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轴心 轨迹 检测 结构设计

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本科毕业设计开题报告 题 目： 轴心轨迹检测仪结构设计 院 （系）： 机械工程学院 班 级： 机械0612 姓 名： 王学康 学 号： 0603011202 指导教师： 赵汗青 教师职称： 副教授 黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告题 目轴心轨迹检测仪结构设计来源工程实际1、研究目的和意义 随着现代化机械设备的不断大型化、复杂化，它们的工况检测和故障诊断技术变得越来越重要，并且得到迅猛发展，成为现代科技的热点之一。轴心轨迹作为旋转机械的一个重要状态特征参量，形象直观地反应了转子的实际运动状况。在机械故障诊断技术中，由于轴心轨迹包含了丰富的故障信息，是一种诊断故障的有力工具。通过对轴心轨迹的观察，可以判断出一些常见的故障。例如不对中、油膜涡动和油膜震荡，其轴心轨迹反应就非常明显。如果同时从轴心轨迹的形状、稳定性和旋转方向等几方面进行综合分析，可以得到比较全面的机组运行状态信息。因此对轴心轨迹进行测试和分析具有重要的意义1。轴心轨迹直观地反映了转子瞬时运动状态，其形状和动态特性包含了丰富的故障征兆信息，它可以直观、形象地表达出设备的运行状况，因而在诊断系统中得到广泛的应用2。2、国内外发展情况(文献综述)目前国内外已经建立了许多基于润滑理论之上的轴心轨迹计算方法，其中代表性的有三种方法：汉氏（Hahn）法、荷氏（Holland）法和迁移（Mbility）法1。汉氏（Hahn）法是德国Karlsruhe大学H.W.Hahn教授提出的，基本思路是将动载荷雷诺方程分成旋转和挤压两部分，采用了统一的边界条件，分别求出油膜承载力，并矢量合成，再建立总承载力和外载静力平衡的方程求出轴心运动轨迹，该方法从数学上是严格的，但是计算量很大。荷氏（Holland）法是德国Clausthal工业大学J.Holland提出的，该方法为克服动载荷雷诺方程在数学上求通解的困难，将旋转运动和挤压运动分开，按各自的边界条件独立求解再将旋转油膜力和挤压油膜力迭加而与外载平衡，从而导出轴心运动微分方程，求得轴心轨迹。迁移（Mbility）法是美国学者Booker提出的，其基本的思路是应用无限窄轴承理论求出油膜压力的解析式，根据油膜承载力和外载平衡求出轴心运动方程，但是该方程形式非常复杂难以直接积分求解。以上方法在轴承的变形、动力学条件、油膜演变、边界条件及热平衡等方面对轴心轨迹的影响作了深入的研究，但实际上要准确计算轴心轨迹仍非常困难。在实际工作中经常利用在同一平面上相互垂直地安装电涡流传感器对转轴振动进行测量，经过处理可以得到转子的轴心轨迹。轴心轨迹测试原理：传感器的前置放大器输出信号经过滤波后将交流分量输入示波器的X轴和Y轴或是监测计算机51，便可以得到轴心轨迹。在实机测试方面，国内外一般不做一个单独的轴心轨迹分析仪，而是将其作为旋转机械状态监测与故障诊断系统的一个模块5 6。如美国Bently Nevada Corporation(本特利)、Westinghouse公司PDS系统、IRD与ENTEK联合开发的5911系统、以及日本三菱的MHM系统等。国内的科研单位、高校也研制开发了一些系统。如北京英华达公司的EN8000系统1、北京东方振动和噪声技术研究所的施轻机械测量分析系统、北京时代龙城科技有限责任公司的LC600多功能转子试验台、西北工业大学的MD3905系统、西安交通大学的RMDS系统及南京中大趋势测控设备有限公司的多功能转子振动试验系统等。在试验系统中很重要的是轴心轨迹的提取。目前提出的轴心轨迹识别方法有图像处理方法基于小波变换的识别7、基于模糊小波神经网络的轴心轨迹识别方法8、采用多通道数字滤波器9、基于LabVIEW的轴心轨迹测量10、基于不变距特征和新型关联度的轴心轨迹形状自动识别11、基于数学形态学的轴心轨迹自动识别法12、谐波窗法13等方法。3、研究/设计的目标： 设计轴心轨迹试验台由机械机构和检测控制电路组成。使用传感器监测轴的运行采集到的信息经过单片机处理将轴心轨迹直接在显示器上呈现出来，可以判断轴的圆度和圆柱度，检测该轴是否合格。4、设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）：设计方法：根据所掌握的资料和设计要求，选取合适的传感器、滤波装置、信号处理装置（信号的去噪、放大）、数据采集卡、A/D转换装置、单片机及控制系统、。将所有器件安装在试验平台上构成一个系统，根据需要设计相应的机械安装结构,各个接口的安装设计。（图 1.） 机械结构：根据要求选择合适的直流电动机、联轴器、滚动轴承、三爪卡盘和顶尖、并安装在底座上。通过三爪卡盘和顶尖可以将不同的轴安装在试验台上，顶尖可以在安装在底座的导轨上移动使不同长度的轴可以得到测量。在三爪卡盘处安装速度传感器来检测其转速，在支架上装有电涡流传感器是支架来检测轴的运转。(图 2.) 图 1. 检测框图直流电动机控制装置联轴器三爪卡盘顶尖 底座传感器支架轨道图2.机械结构简图 试验台可以检测轴直径在20-200；轴最长为1000的轴。5、方案的可行性分析：采集方向相互垂直的两路振动位移信号，经处理后拟合为轴心轨迹，提取轴心轨迹的方向变化特征，利用模式识别理论中的函数判别法进行分类识别。6、该设计的创新之处该试验台实现了智能化的控制处理，准确的显示出轴心轨迹的图形。7、设计产品的主要用途和应用领域：主要在机械制造业中用于轴的检测，检测轴的圆度和圆柱度。还可以应用于科研和教学。8、时间进程3月22号-4月6号 整理实习日记、撰写实习总结和开题报告4月7号-5月4号 设计计算、总体结构草图设计5月5号-5月25号 总体图和部件图设计5月26号-5月31号 零件图设计6月1号-6月5号 整理、撰写毕业设计说明书和设计图纸6月6号-6月10号 结合毕业设计，准备答辩6月10号-6月19号 答辩9、参考文献1 张大明 智能控件化轴心轨迹分析仪的设计D 20052 王庆广 转子轴心轨迹自动识别方法的研究 D 20063 赵新民 智能仪器设计基础 M 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，19994 史健芳等 智能仪器设计基础 M 北京：电子工业出版社，20075 刘君华 智能传感器系统 M 西安：西安电子科技大学出版社，19996 沙占友等 集成化智能传感器原理与应用 M 电子工业出版社，20047 杨奕，沈申生 基于虚拟仪器的转子轴心运动轨迹测试系统仪 J 2007（12）8 丁克北 基于模糊小波神经网络的轴心轨迹识别方法 D 20059 项春 周敏 采用多通道数字滤波器的轴心轨迹提纯 D 200710陈豫 轴心轨迹提纯与自动识别的研究 D 200311马小勇 相似理论在旋转机械轴心轨迹中的应用研究D12翁桂荣 叶萍 基于数学形态的轴心轨迹自动识别法 D 200713张文斌等 基于谐波窗方法的转子轴心轨迹提纯 D 200914方建军 田建军 郑清香 光机电一体化系统设计 M 化学工业出版社，200315熊诗波 黄长艺 机械工程测试技术基础 M 机械工业出版社 2006 516杨延勇 施冲 基于神经网络的轴心轨迹的自动识别 D 200217张中雄等 测控电路 M 北京：机械工业出版社，200118徐爱钧 智能化测量控制仪表原理与设计 M 北京航空航天大学出版社200419谢庆生 尹健 罗延科 机械工程中的神经网络方法 M 机械工业出版社，200320王化祥 张淑英 传感器原理及应用 M 天津大学出版社 200221National Instruments.A nem open specification for modular Instrumentation M22ational Instruments.Measurement and automation catalogue. M 2001指导教师意见教师签字：年 月 日开题答辩小组意见：组长签字： 成员签字：年 月 日毕业设计领导小组意见: 组长签字：年 月 日实习总结 实习时间：3月1日3月21日 实习地点: 图书馆、哈尔滨量具厂、实验室 实习目的: 1.在图书馆查找收集有关毕业设计的资料 2.去工厂实习参观相关的设备，为毕业设计做准备实习情况：这次毕业设计的题目是轴心轨迹试验台设计，该试验台将对转子的运转状态进行监测，并从中得出旋转机械的运转情况，技术人员可以根据轴心轨迹的形态做出判断。轴心轨迹试验台设计会涉及到机械、电工电子、光学及其不同技术的组合（电工与电子机械、光电子技术与光学机械），由此可见该试验台属机电一体化产品。这样的试验台一般由四个部分组成：本体机构、计算机控制器、驱动装置和传感器。控制器执行装置传动机构被控对象传感器输入指令反馈+ 图1. 机电一体化的组成（1） 机械技术 机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。（2） 计算机与信息技术其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。（3） 系统技术系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。（4） 自动控制技术其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。（5） 传感检测技术传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。（6） 伺服传动技术 包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。轴心轨迹是指机器在给定的转速下轴心相对于轴承座在其与轴线垂直平面内的运动轨迹.轴心轨迹为平面曲线机器运行时若各种约束力在所有径向上都相等并且只有一个力作用于转轴上这时轴心轨迹将是一个圆形。轴心轨迹是指转子轴心点相对于轴承座运动而形成的轨迹.柔性转子均采用流体动压其轴与滑动轴承之间的间隙为轴心轨迹的形成构成了条件；当轴承或轴颈所受负荷变化时,便会出现新的平衡位置,这样一系列轴心平衡位置便形成了封闭曲线,称为轴心轨迹.。随着现代化机械设备的不断大型化、复杂化，它们的工况监测和故障诊断技术变得越来越重要，并得到迅猛发展，成为现代科技的热点之一。轴心轨迹作为旋转机械一个重要状态特征参量，形象直观地反应了转子的实际运动状况。在机械故障诊断技术中，由于轴心轨迹包含了丰富的故障信息，是一种故障诊断的有力工具。通过对轴心轨迹的观察，可以判断出一些常见的故障，例如不对中、油膜涡动和油膜振荡，其轴心轨迹反应就非常明显。如果同时从轴心轨迹的形状、稳定性和旋转方向等几方面进行综合分析，可以得到比较全面的机组运行状态信息。因此，对轴心轨迹进行测试和分析具有重要的意义。目前国内外已经建立了许多基于润滑理论之上的轴心轨迹计算方法，其中最具代表性的有三种方法：汉氏（Hahn）法、荷氏（Holland）法和迁移率（Mobility）法。汉氏（Hahn）法是德国Karlsruhe 大学H.W.Hahn 教授于1957 年提出的。其基本思路是将动载荷雷诺方程分成旋转效应和挤压两个部分，采用了统一的边界条件，分别求出油膜承载力，并矢量合成，再建立总承载力与外载静力平衡的方程求出轴心运动轨迹，该方法从数学上是严格的，但计算量很大。荷氏（Holland）法是德国Clausthal 工业大学J.Holland 教授于1959 年提出的，该方法为克服动载荷雷诺方程在数学上求通解的困难，将旋转运动和挤压运动分开，按各自的边界条件独立求解再将旋转油膜力和挤压油膜力迭加而与外载平衡，从而导出轴心运动微分方程，求得轴心轨迹。迁移率（Mobility）法是美国学者Booker 于1965 年提出的，其基本思路是应用无限窄轴承理论求出油膜压力的解析解，根据油膜承载力与外载平衡求出轴心运动方程，但该方程形式非常复杂难以直接积分求解。以上方法在轴承的变形、动力学条件、油膜演变、边界条件及热平衡等方面对轴心轨迹的影响作了深入的研究，但仍存在不完善的地方，实际上轴承工作更为复杂，如零部件的刚度、载荷、导热性、热容量、进油压力及油量、加工及装配等，要准确计算轴心轨迹仍是非常困难的。因此在实际中经常利用同一平面上两只相互垂直安装地电涡流传感器对转轴振动进行测量，经过处理可以得到转子的轴心轨迹。轴心轨迹测试原理如图1.1 所示，传感器的前置放大器输出信号经滤波后将交流分量输入示波器的X 轴和Y 轴或监测计算机，便可以得到转子的轴心轨迹。 图 2.轴心轨迹测试框图轴心轨迹非常直观地显示了转子在轴承中的旋转和振动情况，是故障诊断中常用的非常重要的特征信息。对仅由不平衡引起的转子振动，若转子各个方向的弯曲刚度及支承刚度都相等，则轴心轨迹为圆，在X 方向和Y 方向只有转速频率的简谐振动，并且两者的振幅相等，相位差为90。实际上，大多数情况下转子各个方向的弯曲刚度和支承刚度并不相同，引起转子振动的原因也并非只有不平衡，因此轴心轨迹不再是圆，而是一个椭圆或者更复杂的图形，反应在X 方向和Y 方向的振幅并不相等，相位差也不是90。在实机测试方面，国内外一般不做一个单独的轴心轨迹分析仪，而是将其作为旋转机械状态监测与故障诊断系统的一个模块。国外如美国Bently Nevada Corporation（本特利）的系列产品、Westinghouse 公司的PDS 系统、IRD 与ENTEK公司联合开发的5911 系统、Scientific Atlanta 公司的M6000 系列以及日本三菱公司的MHM 系统等。其中美国开发得最早，技术也最先进。国内的科研单位、高等院校也研制、开发了一些旋转机械在线监测与故障诊断系统并投入现场运行。例如郑州大学工学院的MMDS2000 系统、北京英华达公司的EN8000 系统、深圳创为实的S8000 系统、西北工业大学的MD3905 系统、西安交通大学的RMDS 系统、北京东方振动和噪声技术研究所的施轻机械测量分析系统、北京时代龙城科技有限责任公司的LC600多功能转子试验台、南京中大趋势测控设备有限公司的多功能转子振动试验系统及重庆大学的CDMS-8900 系统等。轴心轨迹作为一种表征旋转机械工作状态的重要手段，其中包含了大量的故障信息，但由于轴心轨迹图形比较复杂，如何实现轴心轨迹特征的自动提取，一直是设备故障诊断研究的重要问题。转子故障诊断中，图像征兆是判断转子运行正常与否的关键。回转部件中心位置比振幅或幅频曲线更能直观地反映转轴的运动情况，因此轴心轨迹是故障诊断当中最重要的一类图形征兆，它简单、直观、形象地表达了设备的运行情况。因而在故障诊断中得到广泛应用。轴心轨迹的形状，运动方向和稳定性是故障诊断中重要的征兆参数。传统的诊断系统中，轴心轨迹很大程度上是由人工进行诊断，极大地影响诊断的自动化程度。因此研究轴心轨迹的识别具有很大的理论和实用价值。目前提出的轴心轨迹识别方法有图像处理方法基于小波变换的识别、基于模糊!小波神经网络的轴心轨迹识别方法、采用多通道数字滤波器、基于LabVIEW的轴心轨迹测量、基于不变距特征和新型关联度的轴心轨迹形状自动识别、基于数学形态学的轴心轨迹自动识别法、谐波窗法等方法。轴心轨迹试验台涉及到很多的方面的知识，从传感器的选择到各种接口的匹配都是必须考虑的。一般要用到的传感器有电涡流位移传感器、振动加速度传感器、振动速度传感器、光电转速传感器等。还有就是数据采集仪包含：1路振动加速度传感器、1路振动速度传感器、1路光电转速传感器、5路电涡流位移传感器的信号采集与调理放大等。单片机、显示屏、各种电路元器件都是需要根据要求查手册选择的。 在该试验台设计中，机械结构也占有很大的比例。驱动装置一般选的是直流电动机，其他的结构要根据实际的情况设计。实习心得：实习在大学的学习是很重要的，这次的实习更为重要。这是我们在大学学习结束的最后一次，是我们把理论和实际相结合的好机会，也是我们走向工作岗位的一次检验。我们尽可能的把以前学的知识回忆起来，并运用到实际的实习和工作中去。这次实习的主要是为毕业设计做准备，为了顺利完成设计而进行的。这次实习为期三周，在这期间我们去图书馆查阅了很多有关毕业设计的资料，并且还有机会去现场参观，对所设计的题目有了更多的认识，并且得到了很多第一手的资料。这些工作对我们毕业设计有很大多帮助，也为设计顺利完成打下了基础。这次实习我学到了很多东西。对设计的题目有了更深的认识，也为设计打下了基础。虽然还是有很多不懂的地方，但在老师的指导下我弄懂了许多以前不知道的东西。在学校学到的东西大多是理论的，这次实习是理论和实践相结合的好机会。毕业设计是检验我们大学所学的东西，并且得到实际的应用，为以后我们走向工作岗位打下了基础。 实 习 总 结专 业： 机械设计制造及其自动化 性 质： 毕业实习 学 年： 2009-2010 班 级： 机械06-12班 姓 名： 王学康 学 号： 0603011202 机械工程学院摘要 轴心轨迹是轴的一个重要的特征参量，对于轴的检测有重要的作用。轴类零件在机械中是一个很重要的部件，其精度直接影响到机械的质量、寿命和运转的情况。在当前市场竞争日益激烈的时代，只有保证产品的质量才能保证企业的发展。只有先进的制造工艺是不够的，还要有更高的检测技术。本文介绍了轴心轨迹检测的现状，轴心轨迹检测的原理和分析方法。介绍了测试仪器的发展历程，即从传统的硬件化仪器经过虚拟仪器再到今天的智能控件化虚拟仪器。根据轴心轨迹的特征采用电涡流传感器来检测，并设计了机械结构和控制电路，对轴类零件的检测有了一个新的发展。 关键词： 轴心轨迹 传感器 智能ABSTRACTOrbit is an important axis of the characteristic parameters for the detection axis play an important role. Shaft in machinery is a very important component, the precision of a direct impact on mechanical quality of life and functioning of the situation. In the current era of increasingly competitive market, only to ensure the quality of products can ensure the development of enterprises. Only advanced manufacturing technology is not enough, but also has a higher detection technology. This article describes the detection of core path status, orbit test of the theory and analysis. Describes the development process of testing instruments, from traditional hardware-based devices through virtual machines to todays intelligent control of virtual instruments. According to the characteristics of orbits with eddy current sensors to detect and design the mechanical structure and control circuitry, the detection of the shaft with a new development. Key words: Axis Orbit Intelligent Sensor第1章 绪论1.1 研究目的和意义随着经济的发展，世界贸易日益频繁，各国之间的竞争日趋激烈。这给我国的发展提供了很多的机遇，同时也带来了更大的挑战。我国的工业发展比较晚，与其他的国家有很的差距，特别是与德国、日本、美国等西方国家相比。机械制造的水平很大程度上反映了一个国家的科技水平和经济实力。当今世界的市场上更多看重的是产品的质量，因此在在机械产品的生产中产品质量的保证要得到保证，就不仅需要先进的生产技术，还要有进的质量检测手段，这样才能制造出优质的产品在国内和国际上立足。我国的机械产品的质量与国外还存在很大差距，我们只能算是个制造大国却称不上是强国。提高产品质量离不开管理与科技，有了先进的技术还要拥有先进的检测技术。特别是轴类零件的检测手段急切需要提高，需要有一种高精度，高可靠性，高效率的专用自动化轴类零件检测系统。本课题研究的目的是通过对轴类零件的轴心轨迹的检测进行检测研究，从而得到轴零件的多项检测。例如轴的形位公差中的圆度、圆柱度等。使轴类零件的检测实现自动化与智能化及专业化。1.2轴心轨迹检测的意义和发展现状工业产品的自动检测技术是以物理学，电子学，自动控制，电子计算机，测量技术等原理为基础的一们综合性技术，其研究目的是对工业自动化系统中各种工艺参数进行自动检查与测量。在科学实验和工业生产过程中，为了及时了解工艺过程，生产过程的情况及他们的结果，需要对被控对象特征的某些参数进行测量或检测，其目的是为了准确获得表征他们的定量信息，为生产过程的自动化及科研提供可靠的数。科学技术的发展与检测技术的发展是密切相关的，特别是新材料，新结构的传感器研制成功，以及微型机算计的广泛发展，给测试技术带来了革命性的影响，他们在检测系统的准确性，快速性和抗干扰等方面发挥了明显的作用。自从70年代微型机问世以来，不久就被引进电子测量和一起领域，用于检测技术中，随着单片机在体积小，性能强，价格低，速度快，用途广及通用性好等方面的发展，形成了一种全新的微机化仪器，于是基于单片机的自动检测装置越来越受到人们的青睐。20世纪80年代，随着计算机科学技术的发展，特别是微处理器和个人电脑的诞生，不仅能进行测量并输出测量结果，而且能对结果进行储存，提取，加工与处理。20世纪90年代微机研究获得巨大成功，实现了传感器的微型化，并进而实现传感器与信号调理电路和微处理机的集成，从而产生了高度集成的只能传感器。人工智能原理及技术的发展，人工神经网络技术，专家系统，模式识别技术在检测中的用用，促进了检测智能化的进程，成为21世纪检测技术的发展方向。目前国内外已经建立了许多基于润滑理论之上的轴心轨迹计算方法，其中最具代表性的有三种方法：汉氏（Hahn）法、荷氏（Holland）法和迁移率（Mobility）法。汉氏（Hahn）法是德国Karlsruhe 大学H.W.Hahn 教授于1957 年提出的。其基本思路是将动载荷雷诺方程分成旋转效应和挤压两个部分，采用了统一的边界条件，分别求出油膜承载力，并矢量合成，再建立总承载力与外载静力平衡的方程求出轴心运动轨迹，该方法从数学上是严格的，但计算量很大。荷氏（Holland）法是德国Clausthal 工业大学J.Holland 教授于1959 年提出的，该方法为克服动载荷雷诺方程在数学上求通解的困难，将旋转运动和挤压运动分开，按各自的边界条件独立求解再将旋转油膜力和挤压油膜力迭加而与外载平衡，从而导出轴心运动微分方程，求得轴心轨迹。迁移率（Mobility）法是美国学者Booker 于1965 年提出的，其基本思路是应用无限窄轴承理论求出油膜压力的解析解，根据油膜承载力与外载平衡求出轴心运动方程，但该方程形式非常复杂难以直接积分求解。以上方法在轴承的变形、动力学条件、油膜演变、边界条件及热平衡等方面对轴心轨迹的影响作了深入的研究，但仍存在不完善的地方，实际上轴承工作更为复杂，如零部件的刚度、载荷、导热性、热容量、进油压力及油量、加工及装配等，要准确计算轴心轨迹仍是非常困难的。因此在实际中经常利用同一平面上两只相互垂直安装地电涡流传感器对转轴振动进行测量，经过处理可以得到转子的轴心轨迹。传感器的前置放大器输出信号经滤波后将交流分量输入示波器的X 轴和Y 轴或监测计算机，便可以得到转子的轴心轨迹。 1.3 轴心轨迹检测的原理 轴心轨迹的检测是由两个垂直方向的电涡流传感器检测轴的表面的变化，从而产生的变化的涡流使传感器感知，生成一个模拟信号，该信号经过处理变成数字信号给计算机。计算机经过处理做出判断，并合成轴心轨迹图像。为了在径向平面，即测量平面上，完全确定轴运动，必须在这个平面上两个尽可能垂直的方向上安装两个传感器。如果振动位移S1和S2互相垂直，那么在测量平面上的动态位移为： 图1.1 轴心轨迹检测框图提供了一钟轴的检测方式，轴心轨迹可以提供详细的轴的信息，可以通过图像直观的表达出轴的一些形位公差，并能根据所记录的数据判断该轴是否合格。可以对轴有一个整体的判断，提高轴的检测精度，保证产品的质量。第2章 总体方案设计2.1总体方案设计 轴心轨迹检测仪属于机电一体化的产品，机电一体化产品是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际的产品中。一个机电一体化系统中一般由结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、职能组成要素五大组成要素有机结合而成。机械本体（结构组成要素）是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等。动力驱动部分（动力组成要素）依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。测试传感部分（感知组成要素）对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。控制及信息处理部分（职能组成要素）将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。执行机构（运动组成要素）根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能。构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循结构耦合、运动传递、信息控制与能量转换等原则。 在总体方案设计时要考虑机械系统、传感器的选择、电路的设计、控制检测部分主要是器件的选择和安装匹配等。机械系统主要是由物料流系统、能量流系统、信息流系统和机械运动系统。在机械结构方案设计时主要考虑驱动装置、传动装置、执行装置和操作装置。将其合理的装配在一起，实现所需的机械功能。传感器的选择要根据所检测的物体和检测的量有关，选择合理的传感器可以很方便的解决问题。控制检测部分要选择合理的电子元器件，还要考虑各个器件的接口及具体的电路设计。 方案一： 机械系统的设计：选择电动机作为驱动装置，选择合适的传动装置及工件的安装方式。选用三相异步电动机作为驱动装置，选用减速器来获得一个较低的转速并且要有足够大的转矩。工件的装夹选用三级卡盘和可以移动的尾座，尾座上有顶尖来保证工件加紧及平衡。选用滑动导轨，尾座在其上滑动可以适合不同长度的工件。选用螺旋传动来带动传感器的移动，选用螺纹传动。其结构简图如图2-1所示。图2-1.方案一结构简图方案二： 该检测仪所需的转速很低，在电动机选择时选择低速的直流电动机，并且可以提供足够大的转矩。因为选用低速的电动机，可以获得较低的转速，所以采用联轴器直接和轴联接，直接来带动工件的运转。工件的装夹采用三级卡盘和尾座来装夹工件，选用滑动导轨实现平稳的运动。传感器的移动选用滚珠丝杠螺母副，这样可以保证平稳行，减少位移误差。其结构简图如图2-2直流电动机控制装置联轴器三爪卡盘顶尖 底座传感器支架轨道图2-2方案二结构简图2.2方案的比较选择： 该检测仪的工件转动主要是由电动机来驱动的，由于所需检测的精度较高，对周围环境有一定的要求。这样电动机的噪声不能太大，并且还要提供足够的动力。三相异步电动机的转速一般都较高，要想得到地的转速就得选用减速装置，选用减速器来减速会有很大的噪声。减速器的结构复杂，设计和安装比较麻烦，消耗多的能量。低速直流电动机能够在很低的转速下提供动力，不需要减速装置。这样的结构简单，并能保障安全性。设计滑动轨道可以保证传感器的平稳移动，消除因机械结构的原因产生的误差，提高其检测的精度。选用滚珠丝杠能使其平稳的运动，在位置度上提供保证。一般的螺纹传动由于制作的原因其误差很大，并且很难保证其位置。选用滚珠丝杠虽然造价比较高，但是可以保证其检测的精度。这样所选用的主要部件有低速直流电动机、三级卡盘、尾座、滑动导轨和滚珠丝杠。组成结构图如图2-3所示。图2-3 确定方案图第3章 机械结构的设计3.1电动机的选择该驱动和传动系统的単轴拖动系统，是由电动机通过联轴器和轴相连接，带动轴转动。在这样的系统中电动机所带动旋转的部件就是其负载。给定的转速的30 r/min，（转速的确定的根据单片机处理信息的时间和A/D等芯片的处理时间）。根据给定的可测轴的直径范围选择合适的三级卡盘（直径为380，宽度为98）。这样该系统的主要负载是三级卡盘和轴，所受的力为其重力。三级卡盘的重力为： 最大工件的重力： 式中： 重力加速度一般取钢铁的密度 转矩： 总转矩T ： 额定转矩： 电动机的功率： 式中：。根据以上的计算，选用的直流电动机的由苏州西格玛机电有限公司生产的YDS系列的超低速电机。选用的型号是YDS-100，具体的性能参数和尺寸如下： 额定转速：32 r/min额定转矩：328 N.M额定输出功率：1.1 KW 额定电流：3.4 A 图3-1 电动机外形表3-1电动机的尺寸A160F12AC165B125G37AD165C 63H100HD192DK12L442E82AB2003.2导轨的设计和选型导轨主要是用来支承和引导运动部件沿确定的轨迹运动的装置，它由两个相对运动的部件组成，称为导轨副。导轨副中具有不动配合面的称为固定导轨或静导轨，而有运动配合面的部件称为运动导轨或动导轨。在运动导轨和固定导轨之间只允许有一个自由度，可以是直线运动或的回转导轨3.2.1 导轨的设计要求 1）导向精度及精度保持性 导向精度是指动导轨沿静导轨运动时其运动轨迹的准确程度。 影响导向精度的主要因素有：导轨的几何精度、导轨副的基础精度、导轨和支承件的刚度和热变形、导轨的油膜厚度及油膜刚度等。 导轨的几何精度主要是指导轨的直线度和导轨间的平行度；接触精度则用到过实际接触面所占的百分比或单位面积每接触点数来衡量。各类机械的技术条件不同，对导轨的精度要求也不同、 导轨精度的保持性主要取决于导轨的耐磨性和导轨的材料的尺寸稳定性。耐磨性与导轨副的材料匹配情况、受力情况、加工精度、润滑方式及防护装置的性能等因素有关；而良好的尺寸稳定性则要求在导轨制造过程中尽力消除导轨及其支承件的内部残余应力。2）运动精度 运动精度包括运动的平稳性，移动灵敏度和定位精度等。 导轨运动的平稳性，特别是在低速运动时的平稳性，要求导轨速度均匀而无爬行现象。它与导轨的结构、导轨副材料匹配、润滑条件和导轨运动传动系统的刚度运动部件的质量等因素有关。 导轨移动灵敏度指运动导轨完成一次移动所能达到的最短距离；定位精度指运动导轨由运动状态停止在某一指定位置的能力。灵敏度和定位精度与导轨类型、摩擦特性、运动速度、传动系统刚度及移动件质量等因素有关。3）刚度和承载能力 导轨受力后的变形将影响部件之间的相对位置和导向精度，这对于精度机械和一起尤为重要。导轨变形有导轨本体变形和导轨与静导轨接触部位的接触变形，应分别考虑。 导轨应具有足够的承载能力，载荷的分布要合理，以避免导轨不均匀磨损而失去精度，影响使用寿命。4）抗振性和稳定性 抗振性和稳定性是导轨的振动稳定性指标，前者指抗受迫振动的能力，而后者指抗自激振动的能力。 导轨的抗振能力与导轨刚度、固有频率和阻尼特性有关。如闭环控制的数控机床，不仅要求导轨的启动、制动跟踪灵敏度高，还要求有适当的粘滞阻尼特性，以防止在启动、制动过程中发生振动稳定性问题。5）机构工艺性 结构简单、工艺性好，在满足使用要求的前提下，尽量便于加工、装配、调整和维修。6）对温度变化的适应性 环境温度变化和局部热源产生的不均匀温度场，都可能会引起导轨变形，精密设备的导轨应具有较好的适应性。3.2.2 导轨的选型 导轨的类型和特点：导轨的分类方法有很多种，按运动轨迹可分为直线型导轨和圆导轨；按工作性质可分为主运动导轨，进给导轨和调整导轨；按受力情况可以分为开式导轨和闭式导轨；按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。根据需要选择的导轨是直线导轨，常用的直线滑动导轨的截面形状有矩形、三角形、燕尾形和圆形。选的是燕尾形导轨，该导轨的尺寸紧凑，导向精度较高，位置精度高；用一根镶条可以同时调整各面的间隙，调整及加紧简便。导轨的精度要求：导轨面的平面常取0.01,导轨长度方向的直线度取0.005。导轨的润滑：对导轨进行润滑后，可以降低摩擦系数，减少磨损，并且可以防止导轨面锈蚀。因此，必须对导轨面进行润滑。滑动导轨常用的润滑为润滑脂。3.3滚珠丝杠螺母副的选型 3.3.1滚珠丝杠螺母副的工作原理和特点1）滚珠丝杠螺母副的工作原理 滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，其结构如图3-2所示。丝杠4和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起是变形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道2，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，病在滚道内装满滚珠3。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母（或滚珠丝杠）轴向移动。2）滚珠丝杠螺母副的特点：1传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.920.96，比普通丝杠高34倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的1/41/3。2若给予适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。3运动平稳，无爬行现象，传动精度高。4具有可逆性，既可以从旋转运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母都可以作为主动件。5磨损小，使用寿命长。 6. 制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度要求高，故制造成本高。图3-2 滚珠丝杠螺母副的结构简图1-螺母；2-滚珠回路通道 ；3-滚珠；4-丝杠；3.3.2滚珠丝杠螺母副的选择1.滚珠丝杠精度选择 国家标准GB/T17587.3-1998将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副（P型）和传动滚珠丝杠副（T型）两大类。滚珠丝杠的精度等级分为7个等级，即1、2、3、4、5、7、10级，1级精度最高，依次降低。根据JB/GQ1140-1989的规定，坐标轴的反向值主要取决于该坐标轴的摩擦死区误差值的大小；而定位误差一是取决于滚珠丝杠自身的螺距误差的影响，二是取决于由传动系统刚度变化产生弹性变形而引起的定位误差始终是滚珠丝杠的精度选择依据。2.滚珠丝杠螺母副支承方式的选择 支承的作用是限制两端固定轴的轴向窜动。较短的滚珠丝杠或竖直安装的滚珠丝杠，可以一端固定一端自由（无支承）。水平安装的滚珠丝杠较长时，可以一端固定一端游动。用于精密和精密机床（包括数控机床）的滚珠丝杠副，为了提高滚珠丝杠的拉压刚度，可以两端固定。为了减少滚珠丝杠因自重下垂和补偿热膨胀，两端固定的滚珠丝杠还可以进行预拉伸。根据以上的选择原则，为了保证测量的精度，提高运动精度。我选择FFZL2005型。选择（P型），等级2级。3.4传感器的选择及支承架的设计3.4.1传感器的选择传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。静态量指稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号。动态量通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。无论对动态量或静态量，传感器输出电量都应该不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态特性。因为我设计的是传感器非接触测量轴的轴心轨迹，我选用的是电涡流传感器。电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。该检测仪检测时是非接触的测量，选择了电涡流传感器。选择的是美国KAMAN电涡流传感器型号为KD-2300。传感器的主要技术参数：（1） 测量范围0.020-2.0英寸（2） 精度 0.01%（3） 线性度0.5-1%（4） 频响50KHZ;（5） 工作温度：传感器：-55C +105C 电缆及连接设备：-55C +105C 电子电路：0C +55C（6） 存储温度： 传感器，电联，连接设备：-55C +105C 电路：-55C +105C（7） 电源需求： 电压：12 Vdc 15 Vdc 电压调整：1/2 Vdc 电流：70 mA3.4.2传感器支架的设计本试验台设计的可以检测轴直径从20200的轴，而选择的电涡流传感器的测量范围0.020-2.0英寸（5.0850.8毫米），在检测时不能够完全检测所有的轴径范围内的轴，因此需要调整传感器的位置。而传感器的位置对于检测的精度的影响是很大的，所以要选择合适的支架来适应不同轴径的轴。为了保证检测的精度，设计一系列的传感器支架。根据轴径的不同和测量范围的限制，对所需检测的轴径进行了分段设计。把轴的直径分为2080；80120；120160；160200四段。这样可以保证在一个检测到每个轴径的轴。对应的每一段的轴径所设计的传感器支架的半径分别为：55、75、95和115。采用的是分离上下两部分结合的方式，将半圆的支架焊接在固定支座上，这样可以保证其位置度。固定支座是用螺螺栓和动导轨固定在一起的，减少了位置的偏差。传感器支架如图3-3图3-3 传感器支架3.5 尾座的设计尾座在该检测仪结构中的作用主要是在检测轴时，使轴始终保持在一个轴线上不出现偏差或使太长的轴不会有下垂的情况发生。要使三级卡盘中心线和尾座的顶尖的轴线重合，并且该轴线通过两个传感器的垂直线的交点，这样才能更好的保证检测的精度。尾座是采用螺栓固定在懂导轨上的，可以沿导轨移动来适应不同轴的长度。尾座主要是靠顶尖来固定工件的，采用的是螺旋传动可以使顶尖伸缩来顶紧或放松工件。尾座体采用的材料是HT200，采用的是铸造成型，这样的整体容易加工及安装。尾座的下半部分是空心的，两端是加固肋板，这样的结构减轻了重量，也节省了材料。套筒采用的45号钢，是棒料。套筒的前端的用来安装顶尖的，采用的莫氏锥度4号锥度，这样可以方便安装顶尖。后端是是和螺母连接的，通过螺旋传动使套筒在尾座体内来回移动带动顶尖运动，可以实现轴的顶紧或是松开。顶尖的角度是60选用的材料是T18A。选用这样的材料是考虑到顶尖的磨损，因为顶尖是和轴的中心孔直接接触，当轴旋转时对顶尖有很大的摩擦，所以要采用耐磨的材料。第4章 检测控制电路设计检测控制系统是由硬件和软件系统组成。其发展经历了三个阶段。第一个阶段是仪器与小型仪器用计算机通过各种专用接口相连接而组成的自动检测系统。第二个阶段是智能仪器，把微处理器放入仪器内部，通过内部接口把检测部分和计算机连接起来，而各个智能仪器又通过GP-IB接口总线与外部计算机相连接组成自动检测系统。第三个阶段是个人仪器，一台计算机控制多个仪器插件，相互通过计算机系统总线连接。一般的检测控制电路可以分为三个部分：（1） 数据的采集：将输入的模拟信号进行调理，并经A/D转换成数字信号以待处理。（2） 数据的分析与处理：由微处理器按照功能要求对所采集的数据做必要的分析和处理。（3） 存储、显示或输出：将处理后的数据存储、显示或经D/A转换成模拟信号输出。4.1主控制电路的外扩硬件电路的设计包括主机电路、过程输入输出通道、人机接口电路和通信接口电路等功能模块。（1）主控器：该检测系统选的是由美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机。这是一款集成度很高，集片内存储器、片内输入/输出部件和CPU于一体的优良单片机系统。MCS-51系列产品中有8031、8051和8751。8051内含4K字节EPROM，可以存储小的程序，在程序不大时不再外扩存储器。8051内部有一个功能很强的8位微处理器CPU包括两部分：运算器和控制器。 8051单片机的基本特性：1）面向控制的8位CPU和指令系统。2）4K字节的程序存储器。3）片内具有128字节的数据存储器。4）可编程的并行I/O口P0P3，有32位双向输入/输出线。5）一个全双功串行口。6）