【文章內(nèi)容簡介】 PDC鉆頭檢測裝置機械部分設計： 一、 PDC 鉆頭 檢測裝置 機械部分的結構 PDC 機械部分檢測裝置由床身和立柱、工作臺、主軸頭、脈沖電源、伺服進給系統(tǒng)、工作臺附件等部分組成。結構圖如圖 11所示。檢測方式采用三坐標檢測。 工作臺檢測器探頭 床身和立柱是基礎結構，由它確保檢測儀與工作臺、工件之間的相互位置。位置精度的高低對加工有直接的影響，如果機床的精度不高，檢測精度也難以保證。因此，不但床身和立柱的結構應該合理，有較高的剛度，能承受主軸負重和運動部件突然加速運動的慣性力，還應該減小溫度變化引起的變形。 工作臺主要用來支承和裝夾工件。在實際加工中，通過轉動縱橫向絲杠來改變檢測儀與工件的相對位置。 主軸頭是 PDC 機械部分檢測裝置的一個關鍵部件，在結構上由伺服進給系統(tǒng)、導向和防扭機構三部分組成。用以控制檢測儀與鉆頭之間的距離。主軸頭的好壞直接影響檢測數(shù)據(jù)的精度，如質量、內(nèi)部應力、幾何精度以及表面粗糙度，因此對主軸頭有如下要求： 1) 有一定的軸向和側向剛度及精度。 2) 有足夠的進給和回升速度。 PDC 鉆頭檢測裝置機械部分設計 （共 44頁） 20 3) 主軸運動的直線和防扭轉性能好。 4) 靈敏度要高，無爬行現(xiàn)象。 二、 Z 軸 進給驅動方案的設計 ： 目前檢測裝置的自動進給調節(jié)系統(tǒng)的種類很多，按執(zhí)行元件，大致可分為： 步進電機； 寬調速力矩電機； 直流伺服電機； 交流伺服電機。 在本次設計中選用電 機械式自動調節(jié)系統(tǒng)。電 機械式自動調節(jié)系統(tǒng)在 20世紀 60 年代是采用普通直流伺服電機的形式，由于其機械減速系統(tǒng)傳動鏈、慣性大、剛性差，因而靈敏度低， 20 世紀 70年代為電液自動調節(jié)系統(tǒng)所替代。 20世紀 80 年代以來，采用步進電機和力矩電機的電 機械式自動調節(jié)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。由于它們的低速性能好，可直接帶動絲杠進退，因而傳動鏈短、靈敏度高、體積 小、結構簡單，而且慣性小，有利于實現(xiàn)加工過程的自動控制和數(shù)字程序控制，因而在中、小型電火花機床中得到越來越廣泛的應用。又考慮到經(jīng)濟因素及尺寸的大小，本設計采用步進電機自動調節(jié)系統(tǒng)。總體設計原理框圖如圖 22 所示 . 圖 21 總體設計原理 三、 PDC 鉆頭機械部分檢測裝置的設計要求 感應同步器是一種電磁感應式的位移檢測裝置，它具有以下優(yōu)點 ： 1) 精度高。感應同步器直接對機床的位移進行測量，測量結果只受本身精度的限制，定尺上感應電壓信號為多周期的平均效應，降低了繞組局部尺寸誤差的影響 ，達到了較高的測量精度，其直線精度一般為177。 2) 對環(huán)境的適應性強。它是利用電磁感應原理產(chǎn)生信號，所以不怕油污和步進電機驅動電路 步進電機 CPU 滾珠絲杠 負載 感應同步器 PDC 鉆頭檢測裝 置機械部分機構的結構 （ 共 43頁 ） 21 灰塵污染，測量信號與絕對位置一一對應，不易受到干擾。 3) 使用壽命長，安裝維修簡單。 4) 可用于長距離位移測量，適合于大中型機床使用。 5) 工藝性好，成本低。定尺與滑尺繞組便于復制和成批生產(chǎn)。 直線型感應同步器的定尺安裝在機床的不動部件上，既可直接安裝在機床某個面上，也可以和尺座構成組件后在安裝在機床上。所以綜合各種檢測裝置，應使用感應同步器更為好。 四、 PDC 鉆頭機械部分檢測裝置進給機構 設計 導軌是機床的關鍵部件之一，其性能好壞，將直接影響機床的加工精度、承載能力和使用壽命。導軌設計應滿足：導向精度、耐磨性、低速運動平穩(wěn)性、剛度、結構簡單、工藝性好、便于間隙調整，具有良好的潤滑和防護等要求。 導軌類型的選擇 導軌類型很多，分類不一。常用的導軌類型有普通滑動導軌（滑動導軌）、塑料導軌（貼塑導軌）、鑲金屬導軌、滾動導軌、靜壓導軌、支壓導軌。在 PDC鉆頭檢測裝置中，選用滾動導軌，這是因為滾動導軌可以減少導軌間的摩擦阻力，便于工作臺實現(xiàn)精確和微量移動，且潤滑方法簡 單。 滑動導軌類型的選擇 導軌類型很多，分類不一。常用的導軌類型有普通滑動導軌（滑動導軌）、塑料導軌（貼塑導軌）、鑲金屬導軌、滾動導軌、靜壓導軌、支壓導軌。在電火花成形加工機床中，選用滑動導軌。 直線滑動導軌類型的選擇 常見的滑動導軌截面形狀，有三角形（分對稱、不對稱兩類）、矩形、燕尾形及圓形等四種，每種又分為凸形和凹形兩類。如圖所示。凸形導軌不易積存切屑等臟物，也不易儲存潤滑油。宜在低速下工作；凹形導軌則相反，可用于高速，PDC 鉆頭檢測裝置機械部分設計 （共 44頁） 22 但必須有良好的防護裝置，以防切屑等臟物落入導軌。該電火花成形 機床應選擇凹形三角形導軌：該導軌在垂直載荷的作用下，磨損后能自動補償，不會產(chǎn)生間隙，故導向精度較高。但壓板面仍需有間隙調整裝置。它的截面角度由載荷大小及導向要求而定，一般為 900。為增加承載面積，減小比壓，在導軌高度不變的條件下，應采用較大的頂角（ 11001200）；為提高導向性，可采用較小的頂角（ 600）。如果導軌上所受的力，在兩個方向上的分力相差很大，應采用不對稱三角形，以使力的作用盡可能垂直于導軌面。 凸形凹形對稱三角形 不對稱三角形 矩形 燕尾形 圓形 圖 41 導軌的截面形狀 選擇導軌的補償及調整裝置 選用塞塊調整間隙，其精度和剛度均較高。 潤滑的選擇 直線滑動導軌副常用鈉基潤滑脂潤滑，為防止異物侵入和潤滑劑的泄出，滑座兩端裝上耐油橡膠密封圈。 材料的選擇 選用 CrWMn，進行冷處理和低溫時效，并采用鑲件式，最大限度地消除導軌PDC 鉆頭檢測裝 置機械部分機構的結構 （ 共 43頁 ） 23 在使用中的變形。 縱向滾珠絲杠的設計 為了提高數(shù)控機床的傳動精度和靈敏度，在需要將回轉運動轉換為直徑運動的場合，常采用滾珠絲螺母副。它是將絲杠螺母的螺旋槽加工成弧形，并放入適當?shù)臐L珠，當絲杠相對于螺母旋轉時，滾珠便 在由絲杠和螺母的兩個弧形槽所形成的滾道中滾動，使螺旋傳動由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。 滾珠絲杠螺母副具有以下優(yōu)點： 1) 傳動效率高。 2) 靈敏度高，隨動性好。 3) 使用壽命長。 4) 無反向死區(qū)，并能提高軸的剛度和反向精度。 5) 運動具有可逆性。 因此，選用滾珠絲杠螺母副來將步進電機的旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動。 [10] 基本傳動方式的選擇 根據(jù)絲杠和螺母相對運動組合情況，其基本傳動形式有四種： （ 1）螺母固定，絲杠轉動并移動如圖（ a）所示 ,該傳動形式因螺母本身起著支承作用，消除了絲杠軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動，結構叫簡單，可獲得較高的傳動精度。但其軸向尺寸不宜太長，剛性太差。因此只適用于行程較小的場合。所以不適合使用于該場合。 （ 2）絲杠轉動，螺母移動如圖（ b）所示，該傳動形式需要限制螺母的轉動，故需導向裝置。其特點是結構緊湊、絲杠剛性較好。適用于工作行程較大的場合。 （ 3）螺母轉動，絲杠移動如圖（ c）所示，該傳動形式需要限制螺母移動和絲杠的轉動，由于結構復雜且占用軸向空間較大，故應用較少。 （ 4）絲杠固定，螺母轉動并移動如圖（ d）所示，該傳 動方式結構簡單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便，故很少使用。 如圖 4所示。選擇絲杠轉動、螺母移動的傳動形式。 PDC 鉆頭檢測裝置機械部分設計 （共 44頁） 24 圖 42 基本傳動形式 結構形式的選擇 （ 1）螺紋滾道型面（法向）的形狀選擇 我國生產(chǎn)的滾珠絲杠有單圓弧型和雙圓弧型，因為雙圓弧型的螺紋滾道的接觸角在工作過程中基本保持不變。兩圓弧相交處有一小空隙，可使?jié)L道底部與滾珠不接觸，并能存一定的潤滑油以減少摩擦和磨損，應用廣泛，因此選用雙圓弧型的螺紋滾道。 （ 2）滾珠循環(huán)方式的選擇 滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)二種。選用內(nèi) 循環(huán)方式，其優(yōu)點是滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小，選用浮動式反向器，這種反向器的優(yōu)點是：在高頻浮動中達到回珠圓弧槽進出口的自動對接，通道流暢、摩擦特性較好，適用于高速、高靈敏度、高剛性的精密進給系統(tǒng)。 滾珠絲杠副主要技術參數(shù)的確定 （ 1）基本導程 0P 的選擇 基本導程的大小應根據(jù)機電一體化系統(tǒng)的精度要求確定，因此設計精度要求較高，要選取較小的基本導程。由國際標準化組織（ ISO/DIS340821991）知尺寸系列 ： 基本導程： 1， 2， ， 3， 4， 5， 6， 8， 10， 12， 16， 20， 25， 32， 40 因此選用 mmP 40 ? （ 2）螺母選擇 由于數(shù)控機床對滾珠絲杠副的剛度有較高的要求，故選擇螺母時應注重其剛PDC 鉆頭檢測裝 置機械部分機構的結構 （ 共 43頁 ） 25 度的保證，按高剛度要求選擇預載的螺母形式。其中內(nèi)循環(huán)浮動反向器法蘭直筒組合具有較好的磨擦特性，適用于各種高靈敏度、高剛度的精密進給定位系統(tǒng)，材料選用 45鋼。 ①滾珠的工作圈數(shù) i 和列數(shù) j 的確定 滾珠總數(shù) N一般不超過 150 個。選用 ji? 為 ? ，滾珠總數(shù)取 120 個。 ②法蘭形狀的選擇 按安裝由標準形狀選擇。選擇平頂法蘭盤 。 （ 3）導程精度選擇 根據(jù)機床定位精度 10μ m，確定滾珠絲杠副導程的精度等級。按下式估算 DTE )53~41(? 式中： E— 累計代表導程偏差，μ m DT — 機床有效行程的定位精度 mE ?6~)53~41( ??? 由實用機床設計手冊（以后簡稱手冊）查得 選擇精度等級 1C （ 4）絲杠 長度的計算 ① 絲杠螺紋長度按下式計算 eu llll 21 ??? 式中： ul —— 機床工作臺有效行程， mm el —— 余程（按表選?。?， mm 1l —— 螺母長度， mm 表 1 余程 導程 0p（ mm） 4 5 6 8 10 12 16 20 余程 el PDC 鉆頭檢測裝置機械部分設計 （共 44頁） 26 （ mm） 16 20 24 32 40 45 50 60 ul = 340 el = 16 1l =11 絲杠螺紋長度： l = 383mm。 ② 支撐跨距 1L 應略大于 ul ，取為 mmL 6001 ? 。 [13] （ 5）滾珠絲杠副軸向間隙調整與預緊的選擇 滾珠絲杠副在負載時，其滾珠與滾道接觸點處將產(chǎn)生彈性變形。換向時，其軸向間隙會引起空回，這種空回是非連續(xù)的，既影響傳動精度，又影響系統(tǒng)的動態(tài)性能。單螺母絲杠副的間隙消除相當困難，實際應用中，有多種調整預緊方法，其中，雙螺母墊片調整預緊式的結構簡單剛度高，預緊可靠 。 （ 6）滾珠絲杠副支承方式的選擇 （ a）單推 — 單推式 (b)雙推 — 雙推式 (c)雙推 — 簡支式 (d) 雙推 — 自由式 圖 43 滾珠絲杠副的支承方式 實踐證明， 絲杠的軸承組合及軸承座以及其它零件的連接剛性不足，將嚴重影響滾珠絲杠副的傳動精度和剛度，為了提高軸向剛度，常用止推軸承為主的 PDC 鉆頭檢測裝 置機械部分機構的結構 （ 共 43頁 ） 27 軸承組合來支承絲杠，當軸向載荷較小時，也可用向心推力球軸承來支承絲杠。軸承的組合方式有以下幾種： （Ⅰ）單推 — 單推式如圖（ a）所示，止推軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預緊力。其特點是軸向剛度較高；預拉伸安裝時，預緊力較