激光测高测距机总体及X、Y激光测高测距仪设计

电动助力转向系统机械结构设计AbstractThroughtherapiddevelopmentandprogress,theworld'smechanicallevelisalsogettinghigherandhigher,sotheresearchoflaserheightmeasuringanddistancemeasuringmachinehasgraduallycomeintopeople'seyes.Thefurthertransformationofthelaserheightanddistancemeasuringmachineisatopicjointlystudiedbythemechanics.Theapplicationofthetraditionalheightmeasuringanddistancemeasuringmachinecannotmeettheneedsofmodernpeople.Therefore,thedesignoftheimprovedheightmeasuringanddistancemeasuringmachinehasbeenimprovedtonow.Itisverynecessary.Agoodlaserheightanddistancemeasuringmachineneedstohaveacompleteoperatingsystem,whichisveryhighformechanicaldesigners.Therelationshipbetweenthedesignofthelaserheightmeasuringanddistancemeasuringmachineandthemanufactureofthelaserheightmeasuringanddistancemeasuringmachineareinseparable,sowefirstneedtocompletethedesignconceptofthelaserheightmeasuringmachineandthedesignoftheXandYlaserheightmeasuringdistancemeter.Thencompletethedesignplan,andthencompletethedesignquicklyundertheguidanceoftheinstructor.First,Iwillgiveabriefintroductiontothisdesign.Thispaperanalyzesandresearchesthefuturedevelopmenttrendofmachinerymanufacturingbyanalyzingthetechnicalcharacteristicsoflaserheightanddistancemeasuringmachinemanufacturing,thecorrespondingmanufacturingtechnologyanditsmanufacturingstatus.Goodmechanicaldesignwillenhancethecorrespondingmechanicalpropertiesofthelaserheightanddistancemeasurementmachine,sothequalitycontrolofthelaserheightanddistancemeasurementproductcanbegreatlyimproved.Keywords:Laser;Laseraltimeterrangefinder;Agencies;3Dmodeling目录26637摘要 IV16665Abstract V10495目录 VI77711绪论 1257431.1课题的提出和意义 1222141.2国内外研究现状 3191021.2.1国内激光测高测距机的研究现状 312341.2.2国外激光测高测距机研究现状 5300601.3实现方法以及预期目标 6257672激光测高测距机总体方案的设计 8142862.1激光测高测距机的工作原理 8286762.2激光测高测距机X、Y激光测高测距仪方案设计 9137802.3激光测高测距机方案设计 10201582.4激光测高测距机激光器的方案设计 11255682.5传动机构选型 12266352.5.1确定激光测高测距仪的机构类型 12100502.5.2确定导轨类型 128072.5.3确定轴承类型 12278512.5.4确定连轴器类型 1366772.5.5选择控制电机 13279052.5.6选择丝杠 13224193激光测高测距机的部件设计 14211993.1激光测高测距机主体材料设计 14167553.2激光测高测距机材料刚度理论设计 15248143.2.1扭转时的刚度计算 15232883.2.2弯曲时的刚度计算 16213363.3激光测高测距机基座的设计 1899653.4基座材料的设计 19259833.5激光器的选择设计与计算 19285513.5.1半导体激光二极管的设计 20274293.6固定架的设计 22108413.7支座的设计 2364044激光发射器和接收器的设计 24166074.1激光发射电路的设计 24173214.1.1窄脉冲发生电路 2426684.1.2激光驱动电路 27200134.2激光接收电路的设计 29272644.2.1接收光路 3040184.2.2光电探测器 32242715激光测高测距机主要零件的设计校核 36281095.1螺栓的设计与校验与核对 36252185.6销轴的设计计算 3969846激光测高测距机的三维设计 44308376.1UG

NX三维建模技术 4496936.2激光测高测距机的三维建模

44318796.2.1联轴器建模 4548246.2.2电机座建模 4672136.3激光测高测距机的结构设计的三维安装配备 472500结论 496382致谢 5017810参考文献 511绪论1.1课题的提出和意义随着科学技术飞速发展和经济竞争的日趋激烈，机械产品的更新速度越来越快，机械制造之间的竞争形势，其实质是激光测高测距机技术的竞争形势。因此掌握先进的激光测高测距机制造技术是非常重要的。而以激光测高测距机设计为出发点，着力分析零件图，较少设计误差，从而大大缩短了机器运行的时间，提高了效率，降低了随着科学技术飞速发展和经济竞争的日趋激烈，机械产品的更新速度越来越快，成本降低，而且提高了产品的质量和档次。本文主要介绍了激光测高测距机的现状及发展趋势，紧接着对于激光测高测距机工艺分析。对激光测高测距机进行了着重的研究。随着第三次科技革命的发展，计算机技术被运用在激光测高测距机领域，对激光测高测距机制造和性能来说，提升了不少，使其能够较为智能的反馈，并为之后的激光测高测距机开发打下来基础。历史的变迁与时代的进步见证了数字化社会的发展，机械行业当中所运用的数字化信息已经屡见不鲜，这也为现代的激光测高测距机铺下了一条明路。今年是建国71周年，我我国71年发展的历史长河当中，对于社会主义工业化的建设一直在不断进步。在2000年之后，我国把机械发展的重心由工业化转为现代化，由此可见，工业是国家的立国之本，也是一个国家以及民族能否进步与长期发展的根源。目前我国的工业已经初步达到了国际工业现代化的基本需求，但是为了跟进一步，国内的机械制造行业也已经明确要求要提高档次，因此对于机械行业发展的高质量专业性人才的需求也与日俱增，并且要求这些高质量的人才在工作的时候不仅要认真的搞科研创新，还要提高对机械制造领域的认知水平。国内对于机械设备的需求也是逐年提升，对此机械技术与机械设备的发展更需要加快速度，特别是对智能化机械的发展不能懈怠，争取智能化机械技术的水平早日与世界看齐。在机械行业的运用与发展当中，机械装置的设计以及装置的生产制造是机械设计制造当中的两大部分。他们两个环节在机械行业的发展当中是不容小觑的存在，由此得知他们之间的重要性也是一样的。如若在生产的国产当中有一个环节的操作违反了相应的规范，或者质量不能够达到相应的要求，那么最后的结果就是使得成品的效果大打折扣。机械行业的发展的时间已经非常久了，对于它的设计一直是机械工程师研究的方向。目前机械制造行业的规模越来越大，机械设计所涉及到的领域也越来越广，因此机械行业的发展趋势也是非常巨大的。随着机械设计和制造行业规模的不断扩大，机械设计所涉及的领域也在逐渐的慢慢增加，并且有着发展和增长的趋势所在。目前，许多相关技术的科学研究人员已经把机械设计作为一门正规学科，很多大学为了培养具有机械设计知识的人才甚至都开设了相应的专业。机械设计主要的具体过程是通过技术人员按照社会对机械功能以及时代发展的需要进行补充和相应的完善，并利用相关技术来对机械设备的模型进行规划设计。第二是机械制造，此过程由机械设计指导并基于机械设计，它是在工厂当中通过某些步骤和过程来进行的。机械行业的发展也是一个国家综合国力的展现，因此从改革开放以来，我国对机械行业的研究可以说是夜以继日，前赴后继，科学家们兢兢业业就是为了能够让我们国家的机械水平站在世界的前端，如今不管是我国的自动化技术还是机械工业都已经位列世界前三，虽然现在有如此傲人的成绩，但是我国机械行业的技术型人才依旧不敢怠慢，传承着先辈们的精神与毅力，对此我相信在未来的一天，我国的机械化技术将会站在世界的顶端，让他们感叹我们的技术，向我们学习。1.2国内外研究现状1.2.1国内激光测高测距机的研究现状 我国工业革命发展的主要成果就是工业机械的自动化发展，在机械工业的制造与发展当中想要让激光测高测距机大规模、产量高并且连续的进行自动化生产就应该优先使用相应的自动化机械生产技术。在使用这种技术的同时，传统的机械设备肯定是无法满足的，并且还要响应国家的节能减排的高要求，所以研发新型的机械自动化生产设备就显得尤为重要。现代化的机械发展需要让机械设计的理念与想法和机械技术相结合，才能够让产品的本质结构发生相应的变化。当前机械的结构以及应用技术还是不够完善，问题也非常的多，从而会导致机械行业的发展停滞不前。因此认真的研究与仔细的分析是当代机械工程师的标杆，在不违背设计原则的同时还需从中进行创新与改革，才能够让机械行业更加稳定长久的发展下去。经历了19世纪70年的改革开放，市场经济的的发展不断上升，对激光测高测距机的需求也在不断上涨，因此需要发展自身的机械工业就一定要发展工业机械生产设备。经过了半个世纪的进步与发展，激光测高测距机的研究也进入了前所未有的高速发展，激光测高测距机总体及X、Y激光测高测距仪设计与传统的机械略显不同，它不再是传统的技术叠加，而是把先进的技术与得到验证的理论相结合，从而实现激光测高测距机现代化的发展进程。在2001到2005年之间，也就是我们第十个五年计划期间，北京市机城集团的激光测高测距机工业的发展跨度非常的巨大，在此期间与韩国的威所公司与德国的德鲁公司建立的深度战略伙伴的合作关系，直至今日他们所合作的产业数值已经高达百亿，已经在国内成为这一行业发展的主流军，为我们国家的工业以及经济的发展做出了不可磨灭的贡献。与我国开设奥运会同一年的2008年，北京市的激光测高测距机制造工业与同时期间增长了11.7个百分点，对待该行业的贡献率为47.3，并且还拉动了全市的工业增长了0.87个百分点。在奥运期间结束之后，全球经济大危机全面爆发，人们的消费力度大幅度下降，激光测高测距机行业的发展也进入到低谷水平，在2008年9月之后，激光测高测距机行业的发展要比上一年下降16.8个百分点，并且下降的幅度也越来越大。好不容易熬过来了2008年，迎来了崭新的2009年，机城集团销售的激光测高测距机已经达到了134万台，与此同时成为了成为北京市经济制造产业当中的顶梁柱。到了2010年，机城集团生产激光测高测距机的数量已经达到了160.3万台，利润已经高达了121.2亿元，在经济危机之后呈现出了大幅度的增长。先进的机械技术在以前是我国非常薄弱的地方，但是现在却已经发展成为优势，我国的机械研究小组已经能够自主研发激光测高测距机，我国自主研发的激光测高测距机在国外非常的畅销，并且每年平均以200万台的速度成正比例增长，在国内的销售数量更是可观，大家现在都有着支持国货的信念，因此仅在江浙沪地区，一年的销售量在5000万台。正是因为这些恐怖的销售数据吸引了一大批资本家前来投资建厂生产，这些资本家独到的眼光和莫大的勇气为我国机械行业的进步奠定基础。目前我国已然步入了机械大国的行列，但是离机械强国的还有一段比较长的距离，其中差距比较大的是机械产品的技术含量以及他的质量，如果这两个问题得到解决的话，那么将会离世界顶尖水平更加的靠近。我国工业革命发展的主要成果就是工业机械的自动化发展，在机械工业的制造与发展当中想要让激光测高测距机大规模、产量高并且连续的进行自动化生产就应该优先使用相应的自动化机械生产技术。在使用这种技术的同时，传统的机械设备肯定是无法满足的，并且还要响应国家的节能减排的高要求，所以研发新型的机械自动化生产设备就显得尤为重要。现代化的机械发展需要让机械设计的理念与想法和机械技术相结合，才能够让产品的本质结构发生相应的变化。现代信息技术的发展与进步对于机械工业的设计与制造方面来说非常的重要，它能够为机械制造的领域当中提供较为新颖的理念，所以对于机械制造的工艺以及发展方向来说研究他们是比较重要的。对于现代的机械制造而言，需要具备功能多，质量要求过关，可靠性要高，消耗的能量低等特点才能够称之为有意义的机械设计，所以我们在设计激光测高测距机的时候都应该围绕这些特点来设计，尽可能的让这些设计符合上述的几个特点。机电的一体化发展是实现科技进步的一项大指标，基本上机械设计师们都知道机械工业发展唯一一条出路就是机械自动化设计，这样所带来的便利是空前的。1.2.2国外激光测高测距机研究现状智能化的激光测高测距机能够在满足人们基本需求的同时还不会为人们带来困扰。机械智能化产业所涉及到的知识领域非常的广泛，所以他所有的性能都非常的强。目前世界上的发达国家以及发展中国家都在发展智能化这一项技术，这样才能够让自身的实力得到提升。激光测高测距机的研究早在20世纪末就已经在美国开始研发了，世界上第一台激光测高测距机的生产地点就在美国的加利福尼亚。在1960年到1970年之间，美国政府只是钻研激光测高测距机技术的提升，并没有预想到激光测高测距机未来的巨大潜力，这种情况的主要原因还是当时激光测高测距机的技术才开始发展，应用不是很成熟，在实际的使用当中不能够满足人们的日常需求，并且当时激光测高测距机的价格也非常的昂贵，让许多人以及企业望而却步，驻足感叹，但是随着技术的进步以及应用的成熟，激光测高测距机逐渐大众化，到2000年之后，其性能的进步比起最开始先信号已经有了质的飞跃。在日本激光测高测距机的发展与进步也从未停滞，在1960年到1970年之间，激光测高测距机的雏形才开始出现，之后的几十年更新换代的速度非常的快，在20世纪70年代期间，日本的激光测高测距机已经停止从国外进口，开始了自己的研究生涯，之后的几年里，日本的工程师都在研究如何使得机械智能技术与激光测高测距机相融合，并且能告诉生产化，达到利益最大值。也正是日本机械工程师夜以继日的辛苦研发，日本激光测高测距机的发展呈现了飞速增长的状态，智能化技术的进步也弥补了日本劳动力不足的缺点，因此发展此技术的重要性对日本这一国家来说可见一斑。智能化技术在日本的普遍运用，让日本机械工业的生产水平得到了质的提升，产品的质量也提升很大，相应的也减少了激光测高测距机的生产成本，让激光测高测距机的能够迅速大量的占据市场。在20世纪末，国外机械水平的发展进入到高速发展的阶段，在新技术被大规模应用的同时，新的产品以及新的结构也在不断的出现。产品的电子信息化技术的含量各国机械工程师努力的目标与方向。我们国家的发展机械技术的时间要比美国和日本晚许多，但是在经过改革开放之后，与美国日本的差距正在逐渐减小，赶超他们也是我们国家前进的动力。技术的发展与进步使得激光测高测距机的性能也在逐步提高，但是现代工业的发展还是使得激光测高测距机的价格比较昂贵，不过许多国家已经大规模的开始生产激光测高测距机，激光测高测距机的研究生产已经逐步形成一道产业链。1.4发展趋势为例响应可持续化发展的号召，我国加大人力、物力的投入，从而让激光测高测距机的设计趋于实质化行动。近期我国针对暂时还没有引入激光测高测距机使用的设施市场运行机制，才能够完善激光测高测距机的设施建设投融资体制。积极鼓励跨区域、跨部门合作，建立统一的全国市场，不断培养和发展激光测高测距机企业的专业化、规模化，使以特许经营为核心的市场准入制度得到完善，使得产业集中程度得到提高。在机械领域当中，使得激光测高测距机生产的服务效率得到提高，规避“工厂网络不匹配”、“产品不配套”等问题的产生。激光测高测距机大多数都基于制造业的产品，激光测高测距机的技术是国家发展工业制造也的一个非常重要的必经之路，这样可以对生产各种产品有极大的帮助。致使整个产业链能够使得市场上更新的更快大大缩短生产周期，以及大大加强了市场激烈的竞争程度。近十年来，激光测高测距机产品的研发成本一直较低。象征了我们国家国外的先进激光测高测距机的一个技术水准的始终是持续发展的，主要体现在下述的几个层面：（1）传统的高技术数控集成应用是这项技术的一个突破。与传统的机械加工过程相比，这个工艺相对来讲既可以减去生产的周期，同时可以降低一些不必要的成本是一种非常有效的提高经济效益的技术，并取得了良好的成果。然对对于很多公司来讲他们并不使用这样的技术。（2）激光测高测距机的标准化程度高。推动标准键的发展，可以对提高生产效率有极大的帮助，同时还可以提高生产的质量和生产的规模以及充分减小生产的工作周期时间降低生产的成本等作用。所以激光测高测距机的发达国家标准化的程度大约在80%，激光测高测距机的企业标准化的规模是比较低在大约35%。激光测高测距机的发展迅速敏捷的制造系统。虽然说中国古代的辘轳是现代激光测高测距机的雏形，但它也仅仅是个雏形，并不是真正意义上的激光测高测距机，它的驱动动力完全是依靠人力来完成的。直到1765年，瓦特发明蒸汽机后，英国的研究学者将蒸汽机拖动用到了升降机上。在1845年，阿姆斯特朗研制成功了世界上第一台激光测高测距机（这是现代激光测高测距机的雏形），从而推动了激光测高测距机技术的进一步发展。时间来到19世纪的80年代，由于发电机的发明，德国出现了世界上第一台以电力拖动的激光测高测距机，从此，史上第一台用于垂直输送的激光测高测距机诞生了。这是第一台真正意义上的激光测高测距机，是激光测高测距机发展史上的一个里程碑。1.3研究目标（1）能够加深独立的工作素养的能力。（2）建立创新思维，明确设计思路，培养学生学习规范、懂得工程制造过程中的一般操作方法。（3）树立正确的设计思想，学习识别技术文档，国家标准，其他文档。开发学生的使用图册参考书为创建数据处理的能力。（4）从工人和工程师的角度，面向现实，面向生产，工作，树立扎实的工作作风，学会如何工作，培养学生进行研究和学习的兴趣。毕业设计是一个学工科专业的本科生学习成长中不可避免的一部分。毕业设计搞定之后，他们学会了把理论和实践相结合，动手去解决实践过程中的困难，并把它解决好，从而锻炼了自己，并提高了自己的设计能力，为马上去残酷的社会竞争中打下了稳固的基础。通过大学四年的学习，对设计所需要的理论知识有一定的存储。所以通过毕业设计来检验我们理论与实操相结合的能力，提高自己以后在企业实操动和独立思考能力。毕业设计和毕业论文是本科生培养计划中的重要环节。通过毕业设计，学生可以利用他们在几年内学到的知识来分析和解决问题。在毕业设计过程中，他们所学到的知识可以被整理和利用。这既是一个回顾，也是一个练习。许多学生在完成毕业设计时，感受到自己动手实践、写作能力得到锻炼，增强了走进社会的竞争力，树立了自信心。通过四年的大学学习，从理论和实践上都有一定的积累。毕业设计是综合运用我们过去所学到的知识，进一步巩固和深化，并解决实际能力培养和考核的问题。这个项目的设计是对我四年大学知识的考验。毕业设计的综合实习，不仅培养我们的综合应用，我们已经学会了分析和解决本专业一般的技术问题，并考虑企业的生产状况以及企业的设备和工艺能力知识的能力同时，也进一步巩固和扩大我们的研究所。基本理论，基本知识，并学会了基本的操作技巧能让我们在金属部件加工工艺设计，计算，处理分析等初始能力强，学习能力强咨询相关标准，规范，手册，学会使用经验数据来估算的经验等，也培养我们树立正确的设计思路和生产理念，经济观念，整体观念，并独立分析，解决问题，综合运用各学科知识，培养一个理论，实践和严谨的工作作风，培养我们掌握的一般程序和设计方法的能力和独立，正确使用技术资料和能力来正确表达自己的设计思路和能力写指令。2激光测高测距机总体方案的设计2.1激光测高测距机的工作原理 脉冲法激光测距的原理如下图所示:图2.1脉冲法激光测距的原理图如上图，激光测距设备对准测量目标一Target,

发送光脉冲，光脉冲在经过光学镜头时，-束被透镜前的平面镜反射，进入激光反馈计时模块，经继电转换及放大滤波整流后，电平信号送入时间数字转换芯片的开始计时端;另一束激光脉冲经过透镜压缩发散角后，开始飞行,遇到目标障碍物后发生漫反射，部分激光返回到激光接收处理电路，同样地，经过光电转换及放大滤波整流后,所形成的电平信号送入时间数字转换芯片结束计时端，即完成整个测量过程中，设D为待测距离,

T为往返测量点与待测物间距离所用时间,

C为激光在空气中传播的速度(假设已设置测量的环境参数),

n为测量时大气折射率,那么,易得:

D=CT/2n

非常简单地，我们把对距离的测量转变为对时间差的测量，所以,在脉冲式激光测距中，要测量的只是发射与接收激光的时间间隔、受环境因素影响的大气折射率、环境参数及激光传播速度。2.2激光测高测距机X、Y激光测高测距仪方案设计方案一:传动机构采用步进电机驱动滚珠丝杠螺母机构。首先X轴通过联轴器将步进电机输出轴与滚珠丝杠的丝杠相连，电机转动带动丝杠转动，滚珠丝杠结构将丝杠的旋转运动变为螺母的直线移动，带动与螺母相固连的连接板、上托板及整个Y轴和激光测高测距仪在X方向移动；然后Y轴采用与X轴相似的方案，若单独考虑Y轴的运动，则Y轴通过联轴器将步进电机输出轴与滚珠丝杠的丝杠相连，电机转动带动丝杠转动，滚珠丝杠结构将丝杠的旋转运动变为螺母的直线移动，带动与螺母相固连的承载台、激光测高测距仪在Y轴方向移动。综合两轴的运动，便可实现激光测高测距仪在平面内的任意移动。因X向和Y向机械结构基本相同，故只绘制X向传动部分的结构简图，如下:图2.2X方向丝杠传动简图方案二：激光测高测距仪总体布局不变，传动机构采用齿轮齿条传动机构,。下图是Y方向的齿轮齿条传动机构仿真图图2.3齿轮齿条传动机构仿真图下图是传动机构的简图，齿轮作为运动件在齿条上运动同时齿轮也作为曲柄推动滑块，可以达到行程放大的作用。方案比较：方案一采用滚珠丝杠和直线导轨副传动，具有精度高，效率高，寿命长，磨损小，节能降耗，结构紧凑的优点，长距离重负载下精度会降低。方案二采用齿轮齿条和直线导轨副传动，相较方案一优点在于承载能力强，速度快，切齿轮齿条传动工作行程可无限接长。但工作行程短时精度不如滚珠丝杠，且步进电机在不断移动，设计防护装置难度更大。综合两种方案的优缺点，决定采用方案一，选择滚珠丝杠螺母传动。由于滚珠丝杠螺母机构不具有自锁性，故应增加电磁制动装置，以达到精确定位的目的。2.3激光测高测距机方案设计激光测高测距机主要是通过以下的几个部件组合而成的：它们分别是激光测高测距仪主体、导轨块、电机座、法兰盘、激光测高测距仪、调整板、丝杠、连杆等。图2.1激光测高测距机的传方案图2.4激光测高测距机激光器的方案设计本次设计的激光测高测距机的激光器基本结构一般包括三个部分，即工作物质、激励源（也称为泵浦源）和谐振腔。图2.4激光器示意图2.5传动机构选型2.5.1确定激光测高测距仪的机构类型对于激光测高测距仪我们初步选择下层电机固定在机座上，上层电机固定在激光测高测距仪滑板上的结构。2.5.2确定导轨类型由于激光测高测距仪的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小激光测高测距仪的摩擦系数，提高运动平稳性。2.5.3确定轴承类型轴承是机械轴当中普遍存在的形式，弯曲应力和扭转切应力会一起作用在他上面，并且都是交变应力。疲劳断裂是轴主要的失效形式，主要原因就是承受了交变应力。所以我们在选择轴的材质时，一定要选择疲劳强度高并且应力集中的材质。轴承在轴组件当中有着重要的作用，轴组件的工作性能都跟它的类别、结构形式、配饰好坏、精度、润滑方式以及冷却方式有着不可磨灭的联系。由于激光测高测距仪载荷不大，速度低，步进电机启动频繁，根据上述各自的优缺点，这里设计选择滚动轴承。2.5.4确定连轴器类型激光测高测距仪是高精度机电系统，要求定位精度高，启动灵活、频繁。这就要求联轴器输出地角位移、转矩与电机输出地角位移、转矩同步性好，因此选择刚性联轴器。2.5.5选择控制电机1、类型的选择电动机的类型决定了机器生产的效率以及特性，但是对启动以及速度没有要求的话使用三相异步笼型电机是最为合适的选择。2、功率的选择功率的大小决定了生产产品效率

，需要通过一些简单的放来来把电动机需要的功率计算出来，再进行选择3、电压的选择一般使用的电压是110v或者220v，特殊的点击能够达到600——1000v，最好选择其配套的直流电机。4、转速的选择转速的存在决定了电机的传动方式以及效率，电机的体积质量会影响转速的数值，因此需要将电机的整体数据确定好以后才能够确定电机的转速。激光测高测距仪的步进电机（包括X向和Y向）我们选择混合式步进电机。2.5.6选择丝杠这里选择滚动丝杠。滚珠丝杠具有很高的传动效率（η=0.92～0.96）；当双螺母预紧后，轴向刚度高；传动副的爬行小，具有较高的定位精度和随动精度；起动力矩小，传动灵敏，同步性好。3激光测高测距机的部件设计3.1激光测高测距机主体材料设计其变形的特征在于杆在轴向方向上伸长或缩短，并且其横截面变得更细或更厚，详情见图3.2.1（a）、(b)图3-1拉伸与压缩从上面可以知道，无论是在拉力还是压力下，杆横截面中的内力都沿着杆的轴线。图3-2受拉杆件截面上的应力假设A表示的是杆件横截面的面积，N表示的是横截面上的轴力为，那么能够得知这个横截面上的正应力是=N/A（的正负号与轴力相同，当N为正时，也为正，称为拉应力；当N为负时，也应该是负的，也被叫做压应力。）杆件受拉伸或者压缩时的强度条件为（）式中[]表示杆件材料的许用应力，。假设需通过200KG的重量，即截面积A==314(mm),即根据杆件受拉伸或压缩时的强度公式（）得==63.7硬铝合金管材是当前市场上大多数激光测高测距机使用的材料，其最大的抗拉强度是370,即最大许用应力[]为370，因此硬铝合金能够成为激光测高测距机的主要结构。3.2激光测高测距机材料刚度理论设计激光测高测距机圆轴扭转时的刚度条件为：圆轴的最大单位长度扭转角不超过许用单位长度扭转角[],即=(rad)或=[(°)/m]梁弯曲时的刚度条件为：是在梁弯曲变形时，也就是指定截面的挠度以及转角不能够大于许用值，即或式中，[y]和[]分别--许用挠度和许用转角。3.2.1扭转时的刚度计算如果在直杆的两端施加外力耦合Me，并且两者大小相等且旋转方向相反，并且有效表面垂直于杆的轴，则杆的横截面将相对于轴旋转是转动的，我们把这种现象叫做扭转，详情见图3.3.1。图3-3杆件的扭转变形下面是对它变形的特点进行相应的介绍：对于杆件的任意两个横截面来说，它们都是都是绕杆轴线转动的，我们所说的扭转角也就是两横截面之间的相对角位移情况的表现形式，是扭转角的表示形式。在进行扭转的时候，杆的纵向线会倾斜的现象，但是幅度并不是很大，是表面纵向线的倾斜角的表示形式。详情见图3.3.2。图3-4杆件扭转时的变形已经得知所用的硬铝合金管材的许用单位长度扭转角的数值为[]=1(°)/m，切变模量G=810，即根据上面得到的公式=[(°)/m]，又（mm），得==0.73(°)/m<[]=1(°)/m所以，这个硬铝合金管材的刚度能够符合本次设计的要求。3.2.2弯曲时的刚度计算如果直杆的两端均受到外力耦合Me的作用，并且两者大小相等且旋转方向相反，则有效表面与包含杆轴的纵向平面之间是重合的状态。构件轴出现弯曲状况的原因是轴的外力F的作用，这就是轴的弯曲现象，详情见图3.3.3（a）、（b），图（a）是纯弯曲的表示形式，图（b）是横力弯曲的表示形式。图3-5杆件弯曲时的变形在本次的设计当中，通关观察与计算需要主结构支梁的剪力图以及弯矩图绘制出来，并且要对它们进行相应的分析，详情见图3.5。图3-6主结构的剪力图和弯矩图梁弯曲时的许用挠度是使用[y]来表示的，选择使用的材料的挠度尽可能不要大于它许用的挠度，这一才能够得出主结构梁最大的挠度=(式中——截面的惯性矩，，——抗弯截面模量，)又因为材料使用的是空心铝合金管材，所以会有管材截面惯性矩存在，和抗弯截面模型，即根据弯曲时的刚度条件=所以，这个硬铝合金管材的刚度能够符合本次设计的要求。3.3激光测高测距机基座的设计基座整体尺寸为1575*710*226是通过不同的钢管组合而成的，负责激光测高测距机的结构设计整个部件的支撑。图3-3基座（基座的长度）的数值为1575mm（使用的是长度取整焊接的方式，不仅成本价格低廉，加工起来也简单方便）（基座的高度）的数值为226mm（基座不能够太高，不然会对内部安装各种部件产生影响，操作起来也是非常的不方便）（基座的宽度）的数值为710mm（要经济实惠，不能够太宽）通过材质的力学知识能够得知，在质量一样的情况下，方管的力学性能是比较好的。其材质均使用的是常见的材质，为45钢，基座常见材料45钢。3.4基座材料的设计基座使用的是钢结构。与其它结构钢框架结构进行比较，有下面几个优点：1：安全可靠的性能比较高2：钢结构的强度非常结实，重量轻便3：钢材具塑性和韧性较为良好4：使钢结构更容易，施工周期更短5：钢结构密封性好6：钢材不会轻易被腐蚀3.5激光器的选择设计与计算本系统选用的半导体激光器是PerkinElmer公司的PGEW1S09,如图3-4所示。图3-4PGEW1S09实物图它的一些典型参数详见表3-1，内部电路如图3-5所示。表3-1PGEW1S09的典型参数正向电流脉冲宽度偏置电压占空比工作温度范围存储温度范围焊接条件8~25A30ns2V0.0075%0~50℃-20~70℃200℃/5S图3-5PGEW1S09半导体激光器电路图3.5.1半导体激光二极管的设计半导体激光二极管有两个比较重要的特性，简要介绍如下：1．半导体激光二极管的I~V特性和P~I特性，如图3-6和3-7所示图3-6半导体激光二极管的I~V特性图图3-7半导体激光二极管的P~I特性图公式如下：Ith（3-1）Vf（3-2）在式（3-1）和（3-2）中，为=时的阀值电流，为=时导通电压，为特征温度，为工作温度。当其它条件保持不变时，工作温度升高会导致半导体激光器的阀值电流变大，进而会导致激光器输出功率随之下降。3.6固定架的设计固定架的尺寸，如图3.4所示。mnupmnup图3-10固定架（1）固定架尺寸m（固定架宽）=取整=173mmn（固定架长）=105mmP（固定架螺丝孔径）=15mmu（固定架高）=75mm孔洞尺寸的大小O（孔径）=水平位移长度+活动间隙=14mm+1m=15mm3.7支座的设计（1）支座的大小：hhdtdt3.6支座h（支座长）=246mmd（支座宽）=74mmt（支座高）=54mm侧固定板材料：45#。 4激光发射器和接收器的设计4.1激光发射电路的设计激光发射单元主要由窄脉冲发生电路、激光驱动电路、半导体激光器组成，下面分别介绍各个组成部分。4.1.1窄脉冲发生电路窄脉冲信号产生电路的设计是为了提高测距精度，根据脉冲激光测距原理，脉冲宽度越窄，测距精度越高。为达到此目标，激光发射脉冲应尽可能窄。目前激光脉冲宽度可以达到ns级别。由PGEW1S09激光器的性能参数可知，它的特点是脉冲窄(30ns)，占空比低(0.0075%)，峰值功率大(8A~25A)。通常我们使用的时钟发生电路不能直接得到如此窄的脉冲。根据脉冲激光测距系统需要和实际情况。脉冲激光测距系统中集成电路主要由LM555和74LS123逻辑电路组成，可实现0.5KHz~1KHz频率范围和10us~500us延时范围的连续调节。其中LM555为振荡源，用于产生频率可调的窄脉冲，通过调节Rv1可调节脉冲激光频率。下面介绍一下LM555和74LS123这两种电路。1．LM555简介LM555是美国国家半导体公司的时基电路。LM555时基电路有双极型和CMOS型两种。LM555的引脚说明如下表4-1所示。表4-1LM555引脚功能表引脚编号符号功能说明1GND地线2TRIG触发3OUT输出4RST复位5CVOLT控制电压6THR阀值7DISC放电8VCC电源LM555的特性:可直接替换SE555和NE555；定时时间从微秒级到小时级；可工作无稳态和单稳态两种方式；可调整占空比；输出端可接收和提供200mA电流；输出电压与TTL电平兼容；温度稳定性好。74LS123的引脚说明如下表4-2所示。表4-274LS123引脚功能表引脚编号符号功能说明1A负触发输入端2B正触发输入端3MR直接清除端4Q’负脉冲输入端13Q正脉冲输入端14CX外接电容端15RX/CX外接电阻/电容端4.1.2激光驱动电路对于器件的选择来说，要选择反应速度快、开关时间短并且驱动能力强的高速开关器件，并要考虑成本因素，选择价格便宜的器件。（2）采用电路结构简单、易于控制噪声的电路形式，并慎重选择电路中其他的外围电路器件，如噪声小、性能高的电阻、电容等。本系统半导体激光器驱动电路选用的是MIC4452芯片，该电路能产生0~15A的瞬时峰值电流，工作温度范围为-40℃~80℃，无外部网络和加速电容的情况下，可选用2.4V的输入电压，可承受反向最大5V的电压冲击，上升沿和下降沿都是25ns，附加电路的保护器不受静电破坏,电压范围宽（4.5~18V），延时短（30ns），供电电流小（450uA），输出阻抗较低(1)。由它的特性可知:一方面，它很适合驱动PGEW1S09半导体激光器，另一方面，该集成芯片可顶替三个或者更多的分立器件，简化了电路设计。下面简要介绍一下MIC4452芯片：MIC4452的l(VS)脚和8(VS)脚是电源输入端，4(GND)脚和5(GND)脚是接地端,6(OUT)脚和7(OUT)脚是电源输出端,使用时电源输入端与电源输入端,接地端与接地端,电源输出端与电源输出端分别连接在一起；2(IN)脚是控制输入端；3(NC)脚用时不需连接；4、5双接地引脚和6、7双输出引脚连接，不仅可以减小寄生引线电感，保证大电流的快速切换；而且可以减小内部振荡效应导致的当负载工作在接近最大额定电压时电压的崩溃和因负反馈而产生的输出振荡。MIC4452的引脚说明如下表4-3所示。表4-3MIC4452引脚功能表引脚标号符号功能说明1VS电源输入端2IN控制输入端3NC不需连接端4GND接地端5GND接地端6OUT电源输出端7OUT电源输出端8VS电源输入端使用该集成电路时应该注意一下几点：1．MIC4452在不同的电压下工作频率是不同的，供电电压最小为5V时工作频率是2MHz，随着电压的增大，工作频率会有所下降，供电电压最大为18v时工作频率为220kHz，因此，工作频率的选择应尽量与输入信号频率匹配。2．供电旁路应并接一个电容，使用低自感系数短导线长度的瓷片电容。1、4管脚，5、8管脚应各接一个陶瓷电容。这样可以使供电电源在宽频范围内为低阻抗。3．MIC4452输出的瞬时电流较大，为避免电磁干扰引起电路工作异常。我们必须缩短布线的长度，必须使半导体激发器贴近MIC4452的输出端。4．为了得到最佳的工作状态，要区分逻辑连接和电源连接的接地路径。逻辑连接的地直接连接到芯片接地端以保证对输入全逻辑驱动和确保输出快速切换。芯片的接地端必须连接到电源的接地端。4.2激光接收电路的设计设计科学合理完善的激光接收系统对于提高测距仪的测距精度是至关重要的。激光是速度最快的信息载体，激光的强度变化、频率变化、相位变化、偏振变化等都是激光携带信息的方式。光波到达目的地后，需要把光波所携带的信息检测出来。在脉冲激光测距系统中，通常采用光波强度变化来携带信息，使用直接探测法检测信息。导致光电探测器输出功率也非常小，故需先对接收的光信号功率进行放大然后才能提供给下级电路处理利用。较整形电路用于对放大后的回波信号通过设置一定阀值的方法进行滤波、整形、屏蔽噪声，然后提取有用信号。即便如此，因距离、目标反射率和天气状况的变化，经比较整形电路处理的信号变化有时仍然比较剧烈，它在完成判别之后会输出一个TTL电平到高精度计时电路令其停止计时。4.2.1接收光路假如温差很大，例如在冶炼钢铁的铁转炉里，因湍流引起的测距误差大概有几毫米，然而若在大气中温差这么大的话，光学路径会产生几百度的偏差。激光的反射系数和发散度受目标特性的影响很大，在测量角度为90°时，铝和钢反射系数之比为1：20，两者的反射系数差异比测量角度为45°时有所增大。在不考虑距离的情况下，如果待测物体是暗的不光滑平面或者反射镜，反射功率之比可以达到1：10000。表3-4列出了激光波长为900nm，测量角度为90°时，定义白纸的反射系数为100%的情况下，一些目标的反射系数。表4-4波长为900nm时一些物体的反射系数物体材料反射系数白纸100干燥光滑的松木94白雪80~90报纸60沙子50混凝土24沥青17黑色橡胶2不透明白色塑料110（最大值）反射金箔箱3M2000X1250（最大值）1．滤光片背景噪声主要来自太阳光的散射与背景辐射，杂散光来源于随机的、意外的、突发的瞬间强光信号。当接收电路探测到的暗电流降低之后，自然光背景噪声和杂散光的干扰将会凸显出来，特别是在白天。尤其是在接收视场比较大的条件下，由于受到严重的背景噪声干扰，接收电路将无法正常工作。虽然，从尽可能地降低背景噪声的角度考虑，滤光片的带宽越窄越好，可是有用光信号的透过率也会随之减少。如果滤光片带宽太窄，因中心波长漂移将使回波信号透过率骤降，甚至一点也不能透过，所以滤光片的带宽要取得恰好合适。脉冲激光测距系统通常使用的滤光片半带宽度范围在70—100Å(Å等于十分之一纳米)之间。选择半带宽度为100Å，滤波中心波长为905nm的红外窄带滤波光片，它的性能参数详见表3-5所示。表4-5接收光路滤光片的参数滤光片中心波长905nm最高透过率85%截止宽度1100nm2．衰减片它采用对某一波段光波能量具有吸收作用的光学材料加工而成，利用光波经过光学介质材料时会发生损耗来限制光束透过率，此外，还有一类衰减片是通过给光学玻璃镀上厚度不同的透明胶层来抑制光束的透过率。常见的衰减片有下列几类：迭层、双光楔衰减片及变密度盘。使用脉冲激光测距仪测量距离时，当待测目标距离不同时，激光的回波能量也有所不同。4.2.2光电探测器本系统选择的Si—APD的型号是C30724E，如图3-9所示，C30724主要特点详见表3-6所示。C30724E是美国EG&G公司生产的一款硅材料雪崩光电二极管，其对800~950nm波段的光有较高的响应度Resp=9A/W(T=22℃，M=15，=900nm)，光电探测器直径为0.5mm,响应时间为5ns，而且下降时没有拖尾。该器件对温度变化不敏感的温度范围为-40℃~70℃，故对回波信号的接收易在无温度补偿的情况下实现，因其噪声较低，所以很适合在背景辐射照度较高的场合应用，是比较理想的光电探测器。表3-6C30724E性能参数直径量子效率工作电压响应时间等效电容噪声等效电流0.5mm75%@900nm120~200V5ns1pf0.25pA图3-9C30724E实物图5激光测高测距机主要零件的设计校核5.1螺栓的设计与校验与核对已经得知的条件：螺栓的s的数值为730MPa螺栓的拧紧力矩为T的数值为49N.m2、拧紧力矩：为了增加螺纹连接的刚性，需要在安装配备的时候首先进行预紧，，因此这样做还能够确保载螺栓不会出现滑动的现象。它的公式为：T=T1+T2=K**d它拧紧扳手的力矩为T=49N.m其中K--拧紧力矩系数，--预紧力，它的单位是Nd表示的是螺纹公称直径，它的单位是mm其中K--拧紧力矩系数，--预紧力，它的单位是Nd表示的是螺纹公称直径，它的单位是mm摩擦表面状态K值有润滑无润滑精加工表面0.10.12一般工表面0.13-0.150.18-0.21表面氧化0.20.24镀锌0.180.22粗加工表面-0.26-0.3取K＝0.28，则预紧力＝T/0.28*10*10-3＝17500N计算承受预紧力螺栓的强度：螺栓公称应力截面的面积为As（mm）=58mm2外螺纹的小径为d1=8.49mm外螺纹的中径为d2=9.14mm计算的直径为d3＝8.27mm在这次的设计当中，螺纹原始三角形的高为度h=1.31mm在这次的设计当中，螺纹原始三角形根部的厚度b=1.12mm螺栓最大的拉伸应力为σ1(MPa)。剪切应力：由第四强度理论得：强度的条件是：考虑冲击载荷，倾翻力矩M为：M=W1*(1+6.7)*0.22-W2*(1+6.7)*0.118=190*7.7*0.22-36*7.7*0.118=319.64N.mL1=0.258mL2=0.238mL3=0.166L4=0.099m螺栓最大工作载荷：式子当中：M--螺栓组承受的总倾覆力，它的单位是（N.m）i--每行螺栓的数量L--螺栓到接合面对称轴到距离，它的单位是(m)；z--螺栓的数量；承受预紧力和工作载荷联合作用螺栓的强度计算：螺栓的最大的拉力为F=＝17500＋0.3*167.26＝17550N螺栓的最大拉伸应力σ2(MPa)。剪切应力： 在预紧状态下的计算应力: 强度条件：5.6销轴的设计计算销轴连接是激光测高测距机结构常用的连接形式，例如激光测高测距机固定装置连接等通常都采用销轴连接。图5-8销轴连接示例(a)臂架根部； (b)拉杆。销轴计算销轴抗弯强度验算 式中 M─销轴承受的最大弯矩；销轴抗弯截面模数； 表示的是许用弯曲应力，对于45号钢销轴抗剪强度验算 式中 Q--把销轴当作简支梁分析求得的最大剪力； --销轴许用剪应力，45号钢=125MPa。计算销孔的拉板销孔壁承压应力的验证与计算式中 P--构件的轴向拉力，也就是我们所说的销孔拉板通过承压传给销轴的力； --销孔拉板的承压厚度； d--销孔的直径； --销孔拉板的承压许用应力，计算销孔拉板的强度首先按照销孔拉板承受最大的拉力P来求出危险的截面1.内力计算牵拉板所承受的拉力P通过销孔壁以沿单独长度分布的压力P的形式通过销孔壁传递到销轴。假设需要根据正弦定律沿弧长分布P，也就是说 按照拉板的平衡条件能够得出 那么 如果沿销孔的中心线切割拉板，则仅轴向力Nb和弯矩Mb处于横截面上。按照平衡的条件，能够得出由于不能根据平衡方程求解Mb，因此这次的问题是一个静态的不确定问题，需要根据变形条件计算Mb。为此，必须列出与水平线成一定角度的任何截面的曲线方程： 将及代入上式，得 令，截面的弯矩：因为拉力板的结构和力的方向是对称的，所以a-a截面的角度a等于零，也就是说 代入上式 则 得按照平衡条件，得 2.强度计算应用弹性曲梁公式求危险截面的应力 式中 A表示的是计算截面积，对于矩形面积； K表示的是与计算截面形状有关的系数，对于矩形截面 b—b截面： 代入得内侧应力 代入得外侧应力 a—a截面： 代入得内侧应力 代入得外侧应力 按照已经得知条件，所选销轴满足设计要求。6激光测高测距机的三维设计6.1UG

NX三维建模技术为了能够让本次设计的质量得以提高并且使得开发的周期相应的缩短从而降低开发的成本，因此我们在这次的设计当中就需要使用UG三维软件来进行相应的设计。UG的单词全称是Uingraphics。因为后面对UG功能的加强与更新，现在也叫做NX。UG作为一款计算机设计软件，对高校学生和上班设计的工程师来说，是一个给力的好帮手。在UG中，它能将一些实体、线条、物体表面等很好的在UG的操作界面中很好的表达出来。通过计算机的模拟建模，让工程师和高校学生能够更高效方便的对自己工作和学期。提高学习和工作的效率。所以广泛被很多高校和工程师门所接受。UG也可以应用在对飞机的制造和设计、汽车的制作和设、数控加工编程等相关领域的推广与使用。UG还可以对二维模型的绘制和三模型的制作当中来。它在对三维模型运动的机械仿真这块内容也表现的很出色。减少了对材料、资源的损失，节约开发成本。带给公司很多的便利。同时也让同学们对机械设计等方面的学习，变得更加深入，对学过的知识能够全面生动形象的运用到实际中来。对车辆工程的同学们来说的话，UG也是必须学会和掌握的一种绘图建模软件之一。就像CAD软件对机械相关专业同学一样的重要。UG也对汽车的设计带来了很大的帮助，减少成本。这次设计，也将采用UG来对激光测高测距机结构进行相关的简历模型。充分的体验车辆工程专业相关所需要用到的UG中的一些模块功能。6.2激光测高测距机的三维建模

激光测高测距机结构的三维模型如下图所示。图6-1（UG三维模型）UG软件的界面如图6-1所示。图6-1UG软件的界面6.2.1联轴器建模联轴器草图如图6-2所示。图6-2联轴器草图2、得到联轴器的大概轮廓如图6-3所示。图6-3联轴器的大概轮廓6.2.2电机座建模电机座草图如图6-5所示图6-5电机座草图2、电机座的大概轮廓如图6-6所示。图6-6电机座的大概轮廓3、单击“倒角”依钮，对图5-6中的电机座上建立孔，得到造型如图6-7所示。图6-7电机座其余零件类似做法。6.3激光测高测距机的结构设计的三维安装配备安装界面如图3.7所示。图6-12安装配备界面示意图下面是对激光测高测距机的装配进行了相应的介绍。首先要把装配页面创建起来，用于在3D建模软件中安装和安装备件。然后打开装备的文件夹，再进行如下的操作：在工具栏当中找到新建的按钮，并且点击它，选择对应的文件夹，其中有零件以及按钮开关，最后再打开装配页面。在装配的过程当中，同心、重合、距离等命令需要经常使用，所以对它们设置快捷键必不可少。需要使用3D软件当中的渲染功能来渲染本次设计的产品。渲染具体效果详情见下图。图6-13激光测高测距机的三维渲染效果图结论看着我努力的成果，在想着我与指导老师以及小组成员的点点滴滴，我忍俊不禁。这次的毕业设计让我把这大学四年的知识融会贯通，并且对这一行业的认识更加的透彻，机械的设计不仅仅是一部分，更是一个整体。在这个电脑信息技术与机械制造技术共同存在的时代，他们两者的结合为社会的进步提供了巨大的进步空间。新的机械制造的方法与技术也越来越先进，与此同时机械制造的工艺水平也在不断的上升。本篇文章首先对目前激光测高测距机机械技术的特点进行看详细的分析，紧接着对激光测高测距机的发展趋势以及对社会的发展的贡献也做出了较为详细的阐述，因此本篇文章能够对现代激光测高测距机机械的应用产生一定的贡献。通过这次的