毕业设计(雨辰)连杆平行度测量仪设计【全套图纸】.doc

摘 要连杆是汽车发动机的主要传力构件之一，常处于高速运动状态，因此要求与其它零件间具有较高的配合精度。因而连杆检测成了生产中频繁而又不可缺少的环节。连杆平行度测量仪是专门为检测汽车连杆而设计的专用测量工具，其结构简单、测量精度高。本设计是由机械系统设计和控制系统的设计所组成。包括齿轮传动的设计及选择，滚珠丝杠的设计及选择，步进电机的选择和装置中机械系统的设计，有关测试系统的控制设计及选择。我的设计内容主要是机械部分的设计。关键词： 连杆 平行度 检测IIAbstractThe connecting rod is one of motor car engine main power transmission components, often being at the high speed state of motion, therefore, which requests the higher grade of fit with other components. Thus the connecting rod is examined in the production to be frequent and the also essential link. The connecting rod parallelism measuring instrument is specially for examines for measuring tool which the automobile connecting rod design, its structure is simple, the measuring accuracy is high. TKey words：Connecting rod parallelism examination目 录摘 要IAbstract II第1章 绪论 1第2章 机电一体化技术简介 32.1 机电一体化技术简介 32.2 机电一体化技术体系 32.3 机电一体化的发展前景 32.4 连杆平行度测量仪的简介 42.5 Pro/ENGINEER产品介绍4第3章 连杆平行度测量仪机械部分的总体设计 93.1 进给运动的要求 93.2 滚珠丝杠的选择 93.3 齿轮传动的设计计算143.4 步进电机的选择163.5 液压夹具的设计19第4章 连杆平行度测量仪中的微机应用及其接口技术234.1 测量仪中主控芯片8088介绍 234.2 测量仪中的接口技术 24第5章 传感器的选择及测量原理345.1 传感器的选择及测量方法345.2 连杆平行度的分析及计算35第6章 经济分析37总 结38致 谢39参考文献 40附录1专题论文 41附录2外文译文 49附录3外文原文 54第1章 绪论连杆是汽车发动机的主要传力构件之一，常处于高速运动状态，因此要求与其它零件间具有较高的配合精度。在实际生产中常采用放大孔径公差带制造，通过分组装配满足配合精度要求，因而连杆检测成了生产中频繁而又不可缺少的环节。目前我国连杆检测常采用两种方法，一种是采用国产气动测量仪检测两端孔孔径值，并同时测出两者的中心距，而对平行度和交叉度则采用手工检测方法；另一种采用进口气动量仪直接监测5-6个参数。连杆平行度测量仪是专门为测量汽车连杆而设计的专用测量工具。要求其简单轻便，结构简单，测量精度高，且测量过程要求自动化，是机电一体化方面上的设计题目。图1-1 连杆零件图计师，利用该软件，不但可建立零件模型，还可轻松建立部件、整机的装配模型，还可对设计的产品在计算机上预先进行动态、静态分析，装配干涉检验，甚至进行运动仿真，今您的设计不仅快速高效，而且天衣无缝，一次成功。 PRO/ENGINEER软件包的产品开发环境在支持并行工作，它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。PRO/E能够让多个部门同时致力于单一的产品模型。包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。PRO/ENGINEER共有六大主模块，下面我把它们逐一介绍一下。 (一)工业设计(CAID)模块 工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时，是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，用3DS可以生成实体模型，但用3DS生成的模型在工程实际中是“中看不中用”。用PRO/E生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上，PRO/E后阶段的各个工作数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。 包括：PRO/3DPAINT(3D建模)、 PRO/ANIMATE(动画模拟)、PRO/DESIGNER(概念设计)、PRO/NETWORKANIMATOR(网络动画合成)、PRO/PERSPECTA-SKETCH（图片转三维模型）、PRO/PHOTORENDER(图片渲染)几个子模块。 第3章 连杆平行度测量仪的机械部分总体设计3.1 进给运动的要求连杆平行度测试的进给运动是数字控制的直接对象，被测试的连杆的平行度的精度肯定会受到进给运动传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，在设计进给系统时，充分注意减少摩擦，提高传动精度和刚度，消除传动间隙，以及减少运动件的惯性。3.1.1减少运动件的摩擦阻力摩擦阻力主要来源与传动系统的导轨和丝杠。因此，为丝杠和导轨的滚动是减少摩擦的重要措施。3.1.2 提高传动的精度和刚度3.2.4滚珠丝杠的设计计算（1）滚珠丝杠的设计计算对于三角形导轨或综合导轨Px、PzX、Z方向上的切削力。f导轨的摩擦系数。k考虑颠覆力拒影响的实验系数。对于本装置k1.15 G30kg f0.16 PxPz0则 p0.16309.847.04N根据 pQ0 Q0最大动载荷选取公称直径 d32则查取机械设计手册 表2.2414得滚珠直径螺距 P5mm螺纹升角 251额定静载荷 C0a30150N额定动载荷 Ca10900N接触角 45螺纹滚道半径 rs（1.25-0.65）Dw0.63.1751.905mm偏心距 e（rsDw/2）sin0.225螺杆大径 ddm（0.20.5）Dw31.27mm螺杆小径 d1dm+2e2rs28.64mm螺杆接触点直径 dkdmDwcos29.74mm螺杆牙顶圆角半径 ra（0.10.15）Dw0.381螺母螺纹大径 Ddm2e+2rm螺母螺纹小径 Ddm+0.5（dmd）32.37mm预紧力计算：滚珠和螺纹滚道由于受轴向力的作用而产生轴向变形在弹性范围内，根据赫兹公式K与滚道的曲率半径、材料的弹性模量有关。对于确定丝杠，K为常数。如图所示。设对螺母A、B施加预紧力P0向对应变形，当外加轴向载荷为P时，螺母B产生了，则0057当时，这时螺母A中滚珠和滚道刚好接触，因此要保证丝杠在最大轴向载荷Pmin作用下无间隙，则P0定要满足一定的关系：当 时 则螺母B变形为 因为 所以 于是 则为使螺母和丝杠之间不出现间隙，应使预紧力近似等于最大轴向载荷的1/3。P0过小不能保证无间隙传动，P0过大会降低传动效率和承载能力。（2）刚度验算滚珠丝杠是精密的传动元件，它在轴向的作用下将产生伸长或缩短，这将引起丝杠导程的变化，根据公式滚珠丝杠在（“+”号用于拉伸，“”号用于压缩）工作载荷P和扭矩M的共同作用下，引起每一个导程变形量L为P工作载荷L滚珠丝杠的基本导程E弹性模量。对于钢E21106（N/cm2）F滚珠丝杠的截面积M扭矩G切变模量。对于钢Jc 截面积惯性矩。对于本设计3.3 齿轮传动的设计计算齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种装置几乎都离不开齿轮传动，在数控传动装置中，步进电机常通过齿轮传动装置传递转矩和转速，并使电动机和螺旋传动副之间的转矩和转速得以匹配，因此齿轮传动是设计数控机械的一个重要的组成部分。由于电动机转速一般较高，而机械系统的移动速度有时不能太高，变化范围不能太大，故往往用齿轮传动装置将电动机输出轴的高转速、低转矩转化为负载轴的低转速、高转矩。当用齿轮作为进给装置时，需要满足以下技术要求：（1） 大齿轮折算到电机轴上的转动惯量要小。（2） 刚度大。（3） 无间隙。（4） 噪声低。3.3.1齿轮传动比的计算因为步进电机步距角 t5cm要实现脉冲当量0.01mm/step在传动系统中应加一对齿轮降速传动，齿轮的传动比选Z124 Z2503.3.2确定齿轮模数及有关尺寸因传动的扭矩较小，取模数m1.5有关尺寸： 齿宽b9mm d1mz1.52436mmd2mz1.55075mmda1d1+2m36+21.539mmda2d2+2m75+21.578mmdf1d121.25m32.25mmdf2d221.25m71.25mm3.3.3转动惯量的计算根据等效转动惯量的计算公式得式中 Jd折算到电动机轴的惯性负载（kg/cm2） J1齿轮Z1的转动惯量（kg/cm2） J2齿轮Z2的转动惯量（kg/cm2） J3滚珠丝杠的转动惯量（kg/cm2） M移动部件的质量（kg）对材料为钢的圆柱零件传动惯量可按下式计算J0.78103D4LD圆柱零件直径（mm）L零件长度（cm）J10.781033.540.90.0153（kgcm2）J20.781037.540.92.221（kgcm2）J30.781033.24302.455（kgcm2）电机轴的转动惯量很小可以忽略，则（kgcm2）3.4 步进电动机的选择3.4.1概述步进电机也叫脉冲电动机，是将脉冲信号转化成相应的角位移的电磁机械装置，是一种输入与输出数字的脉冲对应的增量驱动元件。当给步进电机一个电脉冲信号，不仅电动机转动一个步距角，如按一定规律给步进电机一串连续脉冲信号，步进电机便一步步地连续旋转。步进电机具有如下特点：（1） 位移量与输入电脉冲数具有严格的对应关系，步距误差不会积累。（2） 稳定运行时的转速与控制脉冲的频率有严格的对应关系。（3） 控制性能好，在一定的频率下，能按控制脉冲的要求快速启动，停止或反转。改变控制脉冲的频率，电动机的转速就随着变化，并在很宽的范围内平滑调节。（4） 控制系统简单，工作可靠，成本低，但其控制精度受步距角控制。所以步进电机可广泛应用于数模转换，速度控制和位置控制系统中，是开环控制系统中的理想执行元件。步进电动机的类型很多，按其工作原理分为反应式、永磁式、永磁感应式、滚切式以及若干混合式。按励磁相数，有3相、4相、5相、6相甚至8相，按其规律分为快速电机和功率电机。3.4.2步进电动机的工作原理如图所示是圆周分相径向气隙的3相反应式步进电机结构简图，定子上有6个磁极，每相2个，转子由软磁材料制成，上面没有绕组，定子磁极和转子上有很多小齿，齿数和通电循环拍数决定了电机的步距角。反应式步进电机的工作原理与反应式同步电机一样，转子的转动力矩是靠定子磁极与转子间的磁极和切向分力产生的，当定子上A相绕组通电时，由于磁场力使磁组减少，因此转子上离A相磁极相对的位置，当A相断电，受B相绕组所建立的磁场影响最大时，转子齿2和4在磁场力的作用下，逆时针转到和B相磁极相对的位置，即转子前进一步。同样当B相断电，而C相通电时，转子又在磁场力的作用下转动一步，使转子1、3齿与C相磁极对齐，由此可见，按A-B-C-A 顺序通电时，电机便一步步地转动，步进电机的步距角 是转子旋转一步所转过的角度，由此可见 z转子齿数 ma通电循环拍数3.4.3步进电机的选择本设计中步进电机的选择：（1） 电机的步距角取系统的脉冲当量：初选步进电机的步距角：（2） 步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P。根据能量守恒定律，电机所做的功与负载所做的功有如下的关系：式中 电机转角 机械传动效率 S移动部件的相应位移若取 则且 PPs+（G+Pz）所以 (Ncm)Ps移动部件负载G移动部件重量Pz与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力导轨摩擦系数电机步距角T电机轴负载系数本设计中取0.03（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数） 0.93，则 （Ncm）若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3则启动力矩（Ncm）对于工作方式为三相六拍的步进电机（3） 步进电机的最高工作效率（Ncm）表3-1 电机有关参数型号主要技术依据55BF004步距角（）最大静转矩（N/cm）最高空载启动频率相数电压（V）电流（A）1.5134922003273外形尺寸重量（N）外径长度轴径6.5556263.5 液压夹具的设计3.5.1液压夹具的液压基本回路根据本设计的要求选用定压回路，一般用定量泵供油，供油率一般为Q=8L/min左右。当压力达到预定的要求压力时，溢流阀3自动卸荷，这种回路油温较高，非生产性消耗大，多用于装夹较为频繁的夹具。3.5.2液压元件的选择协处理器8087和输入/输出协处理器8089。4.1.2 Intel8088引脚及功能地址/数据复用脚，双向，三态。地址/状态复用脚。高8位数据总线/状态复用脚。可屏蔽中断输入脚。正沿触发。读信号，三态，输出。时钟信号输入，等待测试信号。输入。复位信号。总线同期状态信号，输出，三态。4.2 连杆平行度测量仪中的接口技术在微机控制的系统中，除了存储器外还有很多输入/输出装置，如纸带阅读机、磁盘驱动器、显示器、键盘、伺服电机等。如果将这些输入/输出装置与微机连接起来，就是I/O接口要研究的问题。4.2.1存储器选择及与CPU接口技术存储器是计算机系统的一个非常重要的组成部分。它的主要功能是存储执行的程序以及待处理的各种数据。计算机最基本的功能是对程序的读取，并执行，执行程序由CPU完成。而要读取的程序则必须安排在存储器中。存储器容量越大，则记忆的信息越多，计算机功能越强。存储器的种类可分为：随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。RAM又可分为双级型和MOS两大类，RAM又可分为静态RAM和动态RAM。ROM可分为湮没ROM、可编程只读存储器PROM，可写可擦的只读存储器EPROM，电擦除只读存储器E2PROM.存储器芯片CPU的连接中考虑如下问题：(1)主存储器通常RAM和ROM应根据实际要求分配适当的容量并选择适当的存储芯片。(2)主存储的RAM，ROM必须要占据合理的地址空间，并通过适当的电路进行控制。(3)CPU负载能力有限，存储芯片负载也有限，在相互连接时，应加缓冲驱动器。(4)时序配合是一个重要问题，CPU、存储器两者必须相匹配，根据以上几点及本设计的要求，选用随机存储器6264，只读存储器为可擦出除存储芯片2732，即可满足上述要求，又足够电路的设计需要。图4-2 存储器连接图间，IORC为低电平，经与非门输出后使CE=1，由于I/O读操作期间，IORC为高电平，因而满足了R/C=1，读取低4位地址，使A01，因此全满足了读操作时序。（2）多模拟开关在数据采集系统中，被测回路往往有几路或几十路，对这些回路的参数进行模数转换时，常公用模数转换电路，利用多路开关轮流切换被测回路与模数转换器之间的通道，以达到分时检测的目的。本设计由于有6路被测回路，所以要应用模拟开关，设计使用的是CD4051，这是一个具有8通道的双向模拟开关，CD4051可多路输入，又可一线输入，多线输出，本设计采用多线输入一线输出的方式。CD4051的引脚图如下：图4-6 CD4051引脚图图中INH为片选信号，低电平有效，C、B、A为通道选择信号，COM为公共端，多路输入信号S0S7被C、B、A选中者，由COM端输出。第5章 传感器的选择及测量原理5.1 传感器的选择及测量原理凡接受外界刺激能产生输出信号，即可定义为传感器。传感器就是用来对所测的量产生响应并提供可用的电信号器件，即把输入信号变成不同形式的输出信号的装置。最简单也是应用最广泛的是位置传感器，位置传感器的检测方式有接触式和非接触式两种。根据设计的要求，选用非接触测量方式，并使用电容式传感器，传感器如图所示：总结经过这次毕业设计，我不但巩固了这四年学习的知识，还学到了很多新的东西。知道了自己的不足，也知道了自己的一些优点。从这次毕业设计中我收获不少，更让我高兴的是我又一次系统的总结大学期间所学的专业知识，学会了如何去解决问题，尝到了解决问题的乐趣。刚开始和杨老师见面定题目的时候，感觉自己什么都不知道，突然有些手足无措。可能是第一次的缘故，心里有些紧张。等我全身心的投入设计当中，经过老师的指导和查阅大量的资料，我知道了设计的一般过程，同时也大致了解了我设计的主要内容。这时心情才放轻松下来。我要设计的是一台连杆平行度测量仪，将它的每一个零件的立体造型都画出来，并进行装配和运动仿真。这个题目涉及的内容很广，包括机械系统设计和控制系统设计，我主要设计的是机械系统。机械系统又涵盖了液压部分、电机部分，还有一些传动和检测的知识。我的工作量比其他同学的要多一点，所以我很早就开始设计。设计过程中我查阅了很多资料，光运动仿真相关书籍就致谢毕业设计是学生在完成了基础课、专业基础课和专业课的学习任务并在进行了课程设计和毕业实习的基础上，使学生具备机械工程师基本技能的训练，是教学的重要环节之一。在杨兰玉老师的辛勤指导下，经过三个月的设计、制图、编写说明书，终于顺利完成了这次毕业设计。经过这次设计，培养了我独立思考、独立工作和独立解决问题的能力。在设计过程中能够正确运用各种规范和设计手册，提高了从事机械设计和工艺装备设计的水平。我所设计的题目是连杆中心孔平行度测量仪，这是一个机电一体化的设计题目。通过自己思考和老师的耐心指导，终于成功的完成了这次毕业设计。这套设备的设计方案还有许多不成熟的地方，恳请各位老师、同学批评指正，使其更加完善。本毕业设计包含了论文文档和CAD图纸；毕业设计文档使用Word 2003撰写；图纸类型AutoCAD2010.dwg。 完整图纸和论文请联系雨辰教育。QQ:1334095854 TEL此，向设计过程中给予我热心指导的杨兰玉老师及所有帮助我的老师、同学表示衷心的感谢！参考文献1. 李柱主编.互换性与测量技术基础.计量出版社.19922. 王锡良主编.机械计量测试技术.东北工业出版社.19953. 杨黎明主编机床夹具设计手册.国防工业出版社.19964. 赵松主编.机电一体化技术基础及应用.机械工业出版社.19965. 吴宗泽主编.机械设计与课程设计.高等教育出版社.18986. 郑树森主编.机械零件设计手册.哈尔滨工业大学.19987. 林国重主编.液压传动与控制.北京理工大学出版社.19978. 梁庚煌主编.运输机械设计选用手册下册.教育出版社.19909. 金洪官 栾庆德主编.机械原理.兵器工业出版社.199510.毛振扬主编.机械设计课程设计.浙江大学出版社.199811.代明君 梁为主编.互换性与测量技术.黑龙江教育出版社.199512.黄华梁主编.机械设计基础第二版.中央广播电视大学出版社.199013.濮良 贵纪名主编.机械设计.高等教育出版社.199914.马一林主编.机械设计原理.高等教育出版社.199215.李信主编.微型计算机原理与接口.南开大学出版社.200216. 张新主编.经济型数控机床系统设计.机械工业出版社.2003附录1 专题论文连杆加工工艺摘 要:简要介绍了连杆的组成、功用、锻造和主要加工工艺, 并对发动机连杆不同加工工艺方案进行了对比分析，阐述了撑断新工艺的机理，探讨了应用撑断工艺应考虑的几个问题，并对加工中夹具应注意的问题进行说明。关键词:连杆大头 连杆两端面加工 整体锻造 光整加工 工艺改进0 引言众所周知，连杆是发动机的五大主关件之一，其在发动机中的地位是显而易见。它是发动机传递动力的主要运动件，在机体中做复杂的平面运动，连杆小头随活塞作上下往复运动；连杆大头随曲轴作高速回转运动；连杆杆身在大、小头孔运动的合成下作复杂的摆动。图1 连杆立体图连杆在承受往复的惯性力之外，还要承受高压气体的压力，在气体的压力和惯性力合成下形成交变载荷，这就要求连杆具有耐疲劳、抗冲击，并具备足够的强度、刚度和较好的韧性。在今天随着汽车工业的高速发展，“小体积、大功率、低油耗”的高性能发动机对连杆提出更新、更高的要求:1)作为高速运动件重量要轻，减小惯性力，降低能耗和噪声；2)强度、刚度要高，并具有较高的韧性；3)连杆比要大，连杆要短。这也就意味着对连杆的设计和加工有更高的要求。连杆由连杆大头、杆身和连杆小头三部分组成。连杆大头是分开的,一半为连杆盖,另一半与杆身为一体,通过连杆螺栓连起来。连杆大头孔内分别装有轴瓦,由于连杆体与连杆盖的接合面是与大小头孔的中心联线垂直,故称为直剖式连杆。有些连杆大头结构粗大,为了使连杆在装卸时能从气缸孔内通过,采用斜剖式结构,即接合面与大、小头孔轴线形成一定的角度。连杆是活塞式发动机的重要零件之一,其大头孔与曲轴连接,小头孔通过活塞销和活塞连接,将作用于活塞的气体膨胀压力传给曲轴,又受曲轴驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。连杆承受的是高交变载荷,气体的压力在杆身内产生很大的压缩应力和纵向弯曲应力。由活塞和连杆重量引起的惯性力,使连杆承受拉应力,所以连杆承受的是冲击性质的动载荷,因此要求连杆重量轻,强度要好。连杆材料一般采用45钢或40cr,45Mn2等优质钢或合金钢。钢制连杆都用模锻制造毛坯。它的锻造工艺有两种方案,将连杆体和盖分开锻造,连杆体和盖整体锻造。从锻造后材料的组织来看,分开锻造的连杆盖金属纤维是连续的,因此具有较高的强度,而整体锻造的连杆,铣切后,连杆盖的金属纤维是断裂的,因而削弱了强度。整体锻造要增加切开连杆的工序,但整体锻造可以提高材料利用率,减少结合面的加工余量。加工时装夹也较方便。工厂中连杆的材料是40cr,调质处理,整体锻造,只需要一套锻模,一次便可锻成,也有利于组织和管理生产。锻造时表面冷却速度快,对内产生压应力,表面应力是平衡的,但铣分开面后应力不平衡,易变形,所以要增加校力这一工序。曲轴连杆厂的连杆加工属于大批量生产,而连杆刚性差,因此工艺路线多为工序分散,大部分工序用高生产率的组合机床和专用机床,并广泛地使用气动、液动夹具,以提高生产率。我们在车间首先看到的是连杆毛坯件,它的大头孔是椭圆的,沿椭圆短轴铣分开面,去掉加工余量,正好是一个圆与曲轴相配合,毛坯锻造后要进行磁场探伤,检验裂纹,并校直保证直线度。在车间,我们看到过程卡把工序排为40多个,主要分为粗加工,半精加工和精加工三个阶