毕业论文-轴类零件计算机辅助测量仪结构设计.doc

第一章 绪 论1.1 课题研究意义由于制造和安装上的原因，每个回转的零部件或多或少地存在着偏心和跳动。圆度误差是指回转体的同一正截面上实际被测轮廓对其理想圆的变动量1。机械零件回转表面正截面轮廓的圆度误差对机器和仪器的功能有直接的影响，因此，在设计机器和仪器时，根据零件的功能要求，要给出适合的公差。随着制造装备向高速化、高精度发展的需要，对零件加工精度的要求也愈来愈高，零件的几何精度直接影响装备的精度。在高速运动下，零件的偏心、跳动、不圆度等会引起装备的振动和噪声，降低装备的使用寿命，严重时甚至造成疲劳损坏。因此，对回转体零件的典型截面进行圆度误差测量是检验该类零件加工质量的重要指标之一。但已加工零件的圆度误差是否被控制在给定的公差之内，需要通过测量加以评定。目前，在大型工矿生产企业基本上已实现零部件的计算机测试手段，如三坐标测量仪、圆度测量仪等，但这些测量设备价格昂贵，且设备的维护保养工作量大，更主要的是，这些测量仪一般不在生产线上，不能实现在线测量。在圆度误差的评定理论方面，国内许多学者的研究水平与国际水平相当，有些研究已处于世界领先水平2-7。但是，在实测量仪、在线测量系统的研制及误差分离技术的研究和应用等方面8-13，就综合水平和整体实力来看，与先进国家相比仍有较大的差距。因此，研究低成本、高精度的在线综合测量仪具有广泛的应用前景，为加速测量仪的国产化具有重要的现实意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 圆度误差实测量仪的研究现状目前，圆度仪仍为圆度误差测量的最有效手段。按照结构的不同，可将圆度仪分为两种：主轴旋转式和工作台旋转式。当仪器测头与实际被测圆轮廓接触时，实际被测圆轮廓的半径变化量就可以通过测头反映出来，此变化量由传感器接收，并转换成电信号输送到电气系统，经放大器、滤波器、运算器输送到微机系统，实现数据的自动处理、打印及显示结果。圆度仪可以保证很高的采样精度和评定精度，评定方法符合标准的要求，并配有专用的微机，工作效率高，不失为一种理想的测量仪器。但是圆度仪的成本高，价格昂贵，对操作环境、条件的要求严格，通常仅限于计量室中使用，不能用于车间现场；另外，圆度仪作为一种高精度的仪器，频繁地用于一般零件的测量，在经济上也不合理；再者，圆度仪由于其规格所限，只能用于中小型零件圆度误差的测量，这样就使圆度仪的使用受到一定的限制。对于中小型精密零件的测量，坐标测量仪也是一种精确有效的测量手段。测量时，在被测截面圆轮廓上选定若干测点，一一测出它们的坐标。然后进行数据处理，求解圆度误差值。但是，测量轴类零件的圆度误差时，存在不便获得采样数据，对大型、长轴类零件难于安装的问题。因此，在生产实际中，目前仍然采用一些近似的方法，如两点法、三点法 (形块法 )等。该方法设备简单，测量方便，但存在着测量原理误差，使测量结果很不可靠，甚至和真实误差值相差很大，因此，其测量精度很低。以三点法为例，三点法即在两个固定测量支承和一个可以在测量方向上移动的指示器测头之间所进行的测量。被测零件可放置在形块上测量，在被测零件匀速旋转一周的过程中，由指示器测头相对于被测圆轮廓的位移的变化量来反映圆度误差。由于被测零件不是绕固定轴线回转，它的回转中心时刻在变化，因此，指示器的示值不是被测圆轮廓的半径变化量，而指示器最大与最小示值之差就不一定等于圆度误差值。综上，对大型、长轴类零件，目前缺乏普遍的圆度误差检测手段，对于一般精度等级的零件，也缺乏一种经济合理的车间现场检测手段。1.2.2圆度误差在线测量的现状在机械加工过程中，由于在线测量时加工系统中存在着各种各样的影响因素，使其比离线测量要复杂得多，因此，尺寸和形状误差的在线测量技术发展得相当缓慢，60年代末出现的误差分离技术为在线测量技术的发展提供了可能，使形状误差从综合误差中分离出来14。从此，采用误差分离技术对圆度误差进行在位测量的工作不断走向深化和成熟。在文献15-19中圆度误差在线测量系统一般包括机械装置部分、接口部分、微机系统部分。机械装置部分一般由测头架组成，用来支持和固定测头，并使测头在径向可调。接口部分一般为被测信号的输入通道，主要完成将位移变化量转换为微机能够处理的数字量，包括：传感器、放大滤波电路、采样保持电路、/转换电路。被测位移变化量经传感器被转换为电压、电流等模拟量。经放大电路使其与转换输入相匹配，再通过滤波电路将与圆度误差无关的表面信息 (表面波度、表面粗糙度等 )去掉，然后经采样保持电路来实现对信号的采样和保持。因为在微机采样系统中，转换需要一定的时间，在此期间，采样值应一直保持不变，否则会影响转换结果。最后，/转换电路将模拟量转换成计算机能够处理的数字量。微机系统是根据所建立的数学模型对接口提供的数据进行相应的处理，得出被测件的圆度误差值，输出结果。为了便于采样数据的长期保存，并作进一步的分析，采用单片机同微机串行通信的传输方式，实现两种机型的指令与数据的交互。这种以单片机为核心的测量系统与误差分离技术相结合，使在线测量精确易行。但是，由于现场环境恶劣，受震动、灰尘、潮湿、有害气体及电磁干扰等诸多因素的影响，测量系统的抗震及抗干扰问题、计算机系统的实时性 (实时响应，实时处理 )及单片机与微机的通讯和测量精度等问题尚未得到完满的解决20-21。1.3 研究内容随着科学技术的发展，要求机械加工装置的精度越来越高。在机械加工时，经常会遇到加工高精度的轴件。对被加工轴件的测量方法通常有两种：静态测量、动态测量。静态测量不能及时测量被加工轴件的当前尺寸，劳动效率较低，易出现废品；动态测量可使加工精度、生产效率相对提高。传统的动态测量往往采用于分表进行读数，当被加工轴件具有圆度误差时，机械表针会产生摆动，由于表针存在惯性，测量汉的表针不能准确指示工件的当前尺寸，存在一定的测量误差，不能满足加工高精度铀件的要求。所以研制一种能够实时测量被加工轴件的最大直径、最小直径相对于标准轴径偏差值的动态测量仪很有必要。其主要研究内容如下： 1、在广泛阅读文献的基础上，对测量原理做了较深入的分析和研究，指出了采用V型测量法存在的不足，提出了测量基准和加工基准统一的测量原理。在此基础上，研究了圆度测量装置的总体方案，该总体方案能实现自动装夹，自动测量及数据处理，同时也要实现多公差项目的检测。（第二章）2、主要研究了总体方案中总体结构的设计，包括布局型式，零部件的选用，关键零件的校核计算。（第三章）第二章 轴类零件测量装置总体方案设计2.1 引言目前，多数工业生产中，对产品的质量控制与监测往往贯穿于整个过程的始终。在机械行业的批量生产中，数控机床、加工中心已经普遍使用，对多参数综合检测的要求越来越迫切22-23。但在实际生产中，形位误差广泛采用近似测量方法或代用方法，测量结果的可靠性差，常因测量方法或评定方法的不当而误收或误废。传统的测试手段以千分表等仪器为手段，采用近似法测量24-26，由于人的视觉误差等主观因素的影响，易导致测量数据的不准确。同时，由于手工测量数据不够多，而难以对零件做出精确评价，且手工测量只能针对某一公差项目而不能实现对多参数同时进行检测，效率低。随着制造装备向高速化、高精度发展的需要，对零件加工精度的要求也愈来愈高，零件的几何精度直接影响装备的精度。在高速运动下，零件的偏心、跳动等会引起装备的震动和噪声，降低装备的使用寿命，严重时甚至造成疲劳损坏。因此，许多高、精、尖的测试仪器和设备也不断出现，以圆度误差为例，圆度仪不失为一种理想的测量仪器，但由于其价格昂贵，测量的成本高，在生产线上很难广泛使用。本文提出并设计了一种由计算机控制的数据采集系统对被测工件进行自动测量的装置，可以满足工业生产中一些小尺寸轴类零件的公差测量，也为大尺寸轴类零件的公差测量提供了原型。本章主要讨论圆度测量装置的总体方案，包括装置总体结构、控制系统及数据采集系统的总体方案。2.2 设计的任务2.2.1 检测的项目针对轴类零件几何参数的检测，主要有以下检测项目：轴的圆度误差；轴的径向跳动和端面跳动误差；轴的直径尺寸误差；轴的长度尺寸误差。2.2.2 设计的要求工件的自动装夹：即 要求零件放在测试台上，能够实现工件的自动装夹，而不为人工干预，为此需要设计整个装置的结构和完成以上的目标。数据的采集与处理；即要求数据的自动采集，可以实现轴类圆周上任意多点采集，并能够对数据进行自动处理，与检测标准比较以确定零件是否合格。检测过程的自动化：在整个检测的过程中，无需人的干预，一次装夹完成多参数项目的检测。2.3 测量原理分析2.3.1现行测量方法分析目前工厂生产过程中大多采用V形测量法，对工件的端面跳动进行测量，其测量原理如图2-1所示：图2-1 V型测量原理1）径向跳动：将被测工件放在V形铁上，用手转动工件，在工件的上方装有测量仪器（千分表），通过人眼观察千分表读数变化，从而确定工件的径向跳动是否合格。2）直径误差：对于轴的直径公差的检查，仍然采用通止规来检查。若通规能通过，止规不能通过，则直径的尺寸公差是合格的；若通规不能通过，则尺寸公差不合格，但仍可修复；若止规能通过，则尺寸公差不合格，整个工件也就就报废了。3）圆度：对于圆度的检查，由于需要较多的检测数据，往往生产线上都不能做此项目检测。4）端面跳动：方法同1），只是将千分表水平置于端面检测。5）长度误差：往往通过高度尺或游标尺进行检测。以上的测量方法主要存在以下不足：1）每个项目的检查需要用到不同的工具，不同的检测仪器的精度不一致，不同的检测人员在手上的用力程度不同，检测就会得到不同的结果，对检测人员的要求较高；2）视觉上的读数误差，如果检测数量大，人易疲劳、效率低；3）不能做到多项目的同时检测，不能指出最大、最小尺寸的位置；4）数据日志记录烦琐，不易对零件进行统计分析，不能有效地提出质量控制的办法；5）测量基准与加工基准不统一。2.3.2 现行测量原理与测量实现方法为了克服传统测量方法的不足，实现自动检测，对上述测量方法改进如下：1）不在以零件的外圆作为定位面，而是以零件的回转中心作为定位面，见图2-2，零件两端面打中心孔，这个中心孔也是零件在磨削过程中的定位孔，从而实现了加工基准与测量基准的统一；2）为了能同时检测多个项目，用一根标准轴（已知各项检测数据）来标定传感器；3）为了能够自动得到零件的检测结果，需要设置被测零件的检测标准。图2-2 改进的测量原理工件轴测试的实现方法具体叙述如下：检测标准的设置：主要用于被测工件检验标准的设置及标准轴基本尺寸的设置和显示, 如跳动量，尺寸公差等。标准轴的测试：主要完成标准轴有关的项目的检测。同时，用于各位移传感器的标定，并将标准值记录下来，与被测工件进行比较得到被测轴的基本尺寸。工件的测量：主要完成被测轴有关数据的测量，包括被测轴的基本尺寸（半径）以及被测轴的端面跳动误差、径向跳动误差、圆度误差等。被测轴基本尺寸的测量，可以将被测轴测量时的电压，与标准轴基本尺寸测量的电压值相比较，并换算成相应的毫米值，从而得到被测轴的基本尺寸。被测轴的轴向跳动误差和径向跳动误差的测量，可以让被测轴每转一周，通过传感器测量一周的若干点（例如72点）数据，并从每组测量的数据中找出最大值和最小值，求出工件的跳动量，根据标准轴测量的基本尺寸对应的电压值转换成相对应的毫米值，从而计算出被测工件的轴向跳动误差和径向跳动误差的值。然后与测试标准设置的公差进行比较，判断基本尺寸及跳动量是否超标。其中：工件轴径最大值=标准轴径+|工件轴径向跳动测量值最大值（1#或2#）-标准轴径测量值（1#或2#）|；工件轴径最小值=标准轴径+|工件轴径向跳动测量值最小值（1#或2#）-标准轴径测量值（1#或2#）|；工件长度最大值=标准轴长度+|工件轴端面跳动测量值最大值（3#）-标准轴长度测量值（3#）|+|工件轴端面跳动测量值最大值（4#）-标准轴长度测量值（4#）|；工件长度最小值=标准轴长度+|工件轴端面跳动测量值最小值（3#）-标准轴长度测量值（3#）|+|工件轴端面跳动测量值最小值（4#）-标准轴长度测量值（4#）|；工件轴径向跳动=工件轴径向跳动测量值最大值（1#或2#）-工件轴径向跳动测量值最小值（1#或2#）；工件轴端面跳动=工件轴轴向跳动测量值最大值（3#或4#）-工件轴轴向跳动测量值最小值（3#或4#）；圆度的测量可以通过多点测量数据,应用最小二乘法找出最小二乘圆的圆心，度量二乘圆的圆心与轴心的偏移来确定圆度的误差。2.4 总体方案设计2.4.1 结构方案的设计测量装置的结构装配简图见图2-3，被测工件采用卧式放置，检测基准与加工基准统一，电涡流传感器的安装可参见27。其工作过程如下：图2-3 测量装置的结构装配简图如图2-3所示，将被测工件放在左、右顶针3、12之间的V形块8上，用鼠标点击控制系统界面上的自动测量按钮，起动PCL-83928，并通过其地址0x300H的第一通道向移动电机发出脉冲信号，经驱动放大器驱动移动电机，通过同步带带动丝杠5实现滑块1从左到右的移动，使左顶针顶起被测工件，同时，滑块压下行程开关10，行程开关的信息控制PCL-839的第二通道工作，控制旋转电机的转动。旋转电机通过同步带带动右顶针12转动，使被测工件一起同步旋转，在工件转动的同时，其脉冲信号经导线送至HY-1232数据采集卡（设置的地址为0x280H）的0号通道，HY-1323起动工作后，检测0号通道中的信号是否下降沿（或上升沿），若不是，则不进行采样，继续等待，直至0号通道出现下降沿；若是，则采样各传感器的测量数据，直至完成被测工件每周若干个点的数据采样，在采样数据完成后由软件控制转动电机停止转动，稍后，使移动电机反转，带动丝杠使滑块从右向左移动，松开工件，滑块压下行程开关XK1，复位，取出被测工件，从而完成一根轴的测量。2.4.2 数据采集系统与电机控制系统方案数据采集系统与电机控制系统方案如图2-4所示。数据采集卡选用HY-133229；传感器选用CWY-D0-50030；移动电机选用57BYGH802；转动电机选用42BYGH10131；驱动器选用SJ-200；控制卡选用PLC839。由于电涡流传感器的输出电压为18V，而数据采集卡的最高输入电压为5V，所以，设计中在每路数据采集通道上增加了一个转换电路，以解决匹配问题。同理，PCL-839输出端口的脉冲电压为12V，此脉冲电压用以控制数据采集卡在脉冲电压下降沿采集数据，为了解决与数据采集卡的电压匹配，在此通道上也安装了电压转换器。图2-4 数据采集系统与电机控制系统方案本章小结1. 分析了轴类零件的测量原理，指出了采用V形测量存在的不足，提出了多公差项目同时检测的新方法，做到了加工基准与检测基准的一致性；2. 简述了零件测量的基本过程；3. 探讨了装置的总体设计方案。第三章 结构设计与计算3.1装置部件的结构方案3.1.1 左右两顶针的设计及传感器及的布置1、将一个传感器安装在底座上，测量被测轴的径向公差，另外一个传感器安装在滑块和移动支架上测量被测轴的轴向公差，左右两顶针则分别安装在滑块和固定支架上，用角接触球轴承来联接。2、将一个传感器安装在滑块上，滑块通过丝杠（二）及底座上的导向槽可以左右移动，从而带动传感器的左右移动；另一个传感器安装在被测工件后面的一个传感器移动支架上，传感器可以上下移动，这样可以测量不同直径的轴类零件。将左顶针设计为死顶针，和滑块用小过盈配合联接，右顶针装在固定支架上用角接触球轴承联接。 通过比较，决定采用第二种方案，因为在实际的制图过程中也发现，国家标准中角接触球轴承的最小外径30mm，而被测轴的轴径为40 mm，这样，再安装了传感器之后，传感器的探头不可能全部都对在被轴的端面上，有一部分已经超出了被测轴的轴径端面，这样就无法达到测量的目的。由于左顶针是死顶针，所以可以在被测轴的右端面和固定支架之间加一个摩擦增矩机构，来增大摩擦，使被测轴能轻松地随转动电机转动起来。3.1.2 移动电机的布置若采用联轴器，将移动电机装在电机支架上，使电机轴和丝杠的中心在一条直线上，用联轴器进行联接，来传递力矩（如图3-1.a）。若采用同步带，在电机轴和丝杠的左端分别装上带轮再用同步带进行联接来传递力矩，这样可以将电机放置在丝杠的后面，可以在底板上开槽装入电机支架，这样不但可以调节两个带轮的中心距，还可以在电机支架和底板之间放置橡胶垫，起到减震作用（如图3-1.b）。 (a) (b) 图3-1 电机的连接方式通过选择，在带动顶尖的转动和移动过程中，丝杠与电机及顶尖与电机采用第一种方案；在使传感器支架移动时，所用的丝杠与电机的连接采用第二种方案，即采用联轴器，把移动电机和丝杠直接联接这样虽然比较简单，虽然，这种联接的方法，很显然会使整个装置的布局更加狭长，另外，也没有考虑到移动电机在工作时会产生震动的因素；而第一种方案用同步带来联接，在移动电机轴和丝杠上分别装上带轮，一方面，同步带可以起到减震的作用，而且可以在电机支架和底座支间加橡胶垫，可以减震，也可以用来调节两个带轮的中心距。但是传感器的移动的载荷比较小，精度要求不是很高，还考虑到节省空间等因素，在带动传感器移动的丝杠与电机的连接采用联轴器。3.1.3工件安放方式分析根据被测零件安放的位置的特点可分为立式放置和卧式放置，如图3-2所示。从被测工件的定位安装来看，如果采用立式放置，会导致工件自动装夹不便，所以被测工件采用卧式放置。(a) 工件垂直安放 (b) 工件水平安放图3-2 工件安放方式3.1.4 导轨设计32-35导轨可分为滑动导轨和滚动导轨，滑动导轨又可以分为以下几种： 普通滑动导轨 它的优点是：结构简单，制造维护方便；刚度好，承载能力大，抗震性好。但摩擦系数大，磨损大，所需的驱动功率大。动静系数差大；摩擦系数和运动速度的非线性关系，在低速运动60mm/min时容易产生爬行。 动压导轨 动压导轨是液体摩擦，它的摩擦系数很小，其结构也比较简单，由于形成油楔要求一定的速度，在反向、启动和停止时，有减速的过程，这就不能保证液的润滑，容易造成较大的磨损。 静压导轨 它的优点：摩擦系数极低，液体静压导轨为0.0005左右，气体静压导轨更小。动静摩擦系数基本没有差别。驱动的工率也很小。但对油的清洁度要求较高，否则容易产生堵塞，因此要有一套过滤量好的液压设备，所需的费用很大。调整困难。导轨面的加工精度要求很高，若不平的话，形成油膜就很困难。 滚动导轨 滚动导轨具有摩擦系数小（0.001-0.0025），不受速度的影响，动静摩擦系数差很小，低速时不会产生爬行现象（若制造质量太差，预加载荷过大也会出现爬行现象）。运动灵捷，当传动刚度好（3040N/m）时，定位精度可达0.10.2m。所需的传动功率较小发热量较小，磨损较小，精度保持性好。可以预加载荷，完全消除导轨间的间隙，可以提高刚度和精度。滑润简单，可以用油脂润滑，维护方便。但存在结构复杂，滚动体的均化误差作用必较小，导轨的误差会明显地反映到运动件的运动精度上。因而对导轨的制造精度要求较高。制造比较困难。刚度较滑动导轨差，但在施加预载荷或采用滚柱导轨，其刚度可提高到比滑动导轨略高。抗震性比滑动导轨差，施加预紧载荷时可以得到改善。 考虑到经费等方面的情况，以及本装置关于导轨的导向精度、精度的保持性、运动的平稳性、还有其它方面的，如结构是否简单可靠、工艺性是否好、维修是否方便、价格是否合理等因素的综合考虑，最后本装置决定采用普通滑动导轨。普通滑动导轨的种类有很多，按截面形状分最常用的有三角形（V形）导轨、矩形导轨、燕尾形导轨等几种：三角形导轨的导向精度高，在各种截面的导轨中导向精度最高，三角形的夹角越小，其导向精度就越高，但是其有效面积（投影面积）就减少，其承受能力就降低。而且，三角形要做成对称的，当其受到较大的水平力时，三角形要做成不对称的，其受水平力较大的一边角度要小些，即陡一些，以免产生“上爬”。（形状如图3-3.a）矩形导轨的承载能力大，制造方便，但导向精度较差，磨损后不能自动补偿，运动件在水平和竖直方面都有位置变化（主要在水平方向）；（形状如图3-3.b）燕尾形导轨是一个封闭性的结构，可以承受倾覆力矩。其导轨的高度较小，特别适用于多层导轨结构。自成封闭，只用一根镶条就可以方便地调整间隙。不足的是其阻力较大，45尖角处易变形，所以刚度差，承载能力较低，始用于低速运动，受力不大的场合，还可以用作调整的导轨。（形状如图3-3.c）由于导轨的功用主要是导向，保证运动部件按一定的直线或是圆周或曲线的轨迹运动，以及承受运动部件的重量和外的加载荷。而在本装置移动电机工作时，导轨上的滑块要受到左顶针在顶紧工件时，受到的向左方向的力，因此，三角形和矩形导轨都不是闭的，因而都无法实现上述的左顶针顶紧被测工件运动，所以本装置最后决定采用燕尾形导轨。(a) 三角形导轨 (b)矩形导轨 (c)燕尾导轨图3-3导轨种类3.1.5 丝杠设计关于丝杠的设计就是螺旋传动的设计，而螺旋传动就是将螺旋运动变成直线运动，并同时将能量和力的传递。而螺旋传动按螺纹间的摩擦状态可分为滑动螺旋、滚动螺旋、静压螺旋三大类，他们的特点分别为：滑动螺旋的结构简单，加工方便，成本较低，当其螺纹升角小于摩擦角时，能产生自锁；它的传动很平稳，但是由于摩擦较大，所以传动的效率较低仅在0.30.7之间；其磨损较快，在低速及微调时可能产生爬行现象。滚动螺旋的传动效率较高，可达0.90.98，平均比滑动螺旋的23倍，可节约动力1/23/4；它的摩擦力矩比较小，接触的刚度比较高，使温升及热变形减少有理于提高精度；工作寿命长；传动无间隙无爬行，传动精度高；不能自锁：承受径向载荷的能力较差；承受冲击能力差；结构复杂，成本比较高。静压螺旋的摩擦阻力小，传动效率高（可达0.99）；承载能力大，刚度大，抗震性好，传动平稳；磨损小，寿命长；能实现无间隙向转动，定位精度高；传动据有可逆性；结构复杂，加工困难，安装调整较困难；需要一套压力稳定、温度恒定、过滤要求较高的供油系统；不能自锁。根据本装置的要求，丝杠要求传动平稳，能承受一定的载荷，结构简单，加工方便，成本要低，并且最重要的是要能够自锁，通过比较，最后决定选用滑动螺旋。滑动螺纹常用的有：锯形、矩形和梯形等三种：其中，锯形螺纹（如图3-4.a）工作面的牙形斜角为3非工作面的牙形斜角为30综合了矩形螺纹效率高与梯形螺纹牙根强度高的特点。外螺纹的牙底有相当大的圆角，以减少应力集中，主要用于单向受力的传力螺旋，如各种锻压机械，轧钢机的压下螺旋和螺旋压力机，千斤顶等机械上；而矩形螺纹（如图3-4.b）的牙形为正方形，牙厚为螺距的一半，传动效率较高，但是精确制造却很困难，并且为了便于加工可给出10牙形角，螺纹副磨损后的间隙难以补偿或修复，其对中精度低、牙根强度弱，主要用于传力或传导螺旋；梯形螺纹（如图3-4.c）牙形角=30，相比，效率略低，但是工艺性好，牙根强度高，螺纹副对中性好，可以调整间隙，应用十分广泛。用于传动尤其机床丝杠等。综合从工艺性，制造方便，螺纹副的对中性等方面考虑，最后决定采用梯形螺纹。(a) 锯形螺纹(b) 矩形螺纹(c)梯形螺纹图3-4 常用螺纹的种类丝杠和螺母的结构形式如下：螺母固定，螺杆转动并作直线运动（如图3-5.a）；螺杆转动，螺母作直线运动（如图3-5.b）；螺母转动，螺杆作直线运动（如图3-5.c）。(a)螺母固定螺杆转动 (b)螺杆转动 (c)螺母转动图3-5 丝杠和螺母的结构形式经过比较，最后我们决定采用第二种方案，是由于第二种方案要比第三种方案节约一定的空间，这从图3-5.b和图3-5.c的比较，很容易看得出的；而本装置又是采用带轮的联接，为了方便到轮的安装，所以，我们决定采用第二种方案，这样，才能更好的传递力矩，使移动电机能如期的使被测工件被顶紧。3.1.6 V形块的设计V形块在本装置中主要起支撑被测工件的作用，其设计的方案有：将V形块设计成比被测工件轴的长度稍微短的一个整体的块（如图3-6.a）；将V块设计成两个窄的（其强度不影响支撑的效果）V形块（如图3-6.b），并且在底座上开槽，可使V形块能在槽里左右自由地滑动。经过比较，我们最后决定采用第二种方案，是由于，第一种方案虽然简单但是需要的材料较多；而本装置的被测工件需要被左右两顶针顶起，所以被测工件的中心线要比左右两顶针的中心线低，并且要平行，则V形块的槽，要和左右两顶针的中心线平行，第二种方案的V形块可安放在底座的导向槽里，比第一种方案的V形块更简单、方便，而且，第二种方案的V形块可以调节位置来支撑不同长度的轴。(a) V形铁 (b) V形铁 图3-6 V型块的形状3.1.7 摩擦增矩机构的设计 方案一，采用橡皮压紧块，橡皮有很好的弹性可以增加摩擦带动被测工件转动。安装方法：橡皮压紧块中间钻一个孔直接套在死顶尖上。（如图3-7）。图3-7 橡皮压紧块 方案二，采用摩擦增矩机构，它由套筒、弹簧和轴套构成（如图3-8），移动顶尖顶紧被测工件时，推动套筒压紧弹簧，增加了套筒与被测工件间的摩擦，从而使被测工件能被死顶尖带的旋转。图3-8 摩擦增矩机构比较二个方案，我们采用方案二。理由一：采用橡皮压紧块容易脱落，而摩擦增矩机构采用螺钉使整个机构和死顶尖连在一起，结构紧凑。理由二：套筒推动弹簧压紧的过程中压到行程开关。行程开关反馈信息到计算机，使转动电机停止转动。32 关键零部件计算3.2.1丝杠的传动计算在传动系统设计时应考虑下列要求： 考虑动力机与执行机构的匹配，使它们的机械特性相适应，并使二者的工作点接近各自的最佳工况点且工作点稳定；满足执行机构在起动、制动、调速、反向和空载等方面的要求；传动链应尽量简短。力求采用构件数目和运动副数目最少的机构，以简化结构，减小整机重量，降低制造费用，提高效率，同时也利于提高传动精度和系统刚度；布置紧凑，尽可能减小传动系统尺寸，减小所占用的空间。机械的尺寸和重量随所选的传动类型有很大的差别，如当减速比较大时，选用行星传动以及摆线针轮式谐波传动等比普通多级齿轮传动在尺寸和重量方面显著减小；当载荷变化频繁，且可能出现过载时，应考虑过载保护装置；要有安全防护措施。3.2.1.1带动顶尖移动的丝杠(一)的传动计算1）负载的计算带动丝杠转动的电动机选用的型号为：57BYGH802，额定电压：4.8V，额定电流：1.5A，电阻：3.2，最大静力矩：80N.cm ，机身长：56mm，转动惯量：280，重量：0.7kg。由机械原理可知： 式中，电动机的最大静力矩，丝杠的大径，工作力。2）计算螺纹工作高度.螺母的高度（即滑块的厚度）为： 。由于丝杠设计选用梯形螺纹，从手册中查到，螺距。所以。根据螺纹类型，从螺纹标准中查取中径，小径：公称直径=12；中径=10.5；小径。螺母的工作圈数。3）计算螺纹副压强其中，丝杠所受的载荷；丝杠的中径；丝杠的工作高度；螺母的工作圈数。由于，所以丝杠的耐磨性能够保证。4）螺牙强度校核首先计算梯形螺牙根部宽度：，然后计算螺纹牙切应力，最后计算螺纹牙弯曲应力，其中，丝杠所受的载荷；丝杠的小径；螺牙根部宽度；螺母的工作圈数；丝杠的中径；螺纹的工作高度。则： 。由于，所以螺牙强度是合格的。5） 丝杠的强度校核丝杠的强度校核其危险截面在其中点f处如图3-9所示。计算危险截面所受的力：切向力径向力法向力 式中为牙型角 。 式中，由于，所以丝杠的强度是满足的。图3-9 丝杠受力图6）丝杠的稳定性计算由前面的计算已知，工作载荷,丝杠的长度；丝杠的小径；由于丝杠的材料为45钢，因此，丝杠的弹性模量 E=210Gpa，。根据给定的支承条件，由于丝杠所受的力是一端固定一端自由的，所以确定长度系数=2。图3-10 稳定性计算计算柔度：计算细长比：所以，其中，工件的细长比；l 丝杠两支撑点的长度；丝杠的小径。所以不能用欧拉公式计算临界压力，采用直线公式，属于中等柔度压杆。由直线公式求出临界压应力为临界压力为丝杠的工作安全系数为显然，丝杠满足稳定性的要求。3.2.1.1带动传感器移动的丝杠(二)的传动计算1）负载的计算带动丝杠转动的电动机选用的型号为：42BYGH101，额定电压：2.5，额定电流：1.7，电阻：1.5，最大静力矩：41.16 ，机身长：40，转动惯量：280，重量：0.24。由机械原理可知：式中，电动机的最大静力矩，丝杠的大径，工作力。2）计算螺纹工作高度.螺母的高度（即滑块的厚度）为： 。由于丝杠设计选用梯形螺纹，从手册中查到，螺距。所以。根据螺纹类型，从螺纹标准中查取中径，小径：公称直径=12；中径=10.5；小径。螺母的工作圈数。3）计算螺纹副压强其中，丝杠所受的载荷；丝杠的中径；丝杠的工作高度；螺母的工作圈数。由于，所以丝杠的耐磨性能够保证。4）螺牙强度校核首先计算锯齿形螺牙根部宽度：，然后计算螺纹牙切应力，最后计算螺纹牙弯曲应力，其中，丝杠所受的载荷；丝杠的小径；螺牙根部宽度；螺母的工作圈数；丝杠的中径；螺纹的工作高度。则： ， 。由于，所以螺牙强度是合格的。5） 丝杠的强度校核丝杠的强度校核其危险截面在其中点f处如图3-11所示。计算危险截面所受的力：切向力径向力法向力 式中为牙型角 。 式中，由于，所以丝杠的强度是满足的。图3-11 丝杠受力图6）丝杠的稳定性计算由前面的计算已知，工作载荷,丝杠的长度；丝杠的小径；由于丝杠的材料为45钢，因此，丝杠的弹性模量 E=210Gpa，。根据给定的支承条件，由于丝杠所受的力是两端固定的，所以确定长度系数=1。图3-12 稳定性计算计算柔度：计算细长比：所以，其中，工件的细长比；l 丝杠两支撑点的长度；丝杠的小径。所以不能用欧拉公式计算临界压力，采用直线公式，属于中等柔度压杆。由直线公式求出临界压应力为临界压力为丝杠的工作安全系数为显然，丝杠的稳定性是合格的。3.2.2 V形块的高度计算图3-13 V形铁设计当被测轴放在V形块（见图3-13）的上面，轴的中心线到底板的高度理论上为70mm；当轴与V形块的接触点正好是AB的中点时，其长度AB=20mm，所以轴的中心线到V形块的上部的长度l为：mm。根据实际情况，我们现取l=8。所以V形块的高度h=70-8=62mm。实际上工件是放在V形块上的，其中心线到底板的高度要略低于两顶尖的中心线到底板的距离。所以，V形块的高度取h=60mm，从而保证轴能够自动被夹起，而且轴在转动的时候不会与V形块相碰。综合上面的设计，测量装置的装配简图如图3-14所示。图3-14 测量装置的装配简图图3-15为制造的轴类零件计算机辅助测量仪。图3-15 轴类零件计算机辅助测量仪本章小结1.根据测量工件的实际情况，选择了零部件的结构形式，并对有关主要零件进行了设计和校核；2.根据选择的零部件及设计计算的结果，设计了测量装置的装配简图。第四章 设计工作总结4.1工作小结在这次的“轴类零件计算机辅助测试系统”的设计中，我们从课题的题目入手，分析了国内外的现实情况，及对相关技术的参阅；确定了总体的方案。对于为什么采用此方案，我们对设计的任务，要求和原理都作了了解，结合现有的测试设备作了比较。最终确定了结构系统、数据采集系统和控制系统的设计方案。本人在这个设计任务中，主要从事结构系统的设计。主要从结构的总体设计，结构主要零部件的设计，零部件的布置，主要零部件的计算这四个方面展开。 4.2 进一步研究针对本实验室研制的轴类零件计算机辅助测量仪还需做进一步的开发和研究工作：开发工作：1. 在摩擦增矩机构中，可以对套筒进行改进，与被测工件相接触的圆盘的圆周上打一序列的孔，可以使它成为光控的码盘，当光线穿过孔的时候，使电机转动，这样可以通过改变孔的数量来确定采集被测点的数量。2. 可移动的传感器支架可以制成普通车床上的小拖把的形式，使传感器能够前后移动，能增大被测工件直径范围。研究工作：1. 目前，在大型工矿生产企业基本上已实现零部件的计算机测试手段，如三坐标测量仪、圆度测量仪等，但这些测量设备价格昂贵，且设备的维护保养工作量大，更主要的是，这些测量仪一般不在生产线上，不能实现在线测量，如何开发经济实用的圆度在线测量仪是今后的发展方向之一。2. 在实测量仪、在位测量系统的研制及误差分离技术的研究和应用等方面，就综合水平和整体实力来看，与先进国家相比仍有较大的差距。因此，误差分离的技术还有待进一步研究。3. 传感器是测量精度保证的关键，传感器技术的发展以及高精度传感器的研究是测量技术研究的关键技术之一。参考文献1 闵 莉，吴玉厚，富大伟. 圆度误差检测的现状与展望J.沈阳建筑工程学院学报，1999，15（3）：273-2762 黄蔚远. 三种最小二乘法计算圆度误差的评比探讨J.计量学报,1991,12（1）:22-273 侯伯杰. 一种快速、准确的圆度误差评定的计算机实现方法J.计量技术,1994(4):7-94 孙玉芹. 圆度误差评定中两个实际问题的处理J.宇航计测技术,1995,15(4):21-235 范裕健，赵卓贤.圆柱面形状误差评定的理论与方法J.机械工程学报，1994，30（2）：19-256 平 欣，平 鹏. 圆度、同轴度和圆柱度误差的最小二乘评定法J.实用测试技术，1997，（2）：44-477 杨旭平，谢武斌.圆度误差评定的内、外接圆法J.标准化报道，1999，20（3）：27-298 王 伟，于 军，王启义等.经济型轴类零件形位误差测量仪的研制J.宇航计测技术，1998，18（6）：23-269 安志勇，于 洪，张国玉等.非接触激光圆度仪的研制J.长春光学精密机械学院学报，1998，21（3）：33-3810 刘文志，张 玉.轴类零件形位误差微机综合量仪的研制J.制造技术与机床，1995，（5）：12-1511 张清峰，谢铁邦，李 柱.一种采用宽动态范围位移传感器的新型圆度仪的研究J.现 代计量测试，1996，（3）：30-3212 玄兆燕，常秀辉.计算机控制的圆度测量仪J.现代制造工程，2003，（1）：53-5413 杜卫华，高永慧.轴径动态测量仪的研制J.物理实验，2003，22（4）：40-4114 王吉立. 在线测量及其进展J.现代计测技术,1995,(1):3-1115 潘德豫,朱训生,刘国良.两点误差分离技术及其在临床测量中的应用J.磨床与磨削,1985,(2):65-7016 洪迈生.应用误差分离技术同时测量和分离机床主轴的径向误差运动和工件的形状误差J.振动与动态测试,1983，(12):1-1017 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谢在这二个多月的毕业设计中，我首先要对我的指导老师朱兴龙老师表示感谢。朱老师在这次毕业设计中给予了我很多的帮助，不管是在整体上的设计，还是很细微的问题上，朱老师都以最适当的方法来指导。在他的指引下，我得以顺利的完成了毕业设计。对给予我帮助周骥平院长和孔繁祥厂长表示衷心的感谢！这里我还要感谢我同组的同学：陈永魏、曹瑜、夏小华和姚永超。在设计过程中他们给以了很大的帮助和支持；在生活中，也是非常的愉快。在扬大的四年的学习生活即将结束，我对我四年在扬州所认识的老师、同学和朋友表示感谢；对在此次毕业设计中给以我帮助的院领导、老师和同学表示感谢！最后我祝我们的母校越办越好，能成为在国内有地位，在国际上有影响的名校！祝我所认识的老师、同学和朋友工作顺利、生活愉快！ 王 健 2004年6月8号袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿