步进驱动液压工作台的控制系统设计设计说明

1、毕业设计题目：步进驱动液压工作台的控制系统设计摘 要摆动碾压是汽车轮毂轴承单元铆合装配的一种新兴的压力加工方法，本文在调查研究国外类似装置的功能、结构、特点和发展应用情况的前提下，结合摆辗技术的基本原理，设计了用于汽车轮毂轴承单元的铆合装配的专用摆碾机床。根据工艺特点，重点研究了该机床的控制系统，设计出合理的控制系统原理图，搭建控制系统平台，设计基于步进驱动液压工作台的控制系统。在本控制系统中，选用AVR单片机作为下位机，单片机作为控制系统的核心，控制步进电机的运转，以实现相应的工艺动作。本文完成控制系统软硬件设计，进行软硬件的调试实验，通过运行调试，该系统成功应用于摆碾旋压设备，运行稳定可靠

2、。关键词：轮毂轴承单元；铆合装配；步进电机；AVRAbstractOscillating roller is the automobile hub bearing unit riveting assembly of a new pressure processing method, based on the investigation and study of domestic and foreign similar device function, structure, characteristics and the development of application conditions

3、, combined with the rotary forging technology basic principle, design for automobile wheel hub bearing unit riveting assembly for swinging grinding machine tool. According to process characteristics, focus on the machine tool control system, design a reasonable the principle diagram of control syste

4、m, building control system design based on the platform, stepping driving hydraulic platform control system. In this control system, using AVR MCU as the next machine, single chip microcomputer as the control core of the system, control of stepper motor running, to achieve the corresponding action.

5、This paper completes the control system hardware and software design, software and hardware debugging experiment, through debugging, the system was successfully applied to a pendulum roller spinning equipment, stable and reliable operation.Key words: hub bearing unit; riveting assembly; stepping mot

6、or; AVR目 录摘要1Abstract2目录3第一章绪论51.1 引言51.2 本课题的研究意义与主要任务51.3 最新汽车轮毂轴承铆接工艺应用51.4 铆接机铆接质量情况与旋压铆合技术的优越性71.5 汽车轮毂轴承单元的国外情况调查81.6 汽车轮毂轴承单元的发展和前景12第二章摆动辗压基本原理与工艺点142.1 摆动辗压的原理142.2 摆动辗压的特点152.3 摆辗旋压设备总体方案152.3.1摆辗机的主要技术指标152.3.2 总体方案的论证设计162.3.3 运动功能分析172.3.4 机床总体结构布局设计18第三章机床的总体方案和工作台结构设计203.1机床总体方案设计203.

7、2主要部件设计计算203.2.1丝杆的设计203.2.2滚动轴承的选则与校核243.2.3丝杆的强度计算和稳定性计算25第四章步进电机工作原理与电机选型274.1 步进电机原理分析274.2 步进电机产生振动的原因294.3 抑制步进电机产生振动的办法与措施294.4 步进电机计算与选型304.5 90BYG4501的参数31第五章控制系统硬件电路设计335.1微控部分（模拟模式）335.2 M16的引脚说明355.3系统板365.3.1 复位部分365.3.2 晶振电路的设计375.3.3 ISP下载接口设计385.3.4 串口通信385.4驱动板40第六章控制系统程序设计406.1 系统流

8、程图设计406.2 程序清单41第七章总结45致46参考文献47第一章 绪 论1.1 引言近年来，汽车工业迅速发展，汽车轮毂轴承单元的制造技术在不断发展，将旋压用于轮毂轴承单元的轴铆合装配，是当前轮毂单元制造技术的最新进展。旋压（摆动碾压）是一种新兴的压力加工方法，属于局部加压，连续成形，具有省力零件尺寸精度高振动小噪音低投资小等优点。从七十年代开始，在世界锻造行业被广泛应用，军工产品如导弹壳的制造等是其最重要的应用领域之一。目前在国的研究还处于空白状态，设计开发出用于轮毂轴承单元轴端铆合装配的专用生产设备，将填补国空白，使有关轴承生产企业突破新型轮毂单元装配制造的工艺瓶颈，有重大创新意义。1

9、.2 本课题的研究意义与主要任务轮毂轴承单元的铆合技术显然在当代和将来的汽车发展中都起到十分重大的作用，但是当代的中国的大部分工厂都没有相应的专用铆合设备或者是工厂因受到技术的封锁而不能引进国外的设备和技术。国的轮毂轴承的市场大部分都由国外的厂家占用。本文的主要任务是调查研究国外类似装置的功能、结构、特点和发展应用情况的前提下，结合摆辗技术的基本原理，设计了用于汽车轮毂轴承单元的铆合装配的专用摆碾机床。根据工艺特点，重点研究了该机床的控制系统，设计出合理的控制系统原理图，搭建控制系统平台，设计基于步进驱动液压工作台的控制系统。在本控制系统中，选用AVR单片机作为下位机，单片机作为控制系统的核心

10、，控制步进电机的运转，以实现相应的工艺动作。完成控制系统软硬件设计，进行软硬件的调试实验。1.3最新汽车轮毂轴承铆接工艺应用汽车轮毂轴承的作用主要是承受汽车的重量与为轮毂的传动提供精确的向导。轮毂轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷，是一个非常重要的安全件。现在国产车大多仍采用传统的两套单独的圆锥滚子轴承或角接触球轴承，这种结构在汽车装配时要经过调整游隙、预紧、加脂等诸多工序，参杂较多人为控制因素，装配难度较大，从而造成汽车装配线加长，成本过高且可靠性差，难以适应激烈的市场竞争。 近年来，随着前置前驱动轿车的飞速发展，轮毂轴承发生了很大变化，尤其是国外知名的汽车生产厂家与轴承制造商联合研发，新型轮

11、毂轴承单元不断涌现，目前己迸人第四代。 NSK铆压成形第三代轮毂铀承 在传统的第三代轮毂轴承单元的设计中，两个圈是用锁紧螺母牢固地连接在一起的，而NSK开发的新结构是通过轴端的铆压成形轴向力使带凸缘的圈产生塑性变形，与小圈压紧。去掉螺母有助于减小轮毂单元的重量和尺寸，提高可靠性。驱动轮和非驱动轮都适用。采用铆压成形技术，可靠性将得以提高，即使连接螺母松动轴承自身也可以提供预载保证。图1.1、置圈2、铆头 3、轮毂轴铆压成形采用的是铆接工艺 (如图)，倾斜的铆头(上模)在轴承组件上铆压时，带凸缘圈的轴端受到来自下部的压力产生塑性变形，直至小圈牢固地连在一起。在成形过程中，轮毂变形分为三个阶段:第

12、一阶段，铆头下降，与轮毂轴接触，变形开始。第二阶段，变形进一步扩展，轮毂轴沿径向扩展，与圈倒角接触。最后是第三阶段，铆接过程完成。在第一阶段，几乎所有的铆头压力都用于轮毂轴的最初成形，圈载荷很小且恒定。进入第二阶段，铆头压力传递到圈，圈载荷迅速增大。在第三阶段，由于铆头压力使圈载荷逐渐增大直至饱和，铆压结束后，甚至铆头已抬起，圈载荷仍未消除，仍保留某些载荷。可以认为残余载荷形成了卡紧力。 传统的模锻使整个工件压缩，产生塑性变形。因此，加工大尺寸工件时，需要很大的压力，而且当运用于轴承上时，变形往往超出中心区域。在这种巨大压力作用下，球与滚道受到挤压，在加工过程轴承很可能损坏，而铆接工艺只在局部

13、产生变形并且只用很小的压力。通过控制加载的压力，这种加工用于轴承的装配十分适合。通过重载下的运转耐久性试验检验了铆压成形缘的疲劳强度和圈抗蠕变能力。进行静强度试验以考察铆压成形缘的静强度以与轴承的力矩载荷刚变试验，因为轴承的刚性会影响车辆转弯时的操纵稳定性。 根据各项试验的结果，NSK新开发的铆压成形圈自锁第三代轮毂轴承等同于甚至优于带锁紧螺母的传统型轮毂轴承。在保证高可靠性的前提下，重量和尺寸减小，满足了当前的市场需求，降低了车辆燃料消耗。1.4 铆接机铆接质量情况与旋压铆合技术的优越性轮毂轴承单元轴端铆质量是整个轮毂轴承单元装配的重要技术指标。在实验铆接过程，传统做法是确定不同的铆接行程，

14、调整死顶块的距离，达到不同的铆接效果，其缺点是对操作要求高，调整过程困难，铆接过程往往出现工件被压坏，或是铆接行程不够，铆接精度和质量达不到理想的铆接实验效果。基于一般的铆接机的缺点，现提出铆接驱动过程实行伺服控制思路。在液压系统中增加伺服控制环节，通过压力传感器检测铆接过程，并发出电信号控制换向卸荷回路，铆头铆接动作将得到精确的控制，通过调整压力传感器的不同值将可以达到理想的铆接实验效果，有效保证铆接精度和质量。传统设计的轮毂单元在装配时两个圈是用锁紧螺母牢固地连接在一起的，如图1-2（a）所示。这种方式所存在的缺点是：需要在装配的时候通过控制螺母的预紧量来控制轮毂单元的轴向卡紧力，由于单元

15、中的零件存在制造误差而使卡紧力的控制不精确，预压量的波动较大，从而导致轴承的负游隙量偏离最优值而使轴承寿命下降，寿命离散度大大增加，使得其韦布尔分布中的斜率较大，90%可靠性下降；在使用过程中，由于螺纹卡紧采用的螺纹防松结构可能因振动等因素而松动，从而导致预载荷卸载，严重时甚至失效，存在重大安全隐患。而新的结构是通过轴端的旋压成形，使带凸缘的圈产生塑性变形，从而与小圈压紧。这种方式使车轮支架和车轮法兰不再是安装驱动轴之后才相互连接而是经卷边铆接成为具有正常功能的轮毂轴承单元，大大减轻了下一步的装配工作。采用轴铆合装配方式，对非驱动轮而言（如图1-2（b）所示），可直接去掉螺母；对驱动轮而言（如

16、图1-2（c）所示），因为不再需要较大的拧紧力矩，可以使用轻型螺母将驱动轴固定在车轮法兰中，驱动轴带齿的轴颈也可大大缩短，从而有助于减小轮毂单元的重量和尺寸，降低成本，使紧固部分更加紧凑，提高燃油经济性。而且旋压过程中对轴向载荷（卡紧力）可实时精确控制，消除零件制造误差的影响，从而使预紧量的波动大大减少，保证每一个轮毂单元都在装配后获得最佳预紧量，这意味着可以大大提高轴承使用寿命，并使韦布尔分布曲线的斜率变小，90%可靠性得到显著提高；且由于铆合联接是不可逆装配，不会因使用过程中的振动等因素发生变化，从而消除螺纹防松结构中可能的卸载隐患，大大提高可靠性，也就提高了产品的安全性。（a）（b）（c

17、） 图1-2 轮毂单元装配方法另一方面，因为轮毂单元的最薄弱的环节不是锁紧位置，而是凸缘根部，而通过FEM分析可知，小圈在汽车行驶过程中所承受的轴向载荷不是很高，通过对当前的轮毂单元的结构分析，我们认为其轴承组件部分还可进一步精减，只要将带凸缘的轴在端部直接旋压成滚道形状，就可省略小圈，达到轴承组件零件数目的绝对最小化，进一步精减轮毂单元的结构，提高可靠性，降低生产成本。1.5汽车轮毂轴承单元的国外情况调查随着前置驱动轿车的飞速发展，国外轮毂轴承发生了很大的变化，已从传统的分离式轴承发展到轴承单元，经历四代的发展。汽车轮毂轴承单元的作用主要是承受汽车的重量并为轮毂的传动提供精确的向导。轮毂轴承

18、既承受径向载荷又承受轴向载荷，是一个非常重要的安全件。 近年来，随着前置前驱动轿车的飞速发展，轮毂轴承发生了很大变化，尤其是国外知名的汽车生产厂家与轴承制造商联合研发，新型轮毂轴承单元不断涌现，目前已进入第四代。 第一代轮毂轴承 第一代是外圈整体型双列角接触球轴承或圆锥滚子轴承。它由一个外圈和两个圈组成。为了确保装到车轮上时轴承的预紧力，要求沟心距有很高的精度。为此，砂轮用一个具有高尺寸精度的旋转成形修形器来进行修形。外圈滚道进行同步磨削可以达到理想的高加工精度。圈滚道也必须有一个非常精确的定位，应用与外圈一样的成形旋转修形器，通过多角度磨削可以实现高精密的加工。 这种结构的主要优点是可靠、有

19、效载荷间距短、易安装、无需调整、结构紧凑等。这种轴承已经相当实用化，我国引进车型大多采用此类轴承。 第二代轮毂单元 第二代是将与轴承相配合的零件即轮毂或转向节与轴承套圈制成一体的结构型式（图1.3）。开发该单元的重点是了为保证质量和尽可能缩短生产周期，为此这种单元最终采用了流水线生产。 第一代产品的淬火是分批完成的，而第二代则采用在线高频加热的方式进行淬火。在回火工艺中也使用了感应加热系统以节省空间并缩短生产周期。为了减少热处理变形所需的磨削时间，在热处理后紧接着引入一次装夹车削两个滚道的工序，以减少车削时刀架的重复拆卸时间。 第三代轮毂单元 日本公司已经成功开发出了获得最佳预紧力（负游隙）的

20、技术，它既能提高汽车悬架所需的车轮稳定性，又能提高轴承寿命。该技术已经能加工出满足刚度和寿命的最佳间隙和结构变形，带凸缘的圈和另一个圈是一体的，这使装配变得极其困难。已前普遍接受的常规设计（图1.4）是小圈与带凸缘的圈进行压配合，并用锁紧螺母把它们固定在一起。对装配的要求包括:小圈与带凸缘的较大圈必须确保固定在一起。一旦小圈从带凸缘的圈上松脱会导致轮子与车身脱离，因此必须防止这种情况的发生。1带凸缘的外圈 2保持架 3圈 4球图1.3 第二代轮毂单元1带凸缘的外圈 2保持架 3小圈礴 4锁紧螺母 5球 6带凸缘的圈图1.4第二代轮毂单元 轴向力的产生应确保小圈的轴向紧固:防止两个圈之间相对旋转

21、（蠕变），确定合适的预紧力以提高寿命、刚性和旋转精度。当受到外力时，防止两个圈上相互配合的接触表面发生分离。 （1）SKF带有ABS传感器的第三代轮毂轴承单元制动系防抱死系统（ABS）对车辆安全性作出了巨大贡献。据报道，从2000年起，欧洲所有的轿车与轻型商用车都要将ABS作为标淮配置安装。把ABS传感器安装到轮毂单元中，有许多优点，其中汽车制造商最感兴趣的是节约成本。 SKF为汽车工业生产轮毂轴承已经近60年。由SKF提出的整体环状传感器是基于感应原理的被动ABS传感器。一个带有29齿的脉冲环经过一个外部有线圈的永久磁场铁旋转。当车轮转动时，线圈产生一个感应电信号，电信号的频率与大小与车辆转

22、速有关。SKF的这种结构在技术上有下列几点:防锈性能提高，节省重量和空间，由于传感器和脉冲环间存在空气间隙更加耐用，信号强等优势。信号强意味着速度极限更低，通常为3.7kn公h，甚至降到2.okmlh，这意味汽车的安全性进一步提高。置ABS传感器的第三代驱动轮毂单元已成为发展趋势，各大轴承公司都在积极研制。（2）NSK旋压成形第三代轮毂轴承在传统的第三代轮毂轴承单元的设计中，两个圈是用锁紧螺母牢固地连接在一起的，而NSK开发的新结构是通过轴端的旋压成形，轴向力使带凸缘的圈产生塑性变形，与小圈压紧。去掉螺母有助于减小轮毂单元的重量和尺寸，提高可靠性。驱动轮和非驱动轮都适用。采用旋压成形技术，可靠

23、性将得以提高，即使连接螺母松动轴承自身也可以提供预载保证。 旋压成形采用的是旋转模锻工艺（如图1.5），倾斜的上模在轴承组件上转动时，带凸缘圈的轴端受到来自下部的压力产生塑性变形，直至小圈牢固地连在一起。1置圈 2冲头 3轮毂轴图1.5旋压成形工艺示意图在成形过程中，轮毂变形分为三个阶段:第一阶段，冲头下降，与轮毂轴接触，变形开始。第二阶段，变形进一步扩展，轮毂轴沿径向扩展，与圈倒角接触。最后是第三阶段，铆合过程完成。在第一阶段，几乎所有的冲头压力都用于轮毂轴的最初成形，圈载荷很小且恒定。进入第二阶段，冲头压力传递到圈，圈载荷迅速增大。在第三阶段，由于冲头压力使圈载荷逐渐增大直至饱和，旋压结束

24、后，甚至冲头已抬起，圈载荷仍未消除，仍保留某些载荷。可以认为残余载荷形成了卡紧力。传统的模锻使整个工件压缩，产生塑性变形。因此，加工大尺寸工件时，需要很大的压力，而且当运用于轴承上时，变形往往超出中心区域。在这种巨大压力作用下，球与滚道受到挤压，在加工过程轴承很可能损坏，而旋压模锻只在局部产生变形并且只用很小的压力。通过控制加载的压力，这种加工用于轴承的装配十分适合。通过重载下的运转耐久性试验检验了旋压成形缘的疲劳强度和圈抗蠕变能力。进行静强度试验以考察旋压成形缘的静强度以与轴承的力矩载荷刚变试验，因为轴承的刚性会影响车辆转弯时的操纵稳定性。 根据各项试验的结果，NsK新开发的旋压成形圈自锁第

25、三代轮毂轴承等同于甚至优于带锁紧螺母的传统型轮毂轴承。在保证高可靠性的前提下，重量和尺寸减小，满足了当前的市场需求，降低了车辆燃料消耗。第四代轮毂轴承单元 第四代是把等速万向节与轴承做成整体化，这种形式最引注目的是废除轮毂花键轴，更加小型化，安装更加合理，如图1.6所示。图1.6第四代轮毂轴承单元汽车轮毂轴承已从传统的分离式轴承发展到轴承单元。轮毂轴承正逐步成为与车轮支承总成连为一体的部部件，第四代已研制成功，距离实用化不会遥远。这些单元产品的特点是:不需要调整轴承组装间隙(过选择间隔形式或按照力矩调整间隙)，轴承组装工艺合理化，轻量化和小型化，提高可靠性、一次性装脂，免维护，降低整体成本。国

26、产车大多仍采用传统的两套单独的圆锥滚子轴承或角接触球轴承，这种结构在汽车装配时要经过调整游隙、预紧、加脂等诸多工序，参杂较多人为控制因素，装配难度较大，从而造成汽车装配线加长，成本过高且可靠性差，难以适应激烈的市场竞争。我国在汽车轮毂轴承单元开发研制方面起步较晚，对产品设计和制造尚停留在仿制阶段，目前成系列开发生产的轮毂轴承单元只到第二代，第三代还处于试制阶段。我国与工业发达国家的技术差距主要是制造技术方面的差距，轴承制造业也不例外。长期以来，美国、日本、瑞典、德国等轴承强国一直在不遗余力地开发先进的轴承制造技术，以满足主机的使用要求，力争在激烈的全球经济竞争中保持其领先地位。由于先进制造技术

27、往往关系到一个公司甚至一个国家的经济发展，因而工业发达国家发展先进制造技术都带有垄断性。国外轴承同行向来对中国封锁先进的轴承制造技术，这一点是我国轴承行业出访人员的共同感受。我国轴承制造业必须在借鉴国外先进经验的基础上自主开发本国的先进制造技术。在改善实施先进制造技术的基础条件的同时，优先发展适用先进的制造技术。先进制造技术的研究开发立项要效益与水平并重，大中小企业需求并重，大批量制造与特种小批量制造技术并重，目的在于通过提高轴承性能、品质、寿命可靠性来满足主机的配套要求，增强国产轴承在国外市场上的竞争力。今后10年我国轴承制造业应重点发展的具有共性的关键制造技术包括：节材节能增寿的轴承套圈精

28、密冷辗扩技术，高精度高效率高稳定性的轴承套圈磨削超精研自动生产技术以与与其相配套的轴承自动装配技术，G3级精密钢球研磨技术、精密凸度圆锥滚子磨削超精研自动生产技术，精密保持架制造与测量技术，超精密轴承加工与测量技术，轴承仿真试验技术，以与轴承减振降噪、润滑和密封技术。1.6汽车轮毂轴承单元的发展和前景随着轮毂轴承单元一代一代改进和发展，结构刚性越来越高、可靠性越来越强、安装维护越来越方便，特别是第三代轮毂轴承单元，性能优良、安装方便，深受汽车设计师和汽车用户的青睐。第三代轮毂轴承单元最早应用是在二十世纪九十年代，首先在各类乘用车上，后来很快发展到中型商用车上批应用；到二十一世纪，又进行了第四代

29、轮毂轴承产品的开发，为汽车制造商提供样品，通过台架试验和道路试验，得到了汽车制造商的认可。第五、六代轮毂轴承单元的设计思路尚在概念阶段，要形成产品或投入使用尚须时日。而我国在汽车轮毂轴承单元的开发研制方面起步较晚，但近几年发展很快，目前从第一代到第三代轮毂轴承单元，在品种规格上已基本与国际市场同步，第四代还处于试制阶段，未形成系列化和规模化生产。下表是2008年国外轿车所用各代汽车轮毂轴承单元情况的大致比例，基本上能反映市场的实际情况。载重车使用轮毂轴承单元的进展远比轿车滞后。研究国外汽车产品的发展历程，我们可以认为，轮毂轴承单元化技术已经成为现代汽车轴承发展的重要容。单元化集成件的优化组合、

30、集成件的性能优化、高可靠度、低成本制造与维护将是轮毂轴承研究和发展的重点。表1.1 国外各轿车轮毂轴承比较国家为扶持汽车产业发展，制定了多项产业鼓励政策。汽车轮毂轴承也属于鼓励类项目，如外商投资产业指导目录(2007年修订)中鼓励类第十七“通用机械制造业”中的第14条“第三、四代轿车轮毂轴承(轴承、外圈带法兰盘和传感器的轮毂轴承功能部件)，制造”的要求；产业结构调整指导目录(2007年本)征求意见稿中鼓励类第十二“机械”中的第4条“汽车高性能轴承、铁路轴承、精密轴承、低噪音轴承制造”的要求；国家四部委(工信部、科技部、财政部、国资委)工信部联装2009707号重大技术装备自主创新指导目录(20

31、09年版)附件中编号l725“中高档汽车轴承”将“更新换代的集成化轴承的开发技术”列为需突破的关键技术之一，市场预测或产业化前景明确为“年需求量2亿套，市场约100亿元，国市场占有率2011年达3O，2015年达5O.随着汽车工业的发展，第三代轮毂轴承单元的使用越来越广泛，甚至一些经济型轿车和中重型商用车也开始使用第三代轮毂轴承单元。据保守估计，到2014年，国汽车配套市场对于第三代轮毂轴承单元的需求量可能达到2500万套以上；而国汽车维修市场需用的第三代轮毂轴承单元将接近1000万套。在北美、欧洲、日本等工业发达国家生产的汽车，从上世纪九十年代就开始配装了第三代轮毂轴承单元，估计到2014年

32、，全球整车配套市场和维修市场对于第三代轮毂轴承单元的需求量均将达到15-18亿套。通过如上的分析预测，我们对汽车轮毂轴承单元的发展前景有了非常清晰的认识，可以确定，汽车轮毂轴承单元，尤其是第三代轮毂轴承单元，集成了传统滚动轴承和现代电子技术于一体，将是一个非常具有市场潜力的新生代产品，从而也为传统的滚动轴承产品开辟了一个全新的发展空间.第二章 摆动辗压基本原理与工艺点2.1 摆动辗压的原理摆辗工模具的运动形式比较复杂。与摆辗几的机床轴心线同心的模具为下模，其上固定工件，模具与工件一起绕自轴旋转。轴心线与机床轴心线成r角斜交的模具为锥体模，即摆头。它绕自轴旋转。下模的旋转与锥体模同步。两个模具中

33、有一个模具沿机床轴心线方向平移实现轧制的压下进给。以床身为参照物，锥体模与工件的接触面位置不变，即轧制变形力合力作用线相对静止，也可以说锥体模轴线上任意点的运动轨迹在接触面上的投影是一个点。所以，此类摆辗摆头的运动轨迹是点。图2.1 摆辗机摆头运动示意图由于攻击变形与模具和工件之间的相对运动有关，所以必须分析模具与工件的运动关系。以工件为参照物，下模相对静止。锥体模（摆头）轴线与机床轴线的交点作直线运动，锥体模轴线上其余各点，作螺旋运动，其参数方程为：式中 R回转半径（mm）摆头旋转角速度（r/s）t 时间（s）s 时间t模具沿机床轴向平移的距离（mm）。锥体模轴线上任意点相对工件螺旋运动轨迹

34、在工件上平面（xoy面）上的投影为圆，用极坐标表示为：或用直角坐标的方程表示为：摆辗锥体模在工件上表面运动轨迹的投影为圆，所以也可以叫圆轨迹。由于锥体模在工件上滚动，其接触摩擦是滚动摩擦，摩擦力小，因而更有利于金属的塑性流动，能充分发挥轧制变形的特性，减少了锥体模的滑动磨损，成为摆辗的一个优点。再者，由于工件随锥体模同向转到，其接触面与机床的相对位置不变，所以摆辗压力的合力作用线处于机床的固定位置，可以用一般轴承作运动副，机床结构简单，造价低廉，维修容易，寿命长。2.2 摆动辗压的特点（1）省力。因摆辗是以连续局部变形代替常规锻造工艺的一次整体变形，因此可以大大降低变形力。实践证明，加工一样锻

35、件，其辗压力仅是常规锻造方法变形力的1/51/20；（2）产品质量高，节省原材料，可实现少无切削加工。如果模具制造尺寸精度很高，且进行过抛光，则辗压件垂直尺寸精度可达0.025mm，表面粗糙度可达R0.40.8m。（3）摆动辗压适合加工薄而形状复杂的饼盘类锻件。加工薄饼类锻件，摆辗所需的变形力比常规锻造力小很多，而且工件愈薄，用摆辗法成形愈省力。（4）劳动环境好，劳动强度低。摆辗时机器无噪声、震动小，易于实现机械化、自动化。（5）设备投资少，制造周期短，见效快，占地面积小。2.3 摆辗旋压设备总体方案2.3.1摆辗机的主要技术指标表2.1 摆辗机的主要技术指标序 号要求数值1. 11. 21.

36、 31. 41. 51. 6旋压铆合直径最大铆接力油泵最大输出压力功耗自动方式轴承变形情度孔16mm，外径28mm150KN5MPa7.5kW0.0012 .12. 22. 32. 42. 52. 62. 72. 82. 9生产效率旋压铆合最大行程滚碾压头到工作台距离工作台升降距离主轴到床身立柱距离滚压头伸出长度工作台尺寸机床外形尺寸机床净重450个/小时2530mm0250mm0250mm200mm取100120mm400×200720×720×25001000×22003. 13. 23. 33. 43. 5安全可靠容易传送轴承外形美观、噪音小故障自

37、检、易排除损坏零件易更换2.3.2 总体方案的论证设计由于汽车轮毂轴承单元为粗短零件且需要的铆接力较大，综合考虑卧式、立式的优缺点，选用立式机床。而立式机床又可分单立柱式和多立柱式，下图为立式方案的简图：图2.2 确定方案：四柱立式结构单柱式方案：一根立柱既要承受拉伸力，又要承受切应力，立柱弯曲变形情度较大。对于小功率的情况，变形情度可以控制在允许的围之，另外结构紧凑，节省空间，操作方便，开敞性好，工件装卸方便；但刚性不好，对中性差；并在加工过程中，由于工作台处于悬臂，而使工作台受力不均，产生震动和噪音，影响了零件的加工精度，难保零件的合格。多立柱式方案：机床对中性好，刚度强，钢性特佳，结构永

38、不变形，使用寿命长。适用于大平面、大出力之裁断作业。一种液压机工作台四柱支撑结构，在液压机下梁顶出缸接触面上至少设置有四组支撑柱，各组支撑柱分为上支撑柱和下支撑柱，上支撑柱与液压机移动工作台连接固定，下支撑柱连接固定在下梁与下梁顶出缸接触面上，在上支撑柱和下支撑柱之间设置有一定的间隙，与下梁顶出缸连接的液压垫上开有大于上支撑柱和下支撑柱直径的导向孔。其优点在于：可大大降低了液压机移动工作台上面板的厚度，不仅节省材料、降低了制造成本，同时还能保证机器的强度和加工精度，因此该结构具有较为广阔的发展前景。综合考虑，选择四柱式液压机床结构。机床方案设计包括运动功能分析，机床布局，机床总体结构设计，在设

39、计过程中充分考虑到加工操作方便，加工质量好，制造成本合理。2.3.3 运动功能分析本机床主运动为电动机主轴带动铆头旋转，进给运动设计为液压缸驱动工作台进行铆接，同时考虑到缩短铆接工作行程，设计工作台升降机构形式，调节工作台与动力的距离，减少铆接过程的空行程。使铆接过程更节省时间。整个过程的运动置于动力头。旋压机床需要两个运动即主轴旋转运动和主轴纵向往复运动来完成铆接。2.3.4 机床总体结构布局设计机床的总体布局设计需要根据工作的要求，充分考虑到操作方便，加工效率高，性能稳定、安全，加工质量好等因素；对于立式铆接摆辗机包括主传动部分、进给传动部分、床身本体、电控与液压系统，液压站和电控箱，开关

40、等。主传动系主要布置在动力头处，包括电动机、偏心机构。进给传动系统采用液压系统进行驱动。另外，主传动、进给传动要考虑各自的稳定性以与配合的，为节省空间，电控与检测系统包含于床身本体。对于液压站其包括了液压系统的供油装置、控制调节装置等，将其独立于机床之外，可以使安装维修方便，液压装置的振动、发热都与机床隔开。考虑到工人操作的方便和效率的提高，选用用脚踏开关作为操作的控制，结合安全操作，脚踏开关开关设置在底座的开槽。根据运动系统组合的不同，拟定以下布局方案。图2.3 摆辗机方案确定形式动力头与液压缸部分分开，主轴只作旋转运动而不作上下往复运动，铆合时由液压缸推动工作台实现向上进给运动。这种立案让

41、动力头只负责旋转轨迹运动，而纵向往复运动则由工作台来完成。大大简化了动力头里面的机构，使得整个机械机构更加简单，另外用液压系统实现工作台的纵向往复运动也是比较容易实现的。与传统铆合机床相比，这种设计结构更加简单，把两个运动分开，省去了原来复杂的结构。由于铆头只要实现螺旋线摆动，结构简化了许多，对轴承和整体的精度和工艺要求也降低了许多，降低制造成本的同时也使机器维修起来更加方便。工作台把原先四柱或单柱支持改成液压升降机构实现上下位移，实现起来很简单，液压系统不复杂，更加有利于现代化生产。四柱式液压机床结构的特点：精密四柱导向承载机构有润滑加油系统，保证机床长期使用寿命； 更加独特的是，四柱尾部有

42、定位套，确保机床在承受侧向负荷时，工作可靠,四柱式结构简单、经济、实用。框架式结构刚性好、精度高、搞偏载能力强。第三章 机床的总体方案和工作台结构设计3.1机床总体方案设计总体方案设计，其由主电机YL-160、铆头、床身立柱、步进电机、工作台等组成， 如图3.1所示图3.1 机床总体方案设计图1. 主电机YL-160 2.铆头 3. 床身立柱 4.步进电机 5.工作台3.2主要部件设计计算3.2.1丝杆的设计丝杠是将旋转运动变成直线运动的传动副零件，在机床上，它是用来完成进给运动的一个重要原件。因为丝杆直接支撑工作台和调节工作台的高低，丝杆承受了绝大部分的铆接力，所以有必要对丝杆进行强度计算来

43、选择其尺寸。丝杠螺旋副常用的螺旋方式有滑动螺旋和滚珠螺旋两种。滑动螺旋的特点：结构简单，加工方便；易于实现逆行程自锁，工作安全可靠；摩擦阻力大，传动效率低；容易磨损，轴向刚度较差。 滚珠螺旋的特点：摩擦阻力小，传动效率高；磨损小、寿命长、工作可靠性好；具有运动的可逆性，应设防逆动装置；轴向刚度较高，抗冲击性能较差；结构复杂，加工制造较难；预紧后得到很高的定位精度（约达5um/300）和重复定位精度（可达12um）。参照设计要求发现，滑动螺旋和滚动螺旋均可满足要求。拟选定滚动螺旋传动方式。滚动螺旋的工作原理如图3-1所示，丝杠4和螺母1的螺纹滚道间置有滚珠2，当丝杠或螺母转动时，滚珠2沿螺纹滚道

44、滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置3，使滚珠在螺母滚道循环。1 螺母 2 滚珠 3 回程引导装置 4 丝杆图3.2 丝杆螺母工作原理已知: 工作台重量   W1=3000N，工作与夹具最大重量W2=2000N，工作台最大行程 LK=300mm，工作台导轨的摩擦系数:动摩擦系数=0.15 ,快速进给速度，Vmax=0.015m/s，定位精度20 m/300mm，全行程25m，重复定位精度10m，要求寿命15000小时(工作五年)。 (1)滚珠丝杆副的选用与校核计算导轨摩擦力 F=·(W1

45、+W2)=750N 其中 W：工作台质量和滑块重量；=0.15：导轨与支撑之间的摩擦系数 表3.1 常用材料的滑动摩擦系数摩擦副材料静摩擦系数us动摩擦系数u无润滑有润滑无润滑有润滑钢-钢0.150.10.120.10.050.1钢-青铜0.10.150.150.180.07(3)预设滚动丝杆基本参数 根据GB/T 17587.2-1998关于公称直径d0标准尺寸和基本导程Ph规定：螺纹公称直径：d0=100 ； 导程：Ph=10； 钢球直径：Dw=1.5mm;圈数×列数：i×k=2.5×1；螺杆滚道曲率：rs=0.52 Dw;移动速度：V=0.015m/s；转速

46、：n=V/Ph=90r/min;(4)计算动载荷Ca Ca=Kh·KF·KH·Fm/Kn=3930.0N 寿命系数Kh =(Ln/500)1/3表3.2 各类机械预期工作寿命Lh表机械类型Lh备注普通机械普通机床数控机床精密机床测试机械航空机械50001000010000150002000020000150001000250（天）×16（h）×10（年）×0.5（开机率）=20000由于是普通丝杆传动，选Lh =15000h；表3.4 载荷系数载荷性质无冲击平稳时一般运行有冲击和振动KF1-1.2 1.2-1.51.5-2表3.5硬度

47、系数硬度系数大于等于585550KH1.01.111.56表3.6 精度系数精度系数1、2、34、57KA1.00.90.8由上表知： 载荷系数KF=1.2；动载荷硬度系数KH=1.0;转速系数Kn=（33.3/n）1/3,其中n是丝杆转速； 短行程系数KL=1.0。(5)螺旋导程角=arctan Ph/（d0）=1.8o（6）基本额定载荷校核Ca Ca=fc（icosa）0.7Z2/3Dwwtana=92694N fc= KF·KH·KA· Fm=900N其中fc：与滚珠丝杆副滚道的几何形状制造精度和材料有关的系数一圈螺纹滚道的钢球数量Z=d0/Dw； 钢球滚到

48、便面在接触点处的公法线与螺纹轴线的垂直线间的夹角a=45 o由上可知：Ca大于Ca（7）驱动转矩TT=(Fm* d0/2)tan（+）=750*5* tan（+）=1524.0N·mm当量摩擦角； 由旋动运动变为直线运动时tan=0.0025（9）当量应力=（4F/d22）2+3(T/0.2 d23)2）1/2=0.16Mpad2= d0+2e-2rs=100+0.06-1.548=98.512mme滚到圆弧偏心距， e= rs-Dw/2=0.03mm（10）许用应力牌号 铸件预计抗拉强度单铸试棒最小抗拉强度（Mpa）用途举例 铸件壁厚（mm）抗拉强度b（Mpa）大于小于等于HT10

49、02.5102030102030401301009080 100适于对强度无要求的零件（外罩、底板）HT1502.510203010203040175145130120 150适于对强度要求不高的零件（机床底架、轴承座）HT2002.510203010203040220195170160 200适用于对强度、耐磨性要求较高的零件（气缸、齿轮）由上表易知：铸铁抗拉强度最小为100Mp，而且刚的抗拉强度较之更大，所以小于，设计符合要求。（11）滚珠丝杆常见的三种安装方式: 固定自由 固定支撑 固定固定 选定，即固定固定 （11）丝杠的主要设计参数 Lj：丝杆两支撑间距离， Lj=35mm； L：丝

50、杆计算长度， L=300mm； E：丝杆材料45的弹性模量 查表可知，45钢：E=2.07*105(Mpa)A丝杆的计算截面积 A=（d0-D）2/43.2.2滚动轴承的选则与校核 选择轴承的类型与多种因素有关，通常根据下列几个因素：允许空间。载荷大小和方向。例如既有径向又有轴向联合载荷一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，如径向载荷大，轴向载荷小，可选深沟球和外圈都有挡边的圆柱滚子轴承，如同时还存在轴或壳体变形大与安装对中性差，可选用推力调心滚子轴承。轴承工作转速。旋转精度。轴承的刚性。轴向游动。由上综合：本设计选用角接触球轴承初选轴承为a=15o的角接触球轴承。（1）径向外载荷Fr： Fr=

51、mg=5000N（2）轴向外载荷Fa： Fa=Fxmax=750N（3）轴承支反力： R1=R2=R=Fr/2=2500N（4）轴承派生轴向力： 查表得：S1=S2=S=0.7R=1750N（5）轴承所受轴向载荷：因S1+ FaS2，则A2= S2+ Fb2= S1+ FA=245N A1= S1=1750N（6）计算轴承所受当量载荷Pr因轴承工作时有冲击，查表载荷系数为fp=1.4，因A1/R1=0.7>e=0.68 A2/R2=0.98>e=0.68且A2>A1， Pr=P2=fp（xR2+ yA1）=1.4×(0.41×2500+0.81×

52、1750)=3420N（7） 基本额定动载荷C C=(Pr/ft) ×(60nL,n/106)3/2=2493.0KN L,h: 轴承预期计算寿命，L,h=15000h, Ft：温度系数，ft =1.0表3.7 温度系数ft工作温度/<120125150175200ft1.00.950.90.850.80根据基本额定载荷C，查找机械手册表5-5-22，初选7220C型角接触轴承。基本参数（尺寸）：径：d=100mm，外径：D=180m，厚度：B=34mm基本额定动载荷Cr=14.9KN， 计算寿命Lh：Lh=(106/60n)(ftCr/Pr) 3=3.9×104h

53、，约13.6年 Lh>L,h=15000h 且C<Cr 因此，轴承合格。3.2.3丝杆的强度计算和稳定性计算机床丝杠不仅要能准确地传递运动，而且还要能传递一定的动力。所以它在精度、强度以与耐磨性各方面，都有一定的要求。其中丝杠的材料选择45,含碳量碳 C ：0.951.04,优点是可加工性能好，价格便宜，来源容易，但是淬透性较差。查机械设计手册，屈服极限s =353MPa,安全系数为5，则许用应力为=423/5 =84.6 MPa，丝杆所受的轴向压力F=150000N受力较大的螺杆需进行强度计算。由于丝杆在此处工作时只承受轴向压力（或拉力）F的作用而不受扭矩T的作用所以其强度条件为

54、则其螺杆强度的计算公式为根据螺杆强度的计算公式=52mm根据标准尺寸，选取丝杆的大径尺寸为D=110mm,小径=103mm,螺距为P=3mm。对于长径比较大的受压丝杆，当轴向力F大于某一临界值时，丝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，丝杆承受的轴向力F必须小于临界载荷。则丝杆的稳定性条件为式中：丝杆稳定性的计算安全系数丝杆稳定性安全系数，因为丝杆为传力螺旋，所以取=4根据欧拉公式，式中E为丝杆材料的拉压弹性模量，I为丝杆危险截面的惯性矩，单位为，为丝杆的长度系数，由机械设计表5-14查得=0.60，为螺母中部到另一端支点的距离，则由此可见丝杆能够满足稳定性要求。第四章 步

55、进电机工作原理与电机选型4.1 步进电机原理分析步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（与步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机的运行是由脉冲信号控制的，步进电机在脉冲信号的有效沿到来的时刻转动一个步距角。常见的步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩

56、输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。步进电机的静态指标术语相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用a表示。a=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为a=360度/（