【《某三坐标测量仪的总体结构设计案例》5300字】

某三坐标测量仪的总体结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u965某三坐标测量仪的总体结构设计案例 1319051.1传动系统设计原理及简图 1100061.2步进电机的参数选择 2316871.2.1步进电机的容量要求 220391.2.2选取原则 2290041.2.3电机参数的确定 3178051.3系统转速、功率、转矩分配 3108131.1.1转速分配 3248981.1.2功率分配 3124521.1.3转矩分配 4148781.4锥齿轮参数设计 4307231.4.1根据齿面接触疲劳强度计算 4112071.4.2确定传动的主要尺寸 648191.4.3齿根疲劳强度验算 7139781.5锥齿轮支承轴的设计 9247581.6梯形丝杠的设计计算 121.1传动系统设计原理及简图本课题的主要设计任务是将三坐标测量仪和激光切割机的结构进行融合，所以在结构设计过程中要致力于实现同一三坐标装置下完成测量和雕刻任务。深入了解三坐标测量仪和激光切割机后，确定了总体结构的主要部件，包括步进电机、滚珠丝杠进给系统、二合一工作面、梯形丝杠、锥齿轮组、可更换测量头等零部件。工作平面装换装置设计原理：步进电机为工作平面转换功能提供源动力，它的输出轴连接着锥齿轮组，利用锥齿轮组的减速和换向功能，将动力输送到梯形丝杠，并带动丝杠实现旋转运动；通过丝杠与丝杠螺纹的相互配合，将旋转运动转变为线性往复运动，实现二合一工作平面的上下运动以及工作位置的调整。滚珠丝杠进给系统，主要负责测量头的水平方向的进给运动。装置结构简图如下：（图1.1）图1.1装置结构简图1.滚珠丝杠进给系统2.梯形丝杠1.移动桥架4.工作头5.二合一工作面6.步进电机1.2步进电机的参数选择1.2.1步进电机的容量要求步进电机中的保持转矩，相当于普通电机的功率，但是两者的实际结构却存在着本质区别。步进电机的对外输出功率是可以根据工况发生变化的，可以先确定装置运行所需转矩的范围，再选择步进电机的型号[23]。比如：如果需求扭力数据是小于0.8N·m的，一般情况下，电机机身的尺寸小于42mm，所以可以选取35mm、28mm等尺寸型号的电机。此外，还要考虑转速、频率，步距角等重要参数，如果这些数据不满足使用需求，将会降低设备的机械使用效率，无法有效地完成机械运行任务。有可能会发生过载现象，严重的还会导致设备的损坏，进而引起设备故障等。1.2.2选取原则电机内部是由若干线圈组成的，所以无法避免的会出现发热的现象，在选取相关参数的过程中，要确保电机在负载的工作状态下，线圈产生的最高温度始终保持在允许的最大值以下。这样才能保证电机在正常工作状态下，不会因为线圈温度过高而造成设备故障。能承受部分允许范围内的过载，这种情况与日常中一种常见的现象十分相似。日常家用电器在打开的一瞬间，通过电器的瞬时电流比较大，如果电器无法接受这个电流，在那一瞬间就会烧坏电器设备。电机也是一样的，特别是刚启动的刹那，通过电机的瞬时电流比较大，同时，由于电机需要带动后续设备运作，在那短暂的瞬间，它所要求的瞬时力矩也相对较大。所以这就要求，电动机选用的最大转矩以及允许通过的电流，要大于设备在运行过程中可能出现的对应的最大值[24]。1.2.3电机参数的确定结合装置的整体参数预设分析，本课题装置结构主要针对的是小型产品的加工处理。所以在电机的选取功率上，不宜过大，初步选定电机的输出功率P为0.5kw，转速大概在600r/min左右。最终选取的电机参数如表1所示：表1电机参数型号步距角电阻电感保持力矩转子惯量引线数量Y07-59D1-171551.80.602.22.447041.3系统转速、功率、转矩分配根据结构计算中相关参数的确定，作为减速换向的锥齿轮组部分的减速传动比i=1.5，通过查阅数据可知：一般的直齿锥齿轮传动系统中，它的传递效率范围一般在0.94~0.98，在设计时，选用8级精度，所以它的效率η1=0.96；另外，在线性往复运动环节，梯形丝杠的传动效率最高可以达到百分之八十五，我们选取它的效率η2=0.8。QUOTEi1=d大1.1.1转速分配根据此前电机型号的选择中确定，电机转速n电=600r/min，电机的输出轴直接与主动锥齿轮联接，从动锥齿轮直接与梯形丝杠联接，可得出以下数据：（1）主动锥齿轮的转速n1：n1=n电=600r/min；（2）从动锥齿轮的转速n2：n2=n1/i=600/1.5r/min=400r/min；（3）梯形丝杠的转速n3：n3=n2=400r/min；1.1.2功率分配（1）电机输出功率P电：P电=0.5kw；（2）锥齿轮组输出功率P1：P1=P电η1=0.5kw0.96=0.48kw；（3）梯形丝杠输出功率P2：P2=P1η2=0.48kw0.8=0.384kw；1.1.3转矩分配（1）电机输出转矩T电：T电=9550P电/n电=95500.5/600=7.96N·m；（2）锥齿轮轴上转矩T1：T1=T电=7.96N·m；（3）梯形丝杠输入转矩T2：T2=T1iη1=7.961.50.96=11.4624N·m；1.4锥齿轮参数设计将两个锥齿轮组的两个轴中心呈90度安装，传动比为i=1.5，工作时所承受的载荷较稳定，普遍进行短期往复运转，不计寿命。该齿轮的主动轮转速为600r/min，输入功率为0.5kw，主动小齿轮轮选用40Cr材料，调质处理，选择硬度260HBS左右；从动大齿轮选用42SiMn材料，同样进行调质处理，硬度取230HBS，具体设计计算过程如下[25]。1.4.1根据齿面接触疲劳强度计算（1）齿数确定及精度等级设定小齿轮的齿数为z1=20，根据传动比大齿轮的齿数为：z齿轮精度选择为8级精度由此得出：z1=20（2）选取相关系数查书上表8-8，使用系数可选取：K查书上图8-9，动载系数可选取：K查书上表8-9，齿间载荷分配系数可选取：K查书上表8-19，齿向载荷分布系数可选取：K（3）载荷系数根据书上公式计算得：K=由此得出：载荷系数K=1.87（4）转矩T根据书上公式计算得：T=9.55×由此得出：转矩T=7958.3N·m（5）弹性系数查书上表8-11，根据材质选取对于数值由此得出：弹性系数Z（6）节点区域系数查书上图8-16，节点区域系数Z（7）接触疲劳极限查书上图8-17c，根据材料对应的硬度值选取由此得出：σHlim1=171MPa（8）接触最小安全系数查书上表8-13，接触最小安全系数S（9）接触寿命系数根据结社设计需求寿命得出：Z（10）许用基础应力根据书上公式8-9得：σσ（11）小齿轮大端分度圆直径根据数据可以取ϕRd==50.37mm由此得出：小齿轮大端分度圆之间初取d（12）验算圆周速度v根据书上公式计算如下：dv=由此计算数据，结合书上表8-6，得出结论：符合要求（13）验算K根据结合书上公式计算如下：Fb==K由此得出：计算结构小于100N/mm。与原估计相同，验算合格。1.4.2确定传动的主要尺寸（1）模数确定根据模数公式计算如下：m=查书上表8-3可以取m=2.5mm（2）实际大端分度圆直径根据书上分度圆公式d=mz计算如下：dd由此得出：小齿轮大端分度圆直径d1=50mm（3）锥顶距根据书上公式计算如下：R=由此得出：轴顶距R=45.07mm（4）齿宽根据书上齿宽计算公式计算如下：b=1.4.3齿根疲劳强度验算（1）当量齿数根据书上公式计算如下：zz由此得出两个当量齿数：zv1=21.05（2）齿形系数根据求出当量齿数，查书上如8-29得出：YFα1=2.88（3）应力修正系数也需要根据当量齿数，查书上8-30得出：YSα1=1.6（4）齿间载荷分配系数由书上表8-9得知：齿间载荷分配系数K（5）弯曲疲劳极限由书上图8-23c中得知：弯曲疲劳极限σFlim1=600MPa（6）弯曲最小安全系数由书上表8-13可知：弯曲最小安全系数S（7）弯曲寿命系数根据设计的寿命需求确定：Y（8）尺寸系数由书上图8-25可以得出：尺寸系数取：Y（9）许用弯曲应力根据书上公式计算如下：σσ（10）验算σ根据书上公式计算如下：σ==112.49MPaσ根据数据结果显示；σF1=112.49MPa<[由此得出：合格锥齿轮三维模型图如下：图4.1小齿轮图4.2大齿轮图4.3锥齿轮啮合1.5锥齿轮支承轴的设计能够进行旋转运动的零部件，在其旋转中心的部位都有一个旋转轴，作为中间枢纽传递动力；除了传递动力和运动形式之外，更重要的作用是支承，为零部件提供受力点，是机械设备中的重要组成部分。齿轮轴的设计过程跟其它的齿轮、链、带等的设计过程颇有几分相似，都需要进行结构设计和参数计算等。在结构方面，主要有以下几点要求：齿轮轴上需要与之配合的零部件，需注意部件的相对安装位置、定位方式以及部件的制造工艺；合理的结构设置和尺寸设计，若齿轮轴的结构设计不能满足工作需求，将会影响设备的运行过程，甚至影响生产设备的使用安全性；尽可能使齿轮轴的结构简单、可靠，避免不必要的结构出现，尽量减少制造加工成本，降低装配难度等。在参数设计过程中，轴是否满足工作要求，一般取决于轴的强度是否达到所需要求，所以在完成轴的参数设计后，还要对设计的轴进行相关强度计算。其目的是防止轴在工作过程中发生断裂或者产生塑性变形，保证轴在使用过程中的可靠性。在结构设计时，可能会出现一些比较长的轴，或者一些刚度需求比较大的轴，这时候便需要对轴进行刚度计算。如果刚度要求不达标，在工作过程中，很有可能发生弹性变形；除此之外，在一些必要情况下，还应该附加对轴的稳定性计算。在此传动过程中，轴所接触的主要零件是联轴器、主动锥齿轮、定位套筒以及滚动轴承。在轴与齿轮相互配合的轴段上，需要设置一段轴肩，用于齿轮轴向定位。根据此前的设计计算和相关设计条件，可知电机的输入功率为0.5kw，并通过联轴器与轴的联接传递动力，相关数据计算如下：（1）功率、转速、转矩电机输出功率P电：P电=0.5kw；轴的转速n：n=n电=600r/min；锥齿轮轴上转矩T1：T1=T电=7.96N·m；由此得出：功率0.5kw、转速600r/min、转矩7.96N·m（2）锥齿轮受力情况分析结合此前齿轮设计中的计算结构分析，齿轮在各个方向上受到的力，可以通过查阅书上的公式，计算过程结果如下：圆周力F径向力F轴向力F由此得出：圆周力为318.4N、径向力为115.9N、轴向力为338.8N（3）估计轴的最小直径结合工况需求，选取轴的材料，一般选择采用调制处理的45钢，根据书上的相关数据查表12-3，选取计算常量A0为110。结合书上公式12-2计算过程如下：d由此得出：轴的最小直径为10.45mm这里计算出的直径大小只是设计计算的最小值，并不是轴的实际尺寸结构，实际的尺寸还需要在此基础上适当增加。根据使用要求部分轴段上需要设置键槽，所以直径同比计算值还需要增加百分之五，另外考虑到轴和其他部件的配合，使得轴的受力存在微小的变化，计算得到的直径值还不能用于实际工作中。（4）轴的结构设计根据轴的工作情况和安装位置，对锥齿轮传动轴的结构参数进行分析设计。首先，轴的两侧分别有一段长度为68mm、直径为13mm的轴段，两端轴段的基础尺寸相同，但两轴段的零部件在配合上存在一定的区别。左端轴段，首先要与联轴器进行固定配合，达到传递动力的目的，其次是和滚动轴承的配合，滚动轴承能够视为短套筒，对锥齿轮进行轴向限位；而右端轴段，没有与联轴器的联接，故需要两个轴承作为滚动支承，其中一个轴承和联轴器位置相同，另一个则在靠近齿轮处作为轴向限位。其次，是左右两端分别一段长度为12mm、直径为15mm的轴段，并且开有键槽，这两个轴段是与锥齿轮相配合的轴段，键槽的设置带动锥齿轮与轴保持同步转动，并且具有径向定位的作用。然后，是左右两端分别设计一段直径为25mm、长度为5mm的轴段，作为轴两端的轴肩，设置轴肩的主要目的是实现齿轮在工作过程中的轴线定位，防止发生相对滑动，所以它的直径值与其他轴段相比较大。最后，是长度为520mm、直径为20mm的轴段，这是一段空轴段，不需要作任何的配合，主要是将左右两端的轴段连接起来，在工作时，进行扭矩的传递作用。支撑轴的结构设计如图4.4所示。图4.4轴的结构设计（5）强度计算由于在结构设计过程中，轴基本上不存在承受重载的情况，其主要作用是传递转矩，所以需要进行强度的校核计算。查阅书上表12-3中材料的许用扭转切应力[τT]以及计算常量。由此可以得出：[τT]的范围在25~45MPa、A0为110结合书上公式计算如下：τ=由此得出：符合强度要求。1.6梯形丝杠的设计计算关于梯形丝杠的选择，在强度要求方面，它需要参照两个基准：动态容许扭矩以及动态容许推力，这两个参数分别表示在轴承齿面上，接触面压数值为9.8N/mm2情况下的扭矩和推力。在计算丝杠所承受的负荷时，需要部分固定工作条件下承载物品的重量以及需要的运动速度；在部分相关系数的获取上，可能会因为工作条件的变化，而存在不确定的系数。为减小工作误差和不确定性，对梯形丝杠螺纹处的材料提出了如下要求：涉及到摩擦滑动，并且还要进行往复运动和旋转运动，所以要考虑材料在工作时，是否有良好的耐磨性和较小的磨损；梯形丝杠属于杆状零件，故要求丝杠具有较好的塑性、韧性；作为中间传动部件，不免会受到外界的外力作用以及机器本身的外力负载，所以要具有足够的抗压强度、抵抗外力的能力和一定的抗疲劳能力；具有一定的导热性和耐腐蚀性，可以增加使用寿命。设计过程中，假设整个测量平面质量控制在5kg以内，其中丝杠的精度需求不需要太高，8级精度即可，采用单条螺纹线，螺纹导程为4mm、螺纹牙型角30度、公称直径15mm，压顶间隙ac=0.25，输入转矩11.4624N·m，材质考虑用无锡青铜。相关计算过程如下[26]：（1）轴向载荷根据重力相关公式计算得：G=mg=5kg×9.8N/kg=49N由此得出：轴向载