畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
題目名稱： DL32M 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
所 在 學(xué) 院 ：
機(jī)械工程學(xué)院
專業(yè)（ 班級(jí)）：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化機(jī)英 143
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DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
總計(jì)：畢業(yè)論文表 格
插 圖
摘 要
數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)作為機(jī)床中的重要存在部分，它對(duì)于機(jī)床的工作起著舉足親重的作用。合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)，可以提高機(jī)床的運(yùn)行質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床的使用，極大地降低了人工成本，加工精度更高，加工時(shí)間更短，使得加工產(chǎn)品的質(zhì)量得到保證，對(duì)市場(chǎng)的改變有更好的應(yīng)對(duì)能力。
本次設(shè)計(jì)以 DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為選題，題目涉及電動(dòng)機(jī)的選型、主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面知識(shí)。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：通過(guò)對(duì)比機(jī)床的主傳動(dòng)方式， 根據(jù)切削任務(wù)與實(shí)際相結(jié)合的辦法，首先明確斜床身數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部分，確定主傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式。其次是對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，如皮帶及帶輪的設(shè)計(jì)、主軸設(shè)計(jì)、軸承選型等，最終校核主要傳動(dòng)部件強(qiáng)度，設(shè)計(jì)出斜床身數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的整體裝配圖及整體三維模型。
在本此設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的分析，對(duì)其進(jìn)行可行的設(shè)計(jì)優(yōu)化，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使得主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量得到提高，總體設(shè)計(jì)更加合理，最終達(dá)成本次的設(shè)計(jì)任務(wù)。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；主傳動(dòng)系統(tǒng)；帶傳動(dòng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
Ⅰ
ABSTRACT
The main drive system of the NC machine tool is one of the key parts in the machine tool.Its working ability affects the machine running. The design and optimization of the main drive system of NC machine tool can improve the running quality of NC machine tool. The use of NC machine tool decreased the labour cost and working time which made it had more higher working precision and quality.It had more ability to face the change of market. This desigh is based on the main drive system of DL32M,the oblique bed body Numerical control machine tool. This topic is related to the selection of motor and design of main drive system and other aspects of knowledge. Main design content includes: It compare the main drive mode of machine tool and combine with the cutting task and practice. First, I will define the main parts of main drive system of NC machine tool and then determine the driving mode. Second, I will design and calculate the main parts of drive system, such as the design of belt and belt wheel, main shaft and selection of bearings, etc. Finally, checking strength of main transmission and designing the whole drive system of NC machine tool and
drawing the 3D model.
Through the analysis of the main transmission system and the feasible design optimization, the transmission system had been simplified and the running quality was improved. The wholel design was more reasonable, and the process of the design is simplified.
Keywords: CNC machine tools; Main drive system; Belt drive; Structure design
II
目 錄
摘 要 I
1 緒論 1
1.1 選題的理論意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 發(fā)展趨勢(shì) 2
2 主傳動(dòng)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1 總體結(jié)構(gòu)圖 4
2.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)方案選擇 4
2.3 設(shè)計(jì)任務(wù) 6
2.4 預(yù)選電動(dòng)機(jī) 6
3 主傳動(dòng)系統(tǒng)部件設(shè)計(jì) 8
3.1 帶及帶輪的設(shè)計(jì) 8
3.2 主軸的設(shè)計(jì) 11
4 主傳動(dòng)系統(tǒng)部件校核 17
4.1 主軸的強(qiáng)度校核 17
4.2 鍵連接的強(qiáng)度校核 19
4.3 軸承壽命計(jì)算 19
4.4 軸承潤(rùn)滑方式 20
5 主軸箱箱體設(shè)計(jì) 21
5.1 主軸箱的功用和特點(diǎn) 21
5.2 主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
6 結(jié)論 25
參 考 文 獻(xiàn) 26
附錄 1：外文翻譯 28
附錄 2：外文原文 36
致 謝 43
I
DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 選題的理論意義
數(shù)控機(jī)床為我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的重要機(jī)床對(duì)促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)進(jìn)一步發(fā)展具有極為重要的作用。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的重要指標(biāo)是高速度、高精度，高速度、高精度加工技術(shù)不僅可以使生產(chǎn)效率大幅提高，對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量同樣有著極大的促進(jìn)作用，由于效率的提高，生產(chǎn)周期縮短，使得產(chǎn)品更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)作為機(jī)床中的重要存在部分，它對(duì)于機(jī)床的工作起著舉足輕重的作用。數(shù)控機(jī)床的使用，極大地降低了人工成本，加工精度更高，加工時(shí)間更短，使得加工產(chǎn)品的質(zhì)量得到保證，對(duì)市場(chǎng)的改變有更好的應(yīng)對(duì)能力。合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)，可以提高機(jī)床的運(yùn)行質(zhì)量，從而為提高機(jī)床整體運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行效率奠定基礎(chǔ)。
1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
主傳動(dòng)系統(tǒng)一般由動(dòng)力源（電機(jī)）、傳動(dòng)系統(tǒng)（定比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速裝置）和運(yùn)動(dòng)控制裝置（離合器、制動(dòng)器等）以及執(zhí)行件（主軸）等組成，是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的
[2]。它將主電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為切削扭矩和切削速度，可用于主軸上的刀具。為了適應(yīng)不
同的加工形式和加工方法，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有較大的調(diào)速范圍，以保證加工過(guò)程中合理選擇切削參數(shù)，同時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有較高的精度和剛度，并盡可能降低噪聲， 從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量[2]。
近年來(lái)，車(chē)床主軸出現(xiàn)了直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)。這種傳動(dòng)技術(shù)有兩種結(jié)構(gòu)方式:一種是用交流變頻主軸電機(jī)通過(guò)剛性聯(lián)軸節(jié)直接傳動(dòng)車(chē)床主軸，另一種是采用內(nèi)裝式交流變頻主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，國(guó)外也稱此為集成主軸。后一種結(jié)構(gòu)中，車(chē)床主軸就是電機(jī)轉(zhuǎn)子。目前主軸直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)推廣得很快，已成機(jī)床主傳動(dòng)的一種發(fā)展趨勢(shì)。如日本森精機(jī)公司生產(chǎn)的 SL 系列和 ZL 系列數(shù)控車(chē)床上就采用了交流變頻主軸電機(jī)通過(guò)剛性聯(lián)軸節(jié)直接傳動(dòng)車(chē)床主軸的形式，使產(chǎn)品性能得到了提高，又如大限鐵工所的 LR 系列和 FTL 系列數(shù)控車(chē)床上采用了內(nèi)裝式交流變頻主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸的結(jié)構(gòu)，再如德國(guó)的埃馬格(EMAG)公司和日本山崎公司均在新產(chǎn)品上采用了直接驅(qū)動(dòng)主軸技術(shù)。
數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)中,目前多采用交流伺服電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng),可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械機(jī)構(gòu),便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速、連續(xù)變速和負(fù)載下變速[3]。為擴(kuò)大調(diào)速范圍,適應(yīng)低速大扭矩的要求,也經(jīng)常應(yīng)用齒輪有級(jí)調(diào)速和電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。當(dāng)前主要的主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有三種傳動(dòng)方式：
(1) 變速齒輪傳動(dòng)方式
26
一般大中型數(shù)控機(jī)床都采用這種方式。通過(guò)多對(duì)齒輪減速，使其分段無(wú)級(jí)變速，保證低速時(shí)的輸出扭矩，少數(shù)小型數(shù)控機(jī)床因?yàn)樾枰^大的輸出扭矩，所以也采用這種傳動(dòng)方式。
(2) 帶傳動(dòng)方式
這種方法主要用于高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)速范圍的小型數(shù)控機(jī)床。電機(jī)的調(diào)速可以滿足要求， 不需要換檔，避免了齒輪傳動(dòng)帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲的缺點(diǎn)。通常有同步齒輪帶、v 帶、平帶和 v 帶。
（3）調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)
調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)實(shí)際等同于電主軸驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子即為主軸，這種驅(qū)動(dòng)方式使得機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈環(huán)節(jié)得到極大的簡(jiǎn)化，有效地提高了主軸部件的剛度，雖然主軸能夠進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，但輸出扭矩較小，電機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸的精度影響較大[5]。
國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)數(shù)控車(chē)床的研究時(shí)間較長(zhǎng)，而且經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)水平較高，其特點(diǎn)如下:
（1)高速高精與多軸加工成為數(shù)控車(chē)床的主流，納米控制已經(jīng)成為高速高效加工的潮流；
（2)多任務(wù)、多軸加工數(shù)控車(chē)床越來(lái)越多地應(yīng)用到航空航天、能源、汽車(chē)及船舶等行業(yè)；
（3）智能化加工與監(jiān)測(cè)功能不斷擴(kuò)充，車(chē)間的加工監(jiān)測(cè)與管理可實(shí)時(shí)獲取機(jī)床本身的狀態(tài)信息，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)機(jī)床的狀態(tài)，提前進(jìn)行相關(guān)的維護(hù)，避免事故的發(fā)生，減少機(jī)床的故障率，提高機(jī)床的利用率；
(4) 機(jī)床誤差檢測(cè)與補(bǔ)償功能越來(lái)越強(qiáng)大，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)機(jī)床的補(bǔ)償測(cè)量。與傳統(tǒng)的激光干涉儀相比，對(duì)機(jī)床誤差的補(bǔ)償精度能夠提高 3-4 倍，同時(shí)效率得到大幅度提升；
(5) 最新的 CAD/CAM 技術(shù)為多軸、多任務(wù)數(shù)控車(chē)床提供了強(qiáng)有力的支持，可以大幅度提高加工效率。
1.3 發(fā)展趨勢(shì)
（1） 高精度化
當(dāng)代工業(yè)產(chǎn)品對(duì)精度的要求越來(lái)越高，在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，各種加工精度補(bǔ)償技術(shù)得以發(fā)展和應(yīng)用；機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的提高，大大提升了加工表面質(zhì)量；同時(shí)，各種高性能新型材料在機(jī)床結(jié)構(gòu)制造中的使用，使得數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)精度顯著提高。
（2） 動(dòng)力功率高
由于對(duì)高效率日益增長(zhǎng)的要求，加之刀具材料和技術(shù)的進(jìn)步，大多數(shù) NC 機(jī)床均要求有足夠高的功率來(lái)滿足高速?gòu)?qiáng)力切削。一般 NC 機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)功率在 3.7～250 kW。
（3） 調(diào)速范圍寬
調(diào)速范圍有恒扭矩、恒功率調(diào)速范圍之分?，F(xiàn)在，數(shù)控機(jī)床的主軸調(diào)速范圍一般在100～10000r/min，且能無(wú)級(jí)調(diào)速。要求恒功率調(diào)速范圍盡可能大，以便在盡可能低的速度下，利用其全功率。變速范圍負(fù)載波動(dòng)時(shí)，速度應(yīng)穩(wěn)定。
（4） 控制功能的多樣化
主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制功能需要有：NC 車(chē)床車(chē)螺紋時(shí)主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的同步控制功能，加工中心自動(dòng)換刀、NC 車(chē)床車(chē)螺紋時(shí)用主軸準(zhǔn)停功能，NC 車(chē)床在進(jìn)行端面加工時(shí)需要恒線速切削功能，在車(chē)削中心中，需要有C 軸控制功能。
（5） 性能要求高
電機(jī)過(guò)載能力強(qiáng)。要求有較長(zhǎng)時(shí)間（1～30min）和較大倍數(shù)的過(guò)載能力；在斷續(xù)負(fù)載下，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)要?。凰俣软憫?yīng)要快，升降速時(shí)間要短；電機(jī)溫升低，振動(dòng)和噪音?。豢煽啃愿?，壽命長(zhǎng)，維護(hù)容易；體積小，質(zhì)量輕，與機(jī)床聯(lián)接容易[4]。
2 主傳動(dòng)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
2.1 總體結(jié)構(gòu)圖
1. 電動(dòng)機(jī)托架 2.電動(dòng)機(jī) 3.小帶輪 4.大帶輪. 5 主軸 6.編碼器 7.主軸箱 8.斜床身圖 2.1 總體結(jié)構(gòu)圖
總體結(jié)構(gòu)圖如圖所示，為了突出設(shè)計(jì)部分，斜床身只畫(huà)了局部，大小有修改。從總體結(jié)構(gòu)圖上看，設(shè)計(jì)部分為從電動(dòng)機(jī)到電動(dòng)機(jī)帶輪及主軸帶輪的尺寸設(shè)計(jì)，主軸以及主軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)方案選擇
數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)要求較大的調(diào)速范圍，是為了在切削過(guò)程中選擇合適的參數(shù)來(lái)加工工件，從而使機(jī)床的生產(chǎn)效率、加工精度和表面質(zhì)量得到更好的處理[2]。機(jī)床的一切運(yùn)行都是由控制指令完成的，而其中機(jī)床的變速機(jī)構(gòu)自動(dòng)運(yùn)行的動(dòng)作則是控制指令的直接
體現(xiàn)。大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有以下三種傳動(dòng)方式：
(1) 變速齒輪傳動(dòng)方式
一般大中型數(shù)控機(jī)床都采用這種方式。通過(guò)多對(duì)齒輪減速，使其分段無(wú)級(jí)變速，保證低速時(shí)的輸出扭矩，少數(shù)小型數(shù)控機(jī)床因?yàn)樾枰^大的輸出扭矩，所以也采用這種傳動(dòng)方式。
圖 2.1 變速齒輪傳動(dòng)
(2) 帶傳動(dòng)方式
這種方法主要用于高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)速范圍的小型數(shù)控機(jī)床。電機(jī)的調(diào)速可以滿足要求， 不需要換檔，避免了齒輪傳動(dòng)帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲的缺點(diǎn)。通常有同步齒輪帶、v 帶、平帶和 v 帶。
圖 2.2 帶傳動(dòng)
（3）調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)
調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)實(shí)際等同于電主軸驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子即為主軸，這種驅(qū)動(dòng)方式使得機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈環(huán)節(jié)得到極大的簡(jiǎn)化，有效地提高了主軸部件的剛度，雖然主軸能夠進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，但輸出扭矩較小，電機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸的精度影響較大[5]。
圖 2.3 調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)
通過(guò)比較，選取帶傳動(dòng)作為主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。帶傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)于齒輪傳動(dòng)來(lái)說(shuō)，傳動(dòng)精度更高，無(wú)滑動(dòng)，傳動(dòng)過(guò)程沒(méi)有較大磨損且傳遞噪聲較??；相對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，帶傳動(dòng)傳遞轉(zhuǎn)矩更大，且不會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱情況?？傮w對(duì)比，帶傳動(dòng)的使用范圍更廣， 速度可達(dá) 10m/s，傳遞功率范圍大，維修保養(yǎng)方便，不需要潤(rùn)滑。
2.3 設(shè)計(jì)任務(wù)
主傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配圖，設(shè)計(jì)主軸 A2-11 主軸頭，φ100mm 通孔，前端軸承安裝位置直徑φ170mm；假定切削直徑 600mm 的 45 鋼，線速度 120m/min,進(jìn)給量 0.5mm/z,切深 3mm，滿足以上要求選型電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的主軸帶輪主電機(jī)帶輪，減速比 2-3 之間，選型主軸軸承，要求滿足最大轉(zhuǎn)速 1500rpm。
2.4 預(yù)選電動(dòng)機(jī)
在數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)中,目前多采用交流伺服電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng),因?yàn)闊o(wú)極調(diào)速系統(tǒng)可以滿足在不同情況下的變速情況。而主軸要求的變速范圍一般遠(yuǎn)大于電機(jī)的變速范圍，所以電動(dòng)機(jī)與主軸之間都會(huì)有變速裝置。
根據(jù)切削任務(wù)，切削直徑 600 的 45 鋼，v=120m/min, f=0.5mm/z, a=3mm,刀具的材料選取硬質(zhì)合金，根據(jù)《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》[6]式 2.1，計(jì)算切削力：
??????
?? = ?? ? ?? ? ???????? ? ??
? ???????? (2.1)
?? ???? ?? ????
其中，ap，f, v 分別為背吃刀量，進(jìn)給量，切削速度。
CFZ 由被加工的材料性質(zhì)和切削條件決定，CFZ=1433，xFZ 、yFZ 、nFZ 分別為 ap、f、v 的指數(shù)，分別為 1.0、0.75、-0.15。
???? = 2303.8N 。切削功率PC:
取主傳動(dòng)總效率η = 0.8。主軸轉(zhuǎn)速:
???? = ???? ?? (2.2)
???? = 4.6????
?? = 1000??
????
=63.7r/min
(2.3)
減速比為 2~3，取 i=3,V 電機(jī)=191.1r/min。
?? = ????
??
=5.75KW
(2.4)
初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為αiIp22/6000?？紤]到機(jī)床實(shí)際切削情況，為滿足多種切削任務(wù)， 最終選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為αiIp50/6000。P 額=22kW，低速繞組最大轉(zhuǎn)速為 1500r/min，高速繞組最大轉(zhuǎn)速為 6000r/min。
3 主傳動(dòng)系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)
3.1 帶及帶輪的設(shè)計(jì)
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》[7],選擇 V 帶傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率 P=22kW，根據(jù)本次任務(wù)選擇低速繞組轉(zhuǎn)速 1500r/min。 減速比 i=3，設(shè)每天工作 10h。
3.1.1 確定計(jì)算功率 Pca
由式 3.1，取工作情況系數(shù) KA=1.1
KA 為工況系數(shù)，P 為電機(jī)額定功率。
Pca = 24.2kW
3.1.2 選擇 V 帶帶型
根據(jù)圖 3.1，
?????? = ???? ? ?? (3.1)
圖 3.1 帶輪轉(zhuǎn)速圖
由計(jì)算功率 Pca,轉(zhuǎn)速 n,選擇 B 型帶。
3.1.3 確定帶輪基準(zhǔn)直徑dd 并驗(yàn)算帶速
（1） 初選小帶輪基準(zhǔn)直徑dd1=160mm。
（2） 按式 3.2 驗(yàn)算帶的速度
?? = ??????1 ??1 (3.2)
60×1000
v=12.6m/s。帶速范圍滿足 5m/s
120°
??1
≈ 180° ? （????2
? ????1
） 57.3°
??
(3.8)
3.1.6 計(jì)算帶的根數(shù)
（1） 單根 V 帶功率 Pr
由dd1 = 160mm，n1 = 1500r/min，得 P0=3.7kW。 根據(jù) n1=1500r/min，i=3，B 型帶，得△P0=0.48KW。查表 3.2
表 3.2 包角修正系數(shù)Ka
包 角
a1
220
210
200
190
180
170
160
Ka
1.2
0
1.1
5
1.1
0
1.0
5
1.0
0
0.9
8
0.9
5
得 Kα=1，KL=1.03，于是
Pr = ( P0 +△ P0) ? Kα ? KL (3.9)
Pr=4.31kW
（2） 計(jì)算 V 帶的根數(shù) Z 由式 3.10 計(jì)算：
Z=5.61,取 6 根。
Z = Pca (3.10) Pr
3.1.7 計(jì)算單根 V 帶的初拉力F0
由表 3.3 得 B 型帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量 q=0.17kg/m，
表 3.3 V 帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量
帶型
Y
Z
A
B
C
D
E
q/(kg/m)
0.023
0.060
0.105
0.170
0.300
0.630
0.970
所以
F0=267N。
3.1.8 計(jì)算壓軸力 Fp
??0
= 500 (2.5?????)?????? + ????2 (3.11)
????????
Fp=3204N。
Fp=2zF0sinα1
2
(3.12)
3.1.9 確定帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸
（1）帶輪結(jié)構(gòu)選擇
V 帶輪輪輻結(jié)構(gòu)的不同，可以分為以下幾種型式：
實(shí)心式：用于帶輪基準(zhǔn)直徑為(dd≤(2.5～3)d)，如圖 3.2a； 腹板式：用于帶輪基準(zhǔn)直徑為(dd≤300mm)，如圖 3.2b；
孔板式：用于帶輪基準(zhǔn)直徑為(dd–d﹥100mm)，如圖 3.2c； 橢圓輪輻式：用于帶輪基準(zhǔn)直徑為(dd＞500mm)，如圖 3.2d。
圖 3.2 帶輪結(jié)構(gòu)類(lèi)型圖
根據(jù) V 帶輪結(jié)構(gòu)的選擇條件，由新版主軸電動(dòng)機(jī)查得αiIp50/6000 型電動(dòng)機(jī)主軸直徑為 d=60mm，所以αiIp50/6000 型電動(dòng)機(jī)主軸帶輪選擇腹板帶輪，主軸帶輪選用孔板帶輪。
3.2 主軸的設(shè)計(jì)
3.2.1 主軸軸徑的確定
主軸直徑包含三個(gè)參數(shù):主軸前軸頸 D1，后軸頸 D2，主軸平均直徑 D。在結(jié)構(gòu)上三者關(guān)系[5]：
D1=（1.10～1.15）D;
D2=（0.85～0.90）D 或 D2=（0.7～0.8）D1。
對(duì)幾種常見(jiàn)通用機(jī)床鋼質(zhì)主軸的前軸頸直徑 D1，根據(jù)切削功率選定前軸徑 D1=170mm， D2=150mm。
3.2.2 主軸內(nèi)孔直徑d 的確定
主軸內(nèi)孔直徑主要用來(lái)通過(guò)棒料、鏜桿等?？讖降拇笮∨c機(jī)床的工作性質(zhì)有關(guān)。確定孔徑 d 的原則是: 當(dāng)主軸的空心直徑d 不大于主軸的平均直徑D 的 0.5 倍時(shí)，一般對(duì)主軸的剛度影響不大。在滿足上述工藝要求且對(duì)主軸剛度不產(chǎn)生影響的情況下，為使主軸減輕重量，盡量取選取較大值?？箯澖孛鎽T性 I 是孔徑對(duì)主軸剛度影響的體現(xiàn)，抗彎截面慣性I 與主軸本身的剛度正比，根據(jù)他們的關(guān)系公式：
I 空 = π（ D4?d4）/64 = 1 ? (d)4 （3.13）
I實(shí) πD4 /64 D
圖 3.3 孔徑 d 對(duì)主軸剛度的影響曲線
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主軸通孔直徑選取 100mm。
3.2.3 軸承型號(hào)的選擇
因?yàn)橹鬏S在切削過(guò)程中同時(shí)受到軸向力和徑向力的作用，角接觸球軸承可以滿足這個(gè)要求，角接觸球軸承軸承在使用中成對(duì)配用，這樣還可以提高預(yù)緊力。主軸前端選用三列角接觸球軸承組配方式，一組反裝角接觸球軸承加單個(gè)角接觸球軸承如圖 3.4。主軸后端采用一個(gè)雙列圓柱滾子軸承，如圖 3.5。根據(jù)主軸軸徑，主軸前端軸徑為 170mm， 所以選用 7034AC 型角接觸球軸承。主軸后端軸徑為 150mm，選用 NN3030 型雙列圓柱滾子軸承。
圖 3.4 三聯(lián)角接觸球軸承
圖 3.5 雙列圓柱滾子軸承
3.2.3 主軸懸伸量a 確定
主軸懸伸量a 是指主軸前端到主軸前支承中點(diǎn)的距離。懸伸量 a 的大小主要由主軸端部結(jié)構(gòu)形式、尺寸、前支承的軸承配置和密封裝置等決定,確定懸伸量 a 的原則是:在滿足結(jié)構(gòu)要求、強(qiáng)度要求的前提下盡可能取較小值。a 暫定 130mm。
3.2.4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
主軸軸向尺寸確定：
首先，由于主軸的空心直徑為 100mm，計(jì)算出主軸前徑為 170mm，后徑為 150mm。從前向后看，由于采用 A2-11 主軸頭，主軸頭尺寸均可以確定。
主軸頭左側(cè)做一軸肩，為角接觸球軸承右側(cè)限位。軸肩左側(cè)為三聯(lián)角接觸球軸承組， 已知 7034AC 型角接觸球軸承寬度為 42mm，三組為 126mm，為使一組反裝角接觸球軸承更好的轉(zhuǎn)動(dòng)，彼此減小影響，在二三角接觸球軸承中間加入隔套，寬度為 30mm。第三個(gè)角接觸球軸承左側(cè)設(shè)置一軸套，為軸承端左限位，同時(shí)軸套左側(cè)加一限位螺母，防止軸承向左竄動(dòng)。
接著左端為一光軸，由軸承跨距公式暫定軸承跨距為 600mm。左支撐處設(shè)計(jì) 1:12 的錐度，跨度為雙列圓柱滾子軸承的寬度 56mm。設(shè)置錐度的是為了當(dāng)雙列圓柱滾子軸承因?yàn)槭芰Φ脑蚨蛴腋Z動(dòng)時(shí)，由于軸段是有錐度，使得軸承越向右，配合越緊。雙列圓柱滾子軸承左側(cè)為端蓋，寬度為 34mm,與主軸箱配合的同時(shí)，防止軸承向左竄動(dòng)。端蓋左側(cè)為限位螺母，寬度為 34mm,起軸向定位的作用。螺母左側(cè)為編碼器的測(cè)速小帶輪， 寬度為 18mm，測(cè)速小帶輪右側(cè)有一軸肩，防止向右竄動(dòng)。軸肩處做一退刀槽，如圖 3.6 所示，防止應(yīng)力集中且減小小帶輪與軸肩的摩擦。測(cè)速小帶輪左側(cè)為主軸大帶輪，寬度為 152mm。大帶輪左側(cè)為限位螺母，防止大帶輪向左竄動(dòng)。
圖 3.6 退刀槽
主軸徑向尺寸確定：
從主軸頭向左開(kāi)始確定。因?yàn)?A2-11 主軸頭尺寸確定，所以主軸最大直徑為 280mm。主軸前徑為 170mm，為使角接觸球軸承更好的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承右側(cè)軸肩處直徑設(shè)置為 185mm。光軸直徑設(shè)為 165mm，帶輪處直徑設(shè)置為 140mm。
圖 3.7 主軸頭端部
Ⅰ-Ⅱ?yàn)槁菁y端，長(zhǎng)度為 36mm,軸徑為 140mm，選用 M140×2 螺母;
Ⅱ-Ⅲ為主軸與大帶輪連接部分，選用普通 A 型平鍵，鍵長(zhǎng) l=160mm;軸徑為 150mm； Ⅲ-Ⅳ為螺紋段，長(zhǎng)度為 38mm，選用 M150×2 螺母限位；
Ⅳ-Ⅴ為主軸左透蓋，寬度為 34mm;
Ⅴ-Ⅵ為雙列圓柱滾子軸承安放位置，雙列圓柱滾子軸承 NN3030 型寬 56mm； Ⅵ-Ⅶ長(zhǎng)度為 370mm；軸徑為 166mm；
Ⅶ-Ⅷ為螺紋段，長(zhǎng)度為 44mm，選用 M170×3 螺母；軸徑為 170mm； Ⅷ-Ⅸ為 7034AC 角接觸球軸承安放位置，長(zhǎng)度為 183mm;
Ⅸ-Ⅹ設(shè)置一軸肩，寬度為 26mm；軸徑為 186mm；
Ⅹ-Ⅺ為主軸頭位置，主軸前端規(guī)格選擇為 A2-11 主軸頭。主軸最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 3.8：
圖 3.8 主軸的結(jié)構(gòu)圖
4 主傳動(dòng)系統(tǒng)部件校核
4.1 主軸的強(qiáng)度校核
4.1.1 計(jì)算支撐反力
為計(jì)算支撐反力，制作主軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖 4.1 所示：
計(jì)算軸承反力水平面：
垂直面：
圖 4.1 軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖
∑Fy = 0，F(xiàn)t + Ft2 = 0, Ft2 = 824N
∑F?? = 0
Fp + Fn1 + Fn2 + Fz = 0
∑Mz = 0
Fp ???1 + ????2 ???2 = ?????（??2 + ?? 3）
計(jì)算得：Fn1 = 3569N， Fn2 = 1938N
4.1.2 計(jì)算截面彎矩
（1） 垂直面上截面B 處的彎矩：
MBy =611964N?mm。
垂直面上截面C 處的彎矩：
MCZ=287875 N?mm。
（2） 水平面上截面B 處的彎矩：
MBZ= Fp?L1 （4.3）
MCZ= Fz?L3 （4.4）
MBy=472152
水平面上截面C 處的彎矩：
MCy =103000 N?mm。
（3） 總彎矩
MBy=Ft2?L2 （4.5）
MCy=Ft?L3 （4.6）
??1 = √??2 + ??2 （4.7）
??1=772934N?mm。
????
????
??2 = √??2 + ??2 （4.8）
??2=305746N?mm。
（4） 主軸扭矩
????
????
T=420200 N?mm。
T = 9549 ?? （4.9）
??
4.1.3 按彎矩合成應(yīng)力校核
軸上承受最大彎矩和扭矩的截面是截面B，所以根據(jù)軸的彎扭合成條件，由式4.10：
?? = √??2 +(????)2 ≤ [??
] （4.10）
確定公式內(nèi)各參數(shù)值：
σ —軸的計(jì)算應(yīng)力， MPa ；
ca
???? ?? ?1
M—軸所受彎矩，M1 = √M2 + M2 =772934N?mm；
By Bz
T—軸所受扭矩，T=420200 N?mm；
W—軸的抗彎截面系數(shù)，由軸的截面形狀確定，因?yàn)橹鬏S的危險(xiǎn)截面處為空心軸，根據(jù)
W = 0.1d3(1 ? (d1)4) = 321300mm3;
d
[σ ] —對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力,查得 [σ ]=60Mpa;
?1 ?1
計(jì)算σ ：
ca
將上述參數(shù)值帶入軸的彎扭合成條件：
√M2+(αT)2
σ =
ca W
=2.53Mpa≤ [σ
?1
]=60Mpa
故主軸的強(qiáng)度滿足要求。
4.2 鍵連接的強(qiáng)度校核
普通 A 型平鍵（GB/T 1096）,b×h×L=36×20×160,連接方式為靜連接，取得許用壓應(yīng)力[????] =120Mpa.
鍵連接強(qiáng)度計(jì)算公式見(jiàn)式 4.11：
確定公式內(nèi)各參數(shù)值：
???? －工作面擠壓應(yīng)力，MPa ； T －傳遞的轉(zhuǎn)矩，N?m；
????
= 2000?? (4.11)
??????
k －鍵與輪轂鍵的接觸高度，k=10mm;
d－軸的直徑，mm；d=140 mm; 鍵連接傳遞轉(zhuǎn)矩
T=105.05MPa。
T = 9550 ?? (4.12)
??
將上述各參數(shù)值帶入鍵連接強(qiáng)度計(jì)算公式，得：
????=1.21MPa<[????] =120Mpa 鍵連接強(qiáng)度滿足要求。
4.3 軸承壽命計(jì)算
角接觸球軸承型號(hào)為 7034AC，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得基本額定動(dòng)載荷：C=310kN。軸向力 Fa=902N,單個(gè)軸承承受徑向力為 745N。軸承當(dāng)量動(dòng)載荷 P:
因?yàn)镕a=1.2>e=0.68,
Fr
查軸承的徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)為： X=0.41，Y=0.87，按設(shè)計(jì)要求（軸承運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)），根據(jù)中等沖擊載荷的選取方式取載荷系數(shù)fd=1.5：
P = ????(?????? + ?????? ) （4.11）
P =1635N。
軸承壽命計(jì)算公式：
?? = 106 (??)?? （4.12）
? 60?? ??
式中：n—轉(zhuǎn)速，r/min；
C—基本額定動(dòng)載荷，C=310KN； P—軸承當(dāng)量動(dòng)載荷, P =1635N；
ε—壽命指數(shù)，滾子軸承所以取 10/3。
將上述各參數(shù)值帶入軸承基本額定壽命計(jì)算公式[1]，得：
??? = 1.67 × 1023h。
雙列圓柱滾子軸承型號(hào)為 NN3030 型，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得基本額定動(dòng)載荷：C= 335000N，因?yàn)殡p列圓柱滾子軸承只承受徑向力，當(dāng)量動(dòng)載荷為 P 等于徑向力 Fp=3204N。按設(shè)計(jì)要求（軸承運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)），取載荷系數(shù)fd=1.5，ε取 10/3。將上述各參數(shù)值帶入軸承基本額定壽命計(jì)算公式，得：
??? = 1.73 × 1021h。
4.4 軸承潤(rùn)滑方式
滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑方式由 dn 值來(lái)確定，d 為軸承的內(nèi)徑，n 為軸的轉(zhuǎn)速。雙列圓柱滾子軸承：
dn = 7.5 × 104mm?r/min ≤ 12 × 104mm?r/min 。雙列圓柱滾子軸承的潤(rùn)滑方式為脂潤(rùn)滑。
角接觸球軸承：
dn = 8.5 × 104mm?r/min ≤ 16 × 104mm?r/min 。角接觸球軸承的潤(rùn)滑方式為脂潤(rùn)滑。
5 主軸箱箱體設(shè)計(jì)
5.1 主軸箱的功用和特點(diǎn)
箱體主要起到支撐和保護(hù)主軸的作用，所以必須按照主軸的尺寸設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。主軸箱要通過(guò)自己的裝配基準(zhǔn)，把整個(gè)部件裝到床身上去。主軸箱的加工質(zhì)量對(duì)機(jī)床的工作精度和使用壽命有著重要影響[8]
作為主軸與斜床身的樞紐，主軸箱體與斜床身的裝配對(duì)主軸的加工有著至關(guān)重要的影響。主軸箱不僅需要按照設(shè)定的要求進(jìn)行動(dòng)力的傳動(dòng)，而且要保證在主軸切削過(guò)程中的位置精度以及箱體與斜床身的位置關(guān)系精度。主軸箱要防止?jié)櫥屯饬骱突覊m、污物浸入的殼形零件，自身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，尺寸比較大。
鑄鐵具有良好的鑄造性能和切削加工性能，且成本低，故主軸箱箱體采用 HT250 制造。
圖 5.1 主軸箱箱體三維圖
5.2 主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
斜床身數(shù)控機(jī)床主軸箱與傳統(tǒng)主軸箱有所不同，箱體的連接部分為與斜床身一樣具有斜面，并通過(guò)地腳螺栓和斜床身連接。為盡量避免切削過(guò)程中產(chǎn)生較大震動(dòng)，要求連接部分必須有足夠的支撐剛度，選擇 M20 螺栓按圖 5.2 排列。螺栓之間的距離與主軸箱和斜床身配合面有關(guān)，因?yàn)樾贝采砼c主軸箱的裝配位置固定，接觸面之間的距離固定， 螺栓的固定范圍可以確定。
圖 5.2 螺栓排列方式
箱體側(cè)面如圖 5.3 所示。為與斜床身配合，主軸箱底部為一斜面，斜度與斜床身相同。其中，箱體中間有一 直徑 140mm 的空心孔，在不影響箱體工作性能的前提下，盡可能減輕主軸箱的質(zhì)量，減少裝配面的壓力。虛線部分為主軸箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖 5.3 主軸箱側(cè)視圖
主軸箱的正視半剖視圖如圖 5.4。
圖 5.4 主軸箱的正視半剖視圖
主軸箱體最重要的結(jié)構(gòu)之一為主軸箱和主軸裝配的部分。因?yàn)橹鬏S的尺寸均已確定， 主軸箱為與主軸配合，內(nèi)部尺寸按照和主軸的配合尺寸設(shè)計(jì)。主軸箱外壁為不平整平面 的原因，是因?yàn)樵阼T造成型后為加速冷卻。
圖 5.5 主軸箱俯視圖
圖 5.5 為箱體俯視圖。箱體上側(cè)有一矩形通孔，通過(guò)通孔可以看到主軸箱的內(nèi)部裝配情況。通孔的設(shè)計(jì)一方面是為了安裝銘牌，另一方面是當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，不需要將整個(gè)主軸箱從斜床身上拆下，方便維修。
6 結(jié)論
主傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)床運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，它傳動(dòng)方式的選擇決定機(jī)床切削的性能和效率。本次設(shè)計(jì)是結(jié)合大連機(jī)床廠 DL32M 斜床身數(shù)控機(jī)床而提出的設(shè)計(jì)任務(wù)，首先是通過(guò)切削任務(wù)選擇電動(dòng)機(jī)，通過(guò)相關(guān)計(jì)算設(shè)計(jì)帶輪及皮帶的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)主軸結(jié)構(gòu)，校核主軸強(qiáng)度，以及主軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),最終達(dá)成主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。
通過(guò)對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以明確的了解其工作過(guò)程。首先是電動(dòng)機(jī)的工作性能， 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性對(duì)機(jī)床切削過(guò)程有著直接影響，因?yàn)闄C(jī)床所需的轉(zhuǎn)速范圍電動(dòng)機(jī)往往無(wú)法直接達(dá)到，必須通過(guò)相關(guān)的變速機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。本次設(shè)計(jì)中遇到了一些困難，最大的難題在于主軸的設(shè)計(jì)過(guò)程。主軸結(jié)構(gòu)為空心階梯軸形式，主軸強(qiáng)度和空心尺寸有關(guān)， 空心軸軸和實(shí)心軸不同點(diǎn)在于各項(xiàng)尺寸沒(méi)有相關(guān)的設(shè)計(jì)步驟，我按照主軸上各個(gè)零件的排布，查找設(shè)計(jì)相關(guān)的零件尺寸，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出后進(jìn)行強(qiáng)度校核，最終完成空心階梯軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
本次設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的分析，對(duì)其進(jìn)行可行的設(shè)計(jì)優(yōu)化，尤其是在驅(qū)動(dòng)方式的選擇上，對(duì)于主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量以及穩(wěn)定性有一定提高，最終達(dá)成本次的設(shè)計(jì)任務(wù)。
參 考 文 獻(xiàn)
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附錄 1：外文翻譯
數(shù)控機(jī)床控制的發(fā)展趨勢(shì)
Yuri Nikitin a , Yuri Turygin a , Ella Sosnovich a , Pavol Bo?ek b 摘要
這篇文章對(duì)利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器人學(xué)的新可能性進(jìn)行了評(píng)述。它涉及一種新型慣性測(cè)量系統(tǒng)在機(jī)器人工作場(chǎng)所標(biāo)定中的應(yīng)用。校準(zhǔn)是必要的, 它使生產(chǎn)裝置的仿真模型能夠適應(yīng)實(shí)際的幾何條件。目標(biāo)是研究和開(kāi)發(fā)一種新型的基于電子陀螺、磁、氣壓傳感器的組合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。關(guān)鍵的步驟集中在三個(gè)基本領(lǐng)域:
1. 第一個(gè)目標(biāo)是分析加速度和陀螺傳感器及其利用慣性導(dǎo)航的可能性。模擬了不同計(jì)量參數(shù)的傳感器對(duì)所提出的組合導(dǎo)航系統(tǒng)性能的影響；
2. 第二個(gè)目標(biāo)是優(yōu)化一個(gè)專門(mén)的處理器系統(tǒng), 用于處理與工業(yè)機(jī)器人控制項(xiàng)目有關(guān)的已定義傳感器的數(shù)據(jù)。關(guān)于使用的處理器系統(tǒng)的組合導(dǎo)航算法的建議；
3. 第三個(gè)目標(biāo)是在工業(yè)機(jī)器人操作的實(shí)際條件下, 對(duì)所提出的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
1. 導(dǎo)言
當(dāng)前需要生產(chǎn)技術(shù)的地方對(duì)機(jī)械化的應(yīng)用, 自動(dòng)化和自動(dòng)化的生產(chǎn)過(guò)程有要求。不久以前, 工業(yè)機(jī)器人被應(yīng)用到更低要求的工作，執(zhí)行命令，同步單個(gè)生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)的活動(dòng)。目前, 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量的要求, 對(duì)于新的復(fù)雜工藝程序以及復(fù)雜的工藝機(jī)制的構(gòu)建, 都非?？量糖以诓粩嘣黾?。為滿足這些要求, 制定新的技術(shù)程序是不夠的。新的自動(dòng)化和機(jī)器人設(shè)備的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和建設(shè)及現(xiàn)代化是重要的。在生產(chǎn)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要的機(jī)器人特性體現(xiàn)在其準(zhǔn)確性和他們執(zhí)行一個(gè)精確地被定義的過(guò)程,行動(dòng)或是編程的軌道或其他空間操作。目前的空間需求以及空間的有效利用, 使得機(jī)器人總是在約束條件下運(yùn)行。刀具的運(yùn)動(dòng)或組件的操作需要最高的精度。工業(yè)機(jī)器人是位置傳感器, 用于確定機(jī)器人零件的當(dāng)前位置 (手爪, 胳膊) 為沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的位置測(cè)量，以下情適用:
·攝影測(cè)量方法-允許測(cè)量動(dòng)態(tài)對(duì)象,
28
·大地測(cè)量方法-允許測(cè)量靜態(tài)對(duì)象.
顯然, 這導(dǎo)致真正高要求校準(zhǔn)機(jī)器人設(shè)備的碰撞, 他們的機(jī)械損傷頻繁地發(fā)生, 并且生產(chǎn)線不得不停止，生產(chǎn)損失增加。
利用傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，控制和導(dǎo)航機(jī)器人, 即陀螺儀和加速度計(jì)可以通過(guò)慣性導(dǎo)航來(lái)保證。通過(guò)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和從運(yùn)動(dòng)探測(cè)器獲得的數(shù)據(jù)位置、方向可以在不使用外部信息源的情況下不斷確定。該物體的當(dāng)前位置是根據(jù)已知的初始位置和隨后連續(xù)測(cè)量加速度和運(yùn)動(dòng)方向的參考系統(tǒng)來(lái)評(píng)估的。慣性導(dǎo)航原理是以牛頓規(guī)律為基礎(chǔ)的, 它表達(dá)了利用外力的運(yùn)動(dòng)變化以及與外力的方向和大小成正比的加速度關(guān)系。
2. 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
目前, 對(duì)于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)使用, 你可以把它用在軍隊(duì)航?；蛎裼蔑w機(jī)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)包括一臺(tái)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，包括加速度計(jì)和陀螺儀的平臺(tái)或模塊。使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的原因是它不可能從外面被有目的中斷。加速度傳感器(加速度計(jì)) 以及角速度傳感器 (陀螺儀) 牢固地連接到平臺(tái)上。
基本元件由慣性測(cè)量單元表示。物體運(yùn)動(dòng)的位置被認(rèn)為是慣性測(cè)量?jī)x的主要探測(cè)方式。這些主傳感器在慣性導(dǎo)航上由角速度/速度傳感器表示, 其輸出信號(hào)在集成后用于精確補(bǔ)償重力后的空間方位和輸出信號(hào)。無(wú)平臺(tái)系統(tǒng)的傳感器位于 3D 坐標(biāo)系, 以便導(dǎo)航對(duì)象的每個(gè)軸對(duì)應(yīng)靈敏度軸以及角速度傳感器。這種慣性測(cè)量單元具有六自由度, 即允許測(cè)量三正交軸的事務(wù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。慣性傳感器的精度在自主導(dǎo)航，對(duì)于不太苛刻的應(yīng)用程序, 我們可以利用更便宜的慣性組合, 其精度較低，在集成導(dǎo)航系統(tǒng)中, 所需的速度是通過(guò)集成導(dǎo)航信息從
幾個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)中得到的。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，它用于處理來(lái)自慣性測(cè)量單元的測(cè)量數(shù)據(jù), 并準(zhǔn)備有關(guān)角位置、速度和在已知初始條件基礎(chǔ)上的導(dǎo)航對(duì)象位置。從陀螺儀測(cè)量的數(shù)據(jù)代表導(dǎo)航，用指數(shù) "i" 表示慣性坐標(biāo)系的對(duì)象向量和笛卡爾單個(gè)軸上測(cè)量的數(shù)據(jù)由 "b" 指示的導(dǎo)航對(duì)象的坐標(biāo)系統(tǒng)。
???? =[??????, ??????, ??????]?? (1)
29
????
????
????
????
通過(guò)數(shù)學(xué)調(diào)整和角速度/速度的積分, 我們得到了關(guān)于角位置的信息，對(duì)參照系統(tǒng)(傾斜)的導(dǎo)航對(duì)象。用三分量加速度計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)表示在導(dǎo)航對(duì)象軸中測(cè)量的加速度向量。
????=[??????, ?????? , ??????]?? (2)
處理后將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為參考系統(tǒng)數(shù)據(jù), 由重力和科里奧利補(bǔ)償執(zhí)行加速度, 隨后進(jìn)行二重積分。由第一個(gè)集成的信息在導(dǎo)航對(duì)象的速度得到, 并且由另一個(gè)信息在對(duì)象位置得到。
Eq 3 代表在導(dǎo)航坐標(biāo)系中操作的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
??
??
????? ??
[??? ?? ] = [?? ?? ? ???? ? (2 ? ???? + ???? ) ? ???? + ???? ? ???? ? ???? ? ???? ] (3)
30
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????
???? ??
????
????
?? ??
?? ?? ? [(???? ? ?? ?? ? (???? + ?? ?? ? ???? )) ×]
?? ??
???? ??
???? ??
????
???? =[xn,y,n,zn]T -導(dǎo)航坐標(biāo)系中的位置向量, Vn=[vnx,vny,vnz]T -導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度向量, g n -導(dǎo)航坐標(biāo)系中的重力加速度矢量,
a b 由導(dǎo)航對(duì)象坐標(biāo)系中的加速度計(jì)測(cè)量的b 加速度,
????
???? -導(dǎo)航物體坐標(biāo)系與慣性坐標(biāo)系之間的角速度
??
?? ??-將導(dǎo)航對(duì)象坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)的矩陣,
???? =[???? ×]-在導(dǎo)航坐標(biāo)系中表示的地球坐標(biāo)系與慣性坐標(biāo)系之間的角速度反對(duì)稱
????
矩陣,
????
???? = [???? ×]-地球坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)之間的角速度反對(duì)稱矩陣，系統(tǒng)用導(dǎo)航坐標(biāo)
???? ????
系表示。
rn ????? =???? , ??? ??的向量在 Eq 3 中用笛卡爾坐標(biāo)表示 (例如 [xn、yn、zn ] (方向?yàn)?
?? ??
東北)。另一種可能的方法是通過(guò)在坐標(biāo)中表達(dá)這些向量來(lái), 如下所示: rn=[λ, ψ,h]T(參考橢球以上的經(jīng)度、緯度和高度)。它們的相互關(guān)系可以通過(guò)轉(zhuǎn)換來(lái)表達(dá)。
??
????
??
0 ????
+ ? 0 λ
???? = [?????? ] = [(??
+ ?)???????? 0 0] ?[ ]
?? ??
??
????
??
?? ψ
0 0 ?1 h
RN ,RM -是地球曲率的半徑。相反變換如下
如果我們把 eq 5 應(yīng)用到 eq 3, 我們得到的結(jié)果方程
3. 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在機(jī)器人操作中的應(yīng)用
對(duì)于工業(yè)機(jī)