pdc钻头检测装置机械部分设计本科毕业设计(编辑修改稿)

pdc钻头检测装置机械部分设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

PDC钻头检测装置机械部分设计： 一、 PDC 钻头 检测装置 机械部分的结构 PDC 机械部分检测装置由床身和立柱、工作台、主轴头、脉冲电源、伺服进给系统、工作台附件等部分组成。 结构图如图 11所示。 检测方式采用三坐标检测。 工作台检测器探头 床身和立柱是基础结构，由它确保检测仪与工作台、工件之间的相互位置。 位置精度的高低对加工有直接的影响，如果机床的精度不高，检测精度也难以保证。 因此，不但床身和立柱的结构应该合理，有较高的刚度，能承受主轴负重和运动部件突然加速运动的惯性力，还应该减小温度变化引起的变形。 工作台主要用来支承和装夹工件。 在实际加工中，通过转动纵横向丝杠来改变检测仪与工件的相对位置。 主轴头是 PDC 机械部分检测装置的一个关键部件，在结构上由伺服进给系统、导向和防扭机构三部分组成。 用以控制检测仪与钻头之间的距离。 主轴头的好坏直接影响检测数据的精度，如质量、内部应力、几何精度以及表面粗糙度，因此对主轴头有如下要求： 1) 有一定的轴向和侧向刚度及精度。 2) 有足够的进给和回升速度。 PDC 钻头检测装置机械部分设计 （共 44页） 20 3) 主轴运动的直线和防扭转性能好。 4) 灵敏度要高，无爬行现象。 二、 Z 轴 进给驱动方案的设计 ： 目前检测装置的自动进给调节系统的种类很多，按执行元件，大致可分为： 步进电机； 宽调速力矩电机； 直流伺服电机； 交流伺服电机。 在本次设计中选用电 机械式自动调节系统。 电 机械式自动调节系统在 20世纪 60 年代是采用普通直流伺服电机的形式，由于其机械减速系统传动链、惯性大、刚性差，因而灵敏度低， 20 世纪 70年代为电液自动调节系统所替代。 20世纪 80 年代以来，采用步进电机和力矩电机的电 机械式自动调节系统得到迅速发展。 由于它们的低速性能好，可直接带动丝杠进退，因而传动链短、灵敏度高、体积 小、结构简单，而且惯性小，有利于实现加工过程的自动控制和数字程序控制，因而在中、小型电火花机床中得到越来越广泛的应用。 又考虑到经济因素及尺寸的大小，本设计采用步进电机自动调节系统。 总体设计原理框图如图 22 所示 . 图 21 总体设计原理 三、 PDC 钻头机械部分检测装置的设计要求 感应同步器是一种电磁感应式的位移检测装置，它具有以下优点 ： 1) 精度高。 感应同步器直接对机床的位移进行测量，测量结果只受本身精度的限制，定尺上感应电压信号为多周期的平均效应，降低了绕组局部尺寸误差的影响 ，达到了较高的测量精度，其直线精度一般为177。 2) 对环境的适应性强。 它是利用电磁感应原理产生信号，所以不怕油污和步进电机驱动电路 步进电机 CPU 滚珠丝杠 负载 感应同步器 PDC 钻头检测装 置机械部分机构的结构 （ 共 43页 ） 21 灰尘污染，测量信号与绝对位置一一对应，不易受到干扰。 3) 使用寿命长，安装维修简单。 4) 可用于长距离位移测量，适合于大中型机床使用。 5) 工艺性好，成本低。 定尺与滑尺绕组便于复制和成批生产。 直线型感应同步器的定尺安装在机床的不动部件上，既可直接安装在机床某个面上，也可以和尺座构成组件后在安装在机床上。 所以综合各种检测装置，应使用感应同步器更为好。 四、 PDC 钻头机械部分检测装置进给机构 设计 导轨是机床的关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。 导轨设计应满足：导向精度、耐磨性、低速运动平稳性、刚度、结构简单、工艺性好、便于间隙调整，具有良好的润滑和防护等要求。 导轨类型的选择 导轨类型很多，分类不一。 常用的导轨类型有普通滑动导轨（滑动导轨）、塑料导轨（贴塑导轨）、镶金属导轨、滚动导轨、静压导轨、支压导轨。 在 PDC钻头检测装置中，选用滚动导轨，这是因为滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简 单。 滑动导轨类型的选择 导轨类型很多，分类不一。 常用的导轨类型有普通滑动导轨（滑动导轨）、塑料导轨（贴塑导轨）、镶金属导轨、滚动导轨、静压导轨、支压导轨。 在电火花成形加工机床中，选用滑动导轨。 直线滑动导轨类型的选择 常见的滑动导轨截面形状，有三角形（分对称、不对称两类）、矩形、燕尾形及圆形等四种，每种又分为凸形和凹形两类。 如图所示。 凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油。 宜在低速下工作；凹形导轨则相反，可用于高速，PDC 钻头检测装置机械部分设计 （共 44页） 22 但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入导轨。 该电火花成形 机床应选择凹形三角形导轨：该导轨在垂直载荷的作用下，磨损后能自动补偿，不会产生间隙，故导向精度较高。 但压板面仍需有间隙调整装置。 它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为 900。 为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，应采用较大的顶角（ 11001200）；为提高导向性，可采用较小的顶角（ 600）。 如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用尽可能垂直于导轨面。 凸形凹形对称三角形 不对称三角形 矩形 燕尾形 圆形 图 41 导轨的截面形状 选择导轨的补偿及调整装置 选用塞块调整间隙，其精度和刚度均较高。 润滑的选择 直线滑动导轨副常用钠基润滑脂润滑，为防止异物侵入和润滑剂的泄出，滑座两端装上耐油橡胶密封圈。 材料的选择 选用 CrWMn，进行冷处理和低温时效，并采用镶件式，最大限度地消除导轨PDC 钻头检测装 置机械部分机构的结构 （ 共 43页 ） 23 在使用中的变形。 纵向滚珠丝杠的设计 为了提高数控机床的传动精度和灵敏度，在需要将回转运动转换为直径运动的场合，常采用滚珠丝螺母副。 它是将丝杠螺母的螺旋槽加工成弧形，并放入适当的滚珠，当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠便 在由丝杠和螺母的两个弧形槽所形成的滚道中滚动，使螺旋传动由滑动摩擦变为滚动摩擦。 滚珠丝杠螺母副具有以下优点： 1) 传动效率高。 2) 灵敏度高，随动性好。 3) 使用寿命长。 4) 无反向死区，并能提高轴的刚度和反向精度。 5) 运动具有可逆性。 因此，选用滚珠丝杠螺母副来将步进电机的旋转运动转变为直线运动。 [10] 基本传动方式的选择 根据丝杠和螺母相对运动组合情况，其基本传动形式有四种： （ 1）螺母固定，丝杠转动并移动如图（ a）所示 ,该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构叫简单，可获得较高的传动精度。 但其轴向尺寸不宜太长，刚性太差。 因此只适用于行程较小的场合。 所以不适合使用于该场合。 （ 2）丝杠转动，螺母移动如图（ b）所示，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。 其特点是结构紧凑、丝杠刚性较好。 适用于工作行程较大的场合。 （ 3）螺母转动，丝杠移动如图（ c）所示，该传动形式需要限制螺母移动和丝杠的转动，由于结构复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。 （ 4）丝杠固定，螺母转动并移动如图（ d）所示，该传 动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，故很少使用。 如图 4所示。 选择丝杠转动、螺母移动的传动形式。 PDC 钻头检测装置机械部分设计 （共 44页） 24 图 42 基本传动形式 结构形式的选择 （ 1）螺纹滚道型面（法向）的形状选择 我国生产的滚珠丝杠有单圆弧型和双圆弧型，因为双圆弧型的螺纹滚道的接触角在工作过程中基本保持不变。 两圆弧相交处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不接触，并能存一定的润滑油以减少摩擦和磨损，应用广泛，因此选用双圆弧型的螺纹滚道。 （ 2）滚珠循环方式的选择 滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。 选用内 循环方式，其优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，选用浮动式反向器，这种反向器的优点是：在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性较好，适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。 滚珠丝杠副主要技术参数的确定 （ 1）基本导程 0P 的选择 基本导程的大小应根据机电一体化系统的精度要求确定，因此设计精度要求较高，要选取较小的基本导程。 由国际标准化组织（ ISO/DIS340821991）知尺寸系列 ： 基本导程： 1， 2， ， 3， 4， 5， 6， 8， 10， 12， 16， 20， 25， 32， 40 因此选用 mmP 40  （ 2）螺母选择 由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高的要求，故选择螺母时应注重其刚PDC 钻头检测装 置机械部分机构的结构 （ 共 43页 ） 25 度的保证，按高刚度要求选择预载的螺母形式。 其中内循环浮动反向器法兰直筒组合具有较好的磨擦特性，适用于各种高灵敏度、高刚度的精密进给定位系统，材料选用 45钢。 ①滚珠的工作圈数 i 和列数 j 的确定 滚珠总数 N一般不超过 150 个。 选用 ji 为  ，滚珠总数取 120 个。 ②法兰形状的选择 按安装由标准形状选择。 选择平顶法兰盘。 （ 3）导程精度选择 根据机床定位精度 10μ m，确定滚珠丝杠副导程的精度等级。 按下式估算 DTE )53~41( 式中： E— 累计代表导程偏差，μ m DT — 机床有效行程的定位精度 mE 6~)53~41(  由实用机床设计手册（以后简称手册）查得 选择精度等级 1C （ 4）丝杠 长度的计算 ① 丝杠螺纹长度按下式计算 eu llll 21  式中： ul —— 机床工作台有效行程， mm el —— 余程（按表选取）， mm 1l —— 螺母长度， mm 表 1 余程 导程 0p（ mm） 4 5 6 8 10 12 16 20 余程 el PDC 钻头检测装置机械部分设计 （共 44页） 26 （ mm） 16 20 24 32 40 45 50 60 ul = 340 el = 16 1l =11 丝杠螺纹长度： l = 383mm。 ② 支撑跨距 1L 应略大于 ul ，取为 mmL 6001 。 [13] （ 5）滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的选择 滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道接触点处将产生弹性变形。 换向时，其轴向间隙会引起空回，这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的动态性能。 单螺母丝杠副的间隙消除相当困难，实际应用中，有多种调整预紧方法，其中，双螺母垫片调整预紧式的结构简单刚度高，预紧可靠。 （ 6）滚珠丝杠副支承方式的选择 （ a）单推 — 单推式 (b)双推 — 双推式 (c)双推 — 简支式 (d) 双推 — 自由式 图 43 滚珠丝杠副的支承方式 实践证明， 丝杠的轴承组合及轴承座以及其它零件的连接刚性不足，将严重影响滚珠丝杠副的传动精度和刚度，为了提高轴向刚度，常用止推轴承为主的 PDC 钻头检测装 置机械部分机构的结构 （ 共 43页 ） 27 轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用向心推力球轴承来支承丝杠。 轴承的组合方式有以下几种： （Ⅰ）单推 — 单推式如图（ a）所示，止推轴承分别装在滚珠丝杠的两端并施加预紧力。 其特点是轴向刚度较高；预拉伸安装时，预紧力较。