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徐州工程学院毕业设计（论文） 图书分类号： 密 级： 毕业设计(论文) 活塞外圆尺寸自动分组检测系统-机械部分设计 detection cylindrical of packet size piston automatic system-mechanical design 摘要 随着机械制造技术的飞速发展，对发动机的制造水平提出了更高的要求。活塞的分 组装配是提高发动机制造水平的重要手段。课题设计的目的就是能够实现对活塞外圆尺 寸的自动测量和分组。 该装置的主要结构是一个立轴通过轴承和一个轴套相配合，动力通过齿轮传递到轴 套上，轴套上有活塞夹具。通过轴套的转动将活塞一个个带动到固定的检测位。由高精 度接触式电感位移传感器实现对活塞外径尺寸的自动检测，测量结果经放大转换后传到 单片机，分析计算处理后确定尺寸所在组，然后微机发出控制命令驱动相应的汽缸将活 塞分到相应的组中去。该装置能够快速准确的将活塞分组，并可以无级调节测量速度， 提高了检测精度和检测效率。 关键词关键词： 活塞；外圆尺寸；自动检测 徐州工程学院毕业设计（论文） i abstract along with the machine manufacture technology rapid development, set ahigher request to the engine manufacture level. the piston groupingassembly is raises the engine manufacture level the important method.the topic design goal is can realize to the piston outer annulus sizeautomatic survey and the grouping. this equipment main structure is a vertical shaft, and has an axlesleeve through the bearing and it coordinates, the power transmits onthe axle sleeve through the gear, on the axle sleeve has the pistonjig. one all drives through the axle sleeve rotation the piston to thefixed examination position. from the high accuracy contact type inductance position transmitterrealization to the piston outer diameter size automatic detection, themeasurement result transforms rear-drive after the enlargement arrivesthe monolithic integrated circuit, after analysis computationprocessing the size discrimination in the group, then themicrocomputer sends out the control command actuation correspondingcylinder the piston minute to the corresponding group in. thisequipment can fast be accurate groups the piston, and was allowed thestepless regulation survey speed, to increase the examinationprecision and the examination efficiency. 徐州工程学院毕业设计（论文） ii key word: piston outer annulus size automatic detection 徐州工程学院毕业设计（论文） 目 录 1 绪 论 1 1.1 活塞外圆尺寸自动分组检测系统研究的意义 1 1.2 活塞自动分组检测系统研究的现状.1 1.3 题目简介：.1 1.4 题目难点:2 1.4.1 活塞定位 2 1.4.2 测量速度 2 2 .系统总体方案设计 .3 2.1 电动机的选择.3 2.1.1 选择电动机类型和结构型式 3 2.1.2 确定电动机容量 3 2.1.3 电动机的安装5 2.2 机械结构总体设计 5 2.3 小结：.6 3.系统机械结构的分部设计 7 3.1 活塞定位以及检测部分的设计 7 3.1.1 检测部分的定位设计7 3.1.2 活塞定位系统的设计.7 3.2 齿轮的设计10 3.3 轴承的选择14 3.4 轴的设计：17 34.1 计算轴所受的力 17 3.4.2 初步确定轴的最小直径 .17 4.检测与控制系统的设计.19 4.1 单片机的特点19 4.2 a/d 转换与单片机的接口20 4.3 单片机系统存储器的扩展22 4.4 8155 并行可编程 i/o 接口扩展.26 徐州工程学院毕业设计（论文） i 4.5 控制面板的设计26 结论 .28 致谢 .29 参考文献 .30 附录 .31 附录一 .31 附录二 .38 徐州工程学院毕业设计（论文） 0 1 绪 论 1.1 活塞外圆尺寸自动分组检测系统研究的意义 活塞是发动机中重要的零件，工作环境恶劣，受力复杂。不仅承受交变的冲击应力， 还承受高的热应力，因为在活塞工作时的温度达 2500k 的高温。同时活塞还要高速运动， 在这样的工作环境下，对活塞的精度要求是可想而知的。为了更好的提高活塞工作的稳 定性和可靠性，在活塞的制造和安装的过程中都进行了优化。例如：活塞做成非正圆形， 而是椭圆形，虽然在常温下活塞的横截面是长短径之比很小的椭圆，但在工作时接近正 圆形。在装配的过程中，活塞和缸套要进行分组装配。 这些方法都可以较好的改善活塞的工作环境，分组装配是一个有突出优点的方案。 但是在分组装配时，如何快速准确的进行活塞分组，成为制约生产效率提高的最大障碍。 经过调查发现，到现在为止，国内的活塞生产厂家还没有很好的解决这个问题。而对于 国内的生产企业更是一直采用人工检测这种老办法。据资料显示：现在省内比较著名的 活塞生产厂商 渤海活塞，经过市场调研，发现引进活塞自动测量设备的价格过于昂贵(大约 300 万元人民币)，从产品成本分摊的角度上考虑，检测设备成本份额占得过高，将影响 产品的综合竞争能力;国内采购的话，经过多渠道的了解，国内尚无此类国产活塞自动测 量系统在生产中正常应用的范例。 1.2 活塞自动分组检测系统研究的现状 目前，在德国、美国、英国、日本等国家的一些著名测量仪器公司相继研制成功了 多种型号的活塞自动测量系统，并在世界上著名的活塞制造公司，如英国 ae、德国 mahle 和 ks、日本 art 等公司，广泛应用。 在国内，大部分的活塞生产企业仍然靠手工检测，有少数企业引进了德国、英国、 美国、日本等国家的活塞自动测量机，用于重点产品的在线检测。通过网络检索，尚未 见到国内企业和科研单位自行设计、制造的活塞自动测量系统的报道;但检索到几篇高等 院校撰写的有关活塞单件、少量尺寸的测量系统和活塞裙部自动测量与分组系统的文献。 1.3 题目简介： 活塞是发动机的关键重点部件之一，承受交变的机械负荷以及热负荷。工作条件极 其恶劣，是发动机中工作环境最差的零部件之一，活塞顶部是燃烧室的一部分，活塞在 高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达 徐州工程学院毕业设计（论文） 1 2500k 以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，温度分布很不均匀。 活塞一般都是铝质材料制成，质量轻，耐摩性好。但是由于金属都有热胀冷缩的特 性，而活塞又是在高温高压下在活塞缸中高速运行。活塞是一个精密零件，要求配合精 度很高。 其配合精度在微米级度量。 为了较好的实现活塞高质量的运行，在现实生产中通常采用的方法是人工检测。即 在一批活塞中，由人工一个一个的用 v 形块和千分尺进行测量。不仅检测精度低，准确 度差，还大量浪费劳动力。 据调查情况看来，在国内大型的活塞生产厂家，基本上都是采用这种方式的生产形 式。对劳动力是极大的浪费。 所以说研究出一种可以快速准确地进行活塞自动分组的系统是非常迫切的。 1.4 题目难点 前面已经提到了，关于这种系统的研究基本上在国内是一个空白，这就说明，肯定 是有难点的。但是社会在发展，科技在进步，在过去不可实现的事情，通过科技的进步 与发展，过去的难点在现在也许已经不再是难点。 主要的难点以下几点： 1.4.1 活塞定位 由于活塞是圆形零件，而检测要求是检测其直径，如果定位不好，检测是无法实现 的；同时，在检测的时候，还要求有一定的夹紧力。这样才能保证检测的准确性。 而对于活塞来讲，其横截面并不是一个正圆形，因为在活塞上存在连接活塞杆的销 孔，由于销孔的存在，导致了活塞在受热的时候，在和销孔垂直的方向和平行的方向上 的变形量不相同，因此，会导致活塞精度降低。为了克服这个缺点，在活塞设计的时候， 让销孔方向要比和它垂直的方向尺寸大。这样在活塞运行受热的情况下，就基本上是一 个正圆形。而在检测过程中，这个长短径的差别虽然是很小很小，但是对检测精度的影 响却是巨大的。因此要想一个方法解决活塞在测量过程中的定位问题。 1.4.2 测量速度 为了可以提高效率，所以要求要有一定的速度，如果速度达不倒理想的值的话，或 者说检测速度很慢，那是无法应用于生产实践中去的。在设计题目中已经有要求检测数 度不低于 50 件每分，所以这也是一个难点。 徐州工程学院毕业设计（论文） 2 2 .系统总体方案设计 2.1 电动机的选择 电动机是整个系统的动力源，如果电动机的选择不合适，对系统的正常运行是有很 大影响的，所以，电动机的选择应当予以重视。 2.1.1 选择电动机类型和结构型式 电动机类型和结构型式可以根据电源的种类、工作条件（温度、环境、空间尺寸） 和载荷特点（性质、大小、启动性能和超载情况）来选择。 在该检测系统中，系统没有频繁的起停，也不存在冲击载荷的现象，传动功率也不 是太大，要求可以方便的无级调速。因此，选择直流电动机，采用 pwm 调速。 2.1.2 确定电动机容量 电动机容量（功率）选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响，当容量小 于工作要求的时候，电动机不能保证工作机的正常工作，或使电动机因长期超载发热量 大而过早损坏；容量过大则电动机价格高，能量不能充分利用，经常处于不满载运行， 其效率和功率因子都降低，增加电能消耗造成很大浪费。 电动机容量主要根据电动机运行的发热条件来决定。电动机的发热与其运行状态有 关。对于长期连续运转，载荷不变或变化很小，常温下工作的机械，只要所选电动机的 额定功率 pm 等于或大于所需电动机功率 p0，即 pm=p0，电动机在工作时就不会过热， 而不必校验发热和起动力矩。 直流电动机是通用的电能到机械能转换的设备，将电信号转换为轴上的转角或转速， 以带动控制对象。直流电动机可以通过 pwm 调速电路实现轻松方便的调速。 1）工作机所需功率 pw 工作机所需功率 pw（w）应由机器的工作阻力和运动参数确定。由机械设计手册中 给定的公式计算： 式（2.1）/pwfwvww 式中 fw 是工作机的阻力（n） ；vw 是工作机的额定速度（m/s） ；w 是工作机的效 率。该系统中取为 0.95。 由于有测量速度的要求：不低于 50 件/min。 ，工作台上布置了六个夹具，也就是说： 工作台每转一圈，可以检测六个工件，最低速度为： 徐州工程学院毕业设计（论文） 3 式（2.2）min50/69v 即工作台的最低转速为 9 圈/min。为了提高检测速度和实现速度的可调，将额定速度定为 15 圈/min. 按预设工作台中心直径 850mm 计算，可求得额定速度为： 式（2.3） 3.14 850 15 40/ min 0.68/ vdn m m s 工作台的阻力主要是和工件及轴承的摩擦力。估算其大小为 1000 牛顿。 带入数值计算初步确定电动机的功率： 式（2.4） / 1000 0.68/0.95 0.7 pfwvww kw 2）计算电动机所需功率 p0 式（2.5）/popw = 齿轮 轴承 由机械设计课程设计第二篇第十一章查得， 轴承=0.99， 齿轮=0.98 0.99 0.980.9702 /0.7/0.97020.68popwkw 选取电动机的额定功率 pm。查机械设计手册，常用电机和，减速机。商用 1 减速器 减速机选型一章如下： 表2-1通力电机型号 电动机转从上表数据可以看到：根据输入功率和许用转矩要选择 trx-98 型。 矩的验证： 已知工作台的摩擦阻力为 1000n，工作台半径 425mm,则其最大阻力转矩为： . 1000425425tnmmn m 徐州工程学院毕业设计（论文） 4 许用转矩是,所以选用 trx-98 型电动机。400 .425 .600 .n mn mn m 验证表明电动机的选择是合格的。 2.1.3 电动机的安装 电动机是主要的动力源，因此要将电动机按安装在合适的位置上，否则，电动就有 可能不能很好的工作。由于总体支架是用 40x50 的方钢焊接成的，它的形状变化灵活， 可以适应电动机的安装形式，因此只要知道电动机的安装尺寸后，通过焊接就可以方便 的实现电动机的固定。通过查阅机械设计手册后，得到 trx-98 型电动机的安装尺寸如下： 图2-1 通力电机的外形及安装尺寸 2.2 机械结构总体设计 机械结构采用回转式结构，首先焊接一个整体支架，在支架上用螺栓连接一个立轴， 通过轴承实现立轴和轴套的配合，轴套上安装活塞夹具。活塞被活塞夹具定位并在轴套 的带动下运动到固定的检测位。实现连续的活塞检测。检测位设有高精度传感器，并用 v 形快定位。保证检测时定位可靠。 设计的系统机械结构如图示： 徐州工程学院毕业设计（论文） 5 1.总体支架 2.轴套 3.保持架 4.立轴 5.粗定位部分 6.活塞 7. 传感器 8.电路板盒 图2-2 系统总体机械结构设计 2.3 小结： 通过对电动机的选择和机械机构的总体设计，可以达到检测的要求，也可以满足设 计任务书中的各个要求，整体方案是可行的。 徐州工程学院毕业设计（论文） 6 3.系统机械结构的分部设计 3.1 活塞定位以及检测部分的设计 活塞的定位关系到系统检测精度的高低，定位和检测部分的设计是否合理还会影响 到系统的效率。因此，定位和检测部分的设计不容忽视。 3.1.1 检测部分的定位设计 活塞的定位采用 v 形块，活塞竖放，传感器水平放置。由于活塞是圆柱体，因此， 活塞的定位要采用可靠的方式，不然的话，活塞定位不好，就达不到所要求的测量精度。 活塞定位有卧放和竖放两种方式。而对于卧放，活塞和检测平台是线接触，这样活塞就 会滚动，很难精确的定位。因此，选择竖放是一个比较理想的方案，活塞和检测平面是 面接测，无滚动，从圆周方向容易测量，定位方便。并且设计有一个台坐，用来夹持传 感器，这样，传感器可以方便地调整位置，实现不同外径的活塞的测量。系统检测机构 结构原理图如下。 1.定位用v形块 2.待测活塞 3.活塞夹紧装置 4.传感器 5.传感器固定装置 图3-1检测系统的构成 3.1.2 活塞定位系统的设计 在该检测系统中可以很容易的看到：系统的检测精度很高，要求微米级。做过测量 的人都明白，定位是测量的第一步，如果定位方案不成熟，或者是定位存在很大的偏差， 那么在做检测的过程中就会引进误差，甚至造成测量失败的严重后果。可见，活塞的定 位在该系统中是一个必须要好好考虑的问题。然而，前面已经提到，由于活塞是圆柱体， 徐州工程学院毕业设计（论文） 7 对其定位存在困难。同时，由于在检测的过程中，活塞的轻微运动或晃动都会给测量带 来误差，甚至导致分错组的事情发生。对于这种现象是要想方设法坚决解决。 考虑到活塞是非正圆形，因此，对于活塞要有一个圆周方向的定位，前述中已经表 明：活塞的长短径之比是不可以忽略的。因此，就要利用活塞的本身结构来进行定位。 对于圆周方向的定位，可以利用活塞上的销口来定位。销口是活塞中与销轴配合的，其 精度完全可以达到定位应用的要求。因此，利用它来定位是可行的。对于定位结构。经 过思考与借鉴，拟采用一种伸缩杆的形式。该杆带有可伸缩的定位头，定位头的头部有 很小的锥度。当定位活塞时，定位头就会有 0.5mm 左右的距离进入到销孔内，这时，活 塞在圆周方向上被定住位。因为定位头是带有弹簧的，可以自由的小距离浮动，所以， 在活塞圆周方向定住位后，并不是会静止，而是会在底部夹具的带动下，继续运动而离 开定位头。浮动的定位头就可以轻松的实现这个要求。 这样还只是定住了圆周方向的测量位置，还需要进一步的进行定位，防止在测量的 过程中出现左右摇摆的现象。所以还要在活塞的底部设计一个夹具，实现活塞和托盘一 起运动，并进行二次定位。 活塞的进一步定位还要用活塞本身的结构来定位，不然的话，利用一个不精确的结 构进行定位，那是达不到测量要求的。经过对活塞结构并遵循定位方便和拆卸方便的原 则，考虑到应用活塞的止口来进行定位。活塞止口是活塞上的工艺基准，虽然在实际运 用中并无用处，但是在加工过程中是必不可少的。这个工艺止口的存在就为我们的定位 提供了很大的方便。活塞定位系统的总体结构如图 3.2 所示。 在定位夹具上，设计了一套（三个）钢球，利用三个钢球和活塞止口接触，这样来 提高活塞的定位精度和柔性。活塞上小钢球系统的设计过程如： 首先确定，小钢球凸出夹具表面 0.5mm 左右就可以了。将三个钢球一个设计成浮动， 另两个设计成固定，这样，就可以方便的实现工作要求。利用作图发求解。确定钢球外 套的直径为 10mm 孔，壁厚为 2，刚球直径为 6。钢球突出 0.5 时外套的结构和数据通过 作图都可以得到。再在尾部攻丝，选配 m6 的开槽紧定螺钉。对于浮动头内部家弹簧，固 定头不加弹簧。这样就就可以实现了浮动定位的要求了。浮动定位头的结构如图 3.3。 徐州工程学院毕业设计（论文） 8 1.定位头套件 2. 被检测活塞 3. 定位夹具 图3-2 活塞定位示意图 1.活塞止口壁 2. 钢球 3. 刚球外套 4. 开槽紧定螺钉 5. 活塞夹具体 图3-3 浮动定位头结构图 这样，活塞的定位问题已经得到了解决，对于在检测中的一大关键问题得到了解决。 同时，也为后续工作的开展铺平了道路，为下面设计工作的开展做准备好了条件。 徐州工程学院毕业设计（论文） 9 3.2 齿轮的设计 1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数。 （1）拟选用直齿圆柱齿轮传动 图3-4 齿轮传动形式 （2) 由于电动机带动齿轮将功率传动到大齿轮，速度不高，只起输送作用。故选用 7 级精度， （gb1009588） （3）选择材料。 查表选择小齿轮的材料为 34crnimo(调质)硬度为 305hbs。大齿轮材料为 45 钢（调 质）硬度为 190hbs。 （4）选小齿轮的齿数为 1 18z 那么大齿轮的齿数： 21 18 10180zz 2.面接触疲劳强度设计。 由设计公式进行计算：即 式（3.1） 2 1 1 3 1 2.32 e hd zktu d u 确定公式内各计算数值; 试选载荷系数：1.3 t k 3.计算小齿轮传递的转矩： 式（3.2） 5 1 1 5 4 95.5 10 3 95.5 10 800 3.58 10 p t a n mm 查表取齿宽系数1 d 查表得材料的弹性影响系数。 12 189.8 e zmpa 查表按齿面硬度查表得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲 min 675mpa 劳强度极限：。 min 520mpa 徐州工程学院毕业设计（论文） 10 4. 计算应力循环次数： 11 8 600 60 200 12 8 300 15 8.64 10 nnjhh 8 2 8.64 10 10 n 式（3.3） 7 8.64 10 查表可得接触疲劳寿命系数： 2 0.98 hn k 5. 计算接触疲劳应力： 取失效概率为 1，安全系数为 s=1。 由公式得： 1 1 lim1 1 0.95 600570 hnh h k mpampa s 式（3.4） 2 lim2 2 0.98 550539 hnh h k mpampa s 计算： 试算小齿轮分度圆直径，带入中较小的一个值： 1t d h 1 3 1 1 2.32 81.0 te t dh ktzu d u mm 式（3.5） 计算圆周速度： 式（3.6） 11 60 100 81.0 150 60 1000 0.63 t d n v m s 计算齿轮宽度： 式（3.7） 1 1 81.0 81 dt bd mm 计算齿宽与齿高比： 。 b h 模数： 徐州工程学院毕业设计（论文） 11 1 1 81.018 t t d m z 式（3.8）4.5mm 齿高： 2.25 2.25 4.5 t hm 式（3.9）10.125mm 81 8 10.125 b h 6. 计算载荷系数： 根据，7 级精度，查得动载荷系数。0.63/vm s1.1 v k 直齿轮假设 100/ at k f n mm b 由表查得1.2 hf kk 查表得使用系数 1 a k 查表可知 7 级精度，小齿轮相对支承非对称布置时： 式（3.10） 223 1.120.181 0.60.23 10 hdd kb 带入数据后得： 223 1.120.181 0.6 0.430.430.23 1034.83 1.165 h k 由 查得: 81.165 h b hk 1.11 f k 故载荷系数： 1 1.1 1.2 1.165 avhh kkkkk 式（3.11）1.56576 7.根据齿根弯曲强度进行设计。 弯曲强度的设计公式为： 式（3.12） 1 3 2 1 2 fasat df yyk m z 1).确定公式内各计算数值。 （1） 由图表查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲 1 520 fe mpa 劳极限 2 390 fe mpa （2） 查取弯曲疲劳寿命系数 0.88 fm k 2 1.1 fn k 徐州工程学院毕业设计（论文） 12 (3) 计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 s=1.4，则有： 11 0.88 520 1.4 457.6 fnfe k f s mpa mpa 式（3.13） 22 2 1.1 390 1.4 306 fnfe f k s mpa mpa （4） 计算载荷系数： 式（3.14）1.1 1.2 1.165 1.56576 avff kkkkk (5)取齿形系数： 1 2.97 fa y 2 2.14 fa y （6） 查取应力校正系数： 1 1.52 sa y 2 1.93 sa y （7） 计算大小齿轮的并加以比较。 fasa f yy 式（3.15） 1.52 2.97 0.01 457.6 fasa f yy 2 1.93 2.14 0.0135 306 fasa f yy 由此可见,大齿轮数值大！ 2） 设计计算： 式（3.16） 4 3 2 2 1.56576 9.948 10 0.135 1 18 3.38 m 对此计算结果，用齿面接触疲劳强度计算的模数大于齿根弯曲疲劳强度计算的 模数，由于齿轮模 m 的大小取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强 度所决定的承载能力仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积有关，可取有弯曲强度算 得的模数 3.38，但是为了可靠和便于加工，将模数圆整为标准模数 4.5。按接触强 徐州工程学院毕业设计（论文） 13 度算出下齿轮的齿数： 式（3.17） 1 1 81.0 18 4.5 d z m 8. 几何尺寸的计算： 1）.分度圆直径： 11 18 4.581.0dmzmm 式（3.18） 22 180 4.5810dmzmm 2） 计算中心距： 式（3.19） 12 2 81.0810 2 445.5 add mm 3）计算齿轮宽度： 式（3.20） 1 1 81.0 81 d bd mm 取整为 b=81mm. 3.3 轴承的选择 滚动轴承是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦改变为滚动摩擦，从而显著降低 摩擦损失的一种精密机械元件。它广泛用来支承轴与机座作相对旋转、摆动或往复直线 运动。它与滑动轴承相比，具有技术上、经济上的多项优点：1)摩擦力矩低，起动力矩小， 效率高；2)载荷、转速和工作温度的适应范围宽，工作条件的波动变化对袖承的性能影响 不大。可以在高温或低温情况下选用。3)润滑、维护保养容易。用脂润滑轴时无需配备 “整套油槽供油系统” ；4)大多数类别的轴承能同时承受径向和轴向两方向载荷；5)般 滚动轴承轴向长度小，对周围的设计空间有利，并且通过施加预紧力可以提高轴承刚性； 6)国际标准和规格统一，互换性好，使用方便。 由于滚动轴承内有滚动体，因而在刚件、振功与噪声等方面比动压、静压滑动轴承 差在高速、重载荷条件下工作时，滚动轴承寿命短。 从总体方案中，可以看到：在该系统中，轴承的选择是非常重要的，它是保证检测 精度的一个较为重要的关键因素。 轴承选择不好，整个工作台的定位以及回转精度都会大大降低。这样，整个系统的 检测精度和整体性能都会下降。 下面就简单的阐述一下轴承的选择计算过程。 徐州工程学院毕业设计（论文） 14 滚动轴承的轮廓尺寸，即内径、外径、宽度或高度、倒角尺寸，是轴承安装到轴上 或外壳上的重要尺寸。对成套轴承旋转精度所规定项目的概略测定，如下图所示： 3 方法 表3-1 轴承旋转精度的概略测量方法 在同样工作条件下，旋转精度高的轴承不仅能使结合部件的旋转精度提高，延 长轴承寿命，而且，极限转速也相应提高。 图3-5轴承检测示意图 从以上的轴承检测示意，可以看到：对系统精度影响最大因素是圆周跳动 a 的大小， 查询机械设计手册，对于 4 级精度的轴承各项参数如下表所示。 徐州工程学院毕业设计（论文） 15 表3-2 4级公差外圆 9095mm 滚动轴承的圆周径向跳动为 4um。而系统中要求的检测精度是 1 个 um 所 以，应该选择 3 级精度的轴承。 查轴承选择手册，选择的深沟球轴承代号分别为 61818。在系统结构中，有轴向力存 在，虽然不是很大，但是也要考虑其影响，不能忽略。因此，要选择一个角接触球轴承， 来消除轴向力的影响。查机械设计手册轴承一章，为了便于安装和拆卸选择 7020c 轴承. 选择的两个轴承的参数： 1 如下 61818： 基本尺寸/mm|d: 95 基本尺寸/mm|: 120 基本尺寸/mm|b: 13 安装尺寸/mm|da (min): 100 安装尺寸/mm|da (max): 115 安装尺寸/mm|ra (max): 1 其他尺寸/mm|d2 : 102.5 其他尺寸/mm|d2 : 112.5 其他尺寸/mm|r (min): 1 基本额定载荷/kn|cr: 19.8 基本额定载荷/kn|c0r: 21.3 极限转速/(r/min)|脂: 4500 极限转速/(r/min)|油: 5600 重量/kg|w : 0.27 徐州工程学院毕业设计（论文） 16 轴承代号|60000 型: 61819 7020c: 轴承代号|70000c(ac，b)型: 7020 c 基本尺寸/mm|d: 100 基本尺寸/mm| d: 150 基本尺寸/mm|b: 24 安装尺寸/mm|da(min): 109 安装尺寸/mm| da(max): 141 安装尺寸/mm|ra(max): 1.5 其他尺寸/mm|d2: 114.6 其他尺寸/mm| d2: 135.4 其他尺寸/mm|a: 28.7 其他尺寸/mm|r(min): 1.5 其他尺寸/mm|r1(min): 0.6 基本额定载荷/kn|cr: 79.2 基本额定载荷/kn|c0r: 78.5 极限转速/(r/min)|脂: 3800 极限转速/(r/min|油: 5000 重量/kg|w: 1.25 3.4 轴的设计： 由前面轴承的选择，已经看到，轴承的内孔大小已经确定。而与之配合的轴在尺寸 上一定要能够相配合。 34.1 计算轴所受的力 式（3.21） 3 2 2 425 0.85 1000 t f d n 3.4.2 初步确定轴的最小直径 先按机械设计课本中轴的计算公式确定轴的最小直径。选取轴的材料为 45钢， 调质处理。根据下表取 a0112。 徐州工程学院毕业设计（论文） 17 表3-3轴常用集中材料的 0 a及 于是： 式（3.22） 3 3 min0 3 3 0.7 112 15 52 p da n mm 考虑到轴承是与轴相配合的，因此，要将轴的尺寸适当扩大，以 达到和轴承的最佳 配合。求出轴的最小直径后，除了和轴承相配合外，轴上再无其它配合，因此其他尺寸 可以按照结构的最优化和最经济化来确定各尺寸。轴的设计结构如下。 图3-6 轴的结构设计 徐州工程学院毕业设计（论文） 18 4.检测与控制系统的设计 这个系统是一个典型的机电一体化产品，上面是机械结构部分的设计。有了机械结 构只是实现检测的第一步。而为了实现整个系统的自动化控制与运行，还必须要有控制 电路来实现其自动检测与分组的功能。 电器控制系统选用单片机控制。intel 系列的 51 单片机是首选。 下面对单片机进行一下简单的介绍： 单片微型计算机(single-clip microcomputer)，简称单片机。它在一块芯片上集成了中 央处理器(cpu)、只读存储器(rom)、输入/输出接口、可编程定时器/计数器等，有的甚至 包含 ad 转换器。总而言之，一块单片机芯片，就相当于一台微型计算机。 4.1 单片机的特点 (1)集成度高、功能强 微型计算机通常由中央处理器(cpu)、存储器(ram、rom)以及 i/o 接口组成各 部分分别集成在不同的芯片上。例如，大家熟悉的 z80 微型计算机就是由 z80cpu 存 储器(ram、rom)、pio、ctc 等芯片组成的。 单片机则不同，它把 cpu、ram、rom、i/o 接口，以及定时器计数器都集成在一 个芯片上。目前应用得最多的 mcs51 系列单片机的结构如图。 5 所示 图 4-1 徐州工程学院毕业设计（论文） 19 和微型计算机进行比较，单片机不仅体积大大减小，而且功能大为增强。mcs51 系 列单片机内的定时计数器为 16 位，而 z80 微型计算机只有 8 位；mi51 系列单片机中 不但有 4 个并行 i/o 接口，而且还有串行接口，且时钟频率可达 12mhz。 （2）单片机系统结构及其硬件配置 根据设计要求，单片机应用系统须包括： 1）模拟信号的处理与转换电路；2）外部 储存器的扩展电路；3）显示器与键盘接口电路；4）步进电机驱动电路；5）气缸驱动电 路。单片机控制系统的整体结构框图如下图所示。 图 4.2 单片机应用系统框图 4.2 a/d 转换与单片机的接口 模数转换器的功能是把输入的模拟信号转换成数字形式，使微处理机能够从传感器 或其它模拟信号获得信息。ad 转换器的种类很多，但目前应用较广泛的主要有两种类型： 逐次逼近式 ad 转换器和双积分式 a/d 转换器。 本系统中活塞外圆尺寸的检测精度要求达到 0.01mm 即 1um。若选用 8 位的 a/d 转换电 路，则该电路能够达到的分辨率为： mv vv 20 256 5 2 5 8 该分辨率下的机械行程： umum um 1078 . 0 256 20 这表明采用 8 位的 a/d 转换电路足以实现系统的检测精度。 a/d 转换器的种类很多从原理上分有并行比较型、逐次逼近比较型、积分型、压频变 换型等。本系统采用一种最常用的 8 位 a/d 转换芯片 adc0809.1 adc0809 是 8 位逐次逼近式 a/d 转换器，其内部由一个 8 位的模数转换器、一个 8 通 道多路开关及与单片机相兼容的控制逻辑电路等组成。内部的多路开关可控制 adc0809 实现对 8 路模拟信号的分时采样工作，因而应用广泛。 徐州工程学院毕业设计（论文） 20 其主要性能参数为： . 单一的+5v 供电； . 分辨率为 8 位； . 最大不可调误差小于1lsb； . 模拟信号输入范围为 05v； . 低功耗，仅为 15mw； . 转换速率可达 50us。 adc0809 的管脚分布如下图所示。 图 4.3 adc0809 的管脚分布图 其管脚功能说明如下： in0in7: 8 路模拟信号入口； d0d7: 8 位转换后的数据输出口； start: a/d 转换启动信号； ale: 抵制锁存信号。该信号由低电平至高电平时把 adda、addb、addc 三个 地址信号 送入地址锁存器，并经译码器得到地址后输出，以选择相应的模拟输入通道； eoc: 转换结束信号。转换开始后，eoc 变低，当转换完成后，该管脚变高； oe: 输出允许控制端。当该管脚的电平由低变高后，asdc0809 将转换的数据发 送到 dd7 上； clk: 时钟信号； vref+: a/d 转换器的正参考电压； vref-: a/d 转换器的负参考电压； vcc: 电源； adda、addb、addc: 模拟信号接通的多路开关选择码。 徐州工程学院毕业设计（论文） 21 图 4.4 8051 与 adc0809 的接线图 4.3 单片机系统存储器的扩展 (一)存储器扩展概述 1. mcs-51 单片机的扩展能力 mcs-51 单片机的地址总线为 16 位，在片外可扩展的存储器最大容量为 64kb，地址 空间为 0000h-0ffffh。 由于 mcs-51 单片机对片外程序存储器和数据存储器的操作使用不同的指令和控制信 号，允许两者的地址有重叠，因此片外可扩展的程序存储器和数据存储器空间都是 64k。 为了配置外围设备而扩展的 i/o 接口与片外数据存储器统一寻址，即占据相同的地 址空间。片外数据存储器连同 i/o 接口一起的扩展容量是 64kb。 2. 存储器扩展的一般方法 存储器芯片种类繁多，即使同一种类的存储器芯片，其容量、引脚数目也不相同。 尽管如此，存储器芯片与单片机的扩展连接仍然有共同的规律。不论何种存储器芯片， 其引脚都呈三总线结构，与单片机连接时都是三总线对接。 存储器芯片的控制线：存储器芯片的控制线应与单片机的相应控制线相连。对于 程序存储器，其读选通信号（）应与单片机的口连接；对于数据存储器，存储oepsen 器的读选取能信号（）应与单片机的连接，存储器的写允许信号（）与单片oerdwe 机的写信号相连接。wr 存储器芯片的数据线：存储器芯片数据线的数目由芯片的字长决定。1 位字长的 芯片数据线有 1 条，8 位字长的芯片数据线有 8 条；存储器芯片的数据与单片机的数据线 （p0.7-p0.7）按由低位到高位的顺序相连。 存储器芯片的地址线： 存储器芯片地址线的数目由芯片的容量决定。存储器芯片 徐州工程学院毕业设计（论文） 22 的地址线与单片机的地址总线按由低位到高位的顺序连接。通常，存储器芯片的地址线 数目总是少于单片机地址线的数目，引线相接后，单片机的高位地址线总有剩余。剩余 地址线一般作为译码线，译码输出与存储器芯片的片选信号线相接。单片机对存储器芯 片访问时，片选信号必须有效，即选中存储器芯片。片选信号线与单片机系统的译码输 出相接后，就决定了存储器芯片的地址范围。 常用的译码方式有两种：线译码方式和译码器方式。 (1)线译码： 所谓线译码就是低位地址线参加片内译码，剩余的高位地址线直接作 为存储器芯片的片选，即一根线选中。当有 n 条高位地址线不参加译码时，则有个不 n 2 同的地址空间。这些地址空间中真正能存储信息的只有一个，其余的总是闲置，因而会 造成地址空间的浪费，这是线译码方式的缺点，但采用线译码方式的优点是译码电路比 较简单。 (2)译码器译码：所谓译码器译码就是低位地址线参加片内译码，剩余高位地址线通 过译码器芯片进行译码形成存储器芯片的片选。这种译码方法产生的存储器芯片的地址 空间是惟一确定的，不存在多块与重叠问题。常用的译码器芯片有 74ls138、74ls139 等。 (二)程序存储器的扩展 mcs-51 单片机的外部程序存储器通常采用紫外线擦除电可编程只读存储器 eprom。 其典型产品有 2764，27128，27256，27512 等。 其中 2764a 是一种 8k8 位的紫外线擦除电可编程只读存储器，单一+5v 供电，工作 电流为 75ma，维持电流为 35ma，读出时间最大为 250ns。 2764a 的五种工作方式如下表所示。 徐州工程学院毕业设计（论文） 23 表 2764a 的五种工作方式 (20)cec(22)(27)pgm(1) pp v(28) cc v输出 读出 llh55dout 维持 h 任意任意 55 高阻 编程 lhl12.55din 编程检 验 llh12.55dout 编程禁 止 vih 任意任意 12.55 高阻 2764 有 13 根地址线 a12a0，能区分 3 位二进制地址信息；共有 8192 种工作状态， 即可选择 8192 个片内存储器中任意一个字节单元。这 13 根地址线的低 8 位接 8051 的低 八位地址线 a7a0，高 5 位与 8051 的 p2.4p2.0 连接，当 8051 发送 13 位地址信息时， 可分别选中 2764 片内 8kb 存储器中的任何一个单元。 2764 的 c 端由 8051 的引脚信号控制。当信号由高电平变成低电平时，psenpsen 允许 2764 输出，所反映的 2764 存储单元的内容被送到 p0 口，在的上升沿将数据psen 送入单片机的 cpu 内。2764 的引脚为片选信号输入端，低电平有效。ce 2764 与单片机的连接原理图如下图所示。 图 4.5 2764 和 8051 单片机的连接原理图 (三)数据存储器的扩展 mcs-51 系列的单片机片内 ram 仅 128 字节，当系统需要大容量 ram 时，就需要片外 徐州工程学院毕业设计（论文） 24 扩展数据存储器 ram，最大可扩展 64kb。扩展数据存储器地址空间同扩展程序存 储器一样，由 p2 口提供高 8 位地址，p0 口分时提供低 8 位地址和用做 8 位双向数据 总线。片外数据存储器 ram 的读和写由 8051 的（p3.7）和（p3.6）信号控制，而rdwr 片外程序存储器的输出允许端（）由信号控制。尽管 ram 与 rom 共处于同一地oepsen 址空间，但由于控制信号及使用的数据传送指令不同，所以不会发生总线冲突。 6264 与单片机的连接原理图如下图所示。6264 的片选信号由 p2.5 口提供。 图 4.6 6264 和 8051 单片机的连接原理图 由于 8051 单片机内部 ram 为 128b2,其容量不能满足设计功能要求，故本机扩展 8kb 静态 ram 6264 一片，本设计采用线选法扩展 1 片 8kb 的 ram 和 1 片 8kb 的 eprom,ram 芯片选用 6264，eprom 选用 2764，共扩展 2 片储存器芯片，扩展接口电路见下图所示。 图 4.7 eprom 和 ram 的扩展 地址线 p2.5 直接接到 2764 和 6264 的片选，每次同时选中 2 个芯片，具体哪个ce 徐州工程学院毕业设计（论文） 25 芯片工作还要通过、控制信号控制。当片外程序储存区读选通信号psenwrrd 为低电平，肯定到 eprom 读程序；当选通信号或为低电平则到 ram 中读数psenwrrd 据或向 ram 写入数据。、3 个信号是在执行指令时产生的，任意时刻，只psenwrrd 能执行 1 条指令，所以只能 1 个信号有效，不可能同时有效。 4.4 8155 并行可编程 i/o 接口扩展 mcs-51 单片机共有 4 个并行 i/o 接口，但这些接口并不能都提供给用户使用，因此 在单片机系统设计中经常要进行 i/o 接口的扩展。 intel 8155 是一种可编程的并行 i/o 接口芯片。8155 芯片内包含 256 字节的 ram， 两个 8 位、一个 6 位的可编程并行 i/o 接口和一个 14 位定时器/计数器。8155 可直接与 mcs-51 单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于 8155 既有 ram 又具有 i/o 接口， 因而是 mcs-51 单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。 图 4.8 单片机和 8155 的连接原理图 4.5 控制面板的设计 至此机械部分和电路原理部分都已设计完毕，为了便于操做，下面要设计一个控制 面板，以实现方便的集中控制。根据要显示的量和要输入的量，一共有以下几个。电机 速度的调整、各组活塞数量的显示、当前测量值的显示、手动调试按钮、启动、停止按 钮、重新设定零点等。 根据以上的输入输出量设计出的控制面板如下： 徐州工程学院毕业设计（论文） 26 图4-2面板的结构 徐州工程学院毕业设计（论文） 27 结论 通过对活塞外圆尺寸自动分组检测系统的研究，在对本文阐述的过程中，了解 到活塞在检测过中的诸多难点。在克服这些难点时，需要很多的知识理论。在研究 活塞定位时，运用到了很多机械方面的知识，其中三个小球，两个小球固定，一个 小球浮动，在活塞定位时，灵活运用