毕业设计说明书自动绒毛率测试仪设计开发.doc

理工学院 毕 业 设 计 学生姓名 刘通 学 号 11L0551188 专 业 机械设计制造及其自动化 题 目 自动绒毛率测试仪设计开发 指导教师 杨雪 讲师 评阅教师 杨松林 教授 2015 年 6 月 河北科技大学毕业设计成绩评定表 姓 名刘通学 号11L0551188成 绩 专 业机械设计制造及其自动化 题 目自动绒毛率测试仪设计开发 指导教师评语及成绩 指导教师 年 月 日 评阅教师评语及成绩 评阅教师 年 月 日 答辩小组评语及成绩 答辩小组组长 年 月 日 答辩委员会意见 学院答辩委员会主任 年 月 日 注 该表一式两份 一份归档 一份装入学生毕业设计说明书 论文 中 毕毕 业业 设设 计计 中中 文文 摘摘 要要 绒毛率是普遍存在于每件纺织品中的 在纺织品坯布加工过程中 坯布绒毛率是 反映布面质量的重要指标 绒毛率的高低直接关系到产品的质量 档次 生产效率以 及后续加工的顺利进行 为了保证纺织品的质量 人们通过测量纺织品表面的绒毛率 鉴定纺织品 因为绒毛只有几微米的长度十分细小 无法用一般的测量仪器鉴定 因 此本课题提出了 自动绒毛率测试仪设计开发 任务 本课题的利用 CREO 软件系统 进行了自动绒毛率测试仪的总体设计及其零部件 三维设计 该仪器可完成布面的自动装夹 张紧 移动 定位功能以及仪器外观设计 再配合 CCD 机器视觉系统 可以完成布面绒毛率快速 精确 客观测定的任务 该仪 器的开发对布面绒毛率的测量提供了很好的工具 关键词 绒毛率 视觉检测 三维 设计 仿真 毕毕 业业 设设 计计 外外 文文 摘摘 要要 Title Design and development of automatic villi rate tester Abstract Villi rate is common in each piece of textiles In the process of textile fabric grey hairs rate is an important index of reflecting the cloth quality The quality of the product is directly related to the quality of the product the grade the production efficiency and the smooth progress of the follow up In order to guarantee the quality of textiles people by measuring the rate of villi on the surface of the textile to identification of textiles Because only a few microns length of the villi is very small can not be identified with general measurement instrument Therefore this paper proposed the design and development task of the automatic rate tester This topic using CREO software system doing the overall design of automatic villi rate tester and its spare parts 3 d design The instrument can be completed automatic clamping tensioning movement positioning and instrument design coupled with CCD machine vision systems can be finished cloth villi rate is rapid accurate objective measurement task The development of the instrument for measuring cloth villi rate provides a good tool to measure cloth villi rate Key Word Rate of hairs Visual inspection The three dimensional design simulation 目目 录录 1 绪论 1 1 1 布面绒毛检测的概述 1 1 2 选题背景及意义 2 1 3 国内外发展概况 2 1 4 课题研究的内容 3 1 5 绒毛率检测仪设计原始参数 3 2 绒毛检测仪开发方案确定 4 2 1 布滚卷布测量方案分析 4 2 2 圆形导轨带布测量方案分析 5 2 3 双层导轨带布测量方案分析 6 2 4 方案确定 6 3 关键部件的参数选择 7 3 1 电机型号选择 7 3 2 CCD摄像头型号选择 11 3 3 滚珠螺旋副型号选择 11 3 4 导轨副型号选择 16 3 5 轴承型号选择 17 4 测试仪结构设计 18 4 1 弹簧夹布机构设计 18 4 2 布匹传动机构设计 19 4 3 布匹张紧机构设计 19 4 4 待测布匹角度成形机构设计 20 4 5 背板移动机构设计 21 4 6 布夹横向移动结构设计 21 5 测试仪零部件装配 渲染 运动仿真 22 5 1 零部件材质灯光渲染 22 5 2 整机材质及渲染 24 5 3 整机三维动态序列装配 24 5 4 图解整机工作原理 27 5 5 机械运动仿真 28 结束语 34 致谢 35 参考文献 36 1 1 绪论绪论 1 11 1 布面绒毛检测的概述布面绒毛检测的概述 衣是人类生活的必须品 我国纺织发展源远流长 其技术演进和质量发展在世届 纺织界上占有十分重要的位置 1 伴随着人们生活质量的提高以及社会的快速发展 人 们对纺织品的需求从只是一个简单的功能 更多关注其安全性和卫生 绿色环保和自 然生态 在今天的人们崇尚自然 绿色消费 纺织品安全问方面被越来越多的人的注 意 纺织品对人体是否有伤害已经成为人们除了食物 药物 领域的关键问题 纺织品是指天然纤维和化学纤维为原料 经过纺纱 织造 染整等工艺加工或重 新缝制 并采用复合技术的其他产品 包括服装纺织 装饰用纺织品 工业纺织品 衣着用纺织品包括 1 各种服装 2 制作服装用的各种纺织品而料 3 里料 垫料 填充料 装饰线 缝纫线等纺织辅料 装饰用纺织品包括 1 室内用品 帷幔 窗帘 门帘 餐用纺织品 餐巾 餐 桌布 家具用纺织品 布艺沙发 家具套 室内装饰物 床饰 地毯 2 床上 用品 床罩 被罩 枕套 枕巾等 3 户外用品 帐篷 幽伞等 产业用纺织品包括土工布 医疗卫生用品 医用日罩 医用脱脂纱布 医用脱脂棉 妇婴保健用品 劳保用品 手套 矿工服 等 纺织品质量性能主要指标有 1 粘和衬部位剥离强度 西服 大衣 衬衣类产品中 而料覆有一层无纺粘介衬 或有纺粘介衬 使而料具有相应的平挺度和回弹性 同时使消费者在穿着和容易变形 走样的过程中 起着 骨架 服装的作用 同时 有必要保持衬里的粘合介质 并保 持其密合性的材料 2 起球 起球是指织物经摩擦后起球的程度 织物起球后外观明显变差 自接影 响美观 3 耐磨性 是指织物抵抗磨损的程度 磨损是织物损坏的一个主要方而 它自接 影响织物的耐用性 2 4 绒毛率 是指织物表面一层几微米长的绒毛表层中绒毛含量 在纺织品坯布加工过程中 坯布绒毛率是反映布面质量的重要指标 绒毛率的高 低直接关系到产品的质量 档次 生产效率以及后续加工的顺利进行 因次为了保证 纺织品质量 需要对纺织品进行绒毛率检测 1 21 2 选题背景及意义选题背景及意义 绒毛率是普遍存在于每件纺织品中的 在纺织品坯布加工过程中 坯布绒毛率是 反映布面质量的重要指标 绒毛率的高低直接关系到产品的质量 档次 生产效率以 及后续加工的顺利进行 为了保证纺织品的质量 人们通过测量纺织品表面的绒毛率 鉴定纺织品 因为绒毛只有几微米的长度十分细小 无法用一般的测量仪器鉴定 因 此 自动绒毛率测试仪设计开发 课题的提出主要是希望设计一种机械装置 完成布 面的自动装夹 张紧 移动 定位功能以及仪器外观设计 再配合 CCD 机器视觉系统 完成布面绒毛率快速 精确 客观测定的任务 通过自动绒毛率测试仪对纺织品的检测 能够更好的确定纺织品质量的好坏 从 而也能够让人们拥有更高质量的纺织品 1 31 3 国内外发展概况国内外发展概况 1 3 1 国内研究 机器视觉和计算机视觉是指物体或场景由非接触式光学传感器成像和图像分析得 到的信息对象或场景 3 机器视觉的主要目的是让计算机理解环境的视觉传感器获取的 信息 通常需要低水平图像处理方法来提高图像质量和使用高级模式识别和图像分析 方法识别图像中的特征 研究机器视觉已近 50 年的历史 然而 在过去的 20 年中 由于成像技术和计算机技术的迅速发展 机器视觉技术也有相当大的进步 机器视觉 技术应用程序对象变得越来越多样化 如产品视觉检测 车辆自动导航 文档自动翻 译 认证 指纹识别 人脸识别和遥感影像分析 4 目视检查的产品是机器视觉的一个重要应用领域 并且已经有很多成功的应用在 这个领域 机器视觉检测技术具有非接触 在线实时 快速 适当的精度 抗干扰能力强 可以实现 零浪费 的目标生产机械产品 满足现代制造业的进步和发展 在现实中 显示了广阔的应用前景 机器视觉检测系统的机械制造工业视觉检测系统基于 CCD 电荷耦合 装置 使用 CCD 尺寸测量技术是非常有效的非接触检测技术 广泛应用在处理各种各样的在线检测 和高精度 高速度检测 近年来 国内研究成果的应用 CCD 视觉检测是重要的 比如清华大学和北京机床 研究所联合开发机器视觉检测系统可用于工业领域和发动机连杆大小的位移检测 使 用 CCD 阵列访问链接配置文件大小信息 天津大学使用 CCD 线阵列作为测量传感器 用于在线测量透明玻璃管直径和壁厚 5 对线阵列 CCD 为核心的玻璃管尺寸的测量和控 制仪器 实时监控的玻璃管直径和壁厚尺寸 并根据测试结果来控制生产过程 为了 提高合格产品率 高精度二维位置测量 6 使用两线阵列 CCD 大小测量 7 拼接技术的线 性数组疾病预防控制中心 实时动态和静态大小和位置检测等应用 CCD 钢铁工业 制 造业和其他工业领域 目前 在视觉检测使用亚像素技术可以控制 1 5um 之间的表面尺寸的测量精度 使用自动聚焦技术基于高程测量精度可以控制在 10 20um 8 1 3 2 国外研究 国外在 CCD 视觉检测应用较早 如日本的 长岛出世与 CCD 相机检测点主要方面 如角 前角和后角 然后与测量和人工测量显微镜 高精度的结果比较 可以达到 10 2 度 快速 方便和易于使用的 9 10 巴西的学者将 CCD 视觉检测系统是用来研究刚体 的 11 运动 美国学者应用 CCD 高精度机械位移和应变测量系统 12 日本三菱电气公 司和东燃管内表面视觉检测系统联合开发的异物沉淀引起的腐蚀和管道检测 其分辨 率可达正负 0 l mm 检查速度可达 30 毫米 秒 13 机器视觉检测技术在国外在机械制造业中的使用起步早 已经出现了很多成熟的 产品 才开始在国内应用 还需要国人涉猎更多的范畴 1 41 4 课题研究的内容课题研究的内容 自动绒毛率测试仪设计开发 课题的提出主要是希望设计一种机械装置 完成 布面的自动装夹 张紧 移动 定位功能以及仪器外观设计 再配合 CCD 机器视觉系 统 完成布面绒毛率快速 精确 客观测定的任务 1 51 5 绒毛率检测仪设计原始参数绒毛率检测仪设计原始参数 1 绒毛率检测仪所测布匹尺寸长 200mm 宽 50mm 2 下导轨移动的精度为 0 02mm 2 2 绒毛检测仪开发方案确定绒毛检测仪开发方案确定 自动绒毛率测试仪是基于机器视觉及图像处理的纺布绒毛率测试仪器 考虑其工 作环境 占地等情况 自动绒毛率测试仪属于轻型 小型自动化设备 结构简单紧凑 总体尺寸不宜过大 因此作为被检测的布匹尺寸也应该比较小 同时也应该考虑到布 匹的厚度问题 其工作原理是通过对布面的自动装夹 张紧 移动 定位 再配合 CCD 机器视觉系统 完成布面绒毛率快速 精确 客观测定的任务 因此测试仪主要由 CCD 视觉系统 X Y Z 三维移动工作台 自动装夹装置 张紧装置 传送装置和精准定位装 置组成 1 三维移动工作台 工作台作为所有装置的支撑 同时将 CCD 视觉体统安装在工作台的 Y 向工作 台上 通过控制系统的操控 视觉系统可以在空间任意移动 考虑到 CCD 视觉系统有 许多线路连接 频繁的移动可能导致检测系统的损坏 因此考虑将 CCD 视觉系统固定 在 Y 坐标轴上不动 通过移动其他装置来检测绒毛率 2 自动装夹装置 自动装夹装置是将测试胚布放在传送装置上 装夹装置自动将胚布夹住 并伴随 传送装置一起移动 装夹装置可以采用液压夹紧装置或者机械夹紧装置 3 张紧装置 张紧装置是通过压力传感器检测被测的布条的张紧程度 目的是将胚布拉紧平铺 在传送装置上 便于检测 4 定位装置 被测胚布需要通过 CCD 视觉系统拍照测试 每一块胚布需要被测试三组数据 因 此就需要有精准的定位 而定位装置就是通过传感器将胚布定位到需要的位置进行测 试 5 传送装置 传送装置是带动被测胚布移动 达到检测的目的 传送装置常用的有皮带传送 链板传动等 考虑到检测部位的刀口只有 0 3mm 左右 采用皮带传送 2 12 1 布滚卷布测量方案分析布滚卷布测量方案分析 图 2 1 布滚方案结构简图 此方案的工作原理是将被测布匹一端夹在三角布滚的一个平面上另一端平铺在导 轨上 通过加载重物使布匹具有一定的张力 通过旋转布滚使布匹被卷起来的同时测 量绒毛率 具体的工作过程为在三角布滚的一个平面上挖一个布宽的凹槽 将布匹嵌 入凹槽中 在选择相同尺寸的磁铁通过吸力将布匹固定在布滚上 另一端平铺在传送 带上 同时在布的尾端加载重物 形成一定的张力 重物的设计选择相同的质量 根 据布的要求可以增加和较少重物的质量 测量的时候电机带动布滚的旋转 当布滚其 中一个角转到 CCD 摄像头与背景板在同一条直线的时候 CCD 摄像头就进行一次测量 然后通过底端 X Y 工作台的横向移动 可以使 CCD 摄像头横向测量若干次 然后布滚 接着滚动到下一个角的位置 又可以测量若干次数据 测量结束后 电机反转到初始 位置 将布匹取下来进行第二次实验布匹的测量 2 22 2 圆形导轨带布测量方案分析圆形导轨带布测量方案分析 图 2 2 圆形导轨方案结构简图 该方案的设计结构是 布夹与皮带固定在一起 使用电机与皮带轮进行定位销连 接然后转动 皮带与布夹一起移动 将 CCD 摄像头水平安放在两道轨之间 背景板固 定在指定位置 薄钢板通过齿轮齿条可以上下移动 具体的工作过程是布夹停留在如 图所示位置 将待测布匹夹在两个布夹之间 电机转动 皮带轮带动布夹沿导轨方向 移动 布夹 1 向左移动到背景板水平位置 此时布匹搭在背景板上 然后通过齿轮齿 条的传送 薄钢板向下移动到如图位置 CCD 摄像头进行一次测量 然后通过底端 X Y 工作台的横向移动 可以使 CCD 摄像头横向测量若干次 然后电机转动布夹再向前移 动一定距离 CCD 摄像头进行一次测量 通过电机的多次转动 使得布匹进行多次测量 测量结束后 布夹转到原来位置 将布匹取下来进行第二次待测布匹的检测 2 32 3 双层导轨带布测量方案分析双层导轨带布测量方案分析 图 2 3 双层导轨方案图 该方案如图 2 3 所示 测量布料绒毛率时将布条两端分别夹在左右夹具上 接通 电源后夹具一可在导轨上向下运动 然后沿导轨向右运动 此时夹具一位置低于钢板 在钢板的支撑下布形成一薄棱 可为后续测量做准备 在夹具一带动布移动时夹具二 在弹簧的作用下可使布产生一定预紧力 可以在弹簧处安装压力传感器 控制夹具二 处夹具架的运动 当布料达到一定预紧力时 夹具架才能在导轨上移动 如此可以保 证测量的准确性 测量时 背板上移到指定位置 布在夹具带动下沿 x 轴运动 装置 除背板及 CCD 测量头外可沿 z 轴移动 如此可测量布任意位置绒毛率 测量完成后 背板下移让位 两夹具运动到初始位置 即可取下布料 2 42 4 方案确定方案确定 三个方案的优缺点对比如下 布夹 2 布夹 1 CCD 摄像头 导轨板 弹簧 夹具架 背板 钢板 布滚卷布测量方案 优点 设备简单 操作方便 缺点 设备所占空间比较大 而且由于设计的是三角布滚 形成的角度比较大 所 测得数据不会很准确 圆形导轨带布测量方案 优点 检测角度是 180 度 所测数据精准 所用空间较小 操作简单 缺点 设备比较复杂 双层导轨带布测量方案 优点 检测精度高便于操作 缺点 设备所占空间较大 由于所设计的设备主要的要求是精度高 因此 通过对三个方案的综合分析对比 本次设计最终选用圆形导轨带布测量方案 3 3 关键部件的参数选择与计算关键部件的参数选择与计算 3 13 1 电机型号选择电机型号选择 自动绒毛率测试仪设计一共使用了五部电机 分别是 X 向移动电机 带动被测布 匹移动的皮带轮电机 使布匹形成被测角度的推拉电机 控制薄钢板的电机 控制张 力传感器的电机 3 1 1 X 向移动电机 传动计算 按照设计方案的需求 仪器精度为 0 02mm 选用脉冲当量为 0 01 mm Hz 丝杠导程为 4mm 又由于方案中不用减速箱 而用联轴器直接将电动机与丝杠连接 所 以取减速比为 i 1 算的电机步距角 360i Pb 0 9 步进电机的计算及选型 1 步进电机的转轴总惯性矩的计算 总转动惯量 J 包括转子的惯性 滚珠丝杆的惯性和惰性的电机轴的转动惯量 滚珠丝杠的转动惯量 J 由 数控机床系统设计 中 P134 式 5 28 得 412 0 7710JD L 式中 D 为丝杠公称直径 D 30mm L 为丝杠长度 有效行程 螺母长度 设计余量 两端支撑长度 轴承宽度 锁 紧螺母宽度 裕量 动力输入连接长度 如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半 裕量 315mm 代入数据得 1 J 0 77 30 315 10 2 0 10 4 kg 412 滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量 由 数控机床系统设计 中 P134 式 5 29 得 26 2 10 2 s JM 其中 M 为工作台的 包括工件 的质量 M 100kg S 为丝杠螺距 S 5mm 代入数据 得 256 2 2 kg103 610100 2 5 Jm 初选常州宝马前杨电机电器有限公司的 90BYG2502 型混合式步进电动机 可 知其转子的转动惯量 3 Jm104 4 N 所以 2 00 10 4 6 3 10 4 10 6 63 10 N m 123d JJJJ 5 4 4 检查电机轴的惯量 惯量比应控制在一定的范围内 不能太小也不能太大 即伺服系统的动态特性取决于负载特性 为使该系统惯量达到较合理的配合 一 般 比值控制在 1 4 1 之间 0 65 12 3 JJ J 根据公式 可知满足惯量匹配的要求 12 3 JJ1 1 4J J3 2 步进电动机的初选 根据最大等效负荷 M 考虑一定的安全系数 取 2 5 最大静转矩步进电机应 该满足 N m max 32 52 05 0 j TM 根据所选的电机型号参数知道 最大转矩 6 jmax T N m 所选电动机型号正好满 足 图 3 1 电机型号与安装尺寸 图 3 2 电机接线图 3 1 2 皮带轮电机选型 负载力矩的计算公式 cos sin 2i2 kgumFAF cmkgf i FDDF T L mNTL 53 0 其中 为皮带轮的传动效率 0 9 D 为皮带轮的直径 96mm 考虑到种种因素 所选电机最大扭矩大于 0 53 根据表格可选电机型号m N 图 3 3 电机型号 图 3 4 电机安装尺寸与接线方式 使布匹形成被测角度的推拉电机 控制薄钢板的电机 控制张力传感器的电机 图 3 5 电机型号 这三部电机的选择要满足齿条的升降能力 因为齿条的运动不用特别快 而且齿条 质量不重 所以轴转动所需要的力矩不需太多 大部分电机都能满足 因为理论分析 无法得到电机所需力矩的精确值 所以电机的力矩范围只能靠估算 因此这三部电机 中张力传感器电机和薄钢板电机可以选择相同型号 选择 UI2457 51 28 04A 型号 推 拉电机选择 UI2457 41 1604A 型号 本课题中选取电机型号的各个参数如图 3 5 所示 3 23 2 ccdccd 摄像头型号选择摄像头型号选择 考虑到设备的结构紧凑性 选择如下尺寸的 CCD 摄像头 图 3 6 CCD 摄像头 表 3 1 CCD 摄像头尺寸 123456 直径 边长 mm 5040383820 128 12 长度 mm 307060504020 3 33 3 滚珠螺旋副型号选择滚珠螺旋副型号选择 3 3 1 主要类型 采用滚珠在螺母中内循环方式 选择垫片预紧方式来消除丝杠螺母副轴向的间隙 3 3 2 主要参数及代号 1 滚珠丝杠副的主要参数 公称直径 数控机床常用的进给丝杠的公称直径为至 但 m d m dmm30 mm80 是本次设计所选用的下导轨上面所受力只有重力 没有其他额外的载荷 因此不用 m d 太大 初选 30mmd0 基本导程 螺距 由步距角 脉冲当量和传动比 0 L 9 0 b 脉冲 01 0 mm P i 1 确定 mmiL bp 4 360 0 2 滚珠丝杠副的标注 1 2 3 4 5 6 为了满足设计要求 初步选择滚珠丝杠副为 SFU03204 4 导轨面的硬度为 58 64HRC 根据资料查得其具体参数如下 表 3 2 滚珠丝杠副规格 规格代 号 公称直径 0 D 公称 导程 0h D 滚珠 直径 w D 螺旋 升角 循环 列数 额定动载荷 KNCa 额定静载荷 KNCoa 接触刚度 mNKc 3204 43242 3334 0 31 294 83851 3 3 3 最大工作载荷 滚珠丝杠上的工作载荷是指滚珠丝杠副在横向移动设备时滚珠丝杠轴向所 NFm 受的力 采用实验公式计算 对于三角形或综合导轨 m F GFfKFF VLm 式中 为工作台纵向进给方向载荷 为工作台垂直进给方向载荷 G 为移动部件 L F V F 的重力 N K 和分别为考虑颠覆力距影响的实验系数和导轨上的摩擦系数 对于 f 三角形或综合导轨 K 1 15 滚动导轨 取 所以 005 0 0025 0 f004 0 f NGFfKFF VL 4 10100 004 0 m 3 3 4 最大动载 C 的计算及主要尺寸初选 滚动丝杠承受的动载荷由公式得 mmF fLC 3 式中 L 为使用寿命 单位为 r 6 10 6 10 60ntL 为运转状态系数 无冲击取 0 8 1 0 普通状况取 1 0 1 2 冲击状态下取 m f 1 2 2 0 为滚珠丝杠工作载荷 N m F 选择滚珠丝杠副的尺寸 滚珠丝杠副的额定动载荷不得小于最大动载荷 C a C CCa 取 而工作台进给速度 则工作寿命 1 1 m fmin 126 mmv L 10 35 28410 150001266010 10006010 60 66 0 66 rLvtntL 则 NFfLC mm 4 1341 135 28 33 因为 CKNCa 29 1 所以选择的丝杠螺母副满足设计要求 3 3 5 传动效率计算 滚珠丝杠副的传动效率为 tan tan 其中 为丝杠螺旋升角 可由 806 0 3014 3 4arctanarctan 0 0 d L 为摩擦角 滚动摩擦系数 摩擦角约等于 004 0 003 0 f 10 5 87 10806 0 tan 806 0 tan 100 tan tan 滚珠丝杠传动效率比较高 一般在 0 8 0 9 之间 我们可以看到 计算的结果满足 要求 3 3 6 刚度验算 丝杠的拉压变形量 1 滚珠丝杠计算满载时拉压变形量 EA LFm 1 其中 是在工作载荷作用下丝杠总长度的拉伸或压缩变形量 为丝 1 m F mm m F 杠的工作载荷 L 为滚珠丝杠在轴承支架的受力长度 mmL300 E 为材料 N mm 弹性模量 对于钢材 A 是按丝杠内径确定的截面积 MpaE 4 10 6 20 2 mm 222 65 593 2 5 27 14 3 2 mm d A 指丝杠被拉伸 指丝杠被压缩 则 mm EA LFm 4 4 1 10098 0 65 59310 6 20 3004 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 变形量与滚珠排列 螺母内圈有关 即与滚珠总数量有关 与滚珠丝杠长度无关 有预紧时 可以使用下式计算 0013 0 3 2 2 mm ZFD F YJw m 其中 是滚珠直径 是滚珠总数量 Z 是丝杠一 w D mm Z列数圈数 ZZ 圈拥有的滚珠个数 是丝杠的公称直径 是预 3 0 内循环 w DdZ 0 d mm YJ F 紧力 是丝杠的工作载荷 8 91 Nkgfkgf m F 8 91 Nkgfkgf 查表可得381 2 w D 36 583 30 2 383 14 3 0 内循环 W DdZ 2192336 58Z 列数圈数Z kgfkgf4 04 10Fm kgfkgfFF mYJ 12 0 10 4 0 3 1 3 1 017 0 21912 038 2 4 0 0013 0 Z 0013 0 32 3 2 2 YJW m FD F 由于当滚珠丝杠有预紧力 且预紧力为轴向工作载荷的 1 3 时 值可减少一半 2 左右 滚珠丝杠副刚度的验算 丝杠的总变形量不应超过变形允许量 一般不大于一半的机床进给系 21 统的定位精度指定值 根据资料查得机床的定位精度为 0 023mm mmmm0115 0 0085 0 2 017 0 10098 0 4 21 由上式可知选择的滚珠 丝杠副刚度满足设计要求 3 3 7 压杆稳定性验算 滚珠丝杠长度确定 根据经验公式 其余行程 lLll 其中 L 由 3204 04 丝杠副中取 L 44mm 故 300 44 104 448mm 圆整 448mm x L x L 滚珠丝杠一般是受到轴向力的细长杆 如果所受的轴向力过大 丝杠将会失去稳 定从而产生纵向屈曲 也就是失去稳定性 失稳时的载荷为 K F 2 L EIf F z K 其中 E 为丝杠材料弹性模量 对钢 I 为截面惯性矩 对丝杠MpaE 4 10 6 20 圆截面 44 4 1 63 3974064 3014 3 64 mmdI 丝杠的支撑方式选用一0 2 z f 端固定 一段简支的方式 则较验较长的丝杠 N L EIf F x z K 4 2 4 2 1062 25 448 3974010 6 2014 32 临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数 如果稳定性安全系数 K F m F k n 大于额定的稳定安全系数 那么滚珠丝杠就不会失去稳定性 所以 滚珠丝杠的压杆 稳定条件为 4104 6 4 1062 25 4 4 k m K k n F F n 综上的计算 选择的丝杠满足要求 3 3 8 滚珠丝杠螺母副安装连接尺寸 在确定滚珠丝杠副类型及型号及进行了传动效率 刚度和稳定性校核后 还应该 考虑另外一些设计事项 例如 防止丝杠暴漏在外面 滚珠丝杠保持润滑 丝杠螺母 副中螺栓的安装尺寸等 根据下表内循环滚珠丝杠副可查 滚珠螺母的安装 连接尺寸 图 3 7 滚珠螺母的安装尺寸 3 43 4 导轨副导轨副型号选择型号选择 3 4 1 工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素 本次设计的 X 向导轨工作台采用双导轨 四个滑块的支承方式 对于四个滑块所承受的负载分担到每个滑块上承受的载荷是 max 4 G FF 其中 移动部件重量 G 1000N 外加载荷 NFF e 4 得最大工作载荷 KNF254 0 1 21 3 4 2 小时额定工作寿命的计算 预期工作台的工作寿命为 4 年 取工作时间为 360 天 每天工作 8 小时 因此得 到小时额定工作寿命11520 h Lh 3 4 3 根据设计寿命计算导轨副的距离额定寿命 由公式 从而得到 3 10 260 h L L nS 3 260 10 h L nS L 式中 为额定工作寿命 h L n 为移动件每分钟往复次数 4 6 取 5 S 为移动件行程长度 代入数据 得 L 2073 6km 3 4 4 根据动载荷和距离寿命关系式计算动载荷 当滚动体为球时 由公式 50 3 F C f ffff L a W RCTH 式中 为额定动载荷 单位是 km a C L 为距离工作寿命 由上式可知为 2073 6km F 为滑块的工作载荷 由上式可知为 4N H f 硬度系数 T f 温度系数 C f 接触系数 R f 精度系数 W f 载荷系数 代入数据得 1 21KN a C 3 4 5 产品选型 根据设计要求 选择滚动导轨 根据导轨生产商北京盛凯砾通科技的低组装四方型 直线导轨 查得安装尺寸如图 3 8 图 3 8 导轨尺寸 可知额定动载荷为 14 7KN 大于 1 21KN 所以满足要求 3 53 5 轴承型号选择轴承型号选择 轴承的选择主要依据轴承所受力的方向 如果轴承只受轴向力 选用推力滚子轴 承或者推力轴承 只受径向力的话 选用深沟球轴承圆柱滚子轴承或者滚针轴承 对 于既受轴向力 痛还是有径向力的轴承 一般选用圆锥滚子轴承或者角接触球轴承 本设备一共使用了三组轴承 其中两组安装在皮带轮中的轴承只收到径向载荷 因此选用深沟球轴承 而对于下导轨中的一组轴承中 靠近电机的支承轴承受到轴向 载荷与径向载荷 选用角接触球轴承 远离电机的支承轴承只受到径向载荷 选用深 沟球轴承 4 4 测测试试仪结构设计仪结构设计 4 14 1 弹簧夹布机构设计弹簧夹布机构设计 弹簧布夹是设备能够完成布匹测量的第一步也是最关键的一步 设计布夹的时候 布夹杆布夹杆 布夹布夹 首先要考虑的是布夹的夹紧力 如果夹紧力不够大 布匹在移动的过程中有可能会掉 落 最初的设计思路是利用杠杆原理在运动的过程中使布夹顶段与设计的导轨接触 布夹杆比导轨长一定的高度 在布夹杆与导轨接触的同时 布夹恰好与布板接触 此 时布匹被夹紧 随着皮带运动 夹布机构初步设计为自动夹布装置 图 4 1 导轨夹布机构 考虑到设计的设备结构简单性 加工可行性 虽然以上设计是自动夹布装置 但 是设备加工比较复杂 装配比较繁琐 而且占用空间大 不符合设计初定义的轻型 小型自动化设备 结构简单紧凑 因此将夹布机构设计成手动夹布 工作的时候 用 手将布杆拉开 把待测布匹平铺在布板上 松手之后布夹在弹簧的拉力作用下夹紧布 匹 图 4 2 弹簧夹布机构 4 24 2 布匹传动机构设计布匹传动机构设计 绒毛检测仪设计最终确定方案为圆形导轨带布检测 可以选择链条传动 皮带传送 链传动的特点 导轨 布板 布夹 弹簧 布板 没有弹性滑动平均透射比是精确的 所需的张力小 轴上的负载小 可以降低轴承的摩擦损失 瞬时速度和瞬时传动比不恒定时 传输不稳定 工作有一定的影响和噪声 它不适合应用程序的负载变化和快速反向传播 带传动的特点 瞬时传动比恒定 灵活 能减缓震动吸收 传动平稳 超过额定负载 皮带就会打滑 能够起到保护作用 结构简单 成本便宜 考虑到布匹在传动的过程中传送的平稳性以及恒定的传动比 同时考虑设备的结构 简单 成本低廉问题 选用皮带传送 而且在皮带上安装两个挡板用来带动夹子的移 动 图 4 3 带传送机构 其中电机通过联轴器与皮带轮链接 两个皮带轮之间通过简单轴连接 起到同步转 动的作用 4 34 3 布匹张紧机构设计布匹张紧机构设计 考虑到前面的布夹在运动到圆形导轨处 由于两布夹之间的直线距离小于在直线位 置的距离 所以布匹会有一部分的余量 此时在测量绒毛率的时候不没有处于紧绷状 态所测数据会有所偏差 因此需要在布匹的上方添加张紧装置 而奔放所设计的张紧 装置是在齿条的一段添加张力传感器 齿条与通过电机的齿轮啮合 传感器根据布匹 挡板 皮带 皮带轮 的张紧状态通过控制器传出的数据使电机进行正向或者反向转动增加或者减少布匹的 张力 图 4 4 张力传感装置 图 4 5 张力装置在设备中的位置 4 4 4 4 待测布匹角度成形机构设计待测布匹角度成形机构设计 绒毛率测试仪的检测原理是通过 CCD 摄像头对布匹的一条边进行拍照 摄像头对 应着背景板 本方案的设计中在布夹移动到固定的圆形导轨的位置 被测布匹会搭在 背景板上 但是无法形成 180 度的角度 因此无法进行测量 而待测布匹角度成形机 构的设计完美的解决了这个问题 布匹到达指定位置后 薄钢板会通过齿轮齿条的传 动下降到指定位置进行测量 压力传感器 齿条 齿轮 电机 图 4 6 薄钢板成形机构 4 54 5 背板移动机构设计背板移动机构设计 作为绒毛率测试仪能够成功检测的前提 背板移动机构是必不可少的一部分 当角度 成形机构运动到指定位置后 待测布匹只有一端符合检测要求 另一侧因为没有达到 垂直的效果 导致所测结果会有所偏差 而添加背板移动机构则轻松解决该问题 考 虑到设备的结构紧凑性 选择丝杠螺母的连接方式使推拉板前后移动 图 4 7 背板移动机构 4 64 6 布夹横向移动结构设计布夹横向移动结构设计 应测试要求 检测布匹绒毛率的时候需要纵向测试若干次 同时横向测试若干次 解决纵向测试可以通过皮带轮的传送进行 而横向测试就无法进行 最初的设计是将 CCD 摄像头竖直放置在被测区域上方 但是考虑到 CCD 摄像头的长度问题 所占空间比 较大 因此将 CCD 摄像头平躺在两导轨之间 因为 CCD 摄像头尾端连接的线路比较复 杂 如果选择左右移动 CCD 摄像头 可能会造成摄像头线路短路等一系列问题 综上 考虑 将 CCD 摄像头固定不动 通过横向移动整个导轨装置 使布匹进行横向移动进 而测量同一直线上不同位置的绒毛率数据 横向移动装置采用 XY 工作台原理 只采用 推拉板 推拉丝杠 X 向工作台 整个导轨设备利用丝杠螺母副进行横向移动 图 4 8 下导轨 5 5 测试仪零部件装配 渲染 运动仿真测试仪零部件装配 渲染 运动仿真 5 15 1 零部件材质灯光渲染零部件材质灯光渲染 渲染是通过灯光与材质互相作用产生的画面 再进行三维设计的时候 最后的步 骤就是渲染 通过渲染是使设计的产品与实际产品产成相同的视觉效果 本次设计中 的绒毛率测试仪一共由三部分组成 有下导轨 底板支撑 圆形导轨以及电机支撑组 成 创建下导轨材质灯光渲染步骤为 单击命令群组中的 渲染 按钮 打开渲染界面 在如图所示的命令群组中选择 要进行的操作 图 5 1 渲染窗口 单击 场景 进行配置模型渲染设置并应用光 房间外观和环境效果 图 5 2 场景窗口 经过场景与外观库等命令的操作最终形成的下导轨渲染的结果 图 5 3 下导轨渲染图 其他部分的灯光渲染和下导轨操作过程相同 图 5 4 导轨渲染图 图 5 5 导轨渲染图 图 5 6 支撑板渲染图 5 25 2 整机材质及渲染整机材质及渲染 整机材质渲染是指将各部分零部件静态装配完成 通过 场景 进行配置模型渲 染设置并应用光 房间外观和环境效果 图 5 7 整机渲染图 5 35 3 整机三维整机三维动态序列装配动态序列装配 爆炸图就是将三维装配图拆解成单个的零件 这样可以更好的反映出各个装配体 中的单一零件在子装配和总装配体中的约束及装配关系 同时便于观察设备内部结构 和组装的先后顺序 爆炸图创建步骤 单击命令群组中的 管理视图 体统弹出视图管理器对话框 图 5 8 管理视图 图 5 9 视觉管理器 选择分解命令 单击新建创建一个新的区域 baozhatu 按鼠标中键确定 单击 关 闭 单击 编辑位置 命令 图 5 10 编辑命令 弹出如下对话框 图 5 11 分解工具命令 接下来就是将各个零件依次拖动到合适的位置 图 5 12 整机爆炸图 图 5 13 导轨爆炸图 图 5 14 下导轨爆炸图 图 5 15 底板爆炸图 5 45 4 图解整机工作原理图解整机工作原理 自动绒毛率测试仪的工作原理是布夹停在初始位置将待测布匹手工夹在布夹两侧 然后接通电源 皮带轮电机带动皮带轮电机旋转 从而皮带旋转 因为皮带上安装挡 板 因此布夹跟随皮带一块移动 当布夹移动到位置 1 时 电机停止转动 支撑板上 的薄钢板通过齿轮齿条传动下降到指定位置 推拉板通过丝杠螺母副传送到指定位置 使被测布匹形成 180 度的被测角度 然后张力传感器通过齿轮齿条传动下降合适的位 置 使布匹具有一定的张力 然后 CCD 摄像头进行测量数据 测量之后 通过底板下 侧的 X 导轨工作台横向移动一定的距离进行第二次测量 采用相同的方式测量 3 至 4 次 之后薄钢板 推拉板 和张力传感器回到初始位置 皮带轮电机带动布夹继续移 动一定距离 重复以上相同步骤对布匹进行多次测量 测量完之后皮带带着布夹通过 圆形导轨转到上布位置 这时 一次系统的测量完成 将布匹取出 放上另一条待测 布匹进行测量 图 5 16 整机工作原理 5 5 5 5 机械运动仿真机械运动仿真 位置 1 薄钢板 张力传感器 在 Creo2 0 中 打开需要做运动仿真的装配图 然后单击 应用程序 中的 机 构 选项 进入该装配图中模块环境设计 图 5 17 应用程序命令 运动仿真可以使设计的静态三维图以运动的形式展现在人们面前 可以让人们更 清楚地了解设备的工作原理 运动过程 运动方式 为了实现运动仿真的效果 在装 配零部件的时候必须有多个过程的相互配合 其中包括连接的创建 伺服电机的创建 运动环境的创建 制度分析 测量 5 5 1 创建连接方式 1 连接类型 在装配环境中 选择连接类型创建一个连接的机制 它是一个运动仿真设计的重 要组成部分 它直接影响到运动模拟操作设置影响 连接就是元件与元件 元件与组件通过一定的约束集装配在一起 并限制两者的 自由度 进行连接操作是建立该设备运动仿真的必要条件 2 仿真 连接 选择 Creo 中提供了齿轮 凸轮 3D 接触和带四种连接方式 根据装配组件中各零件的 约束关系 选择合适的连接 这次设计主要是齿轮与齿条之间的传动 单击 齿轮 命令出现如下对话框 分别选择齿轮和齿条的运动轴 并定义两个齿轮间的运动参数 单击 拖动元件 把零件拖至仿真运动最原始的状态 拍照 作为后面机构运行时 的初始位置 图 5 18 齿轮副定义 5 5 2 创建伺服电机 单击 伺服电动机 进入伺服电机定义对话框 进入对话框中选择需要的操作 首先与电机装配的齿轮连接应该是选择销钉连接 这 样通过设置就可以是齿轮通过电机轴旋转 图 5 19 伺服电机命令 选择 轮廓 选项卡 可以确定电机的位置 速度加速度的变化 图 5 20 伺服电机定义 5 5 3 创建运动环境 根据选项中的弹簧 重力 质量属性等设置 来模拟不同状态下的运动仿真情况 图 5 21 机构 命令 5 5 4 运动分析与测量 单击 机构分析 进入 分析定义 对话框 通过选择不同的类型可以使设备进 行不同的运动 可以从这些运动中选择我们需要进行的运动 在 初始配置 中 点击 Snapshot 选择之前定义的快照 点击 运行 可以看出机构的仿真动画 图 5 22 分析定义 测量 新建位置 速度 加速度等类型并选择点或运动轴 单击结果集 出现结 果参数 选择各个测量 分别绘制测量图形打勾 点击左上角 出现结果图形 图 5 23 测量定义 图 5 24 测量结果 运动仿真示意图如下图 图 5 25 运动仿真示意图 结束语结束语 在学校 院系领导的安排下 我们进行了为期三个多月的毕业设计 这也是我们 大学生涯里的最后一次设计 看这三个月来所做的紧张而有序的设计工作 禁不住生 出很多感想 也就有一种总结的冲动 在这段时间里 有欢笑的时刻 也有愁眉不展的时刻 我永远也不会忘记我们小 组的成员热烈讨论设计方案 相互帮助的情形 更不会忘记指导老师杨老师看每个同 学画的图时那认真仔细的模样和她的谆谆教诲 毕业设计是对四年所学专业技能的全面考验 不仅涉及的知识面广 难度也比课 程设计的大 这次毕业设计 不仅使我掌握了很多以前不了解的专业知识 还让我懂 得了很多做人做事的道理 这次毕业使我更进一步了解了机械这个专业 使我更明确了实际中检测机构的设 计思路和方法 从最初的方案构思 到后来的电机等标准件的选型 再到后面的各个 零部件的机构设计 到最后的装配 这进行的每一步都让我学会了很多东西 刚开始 时以为很简单 因为以前学过这些东西 可做起来以后才发现遇到的问题很多 比如 方案设计能不能实现运动 标准间型号的选择 以及各个部件之间的装配等 其中包 括各种细节的知识我都不是很清楚 但是我没有放弃 通过各种途径解决问题 向老 师和同学请教 自己翻课本 查阅各种规范和图集等等 致谢致谢 毕业设计已经接近了尾声 这也意味着我的大学生活就要结束了 学生活一晃而 过 回首走过的岁月 心中倍感充实 当我写完这篇毕业论文的时候 有一种如释重 负的感觉 感慨良多 首先 我要特别感谢我的指导老师杨雪老师 做设计的过程是艰辛的 但是在我 的努力之下还是完成了 在这个过程中杨老师给了我很大的的帮助 没有她的尽心指 导和严格的要求 我也不会顺利完成这次设计 每次遇到难题 我最先做的就是向杨 老师寻求帮助 而杨老师每次不管忙或闲 总会抽空来找我面谈 然后一起商量解决 的办法 杨老师平日里工作繁多 但我做毕业设计的每个阶段 从选题到查阅资料 论文提纲的确定 中期论文的修改 后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心 的指导 这几个月以来 杨老师不仅在学业上给我以精心指导 同时还在思想给我以 无微不至的关怀 在此谨向杨老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意 其次 还要感谢这四年来教我知识的每位老师们 毕业论文能够顺利完成 你们 也都有很大的功劳 最后 要向这四年大学生活期间所有帮助过我的同学们以及各位朋友们说一声谢 谢 这次的毕业设计 对于培养我们理论联系实际的设计思想 训练综合运用机械设 计和有关先修课程的理论 结合生产实际反系和解决工程实际问题的能力 巩固 加 深和扩展有关机械设计方面的知识等方面有重要的作用 写作毕业论文是一次再系统学习的过程 毕业论文的完成 同样也意味着新 生 活的开始 希望大家在将来的生活中继续追逐最初的梦想 永不放弃 参考文献参考文献 1 赵文斌 纺织质量发展 中国标准导报 2011 06 2 胡玉真 加强纺织品安全性能检测的重要性 专论 聚焦 2010 11 3 White K W Reynold R J The fundamentals of machine vision tutorial C Robots12 Vision 88 Conference 1988 4 101 105 4 Davies E R Machine vision theo