球形件光刻系統(tǒng)機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)

中文摘要工業(yè)制造領(lǐng)域中對(duì)零件加工的要求也越來越高，而激光技術(shù)在材料加工行業(yè)具有非常明顯的優(yōu)勢。激光加工技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相互一比，激光加工的優(yōu)點(diǎn)就十分明顯了，如節(jié)約材料，對(duì)加工對(duì)象的某些局限性要求較低，在大批大量生產(chǎn)中大量節(jié)約成本。在國外，很多高精密儀器的零件加工，大多數(shù)都需要用到激光加工技術(shù)。該課題是基于某科研項(xiàng)目來開展的，近年來，已經(jīng)有很多行業(yè)逐漸在使用激光加工工藝，它能夠在各種型面上進(jìn)行雕刻，并且即使圖案異常復(fù)雜，它也能夠滿足要求，不僅如此，無論是平面，還是三維立體，都能夠通過激光加工來完成，但該工藝對(duì)于機(jī)械和控制系統(tǒng)有著較為苛刻的要求，本課題的目的就是開展機(jī)械傳動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。本文先分析該機(jī)械平臺(tái)所需滿足的條件，總體方案定下來之后，對(duì)各部件分開進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)主體是電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)，各軸的直徑強(qiáng)度，軸承的壽命等都需要計(jì)算。其次是支架尺寸設(shè)計(jì)，夾具尺寸設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)。最后對(duì)該機(jī)械平臺(tái)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性上的分析。關(guān)鍵詞機(jī)械平臺(tái)，兩自由度，球形件，激光加工，蝸輪蝸桿畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）外文摘要TitleMechanicalPlatformDesignofSphericalLithographySystemAbstractInthefieldofindustrialmanufacturing,therequirementsforpartsprocessingarealsoincreasing,andlasertechnologyhasobviousadvantagesinthematerialprocessingindustry.Theadvantagesoflaserprocessingtechnologyandtraditionaltechnologyareveryobvious.Theadvantagesoflaserprocessingareobvious.Forexample,materialsaving,somelimitationsonprocessingobjectsarerequired,andalargeamountofcostissavedinmassproduction.Inforeigncountries,mostoftheprocessingofpartsofhigh-precisioninstrumentsrequireslaserprocessingtechnology.Thesubjectisderivedfromascientificresearchproject.Laserprocessinghasbeenwidelyusedinvariousindustries.Itcanengraveverycomplicatedpatternsondifferentprofilestomeetdifferentprocessingneeds.Itcanbeplanarorthree-dimensional.Therequirementsformachineryandcontrolsystemsareveryhigh.Thistopicmainlydesignsthemechanicaltransmissionplatform.Thispaperfirstanalyzestheconditionsthatthemechanicalplatformneedstomeet.Aftertheoverallplanisset,thecomponentsaredesignedseparately.Themainbodyofthedesignistheelectronicallycontrolledrotatingtable.Thediameterstrengthofeachshaftandthelifeofthebearingneedtobecalculated.Followedbythebracketsizedesign,fixturesizedesign,rotarytablesizedesign.Finally,themechanicalplatformisanalyzedeconomicallyandenvironmentally.Keywordsmechanicalplatform,twodegreesoffreedom,sphericalparts,lasermachining,wormgear目錄TOC\o"3-3"\t"標(biāo)題1,2,標(biāo)題2,2,標(biāo)題,1,副標(biāo)題,3"1引言 11．1國內(nèi)外發(fā)展趨勢 11．2研究意義 22功能設(shè)計(jì) 23方案設(shè)計(jì) 33.1總體方案設(shè)計(jì) 33.2電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)方案設(shè)計(jì) 43.2.1電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 43.2.2伺服電機(jī)選擇 53.2.3計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速及功率 53.2.4蝸輪蝸桿方案設(shè)計(jì) 53.2.5蝸桿傳動(dòng)效率計(jì)算 73.2.6方案評(píng)論 74結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 74.1選擇軸的材料 84.2軸的直徑估算 84.2.1蝸桿軸直徑估算 84.2.2蝸輪軸直徑估算 84.3設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)軸系 84.3.1蝸桿軸 84.3.2蝸桿軸強(qiáng)度校核 94.3.3蝸輪軸 124.3.4蝸輪軸強(qiáng)度校核 124.3.5軸承壽命計(jì)算 164.4電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì) 184.5夾具部分 184.6旋轉(zhuǎn)臺(tái)支架設(shè)計(jì) 204.7參數(shù)設(shè)計(jì) 225方案改進(jìn) 236經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析 24結(jié)論 25致謝 26參考文獻(xiàn) 271引言在工業(yè)制造中隨著時(shí)間的推移，科學(xué)技術(shù)也在不斷發(fā)展，對(duì)零件加工的要求也越來越高，而激光技術(shù)在材料加工行業(yè)具有非常明顯的優(yōu)勢。激光加工技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相互一比，激光加工的優(yōu)點(diǎn)就十分明顯了，如節(jié)約材料，對(duì)加工對(duì)象的某些局限性要求較低，在大批大量生產(chǎn)中大量節(jié)約成本。在國外，很多高精密儀器的零件加工，大多數(shù)都需要用到激光加工技術(shù)。本機(jī)械不僅有單純的機(jī)械設(shè)計(jì)，還會(huì)涉及到數(shù)控裝置?？刂品椒橹本€控制控制，即同時(shí)控制兩個(gè)及以上電機(jī)相互運(yùn)動(dòng)，走出我們想要的軌跡。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，隨著人們需求的提升，對(duì)于這種小型機(jī)械來說，單獨(dú)編寫一套程序來進(jìn)行控制已是家常便飯。由于我負(fù)責(zé)機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)，控制部分由另一位同學(xué)完成，在本文中不會(huì)涉及。1．1國內(nèi)外發(fā)展趨勢激光是新興能源、新的加工方式，它能夠聚集能量于加工表面，精準(zhǔn)快速，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。根據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析，從高端的精密儀器到低端的街頭小機(jī)器，激光所產(chǎn)生的各種利益每年必定在萬億元以上。我國所購買生產(chǎn)的激光產(chǎn)品大多用在制造業(yè)中。縱觀全球激光產(chǎn)品所涉及的區(qū)域來看，它主要應(yīng)用于材料加工，占據(jù)三分之一的市場，其次是通訊行業(yè)，占據(jù)十分之三；其次，應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，占比較小。根據(jù)官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，銷售額增長幾十億，增長16個(gè)百分點(diǎn)。在2005年到2011年中，我國激光加工設(shè)備的使用量不斷增長，每年平均增速超過百分之二十，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于世界上激光加工設(shè)備的年均增長率。2008年后，在政府各項(xiàng)措施的刺激下，我國的激光產(chǎn)品在交通運(yùn)輸、工業(yè)制造、軍工設(shè)備、新能源等行業(yè)應(yīng)用獲得大幅增長。本課題主要涉及球形件的加工，所以關(guān)系到復(fù)雜曲面的加工方法。復(fù)雜曲面加工的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在：很多科學(xué)理論、高科技產(chǎn)品、高新技術(shù)都需要用到，以實(shí)現(xiàn)我們所需要的精度要求；然而在如今的這個(gè)世界，人們不僅僅對(duì)于產(chǎn)品功能有必要的需求，而且對(duì)產(chǎn)品外觀造型上的要求也越來越嚴(yán)苛，讓人們看著舒心，甚至是藝術(shù)品。因此，國內(nèi)外對(duì)復(fù)雜曲面的研究可以說是十分關(guān)注，吸引了大量人才對(duì)其進(jìn)行研究。我國的曲面加工技術(shù)隨著時(shí)間也在不斷發(fā)展。但是，與世界先進(jìn)水平相比還有較大的差距。因此，它在理論和實(shí)用性上有著重大意義，國際間的研究交流必不可少，我們必須對(duì)其進(jìn)行研究。1．2研究意義球形件的加工本就具有難度，對(duì)其進(jìn)行再加工，更是難上加難。而球形件在工業(yè)加工中具有重要作用，零件雖小但作用確很大。如球形止回閥中，多個(gè)球體在構(gòu)件中占據(jù)的空間小，但它們卻是整個(gè)構(gòu)件的重中之重，起到順流開啟，逆流關(guān)閉的作用。在某些特定部件中，可能需要用到經(jīng)表面加工的球形件，在其中儲(chǔ)存潤滑液或增加其摩擦力。對(duì)球體用激光在其表面進(jìn)行刻蝕，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械加工平臺(tái)。激光從激光設(shè)備產(chǎn)生之后，實(shí)現(xiàn)光束與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必須依靠激光加工運(yùn)動(dòng)設(shè)備。一般在激光熔覆過程中都配備了數(shù)控加工系統(tǒng)，提供激光束與設(shè)備工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在工作進(jìn)行時(shí)，加工工件與激光光束產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的形式：1、激光器運(yùn)動(dòng)。主要適用于工件大，難以移動(dòng)的情況；2、工件運(yùn)動(dòng)。這類一般應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，適用于加工小型零件，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床可以較容易控制加工路線；3、激光束運(yùn)動(dòng)。利用反射聚焦等原理，在需要的地方裝上專門的鏡子，控制激光抵達(dá)的加工表面；4、激光和工件相互運(yùn)動(dòng)。通過激光和工件兩者之間的運(yùn)動(dòng)配合，完成加工的軌跡，保證激光所雕刻出的紋路達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于機(jī)械平臺(tái)選擇何種運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，我們需要進(jìn)行分析揣摩，要考慮工件尺碼、工件重量、經(jīng)濟(jì)要求、綠色要求，以達(dá)到最好的效果。2功能設(shè)計(jì)一般來說，機(jī)械部分可以根據(jù)具體分工的不同分為三個(gè)模塊:（一）夾具；其主要作用是用來定位夾緊（二）主運(yùn)動(dòng)支架；用于完成運(yùn)動(dòng)連續(xù)加工以及工件定心（三）。電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)則需要滿足下列要求：電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的作用就是實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)支架的分度功能，也就是說，當(dāng)電控臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，都能夠讓主運(yùn)動(dòng)支架同樣旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，從而實(shí)現(xiàn)分度功能。2、每次轉(zhuǎn)動(dòng)都需要對(duì)精度有一個(gè)精準(zhǔn)的把控。3、需要配備伺服電機(jī)進(jìn)行控制。3方案設(shè)計(jì)3.1總體方案設(shè)計(jì)1、在原則上，需要在滿足要求的同時(shí)配備最少的伺服電機(jī)，除此之外，結(jié)構(gòu)越簡單越好，整體布局要求緊湊，因此，最終的方案選用了兩臺(tái)電機(jī)。2、最終方案為兩自由度機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)來負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)，而電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)則負(fù)責(zé)完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。3、在加工過程中，需要時(shí)刻保證工件球心維持靜止的狀態(tài)，只有如此才能讓激光持續(xù)集中于待加工工件物體的表面，從而才能對(duì)最終的加工精度有一個(gè)可靠地保障。4、需要保證球心能夠同電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)與伺服電機(jī)中心線交點(diǎn)相互重合。5、。6、加工路徑：主電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，加工完一條緯線主電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，加工完一條緯線主電機(jī)停轉(zhuǎn)電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)給一定角度電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)停轉(zhuǎn)主電機(jī)啟動(dòng)圖1擬定加工路徑7、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)布局要足夠緊湊，這樣對(duì)于后期安裝和拆卸能夠帶來便利。圖2總體方案機(jī)構(gòu)簡圖3.2電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)3.2.1電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電機(jī)將作用力傳遞給蝸桿，這中間需要彈性連軸器來輔助完成，之后再經(jīng)蝸輪蝸桿嚙合作用，從而將運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳遞，這樣能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn)行一定的改變。電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的控制需要一個(gè)較為嚴(yán)格的精度，因此對(duì)其進(jìn)行控制需要使用伺服電機(jī)來完成，這是由于伺服電機(jī)可以提供一個(gè)足夠大的傳動(dòng)比，而精度的掌控需要較大的傳動(dòng)比來保障。在設(shè)計(jì)中使用蝸輪蝸桿傳動(dòng)能夠最大限度的保證整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。旋轉(zhuǎn)臺(tái)采用封閉式結(jié)構(gòu)，脂潤滑方式。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于精度要求以及體積問題需要進(jìn)行綜合的考量，精度是底線，要做的事在能夠達(dá)到精度標(biāo)準(zhǔn)的情況下最大限度的縮小旋轉(zhuǎn)臺(tái)體積。圖3電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)簡圖1－輸出軸（蝸輪軸）2－蝸輪3－蝸桿4－彈性連軸結(jié)5－伺服電機(jī)6－殼體3.2.2伺服電機(jī)選擇負(fù)責(zé)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)需要根據(jù)預(yù)設(shè)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩來選擇。伺服電機(jī)的總轉(zhuǎn)矩由三部分組成：負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩、摩擦轉(zhuǎn)矩。最終選定伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為，額定轉(zhuǎn)速。3.2.3計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速及功率。。：。查表得，彈性連軸結(jié)效率0.99，角接觸球軸承效率（一對(duì)）0.98，單頭蝸桿傳動(dòng)效率0.455（經(jīng)后續(xù)計(jì)算得到）。所以：：：：3.2.4蝸輪蝸桿方案設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿為閉式結(jié)構(gòu)。使用AutoCAD輔助設(shè)計(jì)，得到：:0.0001:360:3.6:100:10000:1:1:ZCuSn10P1:40Cr調(diào)質(zhì):閉式:雙向:10:0.98:0.98:1:18:100:100:1:0:59:3.1798:102:0.3398:1:0.9735:0.667:0.0714:266.4501:15.0772:36.7196:0.3276:0.018:0.0003:0.0206:0.1921:合格:合格:合格:合格經(jīng)校核，該設(shè)計(jì)滿足工作要求。3.2.5蝸桿傳動(dòng)效率計(jì)算1）計(jì)算嚙合效率：。：。蝸桿和蝸輪間的當(dāng)量摩擦角（插值）：。。2）計(jì)算蝸桿傳動(dòng)總效率。為保證精度和減小體積，采用單頭蝸桿，但此舉降低了效率。3.2.6方案評(píng)論設(shè)定電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)參數(shù)：：180：1：<0.005o：25o/S本組設(shè)計(jì)電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)參數(shù)（綜合考慮精度與轉(zhuǎn)臺(tái)體積）：：100：1：<0.009o：21.6o/S精度稍低于所提供RSA100電控選轉(zhuǎn)臺(tái)，但實(shí)際加工電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)給角度為：0.42o,滿足加工要求。體積相近，由于多采用標(biāo)準(zhǔn)件，成本大大降低。4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1選擇軸的材料蝸桿材料采用45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼，調(diào)制處理。蝸輪軸采用合金鋼，調(diào)制處理。4.2軸的直徑估算4.2.1蝸桿軸直徑估算查表得：由前計(jì)算，得：所以得：由于軸上開有鍵槽，單鍵直徑增大6%。所以得：?。ㄒ?yàn)橛袕S家生產(chǎn)的角接觸球軸承最小內(nèi)徑為10mm）4.2.2蝸輪軸直徑估算查表得：由前計(jì)算，得：所以得：由于軸上開有鍵槽，單鍵直徑增大6%。所以得：取d=17mm4.3設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)軸系4.3.1蝸桿軸出于蝸桿軸在工作中具有較為嚴(yán)重的發(fā)熱情況考慮，因而實(shí)施了“一端固定，一段”這種方法進(jìn)行安裝。具體如下：首先進(jìn)行軸承選擇工作，按照相關(guān)表格選擇安裝尺寸為12.4mm這一型號(hào)，即其對(duì)應(yīng)的中間軸段直徑是12.4mm這一尺寸，相應(yīng)的軸端直徑則是10mm。其中，各個(gè)區(qū)段具體的長度尺寸受到蝸輪直徑以及軸承寬度這兩方面的影響。其中，固定端則采用交界處球軸承這一方式進(jìn)行面對(duì)面的安裝過程，具體的軸承則選擇7000AC這一型號(hào)。其詳盡參數(shù)情況見下表：表1角接觸球軸承700AC詳細(xì)參數(shù)與之對(duì)應(yīng)的游動(dòng)端選擇深溝球軸承的具體型號(hào)情況參加下表：表2深溝球軸承62800詳細(xì)參數(shù)4.3.2蝸桿軸強(qiáng)度校核首先，需要按照彎曲許應(yīng)力對(duì)軸的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施校核工作：而后，需要對(duì)蝸輪蝸桿承受的力度進(jìn)行簡化計(jì)算。其中，蝸桿轉(zhuǎn)距的計(jì)算公式為：再對(duì)蝸輪受力情況進(jìn)行分析，可得：而后對(duì)蝸輪蝸桿進(jìn)行受力分析（將蝸桿下標(biāo)設(shè)定為1，將蝸輪設(shè)定為2），可得：首先將蝸桿的受力情況進(jìn)行簡化處理，使之成為至經(jīng)過蝸桿中點(diǎn)的力，而后將軸承所承擔(dān)的支點(diǎn)反力進(jìn)行簡化處理，使之成為作用于軸承載荷中心這一位置的集中力，而后參照手冊(cè)以獲得軸承相應(yīng)的載荷作用中心的位置，即可完成蝸桿軸受力情況的簡化，具體見下圖：圖4蝸桿受力簡圖彎距圖如下：（其中，將E點(diǎn)設(shè)置為定位軸承位置處的軸間端面）圖5彎矩圖圖6當(dāng)量彎矩相比之下，CE是常說的可能危險(xiǎn)截面，因而，軸承X這一方向上的質(zhì)點(diǎn)反力情況如下：從中可得到ＣＥ點(diǎn)處相應(yīng)的水平彎矩如下：進(jìn)而可得出軸承在Z這一方向上對(duì)應(yīng)的支點(diǎn)反力如下：，按照上述情況，點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎直彎矩如下所示：CE點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的合成彎矩如下所示：而CE點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的當(dāng)量彎矩如下所示：與之對(duì)應(yīng)的校核軸強(qiáng)度可由下面計(jì)算得出：依照彎矩大小情況和軸直徑情況可將CE這兩點(diǎn)間的截面為依據(jù)實(shí)施強(qiáng)度校核運(yùn)算：計(jì)算可知，兩截面均處于安全情況。而且考慮到蝸桿軸直徑相比于最小直徑而言大得多，因而其蝸桿剛度校核這一步可忽略。4.3.3蝸輪軸將邊界條件限定為無干涉情況的發(fā)生，那么在可盡量減小軸向尺寸，而這一操作能夠使得蝸杠剛度變大。在固定方式上則選用兩端單向固定這一方法。同時(shí)，軸承采用角接觸球軸承，對(duì)應(yīng)的型號(hào)則為7003AC接下來是這一軸承詳盡的參數(shù)情況：表3角接觸球軸承7003AC基本參數(shù)4.3.4蝸輪軸強(qiáng)度校核采用彎曲許應(yīng)力來實(shí)施相應(yīng)的強(qiáng)度校核計(jì)算工作：首先對(duì)軸的受力情況進(jìn)行分析具體的受力分析情況見下圖：圖7蝸輪軸受力分析圖在上圖當(dāng)中，可見角接觸球軸承力的相應(yīng)作用圖（其中，軸承接觸角標(biāo)定為25°）。相關(guān)的蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)，前面已做了相關(guān)運(yùn)算：其中，用來代表蝸輪軸上的相關(guān)作用力。作用在蝸輪軸上的力。其在水平方向的受力情況，具體可見下圖：圖8水平面受力圖按照受力平衡以及力矩平衡原理，可知：綜合上述計(jì)算，可作出相應(yīng)的水平面彎矩圖，具體如下：圖9水平面彎矩圖由于B、C、D均是危險(xiǎn)截面，與此同時(shí)，E處相應(yīng)的軸直徑則沒有達(dá)到預(yù)估值的大小，因而將B、C、D、E均設(shè)定為危險(xiǎn)截面的范疇?？梢詫?duì)上述4點(diǎn)相應(yīng)的彎矩進(jìn)行如下運(yùn)算：按照上述運(yùn)算，可得相應(yīng)的垂直受力情況，具體見下圖：圖10垂直受力圖接下來參照矩平衡以及力平衡的相應(yīng)條件，可得：可據(jù)此畫出相關(guān)的垂直面彎矩，具體如下圖所示：圖11垂直面內(nèi)彎矩圖所以，B、C、D、E處的合成彎矩為：合成彎矩圖為：圖12合成彎矩圖轉(zhuǎn)矩，具體的轉(zhuǎn)矩圖如下所示：圖13轉(zhuǎn)矩圖綜合考量轉(zhuǎn)矩圖，進(jìn)而對(duì)B、C、D、E這4點(diǎn)進(jìn)行比較，可以得出由上述4點(diǎn)得出的彎矩，從中可知，相比于C處而言，B處則更加危險(xiǎn)，與此同時(shí)，相比于D處而言，E處危險(xiǎn)系數(shù)也更高，那么將B、E這兩處設(shè)定為相應(yīng)的危險(xiǎn)截面。其中，令，那么課得出B、E處相應(yīng)的當(dāng)量彎矩，具體如下：下面是相應(yīng)的當(dāng)量彎矩圖為：圖14當(dāng)量彎矩圖強(qiáng)度校核：相關(guān)的蝸輪軸設(shè)定為同時(shí)以合金鋼材料打造而成，再經(jīng)調(diào)制處理得到。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，可知：，因此，B截面彎曲應(yīng)力可用下面公式表示：而E截面彎曲應(yīng)力（有鍵槽）可用下面公式表示：計(jì)算可知，B、E兩處的截面均處于安全范疇。4.3.5軸承壽命計(jì)算1）對(duì)蝸桿軸承相關(guān)的壽命情況進(jìn)行計(jì)算，可得：由于對(duì)這一數(shù)據(jù)查詢相關(guān)表格，可知：因而能夠得到對(duì)應(yīng)的軸承組壽命，具體如下： 2）蝸輪軸軸承壽命計(jì)算：此處選用的蝸輪軸承則是角接觸球軸承，型號(hào)為：7003AC。1、求當(dāng)量動(dòng)載荷將上圖當(dāng)中左側(cè)軸承設(shè)定為1號(hào)，相應(yīng)的，將右側(cè)軸承設(shè)定為2號(hào)。可得出兩軸承之間相關(guān)的徑向力，具體如下：同時(shí)可得出內(nèi)部軸向力，可得：并且有因而，1號(hào)軸承處于被壓緊的狀態(tài)。相比于這一角度對(duì)應(yīng)的接觸球軸承，可得出相應(yīng)的判斷系數(shù)，即因而，查詢相關(guān)表格可知對(duì)應(yīng)的載荷系數(shù)，即，與此同時(shí)，可查詢得出動(dòng)載荷系數(shù)值，即，將載荷系數(shù)的值做出設(shè)定，即，那么有可求得當(dāng)量動(dòng)載荷如下：2、計(jì)算軸承基本額定壽命已知，那么只對(duì)軸承2年內(nèi)的壽命情況進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。查詢相關(guān)表格，可得出7003AC這一型號(hào)的儀器相應(yīng)的基本額定動(dòng)載荷，即如果將壽命指數(shù)設(shè)定為，那么可求得相應(yīng)的軸承壽命，即：4.4電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)過對(duì)蝸輪蝸桿強(qiáng)度的計(jì)算，對(duì)電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，考慮到結(jié)構(gòu)緊湊性原則，大體形狀如下圖所示：圖15電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)裝配圖4.5夾具部分本夾具在滿足定位要求的前提下，盡量使得加工成本與周期降至最小。定位要求：欲定位工件如圖所示，將這里面的圓柱棒設(shè)定為定位部分，具體如下。圖16加工工件對(duì)這一工件，做出5個(gè)自由度的設(shè)定，相比之下，軸線轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的自由度則無需進(jìn)行具體的限定，可選擇長軸套+小平面定位即可。在實(shí)際情況中，含有下列兩方面的近似之處：按照各個(gè)工件的不同，其圓柱棒的長度也有較大的差異性，因而無法對(duì)軸向方向的自由度做出明確的定位判斷。由于軸線方向上，各個(gè)工件對(duì)應(yīng)的橫截面半徑之間存在的不同不能夠被忽略，因而無法用作圓柱面的精確定位，所以需要沿著圓柱棒包裹一定的紙張來抵消差異。與此同時(shí)，相應(yīng)工件的定位尺寸并不具備精確性，因而決定了夾具尺寸無需較高的精確度，可通過目測來進(jìn)行精確度的衡量。除此之外，為了使得夾具部分作出進(jìn)一步的簡化，同時(shí)由于工件具有較強(qiáng)的質(zhì)量，所以在加工過程當(dāng)中不存在負(fù)載力這種情況，因而可對(duì)夾具以及工件之間的支撐部位進(jìn)行省略操作，所以得到了一體性的夾具以及聯(lián)軸器，這一工件可以由電機(jī)直接提供動(dòng)力。具體的設(shè)計(jì)圖如下：圖17夾具體模型其中，小端部位連接有電機(jī)，而大端部位則連接有工件配置。且采用銷釘進(jìn)行進(jìn)一步的固定，具體如下：圖18夾具體裝配圖這一設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：具有較為簡單的構(gòu)造，因而壓縮了加工周期，同時(shí)降低了加工成本。具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。在加工以及安裝方面，具有較低的精確度要求。4.6旋轉(zhuǎn)臺(tái)支架設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù):1.對(duì)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)以及主運(yùn)動(dòng)電機(jī)這兩者之間的連接部位連接進(jìn)行設(shè)計(jì)；2.其中，需要滿足旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)部位的軸線以及主運(yùn)動(dòng)電機(jī)部位的軸線兩者之間垂直分布，在誤差方面需保持在0.2度以內(nèi)。3.在加工過程中，需要保證激光觸碰不到支架或者電機(jī)等部位。2、設(shè)計(jì)圖紙:圖19旋轉(zhuǎn)臺(tái)支架裝配圖結(jié)構(gòu)說明:墊板:用以確保支圓周在旋轉(zhuǎn)過程當(dāng)中不會(huì)受到電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的干涉作用；定位銷:用以在定位過程中起到定心作用；配重板:用以消除實(shí)現(xiàn)之家不為以及主運(yùn)動(dòng)電機(jī)這兩部位相對(duì)于電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的扭矩力；底板:重點(diǎn)承擔(dān)支撐作用；電機(jī)支撐板:用以實(shí)現(xiàn)對(duì)主運(yùn)動(dòng)電機(jī)這一部位的支撐。肋板:用以實(shí)現(xiàn)電機(jī)支撐板以及底板這兩部位的連接，以確保兩個(gè)面之間具有充分的接觸空間；出于美觀性考慮，需保證各板上存在的孔屬于沉頭孔這一類；與此同時(shí)，尺寸公差、形狀精度、位置精度以及表面粗糙度這一方面保持在7級(jí)這一范疇，以實(shí)現(xiàn)滿足要求的同時(shí)壓縮經(jīng)濟(jì)成本，使之更為經(jīng)濟(jì)。明確底板孔中心部位、右端面距離以及配重板長度這三方面的參數(shù)接下來對(duì)加配重進(jìn)行必要性分析：在不加配重的情況下，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)所承受的扭矩力在153.78這一數(shù)值，而旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)所能承受的最大扭矩力僅為40，也就是不足上述數(shù)據(jù)的三分之一，因而體現(xiàn)了加配重的重要性。具體的設(shè)置方法如下：首先使底板孔中心部位、右端面距離以及配重板相應(yīng)的長度這三方面設(shè)定為決策變量，那么對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)需要滿足支架部分具有最小的總質(zhì)量，因而得出了相應(yīng)的約束條件（這一條件可保證扭矩力為零并且無干涉情況），采用MATLAB這一范疇當(dāng)中的fmincon函數(shù)實(shí)施約束優(yōu)化工作，可得出相應(yīng)的最優(yōu)解，進(jìn)而可求得兩塊板之間相應(yīng)的長度值結(jié)果。5、精度校核要求:需要保證旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線方向以及主運(yùn)動(dòng)電視機(jī)軸線方向處于垂直角度，而且誤差在0.2度以內(nèi)。定位誤差:通過對(duì)各個(gè)零件相應(yīng)的精確度計(jì)算可獲得角度誤差，數(shù)值為0.1719度變形同樣可以引起誤差:如果把支架視為懸臂梁，那么可據(jù)此求得相應(yīng)的角度誤差，數(shù)值為0.0012度在加工過程當(dāng)中，工件不會(huì)受到切削力的作用，因而所得到的角度誤差數(shù)值為0.1731度，在0.2度的范圍以內(nèi)，符合條件要求。4.7參數(shù)設(shè)計(jì)軸向長度設(shè)計(jì)以保證照亮面積圖20總裝模擬圖由圖可知，激光用紅線來表示，如果運(yùn)動(dòng)朝著圖示軸線方向做出180°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，那么1號(hào)板能夠?qū)す馄鸬阶钃踝饔?。在現(xiàn)有條件下，可求得工件相應(yīng)的加工表面（不計(jì)算圓柱這一部分）方位以北緯68°起始，至南緯68°終止，而1號(hào)板的具體寬度則需要通過伺服電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的明確，因而需要保證夾具軸方向上延伸狀態(tài)較長，才可確保激光進(jìn)行照射時(shí)其加工表面不會(huì)受到1號(hào)板的限制。上圖當(dāng)中，并且，而1號(hào)板一半的寬度設(shè)定為。所以當(dāng)夾具符合工件以及電機(jī)輸出軸定位面長度這一要求時(shí)，在軸向要求這一方面是符合的。圖21夾具和工件裝配圖定位面部分公差選擇由于選擇的是間隙以及靜連接精密配合著兩種方式，對(duì)此查詢相應(yīng)的手冊(cè)，可知其尺寸精度條件是H8。將小孔端設(shè)計(jì)為通孔形式以最大程度上壓縮成本，同時(shí)滿足精度要求。大孔端退刀槽的加工這一加工則是為確保圓柱尺寸在精度方面符合工藝要求。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的校核按照要求，選擇型號(hào)為6CC201G-3DEBE的電機(jī)，可得相關(guān)的轉(zhuǎn)自慣量，數(shù)值為0.66kgcm2，將具體的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行調(diào)整，可以允許機(jī)械負(fù)載相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量這一項(xiàng)≤伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量x10[倍]因而得出相應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(可直接通過代數(shù)運(yùn)算來獲得)進(jìn)行其余參數(shù)預(yù)算(具體的計(jì)算過程省略)對(duì)重心位置（即相較于工件球心而言的位置）進(jìn)行計(jì)算在不帶電機(jī)的條件下，有：x=20.56mm，m=0.3606kg如果在帶電機(jī)的情況下，有：x=140.748mm，m=1.21kg對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(即相對(duì)于回轉(zhuǎn)臺(tái)軸線這一項(xiàng)而言)進(jìn)行計(jì)算在帶電機(jī)的情況下，有：J=210.5310kgcm2。5方案改進(jìn)夾具設(shè)計(jì)：處于成本以及工件本身誤差較大等情況，將夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相對(duì)簡單。當(dāng)所設(shè)計(jì)的工件要求較高的精確度時(shí)，可使用三抓卡盤進(jìn)行固定工作，因其具有良好的心功能。綜上，設(shè)計(jì)出了主運(yùn)動(dòng)支架，具體見下圖：圖22結(jié)構(gòu)簡圖在進(jìn)行支架水平板設(shè)計(jì)時(shí)，可以更替為長短可調(diào)節(jié)的構(gòu)造。具體見示意圖。在支架豎直板表面這一部位，存在電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)軸心刻線這一裝置，因而在進(jìn)行工件安裝時(shí)，可首先進(jìn)行支架水平方向的調(diào)節(jié)，以確保球形工件以及豎直板軸心刻線部位能夠直接接觸，以確保球心以及兩電機(jī)軸之間的交點(diǎn)部位能夠?qū)崿F(xiàn)重合。在完成工件夾緊工作之后，將水平板進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使得工件脫離豎直板表面位置，而后可進(jìn)行支架水平板的固定工作。6經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析首先明確本機(jī)械加工對(duì)象為球形件，加工工具為激光。由于激光加工屬于無接觸加工，所以不存在如切削反力作用于內(nèi)部工件，我們只需考慮材質(zhì)本身重力帶來的影響。因此我們決定采用盡可能輕的材料如鋁等來加工各部件主體，連接處用標(biāo)準(zhǔn)連接件連接，球體為木質(zhì)，材料便宜節(jié)約成本，加工方便提高加工效率，節(jié)約工作時(shí)間。激光加工物體表面是通過高溫使表面發(fā)生物理化學(xué)上的反應(yīng)，加工金屬制品會(huì)產(chǎn)生極其細(xì)微的金屬粉塵，污染環(huán)境，被人吸入，影響人體健康。而我們只是預(yù)設(shè)計(jì)，不做詳細(xì)設(shè)定，所以使用木質(zhì)球形件，激光灼燒，木屑燃燒，對(duì)環(huán)境對(duì)人體的影響較小，十分環(huán)保。所以該設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析結(jié)果是符合要求的。

結(jié)論對(duì)球體用激光在其表面進(jìn)行刻蝕，需要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械加工平臺(tái)。激光從激光設(shè)備產(chǎn)生之后，實(shí)現(xiàn)光束與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必須依靠激光加工運(yùn)動(dòng)設(shè)備。一般在激光熔覆過程中都配備了數(shù)控加工系統(tǒng)，提供激光束與設(shè)備工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在工作進(jìn)行時(shí)，加工工件與激光光束產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的形式：1、激光器運(yùn)動(dòng)。主要適用于工件大，難以移動(dòng)的情況；2、工件運(yùn)動(dòng)。這類一般應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，適用于加工小型零件，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床可以較容易控制加工路線；3、激光束運(yùn)動(dòng)。利用反射聚焦等原理，在需要的地方裝上專門的鏡子，控制激光抵達(dá)的加工表面；4、激光和工件相互運(yùn)動(dòng)。通過激光和工件兩者之間的運(yùn)動(dòng)配合，完成加工的軌跡，保證激光所雕刻出的紋路達(dá)到設(shè)計(jì)要求。球形件光刻系統(tǒng)機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)最終設(shè)計(jì)完成，由于未給定參數(shù)等限定條件，所以設(shè)計(jì)過程自由靈活，大多參數(shù)可以自行選擇