毕业设计论文-基于静压导轨的曲轴综合测量机跟随测头设计.doc

本科毕业设计(论文)题目：基于静压导轨的曲轴综合测量机跟随测头设计院 （系）： 机电学院专 业： 机械设计制造及其自动化班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2015年6月摘要摘要曲轴是内燃机的关键零件，其质量是影响内燃机性能的主要因素之一，由于曲轴属于异形轴，其质量检测往往需要专业的测量仪器。曲轴测量仪器的研制涉及自动化、控制工程、信息处理、机械等多学科领域，国内目前尚缺乏测量曲轴的高精尖成熟产品。本设计从高精度导轨着眼，经过深入的研究，设计出一种基于气体静压导轨的曲轴测量仪随动测头部分，它能够被动的跟随曲轴的旋转完成测量，并保持测量力的稳定。且由于气体静压导轨的应用，其精度很高。根据测量仪的功能要求和测量对象的特点进行测量方案设计、随动测头部分结构设计与分析，包括力矩电机选型、气体静压导轨的设计与校核、传感器的选型与布局、测头的结构设计、牵引绳的换向装置等。同时，对各零部件之间的布局进行了调整，使得整体结构合理、紧凑。在整个设计过程中，运用SolidWorks对随动系统进行了三维建模， AutoCAD完成了二维装配图、零件图的绘制。对测头部分的运动过程做了分析计算。关键词：测头设计，空气静压导轨，曲轴测量。Abstract Abstract Crankshaft is a key part of the internal combustion engine, the quality of it is one of the main factors influencing the performances of internal combustion engine. Because of the crankshaft is special-shaped shaft, its quality requires specialized measuring instrument to detect. The development of the crankshaft measuring instruments involved in automation, control engineering, information processing, machinery and other multi-disciplinary field. Advanced mature products of measuring crankshaft are still lacked in the current domestic. This paper started with a view to high accuracy guide rail and a follow-up measuring head part of crankshaft measuring instrument based on gas lubricated guide was worked out after deeply researching. According to the functional requirement and trait of measuring object, the measuring project design and structural design was completed, including the electric motor selection, design and check of gas lubricated guide, selection and layout of sensor, structural design of measuring head and the design of reversing device for hauling cable. Meanwhile, make an adjustment of layout between various parts and get a sound and compact integral structure.Keyword: crankshaft measuring, gas lubricated guide, measuring head design.1 绪论1 绪论1.1背景与意义1.1.1研究背景曲轴是汽车发动机和其他内燃机的关键零件，其质量对发动机性能起着决定性的作用。随着我国汽车、机车、船舶等行业的快速发展，对曲轴需求量增大的同时，对其加工精度和表面质量要求也越来越高，因而对检测设备也提出了更高的精度要求。因此，研制高精度的曲轴检测设备，以便于提高和稳定曲轴的生产质量，一直是汽车生产企业关注的重点曲轴质量的好坏对发动机的性能有重大影响。这也就说明了曲轴综合测量机的重要地位。随动系统是应用非常广泛的一类系统,它的根本任务就是实现执行机构对给定量的准确跟踪,当给定量随机变化时,系统能使被控制量准确无误地跟随并复现给定量。测量技术与自动化装备是将自动化、计算机、控制工程、信息处理以及机械等多种学科、多种技术融合为一体并综合运用的复合技术。机械工业是国民经济与社会发展的重要基础，测量技术则是机械工业发展的先决条件之一，检测技术及仪器已成为促进当代生产进步的主流环节，同时也是生产过程自动化和经营管理现代化的基础，特别是目前测量技术越来越趋向于智能化、集成化以及网络化的方向发展，因而对测量技术和仪器的要求也越来越高。目前，开发切实可行的智能化测量仪研发是测量仪器发展的重要方向之一，随着测量技术的不断发展，各类测量仪器应运而生，而关于曲轴的误差检测问题，一直是国内相关生产领域研究的重点及难点1。数据显示，在智能测控装置和部件方面，重大技术装备用仪器仪表基本被国外垄断，对外依存度达到 40%，其中高端产品对外依存度更是达到 70%，目前，我国对智能化测量仪的需求量很大但自主品牌却较少2。1.1.2研究意义曲轴作为装备制造业动力驱动部件的关键零件，其加工质量直接关系到该动力驱动部件的整体性能。随着汽车产品的更新换代，发动机强化指标不断提高以及大功率发动机的不断涌现，曲轴的工作条件更加恶劣，因而也对其加工精度、表面质量都提出了更高的要求，那么研发出更高检测精度的曲轴、凸轮轴测量仪显得更为重要。目前汽车、机车发动机生产线用曲轴测量仪大都依赖国外进口，不仅花费大量外汇，而且往往受制于人，严重制约了我国装备制造业的快速发展3。现今国内装备制造业存在自主创新能力薄弱，自主核心知识产权少，高端制造环节主要由国外企业掌握，关键零部件发展滞后，现代制造业发展缓慢等一系2西安工业大学毕业设计（论文）列问题4。为实现我国从装备制造业大国向装备制造业强国转变，独立研制高性能设备就显得十分重要。研制曲轴测量仪实现对曲轴的几何误差测量，并将测量数据反馈给数控系统，再由数控系统进行数据处理，最终得到所需的曲轴公差数据；同时，数控系统将这些数据传输给数控磨床。数控磨床通过检测自身的加工信息以及测量仪的测量反馈数据对自身进行加工工艺调节，以达到提高曲轴加工质量，减少废品率，提高经济效益等目的，同时对增加企业竞争力和实现利润最大化都具有非常重要的意义。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状曲轴及凸轮轴检测在国外起步较早，国外从 20 世纪 60 年代中期就开始研制曲轴、凸轮轴测量仪，现在已经实现了全自动测量，自动化程度较高，测量过程基本无需人工干预5。目前在全世界范围内生产高精度曲轴、凸轮轴测量仪器的厂家还不是很多。在我国汽车发动机制造行业及曲轴、凸轮轴零部件制造厂中广泛应用的测量仪主要有：美国埃帝科测量设备有限公司的 ADCOLE1200、ADCOLE1300 产品以及德国霍梅尔有限公司的 SHAFTSCAN1030 产品。由于目前我国并没有关于测量仪的国家标准和规程，美国埃帝科公司的测量仪实际上已经成为潜在的行业准则，我国生产的测量仪在初次校验和验收时，厂家一般以在国产仪器上测得的结果与在美国埃帝科公司产品上测得的结果相比，如果结果一致，那么国产仪器便容易被厂家接受，否则厂家很难认可、验收仪器。国外大多数曲轴、凸轮轴测量仪都采用了长光栅和圆光栅系统，为了适应快速测量、多功能以及符合最小条件评定原则，主流仪器大都采用了立式结构。为保证测量仪器精度，采用零膨胀光栅或激光干涉仪等高精度装置作为直线传感器。反向预紧和无间隙测量系统或正气压系统保证了仪器无论安置在精测室内还是生产区域，系统都将提供良好的重复性精度。长光栅测杆采用测量臂应变测量技术消除测量臂自重变形影响，或采用空气静压轴承限制测杆的弯曲、倾斜、扭摆等变形以提高其直线度。仪器软件内置多种风格界面以满足不同用户的需求6。美国 ADCOLE 1300测量仪较ADCOLE 1200 测量仪相比，最大的区别在于ADCOLE 1300 测量仪采用了多测头技术，在测量时，多个测头可同时对零件的不同部位进行检测，提高了测量效益。图 1.1(a)所示为 ADCOLE 1200 测量仪，图 1.1(b)所示为ADCOLE 1300 测量仪。表 1.1 所示为美国ADCOLE 1300测量仪与项目自制测量仪的主要技术规格7。 三相坐标系是静止的，每一相的电压电流都在对应坐标上乖乖的变化，也就是说，向量长度在随时间正弦变换。clark变换是两相静止的，你可以将三相上的电压电流直接投影上去，但再clark变换出来的坐标系中，坐标系上的电压电流向量长度还是不停变换的。park变换坐标系是旋转的，这是重点，注意它是旋转的啊啊也就是说，坐标轴本身对三相坐标系是旋转的，旋转角速度就是你变化前三相坐标系上正弦波。那么d、q坐标轴上的就是直流量了，即不随时间变化（对称三相变化过来的话），交流变直流，变直流了啊！这是这个变换的重要所在。那么，变完直流有什么用呢，我们可以对它做些什么喜闻乐见的事呢。首先，题主，有没有想过三相电流电压峰值如何检测，如何确定峰值点？不是你在matlab里拉一个模块就能检测的这种，而是实际中怎么检测。我知道有很多我不知道的检测方法，但你想想就会发现并不容易而且会弄得很复杂，变成直流是不是更容易呢。而且，当基波上有很多高频谐波的时候，你一个park变化，基波变成直流，高频谐波降一次频率，但还是高频谐波，你再加一个小小的低通滤波器，再park反变化一下，是不是就将基波提取出来了呢。上面举得两个例子不足以表达(a) ADCOLE 1200 测量仪 (b) ADCOLE 1300 测量仪图 1.1 美国 ADCOLE 测量仪表 1.1 ADCOLE 1300 测量仪与项目自制测量仪的主要技术规格表规格ADCOLE1300项目自制径向测头行程195mm220mm回转直径455mm320mmZ轴行程75mm100mm尾座行程105mm100mm最大轴长1000mm850mm检测分辨率0.1m0.02m1.2.2国内研究现状曲轴、凸轮轴测量在我国还处于发展阶段，早些年国内对精度要求比较低的曲轴及凸轮轴通常只经过简单的手工计量，而对于精度比较高的曲轴或凸轮轴甚至连加工都较为困难8。在汽车等行业的带动下，近几年曲轴及凸轮轴测量行业有所起色，但测量水平仍与国外有不少差距，国内行业从业者也深感压力和任务艰巨，通过努力，最近几年生产出的测量仪虽在数据处理和全自动控制上和国外先进仪器有所差距，但已经在精度和其他方面与国外仪器有了竞争的实力9。纵观我国曲轴及凸轮轴测量的发展过程，大致可分为三个阶段。第一个阶段为手工测量阶段，其示意图如图 1.2 所示，在调平的大理石平台上放置两个 V 型块，将待检验的零件放在两个 V 型块上，工件轴颈作为测量基准，使用千分表来读取数据。此测量方法中包含大量的误差，只能粗略的得到想要的测量值，且工作量大。图 1.2 手工测量示意图第二个阶段为卧式结构测量方式，卧式结构测量仪如图 1.3 所示，卧式测量仪作为手动测量的改进，安装有大理石工作台、圆光栅、顶针、传感器、计算机、采集卡等装置。仪器融入自动控制技术，使数据采集、控制与计算机分离，提高了抗干扰能力，但由于其采用滚动轴承作为旋转中心，在很大程度上限制了仪器的精度10。另一方面，由于零件采用卧式装夹方式，轴的重力和两顶针的压力都会造成轴的变形。此测量阶段由计算机代替了人工，提高了检测精度，减轻了测量人员的劳动强度，经过测量技术的不断创新，很多仪器能够将仪器本身带入的系统误差控制的很小。这种仪器凭借其价格优势仍然在很多中小企业中使用，但由于其核心的主轴和装夹方式得不到改善，这种结构的仪器很难达到国外先进仪器的水平11。图1.3 卧式结构测量仪第三阶段为立式结构测量方式，立式结构测量仪如图 1.4 所示，机械主机采用被测零件立式安装结构形式，整机由数控回转台、垂直和径向数控导轨、测量头系统、基座、立柱等几部分组成。图 1.4 TL-3000 测量仪这种测量仪同国外先进仪器采用同样的方式，程序上进行了大量的误差分离和误差补偿等数据处理，解决了安装基准与设计基准的统一问题，大大降低了系统误差，使测量仪精度提高了近一个数量级，也使零件检测发生了质的飞跃12-13。本论文课题所研究的就是此种测量方式的测量仪，这种测量仪满足测量的最小条件原则，最大程度地减少了各种基准不统一所带来的误差，较大程度的解放了人力，减少了人为因素带来的误差14。目前，我国自主研发且已投入生产的测量仪主要有广州威而信精密仪器有限公司生产的 L-3000 系列，西安交大思源精密工程有限公司生产的CYM1200 以及广卓精密仪器有限公司生产的 TL-3000（如图 1.4 所示）等，但上述仪器主要为凸轮轴专业测量仪器，能够同时对曲轴进行检测的测量仪还很少。1.3 三维建模在结构设计的应用随着测量技术的进步，对曲轴的质量要求也逐步提高，高品质产品的生产才是一个制造企业生存发展的根本。曲轴的综合测量装置正是对生产的曲轴质量保证，所以一个优秀的测量系统将会给企业创造更多的财富。本次结构设计要克服测量系统随动问题，测量稳定性，随动测量中测量精度问题，所以为了更好的客服这些问题，就需要利用当前三维建模技术模拟建模来达到设计要求，整个三维建模与建模计算将会是本次设计的重点。随着机械制造业的发展，机械制造业的设计水平也大幅度提升，大量三维实体建模软件崛起，如UG、SolidWorks、CATIA、Pro/E等，利用这些三维建模软件不仅可以绘制出三维实体模型，还可以利用设计出来的三维模型进行装配、机构分析、运动学分析、运动仿真、静态干涉分析检查、动态干涉分析、动力学分析、强度分析等。机械结构设计也逐渐从二位CAD平面设计向着三维化、智能化、集成化和网络化方向发展，三维建模也使得机械设计水平得到了质的提升。结合在线塑料薄膜测厚仪结构设计的复杂性、高精度性，本次设计采用了功能全面材料丰富的SolidWorks三维实体建模软件来实现三维建模、静态分析等设计过程，熟练运用三维建模软件可以提高设计水品和设计精准度。1.4主要研究内容本课题的主要内容是设计一个基于气体静压导轨的曲轴综合测量机随动测头部分，要求测头部分能够被动的跟随曲轴的旋转而移动，从而完成对曲轴轴颈尺寸、圆度公差等数据的测量。测量过程中曲轴旋转，力矩电机输出恒力矩使得测头与被测轴颈始终保持接触且有12N之间的稳定测量力；由于气体静压导轨的使用，整个测头及移动件部分在平动过程的摩擦阻力很小，几乎可以忽略，再使用高精度的直线光栅来获取它的位移数据，则可以得到精确的尺寸、公差数据。2 总体方案设计2 总体方案设计2.1方案设计2.1.1形态学矩阵在设计的开始阶段，首先需要根据设计任务书的要求初步拟定一套或几套可行的方案，再对具体方案进行分析，选择出最能满足要求的设计方案。为了完成这一工作，根据所查阅的资料，列出形态学矩阵进行分析，以优选出本课题最佳方案，见表2.1。表2.1 各功能元的形态学矩阵 方案功能元方案一方案二方案三导向机构普通滑动导轨液体静压导轨气体静压导轨位移检测光栅位移传感器激光位移传感器磁致伸缩位移传感器传动机构丝杠传动绳牵引驱动机构悬垂重物力矩电机伺服电机测头部分测针测板2.1.2初步方案本设计为曲轴综合测量机随动测头部分的设计，需要完成的主要功能即测头对曲轴的测量，它需要测头移动、数据测量、力的传递、机构复位等一系列小动作的协调完成才能实现；同时，由于曲轴是异形轴，对它的测量还需要考虑到一些特殊情况。综合上述考虑，拟定如下两种设计方案，再从可行性、可靠性、经济性等角度出发，优选出最终的设计方案。（1）方案一选择液体静压导轨作为随动测头的导向机构，用伺服电机驱动丝杠带动导轨移动，通过精确控制电机的输出来保证测头与被测轴颈的跟随和测量力的稳定；传感器使用光栅位移传感器，其工作原理示意如图2.1。3西安工业大学毕业设计（论文）图2.1 方案一原理示意图（2）方案二选择气体静压导轨作为随动测头的导向机构，用力矩电机通过绕绳来保持测头与被测轴颈的接触和测量力的稳定；另一端也装一个力矩电机，以便测量结束后将导轨拉回；传感器选择直线光栅传感器，其工作原理示意如图2.2。图2.2 方案二原理示意图 2.2方案分析与优选上述两个方案中，导轨机构方面：方案一导向机构使用液体静压导轨，精度高，刚性好，但需要添加一整套供油装置，费用高，空间占用大，且易污染环境，后续维护不便；方案二使用气体静压导轨，其供气系统为导轨自带，空间占用相对较小，且空气泄漏也不会污染环境，易于维护；虽然刚性较液体静压导轨要小，但由于本身是测量设备，运转平稳，载荷很小，可以接受。驱动机构方面：方案一使用伺服电机驱动丝杠带动导轨移动，曲轴在被测时是回转的，想要使测头与被测轴颈能保持恒力接触，对伺服电机的控制要求会非常高；此外，在测量主轴颈时，测头在X方向只有误差大小的动作，伺服电机在这时还可能堵转；方案二使用力矩电机通过绕绳带动导轨移动，电机输出恒转矩，保证测量力的稳定；测头的前进方向由力矩电机驱动，回退方向由曲轴旋转推动；当整个测量结束后，另一端的力矩电机将导轨及其上的测头部分拉回。检测原件方面，方案一、二的传感器选用光栅位移传感器，是常用的精密测量传感器，其安装、测量与数据处理都很成熟；将光栅尺装在导轨移动件上，读数头通过一个支架导轨固定件上，所占空间小，精度也满足要求。综合上述分析来看，方案二相比方案一具有经济性好、可行性高、结构紧凑等优点，故选择方案二为最终方案。西安工业大学毕业设计（论文）3 具体结构设计由总体方案可看出，曲轴综合测量机的随动测头部分主要由作为动力输出源的力矩电机、作为传动机构的牵引绳及换向滑轮部分、作为导向机构的气体静压导轨副和检测数据用的直线光栅传感器几大模块构成；此外，还有一些辅助性的结构，如限位挡块、整个随动测头部分的上、下安装块等。3.1总体结构 本部分会详细介绍各零部件具体的设计，包括具体结构的设计，与其他零部件的装配关系以及整个随动测头部分的整体布局等；同时，包括一些必要的零部件的选型计算、设计计算或校核计算。最终的设计结果为：驱动系统电机选为45LYX02型号直流力矩电机，导轨选择气体静压导轨，传感器选择英国RENISHAW（雷尼绍）公司的SIGNUMTM RELM high accuracy linear encoder型号光栅传感器；传动系统即绳牵引，它通过换向滑轮将力矩电机输出的力矩传到导轨运动件上使其保持测头与被测曲轴间测量力的恒定，也能在测量完成后将导轨运动件拉回（复位）。下面是整体三维设计图的展示，如图3.1。图3.1曲轴综合测量机随动测头部分三维模型3.2力矩电机的选型3.2.1力矩电机力矩电动机，是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机，包括：直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机。由于直流力矩电机可以在尽量减小尺寸、重量、功率和响应时间的同时最大限度的提高速度和位置精度，故优先考虑使用直流力矩电机。直流力矩的特点有：可以为理想的定位和速度控制系统提供超低转速和高扭矩，或高的响应速度和最佳转矩；无框安装模式和可选的大的转矩范围； 高转矩惯量比，快速启动/停止和高加速度；高转矩功率比，低功率输入要求； 低电气时间常数为优良的命令响应所有运行速度；线性转矩响应输入电流和速度，没有死角；长期运行可靠性； 精度高，即使在极低转速也无需齿轮系统；运行安静、平稳 设计紧凑、适应性强； 可按要求设计包括永磁材料，叠片槽数，铁芯厚度，供电电压等。对于一般电机，例如步进电机，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。对于本课题的要求是测量用传感器与曲轴主轴颈或曲轴连杆轴颈的接触作用力为1-2N，不满足要求。而力矩电机能在一般较宽的转速范围内，使转矩基本恒定，适用二转速变化时，要求恒定转矩的传动场合，而且可以直接连接到所驱动的负载机械省去减速传动齿轮，减小由于齿轮啮合减速而产生的误差，使测量更准确。曲轴综合测量机属于小型设备，而交流力矩电机本应用于输出力矩需求较大的纺织、印染、造纸、橡胶、电线电缆等方面，虽然可以降低电压，调低转矩，但这会导致电机的卷绕松弛，不稳定，也不合适，所以最后确定选择直流力矩电机作为系统的驱动系统，直流力矩电机就是为了满足类似上述这种低转速、大转矩负载的需要而设计制造的电动机，它能够在长期堵转或低速运行时产生足够大的转矩，而且不需要经过减速就能直接带动负载。它具有反映速度快、转矩和转速波动小、能够在很低速度下稳定运行、机械特性和调节特性线性度好等优点。本次选用的是北京敬业电工公司生产的LYX系列稀土永磁式直流力矩电动机，电机型号选择为45LYX02型号直流力矩电机。本系列电机系采用铝镍钴永磁或稀土永磁体制成的高性能力矩电动机。该电机具有低转速，大扭矩，反应速度快特性线性度好，力矩波动小等特点，而且结构紧凑，是一种高精度伺服系统执行元件。电机的选型与尺寸大小的确定需要进行分析与计算才能确定是否符合设计任务书的要求，下面是电机选型与尺寸大小确定的相关分析计算：本设计中，随动测头对曲轴的测量是一个被动的过程。在测量主轴颈时，随动测头在X轴方向位移量只有误差量级大小，但又要求恒定的测量力，电机必须持续输出力矩，则此时电机会堵转；在测量曲柄销时，随动测头要随着曲轴的回转在X轴方向来回移动，还必须保持二者之间相对稳定的测量力。显然，对于这种特殊的工作要求，普通的伺服电机并不能很好满足。本设计采用力矩电机来完成对X轴的驱动，它是以恒力矩输出动力，且输出力矩方向确定，因此可以使测头以恒力与曲轴保持接触；同时，力矩电机可以长时间在堵转状态下工作而不会发热烧毁电机。直流力矩电机在选用时按堵转转矩和转速来选用，被选电机的峰值堵转转矩必须大于最大负载转矩，包括摩擦转矩和加速转矩，并留一定的安全系数，而对应连续工作区的转矩、转速又能满足负载工作点长期运行的要求，同时电机的外形安装尺寸和重量也应符合要求。电机输出转矩 （3.1）其中 绳上牵引力；由于导轨选用气体静压导轨，传动过程中的摩擦损耗极小，可认为其等于测头与曲轴间的测量力；电机输出轴直径。此时需要考虑到，电机输出轴轴颈都很小，而测头的直线移动行程L140mm，则相应的绕绳的长度l140mm，若全部缠绕到电机输出轴颈上，便不能简单的认为是电机输出轴直径，还应包括绕绳所增加的部分，则成了变量；任务要求保持测量过程中测量力的恒定，这是我们不希望看到的。因此，考虑增加一个大小适当的滑轮（pulley），使绕绳只在滑轮上缠绕12圈，既不会使结构过分复杂，又使得测量力相对稳定，此时：电机输出转矩 （3.2）其中滑轮工作直径。滑轮的直径 （3.3） 其中n牵引绳在滑轮上的缠绕圈数。当n=1时，=44.56mm； n=1.5时，=29.71mm；n=2时，=22.28mm。综合结构紧凑、测量力稳定等要求，选择n=1.5。代入得到： Tmin=0.01486 Tmax=0.02971直流力矩电机的制造在我国已经很成熟，现有的市场产品完全可以满足一般的市场需求。本设计选用北京敬业电工公司生产的LYX系列稀土永磁式直流力矩电动机，下图是部分不同型号电机的技术参数，如表3.1。表3.1 部分LYX系列稀土永磁式直流力矩电动机的技术参数最终选择北京敬业电工公司生产的45LYX02型号直流力矩电机。电机带动滑轮转动，此处设计两个力矩电机由于电机轴的直径只有4毫米，因为直径太小，这里无法设计键槽和键连接，同理直径太小选择与滑轮连接时用过盈配合也使设计存在安全风险，安装、拆卸等过程可能损坏电机输出轴。经过查阅资料，最后在此处使用一个紧定螺钉来完成直流力矩电机与滑轮的装配问题，如图3.2是电机部分装配图。 a.力矩电机 b. 滑轮c.装配图图3.2电机部分零部件图3.3导向机构的分析和相关计算本次设计选用的导向机构为气体静压导轨，通过上述方案选择与分析，气体静压导轨是较适合本次设计的导向机构。常见的静压导轨按结构分为开式与闭式静压导轨，开式静压导轨工作时，空气经节流器进入导轨各腔，导轨面被气模隔开，受到载荷产生位移时，导轨间隙变小，以平衡外载荷；闭式静压导轨在上下导轨面上都开有气腔，可以承受双向外载荷，保证运动部件的稳定，常见的使用性高的闭式气体静压导轨有四种形式：方形闭式、三角形式、梯形式和N型式。本次设计选用的气体静压导轨是方形闭式静压导轨。本次设计的三维建模考虑的闭式气体静压导轨的结构要求，设计了镶嵌了节流孔，并在导轨上下部分都开了气腔，如图3.3为本设计中气体静压导轨部分的三维模型：图3.3导轨部分的三维结构示意图如上图所示气体静压导轨三维构造图，方形闭式导轨上下都开有气腔，内有节流孔。气体静压导轨是本设计中极为精密的部分，导轨移动块与承导块的间距仅为0.05mm，其工作原理：导轨利用气体对滑块产生如图3.4的力，力的作用使滑块悬浮在导轨内部，然后由力矩电机驱动和传动牵引绳带动滑块在导轨内运动。气体静压导轨的特点有：由外界供压设备供给一定压力的气体将运动件与承导件分开，运动件运动时只存在很小的气体层之间的摩擦，摩擦系数极小，适用于精密、轻载、高速的场合，在精密机械运用越来越广泛，所以气体静压导轨非常适用与本次设计，提高了测量精度，使曲轴产品生产质量得到了保证。图3.4气体静压导轨工作原理图本设计所选用的气体静压导轨是在借鉴课题组原有研究成果的基础上的设计选用，包括承导件和运动件两部分。3.3.1 承导件为了保证加工精度，承导件用四块导轨片组装而成，其上均开除气腔、气孔等，并做出镶嵌节流孔的空间；此外，每片导轨由于所处位置不同、配合零件不同，会有一些专门做出的螺纹孔等特征；为了加工方便，其中的部分气腔是贯穿的，还需要在其一端加上橡胶塞将其封闭。根据上述功能分析，最终确定出导轨的具体尺寸，其三维模型如图3.5。图3.5 四片导轨块的三维模型3.3.2运动件导轨运动件使用花岗岩制造，并做成中空以减轻质量；其上下面开出对称的两个槽，分别装牵引绳和光栅尺；在其工作前端，开出与测头连接用的螺纹孔，在其工作后端，开出装限位挡块的螺纹孔。其三维模型如图3.6。图3.6 导轨移动件三维模型3.3.3校核计算根据功能要求初步设计出外型结构后，还需要对其进行校核；本设计中承导件主要受测头和运动件伸出部分的重力，故只需校核承导件产生的支撑力偶是否远远大于重力产生的力矩。具体校核如下：承导件对运动件产生的支撑力偶其中 承导件对运动件在导轨两端的等效支撑力； 承导件长度。事实上，承导件对运动件的支撑是通过中间515的气膜来实现的，而气膜的压力分布并非均匀；但考虑到支撑力矩需要远大于重力矩，为简化计算，近似的将其等效为作用点在承导件边缘的集中力，则其大小为：其中 气膜压力； 上/下接触面面积。而接触面面积 其中 接触面宽度。综上，代入数据得：测头与运动件伸出部分的重力产生的重力矩合重力其中 测头质量，约为0.5Kg； 运动件伸出部分质量； 重力加速度；测头与伸出部分重心到承导件的距离，在工作时为变量，在此校核计算中取最大值；同时，为简化计算，近似认为在运动件伸出部分的中间。运动件伸出部分质量其中 运动件材料密度； 运动件伸出部分的体积，。综上，代入数据得：显然，满足使用要求。3.3.4直线光栅传感器曲轴综合测量机是非常精密的测量仪器，它的随动测头部分则是它完成主要测量功能的核心，所以精度要求也很高，相应的对传感器的要求也很高；经过综合考虑，本次设计选用直线光栅传感器。直线光栅传感器是精密量仪中常用的位移传感器，其精度、测量稳定性等都较好。根据任务书所给的0.1 的分辨率，选择英国RENISHAW公司的SIGNUMRELM high accuracy linear encoder型号光栅，其中包含读数头和光栅尺，其中光栅尺贴在导轨运动件上随运动件移动，读数头通过一个支架固定在承导件上进行测量；读数头与光栅尺的工作间距为8mm。直线光栅传感器是当下比较实用性价比高的一种传感器。光栅尺传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，直线光栅位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器方面，一般作直线位移角位移的检测，这里使用的是直线光栅尺进行位移检测，其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，相应速度快的特点。常见的直线光栅尺的工作原理都是根据物理上的摩尔条纹的形成原理进行工作，简单的说光读头通过检测摩尔条纹个数，来“读取”光栅刻度，然后根据驱动电路的作用，计算出光栅尺的位移和速度。图3.7和图3.8分别为读数头和光栅尺的三维模型，图3.9为其装配部分三维模型。图3.7读数头的三维模型图3.8 光栅尺的三维模型图3.9 光栅传感器部分的三维装配图3.3.5.其他零部件的设计测头设计：本设计中测头需要完成对曲轴的主轴颈、曲柄销上圆度、圆柱度等误差的测量，故对其宽度、伸出长度都有最小值要求；同时，为使测量值准确，其前端装上圆柱测柱，使测头与被测轴颈之间成线接触；测柱与测头之间通过合理的结构设计装配在一起。图3.10为测头结构三维模型，图3.11为测头与测柱装配后三维模型。图3.10 测头三维模型 图3.11 测头部分三维装配模型换向滑轮的结构设计：为了整个设计结构紧凑，需要将两个电机全部装配在承导件上，此时牵引绳上力的方向需要变换才能完成进给或退回的要求；因此，在导轨承导件两端分别装上两个定滑轮以实现功能要求。如图3.12是换向滑轮部分三维模型。图3.12 换向滑轮部分三维模型限位结构的设计：在电机运转的同时，为了防止在电机带动下，工作滑块在导轨上向前运动或向后运动移出导轨，导致随动系统的损坏，为了避免上述情况发生，还要对运动机构设计限位装置。本次设计前后都有机械限位结构，当电机带动工作台运动时，运动到极限位置时会有限位块限制工作滑块继续运动。侧头部分的尾部就是一个简单的机械限位结构。限位结构主要分为硬限位和软限位，硬限位就是利用机械加工件来限制运动件的运动位置，通常会在限位加工件安装聚氨酯来做限位装置。软限位通常被称作限位开关，就是通过电器和软件功能控制，来实现诸如光电开关、机械复位开关和行程开关等等，软限位工作原理是在程序里面的输出上做限位，主要针对比较重要与智能系统的运动件。本次设计就是要限制运动块的位置，避免出现运动件滑出导轨的情况，增大零件的使用寿命。运动件的机械限位通常是随着零件的外形与设计要求来设计，本次设计的限位装置是随本次设计结构特质设计的限位块，没有使用限位标准件。设计的限位块能够合理的安装在设备上并且完成限位工作即可。如图3.13为后端限位挡块部分三维模型。图3.13 后端限位挡块部分三维模型本设计中，前端的纤维通过测头来实现。如图3.14所示，将测头伸出一部分，使限位可靠。 图3.14 实现前端限位功能的测头部分主要零部件的结构完成后还需要对牵引绳传动工作的原理结构进行说明，如图3.15所示，左端电机转动带动牵引绳将运动件向前拉动，右端牵引绳转动将整运动件拉回初始位置。图3.15牵引绳绕线示意图除以上所列的几大关键部分外，整个设计还根据需求直接选用了多个螺钉、螺栓、螺母等标准件，碍于篇幅不再一一列出。则最终完成的曲轴综合测量机随动测头部分三维模型如图3.16。图3.16 曲轴综合测量机随动测头部分三维模型4 平动过程的分析与相关计算4 平动过程的分析与相关计算4.1 平动过程的分析本次设计只有一个运动系统，就是测量随动系统，在曲轴转动的过程中完成对曲轴的综合测量，所以运动的主题就是安装有测头与光栅位移传感器的滑块，运动过程是在力矩电机的带动下，工作台相应于旋转曲轴的随动运动，根据课题要求，测杆与主轴颈或连杆轴颈的作用力为1-2N，所以就需要对电机的转矩以及曲轴自转的角速度的大小有一定的要求以确定电机是否完成本次设计要求，其具体运动的分析如下。首先传感器测量主轴颈表面的具体参数时，示意图如下4-1。 图4-1 曲轴主轴颈与测杆运动接触示意图如图，曲轴做圆周运动，主轴颈的旋转半径为零，此时，主轴颈与传感器之间的接触力，只是传感器对主轴颈施加的力。因为设计过程中，滑轮是作为力的传递及转向的机制，根据滑轮的本身特性，力的大小不会改变，即为力矩电机输出的力，就是测杆作用于主轴颈上的力。力矩电机的峰值堵转是0.22，连续堵转是0.064。电机连接的滑轮半径为15mm。由公式：可得，电机输出力的峰值为6.5N，连续堵转的力为1.96N。在1-2N允许的范围内，所以，只要两个力矩电机的综合作用下的力矩的大小在0.015-0.030范围内，就可以使系统正常工作。另一种情况是，传感器测量曲轴连杆轴颈上表面的具体参数是，示意图如下4-2。西安工业大学毕业设计（论文）图4-2曲轴连杆轴颈与测杆运动接触示意图如图4-2，曲轴做圆周运动，因为此测量的随动系统主要为轿车发动机内的曲轴做质量检测，根据多数轿车的曲轴连杆轴颈尺寸比较，取平均数据，即曲轴的连杆轴颈的旋转半径平均为70mm。取多数轿车曲轴质量平均值，约为6kg。具体的运动分析如图4-3。Vvr图4.3 具体运动分析4.1 平动过程的计算校核根据上述部分的分析可得主要参数，下面是详细的计算过程和校核：已知曲轴连杆在做圆周运动的时候，水平方向的分速度为： （3）而角与的关系为： （4）与的关系为： （5）由（3）（4）（5）得： （6）加速度为速度的一阶导数，得：上式也可以表达为： （7）在运动过程中，测量力是由传感器和曲轴相互作用的结果，由牛顿第二定律：得到： （8）将式（7）带入（8）得： （9）分析运动过程，在测量曲轴连杆轴颈的时候，会有四个阶段点，第一阶段是，连杆轴颈与传感器距离最近的时候，转角为0；第二阶段是，连杆轴颈远离传感器时，转过90的位置点；第三阶段是，连杆轴颈距离传感器最远的距离，是连杆轴颈远离和靠近传感器的转折点，转过180；第四阶段是，连杆轴颈靠近传感器时，转过270。第一阶段，为0，带入式（9），得到：此时，与传感器测量主轴颈的情况相同，连杆轴颈与传感器的作用力N，仅由电机的输出的力矩来决定，当电机的综合力矩输出的力在1-2N之间，即只要两个力矩电机的综合作用下的力矩的大小在0.015-0.030范围内就可以达到要求。第二阶段，为90，带入式（9），得到： （10）式中，N具有具体的范围，m，r已经给定了该数据的实际的平均值，则需要确定两个变量和的值，并且满足式（10）的相等关系。代入数据得到：而电机输出的力在0-6.5N内，测量力的范围在1-2N内，为了获得稳定的测量环境，取平均测量值，即=1.5N。带入上述数据可得曲轴旋转的角速度为：0rad/s-3.18rad/s，即0rad/min-190.8rad/min。综上所述，此阶段内，在满足设计要求的前提下,只要电机的输出力的综合作用结果在0-6.5N内，曲轴的角速度在0rad/min-190.8rad/min的范围内，并且允许一定的偏差，都可以稳定的完成测量。第三阶段，为180，带入式（9），得到： 此时，与传感器测量连杆轴颈的第一阶段情况相同，连杆轴颈与传感器的作用力N，仅由电机的输出的力矩来决定，当电机的综合力矩输出的力在1-2N之间，即只要两个力矩电机的综合作用下的力矩的大小在0.015-0.030范围内就可以达到要求。第四阶段，为270，带入式（9），得到： （11）此处分析可得两种情况，一为曲轴的转动为主动，传感器为被动，推动传感器回退，由此产生的测量力在1-2N内；另一种情况为曲轴与传感器的方向为同向，两者之差为测量力。电机输出的力在0-6.5N内，测量力的范围在1-2N内，为了获得稳定的测量环境，取平均测量值，即=1.5N。第一种情况时，代入数据得到：由上式可得到电机输出的综合力为0-0.5N，则为，0rad/s-1.76rad/s。即0rad/min-105rad/min。第二种情况时，代入数据得到：由上式可得到电机输出的综合力为0-6.5N，则为，1.76rad/s-4.08rad/s。即105rad/min-245rad/min。结合四个阶段，综上所述，选择的电机为北京敬业电工公司生产的LYX系列稀土永磁式直流力矩电动机，型号45LYX02的直流力矩电机，该电机的详细数据在具体设计方案中有详细介绍，在电机输出的规定范围内，被测曲轴圆周运动的角速度可以保持在105rad/min左右，测量力大小就可以维持在1.50.2N左右，满足测量力在1-2N内的要求，并且测量稳定可靠，为最佳调配。根据上述计算内容与结果可得，本次设计的曲轴综合测量结构的平动系统能够在设计任务的要求下完成运动，并且尽可能的在提高精度，选择最佳性价比的设计方案与设计尺寸。5 总结5 总结5.1 总结在设计之初就对曲轴的生产与检测做了相关的了解，明白了本次设计的意义，使我对后来设计充满了兴趣。设计的主要工作就是对曲轴的综合测量机随动系统的结构进行设计，通过具体的分析与计算完成本次主要数据的采集与主要零件的布局。设计过程中，利用设计软件SolidWorks从三维建模入手，对随动系统整体的机械结构及框架进行了总体的设计，对