陶瓷球生坯修形机床凸轮震动上料装置设计.doc

毕 业 设 计题目：陶瓷球生坯修形机床-凸轮震动上料装置设计 目录摘要1关键字1第一章 绪论21.1 引言21.2 国内外的发及应用状况21.2.1 陶瓷轴承在国外发展31.2.2 陶瓷轴承在我国发展41.3 国内外氮化硅陶瓷球制造工艺研究现状及发展51.3.1 粉料制备61.3.2 配料、混合和造粒61.3.3 成形71.3.4 烧结81.3.5 研磨91.4 生坯修形的意义和发展10 第二章 相关机构的说明142.1 电机的选择14 2.2 变频电机182.2.1 变频电机的特点182.2.2 变频电机的构造原理182.2.3 变频电机的应用192.3 VFG系列变频电机192.3.1 VFG系列变频电机之特点192.3.2 VFG变频电机参数表192.4 凸轮机构202.4.1 移动从动件盘形凸轮廓线的设计202.4.2 本课题凸轮结构方案212.4.3 凸轮结构方案选取212.5 凸轮震动上料装置对原方案的改进22 第三章 结论 23致谢24参考文献25摘 要：为了适应现代科技的发展，科学工作者经过几十年的研究，终于探索出用陶瓷器代替轴承钢，因为钢轴承的寿命比较短，所以研制出了陶瓷轴承。而这就需要陶瓷球生坯进行修形，本课题进行的研究便是围绕这一专题进行设计来更好的完善生产系统进行陶瓷球生产。而这套设备在我国为数不多，而该套设计也并没有过进行实际的实验生产，所以我们将继续进行对双砂轮修形系统的研究来不断完善它直到进入实际操作。 本课题需研究的题目是陶瓷球生坯修形机床凸轮震动上料装置设计。我们首先需要直到陶瓷球轴承在国内外发展的情况以及国内外对氮化硅陶瓷球制造工艺研究现状及发展。了解生坯球修形的意义和方法，分别包括手工修行法和双砂轮修形法，而双砂轮修形法便是本课题的研究任务。我们还需要了解到电动机的选择和凸轮结构廓线的设计来完成凸轮震动上料装置的设计。关键词：双砂轮修形；陶瓷球生坯；电动机选择；VFG变频电机；凸轮机构；上料装置第一章 绪论1.1 引言陶瓷球轴承大体可以分为两种类型，其分别是全陶瓷轴承和混合陶瓷轴承。前者是指轴承的全部零件都是由陶瓷材料制造。后者是指轴承中的部分零件由陶瓷材料制造，其余的部分是由轴承钢等材料制造而成。陶瓷球是陶瓷轴承的主要零件，而陶瓷轴承又是作为一种重要的机械基础件。因为它具有金属轴承所不能比拟的优良性能，抗高温，超强度等在新材料世界占有重要地位。近十多年来，在国计民生的各个领域中得到了日益广泛的应用。比如航天航空、航海、机械、冶金、电力、食品、机车、等多种行业。随着加工技术的不断进步，工艺水平的不断升高，陶瓷球轴承的成本不断地下降，逐步推广到国民经济各个工业领域，陶瓷轴承广泛应用浪潮已经来临。但是由于生产工艺条件限制，成型以后的陶瓷球生坯形状和尺寸不很规整，通常需要在烧结前进行修形加工，使其达到一定的形状和尺寸精度，以便为后续工序打下较好的基础。为了提高修形效率，保证修行质量的可靠性和一致性，满足现代精度陶瓷轴承球规模生产的要求，需要设计出一种全新的陶瓷球生坯修形加工模型。新模型避免了手工操作诸多不可控因素的影响，通过参数优化科实现对陶瓷球生坯进行高效，可靠的修形加工。通过对生坯球的运动状态和受力状况的分析，从理论上阐述了生坯球磨削过程和成圆机理，并提出了生坯球成圆的关键在于实现高点磨削和磨削的等概率性。比较了目前生坯球修形方法的特点，认为双砂轮修形法有其巨大的优越性，并对其修形机理进行了理论分析和试验研究。1.2 国内外的发展及应用状况陶瓷轴承在国内研究起步较晚，由于目前对陶瓷球的需求量很小，所以还未形成批量加工，与国外相比，我国陶瓷轴承的发展形势不容乐观。限于目前国内对陶瓷球的需求量较小，该生产车间基本处于停产状态，无法满足多数用户购买量小的要求。国内能够形成产业化规模生产陶瓷轴承的企业几乎没有。究其根源，当然是多方面的因素影响，如技术水平、人才、资金等，尤其是市场摸不清，信心不足。当前国内对陶瓷轴承和陶瓷球轴承的研究开发工作，总的说来还有几个方面存在着问题，严重制约了我国陶瓷轴承和陶瓷球轴承的发展。国内陶瓷轴承和陶瓷球轴承研究开发中存在的问题。 从陶瓷轴承的发展历史来看，大概经历了三个阶段。第一个阶段是上世纪60年代，探索哪种陶瓷适合作为轴承材料，并且认为用氮化硅做轴承材料有广泛的前景；第二个阶段是上世纪70年代到80年代中期，主要通过大量实验探索用热压氮化硅陶瓷滚动代替钢制滚动体后给轴承性能带来的影响，并预测混合陶瓷轴承的使用寿命；第三个阶段是上世纪80年代以后，在实验基础上研究全陶瓷球轴承的性能，进一步完善对混合轴承性能的研究，使它在工业实际中得到初步运用，同时，还投入大量精力对陶瓷轴承的设计理论进行研究。国际上从1972年美国研制成功陶瓷轴承以来，日本、德国急起直迫，很快得到发展。其中陶瓷球轴承的生产在国外起步较早，运用的场合范围较广，比如数控机床用陶瓷球轴承、磨床电主轴用陶瓷球轴承、机床滚珠丝杠用陶瓷球轴承等。陶瓷球轴承的高耐磨性、自润滑性、超高转速等性能得到了淋漓尽致的发挥，也为高精度机床、高速机床、特种环境设备作出了贡献。作为陶瓷球轴承的核心部件-陶瓷球体，国外的研发和竞争也比较激烈。进入上世纪90年代，对陶瓷轴承的研究进一步展开。1994年一些研究人员经过试验证明：当混合轴承套圈处于疲劳剥落过程中，氮化硅陶瓷球仍能经得起较高荷载的冲击；氮化硅陶瓷球破坏的概率比同尺寸的钢球破坏的概率小；在无润滑或润滑不良的条件下，混合轴承运行状态比钢轴承好。1995年，一些研究人员又对混合陶瓷轴承进行重载疲劳试验和高速下的疲劳试验，发现氮化硅陶瓷在赫兹应力为2.6MPa时，运行800-2170h后仍处于良好状态。1.2.1 陶瓷轴承在国外的发展早在60年代，正当工程陶瓷的制造水平日益发展的时候，专家们发现工程陶瓷具有作为轴承材料的优良特性，如耐高温、耐腐蚀、耐磨、硬度高、密度小、热膨胀系数小、自润滑性好等。1963年Taylor等用热压碳化硅和热压氧化铝制作成轴承滚动体，在温度高于811K的环境下试验，结果是陶瓷材料能保持良好刚性和耐腐蚀性的温度范围要比轴承钢宽广得多;同时Bauhman和Bamberger在无润滑和922K的高温下对碳化硅、氧化铝等材料作耐磨性试验，发现碳化硅具有良好的耐磨性。1968年Harris对轴承滚动体在高速下的离心力进行了研究，指出用密度小的氮化硅陶瓷材料作轴承滚动体可有效地阻止轴承寿命的下降。进入上世纪70年代，材料专家们开始把探索新型轴承材料的注意力集中到氮化硅陶瓷材料上，进行了许多卓有成效的试验。1971年ScotBackwell和Mccullagh用四球滚动试验机对热压氮化硅陶瓷进行滚动接触磨损试验，试验结果表明:在无润滑时，热压氮化硅陶瓷是最耐磨的材料。1973年Bumgarter和whieldon对热压氮化硅进行疲劳试验，发现热压氮化硅滚动体的疲劳寿命超过了轴承钢滚动体的疲劳寿命。1975年Parker等人对各种材料的混合轴承进行疲劳试验，结论是混合陶瓷轴承的使用寿命相当于或高于同型号钢轴承的使用寿命。1983年日本的菊地滕男等人对混合陶瓷轴承和全陶瓷轴承作了疲劳试验，得出热压氮化硅陶瓷的寿命相当于或好于轴承钢的寿命。1987年日本的藤原孝志对陶瓷轴承的额定载荷进行研究，结果表明氮化硅陶瓷材料的额定动载荷比轴承钢高，它的额定静荷载比轴承钢的额定静载荷也大。1988年Aramaki等人将钢轴承和混合轴承作了对比试验，结果表明混合轴承产生的热量仅为钢轴承产生热量的80%;混合轴承在运行中，氮化硅陶瓷球产生的离心力和陀螺力矩都比钢球小;混合轴承的极限转速高，耐无润滑环境的能力强。从上世纪80年代，注意力主要集中在对热压氮化硅陶瓷混合轴承的研究上，研究的主要内容是热压氮化硅陶瓷材料本身的性能及氮化硅陶瓷球对轴承性能的影响，为建立混合轴承设计理论提供了数据，同时也对全陶瓷轴承的性能作了初步研究。进入上世纪90年代，对陶瓷轴承的研究进一步展开。1994年Rhoads等人经试验证明:当混合轴承套圈处于疲劳剥落过程中，氮化硅陶瓷球仍能经得起较高荷载的冲击;氮化硅陶瓷球破坏的概率比同尺寸的钢球破坏的概率小;在无润滑或润滑不良的条件下，混合轴承运行状态比钢轴承好。1995年，Chiu等人对混合陶瓷轴承进行重载疲劳试验和高速下的疲劳试验，发现氮化硅陶瓷在赫兹应力为2.6MPa时，运行800-2170h后仍处于良好状态。1.2.2 陶瓷轴承在我国的发展陶瓷轴承的研究在我国开始于上世纪80年代末。上海硅酸盐研究所、上海材料研究所、山东工业陶瓷研究院等研究机构在国家“八五”、“九五”科技攻关的支持下对轴承用氮化硅陶瓷材料的性能及坯体制备工艺进行了较为深入的研究;沈阳建筑工程学院、东北大学、天津大学和洛阳轴承研究所等高校和研究机构在国家自然科学基金等项目资助下研究了陶瓷球和陶瓷套圈的加工、陶瓷轴承性能和优化设计。目前国内轴承用氮化硅材料性能、坯体制备工艺及轴承设计理论研究与国外差距较大，相当于国外上世纪九十年代中、后期水平;陶瓷球和套圈的加工技术及工艺与国外差距不大，部分单元技术处于国际领先水平。从国内外几十年对陶瓷材料性能的研究来看，陶瓷具有许多作为轴承材料的优点，表1列举了陶瓷材料和轴承钢的一些持性。作为一种理想的轴承材料的基本要求为:断裂强度因子大于5MPa/振，材料硬度大于1200Kg/如nlM2，弹性模量不小于210GPa，材料密度小于4X103Kg/时，弯曲强度应大于700MPa，最高使用温度大于8000C，耐磨，材料破坏形式应类似于疲劳剥落。1.3 国内外氮化硅陶瓷球制造工艺研究现状及发展作为氮化硅陶瓷滚动轴承的最主要部件的氮化硅陶瓷球，其制造工艺与传统的钢制轴承球加工有着本质的区别。尽管随着现代科学技术的发展，信的加工技术和方法不断涌现，但是经过近几十年的发展，氮化硅陶瓷球的制造工艺已基本成熟。其传统的制造工艺流程如图1-1所示。图1-1陶瓷球的生产工艺流程1.3.1 粉料制备我们所说的氮化硅粉料的制备方法主要有硅粉氮化法、还原法、硅亚分解法和气相反应法等，其中硅粉氮化法是比较传统的制备方法，其方法已经基本成熟并广泛的呗应用。其它方法是近些年发展起来的新方法。硅粉直接氮化法是最先被使用的传统的合成氮化硅粉末方法，平常市场上所见的粉末多使用此方法生产。它是把磨细的硅粉放在氮气中加热到1200至1450度下进行氮化反应，生成。主要反应式如下：传统的硅粉氮化法具有以下特点：1. 工艺比较简单，能够容易地实现小规模向大规模生产的转移，适合于大规模工业生产，并且成本也低，；2. 由于原料Si的纯度以及粉碎过程中易混入杂质等因素的影响，所以粉末纯度比较低； 3. 因为粉末是经粉末粉碎得到的，所以它的粒形不规则，并且粒度分布范围较宽;及其物理性能是非常必要的。因此，通常要求粉料具有以下特性：（1）纯度高；（2）高均匀而细的颗粒；（3）有用相含量高 。 1.3.2 配料、混合和造粒氮化硅是一种共价化合物，在常压下没有熔点，于1870度分解，体积扩散系数小，在没有加入物的情况下，欲制成高纯度氮化硅陶瓷球是难以达到完全致密的。所以必须采用烧结助剂来生成液相，填充于氮化硅颗粒之间，借助液相的表面张力，使颗粒重排，堆集密度得以提高，气孔减少。常用的烧结助剂有氧化钇、氧化镁等。将粉末和作为辅助成分的烧结助剂等混合均匀，配成粉料。混合在专用配料机中进行，配料机采用氮化硅内衬或氧化锆内衬。工作时将加工的原料和一定数量的陶瓷球放入配料机，注入无水乙醇，开动机床，混合1到2天。乙醇处理可以减少分了得团聚结块，降低成型时摩擦力，提高生僻密度，因此烧结体强度，特别是高温度得到了显著提高。氮化硅陶瓷球不能单纯用加热加压增大密度，因为在微粒充分粘结之前材料就离解了。除了添加烧结助剂之外，还需要进行干燥造粒。粉料干燥造粒一般采用喷雾法，将混合好的原料放入离心喷雾剂中，加入混合剂，无话后的小液滴在热风中迅速干燥。这种方法可以为粉末成型提供流动性良好的粉料。1.3.3 成形根据氧化硅陶瓷球的制成方式、性能要求等，可以采用多种不同的成形方式。 粉压成型包括干压成型和等静压成形。它们共同的特点都是采用干粉料，在粉料中只含有百分之几的水分或更少的其它有机粘合剂。1 干压法成型（1） 成型原理 这是一种最简单且最直观的成型方法。只要将经过造粒、流动性好的粉料，倒入一定形状的钢模内，借助于模塞，通过外加压力，便可将粉料压制成一定形状的坯体。由于模套与模塞之间的配合时相当紧密的，故经过造粒和粒配合适的粉料，堆集密度比较高时，可使压缩时的排气量大大减少，从而使坯体具有一定的机械强度。一般情况下，干压法可以得到比较理想的坯体密度。 （2） 粉料的堆集密度堆集密度是指加压前粉料在模具中自然堆集或适当振动时所形成的填充程度，它与堆积方式、粒径配比以及粉料的各种质量关系很大。显然，堆集密度越大，在坯体的压实过程中，需要填充的空隙或需要排出的气体就越少，故在其它条件相同的情况下，可望获得高质量的坯体。（3） 干压成型工艺的优缺点干压法成型，工艺简单、操作方便，只要有合适的压床和模具，既可进行小批量试制，也可组织大规模生产；且周期短、功效高，容易实现自动化生产。由于干压型的坯体比较密实、尺寸比较精确，烧成后收缩较小，所以其机械强度较高。此方法的关键是必须具备一定功率的加压设备，而受压面积越大，加压设备的压力或功率也就越大，这对大型设备来说是不易办到的。此外，加压方向通常都只限于一个轴向（上、下、或上下同时加压），缺乏侧向压力，所以压成的氮化硅陶瓷球坯体结构具有明显的各向异性，在烧结时，侧向收缩大，其机械电气性能也远非各向均匀。2等静压成型等静压成型和干压成型工艺中不同的是，后者由于加压设备及模具结构本身，决定了它只能作单方向加压，它的内在缺点为产品结构和强度的各向异性。我们必须使产品能受到均匀的各向施压来解决这个问题。等静压成型就是为了满足这一要求而发展的。以前最早运用的方法为湿式等静压。其方法是将预压好的粉料坯体，包封于具有弹性的塑料或橡皮套内，然后置入一个能承受高压胀力作用的钢管内，通过进液口，用高压泵将传压液体打入筒体。所以，胶套里面的工件，会在不同方向受到一样大小的压力。对湿法等静压的改进也就出现了干式等静压可使工效及自动化水平大为提高。等静压成型法本身对模具并没有特殊的要求，压力易于调节，坯体均匀致密，烧结收缩比较小，所有方向均匀一致，产品在烧结以后具有很高的机械强度。缺点是该设备结构复杂生产效率不高，操作不便。1.3.4 烧结目前氮化硅陶瓷球轴承球的烧结方法有:常压或气氛加压烧结、热等静压烧结、热压烧结等。(1)常压或气氛加压烧结此方法是将氮化硅粉科加致密助剂于模具中，先进行冷等静压和未干致密，再经过无压烧结或加压烧结而制成烧结氮化硅。(2)热等静压烧结热等静压是一种在高温条件下，以高压气体传递压力使坯件致密化，消除内部残存微量孔隙和提高制品相对密度的有效方法。热等静压烧结的氮化硅可达到氮化硅的理论密度，且各向同性，具有良好的综合性能，是迄今为止制造陶瓷轴承球最理想的材料。其缺点在于，设备和工艺都较复杂，模具材料的选择及封装操作技术要求较高，投资大，生产效率低，产品成本较高。(3)热压烧结将烧结后的混合粉末装入石墨磨具中，然后对其施加30-50MPa的机械压力，同时加热到1700-1800的高温，保温1-2h。为防止烧结过程中烧制品粘模，可采用BN作为脱模剂。这种方法烧结助剂用量少，比一般烧结法易得到致密度高、质量好的制品，但只适宜烧结形状简单的制品。热压烧结成本较高，不宜于氮化硅陶瓷球的批量生产。1.3.5 研磨1.陶瓷球的研磨工艺陶瓷球的研磨一般分为粗研和精研两道工序，如果细分可分为粗研、半精研、精研和超精研。粗研工序的目的是去除大部分余量、改善陶瓷球的精度和表面质量，为精研做准备。精研工序的目的是进一步改善陶瓷球的表面质量和精度，使陶瓷球达到成品球的精度要求。研磨陶瓷球的研磨盘根据硬度不同可分为3类:低硬度研磨盘，用塑料、锡、铜制造(220)。一般中、高硬度盘用于粗研，低硬度盘用于精研。磨料的选择:粗研加工采用碳化硼、碳化硅、刚玉和人造金刚石微粉磨料;精研采用氧化铬、氧化铁、人造金刚石微粉磨料。导液一般可用煤油、油脂、机油、蜡、乳化液等按一定的比例混合而成，具有一定的粘度，再混入研磨剂，配成研磨液。研磨时要控制研磨液的粘度、承载特性及各种添加剂的含量。对以上各因素的选择，是保证陶瓷球最终加工质量的关键。目前，Si3N4陶瓷球经研磨后能达到的精度水平为:直径变动量和球形偏差0.040.081m,表面粗糙度Ra0.004-0.0084m，已达到和超过G03级球的质量标准。2.陶瓷球的研磨方法目前用于氮化硅陶瓷球的研磨方法有V型槽研磨法、锥型研磨法、自旋角控制研磨法、偏心圆沟槽研磨法、磁流体研磨法等。大循环加工与轴承球大批量生产方式相适应。而以上所述的方法中，锥型研磨法、自旋角控制研磨法和磁流体研磨法都是单沟封闭研磨，只适用于小批量陶瓷球的研磨加工。传统的V形槽研磨法和在此基础之上发展起来的偏心圆沟槽研磨法能实现陶瓷球的大循环加工。由于偏心圆沟槽研磨法的研磨效率高、球形偏差小，所以是最具发展前途的陶瓷轴承球高效、精密研磨方法之一。1.4 生坯修形的意义和方法1.生坯球修形的意义(1)显著提高加工效率由于生坯球的机械强度很低，所以其机械加工效率很高，双砂轮修形法对生坯球直径的去除可达每分钟几毫米;而烧结后的陶瓷球具有极高的强度和硬度，并且表面能低，研磨介质和磨料附着性差Dq，目前的研磨方法加工效率都极低，大约为每分钟几微米，与修形效率相差千倍。所以通过生坯修形，可以显著减小烧结后的加工余量，大幅度降低生产成本。(2)减少烧结后的加工工序，优化烧结后的加工工艺通过修形可使生坯球达到一定的尺寸及形状精度，烧结后可直接研磨，避免了磨削工序，不但提高了其加工效率，更重要的是提高了成品球的质量.(3)保证成品球具有较好的残余应力分布，提高陶瓷球轴承的性能氮化硅陶瓷球经烧结后，在其表面形成残余压应力。图1-2为原始尺寸SD(7.76。的氮化硅轴承球坯体，经剥层加工后表面层切向残余应力分布的测试结果，压应力幅值最大约为140Mpa，影响深度为0.03mm。虽然球坯尺寸不会对表面层烧结残余应力分布有较大影响，但为了加工到同一尺寸，不同尺寸的球坯其加工余量不同。也就是说烧结残余应力的释放量不同，最终致使由不同尺寸球坯制造的轴承球其表面残余应力状态不同，这显然是不被期望的。修形对残余应力改善分两种情况:对于单个球来说，如果压制成型的生坯球不圆，经烧结后的毛坯同样存在着较大的球形偏差。对于球形偏差较大的陶瓷球，尽管经烧结后沿其球表面的残余压应力分布具有很好的一致性，但在后续的加工过程中，由于陶瓷球表面的不同部位的去除量并不一致，表面残余应力重新分布的结果使得沿球表面形成不均匀的残余应力分布，而且应力的状态和幅值也发生了变化。这种表面残余应力分布不均匀的轴承球在使用过程中，一方面其残余应力释放过程伴随着球体变形，使球形偏差逐渐增大，影响轴承的回转精度;另一方面表面残余应力分布不均匀意味着球表面接触疲劳强度的差异，即球面上存在着接触疲劳强度较低的部分，影响轴承的疲劳寿命对于批差较大的一批球来说，由于大球在加工过程中的去除量比小球多，造成加工完成后同一批成品球的表面残余应力不一致。这样在使用过程中，随着应力的释放，批差增大，影响轴承的使用寿命。如果在烧结前对生坯修形以获得一定尺寸及形状精度的球坯，那么烧结后经研磨加工就可以得到表面残余应力分布基本一致的成品球，从而提高轴承的使用性能。2.修形方法 (1)手工修形法手工修形模型如图1-3所示:将生坯球置于一管形刀具上，用手工方式使陶瓷球表面紧贴刀具刃口并产生旋转滑动，旋转方向由手工操纵控制以实现沿球面各个方向的材料去除，最终加工出比较理想的球体。这种加工方式完全依赖于操作工人的经验和责任心，并且存在以下缺点:一是效率低;图一3手工修形模型二是难以保证稳定的加工精度，用该方法修形得到的球形偏差较大，一般不低于0.05mm;三是由于生坯球的旋转不是均匀连续的，在上一次旋转结束和下一次旋转开始的衔接处，容易形成凹痕或者突起，在烧结后形成严重的应力不均匀，易形成裂纹，产生废品。(2)双砂轮修形法双砂轮修形法是本课题组提出的一种新方法，其原理如图1-4所示，将两个母线为圆弧的砂轮按轴线平行对称布置，砂轮母线的圆弧半径略大于所要加工的生坯球的最终半径。生坯球位于二砂轮所包络的空间内，其中一个砂轮高速向上旋转，另一砂轮低速向下旋转，并在生坯球的正上方施以一定压力的压缩空气，以抵抗砂轮高速回转作用在生坯球上向上的冲击力，避免生坯球向上飞出工位。这种方法的优点:一是操作容易，效率高，可实现自动化加工，如果按每工作日8小时计算，一台机床一天可生产7000-10000粒球。二是球形偏差小，尺寸一致性好，废品率低，目前所加工的球，球形偏差、批差都可控制在0.03mm以内。该方法不但提高了加工精度，而且实现了生坯球的自动化加工。(3)弹性接触研磨法弹性接触研磨法工作原理如图1一5所示，在上下研磨盘的表面上，加工有图1一6a所示的切削刃，在切削刃上面盖有一层尼龙网，切削刃透过尼龙网的空隙突出在尼龙网之外，通过调节切削刃突出的高度来控制切削量的大小，如图1一6,c所示。下盘开有V形槽，上下盘的回转中心距离为6，在加工过程中，尼龙网对生坯球起缓冲和保护以及控制切削量的作用，同时隔开球与积存在切削刃底部的切屑的相互接触，避免切屑粘在球表面上，影响加工精度。这种方法加工精度能达到要求，但无论是设备的制造，还是设备操作技术都要求较高，而且切屑积存在切削刃底部得不到及时清除，并且尼龙网需经常更换，影响加工效率和精度，难以满足规模化生产的需要。为了降低氮化硅陶瓷球的加工成本，保证成品球的质量，在国外现己开发出一种“近终形”氮化硅陶瓷球毛坯成型烧结工艺。用“近终形”工艺生产的氮化硅陶瓷球毛坯，其球形误差和直径变动量很小，可直接进行研磨加工。但是这种方法工艺难度大，成本高，目前难以大规模推广应用。第二章 相关结构说明2.1 电机的选择1 旋转电机分类在旋转电机中，由于发电机是电能的生产机器，所以和电动机相比，它的种类要少的多；而电动机是工业中的应用机器，所以和发电机相比，人们对电动机的研究要多的多，对其分类也要详细的多。实际上，我们通常所说的旋转电机都是狭义的，也就是电动机俗称“马达”。众所周知，电动机是传动以及控制系统中的重要组成部分，随着现代科学技术的发展，电动机在实际应用中的重点已经开始从过去简单的传动向复杂的控制转移；尤其是对电动机的速度、位置、转矩的精确控制。2 控制电动机2-1 伺服电动机伺服电动机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。伺服电动机有直流和交流之分；最早的伺服电动机是一般的直流电动机，在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电动机。目前的直流伺服电动机从结构上讲,就是小功率的直流电动机,其励磁多采用电枢控制和磁场控制,但通常采用电枢控制。旋转电机的分类，直流伺服电动机在机械特性上能够很好的满足控制系统的要求，但是由于换向器的存在，存在许多的不足：换向器与电刷之间易产生火花，干扰驱动器工作，不能应用在有可燃气体的场合；电刷和换向器存在摩擦，会产生较大的死区；结构复杂，维护比较困难。交流伺服电动机本质上是一种两相异步电动机，其控制方法主要有三种：幅值控制、相位控制和幅相控制。一般地，伺服电动机要求电动机的转速要受所加电压信号的控制；转速能够随着所加电压信号的变化而连续变化；电动机的反映要快、体积要小、控制功率要小。伺服电动机主要应用在各种运动控制系统中，尤其是随动系统。2-2步进电动机所谓步进电动机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构；更通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量，从而达到精确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。目前，比较常用的步进电动机包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）和单相式步进电动机等。步进电动机和普通电动机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电动机可以和现代的数字控制技术相结合。但步进电动机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电动机；所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。由于步进电动机具有结构简单、可靠性高和成本低的特点，所以步进电动机广泛应用在生产实践的各个领域；尤其是在数控机床制造领域，由于步进电动机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。此外，步进电动机也存在许多缺陷；由于步进电机存在空载启动频率，所以步进电机可以低速正常运转，但若高于一定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸叫声；不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大，细分数越大精度越难控制；并且，步进电机低速转动时有较大的振动和噪声。2-3 力矩电动机所谓的力矩电动机是一种扁平型多极永磁直流电动机。其电枢有较多的槽数、换向片数和串联导体数，以降低转矩脉动和转速脉动。力矩电动机有直流力矩电动机和交流力矩电动机两种。其中，直流力矩电动机的自感电抗很小，所以响应性很好；其输出力矩与输入电流成正比，与转子的速度和位置无关；它可以在接近堵转状态下直接和负载连接低速运行而不用齿轮减速，所以在负载的轴上能产生很高的力矩对惯性比，并能消除由于使用减速齿轮而产生的系统误差。交流力矩电动机又可以分为同步和异步两种，目前常用的是鼠笼型异步力矩电动机，它具有低转速和大力矩的特点。一般地，在纺织工业中经常使用交流力矩电动机，其工作原理和结构和单相异步电动机的相同，但是由于鼠笼型转子的电阻较大，所以其机械特性较软。2-4 无刷直流电动机无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波”），另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40%50左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。3 功率电动机3-1 直流电动机直流电动机是出现最早的电动机，大约在19世纪末，其大致可分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机有较好的控制特性直流电动机在结构、价格、维护方面都不如交流电动机，但是由于交流电动机的调速控制问题一直未得到很好的解决方案，而直流电动机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动等优点，所以目前直流电动机的应用仍然很广泛，尤其在可控硅直流电源出现以后。3-2 异步电动机异步电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩而实现能量转换的一种交流电机。异步电动机一般为系列产品，品种规格繁多，其在所有的电动机中应用最为广泛，需量最大；目前，在电力传动中大约有90%的机械使用交流异步电动机，所以，其用电量约占总电力负荷的一半以上。异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。并且，异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电动机主要广泛应用于驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械等大多数工农生产机械以及家用电器和医疗器械等。在异步电动机中较为常见的是单相异步电动机和三相异步电动机，其中三相异步电动机是异步电动机的主体。而单相异步电动机一般用于三相电源不方便的地方，大部分是微型和小容量的电机，在家用电器中应用比较多，例如电扇、电冰箱、空调、吸尘器等。3-3 同步电动机所谓同步电动机就是在交流电的驱动下，转子与定子的旋转磁场同步运行的电动机。同步电动机的定子和异步电动机的完全一样；但其转子有“凸极式”和“隐极式”两种。凸极式转子的同步电动机结构简单、制造方便，但是机械强度较低，适用于低速运行场合；隐极式同步电动机制造工艺复杂，但机械强度高，适用于高速运行场合。同步电动机的工作特性与所有的电动机一样， 同步电动机也具有“可逆行”，即它能按发电机方式运行，也可以按电动机方式运行。同步电动机主要用于大型机械，如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机以及小型、微型仪器设备或者充当控制元件；其中三相同步电动机是其主体。此外，还可以当调相机使用，向电网输送电感性或者电容性无功功率。4结论一般地，在一个完整的自动控制系统中，功率电动机和控制电动机都会有自己的用武之地。通常控制电动机是很“精确”的电动机，在控制系统中充当“核心执行装置”；而功率电动机是比较“强壮”的大功率电动机，常用来拖动现场的机器设备。 对各种旋转电机进行极其详细地分类是不可能的，因为许多新型旋转电机都是许多电机工作原理和许多电机制造技术高度统一的有机体。因此，对于非电机专业的一般电气工程技术人员来讲，能够从整体结构上把握各种旋转电机的特性和用途就可以了。由于本课题振动上料机构的限制，需求的电机需要较小的体积，并且需要安装方便，噪音小，最主要需要恒定小转速，所以我们需要一台变频电机。2.2 变频电机2.2.1 变频电机的特点B级温升设计，F级绝缘制造。采用高分子绝缘材料及真空压力浸漆制造工艺以及采用特殊的绝缘结构，使电气绕组采用绝缘耐压及机械强度有很大提高，足以胜任马达之高速运转及抵抗变频器高频电流冲击以及电压对绝缘之破坏。平衡质量高，震动等级为R级（降振级）机械零部件加工精度高，并采用专用高精度进口轴承，可以高速运转。强制通风散热系统，全部采用进口轴流风机超静音、高寿命，强劲风力。保障马达在任何转速下，得到有效散热，可实现高速或低速长期运行。经AMCAD软件设计的YP系列电机，与传统变频电机相比较，具备更宽广的调速范围和更高的设计质量，经特殊的磁场设计，进一步抑制高次谐波磁场，以满足宽频、节能和低噪音的设计指标。具有宽范围恒转矩与功率调速特性，调速平稳，无转矩脉动。与各类变频器均具有良好的参数匹配，配合矢量控制，可实现零转速全转矩、低频大力矩与高精度转速控制、位置控制及快速动态响应控制。YP系列变频专用电机可配制刹车器，编码器供货，这样即可获得精准停车，和通过转速闭环控制实现高精度速度控制。采用“微电机+变频专用电机+编码器+变频器”实现超低速无级调速的精准控制。YP系列变频专用电机通用性好，其安装尺寸符合IEC标准，与一般标准型电机具备可互换性。2.2.2 变频电机的构造原理电动机的调速与控制，是工农业各类机械及办公、民生电器设备的基础技术之一。随着电力电子技术、微电子技术的惊人发展，采用“专用变频感应电动机+变频器”的交流调速方式，正在以其卓越的性能和经济性，在调速领域，引导了一场取代传统调速方式的更新换代的变革。它给各行各业带来的福音在于：使机械自动化程度和生产效率大为提高、节约能源、提高产品合格率及产品质量、电源系统容量相应提高、设备小型化、增加舒适性，目前正以很快的速度取代传统的机械调速和直流调速方案。由于变频电源的特殊性，以及系统对高速或低速运转、转速动态响应等需求，对作为动力主体的电动机，提出了苛刻的要求，给电动机带来了在电磁、结构、绝缘各方面新的课题。2.2.3 变频电机的应用变频调速目前已经成为主流的调速方案，可广泛应用于各行各业无级变速传动。特别是随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用，变频电机的使用也日益广泛起来，可以这样说由于变频电机在变频控制方面较普通电机的优越性，凡是用到变频器的地方我们都不难看到变频电机的身影。2.3 VFG系列变频电机2.3.1 VFG系列变频电机之特点基频制：基本极不变，改变基本频率的方案；基极制：基本级数为2、4、6、8、10等不同，单基本频率为50HZ。机种选择范围宽广，适合各种产业机器的需求。高可靠度设计，安全、静音、低振动。更专业化，标准化和人性化设计，与主流变频器适配。应用场合广泛。2.3.2 VFG变频电机参数表如2-1表、2-2表。表2-1电机重量表表2-2VFG系列变频电机级数规范2.4 凸轮机构2.4.1 移动从动件盘形凸轮廓线的设计平底从动件盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计思路与上述滚子从动件盘形凸轮机构相似，不同的是取从动件平底表面上的B0点作为假想的尖端。图2-3（1）取平底与导路中心线的交点B0作为假想的尖端从动件的尖端，按照尖端从动件盘形凸轮的设计方法，求出该尖端反转后的一系列位B1,B2,B3,。（2）过B1,B2,B3,各点，画出一系列代表平底的直线，得一直线族，这族直线即代表反转过程中从动件平底依次占据的位置。（3）作该直线族的包络线，即可得到凸轮的实际廓线。由图中可以看出，平底上与凸实际廓线相切的点是随机构位置而变化的。因此，为了保证在所有位置从动件平底都能与凸轮轮廓曲线相切，凸轮的所有廓线必须都是外凸的，并且平底左、右两则的宽度应分别大于导路中心线至左、右最远切点的距离b和b 。2.4.2 本课题凸轮结构方案基圆半径=17.5mm 当以该图逆时针转动180度时，从动件以摆线运动规律上升一段距离h，h即是凸轮振动上料装置所需要的震动振幅。h=b-a=22.5-17.5=5mm正如本课题所需振幅。 图2-42.4.3 凸轮结构方案选取1 电机与凸轮传动系统安装在上料斗下方如图简示。但是该方案运作时凸轮承受负荷较大，加大了摩擦对接触面的损耗，噪声较大，并且装拆较困难。但是该方案运作时上料斗下降时可依靠自己本身的重力下降，震动效果更明显，对弹簧系统的依赖较低。2 电机与凸轮传动系统安装在上料斗上方如图简示。该方案震动效果比前者方案较差，而且对弹簧系统有很大依赖，凸轮将上料斗压