【正文】 承軸承的軸向精度和軸向剛度要求相對較高。作為傳動進給系統(tǒng),要求絲杠對微小的位移(即微小的轉(zhuǎn)角)要極靈敏的響應(yīng)，故要求支承軸承的摩擦力矩必須很低。根據(jù)上述分析，X、Y向進給傳動結(jié)構(gòu)采用兩端固定的安裝方式，施加預(yù)拉伸力。由于此平臺X、Y向只需實現(xiàn)水平移動，而并不像機床一樣承受軸向較大的切削力，故只需選用單個60角接觸球軸承即完全可滿足傳動要求。平臺X、Y方向同為水平傳動方向，且初始參數(shù)及工作環(huán)境皆相同，故傳動結(jié)構(gòu)相同。結(jié)構(gòu)示意圖如圖41所示：圖41 X、Y向傳動進給結(jié)構(gòu)示意圖圖中零件明細表如下：表41 X、Y向傳動進給結(jié)構(gòu)示意圖零件明細表序號名稱分類規(guī)格備注1滾珠絲杠副X向FFZD25063Y向FFZD250632絲杠軸承X向7004CY向7004C3法蘭盤X向近電機端用密封圈密封Y向　近電機端軸承固定方式如圖42所示軸承內(nèi)環(huán)通過軸肩固定，軸承外環(huán)通過法蘭盤固定在軸承座上。從而實現(xiàn)絲杠近電機端的安裝。遠電機端安裝方式相同，不再贅述。圖42 遠電機端軸承安裝方式示意圖此四自由度結(jié)構(gòu)平臺軸向定位精度要求較高，滾珠絲杠副間隙對其影響較大，要求能夠精確消除間隙和調(diào)整預(yù)緊量，故X、Y方向滾珠絲杠副采取齒差式消除間隙和調(diào)整預(yù)緊的方法。齒差式調(diào)整結(jié)構(gòu)如圖43所示，兩個螺母的凸緣上切有外齒輪，分別與內(nèi)齒圈相嚙合，兩個內(nèi)齒圈齒數(shù)相同,根據(jù)間隙的大小,使兩個螺母分別在相同方向上轉(zhuǎn)過一個齒或幾個齒,這樣就使這兩個螺母彼此在軸向上接近了一個相應(yīng)的距離，兩邊螺母的齒數(shù)分別為=50，=49，相差一個齒。兩個螺母向相同方向轉(zhuǎn)動一個齒，調(diào)整的軸向位移為 (3 1)代入計算得：=式中：t——導(dǎo)程；圖43 雙螺母齒差調(diào)隙式絲杠螺母副結(jié)構(gòu)圖. Z向進給傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計四自由度結(jié)構(gòu)平臺Z方向為垂直進給方向，采用一端固定一端自由的安裝方式，結(jié)構(gòu)示意圖見下圖44圖44 Z向進給傳動結(jié)構(gòu)示意圖圖中零件明細表如下表42所示表42 Z向進給傳動結(jié)構(gòu)示意圖零件明細表序號名稱分類規(guī)格備注1底座Z向2同步帶輪L型30L3同步帶輪螺母Z向M55*24法蘭盤上側(cè)法蘭盤通過擋圈密封下側(cè)5軸承緊固螺母Z向M64*26絲杠軸承背對背角接觸球軸承7013C/DB7行星滾柱絲杠副Z向RV260/70*68碟簧對合系列B9套筒Z向　　其中背對背角接觸球軸承可以承受雙向軸向負載，同時也可以承受一定的彎曲作用。軸承內(nèi)環(huán)通過軸承緊固螺母固定在軸頸和軸肩上，軸承外環(huán)通過兩法蘭盤固定在底座上，從而實現(xiàn)行星滾柱絲杠近電機端的固定。如下圖45所示圖45 近電機端軸承安裝方式示意圖行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)要考慮滾柱螺帽預(yù)緊力的施加，此結(jié)構(gòu)螺帽預(yù)緊力的施加是通過螺栓和彈性碟簧組合來完成的。即通過調(diào)節(jié)螺栓預(yù)緊力的大小改變彈性碟簧彈力大小，從而改變上下螺母預(yù)緊力。結(jié)構(gòu)如圖46所示。圖4螺母預(yù)緊力施加方式示意圖 圖47 碟簧. Z向轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計Z向轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)相對于直線移動結(jié)構(gòu)較為簡單，通過一對圓錐棍子周成即可實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)示意圖如下圖48：圖48 Z向轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)示意圖圖中零件明細如下表：表43 Z向轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)示意圖零件明細表序號名稱分類規(guī)格備注1套筒Z方向2支承盤Z方向3轉(zhuǎn)動軸承雙列圓錐棍子軸承351305E4轉(zhuǎn)動盤Z方向　　. 同步帶及帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計同步帶的平臺層輕而薄靠平帶上的齒傳遞運動。由于帶齒是經(jīng)精確加工的模具壓鑄出來的因此帶齒的節(jié)距與齒輪的齒距相似，具有一定的節(jié)距精度可以達到傳動過程的同步，故稱為同步帶傳動。同步帶具有以下諸多優(yōu)點：（1）傳動準(zhǔn)確，工作時無滑動，具有恒定的傳動比；（2）傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；（3）傳動效率高，節(jié)能效果明顯；（4）維護保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護費用低；（5）速比范圍大，一般可達10，線速度可達50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達幾瓦到幾百千瓦；（6）可用于長距離傳動，中心距可達10m以上。（7）相對于V型帶傳送，預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受載荷??；Z方向采用同步帶傳動實現(xiàn)絲杠與電機的傳動，可大大降低豎直高度。鑒于同步帶在結(jié)構(gòu)上可以減小平臺體積，傳動上又有以上諸多優(yōu)點，故采用同步帶結(jié)構(gòu)較為理想。第五章 平臺三維布局及造型輔助設(shè)計X射線衍射殘余應(yīng)力測試四自由度運動平臺作為一種新設(shè)計的結(jié)構(gòu)平臺，有必要繪制其整體三維模型，從而標(biāo)注出平臺的外輪廓尺寸以及各零部件初始擬定尺寸等。在三維造型過程中，可以幫助我們更加直觀的發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中零件造型及尺寸的錯誤，及時改正。同時，三維實體模型可以使此四自由度結(jié)構(gòu)平臺被更為直觀的理解。Pro/E軟件是最常用的三維設(shè)計應(yīng)用軟件之一，可以達到我們的造型要求，故選用Pro/E軟件進行三維造型設(shè)計。. 四自由度平臺主要部件三維參數(shù)化建模根據(jù)上述幾章內(nèi)容確定平臺的主體結(jié)構(gòu)和參數(shù)，部分未確定尺寸參數(shù)在繪制過程中按經(jīng)驗選取適當(dāng)值。運用Pro/E軟件對四自由度結(jié)構(gòu)平臺進行主體建模。圖51 平臺主體建模圖如圖51所示死走讀結(jié)構(gòu)平臺的主體是由底座、Z向行星滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)、Z向回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、X、Y向滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)及放置儀器的平臺等構(gòu)成。 行星滾柱絲杠副行星滾柱絲杠副是Z向傳動結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較為精密，也是本課題的創(chuàng)新點之一，在第三章中已計算出其主體結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，并對其部件原理做了概述，此不再贅述。剖切后如圖52所示：圖52 行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)三維建模剖視圖 滾珠絲杠副及導(dǎo)軌X、Y向電機通過聯(lián)軸器（安裝于左端，此圖未畫出）帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，滾珠絲杠通過滾珠轉(zhuǎn)動帶動螺帽水平移動，從而實現(xiàn)滑軌的移動。X、Y向僅導(dǎo)軌存在一定差別，其余尺寸參數(shù)均相同便于制造及安裝。圖53為水平方向剖視圖，圖54為X、Y向裝配圖。圖53 X、Y向結(jié)構(gòu)剖視圖圖54 X、Y向結(jié)構(gòu)裝配圖 Z方向轉(zhuǎn)動體結(jié)構(gòu)Z方向轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)如圖5圖57所示，電機通過聯(lián)軸器（位于空套筒底部，圖中未畫出）帶動圓形轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機器Z方向的轉(zhuǎn)動。此結(jié)構(gòu)較為簡單，但對回轉(zhuǎn)精度有一定要求。圖56 Z向轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)三維建模圖圖57 Z向裝動結(jié)構(gòu)剖視圖 底座底座尺寸較大，主要起到固定支承的作用，尤其是Z向行星滾柱絲杠的固定，同時底座安裝電機，與絲杠軸通過同步帶傳動。如圖56所示。圖58 底座剖視圖. 四自由度平臺外觀造型優(yōu)化設(shè)計在完成四自由度結(jié)構(gòu)平臺三維建模之后，可對平臺進行外觀設(shè)計，如圖59所示，可對Z軸方向罩上四節(jié)塑料套筒，組成可伸縮套筒沿Z軸移動。一方面可使外形更加美觀，另一方面還具有抗彎矩的作用，增加結(jié)構(gòu)可靠性。X、Y方向?qū)к壟c滾珠絲杠也可采用塑料防護罩進行密封（圖中未畫出），以防止灰塵進入，提高平臺工作壽命。圖59 四自由度平臺三維建模外觀圖結(jié)論本課題力求設(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(yù)期效果。查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，整理分析后，X、Y向傳動進給結(jié)構(gòu)參考高精密機床傳動設(shè)計，采用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌承受儀器重量，通過滾珠絲杠副傳動將轉(zhuǎn)動變?yōu)橹本€運動。對于Z方向傳動，則是本課題的難點。由于Z軸上方需安裝圓形平臺，故無法安裝導(dǎo)軌，這就使得Z軸承受整個儀器的重量。經(jīng)綜合分析考慮液壓傳動、傳統(tǒng)滾珠絲杠、行星滾柱絲杠的特點后，選取行星滾柱絲杠實現(xiàn)Z軸傳動進給要求，這也是本課題的創(chuàng)新點之一。本論文對X、Y向滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)及Z向行星滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)均進行了設(shè)計計算及校核，并對儀器處于極限位置（即X、Y方向均移動至一端，Z向調(diào)節(jié)至最高高度）時，行星滾柱絲杠及導(dǎo)軌的彎曲撓度進行了計算。另外還校核了某些有可能失效的零部件，例如底座螺栓，鍵等。運用Pro/E軟件實現(xiàn)此四自由度結(jié)構(gòu)平臺的三維造型設(shè)計，通過計算校核確定各方向結(jié)構(gòu)的主要尺寸參數(shù)，設(shè)計過程中根據(jù)經(jīng)驗及相關(guān)資料確定其他尺寸參數(shù)。在三維造型過程中，對于各方向絲杠、螺母預(yù)緊力的施加方式及施加結(jié)構(gòu)均進行了設(shè)計，X、Y向預(yù)拉伸力的施加結(jié)構(gòu)也有所設(shè)計，另外X、Y向采用齒隙法調(diào)節(jié)滾珠和螺母的間隙，大大提高了軸向定位精度。最后對此四自由度結(jié)構(gòu)平臺外觀進行優(yōu)化設(shè)計，以使其外形美觀，易于接受。雖然在設(shè)計過程中經(jīng)過反復(fù)修改及計算，但錯誤及不足之處再所難免，個人認為此四自由度平臺尚有兩方面可以改善，一方面即為Z方向彎矩所導(dǎo)致行星滾柱絲杠產(chǎn)生的彎曲撓度，對于本平臺優(yōu)化所設(shè)計的四節(jié)塑料套筒的抗彎能力若能進一步增強以達到與儀器重量所產(chǎn)生的彎矩抵消的效果，那么此平臺的承載能力將數(shù)倍增加。另一方面，此平臺只需實現(xiàn)傳動要求，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中部分零件由于參考了機床的設(shè)計理念，有可能導(dǎo)致尺寸偏大，從而使機構(gòu)整體體積偏大，在后期測試階段可以進一步改進。致謝本論文的完成得到了中南大學(xué)機電工程學(xué)院龔海老師的悉心指導(dǎo)，在整個設(shè)計過程中龔老師給予了寶貴的指導(dǎo)性建議，并在設(shè)計過程中認真負責(zé)的督促我們及時完成各階段的任務(wù)，在此致以衷心的感謝。另外還要感謝畢設(shè)過程中與我同組以及陪伴我一起奮斗的同學(xué)們，通過與他們討論給予了我一些啟發(fā)性的建議，使我受益匪淺。最后，感謝論文審閱專家對于本論文提出的寶貴改進意見，感謝參加答辯的各位老師和教授抽出寶貴時間給予的悉心指導(dǎo)。參考文獻[1]劉金艷. 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