手動式雙軸精密回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)

第1章緒論1.1選題的背景和目的及意義本課題是手動雙軸精密轉(zhuǎn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究范圍包括雙軸轉(zhuǎn)臺的主要功能部件的工作原理、功能結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。因此，作為本項(xiàng)目要解決的問題：1.了解雙軸轉(zhuǎn)臺工作機(jī)理；2.初步確定其功能結(jié)構(gòu)；3.進(jìn)行傳動、鎖緊、密封、潤滑等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4.完成尺寸計(jì)算和校核運(yùn)算；5.使用CAD、UG制作兩軸回轉(zhuǎn)臺的裝配圖和三維組裝模型。近年來，隨著中國裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，對加工中心的規(guī)格和精度的要求不斷提高，其中四軸和五軸加工中心是最嚴(yán)格的。兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn)臺是剛才提到的五軸合動里非常關(guān)鍵的組裝部分，可以特別快速精確地測量旋轉(zhuǎn)軸以及揮桿軸兩個(gè)坐標(biāo)。另外，采用第四、第五軸驅(qū)動轉(zhuǎn)臺，或完成等分、不等分或連續(xù)的精密角旋轉(zhuǎn)加工，完成復(fù)雜曲面加工，擴(kuò)大機(jī)床加工范圍。目前，通過將二軸轉(zhuǎn)臺加到三軸聯(lián)動銑床上，將其改造成五軸銑床，是一種簡單快捷的通用機(jī)床使用功能。五軸聯(lián)動機(jī)床是一種具有高科學(xué)技術(shù)含量、高精度和特殊加工復(fù)雜曲面的機(jī)床。機(jī)床系統(tǒng)對一個(gè)國家的精密儀器相關(guān)產(chǎn)業(yè)有著重要的影響。此外，五軸聯(lián)動技術(shù)是我國發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，是中國從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的重要基礎(chǔ)。五軸聯(lián)動機(jī)床的重要手段是提高雙軸轉(zhuǎn)臺的精度。只有研究和提高雙軸聯(lián)動機(jī)床的整體性能，才能從本質(zhì)上提高多軸聯(lián)動機(jī)床的制造水平[1]。1.2國內(nèi)外研究狀況和研究成果機(jī)床技術(shù)發(fā)展的高低與否關(guān)系到我國工業(yè)未來的成就。這是未來研究創(chuàng)新新產(chǎn)品、新智能機(jī)器必不可少的因素，是放在頂尖位置上的命脈型產(chǎn)業(yè)。就算對某些西方科研技術(shù)高的國家來說，也無法輕視。最近幾年以來，我們的國家在各個(gè)領(lǐng)域上都有了跨越性的進(jìn)步。因此，曾經(jīng)使用的大部分機(jī)器機(jī)床已經(jīng)不適用于目前工業(yè)的發(fā)展了。工業(yè)制造關(guān)系著國家是否強(qiáng)大，也影響著人民生活水平。多軸聯(lián)動機(jī)床目前是世界上技術(shù)水平最高的機(jī)床之一，是一個(gè)國家是否屬于工業(yè)發(fā)達(dá)國家的標(biāo)志。建國至今，部分西方國家一直限制我國先進(jìn)機(jī)床技術(shù)的傳入。在冷戰(zhàn)時(shí)期，直接對中國等國家技術(shù)封鎖。在上世紀(jì)末，由于某西方國家公司向社會主義國家出售了五臺先進(jìn)銑床，使其研制出了科研水平高的軍事武器，眾西方國家直接一起聯(lián)名嚴(yán)懲了這家公司?？梢娢覈鴻C(jī)床發(fā)展之路尤為困難。將規(guī)格擴(kuò)展到兩極，研制出大小回轉(zhuǎn)臺；制動力矩、主軸轉(zhuǎn)速、可靠性等性能進(jìn)一步提高；蝸桿傳動主要是提高作業(yè)臺轉(zhuǎn)速和作業(yè)臺承載能力；對于作業(yè)臺的研究上，繼續(xù)開創(chuàng)更精密更高水平的新技術(shù)。目前，中國尤其重視機(jī)床設(shè)備方面的創(chuàng)新發(fā)展，并已經(jīng)有了不菲的成果，尤其是數(shù)控方面，與西方高技術(shù)水平國家已經(jīng)一步步拉近。目前，開發(fā)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向架的企業(yè)主要任務(wù)是開發(fā)高精度、高轉(zhuǎn)速的多功能轉(zhuǎn)向架[2]。1.3對課題的研究設(shè)想該課題的主要內(nèi)容為對數(shù)顯雙軸精密回轉(zhuǎn)臺的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要保證的技術(shù)指標(biāo)有轉(zhuǎn)臺的分度精度，重復(fù)定位精度、回零誤差和回程誤差。而精密回轉(zhuǎn)軸系是精密機(jī)床和精密儀器的相關(guān)部件，是系統(tǒng)精度的基礎(chǔ)。因此軸系的選擇和設(shè)計(jì)是本課題的關(guān)鍵內(nèi)容。機(jī)械軸承、空氣靜壓軸承和液壓軸承是慣導(dǎo)測試設(shè)備常用的三種主要軸承。其特點(diǎn)與對比如下：1.液壓軸承液壓軸承的優(yōu)點(diǎn)是：全液體摩擦、阻力小、效率高、剛度大、支撐精度高、有吸振性、精度保持性好、使用壽命長、適用范圍廣。但其重復(fù)性和精度不如機(jī)械軸承和空氣靜壓軸承。2.空氣靜壓軸承空氣靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn)是不受高溫低溫，及放射線的影響,并可以在特殊環(huán)境中穩(wěn)定工作；由于其潤滑介質(zhì)為空氣，空氣的粘度很底,因而在超高速下，摩擦阻力小，發(fā)熱生溫低，并且來源豐富，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，排出氣體不用回收，維護(hù)簡單。但是，空氣靜壓軸承的承載能力和剛度較低，對供氣系統(tǒng)的要求嚴(yán)格（及要保證空氣的嚴(yán)格過濾，又要供氣壓力穩(wěn)定），空氣支撐的制造精度高，加工難度大，成本也高。當(dāng)位置精度達(dá)到±1″時(shí)，空氣軸承的成本比機(jī)械軸承高一倍，當(dāng)位置精度達(dá)到±0.1″時(shí)，空氣軸承和機(jī)械軸承的成本差很多。3.機(jī)械軸承機(jī)械軸承和空氣軸承對速率穩(wěn)定和速率范圍的影響相同，液壓軸承稍差。通過以上對比，由該課題的技術(shù)指標(biāo)可以看出：該專臺的各項(xiàng)精度指標(biāo)均在±1″以上，且重復(fù)定位精度要求較高，綜合技術(shù)要求和對軸承的了解擬定在本課題的設(shè)計(jì)中采用機(jī)械軸承中的密珠軸承軸系。軸系的好壞是影響轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)精度、垂直讀、正交度的主要因素之一。為了安裝控制管道、檢測通孔等，軸系均采用中空形式，即對外要承擔(dān)龐大自重和負(fù)載，對內(nèi)還要傳輸各種信號；另外，軸系摩擦力矩的高低，將直接影響控制精度的實(shí)現(xiàn)。所以對于各種軸承要進(jìn)一步從設(shè)計(jì)上完善，從加工工藝上提高精度[3]。1.4預(yù)期結(jié)果和意義目前，我國轉(zhuǎn)臺研發(fā)制造領(lǐng)域同先進(jìn)的工業(yè)國家之間還存在著不小的差距，但這種差距正在縮小。因此，對轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要，通過了解轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)和工作過程的基礎(chǔ)上，對轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)一些參數(shù)。完成轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)任務(wù)。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，對大學(xué)四年中所學(xué)到的知識進(jìn)行一次重新的理解和運(yùn)用，增加實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，拓展自己的視野。第2章轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計(jì)2.1轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計(jì)要求1.工作臺水平回轉(zhuǎn)：0°～360°；分度精度：≤2″；2.工作臺傾斜角度：0°～90°；分度精度：≤2″；3.臺面端跳：2μm；4.轉(zhuǎn)臺驅(qū)動方式：手動（帶微調(diào)），轉(zhuǎn)動靈活，快速；5.工作臺尺寸：Ф400mm；6.最大載荷：300N；7.重復(fù)定位精度：≤±1″。2.2轉(zhuǎn)臺的各功能實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)臺的主要部件是一組相互垂直的軸系，其中的豎直軸使工作臺可在水平面內(nèi)整周回轉(zhuǎn)，水平軸實(shí)現(xiàn)其傾斜功能。2.2.1工作臺360°回轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)1.設(shè)計(jì)技術(shù)要求工作臺水平回轉(zhuǎn)360°運(yùn)動靈活,精度達(dá)標(biāo)，驅(qū)動方式為手動。2.設(shè)計(jì)方案此處采用將工作臺與豎直主軸直接連接的方式，來保證工作臺能夠在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)360°。由蝸輪，蝸桿組成手動控制的轉(zhuǎn)動傳動機(jī)構(gòu)，主軸與蝸輪之間采用鍵連接，并且在蝸桿上裝有微調(diào)裝置，以實(shí)現(xiàn)高精度要求的轉(zhuǎn)動控制。當(dāng)轉(zhuǎn)動蝸桿手柄時(shí)，由于蝸輪和蝸桿的相互嚙合，帶動軸轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動工作臺回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)其在水平方向360°的回轉(zhuǎn)。3.軸承的選擇由于該轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動方式為手動驅(qū)動，并且回轉(zhuǎn)精度要求很高，因而選用密珠軸承，以發(fā)揮密珠軸承良好的低速性，支撐精度和運(yùn)動精度高的特點(diǎn)。同時(shí)，由于工作臺和主軸之間采用的是懸臂梁的連接方式，尾部易產(chǎn)生擺動，采用支撐剛度大的密珠軸承也較為適當(dāng)，故設(shè)計(jì)中采用密珠軸承。（有關(guān)密珠軸承的相關(guān)知識，在緒論和下面的設(shè)計(jì)過程中有詳細(xì)敘述）。水平回轉(zhuǎn)360°裝置簡圖2-1。圖2-1工作臺及水平回轉(zhuǎn)軸系2.2.290°俯仰的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺在傾斜方向上的俯仰運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)與水平回轉(zhuǎn)大致相似，即采用轉(zhuǎn)臺主體（即主軸箱）與水平回轉(zhuǎn)軸相連接，以實(shí)現(xiàn)其俯仰運(yùn)動。由于兩根軸（水平軸和豎直軸）相互垂直，因此水平俯仰軸需設(shè)計(jì)成兩段形式，我們稱其為左右耳軸（如圖2-2所示）。左右耳軸用螺栓連接在軸承座上，由此，左右耳軸便與主軸箱連接為一個(gè)整體。俯仰運(yùn)動亦采用手動方式，用蝸輪蝸桿驅(qū)動，蝸輪與耳軸采用鍵連接，當(dāng)蝸桿轉(zhuǎn)動時(shí)，蝸輪帶動耳軸和主軸箱、工作臺一起轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺的90°俯仰運(yùn)動。為了保證左右耳軸的同軸度和回轉(zhuǎn)精度，此處亦采用密珠軸承。其原因?yàn)椋好苤檩S承是在高精度滾動軸承的基礎(chǔ)上，按照平均效應(yīng)的原理開發(fā)出來的一種新型滾動軸承。它的主要特點(diǎn)是滾珠運(yùn)動按螺旋線密集排列，每個(gè)滾珠遵循獨(dú)自的滾道繞軸線回轉(zhuǎn)。滾珠運(yùn)動的均化作用提高了軸系的回轉(zhuǎn)精度、剛度和壽命，并且結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，圖2-2為轉(zhuǎn)臺90°俯仰簡圖[4]。圖2-2箱體及內(nèi)部軸系結(jié)構(gòu)2.2.3定位鎖緊的方式在使用轉(zhuǎn)臺對慣性原件進(jìn)行測試時(shí)，需要使轉(zhuǎn)臺在某個(gè)位置或角度上停下來，雖然蝸輪、蝸桿機(jī)構(gòu)有一定的自鎖能力，但由于此轉(zhuǎn)臺的定位鎖圖2-3鎖緊裝置緊精度的要求較高，因此，需要專門的定位鎖緊機(jī)構(gòu)，已實(shí)現(xiàn)高精度的定位和鎖緊。設(shè)計(jì)鎖緊裝置時(shí)應(yīng)滿足的基本要求，鎖緊力應(yīng)該均勻，大小可以調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，制造、修理簡單。試設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的機(jī)構(gòu)，在此采用杠桿原理的鎖緊機(jī)構(gòu)。簡圖如2-3所示。2.3手動控制機(jī)構(gòu)圖2-4手動控制機(jī)構(gòu)(粗調(diào)控制部分)圖2-5手動控制機(jī)構(gòu)(微調(diào)控制部分)由于轉(zhuǎn)臺的精度要求很高（各精度指標(biāo)都在2″以上），且為手動控制，因此必需要有微調(diào)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)如此高精度的定位。在此采用的是蝸輪、蝸桿手動控制機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)微調(diào)機(jī)構(gòu)時(shí)擬采用雙蝸輪，蝸桿機(jī)構(gòu)。2.3.1手動控制機(jī)構(gòu)圖2-4為手動控制系統(tǒng)（即第一級蝸輪、蝸桿），其功能是實(shí)現(xiàn)操作者對轉(zhuǎn)臺的粗調(diào)。由于轉(zhuǎn)臺的精度很高，因此，在使用蝸輪、蝸桿控制時(shí)，必需要消除蝸輪、蝸桿的傳動側(cè)隙，才能使控制平穩(wěn)、無沖擊、且轉(zhuǎn)為準(zhǔn)確。為解決此問題，在設(shè)計(jì)該轉(zhuǎn)臺時(shí)，在蝸桿套與支撐框架間加了推力軸承，從而使蝸桿，軸套和微控部分被壓在蝸輪上，消除了蝸輪、蝸桿傳動側(cè)隙對控制精度的影響。2.3.2微調(diào)機(jī)構(gòu)圖2-5為第二級蝸輪、蝸桿機(jī)構(gòu)，比第一級蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)要小很多，該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺的微調(diào)。事實(shí)上，第二級蝸桿是作用在第一級蝸桿上安裝的小蝸輪，實(shí)現(xiàn)對第一級傳動的細(xì)分，直接控制粗調(diào)蝸桿的轉(zhuǎn)動，間接實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)臺的微調(diào)。當(dāng)粗調(diào)手輪作用時(shí)，根據(jù)傳感器測得的數(shù)據(jù)需要微調(diào)，這時(shí)使用小手輪。小手輪的蝸輪蝸桿根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)動小手輪進(jìn)一步對轉(zhuǎn)角的度數(shù)進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微調(diào)。本設(shè)計(jì)只涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，原設(shè)計(jì)是數(shù)顯式轉(zhuǎn)臺，傳感器控制測量角度變化，數(shù)顯裝置會配套使用[5]。2.4傳感器的選用角度測量是技術(shù)測量中的一個(gè)組成部分，每個(gè)零件，部件的加工，裝配安裝都會遇到各種角度問題。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主軸360°回轉(zhuǎn)，兩耳軸實(shí)現(xiàn)前后90°。本設(shè)計(jì)選用感應(yīng)同步器。2.5整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.5.1箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2-7為整體結(jié)構(gòu)示意圖，在該雙軸精密回轉(zhuǎn)臺的各個(gè)零部件中，箱體是除主軸外最重要的零件，轉(zhuǎn)臺的各部分零件要依靠主軸箱相互連接，它的制造精度、安裝精度以及剛度都對轉(zhuǎn)臺的精度是否達(dá)到要求產(chǎn)生重要的影響。因此，箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是該轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合考慮很多問題，具體如下：1.能夠?qū)崿F(xiàn)功能要求；2.要能滿足實(shí)際裝配要求；3.箱體結(jié)構(gòu)要緊湊；4.在滿足上述要求的條件下，要從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，使加工、裝配等過程的成本盡量達(dá)到最低。在設(shè)計(jì)之初，本擬采用圓柱式的箱體結(jié)構(gòu)，但為了便于左右耳軸和左右兩個(gè)支撐以及控制蝸桿的安裝，而決定采用八棱柱體結(jié)構(gòu)，箱體壁厚12mm；同時(shí)，為增大其支撐剛度和抗彎抗振性，在適當(dāng)?shù)奈恢眉釉O(shè)了筋板。修改了配重縫隙安裝的缺點(diǎn)，將止口半徑縮小，箱體底部做成與止口相接圖2-7整體結(jié)構(gòu)示意圖八邊形。配重做成與箱體相同的形狀，采用螺栓聯(lián)結(jié)[6]。主軸箱與左右耳軸連接之處除了有螺栓固定之外，在無其它輔助定心的零件，為此在加工時(shí)一定要對主軸箱與耳軸相配合的圓柱面進(jìn)行硬化處理，以加強(qiáng)其耐磨性。為滿足俯仰運(yùn)動精度，必須保證兩耳軸的同軸度，因而在加工箱體時(shí)，對與左右耳軸相配合的孔，必須保證有相當(dāng)?shù)男螤罹?，位置精度和同軸度。主軸箱基本上是一個(gè)封閉的箱體，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮到軸和軸上零件安裝的可能性（如蝸輪等軸上零件能夠順利的放入主軸箱）。2.5.2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺的精度主要取決于各個(gè)軸的回轉(zhuǎn)精度，所以在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺的整體結(jié)構(gòu)時(shí)，也要從這個(gè)角度出發(fā)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。我們可以看到轉(zhuǎn)臺的工作臺、主軸、主軸箱等零部件的重量均由兩個(gè)耳軸承擔(dān)，如果輔助設(shè)備的重量太大，勢必使水平軸的負(fù)載增大，這樣對各處支撐框架的剛度要求也會增大，同時(shí)會降低水平和豎直軸的回轉(zhuǎn)精度，因此，要盡量使這部分的重量減小，以保證水平軸和豎直軸的回轉(zhuǎn)精度。在本次設(shè)計(jì)中，主要采用的方式是將主軸做成中空形式，并且減小主軸長度，降低主軸和軸上零件的重量，并且提高了感應(yīng)同步器安裝處的回轉(zhuǎn)精度。轉(zhuǎn)臺的各個(gè)主要零件和機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案如下：1.水平軸承座（即左右支撐）：兩水平軸承座采用與底座分離，用螺釘連結(jié)的形式，而兩水平軸與主軸箱采用外連結(jié)形式，這樣做有利于左右支撐和兩水平軸的安裝，同時(shí)也可以減小中間旋轉(zhuǎn)部分的重量，而且各軸之間的定位精度也較容易實(shí)現(xiàn)。2.底座：為了降低底座的重量并相應(yīng)的提高其剛度，在設(shè)計(jì)底座時(shí)采用加設(shè)筋板的方式；并且為了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺平衡，保持工作臺的水平，在底座的四角設(shè)有四個(gè)可調(diào)支撐。3.連接方式：兩俯仰軸承座與底座、左右耳軸與主軸箱體均采用螺栓連接，這樣既保證了裝配的簡單，又方便定位精度的實(shí)現(xiàn)。為了消除在定位鎖緊時(shí)產(chǎn)生的徑向力對俯仰軸精度的影響，在其中一根軸的兩端安裝了止推軸承。4.配重：在轉(zhuǎn)臺運(yùn)動時(shí)，為保證其力矩平衡，必需要加配重，配重與箱體依靠螺栓連接，在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮轉(zhuǎn)臺高度和主軸長度。將配重做成與箱體相同的八棱柱體結(jié)構(gòu)。5.防塵：主軸上端的錐孔是為了定位和安裝待測零件而設(shè)計(jì)的，因此必須做好此處的防塵工作，在圖中我們可以看到，錐孔上有蓋板，并用螺釘與工作臺連結(jié)；對于兩耳軸，由于它們的軸承暴露在外，因而將其軸承套設(shè)計(jì)成如圖的外凸形式，兼起防塵作用。6.讀數(shù)：為在操作時(shí)讀取數(shù)據(jù)而在俯仰軸上，并在端蓋上開一個(gè)小口，以便安裝其他測試元件和操作者讀取數(shù)據(jù)。7.精密止口：止口底部做成八棱柱體，與箱體內(nèi)八棱柱表面采用止口配合。止口加工需要較高的制造精度和安裝精度，使豎直水平回轉(zhuǎn)軸定心準(zhǔn)確，否則影響其定心測試時(shí)會造成誤差。止口配合達(dá)到要求，就能保證水平回轉(zhuǎn)軸在360°低速轉(zhuǎn)動時(shí)準(zhǔn)確反映測試慣導(dǎo)設(shè)備的性能。8.微調(diào)機(jī)構(gòu)：主軸箱和左耳軸支架安裝有微調(diào)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的功能要求即水平360°回轉(zhuǎn)和兩耳軸俯仰90°。9.工作臺：工作臺上表面布有6條倒“T”型槽，作用安裝陀螺儀的夾具。底部與主軸相配合，使用螺釘鉸制孔連結(jié)，如圖2-8。圖2-8水平工作臺本章小結(jié)根據(jù)技術(shù)要求要考慮到安裝和使用，對轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)臺的水平回轉(zhuǎn)軸系、俯仰軸系均屬于精密軸系，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮它們的回轉(zhuǎn)精度和加工精度，箱體和兩支架采用鑄造加工，精度要求較高，軸系與密珠軸承的配合等都是重點(diǎn)。第3章密珠軸承的設(shè)計(jì)該轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)過程都是圍繞著精密軸系和精度實(shí)現(xiàn)的問題展開的，而密珠軸承是本次設(shè)計(jì)中用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺精度的重要手段，因而在此將密珠軸承作為本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)作詳細(xì)分析。3.1密珠軸承的特點(diǎn)及選擇原因3.1.1密珠軸承的特點(diǎn)密珠軸承如圖3-1是在傳統(tǒng)的精密軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的一種新型精密軸承，它的主要特點(diǎn)如下：1.與標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承相比，密珠軸承具有更多的滾動體（球），因此支撐剛度較大；2.密珠軸承的內(nèi)外圈滾道均為圓柱面，制造精度很高，因此具有很高的支撐精度和運(yùn)動精度；3.保持架多用非金屬材料制造（如聚四氟乙烯，尼龍等），這些物質(zhì)與金屬間的摩擦系數(shù)小，而且容易加工，成本低。3.1.2密珠軸系的選擇在此次設(shè)計(jì)中，對該轉(zhuǎn)臺的豎直軸和俯仰軸均采用密珠軸系。具體采用銅保持架和直徑為5mm的鋼珠?；谵D(zhuǎn)臺的精度要求較高，不但要考慮其設(shè)計(jì)精度，還要考慮裝配是否易于實(shí)現(xiàn)何是否便于維修。豎直軸是一根較長的軸，作為精密軸，它的裝配相對困難，將它設(shè)計(jì)成分段的階梯軸形式，既便于加工又便于裝配，還可相對的減輕軸的重量。過長的軸承在軸扭轉(zhuǎn)時(shí)易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力，對于精度要求很高的轉(zhuǎn)臺，這樣會影響到其精度，是被允許的，因此這里將豎直和水平軸承均設(shè)計(jì)成分段形式，便于裝配和保證精度[7]。在原設(shè)計(jì)方案中，基于安裝等角度考慮，將同步感應(yīng)器放在豎直軸的尾部，但是這樣做會由于尾部的擺動等原因，使讀數(shù)達(dá)不到精度設(shè)計(jì)要求，使主軸或主軸端部的加工精度不必要的提高。為解決此問題，本次設(shè)計(jì)中，特在主軸尾部靠近同步感應(yīng)器的地方增加了一處軸承，并使主軸盡量縮短，降低尾部的擺動，提高其回轉(zhuǎn)精度。（a）徑向軸承（b）推力軸承1-外套；2-保持架；3-軸；4-保持架；5-軸環(huán)；6-滾珠圖3-1密珠軸承3.2徑向密珠軸承的設(shè)計(jì)由彈性力學(xué)可知，在載荷得作用下點(diǎn)接觸軸承（球軸承）區(qū)域表面壓力符合半橢球分布其長半軸為，短半軸為。密珠軸承相當(dāng)于點(diǎn)接觸軸承，由于內(nèi)外圈滾道是圓柱面，所以接觸區(qū)域表面壓力仍符合橢圓分布。密珠軸承滾動體的材料為軸承鋼，其彈性模量MPa泊松比，按照設(shè)計(jì)計(jì)算公式：橢圓長半軸(mm)(3-1)橢圓短半軸(mm)(3-2)接觸區(qū)域彈性趨近量(mm)(3-3)式中——滾動體與套筒接觸載荷，單位為N；——接觸橢圓長半軸系數(shù)；——接觸橢圓短半軸系數(shù)；——彈性變形系數(shù)；——接觸點(diǎn)主曲率和。由于密珠軸系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，球與內(nèi)外圓柱面的滾道的接觸主曲率和有所變化。徑向密珠軸承具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)臺的徑向密珠軸承均采用相間排列的形式(如圖3-2)。即相鄰兩列的滾珠相錯(cuò)半個(gè)珠距t，這種排列視保持架的制造工藝性好，盡管在轉(zhuǎn)動中支撐載荷的滾珠有一個(gè)數(shù)的變動，但對于滾珠數(shù)目較多的密珠軸承來講，其支撐剛度不會受到影響[8]。圖3-2相間排列示意圖密珠軸承的另外一種結(jié)構(gòu)是傾斜排列，即各列滾珠中心線與軸承軸線成一個(gè)固定的角度（如圖3-3），這種排列的特點(diǎn)是承受載荷的滾珠數(shù)目變動最小或保持不變，適用于滾珠數(shù)目較少的密珠軸承，在此不加贅述。軸承所受徑向力N；滾動體排列直徑mm；每圈滾珠數(shù)目；軸向排列數(shù)目；=N N球與內(nèi)圈滾道接觸的主曲率和為：mm圖3-3傾斜排列示意圖主曲率差為：mm球與外圈滾道接觸的主曲率和為：mm主曲率差為：mm查表得；；；。密珠軸承的彈性趨近量為：mmmm密珠軸承的支撐剛度為：N/mm3.3推力密珠軸承的設(shè)計(jì)每圈24個(gè)滾珠，呈螺旋排列，共三排，即，。由對主軸的重量估算得推力密珠軸承具有很多圈滾球，而且每圈滾球數(shù)目不相等，為簡化計(jì)算假定各圈球數(shù)相等，各圈所受載荷也相等。具體為N；1.滾球與動環(huán)、不動環(huán)的主曲率和由于推力軸承的滾球與動環(huán)及不動環(huán)的平面接觸，因此兩個(gè)接觸主曲率是相等的mm2.力密珠軸承的主曲率差；查表得；；；。3.推力密珠軸承的彈性趨近量及支撐剛度的近似計(jì)算：(mm) 所以其支撐剛度(N/mm)本章小結(jié)軸承設(shè)計(jì)是回轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，轉(zhuǎn)臺的水平軸系360°回轉(zhuǎn)和俯仰軸系90°傾斜的實(shí)現(xiàn)均采用密珠軸承配合，要對密珠軸承的彈性趨近量及支撐剛度進(jìn)行校核計(jì)算。經(jīng)過對徑向密珠軸承和對推力密珠軸承的設(shè)計(jì)和計(jì)算，確定其符合要求。第4章精度分析4.1功能要求和回轉(zhuǎn)精度指標(biāo)軸系是許多精密機(jī)械和儀器的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量的好壞將直接影響到儀器的使用和精度[9]。軸系是用來支撐機(jī)械結(jié)構(gòu)鏈的活動部分，使其能按規(guī)定的方式進(jìn)行精確的轉(zhuǎn)動，大部分由軸和軸套組成。軸系通常有以下要求：1.旋轉(zhuǎn)精度高；2.運(yùn)動靈活，輕便平穩(wěn)，無障礙和跳躍；3.足夠的剛性；4.良好的結(jié)構(gòu)和工藝；5.足夠的使用壽命。4.2俯仰軸系的傳動精度分析由于蝸桿傳動在分度傳動中結(jié)構(gòu)緊湊，且傳動平穩(wěn)無噪聲。俯仰軸系與水平回轉(zhuǎn)軸系均采用雙蝸輪蝸桿傳動來實(shí)現(xiàn)手動的粗調(diào)與微調(diào)。1.主要參數(shù)選擇考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速低，選用ZA蝸桿，精度定級7級GB10089-88（1）粗調(diào)蝸桿的主要參數(shù)蝸桿軸面模數(shù)：m=4中心距：傳動比：蝸桿軸向齒距：蝸桿導(dǎo)程：mm蝸桿分度圓導(dǎo)程角：蝸桿分度圓直徑：蝸桿齒頂高：蝸桿齒根高：齒頂高系數(shù)：頂隙系數(shù)：蝸桿齒頂圓直徑：螺紋部分長度：mm（2）粗調(diào)蝸輪參數(shù)：蝸輪分度圓直徑：蝸輪齒頂高：mm蝸輪齒根高：mm蝸輪齒頂圓直徑：mm蝸輪外圓直徑：mm蝸輪齒寬：（3）微調(diào)蝸桿參數(shù)蝸桿軸面模數(shù)：m=1.6中心距：傳動比：蝸桿軸向齒距：蝸桿導(dǎo)程：蝸桿分度圓導(dǎo)程角：蝸桿分度圓直徑：蝸桿齒頂高：蝸桿齒根高：齒頂高系數(shù)：頂隙系數(shù)：蝸桿齒頂圓直徑：螺紋部分長度：mm（4）微調(diào)蝸輪參數(shù)：蝸輪分度圓直徑：蝸輪齒頂高：mm蝸輪齒根高：mm蝸輪齒頂圓直徑：mm蝸輪外圓直徑：mm蝸輪齒寬：2.傳動精度分析俯仰軸系是由手動的蝸輪、蝸桿機(jī)構(gòu)控制的，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角誤差主要是蝸輪、蝸桿嚙合及回程誤差，即蝸輪、蝸桿的游隙問題，以及各轉(zhuǎn)軸之間的間隙[10]。在此選用7級精度的蝸輪、蝸桿，蝸輪、蝸桿之間的游隙采用消間隙結(jié)構(gòu)，可以控制反向間隙在mm內(nèi)，各轉(zhuǎn)軸之間的配合間隙可以控制在mm內(nèi)。因此，在直線上產(chǎn)生的總誤差為：mm（4-1）由此引起的俯仰軸的轉(zhuǎn)角誤差為：°＝0.6″（4-2）式中R——俯仰軸繞軸線的半徑(220mm)；——反向間隙誤差；——配合間隙誤差；——蝸輪控制總誤差；——俯仰軸轉(zhuǎn)角誤差。4.3提高軸系精度的措施1.盡量提高主要零件的加工精度和裝配精度。設(shè)計(jì)主要零件，應(yīng)對加工的尺寸誤差、幾何形狀誤差、相互位置誤差及配合表面的粗糙度提出嚴(yán)格的要求，并在加工過程中予以控制。2.提高軸系的剛度主要取決于主軸剛度和軸承剛度。不同軸系提高剛度的措施不同，要從設(shè)計(jì)、加工、裝配及使用等各個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)考慮減小變形的措施。3.減小主軸系統(tǒng)的摩擦、磨損、振動和升溫。這是要從主要零件的選材、整個(gè)主軸系統(tǒng)的密封、潤滑及使用環(huán)境等方面考慮?？傊?，分析任何一種軸系，都包括兩方面的內(nèi)容。其一，根據(jù)軸系的使用和技術(shù)要求，確定具體的結(jié)構(gòu)形式，然后建立回轉(zhuǎn)精度與主要影響因素間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以便設(shè)計(jì)階段預(yù)測軸系的回轉(zhuǎn)精度[11]。其二，研究在設(shè)計(jì)、制造、裝配和調(diào)整過程中，提高軸系回轉(zhuǎn)精度的方法和措施，以便提出合理的技術(shù)要求和改善軸系的結(jié)構(gòu)。本章小結(jié)本章主要根據(jù)功能要求和回轉(zhuǎn)精度指標(biāo)，精度的高低是用誤差的大小來衡量的，誤差小得精度高，誤差大則精度低。對俯仰軸系的精度進(jìn)行分析、水平回轉(zhuǎn)軸系的回轉(zhuǎn)精度分析。由于俯仰軸系是由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)控制，所以對其進(jìn)行傳動精度校核，校核結(jié)果符合要求。第5章剛度分析剛度是反映零部件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力，其大小用產(chǎn)生單位變形所需要的外力或外力矩來表示。對于某些零件，要求要有足夠的剛度，當(dāng)零件的剛度不夠時(shí)，將使互相聯(lián)系的一些零件不能很好的協(xié)同工作，降低了零件的工作精度[12]。在設(shè)計(jì)中框架剛度是否合理，對機(jī)構(gòu)的精度也有很大的影響，因此我們在此對剛度作簡單的分析。此章中主要對主軸和框架進(jìn)行剛度的校驗(yàn)，由于框架的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，也沒有成型的計(jì)算模式，因此只能作簡單的模擬校驗(yàn)。首先建立框架的模型，來簡化和模擬框架的形式。5.1主軸的剛度分析根據(jù)精密測試設(shè)備的精度要求，其支撐件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸設(shè)計(jì)，一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足強(qiáng)調(diào)條件，因此只需計(jì)算剛度即可。主軸在豎直時(shí)主要受扭轉(zhuǎn)力矩的作用，由于此轉(zhuǎn)臺為手動操作，轉(zhuǎn)速很低，因此，對于主軸的扭轉(zhuǎn)剛度可不作分析[13]。當(dāng)主軸處于水平狀態(tài)時(shí)，所承受的彎矩最大，相當(dāng)于一支外伸梁的受力情況。5.1.1主軸的剛度主軸剛度分析主要是對在其水平時(shí)受到的彎矩產(chǎn)生的撓度和撓角進(jìn)行分析。在主軸的直徑不確定時(shí)，依據(jù)剛度條件對其進(jìn)行計(jì)算。設(shè)主軸的直徑為d，依據(jù)精度要求可知，主軸撓角θ的最大值不能超過1″，即（1/360）°。mm；在轉(zhuǎn)臺的主視圖中，我們可以看到主軸的最小直徑為34mm，因此主軸剛度完全能夠達(dá)到轉(zhuǎn)臺對精度的要求。5.2框架的剛度分析各框架的校驗(yàn)仍然是圍繞著整體精度要求展開的，主要是看它的變形是否對最終精度產(chǎn)生很大的影響。5.2.1力學(xué)分析在此主要對底座和兩俯仰軸承座進(jìn)行剛度分析。1.