胶辊激光检测仪机械结构设计（全套CAD图纸+设计说明书+翻译）
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激光
检测
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摘 要
胶辊广泛应用于机械、印刷、纺织等行业，在工业生产中占有重要地位,在日常生活中也被广泛使用。胶辊的生产对工业的发展，日常生活的正常运行具有重要意义。胶辊产业的发展也是衡量一个国家工业水平的重要指标，胶辊检测作为胶辊生产过程中最后一个环节，检测的精度和效率直接关系到胶辊产品的质量和效率，具有重要作用。本次设计以激光检测为手段，对胶辊的几何尺寸和形位误差进行检测，采用一定的机械结构，实现胶辊的自动化检测，设计出一套精确高效的胶辊激光检测设备。本次设计采用伺服电机驱动，用齿轮变速机构和滚珠丝杠传动，配合其他机械元件，实现胶辊与检测仪的相对平动和转动。采用激光检测仪测量并分析胶辊的形位误差。
关键词：形位误差；齿轮传动；滚珠丝杠；激光测量
- 内容简介：
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滚珠丝杠和螺母驱动 的 优势和特点 摘 要 本文 介绍了一种滚珠丝杠传动的动态特性和驱动进给轴螺母相比与传统的机电式驱动器。对比典型的驱动滚珠丝杠丝杠刚性地位于两端的螺母，用伺服电机驱动。调查认为，两驱动类型：与一个标准的伺服电机通过齿形带和直接驱动螺母间接驱动与空心轴伺服电机。在机床和生产所开发的进给系统在大学科学卡尔斯鲁厄开辟了新的动态机发展新局面 ,加速度可达 45米 /秒的代。除了高加速度和移动速度，程序的开发也具有最佳传动性能的目的进给运动系统的位置控制。的设计特点和运行特性的实现与创新的试验装置 进行了描述。 关键词 ： 进给驱动，优化，机床 在处理速度和处理同步增长质量有很高的要求，现代的进给系统日机。这种趋势是由相当大的支持在控制技术的发展以及在动态驱动开发。相比之下，机械该驱动时序元件常最弱链接时寻求动态行为的改进。在机电进给轴的旋转运动的情况下，该伺服电机转换成直线运动由滚珠丝杠装置表。经典的概念一个定位数控轴包括给水螺钉和螺母的刚性球固定到桌可以达到 30 到 60 米 /分钟的速度与加速度之间高达 10 毫升的。为了克服这一新途径技术的局限性已开辟的线性驱动器这将在动态行为的一个显着 的增加（ 大于 100m/动。然而，低动态刚度和更显著的系 统成本是不利的和意味着线性驱动不一定我的所有应用的理想解决方案 。基于这一背景，激励发展系统的动态行为方面的竞争 和研究 是基于久的饲 服 技术 的研究和发展 。 动态进给轴与滚珠丝杠驱动器和驱动坚果是经典轴概念改编。在这种情况下丝杠固定两夹紧装置之间和螺母是由伺服电机驱动。热纵该固定丝杠膨胀补偿由采用空心轴丝杠，冷却从里面用冷却介质。在调查的框架，不同的方法对驱动进 行观察。图 1 使用标准伺服电机（ J = m）通过 齿形传动螺母带 ,图 2 显示了一个直接的螺母的传动系统与中空轴伺服电机。动力电机最新一代的加速为120 n/ 80 n/此外， 表中有些 实现高达 4500 转 /分的值， 其 质量可从100 公斤增加到半吨 数量级别 。数字和串级控制和线性范围用来提供信息的位置。由于丝杠两端固定，扭整体系统的轴向刚度远大于测试装置的结构这一位于低刚度是不是非处方的情况传统的进给轴，但在定位中范围，降低刚度沿程变化定位长度。 图 1 标准的伺服电机驱动的变体 图 2 空心轴伺服电机驱动的变体 为了实现高动 态系统，护理从而减少了转动惯量在设计整体旋转驱动。尽管大众该伺服电机也必须被移动，由此产生的对于一个 2米长的丝杠的转动惯量一个驱动相同长度的丝杠相媲美。 如果它有一个大直径丝杠较长或，的转动惯量是更有利。在实验的框架使用的驱动器一个直径 40毫米和 40毫米的螺纹螺距实现了速度 120 m/ ， 最大 3000 转 /分，一个 100 公斤重的加速度，高达 45 毫升的值用一个间接的实现驱动多达 2500万 / 3. 随着进给运动的动态行为驱动螺母 随着进给运动的动态行为驱动螺母除了实现高加速度和 横 向 速度，优化传输行为的控制进给运动系统实现高动态是必要的行为。所需的动作的序列这是运动的轴线遵循必要的设定位置值尽可能。这一要求只能在现实系统近似满足。这是由于其固有的动态行为串级控制是由 能量转换元件和机械部件。翻译过程中的电机旋转运动的伺服电机为纵向桌子的运动，明显的共振振荡在旅行者运动引起的。弯曲驱动杆的振动或横向振荡的表系统可以限制因素的质量控制或控制的稳定性和相关的跟踪精度可以实现的（图 3）。这些都是造成的弯曲临界转数限制系统或急动或外界干扰可能发生。 图 3 概述 在运动方向的主导共振用进给驱动的谐振频率引起的革命或机械传动控制数组件。然而，单纯的机械谐振频率位于附近的进给驱动控制由转数有显著影响对频率响应。的相对位置频率到另一个，在图 3中提到的因素必须坚持 4 。对于最大数量革命和由此产生的高移动速度造成的由此，驱动螺母与丝杠上固定在两端提供了直接的优势，因为它增加了由一个因子 曲临界转数相比于普通非位于丝杠。即使是在一个伟大的转数旋转带动的， 系统是亚临界范围内旅行到 别的机械传动元素 确定传输行为 ，脉冲响应饲料的使用行为记录为运动学 行驶记录仪在桌子上。图 4 显示的频率与空心轴伺服电机直接驱动的响应三种不同的表位与 140公斤表质量。丝杠 采用 两端固定法 的方法 。极端的中间位置已选定的表的位置。与一个占主导地位的 170赫兹的共振频率，直接驱动显示器显一个大规模的振荡行为。相关的振荡曲线如图 3所示采用有限元方法。通过转台系统的轴向振动对滚珠丝杠的刚度明显。稍微通过丝杠的轴向刚度的变化长，其整体的传输性能结构是完全独立于表中的位置。通过增加额外的质量为 150公斤或 310公斤的，主共振频率下降到 130赫兹或 110赫兹（图 5）。表中增加的效应大众因此降低谐振频率约 30%或 35%，同时降低用附加质量的振幅。比较这些饲料运动学与丝杠只有在一端固定（一个位于 /媲美非位于丝杠安排）如图所示 6。 图 4 反应力：直接驱动 图 5 反应力：直接驱动 图 6 反应力：直接驱动 有一个非位于丝杠端，谐振频率转换到一个介于 120到 150赫兹根据表中的位置。最低频率发现在非定位端和不断增加对位于一端的丝杠。传输的整体运动功能有很大的不同表的位置。没有马达间接驱动频率的回复和齿形带传动已在图7所示表的极限位置。主谐振频率在 170赫兹。通过松开的一端滚珠丝杠的，频率偏移为 20 丝杠系统的影响已被确定。该系统的建设进给轴使传输行为的变化明确的 ，如图 8所示 ）。在第一步中所有频率推下由于与其他电机的加入质量。随后的齿带张紧将第一主谐振频率从 141赫兹到 128赫兹。第二频率几乎保持不变。 图 7 间接驱动系统的建设 用表的间接驱动的传输行为 120 公斤在不同位置的情况下质量表如图 8 所示。极端的位置有两个优势谐振频率， 128赫兹和 171赫兹 ，中间位置有一个额外的共振频率在 98 赫兹。识别振荡曲线的计算用表位置 475 毫米。两下谐振频率的结果弯曲振动和传动丝杠垂直和水平方向，导致在轴向方向上表运动。 图 8 反应力：间接驱动 相反，较高的谐振频率等于通过轴向弹簧刚度纯轴向振动丝杠系统。通过改变位置从中间位置，共振频率 128赫兹的变化下新的位置，而在 171赫兹的频率 上移。传输的整体结构在这方面的行为几乎是独立的表中的位置。本系统行为可以解释的事实，当弯曲由自由摆动的延伸影响较大长度，频率下降。假设一个极端的位置，丝杠的轴向刚度增加，即频率增 加与质量相等。这使得相反，直接驱动明确，间接驱动系统是由安排另外的影响的驱动力矩和提高抗弯弹性的建设。然而，两驱动的变化常见的有高的机械谐振频率这主要是独立的表中的位置。一个低参数几乎线性传输特性波动创造了使元素集显著改善的局限性。 别的传输行为革命的跳跃功能的帮助控制电路 图 9 显示了从驱动系统的响应在响应一个中断所产生的时间通过一个标准的设定值跳过革命控制电路由 0到 5 m/断型在铣削或因此相当于这力量转折如果切中断。反过来，加速信号记录在机台。振荡两驱动的衰减时间是约80 个优秀的 动态系统行为的特征在于该螺母驱动发射时刻的吸收通过对丝杠两端。高轴这一安排因此丝杠扭转刚度使旋转电机力矩直接翻译为轴向加速度可能没有过多的存储能量到丝杠扭转。相关翻译行为使得更大的阻尼间接驱动明显。这意味着额外的组件在增加的摩擦驱动顺序的结果。驱动和之间的直接传力机械表，因此线性特性失去了在一定程度上。参数的变化的速度控制，如图 10 所示的使用间接驱动为例。通过增加 谐振频率的速度控制的驱动法兰安装机械零件，这意味着谐振频率从 30到 50赫兹 的变化。主谐振频率的直接驱动是 15赫兹 ,， 这是明显低 于正常水准的。 图 9 跳过两个驱动器响应 图 10 接驱动 定位性能的位置控制电路轴线水平特征之间的差异设定值和实际位置值，也被称为位置误差。位置误差的大小成正比在静止状态和成反比的速度的速度增益系数 且在把它的位置控制电路不稳定在设定位置值的振荡结果表 ，如图 11 所示 。 图 11 变化伏：间接驱动 因此定位无超调成为限制速度增益因子的值。对 于一个特定的定位过程这一事实意味着，穿越时间明显没有失去任何精度降低。图 12 显示这显然为驱动，用位置跳 400 度 80 m/表 2时到位的窗口。的变化速度放大千伏使定位限制无超清晰。值到达谎言之间 60 至 75 升 /秒，尽管在低谐振频率直接驱动，也可以实现类似的高价值。的已知转速之间的共振频率的因素位置控制实际上是由较低的非线性误差消除在直接驱动的传动特性。 图 12 变化：两驱动准停伏 总结 进给系统的发展开辟了新的可能性基于新一代动态机尝试和滚珠丝杠驱动 测试技术。 高达 120 米 /分钟达到高移动速度加速度和系统成本比传统的进给轴，这项技术代表了一个有趣的替代现有的系统。由于高机械谐振频率主要是独立的桌子的位置，经常限流元件显著提高。这样的结果几乎低参数波动的线性传输特性。为了能够实现更好的控制在未来的动态行为，有必要减少对电机和机械部件的惯性质量这反过来又增加了谐振频率控制驱动。滚珠丝杠的螺距驱动和传动比序列对翻译的影响这些大大。虽然只有第一个措施可以意识到在一个直接驱动的情况下，这两项措施都适用于间接驱动。在线程的减少音调也降低了移动速度的结果。通过增加硬盘的转 数速度可以通过增加没有问题了弯曲临界转数，意味着反过来，高移动速度是可能的。在除了更大的位置控制过程可以提高优化的传动定位性能距离。这一过程的性能特点主要由传动参数稳定性距离。 参考文献 1 G.; W., 1990, 13 2 D.; J.; A, 1995, on a 493 H.; T.; D., 1998, 7 4G.; H., 1981, 5 C.; W.; W., 1991, 1, P 592G., 1998, A 6 41of a . I), T. 0, 1999 of a in In to is at is by a a a a at at up of ne up 20 up 5 m/s . In to of of . in on of is by in as as in of In of in In of of is a of by of a of a C a a to 0 0 m/an of up 0 to up by a in 100m/to of is I, 21. to a in of is on 2 ut is an of In is is by a of is by a is de a 3. of of to be a J= a i=l, =. a of Jh= a J=. of 20 Nm 0 Nm to of up 500 In of be to a 00 kg a to on is at on of is F of a l is on as is in of in : : n to a to of of be of a m is a of If is or if it a of is of a 0 mm a 0 mm a 20 at a 000 a 00 of up 5 an up 5m/s2 a of 48/1/1999 303 3 In to of is to To of it is of as as be in is of of is up I of of of a of in of or of be or be ). by of or by or F EN&t&w 171 : he in of is by of a of or in of by of a on of to be 4. to of a is at a as it of by a to a at a of up .8 m. of o of an on of a a 40 at 00 a 70 is of of of By of is of By 50 kg 10 is 30 Hz 10 ). of an in is to by 30% 5% at to of a at a is . _ f z 10 100 1000 I 5 . i I J . I I I : 1 z 10 100 1000 : r : y a 20 50 Hz on 04 at of of of of 70 By of of by up 0 Hz on of of in ). In to of of 41 Hz 28 f z 100 , I 1 at lb at 2 at 00 m) Zb a4 00 3 a! w (00 at 00 : of he of a 20 kg in of is . 128 Hz 71 on an 8 To EM at 75 of in in in a in : n is to a of of By 28 Hz 71 Hz of in is of be by is by of By an of is it in to is by of of of in of A is is of of of in to an is by a of of is to or if is In is on of 80 is is by of by of of a of of by of of in in is to a of of is 0 as an By p of of 0 0 of 5 is f z 10 100 1000 20 1 1 : of 05 I f z 10 , -. I I 5 /I 10 1W . . 30 I I . . . . . . . . . . . . . . I I 1 6 = Nm 10 2 30 i 3 16 = Nm 10 10 Nm 10 5 10 Nm 30 I . . 0: p n: of of he of at is by is as of is to in a to v. v in of in of in in in of 1). f z 10 100 : ., 1 /* an V I 3 . ,I * 1 6 7.2 120 m/ 133 1 6 1W 1,830 3.6 60 I/S 4 = 833 11s 1 : v: of a is to 2 a 00 mm a 0 a .5 s, of v at 0 5 l/s. of be of by in of I m. I r 0 r WI 2: v: of he up of on of of up 20 m/at to of a an to to of is in In to be to in it is to of in of of of be in of a to A in as a By of of be by of in In of of is by of 5. G.; W., 1990, 13D.; J.; A, 1995, on a 49H.; T.; D., 1998, 7G.; H., 1981, C.; W.; W., 1991, 1, P 592G., 1998, A 4106 本科毕业 设计 任务书 论文（设计） 题目 胶辊激光检测仪机械结构设计 院（系、中心） 工程学院 专 业 机械设计制造 及其自动化 年 级 2011级 选题来源 科研 课题 纵向课题（ ） 选题类型 理论研究（ ） 横向课题（ ） 教师自拟课题（ ） 应用基础研究（ ） 学生自拟课题（ ） 技术或工程开发（ ） 论文（设计）的基本构思和基本任务： 基本构思： 本课题的主要 对一种 胶辊激光检测仪 的机械结构进行设计，该检测仪采用非接触式测量方法，对印刷机械所用胶辊的几何尺寸以及形位误差进行检 测 。 根据胶辊激光检测仪的非接触测量的要求，该 胶辊激光检测仪 选用非接触式激光测头。为了满足其自动检测的需求，选用 2轴伺服进给驱动，即激光测头的纵向移动和胶辊的旋转。需要了解 胶辊激光检测仪 测量原理，确定其总体测量方案和测控系统，根据测量要求完成其机械结构的设计。 基本任务： （ 1）根据课题要求，查阅与 胶辊激光检测仪 相关的中外文资料。 （ 2）确定胶辊激光检测仪 的测量方案，确定其总体 结构设计方案 。 （ 3）选择合适的非接触式激光测头。 （ 4）选择合适的伺服电机以及支撑结构，设计各进给装置的结构。 （ 5）根据机械部 件的结构和尺寸，利用三维设计软件绘制装置的三维设计图。 （ 8）对部分关键零件进行强度校核。 （ 7）绘制二维总体装配图，并对各个零件进行详细设计，绘制零件的二维设计图。 （ 8）撰写毕业设计说明书。 目前的基础（包括资料收集情况、前期工作情况等） 理论方面：目前已搜集和整理了关于 胶辊激光检测仪 的相关资料和参考书，查阅了胶辊激光检测仪 的 国 内 外 现状与 发展趋势 的相关资料。 学习了关于运动控制技术的相关知识， 基本上 明确了 胶辊激光检测仪的 工作原理和基本结构。 通过对前期所搜集的资料进行学习，明确了胶辊激光检测仪 的设计任务和设计思路 。 软件方面：掌握了三维设计软件和二维工程图设计的基本功能。 论文（设计）进度安排 2015年 3月 8日 3月 31日：查阅关于胶辊激光检测技术 的 国 内 外 现状与 发展趋势 的相关资料，了解胶辊激光检测技术的应用，熟悉 胶辊激光检测仪 的工作原理。学习相关三维设计软件的使用，翻译相关外文文献。参加毕业实习，了解 实习单位与毕业设计题目相关的应用。 确定 胶辊激光检测仪 的总体设计方案 ，撰写开题报告，完成开题。 2015年 4月 1日 4月 10日 ：进一步明确 胶辊激光检测仪 机械部分 的总体设计方案 。根据 胶辊激光检测仪 的使用功能和 设计要求， 选择合适的激光检测仪、伺服电机、支撑结构等。确定 胶辊激光检测仪 机械部分的结构方案。确定关键 零件的 结构和 尺寸 ，并对其结构参数进行计算和校核。 2015年 4月 11 日 4月 30日 ：设计 胶辊激光检测仪 的 总体 机械结构，利用三维软件绘制整体 机构 的三维设计装配和零件图。明确各零件的技术要求，绘制零件的 二维工程 图 。 2015年 5月 1日 5月 15日 ：进一步 完善 总体 设计， 完成二维工程图的设计，完善 各零件的具体技术要求，开始撰写毕业论文。 2015年 5月 15日 5月 31日 ：完善 毕业论文 ，准备毕业答辩资料 。 论文起止时间：自 2015年 3 月 8 日起 2015 年 5 月 30 日止 学生（签名）： 指导教师（签名）： 院（系、中心）负责人（签名）： 注：表格不够可另附页 1 本科毕业论文 开题报告 题 目 胶辊激光检测仪机械结构设计 2 一、选题依据 指导老师自拟题目，本课题的主要 对一种 胶辊激光检测仪的机械结构进行设计，该检测仪采用非接触式测量方法，对印刷机械所用胶辊的几何尺寸以及形位误差进行检测 。 根据胶辊激光检测仪的非接触测量的要求，该胶辊激光检测仪选用非接触式激光测头。为了满足其自动检测的需求，选用 2 轴伺服进给驱动，即激光测头的纵向移动和胶辊的旋转。需要了解胶辊激光检测仪测量原理，确定 其总体测量方案和测控系统，根据测量要求完成其机械结构的设计。 胶辊是由金属辊为内芯向外覆盖橡胶层而组成的橡胶制品之一，是国民经济同步发展不可缺少的产业，其产品广泛应用于工业部门和办公文教部门。改革开放 30 年来，胶辊生产的主要企业引进了国外先进的工装设备、生产技术及检测仪器，从而带动了行业的发展，使国内胶辊的生产有了长足的进步，产品质量及寿命有了很大的提高，基本上满足了国内各个工业部门和办公文教部门的需要。但是，随着用户发展的进一步要求，有些产品仍未能满足需求，我国的胶辊企业需要加大力度，尽快与 国内各工业部门同步发展。 胶辊是在现代工业生产中占有非常重要的地位，广泛应用于机械、印刷、纺织等行业。由此，胶辊的生产就尤为重要，而检测是胶辊生产的最后一个环节，对胶辊的投入以及使用具有重大意义。 激光扫描检测具有检测距离远、调试方便、精准度高等特点，而且不受现场、设置环境的影响，可靠性高。利用激光扫描测量直径的方法，可有效地提高胶辊检测的效率。因此本次课题进行胶辊激光检测仪的机械结构设计。 改革开放以后，我国胶辊行业有了发展的生机，一些骨干企业，经过对国外引进先进技术、工装设备等进行技术改造 后，胶辊的生产有了长足的进步，产品品种不断扩大、性能不断提高，但按发展的要求还有较大的差距。现就国内胶辊企业现状，简单介绍如下 : （ 1） 产品品种少、精细产品不足。目前我国胶辊生产的产品大致有造纸胶辊、印染胶辊、印刷胶辊、其它胶辊 (如制革胶辊、复印机胶辊、打印机胶辊、传真机胶辊等 )。产品品种少，有很多特殊用途的胶辊还是要靠进口来维持配套，其主要原因是制造胶辊用的材质质量不稳定、加工性能差 ;制造胶辊的工装条件差也是另一个主要因素。 （ 2） 企业小而分散，专业化、规模化生产水平低。我国胶辊生产企业的规模从二三十人到几百人不等。 企业小而分散，专业化、规模化生产无条件可言。 （ 3） 科研力量弱、新品开发缓慢。 （ 4） 工装设备老旧，检测手段较低。 （ 5） 标准化工作跟不上形势，执行标准低。 要提高中国胶辊行业的发展水平，除优化产业结构，加强科研力量之外，升 3 级生产设备也是非常重要的一个环节。本次课题研究的是胶辊生产过程中的最后一个环节 胶辊的检测。胶辊激光检测仪是检测胶辊尺寸的机械机构，对胶辊最终投入应用具有重要作用。 采用激光检测的方法对胶辊进行测量，在国外已经被广泛应用，胶辊激光检测仪以其超高的精确性、高效性以及稳定性，成为越来越多企业的选择。本次 课题将对胶辊激光检测仪的机械结构进行设计。 近年来，随着经济的发展以及新兴产业的兴起，胶辊作为工业生产中的常用部件，我国对其需求不断增长。 以印刷业为例，近年来印刷业随着互联网和数字化等信息业和传媒的迅猛崛起而得到了很大的发展，国外在印刷生产技术和装备上都有很大的改进以适应新的性能要求。作为印刷行业重要配件的印刷胶辊也出现了新的生产技术和发展趋势。国内胶辊的生产方式还一直停留于包粘法和包缠法等传统落后工艺，大部分高速胶辊及几乎所有的生产设备技术依赖进口。除此之外，我国在对塑料机械胶辊及工业胶辊的需 求一直保持在较高的水准，胶辊在我国各个产业中都占有重要作用。 胶辊的检测作为胶辊生产过程中的最后一个过程，对胶辊的质量起着重要作用。本次课题胶辊激光检测仪的研究，是对胶辊检测步骤的设计，不仅能够更精确的检测胶辊的形位误差，还能最大程度的节省人力，高效精确地对胶辊进行检测。 本次胶辊激光检测仪的毕业课题设计，旨在设计一套高效精确的胶辊检测装置，为能促进提高企业的产品的技术水平做出贡献，帮助提升我国胶辊产业的技术标准。 4 二、文献综述 国内外的研究及发展 目前国内外胶辊测量的方法有接触式测量和非接触 式测量。 接触式测量，就是测量器械要与胶辊相接处，主要有人工测量和接触式触针测量。 （ 1)人工测量 人工测量采用的工具主要是是游标卡尺 、 千分尺和千分表等。由于人工测量的全部工序都有工人操作，因此测量结果误差大，效率低。并且测量器械要与胶辊表面接触，接触时的压力容易造成胶辊表面的破损。 (2）接触式触针测量 该种测量方式是采用机械触针与被测胶辊表面相接触对被测胶辊进行逐点扫描后获得相关数据，然后进行分析。这种测量方法所用到的测量工具有三坐标测量机、轮廓仪、圆度仪和形状测量仪等，所 以测量精度高、测量稳定可靠、重复性高。但这些仪器几个比较昂贵，对环境要求高，所以应用时非常具有局限性。 非接触测量是采用光学测量技术，利用聚焦探测法，将光束汇聚成光学探针，利用光电探测器接收返回的光线，并将其转化为电信号输出，反映被测胶辊的相对于物镜焦点的位移量。此方法对应的产品有非接触式轮廓仪、 3D 共聚焦显微镜、白光干涉仪、激光检测仪等。主要有 寸测量和激光扫描测量。 （ 1） 量技术 随着生产技术的发展，生产自动化程度越来越高，光电检测技术在各部门的应用将会越来越广泛，数 控技术和计算机辅助设计进步，促进了光电检测和光电传感技术的发展， 术与计算机的有机结合，实时地将信息反馈给自动控制系统，促进了生产过程控制的自动化。物体几何尺寸的精密测量在检测技术中是一个应用十分普遍且有实际应用，而利用 量具有无接触、准确度高、便于计算机处理，易于和自动控制设备连接等一系列优点。 图 1 量原理图 5 寸测量系统由 像传感器、光学系统、微机数据采集和处理系统组成，其基本原理为：将线阵 于平行光路，被测胶辊放于 方的光路中，射向 光就会被物 体挡住一部分，利用 像头拾取胶辊图像，经图像采集卡送入计算机进行图像处理 ;再经过数据采集软件（如 拟仪器软件等）和图像处理软件（如 ）实现图像平滑、图像增强、边缘检测等预处理 ;通过形位误差检测算法，得出胶辊的直径、圆柱度误差和跳动误差 ;最后经系统标定，将测量所得的像元数转化为实际值，从而计算出被测物体的尺寸。这种测量方法要求 敏区的长度大于被测物体的尺寸，而大尺寸的 别昂贵，所以必须通过其他方法来实现光的接收。 寸测量法它具有一些独特的优点 ，是一般机械式、光学式、电磁式测量仪器无法比拟的，这与 身的自扫描高分辨率高灵敏度结构紧凑位置准确的特性密切相关，其中关键的技术就是光学系统的设计和 出视频信号的采集与处理，但是也存在着很多常见的问题。比如：测量的精度受限于 元的大小，由于 元的任何部位接收到光以后都会将接收到的光信号转化成电信号，从而制约了 量方法的测量精度。采用尽量小的 元，可以使它的测量误差尽量减小。但是 像元越小， 成本就越高； 敏区一般为 28直接限制了被测物体的大小，是 的采用 寸测量法生产的设备的型号受限；还有一个就是衍射， 元不是连续的，是一个一个像元互相紧密排列组成的，而由于衍射造成的光的传播不是直线的，结果就很容易出现很大的误差。 综上所述 ,寸测量法具有它的优点，但同时也有诸如结构复杂、成本高等它自己无法克服的缺点。 （ 2） 激光扫描测量法 随着目前工业自动化的飞速发展，自动精度、高速度、高稳定性则是衡量一种测控产品好坏的主要标准。激光技术的发展为测量领域带来了一场革命。人们研制开发出了一系列高性能的尺寸测量产品。因其满足所有测控产品的高精度、高性能、高稳定性以及易于现场安装等优越性能，正日渐为工业测控领域所关注。 图 2 激光测量法原理图 6 如图所示，激光扫描测量是将激光器发出的光束通过扫描转镜多面体和扫描光学系统处理后变成平行光，对被置于测量区域的工件进行高速扫描，被测胶辊只要挡住光束，就会在接收器上产生信号，所以通过分析光电接收器输出的信 号，获得与胶辊直径有关系的数据。 激光扫描检测具有检测距离远、调试方便、精准度高等特点，而且不受现场、设置环境的影响，可靠性高。利用激光扫描测量直径的方法，虽然会出现如扫描速度达不到均匀而产生的原理误差，但是我们可以利用算法的不同降低这部分误差。 参考文献 1徐志刚 . 胶辊的发展方向 J. 特种橡胶制品 , 1994, 15（ 5）： 312苏秀琴 . 量系统设计方案 . 2000: 16253唐宇慧，杨敏，刘其洪 . 基于机器视觉的机械零件直线边缘精确检测 J与液压 2004, (12） :1884朱铮涛 . 基于计算机视觉图像精密测量的关键技术研究 D. 广东 : 华南理工大学， 2004: 345贲春雨，郑宇，郭蕴纹，陈礼华，张国玉，方杨，宋鸿飞 . 大尺寸直径非接触光电检测系统研究 J. 仪器仪表学报， 2006（ 01） . 6唐宇慧 D. 仪器仪表与检测， 2004 (11 ): 737杨继红，张耀鹏 . 同轴度误差和径向跳动误差的区别 2007, 4 (12 ): 188马和，赵丽娟 . 激光在跳动误差测量中的应用 . 工程设计， 2000, 4: 959孙长库 . 激光测量技术 M. 天津 : 天津大学出版社， 2001: 4410叶声华 . 激光在精密计量中的应用 M. 北京 : 机械上业出版社， 1979: 257 三、研究内容 本课题的主要 对一种 胶辊激光检测仪的机械结构进行设计，该检测仪采用非接触式测量方法，对印刷机械所用胶辊的几何尺寸以及形位误差进行检测 。 根据胶辊激光检测仪的非接触测量的要求，该胶 辊激光检测仪选用非接触式激光测头。为了满足其自动检测的需求，选用 2 轴伺服进给驱动，即激光测头的纵向移动和胶辊的旋转。需要了解胶辊激光检测仪测量原理，确定其总体测量方案和测控系统，根据测量要求完成其机械结构的设计。 （ 1）测量仪器的选择 量的精度受限于 元的大小，从而制约了 量方法的测量精度。尽管采用尽量小的 元，可以使它的测量误差尽量减小。但是 像元越小， 成本就越高； 敏区一般为 28直接限制了被测物体的大小，是的采用 寸测量法生产的设备的型号受限；还有一个就是衍射， 一个一个像元互相紧密排列组成的，而由于衍射造成的光的传播不是直线的，结果就很容易出现很大的误差。 激光扫描检测具有检测距离远、调试方便、精准度高等特点，而且不受现场、设置环境的影响，可靠性高。利用激光扫描测量直径的方法，虽然会出现如扫描速度达不到均匀而产生的原理误差，但是可以利用算法的不同降低这部分误差。 激光扫描测量则同时满足了上述各项优点，所以，本次设计采用激光检测法。 （ 2）胶辊绕轴的周向转动 为了减少测量误差，需要从多个角 度测量胶辊直径。为实现这一操作，需要检测器绕胶辊的轴心转动或者检测器固定胶辊转动。检测器结构复杂，不宜做复杂的运动，并且胶辊绕轴转动容易实现，因此采用胶辊转动的方式。 （ 3） 检测仪的相对于胶辊的轴向移动 从多个部位测量胶辊的直径，增加检测的准确性。实现该步骤只需要一个简单的往复动作，拟采用检测器平行移动的方式实现该步骤。 （ 4） 驱动装置 本次机械结构设计拟采用 2 个驱动，一个用于驱动胶辊的转动，另一个驱动检测器的往复移动。 (1)检测装置的选择 根据所需测量胶辊的直径、误差范围等技术参数，选择合适 的激光测量装置。 可行性：由于市场上有专门的激光测量仪，所以这个方案可以实施。 8 (2)实现胶辊的周向转动 图 3 胶辊周向转动简图 如图 3 所示， 2 为主动件， 3 为惰轮。胶辊的一端放置于 1 与 2 的中间。电动机带动 2 转动的同时，通过惰轮 3 的作用，同时带动 1 转动， 1 与 2 的转动方向相同，从而带动胶辊的运动。 可行性：适当提高 1 与 2 表面的摩擦力，就能够带动胶辊的轴向转动，此方案可行。 （ 3）实现检测装置的往复运动 图 4 检测仪往复运动简图 如图 4 所示，采用丝杠传动，将检测装置与导轨连接，驱动装置通过丝杠带动检测装置在导轨上往复运动。 综上所述，用简单的机械原理能够使胶辊实现周向转动以及相对激光测量仪的平动，因此该方案能够实施。 1 2 3 9 四、论文（设计）进度安排 起止时间 主要内容 预期目标 2015 年 3 月 8 日 3 月 31 日 查阅关于胶辊激光检测技术的 国内外现状与发展趋势 的相关资料，了解胶辊激光检测技术的应用，熟悉胶辊激光检测仪的工作原理。学习相关三维设计软件的使用，翻译相关外文文献。参加毕业实习，了解 实习单位与毕业设计题目相关的应用。 确定胶辊激光检测仪的总体设计方案，撰写开题报告，完成开题。 2015 年 4 月 1 日 4 月 10 日 进一步明确 胶辊激光检测仪机械部分的总体设计方案 。根据 胶辊激光检测仪 的使用功能和设计要求，选择合适的激光检测仪、伺服电机、支撑结构等。确定 胶辊激光检测仪 机械部分的结构方案。确定关键零件的结构和尺寸，并对其结构参数进行计算和校核 。 完成机械结构的设计，包括关键零件的结构和尺寸，完成计算和校核任务。 2015年 4月 11 日 4 月 30 日 设计 胶辊激光检测仪的 总体机械结构，利用三维软件绘制整体 机构 的三维设计装配和零件图。明确各零件的技术要求，绘制零件的二维工程图。 完成三维图和二维图的绘制工作。 2015 年 5 月 1 日 5 月 15 日 进一步完善总体设计，完成二 维工程图的设计 ,完善各零件的具体技术要求，开始撰写毕业论文。 三维图和二维图检查无误，毕业论文大致框架完成。 2015年 5月 15日 5 月 31 日 完善毕业论文，准备毕业答辩资料。 毕业论文准确无误，答辩工作准备充分。 10 五、审核意见 导师意见 导师签字 : 年 月 日 审核小组意见 审核小组成员签字： 年 月 日 注： 1、表格不够可加附页。 2、审核小组应至少由三位具有高级职称的教师组成；必要时可召集开题报告会。 本 科 毕 业 设 计 胶辊激光检测仪机械结构设计 I 要 胶辊 广泛应用于机械、印刷、纺织等行业，在工业生产中占有重要地位 ,在日常生活中也 被广泛使用。胶辊的生产对工业的发展，日常生活的正常运行具有重要意义。胶辊产业的发展也是衡量一个国家工业水平的重要指标，胶辊检测作为 胶辊生产过程中最后一个环节，检测的精度和效率直接关系到胶辊产品的质量和效率 ，具有重要作用。本次设计以激光检测为手段，对胶辊的几何尺寸和形位误差进行检测， 采用一定的机械结构，实现胶辊的自动化检测， 设计出一套精确高效的胶辊激光检测设备。 本次设计 采用 伺服电机驱动，用齿轮变速机构和滚珠丝杠传动，配合其他机械元件，实现胶辊与检测仪的相对平动和转动。 采用激光检测仪 测量 并分析胶辊的形位误差 。 关键词 ： 形位误差 ； 齿 轮传动；滚珠丝杠； 激光测量 in an in it is in as of to of is in is to an to by a of a of of 录 1 绪论 . 1 本概况 . 1 . 2 2 设计思路 . 4 光检测头的选择 . 4 辊周向转动 . 5 辊相对测量装置的移动 . 6 动装置 . 6 章小结 . 7 3 变速机构的设计 . 8 轮的设计 . 8 动轴和传动轴承设计 . 14 的选择及校核 . 14 承的选择 . 15 速器箱体的设计 . 16 滑与密封设计 . 16 章小结 . 17 4 滚珠丝杠的计算与选型 . 18 杠及滚珠丝杠副的选型 . 18 系统刚度及校核 . 19 章小结 . 21 5 其他结构的设计 . 22 . 22 作平台的设计 . 23 V 章小结 . 24 结论与展望 . 25 参考文献 . 26 致谢 . 27 1 绪论 1 1 绪论 本概况 胶辊是以金属辊为内芯，外层覆盖橡胶层而形成的橡胶制品之一，在工业中具有广泛应用，是国民经济的发展的不可或缺的产业。胶辊广泛应用于以机械、纺织业、印刷业为主的工业部门，在办公文教部门也有广泛应用，在现代工业中占有非常重要的地位。二十世纪八十年代以来 ， 我国的 一些从事生产胶辊 企业 从国外引进了先进的 生产工艺 、机器设备 和检测仪器，在胶辊的质量、寿命以及精度方面都有了大的飞跃，我国胶辊生产行业有了较大进步，基本满足了国内各工业部门以及办公文教部门的需求。但随着发展的进一步要求，有些部门对胶辊产品的质量提出更高的要求，因 此有些产品未能满足需求，我国胶辊行业的发展仍需要加大力度。 在胶辊生产的过程中，胶辊检测作为胶辊生产的最后一个环节，是保证胶辊能够 正常投入使用量度，对胶辊的生产应用具有重大意义。 改革开放以后，国内一些骨干企业和先进企业对国外先进生产设备、工艺技术和测量仪器的研究和改进，使国内胶辊制造行业有了较大进步，产品品种增多，胶辊质量有了较大提升。 但相对国内 其他行业的 发展 ，胶辊的生产不能满足很多行业的需求 ，胶辊企业还存在以下问题：产品品种较少， 我国胶辊行业生产的产品主要集中在造纸胶辊、印刷胶辊、印染胶辊等，种类较少 ，其他精细类胶辊产品大部分需要从国外进口；企业分散，机械化水平低，我国大多数企业分散，规模化生产水平低，不利于生产标准化的推广，执行标准低；科研力量薄弱，产品研发速度慢，我国在胶辊行业的科研投入比例较小，导致新产品研发速度跟不上其他行业发展的需求；我国大部分胶辊生产设备老旧，检测手段较低。这些问题制约了 我国胶辊行业的发展， 要改变这一现状，除优化产业结构，加强科研力量之外，升级生产设备也是非常重要的一个环节。本次研究的是胶辊生产过程中的最后一个环节 胶辊的检测。胶辊激光检测仪是检测胶辊尺寸的机械机构，对胶辊最终投入应用具有重要作用。 毕业设计 2 展现状 目前，国内外胶辊检测的方法主要有 两种：接触式测量和非接触式测量 触式测量 接触式测量是测量器械要与胶辊的接处测量出相关数据，主要有人工测量和接触式触针测量。 (1) 人工测量 人工测量是采用千分尺、游标卡尺、千分表等仪器进行测量。人工测量的所有工序都由工人操作，测量结果误差较大。并且这些仪器测量时要与胶辊相接处，接触压力容易造成胶辊表面的破损。 (2) 接触式触针测量 该种测量方式是采用机械触针与被测胶辊表面相接触对被测胶辊进行逐点扫描后获得相关数据，然后进行分析。这种测量方法所用到的测量工具有三坐标测量机、轮廓仪、圆度仪和形状测量仪等，所以测量精度高 ， 测量稳定可靠。 但测量仪器价格比较昂贵，对环境要求高，所以应用时非常具有局限性。 接触式测量 非接触式测量是利用光学原理，利用光探测器将相关的光信号转化为电信号输出。随着生产技术的发展，生产过程中的自 动化程度越来越高，光电检测技术在各个方面会得到越来越广泛的应用。进入 21世纪，计算机技术发展迅速，数控和技术也进入一个高速发展的阶段，这些都促进了光电传感技术的发展，光电检测越来越普遍地应用到生产生活中 。 目前在胶辊检测方面应用较多是 量技术和激光检测技术。 (1) 量技术 学系统、微机数据采集和处理系统组成，其基本原理为：将线阵 测胶辊放于 向 用 图像采集 卡送入计算机进行图像处理 ;再经过数据采集软件（如 拟仪器软件等）和图像处理软件（如 现图像平滑、图像增强、边缘检测等预处理 ;通过形位误差检1 绪论 3 测算法，得出胶辊的直径、圆柱度误差和跳动误差 ;最后经系统标定，将测量所得的像元数转化为实际值，从而计算出被测物体的尺寸。这种测量方法要求 敏区的长度大于被测物体的尺寸，而大尺寸的 以必须通过其他方法来实现光的接收。 信息及时反馈给控制系统 。物体几何尺寸 的精密测量在检测技术中是一个应用十分普遍且有实际应用，而利用 确度高、便于计算机处理，易于和自动控制设备连接等一系列优点。 (2) 激光扫描测量法 进入 21世纪，激光技术的发展突飞猛进，这也促进了 测量领域的发展。利用激光的高效和准确性，一系列尺寸测量产品被研发出来，这些测量产品精度高，测量时稳定，性能高。这些其他测量仪器所不具备的 优点 ,使激光测量技术迅速进入工业测量领域，并被大量使用 。激光扫描测量是将激光器发出的光束通过 一系列光学元件和光学系统 处理后变成平行光，对被置于测量区域的工件进行高速扫描，被测胶辊只要挡住光束，就会在接收器上产生信号，所以通过分析光电接收器输出的信号，获得与胶辊直径有关系的数据。 激光扫描测量是将激光器发出的光束通过扫描转镜多面体和扫描光学系统处理后变成平行光，对被置于测量区域的工件进行高速扫描，被测胶辊只要挡住光束，就会在接收器上产生信号，所以通过分析光电接收器输出的信号，获得与胶辊直径有关系的数据。 激光扫描检测具有检测距离远、调试方便、精准度高等特点，而且不受现场、设置环境的影响，可靠性高。利用激光扫描测量直径的方法，虽然会出现如扫描速度达不到均匀而产生的原理误差，但是可以利用算法的不同降低这部分误差。中国海洋大学本科毕业设计 4 2 设计思路 本课题的主要 对一种 胶辊激光检测仪的机械结构进行设计，该检测仪采用非接触式测量方法，对印刷机械所用胶辊的几何尺寸以及形位误差进行检测 。 根据胶辊激光检测仪的非接触测量的要求，该胶辊激光检测仪选用非接触式激光测头。为了满足其自动检测的需求，选用 2轴伺服进给驱动，即激光测头的移动和胶辊的旋转。需要了解胶辊激光检测仪测量原理，确定其总体测量方案和测控系统，根据测量要求完成其机械结构的设计。 工作流程如图 2示， 伺服电机 1通过齿轮变速装置，带动滚子转动，滚子通过摩擦力驱动胶辊绕轴心转动；伺服电机 2驱动丝杠装置，丝杠带动检测仪沿着胶辊轴向做直线运动。从而实现胶辊相对激光侧头 的 周向转动和轴向移动。 图 2工作流程图 光检测头 的选择 而制约了 管采用尽量小的 以使它的测量误差尽量减小。但是 8直接限制了被测物体的大小，是的采用 有一个就是衍射， 一个一个像元互相紧密排列组成的，而由于衍射造成的光的传播不是直线的，结果就很容易出现很大的误差。 激光扫描检测具有检测距离远、调试方便、精准度高等特点，而且不受现场、设置环境的影响，可靠 性高。利用激光扫描测量直径的方法，虽然会出现如扫描速度达不到均匀而产生的原理误差，但是可以利用算法的不同降低这部分误差。 2 设计思路 5 采用 激光检 装置，激光检装置 相关的产品在市场上已经比较完善，我们选取 市场上已有的产品，型号 关参数如 表 2 表 2激光测头参数 工作电压 220V 15 50作温度 10 40 环境湿度 所以 齿轮的 齿面接触疲劳强度足够。 (6) 校核 齿轮的 齿根弯曲疲劳强度： 1) 确定公式内各计算数值： 当量齿数： 1 = 13 = 1 = 1 = = 已求得 : = =13589N 定滚珠丝杠副预紧力 F = 13 其中 = 400 F = 133N 定滚珠丝杠副支承用得轴承代号，规格 (1) 轴承所承受得最大轴向载荷 4807 2200 7007 (2) 轴承类型 采用 一端固定，另一端游动的支撑方式。固定一段采用一对角接触轴承， D=47径 d=20B=12接触轴承可以限制丝杠径向的移动。另一端采用一个深沟球轴承，只起到支撑作用。 系统刚度 及校核 丝杠抗压刚度 (1) 丝杠最小抗压刚度 = 221 102 （ 4 式中： 2为 丝杠底径 1为 固定支承距离 中国海洋大学本科毕业设计 20 代入数据 得： 154N/m丝杠最大抗压刚度 = 22 140(111)102 代入数据得 = 900 N/m(2) 支承轴承组合刚度 1）一对预紧轴承的组合刚度 0 = 2253 (4式中： 为 滚珠直径 ， Z 为 滚珠数 ， 为 最大轴向工作载荷 N， 为 轴承接触角 。 由现代机床设计手册查得 7602030承 是预加载荷得 3 倍 870/ , 0 = 75/ 2）支承轴承组合刚度 = 20 = 150/ 3) 滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 = ( )13 式中： = 2150N/， = 2200N， = 733N 代入数据得 ： = 1491N/ 4）刚度验算及精度选择 = Z 17， 60 1 = 1+ 1+ 1(4 由式 4入数据得： 1130，11476 求传动系统刚度变化引起得定位误差 ： 4 滚珠丝杠的计算与选型 21 = 0( 1 1) 式中 0为静态摩擦力，代入数值得：k 5m(3) 最终确定滚珠丝杠副的 规格代号 型号 ： 称直径： 20，导程： 5 螺纹长度 980，丝杠长度 1100 P 类 3 级精度 所选规格型号： 100 980 章 小结 滚珠丝杠是一种传动效率高，传动精确度高，传动稳定性强的传动元件。由于激光测头测量胶辊时，需要稳定的运动，因此选用滚珠丝杠传动可以满足要求。滚珠丝杠是一种相对复杂的元件，因此在设计时确定滚珠丝杠副以及丝杠的尺寸后，可以通过设计的要求在市场上购买所需要产品。 滚珠丝杠与导轨滑块 机构 同时作用 ，使 激光 测头 沿着导轨方向移动，胶辊和导轨方向平行，因此激光侧头实现了沿胶辊轴平动的动作。 导轨与丝杠通过螺钉固定在平台上工作，通过平台平面与孔进行定位。中国海洋大学本科毕业设计 22 5 其他 结构 的设计 栓组 的设计 本从设计中多出需要螺栓和螺钉连接， 选取受力较大和受力情况比较复杂的零件进行研究。 其中，激光侧头与滚珠丝杠副连接处的受力最大，以此为例，对该连接处的螺栓组进行设计。 力分析 螺钉 组仅受横向载荷 = 式中： 为 导轨滑块与导轨的摩擦系数， =m 为 胶辊检测仪的质量， m=34kg g 为 重力加速度， g=9,8N/ 钉 预紧力： 0 = 式中： 为 防滑系数， =.3 z 为 螺 钉 个数， z=4 i 为 接合面数， i=1 f 为 结合面的摩擦系数， f= 连接强度的计算： 5 其他结构的设计 23 螺 钉 危险截面的拉伸强度为 = 0412 ,- 螺 钉 材料选用 45 号刚， =250340入数值 1 为保证；螺 钉 的强度足够， 取 1=8螺钉长度 L=20纹长度 10 作平台 的设计 珠丝杠工作平台的设计 工作平台的 主要 作用 有以下 两 点： 首先 ,用于 固定滚
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