x-ray残余应力分析系统结构设计毕业设计论文(编辑修改稿)

x-ray残余应力分析系统结构设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

也 可 精确测 量 沿层深 应力的 变化 ，但此时的测量已经 属于有损的了 ， 需 对材料进行剥除 ， 以便进行 逐层测定。 ]1[ X 射线衍射残余应力测试的基本原理 X射线衍射法残余应力 测试 的基本原理是以 所 测 得的 衍射线位移作为 初始 数据 ， 我们测得结果实际为 残余应变 量 ， 而残余应力是 通过 代入 残余应变 量由 虎克定律 计算 出来 的。 其 原理为 ： 当 样品内部 存在残余应力 之时 ， 晶面 的 间距将 产生变化 ， 进行 布拉格衍射时 ， 所 得到 的衍射峰 将 相应的 移动 ， 而且 其所 移动 的 距离与应力大小 直接 相关。 由 波长为  的 X射线 ， 以不同的入射角  先后数次 照射到 样品 上 ， 测 得 对应 的衍射角2 ， 求出 2 关于 2sin 的斜率 M， 便可 计 算出 其 内应力  ，其原理如图 11所示 图 11 X 射线衍射原理图 X射线衍射法一般 为 测 量样品 表面某一方向上的内应力 ,因 此需 运用材料 力学 的方法 求出 。 由于 X射线对 样品 穿 透 能力 并不强 ， 对高强度铝合金 来说其穿透深度 不会 超过 60 m ， 故 只能 用来 探测铝合金 样品 表面 的 残余 应力 ， 由材料力学知识 可知 ，样品 表面 残余 应力分布可视 作 二维平面 内 的 应力状态 ， 其垂直 方向样品 方向 的主应力03 ， 因此 ， 可求得与 样品 表面法向成  角的应变  为： )(s in1212    EvE v （ 1 1） 式中 ： 1 、 2 为 样品 表面的主应力 ， E、 v是 样品 的弹性模量和泊松比。  值 由 衍射晶面 的间距 相对变化 引起 ， 且 可通过 衍射峰的位移 计算 得到 中南大学本科生论文 Xray 残余应力分析系统结构设计 3 )(c o t00    dd （ 1 2） 式中 0 为 在没有 应力 状态下样品 衍射峰的布拉格角 ，  为有应力 状态下样品衍射峰 的布拉格角。 将式 （ 11） 代入式 （ 12） 并求偏导 ， 得  =180co t)1(2 0 vE )(sin )2( 2 （ 1 3） 令 K=180co t)1(2 0 vE,M=)(sin )2( 2,则有  = MK。 式中 ， K是由样品的材质以及衍射面所选定 HKL决定， 若前述样品材质及所选定 HKL不变时， K为定值 ,称为应力系数。 M为 2 对 2sin 的斜率， 如果衍射面相同，那么选定 一组  值 ， 测量 其对应 的 )2( 并 作 出 )2( 2sin 图 ， 采用 最小二乘法 计算出 斜率 M,从而得到 应力  , 是试样平面内选定主应力方向后 所 测得的 主应力 和应力 方向的夹角。 ]2[ . 本文的主要研究内容及技术路线 我国国内现有 X射线衍射 测量 残余应力 机构多为手动或半手动调节装置，定位精度不高，对于普通合金表面残余应力测试尚能满足需求，但在航空航天等高精密仪器制造过程中，需要精确定位来测量金属表面残余应力，传统测量装置便不能满足要求。 基于上述情况，本课题着重设计 X射线衍射残余应力测 试四自由度运动平台的结构 ，以求解决此方面的问题。 本论文以满足 X射线衍射残余应力测试四自由度运动平台的结构设计为核心问题展开研究 ， 重点进行以下几个方面的设计与论述。 四自由度结构平台设计方案的拟定 查阅国内外相关资料，收集国外相关产品布局形式，运用 Pro/E 三维仿真手段，构造可能的几种平台总体模型。 综合分析 四自由度运动平台 所需满足的传动要求及精度，考虑加工及装配难度，选取切实可行的方案。 四自由度平台传动系统的理论计算 重点进行三向进给传动结构的设计、校核以及 Z 向丝杠弯曲挠度， X、 Y 向导轨弯曲挠度的理论计算。 在计算过程中确定传动结构中比较重要的尺寸参数。 中南大学本科生论文 Xray 残余应力分析系统结构设计 4 四自由度平台主体结构原理性设计 重点进行四自由度平台结构设计以及设计各方向预拉伸力、预紧力的施加方式，滚珠丝杠副间隙调整结构设计等。 综合分析提高其传动性能结构的措施，以实现平台结构的合理设计。 平台三维布局及造型辅助设计 运用计算机三维建模设计手段进行平台总体仿真设计，细化仿真平台每一零部件并进行装配，在装配过程中及时发现结构及尺寸参数设计错误并改正，后期运用三维软件进行外观优化设计以达到合理美观的要求。 中南大学本科生论文 Xray 残余应力分析系统结构设计 5 第 二 章 四自由度结构平台设计方案的拟定 对于此四 自由度结构平台，需实现 X、 Y、 Z 方向平动和 Z 向转动。 卧式机床设计也需实现三向进给传动， 且其传动过程与四自由度结构平台有相似之处，故在设计过程中 可参考其结构，并结合四自由度结构平台实际要求做进一步设计。 对于三向进给机床与四自由度平台的 主要 区别分析如下： 1) 三向进给机床不需要实现 Z 方向转动 ，而四自由度平台需考虑 Z 向转动结构及其位置安装方面设计问题。 2) 机床需切削加工零件，轴向受力较大，而四自由度结构平台只需实现传动需求，所受轴向力、扭矩较小，所需功率也较小。 3) 机床 Z 向安装可采用两端固定的方式，但对于四自由度平台 ，由 于平台上需放置 Xray 残余应力 测量仪器，故 Z 向只能采用一端固定一端自由的安装方式，由此衍生出 Z 向弯矩、挠度等问题需解决。 4) 四自由度结构平台定位精度较高，对于大部分机床其设计没有如此高的精度要求。 综上所述，对于三向进给机床，其在 X、 Y向传动进给结构设计对于本课题有一定参考价值，而对于 Z 方向的设计 参考价值不大。 . X、 Y方向传动进给结构的拟定 X、 Y方向可参考三向进给机床采用滚珠丝杠结构 将旋转运动转换成线性运动 ，同时滚珠丝杠还 兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 在此结构中，导轨承受 Xray残余应力分析 仪器的重 量，滚珠丝杠副传动只需克服摩擦力即可。 由于滚珠丝杠结构较为成熟，此处不再赘述。 . Z方向几种方案可行性分析及选定 平台的 Z方向为垂直进给方向， 由于 Z轴上方要安装平台放置 Xray残余应力分析 仪器，故只能采用一端固定一端自由的安装方式 ，而对于这种方式并没有办法安装导轨，故 Z轴将承受整个平台的重量。 且 当仪器由于 X、 Y方向平移不在 Z轴正上方时，对 Z轴强度要求较高。 经过查阅国内外相关资料，收集整理后提出以下几种解决方案进行可行中南大学本科生论文 Xray 残余应力分析系统结构设计 6 性分析。 液压传动可行性分析 液压传动可以承受较大平台重量， 对于本课题的仪器重量完全可以承 受，但其定位精度能否达到微米级呢。 影响液压传动定位精度的因素主要有液压传动的移动速度和电液控制系统的响应滞后时间，理论上，两者的乘积即为定位误差。 但 在实际控制过程中 ,因电磁阀的机械滞后、液压缸运动惯性等原因也会引起定位误差 ,这可以通过现场调试来解决。 液压缸 活塞的最低移动速度 minv 受活塞及活塞杆运动摩擦，以及缸筒、活塞杆等加工精度的制约而不宜太低，否则活塞杆在运动中可能产生爬行（不均匀运动）。 一般minv ~。 对于电液控制系统，响应滞后的主要因素有 3个： 输入滤波器响应时间、输出继电器响应时间、程序执行扫描时间。 查阅相关资料，液压传动的定位精度在 20xx年已经可以达到。 ]6[ 随着科学技术日益进步，电液控制系统的滞后时间进一步缩短，液压传动的最低速度进一步降低，使液压传动的 定位精度大幅度提高，已经可以达到本课题所要求的微米级精度 ，可满足方案设计要求，但因我们设计的四自由度结构平台为便携式，若在此平台中增加液压系统，结构体积将会增大，且不易于携带，故此方案并不理想。 传统滚珠丝杠可行性分析 由于 本课题 X射线衍射测量残余应力机器体积较小，重量 仅有几十千克 ， 经过计算，对于传统滚珠丝杠， 在采用较大直径的情况下， 也能 勉强 满足 Z方向传动进给要求，但此时滚珠丝杠直径已经较 大 ， 相应的四自由度平台 体积 也 较大。 若此 X射线衍射测量残余应力机器重量进一步增 加 ，传统滚珠丝杠则无法满足传动进给要求， 由于初步方案选定时计算结果并不一定准确且所考虑因素较多，故对于 测量残余应力机器重量 进一步增加的情况也作了进一步分析。 对于 X射线衍射测量残余应力机器重量 进一步增大的情况经查阅资料分析思考，能否 采 用 几根滚珠丝杠并联的形式。 对于几根滚珠丝杠并联的形式， 电机通过同步带轮传动 ，使三根滚珠丝杠同时转动。 因为 此平台 定位精度要求达到 微米 级，所以必须保证三根滚珠丝杠的运动 形式 完全相同，尤其是滚珠丝杠停止转动以及方向改变时， 而这对于加工及安装精度要求过高，在现有的生产条件下很难达到，而且此种设计同样也会导致平台体积增大。 综上中南大学本科生论文 Xray 残余应力分析系统结构设计 7 所述若采用此方案，尤其是单根滚珠丝杠副支承的形式，不符合机械设计的基本原则，且无创新性可言。 故在指导老师的建议下，放弃此方案。 行星滚柱丝杠可行性分析 行星滚柱丝杠是一种将旋转运动转换成线性运 动的机械装置。 与梯形丝杠、滚珠丝杠的传动方式有点相近，但不同点则是：行星丝杠能够在极其艰苦的工作环境下承受重载上千个小时，这样就使得行星丝杠成为要求连续工作制应用场合的理想选择。 行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱，是典型的线接触；而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触。 主要优势是有众多的接触点来支撑负载。 螺纹滚柱替代滚珠将使负载通过众多接触点迅速释放，从而能有更高的抗冲能力。 行星滚柱丝杠的传动力的方式是与众不同的，在主螺纹丝杠周围，行星布置安装了 68个螺纹滚柱丝杠，这样将电机的旋转运动转换为丝杠或螺母的 直线运动。 图 21 行星滚柱丝杠 行星滚柱丝杠与液压缸 /气缸的性能对比： 在那种需要较高承载力，或高速度的应用场合中，比起液压缸、气缸，行星丝杠电动推杆 是 更加理 想的一种选择。 行星丝杠配置简单单一的控制系统，便带来了无与伦比的优越性。 并不需要诸如阀门、泵、过滤器、传感器等复杂的配套系统。 行星滚柱丝杠 体积小，工作寿命长，日常无需维护，不存在液压缸的液体渗漏情况，噪音显著 减小 行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的性能对比： 负载与硬度：行星滚柱丝杠为受力多线接触，而滚珠丝杠为受力多点接触。 接触面的增加，行星滚柱丝杠的承载能力和刚性将大大提高。 在实际的应用中，对于相同的负载，选择 行星滚柱丝杠 将节约 2/3的空间。 运行寿命： 行星滚柱丝杠与滚珠丝杠都适用于赫兹 Hertz定律 ， 由赫兹 Hertz压力中南大学本科生论文 Xray 残余应力分析系统结构设计 8 定律，我们可以得出：行星滚柱丝杠能承受的静载为滚珠丝杠的 3 倍，寿命为滚珠丝杠的 15 倍。 超高速度：普通的滚珠丝杠为了避免滚珠之间相互碰撞，因而输入速度不超过20xxrpm；而行星滚柱丝杠的行星丝杠均布固定在主丝杠的四周，故可以运行在 5000rpm或更高的转速下，最高速度可至 20xxmm/s. 通过行星滚柱丝杠和液压缸、滚珠丝杠性能的对比，我们可以得出行星滚柱丝杠的诸多优越性。 行星滚柱丝杠完全能够达到此四自由度结构平台的精度要求，轴向也完全可以承受平台的重量，且具有一定的创新性。 基于 上述理由， Z方 向采用行星滚柱丝杠实现传动进给运动。 . Z方向转动结构的拟定 平台 Z方向转动结构 设计较为简单，对于此四自由度结构平台，其 Z向装动结构 既受向下轴向力又受倾覆力矩。 查阅相关资料 ， 可采用相对安装的一对圆锥滚子轴承构成的回转支承，作为滚动回转导轨使用。 但由于此平台精度要求较高，故 要求其回转运动部件在径向的摆动量和轴向的窜动量不得超过一定值，即对径向和轴向有精度要求。 . 四自由度结构平台初始参数拟定 根据 X射线衍射测量残余应力机构的精度需要，最高定位精度应能够达到微米级，由于此 四自由度结构平台承载测量仪器 ， 故其运动速度要 求不高，甚至在不影响测量时间的前提下越慢越好， 故 此 平台轴向最高移动速度不宜过快。 对于 此四自由度结构平台 ， X、 Y 方向性能基本相同，故可将 X、 Y 方向设置为相同参数，进而减少设计计算量，同时也降低加工 及安装 难度。 综合考虑以上因素，查阅相关资料，结合实际情况， X、 Y 方向滚珠丝杠副初始参数确定如下： 工作台轴向最高移动速度 maxv =， X、 Y 方向所承受重量约为 800N，滚珠丝杠副定位精度 15 m /300mm，全行程定位精度 25 m ，重复定位精度 10 m ，安装方式为两端固定，所选电机最高转速 maxn =20xx r/min，选用滑动导轨，其中动导轨材料为 HT150，支承导轨材料为 HT200（淬火处理），导轨表面进行磨削处理。 平台的 Z方向为垂直进给方向，采用行星滚柱丝杠副实现传动进给要求。 对于无特殊要求的参数，尽量设置为与 X、 Y方向相同，以使平台整体参数结构较为合理。 中南大学本科生论文 Xray 残余应力分析系统结构设计 9 按照上述原则， Z 方向初始参数确定如下： 工 作台轴向最高移动速度 maxv =， Z 方向所承受重量约为 1200N， 行星滚柱 丝杠副定位精度 30 m /300mm，全行程定位精度 50 m ，重复定位精度 30 m ，安装方式为一端固定一端自由，所选电机最高转速 maxn =20xx r/min。 . 四自由度平台布局形式的确定 经过收集分析国内外相关资料，确定布 局方案如下： 1） X、 Y向采用滚珠丝杠与导轨配合工作的机构。 由电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，从而沿导轨直线运动。 2） Z向转动通过电机联轴器形式 传动， 带动一对圆锥滚子轴承 转动 实现。 但其放置位置尚未确定。 3）竖直方向（即 Z向）进给运动通过行星滚柱丝杠 副将转动变为直线运动 实现 ，其放置位置有 X、 Y向上方和下方两种选择。 综合上述 布局形式的初步确定，运用 Pro/E 软件做出两种不同的布局造型如下： 方案一（如图 22所示）：将 X、 Y向结构置于最下方作为底座， Z向移动安装于X、 Y 向上方， Z 向转动机构安装于最上方（即 圆形平台下方）。 方案二（如图 23 所示）：将 Z向移动结构置于最下方通过底座固定，传动形式为电机同步带轮传动，以减小平台高度及体积。 Z想转动机构安装于 Z向移动结构上方（即 X、 Y 结构下方）， X、 Y 向结构安装于最上方。 图 22 平台布局方案一 中南大学本科生论文 Xray 残余应力分析系统结构设计 10 图 23 平台布局方案二 考虑到 Z向所受负载较大，且质量较大，若置于 X、 Y向导轨上方 （即方案一） ，有可能导致失稳。 而 方案 2底座较大可避免此种情况发生，另外方案 2 底座 Z向移动采用 同步带轮传动， 可 降低竖直方向的高度。 参 考 国外此种平台的设计 ， 也是将 Z方向 垂直进给运动安 装 于 最 下方， 故在指导老师建议下 确定选用方案 二。 中南大学本科生论文 Xray 残余应力分析系统结构设计 11 第 三 章 四自由度平台传动系统的理论计算 传动系统的理论计算是四自由度平台结构总体设计的重要部分。 在总体设计阶段，我们将重点进行 X、 Y 方向 滚珠丝杠传动的设计与校核 ， Z 方向 行星滚柱丝杠传动的设计与校核 等。 . 滚珠丝杠传动的设计与校核 滚珠丝杠的计算步骤如图 31 所示 图 31 滚珠丝杠计算步骤 中南大学本科生论文 Xray 残余应力分析系统结构设计 12 下述滚珠丝杠副均有精度要求，故选用 P 类丝杠副 滚珠丝杠传动的设计 1）确定滚珠丝杠副的导程 Ph： maxmaxn。