University	
  of	
  Tennessee	
  
Ball  Screw  Mount  Design  
Mechanical	
  Engineering	
  Senior	
  Design	
  in	
  conjunction	
  with	
  Accu-­‐Router	
  
William	
  Brown,	
  Patirck	
  Connor,	
  Corey	
  Crumpton,	
  Skye	
  Jerrolds	
  
12-­‐12-­‐2014	
  
	
  
1	
  
	
  
Abstract  
A	
  team	
  of	
  mechanical	
  engineering	
  seniors	
  from	
  the	
  University	
  of	
  Tennessee	
  have	
  partnered	
  
with	
  Accu-­‐Router,	
  an	
  environment-­‐friendly	
  computer	
  numerically	
  controlled	
  (CNC)	
  refurbishing	
  
company,	
  to	
  redesign	
  a	
  ball	
  screw	
  mount.	
  	
  These	
  mounts	
  provide	
  both	
  the	
  support	
  structure	
  
and	
  x-­‐axis	
  movement	
  for	
  several	
  different	
  CNC	
  tables	
  Accu-­‐Router	
  plans	
  to	
  refurbish.	
  	
  However,	
  
not	
  only	
  are	
  these	
  mounts	
  costly,	
  but	
  also	
  they	
  require	
  that	
  the	
  ball	
  screw	
  each	
  mount	
  supports	
  
be	
  machined	
  and	
  threaded	
  as	
  well	
  –	
  further	
  adding	
  to	
  both	
  the	
  overall	
  cost	
  and	
  availability	
  of	
  
these	
  two	
  parts.	
  	
  As	
  a	
  company	
  that	
  values	
  timely	
  service	
  and	
  competitive	
  prices,	
  it	
  is	
  of	
  great	
  
importance	
  that	
  the	
  team	
  can	
  produce	
  new	
  mounts	
  that	
  will	
  be	
  in	
  accordance	
  with	
  Accu-­‐
Router’s	
  standards.	
  
The	
  intent	
  of	
  this	
  report	
  is	
  to	
  present	
  the	
  research,	
  redesign,	
  and	
  viability	
  of	
  the	
  new	
  and	
  
improved	
  ball	
  screw	
  mount.	
  	
  In	
  this	
  report,	
  the	
  background	
  of	
  the	
  project	
  is	
  discussed	
  in	
  more	
  
detail,	
  design	
  specifications	
  for	
  current	
  mounts	
  are	
  explained,	
  several	
  different	
  designs	
  are	
  
presented,	
  and	
  a	
  final	
  design	
  is	
  selected	
  as	
  the	
  prototype.	
  	
  For	
  the	
  final	
  design,	
  a	
  finite	
  element	
  
analysis	
  is	
  performed	
  through	
  Solidworks,	
  a	
  prototype	
  is	
  assembled	
  and	
  tested	
  during	
  the	
  
spring	
  semester,	
  and	
  the	
  acquired	
  data	
  is	
  analyzed	
  and	
  documented.	
  	
  	
  
This	
  team	
  believes	
  that	
  through	
  the	
  efforts	
  outlined	
  in	
  this	
  report,	
  a	
  superior	
  mount	
  design	
  will	
  
successfully	
  be	
  implemented	
  into	
  Accu-­‐Router’s	
  line	
  of	
  CNC	
  machines.	
  
	
   	
  
2	
  
	
  
Table  of  Contents  
Abstract	
  .......................................................................................................................................................	
  1	
  
Background	
  of	
  Problem	
  ...............................................................................................................................	
  3	
  
Work	
  Statement	
  ..........................................................................................................................................	
  3	
  
Design	
  Specifications	
  ...................................................................................................................................	
  4	
  
Design	
  Concepts	
  ..........................................................................................................................................	
  5	
  
Design	
  A	
  ...................................................................................................................................................	
  5	
  
Design	
  B	
  ...................................................................................................................................................	
  8	
  
Design	
  C	
  .................................................................................................................................................	
  10	
  
Evaluation	
  of	
  Concepts	
  ..............................................................................................................................	
  13	
  
Scoring	
  Process	
  ......................................................................................................................................	
  14	
  
Recommendation	
  ..................................................................................................................................	
  14	
  
Sponsor	
  Feedback	
  ..................................................................................................................................	
  15	
  
Finite	
  Element	
  Analysis	
  ..............................................................................................................................	
  15	
  
Fabrication	
  of	
  Prototype	
  ............................................................................................................................	
  18	
  
Economic	
  Impact	
  .......................................................................................................................................	
  22	
  
Conclusion	
  and	
  Recommendations	
  ...........................................................................................................	
  22	
  
Appendix	
  ....................................................................................................................................................	
  24	
  
Gantt	
  Chart	
  ............................................................................................................................................	
  24	
  
September-­‐December	
  ............................................................................................................................	
  24	
  
January-­‐April	
  ..........................................................................................................................................	
  26	
  
January	
  ..................................................................................................................................................	
  26	
  
February	
  .................................................................................................................................................	
  27	
  
March	
  ....................................................................................................................................................	
  27	
  
April	
  .......................................................................................................................................................	
  28	
  
Engineering	
  Calculations	
  ........................................................................................................................	
  29	
  
Detailed	
  Shop	
  Drawings	
  .........................................................................................................................	
  30	
  
	
  
3	
  
	
  
Background  of  Problem  
Accu-­‐Router	
  is	
  a	
  small	
  business	
  that	
  specializes	
  in	
  “green	
  engineering,”	
  specifically	
  for	
  CNC,	
  or	
  
computer	
  numerically	
  controlled,	
  machines.	
  	
  They	
  buy	
  used	
  CNC	
  routers	
  and	
  refurbish	
  them	
  
with	
  added	
  improvements	
  to	
  increase	
  the	
  longevity	
  of	
  the	
  machine.	
  	
  Additionally,	
  the	
  company	
  
also	
  builds	
  these	
  CNC	
  machines	
  from	
  the	
  ground	
  up.	
  	
  Due	
  to	
  their	
  interest	
  in	
  reusing	
  materials,	
  
it	
  would	
  be	
  beneficial	
  to	
  lower	
  costs	
  in	
  as	
  many	
  areas	
  as	
  possible.	
  	
  One	
  area	
  of	
  high	
  cost	
  is	
  the	
  
expense	
  of	
  having	
  both	
  the	
  ball	
  screw	
  mounts	
  and	
  the	
  corresponding	
  ball	
  screws	
  machined.	
  	
  
The	
  overall	
  cost	
  of	
  the	
  mount,	
  $494.49,	
  is	
  due	
  to	
  the	
  labor	
  involved	
  with	
  machining	
  very	
  tight	
  
tolerances	
  for	
  the	
  bore	
  of	
  the	
  ball	
  screw.	
  	
  The	
  cost	
  is	
  further	
  increased	
  because	
  the	
  ends	
  of	
  the	
  
ball	
  screw	
  must	
  be	
  machined	
  not	
  only	
  to	
  match	
  the	
  inside	
  diameter	
  of	
  the	
  mount,	
  but	
  also	
  to	
  
include	
  threads	
  that	
  will	
  secure	
  the	
  ball	
  screw	
  through	
  the	
  mount	
  with	
  a	
  lock	
  nut	
  on	
  the	
  
outside.	
  	
  Additionally,	
  having	
  the	
  ball	
  screw	
  machined	
  and	
  threaded	
  adds	
  a	
  significant	
  lead	
  time	
  
to	
  the	
  availability	
  of	
  this	
  part.	
  	
  This	
  down	
  time	
  is	
  of	
  great	
  concern	
  to	
  Accu-­‐Router,	
  and	
  having	
  a	
  
ball	
  screw	
  that	
  requires	
  no	
  machining	
  would	
  be	
  highly	
  beneficial.	
  
Work  Statement    
The	
  University	
  of	
  Tennessee’s	
  senior	
  design	
  group	
  is	
  dedicated	
  to	
  redesigning	
  and	
  producing	
  a	
  
prototype	
  for	
  an	
  x-­‐axis	
  ball	
  screw	
  mount	
  for	
  Accu-­‐Router.	
  	
  Through	
  the	
  team’s	
  design	
  process	
  
and	
  engineering	
  analysis,	
  a	
  mount	
  will	
  be	
  produced	
  that	
  retains	
  both	
  the	
  integrity	
  of	
  the	
  
original	
  design	
  as	
  well	
  as	
  a	
  reduced	
  price	
  for	
  an	
  overall	
  superior	
  product.	
  
	
  
The	
  main	
  focus	
  of	
  this	
  project	
  is	
  to	
  take	
  an	
  existing	
  component	
  of	
  the	
  CNC	
  machine	
  and	
  
redesign	
  it	
  to	
  produce	
  a	
  more	
  cost	
  effective	
  product.	
  	
  This	
  redesign	
  process	
  integrates	
  previous	
  
mounting	
  specifications,	
  maintains	
  the	
  structural	
  integrity	
  of	
  the	
  original	
  component,	
  and	
  
accounts	
  for	
  material	
  and	
  labor	
  costs	
  of	
  producing	
  a	
  new	
  component.	
  
	
  
The	
  team’s	
  preliminary	
  design	
  is	
  the	
  result	
  of	
  not	
  only	
  eliminating	
  unnecessary	
  material	
  
associated	
  with	
  the	
  component,	
  but	
  also	
  complying	
  with	
  mounting	
  specification	
  requirements	
  
in	
  order	
  to	
  implement	
  the	
  new	
  product	
  into	
  existing	
  CNC	
  tables.	
  	
  	
  
	
  
Finally,	
  the	
  team	
  will	
  report	
  the	
  results	
  of	
  its	
  finite	
  element	
  analysis	
  and	
  prototype	
  testing	
  to	
  
Accu-­‐Router	
  in	
  a	
  timely	
  manner	
  in	
  order	
  to	
  obtain	
  feedback	
  and	
  create	
  a	
  functional	
  component	
  
that	
  meets	
  their	
  standards.	
  
	
  
	
  
	
  
4	
  
	
  
Design  Specifications  
In	
  order	
  to	
  maximize	
  the	
  functionality	
  of	
  the	
  design,	
  the	
  new	
  prototype	
  needs	
  to	
  satisfy	
  the	
  
following	
  criteria	
  depicted	
  in	
  Figure	
  1.	
  
Figure	
  1:	
  Bolt-­‐Hole	
  Pattern	
  Of	
  Original	
  Mount	
  	
  
	
  
	
  
The	
  base	
  of	
  the	
  design	
  must	
  maintain	
  the	
  exact	
  dimensions	
  of	
  the	
  original	
  design,	
  5.25	
  inches	
  
long,	
  4	
  inches	
  wide,	
  and	
  1	
  inch	
  high,	
  and	
  also	
  must	
  contain	
  the	
  four	
  original	
  bolt-­‐holes’	
  pattern.	
  	
  
The	
  location	
  of	
  these	
  bolt-­‐hole	
  centroids,	
  measured	
  from	
  the	
  bottom	
  left	
  corner	
  of	
  the	
  base,	
  
are	
  as	
  follows:	
  0.5	
  inches	
  by	
  0.625	
  inches,	
  0.5	
  inches	
  by	
  3.375	
  inches,	
  4.75	
  inches	
  by	
  .625	
  
inches,	
  and	
  4.75	
  inches	
  by	
  3.375	
  inches.	
  The	
  diameter	
  of	
  all	
  the	
  bolt-­‐holes	
  must	
  be	
  0.41	
  inches.	
  
The	
  height	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  mount	
  and	
  its	
  centroid,	
  measured	
  from	
  the	
  base,	
  are	
  5	
  inches	
  and	
  
3.75	
  inches	
  respectively.	
  The	
  centroid	
  of	
  the	
  mount	
  must	
  be	
  placed	
  2.625	
  inches	
  from	
  the	
  left	
  
and	
  right	
  side	
  of	
  the	
  base.	
  	
  
	
  
Finally,	
  the	
  new	
  design	
  must	
  also	
  have	
  an	
  overall	
  lower	
  cost	
  than	
  the	
  original	
  design.	
  This	
  can	
  
be	
  done	
  by	
  implementing	
  both	
  a	
  creative	
  alternative	
  to	
  not	
  only	
  machining	
  and	
  threading	
  the	
  
ball	
  screw	
  mount,	
  but	
  also	
  by	
  fastening	
  the	
  ball	
  screw	
  with	
  a	
  large	
  lock	
  nut.	
  The	
  new	
  design	
  
must	
  also	
  be	
  able	
  to	
  withstand	
  the	
  required	
  load	
  as	
  well	
  as	
  not	
  produce	
  any	
  axial,	
  lateral,	
  or	
  
rotational	
  loading	
  on	
  the	
  ball	
  screw.	
  
	
  
5	
  
	
  
Design  Concepts  
Design  A  
Features  
The	
  team’s	
  first	
  design	
  (Design	
  A)	
  is	
  a	
  very	
  simple	
  design	
  requiring	
  only	
  two	
  pieces	
  to	
  be	
  
machined.	
  Its	
  simplicity	
  also	
  allows	
  it	
  to	
  be	
  very	
  easily	
  produced,	
  resulting	
  in	
  a	
  reduction	
  of	
  the	
  
cost	
  of	
  production.	
  	
  
This	
  design	
  uses	
  a	
  two-­‐screw	
  clamping	
  system	
  and	
  a	
  setscrew	
  to	
  keep	
  the	
  ball	
  screw	
  in	
  place.	
  
The	
  most	
  important	
  feature	
  of	
  this	
  design	
  is	
  that	
  by	
  increasing	
  the	
  ball	
  screw	
  mount	
  bore,	
  there	
  
is	
  no	
  longer	
  a	
  need	
  to	
  machine	
  down	
  and	
  thread	
  the	
  end	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  to	
  secure	
  it	
  in	
  the	
  
mount.	
  It	
  accomplishes	
  this	
  while	
  also	
  meeting	
  all	
  of	
  the	
  requirements	
  set	
  forth	
  by	
  Accu-­‐Router,	
  
including	
  retaining	
  all	
  original	
  bolt	
  hole	
  patterns,	
  meeting	
  the	
  height	
  requirement	
  of	
  5	
  inches,	
  
and	
  retaining	
  the	
  height	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  bore’s	
  centroid	
  of	
  3.75	
  inches.	
  
Additional	
  new	
  features	
  of	
  Design	
  A	
  are	
  listed	
  below.	
  	
  
-­‐ Removal	
  of	
  the	
  gussets	
  (triangular	
  steel	
  pieces)	
  that	
  were	
  welded	
  on	
  to	
  the	
  side	
  of	
  the	
  
original	
  design.	
  The	
  team	
  concluded	
  that	
  these	
  gussets	
  not	
  only	
  served	
  little	
  purpose,	
  
but	
  also	
  added	
  extra	
  cost	
  to	
  production.	
  	
  
-­‐ Increase	
  in	
  the	
  size	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  bore	
  to	
  1.97	
  inches	
  (50	
  mm).	
  This	
  will	
  allow	
  the	
  ball	
  
screw	
  to	
  fit	
  into	
  the	
  mount	
  with	
  no	
  machining.	
  This	
  will	
  cut	
  down	
  on	
  the	
  amount	
  of	
  
machining	
  and	
  the	
  overall	
  cost.	
  
-­‐ Decrease	
  in	
  overall	
  volume.	
  This	
  was	
  achieved	
  by	
  shortening	
  the	
  length	
  of	
  the	
  neck.	
  The	
  
team	
  determined	
  this	
  would	
  cut	
  down	
  on	
  material	
  cost.	
  
-­‐ Increased	
  width	
  of	
  the	
  base	
  of	
  the	
  neck	
  to	
  accommodate	
  the	
  larger	
  ball	
  screw	
  bore.	
  
-­‐ Changed	
  the	
  position	
  of	
  the	
  clamping	
  system.	
  This	
  was	
  done	
  to	
  meet	
  the	
  5-­‐inch	
  height	
  
requirement.	
  	
  The	
  team	
  removed	
  the	
  screws	
  from	
  the	
  top	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  bore	
  and	
  
instead	
  placed	
  them	
  vertically,	
  perpendicular	
  to	
  the	
  base,	
  and	
  next	
  to	
  the	
  ball	
  screw	
  
bore	
  (Figure	
  5).	
  They	
  lay	
  flush	
  with	
  the	
  topside	
  of	
  the	
  mount	
  due	
  to	
  a	
  counter	
  bore.	
  
Benefits  
Design	
  A	
  is	
  a	
  very	
  simple	
  design	
  that	
  is	
  similar	
  to	
  the	
  original	
  mount.	
  One	
  of	
  the	
  benefits	
  of	
  such	
  
a	
  simple	
  design	
  is	
  that	
  it	
  will	
  require	
  a	
  minimal	
  amount	
  of	
  machining	
  to	
  complete	
  the	
  part,	
  thus	
  
cutting	
  down	
  on	
  overall	
  cost.	
  This	
  design	
  also	
  cuts	
  cost	
  since	
  the	
  addition	
  of	
  the	
  setscrew	
  allows	
  
the	
  ball	
  screw	
  to	
  be	
  clamped	
  into	
  the	
  mount	
  without	
  any	
  machining	
  or	
  threading.	
  Design	
  A	
  is	
  a	
  
practical	
  solution	
  to	
  the	
  problem	
  set	
  forth	
  by	
  Accu-­‐Router	
  as	
  it	
  cuts	
  down	
  on	
  price	
  while	
  still	
  
meeting	
  the	
  standards	
  and	
  requirements	
  expected.	
  	
  
Feasibility    
Design	
  A	
  has	
  a	
  very	
  high	
  feasibility	
  because	
  it	
  is	
  a	
  simple	
  design;	
  it	
  meets	
  all	
  the	
  requirements	
  
and	
  functions	
  as	
  specified	
  by	
  Accu-­‐Router,	
  and	
  it	
  is	
  similar	
  to	
  the	
  original	
  design.	
  All	
  of	
  the	
  
features	
  and	
  benefits	
  specified	
  above	
  will	
  help	
  reduce	
  costs	
  and	
  make	
  this	
  design	
  a	
  very	
  
practical	
  option	
  for	
  replacing	
  Accu-­‐Router’s	
  current	
  ball	
  screw	
  mount.	
  
6	
  
	
  
Figure	
  2:	
  Design	
  A	
  Isometric	
  View	
  
	
  
	
  
Figure	
  3:	
  Design	
  A	
  Front	
  View	
  
7	
  
	
  
Figure	
  4:	
  Design	
  A	
  Top	
  View	
  
	
  
	
  
Figure	
  5:	
  Design	
  A	
  Section	
  View	
  
	
  Note:	
  Not	
  final	
  rendering	
  of	
  models	
  
8	
  
	
  
Design  B  
Features  
The	
  second	
  design	
  is	
  comprised	
  of	
  two	
  components	
  machined	
  on	
  a	
  mill	
  and	
  welded	
  together	
  at	
  
the	
  specified	
  location.	
  The	
  bolt-­‐hole	
  pattern	
  and	
  base	
  dimensions	
  are	
  the	
  same	
  as	
  the	
  original	
  
assembly,	
  however,	
  the	
  height	
  of	
  the	
  base	
  has	
  been	
  reduced	
  to	
  one-­‐half	
  of	
  an	
  inch.	
  The	
  milled	
  
pocket	
  on	
  the	
  top	
  face	
  of	
  the	
  base	
  piece	
  provides	
  a	
  means	
  of	
  precisely	
  attaching	
  the	
  neck	
  of	
  the	
  
assembly.	
  The	
  pocket	
  is	
  130	
  thousandths	
  of	
  an	
  inch	
  deep,	
  and	
  has	
  been	
  designed	
  to	
  be	
  milled	
  
with	
  an	
  end	
  mill	
  no	
  larger	
  than	
  half	
  of	
  an	
  inch	
  in	
  diameter,	
  therefore	
  all	
  internal	
  radii	
  are	
  
greater	
  than	
  one-­‐quarter	
  of	
  an	
  inch.	
  Two	
  of	
  the	
  sides	
  provide	
  orthogonal	
  faces	
  that	
  the	
  
orthogonal	
  sides	
  of	
  the	
  neck	
  can	
  rest	
  against,	
  providing	
  a	
  quick	
  and	
  simple	
  way	
  to	
  align	
  the	
  neck	
  
of	
  the	
  mount	
  perpendicularly	
  during	
  the	
  welding	
  process.	
  The	
  neck	
  of	
  the	
  assembly	
  is	
  4.63	
  
inches	
  tall	
  and	
  rests	
  on	
  the	
  face	
  created	
  by	
  the	
  pocket.	
  This	
  keeps	
  the	
  assembly	
  within	
  the	
  
vertical	
  restriction	
  of	
  5	
  inches.	
  The	
  cross	
  section	
  of	
  the	
  neck	
  is	
  a	
  2-­‐inch	
  by	
  2.93-­‐inch	
  rectangle.	
  
The	
  neck	
  of	
  Design	
  B	
  is	
  reduced	
  compared	
  to	
  the	
  design	
  of	
  the	
  original	
  neck	
  in	
  order	
  to	
  save	
  
material	
  and	
  machining	
  costs.	
  The	
  bore	
  is	
  50	
  millimeters	
  in	
  diameter	
  in	
  order	
  to	
  house	
  the	
  non-­‐
machined	
  ball	
  screw.	
  The	
  top	
  face	
  of	
  the	
  neck	
  contains	
  a	
  bolt-­‐hole	
  protruding	
  into	
  the	
  bore	
  that	
  
is	
  meant	
  to	
  hold	
  a	
  set	
  screw,	
  which	
  prevents	
  twist	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  as	
  well	
  as	
  movement	
  in	
  the	
  
axial	
  direction.	
  Since	
  the	
  bore	
  diameter	
  is	
  increased,	
  the	
  clamping	
  bolts	
  are	
  placed	
  on	
  the	
  side	
  
instead	
  of	
  the	
  top	
  due	
  to	
  the	
  height	
  restriction	
  of	
  5	
  inches.	
  The	
  bolts’	
  axial	
  direction	
  is	
  therefore	
  
oriented	
  to	
  the	
  assembly’s	
  vertical	
  direction.	
  The	
  bolt	
  heads	
  will	
  rest	
  in	
  the	
  counter	
  bore,	
  
allowing	
  the	
  head	
  to	
  be	
  below	
  flush	
  with	
  the	
  top	
  face	
  of	
  the	
  neck,	
  resulting	
  in	
  no	
  bolt	
  resting	
  
above	
  5	
  inches	
  in	
  the	
  vertical	
  direction.	
  
Benefits  
The	
  cost	
  of	
  welding	
  for	
  this	
  design	
  is	
  reduced	
  since	
  the	
  neck	
  can	
  easily	
  be	
  located	
  on	
  the	
  base.	
  
There	
  will	
  be	
  a	
  reduced	
  cost	
  of	
  material	
  since	
  the	
  overall	
  volume	
  has	
  been	
  decreased.	
  The	
  cost	
  
of	
  machining	
  the	
  mount	
  will	
  be	
  reduced	
  since	
  only	
  a	
  base	
  and	
  neck	
  need	
  to	
  be	
  machined	
  
instead	
  of	
  a	
  base,	
  a	
  neck,	
  and	
  two	
  gussets.	
  The	
  cost	
  of	
  machining	
  the	
  ball	
  screw	
  will	
  also	
  be	
  
reduced	
  since	
  only	
  a	
  tapped	
  hole	
  for	
  a	
  set	
  screw	
  will	
  require	
  machining	
  instead	
  of	
  thread	
  on	
  the	
  
outer	
  diameter	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  requiring	
  machining.	
  In	
  addition	
  to	
  the	
  reduced	
  costs,	
  the	
  
design	
  is	
  still	
  able	
  to	
  withstand	
  the	
  required	
  load.	
  
Feasibility  
This	
  design	
  is	
  a	
  simple	
  concept	
  that	
  meets	
  all	
  requirements	
  and	
  functions	
  specified	
  by	
  Accu-­‐
Router.	
  This	
  design	
  is	
  very	
  similar	
  to	
  the	
  original	
  design,	
  and	
  therefore	
  would	
  be	
  very	
  easy	
  to	
  
implement	
  on	
  current	
  and	
  future	
  systems.	
  
9	
  
	
  
Figure	
  6:	
  Design	
  B	
  Isometric	
  View	
  
Figure	
  7:	
  Design	
  B	
  Cross-­‐Sectional	
  View	
  
10	
  
	
  
Design  C  
	
  
Features  
The	
  third	
  design	
  is	
  comprised	
  of	
  four	
  components	
  that	
  are	
  machined	
  and	
  bolted	
  together	
  at	
  the	
  
specified	
  locations.	
  The	
  bolt-­‐hole	
  pattern	
  and	
  base	
  dimensions	
  are	
  the	
  same	
  as	
  the	
  original	
  
assembly,	
  however,	
  the	
  height	
  of	
  the	
  base	
  has	
  been	
  reduced	
  to	
  one-­‐half	
  of	
  an	
  inch.	
  The	
  neck	
  of	
  
the	
  assembly	
  is	
  1.72	
  inches	
  tall	
  and	
  rests	
  symmetrically	
  on	
  the	
  top	
  face	
  of	
  the	
  base.	
  	
  The	
  cross	
  
section	
  of	
  the	
  neck	
  is	
  a	
  0.75-­‐inch	
  by	
  2-­‐inch	
  rectangle.	
  The	
  neck	
  of	
  Design	
  C	
  is	
  reduced	
  compared	
  
to	
  the	
  design	
  of	
  the	
  original	
  neck	
  in	
  order	
  to	
  save	
  material	
  and	
  machining	
  costs.	
  The	
  neck	
  
attaches	
  to	
  the	
  base	
  via	
  two	
  bolts	
  that	
  are	
  run	
  from	
  the	
  bottom	
  of	
  the	
  base.	
  The	
  neck	
  supports	
  
the	
  bottom	
  of	
  the	
  clamping	
  head.	
  The	
  clamping	
  head	
  is	
  attached	
  to	
  the	
  neck	
  via	
  two	
  bolts	
  that	
  
are	
  run	
  from	
  the	
  top	
  of	
  the	
  bottom	
  clamping	
  head.	
  The	
  clamping	
  head	
  contains	
  a	
  cylindrical	
  
extruded	
  cut	
  that	
  is	
  used	
  to	
  house	
  and	
  center	
  the	
  ball	
  screw.	
  The	
  bore	
  will	
  be	
  increased	
  to	
  50	
  
millimeters	
  in	
  diameter	
  in	
  order	
  to	
  house	
  the	
  non-­‐machined	
  ball	
  screw.	
  The	
  top	
  clamping	
  head	
  
is	
  attached	
  to	
  the	
  bottom	
  clamping	
  head	
  via	
  four	
  bolts	
  on	
  the	
  four	
  corners	
  of	
  the	
  clamping	
  
heads.	
  The	
  two	
  heads	
  do	
  not	
  come	
  into	
  contact,	
  and	
  instead	
  has	
  a	
  cylindrical	
  bore	
  that	
  houses	
  
the	
  ball	
  screw.	
  The	
  bolts	
  then	
  provide	
  the	
  clamping	
  force	
  that	
  the	
  clamping	
  heads	
  produce	
  on	
  
the	
  ball	
  screw.	
  The	
  top	
  face	
  of	
  the	
  clamping	
  head	
  contains	
  a	
  bolt-­‐hole	
  protruding	
  into	
  the	
  bore	
  
that	
  is	
  meant	
  to	
  hold	
  a	
  set	
  screw,	
  which	
  will	
  prevent	
  twist	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  as	
  well	
  as	
  
movement	
  in	
  the	
  axial	
  direction.	
  The	
  bottom	
  clamping	
  head’s	
  dimensions	
  are	
  2.9	
  inches	
  long,	
  2	
  
inches	
  wide,	
  and	
  1.15	
  inches	
  high	
  with	
  the	
  exception	
  of	
  the	
  bore	
  and	
  bolt	
  holes.	
  The	
  top	
  
clamping	
  head’s	
  dimensions	
  are	
  2.9	
  inches	
  long,	
  2	
  inches	
  wide,	
  and	
  1	
  inch	
  high	
  with	
  the	
  
exception	
  of	
  the	
  bore	
  and	
  bolt	
  holes.	
  
Benefits  
This	
  design	
  eliminates	
  the	
  cost	
  of	
  welding	
  since	
  the	
  components	
  are	
  now	
  attached	
  via	
  bolts.	
  
The	
  cost	
  of	
  material	
  is	
  reduced	
  since	
  the	
  overall	
  volume	
  has	
  been	
  decreased.	
  The	
  cost	
  of	
  
machining	
  the	
  ball	
  screw	
  is	
  also	
  reduced.	
  Only	
  a	
  tapped	
  hole	
  for	
  a	
  set	
  screw	
  will	
  need	
  to	
  be	
  
machined	
  instead	
  of	
  thread	
  on	
  the	
  outer	
  diameter	
  of	
  the	
  ball	
  screw.	
  In	
  addition	
  to	
  the	
  reduced	
  
costs,	
  the	
  design	
  is	
  still	
  able	
  to	
  withstand	
  the	
  required	
  load.	
  
Feasibility  
This	
  design	
  is	
  a	
  relatively	
  simple	
  concept	
  that	
  meets	
  all	
  requirements	
  and	
  functions	
  specified	
  by	
  
Accu–Router.	
  In	
  order	
  to	
  implement	
  the	
  design,	
  the	
  user	
  would	
  simply	
  apply	
  a	
  thread-­‐locker	
  to	
  
the	
  bolts	
  as	
  they	
  are	
  placed	
  in	
  the	
  appropriate	
  locations.	
  The	
  mount	
  is	
  then	
  placed	
  in	
  the	
  
appropriate	
  location	
  as	
  the	
  ball	
  screw	
  is	
  located	
  and	
  mounted.	
  
	
  
11	
  
	
  
Figure	
  8:	
  Design	
  C	
  Isometric	
  View	
  
Figure	
  9:	
  Design	
  C	
  Cross	
  Sectional	
  View	
  Section	
  A-­‐A	
  
12	
  
	
  
Figure	
  10:	
  Design	
  C	
  Cross	
  Sectional	
  View	
  Section	
  B-­‐B	
  
13	
  
	
  
Evaluation  of  Concepts    
In	
  order	
  to	
  determine	
  the	
  team’s	
  ideal	
  design,	
  a	
  Pugh	
  chart	
  was	
  created	
  that	
  evaluates	
  the	
  
benefits	
  and	
  drawbacks	
  of	
  the	
  three	
  designs.	
  	
  The	
  two	
  main	
  criteria	
  of	
  the	
  Pugh	
  chart	
  are	
  cost	
  
and	
  safety,	
  and	
  each	
  criterion	
  is	
  given	
  50%	
  total	
  weight.	
  Figure	
  11	
  shows	
  the	
  details	
  of	
  the	
  Pugh	
  
chart.	
  
	
  
	
  
Priority	
  	
  
	
  
Design	
  A	
   Design	
  B	
   Design	
  C	
  
0.5	
   Safety	
   	
   	
   	
  
0.1	
   Load	
  Capacity	
   3	
   3	
   2	
  
0.4	
   Torque	
  Resistance	
   3	
   3	
   2	
  
0.5	
   Cost	
   	
   	
   	
  
0.2	
   Welding	
   1	
   2	
   3	
  
0.1	
   Machining	
   2	
   2	
   1	
  
0.1	
   Assembly	
   2	
   3	
   2	
  
0.1	
   Material	
   1	
   1	
   3	
  
	
  
Total	
   2.2	
   2.5	
   2.2	
  
	
  
	
  *Total	
  	
  =	
  priority*ranking	
  
	
  *Rankings	
  on	
  1-­‐3	
  scale	
  	
  
	
   	
   	
  	
  
Figure	
  11:	
  Matrix	
  Decision	
  Pugh	
  Chart	
  	
  
	
  
Within	
  the	
  safety	
  category,	
  the	
  two	
  subcategories	
  were	
  load	
  capacity	
  and	
  torque	
  resistance.	
  
Torque	
  resistance	
  was	
  given	
  40%	
  weight	
  due	
  to	
  the	
  continuous	
  rotational	
  forces	
  the	
  motor	
  
applies	
  to	
  the	
  ball	
  screw	
  while	
  it	
  is	
  in	
  use.	
  	
  The	
  load	
  capacity	
  was	
  given	
  10%	
  weight	
  since	
  the	
  
ball	
  screw	
  only	
  experiences	
  minimal	
  axial	
  forces	
  that	
  are	
  transmitted	
  to	
  the	
  mounts.	
  
	
  
Within	
  the	
  cost	
  category,	
  the	
  four	
  subcategories	
  were	
  welding,	
  machining,	
  assembly,	
  and	
  
material.	
  Machining	
  was	
  given	
  20%	
  weight	
  due	
  to	
  the	
  major	
  considerations	
  of	
  machining	
  both	
  
the	
  mounts	
  and	
  the	
  ball	
  screw.	
  	
  A	
  design	
  that	
  could	
  successfully	
  accommodate	
  a	
  non-­‐machined	
  
ball	
  screw	
  would	
  decrease	
  cost	
  and	
  availability	
  time	
  significantly;	
  therefore	
  this	
  category	
  was	
  
weighted	
  with	
  more	
  importance	
  compared	
  to	
  the	
  other	
  cost	
  categories.	
  	
  Although	
  the	
  labor	
  
costs	
  for	
  welding	
  are	
  generally	
  higher	
  than	
  machining,	
  each	
  design	
  concept	
  requires	
  no	
  more	
  
welding	
  than	
  the	
  original	
  design,	
  and	
  thus	
  welding	
  was	
  only	
  given	
  10%	
  weight.	
  	
  Assembly	
  was	
  
given	
  10%	
  weight	
  as	
  well	
  to	
  account	
  for	
  the	
  differences	
  between	
  the	
  assembly	
  of	
  the	
  original	
  
design,	
  Design	
  A,	
  Design	
  B,	
  and	
  Design	
  C.	
  	
  Finally,	
  material	
  costs	
  were	
  also	
  given	
  10%	
  weight	
  
because	
  the	
  team	
  intends	
  to	
  use	
  the	
  same	
  material	
  as	
  the	
  current	
  mounts.	
  
14	
  
	
  
Scoring  Process  
The	
  scoring	
  process	
  took	
  each	
  design	
  and	
  rated	
  all	
  of	
  the	
  categories	
  on	
  a	
  1	
  to	
  3	
  scale,	
  where	
  1	
  
represents	
  a	
  poor	
  performance	
  and	
  3	
  represents	
  an	
  excellent	
  performance.	
  	
  Each	
  score	
  given	
  
was	
  an	
  estimate	
  based	
  on	
  the	
  knowledge	
  that	
  the	
  team	
  has	
  of	
  both	
  general	
  machine	
  design	
  
and	
  the	
  original	
  design.	
  The	
  rest	
  of	
  this	
  section	
  will	
  highlight	
  the	
  strengths	
  and	
  weaknesses	
  of	
  
each	
  design.	
  	
  	
  
	
  
Design	
  A	
  was	
  scored	
  a	
  3	
  in	
  each	
  safety	
  category	
  since	
  Design	
  A	
  varied	
  only	
  slightly	
  from	
  the	
  
original	
  design,	
  and	
  the	
  original	
  design	
  had	
  an	
  exceptional	
  safety	
  performance.	
  	
  In	
  the	
  cost	
  
section,	
  Design	
  A	
  scored	
  a	
  2	
  in	
  the	
  machining	
  and	
  assembly	
  categories	
  since	
  the	
  gussets	
  are	
  
removed	
  from	
  the	
  original	
  design.	
  	
  Finally,	
  Design	
  A	
  scored	
  a	
  1	
  in	
  the	
  welding	
  and	
  material	
  
categories.	
  	
  Although	
  the	
  welding	
  and	
  material	
  requirements	
  for	
  Design	
  A	
  were	
  less	
  than	
  the	
  
original	
  design,	
  they	
  required	
  significantly	
  more	
  welding	
  and	
  material	
  than	
  the	
  other	
  design	
  
concepts.	
  	
  	
  
	
  
Similar	
  to	
  Design	
  A,	
  Design	
  B	
  scored	
  a	
  3	
  in	
  each	
  safety	
  category	
  since	
  Design	
  B	
  also	
  closely	
  
resembles	
  the	
  original	
  design.	
  	
  In	
  the	
  cost	
  section,	
  Design	
  B	
  scored	
  a	
  3	
  in	
  assembly	
  because	
  it	
  
only	
  requires	
  the	
  attachment	
  of	
  the	
  base	
  plate	
  to	
  the	
  mount	
  itself.	
  	
  However,	
  this	
  design	
  scored	
  
a	
  2	
  in	
  machining	
  and	
  welding	
  since	
  it	
  requires	
  a	
  great	
  deal	
  of	
  machining	
  for	
  the	
  milled	
  cutout	
  so	
  
both	
  the	
  alignment	
  of	
  the	
  mount	
  and	
  welding	
  of	
  the	
  mount	
  into	
  the	
  cutout.	
  	
  Finally,	
  Design	
  B	
  
scored	
  a	
  1	
  in	
  material	
  because,	
  similar	
  to	
  Design	
  A,	
  it	
  requires	
  more	
  material	
  than	
  design	
  C.	
  	
  	
  
	
  
Finally,	
  Design	
  C	
  scored	
  a	
  2	
  in	
  each	
  safety	
  category	
  due	
  to	
  the	
  unique	
  design’s	
  unknown	
  
reliability,	
  caused	
  from	
  its	
  slender	
  neck	
  not	
  being	
  able	
  to	
  withstand	
  the	
  rotational	
  forces	
  
applied	
  to	
  the	
  mount.	
  	
  In	
  the	
  cost	
  section,	
  Design	
  C	
  scored	
  a	
  3	
  in	
  material	
  and	
  welding	
  since	
  it	
  
requires	
  very	
  little	
  material	
  as	
  well	
  as	
  no	
  welding.	
  	
  This	
  design	
  scored	
  a	
  2	
  in	
  assembly	
  since	
  the	
  
user	
  is	
  required	
  to	
  assemble	
  the	
  entire	
  mount.	
  	
  Finally,	
  this	
  design	
  scored	
  a	
  1	
  in	
  machining	
  since	
  
each	
  component	
  requires	
  individual	
  machining,	
  thus	
  increasing	
  the	
  cost	
  of	
  the	
  mount.	
  	
  	
  	
  
Recommendation  
Originally,	
  the	
  team	
  recommended	
  Design	
  B	
  since	
  its	
  overall	
  score	
  on	
  the	
  Pugh	
  chart	
  was	
  a	
  2.5,	
  
while	
  the	
  other	
  designs	
  each	
  scored	
  a	
  2.2.	
  	
  Based	
  on	
  the	
  assumption	
  that	
  Design	
  B	
  was	
  similar	
  
to	
  the	
  original	
  design,	
  the	
  team	
  was	
  confident	
  it	
  would	
  not	
  only	
  be	
  reliable,	
  but	
  also	
  reduce	
  
costs	
  due	
  to	
  the	
  simplicity	
  of	
  accurately	
  aligning	
  the	
  neck	
  onto	
  the	
  base	
  via	
  the	
  milled	
  cutout.	
  	
  
However,	
  in	
  case	
  Design	
  B	
  was	
  not	
  sufficient,	
  the	
  team	
  decided	
  that	
  Design	
  A	
  would	
  be	
  the	
  next	
  
best	
  option,	
  despite	
  that	
  both	
  Design	
  A	
  and	
  Design	
  C	
  scored	
  a	
  2.2	
  on	
  the	
  Pugh	
  chart.	
  The	
  
justification	
  behind	
  this	
  decision	
  was	
  that	
  Design	
  A	
  was	
  closer	
  to	
  the	
  original	
  design	
  than	
  Design	
  
C,	
  and	
  therefore	
  would	
  have	
  less	
  safety	
  risks.	
  
	
  
	
  
15	
  
	
  
Sponsor  Feedback  
Although	
  Design	
  B	
  was	
  recommended	
  to	
  Accu-­‐Router,	
  they	
  informed	
  the	
  team	
  that	
  there	
  is	
  a	
  
high	
  risk	
  of	
  the	
  steel	
  distorting	
  when	
  being	
  welded	
  into	
  a	
  milled	
  piece.	
  Therefore,	
  they	
  decided	
  
that	
  Design	
  A	
  would	
  be	
  the	
  best	
  choice	
  among	
  the	
  three	
  designs.	
  Based	
  on	
  the	
  decision	
  matrix	
  
and	
  scoring	
  process,	
  the	
  team	
  supported	
  their	
  decision.	
  Since	
  Design	
  A	
  is	
  similar	
  to	
  the	
  original	
  
design,	
  it	
  would	
  create	
  the	
  least	
  amount	
  of	
  unknown	
  variables	
  when	
  the	
  part	
  is	
  tested.	
  
Finite  Element  Analysis    
	
   	
  
The	
  team	
  decided	
  to	
  do	
  a	
  finite	
  element	
  analysis	
  (FEA)	
  to	
  determine	
  the	
  maximum	
  stresses	
  and	
  
the	
  factor	
  of	
  safety	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  mount.	
  To	
  do	
  the	
  FEA,	
  the	
  decision	
  was	
  made	
  to	
  create	
  a	
  
model	
  assembly	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  mount,	
  the	
  ball	
  screw,	
  and	
  the	
  setscrew	
  within	
  Solidworks.	
  
The	
  team	
  ran	
  into	
  difficulties	
  replicating	
  the	
  ball	
  screw	
  and	
  setscrew,	
  so	
  the	
  decision	
  was	
  made	
  
to	
  model	
  them	
  as	
  cylinders.	
  The	
  simulated	
  ball	
  screw	
  was	
  a	
  cylinder	
  with	
  a	
  diameter	
  of	
  50	
  
millimeters	
  and	
  a	
  length	
  of	
  12	
  inches.	
  The	
  simulated	
  setscrew	
  was	
  a	
  cylinder	
  modeled	
  after	
  an	
  
8-­‐32	
  and	
  5/16	
  inch	
  set	
  screw.	
  However,	
  the	
  team	
  later	
  learned	
  that	
  the	
  8-­‐32	
  set	
  screw	
  had	
  
problems	
  breaking	
  after	
  use,	
  and	
  therefore	
  was	
  changed	
  to	
  a	
  ¼-­‐20	
  sized	
  screw	
  instead.	
  After	
  
assembling	
  these	
  models,	
  the	
  simulation	
  program	
  in	
  Solidworks	
  was	
  used	
  to	
  run	
  the	
  analysis.	
  	
  
During	
  the	
  simulation	
  program,	
  a	
  torque	
  and	
  an	
  axial	
  force	
  was	
  applied	
  on	
  the	
  ball	
  screw	
  (see	
  
Figure	
  12).	
  The	
  torque	
  was	
  found	
  using	
  the	
  motor	
  specs	
  that	
  were	
  acquired	
  from	
  Accu-­‐Router.	
  
The	
  axial	
  force	
  was	
  found	
  using	
  the	
  maximum	
  speed	
  of	
  the	
  table,	
  the	
  time	
  it	
  takes	
  to	
  reach	
  the	
  
maximum	
  speed,	
  and	
  the	
  weight	
  of	
  the	
  table.	
  The	
  torque	
  applied	
  was	
  70	
  N-­‐m	
  (51.6	
  ft-­‐lb),	
  and	
  
the	
  axial	
  force	
  applied	
  was	
  414	
  lbs.	
  	
  To	
  simulate	
  the	
  mount	
  being	
  bolted	
  on	
  to	
  the	
  machine,	
  the	
  
bottom	
  face	
  of	
  the	
  mount	
  was	
  fixed.	
  In	
  an	
  iterative	
  process,	
  the	
  team	
  simulated	
  tightening	
  the	
  
bolts	
  down	
  and	
  deforming	
  the	
  top	
  face	
  of	
  the	
  mount	
  by	
  up	
  to	
  2mm.	
  	
  
Figure	
  12:	
  FEA	
  Model	
  Assembly	
  
16	
  
	
  
Once	
  all	
  of	
  the	
  forces	
  were	
  applied,	
  a	
  mesh	
  was	
  created	
  of	
  the	
  assembly	
  and	
  the	
  simulation	
  was	
  
performed.	
  Several	
  variables	
  attained	
  from	
  the	
  analysis	
  include	
  the	
  maximum	
  stresses,	
  the	
  
location	
  of	
  the	
  maximum	
  stresses	
  (see	
  Figure	
  13),	
  and	
  the	
  factor	
  of	
  safety	
  (see	
  Figure	
  14).	
  All	
  of	
  
these	
  values	
  are	
  located	
  on	
  Table	
  1.	
  The	
  team	
  was	
  also	
  interested	
  in	
  finding	
  out	
  if	
  the	
  setscrew	
  
would	
  be	
  able	
  to	
  withstand	
  the	
  shear	
  and	
  axial	
  forces	
  applied,	
  as	
  well	
  as	
  determining	
  what	
  type	
  
and	
  size	
  of	
  weld	
  would	
  be	
  appropriate	
  to	
  use.	
  	
  
Figure	
  13:	
  FEA	
  Stress	
  Diagram	
  
Figure	
  14:	
  FEA	
  Factor	
  of	
  Safety	
  Diagram	
  
	
  
17	
  
	
  
After	
  running	
  the	
  simulation	
  and	
  analyzing	
  the	
  acquired	
  data,	
  the	
  team	
  determined	
  that	
  the	
  
setscrew	
  would	
  be	
  able	
  to	
  withstand	
  the	
  required	
  shear	
  and	
  axial	
  forces.	
  This	
  data	
  was	
  also	
  
used	
  to	
  determine	
  the	
  appropriate	
  type	
  and	
  size	
  of	
  weld	
  to	
  connect	
  the	
  base	
  plate	
  and	
  the	
  
neck.	
  After	
  analyzing	
  the	
  data	
  and	
  researching	
  different	
  welds,	
  it	
  was	
  determined	
  that	
  a	
  ¼	
  inch,	
  
E	
  6011	
  welding	
  rod	
  used	
  in	
  a	
  fillet	
  weld	
  would	
  produce	
  the	
  best	
  results.	
  This	
  welding	
  rod	
  was	
  
chosen	
  because	
  it	
  has	
  a	
  high	
  maximum	
  strength	
  (60	
  kpsi)	
  and	
  it	
  has	
  a	
  high	
  tolerance	
  for	
  
combining	
  imperfect	
  joints.	
  	
  
	
  
Table	
  1:	
  FEA	
  Data	
  
Max.	
  Stresses	
  (FEA)	
   1.64	
  kpsi	
  
Location	
  of	
  Max.	
  Stresses	
   Along	
  weld,	
  bolt	
  counter	
  bores,	
  where	
  
mount	
  contacts	
  ball	
  screw	
  
Factor	
  of	
  Safety	
  (Min.)	
   22	
  
Factor	
  of	
  Safety	
  (Max.)	
   50	
  (max.	
  on	
  team	
  scale)	
  
Factor	
  of	
  Safety	
  (Avg.)	
   36	
  
Recommended	
  Setscrew	
   ¼	
  -­‐	
  20	
  5/16”	
  
Recommended	
  Weld	
   ¼	
  “	
  E6011	
  fillet	
  weld	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
18	
  
	
  
Fabrication  of  Prototype      
	
  
Before	
  the	
  first	
  prototypes	
  were	
  produced,	
  a	
  few	
  changes	
  were	
  made	
  to	
  the	
  mounts	
  within	
  
Solidworks.	
  After	
  the	
  small	
  modifications	
  were	
  completed,	
  Accu-­‐Router	
  was	
  contacted	
  and	
  the	
  
final	
  detailed	
  shop	
  drawings	
  were	
  sent.	
  Accu-­‐Router	
  officially	
  put	
  in	
  the	
  work	
  order	
  for	
  the	
  
mount	
  at	
  the	
  end	
  of	
  December.	
  Once	
  the	
  prototype	
  was	
  delivered	
  a	
  few	
  tests	
  were	
  developed	
  
to	
  run	
  on	
  the	
  mounts.	
  These	
  tests	
  were	
  developed	
  to	
  see	
  if	
  the	
  requirements	
  set	
  by	
  Accu-­‐
Router	
  were	
  met.	
  The	
  requirements	
  included:	
  the	
  ball	
  screw	
  must	
  fit	
  in	
  the	
  mount,	
  the	
  ball	
  
screw	
  must	
  not	
  twist	
  in	
  the	
  mount,	
  and	
  the	
  ball	
  screw	
  must	
  not	
  push	
  or	
  pull	
  within	
  the	
  mount.	
  	
  	
  
  
  
Fig.	
  15	
  Prototype	
  
Special  Considerations,  Issues  in  Building  Prototype  
The	
  original	
  plan	
  was	
  to	
  tap	
  the	
  ball	
  screw	
  to	
  allow	
  the	
  setscrew,	
  located	
  on	
  top	
  of	
  the	
  mount,	
  
to	
  screw	
  in	
  to	
  the	
  ball	
  screw	
  ensuring	
  no	
  twist	
  within	
  the	
  mount	
  occurred.	
  When	
  the	
  team	
  
approached	
  the	
  machine	
  shop	
  to	
  tap	
  the	
  ball	
  screw,	
  it	
  was	
  brought	
  to	
  the	
  team’s	
  attention	
  that	
  
unless	
  the	
  mount	
  and	
  the	
  ball	
  screw	
  were	
  tapped	
  at	
  the	
  same	
  time,	
  the	
  threads	
  would	
  not	
  
match	
  up.	
  The	
  solution	
  was	
  to	
  drill	
  a	
  hole	
  in	
  the	
  ball	
  screw	
  with	
  a	
  diameter	
  of	
  (0.25	
  in.),	
  which	
  is	
  
the	
  major	
  diameter	
  of	
  the	
  setscrew,	
  see	
  Fig.	
  16,	
  in	
  order	
  to	
  use	
  the	
  set	
  screw	
  as	
  a	
  pin.	
  
19	
  
	
  
	
  
Fig.	
  16	
  End	
  of	
  Ball	
  screw	
  with	
  hole	
  
Design  of  Test  Apparatus  and  Test  Procedure  
Before	
  the	
  prototype	
  was	
  tested	
  on	
  a	
  machine,	
  a	
  simple	
  test	
  was	
  designed	
  to	
  ensure	
  that	
  the	
  
mount	
  met	
  the	
  requirements	
  set	
  forth	
  by	
  Accu-­‐Router,	
  which	
  were:	
  the	
  mount	
  must	
  house	
  the	
  
ball	
  screw,	
  the	
  ball	
  screw	
  must	
  not	
  twist	
  within	
  the	
  mount,	
  and	
  the	
  ball	
  screw	
  must	
  not	
  move	
  
axially	
  within	
  the	
  mount.	
  	
  
The	
  team	
  was	
  given	
  some	
  values	
  for	
  external	
  forces	
  that	
  would	
  be	
  applied	
  to	
  the	
  ball	
  screw,	
  
including	
  a	
  70	
  N*m	
  torque,	
  and	
  a	
  1400	
  N	
  axial	
  force.	
  In	
  order	
  to	
  apply	
  the	
  torque	
  on	
  the	
  ball	
  
screw,	
  a	
  hexagonal	
  nut	
  was	
  welded	
  to	
  the	
  end	
  of	
  the	
  ball	
  screw,	
  see	
  Fig.	
  17.	
  This	
  was	
  done	
  so	
  
that	
  the	
  team	
  could	
  take	
  a	
  wrench	
  and	
  apply	
  a	
  torque	
  to	
  the	
  ball	
  screw.	
  To	
  simulate	
  the	
  
conditions	
  the	
  mount	
  would	
  most	
  likely	
  see	
  when	
  placed	
  on	
  an	
  operating	
  machine,	
  the	
  test	
  
needed	
  to	
  fix	
  the	
  base	
  of	
  the	
  mount,	
  insert	
  the	
  ball	
  screw,	
  and	
  apply	
  our	
  external	
  forces.	
  
  
Fig.	
  17	
  Welded	
  Nut	
  
20	
  
	
  
For	
  the	
  first	
  test,	
  the	
  base	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  was	
  fixed	
  to	
  a	
  workbench	
  using	
  3	
  medium	
  sized	
  C-­‐
clamps.	
  A	
  two-­‐foot	
  section	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  was	
  then	
  inserted	
  into	
  the	
  mount.	
  To	
  secure	
  the	
  
ball	
  screw	
  within	
  the	
  mount,	
  two	
  clamping	
  bolts	
  and	
  a	
  setscrew	
  were	
  inserted	
  and	
  tightened.	
  
Once	
  the	
  forces	
  were	
  applied,	
  it	
  was	
  determined	
  if	
  any	
  twisting,	
  or	
  pushing/	
  pulling	
  occurred	
  
within	
  the	
  mount.	
  To	
  apply	
  the	
  loads,	
  a	
  wrench	
  was	
  used	
  that	
  was	
  approximately	
  a	
  foot	
  long.	
  
The	
  wrench	
  was	
  oriented	
  as	
  close	
  to	
  horizontal	
  as	
  possible	
  in	
  order	
  to	
  ensure	
  the	
  greatest	
  
amount	
  of	
  torque,	
  and	
  then	
  a	
  weight	
  of	
  160	
  pounds	
  was	
  hung	
  from	
  the	
  end.	
  This	
  resulted	
  in	
  a	
  
moment	
  slightly	
  more	
  than	
  three	
  times	
  the	
  given	
  value	
  of	
  70	
  N*m.	
  
	
  
  
Fig.	
  18	
  Simple	
  Test	
  in	
  Estabrook	
  
After	
  the	
  simple	
  test	
  was	
  completed,	
  the	
  team	
  traveled	
  to	
  the	
  Accu-­‐Router	
  plant	
  in	
  Morrison,	
  
TN.	
  The	
  purpose	
  of	
  this	
  visit	
  was	
  to	
  test	
  the	
  mounts	
  on	
  the	
  machines	
  that	
  the	
  mounts	
  would	
  be	
  
used	
  on.	
  Once	
  the	
  mounts	
  were	
  bolted	
  onto	
  the	
  CNC	
  machine,	
  a	
  full-­‐length	
  ball	
  screw	
  was	
  
inserted	
  and	
  supported	
  solely	
  by	
  the	
  newly	
  designed	
  mounts.	
  The	
  clamping	
  bolts	
  were	
  inserted	
  
and	
  tightened,	
  and	
  it	
  was	
  decided	
  that	
  the	
  first	
  test	
  would	
  be	
  completed	
  without	
  the	
  use	
  of	
  the	
  
setscrew.	
  If	
  needed,	
  a	
  second	
  test	
  would	
  be	
  run	
  with	
  a	
  set	
  screw	
  inserted.	
  An	
  accelerometer	
  
was	
  also	
  placed	
  on	
  the	
  table	
  to	
  get	
  a	
  more	
  accurate	
  value	
  for	
  the	
  axial	
  force	
  applied	
  to	
  the	
  ball	
  
screw.	
  
21	
  
	
  
           
Fig.	
  19	
  Accu-­‐Router	
  Test	
  1&2	
  
  
Fig.	
  20	
  Accu-­‐Router	
  Test	
  3	
  
Test  Results  
Preliminary  Testing  
This	
  test	
  involved	
  tightening	
  the	
  clamping	
  screws,	
  as	
  well	
  as	
  inserting	
  the	
  setscrew.	
  After	
  
applying	
  approximately	
  three	
  times	
  the	
  given	
  load	
  of	
  70	
  N*m	
  torque	
  to	
  the	
  end	
  of	
  the	
  ball	
  
screw,	
  there	
  was	
  no	
  visible	
  twisting	
  or	
  axial	
  movement	
  within	
  the	
  mount.	
  	
  
Real  World  Testing  
This	
  test	
  involved	
  bolting	
  the	
  prototype	
  mounts	
  to	
  the	
  machines	
  in	
  which	
  they	
  would	
  be	
  used	
  
on.	
  For	
  this	
  test	
  we	
  only	
  tightened	
  the	
  clamping	
  bolts	
  and	
  did	
  not	
  include	
  the	
  setscrew.	
  After	
  
the	
  machine	
  was	
  run,	
  there	
  was	
  no	
  twisting,	
  pushing,	
  or	
  pulling	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  within	
  the	
  
22	
  
	
  
mount.	
  The	
  data	
  recorded	
  by	
  the	
  accelerometer	
  provided	
  an	
  acceleration	
  of	
  the	
  table	
  of	
  36.702	
  
ft/s.	
  Using	
  the	
  acceleration	
  data,	
  along	
  with	
  the	
  weight	
  of	
  the	
  table	
  (1200	
  lb	
  or	
  37.267	
  slugs),	
  
the	
  axial	
  force	
  was	
  calculated	
  at	
  1367.77	
  lbf.	
  This	
  is	
  greater	
  than	
  the	
  predicted	
  axial	
  force	
  due	
  
to	
  the	
  fact	
  that	
  Accu-­‐Router	
  uses	
  a	
  bell	
  shaped	
  curve	
  to	
  model	
  the	
  acceleration	
  rate.	
  This	
  curve	
  
was	
  unavailable	
  to	
  the	
  team	
  previous	
  to	
  the	
  site	
  testing,	
  and	
  therefore	
  constant	
  acceleration	
  
had	
  to	
  be	
  assumed.	
  
The	
  tests	
  ran	
  on	
  the	
  prototypes	
  show	
  that	
  the	
  new	
  mounts	
  can	
  withstand	
  the	
  maximum	
  loads	
  
without	
  allowing	
  any	
  movement	
  of	
  the	
  ball	
  screw.	
  It	
  was	
  also	
  found	
  that	
  the	
  mounts	
  secure	
  the	
  
ball	
  screw	
  with	
  or	
  with	
  out	
  the	
  setscrew	
  inserted.	
  The	
  tests	
  also	
  showed	
  that	
  the	
  ball	
  screw	
  
could	
  be	
  secured	
  without	
  having	
  to	
  machine	
  the	
  ends	
  down.	
  Ultimately,	
  the	
  testing	
  showed	
  
that	
  meet	
  all	
  requirements	
  set	
  forth	
  by	
  Accu-­‐Router.	
  	
    
Economic  Impact    
	
  
Since	
  the	
  main	
  objective	
  of	
  this	
  design	
  was	
  to	
  decrease	
  the	
  overall	
  costs	
  associated	
  with	
  the	
  
mount,	
  economic	
  impact	
  played	
  a	
  significant	
  role	
  in	
  designing	
  of	
  the	
  model.	
  Two	
  ways	
  the	
  
overall	
  cost	
  was	
  decreased	
  was	
  by	
  removing	
  the	
  gussets	
  off	
  the	
  side	
  of	
  the	
  mount	
  as	
  well	
  as	
  
increasing	
  the	
  bore	
  diameter	
  in	
  order	
  to	
  reduce	
  the	
  machining	
  cost	
  of	
  the	
  ball	
  screw.	
  The	
  result	
  
is	
  a	
  price	
  reduction	
  of	
  375	
  dollars.	
  Excluding	
  the	
  additional	
  costs	
  of	
  turning	
  the	
  ball	
  screw,	
  the	
  
original	
  mount’s	
  quote	
  is	
  495	
  dollars.	
  The	
  newly	
  designed	
  mount’s	
  quote	
  is	
  120	
  dollars.	
  This	
  
quote	
  also	
  excludes	
  the	
  cost	
  of	
  machining	
  the	
  ball	
  screw,	
  however	
  immensely	
  less	
  machining	
  is	
  
involved;	
  therefore,	
  there	
  will	
  be	
  a	
  significant	
  price	
  reduction	
  associated	
  with	
  the	
  ball	
  screw	
  as	
  
well.	
  Since	
  the	
  new	
  design	
  decreases	
  the	
  cost	
  by	
  a	
  factor	
  of	
  4.125	
  (or	
  a	
  price	
  reduction	
  of	
  
75.8%),	
  the	
  design	
  has	
  an	
  undisputable	
  positive	
  impact.	
  
	
  
Conclusion  and  Recommendations  
	
  
The	
  objective	
  of	
  this	
  design	
  project	
  was	
  to	
  design	
  a	
  cheaper	
  mount	
  for	
  a	
  CNC	
  ball	
  screw	
  that	
  
still	
  withstands	
  the	
  maximum	
  loads	
  on	
  the	
  ball	
  screw	
  without	
  allowing	
  the	
  ball	
  screw	
  to	
  rotate	
  
or	
  move	
  axially.	
  This	
  was	
  achieved	
  via	
  computer	
  animated	
  design	
  software,	
  finite	
  element	
  
analysis	
  software,	
  and	
  the	
  fabrication	
  of	
  a	
  prototype	
  to	
  ensure	
  the	
  design	
  works.	
  The	
  results	
  of	
  
the	
  finite	
  element	
  analysis	
  show	
  that	
  the	
  model	
  withstands	
  the	
  maximum	
  axial	
  and	
  torsional	
  
loads.	
  The	
  test	
  of	
  the	
  prototype	
  also	
  showed	
  that	
  the	
  model	
  withstands	
  the	
  maximum	
  loads	
  
without	
  allowing	
  rotation	
  or	
  axial	
  movement.	
  In	
  addition	
  to	
  withstanding	
  the	
  maximum	
  loads,	
  
the	
  model	
  is	
  also	
  cheaper	
  than	
  the	
  original	
  design.	
  This	
  is	
  due	
  to	
  the	
  decreased	
  machining	
  costs	
  
23	
  
	
  
of	
  the	
  components	
  involved	
  as	
  well	
  as	
  significantly	
  less	
  machining	
  to	
  the	
  ball	
  screw	
  itself.	
  The	
  
result	
  is	
  a	
  cheaper,	
  yet	
  functional	
  model.	
  
During	
  the	
  prototype	
  testing,	
  the	
  ball	
  screw	
  was	
  mounted	
  on	
  two	
  of	
  the	
  designed	
  mounts.	
  
Neither	
  side	
  of	
  the	
  ball	
  screw	
  had	
  a	
  setscrew	
  in	
  place.	
  Based	
  on	
  this	
  lack	
  of	
  a	
  set	
  screw	
  as	
  well	
  
as	
  the	
  results	
  in	
  the	
  testing,	
  the	
  design	
  team	
  from	
  the	
  University	
  of	
  Tennessee	
  observes	
  that	
  a	
  
set	
  screw	
  is	
  not	
  needed,	
  which	
  would	
  further	
  decrease	
  the	
  cost	
  of	
  the	
  mount	
  and	
  screw	
  
assembly.	
  However	
  the	
  team	
  recommends	
  the	
  use	
  of	
  this	
  set	
  screw.	
  While	
  both	
  ends	
  do	
  not	
  
need	
  one,	
  the	
  assembly	
  is	
  more	
  reliable	
  and	
  can	
  withstand	
  more	
  loads	
  over	
  time	
  with	
  the	
  
setscrew	
  in	
  place.	
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
	
  
	
  
	
  
24	
  
	
  
Appendix  
	
  
Gantt  Chart  
September-­‐December  
  
September  
Task	
  
Start	
  
Date	
  
End	
  
Date	
  
#	
  
of	
  
Days	
  
16-­‐
Sep	
  
17-­‐
Sep	
  
18-­‐
Sep	
  
19-­‐
Sep	
  
20-­‐
Sep	
  
21-­‐
Sep	
  
22-­‐
Sep	
  
23-­‐
Sep	
  
24-­‐
Sep	
  
25-­‐
Sep	
  
26-­‐
Sep	
  
27-­‐
Sep	
  
28-­‐
Sep	
  
29-­‐
Sep	
  
30-­‐
Sep	
  
Func.	
  
and	
  
Req.	
  
Docu-­‐
ment	
  
9/16/14	
   9/23/14	
   8	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Design	
  
Con-­‐
cepts	
  
9/23/14	
   9/25/14	
   3	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Pugh	
  
Chart	
  
9/25/14	
   9/30/14	
   6	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
	
  
During	
  the	
  month	
  of	
  September,	
  the	
  team	
  focused	
  on	
  planning	
  the	
  initial	
  design	
  ideas	
  and	
  
evaluated	
  the	
  pros	
  and	
  cons	
  of	
  each	
  design	
  by	
  creating	
  a	
  Pugh	
  Chart.	
  	
  A	
  functions	
  and	
  
requirements	
  document	
  was	
  also	
  prepared	
  that	
  details	
  the	
  specifications	
  for	
  each	
  design.	
  
	
  
October  
Task	
  
Start	
  
Date	
  
End	
  
Date	
  
#	
  
of	
  
Days	
  
1-­‐	
  
Oct	
  
2-­‐
Oct	
  
3-­‐
Oct	
  
4-­‐
Oct	
  
5-­‐
Oct	
  
6-­‐
Oct	
  
7-­‐
Oct	
  
8-­‐
Oct	
  
9-­‐
Oct	
  
10-­‐
Oct	
  
11-­‐
Oct	
  
12-­‐
Oct	
  
13-­‐
Oct	
  
14-­‐
Oct	
  
15-­‐
Oct	
  
16-­‐
Oct	
  
Pugh	
  	
  
Chart	
  
10/1/14	
   10/7/14	
   7	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
1st	
  	
  
Design	
  
Review	
  
10/7/14	
   10/7/14	
   1	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Final	
  	
  
Design	
  
Decision	
  
10/7/14	
   10/21/14	
   15	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
3-­‐D	
  	
  
Model	
  
10/21/14	
   10/31/14	
   11	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Assembly	
  
Drawing	
  
10/21/14	
   10/31/14	
   11	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Design	
  	
  
of	
  
Subsystems	
  
10/21/14	
   10/31/14	
   11	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
25	
  
	
  
Task	
   Start	
  Date	
  
End	
  
Date	
  
#	
  
of	
  
Days	
  
17-­‐
Oct	
  
18-­‐
Oct	
  
19-­‐
Oct	
  
20-­‐
Oct	
  
21-­‐
Oct	
  
22-­‐
Oct	
  
23-­‐
Oct	
  
24-­‐
Oct	
  
25-­‐
Oct	
  
26-­‐
Oct	
  
27-­‐
Oct	
  
28-­‐
Oct	
  
29-­‐
Oct	
  
30-­‐
Oct	
  
31-­‐
Oct	
  
Pugh	
  
Chart	
  
10/1/14	
   10/7/14	
   7	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
1
st
	
  
Design	
  
Review	
  
10/7/14	
   10/7/14	
   1	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Final	
  
Design	
  
Decision	
  
10/7/14	
  
10/21/1
4	
  
15	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
3-­‐D	
  
Model	
  
10/21/14	
  
10/31/1
4	
  
11	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Assembly	
  
Drawing	
  
10/21/14	
  
10/31/1
4	
  
11	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Design	
  
of	
  
Subsystems	
  
10/21/14	
  
10/31/1
4	
  
11	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
During	
  the	
  month	
  of	
  October,	
  the	
  team	
  presented	
  each	
  of	
  the	
  three	
  designs	
  to	
  Accu-­‐Router,	
  
and	
  a	
  mutual	
  decision	
  to	
  pursue	
  Design	
  A	
  was	
  reached	
  after	
  evaluating	
  the	
  pros	
  and	
  cons	
  of	
  
each	
  design.	
  After	
  the	
  final	
  design	
  was	
  determined,	
  a	
  3D	
  model	
  and	
  an	
  assembly	
  drawing	
  of	
  the	
  
new	
  design	
  were	
  created	
  in	
  Solidworks.	
  
November  
Task	
  
Start	
  
Date	
  
End	
  
Date	
  
#	
  
of	
  
Days	
  
1-­‐	
  
Nov	
  
2-­‐
Nov	
  
3-­‐
Nov	
  
4-­‐
Nov	
  
5-­‐
Nov	
  
6-­‐
Nov	
  
7-­‐
Nov	
  
8-­‐
Nov	
  
9-­‐
Nov	
  
10-­‐
Nov	
  
11-­‐
Nov	
  
12-­‐
Nov	
  
13-­‐
Nov	
  
14-­‐
Nov	
  
15-­‐
Nov	
  
3-­‐D	
  
Model	
  
11/1/14	
   11/15/14	
   15	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Assembly	
  
Drawing	
  
11/1/14	
   11/15/14	
   15	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Design	
  
of	
  
Sub-­‐
systems	
  
11/1/14	
   11/15/14	
   15	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
2
nd
	
  
Design	
  
Review	
  
	
  
11/7/14	
   11/20/14	
   14	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Design	
  
Report	
  
11/1/14	
   11/31/14	
   31	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Task	
  
Start	
  
Date	
  
End	
  
Date	
  
#	
  
of	
  
Days	
  
16-­‐
Nov	
  
17-­‐
Nov	
  
18-­‐
Nov	
  
19-­‐
Nov	
  
20-­‐
Nov	
  
21-­‐
Nov	
  
22-­‐
Nov	
  
23-­‐
Nov	
  
24-­‐
Nov	
  
25-­‐
Nov	
  
26-­‐
Nov	
  
27-­‐
Nov	
  
28-­‐
Nov	
  
29-­‐
Nov	
  
30-­‐
Nov	
  
3-­‐D	
  
Model	
  
11/1/14	
   11/15/14	
   16	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Assembly	
  
Drawing	
  
11/1/14	
   11/15/14	
   16	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Design	
  
of	
  
Sub-­‐
systems	
  
11/1/14	
   11/15/14	
   16	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
2
nd
	
  
Design	
  
Review	
  
11/7/14	
   11/20/14	
   14	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Design	
  
Report	
  
11/1/14	
   11/31/14	
   31	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
	
  
26	
  
	
  
During	
  the	
  month	
  of	
  November,	
  the	
  team	
  continued	
  to	
  work	
  on	
  the	
  3D	
  model	
  and	
  assembly	
  
drawing	
  of	
  the	
  new	
  design.	
  An	
  FEA	
  analysis	
  was	
  completed	
  in	
  Solidworks	
  to	
  determine	
  if	
  the	
  
new	
  part	
  could	
  bear	
  both	
  the	
  required	
  load	
  and	
  torque	
  while	
  maintaining	
  a	
  high	
  safety	
  factor.	
  
Once	
  this	
  was	
  completed,	
  the	
  team	
  prepared	
  to	
  present	
  the	
  acquired	
  data	
  to	
  Accu-­‐Router	
  for	
  
the	
  second	
  design	
  presentation	
  at	
  the	
  beginning	
  of	
  December.	
  
December  
Task	
   Start	
  Date	
   End	
  Date	
   #	
  of	
  Days	
   1-­‐Dec	
   2-­‐Dec	
   3-­‐Dec	
   4-­‐Dec	
   5-­‐Dec	
   6-­‐Dec	
   7-­‐Dec	
   8-­‐Dec	
   9-­‐Dec	
   10-­‐Dec	
   11-­‐Dec	
  
2nd	
  Design	
  Presentation	
   12/3/14	
   12/3/14	
   1	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
First	
  Prototype	
   12/1/14	
   12/3/14	
   3	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Spring	
  Gant	
  Chart	
   12/1/14	
   12/11/14	
   11	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
During	
  the	
  month	
  of	
  December,	
  the	
  team	
  presented	
  the	
  acquired	
  data	
  to	
  Accu-­‐Router	
  to	
  show	
  
that	
  the	
  new	
  design	
  would	
  be	
  both	
  reliable	
  and	
  cost	
  efficient.	
  Plans	
  for	
  next	
  semester’s	
  work	
  
were	
  laid	
  out,	
  and	
  a	
  completed	
  final	
  report	
  on	
  the	
  team’s	
  progress	
  during	
  this	
  semester	
  was	
  
submitted.	
  
	
  
January-­‐April  
	
  
January  
Task	
   Start	
  Date	
  
End	
  
Date	
  
#	
  of	
  
Days	
   7-­‐Jan	
   8-­‐Jan	
   9-­‐Jan	
   10-­‐Jan	
   11-­‐Jan	
   12-­‐Jan	
   13-­‐Jan	
   14-­‐Jan	
   15-­‐Jan	
   16-­‐Jan	
   17-­‐Jan	
   18-­‐Jan	
  
Adjust	
  Part	
  to	
  
be	
  Re-­‐
manufactured	
  
(If	
  Needed)	
  
1/7/15	
   1/21/15	
   15	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Manufacturing	
  
of	
  Ball	
  Screw	
  
Mount	
  by	
  Accu-­‐
Router*	
  
1/7/15	
   2/21/15	
   46	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
	
  
Task	
  
Start	
  
Date	
  
End	
  
Date	
  
#	
  of	
  
Days	
   19-­‐Jan	
   20-­‐Jan	
   21-­‐Jan	
   22-­‐Jan	
   23-­‐Jan	
   24-­‐Jan	
   25-­‐Jan	
   26-­‐Jan	
   27-­‐Jan	
   28-­‐Jan	
   29-­‐Jan	
   30-­‐Jan	
  
Adjust	
  Part	
  to	
  
be	
  Re-­‐
manufactured	
  
(If	
  Needed)	
  
1/7/15	
   1/21/15	
   15	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Manufacturing	
  
of	
  Ball	
  Screw	
  
Mount	
  by	
  Accu-­‐
Router*	
  
1/7/15	
   2/21/15	
   46	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
	
  
27	
  
	
  
February  
Task	
  
Start	
  
Date	
  
End	
  
Date	
  
#	
  of	
  
Days	
  
1-­‐
Feb	
  
2-­‐
Feb	
  
3-­‐
Feb	
  
4-­‐
Feb	
  
5-­‐
Feb	
  
6-­‐
Feb	
  
7-­‐
Feb	
  
8-­‐
Feb	
  
9-­‐
Feb	
  
10-­‐
Feb	
  
11-­‐
Feb	
  
12-­‐
Feb	
  
13-­‐
Feb	
  
14-­‐
Feb	
  
Manufacturing	
  of	
  
Ball	
  Screw	
  Mount	
  
by	
  Accu-­‐Router*	
  
1/7/15	
   2/21/15	
   39	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Strain	
  Test	
  -­‐	
  
Prototype	
  
2/1/15	
   2/21/15	
   21	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Vibration	
  Test	
  -­‐	
  
Prototype	
  
2/7/15	
   2/28/15	
   21	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Report	
  -­‐	
  Special	
  
Considerations	
  /	
  
Issues	
  in	
  Building	
  
Prototype	
  
2/1/15	
   2/28/15	
   28	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
	
  
Task	
  
Start	
  
Date	
   End	
  Date	
  
#	
  of	
  
Days	
  
15-­‐
Feb	
  
16-­‐
Feb	
  
17-­‐
Feb	
  
18-­‐
Feb	
  
19-­‐
Feb	
  
20-­‐
Feb	
  
21-­‐
Feb	
  
22-­‐
Feb	
  
23-­‐
Feb	
  
24-­‐
Feb	
  
25-­‐
Feb	
  
26-­‐
Feb	
  
27-­‐
Feb	
  
28-­‐
Feb	
  
Manufacturing	
  
of	
  Ball	
  Screw	
  
Mount	
  by	
  
Accu-­‐Router*	
  
1/7/15	
   2/21/15	
   39	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Strain	
  Test	
  -­‐	
  
Prototype	
  
2/1/15	
   2/21/15	
   21	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Vibration	
  Test	
  
-­‐	
  Prototype	
  
2/7/15	
   2/28/15	
   21	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Report	
  -­‐	
  
Special	
  
Considerations	
  
/	
  Issues	
  in	
  
Building	
  
Prototype	
  
2/1/15	
   2/28/15	
   28	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
	
  
*Accu-­‐Router	
  is	
  given	
  21	
  extra	
  days	
  to	
  manufacture	
  the	
  ball	
  screw	
  mount	
  in	
  case	
  of	
  unexpected	
  
delays	
  
March  
Task	
  
Start	
  
Date	
   End	
  Date	
  
#	
  of	
  
Days	
  
1-­‐
Mar	
  
2-­‐
Mar	
  
3-­‐
Mar	
  
4-­‐
Mar	
  
5-­‐
Mar	
  
6-­‐
Mar	
  
7-­‐
Mar	
  
8-­‐
Mar	
  
9-­‐
Mar	
  
10-­‐
Mar	
  
11-­‐
Mar	
  
12-­‐
Mar	
  
13-­‐
Mar	
  
14-­‐
Mar	
  
15-­‐
Mar	
  
Report	
  -­‐	
  
Design	
  of	
  
Test	
  
Apparatus	
  
and	
  Test	
  
Procedure	
  
3/1/15	
   3/7/15	
   7	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Analyze	
  
Data	
  From	
  
Testing	
  
3/1/15	
   3/15/15	
   15	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
	
  
28	
  
	
  
Task	
  
Start	
  
Date	
  
End	
  
Date	
  
#	
  of	
  
Days	
  
16-­‐
Mar	
  
17-­‐
Mar	
  
18-­‐
Mar	
  
19-­‐
Mar	
  
20-­‐
Mar	
  
21-­‐
Mar	
  
22-­‐
Mar	
  
23-­‐
Mar	
  
24-­‐
Mar	
  
25-­‐
Mar	
  
26-­‐
Mar	
  
27-­‐
Mar	
  
28-­‐
Mar	
  
29-­‐
Mar	
  
30-­‐
Mar	
  
31-­‐
Mar	
  
Report	
  -­‐	
  Test	
  
Results	
  
3/16/15	
   3/22/15	
   7	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Report	
  -­‐	
  
Economic	
  
Impact	
  
3/23/15	
   3/31/15	
   9	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Presentation	
  
Preparation	
  
3/16/15	
   3/31/15	
   16	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
	
  
April  
Task	
  
Start	
  
Date	
   End	
  Date	
  
#	
  of	
  
Days	
  
1-­‐
Apr	
  
2-­‐
Apr	
  
3-­‐
Apr	
  
4-­‐
Apr	
  
5-­‐
Apr	
  
6-­‐
Apr	
  
7-­‐
Apr	
  
8-­‐
Apr	
  
9-­‐
Apr	
  
10-­‐
Apr	
  
11-­‐
Apr	
  
12-­‐
Apr	
  
13-­‐
Apr	
  
14-­‐
Apr	
  
15-­‐
Apr	
  
Presentation	
  
(Date	
  
Tentative	
  for	
  
Early	
  April)	
  
4/1/15	
   4/1/15	
   1	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
Final	
  Report	
   4/1/15	
   4/15/15	
   15	
  
	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
   	
  	
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
	
  
29	
  
	
  
Engineering  Calculations  
	
  
Calculated	
  Axial	
  Force	
  
	
   Table	
  ! = 1600  !!!	
  	
  
	
   Table	
  Velocity	
  ! = 3000
!"
!"#
	
  	
  in	
  0.5!	
  
	
   Table	
  Acceleration	
  ! = 8.33
!"
!!	
  
	
   Axial	
  Force	
  ! = !" =
!
!
∗ ! =
!"##
!".!
∗ 8.33 = 414.9  !!!	
  
Measured	
  Axial	
  Force	
  
	
   Table	
  ! = 1200  !!!	
  
	
   From	
  accelerometer	
  
	
   	
   Gravity	
  =	
  658  !"	
  
	
   	
   Table’s	
  Acceleration	
  =  750  !"	
  
	
   ! =
!"#$%
!"#$%&'
∗ ! =
!"#
!"#
∗ 32.2 = 36.702
!"
!!	
  
	
   Axial	
  Force	
  ! = !" =
!
!
∗ ! =
!"##
!".!
∗ 36.702 = 1367.77  !!!	
  
Cost	
   	
   	
  
	
   Old	
  $495	
  
	
   New	
  $120	
  
	
   $495 − $120 = $375	
  Decrease	
  in	
  price	
  	
   	
  
	
  
!"#!!"#
!"#
∗ 100% = 75.8%	
  Reduction	
  in	
  cost	
  
  
  
  
  
  
  
  
  
	
  
30	
  
	
  
Detailed  Shop  Drawings  
	
  
	
  
	
  
	
  

Ballscrew Mount Final Report

  • 1.
      University  of  Tennessee   Ball  Screw  Mount  Design   Mechanical  Engineering  Senior  Design  in  conjunction  with  Accu-­‐Router   William  Brown,  Patirck  Connor,  Corey  Crumpton,  Skye  Jerrolds   12-­‐12-­‐2014    
  • 2.
    1     Abstract  A  team  of  mechanical  engineering  seniors  from  the  University  of  Tennessee  have  partnered   with  Accu-­‐Router,  an  environment-­‐friendly  computer  numerically  controlled  (CNC)  refurbishing   company,  to  redesign  a  ball  screw  mount.    These  mounts  provide  both  the  support  structure   and  x-­‐axis  movement  for  several  different  CNC  tables  Accu-­‐Router  plans  to  refurbish.    However,   not  only  are  these  mounts  costly,  but  also  they  require  that  the  ball  screw  each  mount  supports   be  machined  and  threaded  as  well  –  further  adding  to  both  the  overall  cost  and  availability  of   these  two  parts.    As  a  company  that  values  timely  service  and  competitive  prices,  it  is  of  great   importance  that  the  team  can  produce  new  mounts  that  will  be  in  accordance  with  Accu-­‐ Router’s  standards.   The  intent  of  this  report  is  to  present  the  research,  redesign,  and  viability  of  the  new  and   improved  ball  screw  mount.    In  this  report,  the  background  of  the  project  is  discussed  in  more   detail,  design  specifications  for  current  mounts  are  explained,  several  different  designs  are   presented,  and  a  final  design  is  selected  as  the  prototype.    For  the  final  design,  a  finite  element   analysis  is  performed  through  Solidworks,  a  prototype  is  assembled  and  tested  during  the   spring  semester,  and  the  acquired  data  is  analyzed  and  documented.       This  team  believes  that  through  the  efforts  outlined  in  this  report,  a  superior  mount  design  will   successfully  be  implemented  into  Accu-­‐Router’s  line  of  CNC  machines.      
  • 3.
    2     Table of  Contents   Abstract  .......................................................................................................................................................  1   Background  of  Problem  ...............................................................................................................................  3   Work  Statement  ..........................................................................................................................................  3   Design  Specifications  ...................................................................................................................................  4   Design  Concepts  ..........................................................................................................................................  5   Design  A  ...................................................................................................................................................  5   Design  B  ...................................................................................................................................................  8   Design  C  .................................................................................................................................................  10   Evaluation  of  Concepts  ..............................................................................................................................  13   Scoring  Process  ......................................................................................................................................  14   Recommendation  ..................................................................................................................................  14   Sponsor  Feedback  ..................................................................................................................................  15   Finite  Element  Analysis  ..............................................................................................................................  15   Fabrication  of  Prototype  ............................................................................................................................  18   Economic  Impact  .......................................................................................................................................  22   Conclusion  and  Recommendations  ...........................................................................................................  22   Appendix  ....................................................................................................................................................  24   Gantt  Chart  ............................................................................................................................................  24   September-­‐December  ............................................................................................................................  24   January-­‐April  ..........................................................................................................................................  26   January  ..................................................................................................................................................  26   February  .................................................................................................................................................  27   March  ....................................................................................................................................................  27   April  .......................................................................................................................................................  28   Engineering  Calculations  ........................................................................................................................  29   Detailed  Shop  Drawings  .........................................................................................................................  30    
  • 4.
    3     Background of  Problem   Accu-­‐Router  is  a  small  business  that  specializes  in  “green  engineering,”  specifically  for  CNC,  or   computer  numerically  controlled,  machines.    They  buy  used  CNC  routers  and  refurbish  them   with  added  improvements  to  increase  the  longevity  of  the  machine.    Additionally,  the  company   also  builds  these  CNC  machines  from  the  ground  up.    Due  to  their  interest  in  reusing  materials,   it  would  be  beneficial  to  lower  costs  in  as  many  areas  as  possible.    One  area  of  high  cost  is  the   expense  of  having  both  the  ball  screw  mounts  and  the  corresponding  ball  screws  machined.     The  overall  cost  of  the  mount,  $494.49,  is  due  to  the  labor  involved  with  machining  very  tight   tolerances  for  the  bore  of  the  ball  screw.    The  cost  is  further  increased  because  the  ends  of  the   ball  screw  must  be  machined  not  only  to  match  the  inside  diameter  of  the  mount,  but  also  to   include  threads  that  will  secure  the  ball  screw  through  the  mount  with  a  lock  nut  on  the   outside.    Additionally,  having  the  ball  screw  machined  and  threaded  adds  a  significant  lead  time   to  the  availability  of  this  part.    This  down  time  is  of  great  concern  to  Accu-­‐Router,  and  having  a   ball  screw  that  requires  no  machining  would  be  highly  beneficial.   Work  Statement     The  University  of  Tennessee’s  senior  design  group  is  dedicated  to  redesigning  and  producing  a   prototype  for  an  x-­‐axis  ball  screw  mount  for  Accu-­‐Router.    Through  the  team’s  design  process   and  engineering  analysis,  a  mount  will  be  produced  that  retains  both  the  integrity  of  the   original  design  as  well  as  a  reduced  price  for  an  overall  superior  product.     The  main  focus  of  this  project  is  to  take  an  existing  component  of  the  CNC  machine  and   redesign  it  to  produce  a  more  cost  effective  product.    This  redesign  process  integrates  previous   mounting  specifications,  maintains  the  structural  integrity  of  the  original  component,  and   accounts  for  material  and  labor  costs  of  producing  a  new  component.     The  team’s  preliminary  design  is  the  result  of  not  only  eliminating  unnecessary  material   associated  with  the  component,  but  also  complying  with  mounting  specification  requirements   in  order  to  implement  the  new  product  into  existing  CNC  tables.         Finally,  the  team  will  report  the  results  of  its  finite  element  analysis  and  prototype  testing  to   Accu-­‐Router  in  a  timely  manner  in  order  to  obtain  feedback  and  create  a  functional  component   that  meets  their  standards.        
  • 5.
    4     Design Specifications   In  order  to  maximize  the  functionality  of  the  design,  the  new  prototype  needs  to  satisfy  the   following  criteria  depicted  in  Figure  1.   Figure  1:  Bolt-­‐Hole  Pattern  Of  Original  Mount         The  base  of  the  design  must  maintain  the  exact  dimensions  of  the  original  design,  5.25  inches   long,  4  inches  wide,  and  1  inch  high,  and  also  must  contain  the  four  original  bolt-­‐holes’  pattern.     The  location  of  these  bolt-­‐hole  centroids,  measured  from  the  bottom  left  corner  of  the  base,   are  as  follows:  0.5  inches  by  0.625  inches,  0.5  inches  by  3.375  inches,  4.75  inches  by  .625   inches,  and  4.75  inches  by  3.375  inches.  The  diameter  of  all  the  bolt-­‐holes  must  be  0.41  inches.   The  height  of  the  ball  screw  mount  and  its  centroid,  measured  from  the  base,  are  5  inches  and   3.75  inches  respectively.  The  centroid  of  the  mount  must  be  placed  2.625  inches  from  the  left   and  right  side  of  the  base.       Finally,  the  new  design  must  also  have  an  overall  lower  cost  than  the  original  design.  This  can   be  done  by  implementing  both  a  creative  alternative  to  not  only  machining  and  threading  the   ball  screw  mount,  but  also  by  fastening  the  ball  screw  with  a  large  lock  nut.  The  new  design   must  also  be  able  to  withstand  the  required  load  as  well  as  not  produce  any  axial,  lateral,  or   rotational  loading  on  the  ball  screw.    
  • 6.
    5     Design Concepts   Design  A   Features   The  team’s  first  design  (Design  A)  is  a  very  simple  design  requiring  only  two  pieces  to  be   machined.  Its  simplicity  also  allows  it  to  be  very  easily  produced,  resulting  in  a  reduction  of  the   cost  of  production.     This  design  uses  a  two-­‐screw  clamping  system  and  a  setscrew  to  keep  the  ball  screw  in  place.   The  most  important  feature  of  this  design  is  that  by  increasing  the  ball  screw  mount  bore,  there   is  no  longer  a  need  to  machine  down  and  thread  the  end  of  the  ball  screw  to  secure  it  in  the   mount.  It  accomplishes  this  while  also  meeting  all  of  the  requirements  set  forth  by  Accu-­‐Router,   including  retaining  all  original  bolt  hole  patterns,  meeting  the  height  requirement  of  5  inches,   and  retaining  the  height  of  the  ball  screw  bore’s  centroid  of  3.75  inches.   Additional  new  features  of  Design  A  are  listed  below.     -­‐ Removal  of  the  gussets  (triangular  steel  pieces)  that  were  welded  on  to  the  side  of  the   original  design.  The  team  concluded  that  these  gussets  not  only  served  little  purpose,   but  also  added  extra  cost  to  production.     -­‐ Increase  in  the  size  of  the  ball  screw  bore  to  1.97  inches  (50  mm).  This  will  allow  the  ball   screw  to  fit  into  the  mount  with  no  machining.  This  will  cut  down  on  the  amount  of   machining  and  the  overall  cost.   -­‐ Decrease  in  overall  volume.  This  was  achieved  by  shortening  the  length  of  the  neck.  The   team  determined  this  would  cut  down  on  material  cost.   -­‐ Increased  width  of  the  base  of  the  neck  to  accommodate  the  larger  ball  screw  bore.   -­‐ Changed  the  position  of  the  clamping  system.  This  was  done  to  meet  the  5-­‐inch  height   requirement.    The  team  removed  the  screws  from  the  top  of  the  ball  screw  bore  and   instead  placed  them  vertically,  perpendicular  to  the  base,  and  next  to  the  ball  screw   bore  (Figure  5).  They  lay  flush  with  the  topside  of  the  mount  due  to  a  counter  bore.   Benefits   Design  A  is  a  very  simple  design  that  is  similar  to  the  original  mount.  One  of  the  benefits  of  such   a  simple  design  is  that  it  will  require  a  minimal  amount  of  machining  to  complete  the  part,  thus   cutting  down  on  overall  cost.  This  design  also  cuts  cost  since  the  addition  of  the  setscrew  allows   the  ball  screw  to  be  clamped  into  the  mount  without  any  machining  or  threading.  Design  A  is  a   practical  solution  to  the  problem  set  forth  by  Accu-­‐Router  as  it  cuts  down  on  price  while  still   meeting  the  standards  and  requirements  expected.     Feasibility     Design  A  has  a  very  high  feasibility  because  it  is  a  simple  design;  it  meets  all  the  requirements   and  functions  as  specified  by  Accu-­‐Router,  and  it  is  similar  to  the  original  design.  All  of  the   features  and  benefits  specified  above  will  help  reduce  costs  and  make  this  design  a  very   practical  option  for  replacing  Accu-­‐Router’s  current  ball  screw  mount.  
  • 7.
    6     Figure  2:  Design  A  Isometric  View       Figure  3:  Design  A  Front  View  
  • 8.
    7     Figure  4:  Design  A  Top  View       Figure  5:  Design  A  Section  View    Note:  Not  final  rendering  of  models  
  • 9.
    8     Design B   Features   The  second  design  is  comprised  of  two  components  machined  on  a  mill  and  welded  together  at   the  specified  location.  The  bolt-­‐hole  pattern  and  base  dimensions  are  the  same  as  the  original   assembly,  however,  the  height  of  the  base  has  been  reduced  to  one-­‐half  of  an  inch.  The  milled   pocket  on  the  top  face  of  the  base  piece  provides  a  means  of  precisely  attaching  the  neck  of  the   assembly.  The  pocket  is  130  thousandths  of  an  inch  deep,  and  has  been  designed  to  be  milled   with  an  end  mill  no  larger  than  half  of  an  inch  in  diameter,  therefore  all  internal  radii  are   greater  than  one-­‐quarter  of  an  inch.  Two  of  the  sides  provide  orthogonal  faces  that  the   orthogonal  sides  of  the  neck  can  rest  against,  providing  a  quick  and  simple  way  to  align  the  neck   of  the  mount  perpendicularly  during  the  welding  process.  The  neck  of  the  assembly  is  4.63   inches  tall  and  rests  on  the  face  created  by  the  pocket.  This  keeps  the  assembly  within  the   vertical  restriction  of  5  inches.  The  cross  section  of  the  neck  is  a  2-­‐inch  by  2.93-­‐inch  rectangle.   The  neck  of  Design  B  is  reduced  compared  to  the  design  of  the  original  neck  in  order  to  save   material  and  machining  costs.  The  bore  is  50  millimeters  in  diameter  in  order  to  house  the  non-­‐ machined  ball  screw.  The  top  face  of  the  neck  contains  a  bolt-­‐hole  protruding  into  the  bore  that   is  meant  to  hold  a  set  screw,  which  prevents  twist  of  the  ball  screw  as  well  as  movement  in  the   axial  direction.  Since  the  bore  diameter  is  increased,  the  clamping  bolts  are  placed  on  the  side   instead  of  the  top  due  to  the  height  restriction  of  5  inches.  The  bolts’  axial  direction  is  therefore   oriented  to  the  assembly’s  vertical  direction.  The  bolt  heads  will  rest  in  the  counter  bore,   allowing  the  head  to  be  below  flush  with  the  top  face  of  the  neck,  resulting  in  no  bolt  resting   above  5  inches  in  the  vertical  direction.   Benefits   The  cost  of  welding  for  this  design  is  reduced  since  the  neck  can  easily  be  located  on  the  base.   There  will  be  a  reduced  cost  of  material  since  the  overall  volume  has  been  decreased.  The  cost   of  machining  the  mount  will  be  reduced  since  only  a  base  and  neck  need  to  be  machined   instead  of  a  base,  a  neck,  and  two  gussets.  The  cost  of  machining  the  ball  screw  will  also  be   reduced  since  only  a  tapped  hole  for  a  set  screw  will  require  machining  instead  of  thread  on  the   outer  diameter  of  the  ball  screw  requiring  machining.  In  addition  to  the  reduced  costs,  the   design  is  still  able  to  withstand  the  required  load.   Feasibility   This  design  is  a  simple  concept  that  meets  all  requirements  and  functions  specified  by  Accu-­‐ Router.  This  design  is  very  similar  to  the  original  design,  and  therefore  would  be  very  easy  to   implement  on  current  and  future  systems.  
  • 10.
    9     Figure  6:  Design  B  Isometric  View   Figure  7:  Design  B  Cross-­‐Sectional  View  
  • 11.
    10     Design C     Features   The  third  design  is  comprised  of  four  components  that  are  machined  and  bolted  together  at  the   specified  locations.  The  bolt-­‐hole  pattern  and  base  dimensions  are  the  same  as  the  original   assembly,  however,  the  height  of  the  base  has  been  reduced  to  one-­‐half  of  an  inch.  The  neck  of   the  assembly  is  1.72  inches  tall  and  rests  symmetrically  on  the  top  face  of  the  base.    The  cross   section  of  the  neck  is  a  0.75-­‐inch  by  2-­‐inch  rectangle.  The  neck  of  Design  C  is  reduced  compared   to  the  design  of  the  original  neck  in  order  to  save  material  and  machining  costs.  The  neck   attaches  to  the  base  via  two  bolts  that  are  run  from  the  bottom  of  the  base.  The  neck  supports   the  bottom  of  the  clamping  head.  The  clamping  head  is  attached  to  the  neck  via  two  bolts  that   are  run  from  the  top  of  the  bottom  clamping  head.  The  clamping  head  contains  a  cylindrical   extruded  cut  that  is  used  to  house  and  center  the  ball  screw.  The  bore  will  be  increased  to  50   millimeters  in  diameter  in  order  to  house  the  non-­‐machined  ball  screw.  The  top  clamping  head   is  attached  to  the  bottom  clamping  head  via  four  bolts  on  the  four  corners  of  the  clamping   heads.  The  two  heads  do  not  come  into  contact,  and  instead  has  a  cylindrical  bore  that  houses   the  ball  screw.  The  bolts  then  provide  the  clamping  force  that  the  clamping  heads  produce  on   the  ball  screw.  The  top  face  of  the  clamping  head  contains  a  bolt-­‐hole  protruding  into  the  bore   that  is  meant  to  hold  a  set  screw,  which  will  prevent  twist  of  the  ball  screw  as  well  as   movement  in  the  axial  direction.  The  bottom  clamping  head’s  dimensions  are  2.9  inches  long,  2   inches  wide,  and  1.15  inches  high  with  the  exception  of  the  bore  and  bolt  holes.  The  top   clamping  head’s  dimensions  are  2.9  inches  long,  2  inches  wide,  and  1  inch  high  with  the   exception  of  the  bore  and  bolt  holes.   Benefits   This  design  eliminates  the  cost  of  welding  since  the  components  are  now  attached  via  bolts.   The  cost  of  material  is  reduced  since  the  overall  volume  has  been  decreased.  The  cost  of   machining  the  ball  screw  is  also  reduced.  Only  a  tapped  hole  for  a  set  screw  will  need  to  be   machined  instead  of  thread  on  the  outer  diameter  of  the  ball  screw.  In  addition  to  the  reduced   costs,  the  design  is  still  able  to  withstand  the  required  load.   Feasibility   This  design  is  a  relatively  simple  concept  that  meets  all  requirements  and  functions  specified  by   Accu–Router.  In  order  to  implement  the  design,  the  user  would  simply  apply  a  thread-­‐locker  to   the  bolts  as  they  are  placed  in  the  appropriate  locations.  The  mount  is  then  placed  in  the   appropriate  location  as  the  ball  screw  is  located  and  mounted.    
  • 12.
    11     Figure  8:  Design  C  Isometric  View   Figure  9:  Design  C  Cross  Sectional  View  Section  A-­‐A  
  • 13.
    12     Figure  10:  Design  C  Cross  Sectional  View  Section  B-­‐B  
  • 14.
    13     Evaluation of  Concepts     In  order  to  determine  the  team’s  ideal  design,  a  Pugh  chart  was  created  that  evaluates  the   benefits  and  drawbacks  of  the  three  designs.    The  two  main  criteria  of  the  Pugh  chart  are  cost   and  safety,  and  each  criterion  is  given  50%  total  weight.  Figure  11  shows  the  details  of  the  Pugh   chart.       Priority       Design  A   Design  B   Design  C   0.5   Safety         0.1   Load  Capacity   3   3   2   0.4   Torque  Resistance   3   3   2   0.5   Cost         0.2   Welding   1   2   3   0.1   Machining   2   2   1   0.1   Assembly   2   3   2   0.1   Material   1   1   3     Total   2.2   2.5   2.2      *Total    =  priority*ranking    *Rankings  on  1-­‐3  scale             Figure  11:  Matrix  Decision  Pugh  Chart       Within  the  safety  category,  the  two  subcategories  were  load  capacity  and  torque  resistance.   Torque  resistance  was  given  40%  weight  due  to  the  continuous  rotational  forces  the  motor   applies  to  the  ball  screw  while  it  is  in  use.    The  load  capacity  was  given  10%  weight  since  the   ball  screw  only  experiences  minimal  axial  forces  that  are  transmitted  to  the  mounts.     Within  the  cost  category,  the  four  subcategories  were  welding,  machining,  assembly,  and   material.  Machining  was  given  20%  weight  due  to  the  major  considerations  of  machining  both   the  mounts  and  the  ball  screw.    A  design  that  could  successfully  accommodate  a  non-­‐machined   ball  screw  would  decrease  cost  and  availability  time  significantly;  therefore  this  category  was   weighted  with  more  importance  compared  to  the  other  cost  categories.    Although  the  labor   costs  for  welding  are  generally  higher  than  machining,  each  design  concept  requires  no  more   welding  than  the  original  design,  and  thus  welding  was  only  given  10%  weight.    Assembly  was   given  10%  weight  as  well  to  account  for  the  differences  between  the  assembly  of  the  original   design,  Design  A,  Design  B,  and  Design  C.    Finally,  material  costs  were  also  given  10%  weight   because  the  team  intends  to  use  the  same  material  as  the  current  mounts.  
  • 15.
    14     Scoring Process   The  scoring  process  took  each  design  and  rated  all  of  the  categories  on  a  1  to  3  scale,  where  1   represents  a  poor  performance  and  3  represents  an  excellent  performance.    Each  score  given   was  an  estimate  based  on  the  knowledge  that  the  team  has  of  both  general  machine  design   and  the  original  design.  The  rest  of  this  section  will  highlight  the  strengths  and  weaknesses  of   each  design.         Design  A  was  scored  a  3  in  each  safety  category  since  Design  A  varied  only  slightly  from  the   original  design,  and  the  original  design  had  an  exceptional  safety  performance.    In  the  cost   section,  Design  A  scored  a  2  in  the  machining  and  assembly  categories  since  the  gussets  are   removed  from  the  original  design.    Finally,  Design  A  scored  a  1  in  the  welding  and  material   categories.    Although  the  welding  and  material  requirements  for  Design  A  were  less  than  the   original  design,  they  required  significantly  more  welding  and  material  than  the  other  design   concepts.         Similar  to  Design  A,  Design  B  scored  a  3  in  each  safety  category  since  Design  B  also  closely   resembles  the  original  design.    In  the  cost  section,  Design  B  scored  a  3  in  assembly  because  it   only  requires  the  attachment  of  the  base  plate  to  the  mount  itself.    However,  this  design  scored   a  2  in  machining  and  welding  since  it  requires  a  great  deal  of  machining  for  the  milled  cutout  so   both  the  alignment  of  the  mount  and  welding  of  the  mount  into  the  cutout.    Finally,  Design  B   scored  a  1  in  material  because,  similar  to  Design  A,  it  requires  more  material  than  design  C.         Finally,  Design  C  scored  a  2  in  each  safety  category  due  to  the  unique  design’s  unknown   reliability,  caused  from  its  slender  neck  not  being  able  to  withstand  the  rotational  forces   applied  to  the  mount.    In  the  cost  section,  Design  C  scored  a  3  in  material  and  welding  since  it   requires  very  little  material  as  well  as  no  welding.    This  design  scored  a  2  in  assembly  since  the   user  is  required  to  assemble  the  entire  mount.    Finally,  this  design  scored  a  1  in  machining  since   each  component  requires  individual  machining,  thus  increasing  the  cost  of  the  mount.         Recommendation   Originally,  the  team  recommended  Design  B  since  its  overall  score  on  the  Pugh  chart  was  a  2.5,   while  the  other  designs  each  scored  a  2.2.    Based  on  the  assumption  that  Design  B  was  similar   to  the  original  design,  the  team  was  confident  it  would  not  only  be  reliable,  but  also  reduce   costs  due  to  the  simplicity  of  accurately  aligning  the  neck  onto  the  base  via  the  milled  cutout.     However,  in  case  Design  B  was  not  sufficient,  the  team  decided  that  Design  A  would  be  the  next   best  option,  despite  that  both  Design  A  and  Design  C  scored  a  2.2  on  the  Pugh  chart.  The   justification  behind  this  decision  was  that  Design  A  was  closer  to  the  original  design  than  Design   C,  and  therefore  would  have  less  safety  risks.      
  • 16.
    15     Sponsor Feedback   Although  Design  B  was  recommended  to  Accu-­‐Router,  they  informed  the  team  that  there  is  a   high  risk  of  the  steel  distorting  when  being  welded  into  a  milled  piece.  Therefore,  they  decided   that  Design  A  would  be  the  best  choice  among  the  three  designs.  Based  on  the  decision  matrix   and  scoring  process,  the  team  supported  their  decision.  Since  Design  A  is  similar  to  the  original   design,  it  would  create  the  least  amount  of  unknown  variables  when  the  part  is  tested.   Finite  Element  Analysis         The  team  decided  to  do  a  finite  element  analysis  (FEA)  to  determine  the  maximum  stresses  and   the  factor  of  safety  of  the  ball  screw  mount.  To  do  the  FEA,  the  decision  was  made  to  create  a   model  assembly  of  the  ball  screw  mount,  the  ball  screw,  and  the  setscrew  within  Solidworks.   The  team  ran  into  difficulties  replicating  the  ball  screw  and  setscrew,  so  the  decision  was  made   to  model  them  as  cylinders.  The  simulated  ball  screw  was  a  cylinder  with  a  diameter  of  50   millimeters  and  a  length  of  12  inches.  The  simulated  setscrew  was  a  cylinder  modeled  after  an   8-­‐32  and  5/16  inch  set  screw.  However,  the  team  later  learned  that  the  8-­‐32  set  screw  had   problems  breaking  after  use,  and  therefore  was  changed  to  a  ¼-­‐20  sized  screw  instead.  After   assembling  these  models,  the  simulation  program  in  Solidworks  was  used  to  run  the  analysis.     During  the  simulation  program,  a  torque  and  an  axial  force  was  applied  on  the  ball  screw  (see   Figure  12).  The  torque  was  found  using  the  motor  specs  that  were  acquired  from  Accu-­‐Router.   The  axial  force  was  found  using  the  maximum  speed  of  the  table,  the  time  it  takes  to  reach  the   maximum  speed,  and  the  weight  of  the  table.  The  torque  applied  was  70  N-­‐m  (51.6  ft-­‐lb),  and   the  axial  force  applied  was  414  lbs.    To  simulate  the  mount  being  bolted  on  to  the  machine,  the   bottom  face  of  the  mount  was  fixed.  In  an  iterative  process,  the  team  simulated  tightening  the   bolts  down  and  deforming  the  top  face  of  the  mount  by  up  to  2mm.     Figure  12:  FEA  Model  Assembly  
  • 17.
    16     Once  all  of  the  forces  were  applied,  a  mesh  was  created  of  the  assembly  and  the  simulation  was   performed.  Several  variables  attained  from  the  analysis  include  the  maximum  stresses,  the   location  of  the  maximum  stresses  (see  Figure  13),  and  the  factor  of  safety  (see  Figure  14).  All  of   these  values  are  located  on  Table  1.  The  team  was  also  interested  in  finding  out  if  the  setscrew   would  be  able  to  withstand  the  shear  and  axial  forces  applied,  as  well  as  determining  what  type   and  size  of  weld  would  be  appropriate  to  use.     Figure  13:  FEA  Stress  Diagram   Figure  14:  FEA  Factor  of  Safety  Diagram    
  • 18.
    17     After  running  the  simulation  and  analyzing  the  acquired  data,  the  team  determined  that  the   setscrew  would  be  able  to  withstand  the  required  shear  and  axial  forces.  This  data  was  also   used  to  determine  the  appropriate  type  and  size  of  weld  to  connect  the  base  plate  and  the   neck.  After  analyzing  the  data  and  researching  different  welds,  it  was  determined  that  a  ¼  inch,   E  6011  welding  rod  used  in  a  fillet  weld  would  produce  the  best  results.  This  welding  rod  was   chosen  because  it  has  a  high  maximum  strength  (60  kpsi)  and  it  has  a  high  tolerance  for   combining  imperfect  joints.       Table  1:  FEA  Data   Max.  Stresses  (FEA)   1.64  kpsi   Location  of  Max.  Stresses   Along  weld,  bolt  counter  bores,  where   mount  contacts  ball  screw   Factor  of  Safety  (Min.)   22   Factor  of  Safety  (Max.)   50  (max.  on  team  scale)   Factor  of  Safety  (Avg.)   36   Recommended  Setscrew   ¼  -­‐  20  5/16”   Recommended  Weld   ¼  “  E6011  fillet  weld                        
  • 19.
    18     Fabrication of  Prototype         Before  the  first  prototypes  were  produced,  a  few  changes  were  made  to  the  mounts  within   Solidworks.  After  the  small  modifications  were  completed,  Accu-­‐Router  was  contacted  and  the   final  detailed  shop  drawings  were  sent.  Accu-­‐Router  officially  put  in  the  work  order  for  the   mount  at  the  end  of  December.  Once  the  prototype  was  delivered  a  few  tests  were  developed   to  run  on  the  mounts.  These  tests  were  developed  to  see  if  the  requirements  set  by  Accu-­‐ Router  were  met.  The  requirements  included:  the  ball  screw  must  fit  in  the  mount,  the  ball   screw  must  not  twist  in  the  mount,  and  the  ball  screw  must  not  push  or  pull  within  the  mount.           Fig.  15  Prototype   Special  Considerations,  Issues  in  Building  Prototype   The  original  plan  was  to  tap  the  ball  screw  to  allow  the  setscrew,  located  on  top  of  the  mount,   to  screw  in  to  the  ball  screw  ensuring  no  twist  within  the  mount  occurred.  When  the  team   approached  the  machine  shop  to  tap  the  ball  screw,  it  was  brought  to  the  team’s  attention  that   unless  the  mount  and  the  ball  screw  were  tapped  at  the  same  time,  the  threads  would  not   match  up.  The  solution  was  to  drill  a  hole  in  the  ball  screw  with  a  diameter  of  (0.25  in.),  which  is   the  major  diameter  of  the  setscrew,  see  Fig.  16,  in  order  to  use  the  set  screw  as  a  pin.  
  • 20.
    19       Fig.  16  End  of  Ball  screw  with  hole   Design  of  Test  Apparatus  and  Test  Procedure   Before  the  prototype  was  tested  on  a  machine,  a  simple  test  was  designed  to  ensure  that  the   mount  met  the  requirements  set  forth  by  Accu-­‐Router,  which  were:  the  mount  must  house  the   ball  screw,  the  ball  screw  must  not  twist  within  the  mount,  and  the  ball  screw  must  not  move   axially  within  the  mount.     The  team  was  given  some  values  for  external  forces  that  would  be  applied  to  the  ball  screw,   including  a  70  N*m  torque,  and  a  1400  N  axial  force.  In  order  to  apply  the  torque  on  the  ball   screw,  a  hexagonal  nut  was  welded  to  the  end  of  the  ball  screw,  see  Fig.  17.  This  was  done  so   that  the  team  could  take  a  wrench  and  apply  a  torque  to  the  ball  screw.  To  simulate  the   conditions  the  mount  would  most  likely  see  when  placed  on  an  operating  machine,  the  test   needed  to  fix  the  base  of  the  mount,  insert  the  ball  screw,  and  apply  our  external  forces.     Fig.  17  Welded  Nut  
  • 21.
    20     For  the  first  test,  the  base  of  the  ball  screw  was  fixed  to  a  workbench  using  3  medium  sized  C-­‐ clamps.  A  two-­‐foot  section  of  the  ball  screw  was  then  inserted  into  the  mount.  To  secure  the   ball  screw  within  the  mount,  two  clamping  bolts  and  a  setscrew  were  inserted  and  tightened.   Once  the  forces  were  applied,  it  was  determined  if  any  twisting,  or  pushing/  pulling  occurred   within  the  mount.  To  apply  the  loads,  a  wrench  was  used  that  was  approximately  a  foot  long.   The  wrench  was  oriented  as  close  to  horizontal  as  possible  in  order  to  ensure  the  greatest   amount  of  torque,  and  then  a  weight  of  160  pounds  was  hung  from  the  end.  This  resulted  in  a   moment  slightly  more  than  three  times  the  given  value  of  70  N*m.       Fig.  18  Simple  Test  in  Estabrook   After  the  simple  test  was  completed,  the  team  traveled  to  the  Accu-­‐Router  plant  in  Morrison,   TN.  The  purpose  of  this  visit  was  to  test  the  mounts  on  the  machines  that  the  mounts  would  be   used  on.  Once  the  mounts  were  bolted  onto  the  CNC  machine,  a  full-­‐length  ball  screw  was   inserted  and  supported  solely  by  the  newly  designed  mounts.  The  clamping  bolts  were  inserted   and  tightened,  and  it  was  decided  that  the  first  test  would  be  completed  without  the  use  of  the   setscrew.  If  needed,  a  second  test  would  be  run  with  a  set  screw  inserted.  An  accelerometer   was  also  placed  on  the  table  to  get  a  more  accurate  value  for  the  axial  force  applied  to  the  ball   screw.  
  • 22.
    21               Fig.  19  Accu-­‐Router  Test  1&2     Fig.  20  Accu-­‐Router  Test  3   Test  Results   Preliminary  Testing   This  test  involved  tightening  the  clamping  screws,  as  well  as  inserting  the  setscrew.  After   applying  approximately  three  times  the  given  load  of  70  N*m  torque  to  the  end  of  the  ball   screw,  there  was  no  visible  twisting  or  axial  movement  within  the  mount.     Real  World  Testing   This  test  involved  bolting  the  prototype  mounts  to  the  machines  in  which  they  would  be  used   on.  For  this  test  we  only  tightened  the  clamping  bolts  and  did  not  include  the  setscrew.  After   the  machine  was  run,  there  was  no  twisting,  pushing,  or  pulling  of  the  ball  screw  within  the  
  • 23.
    22     mount.  The  data  recorded  by  the  accelerometer  provided  an  acceleration  of  the  table  of  36.702   ft/s.  Using  the  acceleration  data,  along  with  the  weight  of  the  table  (1200  lb  or  37.267  slugs),   the  axial  force  was  calculated  at  1367.77  lbf.  This  is  greater  than  the  predicted  axial  force  due   to  the  fact  that  Accu-­‐Router  uses  a  bell  shaped  curve  to  model  the  acceleration  rate.  This  curve   was  unavailable  to  the  team  previous  to  the  site  testing,  and  therefore  constant  acceleration   had  to  be  assumed.   The  tests  ran  on  the  prototypes  show  that  the  new  mounts  can  withstand  the  maximum  loads   without  allowing  any  movement  of  the  ball  screw.  It  was  also  found  that  the  mounts  secure  the   ball  screw  with  or  with  out  the  setscrew  inserted.  The  tests  also  showed  that  the  ball  screw   could  be  secured  without  having  to  machine  the  ends  down.  Ultimately,  the  testing  showed   that  meet  all  requirements  set  forth  by  Accu-­‐Router.       Economic  Impact       Since  the  main  objective  of  this  design  was  to  decrease  the  overall  costs  associated  with  the   mount,  economic  impact  played  a  significant  role  in  designing  of  the  model.  Two  ways  the   overall  cost  was  decreased  was  by  removing  the  gussets  off  the  side  of  the  mount  as  well  as   increasing  the  bore  diameter  in  order  to  reduce  the  machining  cost  of  the  ball  screw.  The  result   is  a  price  reduction  of  375  dollars.  Excluding  the  additional  costs  of  turning  the  ball  screw,  the   original  mount’s  quote  is  495  dollars.  The  newly  designed  mount’s  quote  is  120  dollars.  This   quote  also  excludes  the  cost  of  machining  the  ball  screw,  however  immensely  less  machining  is   involved;  therefore,  there  will  be  a  significant  price  reduction  associated  with  the  ball  screw  as   well.  Since  the  new  design  decreases  the  cost  by  a  factor  of  4.125  (or  a  price  reduction  of   75.8%),  the  design  has  an  undisputable  positive  impact.     Conclusion  and  Recommendations     The  objective  of  this  design  project  was  to  design  a  cheaper  mount  for  a  CNC  ball  screw  that   still  withstands  the  maximum  loads  on  the  ball  screw  without  allowing  the  ball  screw  to  rotate   or  move  axially.  This  was  achieved  via  computer  animated  design  software,  finite  element   analysis  software,  and  the  fabrication  of  a  prototype  to  ensure  the  design  works.  The  results  of   the  finite  element  analysis  show  that  the  model  withstands  the  maximum  axial  and  torsional   loads.  The  test  of  the  prototype  also  showed  that  the  model  withstands  the  maximum  loads   without  allowing  rotation  or  axial  movement.  In  addition  to  withstanding  the  maximum  loads,   the  model  is  also  cheaper  than  the  original  design.  This  is  due  to  the  decreased  machining  costs  
  • 24.
    23     of  the  components  involved  as  well  as  significantly  less  machining  to  the  ball  screw  itself.  The   result  is  a  cheaper,  yet  functional  model.   During  the  prototype  testing,  the  ball  screw  was  mounted  on  two  of  the  designed  mounts.   Neither  side  of  the  ball  screw  had  a  setscrew  in  place.  Based  on  this  lack  of  a  set  screw  as  well   as  the  results  in  the  testing,  the  design  team  from  the  University  of  Tennessee  observes  that  a   set  screw  is  not  needed,  which  would  further  decrease  the  cost  of  the  mount  and  screw   assembly.  However  the  team  recommends  the  use  of  this  set  screw.  While  both  ends  do  not   need  one,  the  assembly  is  more  reliable  and  can  withstand  more  loads  over  time  with  the   setscrew  in  place.                                  
  • 25.
    24     Appendix    Gantt  Chart   September-­‐December     September   Task   Start   Date   End   Date   #   of   Days   16-­‐ Sep   17-­‐ Sep   18-­‐ Sep   19-­‐ Sep   20-­‐ Sep   21-­‐ Sep   22-­‐ Sep   23-­‐ Sep   24-­‐ Sep   25-­‐ Sep   26-­‐ Sep   27-­‐ Sep   28-­‐ Sep   29-­‐ Sep   30-­‐ Sep   Func.   and   Req.   Docu-­‐ ment   9/16/14   9/23/14   8                                                               Design   Con-­‐ cepts   9/23/14   9/25/14   3                                                               Pugh   Chart   9/25/14   9/30/14   6                                                                 During  the  month  of  September,  the  team  focused  on  planning  the  initial  design  ideas  and   evaluated  the  pros  and  cons  of  each  design  by  creating  a  Pugh  Chart.    A  functions  and   requirements  document  was  also  prepared  that  details  the  specifications  for  each  design.     October   Task   Start   Date   End   Date   #   of   Days   1-­‐   Oct   2-­‐ Oct   3-­‐ Oct   4-­‐ Oct   5-­‐ Oct   6-­‐ Oct   7-­‐ Oct   8-­‐ Oct   9-­‐ Oct   10-­‐ Oct   11-­‐ Oct   12-­‐ Oct   13-­‐ Oct   14-­‐ Oct   15-­‐ Oct   16-­‐ Oct   Pugh     Chart   10/1/14   10/7/14   7                                                                   1st     Design   Review   10/7/14   10/7/14   1                                                                   Final     Design   Decision   10/7/14   10/21/14   15                                                                   3-­‐D     Model   10/21/14   10/31/14   11                                                                   Assembly   Drawing   10/21/14   10/31/14   11                                                                   Design     of   Subsystems   10/21/14   10/31/14   11                                                                  
  • 26.
    25     Task   Start  Date   End   Date   #   of   Days   17-­‐ Oct   18-­‐ Oct   19-­‐ Oct   20-­‐ Oct   21-­‐ Oct   22-­‐ Oct   23-­‐ Oct   24-­‐ Oct   25-­‐ Oct   26-­‐ Oct   27-­‐ Oct   28-­‐ Oct   29-­‐ Oct   30-­‐ Oct   31-­‐ Oct   Pugh   Chart   10/1/14   10/7/14   7                                                               1 st   Design   Review   10/7/14   10/7/14   1                                                               Final   Design   Decision   10/7/14   10/21/1 4   15                                                               3-­‐D   Model   10/21/14   10/31/1 4   11                                                               Assembly   Drawing   10/21/14   10/31/1 4   11                                                               Design   of   Subsystems   10/21/14   10/31/1 4   11                                                               During  the  month  of  October,  the  team  presented  each  of  the  three  designs  to  Accu-­‐Router,   and  a  mutual  decision  to  pursue  Design  A  was  reached  after  evaluating  the  pros  and  cons  of   each  design.  After  the  final  design  was  determined,  a  3D  model  and  an  assembly  drawing  of  the   new  design  were  created  in  Solidworks.   November   Task   Start   Date   End   Date   #   of   Days   1-­‐   Nov   2-­‐ Nov   3-­‐ Nov   4-­‐ Nov   5-­‐ Nov   6-­‐ Nov   7-­‐ Nov   8-­‐ Nov   9-­‐ Nov   10-­‐ Nov   11-­‐ Nov   12-­‐ Nov   13-­‐ Nov   14-­‐ Nov   15-­‐ Nov   3-­‐D   Model   11/1/14   11/15/14   15                                                               Assembly   Drawing   11/1/14   11/15/14   15                                                               Design   of   Sub-­‐ systems   11/1/14   11/15/14   15                                                               2 nd   Design   Review     11/7/14   11/20/14   14                                                               Design   Report   11/1/14   11/31/14   31                                                               Task   Start   Date   End   Date   #   of   Days   16-­‐ Nov   17-­‐ Nov   18-­‐ Nov   19-­‐ Nov   20-­‐ Nov   21-­‐ Nov   22-­‐ Nov   23-­‐ Nov   24-­‐ Nov   25-­‐ Nov   26-­‐ Nov   27-­‐ Nov   28-­‐ Nov   29-­‐ Nov   30-­‐ Nov   3-­‐D   Model   11/1/14   11/15/14   16                                                               Assembly   Drawing   11/1/14   11/15/14   16                                                               Design   of   Sub-­‐ systems   11/1/14   11/15/14   16                                                               2 nd   Design   Review   11/7/14   11/20/14   14                                                               Design   Report   11/1/14   11/31/14   31                                                                
  • 27.
    26     During  the  month  of  November,  the  team  continued  to  work  on  the  3D  model  and  assembly   drawing  of  the  new  design.  An  FEA  analysis  was  completed  in  Solidworks  to  determine  if  the   new  part  could  bear  both  the  required  load  and  torque  while  maintaining  a  high  safety  factor.   Once  this  was  completed,  the  team  prepared  to  present  the  acquired  data  to  Accu-­‐Router  for   the  second  design  presentation  at  the  beginning  of  December.   December   Task   Start  Date   End  Date   #  of  Days   1-­‐Dec   2-­‐Dec   3-­‐Dec   4-­‐Dec   5-­‐Dec   6-­‐Dec   7-­‐Dec   8-­‐Dec   9-­‐Dec   10-­‐Dec   11-­‐Dec   2nd  Design  Presentation   12/3/14   12/3/14   1                                               First  Prototype   12/1/14   12/3/14   3                                               Spring  Gant  Chart   12/1/14   12/11/14   11                                               During  the  month  of  December,  the  team  presented  the  acquired  data  to  Accu-­‐Router  to  show   that  the  new  design  would  be  both  reliable  and  cost  efficient.  Plans  for  next  semester’s  work   were  laid  out,  and  a  completed  final  report  on  the  team’s  progress  during  this  semester  was   submitted.     January-­‐April     January   Task   Start  Date   End   Date   #  of   Days   7-­‐Jan   8-­‐Jan   9-­‐Jan   10-­‐Jan   11-­‐Jan   12-­‐Jan   13-­‐Jan   14-­‐Jan   15-­‐Jan   16-­‐Jan   17-­‐Jan   18-­‐Jan   Adjust  Part  to   be  Re-­‐ manufactured   (If  Needed)   1/7/15   1/21/15   15                                                   Manufacturing   of  Ball  Screw   Mount  by  Accu-­‐ Router*   1/7/15   2/21/15   46                                                     Task   Start   Date   End   Date   #  of   Days   19-­‐Jan   20-­‐Jan   21-­‐Jan   22-­‐Jan   23-­‐Jan   24-­‐Jan   25-­‐Jan   26-­‐Jan   27-­‐Jan   28-­‐Jan   29-­‐Jan   30-­‐Jan   Adjust  Part  to   be  Re-­‐ manufactured   (If  Needed)   1/7/15   1/21/15   15                                                   Manufacturing   of  Ball  Screw   Mount  by  Accu-­‐ Router*   1/7/15   2/21/15   46                                                    
  • 28.
    27     February  Task   Start   Date   End   Date   #  of   Days   1-­‐ Feb   2-­‐ Feb   3-­‐ Feb   4-­‐ Feb   5-­‐ Feb   6-­‐ Feb   7-­‐ Feb   8-­‐ Feb   9-­‐ Feb   10-­‐ Feb   11-­‐ Feb   12-­‐ Feb   13-­‐ Feb   14-­‐ Feb   Manufacturing  of   Ball  Screw  Mount   by  Accu-­‐Router*   1/7/15   2/21/15   39                                                           Strain  Test  -­‐   Prototype   2/1/15   2/21/15   21                                                           Vibration  Test  -­‐   Prototype   2/7/15   2/28/15   21                                                           Report  -­‐  Special   Considerations  /   Issues  in  Building   Prototype   2/1/15   2/28/15   28                                                             Task   Start   Date   End  Date   #  of   Days   15-­‐ Feb   16-­‐ Feb   17-­‐ Feb   18-­‐ Feb   19-­‐ Feb   20-­‐ Feb   21-­‐ Feb   22-­‐ Feb   23-­‐ Feb   24-­‐ Feb   25-­‐ Feb   26-­‐ Feb   27-­‐ Feb   28-­‐ Feb   Manufacturing   of  Ball  Screw   Mount  by   Accu-­‐Router*   1/7/15   2/21/15   39                                                           Strain  Test  -­‐   Prototype   2/1/15   2/21/15   21                                                           Vibration  Test   -­‐  Prototype   2/7/15   2/28/15   21                                                           Report  -­‐   Special   Considerations   /  Issues  in   Building   Prototype   2/1/15   2/28/15   28                                                             *Accu-­‐Router  is  given  21  extra  days  to  manufacture  the  ball  screw  mount  in  case  of  unexpected   delays   March   Task   Start   Date   End  Date   #  of   Days   1-­‐ Mar   2-­‐ Mar   3-­‐ Mar   4-­‐ Mar   5-­‐ Mar   6-­‐ Mar   7-­‐ Mar   8-­‐ Mar   9-­‐ Mar   10-­‐ Mar   11-­‐ Mar   12-­‐ Mar   13-­‐ Mar   14-­‐ Mar   15-­‐ Mar   Report  -­‐   Design  of   Test   Apparatus   and  Test   Procedure   3/1/15   3/7/15   7                                                               Analyze   Data  From   Testing   3/1/15   3/15/15   15                                                                
  • 29.
    28     Task   Start   Date   End   Date   #  of   Days   16-­‐ Mar   17-­‐ Mar   18-­‐ Mar   19-­‐ Mar   20-­‐ Mar   21-­‐ Mar   22-­‐ Mar   23-­‐ Mar   24-­‐ Mar   25-­‐ Mar   26-­‐ Mar   27-­‐ Mar   28-­‐ Mar   29-­‐ Mar   30-­‐ Mar   31-­‐ Mar   Report  -­‐  Test   Results   3/16/15   3/22/15   7                                                                   Report  -­‐   Economic   Impact   3/23/15   3/31/15   9                                                                   Presentation   Preparation   3/16/15   3/31/15   16                                                                     April   Task   Start   Date   End  Date   #  of   Days   1-­‐ Apr   2-­‐ Apr   3-­‐ Apr   4-­‐ Apr   5-­‐ Apr   6-­‐ Apr   7-­‐ Apr   8-­‐ Apr   9-­‐ Apr   10-­‐ Apr   11-­‐ Apr   12-­‐ Apr   13-­‐ Apr   14-­‐ Apr   15-­‐ Apr   Presentation   (Date   Tentative  for   Early  April)   4/1/15   4/1/15   1                                                               Final  Report   4/1/15   4/15/15   15                                                                                                          
  • 30.
    29     Engineering Calculations     Calculated  Axial  Force     Table  ! = 1600  !!!       Table  Velocity  ! = 3000 !" !"#    in  0.5!     Table  Acceleration  ! = 8.33 !" !!     Axial  Force  ! = !" = ! ! ∗ ! = !"## !".! ∗ 8.33 = 414.9  !!!   Measured  Axial  Force     Table  ! = 1200  !!!     From  accelerometer       Gravity  =  658  !"       Table’s  Acceleration  =  750  !"     ! = !"#$% !"#$%&' ∗ ! = !"# !"# ∗ 32.2 = 36.702 !" !!     Axial  Force  ! = !" = ! ! ∗ ! = !"## !".! ∗ 36.702 = 1367.77  !!!   Cost         Old  $495     New  $120     $495 − $120 = $375  Decrease  in  price         !"#!!"# !"# ∗ 100% = 75.8%  Reduction  in  cost                    
  • 31.
    30     Detailed Shop  Drawings