1、 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台的设计与控制Desing and Controlling of The Feeding Table for Double-helical Friction Stir Welding Equipment摘要搅拌摩擦焊（FSW ）是 1991 年由英国焊接研究所发明的一种固相焊接技术。这种技术广泛用于铝合金结构件的连接，有取代熔焊的趋势。其焊接特点克服了裂纹、气孔、砂眼等焊接缺陷。虽然这项工艺技术开发时间不长，但是已经应用在航空航天、航海造船、交通工具等行业，因其高效性、轻型化、低成本和无污染等特点被认可，具有广阔的市场环境。自中国搅拌摩擦焊中心成立以来，我国的搅拌
2、摩擦焊技术也逐渐发展起来，其相关设备和成品制造取得了明显的进步。为了开启中国市场对搅拌摩擦焊的研究开发以及大规模的应用，本课题将做相关设计开发。在理论研究和试验的基础上，基于开放式 CNC 数控系统，对双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台进行设计与控制，和焊机主体形成一个完整的双螺旋搅拌摩擦焊焊机。这个送料机构采用了运动控制卡控制步进电机的速度、方向和行程参数，依据控制电路，使用 VC+编写了控制程序，实现了对工件的自动进给，已达到准确定位。还特别设计气动夹具系统，满足对工件的自动装夹，使机床实现自动化控制。本课题为今后搅拌摩擦焊技术的研究与发展提供了全新的实验平台。关键词：搅拌摩擦焊，送料机构，开
3、放式 CNC 系统AbstractFSW (FSW) is a solid-state welding technology invented by the British Institute of Welding in the 1991. This technique is widely used in the connection of the aluminum structure with the trend to replace the fusion. Its features overcome such welding defects as welding cracks, poros
4、ity, shayan. Although the development of this technology is not long,it has been used in aerospace, marine shipbuilding, transportation and other industries.it is known because of its high efficiency, light, low-cost and non-polluting with broad market environment.Since China FSW Center is establish
5、ed, Chinas FSW technology has gradually developed and its related equipment and products manufacturers have made significant progress. In order to open the Chinese market on FSW research and development and large-scale application, the topic will make related design and development. In theoretical r
6、esearch and experiment, on the basis of the open systems CNC, we will design and control the double helix FSW welder feed table, and form a complete with the main double helix FSW welding machine. This tape feeder body adopted Motion Control Card to control the speed, direction and trip parameters,
7、we prepared control procedures used VC + + based on the control circuit, Finally it realizes the workpieces feed , and reached the exact location. And make a step deeper study in the future development for the Aluminum FSW technology.Key words: FSW，feed body ，CNC system东北大学毕业设计(论文) 目录目 录摘要 Abstract.
8、目录 .第一章 绪论 11.1 选题的目的和意义 11.2 国内外研究现状、发展动态 2第二章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构组成 32.1 支承结构 32.1.1 支架板 .32.1.2 支承台 .32.1.3 焊接支承件 32.2 传动机构 42.2.1 上传动机构 .42.2.2 下传动机构 .42.3 辅助工作台 5第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计校核 73.1 滚珠丝杠副的设计与校核 73.1.1 滚珠丝杆设计与选用 .73.1.2 丝杠校核计算 133.2 步进电机的选用 163.3 滚动导轨的设计选用 .19第四章 气动回路的整体设计 .23东北大学毕业设计(论
9、文) 目录4.1 气动回路的设计 .234.2 气缸的设计计算 .244.3 夹具的设计 33第五章 送料工作台数控部分的设计 .355.1 步进电机驱动器 355.2 运动控制卡 365.2.1 研华 PCL - 839 卡的性能特点 365.2.2 研华 PCL - 839 卡接口介绍 .375.3 步进电机控制系统电路连接 .385.4 微软 Visual C+简介 405.5 数控送料程序调试 41第六章 设备的安装、使用与维护 .436.1 设备的安装 436.2 设备的使用与维护 43第七章经济分析与环境保护 457.1 经济分析 .447.2 环境保护 .44第八章 结论 47参
10、考文献 .49致谢 .50附录 A .51附录 B62第一章 绪论- 1 -第一章 绪论1.1 选题的目的和意义搅拌摩擦焊技术发明至今 17 年以来，无论在国外还是在国内，已经成功跨出试验研究阶段，发展成为在铝合金结构制造中可以替代熔焊技术的工业化实用的固相连接技术；这项新型的焊接技术在航空航天飞行器、高速舰船快艇、高速轨道列车、汽车等轻型化结构以及各种铝合金型材拼焊结构制造中，已经展示出显著的技术和经济效益，诸如：根除了熔焊所固有的焊接缺陷、提高了接头和结构的连接质量、降低了焊接变形等;并且在其他轻金属如镁、铜、锌等材料结构的制造中也正在实施工程化应用。搅拌摩擦焊作为先进的固态连接技术,正在
11、广泛应用于铝合金结构件的连接制造，大面积取代熔焊方法，尤其是在现代运载工具的高速化、轻型化进程中，技术经济效益显著；近两年来，在国内，搅拌摩擦焊基础方法研究、工程应用开发、搅拌摩擦焊设备及产品制造方面取得明显进步，促进了搅拌摩擦焊在中国制造领域的应用，正蓄势待发；搅拌摩擦焊在方法、材料、性能和效率、成本、环保等方面显示出的优越性，促进了在我国航空、航天、船舶、列车、电力等工业制造行业中的大规模工程化应用，正方兴未艾。北京航空制造工程研究所于 2002 年成立了中国搅拌摩擦焊中心。中国搅拌摩擦焊中心的成立标志着搅拌摩擦焊技术正式登陆中国。从此为搅拌摩擦焊技术在中国地区的发展、推广和工业化应用打开
12、了大门。这几年来，搅拌摩擦焊在中国已经起飞；在技术、工艺、设备等方面都有了突破性的进展，并且已经在工业中得到应用，正在推动着中国轻合金结构制造业连接技术的加速发展。为了开启中国市场的搅拌摩擦焊技术的研究开发以及大规模工业化应用，特别设计铝合金摩擦搅拌焊数控机床，其中本次题目是铝合金摩擦搅拌焊数控工作台部分的设计与控制。现代数控机床技术的发展已形成一个自动化、网络化、柔性化、集成化的趋势。数控装备的整体水平也标志着一个国家的工业现代化和综合国力的强弱。本次的设计题目正是为了设计出适合搅拌焊的数控工作台，和搅拌头有机的结合起来，通过计算机控制实现自动化，成为完整的数控摩擦搅拌焊机床。为今后研究点焊
13、以及点焊阵列提供优越的实验条件；更为第一章 绪论- 2 -今后搅拌摩擦焊机床的规模化生产奠定了基础。1.2 国内外研究现状、发展动态铝合金摩擦搅拌焊（FSW）是英国焊接研究所于 1991 年发明的一种焊接技术。这种固相连接技术拥有明显的优越性，对于轻合金材料的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟的优越性。其中 FSW 在船舶制造、海洋工业和宇航工业中有广泛的的应用前景。搅拌摩擦焊作为一种轻合金材料连接的优选焊接技术，已经从技术研究，迈向高层次的工程化和工业化应用阶段,形成了一个新的产业: 搅拌摩擦焊设备的制造、搅拌摩擦焊产品的加工.如在美国的宇航制造工业、北欧的船舶制造
14、工业、日本的高速列车制造等制造领域，搅拌摩擦焊得到了广泛的应用,均已形成新兴产业。与搅拌摩擦焊相适应的焊接新装备和搅拌工具的发展也非常快，为实施搅拌摩擦焊工艺方案及提高各类材料接头的质量，各种类别的新型搅拌摩擦焊接设备、自动化装置及机器人搅拌摩擦焊机等相继问世。通过前几年的技术积累和市场推广，其中包括设备开发、工艺研究及产品试制等几个方面，预测在 3-5 年之内，FSW 技术有望首先扩大应用到航天结构的生产制造中，实现我国航天制造技术中的一大跨跃式发展。在全面性能（尤其是疲劳性能和抗腐蚀性能）研究基础上，搅拌摩擦焊接技术在航空制造领域有可能先应用到飞机制造中的某些非重要铝合金承力结构（如运输机
15、中的载物底板等）.随后,逐步向重要的铝合金承力结构中推广。FSW技术在这一领域的扩大应用可能需要较长的时间（5-10 年） 。但是鉴于飞机结构轻量化的需要,以及 FSW 技术在焊接轻合金（如铝合金、镁合金等）方面的独特优势，将 FSW 技术用于飞机结构的制造已是大势所趋。铝合金型材拼接技术的开发是搅拌摩擦焊技术在工程化、市场化中量大面广的最重要领域，如轨道列车（包括高速列车,地铁列车和铝合金货运车） 、快速舰船产品等.采用搅拌摩擦焊接技术在这些方面的优势是生产效率高、焊接变形小、成本低、质量好等。以铝合金列车为例，有统计表明，到 2020 年，我国约需新配备铝合金客车 20 万辆、铝合金运煤车
16、 20 万辆。可见,搅拌摩擦焊接技术在我国轨道车辆、快速舰船等领域的大规模工程化应用前景也非常广阔。第二章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构组成- 3 -第二章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构组成为了保证铝合金摩擦搅拌焊点焊时的位置精度，以直线导轨为支撑，采用步进电机和滚珠丝杠副的组合来保证工作部件的平稳运行。为了今后点焊阵列的深一步研究，采用计算机控制实现机床自动化。这次的总体方案是工作台的整体结构设计和控制系统的设计。传动部分是通过直线导轨限位、通过滚珠丝杠副控制运送精度，两个滚珠丝杠副分别控制X、Y 方向的位移移动，通过气动夹具把被加工工件送到搅拌头下的指定位置进行加工。控制部分是
17、通过计算机控制步进电机和气动电磁阀，进而控制滚珠丝杠副和气动夹具的运动。2.1 支承结构2.1.1 支架板支架板是钢板焊接结构，两侧的支承固定在其下底面上，导向依靠直线滚动导轨。为了保证滑块与导轨的高速平滑运动，滑块的端面带有防尘装置，机器的工作环境需保持清洁，以防灰尘残留在导轨和丝杠的沟槽内，造成急剧磨损。Y 轴也是由步进电机带动，电机通过联轴器直接与滚珠丝杠联结，丝杠在装配时进行预紧，保证无间隙的传动。2.1.2 支承台支承台采用双层钢板加肋结构，是在上下面板之间有序地焊上一段冲压钢板构成对角线肋网而形成支承台，双层壁结构是一种具有刚度、重量轻，抗振性好的高性能结构，适用于大型、精密机架。
18、平板上布置冲压的波浪肋，且呈菱形排列，两肋构成 U 形减振接头，抗扭和吸振性好，改善了阻尼特性。由于支承台承受载荷，上下面钢板可以稍厚一点，这样既能使焊接强度增大，还具有稳定性。2.1.3 焊接支承件因为本次设计是一个实际的工程项目，单件生产适合焊接结构。在机床设计中，很多地方都用到了焊接件，在焊接接头的选用上，对结构本身的刚度和第二章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构组成- 4 -强度上都有很大的影响，所以关于焊接接头的选择至关重要。用焊接方法连接的接头称为焊接接头。它由焊缝、熔合区、热影响区及其邻近的母材组成。在焊接结构中焊接接头起两方面的作用，第一是连接作用，即把两焊件连接成一个整体；
19、第二是传力作用，即传递焊件所承受的载荷。焊接接头的形式主要有：对接接头、十字接头、T 形接头、搭接接头和角焊接头等。十字接头或 T 形接头在焊接结构中得到了广泛的应用。角焊接头多用于箱形构件上，但是它的承载能力视其连接形式而不同，其中采用双面角焊缝连接，其承载能力可大大提高。由于对接接头的疲劳强度在很大范围内变化，搭接接头的疲劳强度是很低，根据实际设计的焊接结构，多采用角焊焊接、T 形焊接方法。2.2 传动机构2.2.1 上传动机构上传动机构主要由步进电机、联轴器、滚珠丝杠副和卡槽、滑动导轨等零件组成。主要功能实现对工件 Y 方向的移动。其中步进电机驱动滚动丝杠的转动，进而带动螺母的直线运动，
20、使夹具体沿着滑动导轨到达指定的位置。在这个传动机构中，需要两个滑动导轨。一是附带夹具体的滑槽所在的导轨，这个导轨选用矩形导轨；矩形导轨可以消除摩擦。二是夹具在滑槽上的移动所需要的导轨，这个导轨选用燕尾形导轨。燕尾形导轨的特点是高度较小，调整方便，可以承受颠覆力矩，一般多用于要求高度小的多层移动部件。材料选为铸铁对铸铁导轨。2.2.2 下传动机构下传动机构和上面的有些类似，螺母的运动带动滚动导轨上滑块的运动，而滑块与上支承板连接，带动工作台上的整体移动。因为下传动机构的承载比上传动机构的承载能力大，故在此采用了滚动直线导轨，不论是承载能力方面还是线性精度方面都比滑动导轨的优势大。滚动导轨的主要特
21、点及应用：（1）滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨第二章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构组成- 5 -之间的摩擦变为滚动摩擦，大大降低了二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：a、动静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔很短，有利于提高数控系统的响应速度和灵敏度。b、驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的 1/10。c、与 V 形十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约 40 倍。d、适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约 10 倍。e、能实现高定位精度和重复定位精度。（2）能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。（3）成对使用导轨副时，
22、具有“误差均化效应” ，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。（4）导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道由明显降低。（5）导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性，心部保持良好的机械性能。（6）简化了机械结构的设计和性能。（7）应用广泛，用于各类精密机床、数控机床纺织机械等。由于滚动直线导轨在实际工作中要承受一定的载荷，所以在将在后面一章里将进行校核计算。2.3 辅助工作台双螺旋搅拌摩擦焊焊机是由搅拌焊头和送料工作台两部分组成，为了更好的安装、维修搅拌头部分，特别设计了辅助
23、工作台，在搅拌焊接工件同时，还可起到辅助支承工件的作用，防止工件的游走，以免影响加工精度。辅助工作台不但易于拆卸，而且对于焊机的整体外形的完善起到了很大的作用。如下图所示：第二章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构组成- 6 -第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 7 -第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计校核3.1 滚珠丝杠副的设计与校核3.1.1 滚珠丝杆设计与选用滚珠丝杠副作为精密、高效的传动元件在精密机床、数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航天航空、军工产品等各个领域应用得很普遍，可用作精密定位自动控制、动力传递和运动转换。1、滚珠丝杠的理论设计方
24、法理论设计方法是设计的基础。滚珠丝杠的设计计算原理应根据额定动载荷Ca 选用, C a 可从样本或手册查得，滚珠丝杠的当量动载荷 Cm 为:Cm=(FmL1/3fw)/fa （3-1）所选的丝杠副,其额定动载荷 Ca,不得小于此值：Ca=Cm （3-2）式中：Fm轴向平均载荷，N；其中，F m=(2Fmax+Fmin)/3；Fmax、F min丝杠的最大、最小工作载荷， N；L工作寿命，单位为 106 转；其中，L=(60n avLh)/106；nav平均转速， (r/min) ；其中，n av=(2nmax+ nmin)/3；nmax、n max丝杠的最高、最低转速， (r/min)；Lh以
25、小时为单位的工作寿命(h),一般的数控机床可取 Lh=15000h；fa精度系数，1、2 级；取 fa=1，3、4 级取 fa=0.9；fw运转状态系数，无冲击取 11.2，一般情况下取 1.21.5，有冲击取第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 8 -1.52.5。2、设计滚珠丝杠还应考虑如下一些约束条件：a）临界压缩载荷应大于轴向最大受压载荷，确保丝杠的稳定性。b）丝杠的最高转速应小于临界转速，防止发生共振。c）滚珠丝杠还应受 d0nmax 限制，一般 d0nmax=0.078（27.5950/0.18 ） 1/2=29.7mm9、螺杆的稳定性校核对于长径比大的受压螺杆，
26、当轴向压力 Q 大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力 Q第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 12 -必须小于临界载荷 Qc。则螺杆的稳定性条件为：（3-12 ）ssSS/式中：Ssc螺杆稳定性的计算安全系数；Ss螺杆稳定性安全系数，对于传力螺旋(如起重螺杆等 )，S s=3.55.0；对于传导螺旋，S s=2.54.0；对于精密螺杆或水平螺杆，S s4。Qc螺杆的临界载荷，单位 N，根据螺杆的柔度 s 值的大小选用不同的公式计算。 s=L/i，此处， 为螺杆的长度系数，见表 4-5 所示；L 为螺杆的工作长度，单位
27、mm，若螺杆两端支承时，取两支点间的距离作为工作长度 L;若螺杆一端以螺母支承时，则以螺母中部到另一端支点的距离，作为工作长度 L;i为螺杆危险截面的惯性半径，单位 mm，若螺杆危险截面面积（3-24dA13）则： （3-2Ii14）(1)、当 s=100 时，临界载荷 Qc 可按欧拉公式计算，即：（3-2lEIQc15）式中：E螺杆材料的拉压弹性模量，E=2.1 105Mpa；I螺杆危险截面的惯性矩：（3-42,6mdI16）(2)、当 s=380Mpa 的普通碳素钢，如Q235、Q275 等，取 Qc=（304-1.12 s）d 22/4。对于强度极限 b480MPa 的优第三章 双螺旋搅
28、拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 13 -质碳素钢，如 3550 号钢等，取 Qc=（461-2.57 s）d 22/4。(3)、当 s=d2m，C a=Cam，但不宜过大，否则会使滚珠丝杠副的转动惯量偏大，结构尺寸也偏大。接着再确定公称直径。循环圈数，滚珠螺母的规格代号及有关的安装连接尺寸。对预紧滚珠丝杠副，确定其预紧力 Fp。（3-max31Fp17）式中：F max最大轴向工作载荷第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 14 -所以，F p=1/31000=333N11、确定滚珠丝杠副支承所用的轴承规格代号丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠自重外，一般无外载荷
29、，对丝杠轴承主要要求轴向精度和刚度较高，摩擦力矩尽量小。一般固定支承采用60 度角接触球轴承。(1)计算轴承所受的最大轴向载荷 FBmax，按滚珠丝杠副支承的要求选择轴承的型号。(2)确定轴承内径：为便于丝杠加工，轴承内径最好不大于滚珠丝杠的大径。在选用内循环滚珠丝杠副的时必须有一端轴承内径略小于丝杠底径 d2。其次轴承样本上规定的预紧力应大于轴承的最大载荷 FBmax 的 1/3。基于上述设计计算初选滚珠丝杠副型号为 FFZD3205（内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副）3.1.2 丝杠校核计算测量系统中在 X 轴方向的丝杠受力最大，Y 轴和 Z 轴受力较小，丝杠强度和刚度对系统测量精
30、度影响不大，因此这里只校核 X 轴的滚珠丝杠。1、根据设计要求选定滚珠丝杠参数磨制丝杠(右旋)轴承到螺母间距离(临界长度)l n=950mm固定端轴承到螺母间距离 Lk=950mm丝杠总长=1200mm最大行程=900mm工作台最高移动速度 Vmax=5(m/min)寿命定为 Lh=15000 工作小时。摩擦力计算公式：F =F+f=0.005（滚动导轨摩擦系数） 、F法向载荷(N)、f密封件阻力（单个滑块的 f=5N）电机最高转速 nmax=1000(r/min)定位精度：300mm 行程内行程误差=0.01mmW=150kg（工作台重量+工件重量+夹具重量）第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料
31、工作台结构设计与校核- 15 -g=10m/s2（重力加速度）i=1（电机至丝杠的传动比）直连F=Wg+f=0.00515010+2027.5N2、由上述丝杠参数确定丝杠类型此传动系统中的丝杠副对刚度及位置都有所要求，螺母形式选择为：FFZD(法兰式磨制丝杠)丝杠3、由定位精度要求确定精度不得低于 P2 级丝杠4、计算导程和额定动载荷 510maxnVPh(1)、按速度要求计算导程为 Ph=5(mm)(2)、计算额定动载荷，初步确定滚珠丝杠规格测量机中被测零件重量轻，滚动导轨摩擦力小，丝杠受力很小，最大值约27.5N，且只受轴向力。丝杠主要起传动定位作用，测量时电机转速较慢，按最大载荷和电机最
32、高转速的 1/2 计算丝杠额定载荷，由公式（ 3-6） （3-7）计算出额定动载荷为 211N，额定动载荷比较小，综合考虑刚度及加工工艺要求，选择内循环滚动螺旋副，丝杠公径为 32。5、使用寿命计算 3)/(FCLa实际常用小时表示，则有Lh=106L/60nL额定寿命(106r)；Ca基本额定动载荷(N)；F丝杠所受轴向力； n转速、变速时取平均值。由此得：Lh=106(13000/211)3/(601000)=3897907(h)满足寿命要求。6、临界转速校核nk=fnkd2/Ln2107第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 16 -nk临界速度（r/min）fnk支承系
33、数 18.9（一端固定，一端支承）d2丝杠螺纹底径 30mm（公称直径滚珠尺寸半径）Ln临界长度 950（mm）Nk=18.930/9502107=6282r/min7、按最小刚度计算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量 m丝杠主要受到轴向力作用，因此这里只计算轴向变形。滚珠丝杠本身的最小拉压刚度 RsminRsmin=d22E102/4Lz=6.6 d22102/Lz=6.6302102/41050=141（N/m）Lz丝杠两轴承间距离 1050mmE弹性模量 2.1105MpaRsmin=141（N/m）则轴向刚度 Rs 引起的正反向间隙 xx=2F/Rsmin=227.5/141=0.39m8、
34、压杆稳定校核当 Z 轴丝杠传动采取一端固定，一端自由安装方式（上端固定,下端悬空）时，虽然容易失稳，但此时丝杠并不受压，无论测头上升还是下降，都因测杆测头的重力作用而受拉，所以不需要稳定性校核。9、轴承选择对于 X 轴和 Y 轴，固定端可安装 2 个 60 度角接触球轴承，或者采用一组双列角接触球轴承，支承端使用深沟球轴承，轴承内径为 20；对于 Z 轴，只一端固定，另一端自由，固定端可采用与 X 和 Y 轴相同的安装方式，也可使用推力球轴承。另一个滚珠丝杠副的选择和上面的过程类似。选型为 FFZD32053.2 步进电机的选用1、测量机速度控制的特点测量机测量方向的进给与一般加工机床的进给是
35、不同的。一般加工机床有第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 17 -明确的进给量指示，如需要进给 100mm，则只要通过数控指令发送进给位移量和检测装置来反馈控制进给机构达到 100mm 的进给量即可。而测量机的测量方向、进给控制则相对复杂得多，最主要原因是无法给出明确的进给量。测头到被测工件的精确坐标距离在测量前是未知的，人们只能通过估计给出一个模糊描述，如表述为“现在测头距测量点大概有 100mm 的距离” 。这就给测量系统的驱动控制带来很大的难度。目前，无论低精度还是高精度的测量设备进给控制系统主要采用变匀速进给加触发方式，现有的大部分坐标测量机都采用这种结构。下图给出
36、了测量机典型的速度变化曲线。图 3.1 测量机典型速度变化曲线Fig 3.1 Typical speed-curve of the measuring machine步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点“使得在速度! 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机本身进给量是离散的，是一步一步的，这正好是我们所要求的测量进给方式，选用步进电机驱动，当测头接近工件
37、时采用点动控制便能精确的测量出位置坐标。考虑到滚珠丝杠无自锁性，而步进电机恰恰具有这一特性。且步进电机控制简单，低速运行可靠性高，稳定性好，因此选择步进电机作为传动动力。第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 18 -步进电机由步距角（涉及到相数） 、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。2、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率当量换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速） 。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相电机） 、0.9度/1.8 度（
38、二、四相电机） 、1.5 度/3 度（三相电机）等。3、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 23 倍，静力矩一旦选定，电机的机座及长度（安装几何尺寸）便能确定下来。4、电流的选择即使电机静力矩相同，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，参考驱动电源及驱动电压，判断电机的电流。综上所述选择电机一般
39、应遵循以下步骤：负载步距角静转矩 修正电流电机型号矩频特性曲线图 3.2 步进电机选择流程图Fig 3.2 Select flow chat of the stepper motor5、步距角计算由定位精度丝杠导程确定步进电机的最大步距角。因已选定丝杠导程为第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 19 -5mm，定位精度 0.01mm。则步进电机的步距角不能大于 0.72 度/步，若采用细分驱动器步距角则无要求。但要保证最终不能大于 0.72 度/步。步距角=定位精度 /滚珠导程 360 度=0.01/5 360=0.72 度6、电机转速计算转速=（每秒脉冲数）/（ 360/电
40、机步距角）60s可以通过计算机控制发送脉冲频率控制步进电机的速度7、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=M （3-18）=2n/60 （3-19）P=2nM/60 （3-20）M=Fd0tan(+)/2 （3-21）=arctan(Ph/d0) （3-22）其中 P 为功率单位为瓦， 为每秒角速度，单位为弧度， n 为每分钟转速，M 为力矩单位为牛顿米，F 为丝杠轴向力，d0 为丝杠公径， 为丝杠螺纹升角， 螺纹摩擦角。（1）计算 X 向丝杠转矩由滚珠丝杠设计选型知，X 向滚珠丝杠的轴向力为 27.5N，丝杠公称直径为 3
41、2，导程为 5，滚珠丝杠的摩擦角很小，不到 1 度，按 1 度计算，根据式（- ）得转矩：=arctan(Ph/d0)=arctan(5/3.1432)=2.85M=Fd0tan(+)/2=27.532tan(2.85+1)/2=29.6Nmm第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 20 -P=2nM/60=23.14100029.6/60=3.10W（2）计算 Z 向丝杠转矩由前述结构部分知，Z 向受力较大，主要为测量杆、测头、防滑块、丝杠螺母的重力寄摩擦力。由结构模型计算得到，Z 向重量约为 20kg，忽略摩擦，按重力加速度为 10 计算。得到 M=215.3Nmm，P=2
42、2.5W（3）计算 Y 向丝杠转矩Y 向丝杠受力较小，主要为 Z 向结构件重力加在 Y 导轨滑块上的摩擦力，由于滚动导轨摩擦系数小，因此这个力很小。可选择功率小的电机。一般静力矩为摩擦力矩的 23 倍。因此，选择步进电机的静力矩应比计算力矩 M 大 23 倍。根据各轴转矩选择步进电机型号。步进电机的选择型号：110BYG350B（混合式）相数：3步距角（度）：0.6、1.2相电流（A）：3.0保持转矩（N.m）：18重量（Kg）：12优点：感应子式永磁步进电机转子为感应子式结构形式，也称为混合式，兼顾永磁式和磁阻式两类电机的优点，它具有布距角小，有较高的起动和运行频率的特点。需要正负脉冲供电，
43、消耗功率较小，有定位转矩。3.3 滚动导轨的设计选用1、滚动导轨副的额定寿命（1）额定寿命的计算：滚动直线导轨副的寿命的计算公式为：（3-23）350cwathFCfL式中，L额定寿命；C额定动载荷；第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 21 -Fc计算载荷；ft温度系数；fc接触系数；fa精度系数；fw载荷系数；fh硬度系数，f h=（滚道实际硬度 58HRC）3.6，由于产品的技术要求规定，滚道硬度不得低于 58HRC，故通常可取 fh=1.各系数取值为：f t=1.00fc=1.00fa=1.0fw=1.5（2）寿命时间的计算：当行程的长度已定，以小时为单位的额定寿命为
44、;（3-nlLlLh3.8601324）式中，l行程长度；n每分钟往复次数；L额定寿命。2、作用于滚道直线导轨副的载荷计算（1）滚动直线导轨副的载荷计算由于滚动导轨的特殊结构，使其具有垂直向上、向下和左右水平四方向额定载荷相等，且额定载荷大，刚性好，刚度高，三个方向抗颠覆力矩能力大，适用于各种载荷机床。（2）作用于滚动直线导轨副的载荷计算：直线运动滚动支承系统所受的负荷，受下列各种因素的影响：配置形式（水平、垂直、横排） ，移动件的重心和受力点位置，导轨上移动件牵引力的作用点，启动及终止时的惯性力，以及运动阻力等。第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 22 -滚动导轨水平安装
45、、滑块座移动，工作台的质量分布均匀，中心在中间，G 为重量；外力 F 的作用点和工作台重心重合，匀速运动或者静止。Fmax=F1=F2=1/2（G+F）=1/2（1000+1000）=1000N3、滚动直线导轨副的精度及选用滚动直线导轨副分四个精度等级，即 2、3、4、5 级，2 级精度最高，依次递减，依照手册中表 4-2-40 和 4-2-41 得，选择三级精度等级。4、滚动直线导轨副预加载荷各种规格的滚动直线导轨副分为四种预加载荷，按照不同使用场合预加载荷的使用情况和不同使用精度推荐的预加载荷，因为要求较高重复定位精度，有扭转载荷，精度等级是三，所以选取 F1 型预加载荷。最后根据手册表
46、4-2-42 四种预加载荷，选择规格是 GGB30、中载荷F1（0.05C ）13801670N,间隙 F3 为 515m。5、安装与防护润滑（1）基础件上安装导轨副的安装平面的精度要求：因为在同一平面内使用两根导轨副时，其安装精度可低于导轨副运行精度（2）导轨副连接基准面的结构形式选择螺钉连接。（3）安装基面的台肩高度及倒角形式：将滑块和导轨安装在床身和工作台时，为使滑块和导轨不与基础件发生干涉，按表 4-2-45 中选取相应尺寸。6、验算寿命ft=1.00；f c=1.00；f a=1.0；f w=1.5Fc=0.05C HCFCfLcwath 18590.5.1050 33 nlLlh
47、763089860213 满足要求。第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 23 -第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计与校核- 24 -第四章 气动回路的整体设计4.1 气动回路的设计气动传动系统是机械传动系统的一种形式，具有以下的优点：1. 传力介质是空气，取之不尽，用之不竭，没有成本费用，不存在污染问题；2. 压缩空气在管道中压力损失小，便于集中供应和远距离操作，提高自动化程度；3. 动作迅速，反应灵敏，卡紧或松开所用的辅助时间少；4. 结构简单，维护方便，相对于液压传动而言；5. 卡紧牢固，使用安全；6. 元件易于标准化和规格化，缩短工艺装备周期，降低成本。1 2 3 4 5 67891 0图 4.1 气动传动系统示意图Fig. 4.1 Sketch of pneumatic-transmission system
