轴类零件圆柱度误差自动检测系统的设计说明书

- 1 -1 前言1.1 零件圆柱度误差测量的现状与发展趋势1.1.1 国内研究现状及发展趋势我国是从 1975 年才开始提出形位公差标准的，此后进行了修改制，并接连制定了一些其它的相关连的标准。到了 80 年代的末期，我国已经逐渐形成成套的形状和位置公差标准和形位误差检测的基本标准。其中多数的标准是与国际的相应标准一致或相类似的。制定的这些指标，无疑对国内形位误差评定理论和检测技术的进一步发展起到了关键性的作用。国内诸多高等院校和科研机构他们都对形位误差的检测与评定的研究已具有相当不非的水平，尤其是在形状误差和位置误差的检测与评定的理论及方法的许多方面都已走在世界的前面，但是，就在理论成果转向实际应用技术的转化部分，特别在测量仪器的深入研究和进一步开发方面，就综合水准和总体实力来看，与发达国家还有相当的差距。近些年，我国已经在圆柱度误差的测量方面取得了相当大的进步，特别是“北京机电研究院”成功地研制出了第一台计算机控制的圆柱度仪。研究方法采用最小二乘圆法和最小区域圆法等指标评定圆柱度误差。螺旋线法测量圆柱度误差的圆柱度仪在中原量仪厂初步试制成功了。大连理工大学机械工程系试用研发的新型五坐标回转体测量仪能在一次装备下，测量诸如圆柱、圆锥、圆球以及它们组合型体等的回转零件的内外型面的形状和位置误差。该仪器已于 90 年前后通过了技术的鉴定并申报了国家专利，同年的 9 月交付给用户运转试用，试用后证明各项技术指标均达到标准，软件运行状况很好，受到用户的一致好评。东北大学机械工程学院自行研制了“ xwY 一 1”型形位误差测量仪并开发出形位误差数据处理软件包，这台测量仪在 90 年前后通过国家技术监督局的技术成果鉴定和认定，初步达到了国际先进水平 1。1.1.2 国外研究现状及发展趋势国外对形位公差的标准化研究工作是从 20 世纪 40- 50 年代开始的。50 年代后期，国际标准化组织提出了有关于形位公差框架标注的指标的初步草案，此后，出台了一系列相一致的国际标准。推移到 80 年代末已经发展了从图样标注到检测方案诸多方面的形位误差、公差部分的国际标准。国际标准的制定推进了各国形位误差、公差的研究内容和标准内容在英国、美国、加拿大、瑞士、瑞典、日本以及前苏联等国先后修订了相一致的标准，使之与国际标准基本一致。德国、美国、日本、英国等国对形位误差的评定与检测领域的研发和实际应用方面均走在世界的前列。国外在形位误差的测量的开发方面，主要放在于高精、高效、多功能、符合误差定义的测量仪的开发上。诸如三坐标测量机等。美国某些大学的精密度测量的实- 2 -验室专门用于坐标测量和表面测量的开发，该实验室拥有许多用于测量工件形状以及表面粗糙度的量仪。其中，测量圆柱度误差的量仪主要有接触式和非接触式两类。前面的包括 FederaI Fomscan 3600 圆柱度仪、Mahr MFu7 圆柱度仪；后面的包括TroDel cM 一 25 光学圆柱度仪器等。Taylor HobSon 企业开发的圆柱度仪利用最小二乘原理设计的应用截面法的测量圆柱度误差的类似计算程序 2。1.2 设计的内容和意义课题设计题目属于机电一体化系统设计的内容，回转轴类零件圆柱度误差自动检测系统的整体设计，包括机械传动系统、回转轴类零件的夹持系统、传感器移动和固定系统、自动控制系统等几个部分。系统的指标如下：1)回转轴类零件的最大检测范围为 100mm；2)每个回转轴类零件的最大检测时间为 60 秒；3)系统采用接触测量方式或非接触测量方式，在计算机的控制下实现自动测量。其设计的意义如下：（1）我国轴类零件圆柱度误差的测量对自动化系统有着巨大的需求。我国制造业和制造业组织面临着调整、改进和优化的艰巨任务,因此自动化检测系统的研究和发展为新一代的制造技术提供了巨大的动力。（2）我国的轴类零件的生产与市场将进一步融合到广阔的国际市场中去，面对激烈的市场竞争，要使我们的产品在国际占有一席之地，必须尽快提高产品的技术含量和性能指标，并与国际接轨。自动化检测系统的设计起到了至关重要的环节。（3）实用价值和经济效益轴系零件的计量与认证在航空航天工业、造船业、汽车制造业等许多产业中都具有良好的应用前景，市场需求是极其广泛的同时在国际经济一体化的大背景下，开发圆柱度误差非接触测量自动化检测系统及其软、硬件产品，将会有很好的实用性和推广价值。- 3 -2 理论及总体方案的设计2.1 形位误差形状误差和位置误差简称形位误差。 形状误差是指实际形状对理想形状的变动量。这个变动量就是实际得到的误差值。它是用来表示零件表面的一条线，或一个面，加工后本身所产生的误差，是实际测量的数值。测量理想形状相比于现实形状的位置，可以按照最小条件等要素来确定。 位置误差就是实际位置相对于理想位置的变动量，主要是用于表示零件上的两个或两个以上的线面修整后本身所发生的误差，即实际测量值。测量时，理想的位置是相对于理想形状位置面而确定的，基准的理想位置是按照最小条件确定。形位误差的评定方法主要有最小二乘法和最小条件法。随着理论研究的深入发展，形位误差评定已经从对单一要素的研发转向对关联多个要素的评定理论研发。目前出现了许多不同的形位误差评定方法。诸如：最小向量范数法由国家的形位公差的定义，评定出了运用向量范数最小化原理判定形位误差的数学模型，可得出最佳的评价结论。形位误差进行包容评定的方法是将形位误差评定模型略去高次项而得到线性模型，再进行求解，但是，这种做法将带来所谓“少许模型误差 e，数据处理结果的误差将被放大 3。2.2 轴类零件的圆柱度2.2.1 圆柱度的简介（1）圆 柱 度 是 指 任 一 垂 直 截 面 最 大 尺 寸 与 最 小 尺 寸 差 为 圆 柱 度 。 圆 柱 度 误 差包 含 了 轴 剖 面 和 横 剖 面 两 个 方 面 的 误 差 。 .圆 柱 度 的 公 差 带 是 两 同 轴 圆 柱 面 间 的区 域 ， 该 两 同 轴 圆 柱 面 间 的 径 向 距 离 即 为 公 差 值 。（2）圆柱度是限制实际圆柱面对其理想圆柱面变动量的一项指标 ，用于对圆柱面所有正截面和纵截面上的轮廓提出综合性形状精度要求 。 圆柱度公差可以同时控制圆柱 、素线和轴线的直线度 ，以及两条素线的平行度等。2.2.2 圆柱度的标注（1）圆柱度形位公差的标注应注意以下问题: (1) 形位公差内容用框格表示,框格内容自左向右第一格总是形位公差项目符号,第二格为公差数值,第三格以后的作为基准,指引线由框格右端引出可以同样理解。 (2) 被测要素是中心部分要素,箭- 4 -头一定要与有关的尺寸线相对齐。当且仅当被测要素为单一段的轴线或者各个要素的公共轴线以及公共中心平面时,所标箭头指在轴线或中心线,如此标注方便 ,但必须要注意此公共轴线中，非被测要素的轴段未包含在内。(3) 被测要素被为轮廓要素,箭头垂直于该要素的方向为指向，圆度公差的箭头方向一定要垂直轴线。(4) 公差带为圆或圆柱体时, 符号加用在公差数值前,其含义为圆或圆柱体的直径。此类情况在被测要素为轴线时才会产生。同轴度的公差带可以认为是圆柱体,因此，公差值前要加上符号;轴线相对平面的垂直度以及轴线的位置度也是看作圆柱体公差带,需在公差值前也加上符号。 (5) 对于附加标准,可以在公差数值后加注相一致的符号,例(+)符号说明被测要素要求形状外凸,(-)说明被测要素要求形状内凹,()说明误差只许按符号的小端方向逐渐减小。如形位公差要求遵守最大实体要求时,则需加符号M。在框格的上,下方可用文字作附加的说明。如对被测要素数量的说明,应写在公差框格的上方;属于解释性说明(包括对测量方法的要求)应写在公差框格的下方。例如:在离轴端 300mm 处;在 a,b 范围内等。 2.2.3 圆柱度的测量长 度 计 量 技 术 中 对 圆 柱 度 误 差 的 测 量 。 圆 柱 度 （ 见 形 位 公 差 ） 是 圆 柱 体 圆 度和 素 线 直 线 度 的 综 合 ， 因 此 圆 柱 度 一 般 是 在 圆 度 仪 上 附 加 能 沿 被 测 圆 柱 体 作 轴 向运 动 的 精 密 直 线 导 轨 、 电 子 计 算 机 和 相 应 的 程 序 等 来 测 量 的 。 测 量 时 ， 长 度 传 感器 的 测 头 沿 精 密 直 线 导 轨 测 量 被 测 圆 柱 体 的 若 干 横 截 面 ， 也 可 沿 被 测 圆 柱 面 作 螺旋 运 动 取 样 。 测 得 的 半 径 差 由 电 子 计 算 机 按 最 小 条 件 确 定 圆 柱 度 误 差 。 在 配 有 电子 计 算 机 和 相 应 程 序 的 三 坐 标 测 量 机 上 利 用 坐 标 法 也 可 测 量 圆 柱 度 。 测 量 时 ， 长度 传 感 器 的 测 头 沿 被 测 圆 柱 体 的 横 截 面 测 出 若 干 (取 样 )点 的 坐 标 值 x、 y， 并 按需 要 测 量 若 干 横 截 面 ， 然 后 由 电 子 计 算 机 按 最 小 条 件 确 定 圆 柱 度 误 差 。 此 外 ,还 可 利 用 V 形 块 和 平 板 （ 带 有 径 向 定 位 用 直 角 座 ） 等 分 别 测 量 具 有 奇 数 棱 边 和 偶数 棱 边 的 圆 柱 体 的 形 状 误 差 （ 见 圆 度 测 量 ） ,但 这 时 V 形 块 和 平 板 的 长 度 应 大 于被 测 圆 柱 体 的 全 长 。 测 量 时 ， 被 测 圆 柱 体 在 V 形 块 内 或 带 直 角 座 的 平 板 上 回 转一 周 ,从 测 微 仪 读 出 一 个 横 截 面 中 最 大 和 最 小 的 示 值 ， 按 需 要 测 量 若 干 横 截 面 ，然 后 取 从 各 截 面 读 得 的 所 有 示 值 中 最 大 与 最 小 示 值 差 之 半 ， 作 为 被 测 圆 柱 体 的 圆柱 度 误 差 。2.3 圆柱度误差的评定方法与正确选择圆 柱 度 误 差 的 评 定 主 要 由 最 小 区 域 圆 法 、 最 小 二 乘 圆 法 、 最 小 外 接 圆 法 和 最大 内 切 圆 法 等 方 法 。 用 最 小 区 域 圆 评 定 准 则 评 定 的 圆 柱 度 的 优 点 是 误 差 值 最 小 、具 有 唯 一 性 ； 最 小 二 乘 圆 评 定 准 则 所 评 定 的 圆 度 误 差 值 虽 然 也 具 有 唯 一 性 ， 但是 数 值 不 是 很 小 ； 另 外 两 种 准 则 在 我 国 使 用 很 少 ， 圆 柱 度 误 差 一 般 使 用 最 小 区域 圆 的 评 定 准 则 进 行 评 定 。 在 有 些 条 件 的 情 况 下 ， 我 们 也 应 用 最 小 二 乘 圆 评 定- 5 -准 则 予 进 行 评 定 。 MATLAB 拥 有 强 大 的 科 学 计 算 及 数 据 处 理 能 力 ， 600 多 个 数 学运 算 函 数 ， 可 以 方 便 地 实 现 各 种 计 算 功 能 。在 生 产 实 践 中 ， 圆 柱 度 的 测 定 仪 器 主 要 有 圆 柱 度 仪 、 三 坐 标 机 等 仪 器 。 而 圆柱 度 的 评 定 和 计 算 则 是 用 圆 柱 度 仪 、 三 坐 标 机 等 仪 器 自 带 的 计 算 程 序 ， 该 程 序 严格 保 密 且 价 格 不 菲 。 圆 度 的 评 定 和 计 算 过 程 ， 实 际 是 按 照 圆 柱 度 评 定 标 准 ， 构 造函 数 原 型 进 行 优 化 求 解 的 过 程 。 随 着 MATLAB 软 件 功 能 的 日 益 完 善 ， 其 拥 有 600多 个 工 程 中 要 使 用 的 一 般 运 算 函 数 ， 运 算 所 使 用 的 方 法 都 是 科 学 研 究 计 算 中 的 应用 研 发 成 就 ， 进 行 优 化 处 理 ， 因 此 使 用 起 来 可 靠 性 、 实 用 性 很 高 。 在 优 化 中 只要 根 据 编 写 的 正 确 函 数 ， 使 用 MATLAB 的 已 编 写 函 数 。 求 解 结 果 的 可 视 化 通 过调 用 MATLAB 的 插 值 函 数 和 可 视 化 函 数 即 可 方 便 地 实 现 4。 2.4 总体方案的设计总 体 方 案 设 计 主 要 包 括 机 械 传 动 系 统 、 回 转 轴 类 零 件 的 夹 持 系 统 、 传 感 器 移动 和 固 定 系 统 、 自 动 控 制 系 统 等 几 个 部 分 。 由 于 机 械 部 分 将 会 作 具 体 说 明 ， 在 此只 做 大 体 说 明 。1. 机 械 传 动 系 统 从经济性、适用性的角度和结合自身技术能力等多种因素，我们初步选定为齿轮齿条传动系统。2 回 转 轴 类 零 件 的 夹 持 系 统 的 选 择 是 考 虑 装 夹 固 定 被 测 量 的 轴 表 面 加 工 精 度 的影 响 程 度 ， 我 们 将 左 侧 采 用 顶 尖 装 置 ， 右 侧 采 用 三 抓 卡 盘 夹 紧 和 固 定 。 顶 尖 和 三爪 卡 盘 的 精 度 将 影 响 测 量 圆 度 的 精 确 程 度 。3 传 感 器 移 动 是 是 根 据 支 座 的 移 动 确 定 （ 传 感 器 安 装 在 支 座 上 ， 支座整体安装在滑块座上，滑块座带动支座实现沿轴方向的移动。4自动控制系统设计中，单片机是整个系统的核心，其程序主要包括模拟信号通道选择部分、并行数据采集部分和并行数据传输部分。- 6 -3 机械部分的设计3.1 仪器总体结构及其组成3.1.1 双顶尖夹持结构用来装夹固定被测量的轴，其左侧采用顶尖装置，右侧采用顶尖与连轴器电机相连装置,电机采用三角板固定装置。顶尖的精度和电机将影响测量圆柱度的精确程度。双顶尖结构左右顶尖基本相同，下面就左顶尖作基本说明。高精度的顶尖支承是保证本仪器具有较高回转精度的关键结构。因此其加工精度要求较高，并且应选择刚度大的材料。轴类零件以其中心孔定位，盘套类用零件以与零件相配的测量芯轴上的中心孔定位。如图 3.1 左顶尖为可伸缩式顶尖。图 3.1 左顶尖图 3.1 是左顶尖的示意图。如图所示在左顶尖的一侧的结构是齿条结构。在左顶尖座的内安有小齿轮轴，小齿轮轴与一个外接手柄相连，通过外接手柄的摇摆来实现顶尖的移动，来调整距离，实现对被测轴的固定。左顶尖的尾部装有圆柱压缩弹簧，用于左顶尖的复位。同时尾部还制有螺纹与圆螺母配合，圆螺母的作用是拧紧后抵消弹簧的回复力，使左顶尖在一定的位置固定。图 3.2 所示零件内孔有螺纹，与左顶尖尾部螺纹旋合，用螺钉将其固定在左顶尖座上。- 7 -图 3.2 左顶尖固定块3.1.2 底座导轨以及顶尖座底座是测量装置和夹具安装的平台，底座上采用平面度较高的平导轨和直线度较高的侧导轨，来进行测量，导轨的加工精度要求高，侧导轨对顶尖的回转轴线具有高精度的平行度。（2）顶尖座及其固定顶尖座安装在底座的导轨上，其要沿着导轨移动，以实现对测量轴的装夹与固定，其与底座导轨的配合精度要高。为了控制装夹顶尖的顶尖座的移动和固定，特在底座上开一道斜槽，并用如图所示的紧定座块将顶尖座固定。图 3.3 紧定座块及固定斜槽示意图3.1.3 测头机构进行圆柱度误差测量时，传感器安装在如下图所示的座上：图 3.4 传感器安装支座- 8 -此支座可通过竖轴和轴分别进行上下横和左右方向的调节，以保证传感器能准确的定位在测量部位。支座整体安装在滑块座上，滑块座带动支座实现沿轴方向的移动。3.1.4 步进电机带动轴旋转运动机构步进电机通过连轴器与右顶尖一起转动，从而带动轴转动。电容传感器测量轴旋转时的圆度误差，同时传感器又沿轴线方向直线运动，就可以测量出轴的圆柱度误差的变化，并将数据传送到计算机。步进电机带动轴旋转运动机构简图如下：图 3.5 电机带动顶尖转动机构3.2 步进电机的选择及安装选择保持转矩保持转矩被认为是静力矩，电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。保持转矩也是衡量步进电机的重要的指标，主要是因为步进电机在低速运转时几乎等于保持转矩，但是当步进电机的力矩随着速度增大而快速减小，输出功率却发生增大变化。比如，一般不加说明地讲到 1N.m 的步进电机，可以理解为保持转矩是1N.m。选择相数两相步进电机成本低， 但是步距角至少 1.8 度，低速时的震动较大，高速时力矩下降快，可以用在转动速度较高，对于精度和平稳性要求不是很高的场合。与两相步进电机相比，三相步进电机步距角至少 1.5 度，振动性要比两相步进电机小很多，低速运转时的性能要比两项步进电机好，并且转速要比两相步进电机高，可以在高速且精度和平稳性较高的场合，使用范围很广。5 相步进电机的距角更小，低速时运转性能要比三相步进电机好很多，适用于精度和平稳性很高的场合，但是就经济性考虑，成本太高，不易选用。选择步进电机- 9 -应遵循先选定适合的电机以后再选则驱动器的思路，首先要明确电动机的负载特性，再分别对电机的静力距和幅频曲线比对，选择出于负载特性最符合的类型的电动机；在检测精度很高的场合，可以考虑采用减速装置，可以减少被测工件受到电机振动的影响，同时，可以让电机在一个噪音少，效率高的场合。避免了电机在振动区域工作，我们还可以通过改变电压、电流等方法，减少振动。我们可以参考如下的建议 57 电机采用直流电压为 24V-36V 之间。如若采用 86电机采用直流电压 46V、110 电机采用高于直流电压 80V。为了防止步进电机失步的发生，应该选用座号较大的电动机，负载的转动惯量较大时，可以考虑使电动机频率改变，提升电机的转速；做圆柱度测量的步进电机力矩一般在 40Nm 以下；如果此力矩大于这个极限值时，我们可以考虑伺服电机，一般交流伺服电机可正常运转于 3000RPM，直流伺服电机可可正常运转于 10000RPM。选择驱动器和细分数选择驱动器时，振动较大的整步状态是应该尽量避免的，同时也要选择电流较小、电感比较大、电压稍微低一点的驱动器。这是因为大电流的驱动器，需要低振动和高精度的细分型驱动器配合使用；高速性能的驱动器可以配合大转距地电机一起使用。电机一般使用在对精度和平稳性要求不是很高的场合，这样就可以不用配高细分数驱动器，这样可以减少很多的成本。考虑细分数的时候，应该考虑到电机的运转速度，负载力矩的载荷，减速装置的要求以及精度、振动、噪音等的要求 5，同时还要考虑我们使用的成本，还有环境以及场合所允许的条件等。综合本次实验对电机的要求，依据上述原则，再结合经济等因素的影响，最终确定步进电机型号为 FL86BYG80。3.3 齿轮齿条的设计及计算齿轮传动式机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递效率可达数十千瓦，圆周速度可达 200m/s，目前设计一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。本节依据机械设计所学知识对用到的齿轮进行设计。此传动的方式：齿条固定在底座上，齿轮与齿条配合从而带动轨道块移动。假设输入小齿轮的转矩 T= ，小齿轮转速是 24r/min，齿数比很大，工作寿命 10mN50年（每年工作 200 天） ，单班制，工作平稳。1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）传动简单，要求低，选用直齿圆柱齿轮，我国对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角为 =20。2）轨道块的移动位普通的传递运动，速度很低，故选用 7 级精度（GB 10085-88 ） 。3）材料选择。根据相关设计手册选择小齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度 300HBS,齿条材料为 45 钢（调质） ，硬度为 240HBS。- 10 -4）为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，以齿数多一些为好，小齿轮的齿数可取为 z =2040。选定小齿轮的齿数 z =30。1 12按齿面接触强度设计由计算公式进行计算，及 (3-1) 32112. HEdt ZuTKd（1）确定公式内的各计算数值1）试选载荷系数 K =1.3t2）齿轮传递的转矩 T =510 N14m3）根据机械设计教材，选取齿宽系数 =1.0d4）根据机械设计教材，查下表的材料铸钢的弹性影响系数 Z =189.8MPaE21表 3.1 材料弹性影响系数 ZE配对轮材料弹性模量 E/MPa 小轮材料 锻钢 铸钢 球墨铸铁 灰铸铁 夹布胶木 锻钢 189.8 188.9 186.4 162.0 56.4 铸钢 188.0 180.5 161.4 球墨铸铁 173.9 156.6 灰铸铁 143.7 5）根据机械设计教材，按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600MPa；齿条的接触疲劳强度极限 =550MPa1limH 2limH6）计算应力循环次数N =60n jL =60241（1820010）=2.30410 （3-2）1h 77）根据机械设计教材，取接触疲劳系数 K =0.90；K =0.951HN2HN8）计算接触疲劳许用应力取失效概率 1%，安全系数 S=1，因此得- 11 -= =0.9600=540（MPa） （3-3）1HSKN1lim= =0.95550=522.5（MPa） （3-4）22li（2）计算 1）试算齿轮分度圆直径 d ，代入 的较小值t1H=2.3232112. HEdtt ZuTKd 3 245.8195.0.1= 46.2（mm）2）计算圆周速度v= = =0.058m/s (3-6)106ndt10624.3)计算齿宽 bb= =146.2=46.2（mm） （3-7） td14）计算齿宽与齿高之比 hbm = =46.2/30=1.54（mm） （3-8）t1zdth=2.25m =2.251.54=3.465（mm） （3-t9）（3-13.4652hb10）5）计算载荷系数- 12 -根据 v=0.05m/s,7 级精度，查得动载荷系数 K =1；直齿轮，K =K =1；查得使vHF用系数 K =1；齿轮悬臂布置，K =1.13；由 ， K =1.13 的AH3.hbK =1.065；故载荷系数FK=K K K K =111.131.143=1.29 （3-AVH11）6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径得=46.2 =45.99（mm） （3-31ttKd3.12912）7）计算模数 m= =1.53(mm) (3-13)1zd03643.按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为：(3-14)321FadYzKTm（1）确定公式内的各计算数值1)根据机械设计教材，查得齿轮的弯曲疲劳强度极限 500MPa；齿条的弯曲1FE强度极限 380MPa。2FE2）查机械设计教材，取弯曲疲劳寿命系数 。8.0,5.21FNFNK3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由计算公式得- 13 -(MPa) （3-57.304.185011 SKFENF15）（MPa） （3-86.234.1822SFENF16）4)计算载荷系数 K（3-065.1.1FVA17）5)查取齿形系数和应力校正系数查机械设计教材得 5.1,80.21SaFaY6)计算齿轮的 FSaY（3-0143.57.3821FSa18）（2）设计计算 5.1043.2018.465.3 m对比两种方式所得到得结果，取模数 m=2 就可以满足设计要求 7。4几何尺寸计算（1）计算分度圆直径模数 m=2，由公式可以计算分度圆直径：(3-19) )(06231mzd- 14 -（2）计算齿轮宽度表 3.2 圆柱齿轮的齿宽系数 d装置状况 两支撑相对小齿轮作对称布置 两支撑相对小齿轮作不对称布置 小齿轮作悬臂布置 d 0.91.4（1.21.9） 0.71.15（1.11.65） 0.40.6 注：1）大、小齿轮皆为硬齿面时 d应取表中偏下限的数值；若皆为软齿面或仅大齿轮为软齿面时 d可取表中偏上限的数值； 2)括号内的数值用于人自齿轮，此时 b 为人字齿轮的总宽度； 3)金属切削机床的齿轮传动，若传递的功率不大时， d可小到 0.2； 4)非金属齿轮可取 d0.51.2。根据机械设计课本中直齿圆柱齿轮的齿宽系数的选择，选定齿宽系数 d =1.0 ，直齿圆柱齿轮的宽度如下计算可得： （3-20）)(061mdb图 3.6 齿轮- 15 -图 3.7 齿条4 测量控制部分设计4.1 电容传感器的介绍电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。4.1.1 电容传感器的种类及特点 这里主要介绍电容式传感器的原理、结构类型、测量电路及其工程应用。当被测量的变化使 S、d 或 任意一个参数发生变化时，电容量也随之而变，从而完成 了由被测量到电容量的转换。根据当式中的三个参数中两个固定，一个可变，使得电容式传感器有三种基本类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介电常数型电容传感器。电容式传感器的测量电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。因此，常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度制电路、运算放大器电路、二极管双 T 形交流电桥和环行二极管充放电法等。调频电路实际是把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此- 16 -必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至 0.01m 级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通信，抗干扰能力强，可以发送、接收以达到遥测遥控的目的。因此，在实际应用中，常采用差动式结构，既使灵敏度提高 1 倍，又使非线性误差大大降低，抗干扰能力增强。电容式传感器具有如下特点：（1）结构简单，适应性强电容式传感器构造不复杂，易于制造，精度高;制作很容易微型化，这样的优势可以扩大电容传感器应用，电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料作绝缘支承，因此可在高温和低温的环境下、辐射比较强以及磁场较强的环境中，可以承受很高的力、很高的冲击以及过载等，还能能测超高压和低压差。（2）动态响应好电容式传感器极板间的产生的静电引力非常小，作用能量极小很容易满足，制作时可动部分允许做得小且薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，可以在很小的频率下工作，非常适合用于高频测量时的，变化很快的供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如振动等。(3) 分辨率高由于传感器的带电极板间的引力极小，需要输入能量低，所以特别适合于用来解决输入能量低的问题，如测量极小的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受 0.001m，甚至更小的位移。(4) 温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。(5) 可进行非接触测量、具有平均效应如回转轴的振动或偏心、中小型滚动轴承的径向间隙和横向移动，采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，能够降低表面粗糙度等对测量产生的影响。不足之处是输出阻抗高，负载能力差，电容传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十皮法到几百皮法，使传感器输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗更高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象;寄生电容副作用很大，电容式传感器的开始电容量很小，传感器本身的引线电容，测量器许多元件例如极板、导线等的杂散电容，还有导体的“寄生电容”也是比较大的，都会产生影响，可以降低传感器的灵敏度，破坏了稳定性，影响精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。- 17 -电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(测至 0.05m 的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器 8。4.1.2 电涡流及电感传感器 （1）电涡流传感器电涡流传感器可用于动态非接触式测量，电涡流传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应，测量范围视传感器结构尺寸、线圈匝数和励磁频率而定，一般从（110）mm 不等，最高分辨力可达 0.1 微米；这种传感器还具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等优点；在径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量，以及零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都有应用 9。（2）电感传感器电感传感器是把被测量，如力、位移等，转化为电感量变化的一种装置，起变化原理是电磁感应原理。可分为自感型（包括可变磁阻式和涡流式）和互感型（差动变压器式） 。其中，可变磁阻式比较适宜较小位移的测量，一般约为 0.0011mm10。根据以上了解，选用电容传感器作为设计用的传感器。测量仪的工作过程：传感器和测量头由齿轮齿条传动沿轴向直线运动，被测零件装夹在仪器的顶尖座上，由步进电机控制随右顶尖一起回转，易于测量小型工件的圆柱度误差。4.2 ICL7109 芯片以及与 8052 的连接4.2.1 ICL7109 的部分引脚功能介绍ICL7109 是美国 Intersil 公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式 12 位 A/D 转换器。就现在的状况，逐次比较式的高速 12 位 A/D 转换器一般价格非常高，在要求速度不是很高的场合，如用于称重，测压力等各种高精度测量系统时，可以采用价格低廉的双积分式高精度 A/D 转换器例如ICL7109。ICL7109 最大功能就是可以输出十二位二进制数的数据， ，并且具有很强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。ICL7109 管脚配置见图 4.1，其部分引脚功能介绍 ：B1B12：三态转换结果输出，B12 为最高位，B1 为最低位。STATUS：状态输出，ICL7109 转换结束时，该引脚发出转换结束信号。SEND：是输入信号。用于数据信号传送时的信号交换方式，以指示外部器件能够接受数据的能力。- 18 -TEST：此引脚仅用于测试芯片，接高电平时为正常操作，接低电平时则强迫所有位B1B12 输出为高电平。MODE：方式选择。低电平作为输出信号，可以应用低电平方式直接输出。此时，在能的控制下实现在片选和数据直接读取数据。高电平脉冲被输出过程中，转换器处于 UART 方式，并在输出两个字节的数据后，返回到直接输出方式。当输入高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。LBEN：低电平使能端。当 MODE 和 CE/LOAD 均为低电平时，此信号将作为低位字节（B1B8）输出选通信号；当 MODE 位高电平时，此信号将作为低位字节输出。 HBEN：高字节使能端。当 MODE 和 CE/LOAD 均为高电平时，此信号将作为高位字节（B8B12）以及 POL，OR 输出的辅助选通信号；当 MODE 位高电平时，此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。BUF： 缓冲器输出。INLO：差分输入低端。INHI：分输入高端。图 4.1 ICL7109 管脚配置4.2.2 ICL7109 的外部电路连接ICL7109 的外部电路连接如图 4.2 所示，对其外部电路的应用特征说明如下：- 19 -（1）电源供给ICL7109 位双电源5V，引入 V+，V- （40，28 脚） ，1 端 GND 为公共接、地端。（2）基准电压供给ICL7109 有一个出色的片内基准电压源，由 REFOUT 端输出（29 端） ，可以使用电阻分压以得到一个合适的基准电压。通常状况下，对模拟输入如果要求满度输出 4096 个数，则 Vin=2Vref，即+2.048V 基准电压对应于+4.096 满度输出模拟电压；+204.8mv 则对应于 +409.6V 满度输出电压。然而很多应用中，A/D 变换器直接与传感器相通，测量的绝对电压输出并不接近标准量程，这时，只需将基准电压接近传感器输出电压的一般才可行，分压是没有必要的。允许不是入时，像温度测量中的补偿，称重中的去皮重等。这时，补偿电压可直接引入，即将传感器的输出端接到模拟输入高端和模拟公共端之间，只需注意极性即可。（3）模拟信号输入模拟信号可差分输入，分别接入差分输入高端 INHI（35 脚）和差分输入低端INLO（34 脚） 。模拟信号公共端为 COMMON（33 脚） 。（4）接口方式ICL7109 内部包括一个 14 位（12 位数据和一个极性，一位溢出）的锁存器和一个 14 位的三态输出的一般寄存器，与各种微处理器连接是非常容易的，而无须外部加额外的锁存器。ICL7109 有接口方式介绍，一种是直接接口方式，另一种是挂钩接口方式。在直接接口方式中，ICL7109 转换结束时，由 STATUS 发出转换结束信号到单片机，单片机对转换后数据分高位字节和低位字节进行读数。在换结束信号到单片机，单片机对转换后数据分高位字节和低位字节进行读数。在挂钩接口方式时，ICL7109 提供工业标准的（通用异步接收发送器）数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统。- 20 -图 4.2 ICL7109 的外部电路连接4.2.3 ICL7109 与 8052 单片机的硬件接口设计图 4.3 ICL7109 与 8052 单片机的硬件接口A/D 转换器 ICL7109 的数据输出形式为 12 为二进制码，且与微处理器有良好的兼容特性，所以可以与 8052 单片机直接相连。硬件接口电路如图 4.3 所示。图 4.2 中将 ICL7109 的 MODE 引脚接地。使其工作于直接输出工作方式。将RUN/HOLD 接+5V，这样 ICL7109 可进行连续转换。由于采用了 3.85MHZ 的晶振，ICL7109 完成一次转换所需的时间为 T=8192（脉冲周期） 58/3.85MHZ=132.72ms，即转换速率为 7.5 次/秒。其中 ICL7660 是+5V 输入 -5V 输出的电源极性变换器 11。4.3 单片机控制的步进电机系统 本次设计中，单片机是整个系统的核心，其程序主要包括模拟信号通道选择部分、并行数据采集部分和并行数据传输部分；80C52 单片机通过内外三线(数据总线、地址总线、控制总线)控制数据的传输，完成数据的采集，计算，存储的一体化过程。其能很好的满足检测系统性能的要求，故本次设计采用 80C52 单片机。另外，本次电路中应用了一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式 12 位 A/D 转换器ICL7109。测量仪通过电感传感器来测量工件的圆柱度误差，以模拟量输出，圆柱度数据采集仪使用单片机控制，实时采集模拟信号，并进行模数转换，通过接口将转换的数据送到计算机的串口上，由计算机进行圆柱度误差处理，并绘制误差曲线图 12。- 21 -数据的读取与处理采用 Visual Basic 6.0 (简称 VB) 语言编写了数据的读取与处理软件。由于 VB 是一种可视化编程语言，用他可方便地设计出良好的图形用户界面，使操作简单、直观 13。程序分为数据的读取和处理两大部分。 （1）数据读取：手工输入数据较为简单。 （2）数据处理。步进电机是一类将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动部件 , 具有快速起动和快速停止的优点。步进电机驱动速度和指令脉冲保持严格同步 ,具有很高的重复定位精度 , 可以实现平滑无级变速和正反转的运行。步进电机的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的干扰 , 因此被广泛应用在数模转换、速度控制和位置控制系统。但是进电机的驱动信号往往还是由专门的模拟芯片控制器或者信号发生器产生 ,灵活性和可靠性是非常低的。在某些智能化要求较高的场合 , 用模拟芯片及信号发生器来控制步进电机有很大的局限 15。5 结 论本次设计的题目是轴类零件圆柱度误差自动检测系统的设计。作者通过查阅大量资料、文献，并结合平时所学的专业知识，从机械结构设计和控制系统设计两个部分入手，对产品进行设计和创新，设计出了机械