毕业设计（论文）-列车车轮直径检测机构设计

列车车轮直径检测机构设计Train wheel diameter detection mechanism design 论文题目： 列车车轮直径检测机构设计 学生姓名： 学院名称： 长春工程学院 专业名称： 机械电子工程 班级名称： 机电1442 学 号： 指导教师： 教师职称： 完成时间： 2018.06.05 2018年06月05日毕业设计（论文）列车车轮直径检测机构设计学生姓名： 所在院系： 机电工程学院 所学专业： 机械电子工程 所在班级： 机电1442 指导教师： 教师职称： 完成时间： 2018年06月05 日 摘 要列车车轮在列车运行中有着举足轻重的地位，车轮尺寸是否合格关系到整个列车的安全。它承受着很多力，比如自身的重力、拐弯时的离心力、制动时的制动力、车身与轨道之间的作用力等等。因此为保障列车安全行驶，火车轮尺寸的测量有着重大意义。本文所述的主要是测量机构的机械部分，主要有定位装置和测量装置。定位装置主要是有拨叉和V型块，在气缸的推动下夹紧，在V形块的作用下使工件与被测件的圆心保持在同一条直线上，从而保证测量的精度。测量装置主要是利用点激光位移传感器进行相对测量，在测量标准件后得出标准参数，再测量待测工件得出测量参数，两种参数进行比较得出想要的参数。整个机构包含光学的点激光位移传感器，机械的夹紧定位，在保证测量精度的前提下相互配合完成火车轮直径以及火车轮和制动盘内孔直径的测量。关键词：列车车轮，制动盘，直径测量，点激光位移传感器，夹紧定位全套图 纸加扣 3012250582AbstractTrain wheels play a pivotal role in train operation，Whether the wheel size is qualified or not affects the safety of the entire train。It takes a lot of force，Such as its own gravity、Centrifugal force when turning、Braking force when the brake、Force between the body and track。Therefore, in order to ensure the safety of the train，Wheel size measurement is of great significance。The main part of this article is the mechanical part，There are mainly positioning devices and measuring devices。The measuring device mainly uses a laser displacement sensor for relative measurement. After measuring the standard part, the standard parameters are obtained. Then the measured workpiece is measured to obtain the measurement parameter. The two parameters are compared to obtain the desired parameter.The measuring device mainly uses a point laser displacement sensor for relative measurement. After measuring the standard parts, the standard parameters are obtained. Then the measured workpiece is measured to obtain the measurement parameters. The two parameters are compared to obtain the desired parameters.The entire mechanism contains an optical laser displacement sensor, Mechanical clamping positioning，The measurement of the diameter of the train wheel and the diameter of the largest hole of the brake disc can be completed with each other under the premise of ensuring the measurement accuracy.Key words：Train wheels，discus fregit，Point laser displacement sensor，Laser displacement sensor，Clamp positioning目 录第1章 绪论11课题论证11.1课题研究的目的与意义11.2文献综述11.2.1静态检测11.2.2动态检测21.2.3国内外技术现状3第2章 列车车轮直径检测机构的总体方案52.1设计思路52.1.1测量思路52.1.2定位思路82.2设计参数的确定82.3设备测量流程图92.4 总体测量方案9第3章 列车车轮直径检测机构的部件选择103.1传感器的选用113.2顶部丝杠的计算123.2.1顶部丝杠最大工作载荷Fm的计算133.2.2顶部丝杠最大动载荷FQ的计算133.2.3顶部滚珠丝杠的初选择143.2.4.刚度的验算153.2.5稳定性的验算153.2.6顶部丝杠配套的导轨计算163.2.7相关轴承的选择183.3底部丝杠的计算193.3.1最大工作载荷Fm1193.3.2最大动载荷FQ1的计算193.3.3底部滚珠丝杠的初选择203.3.4刚度的计算203.3.5稳定性的计算213.3.6导轨的选择213.4伺服电机的计算与选型233.4.1总转动惯量Jeq的计算233.4.2等效负载转矩Teq的计算243.4.3伺服电机的初选253.4.4伺服电机的校核263.5联轴器的选用273.5.1选择联轴器的类型273.5.2计算联轴器的转矩273.5.3确定联轴器的型号283.5.4校核最高转速293.6气缸的选择293.6.1气缸的计算303.7轴的计算313.7.1轴的计算选择313.7.2轴的具体计算313.7.3轴的刚度校核计算323.8小结33第4章 毕业设计总结34参考文献34致 谢35第1章 绪论1课题论证1.1课题研究的目的与意义列车车轮在列车的运行中承担重要的角色。负责承受自身重量，传递车身与轨道之间的全部作用力。制动时产生的制动力，拐弯时产生的离心力也由轮对承担。因此车轮的好坏直接关系到列车是否能安全运行。所以对列车车轮直径的测量对保障列车高速安全运行有着重大意义。列车轮尺寸是否合格，关系到列车是否能安全行驶，也对列车提速有重大影响。对车轮的综合参数的测量是保障列车安全行驶的重要措施。我国现阶段的测量技术还比较落后，依然是工作量巨大的手工测量，费时费力得到的结果也是误差非常大的。我国的高铁时代已经来临，列车大部分已经提速，落后的测量技术已经满足不了当前列车车轮对精度的要求。现在迫切的需要一种高精度、高效、高可靠性的检测装置来适应列车提速的趋势。设计新的检测机构以实现对列车车轮高精度、高效率检测，提高检修效率、质量、及时准确的发现运行故障、改善运行条件、降低检测人员工作强度、加强铁路系统对列车运行状态的管理、保障行车安全，都有重大的意义。所以列车车轮的非接触、高精度、高效测量仪器的设计迫在眉睫。1.2文献综述列车对几何参数的检测主要分为静态检测和动态检测。11.2.1静态检测列车轮的静态检测是在检修期，将车轮对卸下来，对列车轮参数进行统一检测，国内外的静态检测方法主要有以下几种:（1）专用卡尺法2现在应用的铁道车辆轮对检测器多为型号为llj-4d四代检查器，优点是操作简单、稳定性高、成本低、携带方便；不过缺点是操作者在读数时会出现偏差，而且设备的磨损也会影响测量的准确性。1，专用指示表 2，测杆 3，侧头 4，侧架 5，测块 6，定位块 7校对规图1-2-1 llj-4D四代检查器（2）电子式测量量具各国利用迅速发展的电子技术和传感技术相继研发了许多电子测量设备，用于列车轮对各参数的测量。90年代末，美国国际电子机械有限公司研制了电子测量仪和车轮轮廓测量仪。现在，国际上还有许多地方广泛的应用这些设备对列车轮对进行检测。我国成都主导科技有限责任公司研制出了便携式轮轨外形尺寸检测仪，北京天威科技发展有限公司研制出了轮对自动检测系统，将我国的列车轮对检测技术提高到了一个新的阶段。它们都是探头扫描，然后进行数据处理得出想要的参数。这些设备虽然提高了测量效率，有向自动化发展的趋势，但由于检测仪器与被检测体是零距离接触，因此测量精度无法准确把握，但仍然有少数铁路部门在使用这种测量方式。31.2.2动态检测动态测量是指铁路车辆在运行时对列车轮对参数进行的测量，随着近些年CCD技术的发展，基于图像处理的自动检测方法逐渐成熟，很多发达国家都已经研出了一些利用图像处理方法的自动检测设备。动态检测有以下优点：自动化程度高、机构简单、在线检测速度快、采样率高、不占用列车周转时间、便于存储轮对信息等。1.2.3国内外技术现状国外技术现状：国外发达国家，如德国、日本、瑞士和美国等国在非接触激光测量技术领域开展的研究比较广泛，技术发展较为成熟，在精度方面可以实现纳米级，同时，精度为微米级的测试系统已成功应用于多个领域。目前世界激光测量仪器优势企业主要有瑞士徕卡( ELAG) 、美国光动公司(Optodyne，Inc)、日本拓普康、美国Coherent、德国Trumpf等公司。美国光动公司(Optodyne，Inc)一直致力于科研、开发以及生产激光勘测类产品。该公司生产的设备，适用于CNC机床的检测、误差分析和工件生产等。美国光动公司有世界领先的LICS100型和MCV- 5000型激光多普勒测量系统。其设备是基于LDDM专利开发技术的，成功融合了流行的激光理论和光电技术，电脑技术等。从最初在中国成立到如今，光动公司在中国立足达到12年之久，其生产的设备被广泛投入到我国的国防科技、太空技术、民用、重点院校以及科研基地等。该公司的激光系统可满足美国NIST可探测的精度范围。激光设备自身可实现环境补偿功能，能在非控制下补偿由于温差、气压差和材料散热所产生的误差，同时还可补偿由于自身发热所产生的误差。从技术角度来说，光电尺寸检测技术可实现很多功能，大到接收光电信号，获得信号以后的处理以及运算，都可应用该技术。图1-2-1动态测量示意但在这些领域应用该技术时，没有固定的使用方法，而且搭配起来也不尽相同。在满足技术要求的基础上，想要设计出满足各种要求的最优解决办法，例如测试精度以及精度范围等，是我们需要继续研究的。现如今，光电尺寸检测技术的特点显著，精度高，已被越来越多的场合使用。发达国家的光电位置检测设备产业的发展迅猛，越来越多的光电位置检测设备正在投入生产。同样的检测设备，用于不同用途的测量工具时，我们通常会采用不同的理论以及检测方法。很多国家研究人员致力于研究光电检测技术，花费巨大的金钱与时间，并最终取得了丰厚的成果，很多想法已经变为了现实，效果明显。如美国AEROEL公司开发的ALS40型高精度在线非接触式激光测微仪，应用激光扫描方法，其测量范围为0223mm，分辨率为O1 p m，测量精度为 O2 u m；有用分光法研制的ALSl 3xY型双向测微仪，测量范围为巾O110mm，重复精度可达 03 u m，可同时测量相互垂直两个方向的圆度；日本Keyence公司开发一款VG CCD激光微测计，应用技术包括：激光扫描测量技术、数字信号处理技术和电脑开发技术。可进行快速、空间以及准确的检测，分析出被测零件的位置和尺寸等。其测量范围达到中80m，检测准确性可达到岬级，检测速度可多到500次s：英国TSi 公司采用全息扫描光碟技术研制的Hol i x系列激光扫描检测仪，测量速度为l 1672833次s，单次精度为75gm，测量范围为中10480 mm ；荷兰的一家公司，研究了一种激光投影法，这种方法能够检测细小物体的直径，检测范围是：51nm到中309nm，分辨率为019pm，可重复精确性为01pm；英国Reni shaw公司研究出一款激光探头，应用到激光、电荷耦合元件处理技术；日本三丰公司研制了一款非接触激光位置检测仪器，可测范围是350mmx450mm 150mm，其测量精度达( 22士4L1000)m，可用于检测物体的几何和运动误差。己成功的应用于机械制造、电力电缆、挤压成型产品、钢棒和钢管、抽拉加工线材、钢索和钢丝、磁性(漆包)线材、光纤、医疗管材等生产中。以上几个例子，某种程度上已经是如今的全球领先水平，从侧面体现了激光测量技术的普遍性和方便性。在满足精度以及速度的要求下，人们会更多的朝柔性研究改革，采用软件更新以及模块化的便利，最快速、最方便的完成误差等数据的检测。轨动态参数检测技术主要有：激光伺服技术和激光视像技术。它们在检测基本参数时，可达到同样的效果。后者比前者优秀，稳定性较高，呵实现高精度检测，其设备的模块化较为容易成形，能够对钢轨的全断面进行检测、钢轨的波磨面进行检测，对高铁的轨道以及精度检测精度较高的轨道，都是很方便的。特别是瑞士徕卡( ELAG) 公司生产的OPTIMESS系列非接触激光测量技术产品，已经成功应用于铁路轮对踏面测量、接触网测量、轨道测量等方面。国内技术现状：我国的图像处理测量技术虽然起步晚，但是进展迅猛。经过近二十年的发展，现在已经有了长足的进步。非接触激光测量技术在高精度和自动化方面尚与国外有一定的差距，开展的工作也不如国外广泛，由于产业化程度较低，没有形成具有国际竞争力的完整产业。哈尔滨工业大学在“ 超精密特种形状测量技术与装置” 研究方面达到国际先进水平，主要解决不规则工件高精度检测问题，一般用于实验室环境下测量，不适于机车运动中测量。随着科学技术的进一步发展，融合计算机技术、自动控制、激光检测、激光扫描等技术精密机械、可以实现对多尺寸、形状和形位误差进行测量。在综合测量仪器的不断创新下，以往的检测设备肯定会被更高级光检测仪器所代替，激光检测技术必定成为检测仪器的主要发展趋势。5第2章 列车车轮直径检测机构的总体方案2.1设计思路2.1.1测量思路本文的设计任务有直径的测量和内径的测量；图2-1-1车轮直径数据图2-1-2制动盘内孔直径数据两种都采用先定位测量由三坐标激光测量仪测量后的标准件再定位测量工件的方法，用激光位移传感器测量出已经定位在工作台上的标准件与传感器之间的距离，在同一位置再测出工件与传感器之间的距离，两个距离的差值的两倍就是工件直径与标准件直径的差值。先将标准件列车轮在机构中定位后用激光距离传感器测出标准件距传感器的距离L0,再将被测件定位到相同位置测出工件到激光位移传感器的距离L1,传感器到V形块定点的距离是已知的D。当圆形的工件被V形块定位时，由于圆的直径不同，夹紧定位后圆心不在相同的位置；根据V形块的特性两个圆的圆心一定是V形块的角平分线上；两个圆都是跟V形块相切的，半径与V形块的边形成的两个三角形是相似的根据三角形相似，如图2-1-1可以得出：R1R0=R1+L1-DR0+L0-D；（2-1-1）图2-1-3直径测量示意图可得半径R1=R0L0-L2(L1-L2)；故被测工件的直径D1=2R0(L1-L2)L0-L2；（2-1-2）火车轮最大孔直径以及制动盘最大孔直径传感器先在标准件孔里旋转，每36度测一次得出传感器到孔壁的距离l1、l2、l3.，l4、l4、l5、l6、l7、l8、l9、l10。再将工件定位在相同的位置，相同的角度测出W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8、W9、W10。如下图2-1-2所示：D1是标准件直径，D2是检测器旋转直径，D0是被测件的直径；图2-1-4D0=i=110D1+2（li-wi）10；（2-1-3）2.1.2定位思路利用v型块与气缸的配合工件放到工作台上后1，2两个气缸同时推动使工件在中间，然后3气缸推动使工件在3和v型块4的作用下夹紧定位，使每次测的圆心都在一条直线上如下图2-1-3所示：图2-1-5夹紧装置示意图2.2设计参数的确定根据任务书上的数据火车轮滚动圆直径830-920mm以及最大孔直径187-199mm，车轮厚度135mm；为了保证工件能顺利的进入机构，离开机构，必须保证待测列车轮的活动空间，框架的长宽高都要留有余地；要宝能能顺利测量测量丝杠的行程必须大于车轮厚度。为了保证机构能正常工作，所有的尺寸都略大于基本尺寸。详细情况如表2-1-1：整体尺寸表整体框架尺m顶部传感器行程400mm底部传感器行程200mm气缸3行程1000mm气缸1、2行程300mm传感器测量范围72-130mm表2-1-12.3设备测量流程图测量的全过程大致如下图2-3-1所示：图2-3-1测量流程图2.4 总体测量方案总体测量方案方案就是激光测量传感器在控制和动力系统的作用下，定点、定角度测量出参数，将测出的参数带入公式算得想要的直径。先工件定位然后检测器测量大致如下图2-4-1所示：图2-4-1 测量机构示意图工件在气缸推动下与V形块配合夹紧定位，顶部的激光位移传感器在下降至车轮内孔，旋转测出孔壁到激光位移传感器的距离，底部的激光位移传感器定点移动几个位置，测出车轮外壁到激光位移传感器的距离。第3章 列车车轮直径检测机构的部件选择列车车轮直径检测装置在知道如何测量以后，根据测量的原理可以知道需要什么零件；激光位移传感器需要上下移动、旋转，上下移动可以选择滚珠丝杠带动激光位移传感器进行上下移动，旋转可以用轴带动激光位移传感器旋转；要动起来还要有动力，上下移动还要能自锁，可以选择伺服电机。丝杆与导轨、轴承、电机、工作台装配在一起才能实现功能，所以导轨、轴承、工作台也是必要的。在加紧的时候要用气缸，推动工件时下面有托辊。这些东西都要一一选出或者设计出来。情况如表3-1：部件选择表机构所需零件数量获得方式列车车轮直径检测机构滚珠丝杠2网上选件伺服电机3网上选件导轨4网上选件轴1自行设计激光位移传感器2网上选件工作台2自行设计联轴器3网上选件轴承20网上选件托辊7网上选件气缸3网上选件外部框架1自行设计V形块1自行设计表3-1接下来就进行所需工件的计算和校核。3.1传感器的选用传感器的选用关系到整个测量机构的精度，根据任务书0.08mm的精度要求以及整个机构的设计距离，我选择了基恩士型号为IL-100的传感器如图所示：图3-5-1传感器示意图具体数据如表3-6-1所示：传感器规格表型号IL-100基准距离100mm测量距离75mm-130mm光源红色半导体激光，波长655nm（可见光）亮点范围0.5mm线性度0.15%F.S.（80mm-120mm）重复精度4m采集周期0.33/1/2/5ms（四级可变）动作指示灯激光发色警告明灯：绿色LED、模拟有效距离指示灯：橙色LED、基准距离指示灯：红色/绿色LED温度特性0.08%F.S./外壳防护等级IP67使用周围发光强度白炽灯：5000Lux使用周围温度-10到+50（无凝结、无冻结）使用周围湿度35%到85%（无凝结）抗振10到55Hz双倍振幅1.5mmXYZ各方向两小时污染等级3材质机身外壳：PBT、金属部分：SUS304、衬垫：NBR、镜头盖：玻璃、缆线:PVC重量约75g表3-6-1该传感器测量最大距离在130mm精确感应到距离变化的范围在70130mm，重复定位精度在0.004mm，非常符合设计要求。3.2顶部丝杠的计算滚珠丝杠螺母副机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是本次设计保证传感器能上下移动的关键。它的结构为在丝杠和螺母上分别加工出圆弧型螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠、螺母之间构成一个闭合回路。由于丝杠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。具有以下其中优点：（1） 摩擦损失小、传动效率高；（2） 运动平稳、摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行；（3） 轴向刚度高、反向定位精度高；（4） 磨损小、寿命长、维护简单；（5） 传动具有可逆性、不能自锁；（6） 同步性好；（7） 有专业厂生产，选用配套方便。在设计丝杠时主要是计算出Fm进而算出FQ，根据FQ选出想要的丝杠。3.2.1顶部丝杠最大工作载荷Fm的计算最大工作载荷Fm是指滚珠丝杠副在带动工作台运动时所承受的包括滚珠丝杠副的进给力、移动部件的重力在内的最大轴向力。计算时在表3-1-1中选出合适的公式：最大载荷公式表导轨类型实验公式K矩形导轨Fm=KFX+（FZ+FY+G）1.10.15燕尾导轨Fm=KFX+（FZ+2FY+G）1.40.2三角形或综合导轨Fm=KFX+（FZ+G）1.150.150.18表3-1-1表中，FX为进给方向载荷，FY为横向载荷，FZ为垂直载荷，单位均为N；G为移动部件总重力，单位为N，K为颠覆力矩影响系数；为导轨的摩擦因数。注：上述摩擦因数均指滑动导轨。对于贴塑料导轨=0.030.05，滚动导轨=0.0030.005。由于结构是垂直运动的也没有径向载荷所以上式FX为工作台加传感器的重量G0，导轨也不受力所以摩擦力可以忽略，故采用的矩形公式可以简化为：Fm=KG0；（3-1-1）K为颠覆力矩影响系数取1.1；G0为移动部件的总重力本次工作台重量加检测装置重量约为200N；本次设计只移动部件不受工作载荷；所以Fm=1.1x200=220N；3.2.2顶部丝杠最大动载荷FQ的计算最大动载荷FQ的计算公式为：FQ=3L0fwfHFm；（3-1-2）L0是滚珠丝杠螺母副的寿命，单位为106r。L0=60n T/106（其中T为使用寿命数控机床及一般机电设备取T=15000h；上下工作行程360mm，30s完成，丝杠一圈20mm，算得丝杠每分钟转数n=36）算得3L0=3.188；Fw为载荷系数，载荷系数如表3-1-2所示：载荷系数表运转状态fw平稳或轻度冲击1.01.2中等冲击1.21.5较大冲击1.52.5表3-1-2本次设计只带动传感器冲击平稳所以fw=1.1；FH为硬度系数取1；Fm为最大工作载荷为220N；FQ=3.1881.11220=771.496N；3.2.3顶部滚珠丝杠的初选择根据CaFQ=771.496N和C0a3Fm=660N，以及机构所需要的行程400mm。选择了型号为BSSE1520-400的丝杠该丝杠的数据如下丝杠规格表1型号导程（mm）预压螺母结构循环方式循环数（列卷）螺纹轴全长（mm）基本额定动载荷（N）基本额定静载荷（N）轴向间隙BSSE1520-40020无预压单衬型插管式11.5400440079000.030表3-1-3丝杠规格表2种类精密螺母种类标准螺母法兰形状方形螺纹外径（）15使用条件标准螺旋方形右润滑脂种类标准螺母尺寸标准表3-1-43.2.4.刚度的验算滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，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、丝杠与螺母之间滚道的接触变形等。这些都会影响机构的测量精度，一定要保证滚珠丝杠的刚度。（1） 丝杠的拉伸或压缩变形量1 ，1在总变形量中占的比重较大，可按下式计算：1=FmaESMa22IE；（3-1-3）式中Fm是丝杠的最大工作载荷Fm=200N；a是丝杠两端支撑间的距离a=355mm；E是丝杠的弹性模量E=2.1105MPa；S是丝杠螺纹底径d2确定的截面积S=d242=12.542=122.66mm2；（3-1-4）M是扭矩，M=38.2N.mm；I是丝杠底径d2确定的截面惯矩（I=d24/64），单位为mm2.；I=4791.26mm4；本次的设计只有上下移动故只有拉伸只用+所以1=+2003552.11051222.66+38.2355224791.262.1105=0.00104mm；（2） 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2，2可由产品型号中查出2=0.03mm；（3） 刚度验算丝杠的总变形量=1+2一般不应大于机构定位精度的一半=1+2=0.03104mm100150150200200250ft10.900.730.60表3-1-7本次设计的工作温度都在100以下所以ft=1；fc是接触系数，具体情况见表3-1-8：接触系数表每根导轨上的滑块数12345fc1.000.810.720.660.61表3-1-8本次使用的每根导轨上有两个滑块所以fc=0.81；fa是精度系数，具体情况见表3-1-9：精度系数表精度等级123450fa1.01.00.90.90.80.7表3-1-9由本次的测量精度为0.08mm可知精度为5到0之间则取平均值，fa=7.5；fw是载荷系数，具体情况见表3-1-10：载荷系数表工作条件fw无外部冲击或振动的低速运动场合，速度小于15m/min11.5无明显冲击或者振动的中速运动，速度为1560m/min1.52有外部冲击或振动的高速运动场合，速度大于60m/min23.5表3-1-10本次设计速度小于15mm/min所以fw=1；K是额定寿命，滚珠时K=50km；L=（110.817.518.235.2310-3）350=4.371013km。3.2.7相关轴承的选择由于机构只做垂直运动，所以轴承只受轴向力故：P=Fa;式中P是当量动载荷，Fa是轴向当量动载荷；工作台加检测器的重量为G=200N所以P=0.2KN根据P=0.2KN选出了型号为BSW1526的固定端轴承和型号为BUN1526的支撑端轴承具体数据如表3-1-11所示：轴承规格表型号BSW1526BUN1526种类固定侧标准型支撑侧型安装方法表面安装型表面处理发黑处理材质S45C宽（mm）80轴径（mm）15形状方形轴承精度5级轴高度（mm）26厚度（mm）2520基本定动载荷（KN）0.90.56表3-1-11可以看出两个轴承的动载荷都小于0.2KN，可以使用。3.3底部丝杠的计算用与3.1相同的方式计算出Fm以及FQ选出丝杠。3.3.1最大工作载荷Fm1底部丝杠的最大工作载荷Fm1与上面的计算公式相同，根据只有垂直方向的移动公式可以简化为：Fm1=KG；（3-2-1）由于没有工作载荷 所以只算移动件的重力G1=100N；Fm1=KG=110N；3.3.2最大动载荷FQ1的计算最大动载荷可由公式FQ1=3LOfwfhFm1算得：式中L0是滚珠丝杠螺母副的寿命，单位为106r。L0=60n T/106（其中T为使用寿命数控机床及一般机电设备取T=15000h；上下工作行程360mm，30s完成，丝杠一圈20mm，算得丝杠每分钟转数n=36）3L0=3.188；fw由表3-1-2平稳冲击时取1.1；fh硬度系数取1可得；FQ1=3.1881.11110=385.748N；3.3.3底部滚珠丝杠的初选择根据C0a3Fm=330N和CaFQ1=385.748N以及机构所需要的行程200mm选择了型号为C-BSSC1505-200的滚珠丝杠，数据如表3-2-1和表3-2-2所示丝杠规格表3型号精度等级导程（mm）轴向间隙螺母结构循环方式循环数（列*卷）螺纹轴全长（mm）基本额定动载荷（N）基本额定静载荷（N）C-BSSC1505-200C105-单衬型端盖式1*3.820036007400表3-2-1丝杠规格表4种类轧制螺母种类标准螺母法兰形状两侧切割圆形螺纹轴外径（）15预压无预压使用条件标准螺旋方向右材质S55C螺纹表面处理无螺母尺寸标准轴向间隙0.010以下表3-2-23.3.4刚度的计算（1）下部的丝杠只有最大载荷还有长度不同，所以拉伸或压缩变形量1，与上面的刚度计算相同仍然采用公式1=FmaESMa22IE；（3-2-2）式中Fm是丝杠的最大工作载荷Fm=110N；a是丝杠两端支撑间的距离a=155mm；E是丝杠的弹性模量E=2.1105MPa；S是丝杠螺纹底径d2确定的截面积S=d242=12.89442=130.51mm2；（3-2-3）M是扭矩，M=38.2N.mm；I是丝杠底径d2确定的截面惯矩（I=d24/64），单位为mm2.；I=12.8944/64=5424.51mm4；（3-2-4）1，=1101552.1105130.51+38.2155225424.512.1105=0.00075mm；（2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2，2，可以从产品型号中查出2，=0.01mm；（3）刚度的验算，=1，+2，；（3-2-5）一般总形变量小于测量机构定位精度0.08mm的一半，=1，+2，=0.00075+0.01=0.01075mm0.04mm；所以该丝杠的刚度合格3.3.5稳定性的计算底部的稳定性计算跟顶部用相同的公式Fk，=fk2EIKa2Fm；（3-2-6）式中装配时是双推简支的故fk=2；K是压杆稳定安全系数，垂直安装K=2.5；a是滚珠丝杠两支撑端间的距离，a=155mm；故I=5424.51mm4；Fk，=222.11055424.512.51552=507955.67N100N；所以该滚珠丝杠的稳定性合格。3.3.6导轨的选择根据丝杠的行程220mm本次设计选用行程220mm的导轨型号为SV2R24-220的导轨，基本数据如下：导轨规格表2型号SV2R24-220H24C（动）KN5.0C0（静）KN8.23滑块（kg）0.15导轨kg/m1.5径向间隙-4+2滑块数1表3-1-6根据表3-1-6中的数据结合下面的公式（3-1-6）可以算出寿命。P1=P3=12a（l1G-l2F）=-P2=-P4只有两个滑块所以P1=12（l1G-l2F）=-P2l1l2是负载作用点与滚珠丝杠副或其他驱动器轴线的距离。经测量l1=40mm；l2=85mmG是工作台的重量，G=60N；F是载荷，F=50N;可算得Pd=12a（3085-6740）=1.610-3KN;a是工作台在滑块之间的支撑点间的距离a=41mm带入式L=(fhftfcfafwCaPd)K中；（3-1-7）其中：L是额定寿命km；Ca是额定动载荷，Ca=8.23KN;Pd是当量动载荷，Pd=5.2310-3KN;是指数，滚珠时=3；fh是硬度系数，通常取1；ft是温度系数，具体情况参考表3-1-7：本次设计的工作温度都在100以下所以ft=1；fc是接触系数，具体情况参考表3-1-8：本次使用的每根导轨上有两个滑块所以fc=1；fa是精度系数，具体情况参考表3-1-9：由本次的测量精度为0.08mm可知精度为5到0之间则取平均值，fa=7.5；fw是载荷系数，具体情况参考表3-1-10：本次设计速度小于15mm/min所以fw=1；K是额定寿命，滚珠时K=50km；L=（1117.518.231.610-3）350=2.94461015km；3.4伺服电机的计算与选型对于伺服电机的计算与选型，通常按照以下几个步骤：6（1）根据机械结构，求得加在步进电机转轴上的总转动惯量Jeq；（2）计算不同工况下加在步进电机转轴上的等效负载转矩Teq；（3）取其中最大的等效负载转矩，作为确定步进电机最大静转矩的依据；（4）根据运行矩频特性、启动惯频特性等，对初选的步进电机进行校核；3.4.1总转动惯量Jeq的计算加在电机转轴上的总转动惯量Jeq是进给伺服系统的主要参数之一；Jeq的具体算法如下：Jeq=Jm+Js+Ji；（3-3-1）其中Jm是电动机转子的转动惯量由产品资料查得Jm=0.48kg.cm2；Js是滚珠丝杠的转动惯量Jm=MjD28；（3-3-2）D是圆柱体的直径（cm）；Mj是圆柱体的质量（kg）；丝杠的材质是ALSI4050密度2.7g/cm2；Mi=v=2.7（1.524）40=190.775g=0.190775kg；Jm=0.1907751.528=0.0536kg.cm2；Ji是工作台折算到丝杠上的转动惯量Ji=（Ph2）2Mi.；（3-3-3）Ph是丝杠的导程Ph=20mm=2cm；Mi是工作台质量Mi=20kg；Ji=（22）220=2.02848kg.cm2；所以Jeq=0.48+0.0536+2.02848=2.56208kg.cm2；3.4.2等效负载转矩Teq的计算.电机转轴所承受的负载转矩通常子两种情况下计算：（1）.快速空载起动（工作负载为零）；（2）承受最大的工作负载；由于本次设计为一个检测装置，电机除了工作台、检测器没有其他的负载，因此只考虑空载起动。（1）快速空载起动负载转矩TeqTeq=Tamax+Tf+T0；（3-3-4）式中Tamax是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大转矩（N.m）；Tf是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩（N.m）；T0是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩（N.m）；具体的计算过程如下快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：Tamax=Jeq=2JeqNm60Ta；（3-3-5）式中 Jeq是步进电机转轴上的总转动惯量，（2.5620810-4kg.m2）； 是电动机转轴的角加速度，（rad/s2）； Nm是电动机的转速，（36r/min）； Ta是电动机加速所用的时间（s）一般在0.3到1s之间选取。Tamax=22.5620810-436600.5=1.930810-3N.m；（2）移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：Tf=F摩Ph2i；（3-3-6）式中F摩是导轨的摩擦力Ph是滚珠丝杠的导程Ph=20mm=0.02m；是传动总效率，一般=0.7到0.85这里取中间值0.8；i是总的传动比，由于没有减速机构所以取1；F摩=（Fc+G）；由于是垂直运动，移动部件与导轨间摩擦力基本上忽略不计了Tf=0；（3）滚珠丝杠预紧后折算到电机转轴上的附加摩擦扭矩T0=FyjPh2i(1-02)；（3-3-7）式中Fyj是滚珠丝杠的预紧力，一般取滚珠丝杠工作载荷Fm的1/3；Fyi=73.3N0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取00.9这里取0.9T0=73.30.0220.81（1-0.92）=0.0554N.m；所以Teq=Tamax+Tf+T0=0.0019308+0.0554=0.0573038N.m；3.4.3伺服电机的初选将上述计算所得的Teq乘上个安全系数K,用KTeq的值来初选步进电机的最大静扭矩以为在工厂中，当电压下降时，扭矩会下降，可能会造成丢步，甚至堵转。所以，在选择步进电机需要考虑安全系数K，对于闭环系统，一般应在2.5到4之间取，这里取3。故KTeq=0.1719114N.m选取了型号为MSMD012G1V的电机；参数如表3-3-1所示：电机规格表电机型号MSMD012G1V种类电机单体角形法兰尺寸（mm）38额定输出（w）100电压规格AC200规格电源三相减速机无分辨率20bit电磁制动器有轴端螺纹孔有油封有保护结构IP65编码器种类增量式额定/最大转矩（N./m）0.32/0.95额定/最高转速（rpm）3000/5000环境要求温度：工作040保存-2065。湿度：2085%RH（无结露）使用驱动器（位置控制专用型）MADKT1505E 适驱动器（标准型）M