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汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计

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汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计

I摘要连杆是发动机的关键零件之一,它的质量直接影响着发动机的工作性能和使用寿命,因此对其有很高的尺寸和形位精度的要求。为保证这些要求,连杆检测成了生产中频繁而又不可缺少的环节。汽车连杆两端孔的平行度的要求比较高,如果平行度差,就会使发动机的噪音大,耗油量大,磨擦大,磨损快,这就要求工件必须有很高的平行度。本装置是专门为测试汽车发动机连杆两孔中心线的平行度而设计的。本系统的设计原则是全部测试过程自动化,包括检测前的工件夹紧,测试过程中的数据处理,检测后试件的自动退出以及测试结果的显示与打印。本装置的特点是测试精度较高。在本系统中,测试时测试箱和测杆的运动由X向数控工作台来拖动,数控工作台由步进电动机带动,工件的夹紧装置采用液压系统,因为液压系统夹紧比较平稳,振动较小,对系统的精度影响较小。本装置是一个完整的测试装置,既可以单独用来测试,也可用于计算机集成制造系统中去。关键词连杆平行度测量X向数控工作台AbstractConnectingrodisoneofkeycomponentsofengine,whosequalityaffectsenginesworkperformanceandlifespandirectly.Consequently,hingprecisionofsizeandformisnecessary.Theconnectingrodisexaminedintheproductiontobefrequentandtobeessentiallinktoensurehingprecisionofsizeandform.Thecenterlineparallelismofthecarslinkbarhasahighrequest.Ifthecenterlineparallelismisnotwell,theautoenginewillhavealoudnoise,bigwasteofoil,bigfriction,fastwearaway.Soitrequeststheworkpiecehaveahighcenterlineparallelism.Thistestingsetisspecialdesignedfortestingthecentrelineparallelismofautoenginelinkbarstwainaperture.ThedesignprincipleofthissystemisAlltestingisroboticized,includingthedataprocessingbeforeworkpiecewasclamped,thetestpieceautomaticquitaftertest,testingresultdisplayandmimeograph.ThecharacteristicofthissetisThetestingprecisionrelativelyhigher.Inthissystem,whentestingbegin,thetestingboxandthemeasurepoleisdraggedbytheXdirectionnumericalcontroltableandatthesametime,thetablewasdrovebystepelectromotor.thefixtureadoptedhydraulicpressuresystem,becausethissystemismoreplacidityandtheeffecttosystemsprecisionisverysmall.Thissetisawholetestinginstallation.ItnotonlycansinglyfortestingbutalsoforCIMStoo.KeywordsconnectingrodparallelismexaminationXdirectionnumericalcontroltablesensorIII目录摘要.........................................................................................................................................ⅢAbstract.......................................................................................................................................Ⅳ目录.........................................................................................................................................Ⅴ1绪论...........................................................................................................................................11.1课题的概况及提出....................................................................................................11.2课题分析....................................................................................................................12总体方案设计...........................................................................................................................22.1本测试系统的理论方法和依据................................................................................22.2本装置的主要组成部分............................................................................................22.1.1机械部分...................................................................................................................22.1.2液压部分...................................................................................................................22.1.3测试装置的数控系统硬件电路设计.......................................................................22.3机械部分的功用及其设计原则........................................................................................32.4液压部分的功用及选件原则............................................................................................32.5电气部分............................................................................................................................33机械部分的设计.......................................................................................................................43.1传感器的选用与安装........................................................................................................43.1.1传感器的选用.............................................................................................................43.1.2传感器的安装.............................................................................................................43.2其他运动部件的设计与计算............................................................................................53.2.1承载工作台外形尺寸与重量估计.............................................................................53.2.2测试箱外形尺寸及重量估算.....................................................................................63.2.3滚珠丝杠伺服传动系统传动比的确定.....................................................................63.2.4传动系统中一对齿轮参数的确定.............................................................................63.2.5滚珠丝杠螺母副的选型及校核.................................................................................73.2.6滚动导轨的设计.........................................................................................................93.2.7步进电机的选用.......................................................................................................103.3数控系统的精度验算......................................................................................................124液压部分的设计.....................................................................................................................134.1液压缸的设计..................................................................................................................134.1.1夹紧力的计算...........................................................................................................134.1.2确定液压缸的主要尺寸...........................................................................................144.1.3计算液压缸工作阶段所需的流量...........................................................................144.1.4液压缸的安装...........................................................................................................144.2液压泵的选用..................................................................................................................154.2.1液压泵的工作压力确定...........................................................................................154.2.2泵的流量确定...........................................................................................................154.2.3选择液压泵的规格...................................................................................................154.3与液压泵匹配电动机的选定..........................................................................................155测试装置的数控系统硬件电路设计.....................................................................................165.1硬件电路总体设计方案..................................................................................................165.1.1硬件电路框图表示...................................................................................................165.1.2硬件电路主要元器件的选择清单...........................................................................165.2主控制器CPU的选择及其引脚....................................................................................165.2.1CPU的选择...............................................................................................................165.2.28031的硬件资源及其引脚.......................................................................................175.3存储器扩展电路的设计..................................................................................................175.3.1程序存储器的扩展电路芯片...................................................................................175.3.2地址锁存器选用.......................................................................................................185.3.3数据存储器的扩展电路芯片...................................................................................185.3.4译码器的选用...........................................................................................................195.4I/O扩展电路的设计........................................................................................................195.4.18255可编程接口芯片的选用...................................................................................195.4.2步进电机驱动电路...................................................................................................205.4.3三相异步电机的驱动电路.......................................................................................215.4.4电磁换向阀的驱动电路...........................................................................................215.5模数转换电路设计..........................................................................................................225.5.1测量电桥...................................................................................................................225.5.2测量放大电路............................................................................................................225.5.3相敏检波电路...........................................................................................................225.5.4功率放大电路...........................................................................................................235.5.5集成采样保持电路...................................................................................................235.5.6A/D转换电路............................................................................................................235.6其他辅助电路设计..........................................................................................................245.6.1键盘与显示器接口电路...........................................................................................245.6.2打印机接口电路.......................................................................................................245.6.3报警显示接口电路...................................................................................................246控制软件编程.........................................................................................................................266.1监控软件的功能..............................................................................................................266.2键盘与显示器接口的软件设计......................................................................................266.2.1接口电路...................................................................................................................266.2.2软件设计...................................................................................................................267结论与展望...........................................................................................................................307.1结论..................................................................................................................................30V7.2不足之处及未来展望......................................................................................................307.2.1不足之处...................................................................................................................307.2.2未来展望...................................................................................................................30致谢.............................................................................................................................................31参考文献.....................................................................................................................................32汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计11绪论1.1课题的概况及提出精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件之一,这已被生产发展的历史所确认。从生产发展的历史来看,精密加工精度的提高总是与精密测量技术的发展水平相关的。有人认为材料、精密加工、精密测量与控制是现代精密工程的三大支柱。对于科学技术来说,测量与控制是使其发展的促进因素,测量的精度和效率在一定程度上决定着科学技术的水平1。目前,国外测量装置已经与计算机技术和光电技术相结合,实现自动化、数字化和多功能化,国内正朝着这个方向努力发展。连杆是发动机的重要组成零件,它连接着活塞和曲轴,他的作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。其大小孔中心线的平行度等主要尺寸直接影响到发动机的工作性能、使用寿命及机车的整体性能。因此,对其大小孔的中心轴线的平行度有很高的要求,而且连杆在生产过程中是流水作业、产量大、节拍快。因此,在生产过程中对其进行质量控制就显得非常重要。近年来随着国内汽车工业的飞速发展,人们对汽车发动机性能的要求越来越高。而且连杆是发动机中的关键组成部件之一,其大小头孔中心线的平行度须达到一定的精度,否则会导致发动机耗油量大、磨擦大、噪音大。因此,设计一套自动化程度高和测量精度高的专用于测量连杆大小头孔的检测装置,不仅仅可以提高产品质量,还能更好的实现互换性,更可以获得最佳的社会经济效益。因此,需要对连杆大小孔的中心轴线的平行度进行检测。连杆测量装置向高精度、高效益、操作简单的方向发展是一种必然的趋势。1.2课题分析这里要测量的工件是某汽车发动机的连杆大、小头孔中心线的平行度。之前许多厂家使用气动测量仪检测,即利用直径对气体的压力而通过仪表进行显示。这样的测量装置还是能满足精度要求的,但其灵敏度不是特别高,也难以适应现代化的自动生产线。本测量系统的总体设计思想是整个检测过程实现自动化,不需人工干预。在本测试装置中,采用滚珠丝杠以实现测杆的X方向的进给,工件的夹紧采用液压油缸来保证系统的平稳性,而自动检测装置选用应用广泛的8031单片机来实现对整个测试系统控制。无锡太湖学院学士学位论文22总体方案设计2.1本测试系统的理论方法和依据在本测试系统中,测量汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度所运用的理论依据是数学方法在每孔的圆柱面内侧分别测出两个截面上三个不同点的位置,根据这三个点确定一个圆心,两个圆的圆心构成一条直线,再依据数学方法来计算这两条直线的夹角,最后转换成平行度。汽车发动机连杆大小头孔中心线在两个相互垂直的方向上的平行度误差会导致活塞在气缸中倾斜,使缸壁磨损不均匀,从而缩短发动机的使用寿命,同时也使曲轴的连杆轴颈磨损加剧,因此在大小头头孔中心线所决定的平面之平行方向上平行度公差值应不小于1000.03,垂直于上述平面的方向上平行度公差值应不大于1000.06。而连杆总成装配图中要求以大头孔的中心线为基准来测大小头孔中心线平行度,所以本测试系统就以一个定位销来确定大头孔中心线的位置,只需要测小头孔中心线的位置最终则可转换为其平行度。2.2本装置的主要组成部分2.2.1机械部分由传感器箱体、承载工作台、工件定位和夹紧部件组成。2.2.2液压部分由液压泵、液压缸和液压控制阀组成。2.2.3测试装置的数控系统硬件电路设计包括CPU选择、存储器扩展电路、I/O扩展电路、数模转换电路、测量放大电路和信号采集保持电路以及其它辅助电路的设计。下图21为机械结构图ABB图21机械结构图汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计32.3机械部分的功用及其设计原则测试箱主要是将选用的传感器正确定位与夹紧2,其定位精度应该比检测装置的检测精度要高1个等级。测试箱由滚珠丝杠拖动以实现X向的进给。另外,连杆的定位精度和夹紧的可靠性要求也比较高。2.4液压部分的功用及选件原则进行测试之前,要保证工件的正确定位与夹紧,因为本测试装置属于精密测量仪器,系统在运行中要求振动小,而液压系统具有平稳性好,运动惯性小、反应速度快、易于实现自动化控制等优点。所以,在本测试装置系统中运用液压系统对工作进行夹紧比较合理、比较理想的。2.5电气部分在实际测量中,因为传感器的输出量是连续变化的物理量(也就是模拟量,与此对应的电信号则是模拟信号),要将其输入计算机进行数据处理,就需要运用A/D转换电路将模拟信号转换为计算机可识别的数字信号,转换过程主要包括采样、量化和编码。这里采用逐次逼近式的转换电路,因为逼近式A/D转换器在精度、速度和价格上都适中,是目前最常用的A/D转换器。因本系统属于工业测控的智能化仪器仪器,根据实际的需要,在这里需要解决计算机和外设联系的接口电路,包括键盘、显示器和打印机等。无锡太湖学院学士学位论文43机械部分的设计汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度检测装置的进给运动是数字控制的直接对象,被测试的连杆的平行度的精度肯定会受到进给运动传动精度、灵敏度和稳定性的影响。因此,在设计进给系统时要充分注意减少摩擦,提高传动精度和刚度,消除传动间隙,以及减少运动件的惯性。所以进给系统如下图31。电机减速器工作台导轨滚珠丝杠图31进给系统3.1传感器的选用与安装3.1.1传感器的选用因为本装置是用来自动检测汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度的,所以本装置选用差动变压器式位移传感器3。差动变压器式位移传感器应用比较广泛,它的精确度和灵敏度都非常高,非线性误差小,量程比较宽,非常适合本检测装置系统。差动变压器式位移传感器有很多型号,现在选用以下规格的传感器。其主要性能规格示值见表3.1。表3.1差动变压器式位移传感器规格4变动性0.2um测量力0.40.7N总行程1.2mm装卡尺寸8h7外形尺寸830重量0.15N3.1.2传感器的安装3.1.2.1测量杠杆机构的作用与外伸轴的刚度估计因为被测汽车发动机连杆小头的直径只有28mm,无法把差动变压器式位移传感器安装在所测孔的内表面上,所以考虑选用一个杠杆机构,称之为测杆。测杆的一端安装一个传感器测头,另一端与传感器的测头相接触,同时这个机构还可以将这杠杆孔的直径误差进行放大,以保证整个测试系统的测量精度。整个系统要设计三个测杆,它们安装在测试箱的外伸轴上面。因为所测的连杆小头汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计5孔的直径误差很小,所以必须要考虑测试杆和外伸轴的刚度5,才能避免因变形而影响整个测试系统的精度。为了降低测杆变形,在安装时除了采用支承销还另加弹簧,因在测试过程中,测头所受到的力非常小,再加上本身的重量还不足1N,而且测杆的材料是选用优质的45钢,承受这样小的力,估计其变形是可以忽略,因而无需校核其刚度。此外,因外伸轴的外伸长度只有129mm,最小直径12mm,材料同样选用45钢,同样忽略其变形。3.1.2.2传感器的定位与安装传感器的定位与安装在本自动检测装置的设计中是一个重点问题,因为它的正确定位将会直接影响到本测试系统的精度。但是,不管怎样它都会带来误差属于常值系统误差,可以用过其他方法给予补偿。传感器安装完成后可以通过调整与其相连的压板螺母来调节其轴向定位和径向定位的精确度。下图32为传感器的安装与定位图图32传感器的安装与定位3.2其他运动部件的设计与计算3.2.1承载工作台外形尺寸与重量估计见表3.2表3.2工作台外形尺寸与重量估计长L200mm宽D86mm高H45mm密度ρ7.8x103kg/cm3重力加速度g10N/kg重力G60.37N无锡太湖学院学士学位论文63.2.2测试箱外形尺寸及重量估算外伸轴外形尺寸与重量估计见下表3.3表3.3外伸轴外形尺寸与重量估计长L160mm圆周率π3.14半径r12mm密度ρ7.8x103kg/cm3重力加速度g10N/kg重力G5.64N测试箱外形尺寸与重量估计见下表3.4表3.4测试箱外形尺寸与重量估计长L160mm宽D90mm高H152mm密度ρ7.8x103kg/cm3重力加速度g10N/kg重力G113.82N传感器G0.15N30.45N总体重量GG工作台G外伸轴G测试箱G传感器180.28N3.2.3滚珠丝杠伺服传动系统传动比6的确定3.2.4传动系统中一对齿轮参数的确定Z齿数d齿轮的公称直径mmb齿轮宽度mma两个齿轮的中心距mm汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计7下图33为齿轮1图33齿轮13.2.5滚珠丝杠螺母副的选型及校核1滚珠丝杠的特点7滚珠丝杠螺母副是回转与直线运动相互转换的新型传动装置。在丝杠和螺母上加工有弧型的螺丝槽,当它们套在一起是形成了螺丝滚道,并且在滚道内装满滚珠,当丝杠相对于螺母旋转时,两者会发生轴向位移,而滚珠则会沿滚道滚动,螺母螺丝槽两端用回珠管连接,使滚珠能周而复始的循环,采用滚珠丝杠提高了机构的效率和传动精度,所以一般精度较高的系统中采用滚珠丝杠来传动。(2)滚珠丝杠的循环形式滚珠丝杠的循环形式主要有内循环和外循环。内循环的有优点是回路短,流畅好。外循环的优点是加工方便。下图34为滚珠丝杠的循环形式图34滚珠丝杠的循环形式无锡太湖学院学士学位论文8我设计的连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置的传动系统就采用了滚珠丝杠,以增加系统的传动效率,运动的平稳性及寿命,循环形式是内循环。3.2.5.1牵引力Fm的确定滚珠丝杠上的牵引力Fm(N)是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力,也叫工作载荷。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。取.5N3.2.5.2最大动载荷计算及主要参数的初定计算载荷FC(N)的计算计算额定动载荷计算值式中,为滚珠丝杠的平均转速(r/min),nm1000v/L0,其中v为最大工作载荷下的进给速度,取v1m/min.L0为滚珠丝杠的基本导程mm,这里初定为5mm.则nm10001/5200r/min3.2.5.3初选滚珠丝杠副根据最大动载荷并考虑各种因素,选择滚珠丝杠副的几何参数以下3.2.5.4传动效率的计算汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计9滚珠丝杠螺母副的传动效率为式中3.2.5.5压杆稳定8性验算丝杠不会发生失稳的最大载荷为式中,E丝杠材料的弹性模量,取E206GPal丝杠的工作长度m,这里l=0.28maI丝杠危险截面轴惯性矩m4,aId14/643.140.016788m4/643108m4长度系数,设计丝杠的支承方式为一端固定,一端游动,故取=2/3∴FcrN289228.0321031020614.31.74106N安全系数SFcr/Fm1.74106/2.55682352.94,可见足够安全,不会失稳。3.2.5.6刚度验算8丝杠的拉压变形量为得σ2±2.55280/20.6104255±0.14104mm,滚珠与螺纹滚道间的接触变形量σ2,该变形量与滚珠列、圈有关,即与滚珠总数有关,与滚珠总数有关,与滚珠丝杠长度无关。有预紧时式中,FYJ预紧力N,FYJ0.673NZ圈数列数代入有关数据算得σ20.94103mm.当预紧力为轴向工作载荷的1/3时,σ2的值可减少一半左右,∴σ20.47103mmσσ1σ20.000484mm本系统的定位精度为0.015,可见满足要求。取滚珠丝杆精度等级为3级,允差为12um所以也能符合设计要求。3.2.6滚动导轨的设计7由于双V形滚动导轨的结构是对称的,工作台可以放在两导轨之间,能承受侧向力矩,无锡太湖学院学士学位论文10接触刚度好、导向性和精度保持性好,并设计为镶条以便维修和调整,因此满足设计要求。3.2.6.1滚动导轨的参数确定根据检测过程中工作台实际需移动的距离,可取导轨的总长度为280mm,动导轨长度为140mm,动导轨行程为100mm,滚珠保持器的长度为200mm.3.2.6.2滚动体尺寸与数目的确定由于工作台重量比较轻,并且在工作过程中动载荷只有2.55N。根据有关资料中的双V型导轨的滚动体的直径最好不低于6mm,因为若滚动体太小就容易产生滑动象。现选滚珠的直径为6mm。滚动体数目选择的根据z≦G/30,算得z10,由动导轨长度为140mm,得两滚珠之间的距离t14mm.3.2.6.3验算许用负载9许用负载PKξd2式中,K滚动体截面上假想许用应力,经查表取K60N/cm2ξ导轨硬度校正系数,这里取ξ1。∴P6010.62N21.6N这里设计的导轨选用淬透钢HRC55,所以P21.6N,Pmax15.412N<P可见,双V型滚珠导轨是符合要求的。3.2.7步进电机的选用步进电机也叫脉冲电动机,是将脉冲信号转化成相应的角位移的电磁机械装置,是一种输入与输出数字的脉冲对应的增量驱动元件。给步进电机一个电脉冲信号时,不仅电动机会转动一个步距角,如果按一定规律给步进电机一串连续的脉冲信号,步进电机便会一步步地连续旋转。步进电机具有如下特点101步进电机受数字脉冲信号控制,输出角位移与输入脉冲数成正比。2步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比。3步进电机的转向可以通过改变通电顺序来改变。4步进电机具有自锁能力,一旦停止输入脉冲,只要维持绕组通电,电动机就可以保持在该固定位置。(5)适合于直接与微机的I/O接口,构成开环位置伺服系统。步进电动机的类型非常多,按它工作原理分为反应式、永磁式、永磁感应式、滚切式和若干混合式。按励磁相数可分3相、4相、5相、6相和8相,按其规律可分为快速电机和功率电机。步进电动机的工作原理反应式步进电机的工作原理与反应式同步电机一样,转子的转动力矩是靠定子磁极与转子间的磁极和切向分力产生的,如图35当定子上A相绕组通电时,由于磁场力使磁组减少,因此转子上离A相磁极相对的位置,当A相断电,受B汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计11相绕组所建立的磁场影响最大时,转子齿2和4在磁场力的作用下,逆时针转到和B相磁极相对的位置,即转子前进一步。同样当B相断电,而C相通电时,转子又在磁场力的作用下转动一步,使转子1、3齿与C相磁极对齐,由此可见,按ABCA顺序通电时,电机便一步步地转动,步进电机的步距角是转子旋转一步所转过的角度,由此可见z转子齿数ma通电循环拍数图35步进电机工作原理3.2.7.1步进电机的步距角初选进步电机的步距角脉冲3.2.7.2步进电机启动力矩的计算取步进电机的等效负载力矩为T,负载为P,根据能量守恒定理,电机所做的功与负载所做的功有如下关系TΦηPS式中,Φ电机转角S移动部件的相对位移Η机械传动效率3.2.7.3步进电机转动惯量计算

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