滑块厚度综合检测平台检测平台设计

本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 39 页 1 绪论 电子技术越来越多地融入机械工程领域使得机械产品的性能和控制方式发生了翻天覆地的变化，并且极大的降低了成本、简化了结构。该滑块厚度综合检测平台正是这两者的有机统一体。作为现代检测设备，激光测量、离子筛测量等非接触式测量方法无疑在精度方面更有它的优势，但高额的成本使得中小批量测量显得既不经济又不实用。而该滑块厚度综合检测平台采用的是同步齿形带传动、 PLC 控制、探头接触式测量，并且采用流水线工作方式，是一种经济、实用的检测设备。这也是我们研究开发的原因。 1.1 研究目的 活塞（滑块）是空气调节机中的关 键部件之一（其外形结构见图 1.1），其 几何尺寸、表面粗糙度、形位公差等精度的高低 直接关系到空气调节机性能的好坏，所以对它的精度要求相当地高。为了检验滑块的加工是否符合要求，并确定哪些是废品、哪些可以返工修复，需对其各个尺寸进行测量，然后将测量结果进行数据处理并分类。用传统手工测量方法效率很低（每人每天可检测的数量不过上千个），而且容易出错。本文设计的测 量滑块厚度 d的自动检测平台需要完成设计、加工、安装、调试四个步骤。为了能够 大大提高检测效率，降低生产成本， 减少出错率，并 为企业带来更大的效益， 检测平台应具有适 应性强、智能化自动化程度高、移植性、通用性强等特点。 图 1.1 滑块外形结构图 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 39 页 1.2 研究背景和意义 本文介绍的滑块厚度综合检测平台研究工作是非常有意义的。 首先这台滑块厚度综合检测平台系南京理 工大学受宁波市科技局委托研制的，因此这项研究是来自于社会生产的需要，并且这台设备研究在国内还属首例。这台滑块厚度综合检测平台设计由检测平台设计、自动控制系统设计和软件设计组成，可以实现自动 检测滑块厚度，将测量结果处理送至控制系统，然后控制系统发出 7种不同的信号给步进电机，电机根据这 7种不同的信号旋转相应角度，最后滑块从 7个不同的出料口被推出。采用这套自动化测量设备不仅可以缩短时间，使得测量速度与生产节拍相吻合，提高生产率，而且可以提高测量精度，节省人力，消除人 为误差，避免重复单调的劳动操作，减少费用，还便于显示及 反馈相关参数信息等。 再者这台滑块厚度综合检测平台是自动检测技术的应用。采用自动检测技术有着非常重要的意义： 1）采用自动检测技术有利于提高生产效率并降低工人的劳动强度。自动检测系统 与自动机械当然密不可分。所谓自动机械，是指在没有操作人员直接参与下，组成机器的各个结构（装置）能自动实现协调动作，在规定的时间内完成循环的机器。在该测量滑块的自动检测系统中，为了减少时间损失并提高劳动生产率，使送料分类等辅助工作与被测件的运送、检测工作重合起来。工作中，首先启动机器，人工完成将被测滑块送至检测系统中，自动定位、夹紧，然后滑块随同步齿形带移动并完成测量，最后通过计算机数据处理、分类并从不同的出料口滑处。我们据上可以看出：整个测量过程工人仅需要把被测件放到进料口，工人的劳动强度大大降低。 2）自 动检测的控制元件可以保证足够的测量精度，从而确保测量分类的可靠性。在机械行业中，质量是生命。在实现这个目标的过程中，自动检测的作用和重要意义是不言而喻的。作为装备有行程开关和反馈装置的测量系统，可以实现实时监控，达到比较高的测量精度。测量过程中如要保证动态测量精度，需要研究适合于动态或准动态的测试设备，甚至能集成到加工设备中的特殊测试设备，做到实时测试。设备制造出来后，再根据调试结果对一些环节作适当的修改，从而保证了测量分类结果的可靠性。 3）自动检测是测量学和自动机械两者紧密结合的有机整体。当前，国内外在 这两个领域的研究已经比较成熟，便于我们在设计时参考或直接利用。随着工农业的发 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 39 页 展，测量学朝着更广、更精的方向发展。众所周知， 三峡水利枢纽工程 巨大，技术要求高。仅监测一项就耗资巨大，对 变形监测和库区地壳形变、滑坡、岩崩以及水库诱发地震监测，不仅采用目前国内外最成熟最先进的仪器、技术，在实践中也在不断发展新的技术和方法，如对滑坡体变形与失稳研究的计算机智能仿真系统；拟进行研究的三峡库区滑坡泥石流预报的 3S工程等，都涉及到精密工程测量。隔河岩大坝外部变形观测的 GPS实时持续自动监测系统，监测点的位置精度达到了亚毫米 。 自动机械方面，自改革开放以来，我国不断的引进技术，改善生产，这方面的进步是显而易见的。数控机床， 流水生产线等等无一不是自动机械的应用。而在以下四个关键性环节中我们仍需花大力气、下大功夫。（ 1）如何才能改善机器的动态性能：使之在高速工作时运动平稳，降低振动与噪声；（ 2）如何才能提高系统工作可靠性，降低故障率，提高机器设备的利用率；（ 3）提高机械效率，减少磨损和摩擦，提高精度保持性。对于如何设计一部自动机械，前人已经总结了一套方案。设计过程可分为初步设计阶段、技术设计阶段、工作图设计阶段、安装调试阶段。 第 三，这设备将会给高度测量、宽度测量提供重要的参考。一个滑块的完整尺寸测量包括厚度、高度和宽度三个方向的尺寸。为提高工作效率，在工作时这三台设备应该并行工作的。在这三个尺寸中，厚度的测量的定位设计是最简单的，在平台上位置的保持是最可靠的，对其首先进行研制可以减少工作量，提高成功的可能性。在这台设备完成后，有了第一台设备设计的经验，高度和宽度测量就是在原有基础上的补充了。 1.3 国内外发展现状 在自动测量方面，国内外已生产出了相关产品可供我们参考借鉴。 1.3.1 国内 北 京灵和公司生产的大惯量超精密气浮平台 1） 工作条件 平台在设计时需考虑对不同尺寸的多种气足结构形式特性进行实验验证的要求，所以不仅可以实现对大惯量气浮平台的设计方法、控制理论及气膜厚度和压力分布特性的研究，还为气浮轴承共性的理论方面的研究成果进行实验验证提供了实验平台， 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 39 页 实现资源共享。为准确研究光刻机在工作过程的真实的特性，需实现大惯量气足沿 XY方向运动。为保证大惯量气足的稳定性，在大惯量气足旁边加一副气足，两气足均采用真空预载方式。由该平台所得出的气浮导轨和大惯量气足工作时的动态特性和超精密控制方法能够真实的反映光刻机实际工作时的动态特性。 2） 技 术要求 （ 1）技术参数及设计指标 最大运动加速度： 1.62.0g 定位精度： 0.52.0m 最大稳定运动速度： 600mm/s 运动行程 300mm气浮导轨：气膜刚度 8N/um 大惯量气足 :承载大于 40Kg 气泵：最大持续供气压力 8个标准大气压 （ 2）配置 直线电机 3个，最大持续推力 450N峰值电流 7A 直线电机驱动器 3个，提供最大驱动电流 7A 运动控制卡 1个，可进行多轴联控 光栅尺 2个，分辨率 0.5um 工业控制计算机 1个 气浮导 6个，气膜刚度 8N/um 大惯量气足 1个，承载大于 40Kg 气泵 1个 ，最大持续供气压力 8个标准大气压 气浮隔振平台 1个，最大冲击偏离系数 10.3 1.3.2 国外 德国生产的 铟瓦线尺测距仪 DISTINVAR，应变仪 DISTERMETER ISETH，石英伸缩仪，各种光学应变计，位移与振动激光快速遥测仪等。采用多谱勒效应的双频激光干涉仪，能在数十米范围内达到 0.01m的计量精度，成为重要的长度检校和精密测量设备；采用 CCD线列传感器测量微距离可达到百分之几微米的精度，它们使距离测量精度从毫米、微米级进入到纳米级世界。 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 39 页 1.4 研究方法 这台滑块厚度综合检测平台由检测平台设计 、自动控制系统和软件设计组成。本文主要完成检测平台的设计。设计方法为： 1）采用流水线测量方式测量，提高测量效率。 2）每个面需要测多个点，并且这些点能够测量一个平面的厚度。现拟采用测两对角线上不同点的厚度，然后对不同点的数据值进行处理，以此来判定滑块厚度是否满足要求；通过工作台导轨的约束使被测件旋转。 3）为保证测量的可靠性，分别以滑块的两个面为定位基准，测得两个面的两组数据。为改变定位面，使被测件随同步带翻转，实现这一功能。 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 39 页 2 总体设计 2.1 滑块厚度综合检测平台设计的任务及要求 据协议，所设计的滑 块厚度综合检测平台应满足以下几点要求： 1）检测误差允许范围为 0.1um。 2）每台机器在一人操作的情况下一日工作量为 2万个。 3）分别以滑块的两个面为定位基准，测两组数据。 4）每个面需要测两条对角线上 5个点的数据。 5）能够自动处理检测数据，并按照要求把其分成七类，从七个不同的出口滑出。 6）系统具有一定的容错能力，即使出现滑块卡位、不能完成正确分类，也不会出现系统崩溃或误分类等现象。 2.2 滑块厚度综合检测平台总体设计方案 2.2.1 总体结构设计 按协议要求，（ 1）首先，滑块厚度综合检测平台应 能完成预期的工作要求。即快速的比较精确地检测出滑块的厚度，并且根据数据处理的结果自动分类。（ 2）其次，在一个循环过程中，滑块测量的定位面要发生改变。（ 3）每个面上要测两条对角线上的数据。要实现这样功能，要么测头不动，滑块旋转；要么测头可动，滑块不动。要保证准确测量的精度，测头应固定在一个位置为好。故采用测头不动滑块旋转的方案。根据功能要求，设计应当具有以下几个部分。 首先是机械结构和传动部件。机械结构是整个检测平台的基体。要进行测量，首先要有一个测量用的定位基准面；要根据处理数据将滑块进行分类，需要一个分类 结构装置；整个装置需要一个支架；要实现快速测量，一个可行的测量方式需要机械结构作为载体；另外还要有一些减振和消振装置来保证动态测量的精度要求。作为多传感器的动态测量，传动装置的设计显得尤为重要，采用何种传动方式是能否满足测量精度要求的关键。机械结构和传动部件的设计思想如图 2.1所示，对该图作以下说明：（ 1）系统安装有四个接触式探头，上下各两个，用于测量四条对角线上的厚度值， 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 39 页 在上下拨针处滑块分别逆时针、顺时针旋转 76至在同一平台的另一条对角线处；当滑块通过滑块保护板后，滑块平稳地实现了翻转。系统安装有两个步 进电机，电机 1控制同步带的传动；电机 2控制分类转盘的转动。 （ 2）采用同步齿形带 9，一面与相应类型的带轮 2配合、另一面的齿槽中套接滑块外夹具 4的长柄，外夹具随同步带一起移动。滑块内夹具 5与外夹具间隙配合，其中间开孔放置被测滑块 6，内夹具的两个销耳 7 在导轨槽道 8中滑动以限制内夹具的方向，这样内夹具、滑块一面随外夹具移动，一面随两条导轨槽的距离变化发生转动。槽道的形状与尺寸需要设计和计算的。 图 2.1 整体结构图 （ 3）夹具布满整个工作导轨，并随传动带循环运动，当滑块从入料口进入时，在某一时刻必定有一内夹具与 之配合，滑块即进入测量循环轨道，测量完毕，通过长轨道进入自动分料系统。 （ 4）自 动分料系统设计的结构特征见图 2.2 所示，带开口的匀质圆盘 2 可绕其中心轴转动，在开口槽的两侧沿圆周方向均匀分布 7 个出口。在圆盘槽处安装一吸力电磁铁。圆盘开口装有一个感应器（记为 I1.1），七个出口处也装有一个感应器（分别记为I0.1I0.7）。其工作原理为： I1)当滑块从传动循环系统滑出，经过一段斜坡的加速后便进入圆盘的槽道内，行程开关将滑块到达信号送至控制 PLC。 I2)CPU 给出命令，控制电机带动圆盘转动相应角度（由数据处理后 的分类信号决定），此时电机停，电磁铁失电。 I3)滑块被电磁铁从某个出口 k 弹出。 I4)感应器 I0.K 接 受到滑块弹出信息，并给 CPU发信号，驱动电机反转至初始位置。 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 39 页 图 2.2 自动分料系统结构 （ V）整个工作过程如下： 进入 下一 循环 图 2.3 系统工作流程图 如何实现滑块在流水线上的旋转，需通过设计弯曲导轨实现。在流水线上，要将滑块平稳地旋转一个角度是相当困难的，皮带只起到传动作用，并不能控制滑块的方位。要想使滑块 旋转一个角度，只能够改变导轨形状了。拟设计成如图 2.4形状： 滑块从入料口进入内夹具中 经过某一传感器时，滑块某一直线上厚度被测 槽道位置尺寸变化，滑块转动相应角度 滑块在带的拐角处翻转 在下侧轨道上测出另外两条直线段上的厚度 滑块从出料口漏出，夹具随带进入上轨道 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 39 页 图 2.4 导轨曲线部分示意图 2.2.2 控制部分设计 控制系统是整个检测平台的大脑。主要包括工控机、 PLC、数采卡、传感器探头、位置检测传感器和各控制及执行元件。其中 PLC是整个控制系统的核心，直接完成对各部件动作的协调控制以及各运动位置的检测。 PLC 与工控机通过通信口进行通信，工控机读取 PLC的通信口识别整个系统的状态信息，并在工控机上的控制软件上显示。控制系统有以下几点功能： 1）控制系 统完成滑块在流水线上的稳定传送。 2）控制系统必须能够及时反馈检测信号并作出反应； 3）完成滑块的正确分类。控制各部分按照预定的轨迹、动作完成滑块 厚度检测的全过程。 4)具有一定的容错能力。即使是出现滑块卡位、不能完成正确分类也不会出现系统崩溃或误分类现象等。如果出现错误，系统明确指出错误来自哪个方位，即使不能指明错误来源，也能检测到流水线的某个大致位置，以方便维护，及时排除故障。其工作流程如下： （ 1）初始化，系统自检，各部件是否正常。主要判断 I0.2I1.0 有无信号 ,初始化各寄存器 ,响应工控机等，如果正常 ,通过 RS485 向工控机发出准备好信号。 （ 2）自检成功后，复位电机 2 读通信口，依据通信口的命令选择工作方式。测试方式状态下，由工控机控制 PLC 的运行，进而控制电机 的起动、运转。正常分类状态下，起动传送电机 1。 （ 3）扫描 I1.3I1.6，如有信号则分别启动相应探头。 （ 4）判断位置传感器 8 检测有无滑块，如有，检查工业控制机传来的产品分类状态， 判断产品分类，并控制电机 2 旋转相应角度。如无，则等待。 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 39 页 （ 5）电机 2 带动转盘按照产品的分类转动相应角度 i。 （ 6）到位后，电磁铁 Q0.3 失电，弹出滑块。 （ 7）判断 感应传感器 1.7 检测出滑块分类到位信号，与所对应分类是否一致，如不一致，则报警，一致则驱动电机 2 带动转盘复位。判断定位信号，是否复位成功，如否，则启动定位程序。 （ 8）判断 I2.1 是否停机，如是，则切断电源。如否，转至 (4)。 注：急停信号用于特殊情况强制停机 ,不管分类是否完成 ,只要 I11 有效，则立即强制停机 .直至重新启动。 2.2.3 软件部分设计 主要为控制系统编写相应功能的程序，将测量结果进行数据处理并分成七类，并将分类信号送至 PLC。编程需要考虑检测平台的传动、测量和控制方式。传动方式：同步齿形带传 动的流水线工作方式；测量方式：探头接触式测量；控制方式： PLC 控制。 2.3 设计与分析方法 2.3.1 力学分析方法 对于系统设计的校核及验证，力学分析是必不可少的。力学分析及校核包括动力学分析，疲劳失效分析，振动及噪声控制等多方面，本文重点讲述动力学分析方法。动力学分析的一般过程如下： 1)建立动力学模型 建立动力学模型是动力学分析的第一步，也是实际问题数学化的关键一步。首先根据运动系统各构件之间的连接关系画出系统的机构运动简图。再根据解题需要提出假设，简化模型。然后根据机械结构的运动特征分析系统的自由 度，根据参考文献 15，自由度 HL ppNn 23 ，其中 N表示构件数目 ， pL、 pH表示低、高副的数目。 2)建立坐标系，设广义坐标 qi（ i=0、 1 n） 这里的广义坐标可以是绝对坐标也可以是相对坐标，视解决问题的方便而定。 3)建立运动微分方程 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 39 页 建立运动微分方程常有两种方法： 法一：将系统中每个构件与其他构件隔离开来单独进行受力分析，并用牛顿第二定律（ iii amF ）列方程。 法二：用拉氏函数法，分析步骤如下： （ 1)计算出系统的动能 T、势能 V，并 用广义坐标表示 T= ),( 21 nqqqT 、V= ),( 21 nqqqV （ 2)拉氏函数 L=T-V （ 3)由变分法得第二类拉格朗日方程（见参考文献 16）： 0)(11 qLqLdtd 0)(22 qLqLdtd 0)( nn qLqLdtd (2.1) 可得到运动微分方程的通用表达形式： )( tfxKxCxM (2.2) 其中 M、 C、 K 分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵， f（ t） 为系统工作时阶段性冲击力。 4）微分方程求解 简单微分方程可直接求解，而对于自由度较高的系统常采用模态分析法，分析过程如下：引入模态矩阵 1 n ，因为模态矩阵关于质量矩阵和刚度矩阵是正交的（证明过程见参考文献 10， Page124126），即 0 MT 、 0 KT 。令 MM Tn KK Tn CC Tn )(tfF Tn (2.3) 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 39 页 Mn， Kn， Cn， Fn(t)分 别表示第 n阶振型的广义质量、广义刚度、广义阻尼和广义载荷。因为 nTCCC 1nTMMM 1nTKKK 1(2.4) 引入实模态变 换 (2.5) (2.6) 对 (2.5)求二阶导数，得 YX (2.7) 将 (2.5)， (2.7)代入 (1.2)中， 等式两边左乘 T 得如下统一形式： )(tFYKYCYM nnnnnnn (2.8) 引入阻尼比 (2.9) 得 nnnnnnnn M tFYPYPY )(2 2 (2.10) 根据 (2.10)和 初始条件可求出计算模型的模态响应（略）。 上述只是解决动力学问题的一般步骤，在解题时我们应当灵活运用，适当简化。 2.3.2 可靠性分析方法 产品可靠性定义为：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。这种能力以概率形式表示，故可靠性又称作可靠度。可靠性分析是机械产品设计中必不可少的一个环节，产品质量的好坏及评价必须经过可靠性分析。可靠性分析常有两种方法：一种是传统的安全系数法，但这种设计方法存在一些问题：取值有很大主观性；把安全系数取成定值，忽略了环境和结构本身的变化；另外一种是 概率分析方法，又 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 39 页 称应力 强度分析方法。这里的“应力”和“强度”是广义的，应力是指凡是使机械系统或零件趋于失效的各种环境因素；而强度是指凡是能阻止结构或零件实效的因素。 本系统要分析的是滑块旋转部分和翻转过渡部分。 2.4 该种设计的特点 1）步进电机控制 步进电机最大的特点就是传送平稳，传动准确可靠，并可以工作状况实时调节电机转速和转动方向。电机工作振动小，噪声小。 2）传 动方式是同步齿形带传动 同步齿形带综合了带传动和链传动的优点。工作时，带的凸齿与带轮外缘上的齿槽进行啮合运动。由于抗拉层受载后变形小，能 保持同步齿形带的周节 Pb不变，故带与带轮之间没有相对滑动，从而保证了同步传动。本系统选的是两条带型号为1200DAH075。 采用同步齿形带的优点：（ 1）无滑动，能保证固定的传动比；（ 2）预紧力小，轴和轴承上所受的载荷小；（ 3）带的厚度小，单位长度的质量小；（ 4）带的柔度小，故所用带轮的直径可以较小。 2）采用 PLC控制方式 PLC控制方式是现代最流行的控制机制。采用 PLC控制有可靠性高的优点，在 I/O环节， PLC 采用了光电隔离、滤波等多种措施。一般 PLC 的平均无故障工作时间可达几万小时。 3）成本低廉，经 济实用 虽然作为现代检测设备，激光测量、离子筛测量等非接触测量方法无疑在精度方面更有它的优势，但高额的成本使的中小批量测量显得既不经济又不实用。 该检测平台成本比较低廉，在方案设计阶段，考虑充分了这一问题。价格昂贵的接触测头用了尽可能少的四个。还有就是两个步进电机价格高一点了。 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 39 页 3 相关机械部件的设计、分析 3.1 工作平台及导轨设计 3.1.1 工作平台及导轨设计导轨设计要求 工作平台及导轨是整个机械结构的核心元件。该结构设计应满足以下几点要求： 1）平台导轨设计应满足测量多数据要求，如能够实现工件在工作 平台上旋转相应的角度。 2）工作平台应满足测量精度要求。 3）工作 平台工作面应尽可能小，以降低加工成本 并保证加工精度 。 4）滑块在导轨上应按照预定的轨迹运动 ，从而保证被测工件实现对角测量。 平台应具有足够的刚度和强度，保证测量的精度 。 5） 平台的表面处理方式和热处理方式也应该正确对待，良好的热处理可保证工作平台既具有一定的硬度、耐磨，还不会划伤工件。 3.1.2 平台导轨设计方案讨论 内夹具销耳与平台导轨发生相对运动，设计导轨首先应了解夹具。夹具尺寸如下： 图 3.1 内外夹具示意图 方案一：导轨形状如图 3.2（ a）所示：两销耳与轨道线始终垂直，两销耳之间距离始终为 78mm；滑块放置在内夹具中，滑块的一条对角线与轨道线平行。两个探头分别安装在直轨和斜轨上。滑块及夹具随传送带向右移动，探头只能上下移动。在 d0 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 39 页 ( (轨道上可测出一条对角线上的厚度尺寸；在拐角处，两销耳发生同步转动，通过设计拐角角度可实现滑块转动 78角，此时另外一条对角线与 X轴方向平行。在长斜轨道上可完成另一对角线上的厚度测量。轨道角度和长度计算如下： 斜轨与直轨夹角： =arctg(28/36)=76；斜轨长度： L=45.6/(cos76 )=188.5mm. 图 3.2 导轨设计方案示意图 分析：采用方案一的设计有以下几点弊端： （ 1）斜轨道太长，整个平台要加工的尺寸太大，精度不易保证且加工成本高。 （ 2）斜轨道太长，外夹具外伸部分太长，刚度下降。若视两销耳为两个支持销，可将夹具滑块建为简支梁模型（如图 3.3）。夹具中心受力变形： EIlql4831 =EIfWl483 =5.4 m (3.1) 其中： q：摩擦力在平台宽度方向分布力； 1l ：平台宽度尺寸 (1l =160mm) l：两传送带中心距离 (l =300mm)； E：外夹具材料的弹性模量 (E=210Gpa) I：外夹具的惯性矩 (I=bh3/12=0.0044 0.0033/12 =9.9 10-12) f：夹具与平台之间的摩擦系数 (f=0.1)； W：滑块夹具重（ W=170g） 图 3.3 夹具受力简化模型 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 39 页 方案二：轨道形状如图 3.2（ b）所示：初始条件下，内夹具销耳连线与轨道线垂直（即 d0=78mm），如果在加工时在与内夹具一对角线垂直且相距 78mm 与中心等距位置安装一对销耳，当夹具系统移动到测头位置时，可测出一条对角线上的厚度；当两条轨道之间距离逐步减小时，销耳便会受到 Y方向的力从而产生转动力偶而使夹具系统转动。设计两轨道之间的距离，使滑块转动 76，然后就可测出另一对角线上的厚度。旋转过程见图 3.4： 图 3.4 滑块在平台上旋转过程演示 在图 3.2（ b）中 d0=56mm， d1=56sin（ 14） =13.55mm。而导轨槽道宽为 3.5mm，则两条导轨槽道之间的最小距离为 13.55-3.5=10.05mm。加工这样的导轨很困难，而且在内夹具销耳 Y方向力的作用下，槽道很容易发生变形，从而影响了功能的实现。 对方案二地改进：采用如图 3.2（ c）的轨道，初始位置内夹具销耳与 Y方向已有一角度，在这种状态下测出一条对角线上的厚度，销耳随着两条导轨之间距离的变化而变化，最后同样完成了使销耳顺时针转动 78的要求。但在当两销耳连线处于 Y方向时（即导轨最高点），这是一个力学上的随遇平衡点，两销耳可能出现两种可能的转向。在该处若用一拨针轻轻施力于一内夹具销耳，可使其轻松越过这一临界点，并使其按预定的转向转动。导轨槽道的尺寸设计（改进方案）： 内、外夹具尺寸如图3.1，外夹具 X 方向中心距为 74mm，设计 X 方向移动时间为 2s/个。拟设计导轨槽道尺寸，使滑块匀速转动到终了位置，转动角速度： =76 /2=38 /s。内夹具的几何中心仍随传送带匀速移动，移动速度 =74/2=37mm/s。以 X轴上与两导轨间距最大时对应的点为坐标原点，建立平面直角坐标系： 上轨道设计为： x= t+28sin( t)； y=28cos( t) (3.2) 下轨道设计为： x= t-28sin( t)； y=28cos( t) (3.3) 每隔 0.05s取一个点 ,计算出导轨坐标值，将这些点描成曲线，如图 3.5： 各点坐标如表 3.1 所示： 最高点 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 39 页 表 3.1 导轨上所取点的坐标 点 坐标 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 X 0 5.92 11.9 17.88 23.91 29.95 37.8 43.85 49.9 55.93 Y 25.5 26.3 26.9 27.3 27.67 27.9 28 27.94 27.75 27.45 X 0 2.48 4.92 7.32 9.69 12.05 15.0 17.36 19.72 22.09 Y 25.5 26.3 26.9 27.3 27.67 27.9 28 27.94 27.75 27.45 点 坐标 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 X 61.9 67.9 73.9 79.74 85.57 91.37 97.0 102.6 108.2 117.3 Y 27.0 26.5 25.8 25.04 24.15 23.16 22.1 20.87 19.59 17.25 X 24.5 26.9 29.4 31.88 34.45 39.08 39.8 42.56 45.41 50.42 Y 27.0 26.5 25.8 25.04 24.15 23.16 22.1 20.87 19.59 17.25 3.2 夹具设计 夹具有内、外两个夹具组成，内、外夹具形状见图 3.1 所示 。外夹具与同步齿形带啮合，主要作用是控制滑块在平台上随同步带移动；内夹具嵌在外夹具内圆孔中，而其内部方形槽与滑块形状相似，内夹具主要作用是约束滑块的方位。 3.3 拨针 3.3.1 使用拨针的必要性 为方便简述，拟建立一坐标系。 X： 平台上同步带移动方向； Y：平台上垂直于 X的方向； ：轨迹与 X 方向之间的夹角； ：传送带方向速度； y： Y 方向速度；m: 内夹具和滑块在每个销耳上的当量质量。 在上述方案二改进的设计过程中，我们仔细思考一下，会发现其中有一点问题。销耳之间 Y 方向的距离是由两导轨的导槽约束决定的。因此 内夹具两销耳在运动过程中，两销耳始终受到垂直于导轨指向中轴线的力（如图 3.5），这使得在两销耳 Y 方向距离未到达最大之前始终受一个逆时针方向的力偶。那么当两销耳 Y 方向到达最大dmax的瞬间，销耳会按照我们的设计顺时针转动吗？ 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 39 页 位置1位置2 位置3我们先将这一问题做些简化，在两销耳 Y 方向未到达最大之前（见位置 1） ytg yy ymymFy (3.4) 图 3.5 旋转过程内夹具销耳的受力分析 此时内销耳有一个逆时针方向的力偶，即出现逆时针运动的趋势；在位置 2 时，正好是导轨曲线的拐点（ y =0），即 Fy=0，这时候，在力学上我们称作系统处于随遇平衡状态，那就意味着下一时刻内夹具有可能顺时针转动也有可能逆时针转动，这时候我们用拨针给下销耳一微小扰动，使其具有顺时针方向转动的趋势 ，那么即可让内夹具按照我们设计的轨迹运动了；在位置 3，销耳受力合成的力偶使内夹具有顺时针运动的趋势。因此拨针的作用必不可少。 3.3.2 拨针的设计 拨针作为该系统中非常重要的辅助元件，要实现两个最基本的功能。 (1) 要使内夹具的销耳在通过最高点时要受到一个逆时针方向的力偶。 (2)拨针的存在不能影响到内外夹具及滑块地顺利通过。拟设计的拨针结构如图 3.6： 当内夹具销耳与拨针接触，由于弹簧受压拨针遂给予销耳一个阻力 f1，即内夹具的销耳在通过最高点时要受到一个逆时针方向的力偶，从而使夹具系统越过随遇平衡点并按设计的轨 迹运动。拨针 1 与内夹具的销耳接触，通过支1.拨针， 2.支座， 3.直线弹簧， 4.盖板， 5.支撑轴，6.螺钉 图 3.6 拨针结构示意图 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 39 页 撑轴 5 将力传到直线弹簧 3 上，直线弹簧 3 受压变形，拨针 1 绕支撑轴 5 转动。于是拨针没有影响到夹具系统地顺利通过。 3.3.3 拨针的安装 拨针的安装是决定系统可靠性的一个非常重要的方面。拨针安装主要要调节拨针在平台上安装的位置及拨针与 Y 方向的角度。拨针位置调节是为了在销耳触及图 3.5位置 2（后文称最高点）时使拨针能够适当触及销耳，起到使销耳正确旋转的目的，又不妨碍夹具滑块向前移动；拨针角度调节是为了使拨针受到内夹具销耳的力转动到与 Y 轴平行的位置，此时拨针弹簧给予销耳一个大 小合适的力，使滑块顺利准确的旋转 76。现采用理论分析和实验两种途径决定拨针在导轨上安装的位置和角度。理论分析方法见第四章；实验法过程：手推一个标准内夹具通过导轨时正确转位（包括不发生卡位）的百分率来决定。因为该检测平台的整体可靠性要求很高，所以该处地正确转位的百分率要求应在 99%以上。 3.4 检测平台的投料装置、出料装置设计 对检测平台的投料口、出料口进行设计有利于提高系统的自动化水平，提高生产效率，减少工人地劳动强度。 3.4.1 投料装置的设计 设计思想：使工人只需在一个位置投料，无需测量、校准。 投料的速度不会对系统的检测效率带来任何影响，见图 3.7。为使滑块顺利进入内夹具孔中，不出现未入孔就随夹具滑出投料装置的情况，安装时有如下技术要求： h0g，根据经验估计 g2=0.05 下面用极大似然估计法对 s2 进行估计。所谓“极大似然估计法”，就是固定样本观察值 x1、 x2 xn，在 s2取值范围内挑选使概率 L(x1、 x2 xn, s2)达到最大的参数 2s，作为 s2 的估计值，即取 2s使得 L(x1、 x2 xn, 2s)=maxL(x1、 x2 xn, s2)。 本题中， 似然函数 L( 2s)=)(2 1e x p 2 1 221 2sx isni s ni isssxnnL1222 )(2 1)l n (2)2l n (2ln (4.15) 令 0)(ln2 sdLd 则 0)()(212 21222 sxn ni iss 所以有 nsxniis 122)( (4.16) 我们对所购的十条同步齿形带的齿槽深度进行测量，得到十组数据。即 x1、 x2 xn 依次为 2.29、 2.26、 2.28、 2.29、 2.30、 2.30、 2.27、 2.31、 2.30、 2.27； n=10 代入 (4.16)，得到 00025.02 s由 (4.14)，22gsgsZ = 4 4 6.005.00 0 0 2 5.0 19.229.2 查正态分布表，见附录 B， R=（ ） =0.6736 本科毕业设计说明书（论文） 第 30 页 共 39 页 4.2.2 保护板内外夹具与同步齿形带啮合地紧密程度 翻转过程中，最可能导致夹具跳出齿槽可能有两个原因： 1）两个导轮之间是一条公切线段，并非图纸上设计的理想圆弧，假设带与圆弧上最远距离为 d1。 2）滑块夹具经过下半圆弧时，夹具由于受自身重力作用，会与同步带齿槽脱离，掉下的距离记为 d2（见图 4.8）。 图 4.8 滑块通过下半保护板夹具与齿槽脱离 夹具与齿槽脱离距离 d=d1+d2=3.39+2.29=5.68 根据经验 d2=0.05 由式 (4.14)，2 2dsdsZ = 66.1005.000025.0 68.529.2 查正态分布表，见附录 B， R=（ ） =0 由上述分析可见，在滑块旋转不跳出齿槽可能性只有 67.36%，而在滑块进入滑块保护板的下半部分时，滑块几乎不可能不跳齿卡位，这需要我们在调试时作一些改进。 5 检测平台的系统联调及改进措施 安装调试是机械设计的最后一个环节，也是对机械产品设计地综合检测。 在安装过程中，我们遇到了比较多的问题，有设计方面的 原因还有加工方面的。外夹具 导轮 齿槽 本科毕业设计说明书（论文） 第 31 页 共 39 页 图 4 - 1同步带铆钉我们作了一些改进，使系统能够平稳地运行并准确地测量。 5.1 同步带的安装 在设计过程中，我们认为同步带是可拆卸的，可是订购的同步带是一条条整带且不可拆卸的，那么同步带的安装是一个大问题了。我们认为有解决两种方案：一种是将带在某个齿处断开，然后用铆钉联结（见图 5.1）；另一种是将框架用砂轮割断，将带放入，用角铁将割断的部位连接好（见图 5.1）。仔细分析一下，用第一种方案不好，因为在断开处很容易形成应力集中，从而极大降低了同步带的寿命。只能采用第二种方案。 这也说明设计上存在问题，在以后的设 计中应进行改进。 图 5.1 对同步带安装提出的两种方案图 5.2 滑块旋转部分 尽管在前述章节已将拨针放置的最佳角度设计并调好了，但正确旋转的可靠性仍不能达到 100%。究其原因，是因为设计方法和加工技术不够先进。在导轨上 117.32长度范围选取 20 个点用数控编程的方法加工的，并且由于设备的限制，加工精度也不够。现作以下改进措施： 1）将销耳的直径从 3mm 减小到 2mm，提高了转位时的灵活性，从而使得正确转位的可靠度显 著提高。 2）用内夹具在导轨槽中不停的实验，磨去加工时的误差和毛刺 （此方法太笨，效率太低，只能作为实验存在） 。 方案一：割断皮带 方案二：割断结构框架 角铁 本科毕业设计说明书（论文） 第 32 页 共 39 页 腰形槽5.3 皮带太长，不能够预紧 综观整个结构，结构框架是焊接起来的；带轮轴连接于滑块保护罩座上。这样可调节的只能调整固定在结构框架上的 8 个带轮支撑座的位置。可采取的方案： 1）在带轮支撑座下方垫垫片，调整带轮高度。 2）将连接孔改成腰形槽孔，可调整带轮支撑座的位置和方位（图 5.3）。 图 5.2 皮 带预紧措施 5.4 滑块翻转功能不可靠 就像 4.2.2 所述，滑块在经过保护板下半圆弧段时，很难保证夹具不掉出齿槽，除此以外还有以下一些原因导致翻转功能难以实现。 1）滑块保护架是由多段车削的圆弧焊接得到的，曲率半径在圆弧各点并非均相等，在加上安装时预应力，使得保护板的变形很大，两板之间 9 的间隙很难得到保证（见图 5.3）。 2）理想状况下，翻转部分是半圆形，而实际上是一段段折线段组成的，在翻转过程中，外夹具肯定会掉下来卡住的。 图 5.3 滑块保护板由于绕度太大发生局部变形 对上述情况，我们可采取下 列改进措施： 1）通过调整保护板上腰形槽尽量将内、外保护板间的间隙调均匀。 本科毕业设计说明书（论文） 第 33 页 共 39 页 2）间隙小的部位可用锉刀挫去多余棱角。 3）如果前两种方案仍不行，需将外夹具与带黏结起来，防止夹具与同步齿形带脱离 （或用整块钢板加工得到，而不用焊接的方式加工） 。 4）用加强肋提高滑块保护板的刚度。 本科毕业设计说明书（论文） 第 34 页 共 39 页 结论 本文对滑块厚度综合检测的设计作了比较详细的介绍。 全文共分为五章，第一章为绪论，讲述课题研究的目的、意义背景及国内外发展现状；第二章讲述了该滑块厚度综合检测平台的总体设计方案及本文将要使用的方法；第三章是对相关机械部件的设计和分 析， 重点讲述了工作平台及导轨的设计方案和拨针的设计及安装。 第四章用力学分析方法对拨针放置的位置和角度进行了计算，并且对传动系统运行可靠性作了详细分析；第五章是对设备的调试及改进措施。 该检测平台要测正反两面共四条线段上的厚度值，对于滑块在系统中旋转、翻转的原理、计算和分析本文讲的很具体。 由于工作台受环境温度的影响会产生热胀冷缩，因此检测平台要求在 20 恒温条件下工作。在调试结束后，该滑块厚度综合检测平台运转基本正常。传动系统在一定预紧力作用下，传动比较可靠；各部分受力没有超过它的强度极限；检测的精度基本符合 了要求，工作效率比较高，并且实现了准确分类。 由于设计原因，该检测平台存在一些缺陷。比如，投料时工人师傅先得在投料槽口放入 45 个滑块，以防止滑块竖立在投料槽中，影响了系统正常工作。还有装卸皮带相当困难，需要将角铁拆开，还要把工作台上的压带轮部件、保护板支架、投料槽支架拆开，这使得该设备的可用性大大降低，因此在正式生产前需要对这部分作一些改进。 在完成了本课题的设计任务后，我感觉在以下几个方面自己很有收获。 1) 通过检测平台的设计、加工、调试大体熟悉了机械设备设计的全过程，并且发现电器控制对机械产品结构简 化起着非常重要的作用。 2) 初步学会了如何把实际问题简化为常见的力学模型，并将力学模型数学化。 3) 对大学所学的部分基础课内容作了进一步巩固，并运用到本课题的研究中去。例如：用概率