測(cè)控設(shè)備與儀表機(jī)構(gòu)零件及工藝設(shè)計(jì)

1、精密機(jī)械課程設(shè)計(jì)報(bào)告微動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要車刀進(jìn)給機(jī)構(gòu)是車床中的重要機(jī)構(gòu)，刀具進(jìn)給的精度決定了工件的精度。本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)提高車床車刀進(jìn)給精度的裝置。該裝置采用的是螺旋差動(dòng)微動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)車刀進(jìn)給量的微米級(jí)精確控制，比普通的車刀進(jìn)給裝置精度上有了大幅的提升。該裝置的示數(shù)原理與螺旋測(cè)微器相似，是通過長(zhǎng)刻度筒和圓刻度筒確定車刀當(dāng)前位置。然后論述了該裝置的加工工藝并分析了影響該裝置精度的一些因素。關(guān)鍵詞：車刀；進(jìn)給量；精度；螺旋微動(dòng)目錄1 緒論12 方案論證23 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)33.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)33.2微動(dòng)裝置設(shè)計(jì)33.3示數(shù)裝置設(shè)計(jì)53.4導(dǎo)軌設(shè)計(jì)63.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)63.4.2工藝設(shè)計(jì)74誤差分析95

2、 總結(jié)體會(huì)10參考文獻(xiàn)11測(cè)控設(shè)備與儀表機(jī)構(gòu)零件及工藝設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書1 緒論車削加工可以實(shí)現(xiàn)工件的外表面、端面、內(nèi)表面以及內(nèi)外螺紋的加工，不僅是切削加工中應(yīng)用最廣泛的形式，并且在整個(gè)機(jī)加工中占據(jù)著重要位置。車削加工過程由主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)形式構(gòu)成。主運(yùn)動(dòng)是指車床主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是切削力的主要來源；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)指的是刀具的移動(dòng)，包括沿工件軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、沿工件徑向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和斜向運(yùn)動(dòng)，刀具的運(yùn)動(dòng)決定了工件的外形輪廓，當(dāng)然也決定了工件的加工精度。傳統(tǒng)刀架是通過螺紋桿的轉(zhuǎn)動(dòng)利用螺旋副直接實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或回退的。由于人手靈敏度的限制，刀具進(jìn)給最小刻度一般不小于0.02mm，不可能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的精確進(jìn)給控

3、制，無法實(shí)現(xiàn)精確的尺寸控制。目前解決這一問題的方法主要是靠數(shù)控加工，或使用精密車床，但數(shù)控車床或者精密車床成本都很高，因此只適用于批量加工。針對(duì)這一缺陷，本文介紹了一種新的刀具進(jìn)給控制機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)采用的是差動(dòng)螺旋微動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理，用機(jī)械的方式提高了加工精度。經(jīng)過這種改造，普通車床也能實(shí)現(xiàn)較高精度要求零件的加工，可以為小批量生產(chǎn)節(jié)約生產(chǎn)成本。2 方案論證方案一：減小螺紋螺距螺距就是螺桿旋轉(zhuǎn)一周時(shí)所前進(jìn)的距離（單線螺紋），減小螺距必然可以實(shí)現(xiàn)更高精度的進(jìn)給量控制。對(duì)于公稱直徑為10mm的螺紋，其最小標(biāo)準(zhǔn)螺距為1mm。要想得到更小的螺距，一是可以減少螺紋直徑，二是不按標(biāo)準(zhǔn)螺距加工，保持直徑不變的的情

4、況下減小螺距。但是減小螺紋直徑會(huì)導(dǎo)致螺桿強(qiáng)度降低，使用壽命縮短；保持直徑不變的的情況下減小螺距又會(huì)導(dǎo)致加工成本的上升，兩種方式都不理想。方案二：通過齒輪改變傳動(dòng)比在手輪與螺桿之間增加一組或機(jī)組齒輪，改變手輪與螺桿之間的傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)在手輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的情況下螺桿旋轉(zhuǎn)更小角度，從而實(shí)現(xiàn)更精確的進(jìn)給量控制。這一方案可以到的預(yù)期目的。方案三：通過差動(dòng)螺旋裝置實(shí)現(xiàn)更精確進(jìn)給在兩端螺紋同旋向的情況下，差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)可動(dòng)螺母移動(dòng)的距離是兩部分螺紋螺距之差，將刀架作為差動(dòng)螺旋裝置的可動(dòng)螺母部分便可實(shí)現(xiàn)刀架的“微動(dòng)”。與方案一相比，方案三可以在不改變螺紋螺距的情況下實(shí)現(xiàn)更精確的進(jìn)給量控制，明顯優(yōu)于方案一。而方案二在傳

5、動(dòng)比較大時(shí)，為避免單級(jí)傳動(dòng)比過大，只能通過多組齒輪實(shí)現(xiàn)，比較復(fù)雜，并且齒輪的安裝要求嚴(yán)格，成本高，所以方案三為最優(yōu)方案。3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)整體由導(dǎo)軌、車刀支架、固定螺母、螺紋桿、長(zhǎng)刻度筒、圓刻度筒以及手輪幾部分組成，如圖3.1所示。圖3.1 整體結(jié)構(gòu)1/4剖視圖螺桿與固定螺母和刀具支架構(gòu)成兩個(gè)螺旋副，手柄與螺桿之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。固定螺母固定在導(dǎo)軌上，與導(dǎo)軌之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄時(shí)，刀具支架沿導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)。刀具固定在刀具支架上（圖中未畫出），從而實(shí)現(xiàn)刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刀具運(yùn)動(dòng)的距離可從兩個(gè)刻度筒上讀出。3.2微動(dòng)裝置設(shè)計(jì)微動(dòng)裝置有多種結(jié)構(gòu)形式，如螺旋微動(dòng)、螺旋斜面微動(dòng)、螺旋杠桿

6、微動(dòng)、螺旋齒輪微動(dòng)、彈性微動(dòng)等1。本次設(shè)計(jì)中采用的是螺旋微動(dòng)形式。螺旋微動(dòng)裝置是由兩個(gè)螺旋副組成的使活動(dòng)螺母與螺桿產(chǎn)生差動(dòng)的螺旋傳動(dòng)裝置。從定義中可以看出，螺旋微動(dòng)裝置包含固定螺母、活動(dòng)螺母和螺桿三部分，如圖3.2所示。圖3.2 螺旋微動(dòng)裝置示意圖注：1機(jī)架 2活動(dòng)螺母 3螺栓 4固定螺母 5手輪差動(dòng)螺旋傳動(dòng)的工作原理為，螺桿3與活動(dòng)螺母2、固定螺母4組成兩個(gè)螺旋副，機(jī)架上的固定螺母與機(jī)架之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而活動(dòng)螺母不能回轉(zhuǎn)，只能沿導(dǎo)向槽（螺紋桿軸向）移動(dòng)。因?yàn)槁輻U上兩段螺紋螺距不同，所以當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，其在固定螺母內(nèi)移動(dòng)的距離與在活動(dòng)螺母內(nèi)移動(dòng)的距離不同。這一距離差則由活動(dòng)螺母的移動(dòng)來補(bǔ)償，

7、從而使活動(dòng)螺母產(chǎn)生位移2。當(dāng)螺桿3的兩段螺紋旋向相同時(shí)，活動(dòng)螺母實(shí)際移動(dòng)距離為螺桿在固定螺母中移動(dòng)距離和在活動(dòng)螺母中移動(dòng)距離之差，而當(dāng)兩端螺紋旋向相反時(shí)，活動(dòng)螺母實(shí)際移動(dòng)距離為螺桿在固定螺母中移動(dòng)距離和在活動(dòng)螺母中移動(dòng)距離之和。所以要想構(gòu)成螺旋微動(dòng)機(jī)構(gòu)，螺桿3的兩段螺紋旋向必須相同。微動(dòng)機(jī)構(gòu)的活動(dòng)螺母移動(dòng)距離可由式3-1計(jì)算。L=N(P1-P2) (3-1)式中：L活動(dòng)螺母實(shí)際移動(dòng)距離，mmN螺桿的回轉(zhuǎn)圈數(shù)P1機(jī)架上固定螺母的導(dǎo)程，mmP2活動(dòng)螺母的導(dǎo)程，mm計(jì)算結(jié)果中L的正負(fù)表示活動(dòng)螺母實(shí)際移動(dòng)方向。計(jì)算結(jié)果為正值時(shí)，活動(dòng)螺母實(shí)際移動(dòng)方向與螺桿移動(dòng)方向相同，計(jì)算結(jié)果為負(fù)值時(shí)，活動(dòng)螺母實(shí)際移動(dòng)

8、方向與螺桿移動(dòng)方向相反。本次設(shè)計(jì)中，考慮到螺紋桿只是起傳導(dǎo)作用，受力并不是很大，所以取其直徑為10mm左右。公稱直徑為10的螺紋標(biāo)準(zhǔn)螺距有1.25、1和0.75幾種，公稱直徑為12的螺紋標(biāo)準(zhǔn)螺距有1.5和1.25。對(duì)于單線螺紋，其導(dǎo)程等于螺距。所以1.5與1.25組合或者1.25與1組合所形成的導(dǎo)程差都為0.25。所以在靈敏度上兩種配合方式是一樣的。但由于螺距越小則自鎖性能越好，所以選1.25與1這一組合穩(wěn)定性會(huì)更好一些3。即取固定螺母公稱直徑為12mm螺距為1.25mm，旋向?yàn)橛倚换顒?dòng)螺母，也就是刀架支架，的公稱直徑為10mm，螺距為1mm，旋向也為右旋。這樣由式3-1可計(jì)算出，螺桿每旋轉(zhuǎn)

9、一周，刀架移動(dòng)0.25mm。因?yàn)楣潭菽傅膶?dǎo)程大于活動(dòng)螺母的導(dǎo)程，所以刀架移動(dòng)方向和螺桿移動(dòng)方向一致。微動(dòng)裝置的連接關(guān)系如圖3.3所示。圖3.3 微動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖3.3示數(shù)裝置設(shè)計(jì)示數(shù)裝置由長(zhǎng)刻度筒和圓刻度筒兩部分組成，如圖3.4所示。圖3.4 示數(shù)裝置圖圖中：1固定螺母 2長(zhǎng)刻度筒 3圓刻度筒 4螺桿長(zhǎng)刻度筒固定在固定螺母上，圓刻度筒固定在螺桿上，隨螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)。長(zhǎng)刻度筒共分為20小格，螺桿每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈前進(jìn)一小格，所以每小格的實(shí)際間距為1.25mm。而螺桿每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，刀架前進(jìn)0.25mm，每小格的刻度值為0.25。為便于讀數(shù)，每四小格畫一大格，刻度為1mm。設(shè)定刀具的最大進(jìn)給距離為5mm，

10、刻度如圖3.4所示。圖3.5 長(zhǎng)刻度筒刻度將圓刻度筒一圈劃分為50格，則每小格的刻度值為0.005mm，即螺桿每轉(zhuǎn)動(dòng)一小格刀架移動(dòng)5um，這就是整個(gè)微動(dòng)裝置的分度值。圓刻度筒上的刻度值如圖3.6所示。圖3.6 圓刻度筒刻度所標(biāo)注的刻度值為刀架實(shí)際移動(dòng)距離的100倍。刀具實(shí)際進(jìn)給距離可由式3-2計(jì)算。L=S2-S1+(P2-P1)/100 (3-2)式中S2-S1 為轉(zhuǎn)動(dòng)前后長(zhǎng)刻度筒上刻度值的變化量，P2-P1為轉(zhuǎn)動(dòng)前后原刻度筒上刻度值的變化量，其讀數(shù)方法與螺旋測(cè)微器讀數(shù)方法相同。從以上分析中可以看出，與精度為0.02mm的傳統(tǒng)進(jìn)給裝置相比，經(jīng)過改進(jìn)后的裝置精度得到提升，可以精確到微米數(shù)量級(jí)。3

11、.4導(dǎo)軌設(shè)計(jì)3.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)軌是整個(gè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。導(dǎo)軌的作用有兩個(gè)，一是支撐刀架，承受安裝在導(dǎo)軌上的刀架及工件的質(zhì)量和切削力，二是對(duì)刀架的運(yùn)動(dòng)其導(dǎo)向作用。刀架導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度對(duì)零件的精度也有很大影響。影響導(dǎo)軌導(dǎo)向精度的因素有導(dǎo)軌的幾何精度、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式、裝配質(zhì)量以及導(dǎo)軌的剛度和熱變形等。另外，導(dǎo)軌在使用過程中的磨損也是影響導(dǎo)軌精度的一大重要因素。直線導(dǎo)軌常見截面形狀有四種：矩形、三角形、燕尾形和圓柱形4。矩形導(dǎo)軌承載能力大制造維修方便，但導(dǎo)向性差，不適用于精密場(chǎng)合。三角形導(dǎo)軌有著導(dǎo)向性好、無間隙且能實(shí)現(xiàn)磨損量自動(dòng)補(bǔ)償，但其抗顛覆力矩能力差。車床刀架導(dǎo)軌承受較大的顛覆力矩，所以不適宜

12、采用三角導(dǎo)軌。而燕尾形導(dǎo)軌有較高的抗顛覆力矩性能，并且導(dǎo)向精度也很高，所以燕尾形導(dǎo)軌是最佳選擇。燕尾形導(dǎo)軌有分凹形和凸型兩種。凹形導(dǎo)軌易儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，所以最終確定導(dǎo)軌的形式為凹形燕尾形。導(dǎo)軌形狀如圖3.7所示。端面的三個(gè)螺紋孔用于固定固定螺母。圖3.7 刀架導(dǎo)軌3.4.2工藝設(shè)計(jì)為增加導(dǎo)軌的剛度和耐磨性，一是要選擇硬度較高的材料，如常用的HT20 40型灰鑄鐵并對(duì)其表面進(jìn)行淬火處理使其硬度達(dá)到HRC56625。二是采取一些常用的提高耐磨性的措施。常用的提高耐磨性的措施有粘貼塑料軟帶、增加塑料涂層等。粘貼塑料軟帶能夠顯著減小摩擦系數(shù)，就有減震性好、耐磨性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、維修方便等特點(diǎn)，是

13、一種非常經(jīng)濟(jì)的措施。但其缺點(diǎn)在于剛性差，受力后易產(chǎn)生變形，對(duì)加工精度有一定影響。增加塑料涂層能夠增加導(dǎo)軌的硬度和強(qiáng)度，提高導(dǎo)熱率，并且還可以在無潤(rùn)滑油的的情況下防止爬行，顯著提高導(dǎo)軌的性能，特別是低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性。為減小導(dǎo)軌表面的摩擦力，需要盡量降低導(dǎo)軌表面粗糙度。因?yàn)閷?duì)導(dǎo)軌精度要求較高，取導(dǎo)軌表面粗糙度值為Ra0.6。降低表面粗糙度不僅可以減小摩擦力，同時(shí)也可以減輕導(dǎo)軌的磨損，延長(zhǎng)導(dǎo)軌壽命，對(duì)于減少爬行也有一定幫助。4誤差分析影響刀具進(jìn)給精度的因素有很多。各零件在制造過程中必然存在加工誤差，如導(dǎo)軌的直線度和平面度等6。如果導(dǎo)軌的的直線度誤差較大，刀具實(shí)際沿工件軸向或徑向進(jìn)給的距離是刀具進(jìn)給

14、距離在該方向的一個(gè)分量，會(huì)導(dǎo)致刀具實(shí)際進(jìn)給距離小于理論值。按裝過程中會(huì)產(chǎn)生安裝誤差，如活動(dòng)螺母、固定螺母和螺桿之間的同軸度，導(dǎo)軌與刀架之間的間隙等。導(dǎo)軌與刀架之間的間隙會(huì)影響導(dǎo)軌的導(dǎo)向型，使刀具前進(jìn)方向產(chǎn)生偏差，而活動(dòng)螺母、固定螺母和螺桿之間的同軸度則直接影響刀具的進(jìn)給量，最終在成零件加工尺寸的誤差。另外，螺旋副在兩次方向相反的運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生空程誤差，使刀具進(jìn)給距離少于從刻度值上讀出來的距離。這就要求操作工人要有一定技巧，在確定初始刻度之前應(yīng)先將螺桿按將要轉(zhuǎn)動(dòng)的方向旋轉(zhuǎn)一定角度，從而消除空程誤差。5 總結(jié)體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)綜合了學(xué)過的精密機(jī)械設(shè)計(jì)、互換性測(cè)量技術(shù)、儀器制造工藝學(xué)以及工程制圖等多門學(xué)科的知識(shí)，對(duì)我們是一次很好的鍛煉。由于長(zhǎng)時(shí)間沒有接觸機(jī)械方面的知識(shí)，在本次課程設(shè)計(jì)中對(duì)一些問題感到比較生疏。在設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí)，這方面的知識(shí)之前很少接觸過。通過上網(wǎng)查閱資料以和查閱書籍等方式，了解了導(dǎo)軌的基本形式以及各種各種形式的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，最終確定導(dǎo)軌的基本機(jī)構(gòu)形式為凹形燕尾形。在確定機(jī)構(gòu)形式后還要考慮導(dǎo)軌的材料和硬度、表面粗糙度、直線度、平面度等一系列問題，綜合性比較強(qiáng)。這些問題一一解決不僅是對(duì)耐心的一種考驗(yàn)，也是對(duì)自己查閱資料學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力的一種鍛煉。通過本次課程設(shè)計(jì)，我溫習(xí)了很對(duì)以前學(xué)過的知識(shí)。同時(shí)也提醒了我對(duì)于學(xué)過的東西要經(jīng)常