.7 螺旋角系数 =1 b 齿宽 b=26 (毫米) m模数 m=2 (毫米) =/bm()=6417.5/26*2(2.26*0.7*1=195（Mpa） (d)计算齿轮的弯曲疲劳安全系数 =/=412/195=2.11可靠2）齿面接触疲劳强度验算（A）计算齿轮的接触疲劳极限应力=*式中 实验齿轮的接触疲劳极限应力，由F817查知 =1100（Mpa）寿命系数，由图F818查知=1.19， =1.22硬化系数， 取=1所以 =1100*1.19*1.03=1348（Mpa）=1100*1.22*1.03=1424 （Mpa） （B）计算接触工作应力=（Mpa）式中 材料系数，由F89查知=189.8节点系数，=2.27 由图F810重合度系数 =0.9由图F89U齿数比 U=54/31=1.74则 =189.8*2.27*0.9=889（Mpa）（C） 算安全系数=/=1384/889=1.516 安全可靠3）短期过载强度校验计算取最大短期尖峰载荷是额定工作载荷的1.5倍短期过载弯曲极限应力，根据表F812知 =18*=18*45=810（Mpa）最大的弯曲工作应力为 =*1.5/=195*1.5/1.25=234（Mpa）短期过载弯曲强度安全系数 =/=810/234=3.5（安全）短期过载接触极限应力，根据表F812知 =41，3*45=1859 （Mpa）而最大接触应力为=889*=974（Mpa）短期过载接触强度的安全系数为=1.9（安全）3、其他齿轮对的强度校核 按上面的方法和步骤，对变速箱中的其他齿轮对可进行类似的计算，略。6.4 轴系零件与部件的强度与寿命的校核计算在变速箱中共有三根轴，其中轴负荷最大，而且相对尺寸直径小、长度长。下面仅以该轴的强度寿命进行验算。轴共有七种工作状态，向回转器传递四种状态的动力，驱动绞车三种状态。相比而言回转器的130r/min的转速时该轴扭矩最大，受力最大。1、轴的驱动校核已知下列条件：材料40Cr，调质T220-250，各齿轮分度圆直径为：d4108、d684、d8105.该轴的四个转速及传递的扭矩见表6-2表6-2转速（r/min）扭矩（Nm）备 注档2102217档3561184 III档 636 7928（A） 在各种转速下齿轮受力支反力计算结果列表63中（B） 轴的疲劳强度校核：从表62中得知，校核轴的强度时，应取低转速的受力状态。表63 RCY RBY Ft6 Ft4 RAY C B Ft6 FR4 A RCX RBX RAX 125 94.5 115 60.5 270 395 续表63档档档档Ft45362Fr41952Ft642594Fr6944Ft131132450Fr11133892Ft82450Fr8292RAX194174RBX8831092RCX60375RAY3680724RBY7201502RCY4921027RR3684745RB11391506RC7781030轴的扭矩图如图63所示，现计算，截面的安全系数。截面-的弯矩：水平弯矩：Mxz=Fr410010-3+RBX17010-3199Nm垂直弯矩-：MYZ=Ft410010-3+RBY910-3542Nm合成弯矩：M Mxz2 + MYZ2 575Nm截面-的弯矩： 水平弯矩：MxzRAX60510-3+19460.510-3=11Nm 垂直弯矩：MYZRAY60.510-3=223.6Nm合成弯矩：M Mxz +MYZ =223Nm 12量截面扭矩T356.6Nm下面是按当量弯矩计算-、-两截面的安全系数。 水平受力图： C B Frx A 180 47 水平弯矩图： 11 199 Fty 垂直受力图： C B 垂直弯矩图： 80 145 223 542合成弯矩图： 60 231 223 575扭矩图： 356 图63 表64名 称-截面-截面 说 明扭 矩T（Nm）356356弯 矩M（Nm）575223当量力矩Ml652380轴 经d（mm）36、4236、42工作应力m(Mpa)13176.92w=4.9410-6疲劳极限-1(Mpa)350350尺寸系数0.770.77表面质量0.850.85有效应力集中系数K1.571.57安全系数S2.293.91许用安全系数 2.292.29 安 全 通过上述验算轴通过,其它轴系从略。第7章 绞车7.1 结构特点 本钻机考虑到井上、井下钻探作业，故设置了绞车，如图71。在井下矮巷道内钻孔时，绞车难以发挥作用，这时可将绞车拆除。设置绞车也给机器在井下短距离搬运提供自牵的方便。在结构上选择常用的固定轮系的NGW型行星式传动绞车，其特点是：1、结构简单而紧凑，传动装置兼起离合作用，并有过载保护作用。2、在一定范围内，可实现无级调速和微动升降。3、传动功率大，效率高。4、传动平稳，操纵灵活。7.2 主要参数的选择 1、确定钢丝绳直径d根据GB110274标准，选定钢丝绳直径如下：外 径：d=8.8mm总断面积：A=27.88mm2总破断力：S=47300N抗拉强度：=1700Mpa绳 型：绳637（纤维芯）2、钢丝绳的强度校核绞车最大提升负荷：Q=12000N最小安全系数：S=45在正常情况下，最大起重时的安全系数为：S=S/Q=47300/12000=3.49S在急刹车时，取Q2.5Q，则安全系数SS/Q1.63、卷筒参数确定如下：卷筒内径：D140mm卷筒外径：D230mm卷筒有效长度：L0100mm容绳长度：LnD式中：n钢丝绳圈数 n11 D每层缠绳长度之和，共五层， D5（D+d）+20d32m。 4、绞车参数提升速度 卷筒转速 提升力V1=0.22m/s n1=28r/min 12000NV2=0.44m/s n2=50r/min 6000NV3=0.75m/s n3=78r/min 3350N7.3 绞车所需功率1. 卷筒所受扭矩：MT0.5(D+d)Q=0.5(0.14+0.0088)12000 =893Nm 2.绞车轴所受扭矩: MZ=MT/2=298Nm 3.绞车轴所需功率: P=MZn1I/9550=2.6KW7.4 零部件的强度及寿命计算（一）齿轮强度校核对NGW型行星齿轮传动，只校核外啮合。即Z13与Z14。Z1318、 m3、 X13=0.15、 材料为20CrMnTi、 HRC=5762Z1418、 m3、 X14=0.15、 材料为20CrMnTi、 HRC=5762HIim=1500N/mm2 FIim=450 N/mm2传递扭矩：Mz298Nm转 速：nz=n1i84r/min按接触强度校核：1. 分度圆圆周力 Ft=1000MZ/CSR1=5518.5N2. 工况系数 KA=1.253. 动载系数 KV=14. 齿间载荷分配系数 KH=1.055. 齿向载荷分配系数 KH=16. 节点区域系数 ZH=2.357. 弹性系数 ZE=189.8 N/mm28. 重合度系数 Z=0.979. 螺旋角系数 Z=110. 计算接触应力 H Fti+1KAKVKHKH ZHZEZZ db i 11.寿命系数 ZN1=1.02 ZN2=1.1112.最小安全系数 SHmin=1 SFmin1.413.润滑剂系数 ZL=114.速度系数 ZV=0.915.粗糙度系数 ZR=0.916.齿面工作硬化系数 ZW=117.尺寸系数 ZX=118.许用接触应力HP1ZL1ZV1ZR1ZW1ZX1 1239N/mm2 HP2=1308.7N/mm219.接触强度判断因为 H978N/mm2HP11239N/mm2,所以接触强度校核通过。按弯曲疲劳强度校核1. 齿向载荷分布系数 KF=12. 应力修正系数 YS1=1.62 YS2=1.583. 重合度系数 Y=0.94. 螺旋角系数 Y=15. 计算齿根应力FF1 KAKVKFKFYF1YS1YY263.5N/mm2F2=423 N/mm26. 寿命系数 YNT=17. 相对齿根圆角敏感系数 YreIT=18. 相对齿根表面状况系数 YRreIT=1.049. 尺寸系数 YX=110. 许用齿根应力FP1=FP2 YreIT1YRreIT1YX1 668.6N/mm2因为 F1 =263.5N/mm2FP1668.6N/mm2;F2=423 N/mm216MPa时，PPPn125 Pn工作压力（Pa） D油缸内径 D0.17(m) p缸体材料许用拉压力 p=b/S 其中b为材料抗拉强度 S安全系数 S=3.55 取S=4 Pn=600104(Pa) PP=600104150%=900104 p=b/S=60106/3.5=17106Pa t=9001040.17/217106=0.0045(m) 取t=8mm,所以强度足够。 8.2 给进油缸的设计 给进油缸的结构如图84所示，为双作用单活塞杆往复运动油缸，所起的作用是：1、完成钻孔过程中的给进运动；2、当卡钻及处理事故时，配合绞车起拔在钻杆。 1、TXU150型钻机，打水平孔时，需克服150m钻杆的自重和孔壁的摩擦力，其力为：F摩qLf69.61500.35=3660N式中:q钻杆单位长度重量 q=69.6N/m;L钻杆长度 L=150m; f摩擦系数 f=0.33在低速钻进时,当井底压力C=10000N时,则活塞杆所产生的推力必须大于F摩+C,即3660+10000=13660N,活塞杆有效面积16.76cm2油泵工作压力为:P=13660/16.762=407.5400N/cm22、油缸直径的计算根据所需油缸最大作用力以及液压系统的最大工作压力可求得油缸直径。D 4P2/2P= 428500/23.14600=5.49cm25.5cm2 式中：D油缸计算直径 D5.5cm P油压系统的调整压力, P=600N/cm2；P2油缸最大起拔力,P2=28500N。第9章 钻机的使用说明 一、概 述100型液压钻机主要用于矿井内部，供钻探深度为100米的各种角度的放水孔、地质构造孔、灭火孔、抽放瓦斯孔及其它用途的各种工程孔，也可以在地面钻探深度为100米的地质勘探孔及其它用途的各种浅孔。100型钻机可在各种不同硬度的岩层中钻探任意角度的孔，尤其在煤层、软岩石及硬岩石中钻孔效率为最高。整个机组由100型钻机和TBW-75/2.0泥浆泵，两部分组成。在矿井内部钻探时不需要井架。钻孔冲洗液为泥浆、清水或煤水。在地面钻探时需要有有一定高度的三角架可供提升使用。钻机具有以下特点：1、 钻机的转数范围宽，有两组供六个转速，高转数需换一对高速齿轮（根据用户需要配备高速齿轮），可使用硬质合金钻头，适合各种地质情况，以提高钻进效率。2、 钻机装有摩擦离合器，可避免主轴变速时频繁起、停电动机，具有超载保护作用。3、 本机在较大范围内采用了液压技术，装有液压卡盘、液压夹持器、液压送进机构，能强力起拔钻杆。操作安全可靠，大大地降低了劳动强度。4、 立轴让开孔口的方式采用开箱式，结构简单，操作方便。型号说明：T勘探机械；X岩心钻机；U油压；150钻进深度150米。二、技 术 特 性1最大钻进深度（使用50mm钻杆或42mm钻杆） 100m2钻孔直径1）开孔孔径 89mm2）终孔直径 不小于50mm3钻孔倾斜角度 03604立轴转数 110、119、340 r/min5. 立轴扭矩 640、358、232、136Nm6立轴行程 400mm7液压送进最大液压给进压力 4MPa8卡盘形式 常闭式液压卡盘液压卡盘最大工作压力 6MPa9立轴内孔直径 52mm10油缸最大起拔力 28.5 KN11绞车转速 0.217、0.368、0.656m/s12绞车提升速度 0.22、0.44、0.75m/s13绞车提升负荷 1200 、600、335Kg14卷筒 1)直径 110mm2)钢丝绳直径 8.8mm3)容绳长度 20m15电动机1)型号 YB132S42)功率 5.5kw 3)转速 1440r/min16钻机外形尺寸(Lbh) 123060011160mm17钻机总重量 550kg三、钻机分组情况100型钻机共分六组，各组布局及外观如图1所示。1回转器：是钻机立轴产生回转及往复运动部分。2变速箱：是钻机立轴、绞车产生各种不同转数的传动与变速部分。3离合器：是动力的传递部分，用以接通或切断动力，实现不停电动机变更立轴或绞车的转数。钻进负荷超载时可保护钻机。4绞车：是升降钻具的部分。5抱闸：是控制绞车的机构，用来提升与停止钻具在任何位置的部分。6机架：是连接机器各组的机体，并将机器稳定地固定在钻场基台木上。7操纵仪：是控制钻机液压系统的总枢钮。四、结构特征与工作原理钻机型式为：机械传动、液压给进、弹簧夹紧、立轴式钻机。1、钻机结构如下：1.1回转器,如图2回转器部分主要由液压卡盘、立轴、本体、立轴导管、大弧齿锥齿轮、两根油缸和两根导向杆组成。1）、液压卡盘如图2所示，主要由下列构件组成：碟形弹簧和位于其上的带外环、内锥的移动套；位于外环上的活塞；插入碟形弹簧和移动套内孔中的主轴；主轴中的三片卡瓦外锥与移动套内锥相配合，卡瓦置于主轴上部的三个等分的槽中。下部由两轴承支持。卡盘的外壳，即缸体和压头座，由螺栓联接在一起。卡盘的主要动作是高压油从上部进入缸体推动活塞下移压移动套，移动套压碟形弹簧，由于移动套下移，三片卡瓦在主轴槽内呈自由状态，被主轴内的涨环14外推，松开钻杆。当释放油压时，在碟形弹簧的弹力推动下，移动套上移，迫使卡瓦向中心移动，在压缩涨环的同时夹紧了钻杆。组装时碟形弹簧的预紧力为32KN。更换卡瓦时，先将上端螺钉取出，再取下压盖，防尘盖,垫及卡环，然后取出涨环，卡瓦，即更换新的卡瓦和涨环。2）、给进油缸主要有活塞杆、油缸上盖、下盖，用锁紧钢丝连接在一起。在更换弧齿锥齿轮时，为保证成对弧齿锥齿轮锥顶重合，需加垫调整间隙保证啮合。每次安装液压卡盘时立轴螺纹端部不许接触卡盘螺纹内端面，卡盘与立轴用圆螺母防止松动。1.2、变速箱，如图3变速箱主要由四对直齿园柱齿轮及两根平行的花键轴构成。动力由电动机首先传到装在变速箱体的带有卸荷装置的大皮带轮上，然后经过不同的传动链，将动力传给小园弧锥齿轮Z10。主动齿轮为轴齿轮，通过滚动轴承架于箱体内，轴齿轮端面加工有不通孔，内装滚动轴承与滚动轴承构成支点，支撑花键轴。花键轴是通过滚动轴承架于变速箱体内。花键轴上装有齿轮。在花键轴上安装的齿轮为移动齿轮，变速箱所产生的不同转速，就是改变移动齿轮的位置来实现的。安装在花键轴上的齿轮也是移动齿轮，该齿轮将三种不同速度传给绞车。变速箱前部的T型槽是与回转器部分的连接盘连用的，连接盘上的T型螺钉可在T型槽内固定于任何位置，钻机给进角度的调整就是用T型槽来实现的。1.3绞车，如图4绞车为行星齿轮机构，绞车轴固定在轴承座及变速箱体的滚动轴承上，绞车轴的左端用键与传动齿轮相连接。绞车轴中部带有齿轮。当变速箱中的齿轮（图3）将动力传给齿轮时，绞车轴就会同传动齿轮一同旋转。当提升时，应将用闸带刹住；使固定在闸筒上的两个游星齿轮只能在游星齿轮轴上自转而无公转。因而带动内齿圈使卷筒产生转动。当钻具提升到一定高度，需要使卷筒停止转动时，应很快的松开刹住闸筒的抱闸，同时又很快的用另一抱闸将卷筒右侧的制动部分抱紧，使卷筒与内齿圈停止转动，这时由绞车轴传来的动力，传给游星齿轮后，游星齿轮除了自身的转动外又通过游星齿轮轴带动闸筒一起转动。下降钻具时左右闸带全松开，卷筒因钻具自重下落而回转。依此循环往返便可完成钻具的升降工作。为了牢固的将钢丝绳固定在绞车上，在卷筒右侧开有小孔将绳头穿过孔后，通过绳卡将钢丝绳固定。在更换拆装内齿圈时应先将内齿圈与卷筒相固定用的螺钉取下，然后，在卷筒容绳侧用螺钉将内齿圈顶出。1.4制动闸：钻机所选用的制动闸，左右是一致的，整个闸带与闸筒（或卷筒）之间的间隙是用调整连杆下部螺钉来实现的。10、11分别为左右闸把。1.5机架，如图1机架是连接钻机各组的总框架，电机也装在机架上，皮带松紧是通过调整压带轮来实现的。1.6操纵仪，如图5操纵仪由油路控制阀和压力表、手轮（调压）和手轮（调速）等组成。其功能主要是控制液压卡盘和进给油缸的。压力控制阀是调整油路压力，改变立轴压力的控制机构；手轮是控制进给速度的；控制阀控制油缸上升与下降；控制阀控制液压卡盘松卡钻杆。液压卡盘的压力为6Mpa，给进油缸压力为4Mpa。2、钻机的工作原理钻机的传动系统，电机动力通过以下各传动链传到固定在立轴上的大弧齿锥齿轮上，从而使立轴带动钻具一起产生旋转运动；齿轮油泵输送出一定的压力，一方面用于打开液压卡盘，另一方面通过油路控制阀使给进油缸产生往复运动，给进油缸带动钻具往复运动。至此，钻具即可旋转，又可给进，从而完成钻进任务。钻屑的排泄是通过与钻机配套的泥浆泵来完成。各传动链如下：立轴的三个回转运动：2.1、立轴的速回转运动125r/minD1D2Z1Z2Z3Z4Z7Z16Z10Z112.2立轴的速回转运动210r/minD1D2Z1Z2Z5Z6Z7Z16Z10Z112.3立轴的速回转运动340r/minD1D2Z1Z4（内齿）Z7Z16Z10Z11绞车的三个回转运动：2.4绞车的低速回转运动D1D2Z1Z2Z3Z4Z7Z8Z9Z13Z14Z152.5绞车的中速回转运动D1D2Z1Z2Z5Z6Z7Z8Z9Z13Z14Z152.6绞车的高速回转运动D1D2Z1Z4（内齿）Z7Z8Z9Z13Z14Z152.7立轴的给进运动D3D4经低压油管，将油箱中的20号机油吸入油泵，使其产生需用的压力，再经高压油管、调压阀、高压油管及进入油缸中的活塞上部，推动活塞产生直线运动，活塞下部具有一定的压力的20号机油经高压油管及，进入调速阀，调整调速阀的回油量大小即可控制给进速度的快慢。（当需要减压钻进时，也按此操作控制活塞的下部压力）然后流经高压油管及操纵阀、低压油管回到油箱。2.9立轴的快速移动D3D4经油泵、高压油管、调压阀、操纵阀、高压油管、调速阀、高压油管，进入活塞的下部，推动活塞产生直线运动，活塞上部的机油经过高压油管和、操纵阀及低压油管回到油箱，当调速阀的流量调整为最大时，立轴得到快速移动。完成一个400mm进尺后，将卡盘控制阀打开，经油管松开液压卡盘，将操纵阀手柄位置板到上升位置，操纵调速阀将立轴快速上升，然后板动卡盘控制阀手柄，卡瓦自动卡紧钻杆。五、操作程序所有钻探人员都应按下列操作程序进行操作，避免因操作不当而造成机器或人身事故。1、钻机在搬运过程中应避免碰撞，在分组搬运过程中，应将油管固定后方能进行。2、在工作场地安装时，应使用地脚螺栓将钻机固定于基台木上。无论钻任何角度的孔都应在基台木的上面打支柱。3、电源接通前首先仔细检查钻机各部分安装是否正确。并应用手搬动外部可转动部分看是否零活。4、电源接通后首先应验证立轴转动方向是否正确。5、将离合器手把放在断开位置，并将边速手把3放在1速位置，旋转立轴，检查各立轴旋转部位的转动是否灵活，有无阻力过大现象或异音，如有应设法消除。6、检查油路系统各接头是否拧紧，快速接头是否扦入U型卡圈，油箱油位是否在指定位置上。7、开动电机检查离合器的可靠性。8、绝对禁止在运行中变速，若搬动变速手柄，必须先切断离合器，待离合器停止转动后再进行挂档，以免齿轮打坏，并注意把手柄定位销置于定位孔内，以免齿轮掉档。9、需要变速或接通绞车时，必须关闭电机。10、在正式工作前应使机器空转10分钟，此时油路系统应调整到零压。11、在开动回转器立轴转动前，必须先将钻具提离孔底，待运转正常后再进行钻进。12、各操作手把的操作及配合使用程序如下：1） 开车前首先将手把1、2放在0（断开）位置，手轮3向左旋至0位，手把4置于位置3，手轮5向右旋死。2）上述各手把全部按规定位置准确无误后即可开动电机，转动23分钟后将电机关闭，这时即可将手把2调到低速I的位置，再进行开车并空转10分钟。3）空运转完毕后，关闭电机，将手把2调到需要的转数后再开动电机。4）上述各传动操作完毕后就可以调整液压部分，液压部分的调整是在机器运转过程中进行的，同时装入钻杆。所以手把位置调的正确与否对机器的安全使用非常重要。5）手轮5向右旋死（拧不动为止），手把4搬到第4个位置，手把7搬到卡紧位置后再松开使其自然回到中间位置，然后慢慢的向右拧动手轮3，当压力表中的指针逐渐上升到0510Mpa时停止拧动手轮3而将手轮5向左慢慢拧动，当立轴开始移动应继续拧动手轮5使钻具下至井底，最后将节流阀调到最慢位置，并根据井下岩石的软硬程度向右旋转，调整手轮3使立轴压力达到需要的数值。6）当立轴的一个行程走完后将手把4搬到位置3上并关闭电机，然后将手把2搬到空档。再启动电机，将手把7搬到松开位置，同时抬起快速增压手把9，待卡盘松开后，再将手把7扳到中间位置后才可松开快速增压手把9，并将手轮5调到最大的速度，这时将手把4搬到位置2使立轴快速上升（或后退），上升到终点后，将手把7搬到卡紧位置，操作者这时要把手轮5向右旋死，当电动机开动后再调手把5得到需要的给进速度，在立轴上升（或后退时）都应关闭电机后，手把2放到空档位置后进行。7）当一个班工作完毕后将手把1置于断开位置，手把2置于空转位置，手把3向左扭到零位，手把4上下搬动几次使表针回到零位后将其置于位置3，手轮5向右拧到全关闭位置。8）在每次提升使用绞车时应首先关闭电机，将手把1置于连接位置，手把2置于需要的位置上，手把3、4及5完全按第（7）条规定调到零位。9）使用绞车时手把10与11绝对禁止同时制动。提升时应使手把10抱紧闸筒，手把11松开，当需要停止提升时非常迅速的先松开手把10，然后迅速的用手把11刹住卷筒。再提升时应先将手把11松开，然后使手把10抱紧闸筒进行提升。13每次打开回转器后，在需要重新合上进行工作时，都应检查回转器内是否掉进污物或其它碎屑（如岩石、铁屑等），防止损坏齿轮。回转器合上后一定要把合箱螺母锁紧不许松动，在给进过程中也应经常检查。14钻进角度的调整是用转动回转器来完成的，在未转动以前应先松开四个螺母1（图1）后，扳动回转器使T型螺栓2在变速箱体前部的T形槽内移动，给进角度按需要调整好以后，要重新将螺母1锁紧。六、机器的保养与维护正确的使用和保养机器是顺利完成钻孔任务的保障，每个操作者都应予以高度重视，对100型钻机应按如下规定进行保养与维护。1、应在每班开始工作前，对机器各转动部分予以检查。看各运动部件是否灵活可靠。2、对外露的转动及滑动表面，应在每班开车前擦拭干净，并于其表面涂上一层20号机械油。3、每一个操作过程中都应校核各部操作手把的位置的相互配合是否正确，不正确时应立即纠正。4、润滑及液压用油等应按表1规定按期进行更换。除表1规定外，其它转动或滑动部分应根据使用情况予以润滑。5、在每次拆装卡盘时，都应在装配前将螺纹部分擦拭干净并涂一层机械油或黄干油。6、油泵用油（油箱内的油）需要保证清洁无杂质，应使用50时运动粘度为1723的油质，如20号机械油或10号高速柴油等。7、当油箱内的油温超过70时应适当停车冷却，待油温下降后再继续工作。8、有关油泵的使用与保养应按YBC12/80型齿轮泵说明书规定进行。9、当立轴下降与上升时油缸内的活塞不应进入死点，应在进入死点前510mm处停车。钻机工作表需润滑或者更换机油部分需润滑或更换机油的时间用油种类方 法立 轴 每小班1次20号机械油油壶园弧伞齿轮每周1次黄干油抹入导向杆 每小班1次20号机械油抹入变速箱内的润滑连续运转500小时更换1次20号机械油更换绞车油嘴每班使用前一次黄干油油枪或油壶油 嘴连续运转500小时更换1次20号机械油更换所有滚动轴承每三个月更换一次黄干油抹入卡 盘每周1次黄干油抹入离合器分离爪每小班1次20号机械油油枪结合子每周1次黄干油抹入七、故障原因及排除方法故 障现 象故 障 原 因排 除 方 法突然停车1、齿轮打齿2、钻进压力过大3、离合器皮带轮与箱体轴承盖研死更换齿轮减小钻进压力卸下离合器，更换轴承盖，拧紧螺钉变速箱发热1、润滑不良2、润滑油不符合要求3、过载时间长定期换油按规定更换机油禁止长时间超负荷运转回 转 器本体发热1、园弧锥齿轮啮合不好2、齿轮及各轴承润滑不良3、本体与连接盘的联接螺钉松动。调整轴承衬套与本体之间的垫片厚度。定期更换润滑油拧紧螺钉回转器及变速箱有异常噪音1、齿轮打齿2、箱体内有异物3、轴承损坏更换齿轮清洗箱体更换润滑油更换轴承卡 盘卡不紧钻杆1、三个卡瓦严重摩损2、主轴端压盖松动3、蝶形弹簧损坏更换卡瓦拧紧螺钉更换碟形弹簧液压卡盘卡紧钻杆后松不开1、涨环K35.01.0113K损坏2、液压系统压力不足更换涨环顺时针方向旋动调压阀手轮，使压力表读数至所需压力，或使用快速增压压头座及卡盘油缸发 热1、轴承间隙不合适2、轴承损环3、轴承损环4、轴承无润滑调整轴承盖K35.01.0103A与轴承之间的间隙。更换轴承66315更换轴承8126清洗轴承、换油液压系统工作不正常1、油泵反转2、进出油口接反3、液压油粘度高4、油箱内油量不足5、滤油器堵塞6、油温过高检查电动机转向，使之与箭头方向一至检查并更正更换符合规定的液压油油箱加油清洗滤油器更换新油1.降低油温，2.不要长时间超载运行。压力不稳1、调压弹簧老化2、调压锥阀与阀座接触不好3、油液不清洁更换弹簧修研或更换阀座清洗滑阀并换油调压失灵1、调压弹簧断裂或漏装2、调压锥阀漏装3、调压阀阀针与阀座研坏更换或补装弹簧检修，并补装锥阀清洗或更换系统接头漏 油密封圈损坏更换密封圈液压系统有异常噪音1、液压油不干净2、调压锥阀表面有异物3、油泵吸油管密封圈损坏清洗没箱及管路、更换新油清洗调压阀更换密封圈给进油缸爬 行1、油泵吸空2、油缸内密封件硬化3、管路中有空气4、油缸里有损坏另件或脏物卡住5、温度太低油箱加油并检查油泵吸油管路密封圈更换密封圈更换密封圈很好地排除空气清洗油缸并更换损坏零件工作一段时间能自然排除绞车打滑1、 抱闸松2、 螺钉漏装或损坏调整连杆下端螺母补装或更换螺钉八、钻机的安全注意事项1、必须定期进行大、中、小修，并加强平时的维修及保养。2、所有罩子和防尘盖要经常保持完整，不准随便取消。3、操作钻机时，必须严格按照“操作规程”中规定的步骤进行操作。4、钻机不用时，应存放在干燥通风的仓库内，做到防雨、防潮和防火。5、需要吊运时，可在卷筒处起吊。6、当卡盘卡紧，夹持器卡紧时（1）给进油缸不能升降；（2）回转器不能回转。九、附 图 图1 图2 图3图5图4 总结地质勘探是利用钻探设备来探明地下地质构造、寻找地下油气矿藏的一种有效的地球物理勘探方法。传统的钻探方式是将钻塔直接固定于地面之上，其优点是稳定性较好。但这种方式存在许多问题，诸如拆装复杂、搬迁困难，施工过程劳动强度高，危险性大，效率低等，更主要的是这种方式不能进行倾斜钻探（即打斜孔），从而使钻探工作受到很大的局限。因此，改进施工方式，以满足不同环境下勘探工作的要求，成为勘探工作亟待解决的问题。 本钻机既可进行岩心钻探，固体矿床的金刚石、硬质合金勘探钻进，也可用于工程地质与水下勘探，浅层石油的天然气开采以及矿山坑道的通风、排水等钻孔。解决的关键问题：（1） 拆装方便、灵活，解体性要强。（2）钻进工作适应性要强，要适宜各角度斜孔的钻进。（3）安装过程自动化程度要高。本项目的创新之处 重量轻、可拆性好、结构紧凑、通用化程度高，回转器角度可在360范围内任意调整，可适应各种条件的钻探工作。 致谢充实而快乐的大学生活即将结束，大学生活使我成长也让我学到了很多知识。知识面不断的拓宽，尤其在专业课方面。动手能力有所提高在这次毕业设计中，不仅巩固了以前所学习的东西，更重要的是在这个过程中把四年所学的知识进行了系统的串联，把很多零散的知识融合在了一起，这为以后的工作打下了坚实的基础。在我的毕业设计中得到了院领导、各位机制教研室的老师们的大力支持和帮助，特别是我的指导老师苏老师的大力帮助、指导和极大的关怀。是苏老师帮助我克服了一个又一个困难，并在设计过程中给予了许多宝贵的意见，正是这些帮助才使得我能够在原有的设计资料基础上进行了一定的创新设计并最终顺利完成我的设计任务。没有老师的辛勤培育和精心指导就没有我今天所取得的一切成绩。所以在此向各位领导、老师以及在此次毕业设计中给予我帮助的所有同学表示衷心的感谢。愿我最敬爱的老师们工作顺利，身体健康，合家欢乐，心想事成。参考文献1、 KY100钻机设计计算说明书；2、 濮良贵.纪名刚主编. 西北工业大学机械原理及机械零件教研室.机械设计.北京：高等教育出版社3、 夏延栋编.液压传动的密封与密封装置.北京：机械工业出版社，19824、 洛阳轴承研究所编.滚动轴承产品样本.北京：机械工业出版社，20005、 徐溥滋，陈铁鸣，韩永春编.带传动.北京：化学工业出版社，19806、 齿轮国家标准汇编.北京：中国标准出版社19927、 仙波正庄著.齿轮强度计算.姜永等译.北京：化学工业出版社，19858、 章日晋等编.机械零件的结构设计.北京：机械工业出版社，19879、 吴宗泽主编.机械零件习题集.北京：高等教育出版社，198310、 濮良贵.纪名刚主编. 西北工业大学机械原理及机械零件教研室.机械设计学习指南.第四版.北京：高等教育出版社200111、 陈隆德主编.互换性与测量技术基础.大连理工大学出版社.1988.1212、 李继庆陈作模主编.械设计基础.北京：高等教育出版社13、 邱宣怀主编机械设计北京：高等教育出版社，198914、 龚桂义编.机械设计课程设计指导书（第2版）.北京：高等教育出版社，199015、 毛振扬等编.机械课程设计.杭州.浙江大学出版社，1989 轴的机械加工工艺过程钻机变速箱内的轴的机械加工工艺过程1.零件技术要求的分析（1）外圆, 对两处外圆 , 的公轴线有公差为0。01 的同轴度要求。（2）外圆面, ，对两处外圆面 , 的圆跳动为0.015。2.毛坯的选择此传动轴的各段直径相差不大，可选热轧圆钢为坯料。轴的最大直径为 40mm ，根据查表、计算取整，确定该直径加工余量为4mm ,坯料的直径取44 mm.传动轴总长为372mm ，两端各取余量2 mm坯料长度取374mm3 位基准的选择（1） 两外圆对轴线有同轴度要求，两端面对轴线有端面圆跳动要求，应选用两端中心空为定位基准面。由于坯料的直径和长度不大，又是单件小批量生产，可以在车床的三爪自定心卡盘上，以坯料外圆为粗基准，依次在两端车端面和钻中心孔，然后以两端中心孔为精基准面定位加工各段外圆、槽和台肩面等。 （2）证键槽对外圆轴线的对称度，加工键槽时以外圆 为定位基准面，用V形架定位。4 工方法的选择传动轴的主要外圆表面,， , 的尺寸公差等级为IT6，表面粗糙度R 值分别为 3.2，1.6，需粗车半精车粗磨。外圆, 的表面粗糙度R 值为1.6 。5 加工顺序的安排a)两端中心孔是加工主要外圆的定位精基准面，应先进行加工。b)车削外圆时，粗、精加工应分段进行。调质处理安排在粗车与半精车之间，以消除粗车时产生的内应力。c)在调质处理后和磨削之前都要安排修研中心孔的工序，以保证中心孔的定位精度。d)机械加工完毕后，要安排去毛刺和检验工序。6编制传动轴机械加工工艺过程卡片 表 传动轴机械加工工艺过程卡片工序号工种工序内容加 工 简 图夹具设备1下料 下料锯床2车安装I：粗车、半精车一端面，钻中心孔安装II： 调头，粗车、半精车另一端面，保证总长372mm ，钻中心孔三爪自定心卡盘卧式车床3车安装I： 粗车两个外圆分别至 安装II： 调头，粗车另一端五个外圆分别至 前后顶尖卧式车床4热调质，220240HBS5钳 修研两端中心孔前后顶尖卧式车床6车安装I： 半精车外圆至 并切槽2*2，倒角C1.5安装II： 调头，半精车另一端三个轴段分别至切槽2*2、倒角C1.5 前后顶尖卧式车床7钳划键槽加工线8铣 粗铣、半精铣宽度8 的键槽到图样规定尺寸V形架立式铣床9钳修研两端中心孔 前后顶尖卧式车床10磨安装I： 粗磨外圆至 安装II： 调头，粗磨另一个端外圆分别至 前后顶尖外圆磨床11钳尖角去毛刺12检按图样要求检验附录1快速原形机的软件补偿摘要：这篇论文阐述了快速原形机在参数误差成型法和软件误差补偿方面的改进。这种方法得到多年来在坐标测量机和机械系统参数值发展的技术支持。快速原形机所有的误差结果将被输入一个实际的参数误差模型，普通的实体造型依赖于快速原形机和主要坐标测量机的测量。测量结果用来显示机械误差函数和驱动标准刀具的锉刀的误差补偿，对这个方法进行了三次实验，结果显示了它充分改善了标准件的精确度。前言 快速原形机在刀具和辅助设计制造和随后产生的商品化技术方面起着重要的作用。今天的工艺方法有许多种，例如：光敏液相固化法、熔丝沉积成型法、喷墨打印法、选区片层黏结法、选区激光烧结法。这些添加工艺应用范围很广。如：概念成型技术，新产品开发、快速模具制造、生物学。将这种技术发展成产品技术是一个偶然的机遇，但它已得到了广泛的应用。但经过CIRP的科学技术委员会调查确认较差的工艺精度，将阻碍技术在机械制造方面的继续渗透。 有两种普通和快速原形一样可以提高工艺精度。第一种解决这问题的方法是：通过“避免误差”寻找误差来源减小误差。第二种是减小误差产生的结果，被叫做“误差补偿”。快速原形技术的研究使误差避免和原形工艺的许多方面都有所提高。在这些技术中，最受关注的是原形工艺参数和基本定位完善。因为原形工艺中，有许多工艺变量影响工件的精度，可以完善这些参数使工件达到最高的精度。复合表面处理技术是典型用来寻工件精度和制造工艺参数间关系的，一旦获得复合表面，参数将控制完成更高的工件精度。基本定位完善就是一个典型的参数应用和延伸的例子。它被作为一种多元化标准完善问题，控制着表面精度和工件的寿命间的交换。决定变量是工艺参数设定和工件基本定位。复合表面符合参数问题是为了使产品优化。除了工艺参数的实体成型和基本定位优化，还有原形技术的工艺计划。如：数据文件纠正、切削技术改善、结构传代、和路线计划都在进行详细的研究，目的就是为了工艺改善。好的工艺计划，在一定范围内可以提高机械精度，但是随着快速原形技术的发展，即使最好的TUNED系统生产的零件也只是为原形机进行误差补偿。philpott和Gree提出为原形工艺进行反复误差补偿的策略，它补偿由于不懂得误差创造机理而复制积累的误差。然而因为没有机械误差模型建立在这个策略上，所以反复工艺也许对每个新工件进行反复补偿。Nee et.al构造了一个矫正的带有n*n个格子的图表来提高光敏液相固化工艺精度。这个矫正图表是根据 系统的结构来计算的，主要对激光束在平台上定位的误差补偿。扫描缓冲器和定位标准可以利用这种图表进行补偿。这篇论文指出多年来CMM误差参数值方面的技术发展使快速原形机的误差补偿更易理解，而且可以用实例参数误差进行误差补偿。典型CMM有三个线形托架，设计目的是为恶劣使X、Y、Z轴都独立移动，然而每个托架有六个自由度，而且硬件结构不能完全消除不必要的移动和转动。结果每个轴都有三个移动误差和三个垂直误差。随着三个垂直度的增加或轴间的空间误差增加，一个三轴机器就会有21个参数误差，假设此刚体运动，机械的空间误差能写出一个有21个参数的方程，这21个误差和符号杂表格（1）中有所体现。在快速原形工艺中，误差预算除了轴的移动误差还有许多种，我们的方法是把所有讨厌的误差标成21个实际参数误差进行机械容量误差的全面测量，这有双重的目的：第一：它将提供一个模型解决补偿。第二：它将分离出有意义空间方向上的误差预算，而且对硬件有一定的诊断作用，同时识别由于其它工艺特征引起的误差源方向。和CMM、车床不同，快速原形机的21个“实际“参数不能在机器上直接测量，这个实物成型方法是间接对这些误差进行测量。也就是说，快速原形机是用来制造特殊设计的实物成型，而CMM具有大规模测量实物成型的特征，测量是为了推断快速原形机的参数误差，而且误差补偿规则应用于工件工艺计划的标准资料这篇论文的剩余部分是结论，第二部分是解释SLA机的误差模型。第三部分介绍三维制图和参数误差方程的起源。第四部分是陈述了理解的方法，测试零件的补偿结果。第五部分是总结工作和讨论将来的发展。2，SLA机的数学误差模型光敏液相固化法是用液态光敏树脂做样品，在一个槽内装满光敏液态聚合物，在下方放有一个升降台，把没完成的部分放在树脂表面下。计算机控制激光通过聚合物表面的方向选择固化的表层，升降机下降一个距离重新覆盖一层液态光敏树脂，再进行扫描固化，直到全部完毕，SLA250机用在研究层的厚度是0，004。21 SLA机的误差模型机械数学模型根据机械类型不同实现刚体假设的多样化。一般来说三轴机器可以根据探测器的移动和工件分成XYFZ、XYZF、XFYZ或FYXZ几类，F象征固定机器方程，当其它字母出现在F的右侧暗示探测器移动。当字母在F的左侧暗示工件移动。在SLA 250 快速原形机内激光焦点在刀头上，它由镜子控制方向，它能移动二个正交水平方向，被分别定义为X、Y。这工作平台延Z轴带动工件上下移动，以垂直方向作为Z方向。根据这些特征SLA 250符合ZFXY典型机。这种类型的快速原形机的分类不能反映快速原形机的实际运动。但是能反映刀头的运动结果。如：激光焦点。正如我们前面提到的，快速原形机参数误差将由生产和测量一个系统部分来确定。而不是测量各个机械轴线移动的精度误差。这表示机械的实际参数误差成型的选择不代表精度的机械运动学。这就是它与交换方法的不同。每个轴线的六次移动误差就是以操作运动学链的每个同源改变基质。当用实际参数误差成型时就必须决定是否这成型能成功地产生补偿数据来提高机械的精度。讨论补偿的结果来显示这成型能提供有用的补偿数据的能力。其它原形机也做了同样的分析，例如：熔司沉积成型机。这刀头是由X、Y两个方向移动的托架驱动的。沉积喷头底座可以沿Z的方向上下移动，因此熔丝沉积成型机也相当于一个ZFYX典型机。图FIG2是SLA 250机的误差成型的运动学坐标链矢量图。用传统的定义方式，0是坐标原点，X、Y、Z是三个坐标轴，它只包含平移和垂直误差。在确定运动路线时旋转误差被认为独立存在。T是刀头在拖架方向的补偿。在SLA 250机上没有真正的X、Y拖架，激光束直接聚焦在刀头上。因为光束总是聚焦于液体表面，因此SLA 250 机的T=0。一般情况下，T包含在误差成型的偏差中，但后来被省略了。框格中的W是有原点到激光聚焦点的矢量方向。它代表工件的真实尺寸。运动矢量链图的内容在下面已给出，它们的结果由机械误差的理论知识是很容易理解的。从原点O到激光焦点有两条路线：ZW和XYT。每个运动路线对一个轴线的理论误差将影响轴线的实际误差，因此轴线的移动需要根据理论误差来修改。X、Y、Z轴的旋转可由旋转半径R（X）、R（Y）、R（Z）表示。让U代表X、Y、Z，旋转标量和它们反向公式（2）在图FIG2中Z和X没有前身，W有前身轴Z、Y有前身轴X、T有两个前身轴X和Y。因此这两个从O到焦点的矢量平衡，可用下面的方程表示（3）。重新整理这方程，矢量W由其它矢量和标量函数表示（4），用矢量机成型代替X、Y、Z、T、W和旋转标量。用坐标系统XP、YP、ZP来表示在工件上激光焦点的坐标（5）TX、TY、TZ是不可重复的误差，它是由不可重复的内容产生的，因为SLA 250 机没有刀头补偿如：XT=YT=ZT=0所以数学模型可简写为（6）。EY（X）、EX（Y）、EY（Y）和EZ（Y）都没有出现在模型中XT=YT=ZT=0就是ZFXY典型机的特征。因为在模型中参数误差函数是实际误差，因此一些误差不可能有可理解的物理意思。例如：激光束总是能消除桶表面的树脂产生正确的误差、不能表示来自树脂表面激光束的偏差。22勒让德多项式约数勒让德多项式可以近似的表示每个参数误差函数。每个平移和旋转误差都可以用勒让德多项式方程的线性来近似表示。例如：是近似的系数，表示第个勒让德多项式。要得到误差近似值首先要确定勒让德多项式的次序，勒让德多项式的线性连接次序越高，剩余误差平方的和越小。但是高次序的误差函数可以近似制造工艺中的不可重复误差，促使误差最后得到补偿，在CMM系统中，KRUTH ET。AL指出几何误差在系统中会慢慢改变，因此第三顺序的勒让德多项式是好的近似机会。高次序会减少剩余误差，但会增大不可重复误差的影响，第三次序的勒让德多项式在研究中是最接近的。例如：（7）这个方程里有四个未知系数，通过设定绝对零点可使其减少到三个，一般将所有误差都在轴线的起始点消除。例如:使 和 的关系就可表示为，用代替。则这个方程式就可重新写为（8）为了方便看，把系数由代替，同样表示的系数，表示系数，是轴、的平方误差。在这样的定义下，所有的参数误差方程都可以用勒让德方程来表示，但除了直接误差方程（9）平方误差和三个直接误差、存在一个特殊的关系，简单说，直接误差、的线性关系分别是平方差、接下来的例子将证实了这点。找一点P在二维测量机上测量没有误差，但在X0、Y0轴间却有平方误差，把非正交坐标系中的P点（X0、Y0）可以平移到正交坐标系中用、表示，则（10）得到第一个近似值。这是成立的。因为是非常小是Y0的函数，它是直接误差#的第一个次序关系式，实际上，直接误差的线性关系和平方误差表达的是同一个误差。它在Y轴的X方向是没有必要移动的，因为它的大小与Y坐标是成比例的。它是不可能分辨出这两者，而且用同样的误差成型两次是正确的。在成型中依赖假设事物制造出正交坐标系统是一种方法。早期选择这种理论这种机械就会被认为是没有正交坐标系统。因此在成型中包括平方误差在假设事物下，以上三种直接误差的线性关系都为零。如：=0,=0, =0或者把机械假设为一个正交坐标系例如：三个轴线彼此是正交的没有平方误差存在，但是直接误差的线性关系最后误差模型将有同样的关系量，尽管一个误差有不同的名字。接下来假设一个正交系统，平方误差将不是单独成型，在这个假设条件下，在多项式方程中所有的直接误差都包括线性关系，SLA机成型可被表示为（11）3.3D 实体造型和参数误差方程3.1 3D实体造型来估计误差方程系数每个误差方程都需要确定三个系数，因为普通轴正交系统18个参数误差的已知系数的总量为54个，因为SLA 250机正在研究中。因为所以、不能出现在模型中，因此未知系数总量变为42，至少42个方程能解出所有未知系数，因为不重复误差的存在，所以确定方程容易一些，靠减少剩余误差的总量才能解出未知系数。 用实体造型是零件关键特征的表面的位置（x.y.z）在CMM误差值中，一个高精度的实物造型，如：用不同的定位和方向测量球棒和圆环来覆盖，CMM全部的工作容量在快速原形中，快速原形机生产由CMM测量的普通实体造型。假设CMM的精度和重复能力比快速原形机高，用测量的特殊位置来表示误差模型的函数去推断，快速原形机的参数误差参数，实体造型的机构不是唯一的，因为它有足够的不同位置的点提供充足的方程来确定系数和误差的最小值。FIG4展示了这项研究的3D实体造型。它由169个圆柱和13层组成，而且由13个X层和13个Y层交叉形成。通过测量圆柱上表面的中心点可以写出它的公称位置和误差系数的函数。圆柱高度排列成一条线，以至于尽可能X、Y、Z结合成独立的方程。在测量时所有的圆柱表面很容易被CMM探测到，这部分可以提供163*3=507个方程。靠减少不重复误差来确定42个系数，这些方程是足够用的。这个实体造型能研究范围是200*200*100 用缺省的机械系数可以制定准确的实体造型，这部分可以在平台中自动制成二次工艺后，3D实体造型在CarlZeiss ECLIPSE 550 CMM机上测量。把一部分坐标系定义为基本表面：X-Y表面，3D实体造型中心作为X、Y的数据库来确定中心点的坐标（X、Y）。 32参数误差函数用一自然非线性程序问题去解算系数，它的目标函数是缩小剩余非重复性误差的平方总和。（12）用LinGo编一个优化程序可以解出42个系数。每个多项式误差函数的结果在表2中已列出。 三个轴的系数和参数误差函数已在FIG5中列出，得到以下结论：1.数误差不总是线性函数，也不总是X=0或Y=0对称的。这表示参数误差补偿对模型补偿是比应用简单同类收缩率因素补偿更精确。2.在许多多项式中，Z轴的标准误差，ZTZ是最大的变换误差，这很容易理解，因为这部分在Z方向上制成一层一层的，这层与上层的连接处会比X、Y方向产生更多的误差。4用机械误差模型进行补偿根据我们的假设，可以在非补偿部分参数误差函数，预测点的位置可以提前对部件模型应用补偿来提高其精度。预测和补偿的结果可以用估算误差模型的精度。在这部分首先介绍补偿的方法，然后介绍他在不同部件上用3D实体造型估算正确的误差模型方面应用。4.1当用CAD设计完成原形时，可有好几种文件格式表示：CAD成型、Pro/E成型、三角测量后的STL文件、二进制格式或AS格式。切削文件由快速原形机的切削软件制作，阐述误差补偿的目标是有必要的。快速原形机的误差模型不是同类时，补偿部分的同一多项式当然也将改变，也就是说平面将不是平面，球面将不是球面。假如可能用CAD系统进行补偿，但也是很难的，因此用CAD模型补偿是不实际的。STL文件在快速原形工业中是defacto格式，应用在快速原形工艺上有两种典型的格式：二进制文件和ASC11文件、二进制格式很常用，因为容量小，但它的格式没有ASC11格式易读易改。另一方面ASC11 STL文件有以下格式：除了第一行和最后一行，这文件可以分为几个小单元，每七行一个单元，每个单元都是以facet normal 开始以 end facet结束。每个单元都由记录的三个垂直度的坐标来描述一个面，每个面是一个普通的单元矢量。在FIG6有一个圆柱，在两个圆环边界上有三条线相互垂直，补偿可以应用在这些边界环的垂直点上，这暗示了当创造层建立部件的标准工艺时，圆柱体只能接受来自上下底面边界移位留下的补偿，这是粗糙补偿，另一个精致补偿代替了每层的轮廓线或切片。当STL文件成为切片后，被显示在FIG7中，每个轮廓由线组成，最后连成环成为层的边界，而且在层形成时建立了标准刀具。对切片进行补偿，其补偿方法和机械分层方法效果是一样的，然而切片格式有时是专用的，而且不易理解的。ASC11 STL文件应用误差补偿更容易被接受，并且得以证实。假设一机械误差模型在STL文件中每个顶点的实际位置都可被预测实现位置和虚拟位置间的误差可以补偿。相反，意义不同的是提前STL文件中添加虚拟顶点的坐标，每个单元矢量要用补偿垂直度为每个面进行反复计算。一个FORTRAN程序可以对STL文件进行系统的修改。下面这段是用补偿程序提高三个不同例子部件的精度，为了证明补偿程序对提高特殊位置精度，侧面精度和厚度精度的能力。4.2用补偿来提高特殊位置的精度设计一个部件与3D实体造型相似的几何图形拉进行研究，这部件有49个直径相同的圆柱，但位置无序而且高度不同，用同一个SLA机和一样的参数背景复制了两个部件，但一个用补偿、一个没有补偿。容量误差如：计算每个圆柱上表面中心的实际位置和虚拟位置的距离，并且作为误差图绘制如图FIG8数据显示，在补偿部分的容量误差急剧下降。计算误差减少量，计算每点补偿后的容量和补偿前的容量误差比率。49个点的比率的一部分绘制在图FIG9中。平均容量误差比原来的值减少大约30%，这意味着误差补偿后实际点与虚拟位置更接近。然而由于在快速原形工艺中无重要重复因素，并且Z值量是分层制造使Z方向误差增大。所以说这比率与统计分配有关。大部分数据下降在1060%之间，当一个点的数值降副大于1，则Z值将由下段来阐述。43用补偿来提高侧面精度 在前面已经证明补偿可以提高个别点的位置精度，在这段设计了一个半径为45.72mm的半圆形去研究怎样的补偿才能提高连续表面侧面的精度，如图FIG10在半圆形表面选择90个点进行测量，这些点覆盖半圆表面，它可以靠减小偏差的平方总数来确定一个完美的球面。在这些点中有一个最大偏差值和最小偏差值点，这两个点可以确定两个同心圆，所有的饿点都包括在内，用这两个同心圆的范围作为这表面的饿侧面精度的近似值。在表3中列出了补偿前和补偿后的计算结果。 附录2 Software compensation of rapid prototyping machinesKun Tong, E. Amine Lehtihet, Sanjay JoshiThe Harold and Marcus Department of Industrial and Manufacturing Engineering, The Pennsylvania State University,358 Leonhard Building, University Park, PA 16802, USA Received 22 January 2003 ; received in revised form 6 October 2003 ;accepted 6 November 2003.Abstract:This paper addresses accuracy improvement of rapid prototyping (RP) machines by parametric error modeling and software error compensation. This approach is inspired by the techniques developed over the years for the parametric evaluation of coordinate measuring machines (CMM) and machine tool systems. The confounded effects of all errors in a RP machine are mapped into a “virtual” parametric machine error model. A generic artifact is built on the RP machine and measured by a master CMM. Measurement results are then used to develop a machine error function and error compensation is applied to the files which drive the build tool. The method is applied to three test parts and the results show a significant improvement in dimensional accuracy of built parts.Keywords: Rapid prototyping; Parametric modeling; Software error compensation; STL files1. IntroductionRapid prototyping (RP) machines are now an important part of the vast array of tools and techniques used to assist in the design, manufacture and subsequent commercialization of a product 1,2. Todays commercial machines offer a variety of processes such as the stereo lithography apparatus (SLA), fused deposition modeling (FDM), ink jet printing (IJP), laminated object manufacturing (LOM) and selective laser sintering (SLS). These additive processes are used in a wide range of applications such as concept modeling, new product marketing, rapid tooling, and biomedical. Many of the challenges encountered to develop this technology into a production technique with a wide range of applications have been overcome. However, the survey by the CIRPs Scientific Technical Committee 3 identifies the inferior dimensional accuracy of these processes as the one remaining obstacle which prevents this technology from greater penetration of manufacturing activities. There are two general approaches which can be used to improve the accuracy of a process such as RP. The first approach attacks the problem through “error avoidance” and seeks to eliminate the source of an error. The second approach strives to cancel the effect of an error without removing the error source and is known as “error compensation” 46.Most studies on RP accuracy improvement to date fall within the error avoidance category and have focused on different aspects of the RP process. Among these, RP process parameters tuning 710 and build orientation optimization 1114 have drawn the most attention. For any RP process, there are many process variables that affect part accuracy. The setting of these parameters could be optimized to achieve the best part accuracy. Response surface methodology (RSM) is typically used to find the relationship between part accuracy and manufacturing process parameters 8. Once a response surface is obtained, parametric tuning is then conducted to achieve better part accuracy. Optimization of build orientation is a typical example of an application and extension of parameter tuning. It is usually formulated as a multi-criteria optimization problem, managing the trade off between surface finish, part accuracy and part build time. Decision variables are the process parameter settings and part building orientation. Response surfaces fitted in parameter tuning problem are then used in optimization. Besides process parameters tuning and build orientation optimization, other aspects of process planning of RP techniques such as data file correction, slicing technique improvement, support structure generation and path planning have also been studied in detail for process improvement 1520. Good process planning can improve machine accuracy to some extent, but with the current RP technology, even the best tuned system will still produce parts with considerable systematic errors. Error compensation can be used to further reduce errors. However, very little work, if any, has been done on error compensation for RP machines. Philpott and Green 21 present an iterative error compensation strategy for one RP process, which compensates for cumulative error build-up during replication without knowledge of the error creating mechanism. However, since no machine error models were built in this strategy, the iterative process needs to be repeated for every new part. Nee et al. 14 constructed a correction table with n n lattice points to improve the stereo lithography process accuracy. This correction table is calculated according to the configuration of the Galvano-mirror system and is used mainly to compensate for the error in positioning the laser beam on the platform. This table is uploaded to the scanner buffer and positioning values are compensated by values in the table. This paper presents a more comprehensive method for RP machines error evaluation and error compensation using” virtual ” parametric errors, inspired by the technique developed over the years for parametric evaluation of CMM errors 46,2229. A typical CMM has three linear carriages, designed to move independently along X, Y,or Z axis. How- ever, each carriage has six degrees of freedom and hardware construction usually cannot completely suppress the undesired translational or rotational movement. As a result, each axis has three translational errors and three rotational errors. With the addition of three perpendicularity or squareness errors between the axes, a three-axis machine has a total of 21 parametric errors 46,23,27. Assuming rigid body kinematics, the volumetric error of the machine can be written as a function of the 21 parametric errors. These 21 errors and the notation used for representation are summarized in Table 1.In the RP processes, the error budget is quite large and includes many items other than axes motion errors 3032. Our approach is to map all these confounded errors into 21“virtual” parametric errors as a global measure of machine volumetric accuracy. This will serve a dual purpose: first, it will provide a model with sufficient resolution for compensation; second, it will partition the error budget along meaningful spatial directions and serve as a diagnostic tool for intervention on the hardware (drives, controller) as well as a diagnostic tool for the identification of direction dependent error sources due to other process characteristics. Unlike the case of CMMs and machine tools, the 21 “virtual” parametric errors of a RP machine cannot be measured directly on the machine, and the artifact method is thus used for an indirect measurement of these errors. That is, the RP machine is used to manufacture a specially designed artifact, and a CMM is used as a master scale to measure artifact characteristics. Measurements are then used to infer the parametric errors of the RP machine, and an error compensation routine can then be applied to the build files of any part scheduled for processing by the machine. The rest of the paper is organized as follows. Section 2 explains the SLA machine error model. Section 3 introduces the 3D artifact and the parametric error functions derived from it. Section 4 presents the compensation method, test parts compensation results and Section 5 summarizes the work and discusses possible future work.2. Mathematical error model of SLA machineStereo lithography apparatus (SLA) creates a prototype by photo curing a liquid resin. A vat is filled with photo-curable liquid polymer with an elevator platform carrying the unfinished part set below the surface of the resin. The computer controlled optical scanning system directs a laser beam across the top of the polymer, which selectively hardens the surface layer. The machine then lowers slightly to cover the top surface of the unfinished part with another layer of the liquid resin, continuing to harden layer by layer until the complete part is built. Layer thickness of the SLA 250 machines used in this study is set to 0.004 in. (0.1016 mm) (Fig. 1).2.1. SLA machine error modelMathematical models of machines based on rigid body assumptions vary according to machine types. In general, three-axes machines can be classified according to the motion of the probe and work piece as XYFZ, XYZF, XFYZ or FYXZ. In this representation, F designates the fixed machine Twenty-one parametric errors of a three axes system foundation while letters appearing to the right of F indicate work piece motion 23 In the SLA 250 rapid prototyping machine, the focus of the laser beam corresponds to the tool tip in machine tools. It is directed by mirrors and can move in two orthogonal horizontal directions, which are defined as X and Y, respectively. The work platform carrying the work piece can move up and down along the Z-axis, with the vertical up as positive Z-direction. According to these features, SLA 250 corresponds to a ZFXY type machine. This classification of the RP machine type does not reflect the actual kinematics of the RP machine, but reflects the resulting motion of the tool tip, i.e., the laser focus in this case. As mentioned previously, the RP machine parametric errors will be determined by producing and measuring282 b Fig. 1. The SLA machine.an artifact part, rather than measuring the actual error of the motions of the individual axis of the machine. This allows for the selection of a “virtual” parametric error model of the machine which does not represent the actual machine kinematics. This is different from the traditional approach where the six error motions of each axis are directly measured to populate the individual homogeneous transformation matrices in the kinematics chain. When using “virtual” parametric error model, it has to be determined if the model can successfully produce compensation data to improve the machine accuracy. Compensation results discussed later in the paper will demonstrate the ability of this model to provide useful compensation data. The same analysis can be applied to other RP machines. For example, in a FDM machine, the tool tip is a deposition nozzle driven by two carriages in X and Y directions and the table moves up and down in Z direction. A FDM machine thus corresponds to a ZFYX type machine. The kinematic axes chain vector diagram in Fig. 2 is used to build the error model for SLA 250.Fig.2.The SLA250 machine axes chain vector diagram.Under the conventional definition method 29,33,O is the fixed origin. X, Y and Z are the three axes vectors, including only the translational and squareness errors. The rotational errors will be considered separately later when writing the kinematical paths. T is the tool tip offsets xt , yt and zt with respect to the carriage to which the tool is attached. In the SLA 250 machine, there are no real X and Y carriages and the laser beam focus itself is considered the tool tip. Since the beam focus is always on the liquid surface, thus for the SLA 250 machine T = 0. For generality, T will be included in the error model derivations but dropped afterwards. W is the vector directed from the part origin to the laser focus in the part frame, which represents the actual size of the part. The components of the kinematical vector chain diagram are given below. Their structure is easily understood by rationalizing the effects of the machine errors on positioning ability 29: (1)There are two kinematic paths from origin O to laser beam focus: Z W and X Y T. In each kinematic path, the rotational error of the predecessors to an axis will affect the actual movement of that axis, thus the axis movement needs to be modified by the rotational error of its predecessors. Rotation of X, Y and Z axes can be represented by infinitesimal rotation matrices R(X), R(Y), and R (Z). Letting u represent X,Y or Z, the rotation matrix and its inverse are respectively:There are two kinematic paths from origin O to laser beam focus: Z W and X Y T. In each kinematic path, the rotational error of the predecessors to an axis will affect the actual movement of that axis, thus the axis movement needs to be modified by the rotational error of its predecessors. Rotation of X, Y and Z axes can be represented by infinitesimal rotation matrices R(X), R(Y), and R(Z). Letting u epresent X,Y or Z, the rotation matrix and its inverse are respectively:In Fig. 2, Z and X have no predecessor. W has a predecessor axis Z, Y has a predecessor axis X, and T has two predecessor axes: X and Y. Thus, the two equivalent vector chains from origin O to laser beam focus can be expressed by the following equation:After rearranging the terms, vector W is explicitly written as a function of all other vectors and matrices: Substituting X, Y, Z, T, W and rotational matrixes into the vector machine model, the expressions for the coordinates of the laser focus in the work piece coordinates system Xp, Yp and Zp are obtained:and non-repeatable error terms which represent errors due to non-repeatable components.Since there is no tool tip offset in the SLA 250, i.e., xt =yt=zt=0, the athematical model of the SLA250 machine reduces to y (x), x (y), y (y), and z (y) do not appear in the model. This is a characteristic of a ZFXY type machine with xt=yt=zt=0. Since the parametric error functions in this model are “virtual” errors, some errors may not have a perceptible physical meaning. For example, the laser beam always cures the resin on the vat surface and straightness errors z (x) and z (y) do not represent the deviation of laser focus from the resin surface.2.2. Legendre polynomial approximationLegendre polynomials are used to simulate each parametric error function. Each translational and rotational error is approximated by a linear combination of Legendre polynomials. For example, ,where are the approximation coefficients, and is the Legendre polynomial of the ith order The order of the polynomials to be used for approximation of errors needs to be determined first. The higher the order of the linear combination of polynomials, the smaller the sum of squares of residual errors. However, high order error functions may also approximate the non-repeatable error in the test part manufacturing process, causing errors in the subsequent compensation procedure. In the CMM system, Kruth et al. 34 pointed out that geometrical errors are normally slowly varying in the system workspace, thus third order polynomial is a good choice for the approximation. A higher order will decrease the residual error but increase the influence of the non-repeatable error. A third order polynomial was chosen in this study. For instance,There are four unknown coefficients in this error function, which can be reduced to three by fixing the absolute zero point. By convention, all errors vanish at the starting point of the axis, i.e., i (0) = 0 and i (0) = 0. By letting x (x =0) = 0, the relationship between a0 and a2 is easily found as a0 = a2 /2. Substituting for a0 , the polynomial error function x (x) can be rewritten as For better readability, coefficients ai will be replaced by xtxi .Generally, itjs will be used to represent coefficients of j (i); irjs represent coefficients of j (i); and iwj is the squareness error between axis i and axis j. Under this definition, all parametric error functions can be written as a polynomial function with three terms, except straightness error functions x (y),Fig. 3. Relationship between squareness error and linear term of straightness error.There exists a special relationship between squareness errors and the three straightness errors x (y), x (z), and y (z)34. Briefly, the linear terms of straightness errors x (y), x (z), and y (z) are the squareness errors xy , xz , and yz , respectively. The following example will clarify this 34(Fig. 3).Suppose a point P is measured on a two-dimensional (2D) measuring machine without any error but a squareness error xy between the Xo and Yo axis. The measured coordinates(xo , yo ) of point P in this non-orthogonal coordinate system Xo and Yo can be transformed into an orthogonal coordinate system Xn and Yn as follows:with the first-order approximation sinxyxy which is valid because xy is usually very small. xy yo is a function of yo and can be seen as the first order term of the straight- ness error x (y). In fact, the linear term of straightness error x (y) and the squareness error xy represent the same error in the system, which is the undesirable motion in x direction of y axis whose magnitude is proportional to the y coordinate. It is impossible to distinguish between these two and it is incorrect to model the same error twice. Which one to keep in the model depends on the assumption made about the orthogonality of the system. In the previous sections of this paper, the machine is viewed as a non-orthogonal sys- tem, thus squareness errors are included in the model. Under this assumption, the linear term of the above three straight- ness errors are zero, i.e., ytx1=0, ztx1=0, and zty1=0. Or alternatively, the machine can be assumed as an orthogonal coordinate system, i.e., all three axes are orthogonal to each other; no squareness errors exist, but the linear term of the straightness errors are included. The final error model will have the same number of terms, although one error is called by different names. In the following sections, an orthogonal system is assumed and squareness error will not be modeled separately. Under this assumption, all straightness errors include linear term in their polynomial functions and the SLA machine model is simplified as follows:3. 3D artifact and parametric error function3.1.3D artifact for error function coefficients estimationThe identification of each error function requires the determination of the three ai coefficients. For a general three axis orthogonal system, the total number of unknown coefficients of the 18 parametric errors is 54. For the SLA 250 machine used in this study ,y(x), x (y), y (y), and z (y) do not appear in the model due to xt=yt=zt=0, thus the total number of unknown coefficients is 42. At least 42 equations are required to solve for all the unknowns. However, due to the existence of non-repeatable errors, an over-determined equation system is preferred. The coefficients will be calculated by minimizing the sum of squares of residual errors.The artifact used is a part with known nominal positions(x, y, z) of the key features. In CMM error evaluation, a high precision artifact, such as ball-bar or hole plate, is measured in different locations and orientations to cover the complete working volume of the CMM. In the RP machine case, the RP machine is used to produce a generic artifact which is then measured by a master CMM. The accuracy and repeatability of CMM is assumed to be much higher than that of RP machine. The measured positions of the features (Xp ,Yp , Zp ) are written as a function of (x, y, z) in the form of an error model to infer RP machine parametric error functions. The structure of the artifact is not unique as long as it has enough points at different positions to provide sufficient equations for coefficient determination and error minimization.The 3D artifact designed for this study is shown in Fig. 4.It is composed of 169 cylinders at 13 height levels and located at the intersections of 13 x levels and 13 y levels. The position of the top center point of each cylinder is measured and can be written as a function of its nominal position and the error coefficients. The heights of the cylinders are arranged in a way such that there are as many x, y and z combinations as possible to form independent equations and all cylinder top surfaces are easily reachable by the CMM probe during measurement. This part can provide 1693 = 507 equations, which is an adequate number to determine the 42 coefficients by minimizing the non-repeatable errors. This artifact can study a working envelope of 200 mm (x) 200 mm (y) 100 mm (z).The artifact is built in “exact” style (solid part) using the default parameter of the machine. By automatic placement, the part is made in the center of the platform. After post-processing, the 3D artifact is measured on a Carl Zeiss ECLIPSE 550 CMM. A part coordinate system is defined with the top surface of the base as the xy plane and the center of the 3D artifact as the x, y datum. The coordinate of the top central point of each cylinder is measured for estimation of the error function coefficients. The x and y coordinates of the center point are found by measuring around the periphery of each Cylinder and computing a best fit center.3.2. Parametric error functionsAn unconstrained non-linear programming problem is defined to solve for the coefficients, with the objective function to minimize the sum of square of all the residual non-repeatable errors , whereAn optimization program is written in LINGO (the linear, non-linear, and integer programming solver developed by LINDO systems) to solve for the 42 coefficients and the results are listed in Table 2 for each polynomial error function.Using these coefficients, the parametric error functions. of all the three axes are determined and shown in Fig. 5. The following observations can be made:1. The parametric errors are not always linear functions and not always symmetric about the x = 0 or y = 0 axis. This allows more accurate compensation to the model than what is possible by applying simple homogenous shrink- age factor compensation.2. In terms of magnitude, the scale error of z axis, ztz is the largest translational error. This is quite understandable since the part is made layer by layer in z direction, the interaction between layers and the top layer shift cause more errors in z direction than in x or y direction.4. Compensation using machine error modelAccording to our hypothesis, the parametric error functions should be able to predict locations of points on an uncompensated part and to improve part accuracy by applying compensation to the part model in advance. The effectiveness of prediction and compensation can be used to evaluate the accuracy of the error model. In this section, the compensation method is first introduced and then applied to different parts to evaluate the validity of the error model obtained using the3D artifact.4.1. Compensation methodWhen going from a CAD design to a final prototype, the same part is represented in several file formats: the original CAD model, such as Pro/Engineer model; the STL file (stereo lithography file) after triangulation, in binary format or ASCII format; and the slice file generated by the slicing software used by the RP machine. The target of error compensation is the first issue that needs to be addressed. Since the RP machine error model is not homogeneous, the topography of the compensated part will of course change; that is, a plane will no longer be a plane and a sphere will no longer be a sphere. This makes it very difficult, if not impossible, to represent the compensated part in CAD system and thus impractical to apply compensation to CAD models. The STL file is the de facto format for the RP industry and is used by most RP processes. There are two types of STL files: binary file and ASCII file. Binary format is normally used due to smaller file size, but its format is not as easy to read and modify as ASCII files. An ASCII STL file on the other hand has the following format:Except for the first line and the last line, the file can be divided into small units, each of seven lines, starting with facet normal and ending with endfacet. Each unit describes one facet by listing the coordinates of its three vertices and the facets normal unit vector. Such a representation for a cylinder is shown in Fig. 6 where all vertices of the generated triangles lie on the circumference of the two bounding circles. Compensation can be applied to the vertices of these bounding circles. However, the implication is that when the slices are made to create the layers that drive the part building process, the body of the cylinder will only inherit compensation which propagates from the displacement of the top and bottom bounding vertices. This is coarse compensation. A more refined compensation is to act instead on the contour of each layer, or the slicing file, generated after the STL file is sliced, as shown in Fig. 7. Each contour is essentially made up of linear, sequentially connected segments which define the boundary of a layer and drive the build tool during execution of that layer. Applying compensation to each slice of the slice file provides resolution of compensation equal to that of the machine layer resolution. Slice files formats, however, are sometimes proprietary and not easily accessible. As a preliminary study, the error compensation method is applied to the more accessible ASCII STL files as a proof of concept.Given the machine error model, the actual position of each vertex in the STL file can then be predicted. To compensate for the error between the actual position and the nominal position, the negative value of this difference is added to the nominal vertex coordinates in the STL file in advance. The normal unit vector is re-calculated for each facet using the compensated vertices. A FORTRAN program is written for the systematic modification of any STL file. In the following sections, this compensation program is used to improve the accuracy of three different example parts to demonstrate the capability of the compensation process to improve feature position accuracy, profile accuracy, and dimensional accuracy.4.2. Feature positioning accuracy improvement by compensationA part with similar geometries as the 3D artifact is de- signed for this study. This part has 49 cylinders of the same diameter as those in the 3D artifact but positioned at different locations and with random heights. Two copies are made by the same SLA machine at exactly the same parameter set- tings, but one with compensation and one without compensation. The volumetric error, i.e., the distance between the nominal position and the actual position, of the top surface center point of each cylinder is calculated and plotted as error maps shown in Fig. 8. The figure clearly shows a dramatic reduction in the volumetric errors of the compensated part.Fig. 8. (a) Volumetric errors of 49 test points in SLA 250 working space before compensation. (b) Volumetric errors of 49 test points in SLA 250working space after compensation.Fig. 9. Histogram of volumetric error ratios.To quantify this error reduction, the ratio of the volumetric error after compensation and the volumetric error before compensation is calculated for each point. The histogram of the 49 ratios is plotted in Fig. 9. On the average, the volumetric error is reduced to around 30% of its original value, which means that, after compensation for errors, the actual data point is much closer to the nominal position. However, due to non-repeatable factors in the rapid prototyping process and some large z direction errors due to z value quantization in layered manufacturing, the ratio appears to follow a statistical distribution. Most of the data falls between 10 and 60%, while one data point even falls in the 1.0 region. z value quantization will be addressed in later section.4.3. Profile accuracy improvement by compensationThe previous section demonstrates discrete points positioning accuracy improvement by compensation. In this section, a half spherical surface of radius 45.72 mm (1.80 in.) is designed to study how compensatio