大型回转支承滚道直径测量装置设计含9张CAD图
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大型回转支承滚道直径测量装置设计摘 要回转支承是机械工业中被广泛使用的配套件和基础件,它被人们称为机械的关节。在各式各样的生产机械中都得到了广泛的应用。近年来随着大型机械的不断发展,对大型回转支承的需求量也越来越大。在大直径回转支承的生产中,回转支承滚道直径的精度是影响回转支承整体性能的主要指标之一。但是,传统的用于小型回转支承的测量装置不适用于大型回转支承的测量。回转支承的关键数据内外滚道尺寸的测量就成了困扰业界的一大难题。现有的测量设备大都存在者测量精度低、测量装置成本高、测量过程繁琐等问题。现在使用的测量方法大致可分为直接测量法和间接测量法。本文对大直径回转支承的间接测量方法进行了分析和探讨。本文对现在的大直径测量方法进行了研究,并对其各自的优缺点进行一定的分析。重点对两种间接测量方案进行对比论证。选择出适合测量大型回转支承的弓高弦长式的测量方法。运用弓高弦长的测量方法,提出一种轻便可靠、价格低廉的数字化的大型回转支承滚道直径测量装置的总体方案。根据总体方案,进行实体测量装置装配图和零件图的设计。对测量装置的系统误差以及各种可能影响测量精度的因素进行分析,并研究其对测量精度影响的程度。关键字:回转支承; 大直径; 量具; 测量IVAbstractBearing is widely used as the matching pieces and pieces of the foundation in machinery, referred to as mechanical joints. The bearings are widely used in a wide range of machinery. In recent years, along with the continuous development o f large-scale machinery, large rotary(slewing) bearing demand is growing. In the production of large-diameter rotary bearing, the accuracy of rotary bearing raceway diameter is the one of the key indicators to impact the overall performance of rotary bearing. However the traditional measuring devices used in the measurement of little-scale rotary bearing dont apply to the measurement of large-scale rotary bearing. It becomes a major problem to measure the rotary bearings key data of within and outside the raceway diameter. Most of the existing measurement equipments there is a low-precision measurements, the high cost of measuring device and the cumbersome measurement process.Now the use of the method of measurement can be divided into direct and indirect measurement method. In this paper, the indirect measurement methods about large-scale rotary bearing were studied and discussed.This article is a study of large-diameter measurement methods, and certain analysis of their respective advantages and disadvantages. Focus on the indirect measurement method of the two programs has done a comparison. Select bow-string measurement method of large-scale rotary bearing.Using the bow-string measurement method, design the holistic blue print of a kind of light-weight, reliable, low-cost digital large rotary bearing raceway diameter measuring device. According to the holistic blue print, draw the drawing of assembly and parts of the measurement device.Analyze systematic errors of measurement device and a variety of factor that may affect the accuracy of the measurement device, and to study its impact degree on measurement device.Key Words:Rotary bearing; Large diameter; Measuring tool; Measurement目录摘 要IAbstractII第一章绪论11.1 国内外在大型回转支承滚道直径检测方面的发展概况11.2 课题背景31.3 本论文研究的主要内容31.4 本章小结3第二章测量原理及装置总体结构设计42.1 目前可行的测量方法比较分析42.2 测量装置总体结构设计42.3 本章小结6第三章测量装置结构设计73.1 零件的结构设计73.1.1 钢球夹持设计73.1.2 钢球结构设计73.1.3 固定杆的设计73.1.4 移动杆的设计83.1.5 支撑板结构设计93.1.6 中间连接板设计93.1.7 总体装配设计103.2 部分零件选型113.2.1 导轨的选用113.2.2 光栅尺选用123.3 杆件材料的选择标准123.4 测量装置的标定133.5 本章小结15第四章 测量误差分析164.1 间接测量误差传递对最终测量结果的影响164.2 固定杆不对称误差对测量结果的影响164.3 移动杆垂直度误差对测量结果的影响174.4 本章小结18第五章 结论与展望195.1 全文总结195.2 后续工作展望19参 考 文 献20 第一章绪论1.1 国内外在大型回转支承滚道直径检测方面的发展概况1.1.1 大型回转支承简介回转支承是一种能够承受综合载荷的大型轴承,可以同时承受较大的轴向、径向负荷和倾覆力矩。回转支承又叫转盘轴承,有些人也称其为:旋转支撑承、回旋支承。英文名字分别叫: slewing bearing 、 slewing ring bearing 、 turntablebearing、slewing ring。回转支承在现实工业中应用很广泛,被人们称为:“机器的关节”,是两物体之间需作相对回转运动,又需同时承受轴向力、径向力、倾翻力矩的机械所必需的重要传动部件。随着机械行业的迅速发展,回转支承在船舶设备、工程机械、轻工机械、冶金机械、医疗机械、工业机械、游乐设备机械等行业得到了广泛的应用。回转支承行业在我国已经经历了 20 余年的发展,自 1984 年首次发布的JB2300-84回转支承 形式、基本参数和技术要求标准,以及在 1999 年修订的 JB/T2300-1999回转支承标准,现我国已具备了完善的回转支承设计、制造和测试的综合开发能力。基本结构回转支承通常由蜗杆、回转支承、壳体、马达等部件构成。由于核心部件采用回转支承,因此可以同时承受轴向力、径向力、倾翻力矩。 其形式很多,但结构组成基本大同小异。回转支承的基本结构由左及右分别是(上部分):1.外圈(有齿或无齿)2.密封带 3.滚动体(滚球或滚柱) 4.加油嘴由左及右分别是(下部分): 1.堵塞 2.堵塞销 3.内圈(有齿或无齿) 4.隔离块或保持架 5.安装孔(丝孔或光孔)型号编辑01 系列单排四点接触球式回转支承单排四点接触球式回转支承由两个座圈组成,结构紧凑、重量轻、钢球与圆弧滚道四点接触,能同时承受轴向力、径向力和倾翻力矩。回转式输送机、焊接操作机、中小型起重机和挖掘机等工程机械均可选用。02 系列双排异径球式回转支承双排球式回转支承有三个座圈,钢球和隔离块可直接排入上下滚道,根据受力状况,安排了上下两排直径不同的钢球。这种开式装配非常方便,上下圆弧滚道的承载角都为 90,能承受很大的轴向力和倾翻力矩。当径向力大于 0.1 倍的轴向力时,滚道须特殊设计。双排异径球式回转支承的轴向、径向尺寸都比较大, 结构紧固。特别适用于要求中等以上直径的塔式起重机,汽车起重机等装卸机械上。11 系列单排交叉滚柱式回转支承单排交叉滚柱式回转支承,由两个座圈组成,结构紧凑、重量轻、制造精度高, 装配间隙小,对安装精度要求高,滚柱为 1:1 交叉排列,能同时承受轴向力、倾21翻力矩和较大的径向力,被广泛地用于起重运输,工程机械和军工产品上13 系列三排滚柱式回转支承三排滚柱式回转支承有三个座圈,上下及径向滚道各自分开,使得每一排滚柱的负载都能确切地加以确定。能够同时承受各种载荷,是四种产品中承载能力最大的一种,轴、径向尺寸都较大,结构牢固,特别适用于要求较大直径的重型机械, 如斗轮式挖掘机、轮式起重机,船用起重机、港口起重机,钢水运转台及大吨位汽车起重机等机械上。轻型系列回转支承轻型回转支承具有与普通回转支承相同的结构形式,重量轻,转动灵活。广泛应用于食品机械、灌装机械、环保机械等领域。HS 系列单排四点接触球式回转支承单排四点接触球式回转支承由两个座圈组成,结构紧凑、钢球与圆弧滚道四点接触。主要用于汽车起重机、塔式起重机、挖掘机、打桩机、工程作业车、雷达扫描设备等承受倾翻力矩、垂直轴向力、水平倾向力作用的机械上。HJ 系列单排交叉滚柱式回转支承单排交叉滚柱式回转支承,由两个座圈组成,结构紧凑、制造精度高,装配间隙小,对安装精度要求高,滚柱为 1:1 交叉排列,能同时承受轴向力,倾翻力矩和较大的径向力,被广泛地用于其中运输、工程机械和军工产品上。其他系列单排四点接触球式回转支承 (QU、QW、QN 系列) 四点接触式回转支承 (VL 系列)四点接触式回转支承 (VS 系列) 四点接触式回转支承 (V 系列)单排交叉滚子式回转支承 (XS 系列) 单排交叉滚子式回转支承 (X 系列)1.1.2 目前国内外在大型回转支承直径测量方面的研究现状我国回转支承发展起步较晚,主要在 70 年代末 80 年代初才有一定的发展。起初,市场上用量最大的是单排四点接触球式回转支承,而且滚道直径在500 1500mm 之间的占其中的绝大部分;如今,随着工程机械、特种车和工业机器人等的发展,回转支承产品在需求量日益增大的同时,对产品的质量、创新性提出了更高的要求。大型回转支承装置对滚道的精度要求都比较高。现行的测量方法主要采用测量杆测量法,辅助卡角测量法,轴承测量仪测量法。现在最常用的测量棒测量装置精度有限, 检测、比对两次测量 又形成误差累积影响测量的精度。而后两种检测方法又非常有局限性。目前仍普遍采用大规格卡尺对其进行计量,操作极不方便,不仅费工、费时, 人为误差也很大。大尺寸测量领域计量技术,正向着高精度、大范围、小型化和实用化方向发展。解决这类问题的有效途径就是采用间接测量方法,不仅减小测量器具的体积和重量,还可解决上述问题.尤其是近年来随着电子和传感器技术的飞速发展更为间接测量法的数据采集和处理提供了有效的手段。在外径间接测量法中,相互制约的参数和指标较多。如何合理地处理好这些参数之间的关系, 在满足使用要求的前提下,设计出最佳的测量仪正是本文论述的内容。从几何学及工程应用的角度出发,外径间接测量主要有以下几种形式:圆周包络法; 弦长弦高法,包括定弦长测弦高法,定弦高测弦长法;V 型块法,包括 V 型块定角测高法,V 型块定高测角法。其中无导轨高精度在线测量技术以及标记法技术在近几年将是大直径测量的发展重点,对于无导轨高精度在线测量技术,预计以下几项技术将会得到应用,由于对测量精度的要求越来越高,波长更短的激光器将会在干涉计量仪器得到广泛应用,利用自适应光学技术来消除大气的影响, 集成光学技术的应用。对于标记法,它的局限在于为了提高测量精度,对传感器的结构设计要求很高,所以研究高精度的传感器是标记法发展的重点。1.2 课题背景目前仍普遍采用大规格卡尺对其进行计量,操作极不方便,不仅费工、费时,人为误差也很大。大尺寸测量领域计量技术,正向着高精度、大范围、小型化和实用化方向发展。解决这类问题的有效途径就是采用间接测量方法,不仅减小测量器具的体积和重量,还可解决上述问题.尤其是近年来随着电子和传感器技术的飞速发展更为间接测量法的数据采集和处理提供了有效的手段。在外径间接测量法中,相互制约的参数和指标较多。如何合理地处理好这些参数之间的关系,在满足使用要求的前提下,设计出最佳的测量仪正是本文论述的内容。1.3 本论文研究的主要内容本论文研究的主要内容包括:数字式回转支承滚道直径测量装置总体方案设计;机械系统设计与研究;误差分析与研究。1.4 本章小结本章从我国大直径回转支承的生产现状出发,分析了回转支承在生产过程中的内外圈滚道直径测量的各种方法及其优缺点,提出了回转支承内外滚道直径测量装置的研究课题。第二章测量原理及装置总体结构设计2.1 目前可行的测量方法比较分析大型回转支承装置对滚道的精度要求都比较高。现行的测量方法主要采用测量杆测量法,辅助卡角测量法,轴承测量仪测量法。现在最常用的测量棒测量装置精度有限, 检测、比对两次测量又形成误差累积影响测量的精度。而后两种检测方法又非常有局限性。为了提高检测精度,需要设计新的检测装置。2.2 测量装置总体结构设计研制一种新的测量大型回转支承滚道直径的检测装置。运用弓高弦长测量方法测量,用光栅精确检测弓高 数据,通过显示器对测量结果实现数字输出。该装置可以实现用小装置测量大直径。文中介绍了其工作原理、结构组成等,并对该检测装置进行了误差分析。结果表 明,该检测装置具有较高的检测精度。大型回转支承广泛用于风电、水电、大型机械、各种起吊设备等方面。大型回转支承对滚道的精度要求比较高。而现在常用的测量棒测量装置的精度和范围都有限,检测、比对两次测量又形成误差累计影响测量的精度。一些工厂设计的测量装置又体积庞大、造价高。为了改变这种情况研制了一种轻便的大直径测量装 置。本装置采用定弦长测弓高的方法,用可更换的钢球实现自动定位,用光栅作为弓高的测量装置。并可通过显示器直接输出被测直径信息。同时,用适应滚道的钢球测量方式可以测量四点接触桃形沟球轴承的内外径,是一种较接近工作状态的测量方式。分别对工件的一段弧的弓高和弦长进行测量, 通过计算得出被测圆直径的方法称为直径测量的 “弓高弦长法”。对于大直径工件、不完整圆工件 或其他直接测量直径非常困难的工件进行直径检测 (例如大型发电设备的汽缸、隔板等往往是分割成两半或若干块的),弓高弦长法是行之有效的方法。所谓弓高弦长法,就是知道弓形的高和弓形的弦长,求圆的直径.其公式俗称残圆公式:直径(0.5 弦长)弦高+弦高常用来测量的对象如残缺不全(小于半个圆)的齿轮,圆形零件等方法:用游标卡尺量其弦长,卡尺钳口的深度(是一个固定值)就是弦高.如果要测量的物件很大,也可以用直尺量,注意:要从弦的中点量,且要保持垂直.图 2.1 弓高弦长法的数学模型如图 2.1 所示在ACO 中 AO2=AC2+CO2 设:d 为待测件直 径,L 为被测弦长,h 为 被测弦高。AO=d/2,AC=AB/2=L/2,CO=DODC=d/2 一 h,则(d/2)2=(L/2)2+(d/2 一 h)2 ,在不考虑其他影响量时对上式整理后可得弓高弦长法的数学模型:d=L2/(4h)+h该测量装置主要用于测量大型回转支承滚道直径,由固定杆、移动杆、光栅、导轨、接触定位钢球、显示器等组 成 (如 图 所示)。其中显示器图中未示出。固定杆两端连接两个可更换的钢球,以适应不同滚道圆弧直径。两钢球之间的距离由标定获得为固定值,即固定弦长。与固定杆垂 直平分的移动杆和固定杆通过直线移动导轨连接,移动杆连接有一个可更换的钢球,同样可以适应不同滚道圆弧直径要求,钢球圆心 c 至 ab 连线的垂直距离(即弓高)b 由光栅检测数据获得图 2.2 大直径测量装置结构示意图2.2.1 测量外圈内滚道测量原理如图 2.3 所示。当检测回转支承外圈内滚道时,钢球的外侧与滚道接触,通过计算可得回转支承滚道直径。检测时先根据所测对象的尺寸选择合适的钢球。先放置固定杆,将固定杆两端的两个钢球嵌入回转支承外圈的内滚道,然后手动调整移动杆直到将钢球 c 也嵌入滚道。然后读取测量装置上光栅的值。再通过计算即可得出滚道直径的数值。通过单片机系统可以实现自动计算和被测直径数字量直接输出,从而简化测量过程。如图 2.3 所示。其中小球半径为 r,滚道半径为 r,滚道直径为 d,ab=a,cd=b, ob=s,ab 为固定杆,cd 为移动杆。由图 2 可得:图 2.3 外圈内滚道直径测量原理图通过标定可以得到a、r 值,通过光栅检测可以得到 b 值。由式(4)即可得出回转支承外圈内滚道的数值。2.2.2 测量内圈外滚道测量内圈外滚道时与测量外圈内滚道时方法相似。其计算式为:2.3 本章小结分析了间接测量方法的特点,重点分析了 V 型块法、弓高弦长法、两弦长法、三弦长法四种方法的测量原理以及测量公式。分析了各个测量方法的测量特点。通过分析对比,最后确定弓高弦长法是一种非常适合本课题的测量方法。通过对弦长弓高法的测量原理研究,确定了装置分别测量外圈内滚道和内圈外滚道时的布置形式,并且给出测量装置的总体布局结构。第三章测量装置结构设计3.1 零件的结构设计3.1.1 钢球夹持设计钢球夹结构和精度对于装置的精度的所起到的作用非常大,为了保证整个测量装置的测量精度其必须满足有足够的定位精度。必须有足够的支承力。必须能够朝内外两个方向布置并且可可以根据不同的滚道情况更换匹配的钢球。根据以上的要求设计钢球及其连接如图 3.1 所示。其钢球结构如图 3.1 所示。图 3.1 钢球支撑块结构图3.1.2 钢球结构设计钢球的结构与钢球夹结构相匹配。在实际的测量过程中,为了能够适应不同的滚道,钢球的结构必须被设计成易于更换。并且为了降低制造成本,钢球结构应具有足够的结构工艺性,方便加工制造。图 3.2 钢球结构图3.1.3 固定杆的设计固定杆是整个测量装置的核心零件,两端与钢球连接支承整个测量仪器的重量,中间又通过滚动直线导轨与移动杆连接,是整个测量装置的主要支撑件,所以固定杆必须有足够的刚性。考虑到设计的是一种简便的,重量轻,体积小巧的测量装置,所以其主要支承件尺寸不能太大、太重,否则不能很好的满足手持测量的要求。对比工字钢、方钢、角钢等各种各样的结构,钢管在性能是是最优的,它不仅刚性好,而且重量轻,有助于提高测量装置整体刚性的同时,又能减轻整个装置的重量,是一种理想的支撑结构,所以选用管状结构作为固定杆的主体结构。由于固定杆还要和移动杆进行连接,所以还必须有一个合适的平面来固定滚动直线导轨的滑块。直接做成平面和圆管成一体制造很麻烦。所以我们可以采用在管外套一个零件进行焊接的方式进行连接。其固定杆的主体结构如图 3.3 所示。图 3.3 横杆结构图选用直线滚动导轨作为移动副。将轨道安装在移动杆上,将滑块安装在固定杆上。采用双滑块的结构来增加系统连接的刚性和精度。另外固定杆的连接面上也要连接光栅连接板,光栅连接板是和光栅滑块连接在一起的。这样在移动杆移动的过程中,光栅尺头相对于光栅尺也在同步移动。光栅记录的正是二者相对的移动位移。3.1.4 移动杆的设计移动杆不仅要和滚动直线导轨连接,而且要和光栅连接,在测量的过程中, 移动杆的受力比较小,不受大的载荷,假如移动杆过重也将增加整个测量装置的重量。所以在满足连接要求的基础上要使移动杆机构结构最优质量最轻。整个移动机构的结构如图 3.4 所示。图 3.4 移动杆机构移动杆采用平板结构。这样就可以满足一个表面安装滚动直线导轨的轨道,另一个平面安装光栅。这样的布置结构紧凑。光栅的移动滑块通过一块光栅连接板和固定杆连接。这样在测量的过程中,光栅尺随移动杆移动,光栅头随固定杆保持相对静止。这样测量时移动杆移动的位移就和光栅头相对于光栅尺相对的位移一致。记录了光栅滑块的位移量也就知道了移动杆的位移量。通过标定移动杆的初始位置,让初始值与位移量进行相加即可得到弓高的数据。3.1.5 支撑板结构设计为了能够固定钢球夹从而实现钢球的定位必须设计出支撑钢球夹支撑板结构。装置的支撑板结构分为两个类型,第一是两个固定钢球的支撑板,第二是移动钢球的支撑板。两种支撑板的主体结构无太大区别,但是与测量装主体的连接部分有所不同。用于支撑固定钢球的支撑板上部呈套环形结构与固定杆焊接成一个整体部分,而支撑移动钢球的支撑板则通过螺钉结构固定。3.1.6 中间连接板设计中间连接板作为整个测量装置中重要的一环,起到承上启下的作用。连接板上部用于固定光栅尺,下部则导轨滑块连接在一起。移动钢球的支撑板固定于中间连接板上,这样中间就能够实现移动钢球的运动。光栅尺在中间连接板上随之一起移动,运动过程中实现位移的输出,从而达到测量的目的。中间连接板结构如图 3.7.图 3.5 移动钢球支撑板图 3.6 固定钢球支撑板图 3.7 中间连接板结构3.1.7 总体装配设计通过以上的分析,已经确定了钢球夹持结构、固定杆结构和移动杆结构以及导轨和光栅的连接方式。通过具体尺寸的设计,可以确定整个测量装置的结构, 其整体结构如图 3.8 所示。图 3.8 总体装配方案3.2 部分零件选型3.2.1 导轨的选用1. 导轨的功用导轨是进给伺服系统的重要零部件之一,它对工作台系统的刚度、精度和精度保持性有重要影响。导轨部件由运动件和承导件组成。导轨部件的功能是不仅能可靠地承受外加载荷,而更主要的是保证运动件的定位及运动精度,以及与有关部件的相互位置精度,这对于检测装置非常重要。直线运动导轨的作用是用来支承和引导运动部件按给定的方向做往复直线运动,其基本组成部分是运动件和承导件,主要是用来保证各运动部件的相对位置和相对运动精度以及承受载荷的。其性能好坏,将直接影响到本装置的精度、承载能力和使用寿命。导轨应满足:导向精度高、刚度大、耐磨性好、精度保持性好、运动轻便而平稳、低速时无爬行现象、结构简单、工艺性好、便于调整间隙、具有良好的润滑和防护等要求。2. 导轨的分类和特点两个做相对运动的部件构成一对导轨副,其中,在工作时固定不动的配合面称为固定导轨或静导轨;相对固定导轨作直线或回转运动的配合面叫做运动导轨。根据导轨副之间的摩擦情况,导轨分为滑动导轨和滚动导轨两大类。滑动导轨具有结构简单、制造方便、解除刚度大等优点,在机械产品中广泛应用, 其两导轨工作面的摩擦性质为滑动摩擦。滚动直线导轨是在导轨工作面之间采用滚动体,使两道轨面之间形成滚动摩擦,其摩擦系数很小(0.0025- 0.005),而且动、静摩擦系数相差很小,因此运动轻便灵活,所需功率小,精度好,无爬行。摩擦性能是滚动直线导轨副的一个重要使用性能。摩擦影响导轨副的使用寿命、承载能力、运动精度以及刚度等方面。合适的油脂润滑措施能有效地减小摩擦,改善使用性能。3. 导轨选型滚动直线导轨己是一种独立的标准部件。本装置中滑动工作台的运动速度较低,导向精度及定位精度要求较高,根据设计要求选择的是南京工艺装配制造厂的 GGB20AA 型直线滚动导轨副。该导轨副由一根长导轨和滑块组成,导轨轴上的滑块数可以根据需要选择。在该装置中,导轨副要承载V 型块及测量杆的重量, 考虑到测量杆的重量,因此底面我们选择一对导轨副。滚动导轨副具有“误差均匀化效应”,在同一平面内成对使用导轨副可以选用较高的安装精度达到较高的运动精度。4. 导轨的精度选择GGB20AA 型直线滚动导轨副精度分为 4 级,即 2、3、4、5 级,2 级精度最高, 5 级精度最低。在所设计的机构中导轨起到移动V 型块的作用,精度要求较高, 故选 3 级精度。5. 导轨的预紧滚动直线导轨系统在运动过程中,使其产生波动的主要原因是装配表面的精度和导轨的制造精度,而它们综合作用的结果为装配后导轨的精度。在实际应用中滚动体(钢球)在负载区和非负载区循环出入过程中,由于钢球的弹性变形的不连续性,刚度的变化使得滑块体产生间歇性的变频振动,造成运动精度降低。给导轨施加适当的预加载荷来减小波动量,预加载荷的作用是通过钢球的过盈来实现的,但太大预加载荷反而会使波动量增大;同时会使摩擦力增大。适当的预紧力可以提高导轨的运动精度,但超过一定的值后,运动精度反而降低,滚动直线导轨适宜于低速运行,即它作为导向部件,在低速情况下具有较好的导向精度; 当速度比较均匀时,其运动精度曲线较平滑,幅值较小,因此在使用中应尽可能保持速度的均匀性。该检测比对装置中负荷较轻,施加轻度预紧力。3.2.2 光栅尺选用光栅尺位移传感器(简称光栅尺),是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面, 可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲,具有检测范围大,检测精度高,响应速度快的特点。依据测量装置的总体尺寸,选择了上海思长约光学仪器有限公司出产的 WT 系列光栅。光栅尺如图 3.9 所示。图 3.9 光栅尺3.3 杆件材料的选择标准在整个测量系统中,杆件的的重量占了整个测量装置重量的一多半。要使测量系统更加轻巧,适合手持的测量方式,必须选择重量轻且刚性好的材料。固定杆和移动杆的选材标准并不相同。由于固定杆负责支撑整个测量装置的重量,而且其跨度较大,所以对其综合性能要求比较高,必须有比较大的弹性模量。同时, 由于固定杆在整个测量装置中体型比较大,所以固定杆的材料比重又要尽量小。需要根据弹性模量和比重优化选择材料。移动杆的伸出量比较小,载重也比较小, 在测量过程中也不受大的力的作用,但是为了在其机体上安装轨道和光栅,所以其材料可以选密度较小的硬铝合金或钛合金材料。3.4 测量装置的标定测量装置交付使用前,必须对其中的一些参数进行标定。另外一个方面,测量系统是通过光栅采集的信息来计算被测滚道直径的。但是,光栅没有绝对的零点。光栅主要测的其实就是相对的位移。那么我们在测量的过程中必须输入一个标记点,以标记点作为光栅的初始零点来进行测量。通过标记点的值加上光栅记录的位移来输出弓高的值。高精度的标定对以后的测量非常的重要。我们以测量外圈内滚道时的状态来探讨标定的方法。其测量示意图如图 3.17 所示。根据弓高弦长测量法的测量原理,要计算出被测滚道的直径,必须知道弦长a 的值和弓高b 的值。弦长的值比较容易测量,通过直线测量机或坐标测量机等就可以对其标定。但是 b 值的测量比较麻烦。移动杆有两个极限位置,最大极限和最小极限,我们可以将其中的一个位置作为我们测量的零位,这样在下次测量的时候可以直接将图 3.10 测量外圈内滚道示意图仪器调至零位输入零位时候的弓高标定值即可进行测量,减少重复标定的麻烦。我们可以通过以下的方式来测量标定弓高b 的初始值。1. 比较简单的方式,我们可以通过三坐标测量机来测量 A、B、C 三个点的坐标,来直接计算出弦长和弦高的值。在测量的时候一定要先将移动杆移动到某一个端点,以这个端点作为标记零点来测量三个点的值。以后只要将移动杆移动到这个端点,将计算的弦高值输入作为初始值即可进行测量。2. 我们可以通过使用标准圆的方式来确定测量的初始值。通过弓高弦长测量法的原理计算公式我们可以得到式 3.1。我们通过已知直径的圆和测量的 a 值就可以计算出对应的b 值。但是由于测量点并不是移动杆的端点,所以在下次测量的时候我们无法在找到这个标定点,所以必须进行进一步的处理所得到的弓高值。b = r -假如我们根据标准圆的直径和测量的固定弦长a 值计算出对应的b 值为 s,现在将移动杆移动至最近端,可以从光栅采集到位移为t,那么测量装置在最近端的b 值即为 m=s-t,移动杆在最近端的标定值为 m 值。下次测量的时候首先将移动端移到最近端,将光栅数据设定为m 即可进行近一步的测量。3. 除了上面的两种方法之外我们还可以通过测移动杆的端点和固定杆一端的端点之间的距离来计算弓高的值。如图 3.11 所示我们可以通过测量固定杆长a 值和 A、C 两个点之间的距离e 来计算 b 值。计算过程如式 3.2 所示。b =(3.2)由于上式也是对b 值的间接测量。所以我们从测量的 e 值到计算的b 值之间也有一个误差传递系数。我们必须通过分析来确定在移动杆的两个端点位置标定时。哪个的产生的误差传递系数最小。其关系如式 3.3 所示。由式 3.3 可知当 e 值越大时,误差传递系数 K 值越小,即 e 值的误差对 b 值的影响最小。所以在用这种方法标定时,我们必须先将移动杆调整到最大端, 然后测量这个位置的e 值。计算出这个位置对应的 b 值。以后每次测量时都先将移动杆移到最大端。将光栅设定为相应的b 值然后进行测量。此外,通过光学测量系统等设备也都可以对测量装置进行标定C图 3.11 测量标定示意图K = db / de =e=3.5 本章小结设计出整个系统的结构框架,对各个局部进行相应的设计,应用了钢球作为与滚道的接触端适应四点接触球回转支承滚道的测量。应用光栅测量位移来提高位移测量的精确度。应用滚动直线导轨作为移动副来提高系统运行的刚度和稳定性。固定杆使用中空的管状结构来增强刚性,减轻整机重量。第四章 测量误差分析4.1 间接测量误差传递对最终测量结果的影响本检测装置采用的是一种弓高弦长式的间接检测装置(如图 2 所示),其中测量值 b、小球的半径 r 以及球 a、b 之间的距离 a 的误差都会对最终的测量结果产生影响。通过计算来分析各个值的误差到测量值误差的传递系数。从而可以估计出最终的测量精度以及该测量方法的合理性。以测量外圈内滚道为例,其计算公式为式(4),求式(4)分别对 a、b、r 的全微分可得:式(4)的全微分为:我们根据实际可行的结构设定通过标定 a=1200mm、根据设计尺寸设定r=30mm,a 和 r 的误差均可达 0.001mm,通过光栅测量 b 的误差也可控制在0.001mm,即取 da=db=dr0.001mm。测量误差随着被测直径的增大而增大,近似于直线分布。其误差的大小均能满足普通产品的生产需要。满足较高精度的测量要求。4.2 固定杆不对称误差对测量结果的影响如果测量装置中移动杆在固定杆上的位置不对称,将会产生附加的偏移误差。偏移误差原理如图 4.1 所示。图 4.1 偏移误差影响原理图出现偏心时会直接影响弦高 b 的值进而影响到最终的测量结果。当中心位置从 d 移动至 d1 时,弦高由 b 变为 b1由图 3 计算可得:由式坠 d 坠 b=-a24b2+1 可得弦高 b 的误差传递系数,即s 的误差传递系数由于偏移量 h 能够保证在 0.2mm 以内,所以其对最终结果得影响小于 0.5 m,即对测量结果得影响可以忽略。4.3 移动杆垂直度误差对测量结果的影响垂直度误差原理如图 4.2 所示。图 4.2 垂直度误差影响原理图由图可以看出由于 的存在使 b 变为 b2 值,进而影响最终的测量结果。由图 7 可以得出。我们可以设定0.1,当 =0.1时由引起的附加误差随被测直径变化的曲线在保证 0.1的情况下测量结果可以满足大部分产品的精度要求。由于在测定到 的情况下,垂直度误差引起的测量误差属于定值系统误差,是可以计算并予以消除的。我们可以通过式(10)减去式(11)从而消除垂直度误差的影响得 到 b 的精确值,从而进一步提高测量的精度。4.4 本章小结本章内容主要分析了测量装置两种不同的布置形式,对测量系统的误差进行了计算和分析。通过计算分析,得出了能够影响测量误差一些重要因素,也对机械系统的结构设计提出了一些改善意见。同时对弓高弦长法的测量不确定度进行了简要的分析,并且得出了相关结论。第五章 结论与展望5.1 全文总结为研究适用于生产现场,高效率、高精度、低成本、易操作的测量装置,本课题利用弓高弦长法测量原理,完成回转支承滚道内外直径的测量方案及装置设计。所做的主要工作如下: 1分析、比较当前国内外大直径测量方法,比较这些方法的优缺点,以及它们的测量精度、适用范围等,在此基础上设计出针对回转支承滚道直径测量的量具。2设计系统的机械结构。该检测系统体积小,成本低,可实现检测过程的自动化。针对系统滚珠丝杆副所存在的误差这一影响检测系统精度的关键因素,采用了光栅尺,这是保证检测系统可以高精度应用的关键性仪器,进而大幅提高了系统精度。3对弓高弦长法的测量误差以及测量不确定度进行了简要的分析计算。并且得出了结论:测量过程中固定弦长越近直径且测量弓高约为弦长的一般时能够极大地减少测量误差。同时利用计算数据对弓高弦长法的测量不确定度做了简要评价。5.2 后续工作展望本设计基于弓高弦长间接测量方法原理,对其方案,结构以及测量误差都进行了一定的理论分析,并提出了一些提高测量精度的措施。由于时间和条件的限制,还有一些工作有待于进一步研究。1. 对各个零件的具体尺寸进行设计优化,选用适合材料进行受力分析,分析整个系统的刚度以确定适合的尺寸,优化整个系统的结构尺寸。2. 进行样机的制造,并进行试验验证,通过数据来检测测量系统的误差。与设计分析的误差进行对比。分析是否与设计误差不相符,如不相符分析误差扩大的原因并进行改进。3. 应用提高测量精度的方法进行实际的验证,分析哪一种或几种方法是有效的。在以后测量中运用适用的有效的方法来进一步提高测量精度。参 考 文 献1 肖凤云,余晓芬高精度滚轮法大直径测量系统的数据采集和控制电子质量, 2004(3):10-11.2 许彦鑫, 余晓芬. 新型滚轮法测量头的结构设计. 合肥工业大学学报,2003,26(5):1005-1007.3 金施群, 丁晓牧, 费业泰, 等. 大轴直径的高精度多滚轮法测量. 应用可科学学报, 2005,23(2):200-203.4 巫建坤, 刘国忠, 邓文怡. 提高滚轮法测量大直径精度的研究. 背景工业学院学报, 1999,14(2):25-29.5 李真, 王建利, 刘海宁, 等. 三滚轮法测量大直径的新技术. 工具技术, 1998,32(6):37-39.6 史庆伟, 张国雄, 李真. 滚轮法大直径测量精度的研究. 天津大学学报, 2005,38(12):1083-1087.7 桑波, 赵宏,谭玉山. 高精度差动型多普勒大直径测量系统. 工具技术, 2002,36(10):44-46.8 冯其波, 梁晋文. 激光测量大直径方法的研究. 宇航计测技术, 1995,15(2):8-14.9 桑波, 赵宏, 谭玉山. 高精度差动型激光多普勒大直径测量系统. 工具技术, 2002,36(10):44-46.10 马国欣. 激光扫描测量直径. 光电工程, 2004,31(2):44-47.11 郭黎滨, 崔勇, 殷亮. 新型“标记法”测量大直径的计算方法. 哈尔滨工程大学学报, 2004,25(6):765-768.12 李彬. 基于多 边形的 积木式 大直径 测量方 法研究. 计量 学报, 2001,22(4):288-294.13 Miner R
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