激光跟踪仪垂直轴的设计【版本2】【包含CAD图纸和说明书】
I毕业论文(设计)题 目 激光跟踪仪垂直轴的设计 系 部 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年级 级 学生姓名 学 号 II指导教师 摘 要由于激光发散性很小,测距精度高,人们在几十年前就开始用激光干涉仪来测距离。进而用它测直线度和角度,特别在较长距离的测量中发挥了它的优势。但是激光 干涉仪使用时要求找好准直,如果干涉镜或反射镜偏离了激光光轴,那么就出错,而且不能断光再续,必须重新再来,甚至中间有东西当一下光也是如此。这些限制 了它在空间坐标测量中的应用,另一方面激光终究是一个测长的工具,要用来做空间测量则必须寻求其他的定位装置。本文设计了激光跟踪仪垂直轴设计,主要完成了:整体结构设计,结构设计计算、滚珠丝杠、直线滚动导轨的选择及其强度分析;以步进电机为进给驱动的驱动系统及其传动机构的分析设计计算。关键词: 激光跟踪仪,工作台,垂直轴,电机IIIAbstractBecause the laser divergence is small, high precision, people began to distance measurement with laser interferometer in decades ago. And then use it to measure the straightness and angular, especially its advantages in the measurement of long distance. But the laser interferometer used for looking good alignment, if interference mirror or mirrors deviated from the laser beam axis, then the error, and can not be broken light again, must come again, even when the light is something in the middle of a so. These limit its application in spatial coordinate measurement, on the other hand, the laser is ultimately a length measuring tool, used to do spatial measurement must seek other positioning device.This paper designed a laser tracker vertical shaft design, the main completed: the overall structure design, structure design, ball screw, linear rolling guide the choice and strength analysis; step motor as feed drive system and its transmission mechanism analysis and design calculation.Keywords: laser tracker, working table, vertical shaft, motorIV目 录摘 要 IIAbstract.III目 录 IV1 引言.61.1 激光的概念 .61.2 激光跟踪仪的概念 .61.3 设计任务 71.3 总体设计方案分析 82 基本结构设计92.1 设计要求 .92.2 初步确定设计尺寸 .92.3 电机功率计算 92.4 确定减速比 103 机械部分齿轮传动设计.113.1 选择齿轮材料及精度等级 .113.2 按齿面接触疲劳强度设计 .113.3 根据齿根弯曲疲劳强度设计 123.4 几何尺寸计算 144 轴的校核与计算164.1 初步确定轴的最小直径 164.2 轴的设计 164.3 结构设计 185 轴承的选用.195.1 轴承受到的载荷 205.2 验算轴承寿命 216 键校核.237 轴的工艺设计.24V7.1 零件分析 247.2 毛坯选择 .247.3 定位基准确定 .247.4 工艺路线 .247.5 工艺过程卡编制 .26总 结.27参考文献.28致 谢.2961 引言1.1 激光的概念激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一,它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。1971 年 11 月,美国通用汽车公司率先使用一台 250W CO2 激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究,并于 1974 年成功地完成了汽车转向器壳内表面(可锻铸铁材质)激光淬火工艺研究,淬硬部位的耐磨性能比未处理之前提高了 10 倍。这是激光表面改性技术的首次工业应用。由于激光发散性很小,测距精度高,人们在几十年前就开始用激光干涉仪来测距离。进而用它测直线度和角度,特别在较长距离的测量中发挥了它的优势。但是激光干涉仪使用时要求找好准直,如果干涉镜或反射镜偏离了激光光轴,那么就出错,而且不能断光再续,必须重新再来,甚至中间有东西当一下光也是如此。这些限制了它在空间坐标测量中的应用,另一方面激光终究是一个测长的工具,要用来做空间测量则必须寻求其他的定位装置。1.2 激光跟踪仪的概念激光跟踪仪是一台以激光为测距手段配以反射标靶的仪器,它同时配有绕两个轴转动的测角机构,形成一个完整球坐标测量系统。可以用它来测量静止目标,跟踪和测量移动目标或它们的组合。激光器要放在激光器的主机体内,全封闭,平衡设计,光束通过光纤传送,无反射镜(避免反射镜因经过运输而产生微小的位移就需要长的校准时间) ,光纤具有稳定性好,制造精度高,激光光路部分全程完全密封,可靠性好,响应速度快。* 内置综合气象站,能够测量环境温度、湿度、和气压,并自动补偿环境误差,保证设备的精度及稳定性. 控制器还可外接八个温度传感器(控制器上带八个接口),可对测量现场或大工件附近温度的变化误差进行自动补偿。* 强强组合 TrackerArm 对于大型零件中的局部复杂测量,可结合测量臂来对跟踪仪进行隐藏点的补充测量,完全脱离激光束真正意义上的 6 自由度测量,并且能7实现在同一坐标系下生成测量数据.* 能实现干涉仪测量、干涉与绝对相辅测量和真正绝对测量的选择,独立的 2路激光系统。在 ADM(绝对测量)模式下,能够实现高精度,高效率的扫描测量。* 为了保证机器的热稳定性,光学仪器、电子仪器和激光源不得集成在同一空间,并且在激光头部要有散热孔.* 主机配备 3 个跟踪器安装复位器 TMR,可同时放置 3 个(1.5”,0.875”,0.5”) 反射镜标靶,为了提高稳定性,此复位器必须是跟踪仪主要构件的一部分,不得使用螺栓固定。* 具有内置电子水平仪,可以自动进行水平面的测量,也可以实现对工件的调平。简介在直角坐标系、圆柱坐标系及球坐标系中唯有球坐标系是只要求长度量的,其他两个角度量完全可以用现代精密的角度编码起器完成。现在的三大技术,即:精度的角度编码器、续光再续和激光催生了激光跟踪仪。T-Probe 的发明使隐蔽处测量成为可能,尤其是对方向姿态的测量大大扩展了激光跟踪仪的应用,例如可以用于机器人姿态的动态测量。激光跟踪仪在汽车、航空航天和通用制造领域工装设置、检测和机床控制与校准应用中得到普遍认可,其中以 Leica 居多,拥有全球 1600 多台的装机量。激光测量技术如今已开始广泛应用。1.3 设计任务激光跟踪仪设计主要解决微型工件在工业上的装配过程中需满足较高的安装精度,为了测试激光姿态,需建立一套自动装置,将检测得到的参数传递给控制系统进行大尺寸的测量,本设计主要解决装置垂直轴系统的设计。81.3 总体设计方案分析电动机转动,带动小齿轮转动,小齿轮和大齿轮啮合传动,大齿轮通过一根轴与转台进行连接,进行旋转运动。图 1-1 系统总体原理图92 基本结构设计2.1 设计要求任务书内容复制上去2.2 初步确定设计尺寸转台承重 6kg,转速 25 转/分钟,轴中心孔直径为 30mm,电机数 1 个,转台半径为 135mm.2.3 电机功率计算工作所需功率为:(3-1)/10wwpFVkW(3-2)95WnPT式中 , 电机工作效率 ,610/=6FkgN2/miwr0.97wv0.3s.5/(1.97)0.2wpkW电机所需的输出功率为:(3-3)/wP式中: 为电机至工作台主动轴之间的总效率。齿轮: 轴承: 0.97w。因此0.9w120.97.603/.2wpk3)转矩由后面齿轮的转矩可得:1059.10.3pTNmnA选择i=21,负载转速为n=130r/min2.4 确定减速比由于上节选取的电机转速为 n=130r/min,而转台要输出的转速为n=25r/min,那需要中间通过一对齿轮传动进行减速传动设计,而减速比i=130/25=5.2113 机械部分齿轮传动设计3.1 选择齿轮材料及精度等级根据传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动。运输机为一般工作机器,速度不高,选用 7 级精度,要求齿面粗糙度。1.632Ram因为载荷中有轻微振动,传动速度不高,传动尺寸无特殊要求,属于一般的齿轮传动,故两齿轮均可用软齿面齿轮。查机械设计P322 表 1410,小齿轮选用 45 号钢,调质处理,硬度 236HBS;大齿轮选用 45 号钢,正火处理,硬度为 190HBS。取小齿轮齿数 ,则大齿轮齿数 ,120Z215.2014Zi由表 1取 (因非对称布置及软齿面) 。6.75d3.2 按齿面接触疲劳强度设计因两齿轮均为钢制齿轮,所以由课本公式得: 2131 )(2HEdtt ZuTK确定有关参数如下:1)确定公式内的各计算数值1)试选 =1.35tK2)由图 10-30 选取区域系数 Z =2.43 H4)计算小齿轮传递的转矩 6119.50.3PTNmn5)由表 10-7 选取齿宽系数 =0.9d126)由表 10-6 查得材料的弹性影响系数 218.9MPaZE(4) 、许用接触应力 HlimHNTS由图 1查得 ,63Clim170HMPali250Pa由式 1计算应力循环次数52L910643.18361.LhNnrt2.0LNi由图 1查得接触疲劳的寿命系数 ,6341.9TZ20.93NT通用齿轮和一般工业齿轮按一般可靠度要求选取安全系数 。所以计1HS算两轮的许用接触应力: lim1170.8965.3HNTZMPaSli225.41THH故得: 2131 )(HEdtt ZuK3 23 )4658.193.(.57.052m64则模数: 72.10.31zdtt由表 1取初步选择标准模数:61m(5) 、校核齿根弯曲疲劳强度133.3 根据齿根弯曲疲劳强度设计由式(10-17) 213FSdnYZKTm(1) 确定计算参数1)计算载荷系数 50.32.04.1FVAK6)由图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ;大齿轮的MPaEN1弯曲疲劳强度极限 MPaEN827)由图 10-18 取弯曲疲劳系数 ,85.01FNK90.2FN8)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,由式(10-12)得 MPaSFENF 57.304.185011 KFEF 2869229)计算大小齿轮的 ,并加以比较FSaY01362.57.3621FSa 4.8.402FSaY大齿轮的数值较大(1) 设计计算 45.106.625.19.04cos8751.23 24 nm对比计算结果,由齿根接触疲劳强度计算法面模数 大于齿面弯曲疲劳强度计nm算带模数,去 ,以满足弯曲强度。n214确定有关参数和系数:3.4 几何尺寸计算1)计算分度圆直径 1220418dZmmA2)中心距 124024da3)计算齿轮宽度 1.753dbm取 20B其他几何尺寸的计算( , )*1ah*.5c齿顶高 由于正常齿轮 ,ahm1ah所以 *2am齿根高 由于正常齿()fc*0.25c所以 (1.)fah全齿高 (2*).4.fcmm齿顶圆直径 14aad21h齿根圆直径 1=35ffm20ffd名 称 计 算 公 式 结 果 /mm模数 m 2压力角 n015d1 40分度圆直径d2 208齿顶圆直径 naamh*21214ad齿根圆直径 nffd210352f中心距 )(1za124齿 宽 2b3012b164 轴的校核与计算齿轮所受的力如图 4-1 所示;图 4-1 轴 1 受力图1279645.2tan0=8trTFNdN4.1 初步确定轴的最小直径选取轴的材料为 45 钢,调质处理。根据表 ,于是得012A133min0795Pdm4.2 轴的设计(1)拟定轴上零件的装配方案(3)轴上零件的同向定位(4)确定轴上圆角和倒角尺寸参考表 15-2,取轴端倒角为 ,各轴肩处的圆角半径见零件图。1.5417(5)求轴的载荷如图 3-12 所示,为轴 1 所受的应力图;从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面 B 是轴的危险截面。现将计算出的截面上的 、 及 M 的直列于下表,如表 3-1 所示;HV表 3-2 轴 1 危险截面应力载荷 水平面 H 垂直面 V力 F 128.0,47.NNF126.5,173.45NNVF弯矩 M 6HmA 04VMmA总弯矩 2308.1V扭矩 T 17846NA(6)按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时,通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面(即危险截面 A)的强度。根据1式(115-5)及上表中的数据,以及轴单向旋转,扭矩切应力为脉动循环变应力,18图 4-2 轴应力分析取 0.6轴的计算应力 222213 3()068.1(.7846).5caMTMPaW前已选定轴的材料为 45 钢,调质处理,由1表 51-1 查得 ,因此10,1ca故安全。194.3 结构设计 36.2167.5168.7Fa2tr图 3-15 轴 2 受力图受力分析,如图 3-15 为轴 2 的受力图; 122211222tan063.5749.tartttarTFdTiFrNA205 轴承的选用如图 5-1 所示,轴选用圆锥滚子轴承 30320图 5-1 圆锥滚子轴承基本额定动载荷 ,基本额定静载荷130rCKN158orCKN轴 2 所受到的轴向力,周向力,径向力如图 3-6 所示;图 5-2 轴受力图5.1 轴承受到的载荷1)由轴的计算结果得,两轴承受到载荷195.8NHF2736.8NHF2115.73NVF234.17NVF2 2112295.89.6.rHNVN N2)轴承所受的力如图 3-7 所示;AFa12图 3-7 轴承受力图 6357AFN19r2r10.48.drF20.439.drFN.e所以 :1.压紧 2.放松21Ad12635709.26adF3)求轴承当量动载荷 和1P2126.9730.arrFe22由1表 13-5 分别进行查表或插值计算得径向载荷系数和轴向载荷系数为对轴承 1 对轴承 2 0.45xy0.415xy因轴承运转中有中等冲击载荷,按表 13-6,取 1.5pf111().(049762)97.prafxFy N2225.3.0.5r5.2 验算轴承寿命,所以按轴承的受力大小验算12p(3-7)10663100()()4625.10597.h hcL Lnp年故所选轴承满足寿命要求。23图 5-3 轴 2 应力分析从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面 A 是轴的危险截面。现将计算出的截面处的 及 M 值列于下表,如表 3-2 所示;HV表 5-3 轴 2 危险截面应力载荷 水平面 H 垂直面 V力 F 1295.8,736.8NNF125.73,4.17NNVF弯矩 M 4HmA 9048VMmA总弯矩 213024V扭矩 T 5064NA245.按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时,通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面(即危险截面 A)的强度。根据式1(115-5)及上表中的数据,以及轴单向旋转,扭矩切应力为脉动循环变应力,取 0.6轴的计算应力 222213 3()14(0.654)6.08caMTMPaW前已选定轴的材料为 45 钢,调质处理,由1表 51-1 查得 ,因此1,1ca故安全。6.结构设计如图 3-17 所示,轴 7 共六段。各段的直径和长度在前面已列出。6 键校核根据轴的直径选择:键 1656 GB1096-79bh=1610,L=56,则 l=L-b=40mm,转矩 T=1.3 N.m 故挤压强度为:MPadhlTp 8.610455.37843小于125150MPa=p因此挤压强度足够257 轴的工艺设计7.1 零件分析轴与机构中的其他零件通过间隙配合相结合,具有传递力矩,转矩和扭矩等作用。该零件为台阶类零件,形状对称,尺寸精度,形位精度要求均较高有圆柱度要求。由于零件悬伸长,因此刚性较差,在车工件时应充分注意这一点。7.2 毛坯选择毛坯材料为 40Cr 钢,要求强度较高,且工件的形状比较简单,毛坯精度低,加工余量大,生产类型为单件小批量生产。综上考虑,采用锻件,其锻造方法为自由锻,毛坯的尺寸精度要求为 IT12 以下。7.3 定位基准确定根据零件图纸及零件的使用情况分析:1.粗基准的选择:按照粗基准的选择原则,应选择次要加工表面为粗基准。又考虑到台阶轴的工艺特点,所以选择 135 的外圆为基准面。2.精基准的选择:按照基准重合原则及加工要求,应选轴心线为基准。7.4 工艺路线下料锻造预备热处理(目的:消除内应力,改善切削加工性)工序:车端面粗车调质半精车精车车端面车螺纹铣键槽淬火磨外圆精磨检验传动轴的加工工艺规程26工序号 工序名称 工序内容1 自由锻2 热处理 正火3 车端面4 粗车5 调质6 半精车7 精车8 车端面9 车螺纹10 铣键槽11 淬火12 粗磨2713 精磨14 检验7.5 工艺过程卡编制7.5.1 设备选择该件最大尺寸为 135,CA6140 加工范围为 0400,满足加工精度要求,因此选择 CA6140.7.5.2 刀具选择因为该传动轴为阶梯轴,所以选用 90 度角偏头外圆车刀,材料为 YT15.7.5.3 量具选择因为该轴最大长度为 515,所以选用量程 0-700,精度 0.05 游标卡尺。28总 结通过此次毕业设计,让我能将自己这四年来所学的专业知识重新拾起整理,并且在心中有了一个知识体系,知道如何去调用所学的知识,对于自己不了解的、不曾接触过的专业知识,知道可以通过查阅资料区学习并掌握它。记得刚开始接触到毕业设计的题目(对于这个题目觉得无从下手,这个题目范围很广。最后在老师的指导下,才知道原来这个题目的用意就是在于让学生深入了解一个机械产品的整个设计过程,将自己所学的专业知识重新收拾一遍,为以后走向工作岗位打下扎实的基础。有了这次毕业设计的经历,我深刻理解了一台数控回转工作台的整个设计过程,也学会如何将所学的专业知识应用于实际设计中。我们都知道,每一套设备都经过不断地改进和完善,它的性能变得越来越好的,所以不是简简单单的一份课程设计说明书就完了,需要做的事情还有很多。任何的设计都不可能时完美的,总存在一定的不足之处。因此本次毕业设计也不可避免的存在缺陷: 数控系统设计还不完善。我会再接再厉,尽可能的完善数控系统。29参考文献1机械设计基础 隋明阳 编著 机械工业出版社 2005 22.全国数控培训网络天津分中心编.数控编程.北京:机械工业出版社,19973.戴曙等. 金属切削机床.北京:机械工业出版社,19954张建民,唐水源, 机电一体化系统设计 ,高等教育出版社,2005,北京5郑堤,唐可洪,机电一体化设计基础 ,机械工业出版社,1997,北京6机电类专业毕业设计指南 张桂香 主编 机械工业出版社 2005 11.7数控技术 张建纲、胡大泽主编武汉.华中科技大学出版社,2000 年8全国数控培训网络天津分中心编.数控机床.北京:机械工业出版社,19979赵丁选, 机电一体化使用手册 ,化学工业出版社社,2003,北京10唐介, 电机与拖动 ,高等教育出版社,2005,北京11张训文, 机电一体化系统设计与应用,北京理工大学出版社,2006,北京30致 谢本论文是在导师 XXX 的悉心指导下完成的,在学校四年的学习生涯,将随着毕业论文的结束画上圆满的句号,在这四年里,在所有老师的细心教育和自己的刻苦努力下,我学到了很多很实用的知识,更重要的是,我学到不仅仅是书本上的知识,更是一种学习的能力,相信这一定可以帮助自己在今后的工作中起到积极的作用。在这次毕业论文中,给予我帮助最大无疑就是我的指导老师。虽然陈老师工作繁忙,但却对我的关心却丝毫不受工作的影响,电话交流非常频繁,并利用因特网及时进行护动交流,给予我很大的发展空间,不断拓展自己的思维,培养了我独立思考、处理问题的能力。在这次论文中,真的感觉学到了很多很多知识,在此表示我衷心的感谢。最后,再次感谢所有在这次论文中给予我帮助的老师和同学。I毕业论文(设计)题 目 激光跟踪仪垂直轴的设计 系 部 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年级 级 学生姓名 学 号 II指导教师 摘 要由于激光发散性很小,测距精度高,人们在几十年前就开始用激光干涉仪来测距离。进而用它测直线度和角度,特别在较长距离的测量中发挥了它的优势。但是激光 干涉仪使用时要求找好准直,如果干涉镜或反射镜偏离了激光光轴,那么就出错,而且不能断光再续,必须重新再来,甚至中间有东西当一下光也是如此。这些限制 了它在空间坐标测量中的应用,另一方面激光终究是一个测长的工具,要用来做空间测量则必须寻求其他的定位装置。本文设计了激光跟踪仪垂直轴设计,主要完成了:整体结构设计,结构设计计算、滚珠丝杠、直线滚动导轨的选择及其强度分析;以步进电机为进给驱动的驱动系统及其传动机构的分析设计计算。关键词: 激光跟踪仪,工作台,垂直轴,电机IIIAbstractBecause the laser divergence is small, high precision, people began to distance measurement with laser interferometer in decades ago. And then use it to measure the straightness and angular, especially its advantages in the measurement of long distance. But the laser interferometer used for looking good alignment, if interference mirror or mirrors deviated from the laser beam axis, then the error, and can not be broken light again, must come again, even when the light is something in the middle of a so. These limit its application in spatial coordinate measurement, on the other hand, the laser is ultimately a length measuring tool, used to do spatial measurement must seek other positioning device.This paper designed a laser tracker vertical shaft design, the main completed: the overall structure design, structure design, ball screw, linear rolling guide the choice and strength analysis; step motor as feed drive system and its transmission mechanism analysis and design calculation.Keywords: laser tracker, working table, vertical shaft, motorIV目 录摘 要 IIAbstract.III目 录 IV1 引言.61.1 激光的概念 .61.2 激光跟踪仪的概念 .61.3 设计任务 71.3 总体设计方案分析 82 基本结构设计92.1 设计要求 .92.2 初步确定设计尺寸 .92.3 电机功率计算 92.4 确定减速比 103 机械部分齿轮传动设计.113.1 选择齿轮材料及精度等级 .113.2 按齿面接触疲劳强度设计 .113.3 根据齿根弯曲疲劳强度设计 123.4 几何尺寸计算 144 轴的校核与计算164.1 初步确定轴的最小直径 164.2 轴的设计 164.3 结构设计 185 轴承的选用.195.1 轴承受到的载荷 205.2 验算轴承寿命 216 键校核.237 轴的工艺设计.24V7.1 零件分析 247.2 毛坯选择 .247.3 定位基准确定 .247.4 工艺路线 .247.5 工艺过程卡编制 .26总 结.27参考文献.28致 谢.2961 引言1.1 激光的概念激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一,它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。1971 年 11 月,美国通用汽车公司率先使用一台 250W CO2 激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究,并于 1974 年成功地完成了汽车转向器壳内表面(可锻铸铁材质)激光淬火工艺研究,淬硬部位的耐磨性能比未处理之前提高了 10 倍。这是激光表面改性技术的首次工业应用。由于激光发散性很小,测距精度高,人们在几十年前就开始用激光干涉仪来测距离。进而用它测直线度和角度,特别在较长距离的测量中发挥了它的优势。但是激光干涉仪使用时要求找好准直,如果干涉镜或反射镜偏离了激光光轴,那么就出错,而且不能断光再续,必须重新再来,甚至中间有东西当一下光也是如此。这些限制了它在空间坐标测量中的应用,另一方面激光终究是一个测长的工具,要用来做空间测量则必须寻求其他的定位装置。1.2 激光跟踪仪的概念激光跟踪仪是一台以激光为测距手段配以反射标靶的仪器,它同时配有绕两个轴转动的测角机构,形成一个完整球坐标测量系统。可以用它来测量静止目标,跟踪和测量移动目标或它们的组合。激光器要放在激光器的主机体内,全封闭,平衡设计,光束通过光纤传送,无反射镜(避免反射镜因经过运输而产生微小的位移就需要长的校准时间) ,光纤具有稳定性好,制造精度高,激光光路部分全程完全密封,可靠性好,响应速度快。* 内置综合气象站,能够测量环境温度、湿度、和气压,并自动补偿环境误差,保证设备的精度及稳定性. 控制器还可外接八个温度传感器(控制器上带八个接口),可对测量现场或大工件附近温度的变化误差进行自动补偿。* 强强组合 TrackerArm 对于大型零件中的局部复杂测量,可结合测量臂来对跟踪仪进行隐藏点的补充测量,完全脱离激光束真正意义上的 6 自由度测量,并且能7实现在同一坐标系下生成测量数据.* 能实现干涉仪测量、干涉与绝对相辅测量和真正绝对测量的选择,独立的 2路激光系统。在 ADM(绝对测量)模式下,能够实现高精度,高效率的扫描测量。* 为了保证机器的热稳定性,光学仪器、电子仪器和激光源不得集成在同一空间,并且在激光头部要有散热孔.* 主机配备 3 个跟踪器安装复位器 TMR,可同时放置 3 个(1.5”,0.875”,0.5”) 反射镜标靶,为了提高稳定性,此复位器必须是跟踪仪主要构件的一部分,不得使用螺栓固定。* 具有内置电子水平仪,可以自动进行水平面的测量,也可以实现对工件的调平。简介在直角坐标系、圆柱坐标系及球坐标系中唯有球坐标系是只要求长度量的,其他两个角度量完全可以用现代精密的角度编码起器完成。现在的三大技术,即:精度的角度编码器、续光再续和激光催生了激光跟踪仪。T-Probe 的发明使隐蔽处测量成为可能,尤其是对方向姿态的测量大大扩展了激光跟踪仪的应用,例如可以用于机器人姿态的动态测量。激光跟踪仪在汽车、航空航天和通用制造领域工装设置、检测和机床控制与校准应用中得到普遍认可,其中以 Leica 居多,拥有全球 1600 多台的装机量。激光测量技术如今已开始广泛应用。1.3 设计任务激光跟踪仪设计主要解决微型工件在工业上的装配过程中需满足较高的安装精度,为了测试激光姿态,需建立一套自动装置,将检测得到的参数传递给控制系统进行大尺寸的测量,本设计主要解决装置垂直轴系统的设计。81.3 总体设计方案分析电动机转动,带动小齿轮转动,小齿轮和大齿轮啮合传动,大齿轮通过一根轴与转台进行连接,进行旋转运动。图 1-1 系统总体原理图92 基本结构设计2.1 设计要求任务书内容复制上去2.2 初步确定设计尺寸转台承重 6kg,转速 25 转/分钟,轴中心孔直径为 30mm,电机数 1 个,转台半径为 135mm.2.3 电机功率计算工作所需功率为:(3-1)/10wwpFVkW(3-2)95WnPT式中 , 电机工作效率 ,610/=6FkgN2/miwr0.97wv0.3s.5/(1.97)0.2wpkW电机所需的输出功率为:(3-3)/wP式中: 为电机至工作台主动轴之间的总效率。齿轮: 轴承: 0.97w。因此0.9w120.97.603/.2wpk3)转矩由后面齿轮的转矩可得:1059.10.3pTNmnA选择i=21,负载转速为n=130r/min2.4 确定减速比由于上节选取的电机转速为 n=130r/min,而转台要输出的转速为n=25r/min,那需要中间通过一对齿轮传动进行减速传动设计,而减速比i=130/25=5.2113 机械部分齿轮传动设计3.1 选择齿轮材料及精度等级根据传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动。运输机为一般工作机器,速度不高,选用 7 级精度,要求齿面粗糙度。1.632Ram因为载荷中有轻微振动,传动速度不高,传动尺寸无特殊要求,属于一般的齿轮传动,故两齿轮均可用软齿面齿轮。查机械设计P322 表 1410,小齿轮选用 45 号钢,调质处理,硬度 236HBS;大齿轮选用 45 号钢,正火处理,硬度为 190HBS。取小齿轮齿数 ,则大齿轮齿数 ,120Z215.2014Zi由表 1取 (因非对称布置及软齿面) 。6.75d3.2 按齿面接触疲劳强度设计因两齿轮均为钢制齿轮,所以由课本公式得: 2131 )(2HEdtt ZuTK确定有关参数如下:1)确定公式内的各计算数值1)试选 =1.35tK2)由图 10-30 选取区域系数 Z =2.43 H4)计算小齿轮传递的转矩 6119.50.3PTNmn5)由表 10-7 选取齿宽系数 =0.9d126)由表 10-6 查得材料的弹性影响系数 218.9MPaZE(4) 、许用接触应力 HlimHNTS由图 1查得 ,63Clim170HMPali250Pa由式 1计算应力循环次数52L910643.18361.LhNnrt2.0LNi由图 1查得接触疲劳的寿命系数 ,6341.9TZ20.93NT通用齿轮和一般工业齿轮按一般可靠度要求选取安全系数 。所以计1HS算两轮的许用接触应力: lim1170.8965.3HNTZMPaSli225.41THH故得: 2131 )(HEdtt ZuK3 23 )4658.193.(.57.052m64则模数: 72.10.31zdtt由表 1取初步选择标准模数:61m(5) 、校核齿根弯曲疲劳强度133.3 根据齿根弯曲疲劳强度设计由式(10-17) 213FSdnYZKTm(1) 确定计算参数1)计算载荷系数 50.32.04.1FVAK6)由图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ;大齿轮的MPaEN1弯曲疲劳强度极限 MPaEN827)由图 10-18 取弯曲疲劳系数 ,85.01FNK90.2FN8)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,由式(10-12)得 MPaSFENF 57.304.185011 KFEF 2869229)计算大小齿轮的 ,并加以比较FSaY01362.57.3621FSa 4.8.402FSaY大齿轮的数值较大(1) 设计计算 45.106.625.19.04cos8751.23 24 nm对比计算结果,由齿根接触疲劳强度计算法面模数 大于齿面弯曲疲劳强度计nm算带模数,去 ,以满足弯曲强度。n214确定有关参数和系数:3.4 几何尺寸计算1)计算分度圆直径 1220418dZmmA2)中心距 124024da3)计算齿轮宽度 1.753dbm取 20B其他几何尺寸的计算( , )*1ah*.5c齿顶高 由于正常齿轮 ,ahm1ah所以 *2am齿根高 由于正常齿()fc*0.25c所以 (1.)fah全齿高 (2*).4.fcmm齿顶圆直径 14aad21h齿根圆直径 1=35ffm20ffd名 称 计 算 公 式 结 果 /mm模数 m 2压力角 n015d1 40分度圆直径d2 208齿顶圆直径 naamh*21214ad齿根圆直径 nffd210352f中心距 )(1za124齿 宽 2b3012b164 轴的校核与计算齿轮所受的力如图 4-1 所示;图 4-1 轴 1 受力图1279645.2tan0=8trTFNdN4.1 初步确定轴的最小直径选取轴的材料为 45 钢,调质处理。根据表 ,于是得012A133min0795Pdm4.2 轴的设计(1)拟定轴上零件的装配方案(3)轴上零件的同向定位(4)确定轴上圆角和倒角尺寸参考表 15-2,取轴端倒角为 ,各轴肩处的圆角半径见零件图。1.5417(5)求轴的载荷如图 3-12 所示,为轴 1 所受的应力图;从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面 B 是轴的危险截面。现将计算出的截面上的 、 及 M 的直列于下表,如表 3-1 所示;HV表 3-2 轴 1 危险截面应力载荷 水平面 H 垂直面 V力 F 128.0,47.NNF126.5,173.45NNVF弯矩 M 6HmA 04VMmA总弯矩 2308.1V扭矩 T 17846NA(6)按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时,通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面(即危险截面 A)的强度。根据1式(115-5)及上表中的数据,以及轴单向旋转,扭矩切应力为脉动循环变应力,18图 4-2 轴应力分析取 0.6轴的计算应力 222213 3()068.1(.7846).5caMTMPaW前已选定轴的材料为 45 钢,调质处理,由1表 51-1 查得 ,因此10,1ca故安全。194.3 结构设计 36.2167.5168.7Fa2tr图 3-15 轴 2 受力图受力分析,如图 3-15 为轴 2 的受力图; 122211222tan063.5749.tartttarTFdTiFrNA205 轴承的选用如图 5-1 所示,轴选用圆锥滚子轴承 30320图 5-1 圆锥滚子轴承基本额定动载荷 ,基本额定静载荷130rCKN158orCKN轴 2 所受到的轴向力,周向力,径向力如图 3-6 所示;图 5-2 轴受力图5.1 轴承受到的载荷1)由轴的计算结果得,两轴承受到载荷195.8NHF2736.8NHF2115.73NVF234.17NVF2 2112295.89.6.rHNVN N2)轴承所受的力如图 3-7 所示;AFa12图 3-7 轴承受力图 6357AFN19r2r10.48.drF20.439.drFN.e所以 :1.压紧 2.放松21Ad12635709.26adF3)求轴承当量动载荷 和1P2126.9730.arrFe22由1表 13-5 分别进行查表或插值计算得径向载荷系数和轴向载荷系数为对轴承 1 对轴承 2 0.45xy0.415xy因轴承运转中有中等冲击载荷,按表 13-6,取 1.5pf111().(049762)97.prafxFy N2225.3.0.5r5.2 验算轴承寿命,所以按轴承的受力大小验算12p(3-7)10663100()()4625.10597.h hcL Lnp年故所选轴承满足寿命要求。23图 5-3 轴 2 应力分析从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面 A 是轴的危险截面。现将计算出的截面处的 及 M 值列于下表,如表 3-2 所示;HV表 5-3 轴 2 危险截面应力载荷 水平面 H 垂直面 V力 F 1295.8,736.8NNF125.73,4.17NNVF弯矩 M 4HmA 9048VMmA总弯矩 213024V扭矩 T 5064NA245.按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时,通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面(即危险截面 A)的强度。根据式1(115-5)及上表中的数据,以及轴单向旋转,扭矩切应力为脉动循环变应力,取 0.6轴的计算应力 222213 3()14(0.654)6.08caMTMPaW前已选定轴的材料为 45 钢,调质处理,由1表 51-1 查得 ,因此1,1ca故安全。6.结构设计如图 3-17 所示,轴 7 共六段。各段的直径和长度在前面已列出。6 键校核根据轴的直径选择:键 1656 GB1096-79bh=1610,L=56,则 l=L-b=40mm,转矩 T=1.3 N.m 故挤压强度为:MPadhlTp 8.610455.37843小于125150MPa=p因此挤压强度足够257 轴的工艺设计7.1 零件分析轴与机构中的其他零件通过间隙配合相结合,具有传递力矩,转矩和扭矩等作用。该零件为台阶类零件,形状对称,尺寸精度,形位精度要求均较高有圆柱度要求。由于零件悬伸长,因此刚性较差,在车工件时应充分注意这一点。7.2 毛坯选择毛坯材料为 40Cr 钢,要求强度较高,且工件的形状比较简单,毛坯精度低,加工余量大,生产类型为单件小批量生产。综上考虑,采用锻件,其锻造方法为自由锻,毛坯的尺寸精度要求为 IT12 以下。7.3 定位基准确定根据零件图纸及零件的使用情况分析:1.粗基准的选择:按照粗基准的选择原则,应选择次要加工表面为粗基准。又考虑到台阶轴的工艺特点,所以选择 135 的外圆为基准面。2.精基准的选择:按照基准重合原则及加工要求,应选轴心线为基准。7.4 工艺路线下料锻造预备热处理(目的:消除内应力,改善切削加工性)工序:车端面粗车调质半精车精车车端面车螺纹铣键槽淬火磨外圆精磨检验传动轴的加工工艺规程26工序号 工序名称 工序内容1 自由锻2 热处理 正火3 车端面4 粗车5 调质6 半精车7 精车8 车端面9 车螺纹10 铣键槽11 淬火12 粗磨2713 精磨14 检验7.5 工艺过程卡编制7.5.1 设备选择该件最大尺寸为 135,CA6140 加工范围为 0400,满足加工精度要求,因此选择 CA6140.7.5.2 刀具选择因为该传动轴为阶梯轴,所以选用 90 度角偏头外圆车刀,材料为 YT15.7.5.3 量具选择因为该轴最大长度为 515,所以选用量程 0-700,精度 0.05 游标卡尺。28总 结通过此次毕业设计,让我能将自己这四年来所学的专业知识重新拾起整理,并且在心中有了一个知识体系,知道如何去调用所学的知识,对于自己不了解的、不曾接触过的专业知识,知道可以通过查阅资料区学习并掌握它。记得刚开始接触到毕业设计的题目(对于这个题目觉得无从下手,这个题目范围很广。最后在老师的指导下,才知道原来这个题目的用意就是在于让学生深入了解一个机械产品的整个设计过程,将自己所学的专业知识重新收拾一遍,为以后走向工作岗位打下扎实的基础。有了这次毕业设计的经历,我深刻理解了一台数控回转工作台的整个设计过程,也学会如何将所学的专业知识应用于实际设计中。我们都知道,每一套设备都经过不断地改进和完善,它的性能变得越来越好的,所以不是简简单单的一份课程设计说明书就完了,需要做的事情还有很多。任何的设计都不可能时完美的,总存在一定的不足之处。因此本次毕业设计也不可避免的存在缺陷: 数控系统设计还不完善。我会再接再厉,尽可能的完善数控系统。29参考文献1机械设计基础 隋明阳 编著 机械工业出版社 2005 22.全国数控培训网络天津分中心编.数控编程.北京:机械工业出版社,19973.戴曙等. 金属切削机床.北京:机械工业出版社,19954张建民,唐水源, 机电一体化系统设计 ,高等教育出版社,2005,北京5郑堤,唐可洪,机电一体化设计基础 ,机械工业出版社,1997,北京6机电类专业毕业设计指南 张桂香 主编 机械工业出版社 2005 11.7数控技术 张建纲、胡大泽主编武汉.华中科技大学出版社,2000 年8全国数控培训网络天津分中心编.数控机床.北京:机械工业出版社,19979赵丁选, 机电一体化使用手册 ,化学工业出版社社,2003,北京10唐介, 电机与拖动 ,高等教育出版社,2005,北京11张训文, 机电一体化系统设计与应用,北京理工大学出版社,2006,北京30致 谢本论文是在导师 XXX 的悉心指导下完成的,在学校四年的学习生涯,将随着毕业论文的结束画上圆满的句号,在这四年里,在所有老师的细心教育和自己的刻苦努力下,我学到了很多很实用的知识,更重要的是,我学到不仅仅是书本上的知识,更是一种学习的能力,相信这一定可以帮助自己在今后的工作中起到积极的作用。在这次毕业论文中,给予我帮助最大无疑就是我的指导老师。虽然陈老师工作繁忙,但却对我的关心却丝毫不受工作的影响,电话交流非常频繁,并利用因特网及时进行护动交流,给予我很大的发展空间,不断拓展自己的思维,培养了我独立思考、处理问题的能力。在这次论文中,真的感觉学到了很多很多知识,在此表示我衷心的感谢。最后,再次感谢所有在这次论文中给予我帮助的老师和同学。
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