大型回转支承套圈圆度误差自动检测装置设计说明书
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大型回转支承套圈圆度误差自动检测装置设计设计（XX）任务书、毕业设计（论文）题目： 大型回转支承套圈圆度误差自动检测装置 、毕业设计（论文）工作内容 本课题拟根据现代机械行业对回转支承圆度误差检测的需求，来开展设计工作。 具备机械原理、机械设计、机械制造技术基础、互换性与公差测量、SolidWorks 三 维 CAD 建模与仿真等的基本知识和能力，进行必要的设计计算、校核和结构设计。 具体工作内容： 1) 查阅与课题相关文献资料 10 篇以上，其中英文资料 2 篇以上，英文资料翻装译 5000 汉字以上； 2) 分析回转支承套圈圆度误差，研究其机构的总体设计方案，并撰写课题开题 报告； 3) 总体结构设计与计算（大型回转支承套圈的选择、电动机选型、零部件设 计等）； 4) 设计图纸量：折合约 1 张 A1，2 张以上的 A3；订设计说明书一份（1-1.5 万字，要求电脑打印，说明书组成包括毕业设计任务书、中 外文摘要及关键词、目录、正文、主要参考文献、致谢和附录等，具体格式参照学院 毕业设计(论文)工作管理规定）。 线 、进度安排： 2014 年 10 月 20 日2014 年 11 月 9 日（3 周）：选择题目，收集材料，联系落实毕 业实习单位，填写毕业设计任务书； 2014 年 11 月 10 日2014 年 12 月 7 日（4 周）：布置任务，明确目标、制定计划， 确定初步毕业设计方案； 2014 年 12 月 8 日2015 年 1 月 4 日（4 周）：深化初步方案，结合毕业实习加深对 毕业设计方案的认识； 2015 年 1 月 5 日2015 年 1 月 16 日（2 周）：学生毕业设计方案进一步完善；2015 年 1 月 17 日2015 年 3 月 1 日（6 周）：继续前期工作；2015 年 3 月 2 日2015 年 5 月 17 日（11 周）：学生全部返校，进行毕业设计计算、绘图，编制毕业设计说明书，完成毕业设计工作任务（2015 年 3 月 30 日2015 年 4月5 日接受学校毕业设计期中检查）；2015 年 5 月 18 日2015 年 5 月 31 日（2 周）：毕业成果预提交、修改、评阅、答辩。 、主要参考资料： 1 余晓流，谈莉斌.工程机械第 39 卷-回转支承圆度误差的自动检测与校正.马鞍山.2008 2 汤卫斌，孙玉贤.工程机械-回转支承技术及行业发展概况.徐州.1999.9 3 机械设计手册编委会.机械设计手册第五卷.北京：机械工业出版社.2004 4 机械设计手册编委会.机械设计手册单行本之滚动轴承.北京：机械工业出版社.2007 5 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册.北京：高等教育出版社.2006 6 成大先.机械设计手册第二卷.北京：化工工业出版社.2002 机械设计手册编委会.机械设计手册单行本之带传动和链传动.北京：机械工业出版社.2007 7 孙恒，陈作模.机械原理.西安：高等教育出版社.2006 8 濮良贵，纪名刚.机械设计.西安：高等教育出版社.2006装9 侯志坚，冯德振，王慧.组合机床与自动化加工技术-燕尾导轨磨削机床的设计制造.济 南.2003.9 指导教师：（签名：）， 年 月 日 学生姓名：（签名：），专业年级： 系负责人审核意见： 订 线 专业负责人签字： ， 年 月 日共 37 页 第- 8 -页郑 重 声 明 本人呈交的毕业设计（论文），是在指导老师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知， 除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）的研究成果不包含他 人享有著作权的内容。对本设计（论文）所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本设计（论文） 的知识产权归属于培养单位。 装订本人签名：日期： 线摘要本文主要对大型的回转支承套圈圆度误差检测装置进行设计。大型的回转支承大 都应用在机械工程上，比如大型打桩机 、起重机海外起重机、可旋转的手推车、挖 掘机、回收装置、堆垛机和钢包车等。配备使用这些轴承防范这些不可预见的情况下, 会增加额外的成本，大型的回转支转轴承一般是重要的生产步骤。而且,正如更换大 型回转轴承需要长时间由于长期制造，承套圈圆度误差自动检测装置设计变的越来越 重要。当其中一个计划外的停机时间轴承坏了非常昂贵的原因生产中断。面对这些问 题，要必须设计一种回转支承套圈圆度的误差自动检测装置来处理它。针对上述问题， 设计了一种回转支承套圈圆度误差自动检测装置。利用PLC控制伺服电机以及其它输 入输出元件，实现检测的自动化；采用光纤传感器自动检测套圈圆度误差，可高效地 确定套圈短轴位置，方便的检测出套圈圆度误差。 关键词：圆度误差；自动检测；转动力辊； 同步带传动； 装 订 线Abstract .This article mainly for large rotary bearing ring roundness error detection device design. Large slewing bearing are mostly applied in mechanical engineering, such as large pile driver, offshore crane, crane rotating trolley, excavator, recycling equipment, stacker and ladle car, etc. Equipped with use of the bearing to prevent the not foreseen circum stances, would increase the cost of additional, large reverse branch turn bearing usually is the key part of production. And, as replacement of large slewing bearing need long time due to long-term manufacturing, bearing ring of the roundness error of automatic detection device design becomes more and more important. When one of the unplanned downtime the cause of the bearing is broken very expensive production disruptions. In the face of these problems, We need to design an automatic rotary bearing ring roundness error detection device to the solve these.In view of these issues, a slewing bearing ferrule装roundness error automatic detecting device is designed. The PLC is used to control servo motor as well as other input and output components for automatic detection. Fiber-optic sensor is used for automatically detection of ferrule roundness error detection, efficiently determining the location of ferrules short axis and easily detecting the ferrule roundness error.订 Keywords: Roundness error；Automatic detection；Rotation power roller；Synchronous belt drive；线目录第 1 章绪论. - 1 -1.1 课题意义和目的. - 1 - 1.2 发展与应用. - 1 - 1.3 大型回转支承套圈的选择. - 3 - 1.3.1 结构形式的选择. - 3 - 1.3.2 单排球式回转支承系列的选择. - 3 - 1.3.3 方案的提出. - 4 - 第 2 章 总体结构设计与计算. - 6 - 2.1 被测的大型回转支承选择. - 6 - 2.2 装置结构的设计. - 6 - 2.3 SolidWorks 软件的使用. - 8 - 2.4 对传感器检测误差做出的分析. - 8 - 2.5 结构受力分析. - 9 - 2.6 主动转动力辊电动机的选择. - 10 - 2.6.1 计算负载转矩. - 11 -装2.6.2 计算负载转动惯量. - 11 - 2.6.3 加速减速时电动机所需转矩. - 11 - 2.6.4 选择电动机和减速机. - 12 - 2.7 滚珠丝杠副的选择. - 12 - 2.7.1 滚珠丝杠副的种类. - 12 - 2.7.2 滚珠丝杠副的选取. - 13 -订2.7.3 滚珠丝杠副的角接触球轴承的选择. - 14 - 2.8 丝杠驱动电机的选取. - 14 - 2.8.2 加速/减速时间常数. - 15 - 2.8.3 负载转矩（转换为伺服电机轴上的等效值）. - 15 - 2.8.4 负载惯量（转换为伺服电机轴上的等效值）. - 15 - 2.8.5 伺服电机的临时选择. - 15 -线第 3 章零部件的设计与计算.- 17 - 3.1 主动力辊上带传动设计计算. - 17 - 3.1.1 同步带的结构的分析. - 17 - 3.1.2 圆弧同步带传动的设计计算. - 17 - 3.2 燕尾槽导轨的设计. - 19 - 3.3 三个转动力辊中轴的设计. - 20 - 3.3.1 轴的结构. - 20 - 3.3.2 轴的校核. - 20 - 3.4 弹簧的设计. - 23 - 3.4.1 压缩弹簧的使用. - 23 - 3.4.2 弹簧的设计计算. - 24 - 3.5 底板的设计. - 25 -3.6 轴承套圈的设计. - 26 -3.7 滚珠丝杠螺母的连接体的设计. - 27 -3.8 主动电动机支撑体的设计. - 28 -3.9 主动导轨滑块的设计. - 29 -3.10 从动导轨滑块的设计. - 29 -3.11 轴承座及端盖的设计. - 29 - 3.12 从动力辊上拉杆及拉杆支撑的设计. - 30 - 3.13 底板下支架及其支撑体的设计. - 31 - 结论. - 32 - 致谢. - 33 - 参考文献.- 34 - 第 1 章绪论1.1 课题意义和目的对此回转体的部件的典型截面圆度的误差测量是测验这样零件的加工品质的重要指标的。圆度的误差的评定与检测随着现代制造技术及电子技术的发展变得愈来愈 完善。而且这些年来，很多国内外的专家学者一直都有此方面的钻研，而且获得很多 的成果。回转支承主要的使用在大型机械上，像大型的起重机、大型的挖掘机、大型 打桩机等等。为了可以确信齿圈的使用寿命，所以制作的过程中要求对齿圈和滚道来 使它表面淬火解决。但是淬火以后回转支承套圈内外圈会产生很大的变形，可是要是 不对它校正的话，能很大的影响了回转支承的使用功能了，还会不会很好的工作了。 现在我们国家回转支承套圈生产一般利用了手工的台虎钳进行正确的校对。但不能精 确控制校正所产生的变形量，故应该多次反复校正，所以效率是非常低的；而且应力 集中的时候，可能使得平面度不合格的；操作人员手动加压，劳动强度高，易疲劳， 所以可能存在一些安全上面的危险的。对于这样的问题，咱们就能够想出了一种回转 支承套圈圆度的误差自动检测与校对措施的。我们会使用伺服液压缸和它的输入输出 元件，来完成检测与校正的自动化；套圈圆度的误差检测事使用光纤传感器自动检测 方法的，能确定套圈短轴方位；在校对的时候我们要注意各项，防止一些变形。装1.2 发展与应用 关于大型的回转支承装置我们知道这些年以来是慢慢出现的一种重要高科技的 机器零件，这种零件已经从使用在大型的挖掘机和大型的起重机，而慢慢逐渐使用到 其它方面的各种机械当中。大型的回转支承装置是凑近很特大型的滚动轴承的一类订了。对于图 1-1 是一种双排球式的回转支承的构造简图，可以参考。而图 1-2 是表 现了回转支承能够在履带式的液压挖掘机上的使用概况，这样部件将在机器的上部和 下部连接起来使用，来使用以支承上部的分量和工作负荷的，而且能够让上部能彼此 于下部之间旋转。 线 大型回转支承的应用很广，主要用于塔式起重机、挖掘机、大型打桩机等等。大装型的回转支承和普通的轴承不会差很多，是有两个部分相结合组成的。然而，这个回 转支承与普通滚动轴承来进行比较的话，就会有很多的差别了，因此主要的有下面几 点： （1）、大型的回转支承的寸值一般是很大的，它半径是在 0.25 米，一些有 20 米。订（2）、大型回转支承通常情况下都要有承受几个方面的负荷，但是要承受轴向 力，而且要有其他的力矩。所以，一套大型的回转支承通常要有几套普通滚动轴承的 作用的。 （3）、大型的回转支承的运行起来的速度是比较低的多，它的速度好多在 10 转 / 分以下的。而且，在大都数的情况下，回转支承是不作连续回转运动的，然而只会 在一个范围的角度以内就会进行来回往的旋转运行，所以就和所谓的“摆动轴承”差不线 多。 （4）、在一些机械工艺、材料分子等等一些方面，回转支承与滚动轴承有着不 少的不同的。 （5）、一般的，回转支承上是装着旋转驱动的齿圈和一个防尘用的密封部件。 （6）、大型的回转支承的尺寸是不小的，不和平常轴承那样套在心轴上就配在 轴承箱内一样，是使用螺钉来把上、下支座固定并装牢。 过去，在起重机、挖掘机等机器中，我们一般会使用柱式回转支承的，就像转柱 式回转支承、转盘式回转支承等等。但是转盘式回转支承又分为有少支点滚轮式和多 支点滚子夹套式这个两类别。第一个我们叫它钩滚式，后一个叫它多滚式。现在这些的装置已经慢慢地被滚动轴承式回转支承来代替了。和以前的回转支承进行比较的话，后一个主要有下面的优点：（1） 、运转轻便灵活，回转阻力小；（2） 、构造是比较紧的，外表的尺寸比较小；（3） 、保护起来比较方便，用起来时间也长； （4）、是用齿圈和螺钉等组装的，装配起来容易，专业化集体生产也方便； （5）、无核心的枢轴，中间空间能装配其他的零件。 中国从1960年后，就已经在挖掘机等一些机械上使用了轴承式回转支承。在六十 年代以后，在国内交叉滚珠式回转支承也慢慢的得到了普遍的使用。这些年以来，我 们国家已经慢慢地设计和创造三排滚锥式回转支承。以前，我们国家大量的生产主机 的工厂，但是回转支承一般是自己去制造的；但是主机产量的单位是很少的，回转支 承一般是由外购来解决的。合肥轴承厂和芜湖回转支承厂现在都在加工了回转支承专 业化的大规模生产。 对于国外方面，回转支承很多是让轴承公司去专业化产业化的制造生产，每个公 司都都有自己尺寸系列标准。但是主要的生产公司有：联邦德国的罗特爱德（ ROTHE ERDE ）公司，法国的 RKS 公司，日本的铃木、 KOYO 公司以及美国通用等等 一些公司和工厂。SKF 公司在北半球都是大的工业公司了，它也是世界上很早就建装立的技术最先进的轴承制造的专业型的大公司，在希腊、英国等一些发达的大国都有 一些分公司。它设在法国的分公司 -RKS 公司是成立于 1932 年，有上百的职工 ， 它的主要产品有交叉滚珠式、双排滚柱式回转支承，它的产品直径是为 0.55m ， 一年就可以生产 1600 多套。然而英国的泰泊雷克斯公司也有着 30 年的漫长历史 了，现在的员工也有上百人了，但是只生产交叉滚锥式回转支承，它的生产的东西半 径是 0.251.5 米，一年能够生产 两千套以上。这些一半以上是国内的主机配套， 订剩下的就会被出口到北美、南美等国家和地区。这类的产品使用了纯滚动形式，它的 阻力是很小的，但是加工起来又比较复杂了。 1.3 大型回转支承套圈的选择 1.3.1 结构形式的选择线 根据机械常规的加工，我们知道经常使用的回转支承的结构形式一般可以分为四 类：单排球式、交叉滚珠式、双排球式、三排球式。对于具有一样的外型大小的回转 支承、单排球式的承受能力是不会比交叉滚珠式和双排球式小的。但是在倾覆力矩一 百六吨米载荷以下的，咱们会用单排球式回转支承那是由于它的各方面是比三排柱式 回转支承会好，因此它成了首选形式了。但是如果在倾覆力矩高于 160 吨米后我们就 要首先考虑选择使用三排柱式回转支承了。 1.3.2 单排球式回转支承系列的选择 现在在我们国家，单排球式回转支承可以分为 3 个系列的规格尺寸： HS 系列，共 37 页 第- 53 -页Q 系列和 01 系列。我们知道 HS 系列单排球式回转支承是有着漫长的经历和考验的。在 20 世纪 80 年代以前，在中国主要生产的回转支承的一般的型式是交叉滚柱式，但是后来根据市场开始就生产单排球式回转支承了，所以交叉滚柱式回转支承就慢慢地被取代了，让一些尺寸不被影响，我们就要设计一个外形和装配大小与原来交叉滚柱式回转支承全部一样的但是内部结构改为单排球式的 HS 系列单排球式回转支承。它 的优点是外形尺寸大， 所以使用额也就比较频繁了， 然而相同得承载能力的 QNA1250.40 的重量是 388 Kg, 所以 HS 系列回转支承所使用的比较多的资源，而且 它的制造成本比相同的承载能力的两个系列回转支承会高尚一些，而且在和一些国外 相同承载能力的回转支承相互比较起来的话就会要差得更多了。根据这些，我们从各 个方面综合考虑起来，HS 这个系列的我们最好就不要去用它了。考虑到在改变回转 支承后会改变主机的一些相关的尺寸，对于这一点我们就知道了在这方面，因此这个 过程是比较痛苦。它装配一些螺栓孔数是很多的，可是相对的比较合理的，可是滚道 参数存在着不相匹配的现象，把它们之间相互比较起来的话，它们的外形尺寸和装配 时的尺寸是完全的相同的，它的制造成本也是基本一样的，但是在 011.45.1400 使用 的是半径 22.5mm 钢球。 Q 系列单排球式回转支承则是在八十年代以后设计部在参 考了 01 系列和根据一些数据及回转支承的参数以后，才会经过一系列的优秀的设计 制造出来的单排球式回转支承的系列，这个设计时非常实用及很合理的，解决了一些装 不必要的问题，所以对于一样的承载能力的回转支承的截面大小就会更加的紧凑了， 因此它就会具有了更好的各个方面的好配置了。 1.3.3 方案的提出订对于大型的回转支承套圈圆度得误差自动检测原理是如图1-3所示的。我们知道 检测的机构很多都是要由回转支承套圈1、光电传感器2、转动立辊3和加力装置这几 个部分相组成的。我们就拿回转支承套圈外圆测验来进行比较。根据图1所示，这个 是由三个转动立辊由伺服电机、滚珠丝杆以及滚动导轨来进行运动的，我们可以知道 它是沿着回转支承套圈径向前后移动的。根据这个它能够改变三个立辊座的所处的方线位，也就能够实现三个转动立辊撑紧回转支承套圈的内圆面，这个是使用了张紧力之 间所产生的一些摩擦力就可以带动回转支承套圈转动。由于校正前回转支承套圈圆度 的误差是很大的，所以在这个中间有一个转动立辊上装配了张紧弹簧，就能够完成了 浮动之间的张紧。由于光纤传感器是位于回转支承套圈的外圆侧面，所以要检测回转 支承套圈外圆面与光纤传感器的距离，还要将检测出的数据转化为数字信号与PLC实 时通讯。 图1-3 回转支承套圈圆度误差自动检测与校正示意图 光纤传感器与校正机构呈90垂直布局，当回转支承套圈椭圆长轴恰好对准校正 机构加力轴线。回转支承转动1圈后，PLC通过数据比较算法可以确定回转支承套圈 椭圆的短轴位置（最低点），以及短轴与光纤传感器的位置关系。我们在回转支承套 圈转动第2圈，短轴第2次对准光纤传感器时，发送紧急停止信号给转动立辊的驱动马装达。所以，在回转支承套圈停止运动时，其椭圆长轴自动对准校正机构加力对称轴线。 光纤传感器精度可达到0.0005mm。我们考虑到校对后回转支承套圈圆度的误差要求 是小于等于0.3mm，因此，检测精度可以满足要求。第 2 章 总体结构设计与计算2.1 被测的大型回转支承选择 型号为 1000.25AQWA 型，序号为 12，如图 2-1 所示。 回转支撑的结构参数： 外径：De= 1160mm 内径：d=892mm 厚度：H =78mm D1=1064mm n=24 H1=68mm D=1104mm 齿数：115 模数：10mm 质量：185kg装 订 线 图 2-1 单排球式回转支承结构 2.2 装置结构的设计 如图 1-3 所示，根据三个转动力辊支撑可以起回转支承套圈，右边力辊为主动轮， 左边两力辊为从动轮。主动轮转动，依托摩擦力带动回转支承套圈转动，整个装置成 30角摆放，使得的重力都由主动轮承受，增大转动时的摩擦力。从动轮安装有弹簧 机构，使得其上的支撑体可以来回移动，左端安装一光电传感器，接受套圈外圈离光电传感器的距离信号后，我们就要对信号来进行处理，就能够检测出回转支承套圈内圈的圆度的误差了。它的装置如下图所示： 图 2-2A 回转支承套圈圆度误差检测装置三维图 装 图 2-2B 回转支承套圈圆度误差检测装置三维图订 线 图 2-3 主动转动力辊三维图 图 2-4 从动转动力辊三维图 装 图 2-5 底板和支架结构三维图 2.3 SolidWorks 软件的使用订 图 2-2、图 2-3、图 2-4 和图 2-5 都是由 SolidWorks 三维软件画出。 因为 SolidWorks 三维建模软件是容易操作且使用很方便的， 根据这些就让 SolidWorks 变成了先进的、重要的三维 CAD 画图解决的方法了。在本论文中使用 SolidWorks 能够减少设计过程中的错误方便我们的使用。SolidWorks 有着这样好的性 价比，使得我们能够很好的运用它。线 2.4 对传感器检测误差做出的分析 图 2-6A图 2-6B回转支承套圈原始尺寸的内径： dn =892mm。设套圈是一个圆度误差为 A 的椭圆，如图 2-6 中的椭圆所示。所以取长轴直径： d1 =（892+A）mm（2-1）短轴直径： d2 =（892-A）mm（2-2）三个转动力辊支撑在椭圆的 A、B 和 C 三点，C 点为主动力辊，A、B 点为从动 力辊，C 点固定不动，从动力辊装有弹簧，可以来回移动。由上面已知条件可知 C 点到传感器的距离不变，设为 L，并设图 2-6A 中传感器到回转支承套圈外圈的距离 为 L1，图 2-6B 中传感器到回转支承套圈外圈的距离为 L2。 所以 L1 和 L2 的关系为：L1=L2+2A。 由此可知光电传感器检测的误差是准确的。 2.5 结构受力分析 装 订 图 2-7 单列圆锥滚子轴承 因为整个装置呈 30角放置，转动力辊中的轴承要承受着轴向力还要承受径向 力，所以我们把轴承选为圆锥滚子轴承，轴承代号为 33206。 其基本参数如下： 线内径：d=30mm; 外径：D=62mm; 宽：B=25mm; 极限转速为 6000r/min; 基本的额定载荷是：Cr=63.8kN。 因轴承外径较小，且是一对轴承组合，所以要选择一轴承套圈 其外径： D0 =100mm。 由轴承套圈外径 D0 =100mm 可得电动机转速： n = dn N =44.6r/min（2-3）00 D0 dn 回转支承的内径（892mm）回转支承套圈内径的运动速度：v=pdn N0 =0.234m/s（2-4）60在只受重力的情况下（即两个从动力辊对套圈无向外的拉紧力时）。F1 = G cos 300 = 1571.7N F2 = G sin 300 = 907.4N G回转支承套圈的重力 主动轮上所受的摩擦力：（2-5）（2-6） f = F1m + F2m = 371.87N（2-7） 为两钢件接触的滑动摩擦系数，取 0.15 由摩擦力所能提供的的最大加速度 amax= f = 371.87 = 2.07m / s2 m185（2-8） m回转支承的质量（185kg） 回转支承所需的加速减速时间都为 10s，最后匀速运动速度为 0.234m/s。 0.234 所以amax = 0.0234m / s210（2-9）装所以两个从动力辊不需要套圈一向外的力就可以防止转动力辊和回转支承套圈 内圈之间不打滑。 2.6 主动转动力辊电动机的选择 根据圆度检测仪是连续性的工作机械，而且运行起来是比较频繁的，因此，选择订电动机要应与其工作特点相适应才可以。初步选取 omron 伺服电机，其特点是简单、 高性能、功能强大。 （1）、高速高响应 我们对高速高响应进行针对，它的速度响应频率就能最高的可以是 1KHz。在它 的内置里有以个瞬时速度观测器的，它能够高分辩率地测验出一个电机的转速。不管线是能够容易生成一些共振的传送带驱动的机械机构，还是有着高刚性的丝杆传动得机 械机构，它们都能够有着高性能的自动调整能力来进行实现它的高速运动的定位了。 （2）、自动调整 自动调整的是我们依据了负载惯重的变化来进行判定的，它要与自适应滤波器相 配合，所以要会从低刚性再到高刚性都要能够进行自己非操控的调整增益。但是由于 旋转运动的方向不同就产生了不同负载转矩的垂直轴状况下，但是也能够自己运动的 进行调整。它是拥有不寻常的速度测验功能的，故此能够将增益调整过程中产生的一 些不寻常的速度调整到正常的运动速度。 （3）、低振动 对于低振动是振动频率比较小而且又不能少的一点的。在它的里面放置一个能够 适应的滤波器，而且能够依据机械的共振频率不同而自己运动地调整陷波滤波器的频率。能够控制一些机械不稳定以及共振频率变化而产生的一些噪音。在它里面放置的不和自适应滤波器的两个独立通道相同的滤波器，是比较重要的。两个陷波滤波器都能够各个设置一个陷波的频率和幅度，这样的设置是比较合理的。根据这个两个通道的振动频率，我们能够可以依据旋转运动方向的不同而自动地切换调节；还能够各个的对应于由于外部输入信号切换而产生的机械位置变化而导致的振动频率。我们就算 对这个设置的振动频率和滤波器的数值不能确信，也不能够导致一个不稳定的状态。 图 2-8 omron 伺服电机装2.6.1 计算负载转矩 F V TL = 9.55 L L n0hc（2-10） 其中 FL = f = 371.87N ；VL = v = 0.234m / s ；（2-11） n0 = 44.6r / min ； hc 为效率，取 0.95。订将上述数据带入上式得：负载转矩TL =19.69Nm。 2.6.2 计算负载转动惯量 此处负载转动惯量 JL 即为回转支承套圈对 Z 轴的转动惯量。线2.6.3 加速减速时电动机所需转矩 加速期间电动机要求的转矩： Tma=JLn09.55tpsa1.1+ TL =38.6Nm（2-12） 减速期间电动机要求的转矩： Tmd=JLn09.55tpsd1.1+ TL =-0.78Nm（2-13） tpsa 、tpsd 为电动机的加速和减速时间（10s）。 2.6.4 选择电动机和减速机根据本文选择电动机的型号为 R88M-G20030T-Z、圆柱型电机 AC200V 输入，其基本参数如下：额定输出功率：200W 额定转矩：0.64Nm 额定转速：3000r/min瞬时最大转矩：1.78Nm 转动惯量：1.4 10-5 kg m2 我们要选择与之相配的减速机为圆柱型电机用（最大齿隙为 3 分），它的型号为： R88G-HPG20A45200B，它的一些主要的参数如下： 减速比：1/45 额定转速：67r/min 额定转矩：23.2Nm 最大转速：111r/min 最大瞬时转矩：64.6Nm 减速机惯量：4.50 10-5 kg m2 允许径向负载：1006N 允许轴向负载：3541N 重量：2.9kg装 改组电动机和减速机组合满足要求。 2.7 滚珠丝杠副的选择 2.7.1 滚珠丝杠副的种类订现在的滚珠丝杠副的性价比事比较高的，在没有一些特别的要求的时候一般我们 选择滚珠丝杠副，它的价格是比较便宜的，它的效率也是比较高的，而且有着精度选 择广等等一些优点，这些优点都是它的重要表现，而且对于滚珠丝杠副使用的在慢慢 地在普及中，所以使用的领域也在不断的扩大，并且对滚珠丝杠副的要求也会是越来 越多的，但是普通规格的滚珠丝杠副现在已经满足不了机械中使用的要求了，在国防线领域、车辆高铁以及通讯装置等基本上都需要公称直径 d012mm。日本 NSK 公司现 在已经能够研究出了一种公称半径 d0=2mm，它的导程为 Ph=0.5mm 的世界上最为小 的导程微型滚珠丝杠副。而且半导体插件装置等是需要微型大导程滚珠丝杠副来装配 的，以便来满足高速驱动的条件。如图 2-9 和 2-10 所示： 装 2.7.2 滚珠丝杠副的选取 订 线图 2-9 滚珠丝杠实物图图 2-10 滚珠丝杠结构图图 2-11 丝杆轴承结构 根据南京工艺样本选择型号为：FF3204-3，基本参数如下： 公称直径： d0 =32mm 公称导程： Ph0 =4mm丝杠外径： d1 =31.1mm 丝杠底径： d2 =28.9mm 循环总圈数：n=3 选取丝杠全长：L=450mm然而滚珠丝杠相对较长，可能产生径向变形和轴向的移动。所以在丝杆的一端安装一对角接触球轴承，这样它就能够既承受比较大的径向载荷和较大的轴向载荷。2.7.3 滚珠丝杠副的角接触球轴承的选择选取单列角接触球轴承，轴承代号：7002AC，其结构如图所 2-12 示。 图 2-12 角接触球轴承结构图 其基本参数如下：装外径：D=32mm 内径：d=15mm 宽：B=9mm 安装尺寸： da min =17.4mm Da max =29.6mm订基本额定动载荷： Cr =5.95kN 基本额定静载荷： C0r =3.25kN 极限转速：17000r/min 我们了解到角接触球轴承 70000 型的组成分别是由内圈、钢球、外圈、保持架来 彼此相结合的。能够相同的时刻里承担着径向的载荷和轴向的载荷，并且能够承受着线纯轴向的载荷，并且能够在高的速度下进行相对比较稳定地工作。这种轴承在承受了 纯径向载荷的时候，然而对于滚动体载荷作用线与径向载荷作用线是不在相同的一径 向的同等平面里面的，而且产生了一些内部的轴向分力，但是要成对的装配使用它， 来确保能够承受双向的载荷。 2.8 丝杠驱动电机的选取 同样选择 omron 伺服电机。 2.8.1 已知基本数据运动部件重量：W=200kg 驱动系统效率：=0.9系统摩擦系数：f=0.2（材料都选 45 钢，所以两钢材之间的滑动摩擦系数为 0.2）滚杠丝杠螺纹距：Pb=4mm滚珠丝杠直径：d=32mm 滚杠丝杠长度：450mm 伺服电机转速： N0 =10r/min. 2.8.2 加速/减速时间常数 tpsa = tpad = 0.05s（2-14） 2.8.3 负载转矩（转换为伺服电机轴上的等效值） 伺服电机每转行程：S= Pb=4mm 负载转矩： T = fWgDS = 0.22009.8110 =0.694Nm（2-15） L2103 ph2103 3.140.9装2.8.4 负载惯量（转换为伺服电机轴上的等效值） 运动部件惯量： J= W ( DS)2 = 0.81kg cm2（2-16） L120p 滚珠丝杠惯量：订JL2= prL D4 = 2.8 kg cm232（2-17） 其中= 7.810-3 kg / cm3 完全负载惯量（转换为伺服电机轴上的等效值）： JL = JL1 + JL2 = 3.61kg cm2 2.8.5 伺服电机的临时选择线1、选择条件 2、负载转矩伺服电机的额定转矩 满负载惯量30伺服电机惯量 综上所述，临时选择 R88M-G20030T-Z 2.8.6 加速/减速转矩 加速期间伺服电机要求的转矩：（2-18） T=JL N01.1+ T = 3.61101.1+ 0.694 =0.702Nm （2-19） ma9.55tpsaL9.55104 0.05 减速期间伺服电机要求的转矩：T=JL N01.1+ T =- 3.61101.1+ 0.694 =0.686Nm（2-20）md9.55tpsdL9.55104 0.052.8.7 电动机选取 在对电动机的选择同时要考虑弹簧对系统的压力，它将产生一阻力矩，见弹簧的 设计计算部分。 根据本文我们选择电动机型号为 R88M-G20030T-Z、圆柱型电机 AC200V 输入， 其基本参如下： 额定输出功率：200W 额定转矩：0.64Nm 额定转速：3000r/min 瞬时最大转矩：1.78Nm 转动惯量：1.4 10-5 kg m2 装 订 线第 3 章零部件的设计与计算3.1 主动力辊上带传动设计计算3.1.1 同步带的结构的分析在本设计中，为了能够方便安装电动机，我们需要增加一带轮机构将电动机的传 到力辊上；而且为了保证检测过程的高精度，需要保持定传动比，所以选择同步带传 动。 装 图 3-1 带安装的三维图 3.1.2 圆弧同步带传动的设计计算 初始参数如下： 电动机功率：P=200W订传动比：i=11 转速：n=44.6r/min 这个地方的设计所需要的参数的确定是来自机械设计手册单行本之带传动和链 传动里的。 1、设计功率 Pd线Pd = KAP =1.4200=0.28kW（3-1） KA 为载荷修正系数，查表 14.1-55（取 1.4） 2、选定带型节距 Pb 根据 Pd 和 n 由图 14.1-16 选取，选 8M。 Pb =8mm 3、小带轮齿数 z1 由表 14，1-69c 规定选 z1 =38 带速和安装尺寸允许时， z1 应取较大的值。 4、小带轮节圆直径d1 d1= z1Pbp= 96.77 mm圆整为 100mm。（3-2）5、大带轮参数与小带轮参数相同6、带速 vv=d1n1 60 1000=0.234m/s（3-3）7、初定中心距a0 由式0.7(d1 + d2 ) a0 2(d1 + d2 ) 初选中心距a0 =300mm 8、带长 L0（3-4） p(d + d )(d - d )2 L0 = 2a0 + 12 + 21=914mm（3-5） 24a0 取 Lp =920mm 9、带齿数 Z Z= Lp = 920 =115（3-6） Pb8 10、实际中心距 aa =（3-7）装16 其中M = 4Lp - 2p(d1 + d2 ) =2423，36mm（3-8） 所以 a=302.92mm 11、安装量 I/调整量 S I、S 由表 14.1-73 查得：订I=1.27+32.8=34.07mm S=0.76mm 所以amin =a-I=268.85mm（3-9） amax =a+S=303.68mm（3-10） 12、基本额定功率 P0线由表 14.1-69 查得： P0 =0.32kW 13、要求带宽bs Pd bs bs01.14 K K P（3-11）Lz 0 其中 Kz =1、 KL =1所以bs 17.79mm 按表 14.1-65 取标准带宽bs =20mm。 14、带轮设计 各参数值如下： 节距： Pb =8mm 齿槽深： hg =3.54mm图 3-2 带轮结构尺寸 齿槽圆弧半径：R=2.57mm 齿顶圆角半径： rt =0.780.84mm 齿槽宽：s=5.35mm 两倍节顶距：2=1.372mm 齿形角：214 装 订 图 3-3A 从动带轮三维图图 3-3B 主动带轮三维图线 3.2 燕尾槽导轨的设计 在机械运动中，燕尾形导轨必然会磨损，而且磨损后是不能自己去补偿它所产生 的间隙的，所以就需设计调整间隙装置来弥补这一点。两燕尾面是起到了压板的用处， 我们可以利用一个镶条就能够让调配水平方向上与垂直方向上之间的间隙，它优点是 高度小，结构很紧密，能够承担颠覆力矩；但缺点也显而易见：刚度是有些差的，而 且摩擦力也相对比较大，而且检验和维修都是不够方便。这种导轨主要是用于运动的 速度低、受力小受到限制的场合。燕尾形导轨，它的一些特点是生产、调试方便；燕 尾导轨是大小紧密、调节间隙比较好用、牢固可靠等等优点,在机器结构中被普遍的 使用。 图 3-4燕尾槽导轨结构图 装 图 3-5燕尾槽导轨三维图 3.3 三个转动力辊中轴的设计订3.3.1 轴的结构 轴最下端为螺纹结构，是用于安装螺母和垫圈结构，以保证轴承的轴向固定。轴 的结构及尺寸如图 3-6 所示。 在轴的上面一段是安装了一对圆锥滚子轴承的，能够承受双向的轴向力，两轴承 之间用一段挡圈隔开。因轴相对于其下端的导轨滑块是不动的，所以用设置四个螺纹线连接将轴固定在导轨滑块上。 3.3.2 轴的校核 对于轴的强度校核计算过程中，要依据轴的相应的受载和应力等状况，来使用相 对应的方法步骤来计算，还要选择它的许用应力。面对只有承受扭转的轴，要按照扭 转强度条件来进行计算；面对只会承受弯矩的轴，要按照弯曲强度的条件来进行计算； 然而对受到了弯矩又受到了扭矩的轴，我们要按照弯扭合成强度条件进行比较计算。 而且，面对瞬时过载相当大或是应力循环不对称性比较为严重的轴，还要按照峰尖载 荷校核它的静强度，来不让一些大量的塑性变形发生。 图 3-6 轴的结构图装 订 图 3-7 轴的三维图 对于该轴，承受的扭转载荷可忽略不计，主要承受弯矩，所以我们可以依照弯曲线强度条件步骤计算。其计算步骤如下： 1、做出轴的计算简图 图 3-8 轴的受力分析力 F=G=Mg=1859.81=1814.85N（3-12）M回转支承质量（185kg） 垂直分力：F1 =Fsin30=1814.850.5=907.425N（3-13）水平分力：2 F =Fcos30=1814.853 =1571.706N（3-14） 2 2、做出弯矩图 根据上述简图做出弯矩图如图 3-9 所示： 装 订 图 3-10 轴的弯矩图 如图所示可以将轴的左边视为固定，轴就成为一悬臂梁。 根据上述简图计算力 F1 产生的弯矩 M： A 点弯矩：线 M A = F1 LA =907.42580=72594Nmm（3-15） LA 为 F1 到 A 点的距离（80mm） B 点弯矩： MB = F1 LB =1571.70645=70726.77Nmm（3-16） LB 为 F1 到 B 点的距离（45mm） 3、校核轴的强度 我们知道轴的弯矩以后，能够针对弯矩大而轴径可能不足的截面，由图可以知道 A、B 点是不足的截面。A 点应力：o = MA = 72594= 15.559MPa（3-17）WAA0.1 363W A 点处轴的抗弯截面系数，（W =0.1 d 3 ）AAAB 点应力：B s = MB = 70726.77 = 26.195MPa（3-18） WB0.1303 W B 点出轴的抗弯截面系数，(W =0.1 d 3 ) BBB 轴的材料取 45 钢，查表得 45 钢的弯曲许用应力 s-1 =55MPa 所以 A、B 点都安全。 3.4 弹簧的设计 3.4.1 压缩弹簧的使用 压缩弹簧：压缩弹簧是对外载压力而产生的一种反抗的力量。压缩弹簧使用了很 多的开放线圈来进行对它外载压力产生的一种抵抗力量。我们可以知道，他们回推是 以反抗外部产生压力。压缩弹簧的用途时很广的，对它进行制造的时候，可以绕成分装 开的螺旋圈，使各圈都有一个间隙，能够让它受力时候能收缩，并且保持有着向两个 端伸张的张力。在受到最大负荷时候，它是不能被完全的压缩的，是需要在有效圈数 间保留着一个缝隙，来避免摩擦或则是其他的物质进去，使得产生一个疲劳程度的破 坏。压缩弹簧为了能够加入一些接触面，它的面应该要磨平，来得到比较大的接触面。 它的端部形状有很多种情况：两端是要坐圈的，两端是要磨平的等。压缩弹簧是一种订变体弹簧，它是由直筒型、锥形至缩，乃至其他各种不同的尾端之变体，都能够依照 其来设计成型。 压缩弹簧是所有弹簧种类中被运用的很广泛的一种，它的产品运用 范围比较广涉及到了电机、计算机、汽车船业、生活用品、乃至国防军事，因为它的 设计与原理是容易了解的，而且制造控制也是很简单的。 线 图 3-11 压缩弹簧3.4.2 弹簧的设计计算本文中的弹簧应该选取压缩弹簧。已知初始数据如下： 弹簧材料取 45 钢弹簧弹性模量：E=206GPa 切变模量：G=79GPa弹簧丝直径：d=4mm 弹簧圈中经：D=30mm 圈数：n=6 自由高度： H0 =55mm 1、绕旋比 C C = D = 30 =7.5（3-19） d4 2、弹簧弹性系数 k DFGd79 109 10-6 2 k = Dl=8C3n87.53 6=7.8N/mm（3-20） 3、弹簧对系统的力分析 装 订 图 3-12 弹簧三维图 线 图 3-13 弹簧的安装 弹簧的最大变形量L，L 为回转支承套圈最大圆度误差（10mm），因为有两 弹簧。 弹簧对系统最大的力： Fmax =2KL=156N（3-21）4、由弹簧力增加的阻力矩MM= Ff d =1560.15 32 10-3 =0.3744Nm（3-22） max22 f滚珠丝杠副的摩擦系数（取 0.15） d丝杆的公称直径（32mm） 3.5 底板的设计 本设计中底板是该装置中重要的一零件。各个装置安装在其固定位置上，并保持 整个装置呈 30角放置。 装 订 图 3-14 底板正面三维图 线 图 3-15 底板背面三维图 如图 3-14 所示是底板的正面，在它的上面安装三个转动力辊，并能固定三个转 动力辊的相互位置。其上的螺纹孔保证了主动转动力辊与底板中心线平行，两个从动 转动力辊对称的布置在底板中心两侧，并与中心线呈 30角。图 3-15 为底板的背面，其上螺纹孔是安装支架所用，通过选取支架的长短和安装位置来保持整个检测装置呈30角。它的装置质量较大，所以底板要有较大的支撑能力。3.6 轴承套圈的设计本设计中的轴承套圈用来支撑被测零件回转支承的，其内圈与轴承配合，外圈与 回转支承套圈内圈相切。它的方位安装是如图 3-16 所示。装图 3-16 轴承套圈位置三维图 由于轴承是一个标准件的，它的内圈与圆锥滚子轴承外圈是基轴制配合校对。圆 锥滚子轴承型号已选。其外径为 62mm，轴承套圈三维图如图 3-17 所示。 订 线 图 3-17 轴承套圈尺寸图 图 3-18 轴承套圈结构三维图 装 图 3-19 轴承的轴向固定三维图 轴承套圈零件尺寸图如图 3-17 所示。如图 3-18 左图所示套圈内圈中有一凸起， 是用于圆锥滚子轴承外圈轴向固定的，轴承内圈的轴向固定是根据螺母垫圈结构、轴 端、两轴承之间的挡圈来完成的，如图 3-19 所示。订如图 3-18 右图所示中的四个螺纹孔是用于带轮固定的，以保证轴承套圈始终与 带轮同步回转，带动回转支承套圈回转，以达到自动检测圆度误差的目的。 3.7 滚珠丝杠螺母的连接体的设计 线 图 3-20 滚珠丝杠螺母的安装 如图 3-20 所示，滚珠丝杠螺母必须依靠一连接体安装，使滑块与螺母运动同步。 图 3-21 滚珠丝杠螺母连接体三维图 如图 3-21 所示，滚珠丝杠螺母与连接的配合是两端相结合的，所以中间一段与 丝杠螺母是不相接触，这样的配合更稳定。连接体的四个螺纹孔是用于将整个结构固 定在导轨滑块上的，这样电动机带动丝杠转动就可以实现导轨滑块的来回运动。 3.8 主动电动机支撑体的设计装 结合结构上的原因，主动机构上的电动机不是易于安装，因此加一个辅助的零件， 这个零件满足能支撑电动机的要求，且与导轨滑块同步运动。如图 3-22 所示为其安 装图。 订 线 图 3-22 电动机支撑体的安装图 3-23 电动机支撑体的三维图 如图 3-23 所示，为电动机支撑体的结构三维图。支撑体的顶部大圆槽的作用是 保证电动机运转是不偏心，减少运作所产生的振动，4 个螺纹孔是安装固定电动机的 螺钉所用。其下方的 6 个螺纹孔是将其固定在主动导轨滑块上而设置，这样可以保证 电动机、带传动部分与导轨滑块同步移动。3.9 主动导轨滑块的设计 图 3-24A 主动导轨滑块三维图图 3-24B 主动导轨滑块三维图 如图 3-24 所示，为主动导轨滑块三维图。与它配合的导轨是燕尾槽导轨，因此 选择的滑块是燕尾式。其最上的 4 个螺纹孔是固定轴所用，可以保证轴及轴上零件与 滑块同步运动。下面的 4 个螺纹孔是用于安装滚珠丝杠螺母连接体；两侧的 6 个螺纹 孔是用于安装电动机支撑体，都是为了保证安装件与导轨滑块的同步运动。 3.10 从动导轨滑块的设计 装订图 3-25 从动导轨滑块三维图 线 图 3-26 从动导轨滑块的安装 如图 3-25 所示为从动导轨滑块的三维图，其结构与主动导轨滑块不同，因为回 转支承有圆度误差，要满足其上的部分可以在弹簧的作用下来回移动，以保证轴承套 圈外圈始终与回转支承套圈内圈相切。在它的上端做成一燕尾槽导轨结构，使其上方 部件沿着该导轨移动。中间的 4 个螺纹孔安装拉杆支撑体，保证支撑体的固定位置。 两侧的 4 个螺纹孔用于安装滚珠丝杠螺母连接体，其作用与主动导轨滑块相同。 3.11 轴承座及端盖的设计由于滚珠丝杠的不稳定，需要增加一对角接触球轴承，但一对轴承部方便安装， 就采用轴承座结构。它的安装结构图是如图 3-27 所示。 图 3-27 轴承座三维图图 3-28 轴承端盖三维图 如图 3-27 所示为轴承座的三维图，在中间孔两端安装轴承，两端的孔槽与轴承 外圈配合，直径大小按轴承外径确定，需要较高要求的粗糙度要求，所以需要磨光加 工。中间的薄壁挡圈用于隔开两个轴承，并且对两个轴承的内圈起轴向固定作用，可 以不进行磨光处理。下方的 2 个螺纹孔安装两个螺钉将轴承座固定在底板上；竖直的装4 个螺纹孔用于安装轴承端盖，用于一个轴承外圈的轴向来进行牢固。轴承端盖的三 维图如图 3-28 所示。这里所有的零件都相对于底板固定，有两角接触球轴承轴承、 轴承端盖、轴承座。 3.12 从动力辊上拉杆及拉杆支撑的设计订 线 图 3-29 拉杆及支撑的安装三维图图 3-30 支撑体的三维图从动机构导轨滑
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