畢業(yè)論文-CNC齒輪測量中心三維測頭模塊及測試軟件設計（送全套CAD圖紙 資料打包）

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CNC 齒輪測量中心 3903/3906 3903/3906型 CNC齒輪測量中心是哈量集團精密量儀公司開發(fā)出的新產品，具有測量功能強、精度高、速度快等特點，達到了當代國際先進水平該中心可滿足用戶對齒輪精度的全面檢測，工藝間檢測、刀具檢測等需求?？赏瓿升X輪的齒距、齒廓 、螺旋線、徑跳、切向綜合（單截面整體誤差）等項目的檢測，可測量的工件有齒輪、齒輪刀具（滾刀、插齒刀、剃齒刀等） 、蝸輪、蝸桿、弧齒錐齒輪等。由于其工作原理上不需要標準齒輪、標準蝸桿等標準件和機械展成機構，測量運動由計算機數控系統來完成，因此可以根據用戶的要求，開發(fā)出各種特殊軟件。整個操作界面漢字提示，操作簡單，對操作人員的要求不高b. PFSU系列齒輪測量機 640/1200/16002 該系列測量機是引進德國克林貝格公司技術生產的，主要用于對大齒輪的測量。目前哈量集團精密量儀公司已經完成了該測量機控制系統國產化改造將過時的控制電路、記錄器等全部淘汰，采用新的工業(yè)控制計算機和可編程控制器，改造后的 PFSU系列齒輪測量機不僅保留了儀器原有的全部功能，而且使儀器的功能和性能都有很大提升。齒輪的測量項目有齒廓、螺旋線、齒距、徑跳等，還可以測量齒輪刀具（滾刀、插齒刀、剃齒刀等） 、蝸桿及工件表面粗糙度、工件錐度、圓度等形位誤差。針對國內已有 PFSU系列測量機的用戶，公司可提供升級改造服務。 c. 3004B、3006B、3008B 系列萬能齒輪測量機 該系列齒輪測量機是哈量集團具有自主知識產權的智能化齒輪量儀，在工作原理和儀器功能上接近 CNC齒輪測量中心測量中不需要標準齒輪、標準蝸桿，即可測量齒輪、齒輪刀具等工件的多項誤差，在測量效率要求不很高的情況下，可廣泛用于工廠計量室和車間檢測站，進行精密測量。 d. 3100系列雙面嚙合檢查儀 主要檢測齒輪的徑向綜合誤差，可廣泛用于除汽車、摩托車行業(yè) 4級以下精度齒輪的分選檢測，工作效率高，精度穩(wěn)定。 e. 3200、3300 系列齒形、齒向檢查儀 該系列測量儀是機械展成式測量機根據測量要求的不同，有多種不同的4機械結構，主要完成對齒輪齒形、齒向等單項誤差測量，儀器結構簡單、效率高、精度穩(wěn)定，可廣泛用于生產車間使用。1.4本文的主要任務本文分析了齒輪誤差測量的發(fā)展狀況和特點，針對國內外出現的各種測量儀器的局限和不足，提出改進齒輪測量軟件測量齒輪的方法，并設計完成一種新型的、人機界面友好的，自動化程度較高的齒輪測量軟件。a. 首先通過對齒輪齒形和齒向測量原理以及齒輪測量機機械部分運動機理的理解，完成總體方案設計；b. 依據齒形、齒向測量原理建立齒形、齒向誤差測量算法，并完成齒形誤差軟件的程序流程；c. 針對測量中出現特性和整個界面的易于操作性和美觀性，利用VisualC+6.0編程語言來實現齒形測量系統軟件的設計；d. 最后對所編寫的測量軟件進行模擬調試，并進一步肯定了整個測量系統的合理性和實用性。2 齒輪測量原理與總體方案設計52 齒輪測量原理與總體方案設計2.1齒輪齒形測量的方法與誤差分析2.1.1齒形誤差的定義 3根據標準 J B179-83規(guī)定，齒形誤差的定義是：在端截面上，齒形工作部分內（齒頂倒棱部分除外）包容實際齒形的兩條最近的設計齒形間的法向距離。由定義可知，在齒形誤差測量中應測出實際齒形相對于設計齒形之誤差,設計齒形是指以漸開線理論齒形為基礎，考慮彈性變形和誤差對噪聲的影響而加以修正的齒形,在成對齒輪副中，可以設計為兩個齒輪都作齒頂修緣，也可以設計為一個齒輪（常是小齒輪）作齒頂修緣，齒根過切或設計為凸齒形，另一個相配的齒輪不作修正,修正量是很小的，僅有（0.01-0.05）m,或從 2-3m 到30-50m。因此，齒形誤差測量還是以實際齒形與理論漸開線進行比較作為基礎。2.1.2 齒形誤差測量方法a. 坐標法 將被測齒形上若干點的實際坐標與相應的計算坐標進行比較從而計算出齒形誤差的方法稱為齒形誤差坐標測量法。以坐標法測量齒形誤差，既可以在以坐標為測量原理所構成的專用齒形誤差測量儀上進行，也可以在坐標測量機或測量顯微鏡上測量。b. 標準軌跡法 將被測齒形與儀器復現的理論漸開線軌跡進行比較從而求出齒形誤差的方法稱為齒形誤差的標準軌跡測量法。由于電子和計算機技術的發(fā)展，出現了用電子和機械共同組成的系統來復線理論漸開線軌跡，這種系統可以進行數控（NC） ，也可以由計算機進行數控（CNC） ，稱這種方法為電子展成法。電子展成法正在發(fā)展中。c. 標準曲線法 這種方法是使被測齒形與標準漸開線齒形曲線直接進行比較，從而測出齒形誤差， （標準漸開線齒形曲線應具有一定的準確度） 。這種方法可用于車間條件下的生產測量，也可用于高準確度的實驗室測量。本文采用標準軌跡法進行齒形與齒向的測量。2.1.3齒形測量范圍的確定 4a. 確定起測圓的方法(1).按與配對齒輪對嚙合的工作確定：當被測齒輪 Z1配對齒輪 Z2相嚙合時，被測齒輪 Z1的實際部分是齒頂圓與工作圓之間的一段漸開線齒形。所謂工作圓2 齒輪測量原理與總體方案設計6是指通過相嚙合的齒輪 Z2的齒頂圓與嚙合線的交點 a1。,其半徑為 RA1的圓 如7圖 2.1a ,Ra1的計算如下:Ra1= （2.1）2rbli（2.2）2asn1lirb其中（2.3）/co'rbt（2.4）'(22)/1)ivtgXZinvat（2.5）*ahmnm式中 Xt,Xn-端面和法向變位系數; -法向齒頂高降低系數,高度變位時 =0,角度變位時 0。n n（2.6） /cost（2.7）(12)Xyt（2.8）cs/1o'aytzt式中 -端面齒頂高將位系數;-端面中心距變動系數.t(2).按與標準齒條的工作圓確定：由于在測量單位個齒輪時，常常不知與其嚙合的齒輪的參數，為使測量的齒形工作部分稍大于齒形有效部分，可以按照被測齒輪與標準齒條嚙合時的有效工作部分來計算其工作圓。此時工作圓是指通過齒條的齒頂線與嚙合線的交點 a2,其半徑為 RA2的圓，如圖 2.1b所示。RA2的計算如下：2Rarli（2.9）圖 2.1 齒輪漸開線 8（2.10）2*sinhamXlirb(3).按進入圓確定：為了簡化計算，可以按進入圓來確定起測點。進入圓是指其半徑 RA3與分度圓半徑相差 C=(ha*-xs)ms的圓 如圖 2.1c所示.RA3 由下式計算:RA3=(mn*z/2cos )-C （2.11）C=hn*mn-Xnmn （2.12）當齒數少時按基圓確定：當齒數 Z33 時；rbRA3；當 Z16 時，rbRA2。因為只在基圓外才有漸開線，當齒數少時，應該以基圓作為起測圓。以上三種計算結果相比較,RA1RA2RA3,當起測圓按進入圓計算時,齒形上被測范圍為最大,這將對切齒條件要求嚴格.如果測量高精度齒輪時,應當選RA1來確定起測圓,以免對加工條件要求過嚴.對非特殊要求的齒輪可按 RA2確定起測圓.b. 起測和終測展開角和展開長度的計算 5由于齒形測量是按照展成角度或展開長度進行的，實際的測量范圍是以展成角或展成長度來表示的。如圖 2.2所示 起測點 A所對應的展開角與展開長度稱為起測展開角 A 與起測展開長度 LA.終測點 B所對應的為終測展開角 B,終測展開長度 LB.A 與 LA根據起測圓半徑 RA計算:A= tgaA（2.13）LA= rb（2.14）1cosaRA（2.15）RA根據選用的 RA1,RA2或 RA3代入上式B 與 LB一般按齒頂圓作為終測圓計算:B= tga（2.16）LB=rb1cosRa（2.17）92.1.4 齒形誤差評定與分析a. 齒形誤差的評定用齒形誤差曲線圖表示齒形誤差。曲線圖的橫坐標表示展開角度 或展開長度 L，縱坐標表示個測量點的齒形誤差 f fi（即展開長度的誤差 L i） ，見圖 2.1。如果被測齒形與理論漸開線沒有差別，在記錄圖上記錄為平行于橫坐標的直線。在確定了齒形測量范圍（A、B）之后，在此范圍內作兩條平行線分別與齒形誤差曲線的上下兩個最高點相切，平行線間的縱坐標格數乘以誤差放大比即可得到齒形誤差 f f。為了反映齒輪偏心等因素的影響，測量均布的四個齒面的齒形誤差，以期最大值作為該齒輪的齒形誤差，用來評定該齒輪的齒形質量是否合于要求。b. 齒形誤差的分析對方程式 L= b=(mzcos/2)全微分并取增量形式，可得L= b+ b （2.18）或 L=- b。 （2.19）展開長度的變化就是齒形誤差，有上式可以看出，基圓半徑的變化 b或壓力角的變化 都是影響齒形誤差的因素，其主要的工藝原因是刀具的齒形角有誤差。由于齒形角誤差 在一般情況下可以認為是定值，所以，L與 的關系是線性關系。如果沒有其他的誤差因素，僅有由于齒形角誤差所造成的壓力角誤差，齒形誤差的記錄曲線是一條與橫坐標有一定夾角的傾斜直線。由以上分析可知，齒形誤差由兩部分組成：由壓力角誤差 （或基圓半徑誤差 b）引起的漸開線齒形的傾斜誤差 f f ,以齒形誤差曲線的中線Cc在測量范圍內相對于橫坐標的最大偏移量來度量；由機床傳動鏈誤差引起的漸開線齒形的形狀誤差 f fx，沿中線 Cc的方向左兩條能包容齒形誤差曲線的平行線，它們之間沿著橫坐標的距離即為 f fx。c. 確定中線 cc的方法為了求出 f 和 fx 的數值，首先要確定中線 cc的位置。(1).計算法：根據最小二乘法原理求出齒形誤差曲線的擬合直線即為中線。表征直線方程的參數為直線的斜率,計算擬合直線的斜率 K的方法為:在測得的曲線上取一系列點的坐標值(1, L1 ),(2, L2 )( i,L i), 斜率計算式為:圖 2.2 齒形誤差分析10（2.20）22iiiLnK式中 L i： i 點的展開長度增量；、 分別為 及 的平均值；LiiLn: 測量點的總數。這種方法的精度高，但計算較為復雜，一般為手工計算所不用，當測量系統由計算機控制和進行數據處理時常常用這種方法，這時可由測出的各個坐標值直接進行計算。(2).作圖法：對于一般精度的測量，常常用目估作圖法確定中線。即在所得的齒形誤差曲線圖上畫一條直線，使在測量范圍內，直線兩邊的齒形誤差曲線與直線間所包容的面積相等，這條直線就是中線 cc。 這種方法精度不高，但簡單易性。而且目估的方向，對于一個熟練的測量者來說也不會偏離最小二乘法所確定中線的 2度的范圍，這是測量精度所允許的。d. 基圓半徑誤差 rb由式(2.18)的前一項可以知道,當僅有基圓半徑誤差 rb 時,齒形誤差曲線是一條與橫坐標有夾角的直線,由計算法求出中線的斜率即為基圓半徑誤差:rb=K （2.21）由作圓法確定中線后可以在曲線上直接量出傾斜誤差 fa,這時由下式計算基圓半徑誤差:rb=fa/ab （2.22）式中 f a-曲線圖中傾斜誤差的坐標值,單位為 m;ab-曲線圖中測量范圍內展開角,單位為 rab;Rb-基圓半徑,單位 m.2.2齒輪齒向測量的方法與誤差分析2.2.1齒向誤差的定義在分度圓柱面（允許在齒高中部測量）上，齒寬工作部分范圍內（端部倒角部分除外）包容實際齒向線的兩條最近的設計齒向線之間的端面距離。2.2.2齒向誤差測量方法(1). 標準軌跡法 測量儀器形成標準的螺旋運動與被測齒輪的螺旋線進行比較測量，齒向誤差直接由測量裝置指示出來。形成標準的螺旋線軌跡的裝置11可以是機械式的、光學機械式的，也可以是電子展成式的。(2). 坐標測量法螺旋線是一條空間曲線，可按照螺旋線形成原理分別測量齒輪轉角和測頭齒輪方向的位置，然后與相應的理論值進行比較，計算出齒輪向的誤差；或者按照空間直角坐標沿螺旋線逐點測量其三個坐標值，然后計算出齒向誤差。2.2.3齒向誤差評定與分析齒向誤差在一般情況下是由兩部分組成的，即齒向線的位置誤差和形狀,如下圖 2.3所示。齒向線的位置誤差也就是螺旋線角誤差的線值，用 fh 來表示。確定 fh 數值時要用最小二乘法回歸出一條中線，在要求不十分精確的情況下也可以用作圖法使中線兩邊曲線多包圍的面積相等來確定中線的位置。包容實際齒向誤差曲線且與中線平行的兩條直線之間的距離（仍為齒輪端面距離，在 F 方向計算）即為形狀誤差，用 fh 來表示。將齒向誤差分為位置誤差和形狀誤差將有助于分析齒向的加工誤差。由 fh 即可以求的螺旋角的誤差，因為tg=r/b (2.23)將此式微分并取增量形式，且 （r）=fh，則=(fh/b) cos*cos (2.24)式中 b-齒寬工作部分。圖 2.4給出了兩種典型的齒向誤差曲線。圖 a是左、右齒面的齒向線位置誤差 fh 數值相近而符號相同（偏向齒體內的誤差為負值） ，其螺旋角誤差方向相反，主要是由于加工時刀具沿著工件軸線方向進給時，刀具的運動方向與工件軸線方向不平行所引起的，其不平行度由左、右齒面的齒向線位置誤差的平均值來確定的，即：=（fhL+fhR）/2tga (2.25)圖 2.4是左、右齒面的齒向線位置誤差 fh 的數值相近而符號相反，即左、右齒面螺旋角誤差方向相同的情況。這主要是由于刀具軸向進給方向相對于工件軸線傾斜所造成的，其傾斜度按左、右齒面齒向線位置誤差的絕對值之平均值來確定，即：=fhL+fhR/2 （2.26）工件的安裝誤差也會造成工件軸線相對于刀具軸向進給方向傾斜，而且二者相對的傾斜度是工件轉角的函數，這就導致一個齒輪上各個齒的齒向誤差數值不同。12圖 2.3齒向誤差評定法圖 2.4齒向誤差曲線由于機床傳動鏈的傳動比不準確也會造成 fh 的值相近而異號的誤差，因此在分析工藝誤差的時候要結合具體加工條件進行分析。當左、右齒面的齒向誤差曲線較大，fhL 的值也相差較大，則是兼有幾種工藝誤差因數的綜合作用，可先找出主要工藝誤差因數，再按照任一齒面的 fh 值對兩齒面 fh 的平均值之間來估算其它工藝誤差的因數。齒向誤差的形狀誤差 ff 是由于切齒加工中刀具相對于工件軸線移動的導軌的直線度誤差及軸向進給絲杠的軸向竄動等因數所引起。2.3 總體方案設計 本設計采用標準軌跡法進行齒輪齒形齒向的誤差測量，將被測齒輪的實際齒形與儀器復現的理論漸開線進行比較從而得出誤差的測量方法，運動的合成經參數設置完成后計算機自動進行計算，控制控制系統發(fā)出指令脈沖，驅動執(zhí)行機構完成相應的運動，硬件數據采集系統從安裝在滑架上的測頭采集數據，送入計算機進行計算，得出誤差結果，轉化為圖形和數字量形式的結果輸出。根據系統的特點，對軟件的編寫擬采用可視化編程語言 Visual C+6.0進行開發(fā)，因為該語言執(zhí)行速度快，人機界面友好，具有較高的操作系統訪問權。齒形測量程序設計時主要完成齒形測量中的數據采樣和結果的處理，并根據測量算法得到齒廓總偏差、齒廓斜率偏差、齒廓形狀偏差和齒廓誤差曲線，通過對齒形誤差測量方法的分析并結合機械部分運動機理，齒形誤差測量的理論方方法采樣坐標法；齒向測量程序設計時主要完成齒向測量中的數據采樣和結果的處理，并根據測量算法得到齒向總偏差 F、齒向斜率偏差 fh、齒向形狀偏差 ff 和齒向誤差曲線，通過對齒形誤差測量方法的分析并結合機械部分運動機理，齒向誤差測量的理論方方法采樣標準軌跡法。最后所有的誤差結39果以文字和圖形的方式顯示在屏幕上，而且用戶的所由參數以對話框的形式由用戶通過鍵盤輸入。3 板卡操作143 板卡操作3.1接口方案 6綜合考慮此設計，計算機需要完成如下任務:a.從控制面板讀鍵產生相應動作，當測量者按下操作面板的按鍵時，計算機要能對其識別并發(fā)出指令，驅動系統動作完成測量，為此，測量系統需要一個開關量輸入設備；b.由于計算機只能對數字量進行處理，而數據采集系統采集到的信號為電壓模擬信號，因此在計算機與數據采集系統之間需要一塊 A/D轉換卡，本設計中采用北京華遠自動化公司的 HY6040A/D轉化卡、HY 6110數字量輸入卡，光柵數據采集卡選用CA220 -PCI，其中前兩個板卡為 ISA接口，設計中采用 Ntport library 軟件，它允許 win32 程序實時直接訪問 pc 機的 i/o 端口而無須使用 windows drivers development kit(ddk) 或其他工具。 Ntport library 支持 windows 95/98 和windows nt/2000/xp。并且非常容易使用，在 windows nt/2000/xp 下，ntport library 驅動程序可以動態(tài)地加載和卸載，不需要做任何設置工作。ntport library也是 basic 的 inp 或 out 命令的替代品。ntport library 還可以獲得 lpt 端口的基地址。而 PCI-CA220 是基于 PCI 總線的采集卡，PCI 總線系統要求有一個 PCI 控制卡，它必須安裝在一個 PCI 插槽內。根據實現方式，PCI 控制器可以與一次交換 32 位或 64 位數據，它允許智能 PCI 輔助適配器利用一種總線主控技術與CPU并行地執(zhí)行任務。3.2 HY6040板卡介紹及操作 7HY6040板是一種光電隔離型的多功能 A/D板，它有三種不同的觸發(fā)方式：軟件觸發(fā)、定時觸發(fā)和外部觸發(fā)。本設計采用軟件觸發(fā)，主要操作步驟如下：(1). 對“BASE+4”口進行讀操作，清除 A/D完成位，避免引起系統誤操作。(2). 對“BASE+1”口進行寫操作，選擇模擬輸入通道和程控增益。(3). 對“BASE+0”口進行寫操作，關閉定時觸發(fā)、外觸發(fā)。(4). 對“BASE+2”口進行寫操作，觸發(fā) A/D轉換。(5). 從“BASE+0”口進行讀操作，讀取板狀態(tài)字，檢測 A/D的轉換完成位 是否為“1” 。(6). 當 A/D轉換完成位為“1”后，延時大約 25s。(7). 從“BASE+3”和“BASE+4”口讀取轉換結果。軟件在查詢方式下，用戶編程自行決定在檢測到 A/D轉換完成后延時多長時間，才讀取 A/D轉換結果。對應部分程序代碼如下_outp(base_ad+2,0); /讀基地址 +2位，是否啟動 A/D轉換_inp(base_ad+3); /讀 A/D轉換結果低 8位_inp(base_ad+4) /讀 A/D轉換結果高 4位3 板卡操作15int mydata=ldata|(hdatan2?N=（n1n2）/2nm=n1-n2+1取 n點對應的誤差計算每個采樣點誤差和 n點對應的誤差的偏差求所有偏差的和除以 nm得到總偏差對 nm個點根據最小二乘法確定中線 c的斜率 k和在 y軸的截距由 ykxb 及實際采樣點處的偏差求形狀偏差和斜率偏差返回計算結果及測量值返 回圖 4.8 數據處理程序流程圖304.5.3 數據采樣流程及部分程序代碼采樣函數程序代碼如下 12：double Sample(int n_channel) inty=0;int i=0; /采樣_outp(base_ad+2,0); /寫控制字觸發(fā) A/D轉換初始化讀基地址控制變量讀基地址+3 的數據送給 Ldata送給 Ldata給 6040基地址+2 寫控制程序讀基地址+4 的數據送給 Hdatadata=data-2047Ldata+(Hdata<<8)送給 dataY&0X40=1?data=data*400/1000/4096data=data*400/1000/4096data=data*400/1000/4096data=data*400/1000/4096返回 data圖 4.9 采樣函數流程圖31doy=_inp(base_ad); /讀基地址while(!(y /檢測 A/D轉化是否完成int ldata=_inp(base_ad+3); /讀 A/D轉換低 8位int hdata=_inp(base_ad+4) /讀 A/D轉換高 4位int mydata=ldata|(hdata<<8); /得到采樣數據送入 dataint mydata0=mydata-2047;double sample=0;sample=400;/AD分辨率 400um/10vdouble data=mydata0*sample/1000/4096; /數據運算return data;4.5.4 按鍵掃描流程圖設計初始化 KEY=0i=0Key=i讀 6110值 賦 Nowintdati+i=8Nowintda&(o012*)i<4?32由于整個測量軟件要根據輸入按鍵的狀態(tài)決定什么時候開始測量，具體測量什么項目什么時候測量結束，開始測量時要控制電機帶動運動部件按要求軌跡運動，結束時還要控制電機停止運動。所以按鈕檢測與控制程序就顯的很重要，在按鈕檢測與控制程序中主要完成按鍵的讀取。按鈕檢測與控制程序代碼如下：UINT Testkey(LPVOID)/按鈕檢測與控制int key;while(1)key=-1;/檢測按鍵long NowInData=_inpd(base_in+0); /6110for(int i=0;i<4;i+)if(NowInData&(0x01<<(2*i)key=i;if(key=0|key=1|key=2|key=3)/SetItem 測量項目SetItem=key;/0-齒形左 1齒形右 2齒向上 3齒向下for(i=8;i<10;i+) /8-測量 9停止Nowintdat&(0x01<<2*i)data=data*400/1000/4096data=data*400/1000/4096data=data*400/1000/4096Key=i圖 4.10 按鍵掃描流程圖i<10?Key=i結束33if(NowInData&(0x0100<<(2*i)key=i;if(key!=-1)SetKey=key;return 0;5 伺服機械子系統設計及校核345 伺服機械子系統設計及校核5.1 原理方案設計 13圖 5.1 工作原理：計算機通過計算測量者輸入的數據得到一系列運動信息，傳遞給數控裝置發(fā)出運動的指令脈沖，再經過傳動導向裝置使測頭工作臺與被測齒輪合成理論的漸開線運動，測頭檢測到的信息即為誤差信息，數據采集系統把采集到的數據送給計算機，經過運算得出誤差結果。5.2結構方案設計5.2.1 結構布局EFRS-401MZ齒輪測量機采用立式布局 14。5.2.2 驅動裝置驅動系統：它是使機械結構運動的裝置，伺服驅動裝置是帶有力或力矩或速度或位置反饋并可自動調節(jié)的驅動裝置。要求主要在以下幾方面：高精度、快速響應、無超調、調速范圍寬、穩(wěn)定性要好、快速的應變能力和較長時間的過載能力。綜合選擇，取電機類型為交流伺服電機。被測齒輪計算機 數控驅動裝置 傳動、導向裝置測量裝置結果輸出355.2.3 傳動系統由于此測量機 Z軸部分最終要求絲杠的轉速為 5r/min，正常工作時轉速極低，且測量系統為較高精度的測量，因此采用兩級轉速，考慮到整個測量機的安裝位置，第一級選錐齒輪傳動，傳動效率高，有很大的經濟效益，結構緊湊，工作可靠，壽命長，傳動比穩(wěn)定；第二級選擇同步帶傳動，它可保持恒定的傳動比，傳動精度較高，工作平穩(wěn)，效率高，達 98%，噪音小，不需要潤滑。5.2.4滾動導軌 15導軌是精密機械中用來保證各運動部件相對精度的一個重要部件。滾動導軌具有以下優(yōu)點：運動靈敏度高，沒有爬行現象；定位精度高；牽引力小，移動靈活；主要由導軌、滑塊以及滾珠組成。 5.3 伺服機械子系統設計計算5.3.1 伺服電機的選擇(1). 選擇滾珠絲杠已知正常工作狀態(tài)時絲杠的轉速約為 5r/min，而絲杠的預計壽命為 15000h，由 ， (5.1)610155h LL得出 L=4.5。先初選絲杠的導程為 5mm/r,(5.2)3102.aFmN由 ， (5.3)3aCL因此 33104.516.acF因為受力不大，優(yōu)先選取絲杠的導程為 5mm/r，由因為需要安裝帶輪、軸承等零件，故絲杠軸徑取為 25mm，且預緊方式為雙螺母墊片式。根據表 5-6，選擇絲杠的型號為 CMD2505-2.5。相關參數為：絲杠中徑 25mm，基本導程 5mm/r ,鋼珠直徑為 3.175 mm，絲杠外徑為24.5mm，2.5 圈，一列。(2). 由于測量機 Z軸部分螺母副及滾珠導軌承受的徑向和軸向載荷不大，而36且在測量過程中絲杠的測量速度很慢，為 5r/min，故對電機要求為額定轉速低、響應速度快，本設計選取上海贏雙電機有限公司生產的型號為 YS60SVN200 的交流電機，相關參數如下： 電壓：200v； 額定轉速：200r/min； 最高轉速：500r/min 額定轉矩：2.0nm 安裝尺寸：LA:60mm； LB:116mm； LC:130mm。 5.3.2 設計并校核齒輪(1). 總傳動比分配 16由于伺服電機轉速為 200r/min，最終絲杠轉速為 5r/min，故總傳動比i=n/v= =40，設計傳動系統為兩級減速，第一級采用直齒錐齒輪傳動，第二級采用同步帶傳動減速。分配的傳動比為 i1=6，i 2=40/66.67。(2). 確定齒輪 1）選直齒錐齒輪傳動，精度為 6級，小齒輪與軸加工為一體，硬度為280HBS，大齒輪選用 45#鋼（調質） ，硬度為 240HBS。硬度相差 40HBS。2）查表 2.3-13，取綜合系數 K=1.53） 試驗齒輪的接觸疲勞強度極限，查圖 2.2-10小齒輪接觸疲勞強度： ，lim1650HaMP大齒輪接觸疲勞強度： 。li24） 最小安全系數：查表 2.3-13，取 SHmin=1.15）許用接觸應力：(5.4)limn6054.1.HP Pa6） 功率：(5.5)1 2*6.80*41.9PTWw小齒輪傳遞的額定轉矩：(5.6)553119.0/9.041.9/2.nNm7） 小齒輪分度圓直徑 d1：(5.7)3312 2.014.7.65HPKTdi8）取齒數 ； 。18z2188.z因此 。6ctgctg9）則分錐角 ； 。19.420.543710）大端模數： (5.8)124.71.32.8edmmz取模數的標準值： .5.e11）分度圓直徑 d: 12218.3724.7.0518edzmm12）平均分度圓直徑：(5.9)121.524.70.20.65;360615Rmd13）平均模數: (5.10).71.46.mRm14）外錐距： (5.11)221 64.5.9.uRd（15）齒寬： (5.12)7.9.3Rb m16）大端齒頂高 ha:(5.13)112 1.5;.aahxm17）大端齒根高 hf:(5.14)*112 0.2.371.65;.ffcxmh18）齒頂角 ：a21.,af f19）齒根角：(5.15)1121 .65rctnarctn10779.ffffhRA(3). 校核齒輪由于設計的齒輪為閉式傳動，故應按齒面接觸疲勞強度校核：強度條件： .HHP38計算應力：(5.16)2310.85tHEKAVHmFiZKbd 1查表 2.2-35取 KA=1，2取 KV=1.13 1.5.2.875HHbe4 5Z H=2.5，6查圖 2.3-11，Z E=2.47查圖 2.2-9得 1.58 12094.62tmTFNd9Z K=1，10代入上式，求得(5.17)2310.8594.6.32.51. 1.8751.05367tHEKAVHmFiZKbdMPa 許用應力：(5.18)limli61.9.0534.6.HNLVRWxPZ MPaS由上知 .P故設計的齒輪滿足強度要求，符合條件。5.3.3 同步帶傳動設計1）由于 P1=41.9w，故 (5.20).41.98%57.49dAKw2) 由于 ，120/63./minnr查圖 2.1-3，選帶型為 XXL（超輕型） ，節(jié)距 Pb=3.175mm。3）查表 2.1-14，取小帶輪的齒數 Z1=14。4）小帶輪節(jié)圓直徑(5.21)14.754.16.3bPd5）大帶輪齒數：Z 2=6.67*14=93.38，取為 94。396）大帶輪節(jié)圓直徑：(5.22)2943.1759.0.bZPd m7）帶速：(5.23)1 ax3.4.16.02/3/60nv svs8）初定軸間距： 1212.7ad09. 9.6.4584mm初定 013a9）帶長及帶齒數：(5.24)2210012024167.460.535. dLdam查表 2.1-3，選取帶的齒數 Z=112，L P=355.60mm。帶長代號：140。10）實際軸間距：(5.25)003.9112.2PLam11）小帶輪嚙合齒數：(5.26)2180.914.766265mdZZa故嚙合齒數為 4。12）基本額定功率 P0：查表 2.1-15，得 bs0=6.4mm。Ta查表 2.1-16為 31N。故(5.27)22 2031.05.() 7.810.1amv kw13）帶寬：K z=0.6,(5.28)21.41.400.7169.080dssZPb m標準帶寬 b s,由表 2.1-8查得應選帶寬代號為 025。 .m14）作用在軸上的力 40(5.29)21007.8130.5drPFNv15）帶輪的結構和尺寸，查表 2.1-2，節(jié)距(Pb): 3.175mm； 齒形角 : 50； 齒根厚 s: 1.73;()齒高 hf: 0.76mm； 帶高 hs: 1.52mm； 齒根圓半徑（r r）: 0.20;齒頂圓角半徑(r a）: 0.30mm。16）帶輪材料：HT200,采用漸開線齒形，實心式帶輪。小帶輪為雙邊擋圈，大帶輪為單邊擋圈。5.3.4 導軌設計選用滾動導軌中的雙 V型截面滾珠導軌，工藝性較好，摩擦系數小，導軌運動的靈活性好，承載能力較小，適用于載荷不大，行程較小而運動靈敏度較高的場合。查機電一體化系統設計手冊表 2.9.2直線滾動導軌副的類型和特性，選取 GGA（徑向型）型，它的特性如下：(1)垂向向下和左右水平額定載荷大；(2)對垂向向下載荷的精度穩(wěn)定性好；(3)運行噪聲小。適用于各種電加工機床、各種檢測儀器、工作臺。具體的尺寸見表 2.9-3，各部分參數如下：d0=16mm； B 1=4mm； B 2=26mm；B3=22mm； B 4=16mm； W=9mm，詳盡尺寸見裝配圖。5.3.5 各支承件的設計(1). 軸承的選擇 18錐齒輪部分軸承的選擇：小齒輪與電機的連接： 在電機軸上加工一個鍵槽，采用聯軸器聯結，由于電機軸直徑為 18mm，故選擇鍵的尺寸為 6*6*14， 。大錐齒輪：由于該從動軸基本上不受徑向力，只承受小的軸向力，故采用一對角接觸球軸承，由于連接錐齒輪部分的軸的直徑為 17mm，根據機械設計課程設計手冊P70GB/T292-94，選擇角接觸球軸承的型號為 7203C，基本尺寸為：d=17mm； D=40mm； B=12mm。軸承的下端采用雙螺母固定，根據 GB/T6170-2000,螺母的尺寸為 GB/T 6170 M12， 其中 m=10.5mm。(2). 滾珠絲杠支承選擇滾珠絲杠主要承受徑向載荷，除絲杠自重外，一般無徑向外載荷，因此，滾珠絲杠軸承的軸向剛度和精度要求都較高。進給系統要求運動靈活，對微小位移（絲杠微小轉角）響應要靈敏，因此軸承的摩擦力矩應盡量小。滾珠絲杠41轉速不高，即使高速運轉時間很短，因而發(fā)熱不是主要問題。采用一端固定、一端游動的方式固定在豎直軸上。綜合選用，采用雙向推力角接觸球軸承，它