【正文】 ????? ?? ???? EvE v （ 1 1） 式中 ： 1? 、 2? 為 樣品 表面的主應(yīng)力 ， E、 v是 樣品 的彈性模量和泊松比 。 （ 3） 也 可 精確測 量 沿層深 應(yīng)力的 變化 ，但此時的測量已經(jīng) 屬于有損的了 ， 需 對材料進行剝除 ， 以便進行 逐層測定。具 體 有如下特點： （ 1） 技術(shù) 較為 成熟， 測量 的 結(jié)果 可靠、 準確 ， 精度 也較 高 。無損法 也被稱為 物理檢測法，主要有 超聲法 、 磁性法 、 掃描電子聲顯微鏡法、 X 射線法、 X 射線衍射法、 電子散斑干涉法 和 中子衍射法等。從而 嘗試 改變國內(nèi)測量殘余應(yīng)力機構(gòu)多為手動、半手動且定位精度不高的現(xiàn)狀。 53 中南大學本科生論文 Xray 殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 第一章 緒論 . 課題的背景 隨著國內(nèi)科技進步和制造業(yè)發(fā)展，機械儀器制造的主流趨勢向著高精密的方向發(fā)展。 51 致謝 48 . 四自由度平臺外觀造型優(yōu)化設(shè)計 45 . 四自由度平臺主要部件三維參數(shù)化建模 42 . 同步帶及帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 38 . Z向進給傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計 32 中南大學本科生論文 Xray 殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 . 導軌強度校核及彎曲撓度計算 29 . 同步帶傳動的設(shè)計與計算 20 行星滾柱絲 Z方向彎曲撓度的計算 17 . 行星滾柱絲杠傳動的設(shè)計與校核 7 . Z方向轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的擬定 2 . 本文的主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 1 國內(nèi)外殘余應(yīng)力研究現(xiàn)狀 后期采用 Pro/E 軟件對此平臺進行外觀造型設(shè)計。 故 本 文旨在設(shè)計一種四自由度（ 即 X、 Y、 Z 三維平動和 Z 向轉(zhuǎn)動 ）的全自動、高精度、新型結(jié)構(gòu)平臺，通過此平臺的移動實現(xiàn)放置在其上的 Xray 殘余應(yīng)力分析 儀器的精確定位， 以達到高精度測量金屬表面殘余應(yīng)力的預期效果。 本 文在 X、 Y 方向設(shè)計了滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)滿足傳動進給要求， Z 向設(shè)計了行星滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)實現(xiàn)傳動和一對圓錐滾子軸承實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。 關(guān)鍵詞： 四自由度 Xray 殘余應(yīng)力 行星滾柱絲杠副 三向進給傳動系統(tǒng)計算 三維模型繪制 中南大學本科生論文 Xray 殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 Abstract At present, the domestic residual stress measurement instrument mostly are manual or semimanual device and its positioning accuracy is not high, which Can not meet industry needs .This thesis aims to design a fully automatic four degrees of freedom, highprecision, new structural platform. By moving this platform, where the Xray residual stress analysis instruments is placed to achieve precise positioning. In order to achieve highprecision measurement of metal surface residual stress effects which is expected. In the design process, using ball screw deputy achieve X, Y direction requirements of feed transmission, plaary roller screw deputy achieve Z direction requirements of feed transmission, a pair of tapered roller bearings for rotating the Z direction. The transmission system analysis and calculation was Completed. Determine the main dimensions of the system structure, which were focused on three directions drive feed transmission system design calculations and checking. The threedimensional model was drawn by Using Pro / E software Focus drawn threedimensional model of the structure of plaary roller screw deputy and ball screw deputy. Eventually construct a threedimensional model of four degrees of freedom platform. In addition, the specific structure of preload, prestretch, transfer gap, and bearing fixed also were designed and constructed in the design process. In the late, the exterior of this fourDOF platform was designed by using Pro / E software Key word: four degrees of freedom， Xray residual stress， plaary roller screw deputy， threedimensional model 中南大學本科生論文 Xray 殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 目錄 第一章 緒論 1 . 課題的背景 1 . 國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品及研發(fā)現(xiàn)狀 1 X射線衍射殘余應(yīng)力測試的基本原理 3 第二章 四自由度結(jié)構(gòu)平臺設(shè)計方案的擬定 5 . Z方向幾種方案可行性分析及選定 8 . 四自由度結(jié)構(gòu)平臺初始參數(shù)擬定 11 . 滾珠絲杠傳動的設(shè)計與校核 38 . X、 Y向進給傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計 46 滾珠絲杠副及導軌 46 Z方向轉(zhuǎn)動體結(jié)構(gòu) 52 參考文獻 在此大背景下，測量機構(gòu)殘余應(yīng)力的需求的越來越強，而且進一步要求殘余應(yīng)力測量機構(gòu)實現(xiàn)全自動測量、高精度定位。 . 國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品及研發(fā)現(xiàn)狀 國內(nèi)外殘余應(yīng)力研究現(xiàn)狀 目前殘余應(yīng)力的測量方法 主要有機械 法和無損法 兩大類 。 這些方法 對被測件 沒有損傷 ，但 測量 設(shè)備昂貴， 故 成本較高、其中 以超聲法 和 X射線法 的應(yīng)用最 為成熟 。與其他 的 測量 方法相比， X 射線衍射法在應(yīng)力測量的定性 和 定量方面 都 有 著較高的 可信度。 ]1[ X 射線衍射殘余應(yīng)力測試的基本原理 X射線衍射法殘余應(yīng)力 測試 的基本原理是以 所 測 得的 衍射線位移作為 初始 數(shù)據(jù) ， 我們測得結(jié)果實際為 殘余應(yīng)變 量 ， 而殘余應(yīng)力是 通過 代入 殘余應(yīng)變 量由 虎克定律 計算 出來 的 。 ?? 值 由 衍射晶面 的間距 相對變化 引起 ， 且 可通過 衍射峰的位移 計算 得到 中南大學本科生論文 Xray 殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 )(c o t00 ???? ?? ????? dd （ 1 2） 式中 0? 為 在沒有 應(yīng)力 狀態(tài)下樣品 衍射峰的布拉格角 ， ?? 為有應(yīng)力 狀態(tài)下樣品衍射峰 的布拉格角 。 ]2[ . 本文的主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線 我國國內(nèi)現(xiàn)有 X射線衍射 測量 殘余應(yīng)力 機構(gòu)多為手動或半手動調(diào)節(jié)裝置，定位精度不高，對于普通合金表面殘余應(yīng)力測試尚能滿足需求，但在航空航天等高精密儀器制造過程中，需要精確定位來測量金屬表面殘余應(yīng)力，傳統(tǒng)測量裝置便不能滿足要求。綜合分析 四自由度運動平臺 所需滿足的傳動要求及精度，考慮加工及裝配難度，選取切實可行的方案。綜合分析提高其傳動性能結(jié)構(gòu)的措施，以實現(xiàn)平臺結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。對于三向進給機床與四自由度平臺的 主要 區(qū)別分析如下： 1) 三向進給機床不需要實現(xiàn) Z 方向轉(zhuǎn)動 ，而四自由度平臺需考慮 Z 向轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)及其位置安裝方面設(shè)計問題 。 綜上所述，對于三向進給機床，其在 X、 Y向傳動進給結(jié)構(gòu)設(shè)計對于本課題有一定參考價值，而對于 Z 方向的設(shè)計 參考價值不大。 . Z方向幾種方案可行性分析及選定 平臺的 Z方向為垂直進給方向， 由于 Z軸上方要安裝平臺放置 Xray殘余應(yīng)力分析 儀器，故只能采用一端固定一端自由的安裝方式 ，而對于這種方式并沒有辦法安裝導軌，故 Z軸將承受整個平臺的重量。 但 在實際控制過程中 ,因電磁閥的機械滯后、液壓缸運動慣性等原因也會引起定位誤差 ,這可以通過現(xiàn)場調(diào)試來解決 。 對于電液控制系統(tǒng)，響應(yīng)滯后的主要因素有 3個： 輸入濾波器響應(yīng)時間、輸出繼電器響應(yīng)時間、程序執(zhí)行掃描時間 。 若此 X射線衍射測量殘余應(yīng)力機器重量進一步增 加 ，傳統(tǒng)滾珠絲杠則無法滿足傳動進給要求， 由于初步方案選定時計算結(jié)果并不一定準確且所考慮因素較多，故對于 測量殘余應(yīng)力機器重量 進一步增加的情況也作了進一步分析。 故在指導老師的建議下，放棄此方案。主要優(yōu)勢是有眾多的接觸點來支撐負載。行星絲杠配置簡單單一的控制系統(tǒng)，便帶來了無與倫比的優(yōu)越性。在實際的應(yīng)用中，對于相同的負載，選擇 行星滾柱絲杠 將節(jié)約 2/3的空間。行星滾柱絲杠完全能夠達到此四自由度結(jié)構(gòu)平臺的精度要求，軸向也完全可以承受平臺的重量，且具有一定的創(chuàng)新性。 但由于此平臺精度要求較高，故 要求其回轉(zhuǎn)運動部件在徑向的擺動量和軸向的竄動量不得超過一定值，即對徑向和軸向有精度要求。 平臺的 Z方向為垂直進給方向，采用行星滾柱絲杠副實現(xiàn)傳動進給要求。由電機通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而沿導軌直線運動 。 綜合上述 布局形式的初步確定，運用 Pro/E 軟件做出兩種不同的布局造型如下： 方案一（如圖 22所示）：將 X、 Y向結(jié)構(gòu)置于最下方作為底座， Z向移動安裝于X、 Y 向上方， Z 向轉(zhuǎn)動機構(gòu)安裝于最上方（即 圓形平臺下方）。 而 方案 2底座較大可避免此種情況發(fā)生，另外方案 2 底座 Z向移動采用 同步帶輪傳動， 可 降低豎直方向的高度。 . 滾珠絲杠傳動的設(shè)計與校核 滾珠絲杠的計算步驟如圖 31 所示 圖 31 滾珠絲杠計算步驟 中南大學本科生論文 Xray 殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 下述滾珠絲杠副均有精度要求，故選用 P 類絲杠副 滾珠絲杠傳動的設(shè)計 1）確定滾珠絲杠副的導程 Ph： maxmaxnvPh ? （ 2 1） 式中： hP —— 滾珠絲杠副的導程 ， mm； maxv —— 滾珠絲杠副最大移動速度 ， mm/min； maxn —— 滾珠絲杠副最大相對轉(zhuǎn)速 ， r/min； 已知 工作臺最高移動速度 maxv =， 滾珠絲杠副最大相對轉(zhuǎn)速maxn =100 r/min， 代入得 hP =， 查閱《機械設(shè)計手冊》，選 取 hP =6mm。 ； iv —— 進給速度 ， m/min， i=代入得Fm =800? =240N。 表 31 各類機械預期工作時間 Lh 機械類型 hL 備注 普通機械 500010000 hL =250（天）? 16（小時）? 10（年） ? （開機率） 普通機床 10000 數(shù)控機床 15000 精密機床 20