【文章內容簡介】 也 可 精確測 量 沿層深 應力的 變化 ，但此時的測量已經 屬于有損的了 ， 需 對材料進行剝除 ， 以便進行 逐層測定。 ]1[ X 射線衍射殘余應力測試的基本原理 X射線衍射法殘余應力 測試 的基本原理是以 所 測 得的 衍射線位移作為 初始 數據 ， 我們測得結果實際為 殘余應變 量 ， 而殘余應力是 通過 代入 殘余應變 量由 虎克定律 計算 出來 的 。 其 原理為 ： 當 樣品內部 存在殘余應力 之時 ， 晶面 的 間距將 產生變化 ， 進行 布拉格衍射時 ， 所 得到 的衍射峰 將 相應的 移動 ， 而且 其所 移動 的 距離與應力大小 直接 相關 。由 波長為 ? 的 X射線 ， 以不同的入射角 ? 先后數次 照射到 樣品 上 ， 測 得 對應 的衍射角2? ， 求出 2? 關于 ?2sin 的斜率 M， 便可 計 算出 其 內應力 ?? ，其原理如圖 11所示 圖 11 X 射線衍射原理圖 X射線衍射法一般 為 測 量樣品 表面某一方向上的內應力 ,因 此需 運用材料 力學 的方法 求出 ?? 。 由于 X射線對 樣品 穿 透 能力 并不強 ， 對高強度鋁合金 來說其穿透深度 不會 超過 60 m? ， 故 只能 用來 探測鋁合金 樣品 表面 的 殘余 應力 ， 由材料力學知識 可知 ，樣品 表面 殘余 應力分布可視 作 二維平面 內 的 應力狀態(tài) ， 其垂直 方向樣品 方向 的主應力03?? ， 因此 ， 可求得與 樣品 表面法向成 ? 角的應變 ?? 為： )(s in1212 ????? ?? ???? EvE v （ 1 1） 式中 ： 1? 、 2? 為 樣品 表面的主應力 ， E、 v是 樣品 的彈性模量和泊松比 。 ?? 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 殘余應力分析系統結構設計 3 )(c o t00 ???? ?? ????? dd （ 1 2） 式中 0? 為 在沒有 應力 狀態(tài)下樣品 衍射峰的布拉格角 ， ?? 為有應力 狀態(tài)下樣品衍射峰 的布拉格角 。 將式 （ 11） 代入式 （ 12） 并求偏導 ， 得 ?? =180co t)1(2 0 ??vE?? )(sin )2( 2???? （ 1 3） 令 K=180co t)1(2 0 ??vE??,M=)(sin )2( 2????,則有 ?? = MK? 。 式中 ， K是由樣品的材質以及衍射面所選定 HKL決定， 若前述樣品材質及所選定 HKL不變時， K為定值 ,稱為應力系數 。 M為 2? 對 ?2sin 的斜率， 如果衍射面相同，那么選定 一組 ? 值 ， 測量 其對應 的 ??)2( 并 作 出 ??)2( ?2sin 圖 ， 采用 最小二乘法 計算出 斜率 M,從而得到 應力 ?? ,? 是試樣平面內選定主應力方向后 所 測得的 主應力 和應力 方向的夾角 。 ]2[ . 本文的主要研究內容及技術路線 我國國內現有 X射線衍射 測量 殘余應力 機構多為手動或半手動調節(jié)裝置，定位精度不高，對于普通合金表面殘余應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力，傳統測量裝置便不能滿足要求。基于上述情況，本課題著重設計 X射線衍射殘余應力測 試四自由度運動平臺的結構 ，以求解決此方面的問題。 本論文以滿足 X射線衍射殘余應力測試四自由度運動平臺的結構設計為核心問題展開研究 ， 重點進行以下幾個方面的設計與論述。 四自由度結構平臺設計方案的擬定 查閱國內外相關資料，收集國外相關產品布局形式，運用 Pro/E 三維仿真手段，構造可能的幾種平臺總體模型。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。 四自由度平臺傳動系統的理論計算 重點進行三向進給傳動結構的設計、校核以及 Z 向絲杠彎曲撓度， X、 Y 向導軌彎曲撓度的理論計算 。在計算過程中確定傳動結構中比較重要的尺寸參數。 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 4 四自由度平臺主體結構原理性設計 重點進行四自由度平臺結構設計以及設計各方向預拉伸力、預緊力的施加方式，滾珠絲杠副間隙調整結構設計等。綜合分析提高其傳動性能結構的措施，以實現平臺結構的合理設計。 平臺三維布局及造型輔助設計 運用計算機三維建模設計手段進行平臺總體仿真設計，細化仿真平臺每一零部件并進行裝配，在裝配過程中及時發(fā)現結構及尺寸參數設計錯誤并改正，后期運用三維軟件進行外觀優(yōu)化設計以達到合理美觀的要求。 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 5 第 二 章 四自由度結構平臺設計方案的擬定 對于此四 自由度結構平臺，需實現 X、 Y、 Z 方向平動和 Z 向轉動 。臥式機床設計也需實現三向進給傳動， 且其傳動過程與四自由度結構平臺有相似之處，故在設計過程中 可參考其結構，并結合四自由度結構平臺實際要求做進一步設計。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 Z 方向轉動 ，而四自由度平臺需考慮 Z 向轉動結構及其位置安裝方面設計問題 。 2) 機床需切削加工零件，軸向受力較大，而四自由度結構平臺只需實現傳動需求，所受軸向力、扭矩較小，所需功率也較小。 3) 機床 Z 向安裝可采用兩端固定的方式，但對于四自由度平臺 ，由 于平臺上需放置 Xray 殘余應力 測量儀器，故 Z 向只能采用一端固定一端自由的安裝方式，由此衍生出 Z 向彎矩、撓度等問題需解決。 4) 四自由度結構平臺定位精度較高，對于大部分機床其設計沒有如此高的精度要求。 綜上所述，對于三向進給機床，其在 X、 Y向傳動進給結構設計對于本課題有一定參考價值，而對于 Z 方向的設計 參考價值不大。 . X、 Y方向傳動進給結構的擬定 X、 Y方向可參考三向進給機床采用滾珠絲杠結構 將旋轉運動轉換成線性運動 ，同時滾珠絲杠還 兼具高精度、可逆性和高效率的特點 。在此結構中，導軌承受 Xray殘余應力分析 儀器的重 量，滾珠絲杠副傳動只需克服摩擦力即可。由于滾珠絲杠結構較為成熟，此處不再贅述。 . 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。 且 當儀器由于 X、 Y方向平移不在 Z軸正上方時，對 Z軸強度要求較高。經過查閱國內外相關資料，收集整理后提出以下幾種解決方案進行可行中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 6 性分析。 液壓傳動可行性分析 液壓傳動可以承受較大平臺重量， 對于本課題的儀器重量完全可以承 受，但其定位精度能否達到微米級呢？ 影響液壓傳動定位精度的因素主要有液壓傳動的移動速度和電液控制系統的響應滯后時間，理論上，兩者的乘積即為定位誤差。 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 ,這可以通過現場調試來解決 。 液壓缸 活塞的最低移動速度 minv 受活塞及活塞桿運動摩擦，以及缸筒、活塞桿等加工精度的制約而不宜太低，否則活塞桿在運動中可能產生爬行（不均勻運動）。一般?minv ~。 。 對于電液控制系統，響應滯后的主要因素有 3個： 輸入濾波器響應時間、輸出繼電器響應時間、程序執(zhí)行掃描時間 。 查閱相關資料，液壓傳動的定位精度在 20xx年已經可以達到 。 ]6[ 隨著科學技術日益進步，電液控制系統的滯后時間進一步縮短，液壓傳動的最低速度進一步降低，使液壓傳動的 定位精度大幅度提高，已經可以達到本課題所要求的微米級精度 ，可滿足方案設計要求，但因我們設計的四自由度結構平臺為便攜式，若在此平臺中增加液壓系統，結構體積將會增大，且不易于攜帶，故此方案并不理想 。 傳統滾珠絲杠可行性分析 由于 本課題 X射線衍射測量殘余應力機器體積較小，重量 僅有幾十千克 ， 經過計算，對于傳統滾珠絲杠， 在采用較大直徑的情況下， 也能 勉強 滿足 Z方向傳動進給要求，但此時滾珠絲杠直徑已經較 大 ， 相應的四自由度平臺 體積 也 較大。 若此 X射線衍射測量殘余應力機器重量進一步增 加 ，傳統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果并不一定準確且所考慮因素較多，故對于 測量殘余應力機器重量 進一步增加的情況也作了進一步分析。 對于 X射線衍射測量殘余應力機器重量 進一步增大的情況經查閱資料分析思考，能否 采 用 幾根滾珠絲杠并聯的形式？ 對于幾根滾珠絲杠并聯的形式， 電機通過同步帶輪傳動 ，使三根滾珠絲杠同時轉動 。因為 此平臺 定位精度要求達到 微米 級，所以必須保證三根滾珠絲杠的運動 形式 完全相同，尤其是滾珠絲杠停止轉動以及方向改變時， 而這對于加工及安裝精度要求過高，在現有的生產條件下很難達到，而且此種設計同樣也會導致平臺體積增大。綜上中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 7 所述若采用此方案，尤其是單根滾珠絲杠副支承的形式，不符合機械設計的基本原則，且無創(chuàng)新性可言。 故在指導老師的建議下，放棄此方案。 行星滾柱絲杠可行性分析 行星滾柱絲杠是一種將旋轉運動轉換成線性運 動的機械裝置。與梯形絲杠、滾珠絲杠的傳動方式有點相近，但不同點則是：行星絲杠能夠在極其艱苦的工作環(huán)境下承受重載上千個小時，這樣就使得行星絲杠成為要求連續(xù)工作制應用場合的理想選擇。 行星滾柱絲杠載荷傳遞元件為螺紋滾柱，是典型的線接觸；而滾珠絲杠載荷傳遞元件為滾珠，是點接觸。主要優(yōu)勢是有眾多的接觸點來支撐負載。螺紋滾柱替代滾珠將使負載通過眾多接觸點迅速釋放，從而能有更高的抗沖能力。 行星滾柱絲杠的傳動力的方式是與眾不同的，在主螺紋絲杠周圍，行星布置安裝了 68個螺紋滾柱絲杠，這樣將電機的旋轉運動轉換為絲杠或螺母的 直線運動。 圖 21 行星滾柱絲杠 行星滾柱絲杠與液壓缸 /氣缸的性能對比： 在那種需要較高承載力，或高速度的應用場合中，比起液壓缸、氣缸，行星絲杠電動推桿 是 更加理 想的一種選擇。行星絲杠配置簡單單一的控制系統，便帶來了無與倫比的優(yōu)越性。并不需要諸如閥門、泵、過濾器、傳感器等復雜的配套系統。 行星滾柱絲杠 體積小，工作壽命長，日常無需維護，不存在液壓缸的液體滲漏情況，噪音顯著 減小 行星滾柱絲杠與滾珠絲杠的性能對比： 負載與硬度：行星滾柱絲杠為受力多線接觸，而滾珠絲杠為受力多點接觸。接觸面的增加，行星滾柱絲杠的承載能力和剛性將大大提高。在實際的應用中，對于相同的負載，選擇 行星滾柱絲杠 將節(jié)約 2/3的空間。 運行壽命： 行星滾柱絲杠與滾珠絲杠都適用于赫茲 Hertz定律 ， 由赫茲 Hertz壓力中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 8 定律，我們可以得出：行星滾柱絲杠能承受的靜載為滾珠絲杠的 3 倍，壽命為滾珠絲杠的 15 倍。 。 超高速度：普通的滾珠絲杠為了避免滾珠之間相互碰撞，因而輸入速度不超過20xxrpm；而行星滾柱絲杠的行星絲杠均布固定在主絲杠的四周，故可以運行在 5000rpm或更高的轉速下，最高速度可至 20xxmm/s. 通過行星滾柱絲杠和液壓缸、滾珠絲杠性能的對比，我們可以得出行星滾柱絲杠的諸多優(yōu)越性。行星滾柱絲杠完全能夠達到此四自由度結構平臺的精度要求，軸向也完全可以承受平臺的重量，且具有一定的創(chuàng)新性。 基于 上述理由， Z方 向采用行星滾柱絲杠實現傳動進給運動。 . Z方向轉動結構的擬定 平臺 Z方向轉動結構 設計較為簡單，對于此四自由度結構平臺，其 Z向裝動結構 既受向下軸向力又受傾覆力矩 。 查閱相關資料 ， 可采用相對安裝的一對圓錐滾子軸承構成的回轉支承，作為滾動回轉導軌使用。 但由于此平臺精度要求較高，故 要求其回轉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。 . 四自由度結構平臺初始參數擬定 根據 X射線衍射測量殘余應力機構的精度需要，最高定位精度應能夠達到微米級，由于此 四自由度結構平臺承載測量儀器 ， 故其運動速度要 求不高，甚至在不影響測量時間的前提下越慢越好， 故 此 平臺軸向最高移動速度不宜過快。 對于 此四自由度結構平臺 ， X、 Y 方向性能基本相同，故可將 X、 Y 方向設置為相同參數，進而減少設計計算量，同時也降低加工 及安裝 難度。 綜合考慮以上因素，查閱相關資料，結合實際情況， X、 Y 方向滾珠絲杠副初始參數確定如下： 工作臺軸向最高移動速度 maxv =， X、 Y 方向所承受重量約為 800N，滾珠絲杠副定位精度 15 m? /300mm，全行程定位精度 25 m? ，重復定位精度 10 m? ，安裝方式為兩端固定，所選電機最高轉速 maxn =20xx r/min，選用滑動導軌，其中動導軌材料為 HT150，支承導軌材料為 HT200（淬火處理），導軌表面進行磨削處理。 平臺的 Z方向為垂直進給方向，采用行星滾柱絲杠副實現傳動進給要求。 對于無特殊要求的參數，盡量設置為與 X、 Y方向相同，以使平臺整體參數結構較為合理。中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 9 按照上述原則， Z 方向初始參數確定如下： 工 作臺軸向最高移動速度 maxv =， Z 方向所承受重量約為 1200N， 行星滾柱 絲杠副定位精度 30 m? /300mm，全行程定位精度 50 m? ，重復定位精度 30 m? ，安裝方式為一端固定一端自由，所選電機最高轉速 maxn =20xx r/min。 . 四自由度平臺布局形式的確定 經過收集分析國內外相關資料，確定布 局方案如下： 1） X、 Y向采用滾珠絲杠與導軌配合工作的機構。由電機通過聯軸器帶動滾珠絲杠轉動，從而沿導軌直線運動 。 2） Z向轉動通過電機聯軸器形式 傳動， 帶動一對圓錐滾子軸承 轉動 實現。 但其放置位置尚未確定。 3）豎直方向（即 Z向）進給運動通過行星滾柱絲杠 副將轉動變?yōu)橹本€運動 實現 ，其放置位置有 X、 Y向上方和下方兩種選擇 。 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向結構置于最下方作為底座， Z向移動安裝于X、 Y 向上方， Z 向轉動機構安裝于最上方（即 圓形平臺下方）。 方案二（如圖 23 所示）：將 Z向移動結構置于最下方通過底座固定，傳動形式為電機同步帶輪傳動，以減小平臺高度及體積 。 Z想轉動機構安裝于 Z向移動結構上方（即 X、 Y 結構下方）， X、 Y 向結構安裝于最上方。 圖 22 平臺布局方案一 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 10 圖 23 平臺布局方案二 考慮到 Z向所受負載較大，且質量較大，若置于 X、 Y向導軌上方 （即方案一） ，有可能導致失穩(wěn)。 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。參 考 國外此種平臺的設計 ， 也是將 Z方向 垂直進給運動安 裝 于 最 下方， 故在指導老師建議下 確定選用方案 二 。 中南大學本科生論文 Xray 殘余應力分析系統結構設計 11 第 三 章 四自由度平臺傳動系統的理論計算 傳動系統的理論計算是四自由度平臺結構總體設計的重要部分。 在總體設計階段，我們將重點進行 X、 Y 方向 滾珠絲杠傳動的設計與校核 ， Z 方向 行星滾柱絲杠傳動的設計與校核 等 。 . 滾珠絲杠傳動的設計與校核 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 殘余應力分析系統結構設計 12 下述滾珠絲杠副均有精度要求，故選用 P 類絲杠副 滾珠絲杠傳動的設計 1）確定滾珠絲杠副的導程 Ph： maxmaxn