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车梁加 工用 转台 设计 机械设计 图纸 文档

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专 业 课 程 设 计 指 导 书 专 业： 机械工程专业方向： 机械制造及其自动化机电学院机械工程系 年12月目 录第一部分 机床主传动系统设计1第一章 概述1第二章 机械制造装备课程设计的方法步骤和要求321 分析研究题目、进行运动设计322 主要零件的计算与初算423 结构设计绘制部件装配草图724 验算主要零件825 绘制正式部件装配图1326 装配图的尺寸标注1427 整理设计内容，编写设计计算说明书16附 录18第二部分 数控工作台机械部分设计22第一章 概述22第二章 工作台结构及参数设计24第三章 步进电机的选择28参考资料30设计说明书书写要求3132第一部分 机床主传动系统设计第一章 概述一. 机械制造装备课程设计的目的机械制造装备课程设计是在学生学完机械制造装备设计课及其它先行课程之后进行的实践性教学环节，是学生进行设计工作的基本训练。目的在于：1、 通过机床主传动系统的机械变速机构设计，使学生树立正确的设计思想和掌握机床设计的基本方法；2、 巩固和加深所学理论知识，扩大知识面，并运用所学理论分析和解决设计工作中的具体问题；3、 通过机械制造装备课程设计，使学生在拟订机床主传动机构、机床的构造设计、各种方案的设计、零件的计算、编写技术文件和设计思想的表达等方面，得到综合性的基本训练；4、 熟悉有关标准、手册和参考资料的运用，以培养具有初步的结构分析和结构设计计算的能力。二、机械制造装备课程设计的内容和工作量为满足教学要求，达到上述目的，机械制造装备课程设计的题目一般拟订为通用机床主传动系统的变速箱部件设计。学生应在规定时间内，独立完成下列计算工作量：1、运动设计 学生根据设计任务书所给定的参数和设计要求，在明确所设计机床用途及主要技术性能的基础上，拟订结构网、转速图，确定齿轮齿数，并核算主轴转速误差，画出传动系统图。2、动力设计 根据给定电动机功率，计算主要零件的尺寸，选择材料，验算主要传动件的应力、变形以及寿命等，是否在允许的范围内。3、机构设计 将运动设计所确定的机床主传动系统（其中包括传动轴系、变速机构、主轴组件、换向、制动、操纵机构、润滑密封等）布置在展开图和截面图内，一般要完成零号图纸1张。4、 编写设计计算说明书一份。详细的设计内容和工作量可见和指导教师的具体布置。 三、机械制造装备课程设计的方法步骤和要求（略，详见本指导书第二章。）四、学时分配、计划进度安排 本次课程设计集中安排三周。根据设计工作程度及对学生的要求，计划进度大致安排如下： 1、理解题目，阅读 指导书 ，拟订总体方案，进行运动设计 2天 2、动力设计主要零件的计算和初算 5天 3、结构设计绘制装配草图 2天 4、验算主要零件 1天 5、绘制正式装配图 2天 6、整理、编写设计计算说明书 2天 7、答辩 五、机械制造装备课程设计成绩考核机械制造装备课程设计结束后，由教研室指派有关教师对学生课程设计进行全面考核，重点考核以下几个方面：1、 工作态度、设计中的表现；2、 刻苦钻研精神，独立工作能力，综合运用所学知识能力；3、 设计图纸和说明书质量；4、 答辩时回答问题情况。综合以上情况，评定学生课程设计成绩。成绩分优、良、中、及格、不及格五级。 第二章 机械制造装备课程设计的方法步骤和要求21 分析研究题目、进行运动设计一理解题目学生在接受机械制造装备课程设计题目之后，应仔细阅读机械制造装备课程设计任务书，了解机课程设计的目的、内容、设计步骤和要求。然后在教师指导下开展设计工作。要理解给定的题目，对设计参数进行分析、研究；明确所设计机床的用途和主要技术性能。二拟订主传动系统总体结构方案根据设计题目中所提出的要求及所设计机床的用途，主要技术性能，并参考同类型机床，拟定主传动系统总体结构方案（及其理由），大致包括：传动形式、变速方式、换向及开停机构、制动机构、润滑装置,操纵机构的选择;变速箱的安装定位方式的选择;电机轴与第轴的联接方式等等.三运动设计关于运动参数,已经统一给定,学生不必花费太多时间去研究,但应该明确参数中 的极限转速值nmin和nmax的确定方法,变速级数Z、 值的大小对机床性能的影响,根据给定的运动参数,完成下列工作:1、依据给定参数(nmin、 nmax、Z、),查表确定主轴的各级标准转速,有时要考虑混合公比。2、列出各种结构和结构网,根据有关原则,通过分析,比较,确定其中最佳方案。3、设计转速图,根据拟订转速图的原则,确定速比的绝对值,画出转速图。4、确定齿轮齿数,用计算或查表法确定齿轮齿数.在确定齿数和Sz时应注意:1）控制齿数和Sz =70100,Szmax 120,最小齿轮齿数Zmin 18 20;2）小齿轮齿根和孔壁或键槽处的壁厚a(1.52) m,或Zmin6.5+2T/m,m为齿轮模数,T轴线到键槽的高度.3）保证两轴承孔之间有一定的壁厚a23 m,或Sz2 (D1+D2)/2+a /m,D1,D2分别为相邻两轴承外径. 4) 应保证轴间有足够的中心距,使车床:轴上齿轮不碰轴上摩檫离合器,铣床:不碰电磁制动器.5) 在三联滑移齿轮块中,最大齿轮齿数与其相邻大齿轮齿数之差应4,以保证滑动时顺利通过,不碰撞。6） 选齿数较大的一个作公用齿轮.齿轮齿数确定后,标注在转速图中相应的传动副连线上。5、核算主轴转速误差,齿轮齿数确定后,主轴的各级实际转速即确定,它与主轴的标准转速总会产生一定的误差,应进行核算。误差一般不应该超过10(-1)%,即应满足:n实n标/ n标10(1)%一般将转速误差的核算列成如下的表格形式:计算式n实n标误差允许值10(1)%结论6、绘制传动系统图1）轴,齿轮,离合器,制动器的排列位置,编号应与将要绘制的展开图相一致。2）标写出电动机的型号、功率、转速、皮带轮直径D1、D2;皮带根数要画上;标写轴号、齿轮的齿数模数。3） 展开图的轮廓线、传动件和执行件的画法要符合制图标准规定。22 主要零件的计算与初算 初步计算主要零件的目的,是为了大致确定传动件零件的主要尺寸,如皮带轮直径,齿轮模数,传动轴直径和主轴轴径等,以便绘制主轴箱的轴系展开图。一. 皮带设计皮带设计的已知条件是:电机功率Nd,转速比i,电机转速nd,计算带轮直径D1、D2,皮带的型号,根数Z，压轴力Q等。设计原则是不打滑,有足够的寿命,传递最大功率,具体设计方法步骤可参阅1p68表5.24, p71表5.210。二齿轮模数的初算在计算齿轮模数和传动轴直径时需要用到其计算转速nj和传递功率Ni,因此应先将各种传动轴和有关齿轮的计算转速nj和各传动轴所传递的功率Ni确定下来,以备计算中使用。1) 只算定比、各变速组中小齿轮的模数。2) 选定标准模数,考虑种类少一些,取一种或两种。首先确定主轴的计算转速,再根据主轴的计算转速图上查取各传动轴和各齿轮的计算转速。各轴和齿轮传递的功率Ni=N总 , 总由电机到该传动件各传动副的效率相乘,但不乘入该轴承的效率。效率值见1p4表5.15。一般同一变速组中的齿轮取同一模数,选择负荷最重的小齿轮按简化的接触疲劳强度公式进行初算:式中:mj按接触疲劳强度计算的齿轮模数, mm Nd驱动电机功率, Kw nj计算齿轮的计算转速, rpm i大齿轮齿数与小齿轮齿数之比,i1;Z1小齿轮齿数;m齿宽系数; m=/ (B为齿宽,m为模数)一般m = 610;j许用接触应力,当 45#调质(T235) j =600Mpa (N/mm2) 45#整体淬火(C42) 1100 (N/mm2) 45#高频淬火(G54) 1370 (N/mm2) 40Cr调质(T265) 650 (N/mm2) 40Cr整体淬火(C48) 1250 (N/mm2) 40Cr高频淬火(G52) 1370 (N/mm2)齿轮模数初算后,根据齿轮精度等级所允许的线速度(见1p225表5.452),要核算高速传动齿轮的线速度( )是否超过允许值。三.传动轴直径的初算 传动轴的直径可按下列扭转刚度公式进行计算:或 式中: d危险断面处轴的直径,当有一个键槽时,可增大45%,当有两个键槽时,可增大710% ;花键轴内径可减小7%,计算后要圆整到标准直径系列,花键轴系列标准见1P554表5.817; Tn该轴传递的额定扭矩, N.mm ； Ni该轴传递的功率,Kw nj该轴的计算转速,rpm 该轴每米长度上允许的扭转角; 一般传动轴=0.51; 要求较高的轴 0.10.5o 要求较低的轴 1.52o计算传动轴直径时,尺寸相接近的尽量取一致,以便于加工轴和孔,统一刀具和量具。一般将计算结果列成表格形式,如:轴号Ninjd初d取 花键轴尺寸 备注四. 主轴轴径的确定对通用机床的主轴尺寸参数多由结构上的需要而定,故主轴前轴颈的尺寸按下表所列的统计数据确定。通用机床主轴前轴颈尺寸(mm)机床 主轴的驱动功率(KW)2.8445.55.57.5车床70907010595130铣床6090609075100普通车床主轴前轴颈的直径D1,后轴颈的直径D2及内孔直径d可按统计公式酌定:D1=0.2Dmax15 (mm)D2=(0.70.85)D1 (mm)d=0.1Dmax10 (mm)式中: Dmax最大加工直径,(mm) 由于初步计算是在绘制装配图之前进行,零件的尺寸、形状和位置尚未确定,在绘制正式装配图过程中变化也比较大。因此,各零件尺寸的初算,不详细计算,待装配图绘制之后,还需仔细验算。所以,零件尺寸的初算不用花费过多时间,但齿轮模数计算一定要正确,必要时可以结合类比法确定。23 结构设计绘制部件装配草图 绘制部件装配草图的目的,是大致确定变速箱部件中各主要传动件(如齿轮、轴、轴承、离合器和箱体等)的轮廓尺寸、形状和相对尺寸等。部件装配草图是在主要零件尺寸初算的基础上绘制的,又是作为校核验算零件尺寸的依据、草图绘制不必过分细致,但部件中各主要零件要全,尺寸要准确,布局要合理。 装配草图的设计依据是已确定的主传动系统总体结构方案;传动系统图;零件的计算与初算;参考同类型机床的装配图。一般绘制成1:1的展开图一张,M1:2的截面图一张(主要用于表示轴的空间位置和部分操纵机构)。部件装配草图的画法,可以参考同类型机床的装配图,布置齿轮的轴向位置,研究齿轮的排列方式.如果需要限制轴向尺寸,可采用公用齿轮或齿轮交替布置,或增加定比传动机构。要注意滑移齿轮要有足够的轴向空间,保证滑移齿轮完全脱开后,才进入新的啮合。传动轴及轴上零件的轴向定位方式要简单可靠,又要便于装拆和调整等。根据主轴组件设计的理论知识,参考结构图册或同类型机床的结构,选择合理的主轴组件的结构,包括轴承类型、配置与调整、主轴前端结构(可参考附录3) 、主轴的轴向定位方式等。考虑问题要全面,除传动机构、变速机构外,尚须注意离合器、制动器、操纵机构和润滑密封装置等,都要统盘考虑,选择的形式、布局等要结合截面(或剖视)图,注意空间位置是否会干涉或与移动件相碰撞。草图绘制完毕后,要请指导教师审阅。24 验算主要零件 根据部件装配图所确定的零件尺寸和各零件间的相互位置关系,分析其受力状态,作用力的大小、方向和着力点位置等,对主要零件进行比较精确的验算。为了节省时间减少重复的计算工作,可由指导教师指定验算的零件和验算内容。但学生应明确这些零件一般都是工作情况严重、支承载荷较大。验算时要着重掌握对问题的分析和计算的方法。当验算结果不能满足性能要求时,可以改变零件材料、热处理方法或修改部分结构,甚至有时要改变原设计方案。一.齿轮模数验算一般按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度验算,选取某轴上承受载核最大的齿轮,即同材料、同模数齿轮中齿数最少、齿宽最小的齿轮进行验算。验算的已知条件为一对啮合的齿轮齿数Z1、Z2,模数m,齿轮传递的功率N,齿轮的精度等级(如88 7 GB/T10095.12001),齿轮材料为45或40Cr,进行高频淬火G52,转速图。其验算公式为1P258表5.482,表5.483;、 按接触疲劳强度验算、 按弯曲疲劳强度验算 式中 ，、0分别为按接触疲劳强度和按弯曲疲劳强度计算所允许传递的最大功率，Kw；、0分别为在基本条件下，按接触疲劳强度和按弯曲疲劳强度计算的Z1、m所允许传递的功率，Kw；0由1P254表5.480查取；0由1P254表5.481查取。这里基本条件是指：（1）齿轮材料为45钢，调质T235; (2) 非变位直齿圆柱齿轮； （3）齿数之比i=1; (4) 10 （5）小齿轮的计算转数n=1000rpm; (6) 加工装配精确； （7） 寿命系数 。凡不符合上述基本条件者，在实际使用时 ，就要按上述两公式，通过相应的系数进行折算。i大齿轮与小齿轮齿数之比， 尺宽系数 nj该齿轮的计算转数，rpm; K材料的弹性模量，由1P259表5.484；Kcj、Kcw分别为材料的接触和弯曲性能系数，由1P259表5.484。 K1载荷集中系数，由1P259表5.487。 K2动载荷系数，由1P260表5.487。 Ksj、Ksw寿命系数，决定因素较多，计算比较复杂，详见1P259(7)。经计算，在此给定：（车床）（铣床） 啮合角影响系数，非变位齿轮 Ksw0.85啮合角影响系数，非变位齿轮；齿形系数，非变位外啮合直齿圆柱齿轮； N齿轮实际传递的功率，Kw。二传动轴刚度验算选择一根受载最重的传动轴（一般是主轴前一根传动轴，或指导教师制定），核算其装齿轮处产生的挠度y和装轴承处产生的倾角、为什么要进行传动轴刚度的核算？（略，详见1P351：六），验算步骤如下：1.计算轴的平均直径，画出计算简图 机床上等径轴较少，当轴的直径相差不大时，可把轴看作等径轴，采用平均直径（各直径之和除以直径数）来进行计算，即阶梯轴 d平花键轴 d平（d外d内）/2一般常将轴简化为集中载荷下的简支梁，选择该轴上转速最低，受力最大的大齿轮（被动）传入该轴，选择该轴上最小的齿轮（主动）传出，这两个齿轮处的受力为载荷点进行计算。其受力简图为图一。2.计算该轴传递的扭矩Tn; 式中 Ni该轴传递的功率，Kw; nj该轴的计算转速，rpm;3.求作用在装齿轮处B点的力切向力 径向力 式中，d齿轮的分度圆直径，d=mZ;压力角，标准齿轮200 ；摩擦角，4.求作用在装齿轮处C点的力若传入轴、该轴、传出轴三根轴在空间位置的轴心连线夹角小于150 ，可以认为三轴心在同一直线上（如铣床），按照上面求B点力的方法，求出C点力即可。若三轴心不在同一直线上（夹角大于150时）需进行坐标转换，将后一对齿轮（C点）啮合力（、）投影到前一个坐标（关于X、Y的坐标）之后，在进行挠度计算，车床大都属于这种情况。如下图所示：5.计算装齿轮处的挠度应用1P255表5.816公式，由表5.817中查取轴的惯性矩I，E=2.1100kgf/cm2 2.1103N/mm2,在计算中要注意单位的统一，以防出现差错，力的单位用N，长度单位用mm。另外在应用表5.816中公式进行计算时一定要注意计算简图中a、b、x值的相应改变。一般将计算结果列成表格形式（表中给出所有公式）：第（ ）轴装齿轮B、C处挠度计算位置坐标方向由作用在B点的力产生的挠度由作用在C点的力产生的挠度各坐标迭加合成挠度y允许值y结论BX载荷点公式XBB任意点a段内公式XBCXB= XBB XBCyB=(XB2YB2)0.5表5.814合格YYBBYBCYB= YBB YBCCX任意点b段内公式XCB载荷点公式XCCXC= XCB XCCyC=(XC2YC2)0.5表5.814否YYCBYCCYC= YCB YCC第（ ）轴装轴承处(A、D)的倾角计算位置坐标方向由作用在B点的力产生的倾角由作用在C点的力产生的倾角各坐标迭加合成倾角允许值结论AX左支承公式XB左支承公式XCXA =XB XCA=(XA2YA2)0.5表5.814合格YYBYCYA =YB YCDX右支承公式XB右支承公式XCXD =XB YCD=(XD2YD2)0.5表5.814否YYBYCYD =YB YC6.计算轴承处的倾角应用表5.8-16公式进行计算，在计算中同样应注意计算简图中a、b值相应改变。一般将计算结果列成表格形式（表中给出所用公式见P18表格）。三、轴承寿命验算轴承受循环接触应力后产生疲劳剥落（龟裂），多长时间才能剥落，即寿命。寿命是指轴承的内圈、外圈、滚动体三者中。其一出现疲劳剥落即为到寿命，寿命以小时（h）数表示之。应满足 LhT式中，Lh额定寿命。hT工作期限，hT的确定机床大修期为8年，每年工作300天，按每天2班制，每班8小时，则总时数为 83102838000h实际机动时间为1050，则 T30000（0.40.5）1500020000h通常为设计方便，更换不难，取T=10000h即可额定寿命的计算 式中，n轴承（即轴）的计算转速，rpm; 寿命指数，球轴承3，滚子轴承10/3； C额定动负荷，N，查1P670,十四； P当量动负荷，N, P=XFr+YFa式中，Fr径向负荷，N,由求支反力解出； Fa轴向负荷，N； X径向系数，由1P584表5.918； Y轴向系数，由1P584表5.918；轴承寿命是个统计数，大多数（90以上）轴承的实际寿命比它的统计寿命长，如验算结果额定寿命达不到工作期限（相差不太大时），仍可使用，采用提前一、二年更换的办法亦可。25 绘制正式部件装配图根据草图验算的结果进行必要的修改，把该表示出来的零件清晰正确地绘制在正式装配图上。绘制正式装配图时机械制造装备课程设计的重要阶段，是前阶段的工作总结，是设计思想的表达。部件装配图包括展开图和剖面图：一、设计部件装配图时，学生应对下列问题进行全面分析和比较1、选用零件类型、结构、主要尺寸、材料、热处理和该零件在部件中的固定方法等。这些零件包括：齿轮、轴承、离合器、制动器、换向机构、润滑密封装置、各类轴、轴套和箱体等。2、确定部件中各零件的位置、相对位置关系及主要尺寸（定位尺寸、移动件的行程极限位置尺寸、主要配合尺寸等）、联接方法、配合性质以及滚动轴承预紧及其精度选择等。3、零件设计应尽可能遵守标准化、通用化的原则，凡是能用标准件的一定采用标准件，如螺钉、螺帽、轴承、键、垫圈、弹簧、挡圈、销钉、法兰盘等。4、要注意变速箱部件在机床上的定位，安装方法及其加工基面；各传动轴的轴向定位及其间隙调整方法；运动件的润滑及其润滑系统设计；主轴组件的轴向定位、间隙调整、润滑方式；皮带轮的卸载装置；摩擦离合器的调整、受力分析和设计原则等。二、绘制装配图的方法步骤1、在画装配图之前，按部件装配草图的轮廓和结构布置，要统盘考虑全面安排，土面布局要匀称。一般采用1：1的比例，必要时可放大或缩小。然后按传动轴的先后顺序，画出各轴心线的距离，以及各传动轴上的齿轮位置。2、绘制展开图时要结合剖面图，要结合考虑操纵机构、各轴的空间位置、制动器、换向机构等。当然操纵机构等在总布置前应确定方案，由于时间关系，在课程设计中，操纵机构根据情况由指导教师研究确定其形式，学生不必花过多的时间。零件的位置及其相互关系，一般由装配图的“内部向外”画，同时又要考虑装配图的外观轮廓由“外向里”排列。车床主轴箱长、宽、高尺寸比例以6：5：4为宜。3、适当考虑加工工艺性，要注意部件装配工艺的可能性，特别是主轴和其它较长的传动轴。有时就是由于零件的结构工艺性不好或零件组装时无法安装，不得不改变原设计方案。还要注意有调整间隙的组件（如滚动轴承、摩擦离合器和制动器等）要调整方便，易损件容易更换等。4、部件装配图的底图（或微机草图）绘制完成后，应请指导教师审核，方可加深（或出图）。26 装配图的尺寸标注由于设计时间所限，并减少重复工作，在对装配图进行尺寸标注时，可根据指导教师的要求，选择一些尺寸进行标注。这些尺寸大体包括：部件的外形尺寸；性能尺寸；主要联系尺寸；移动件的极限位置尺寸；主要零件间的配合尺寸等，现分别叙述如下：一主要尺寸标注1、外形尺寸：主轴箱部件长、宽、高尺寸；2、性能尺寸：车床主轴中心高HD/2（25）；3、主要联系尺寸：1） 车床主轴中心线和床身对称线距离一般为912;2） 车床中心至主轴箱前面的距离；3） 车床主轴前端锥孔按标准莫氏锥度；4） 铣床主轴中心线至横梁底面距离150；5） 铣床主轴前锥孔锥度7：24，主轴前端外径和孔径为：外径 101.6h5，孔径 57.15外径 88.882h5,孔径 44.456)主轴或一根传动轴的轴向尺寸(成链)4、移动件的轴向位置尺寸：1） 滑移齿轮的极限位置尺寸；2） 拨叉极限摆角（铣床）。5、中心距尺寸：公差按标准侧隙，由1P236表5.460。二主要配合尺寸的标注1、 主轴（滚动）轴承配合：1）三支承的主轴主件车床：前支承（D3182100型）外环与孔配合K6， 中间支承 外环与孔J6，内环与轴径K5， 后支承 外环与孔J7，内环与轴径K6铣床：前支承 外环与孔K6，内环与轴径n6, 中间支承 外环与孔K6，内环与轴径js6, 后支承 外环与孔J7，内环与轴径js6.2)双支承的主轴组件 车床：前支承（D3182100型）外环与孔K7， 后支承 外环与孔J6，内环与轴径k5。2、 传动轴承配合：外环与箱体孔J7，内环与轴径k6。3、 花键轴的配合（例如）：1)、滑动：638H7/f732H12b1212D9f92）、固定：638H12b1212D9f94、 用键传递扭矩时，轴与孔的配合，如80H7/k65、 滑块与拨叉的配合，如12H9/f9三装配图中零件的标注方法对上述尺寸进行标注之后，应对全部基本件进行编号。标准件、通用件和借用件，可只标注其标准代号、规格和数量，而不编排其序号和代号。在编号、标注时应注意以下几点：对上述尺寸进行标注之后，应对全部基本件进行编号。标准件、通用件和借用件，可只标注其标准代号、规格和数量，而不编排其序号或代号。在编号、标注时应注意以下几点：1、 专用件、标准件要分开标注；2、 件号按顺序（逆）时针方向依次标注；3、 件号引线不能交叉。最后画出标题栏和零件明细表（明细表可附在说明书中）。 27 整理设计内容，编写设计计算说明书部件装配图加深之后，仍须对全部设计图纸进行全面仔细检查，如果发现有错误或遗漏，要及时修改或补充。机床课程设计计算说明书，是在整个设计过程中逐步积累而成，平时要注意对计算草稿、方案选取理由、公式系数查找资料的出处、要及时整理记录下来，以免在整理说明书时，重新查找，设计完成后，只是最后稍加整理、修改和编写未完成部分，最后装订成册，附上机床传动系统图和零件明细表。说明书的编写要仔细认真，叙述清楚，说明简练、文理通顺、书写工整，字数在8千1万字左右，一般不应少于20页。在编写时，具体格式顺序要求大致如下： 第1页 目录 第2页 机床课程设计任务书 第3页 设计计算内容说明包括：一、 机床用途及主要技术性能二、 变速箱总体结构方案的拟定三、 运动设计四、 主要零件的设计与计算五、 结构设计因结构设计的主要内容是反映在装配图中，在此可主要说明以下方面的内容：1、箱体长、宽、高轮廓尺寸及有关零件间相互位置尺寸的确定与计算。2、对操纵机构的设计说明：1) 车床应验算在单边拨动时，是否满足不自锁的条件；2) 铣床操纵机构草图的有关计算和说明，包括：a） 转速排列表及对应的转速图；b） 操纵原理图（杠杆比）；c） 凸轮草图。3) 轴转速标牌（列表说明）4) 在结构设计方面其它需要说明的问题等。六、 主要零件验算七、 本设计优缺点分析及改进意见八、 零件明细表1、专用件明细表件 号名 称件 数材 料备 注2、标准件明细表规格代号名称件数标准号备注 九. 主要参考资料1 机床设计手册（2上）2 金属切削机床设计3 金属切削机床概论4 机械零件设计手册5 机床设计图册6 CA6140主轴箱装配图X62W主传动系统装配图附 录1、 标准锥度 锥度K为锥体上两横剖面与两剖面之间长度之比直径之比: K（Dd）/l2tg锥角2的一半称为圆锥斜角常用的专用标准锥度锥角K圆锥角2圆锥斜角标 记1：41：41:121:121:151 ;151:201:207:247: 24 2、 莫氏锥度莫氏锥度号大端名义直径锥度圆锥角2431.2671：19.2540.05194544.3991：190020.05263663.348 1：19.1800.052143、主轴端部件标准尺寸卡口型主轴端部的互换性尺寸国际标准 I S 7021975机床主轴端部与花盘互换性尺寸第三部分;卡口型1) 应用范围本国际标准规定了卡口型车床主轴部和相应花盘的互换性尺寸。ISO 702/III1975号数尺寸34568111520D53.97563.51382.563106.375139.719196.869285.775412.775公差0.008 00.008 0 0.010 00.010 00.012 00.014 00.016 00.620 0D7585104.8133.4171.4235330.2463.6D102112135170220290400540d2121212329364343DH8/h814.2515.919.0523.828.634.941.3d6.46.46.48.410.510.51313d10.410.410.413.516.516.51919E1111131416181921F1620222528354248G5556888H1010101112131515W0.20.20.20.20.20.20.30.3注：未注公差的尺寸的一般公差：0.4mm注：“A”型和“凸轮锁紧”型分别见第一部分和第二部分。2）互换性尺寸2.1 主轴端部铣床主轴端部（内孔锥度7：24）尺寸ISO 推荐标准 R 297 7：24 刀柄锥度1) 序言 下列表格涉及了一些7：24锥度，一方面涉及主轴端部。另一方面涉及刀柄。这种锥度主要是为了铣床主轴端部和相应的刀柄设计，因此，希望制定一个更全面的关于“带7：24锥度的铣床主轴端部”的ISO推荐标准。2）互换性 在螺纹方面，根据螺纹的型式（具有标准螺纹的公制螺纹M或统一标准粗牙螺纹UNC），本ISO推荐标准规定了两种完全不同型式的产品。 为了区别这两种型式，在零件上应打上相应的螺纹标记。每个国家的标准组织可在其国家标准中任意采用其中一种螺纹型式。 以公制尺寸或英制尺寸制造的产品，其他尺寸虽然不完全相同，但完全是可互换的。如果在国家标准中规定验收条件，则应明确规定是按英制尺寸还是按公制尺寸验收产品。3） 主轴端部7：24锥度附录43 铣床主轴端部尺寸（内孔锥度7：24）主轴端部（内孔锥度7：24）尺寸 mm名称N0.30N0.40N0.45N0.50N0.55N0.60D 31.75044045057.15069.85088.900107D h69.93288.882101.6128.570152.4221d H1217.425.332.439.650.460d min171721272735L min 73100120140178220g M12M12M12M16M20M20a min12.51618192538f 5466.780101.6120.6177m min 12.51618192538n max889.512.512.5120/2 min16.52330364861B 15.915.91925.425.425c min889.512.512.512k max16.519.519.526.526.545Z 0.40.40.40.40.40V 0.030.030.030.040.040注： D1基本尺寸。 g1螺纹直径，或者是具有标准螺距的公制螺纹M，或者是明确标明的统一标准粗牙螺纹U（以时为单位的尺寸）。在每种情况下，零件上都应打上适当的M或UNC标记。 紧固刀具用螺孔的位置公差（从理论位置上最大径向偏移）。N0.30、N0.40和N0. 0.75mm；N0.50、N0.55和N0.60为0.100。 拨块在其槽内的装配用M6/h5配合。V表示拨块b1的允许偏心距：即拨块中心平面与主部轴心线的距离。 e)z1=从与定位面相重合的公称位置至量规夹面D1位置的最大允许，允许在定位面两频。第二部分 数控工作台机械部分设计第一章 概述一、课程设计的目的 本课程设计的目的在于培养学生对典型机电一体化产品机械结构的设计能力和对机电伺服系统的设计能力,在学习有关专业课程设计的基础上,进行机电系统设计的初等训练,掌握手册、标准、规范等资料的使用方法,培养分析问题和解决问题的能力,为以后的毕业设计打下良好的基础.二、任务书1. 设计题目:XY双坐标联动数控工作台设计2. 技术数据按有关技术数据分组如下:组号工作台长 宽 (mm)工作台工作重量 ( N )139029018002400300200034103102300442032025005430330280064403003000745031033008420330350094303504000104004005000工作台行程: X=60100mmY=5080mm脉冲当量:0.050.08mm/P3. 设计要求1) 工作台进给运动采用滚珠丝杠螺旋传动.2) 滚珠丝杠支承方式:双推简支型.3) 驱动电机为反应式步进电机.4) 步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速,要求消除齿轮传动间隙.4. 工作量1) 零号装配图一张.2) 设计说明书20页以上.三、设计进度安排 本课程设计进行一周,学时分配及进度安排如下:1. 理解题目:拟定总体方案,进行运动设计、动力设计、零件的计算及初算.（2天)2. 结构设计草图、编写设计计算书.(1天)3. 画正式图、标注尺寸、配合、件号.(1天)4. 答辩.(1天)四、成绩考核方法对参加课程设计的学生进行全面考核,重点考核以下四个方面:1. 设计图纸、说明书的质量.2. 独立工作能力、综合运用知识的能力.3. 平时的工作态度、设计中的表现.4. 答辩时回答问题情况.最后成绩由答辩小组综合以上情况给出,分优、良、中、及格、不及格五个等级.第二章 工作台结构及参数设计一、总体结构数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构,其单向驱动系统结构简图如图所示:实际设计的工作台为X、Y双坐标联动工作台,工作台是由上拖板、中拖板、下拖板及导轨、滚珠丝杠等组成.其中下拖板与床身固联,它上面固定X向导轨,中拖板在下拖板的导轨上横向运动,其上固定Y向导轨,上拖板与工作台固联,在Y向导轨上移动.X、Y导轨方向互相垂直。.二、滚珠丝杠设计滚珠螺旋传动按滚动体循环方式分为外循环和内循环两类,其中应用较广的是插管式和螺旋槽式,它们各有特点,其轴向间隙的调整方法主要有垫片调隙式和螺纹调隙式,具体的实现方法可参考教材有关章节。滚珠丝杠传动副多为专业厂家生产,一般用户设计时只负责选用,在选用时主要验算其额定动载荷和临界转速,丝杠较长时还应进行压杆稳定性验算。1. 计算动载荷 （N）式中: 载荷系数 见表1硬度系数 见表2 轴向工作载荷 (N) L额定寿命 L=60nT/ n丝杠转速 (r/min)T使用寿命 (h) 见表3 表1 表2 载荷性质平稳或轻度冲击11.2轻度冲击1.21.5 较大冲击、振动1.52.5实际硬度HRC551.1501.56452 .4403.85表3类别普通机械普通机床数控、精密机械T(h)50001000010000150002. 计算临界转速 （r/min）式中 临界转速系数 见表4 长度系数 见表4 丝杠内径 (m)丝杠工作长度 (m) 表 4支承方式系数双推自由双推简支两端固定 1.883.934.73 20.67 3. 压杆稳定性计算 （N）式中 临界载荷E材料弹性模量 对于钢,E=2.06 丝杠危险截面惯性矩() 三、滚动导轨导轨是工作台系统的重要组成部分,由于滚动导轨具有定位精度高、低速无爬行、移动轻便等显著优点,故本工作台系统设计选用滚动导轨.滚动导轨应用最广的是滚珠导轨,按滚珠的循环方式分类,滚珠导轨又可分为滚珠不循环式和可循环式.在专业厂家生产的标准化滚动导轨中,都为滚动体可循环式,本次导轨设计的主要任务是根据负载情况选用标准化滚动导轨,在选用过程中,主要进行额定载荷验算.1. 计算行程长度寿命 TsTs=2Lsn60 /100 (km)式中 Ls工作单行程长度(m) n往复次数 (次/min) 工作时间寿命 (h) 2. 计算动载荷 =式中 F作用在滑座上的载荷 (N)滑座个数寿命系数 一般取K=50km温度系数 见表5接触系数 见表6硬度系数 见表7负载系数 见表8 表5 工作温度（0C）10011001500.91502000.72002500.6表6每根导轨上滑块数1120.8130.7240.66表7滚道表面硬度HRC605855535045Fh 10.980.90.710.540.38 表8工作条件fw无冲击、振动 V15m/min11.5较小冲击、振动V60m/min23.5第三章 步进电机的选择在选择步进电机时应主要考虑以下几个方面:a) 步距角是否适合系统脉冲当量的要求.b) 步进电机转矩是否满足要求.c) 步进电机起动频率及运行频率是否满足要求.一、步距角的确定 （度）式中 工作台脉冲当量 (mm/P)i传动系统传动比t滚珠丝杠导程 (mm)的确定应与i和t综合考虑,以满足工作台脉冲当量的要求.二、步进电机转矩校核1. 空载起动时电机轴总的负载转矩Tq Tq=Tj+Tu+To式中 1) Tj惯性转矩 Tj=J J电机轴总惯量(包括当量)起动时角加速度2)Tu工作台当量摩擦转矩 摩擦系数 传动链总效率 m工作台质量 3)To附加摩擦转矩 Fo预紧力 取为1/3轴向负载未预紧时丝杠效率,取0.92. 正常工作时电机轴总负载转矩Tg Tg=Tu+To+Tw式中 Tw负载转矩 Fw轴向负载最大值3. 电机最大静转矩Ts1) 按空载起动计算:Ts1=Tq/C其中常数C按下表选取2) 按正常工作计算:Ts2=Tg/0.30.5取 TsmaxTs1,Ts2电机相数3456运行拍数3648510612C0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866步进电机的最大静转矩应满足要求.三、频率校核 步进电机的起动频率和运行频率应根据实际情况,参考电机的矩频特性曲线进行选取.参考资料1.机电一体化设计基础 机械工业出版社 郑堤、唐可洪主编2.机床设计手册 机械工业出版社3.机械零件设计手册 机械工业出版社4.金属切削机床设计 机械工业出版社5.经济型数控机床系统设计 上海科学技术出版社6.机电一体化实用技术 上海科学技术文献出版社 设计说明书书写要求（一）正文：正文内容层次序号为：1、1.1、1.1.1。正文内容一般为：1、 选题背景：说明本课题应解决的主要问题及应达到的技术要求；简述本设计的指导思想。2、 方案论证：说明设计原理并进行方案选择，阐明为什么要选择这个设计方案以及所采用方案的特点。3、 过程（设计或实验）论述：对设计工作的详细表述。要求层次分明，表达确切。4、 结果分析：对研究过程中所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。5、 结论和总结：对整个研究工作进行归纳和综合。（二）图纸要求：图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。提倡学生使用计算机绘图。（三）曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画，必须按照国家规定标准和工程要求绘制（应尽可能采用计算机辅助绘图）。课程设计说明书（报告）要求文字通顺、语言流畅，无错别字，不得使用铅笔书写。按教务处印制的统一格式封皮装订。有条件的可用B5纸打印。课程设计说明书（报告）中图表、公式一律采用阿拉伯数字连续编号。图序及图名置与图的下方；表序及表名置与表的上方；说明书（报告）中的公式编号，用括号括起来写在右边行末，其间不加虚线。对振动侦查和测量的一种实用方法物理原则和侦查技术 作者：John Wilson, 动态顾问, LLC这篇论文论述振动物理、弹簧质量系统的动力学，阻止、位移、速度和加速度，并且查出和测量这些物产传感器的操作原理。振动摆动由振动或作用在机构的力的变化引起振动的摆动。振动行动反向。由于我们将看到，这振荡可能是在经过若干时间有价值的周期连续不断的或者可能间断的。它可能是周期性或非周期性, 那就是说，它可能或者可能不呈现一规则的周期的重复。动摆的本质取决于力量的本质驾驶它和结构被驾驶。运动是一个矢量，呈现一个方向和一个量。振动的方向通常被描述依据一些独立的坐标系（典型地笛卡尔的或者直角的）其运动的方向被称作坐标轴。这些坐标轴的正交座标系的原点是被任意地被定义在一些适当的的位置。机构的多数振动的响应可以用当做单自由度弹簧质量系统模型，并且许多振动传感器使用他们的一个弹簧质量系统当做转导机构的机械部分。除外形尺寸之外，一个弹簧质量系统可以用弹簧的刚度K，和质量M，或者质量的重量W等性能参数来阿描述。这些特征不仅决定来这机构的静态特性（静变位d），而且决定来它的动态特性。如果g 是重力的加速度:F = MAW = MgK = F/d = W/dd = F/K = W/K = Mg/K一个弹簧质量系统的动力学一个弹簧质量系统的动力学的可以被体系的特性在自由振动及有效的振动表示。自由振动 自由振动被那情况情形哪里那弹簧是偏斜于是释放以及允许到自由地摇摆。例子包括一个跳板、一个跳簧跨接管，以及一个摆或摇摆偏斜以及留某事给自由地振动处理。两个特征特性应该注意。 第一、阻尼在那体系表示原因的那振幅的那振荡到减少将来。 那包括市区及郊区的那阻尼、那更快的那振幅随时间减小。（只要弹性极限不是超过），那频率或时期的那振荡无关原始的大小原始的偏转的的。 那自然地发生频率的那自由振动被呼叫那自然频率fn:受迫振动 受迫振动当能量是连续地被加到那弹簧质量系统由申请振动的力在一些受迫振动频率时的情形ff. 两个二例子连续地推一个孩子上去一个摇摆和一失衡旋转电机元件。如果提供充足的能量到克服那阻尼是，那动作就会延续长达那激励延续之久。受迫振动可以取自励的或外部地激发振动的形式。自激振动发生在激发力是产生在或上去那悬挂质量的时候；外部地激发振动发生在激发力作用于弹簧的时候。这是那情形、例如：、当那基础对此那弹簧附属于是移动时。传导能力 当基础正在振动，而且力整个弹簧被传输到中止的质量时候,质量的动作将会是来自基础的动作差积。 我们将会认为基础的动作是输入，I, 和质量的动作响应, R. 比率半径/我被定义为传输度,Tr:Tr = R/I共振 在力频率好低于体系的固有频率，RI, 和 Tr1。由于作用力的频率接近那固有频率，由于共振，所以传递率增加。共振是在机械系统中的量的存储。在力频率接近那固有频率、能量是存储和积聚、导致增加响应振幅。阻尼也增加由于增加响应振幅、然而，并且最后那能量为阻尼所吸收、每一周期、等于能量增加由激振力，并且平衡状态到达。我们发现当fffn.时最大传递率发生，这个情况被称作共振。隔振 如果激振力频率超过fn，R降低。当ff = 1.414 fn, R = I 或Tr = 1时，在比较高的频率R I 或Tr 1。在频率当0.1英寸，到使他们成为现实的。一束对准在一个反射面上光束在强度或者角度的的变化能被使用当做一距离指示从震源的角度之上方面。如果该探测仪器是足够快的，变化的距离也可以被测定。最灵敏的、准确的和精密的测定距离或位移的光学装置是激光干扰仪。利用这个仪器，一束反射激光束间杂有原来的入射光束。这由相位差形成的干涉图样可以测量位移下至1 MHz 震动加速度仪。最现代的PR传感器是用单个碎片硅制造的。一般说来，造型整体传感器的优点从一个单一的材料块是更好的稳定性，较少热量的失配在部分之间，并且较高的可靠性。欠阻尼的 PR 加速度仪容易不比 PE 装置高低不平。 单一晶体矽能有特别的降伏强度,特别地以高的应变率，但是它是然而一个脆的事物。 矽的内磨擦非常低，因此，谐振扩大可能是比较高的超过对于 PE 传动器。 两者的这些功能成为它的比较易脆性的因素, 虽然如果适当地设计而且安装他们被规律性用测量震动很好上述的 100,000 g 。他们通常有较宽的频带宽度胜于 PE 传动器 (比较相似实物大小范围的模型), 连同较小的非线性，零的移位和磁滞特性。 因为他们有直流电反应，他们在将要产生长期计量时才使用。在 PR 加速度仪的一个典型独石矽可察元件中,1 毫米角尺矽芯片合并整个的弹簧，质量和四个臂的 PR 应变计桥总成。 感知器经由各向异性的浸蚀和显微机械加工技术是利用一个单一晶体矽做成的。 应变计被本来平的矽一个杂物的图案造形。 沟流的后来浸蚀释放规并且同时地定义如只是最初厚度的矽区域的质量。桥路可以由放置并联补偿电阻或者级数用任何这木头支架平衡了，做相配的或者这阻抗值及价值的变化用温度的修正。补偿是一种艺术; 因为 PR 传动器能有非线性特性, 用激发来自它被制作或校正的条件差积操作它是不受劝告的。 举例来说， PR 灵敏度只有大约成比例激发, 通常是一个固定的电压或, 在一些外壳, 定流中有一些性能利益。因为热的性能将会大体上和激发电压的变化,在灵敏度和激发之间没有一个精密的比例。 另外的预防在处理电压驱动的桥方面, 特别地有低的电阻那些, 是确认桥拿适当的激发。 输入熔断丝的级数电阻担任一个分压器。注意这输入导线有低电阻，或者那一六线的大小是制成的（用读出线在这桥梁趋于允许这激励被校准）所以这桥梁获得这特有的激励。恒定电流激励工作没有这些用串联电阻的问题。然而， PR 传动器通常被补整傲慢的固定电压激发并且不可能用定流给被需要的性能。 PR 桥的平衡是它的健康最敏感衡量, 而且通常是传动器的总不确定度的占优势的功能。 平衡,有时叫做了偏向, 零偏位 , 或 ZMO( 零可测量产量,和 0 g 的产量),能被通常是热的特性或在内部或外面地诱导了感知器的应变变化的一些效应改变。传动器外壳设计尝试隔离来自外面的应变 , 像是热的暂态，基本的应变或固定转矩的感知器。 内部的应变变化,举例来说，环氧基树脂蠕升,容易成为长期的不稳定的因素。所有的这些比较对于锕加倍的装置因为他们在直流者加倍传动器的较宽频带中更时常发生，通常低周波效应对直流传动器是更重要的。一些PR设计，尤其是高灵敏度传感器，是设计有阻尼延长频带和过量程的能力。 阻尼系数0.7 是考虑过的理想。 如此的设计时常使用油或一些其他的粘滞液体。 二个特性听写技术是有用的只有在相对地低周波: 阻尼军队成比例流过速度,而且适当的流量速度被藉由用大的位移泵流体达到。 这是在那敏感的传动器的一个快乐的巧合他们在低的加速度频率操作位移足够大哪里。粘滞阻尼可以有效地除去共振放大率，延长过量程的能力，并且比加倍有效带宽。然而，因为缓冲液的粘性是一温度的强函数，传感器的有用的温度范围实质上是受限制的。可变电容 VC传感器是通常平行板空隙电容器其中的设计运动垂直于电镀层。在一些设计中屏从一个边缘被把建成悬臂式，因此，动作实际上是转动; 其他的屏在圆周的周围被支援, 当做在一个弹网中。 由于加速度的在 VC 元件的电容方面的改变被一对目前检波器感觉皈依者进入电压产量之内的变化。许多VC传感器是微电机一致地在一间隔一点点微米厚的趋于允许空气减震中间插进的腐蚀剂硅片。事实是空气粘度变化由只有一点百分比在一宽的工作温度范围提供一频率响应比是可完成的用油阻尼PR设计更坚固的上方。在一VC加速度记录器中，一个高频振荡器给VC元件提供必要的激励。电容变化被这检流器检测。输出电压与电容变化成正比因此，趋于加速度。这结合的超程停留在这间隔可以提高高低不平的在这灵敏的方向，虽然阻力趋于过量程的在横向必须信任单独地靠这悬浮的力量，按现状对全部的其他的传感器设计没有超程停止来说是正确的。一些设计可以继续存在极其大加速度过量程的工况是 1000倍的测量范围。一台典型微电机VC加速度记录器的传感器是由三硅元件胶合到一起形成的密封的装配。元件中的二个是空气介质，平行板积蓄器的电极。 中央的元件用化学被蚀刻造形被薄又易曲手指中止的一个硬的中央质量。 阻尼特性被位于质量之上的孔气体流量控制。VC传感器可以提供好传感器的特色测定类型论述初期的中许多：大的过量程的，直流电响应，低阻抗的输出端，和单纯的外部信号工况。缺点是成本并且以那在板子上调节的增加错综度按规定尺寸制作关联。 同时, 高频电容检波电路被用，而且一些高频载波通常在产量信号上出现。它是通常连达到（即，1000倍）比输出信号的频率高三数量级也不被注意到。伺服系统（力平衡） 虽然伺服加速度计是主要地使用在惯性制导系统，但是一些他们的工作特性必然使他们在一定的振动应用中是合乎需要的。所有的在先前被描述的加速度仪类型是开环装置在哪一产量由于可察元件的挠曲被直接地读。在倍力器中-控制, 或闭合回路，加速度仪, 挠曲信号被用当一个身体上地驱动或再平衡返回平衡位的质量电路的反馈。 倍力器加速度仪制造业者建议仰赖位移 (也就是,晶体和 piezoresistive 元件的绷皮操作) 时常生产一个产量信号的开环仪器引起非线性错误。在闭合回路中设计,内部的位移被试验过的质量电再平衡保持极端小,将非线性减到最少。 除此之外，闭合回路设计被说有较高的精确度胜于开环打字。 然而，期间精确度的定义改变。以传感器制造商校核。伺服加速度计可以使两个基本几何结构的其中任何一个：线的（例如，扩音器）和摆动的（仪表的测量机构）。振动的几何结构是商业的设计中应用最广泛的。直到最近，伺服机构是主要地以电磁原则为基础。力通常被藉由在一个磁场之前经过在质量上的线圈驾驶电流提供。 在和一个电磁的再平衡机构的下垂倍力器加速度仪中，下垂的质量发展对试验过的质量和那应用的加速度的产品转矩比例项。 质量的动作被位感知器 ( 典型地电容的感知器) 发现, 送一个误差讯号给伺服系统。 误差讯号引起对产量的倍力器放大器对转矩电动机的一个反馈电流,发展相等在量中到来自下垂的质量加速度产生的转矩一个反对转矩。输出端是激励电流它本身（或者交叉一输出端电阻器）作用的，与偏转环传感器相似，跟外加力成比例因此趋于加速度。和开环传感器的高低不平的弹簧元件相反，再平衡压入回路加速度记录器的箱体中主要地有关电的并且只有当有动力提供时存在。当能实行的和大多数的阻尼被提供透过电子学的时候，弹簧在敏感的方向中是如易坏的。不像独自地仰赖可察元件 (s) 的特性其他的直流- 响应加速度仪，它是闭合回路设计的反馈电子学控制使存偏见稳定性。因此伺服加速度计倾向于提供较少零点飘移，是我们在振动测量中使用他们的主要的理由。一般说来，他们有一个1000赫兹的有效带宽的并且被设计成以比较地低加速度级并且极低频元件方式使用在应用。 A Practical Approach to Vibration Detection and MeasurementPhysical Principles and Detection TechniquesBy: John Wilson, the Dynamic Consultant, LLCThis tutorial addresses the physics of vibration; dynamics of a spring mass system; damping; displacement, velocity, and acceleration; and the operating principles of the sensors that detect and measure these properties.Vibration is oscillatory motion resulting from the application of oscillatory or varying forces to a structure. Oscillatory motion reverses direction. As we shall see, the oscillation may be continuous during some time period of interest or it may be intermittent. It may be periodic or nonperiodic, i.e., it may or may not exhibit a regular period of repetition. The nature of the oscillation depends on the nature of the force driving it and on the structure being driven. Motion is a vector quantity, exhibiting a direction as well as a magnitude. The direction of vibration is usually described in terms of some arbitrary coordinate system (typically Cartesian or orthogonal) whose directions are called axes. The origin for the orthogonal coordinate system of axes is arbitrarily defined at some convenient location.Most vibratory responses of structures can be modeled as single-degree-of-freedom spring mass systems, and many vibration sensors use a spring mass system as the mechanical part of their transduction mechanism. In addition to physical dimensions, a spring mass system can be characterized by the stiffness of the spring, K, and the mass, M, or weight, W, of the mass. These characteristics determine not only the static behavior (static deflection, d) of the structure, but also its dynamic characteristics. If g is the acceleration of gravity:F = MAW = MgK = F/d = W/dd = F/K = W/K = Mg/KDynamics of a Spring Mass SystemThe dynamics of a spring mass system can be expressed by the systems behavior in free vibration and/or in forced vibration. Free Vibration. Free vibration is the case where the spring is deflected and then released and allowed to vibrate freely. Examples include a diving board, a bungee jumper, and a pendulum or swing deflected and left to freely oscillate.Two characteristic behaviors should be noted. First, damping in the system causes the amplitude of the oscillations to decrease over time. The greater the damping, the faster the amplitude decreases. Second, the frequency or period of the oscillation is independent of the magnitude of the original deflection (as long as elastic limits are not exceeded). The naturally occurring frequency of the free oscillations is called the natural frequency, fn: (1) Forced Vibration. Forced vibration is the case when energy is continuously added to the spring mass system by applying oscillatory force at some forcing frequency, ff. Two examples are continuously pushing a child on a swing and an unbalanced rotating machine element. If enough energy to overcome the damping is applid, the motion will continue as long as the excitation continues. Forced vibration may take the form of self-excited or externally excited vibration. Self-excited vibration occurs when the excitation force is generated in or on the suspended mass; externally excited vibration occurs when the excitation force is applied to the spring. This is the case, for example, when the foundation to which the spring is attached is moving. Transmissibility. When the foundation is oscillating, and force is transmitted through the spring to the suspended mass, the motion of the mass will be different from the motion of the foundation. We will call the motion of the foundation the input, I, and the motion of the mass the response, R. The ratio R/I is defined as the transmissibility, Tr:Tr = R/I Resonance. At forcing frequencies well below the systems natural frequency, RI, and Tr1. As the forcing frequency approaches the natural frequency, transmissibility increases due to resonance. Resonance is the storage of energy in the mechanical system. At forcing frequencies near the natural frequency, energy is stored and builds up, resulting in increasing response amplitude. Damping also increases with increasing response amplitude, however, and eventually the energy absorbed by damping, per cycle, equals the energy added by the exciting force, and equilibrium is reached. We find the peak transmissibility occurring when fffn. This condition is called resonance.Isolation. If the forcing frequency is increased above fn, R decreases. When ff = 1.414 fn, R = I and Tr = 1; at higher frequencies R I and Tr 1. At frequencies when R 0.1 in., to make them practical.The change in intensity or angle of a light beam directed onto a reflective surface can be used as an indication of its distance from the source. If the detection apparatus is fast enough, changes of distance can be detected as well.The most sensitive, accurate, and precise optical device for measuring distance or displacement is the laser interferometer. With this apparatus, a reflected laser beam is mixed with the original incident beam. The interference patterns formed by the phase differences can measure displacement down to 1 MHz in some PR shock accelerometers.Most contemporary PR sensors are manufactured from a single piece of silicon. In general, the advantages of sculpting the whole sensor from one homogeneous block of material are better stability, less thermal mismatch between parts, and higher reliability. Underdamped PR accelerometers tend to be less rugged than PE devices. Single-crystal silicon can have extraordinary yield strength, particularly with high strain rates, but it is a brittle material nonetheless. Internal friction in silicon is very low, so resonance amplification can be higher than for PE transducers. Both these features contribute to its comparative fragility, although if properly designed and installed they are used with regularity to measure shocks well above 100,000 g. They generally have wider bandwidths than PE transducers (comparing models of similar full-scale range), as well as smaller nonlinearities, zero shifting, and hysteresis characteristics. Because they have DC response, they are used when long-duration measurements are to be made.In a typical monolithic silicon sensing element of a PR accelerometer, the 1 mm square silicon chip incorporates the entire spring, mass, and four-arm PR strain gauge bridge assembly. The sensor is made from a single-crystal silicon by means of anisotropic etching and micromachining techniques. Strain gauges are formed by a pattern of dopant in the originally flat silicon. Subsequent etching of channels frees the gauges and simultaneously defines the masses as simply regions of silicon of original thickness.The bridge circuit can be balanced by placing compensation resistor(s) in parallel or series with any of the legs, correcting for the matching of either the resistance values and/or the change of the values with temperature. Compensation is an art; because the PR transducer can have nonlinear characteristics, it is inadvisable to operate it with excitation different from the conditions under which it was manufactured or calibrated. For example, PR sensitivity is only approximately proportional to excitation, which is usually a constant voltage or, in some cases, constant current, which has some performance advantages. Because thermal performance will in general change with excitation voltage, there is not a precise proportionality between sensitivity and excitation. Another precaution in dealing with voltage-driven bridges, particularly those with low resistance, is to verify that the bridge gets the proper excitation. The series resistance of the input lead wires acts as a voltage divider. Take care that the input lead wires have low resistance, or that a six-wire measurement be made (with sense lines at the bridge to allow the excitation to be adjusted) so the bridge gets the proper excitation.Constant current excitation does not have this problem with series resistance. However, PR transducers are generally compensated assuming constant voltage excitation and might not give the desired performance with constant current. The balance of the PR bridge is its most sensitive measure of health, and is usually the dominant feature in the total uncertainty of the transducer. The balance, sometimes called bias, zero offset, or ZMO (zero measurand output, the output with 0 g), can be changed by several effects that are usually thermal characteristics or internally or externally induced shifts in strains in the sensors. Transducer case designs attempt to isolate the sensors from external strains such as thermal transients, base strain, or mounting torque. Internal strain changes, e.g., epoxy creep, tend to contribute to long-term instabilities. All these generally low-frequency effects are more important for DC transducers than for AC-coupled devices because they occur more often in the wider frequency band of the DC-coupled transducer.Some PR designs, particularly high-sensitivity transducers, are designed with damping to extend frequency range and overrange capability. Damping coefficients of 0.7 are considered ideal. Such designs often use oil or some other viscous fluid. Two characteristics dictate that the technique is useful only at relatively low frequencies: damping forces are proportional to flow velocity, and adequate flow velocity is attained by pumping the fluid with large displacements. This is a happy coincidence for sensitive transducers in that they operate at the low acceleration frequencies where displacements are adequately large. Viscous damping can effectively eliminate resonance amplification, extend the overrange capability, and more than double the useful bandwidth. However, because the viscosity of the damping fluid is a strong function of temperature, the useful temperature range of the transducer is substantially limited.Variable Capacitance. VC transducers are usually designed as parallel-plate air gap capacitors in which motion is perpendicular to the plates. In some designs the plate is cantilevered from one edge, so motion is actually rotation; other plates are supported around the periphery, as in a trampoline. Changes in capacitance of the VC elements due to acceleration are sensed by a pair of current detectors that convert the changes into voltage output. Many VC sensors are micromachined as a sandwich of anisotropically etched silicon wafers with a gap only a few microns thick to allow air damping. The fact that air viscosity changes by just a few percent over a wide operating temperature range provides a frequency response more stable than is achievable with oil-damped PR designs.In a VC accelerometer, a high-frequency oscillator provides the necessary excitation for the VC elements. Changes in capacitance are sensed by the current detector. Output voltage is proportional to capacitance changes, and, therefore, to acceleration. The incorporation of overtravel stops in the gap can enhance ruggedness in the sensitive direction, although resistance to overrange in transverse directions must rely solely on the strength of the suspension, as is true of all other transducer designs without overtravel stops. Some designs can survive extremely high acceleration overrange conditions-as much as 1000 full-scale range .The sensor of a typical micromachined VC accelerometer is constructed of three silicon elements bonded together to form a hermetically sealed assembly. Two of the elements are the electrodes of an air dielectric, parallel-plate capacitor. The middle element is chemically etched to form a rigid central mass suspended by thin, flexible fingers. Damping characteristics are controlled by gas flow in the orifices located on the mass.VC sensors can provide many of the best features of the transducer types discussed earlier: large overrange, DC response, low-impedance output, and simple external signal conditioning. Disadvantages are the cost and size associated with the increased complexity of the onboard conditioning. Also, high-frequency capacitance detection circuits are used, and some of the high-frequency carrier usually appears on the output signal. It is generally not even noticed, being up to three orders of magnitude (i.e., 1000 ) higher in frequency than the output signals. Servo (Force Balance). Although servo accelerometers are used predominantly in inertial guidance systems, some of their performance characteristics make them desirable in certain vibration applications. All the accelerometer types described previously are open-loop devices in which the output due to deflection of the sensing element is read directly. In servo-controlled, or closed-loop, accelerometers, the deflection signal is used as feedback in a circuit that physically drives or rebalances the mass back to the equilibrium position. Servo accelerometer manufacturers suggest that open-loop instruments that rely on displacement (i.e., straining of crystal