PDC钻头检测装置机械部分设计

PDC钻头检测装置机械部分设计[摘要]在PDC检测装置主要结构中，主轴头是成形机的关键部分，它的设计对机床的性能有重要的影响。该设计中，先确定了总体方案，运用步进电机和滚珠丝杠来实现总体的设计。并选择了感应同步器作为机床的检测装置，相应地确定了它的放大电路和接口电路。然后通过计算设计了成形机床的进给部分，包括导轨、滚珠丝杠、轴承和联轴器等等。最后通过计算选择了步进电机的型号。[关键词]主轴头，步进电机，滚珠丝杠，放大电路，接口电路，导轨，轴承，联轴器。[Summary]InPDCinthedetectorsetprimarystructure,themainaxleneckisshaper'sessentialpart,itsdesignhastheimportantinfluencetoenginebed'sperformance.Inthisdesign,haddeterminedthefirstoverallconcept,theutilizationstep-by-stepstheelectricalmachineryandtheballbearingguidescrewrealizestheoveralldesign.Andchosetheinductionsynchromeshtotakeenginebed'sdetectorset,hasdetermineditsamplifyingcircuitandtheinterfacecircuitcorrespondingly.Thendesignedthroughthecomputationhasformedenginebed'stofeedpart,includingguiderail,ballbearingguidescrew,bearingandshaftcouplingandsoon.Finallychosethroughthecomputationhasstep-by-steppedelectricalmachinery'smodel[Keyword]spindletop,electricmotor,stallballleadscrew,magnifyingcircuit,interfacecircuit,bearingPDC钻头检测装置机械部分设计（共27页）2前言：尽管我国生产的各种金刚石工具在各行业得到广泛应用，并取得显著的经济效益，但其技术水平与国外同类产品相比还有一定的差距，主要表现在：整个金刚石工具产业缺乏统一管理和宏观调控。由于盲目发展，整个金刚石工具生产布局出现散而乱、遍地开花的局面，工具销售市场产品质量不稳定，竞争无序，价格混乱。由于金刚石单晶生产与金刚石工具生产的发展不协调，使得我国金刚石工具的发展滞后于金刚石单晶的生产增长速度，造成金刚石积压和滞销，影响和制约了我国金刚石工业的持续发展，使金刚石生产企业经济效益严重滑坡。金刚石工具应用领域较窄，产品品种单一，质量不稳定，有的产品技术质量标准较混乱，没有统一的产品质量检测、监督的管理规范和标准。金刚石工具生产装备和整体技术水平比较落后，一些较先进的新技术、新工艺推广应用较慢。生产企业规模普遍偏小，生产不集中，工艺技术差，缺乏市场竞争力，经济效益不高。金刚石工具生产以及新产品开发、工艺技术研究等方面的资金投入不足。在金刚石工具使用过程中，基体材料使用率低，钢材浪费严重；使用过程中非正常磨损、脱落、残留的金刚石较多，使金刚石实际利用率较低，金刚石材料浪费较多。为确保我国金刚石产业稳定持续发展的措施大力发展金刚石工具产业，应狠抓新产品、新工艺的开发，拓宽金刚石应用领域，加快我国金刚石产业的发展，提高经济效益和整体技术水平。PDC钻头检测装置机械部分机构的结构（共43页）3PDC钻头检测装置机械部分设计：一、PDC钻头检测装置机械部分的结构PDC机械部分检测装置由床身和立柱、工作台、主轴头、脉冲电源、伺服进给系统、工作台附件等部分组成。结构图如图1-1所示。检测方式采用三坐标检测。工作台检测器探头床身和立柱是基础结构，由它确保检测仪与工作台、工件之间的相互位置。位置精度的高低对加工有直接的影响，如果机床的精度不高，检测精度也难以保证。因此，不但床身和立柱的结构应该合理，有较高的刚度，能承受主轴负重和运动部件突然加速运动的惯性力，还应该减小温度变化引起的变形。工作台主要用来支承和装夹工件。在实际加工中，通过转动纵横向丝杠来改变检测仪与工件的相对位置。主轴头是PDC机械部分检测装置的一个关键部件，在结构上由伺服进给系统、导向和防扭机构三部分组成。用以控制检测仪与钻头之间的距离。主轴头的好坏直接影响检测数据的精度，如质量、内部应力、几何精度以及表面粗糙度，因此对主轴头有如下要求：1)有一定的轴向和侧向刚度及精度。2)有足够的进给和回升速度。PDC钻头检测装置机械部分设计（共27页）43)主轴运动的直线和防扭转性能好。4)灵敏度要高，无爬行现象。二、Z轴进给驱动方案的设计：目前检测装置的自动进给调节系统的种类很多，按执行元件，大致可分为：步进电机；宽调速力矩电机；直流伺服电机；交流伺服电机。在本次设计中选用电-机械式自动调节系统。电-机械式自动调节系统在20世纪60年代是采用普通直流伺服电机的形式，由于其机械减速系统传动链、惯性大、刚性差，因而灵敏度低，20世纪70年代为电液自动调节系统所替代。20世纪80年代以来，采用步进电机和力矩电机的电-机械式自动调节系统得到迅速发展。由于它们的低速性能好，可直接带动丝杠进退，因而传动链短、灵敏度高、体积小、结构简单，而且惯性小，有利于实现加工过程的自动控制和数字程序控制，因而在中、小型电火花机床中得到越来越广泛的应用。又考虑到经济因素及尺寸的大小，本设计采用步进电机自动调节系统。总体设计原理框图如图2-2所示.图2-1总体设计原理三、PDC钻头机械部分检测装置的设计要求感应同步器是一种电磁感应式的位移检测装置，它具有以下优点：1)精度高。感应同步器直接对机床的位移进行测量，测量结果只受本身精度的限制，定尺上感应电压信号为多周期的平均效应，降低了绕组局部尺寸误差的影响，达到了较高的测量精度，其直线精度一般为±0.002mm/250mm。2)对环境的适应性强。它是利用电磁感应原理产生信号，所以不怕油污和步进电机驱动电路步进电机CPU滚珠丝杠负载感应同步器PDC钻头检测装置机械部分机构的结构（共43页）5灰尘污染，测量信号与绝对位置一一对应，不易受到干扰。3)使用寿命长，安装维修简单。4)可用于长距离位移测量，适合于大中型机床使用。5)工艺性好，成本低。定尺与滑尺绕组便于复制和成批生产。直线型感应同步器的定尺安装在机床的不动部件上，既可直接安装在机床某个面上，也可以和尺座构成组件后在安装在机床上。所以综合各种检测装置，应使用感应同步器更为好。四、PDC钻头机械部分检测装置进给机构设计4.1纵向导轨设计导轨是机床的关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。导轨设计应满足：导向精度、耐磨性、低速运动平稳性、刚度、结构简单、工艺性好、便于间隙调整，具有良好的润滑和防护等要求。4.1.1导轨类型的选择导轨类型很多，分类不一。常用的导轨类型有普通滑动导轨（滑动导轨）、塑料导轨（贴塑导轨）、镶金属导轨、滚动导轨、静压导轨、支压导轨。在PDC钻头检测装置中，选用滚动导轨，这是因为滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。4.1.2滑动导轨类型的选择导轨类型很多，分类不一。常用的导轨类型有普通滑动导轨（滑动导轨）、塑料导轨（贴塑导轨）、镶金属导轨、滚动导轨、静压导轨、支压导轨。在电火花成形加工机床中，选用滑动导轨。4.1.3直线滑动导轨类型的选择常见的滑动导轨截面形状，有三角形（分对称、不对称两类）、矩形、燕尾形及圆形等四种，每种又分为凸形和凹形两类。如图所示。凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油。宜在低速下工作；凹形导轨则相反，可用于高速，PDC钻头检测装置机械部分设计（共27页）6但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入导轨。该电火花成形机床应选择凹形三角形导轨：该导轨在垂直载荷的作用下，磨损后能自动补偿，不会产生间隙，故导向精度较高。但压板面仍需有间隙调整装置。它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为900。为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，应采用较大的顶角（1100-1200）；为提高导向性，可采用较小的顶角（600）。如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用尽可能垂直于导轨面。凸形凹形对称三角形不对称三角形矩形燕尾形圆形图4-1导轨的截面形状4.1.4选择导轨的补偿及调整装置选用塞块调整间隙，其精度和刚度均较高。4.1.5润滑的选择直线滑动导轨副常用钠基润滑脂润滑，为防止异物侵入和润滑剂的泄出，滑座两端装上耐油橡胶密封圈。4.1.6材料的选择选用CrWMn，进行冷处理和低温时效，并采用镶件式，最大限度地消除导轨PDC钻头检测装置机械部分机构的结构（共43页）7在使用中的变形。4.2纵向滚珠丝杠的设计为了提高数控机床的传动精度和灵敏度，在需要将回转运动转换为直径运动的场合，常采用滚珠丝螺母副。它是将丝杠螺母的螺旋槽加工成弧形，并放入适当的滚珠，当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠便在由丝杠和螺母的两个弧形槽所形成的滚道中滚动，使螺旋传动由滑动摩擦变为滚动摩擦。滚珠丝杠螺母副具有以下优点：1)传动效率高。2)灵敏度高，随动性好。3)使用寿命长。4)无反向死区，并能提高轴的刚度和反向精度。5)运动具有可逆性。因此，选用滚珠丝杠螺母副来将步进电机的旋转运动转变为直线运动。[10]4.2.1基本传动方式的选择根据丝杠和螺母相对运动组合情况，其基本传动形式有四种：（1）螺母固定，丝杠转动并移动如图（a）所示,该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构叫简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不宜太长，刚性太差。因此只适用于行程较小的场合。所以不适合使用于该场合。（2）丝杠转动，螺母移动如图（b）所示，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。（3）螺母转动，丝杠移动如图（c）所示，该传动形式需要限制螺母移动和丝杠的转动，由于结构复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。（4）丝杠固定，螺母转动并移动如图（d）所示，该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，故很少使用。如图4所示。选择丝杠转动、螺母移动的传动形式。PDC钻头检测装置机械部分设计（共27页）8图4-2基本传动形式4.2.2结构形式的选择（1）螺纹滚道型面（法向）的形状选择我国生产的滚珠丝杠有单圆弧型和双圆弧型，因为双圆弧型的螺纹滚道的接触角在工作过程中基本保持不变。两圆弧相交处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不接触，并能存一定的润滑油以减少摩擦和磨损，应用广泛，因此选用双圆弧型的螺纹滚道。（2）滚珠循环方式的选择滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。选用内循环方式，其优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，选用浮动式反向器，这种反向器的优点是：在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性较好，适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。4.2.3滚珠丝杠副主要技术参数的确定（1）基本导程0P的选择基本导程的大小应根据机电一体化系统的精度要求确定，因此设计精度要求较高，要选取较小的基本导程。由国际标准化组织（ISO/DIS3408-2-1991）知尺寸系列：基本导程：1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40因此选用mmP40（2）螺母选择由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高的要求，故选择螺母时应注重其刚PDC钻头检测装置机械部分机构的结构（共43页）9度的保证，按高刚度要求选择预载的螺母形式。其