【机械表面粗糙度检测仪的结构设计】13000字（论文）

机械表面粗糙度检测仪的结构设计ADDINCNKISM.UserStyle摘要金属零部件是用于各种机械结构中的重要部件，如今随着设备要求的提高，对于零部件的要求也在提升，尤其是零件的尺寸精度及表面粗糙度，都有更高的要求。表面粗糙度是为零部件的加工表面的细小尺寸差距和不平，通常来说表面粗糙度越小，则表面加工精度越高。本次设计为机械表面粗糙度检测仪是用于对机械零部件的表面粗糙度进行测量，首先从方案拟定着手设计。其次对检测仪测量头采用电机的驱动方式进行前后或者上下往复运动检测，主要包括对运动参数进行相关的计算和电机型号的选取。以及对复写装置机构的设计：复写压块、同步带、同步带轮的设计和选取；以及传动部分复写丝杠和微调丝杠的计算和设计。关键词：粗糙度测量仪；驱动装置；复写装置；同步带；丝杠传动；目录第1章绪论 动力装置计算与选型往复测量头驱动计算3.1.1复写电机的选型分析复写机构的运动，其中的复写垫板对压块部分作用力表示为F，其正常工作条件中重量表示为G，分析复写压块机构受理，可做出如下REF_Ref14986\h图3.1的受力图：图3.SEQ图3.\*ARABIC1复写压块受力分析根据受理平衡的原理分析（3-1）式中：——压块摩擦力；——复写垫板对压块部分作用力；——压块对于机构的压力；——微调部件于复写压块机构压力；其中驱动丝杆于复写压块作用合力跟压块摩擦力，的数值跟数值一样大，力的方向是相反的。（3-2）通过查询以及借鉴类似机构，可知微调部件于复写压块机构压力。采取三维模型来预估压块重量是。其中复写压块跟复写板两者摩擦系数可选取。因此能够计算压力数值（3-3）复写板对复写压块的摩擦力：（3-4）可计算丝杆驱动力数值F（3-5）关于复写机构的功率计算：（3-6）式中：——电机动力系数，，通常选取——运行速度，单位。，本次取——结构总传动效率。——同步带传动效率。。此处取——丝杠机构传动效率。。本设计取——其他阻力需增大的功率，由公式（3-6）可以得出：（3-7）因为本设计预选的丝杆是梯形丝杠T8×1.5，螺距，可计算丝杆转矩估算是：（3-8） 转矩： （3-9）结合以上的计算数据，本次初步选取的是精研企业制造的YS系列的标准电机，此种电机的规格是90YS40GY38的齿轮轴，圆轴是90YS40DY38，频率是，输出功率为，三相的电压，电流为，额定转速为，启动转矩，额定转矩为传动装置运动和动力参数计算各轴转速计算公式为：（3-10）式中：——电机满载转速；——电机轴到k轴传动比。传动比计算根据以上电机选型可以得出电机的输出功率，电机额定转速为，由（3-10）可以得出电机的传动比计算为：选的减速机构传动比是，输出转速为，输出转矩为。各轴的输入功率：（3-13）式中：——第k轴传动功率；——电机输出到第k轴总传动效率；——电机实际输出功率计算各轴转矩：（3-14）式中：——电机输出转矩。因此可知运动参数如下REF_Ref5332\h表3.1：表3.SEQ表3.\*ARABIC1各轴运动参数轴号功率P/W转矩T/N.mm转速n/r/min传动比i传动效率电动机轴40294130030.75大带轮轴3066143310.8丝杠轴2452943311微调驱动的计算原始参数本机构检测仪中的微调驱动机构采取的是电机的动力方式，本次机构原始参数中，传递速度是，压力为。电机的设计计算分析可知本次的平台升降的速度可跟此速度相等，因此设计：。在传递动作当中，其中的传动效率可根据整个设备的传动效率做出计算，电机传输与最后的微调丝杆机构，减速器部分传动箱效率是，丝杠传动部分传动效率是，摩擦效率选取的是故能够算出整体的总传动效率数值：（3-15）则能够算出电机输出功率：（3-16）在结合计算所得功率以及转速，分析本次拟机构要求，可选取的是一般小感应电机，通过查询电机资料，本次选取的时代东力电机，单相IK型连续运转马达特性表参数要求。根据单相IK型连续运转马达特性表的各种电机规格，本次选定的为感应电机，规格5IK90A-C系列感应电机，此电机的功率是，转速是。减速器的设计选型减速器是用那个与电机中对速度间隙调速，以及减速的需求，本次的电机需要通过减速器线连接，其中电机跟减速器是配套的，故而可以选定动力电机配套的减速器机构，按照之前选取的电机规格90YS40GY38的齿轮轴，圆轴是90YS40DY38，频率是，输出功率为，三相的电压，电流为，额定转速为，启动转矩，额定转矩为，与电机的减速比和功率，查阅电机资料中减速器部分的数值，有如REF_Ref15450\h表3.2下不同规格的减速器型号可做出选取：表3.SEQ表3.\*ARABIC2减速器的选型列表输出回数rpm500300200100605030201510650Hz减速比57.5152530507510015025060HzReduclon36918303660901201803006w1.01.62.558.19.7162325252515w2.44.06.0121923395050505025w46.710203239658080808040w6.7111633546510010010010010060w10162448779315520020020020090w14233569110133200200200200200120w19304792147177200200200200200150w224568136200200200200200200200本检测机构中丝杆传动设计的是滚珠丝杆，其有效直径是，导程为根据公式如下（3-17）式中：——丝杠轴转速r/min——升降的线速度——丝杠导程由公式（3-17）可以得出丝杠轴转速为：可计算出传动比是：，故而可选取减速器的传动比。复写装置设计复写压块的设计复写压块在整个设计中占据较为重要的一部分，它是直接来判断检测结果的，为了防止压块材质过硬导致划伤复写纸，在复习纸上留下过于厚重的颜色印记，所以要选用比较轻的木质材料，便于携带，主要能够抗压、抗弯曲的功能，便是用矩形的形状来，它不仅接触的范围比其它形状的要宽广，而且矩形的受力更加均匀，压块与复写纸直接接触的部位呈弧状，这样就能够测量测粗糙度的结果，还能让机械不被划伤，造成测量误差。复写压块是矩形的立体结构，下部分为弧状图形如REF_Ref15636\h图4.1所示。图4.SEQ图4.\*ARABIC1复写压块结构图复写丝杠传动的设计丝杆传动是通过带动螺杆旋转将螺杆的回转运动转化为螺母的直线运动，刚性比较好，可以传递较大的扭矩，位置准确，频繁换向时容易产生冲击振动，由于螺母内部具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠的名称很多，它主要由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成ADDINCNKISM.Ref.{98CB83BADE764bf5AC5515AD1F2EDECE}[13]。滚珠丝杠是将滑动的方式变为滚动传动，它具有很小的摩擦阻力，是工具机和精密机械上最长使用的传动元件。滚珠丝杠有外循环和内循环两种方式，当滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环，精密研磨级滚珠丝杠一般运用于CNC机械，精密工具机，产业机械，电子机械，输送机械，航天工业，其它天线使用的制动器、开关装置等，尤其是微型丝杠副在国内还有很大的发展空间，广泛应用于各种行业的重型设备和精密仪器。丝杆螺母设计与校核丝杆的螺旋升角及诱导摩擦角（4-1）得。查，摩擦系数，所以丝杆：（4-2）以上，梯形螺纹牙型半角是轴向力的确定按照要求，复写机构机构的推力是为：按照力合成基本原理，可算得丝杆：（4-3）耐磨性校核丝杆的校核：（4-4）此处，选梯形螺纹工作高度是。设计的是整体的螺母与，因此()；（4-5）查45许用压强。显然，有成立，合格。驱动力矩、传动效率及自锁性校核对于复写传动单线丝杆，。视螺旋副克服摩擦力的力矩为其驱动力矩，即（4-6）传动效率：（4-7）刚度校核轴向载荷和转矩作用而产生的螺距累计变化量：（4-8）查REF_Ref6962\h表4.1可知，，精度等级合格。表4.SEQ表4.\*ARABIC1精度等级表精度等级5678910153055110稳定性校核丝杆>>>工作行程+旋合长度，也就是：（4-9）丝杆失稳时刻临界轴向载荷数值为：其中，支撑状况选定为两端固定（即轴向和径向均存在载荷作用），取支撑系数：综上，有（4-10）安全系数为83.6，标准的安全为，所以是合格。强度校核根据第四强度理论校核丝杆强度，即杆所受应力：（4-11）查表得45号钢得许用应力:（4-12）可知，，符合要求。根据以上计算和选型可以丝杠的设计REF_Ref23865\h图4.2所示图4.SEQ图4.\*ARABIC2复写丝杠上图复写丝杠是用来传递动力的，中间是呈现螺旋丝状，复写滑块的的前后移动由复写丝杠来传动使得，复写压块可以在复写纸上前后移动，让传动更加灵活自动化，减轻行动阻力，运行更为平缓，机械的传动紧密服帖，材料用45号钢，许用应力为满足标准的许用应力准则。复写丝杠即受到横向的拉力，又受到纵向的重力，较为容易受到折断，所以既要计算的刚度准则，强度准则，还有稳定性的要综合考虑。同步带的选型在非标记场合中，常用同步带和丝杆两种传动方式，来设计水平或竖直移载机构，俗称直线模组，两者分别有自己的区别应用区间。同步带是一种介于皮带和链条，且性能由于皮带和链条的一种特殊齿形带，它包含了皮带、链条及齿轮的优点，在轻载情况下，可以代替齿轮来进行传动，同步带传动具有准确的传动比，无滑差、可获得恒定的速比，能够吸震ADDINCNKISM.Ref.{98CB83BADE764bf5AC5515AD1F2EDECE}[14]。同步带是传动系统当中的一种类型，主要是通过带齿以及带轮之间的啮合传动，来曼度动力的传递要求，增加同步带齿与同步带轮之间的摩擦系数，同步带在运行过程中与同步带轮接触范围广，不易打滑，传动稳定性比较好，传动比恒定，同时结构较为紧凑，工作噪音比较低，传动污染小，且不会出现打滑的情况ADDINCNKISM.Ref.{98CB83BADE764bf5AC5515AD1F2EDECE}[15]。通常来说同步带的传动效率能够高达98%，其中同步带的传动比为1:10，允许可达线速度能够高达50m/s。如REF_Ref4530\hREF_Ref4530\h图4.3同步带传动所示图4.SEQ图4.\*ARABIC3同步带传动同步带的功率一般为可达到几千瓦左右，传递效率高，一般可达到98%，结构紧凑、适用于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境为恶劣的场所下正常工作。且后期的维护和保养比较简单，拆换比较方便，价格也较为优惠，维护费用低。对于一般前后的抗寒、抗热、抗震的性能比较好，因此同步带的使用范围比较广泛。目前被用在汽车，造纸，冶金以及矿山机械设备当中。市场上也多数用同步带来传动动力，减少动力的消耗传播，降低能量损失，提高生产效率ADDINCNKISM.Ref.{98CB83BADE764bf5AC5515AD1F2EDECE}[16]。在许多现场所产生的影响因素很多，要针对不同的情况来改善所需要的材料器件，同步带的磨损消耗特别大，既要做到节能环保又要做到质量优秀，所以如何去设计同步带考虑的方面需谨慎。同步带做为传动机构的一部分，是为了更好的使物体在传输过程中更加快速、简洁，用最小的力，最短的时间来传递物体，这才是同步带的最大作用。在市场允许的范畴之内，同步带带来的经济效益比其他传送带的效益要高，而且更加划算，满足大部分市场需求，国内外都比较常用，需求量大，性能优越，能够大量生产，材料易得。本次的复写机构传动部分也是采取的同步带的机构，能够保证结构更为紧凑，以及传动效率更高，保证运动的稳定性需求，由于本设计功率比较小，查看如REF_Ref15907\h图4.4所示同步带的有很多种类型，所以选取XL型，也可以根据实际的工作需求合理的选取不同的类型。图4.SEQ图4.\*ARABIC4同步带选型图横坐标为设计的动力，纵坐标为小带轮转速，齿形是根据动力的大小来选择的，动力越大，转速就越高，类型也就不一样。同步带设计的主要参数同步带的节线长度在同步带的工作过程，其中的承载绳中心线的部分，长度在工作当中是不会变动的，因此一般也把中心线称作是同步带节线。节线长度的设计在同步带当中是一个重要的数据参数。通常来说如果传动中心距的尺寸选定好之后，节线的长度要合理的选取，不可以过大或者是过小，否则会影响到带齿以及带轮的工作性能，使得同步带的产生较大的磨损，造成数据产生误差，或者使得带轮打滑，损坏工件器具。降低传动效率，达不到理想状态。然而目前同步带的设计已经具有标准化了，关于节线长度制定了相关的公差数值，同步带的节线长度要在极限偏差的范围之内才是标准的选型。如REF_Ref16090\h表4.2为同步带节线长度的各种类型。表4.SEQ表4.\*ARABIC2同步带节线长度表带长代号节线长节线长上的齿数基本尺寸极限偏差LHXH345876.3±0.6692--360914.4±0.66-72-367933.45±0.6698--390990.6±0.6610478-4201066.8±0.7611284-4501143.00±0.7612090-4801219.2±0.7612896-5071289.05±0.81--585101295.4±0.81136102-5401371.6±0.81144108-5601422.4±0.81--645701447.8±0.81-114-6001524.00±0.81160120-带的节距如REF_Ref16413\h图4.5示同步带中两个临近迟对应带位置沿接线量度长尺寸叫做其节距尺寸，此数值关系到同步带以及带齿的尺寸数值，当同步带的节距越大时与之对应的同步带的尺寸结构越大，因此需要合理确定节距的尺寸。其中梯形齿标准同步带类型的齿形机构尺寸如下REF_Ref8079\h表4.3.带型①节距齿形角2β°齿根厚齿高带高②齿根圆角半径齿顶圆角半径MXL2.032401.140.511.140.130.13XXL3.175501.730.161.520.200.30XL5.080502.571.272.30.380.38L9.525404.651.913.60.510.51H12.700406.122.294.31.021.02XH22.2254012.576.3511.21.571.19XXH31.7504019.059.5315.72.291.52表4.SEQ表4.\*ARABIC3带的齿根宽度同步带带齿两边的齿根底部的连接点称为同步带的齿根宽度，同时是表示为s，齿根的宽度尺寸越大的话，那么能够具备更好的抗剪切以及抗弯曲的强度，可承载的负载也比较大，相应带传送的效率也就更高了，带的齿根宽度决定了承载的负载，不是说明越宽越好，要有相应的尺寸规定，还要选择合社的材料，可以应用到各种环境当中，而图形如REF_Ref16413\h图4.5就是世界标准化的尺寸，有具体的宽度和高度。图4.SEQ图4.\*ARABIC5表4.4。表4.SEQ表4.\*ARABIC4小带轮齿数，大带轮齿数。同步带轮的设计尺寸图4.SEQ图4.\*ARABIC6同步带轮尺寸图同步带轮设计的基本要求对于同步带轮的设计，不仅要确保带齿能够顺利进行啮入以及啮出要求，速度也要达到一定的速度，也要使轮齿的齿廓线与比较大的接触面积，可以提升其承载能力，传动平稳有序，以便能够降低工作当中啮合变形的概率[5]。同时还要具备较好的加工性能，降低生产中刀具的磨损，提升制造效率，降低生产的成本。且还要具备合理齿形叫角，使得带与轮之间紧密接触，达到传动效率的最大值，价格实惠耐用，能够大规模生产，符合人机工程学原理。同步带轮的设计结果同步带轮采用直边齿廓同步带型，根据同步带轮尺寸得其三维图如REF_Ref16710\h图4.7REF_Ref16710\h。图4.SEQ图4.\*ARABIC7同步带轮结构微调丝杠传动的设计确定滚珠丝杠副的导程滚珠丝杆副是传动机构中精确度比较高的一类设备，使用的比较广泛，此种机构是通过丝杆跟螺母进行配合运动的设备。特性主要表现为精度高，可以满足高精度的传动需求，同时也满足微进给的运动需求，启动的力矩非常的小，因此在公布做当中不会出现爬行互动的现象，能够确保运动进给的微进给的运动要求，同时刚度比较好，不存在侧隙。本次拟的微调机构因此通过分析也是选取的滚珠丝杆机构，可以保证微量调节的需求。结合工作需求，本次可选取的是感应电机，此种电机的规格是5IK90A-C。电机的功率是，转速为。则丝杠导程为：（5-1）实际取，可满足速度要求。根据合成基本原理计算，可计算出丝杆：（5-2）设计的一共是四个丝杆来完成，因此就可以算出每个丝杆的轴向力数值：（5-3）滚珠丝杠副的载荷及转速计算滚动导轨承重的过程其滑动摩擦系统值最大是0.004，其中的静摩擦系数跟摩擦系数基本接近，因此可选取静摩擦系数是0.006，可计算导轨的静摩擦力数值：（5-4）式中：——工件与工作台的质量，计算工约为30kg。——导轨阻力，3个导轨阻力是10N。（5-5）因为本次的机构是为检测机构，其中的丝杆在工作当中没有收到其他的切削力数值，因此运动可看做是均匀运动，阻力主要是为导轨跟滑块部分的摩擦力数值，因此可计算：（5-6）滚珠丝杠副的当量载荷：（5-7）滚珠丝杠副的当量转速：（5-8）滚珠丝杠副预期额定动载荷按滚珠丝杠副的预期工作时间计算（5-9）式中：——当量转速，——预期工作时间，测试机构选取的15000小时——负荷系数，平稳没有冲击，可选——精度系数，2级精度选择——可靠性系数，通常为=1（5-10）按滚珠丝杠副的预期运行距离计算（5-11）式中：——预期运行距离，通常为（5-12）按滚珠丝杠副的预加最大轴向负载计算（5-13）式中：——预加负荷系数，轻预载时，选择=6.7——丝杠副最大载荷由公式（5-13）可以计算出最大轴向负载为：估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量机构的微调运动中重复定位精度需求是，则估算滚珠丝杠副的螺纹底本次机构微调运动行程是，因此能够算出2固定支撑最大距离：(5-14)根据丝杆是两端固定安装的方式，因此可知丝杠螺纹底：式中：——导轨静摩擦力，——滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离，，根据上述公式得出：导程精度的选择根据微调运动的定位精度要求达到，因此任意长度的导程精度是。确定滚珠丝杠副规格代号按照丝杠、、选择上银牌（HIWIN）滚珠丝杆，型号为8-1.5B1，精度等级2级。丝杆基本导程，丝杠底，外，公称直，额定动载荷，额定静载荷。电机选择条件：电机选取的是伺服电机，可根据要求选取的是松下NASA4系列MDMA152P1V型大惯量电机，其功率：，额定转矩：,电机惯量JM：0.00123Kg.m2，微调运动工件及工作台质量估计最大值约。外部负荷的转动惯量丝杆部分的转动惯量：(5-15)外部负荷的负荷转动惯量：则有：加在电机上的转动惯量：外部负荷产生的摩擦扭矩(5-16)式中：——滚珠丝杆副的导程——未预紧的滚珠丝杆副的效率（2级精度=0.9）——外加轴向载荷，含导轨摩擦力由公式（5-16）可以计算出外部负荷产生的摩擦扭矩为：预紧力产生的摩擦扭矩(5-17)式中：——滚珠丝杆副间的预紧力，。由公式（5-16）计算出预紧力产生的摩擦扭矩为：支撑轴承产生的摩擦扭矩分析安装和受力要求，可选取的是是推力轴承，规格是51100，查询轴承的样本资料可知其摩擦力矩。加速度产生的负荷扭矩按照本次机构的工作要求，其中的微调运动运动速度为，对应电机转速，最大加速度为，则工作台速度从0升至所需时间：(5-18)当电机转速从升至时，其负荷扭矩(5-19)电机总扭矩本次通过计算分析以后，选取的电机为感应电机，规格是5IK90A-C系列感应电机，电机的额定扭矩是7.15N.m，大于计算电机总扭矩3倍以上。因此本次选取的电机符合扭矩的要求。图5.SEQ图5.\*ARABIC1机械表面粗糙度检测仪三维图根据大量的相关零部件的计算与选型，可以得出机械表面粗糙度结构简单，便于设计，可以多用于在线测量，都是经过反复推敲才得出的准确结果。综上所述设计结果和选型，本此设计的机械表面粗糙度检测仪总体设计图三维结构图如REF_Ref17341\h图5.1所示。参考文献[1]朱祥山.表面粗糙度测量技术与方法研究[J].中国设备工程,2019(23):216-217.[2]沈肇雨,方九金,牟塬,应予钊,陈子寅,陈昌平,王正.表面粗糙度测量方法的研究进展[J].木工机床,2019(01):4-7.[3]张天微.表面粗糙度测量软件设计[J].工具技术,2018,52(12):141-144.[4]成大先.机