【正文】 承軸承的軸向精度和軸向剛度要求相對(duì)較高。作為傳動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng),要求絲杠對(duì)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(jìn)給傳動(dòng)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(tái)X、Y向只需實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，而并不像機(jī)床一樣承受軸向較大的切削力，故只需選用單個(gè)60角接觸球軸承即完全可滿足傳動(dòng)要求。平臺(tái)X、Y方向同為水平傳動(dòng)方向，且初始參數(shù)及工作環(huán)境皆相同，故傳動(dòng)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(dòng)進(jìn)給結(jié)構(gòu)示意圖圖中零件明細(xì)表如下：表41 X、Y向傳動(dòng)進(jìn)給結(jié)構(gòu)示意圖零件明細(xì)表序號(hào)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(jī)端用密封圈密封Y向　近電機(jī)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(shí)現(xiàn)絲杠近電機(jī)端的安裝。遠(yuǎn)電機(jī)端安裝方式相同，不再贅述。圖42 遠(yuǎn)電機(jī)端軸承安裝方式示意圖此四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)軸向定位精度要求較高，滾珠絲杠副間隙對(duì)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(gè)螺母的凸緣上切有外齒輪，分別與內(nèi)齒圈相嚙合，兩個(gè)內(nèi)齒圈齒數(shù)相同,根據(jù)間隙的大小,使兩個(gè)螺母分別在相同方向上轉(zhuǎn)過一個(gè)齒或幾個(gè)齒,這樣就使這兩個(gè)螺母彼此在軸向上接近了一個(gè)相應(yīng)的距離，兩邊螺母的齒數(shù)分別為=50，=49，相差一個(gè)齒。兩個(gè)螺母向相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，調(diào)整的軸向位移為 (3 1)代入計(jì)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(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)Z方向?yàn)榇怪边M(jìn)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(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖圖中零件明細(xì)表如下表42所示表42 Z向進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖零件明細(xì)表序號(hào)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(duì)背角接觸球軸承7013C/DB7行星滾柱絲杠副Z向RV260/70*68碟簧對(duì)合系列B9套筒Z向　　其中背對(duì)背角接觸球軸承可以承受雙向軸向負(fù)載，同時(shí)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(shí)現(xiàn)行星滾柱絲杠近電機(jī)端的固定。如下圖45所示圖45 近電機(jī)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(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Z向轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)于直線移動(dòng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，通過一對(duì)圓錐棍子周成即可實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)示意圖如下圖48：圖48 Z向轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖圖中零件明細(xì)如下表：表43 Z向轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖零件明細(xì)表序號(hào)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(dòng)軸承雙列圓錐棍子軸承351305E4轉(zhuǎn)動(dòng)盤Z方向　　. 同步帶及帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步帶的平臺(tái)層輕而薄靠平帶上的齒傳遞運(yùn)動(dòng)。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(dá)到傳動(dòng)過程的同步，故稱為同步帶傳動(dòng)。同步帶具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）傳動(dòng)準(zhǔn)確，工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，具有恒定的傳動(dòng)比；（2）傳動(dòng)平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；（3）傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果明顯；（4）維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤(rùn)滑，維護(hù)費(fèi)用低；（5）速比范圍大，一般可達(dá)10，線速度可達(dá)50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦到幾百千瓦；（6）可用于長(zhǎng)距離傳動(dòng)，中心距可達(dá)10m以上。（7）相對(duì)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(dòng)實(shí)現(xiàn)絲杠與電機(jī)的傳動(dòng)，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(tái)體積，傳動(dòng)上又有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，故采用同步帶結(jié)構(gòu)較為理想。第五章 平臺(tái)三維布局及造型輔助設(shè)計(jì)X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)試四自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作為一種新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)平臺(tái)，有必要繪制其整體三維模型，從而標(biāo)注出平臺(tái)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(jì)過程中零件造型及尺寸的錯(cuò)誤，及時(shí)改正。同時(shí)，三維實(shí)體模型可以使此四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)被更為直觀的理解。Pro/E軟件是最常用的三維設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件之一，可以達(dá)到我們的造型要求，故選用Pro/E軟件進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)。. 四自由度平臺(tái)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(tái)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(yàn)選取適當(dāng)值。運(yùn)用Pro/E軟件對(duì)四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行主體建模。圖51 平臺(tái)主體建模圖如圖51所示死走讀結(jié)構(gòu)平臺(tái)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(tái)等構(gòu)成。 行星滾柱絲杠副行星滾柱絲杠副是Z向傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較為精密，也是本課題的創(chuàng)新點(diǎn)之一，在第三章中已計(jì)算出其主體結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，并對(duì)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(jī)通過聯(lián)軸器（安裝于左端，此圖未畫出）帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠通過滾珠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺帽水平移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滑軌的移動(dòng)。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(dòng)體結(jié)構(gòu)Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖5圖57所示，電機(jī)通過聯(lián)軸器（位于空套筒底部，圖中未畫出）帶動(dòng)圓形轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。此結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但對(duì)回轉(zhuǎn)精度有一定要求。圖56 Z向轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)三維建模圖圖57 Z向裝動(dòng)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(shí)底座安裝電機(jī)，與絲杠軸通過同步帶傳動(dòng)。如圖56所示。圖58 底座剖視圖. 四自由度平臺(tái)外觀造型優(yōu)化設(shè)計(jì)在完成四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)三維建模之后，可對(duì)平臺(tái)進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)，如圖59所示，可對(duì)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(dòng)。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(hù)罩進(jìn)行密封（圖中未畫出），以防止灰塵進(jìn)入，提高平臺(tái)工作壽命。圖59 四自由度平臺(tái)三維建模外觀圖結(jié)論本課題力求設(shè)計(jì)一種四自由度（即X、Y、Z三維平動(dòng)和Z向轉(zhuǎn)動(dòng)）的全自動(dòng)、高精度、新型結(jié)構(gòu)平臺(tái)，通過此平臺(tái)的移動(dòng)實(shí)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(dá)到高精度測(cè)量金屬表面殘余應(yīng)力的預(yù)期效果。查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，整理分析后，X、Y向傳動(dòng)進(jìn)給結(jié)構(gòu)參考高精密機(jī)床傳動(dòng)設(shè)計(jì)，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(dòng)將轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。對(duì)于Z方向傳動(dòng)，則是本課題的難點(diǎn)。由于Z軸上方需安裝圓形平臺(tái)，故無(wú)法安裝導(dǎo)軌，這就使得Z軸承受整個(gè)儀器的重量。經(jīng)綜合分析考慮液壓傳動(dòng)、傳統(tǒng)滾珠絲杠、行星滾柱絲杠的特點(diǎn)后，選取行星滾柱絲杠實(shí)現(xiàn)Z軸傳動(dòng)進(jìn)給要求，這也是本課題的創(chuàng)新點(diǎn)之一。本論文對(duì)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(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算及校核，并對(duì)儀器處于極限位置（即X、Y方向均移動(dòng)至一端，Z向調(diào)節(jié)至最高高度）時(shí)，行星滾柱絲杠及導(dǎo)軌的彎曲撓度進(jìn)行了計(jì)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(yùn)用Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)此四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)的三維造型設(shè)計(jì)，通過計(jì)算校核確定各方向結(jié)構(gòu)的主要尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)過程中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料確定其他尺寸參數(shù)。在三維造型過程中，對(duì)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(jìn)行了設(shè)計(jì)，X、Y向預(yù)拉伸力的施加結(jié)構(gòu)也有所設(shè)計(jì)，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(duì)此四自由度結(jié)構(gòu)平臺(tái)外觀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使其外形美觀，易于接受。雖然在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)過反復(fù)修改及計(jì)算，但錯(cuò)誤及不足之處再所難免，個(gè)人認(rèn)為此四自由度平臺(tái)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(duì)于本平臺(tái)優(yōu)化所設(shè)計(jì)的四節(jié)塑料套筒的抗彎能力若能進(jìn)一步增強(qiáng)以達(dá)到與儀器重量所產(chǎn)生的彎矩抵消的效果，那么此平臺(tái)的承載能力將數(shù)倍增加。另一方面，此平臺(tái)只需實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中部分零件由于參考了機(jī)床的設(shè)計(jì)理念，有可能導(dǎo)致尺寸偏大，從而使機(jī)構(gòu)整體體積偏大，在后期測(cè)試階段可以進(jìn)一步改進(jìn)。致謝本論文的完成得到了中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院龔海老師的悉心指導(dǎo)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中龔老師給予了寶貴的指導(dǎo)性建議，并在設(shè)計(jì)過程中認(rèn)真負(fù)責(zé)的督促我們及時(shí)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(duì)于本論文提出的寶貴改進(jìn)意見，感謝參加答辯的各位老師和教授抽出寶貴時(shí)間給予的悉心指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)[1]劉金艷. 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