步進(jìn)驅(qū)動(dòng)液壓工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書畢業(yè)設(shè)計(jì)1

1、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)液壓工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題 目：步進(jìn)驅(qū)動(dòng)液壓工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要擺動(dòng)碾壓是汽車輪轂軸承單元鉚合裝配的一種新興的壓力加工方法，本文在調(diào)查研究國(guó)內(nèi)外類似裝置的功能、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和發(fā)展應(yīng)用情況的前提下，結(jié)合擺輾技術(shù)的基本原理，設(shè)計(jì)了用于汽車輪轂軸承單元的鉚合裝配的專用擺碾機(jī)床。根據(jù)工藝特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了該機(jī)床的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出合理的控制系統(tǒng)原理圖，搭建控制系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)基于步進(jìn)驅(qū)動(dòng)液壓工作臺(tái)的控制系統(tǒng)。在本控制系統(tǒng)中，選用avr單片機(jī)作為下位機(jī)，單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的工藝動(dòng)作。本文完成控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)行軟硬件的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，通過運(yùn)行

2、調(diào)試，該系統(tǒng)成功應(yīng)用于擺碾旋壓設(shè)備，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。關(guān)鍵詞：輪轂軸承單元；鉚合裝配；步進(jìn)電機(jī)；avrabstractoscillating roller is the automobile hub bearing unit riveting assembly of a new pressure processing method, based on the investigation and study of domestic and foreign similar device function, structure, characteristics and the development o

3、f application conditions, combined with the rotary forging technology basic principle, design for automobile wheel hub bearing unit riveting assembly for swinging grinding machine tool. according to process characteristics, focus on the machine tool control system, design a reasonable the principle

4、diagram of control system, building control system design based on the platform, stepping driving hydraulic platform control system. in this control system, using avr mcu as the next machine, single chip microcomputer as the control core of the system, control of stepper motor running, to achieve th

5、e corresponding action. this paper completes the control system hardware and software design, software and hardware debugging experiment, through debugging, the system was successfully applied to a pendulum roller spinning equipment, stable and reliable operation.key words: hub bearing unit; rivetin

6、g assembly; stepping motor; avr目 錄摘 要1abstract2目 錄3第一章 緒 論51.1 引言51.2 本課題的研究意義與主要任務(wù)51.3 最新汽車輪轂軸承鉚接工藝應(yīng)用51.4 鉚接機(jī)鉚接質(zhì)量情況及旋壓鉚合技術(shù)的優(yōu)越性71.5 汽車輪轂軸承單元的國(guó)內(nèi)外情況調(diào)查81.6 汽車輪轂軸承單元的發(fā)展和前景12第二章 擺動(dòng)輾壓基本原理及工藝點(diǎn)142.1 擺動(dòng)輾壓的原理142.2 擺動(dòng)輾壓的特點(diǎn)152.3 擺輾旋壓設(shè)備總體方案152.3.1擺輾機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)152.3.2 總體方案的論證設(shè)計(jì)162.3.3 運(yùn)動(dòng)功能分析172.3.4 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)18第三章 機(jī)

7、床的總體方案和工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)203.1機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)203.2主要部件設(shè)計(jì)計(jì)算203.2.1絲桿的設(shè)計(jì)203.2.2滾動(dòng)軸承的選則與校核243.2.3絲桿的強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性計(jì)算25第四章 步進(jìn)電機(jī)工作原理及電機(jī)選型274.1 步進(jìn)電機(jī)原理分析274.2 步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原因294.3 抑制步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的辦法及措施294.4 步進(jìn)電機(jī)計(jì)算及選型304.5 90byg4501的參數(shù)31第五章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)335.1微控部分（模擬模式）335.2 m16的引腳說明355.3系統(tǒng)板365.3.1 復(fù)位部分365.3.2 晶振電路的設(shè)計(jì)375.3.3 isp下載接口設(shè)計(jì)385.3.4 串

8、口通信385.4驅(qū)動(dòng)板40第六章 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)406.1 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)406.2 程序清單41第七章 總結(jié)45致 謝46參考文獻(xiàn)47 第一章 緒 論1.1 引言 近年來，汽車工業(yè)迅速發(fā)展，汽車輪轂軸承單元的制造技術(shù)在不斷發(fā)展，將旋壓用于輪轂軸承單元的軸鉚合裝配，是當(dāng)前輪轂單元制造技術(shù)的最新進(jìn)展。旋壓（擺動(dòng)碾壓）是一種新興的壓力加工方法，屬于局部加壓，連續(xù)成形，具有省力零件尺寸精度高振動(dòng)小噪音低投資小等優(yōu)點(diǎn)。從七十年代開始，在世界鍛造行業(yè)被廣泛應(yīng)用，軍工產(chǎn)品如導(dǎo)彈殼的制造等是其最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前在國(guó)內(nèi)的研究還處于空白狀態(tài)，設(shè)計(jì)開發(fā)出用于輪轂軸承單元軸端鉚合裝配的專用生產(chǎn)設(shè)備，將填補(bǔ)

9、國(guó)內(nèi)空白，使有關(guān)軸承生產(chǎn)企業(yè)突破新型輪轂單元裝配制造的工藝瓶頸，有重大創(chuàng)新意義。1.2 本課題的研究意義與主要任務(wù)輪轂軸承單元的鉚合技術(shù)顯然在當(dāng)代和將來的汽車發(fā)展中都起到十分重大的作用，但是當(dāng)代的中國(guó)的大部分工廠都沒有相應(yīng)的專用鉚合設(shè)備或者是工廠因受到技術(shù)的封鎖而不能引進(jìn)國(guó)外的設(shè)備和技術(shù)。國(guó)內(nèi)的輪轂軸承的市場(chǎng)大部分都由國(guó)外的廠家占用。本文的主要任務(wù)是調(diào)查研究國(guó)內(nèi)外類似裝置的功能、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和發(fā)展應(yīng)用情況的前提下，結(jié)合擺輾技術(shù)的基本原理，設(shè)計(jì)了用于汽車輪轂軸承單元的鉚合裝配的專用擺碾機(jī)床。根據(jù)工藝特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了該機(jī)床的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出合理的控制系統(tǒng)原理圖，搭建控制系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)基于步進(jìn)驅(qū)動(dòng)液壓

10、工作臺(tái)的控制系統(tǒng)。在本控制系統(tǒng)中，選用avr單片機(jī)作為下位機(jī)，單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的工藝動(dòng)作。完成控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)行軟硬件的調(diào)試實(shí)驗(yàn)。1.3最新汽車輪轂軸承鉚接工藝應(yīng)用汽車輪轂軸承的作用主要是承受汽車的重量及為輪轂的傳動(dòng)提供精確的向?qū)?。輪轂軸承既承受徑向載荷又承受軸向載荷，是一個(gè)非常重要的安全件?，F(xiàn)在國(guó)產(chǎn)車大多仍采用傳統(tǒng)的兩套單獨(dú)的圓錐滾子軸承或角接觸球軸承，這種結(jié)構(gòu)在汽車裝配時(shí)要經(jīng)過調(diào)整游隙、預(yù)緊、加脂等諸多工序，參雜較多人為控制因素，裝配難度較大，從而造成汽車裝配線加長(zhǎng)，成本過高且可靠性差，難以適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。 近年來，隨著前置前驅(qū)動(dòng)轎車的飛速

11、發(fā)展，輪轂軸承發(fā)生了很大變化，尤其是國(guó)外知名的汽車生產(chǎn)廠家與軸承制造商聯(lián)合研發(fā)，新型輪轂軸承單元不斷涌現(xiàn)，目前己迸人第四代。 nsk鉚壓成形第三代輪轂鈾承 在傳統(tǒng)的第三代輪轂軸承單元的設(shè)計(jì)中，兩個(gè)內(nèi)圈是用鎖緊螺母牢固地連接在一起的，而nsk開發(fā)的新結(jié)構(gòu)是通過軸端的鉚壓成形軸向力使帶凸緣的內(nèi)圈產(chǎn)生塑性變形，與小內(nèi)圈壓緊。去掉螺母有助于減小輪轂單元的重量和尺寸，提高可靠性。驅(qū)動(dòng)輪和非驅(qū)動(dòng)輪都適用。采用鉚壓成形技術(shù)，可靠性將得以提高，即使連接螺母松動(dòng)軸承自身也可以提供預(yù)載保證。圖1.1、內(nèi)置內(nèi)圈2、鉚頭 3、輪轂軸鉚壓成形采用的是鉚接工藝 (如圖)，傾斜的鉚頭(上模)在軸承組件上鉚壓時(shí)，帶凸緣內(nèi)圈的

12、軸端受到來自下部的壓力產(chǎn)生塑性變形，直至小內(nèi)圈牢固地連在一起。在成形過程中，輪轂變形分為三個(gè)階段:第一階段，鉚頭下降，與輪轂軸接觸，變形開始。第二階段，變形進(jìn)一步擴(kuò)展，輪轂軸沿徑向擴(kuò)展，與內(nèi)圈倒角接觸。最后是第三階段，鉚接過程完成。在第一階段，幾乎所有的鉚頭壓力都用于輪轂軸的最初成形，內(nèi)圈載荷很小且恒定。進(jìn)入第二階段，鉚頭壓力傳遞到內(nèi)圈，內(nèi)圈載荷迅速增大。在第三階段，由于鉚頭壓力使內(nèi)圈載荷逐漸增大直至飽和，鉚壓結(jié)束后，甚至鉚頭已抬起，內(nèi)圈載荷仍未消除，仍保留某些載荷。可以認(rèn)為殘余載荷形成了卡緊力。 傳統(tǒng)的模鍛使整個(gè)工件壓縮，產(chǎn)生塑性變形。因此，加工大尺寸工件時(shí)，需要很大的壓力，而且當(dāng)運(yùn)用于軸承

13、上時(shí)，變形往往超出中心區(qū)域。在這種巨大壓力作用下，球與滾道受到擠壓，在加工過程軸承很可能損壞，而鉚接工藝只在局部產(chǎn)生變形并且只用很小的壓力。通過控制加載的壓力，這種加工用于軸承的裝配十分適合。通過重載下的運(yùn)轉(zhuǎn)耐久性試驗(yàn)檢驗(yàn)了鉚壓成形緣的疲勞強(qiáng)度和內(nèi)圈抗蠕變能力。進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)以考察鉚壓成形緣的靜強(qiáng)度以及軸承的力矩載荷剛變?cè)囼?yàn)，因?yàn)檩S承的剛性會(huì)影響車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的操縱穩(wěn)定性。 根據(jù)各項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)果，nsk新開發(fā)的鉚壓成形內(nèi)圈自鎖第三代輪轂軸承等同于甚至優(yōu)于帶鎖緊螺母的傳統(tǒng)型輪轂軸承。在保證高可靠性的前提下，重量和尺寸減小，滿足了當(dāng)前的市場(chǎng)需求，降低了車輛燃料消耗。1.4 鉚接機(jī)鉚接質(zhì)量情況及旋壓鉚合技

14、術(shù)的優(yōu)越性輪轂軸承單元軸端鉚質(zhì)量是整個(gè)輪轂軸承單元裝配的重要技術(shù)指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)鉚接過程，傳統(tǒng)做法是確定不同的鉚接行程，調(diào)整死頂塊的距離，達(dá)到不同的鉚接效果，其缺點(diǎn)是對(duì)操作要求高，調(diào)整過程困難，鉚接過程往往出現(xiàn)工件被壓壞，或是鉚接行程不夠，鉚接精度和質(zhì)量達(dá)不到理想的鉚接實(shí)驗(yàn)效果?；谝话愕你T接機(jī)的缺點(diǎn)，現(xiàn)提出鉚接驅(qū)動(dòng)過程實(shí)行伺服控制思路。在液壓系統(tǒng)中增加伺服控制環(huán)節(jié)，通過壓力傳感器檢測(cè)鉚接過程，并發(fā)出電信號(hào)控制換向卸荷回路，鉚頭鉚接動(dòng)作將得到精確的控制，通過調(diào)整壓力傳感器的不同值將可以達(dá)到理想的鉚接實(shí)驗(yàn)效果，有效保證鉚接精度和質(zhì)量。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的輪轂單元在裝配時(shí)兩個(gè)內(nèi)圈是用鎖緊螺母牢固地連接在一起的，

15、如圖1-2（a）所示。這種方式所存在的缺點(diǎn)是：需要在裝配的時(shí)候通過控制螺母的預(yù)緊量來控制輪轂單元的軸向卡緊力，由于單元中的零件存在制造誤差而使卡緊力的控制不精確，預(yù)壓量的波動(dòng)較大，從而導(dǎo)致軸承的負(fù)游隙量偏離最優(yōu)值而使軸承壽命下降，壽命離散度大大增加，使得其韋布爾分布中的斜率較大，90%可靠性下降；在使用過程中，由于螺紋卡緊采用的螺紋防松結(jié)構(gòu)可能因振動(dòng)等因素而松動(dòng)，從而導(dǎo)致預(yù)載荷卸載，嚴(yán)重時(shí)甚至失效，存在重大安全隱患。而新的結(jié)構(gòu)是通過軸端的旋壓成形，使帶凸緣的內(nèi)圈產(chǎn)生塑性變形，從而與小內(nèi)圈壓緊。這種方式使車輪支架和車輪法蘭不再是安裝驅(qū)動(dòng)軸之后才相互連接而是經(jīng)卷邊鉚接成為具有正常功能的輪轂軸承單元

16、，大大減輕了下一步的裝配工作。采用軸鉚合裝配方式，對(duì)非驅(qū)動(dòng)輪而言（如圖1-2（b）所示），可直接去掉螺母；對(duì)驅(qū)動(dòng)輪而言（如圖1-2（c）所示），因?yàn)椴辉傩枰^大的擰緊力矩，可以使用輕型螺母將驅(qū)動(dòng)軸固定在車輪法蘭中，驅(qū)動(dòng)軸帶齒的軸頸也可大大縮短，從而有助于減小輪轂單元的重量和尺寸，降低成本，使緊固部分更加緊湊，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。而且旋壓過程中對(duì)軸向載荷（卡緊力）可實(shí)時(shí)精確控制，消除零件制造誤差的影響，從而使預(yù)緊量的波動(dòng)大大減少，保證每一個(gè)輪轂單元都在裝配后獲得最佳預(yù)緊量，這意味著可以大大提高軸承使用壽命，并使韋布爾分布曲線的斜率變小，90%可靠性得到顯著提高；且由于鉚合聯(lián)接是不可逆裝配，不會(huì)因使用

17、過程中的振動(dòng)等因素發(fā)生變化，從而消除螺紋防松結(jié)構(gòu)中可能的卸載隱患，大大提高可靠性，也就提高了產(chǎn)品的安全性。（a）（b）（c） 圖1-2 輪轂單元裝配方法另一方面，因?yàn)檩嗇瀱卧淖畋∪醯沫h(huán)節(jié)不是鎖緊位置，而是凸緣根部，而通過fem分析可知，小內(nèi)圈在汽車行駛過程中所承受的軸向載荷不是很高，通過對(duì)當(dāng)前的輪轂單元的結(jié)構(gòu)分析，我們認(rèn)為其軸承組件部分還可進(jìn)一步精減，只要將帶凸緣的軸在端部直接旋壓成滾道形狀，就可省略小內(nèi)圈，達(dá)到軸承組件零件數(shù)目的絕對(duì)最小化，進(jìn)一步精減輪轂單元的結(jié)構(gòu)，提高可靠性，降低生產(chǎn)成本。1.5汽車輪轂軸承單元的國(guó)內(nèi)外情況調(diào)查隨著前置驅(qū)動(dòng)轎車的飛速發(fā)展，國(guó)外輪轂軸承發(fā)生了很大的變化，已從

18、傳統(tǒng)的分離式軸承發(fā)展到軸承單元，經(jīng)歷四代的發(fā)展。汽車輪轂軸承單元的作用主要是承受汽車的重量并為輪轂的傳動(dòng)提供精確的向?qū)?。輪轂軸承既承受徑向載荷又承受軸向載荷，是一個(gè)非常重要的安全件。 近年來，隨著前置前驅(qū)動(dòng)轎車的飛速發(fā)展，輪轂軸承發(fā)生了很大變化，尤其是國(guó)外知名的汽車生產(chǎn)廠家與軸承制造商聯(lián)合研發(fā)，新型輪轂軸承單元不斷涌現(xiàn)，目前已進(jìn)入第四代。 第一代輪轂軸承 第一代是外圈整體型雙列角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。它由一個(gè)外圈和兩個(gè)內(nèi)圈組成。為了確保裝到車輪上時(shí)軸承的預(yù)緊力，要求溝心距有很高的精度。為此，砂輪用一個(gè)具有高尺寸精度的旋轉(zhuǎn)成形修形器來進(jìn)行修形。外圈滾道進(jìn)行同步磨削可以達(dá)到理想的高加工精度。內(nèi)

19、圈滾道也必須有一個(gè)非常精確的定位，應(yīng)用與外圈一樣的成形旋轉(zhuǎn)修形器，通過多角度磨削可以實(shí)現(xiàn)高精密的加工。 這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是可靠、有效載荷間距短、易安裝、無需調(diào)整、結(jié)構(gòu)緊湊等。這種軸承已經(jīng)相當(dāng)實(shí)用化，我國(guó)引進(jìn)車型大多采用此類軸承。 第二代輪轂單元 第二代是將與軸承相配合的零件即輪轂或轉(zhuǎn)向節(jié)與軸承套圈制成一體的結(jié)構(gòu)型式（圖1.3）。開發(fā)該單元的重點(diǎn)是了為保證質(zhì)量和盡可能縮短生產(chǎn)周期，為此這種單元最終采用了流水線生產(chǎn)。 第一代產(chǎn)品的淬火是分批完成的，而第二代則采用在線高頻加熱的方式進(jìn)行淬火。在回火工藝中也使用了感應(yīng)加熱系統(tǒng)以節(jié)省空間并縮短生產(chǎn)周期。為了減少熱處理變形所需的磨削時(shí)間，在熱處理后緊接著

20、引入一次裝夾車削兩個(gè)滾道的工序，以減少車削時(shí)刀架的重復(fù)拆卸時(shí)間。 第三代輪轂單元 日本公司已經(jīng)成功開發(fā)出了獲得最佳預(yù)緊力（負(fù)游隙）的技術(shù)，它既能提高汽車懸架所需的車輪穩(wěn)定性，又能提高軸承壽命。該技術(shù)已經(jīng)能加工出滿足剛度和壽命的最佳間隙和結(jié)構(gòu)變形，帶凸緣的內(nèi)圈和另一個(gè)內(nèi)圈是一體的，這使裝配變得極其困難。已前普遍接受的常規(guī)設(shè)計(jì)（圖1.4）是小內(nèi)圈與帶凸緣的內(nèi)圈進(jìn)行壓配合，并用鎖緊螺母把它們固定在一起。對(duì)裝配的要求包括:小內(nèi)圈與帶凸緣的較大內(nèi)圈必須確保固定在一起。一旦小內(nèi)圈從帶凸緣的內(nèi)圈上松脫會(huì)導(dǎo)致輪子與車身脫離，因此必須防止這種情況的發(fā)生。1帶凸緣的外圈 2保持架 3內(nèi)圈 4球圖1.3 第二代輪轂

21、單元1帶凸緣的外圈 2保持架 3小內(nèi)圈礴 4鎖緊螺母 5球 6帶凸緣的內(nèi)圈圖1.4第二代輪轂單元 軸向力的產(chǎn)生應(yīng)確保小內(nèi)圈的軸向緊固:防止兩個(gè)內(nèi)圈之間相對(duì)旋轉(zhuǎn)（蠕變），確定合適的預(yù)緊力以提高壽命、剛性和旋轉(zhuǎn)精度。當(dāng)受到外力時(shí)，防止兩個(gè)內(nèi)圈上相互配合的接觸表面發(fā)生分離。 （1）skf帶有abs傳感器的第三代輪轂軸承單元制動(dòng)系防抱死系統(tǒng)（abs）對(duì)車輛安全性作出了巨大貢獻(xiàn)。據(jù)報(bào)道，從2000年起，歐洲所有的轎車及輕型商用車都要將abs作為標(biāo)淮配置安裝。把a(bǔ)bs傳感器安裝到輪轂單元中，有許多優(yōu)點(diǎn)，其中汽車制造商最感興趣的是節(jié)約成本。 skf為汽車工業(yè)生產(chǎn)輪轂軸承已經(jīng)近60年。由skf提出的整體環(huán)狀傳

22、感器是基于感應(yīng)原理的被動(dòng)abs傳感器。一個(gè)帶有29齒的脈沖環(huán)經(jīng)過一個(gè)外部有線圈的永久磁場(chǎng)鐵旋轉(zhuǎn)。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電信號(hào)，電信號(hào)的頻率及大小與車輛轉(zhuǎn)速有關(guān)。skf的這種結(jié)構(gòu)在技術(shù)上有下列幾點(diǎn):防銹性能提高，節(jié)省重量和空間，由于傳感器和脈沖環(huán)間存在空氣間隙更加耐用，信號(hào)強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。信號(hào)強(qiáng)意味著速度極限更低，通常為3.7kn公h，甚至降到2.okmlh，這意味汽車的安全性進(jìn)一步提高。內(nèi)置abs傳感器的第三代驅(qū)動(dòng)輪轂單元已成為發(fā)展趨勢(shì)，各大軸承公司都在積極研制。（2）nsk旋壓成形第三代輪轂軸承在傳統(tǒng)的第三代輪轂軸承單元的設(shè)計(jì)中，兩個(gè)內(nèi)圈是用鎖緊螺母牢固地連接在一起的，而nsk開發(fā)的新結(jié)構(gòu)

23、是通過軸端的旋壓成形，軸向力使帶凸緣的內(nèi)圈產(chǎn)生塑性變形，與小內(nèi)圈壓緊。去掉螺母有助于減小輪轂單元的重量和尺寸，提高可靠性。驅(qū)動(dòng)輪和非驅(qū)動(dòng)輪都適用。采用旋壓成形技術(shù)，可靠性將得以提高，即使連接螺母松動(dòng)軸承自身也可以提供預(yù)載保證。 旋壓成形采用的是旋轉(zhuǎn)模鍛工藝（如圖1.5），傾斜的上模在軸承組件上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶凸緣內(nèi)圈的軸端受到來自下部的壓力產(chǎn)生塑性變形，直至小內(nèi)圈牢固地連在一起。1內(nèi)置內(nèi)圈 2沖頭 3輪轂軸圖1.5旋壓成形工藝示意圖在成形過程中，輪轂變形分為三個(gè)階段:第一階段，沖頭下降，與輪轂軸接觸，變形開始。第二階段，變形進(jìn)一步擴(kuò)展，輪轂軸沿徑向擴(kuò)展，與內(nèi)圈倒角接觸。最后是第三階段，鉚合過程完成。

24、在第一階段，幾乎所有的沖頭壓力都用于輪轂軸的最初成形，內(nèi)圈載荷很小且恒定。進(jìn)入第二階段，沖頭壓力傳遞到內(nèi)圈，內(nèi)圈載荷迅速增大。在第三階段，由于沖頭壓力使內(nèi)圈載荷逐漸增大直至飽和，旋壓結(jié)束后，甚至沖頭已抬起，內(nèi)圈載荷仍未消除，仍保留某些載荷?？梢哉J(rèn)為殘余載荷形成了卡緊力。傳統(tǒng)的模鍛使整個(gè)工件壓縮，產(chǎn)生塑性變形。因此，加工大尺寸工件時(shí)，需要很大的壓力，而且當(dāng)運(yùn)用于軸承上時(shí)，變形往往超出中心區(qū)域。在這種巨大壓力作用下，球與滾道受到擠壓，在加工過程軸承很可能損壞，而旋壓模鍛只在局部產(chǎn)生變形并且只用很小的壓力。通過控制加載的壓力，這種加工用于軸承的裝配十分適合。通過重載下的運(yùn)轉(zhuǎn)耐久性試驗(yàn)檢驗(yàn)了旋壓成形緣

25、的疲勞強(qiáng)度和內(nèi)圈抗蠕變能力。進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)以考察旋壓成形緣的靜強(qiáng)度以及軸承的力矩載荷剛變?cè)囼?yàn)，因?yàn)檩S承的剛性會(huì)影響車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的操縱穩(wěn)定性。 根據(jù)各項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)果，nsk新開發(fā)的旋壓成形內(nèi)圈自鎖第三代輪轂軸承等同于甚至優(yōu)于帶鎖緊螺母的傳統(tǒng)型輪轂軸承。在保證高可靠性的前提下，重量和尺寸減小，滿足了當(dāng)前的市場(chǎng)需求，降低了車輛燃料消耗。第四代輪轂軸承單元 第四代是把等速萬向節(jié)與軸承做成整體化，這種形式最引注目的是廢除輪轂花鍵軸，更加小型化，安裝更加合理，如圖1.6所示。圖1.6第四代輪轂軸承單元汽車輪轂軸承已從傳統(tǒng)的分離式軸承發(fā)展到軸承單元。輪轂軸承正逐步成為與車輪支承總成連為一體的內(nèi)部部件，第四代已研

26、制成功，距離實(shí)用化不會(huì)遙遠(yuǎn)。這些單元產(chǎn)品的特點(diǎn)是:不需要調(diào)整軸承組裝間隙(過選擇間隔形式或按照力矩調(diào)整間隙)，軸承組裝工藝合理化，輕量化和小型化，提高可靠性、一次性裝脂，免維護(hù)，降低整體成本。國(guó)產(chǎn)車大多仍采用傳統(tǒng)的兩套單獨(dú)的圓錐滾子軸承或角接觸球軸承，這種結(jié)構(gòu)在汽車裝配時(shí)要經(jīng)過調(diào)整游隙、預(yù)緊、加脂等諸多工序，參雜較多人為控制因素，裝配難度較大，從而造成汽車裝配線加長(zhǎng)，成本過高且可靠性差，難以適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)在汽車輪轂軸承單元開發(fā)研制方面起步較晚，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造尚停留在仿制階段，目前成系列開發(fā)生產(chǎn)的輪轂軸承單元只到第二代，第三代還處于試制階段。我國(guó)與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距主要是制造技術(shù)

27、方面的差距，軸承制造業(yè)也不例外。長(zhǎng)期以來，美國(guó)、日本、瑞典、德國(guó)等軸承強(qiáng)國(guó)一直在不遺余力地開發(fā)先進(jìn)的軸承制造技術(shù)，以滿足主機(jī)的使用要求，力爭(zhēng)在激烈的全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)中保持其領(lǐng)先地位。由于先進(jìn)制造技術(shù)往往關(guān)系到一個(gè)公司甚至一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因而工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)都帶有壟斷性。國(guó)外軸承同行向來對(duì)中國(guó)封鎖先進(jìn)的軸承制造技術(shù)，這一點(diǎn)是我國(guó)軸承行業(yè)出訪人員的共同感受。 我國(guó)軸承制造業(yè)必須在借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上自主開發(fā)本國(guó)的先進(jìn)制造技術(shù)。在改善實(shí)施先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)條件的同時(shí)，優(yōu)先發(fā)展適用先進(jìn)的制造技術(shù)。先進(jìn)制造技術(shù)的研究開發(fā)立項(xiàng)要效益與水平并重，大中小企業(yè)需求并重，大批量制造與特種小批量制造

28、技術(shù)并重，目的在于通過提高軸承性能、品質(zhì)、壽命可靠性來滿足主機(jī)的配套要求，增強(qiáng)國(guó)產(chǎn)軸承在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。今后10年我國(guó)軸承制造業(yè)應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展的具有共性的關(guān)鍵制造技術(shù)包括：節(jié)材節(jié)能增壽的軸承套圈精密冷輾擴(kuò)技術(shù)，高精度高效率高穩(wěn)定性的軸承套圈磨削超精研自動(dòng)生產(chǎn)技術(shù)以及與其相配套的軸承自動(dòng)裝配技術(shù)，g3級(jí)精密鋼球研磨技術(shù)、精密凸度圓錐滾子磨削超精研自動(dòng)生產(chǎn)技術(shù)，精密保持架制造與測(cè)量技術(shù)，超精密軸承加工與測(cè)量技術(shù)，軸承仿真試驗(yàn)技術(shù)，以及軸承減振降噪、潤(rùn)滑和密封技術(shù)。1.6汽車輪轂軸承單元的發(fā)展和前景隨著輪轂軸承單元一代一代改進(jìn)和發(fā)展，結(jié)構(gòu)剛性越來越高、可靠性越來越強(qiáng)、安裝維護(hù)越來越方便，特別是第三

29、代輪轂軸承單元，性能優(yōu)良、安裝方便，深受汽車設(shè)計(jì)師和汽車用戶的青睞。第三代輪轂軸承單元最早應(yīng)用是在二十世紀(jì)九十年代，首先在各類乘用車上，后來很快發(fā)展到中型商用車上批應(yīng)用；到二十一世紀(jì)，又進(jìn)行了第四代輪轂軸承產(chǎn)品的開發(fā)，為汽車制造商提供樣品，通過臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)，得到了汽車制造商的認(rèn)可。第五、六代輪轂軸承單元的設(shè)計(jì)思路尚在概念階段，要形成產(chǎn)品或投入使用尚須時(shí)日。而我國(guó)在汽車輪轂軸承單元的開發(fā)研制方面起步較晚，但近幾年發(fā)展很快，目前從第一代到第三代輪轂軸承單元，在品種規(guī)格上已基本與國(guó)際市場(chǎng)同步，第四代還處于試制階段，未形成系列化和規(guī)?；a(chǎn)。下表是2008年國(guó)內(nèi)外轎車所用各代汽車輪轂軸承單元情況

30、的大致比例，基本上能反映市場(chǎng)的實(shí)際情況。載重車使用輪轂軸承單元的進(jìn)展遠(yuǎn)比轎車滯后。研究國(guó)內(nèi)外汽車產(chǎn)品的發(fā)展歷程，我們可以認(rèn)為，輪轂軸承單元化技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車軸承發(fā)展的重要內(nèi)容。單元化集成件的優(yōu)化組合、集成件的性能優(yōu)化、高可靠度、低成本制造與維護(hù)將是輪轂軸承研究和發(fā)展的重點(diǎn)。表1.1 國(guó)內(nèi)外各轎車輪轂軸承比較國(guó)家為扶持汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，制定了多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)鼓勵(lì)政策。汽車輪轂軸承也屬于鼓勵(lì)類項(xiàng)目，如外商投資產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄(2007年修訂)中鼓勵(lì)類第十七“通用機(jī)械制造業(yè)”中的第14條“第三、四代轎車輪轂軸承(軸承內(nèi)、外圈帶法蘭盤和傳感器的輪轂軸承功能部件)， 制造”的要求；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2007年本

31、)征求意見稿中鼓勵(lì)類第十二“機(jī)械”中的第4條“汽車高性能軸承、鐵路軸承、精密軸承、低噪音軸承制造”的要求；國(guó)家四部委(工信部、科技部、財(cái)政部、國(guó)資委)工信部聯(lián)裝2009707號(hào)重大技術(shù)裝備自主創(chuàng)新指導(dǎo)目錄(2009年版)附件中編號(hào)l725“中高檔汽車軸承”將“更新?lián)Q代的集成化軸承的開發(fā)技術(shù)”列為需突破的關(guān)鍵技術(shù)之一，市場(chǎng)預(yù)測(cè)或產(chǎn)業(yè)化前景明確為“年需求量2億套，市場(chǎng)約100億元，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率2011年達(dá)3o ，2015年達(dá)5o.隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，第三代輪轂軸承單元的使用越來越廣泛，甚至一些經(jīng)濟(jì)型轎車和中重型商用車也開始使用第三代輪轂軸承單元。據(jù)保守估計(jì)，到2014年，國(guó)內(nèi)汽車配套市場(chǎng)對(duì)于第三

32、代輪轂軸承單元的需求量可能達(dá)到2500萬套以上；而國(guó)內(nèi)汽車維修市場(chǎng)需用的第三代輪轂軸承單元將接近1000萬套。 在北美、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的汽車，從上世紀(jì)九十年代就開始配裝了第三代輪轂軸承單元，估計(jì)到2014年，全球整車配套市場(chǎng)和維修市場(chǎng)對(duì)于第三代輪轂軸承單元的需求量均將達(dá)到15-18億套。通過如上的分析預(yù)測(cè)，我們對(duì)汽車輪轂軸承單元的發(fā)展前景有了非常清晰的認(rèn)識(shí)，可以確定，汽車輪轂軸承單元，尤其是第三代輪轂軸承單元，集成了傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承和現(xiàn)代電子技術(shù)于一體，將是一個(gè)非常具有市場(chǎng)潛力的新生代產(chǎn)品，從而也為傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承產(chǎn)品開辟了一個(gè)全新的發(fā)展空間.第二章 擺動(dòng)輾壓基本原理及工藝點(diǎn)2.1 擺

33、動(dòng)輾壓的原理 擺輾工模具的運(yùn)動(dòng)形式比較復(fù)雜。與擺輾幾的機(jī)床軸心線同心的模具為下模，其上固定工件，模具與工件一起繞自軸旋轉(zhuǎn)。軸心線與機(jī)床軸心線成r角斜交的模具為錐體模，即擺頭。它繞自軸旋轉(zhuǎn)。下模的旋轉(zhuǎn)與錐體模同步。兩個(gè)模具中有一個(gè)模具沿機(jī)床軸心線方向平移實(shí)現(xiàn)軋制的壓下進(jìn)給。以床身為參照物，錐體模與工件的接觸面位置不變，即軋制變形力合力作用線相對(duì)靜止，也可以說錐體模軸線上任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡在接觸面上的投影是一個(gè)點(diǎn)。所以，此類擺輾擺頭的運(yùn)動(dòng)軌跡是點(diǎn)。圖2.1 擺輾機(jī)擺頭運(yùn)動(dòng)示意圖由于攻擊變形與模具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，所以必須分析模具與工件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。以工件為參照物，下模相對(duì)靜止。錐體模（擺頭）軸

34、線與機(jī)床軸線的交點(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng)，錐體模軸線上其余各點(diǎn)，作螺旋運(yùn)動(dòng)，其參數(shù)方程為：式中 r回轉(zhuǎn)半徑（mm） 擺頭旋轉(zhuǎn)角速度（r/s）t 時(shí)間（s）s 時(shí)間t內(nèi)模具沿機(jī)床軸向平移的距離（mm）。錐體模軸線上任意點(diǎn)相對(duì)工件螺旋運(yùn)動(dòng)軌跡在工件上平面（xoy面）上的投影為圓，用極坐標(biāo)表示為：或用直角坐標(biāo)的方程表示為：擺輾錐體模在工件上表面運(yùn)動(dòng)軌跡的投影為圓，所以也可以叫圓軌跡。由于錐體模在工件上滾動(dòng)，其接觸摩擦是滾動(dòng)摩擦，摩擦力小，因而更有利于金屬的塑性流動(dòng)，能充分發(fā)揮軋制變形的特性，減少了錐體模的滑動(dòng)磨損，成為擺輾的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。再者，由于工件隨錐體模同向轉(zhuǎn)到，其接觸面與機(jī)床的相對(duì)位置不變，所以擺輾壓力的合

35、力作用線處于機(jī)床的固定位置，可以用一般軸承作運(yùn)動(dòng)副，機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，維修容易，壽命長(zhǎng)。2.2 擺動(dòng)輾壓的特點(diǎn)（1）省力。因擺輾是以連續(xù)局部變形代替常規(guī)鍛造工藝的一次整體變形，因此可以大大降低變形力。實(shí)踐證明，加工相同鍛件，其輾壓力僅是常規(guī)鍛造方法變形力的1/51/20；（2）產(chǎn)品質(zhì)量高，節(jié)省原材料，可實(shí)現(xiàn)少無切削加工。如果模具制造尺寸精度很高，且進(jìn)行過拋光，則輾壓件垂直尺寸精度可達(dá)0.025mm，表面粗糙度可達(dá)r0.40.8m。（3）擺動(dòng)輾壓適合加工薄而形狀復(fù)雜的餅盤類鍛件。加工薄餅類鍛件，擺輾所需的變形力比常規(guī)鍛造力小很多，而且工件愈薄，用擺輾法成形愈省力。（4）勞動(dòng)環(huán)境好，勞動(dòng)強(qiáng)度

36、低。擺輾時(shí)機(jī)器無噪聲、震動(dòng)小，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化。（5）設(shè)備投資少，制造周期短，見效快，占地面積小。2.3 擺輾旋壓設(shè)備總體方案2.3.1擺輾機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)表2.1 擺輾機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)序 號(hào)要求數(shù)值1. 11. 21. 31. 41. 51. 6旋壓鉚合直徑最大鉚接力油泵最大輸出壓力功耗自動(dòng)方式軸承變形情度內(nèi)孔16mm，外徑28mm150kn5mpa7.5kw0.0012 .12. 22. 32. 42. 52. 62. 72. 82. 9生產(chǎn)效率旋壓鉚合最大行程滾碾壓頭到工作臺(tái)距離工作臺(tái)升降距離主軸到床身立柱距離滾壓頭伸出長(zhǎng)度工作臺(tái)尺寸機(jī)床外形尺寸機(jī)床凈重450個(gè)/小時(shí)2530mm0

37、250mm0250mm200mm取100120mm4002007207202500100022003. 13. 23. 33. 43. 5安全可靠容易傳送軸承外形美觀、噪音小故障自檢、易排除損壞零件易更換2.3.2 總體方案的論證設(shè)計(jì)由于汽車輪轂軸承單元為粗短零件且需要的鉚接力較大，綜合考慮臥式、立式的優(yōu)缺點(diǎn)，選用立式機(jī)床。而立式機(jī)床又可分單立柱式和多立柱式，下圖為立式方案的簡(jiǎn)圖：圖2.2 確定方案：四柱立式結(jié)構(gòu)單柱式方案：一根立柱既要承受拉伸力，又要承受切應(yīng)力，立柱彎曲變形情度較大。對(duì)于小功率的情況，變形情度可以控制在允許的范圍之內(nèi)，另外結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，操作方便，開敞性好，工件裝卸方便；

38、但剛性不好，對(duì)中性差；并在加工過程中，由于工作臺(tái)處于懸臂，而使工作臺(tái)受力不均，產(chǎn)生震動(dòng)和噪音，影響了零件的加工精度，難保零件的合格。多立柱式方案：機(jī)床對(duì)中性好，剛度強(qiáng)，鋼性特佳，結(jié)構(gòu)永不變形，使用壽命長(zhǎng)。適用于大平面、大出力之裁斷作業(yè)。一種液壓機(jī)工作臺(tái)四柱支撐結(jié)構(gòu)，在液壓機(jī)下梁頂出缸接觸面上至少設(shè)置有四組支撐柱，各組支撐柱分為上支撐柱和下支撐柱，上支撐柱與液壓機(jī)移動(dòng)工作臺(tái)連接固定，下支撐柱連接固定在下梁與下梁頂出缸接觸面上，在上支撐柱和下支撐柱之間設(shè)置有一定的間隙，與下梁頂出缸連接的液壓墊上開有大于上支撐柱和下支撐柱直徑的導(dǎo)向孔。其優(yōu)點(diǎn)在于：可大大降低了液壓機(jī)移動(dòng)工作臺(tái)上面板的厚度，不僅節(jié)省材

39、料、降低了制造成本，同時(shí)還能保證機(jī)器的強(qiáng)度和加工精度，因此該結(jié)構(gòu)具有較為廣闊的發(fā)展前景。綜合考慮，選擇四柱式液壓機(jī)床結(jié)構(gòu)。機(jī)床方案設(shè)計(jì)包括運(yùn)動(dòng)功能分析，機(jī)床布局，機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中充分考慮到加工操作方便，加工質(zhì)量好，制造成本合理。2.3.3 運(yùn)動(dòng)功能分析本機(jī)床主運(yùn)動(dòng)為電動(dòng)機(jī)主軸帶動(dòng)鉚頭旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)為液壓缸驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行鉚接，同時(shí)考慮到縮短鉚接工作行程，設(shè)計(jì)工作臺(tái)升降機(jī)構(gòu)形式，調(diào)節(jié)工作臺(tái)與動(dòng)力的距離，減少鉚接過程的空行程。使鉚接過程更節(jié)省時(shí)間。整個(gè)過程的運(yùn)動(dòng)置于動(dòng)力頭內(nèi)。旋壓機(jī)床需要兩個(gè)運(yùn)動(dòng)即主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和主軸縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)來完成鉚接。2.3.4 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)機(jī)床的總體布

40、局設(shè)計(jì)需要根據(jù)工作的要求，充分考慮到操作方便，加工效率高，性能穩(wěn)定、安全，加工質(zhì)量好等因素；對(duì)于立式鉚接擺輾機(jī)包括主傳動(dòng)部分、進(jìn)給傳動(dòng)部分、床身本體、電控與液壓系統(tǒng)，液壓站和電控箱，開關(guān)等。主傳動(dòng)系主要布置在動(dòng)力頭處，包括電動(dòng)機(jī)、偏心機(jī)構(gòu)。進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。另外，主傳動(dòng)、進(jìn)給傳動(dòng)要考慮各自的穩(wěn)定性以及配合的，為節(jié)省空間，電控與檢測(cè)系統(tǒng)包含于床身本體。對(duì)于液壓站其包括了液壓系統(tǒng)的供油裝置、控制調(diào)節(jié)裝置等，將其獨(dú)立于機(jī)床之外，可以使安裝維修方便，液壓裝置的振動(dòng)、發(fā)熱都與機(jī)床隔開?？紤]到工人操作的方便和效率的提高，選用用腳踏開關(guān)作為操作的控制，結(jié)合安全操作，腳踏開關(guān)開關(guān)設(shè)置在底座的開

41、槽內(nèi)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組合的不同，擬定以下布局方案。圖2.3 擺輾機(jī)方案確定形式動(dòng)力頭與液壓缸部分分開，主軸只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而不作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，鉚合時(shí)由液壓缸推動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)向上進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。這種立案讓動(dòng)力頭只負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)軌跡運(yùn)動(dòng)，而縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)則由工作臺(tái)來完成。大大簡(jiǎn)化了動(dòng)力頭里面的機(jī)構(gòu)，使得整個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，另外用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)也是比較容易實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)鉚合機(jī)床相比，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，把兩個(gè)運(yùn)動(dòng)分開，省去了原來復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。由于鉚頭只要實(shí)現(xiàn)螺旋線擺動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了許多，對(duì)軸承和整體的精度和工藝要求也降低了許多，降低制造成本的同時(shí)也使機(jī)器維修起來更加方便。工作臺(tái)把原先四柱或單柱支持改成液

42、壓升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下位移，實(shí)現(xiàn)起來很簡(jiǎn)單，液壓系統(tǒng)不復(fù)雜，更加有利于現(xiàn)代化生產(chǎn)。四柱式液壓機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：精密四柱導(dǎo)向承載機(jī)構(gòu)有潤(rùn)滑加油系統(tǒng)，保證機(jī)床長(zhǎng)期使用壽命； 更加獨(dú)特的是，四柱尾部有定位套，確保機(jī)床在承受側(cè)向負(fù)荷時(shí)，工作可靠,四柱式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用?？蚣苁浇Y(jié)構(gòu)剛性好、精度高、搞偏載能力強(qiáng)。第三章 機(jī)床的總體方案和工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)，其由主電機(jī)yl-160、鉚頭、床身立柱、步進(jìn)電機(jī)、工作臺(tái)等組成， 如圖3.1所示圖3.1 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)圖1. 主電機(jī)yl-160 2.鉚頭 3. 床身立柱 4.步進(jìn)電機(jī) 5.工作臺(tái)3.2主要部件設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1絲桿的設(shè)計(jì)

43、絲杠是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)副零件，在機(jī)床上，它是用來完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要原件。因?yàn)榻z桿直接支撐工作臺(tái)和調(diào)節(jié)工作臺(tái)的高低，絲桿承受了絕大部分的鉚接力，所以有必要對(duì)絲桿進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算來選擇其尺寸。絲杠螺旋副常用的螺旋方式有滑動(dòng)螺旋和滾珠螺旋兩種?；瑒?dòng)螺旋的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便；易于實(shí)現(xiàn)逆行程自鎖，工作安全可靠；摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低；容易磨損，軸向剛度較差。 滾珠螺旋的特點(diǎn)：摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高；磨損小、壽命長(zhǎng)、工作可靠性好；具有運(yùn)動(dòng)的可逆性，應(yīng)設(shè)防逆動(dòng)裝置；軸向剛度較高，抗沖擊性能較差；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造較難；預(yù)緊后得到很高的定位精度（約達(dá)5um/300）和重復(fù)定位精度（可達(dá)12u

44、m）。參照設(shè)計(jì)要求發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)螺旋和滾動(dòng)螺旋均可滿足要求。擬選定滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)方式。滾動(dòng)螺旋的工作原理如圖3-1所示，絲杠4和螺母1的螺紋滾道間置有滾珠2，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠2沿螺紋滾道滾動(dòng)，則絲杠與螺母之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，為防止?jié)L珠從滾道中滾出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置3，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。1 螺母 2 滾珠 3 回程引導(dǎo)裝置 4 絲桿圖3.2 絲桿螺母工作原理已知: 工作臺(tái)重量 w1=3000n，工作及夾具最大重量w2=2000n，工作臺(tái)最大行程 lk=300mm，工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù):動(dòng)摩擦系數(shù)=0.15,快速進(jìn)給速度，vmax=0.015m/s，定位精度20

45、m/300mm，全行程25m，重復(fù)定位精度10m，要求壽命15000小時(shí)(工作五年)。 (1)滾珠絲桿副的選用與校核計(jì)算導(dǎo)軌摩擦力 f=(w1+w2)=750n 其中 w：工作臺(tái)質(zhì)量和滑塊重量；=0.15：導(dǎo)軌與支撐之間的摩擦系數(shù) 表3.1 常用材料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)摩擦副材料靜摩擦系數(shù)us動(dòng)摩擦系數(shù)u無潤(rùn)滑有潤(rùn)滑無潤(rùn)滑有潤(rùn)滑鋼-鋼0.150.10.120.10.050.1鋼-青銅0.10.150.150.180.07(3)預(yù)設(shè)滾動(dòng)絲桿基本參數(shù) 根據(jù)gb/t 17587.2-1998關(guān)于公稱直徑d0標(biāo)準(zhǔn)尺寸和基本導(dǎo)程ph規(guī)定：螺紋公稱直徑：d0=100 ； 導(dǎo)程：ph=10； 鋼球直徑：dw=1.

46、5mm;圈數(shù)列數(shù)：ik=2.51；螺桿滾道曲率：rs=0.52 dw;移動(dòng)速度：v=0.015m/s；轉(zhuǎn)速：n=v/ph=90r/min;(4)計(jì)算動(dòng)載荷ca ca=khkfkhfm/kn=3930.0n 壽命系數(shù)kh =(ln/500)1/3表3.2 各類機(jī)械預(yù)期工作壽命lh表機(jī)械類型lh備注普通機(jī)械普通機(jī)床數(shù)控機(jī)床精密機(jī)床測(cè)試機(jī)械航空機(jī)械50001000010000150002000020000150001000250（天）16（h）10（年）0.5（開機(jī)率）=20000由于是普通絲桿傳動(dòng)，選lh =15000h；表3.4 載荷系數(shù)載荷性質(zhì)無沖擊平穩(wěn)時(shí)一般運(yùn)行有沖擊和振動(dòng)kf1-1.2 1

47、.2-1.51.5-2表3.5硬度系數(shù)硬度系數(shù)大于等于585550kh1.01.111.56表3.6 精度系數(shù)精度系數(shù)1、2、34、57ka1.00.90.8由上表知： 載荷系數(shù)kf=1.2；動(dòng)載荷硬度系數(shù)kh=1.0;轉(zhuǎn)速系數(shù)kn=（33.3/n）1/3,其中n是絲桿轉(zhuǎn)速； 短行程系數(shù)kl=1.0。(5)螺旋導(dǎo)程角 =arctan ph/（d0）=1.8o（6）基本額定載荷校核ca ca=fc（icosa）0.7z2/3dwwtana=92694n fc= kfkhka fm=900n其中fc：與滾珠絲桿副滾道的幾何形狀制造精度和材料有關(guān)的系數(shù)一圈螺紋滾道內(nèi)的鋼球數(shù)量z=d0/dw； 鋼球滾

48、到便面在接觸點(diǎn)處的公法線與螺紋軸線的垂直線間的夾角a=45 o由上可知：ca大于ca（7）驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩tt=(fm* d0/2)tan（+）=750*5* tan（+）=1524.0nmm當(dāng)量摩擦角； 由旋動(dòng)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)時(shí)tan=0.0025（9）當(dāng)量應(yīng)力=（4f/d22）2+3(t/0.2 d23)2）1/2=0.16mpad2= d0+2e-2rs=100+0.06-1.548=98.512mm e滾到圓弧偏心距， e= rs-dw/2=0.03mm（10）許用應(yīng)力 牌號(hào) 鑄件預(yù)計(jì)抗拉強(qiáng)度單鑄試棒最小抗拉強(qiáng)度（mpa）用途舉例 鑄件壁厚（mm）抗拉強(qiáng)度b（mpa）大于小于等于ht1002.

49、5102030102030401301009080 100適于對(duì)強(qiáng)度無要求的零件（外罩、底板）ht1502.510203010203040175145130120 150適于對(duì)強(qiáng)度要求不高的零件（機(jī)床底架、軸承座）ht2002.510203010203040220195170160 200適用于對(duì)強(qiáng)度、耐磨性要求較高的零件（氣缸、齒輪）由上表易知：鑄鐵抗拉強(qiáng)度最小為100mp，而且剛的抗拉強(qiáng)度較之更大，所以小于，設(shè)計(jì)符合要求。（11） 滾珠絲桿常見的三種安裝方式: 固定自由 固定支撐 固定固定 選定，即固定固定 （11）絲杠的主要設(shè)計(jì)參數(shù) lj：絲桿兩支撐間距離， lj=35mm； l：絲桿計(jì)

50、算長(zhǎng)度， l=300mm； e：絲桿材料45的彈性模量 查表可知，45鋼：e=2.07*105(mpa)a絲桿的計(jì)算截面積 a=（d0-d）2/43.2.2滾動(dòng)軸承的選則與校核 選擇軸承的類型與多種因素有關(guān)，通常根據(jù)下列幾個(gè)因素： 允許空間。載荷大小和方向。例如既有徑向又有軸向聯(lián)合載荷一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，如徑向載荷大，軸向載荷小，可選深溝球和外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承，如同時(shí)還存在軸或殼體變形大及安裝對(duì)中性差，可選用推力調(diào)心滾子軸承。軸承工作轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)精度。軸承的剛性。軸向游動(dòng)。由上綜合：本設(shè)計(jì)選用角接觸球軸承初選軸承為a=15o的角接觸球軸承。（1）徑向外載荷fr： fr=m

51、g=5000n（2）軸向外載荷fa： fa=fxmax=750n（3）軸承支反力： r1=r2=r=fr/2=2500n（4）軸承派生軸向力： 查表得：s1=s2=s=0.7r=1750n（5）軸承所受軸向載荷：因s1+ fas2，則a2= s2+ fb2= s1+ fa=245n a1= s1=1750n（6）計(jì)算軸承所受當(dāng)量載荷pr因軸承工作時(shí)有沖擊，查表載荷系數(shù)為fp=1.4，因a1/r1=0.7e=0.68 a2/r2=0.98e=0.68且a2a1， pr=p2=fp（xr2+ ya1）=1.4(0.412500+0.811750)=3420n（7） 基本額定動(dòng)載荷c c=(pr/f

52、t) (60nl,n/106)3/2=2493.0kn l,h: 軸承預(yù)期計(jì)算壽命，l,h=15000h, ft： 溫度系數(shù)，ft =1.0表3.7 溫度系數(shù)ft工作溫度/l,h=15000h 且ccr 因此，軸承合格。3.2.3絲桿的強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性計(jì)算機(jī)床絲杠不僅要能準(zhǔn)確地傳遞運(yùn)動(dòng)，而且還要能傳遞一定的動(dòng)力。所以它在精度、強(qiáng)度以及耐磨性各方面，都有一定的要求。其中絲杠的材料選擇45, 含碳量碳 c ：0.951.04,優(yōu)點(diǎn)是可加工性能好，價(jià)格便宜，來源容易，但是淬透性較差。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，屈服極限s =353mpa,安全系數(shù)為5，則許用應(yīng)力為=423/5 =84.6 mpa，絲桿所受的軸向

53、壓力f=150000n受力較大的螺桿需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。由于絲桿在此處工作時(shí)只承受軸向壓力（或拉力）f的作用而不受扭矩t的作用所以其強(qiáng)度條件為則其螺桿強(qiáng)度的計(jì)算公式為根據(jù)螺桿強(qiáng)度的計(jì)算公式 =52mm根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，選取絲桿的大徑尺寸為d=110mm,小徑=103mm,螺距為p=3mm。對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的受壓絲桿，當(dāng)軸向力f大于某一臨界值時(shí)，絲桿就會(huì)突然發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失其穩(wěn)定性；因此，在正常情況下，絲桿承受的軸向力f必須小于臨界載荷。則絲桿的穩(wěn)定性條件為 式中：絲桿穩(wěn)定性的計(jì)算安全系數(shù) 絲桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，因?yàn)榻z桿為傳力螺旋，所以取=4根據(jù)歐拉公式， 式中e為絲桿材料的拉壓彈性模量，i為絲桿危險(xiǎn)截面

54、的慣性矩，單位為，為絲桿的長(zhǎng)度系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)表5-14查得=0.60，為螺母中部到另一端支點(diǎn)的距離，則 由此可見絲桿能夠滿足穩(wěn)定性要求。第四章 步進(jìn)電機(jī)工作原理及電機(jī)選型4.1 步進(jìn)電機(jī)原理分析步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。通過控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行是由脈沖信號(hào)控制的，步進(jìn)電機(jī)在脈沖信號(hào)的有效沿到來的時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。常見的步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（pm），反應(yīng)式（vr）和混合式（hb），永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合