裝配圖機電一體化連桿平行度測量儀

裝配圖機電一體化連桿平行度測量儀,裝配,機電,電機,一體化,連桿,平行,測量儀 摘 要 連桿是汽車發(fā)動機的主要傳力構件之一，常處于高速運動狀態(tài)，因此要求與其它零件間具有較高的配合精度。因而連桿檢測成了生產中頻繁而又不可缺少的環(huán)節(jié)。連桿平行度測量儀是專門為檢測汽車連桿而設計的專用測量工具，其結構簡單、測量精度高。本設計是由機械系統(tǒng)設計和控制系統(tǒng)的設計所組成。包括齒輪傳動的設計及選擇，滾珠絲杠的設計及選擇，步進電機的選擇和裝置中機械系統(tǒng)的設計，有關測試系統(tǒng)的控制設計及選擇。我的設計內容主要是機械部分的設計。 關鍵詞： 連桿 平行度 檢測 IV Abstract The connecting rod is one of motor car engine main power transmission components, often being at the high speed state of motion, therefore, which requests the higher grade of fit with other components. Thus the connecting rod is examined in the production to be frequent and the also essential link. The connecting rod parallelism measuring instrument is specially for examines for measuring tool which the automobile connecting rod design, its structure is simple, the measuring accuracy is high. This design is composed by the mechanical system design and the control system design, which includes the gear drive design and the choice, the ball bearing guide screw design and chooses, motor machine choice and installment mechanical system design, relating test system control design and choice. My design content mainly focuses on the machine part design. Key words：Connecting rod parallelism examination 目 錄 摘 要……………………………………………………………………………I Abstract …………………………………………………………………………II 第1章 緒論 ……………………………………………………………………1 第2章 機電一體化技術簡介 …………………………………………………3 2.1 機電一體化技術簡介 ………………………………………………3 2.2 機電一體化技術體系 ………………………………………………3 2.3 機電一體化的發(fā)展前景 ……………………………………………3 2.4 連桿平行度測量儀的簡介 …………………………………………4 2.5 Pro/ENGINEER產品介紹……………………………………………4 第3章 連桿平行度測量儀機械部分的總體設計 ……………………………9 3.1 進給運動的要求 ……………………………………………………9 3.2 滾珠絲杠的選擇 ……………………………………………………9 3.3 齒輪傳動的設計計算………………………………………………14 3.4 步進電機的選擇……………………………………………………16 3.5 液壓夾具的設計……………………………………………………19 第4章 連桿平行度測量儀中的微機應用及其接口技術……………………23 4.1 測量儀中主控芯片8088介紹…………………………………… 23 4.2 測量儀中的接口技術 …………………………………………… 24 第5章 傳感器的選擇及測量原理……………………………………………34 5.1 傳感器的選擇及測量方法…………………………………………34 5.2 連桿平行度的分析及計算…………………………………………35 第6章 經濟分析………………………………………………………………37 總 結……………………………………………………………………………38 致 謝……………………………………………………………………………39 參考文獻 ………………………………………………………………………40 附錄1專題論文 ………………………………………………………………41 附錄2外文譯文 ………………………………………………………………49 附錄3外文原文 ………………………………………………………………54 第1章 緒論 連桿是汽車發(fā)動機的主要傳力構件之一，常處于高速運動狀態(tài)，因此要求與其它零件間具有較高的配合精度。在實際生產中常采用放大孔徑公差帶制造，通過分組裝配滿足配合精度要求，因而連桿檢測成了生產中頻繁而又不可缺少的環(huán)節(jié)。目前我國連桿檢測常采用兩種方法，一種是采用國產氣動測量儀檢測兩端孔孔徑值，并同時測出兩者的中心距，而對平行度和交叉度則采用手工檢測方法；另一種采用進口氣動量儀直接監(jiān)測5-6個參數。連桿平行度測量儀是專門為測量汽車連桿而設計的專用測量工具。要求其簡單輕便，結構簡單，測量精度高，且測量過程要求自動化，是機電一體化方面上的設計題目。 圖1-1 連桿零件圖 連桿平行度測量儀是專門用來檢測連桿平行度的檢測設備，它避免了手工檢測可能帶來的人為因素導致的誤差，極大地提高了檢測效率，同時也提高了檢測的精度。近些年隨著我國汽車行業(yè)的快速發(fā)展，檢測技術也是突飛猛進。通過自主研發(fā)、引進國外先進技術、與國外公司合資、合作等方式，迅速提高了國內的檢測水平，基本滿足了使用要求。 目前開發(fā)研制成功的連桿綜合檢測儀器，將先進的傳感技術、計算機技術、誤差處理技術及控制技術融入到整臺設備中，利用比較測量的方法對連桿主要參數進行綜合測量，與傳統(tǒng)的利用三座標測量機的方法相比，測量效率高、精度高、成本低，是企業(yè)用來對連桿的產品質量控制、委外產品驗收、工序間檢查的理想測試設備。 其結構簡圖如圖1-2。 圖 1-2 連桿平行度測量儀立體 68 第2章 機電一體化技術簡介 2.1 機電一體化技術簡介 在科學技術飛速發(fā)展的今天，任何一項新技術的產生都是各種技術互相滲透的結果。機電一體化是一種復合化技術，它是機械技術和微電子技術、信息技術相互滲透的產物，是機電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。 機電一體化的實體部分是機械技術及電子技術，又通過信息技術把兩者有機的結合在一起，從而構成功能更為先進的產品，按照系統(tǒng)分析的觀點，機電一體化就是把機械部分和電子部分各作為一個環(huán)節(jié)統(tǒng)一在一個“系統(tǒng)”之中。為了使系統(tǒng)運行達最優(yōu)化，應該是構成系統(tǒng)的所有硬件采取最佳組合方式，為了強化機電一體化產品的功能從系統(tǒng)觀點出發(fā)把機械部分和電子部分融合在一起進行通盤考慮，決定那些采用機械技術，那些采用電子技術，并通過信息傳輸與處理把兩者有機組合。因此，從某種意義上來說，機電一體化技術是系統(tǒng)工程學在機械、電子領域的應用，而機電一體化則顯示出它的應用效果。 2.2 機電一體化技術體系 機電一體化技術是一門新興的科學，所聯(lián)系的主要領域如表2-1所示： 表2-1 機電一體化所聯(lián)系的主要學科 機械學 控制理論 機械設計 動態(tài)系統(tǒng)分析 經典控制、數字控制 現代控制 微處理機 及常規(guī)儀器儀表 電機、電器 及電力電子學 軟件工程 微處理機系統(tǒng)設計 電子學 計算機科學 從上述學科基礎來看，機電一體化技術作為一門綜合性技術，為這三種工程對象服務，隨著科學技術的發(fā)展，單純的機械產品及電器產品將越來越少，今后機電結合的技術將在機械行業(yè)和電工行業(yè)中占主導地位。 2.3 機電一體化的發(fā)展前景 機械技術的發(fā)展進入機電一體化階段就是使機械技術智能化，更好地代替人進行各項工作。目前機械技術已經發(fā)展到采用微型計算機的階段。今后計算機技術的發(fā)展將在圖象識別機器上看到文字和聲音認別的景象。計算機完全有可能取代人的五官功能，從而出現接近人類智慧的高度智能機器人。微細加工技術是在尖端技術領域里進一步推進精致化、微小化和高度集成化，可以預見的二十一世紀，將會出現加工精度達到原子或分子水平的機床，加工處理技術也會在精密測量方面有較大的發(fā)展。 2.4 連桿平行度測量儀的簡介 連桿是汽車發(fā)動機的主要傳力構件之一，常處于高速運動狀態(tài)，因此要求與其它零件間具有較高的配合精度。在實際生產中常采用放大孔徑公差帶制造，通過分組裝配滿足配合精度要求，因而連桿檢測成了生產中頻繁而又不可缺少的環(huán)節(jié)。目前我國連桿檢測常采用兩種方法，一種是采用國產氣動測量儀檢測兩端孔孔徑值，并同時測出兩者的中心距，而對平行度和交叉度則采用手工檢測方法；另一種采用進口氣動量儀直接檢測5～6個參數。連桿中心孔平行度測量儀是專門為測量汽車連桿而設計的專用測量工具。要求其簡單輕便，結構簡單，測量精度高，且測量過程要求自動化，是機電一體化方面上的設計題目。 2.5 Pro/ENGINEER產品介紹 1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經成為三維建模軟件的領頭羊。目前已經發(fā)布了Pro/ENGINEER Wildfire。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設計和機械設計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產品數據管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達到的最全面、集成最緊密的產品開發(fā)環(huán)境。 Pro／ENGINEER是一套由設計到制造一體化的三維設計軟件，是新一代的產品造型系統(tǒng)。Pro／ENGINEER已經成為當今世界上擁有用戶最多的三維軟件，是全球CAID／CAD／CAE／CAM/PDM領域最具有代表性的著名軟件。Pro／ENGINEER總的設計思想體現了MDA(Mechanical Design Automation)軟件的新發(fā)展，所采用的數據比其他MDA軟件更具有優(yōu)越性。Pro／ENGINEER是一套由設計至生產的機械自動化軟件，是一個參數化、基于特征的實體造型系統(tǒng),并且具有單一的數據庫功能。 Pro／ENGINEER Wildfire是PTC公司推出的又一代新產品。同以前的版本相比，Pro／ENGINEER Wildfire更是將三維設計軟件無論從易用性、設計的高效率，還是功能的實用性都推向了一個新的頂點。如果您是一位結構或工程設計師，利用該軟件，不但可建立零件模型，還可輕松建立部件、整機的裝配模型，還可對設計的產品在計算機上預先進行動態(tài)、靜態(tài)分析，裝配干涉檢驗，甚至進行運動仿真，今您的設計不僅快速高效，而且天衣無縫，一次成功。 PRO/ENGINEER軟件包的產品開發(fā)環(huán)境在支持并行工作，它通過一系列完全相關的模塊表述產品的外形、裝配及其他功能。PRO/E能夠讓多個部門同時致力于單一的產品模型。包括對大型項目的裝配體管理、功能仿真、制造、數據管理等。PRO/ENGINEER共有六大主模塊，下面我把它們逐一介紹一下。 (一)工業(yè)設計(CAID)模塊 工業(yè)設計模塊主要用于對產品進行幾何設計，以前，在零件未制造出時，是無法觀看零件形狀的，只能通過二維平面圖進行想象?，F在，用3DS可以生成實體模型，但用3DS生成的模型在工程實際中是“中看不中用”。用PRO/E生成的實體建模，不僅中看，而且相當管用。事實上，PRO/E后階段的各個工作數據的產生都要依賴于實體建模所生成的數據。 包括：PRO/3DPAINT(3D建模)、 PRO/ANIMATE(動畫模擬)、PRO/DESIGNER(概念設計)、PRO/NETWORKANIMATOR(網絡動畫合成)、PRO/PERSPECTA-SKETCH（圖片轉三維模型）、PRO/PHOTORENDER(圖片渲染)幾個子模塊。 (二)機械設計(CAD)模塊 機械設計模塊是一個高效的三維機械設計工具，它可繪制任意復雜形狀的零件。在實際中存在大量形狀不規(guī)則的物體表面，如圖1中的摩托車輪轱，這些稱為自由曲面。隨著人們生活水平的提高，對曲面產品的需求將會大大增加。用PRO/E生成曲面僅需2步～3步操作。PRO/E生成曲面的方法有：拉伸、旋轉、放樣、掃掠、網格、點陣等。由于生成曲面的方法較多，因此PRO/E可以迅速建立任何復雜曲面。 它既能作為高性能系統(tǒng)獨立使用，又能與其它實體建模模塊結合起來使用，它支持GB、ANSI、ISO和JIS等標準。包括：PRO/ASSEMBLY（實體裝配）、PRO/CABLING（電路設計）、PRO/PIPING（彎管鋪設）、PRO/REPORT（應用數據圖形顯示）、PRO/SCAN-TOOLS（物理模型數字化）、PRO/SURFACE（曲面設計）、PRO/WELDING（焊接設計） (三)功能仿真(CAE)模塊 功能仿真(CAE)模塊主要進行有限元分析。我們中國有句古話：“畫虎畫皮難畫骨，知人知面不知心”。主要是講事物內在特征很難把握。機械零件的內部變化情況是難以知曉的。有限元仿真使我們有了一雙慧眼，能“看到”零件內部的受力狀態(tài)。利用該功能，在滿足零件受力要求的基礎上，便可充分優(yōu)化零件的設計。著名的可口可樂公司，利用有限元仿真，分析其飲料瓶，結果使瓶體質量減輕了近20％，而其功能絲毫不受影響，僅此一項就取得了極大的經濟效益。 包括：PRO/FEM（有限元分析）、PRO/MECHANICA CUSTOMLOADS（自定義載荷輸入）、PRO/MECHANICA EQUATIONS（第三方仿真程序連接）、PRO/MECHANICA MOTION（指定環(huán)境下的裝配體運動分析）、PRO/MECHANICA THERMAL（熱分析）、PRO/MECHANICA TIRE MODEL（車輪動力仿真）、PRO/MECHANICA VIBRATION（震動分析）、PRO/MESH（有限元網格劃分）。 (四)制造(CAM)模塊 在機械行業(yè)中用到的 CAM制造模塊中的功能是NC Machining(數控加工)。說到數控功能，就不能不提八十年代著名的“東芝事件”。當時，蘇聯(lián)從日本東芝公司引進了一套五座標數控系統(tǒng)及數控軟件CAMMAX，加工出高精度、低噪聲的潛艇推進器，從而使西方的反潛系統(tǒng)完全失效，損失慘重。東芝公司因違反“巴統(tǒng)”協(xié)議，擅自出口高技術，受到了嚴厲的制裁。在這一事件中出盡風頭的CAMMAX軟件就是一種數控模塊。 PRO/ES的數控模塊包括：PRO/CASTING（鑄造模具設計）、PRO/MFG（電加工）、PRO/MOLDESIGN（塑料模具設計）、PRO/NC-CHECK（NC仿真）、PRO/NCPOST（CNC程序生成）、PRO/SHEETMETAL（鈑金設計）。 (五)數據管理(PDM)模塊 PRO/E的數據管理模塊就像一位保健醫(yī)生，它在計算機上對產品性能進行測試仿真，找出造成產品各種故障的原因，幫助你對癥下藥，排除產品故障，改進產品設計。它就像PRO/E家庭的一個大管家，將觸角伸到每一個任務模塊。并自動跟蹤你創(chuàng)建的數據，這些數據包括你存貯在模型文件或庫中零件的數據。這個管家通過一定的機制，保證了所有數據的安全及存取方便。 它包括：PRO/PDM（數據管理）、PRO/REVIEW（模型圖紙評估）。 (六)數據交換(Geometry Translator)模塊 在實際中還存在一些別的CAD系統(tǒng)，如UGⅡ、EUCLID、CIMATRTON、MDT等，由于它們門戶有別，所以自己的數據都難以被對方所識別。但在實際工作中，往往需要接受別的CAD數據。這時幾何數據交換模塊就會發(fā)揮作用。 PRO/E中幾何數據交換模塊有好幾個，如：PRO/CAT（PRO/E和CATIA的數據交換）、PRO/CDT（二維工程圖接口）、PRO/DATA FOR PDGS（PRO/E和福特汽車設計軟件的接口）、PRO/DEVELOP（PRO/E軟件開發(fā)）、PRO/DRAW（二維數據庫數據輸入）、PRO/INTERFACE（工業(yè)標準數據交換格式擴充）、PRO/INTERFACE FOR STEP（STEP/ISO10303數據和PRO/E交換）、PRO/LEGACY（線架/曲面維護）、PRO/LIBRARYACCESS（PRO/E模型數據庫進入）、PRO/POLT（HPGL/POSTSCRIPTA數據輸出） 下面就Pro/ENGINEER的特點及主要模塊進行簡單的介紹。 主要特性 全相關性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關的。這就意味著在產品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數據。全相關性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 基于特征的參數化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 裝配、加工、制造以及其它學科都使用這些領域獨特的特征。通過給這些特征設置參數（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數很容易的進行多次設計疊代，實現產品開發(fā)。 數據管理：加速投放市場，需要在較短的時間內開發(fā)更多的產品。為了實現這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產品進行開發(fā)。數據管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨特的全相關性功能，因而使之成為可能。 裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結構能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構造和管理，這些裝配體中零件的數量不受限制。 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現，提供了邏輯選項和預先選取的最普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用。 常用模塊 Pro/DESIGNIER是工業(yè)設計模塊的一個概念設計工具，能夠使產品開發(fā)人員快速、容易的創(chuàng)建、評價和修改產品的多種設計概念。可以生成高精度的曲面幾何模型，并能夠直接傳送到機械設計和/或原型制造中。 Pro/NETWORK ANIMTOR 通過把動畫中的幀頁分散給網絡中的多個處理器來進行渲染，大大的加快了動畫的產生過程。 Pro/PERSPECTA-SKETCH 能夠使產品的設計人員從圖紙、照片、透視圖或者任何其它二維圖象中快速的生成一個三維模型。 Pro/PHOTORENDER 能夠很容易的創(chuàng)建產品模型的逼真圖象，這些圖象可以用來評估設計質量，生成圖片。 Pro/ASSEMBLY 構造和管理大型復雜的模型，這些模型包含的零件數目不受限制。裝配體可以按不同的詳細程度來表示，從而使工程人員可以對某些特定部件或者子裝配體進行研究，同時在整個產品中使設計意圖保持不變。附加的功能還能使用戶很容易的創(chuàng)建一組設計，有效的支持工程數據重用（EDU）。 Pro/DETAIL 由于具有廣泛的標注尺寸、公差和產生視圖的能力，因而擴大了Pro/ENGINEER生成設計圖紙，這些圖紙遵守ANAI、ISO、DIN和JIS標準。 Pro/FEATURE 允許產品設計人員創(chuàng)建高級特征（例如高級的掃描和輪廓混合）利用簡便的設計工具，在很短的時間內就可以實現。 Pro/NOTEBOOK 以“自頂向下”的方式對產品的開發(fā)過程進行管理，同時對復雜產品設計過程中涉及的多項任務自動分配，來增強工程的生產效率。 Pro/SCAN-TOOLS 滿足工業(yè)上使用物理模型作為新設計起點的需求。把模型數字化，它的形狀和曲面就可以以點數據的形式輸入到Pro/SCAN-TOOLS中，因此能產生高質量的與物理原型非常匹配的模型。 Pro/SURFACE 能夠使設計人員和工程人員直接對Pro/ENGINEER的任一實體零件中的幾何外形和自由形式的曲面進行有效的開發(fā)，或者開發(fā)整個的曲面模型。 Pro/WELDINGTM 參數化的定義焊接裝配體中的對接要求，使用戶很容易的確認焊接點，避免裝配零件與焊接點之間發(fā)生干涉，在文件編制和制造中消除錯誤成本。 功能仿真模塊 Pro/FEM-POST 用戶無須離開Pro/ENGINEER環(huán)境，就能夠顯示高級解算器計算的有限元結果，還鼓勵在產品開發(fā)早期對設計進行驗證。 Pro/MECHANICA CUSTOM LOADS 用戶可以把自定義載荷輸入，清楚的編輯和連接到Pro/MACHANICA MOTION的圖形用戶界面上。 第3章 連桿平行度測量儀的機械部分總體設計 3.1 進給運動的要求 連桿平行度測試的進給運動是數字控制的直接對象，被測試的連桿的平行度的精度肯定會受到進給運動傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，在設計進給系統(tǒng)時，充分注意減少摩擦，提高傳動精度和剛度，消除傳動間隙，以及減少運動件的慣性。 3.1.1減少運動件的摩擦阻力 摩擦阻力主要來源與傳動系統(tǒng)的導軌和絲杠。因此，為絲杠和導軌的滾動是減少摩擦的重要措施。 3.1.2 提高傳動的精度和剛度 因為在進給系統(tǒng)中，采用滾珠絲杠螺母和支撐結構是決定其傳動精度和剛度的主要部件，故必須保證它們的加工精度。對步進電機驅動的系統(tǒng)尤其如此，此外，還可以用合理的預緊力來夾緊以消除滾珠絲杠螺母副的軸向傳動間隙，是支撐絲杠的軸承預緊以提高支撐的結構剛度，這些措施有利于提高傳動精度。 3.1.3 減少傳動慣量 在滿足傳動強度和剛度的要求下應盡可能將各元件進行合理的配置，并減少它們的慣量。 3.2 滾珠絲杠的選擇 3.2.1 概述 滾珠絲杠螺母副是回轉與直線運動相互轉換的新型傳動裝置。其原理如圖。在絲杠和螺母上加工有弧型的螺絲槽，當它們套在一起是形成了螺絲滾道，并在滾道內裝滿滾珠，當絲杠相對于螺母旋轉時，兩者發(fā)生軸向位移，而滾珠則沿滾道滾動，螺母螺絲槽兩端用回珠管連接，使?jié)L珠能周而復始的循環(huán)，采用滾珠絲杠提高了機構的效率和傳動精度，所以一般精度較高的系統(tǒng)中采用滾珠絲杠來傳動。我設計的連桿中心孔平行度測量儀的傳動系統(tǒng)就采用了滾珠絲杠，以增加系統(tǒng)的傳動效率，運動的平穩(wěn)性及壽命。 圖3-1 外循環(huán)導管式 圖3-2 內循環(huán)反向器式 3.2.2 滾珠絲杠的安裝 連桿平行度測量儀的進給系統(tǒng)要獲得較高的傳動精度除了加強滾珠絲杠螺母本身的剛度外，滾珠絲杠正確的安裝及其支撐的結構剛度也是不可忽視的因素。為了提高支撐的軸向剛度，選擇適當的滾動軸承也是十分重要的，一般采用兩種組合方式：一種是把向心軸承和錐軸承組合使用，其支撐方案，可有以下幾種： （1） 一端裝止推軸承 這種安裝方式因為它承載能力小，剛度低，所以一般用于短絲杠。 （2） 一端裝止推軸承，另一端裝向心球軸承 這種安裝用于滾珠絲杠較長時，一端裝止推軸承固定外，另一端再裝向心球軸承，這時需注意止推軸承要遠離熱源和絲杠上的常用段，以減小絲杠變形的影響。 （3） 兩端裝止推軸承 把止推軸承裝在滾珠絲杠的兩端，并施加預緊力，這樣有助于提高剛度，但這種安裝方式對絲杠的熱伸縮較為敏感。 （4） 兩端裝推力軸承及向心球軸承 這種結構方式不能精確的預先測定預緊力，預緊力大小是由絲杠的溫度變形轉化而產生的。 本設計中由于滾珠絲杠只是帶動測頭部分往復運動，所以軸向力并不是太大，故兩端只采用球軸承支撐。 3.2.3 滾珠絲杠的潤滑及防護 （1） 潤滑 使用潤滑劑可以提高滾珠絲杠的耐磨性和傳動效率，潤滑劑有固體和液體兩種，液體潤滑可用20號或30號機油，90～180號透平油或140號主軸油。固體潤滑可用高壓潤滑脂或鋰基潤滑脂根據本裝置要求簡單的特點，故使用固體潤滑，使用兩種潤滑脂均可使用時，潤滑脂直接加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內。 （2） 防護 絲杠預緊后，軸向間隙小，當硬質灰或污物等落入螺紋滾道內就會妨礙滾珠的運轉，并加快磨損，常用的防護裝置有： (a)密封圈：密封圈裝在螺母的兩端。有接觸式和非接觸式兩種，接觸式的彈性密封圈，用耐油橡膠和尼龍制成，其內孔做成與絲杠螺紋滾道相配合的開頭即與螺紋滾道相結合，這類密封的防塵效果好，但有接觸壓力會使摩擦力矩加大，非接觸式密封圈用聚乙烯等塑料材料制成，其內孔與絲杠螺紋滾道相反，并稍有間隙且不會增加摩擦力，但防塵效果較差。 (b)防護罩：防護罩有錐形套管，伸縮管，也有折疊式的防護罩。對防護罩的要求是：耐油、耐腐蝕、耐高溫和耐用。 根據本設計的要求選用接觸式彈性密封圈進行防護。 3.2.4滾珠絲杠的設計計算 （1）滾珠絲杠的設計計算 對于三角形導軌或綜合導軌 Px、Pz——X、Z方向上的切削力。 f’——導軌的摩擦系數。 k——考慮顛覆力拒影響的實驗系數。 對于本裝置k＝1.15 G＝30kg f’＝0.16 Px＝Pz＝0 則 p＝0.16309.8＝47.04N 根據 pQ0 Q0＝最大動載荷 選取公稱直徑 d＝32 則查取《機械設計手冊》 表2.2－4－14得 滾珠直徑 螺距 P＝5mm 螺紋升角 ＝2°51′ 額定靜載荷 C0a＝30150N 額定動載荷 Ca＝10900N 接觸角 ＝45° 螺紋滾道半徑 rs＝（1.25-0.65）Dw＝0.63.175＝1.905mm 偏心距 e＝（rs－Dw/2）sin＝0.225 螺桿大徑 d＝dm－（0.2－0.5）Dw＝31.27mm 螺桿小徑 d1＝dm+2e－2rs＝28.64mm 螺桿接觸點直徑 dk＝dm－Dwcos＝29.74mm 螺桿牙頂圓角半徑 ra＝（0.1－0.15）Dw＝0.381 螺母螺紋大徑 D＝dm－2e+2rm 螺母螺紋小徑 D＝dm+0.5（dm－d）＝32.37mm 預緊力計算： 滾珠和螺紋滾道由于受軸向力的作用而產生軸向變形在彈性范圍內，根據赫茲公式 K——與滾道的曲率半徑、材料的彈性模量有關。對于確定絲杠，K為常數。 如圖所示。設對螺母A、B施加預緊力P0向對應變形，當外加軸向載荷為P時，螺母B產生了，則 0057 當時，這時螺母A中滾珠和滾道剛好接觸，因此要保證絲杠在最大軸向載荷Pmin作用下無間隙，則P0定要滿足一定的關系： 當 時 則螺母B變形為 因為 所以 于是 則為使螺母和絲杠之間不出現間隙，應使預緊力近似等于最大軸向載荷的1/3。P0過小不能保證無間隙傳動，P0過大會降低傳動效率和承載能力。 （2）剛度驗算 滾珠絲杠是精密的傳動元件，它在軸向的作用下將產生伸長或縮短，這將引起絲杠導程的變化，根據公式滾珠絲杠在（“+”號用于拉伸，“—”號用于壓縮）工作載荷P和扭矩M的共同作用下，引起每一個導程變形量L為 P——工作載荷 L——滾珠絲杠的基本導程 E——彈性模量。對于鋼E＝21106（N/cm2） F——滾珠絲杠的截面積 M——扭矩 G——切變模量。對于鋼 Jc—— 截面積慣性矩。對于本設計 3.3 齒輪傳動的設計計算 齒輪傳動是應用非常廣泛的一種機械傳動，各種裝置幾乎都離不開齒輪傳動，在數控傳動裝置中，步進電機常通過齒輪傳動裝置傳遞轉矩和轉速，并使電動機和螺旋傳動副之間的轉矩和轉速得以匹配，因此齒輪傳動是設計數控機械的一個重要的組成部分。由于電動機轉速一般較高，而機械系統(tǒng)的移動速度有時不能太高，變化范圍不能太大，故往往用齒輪傳動裝置將電動機輸出軸的高轉速、低轉矩轉化為負載軸的低轉速、高轉矩。當用齒輪作為進給裝置時，需要滿足以下技術要求： （1） 大齒輪折算到電機軸上的轉動慣量要小。 （2） 剛度大。 （3） 無間隙。 （4） 噪聲低。 3.3.1齒輪傳動比的計算 因為步進電機步距角 t＝5cm要實現脈沖當量 0.01mm/step在傳動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動，齒輪的傳動比 選Z1＝24 Z2＝50 3.3.2確定齒輪模數及有關尺寸 因傳動的扭矩較小，取模數m＝1.5 有關尺寸： 齒寬b＝9mm d1＝mz＝1.524＝36mm d2＝mz＝1.550＝75mm da1＝d1+2m＝36+21.5＝39mm da2＝d2+2m＝75+21.5＝78mm df1＝d1－21.25m＝32.25mm df2＝d2－21.25m＝71.25mm 3.3.3轉動慣量的計算 根據等效轉動慣量的計算公式得 式中 Jd——折算到電動機軸的慣性負載（kg/cm2） J1——齒輪Z1的轉動慣量（kg/cm2） J2——齒輪Z2的轉動慣量（kg/cm2） J3——滾珠絲杠的轉動慣量（kg/cm2） M——移動部件的質量（kg） 對材料為鋼的圓柱零件傳動慣量可按下式計算 J＝0.7810－3D4L D——圓柱零件直徑（mm） L——零件長度（cm） J1＝0.7810－33.540.9＝0.0153（kg·cm2） J2＝0.7810－37.540.9＝2.221（kg·cm2） J3＝0.7810－33.2430＝2.455（kg·cm2） 電機軸的轉動慣量很小可以忽略，則 （kg·cm2） 3.4 步進電動機的選擇 3.4.1概述 步進電機也叫脈沖電動機，是將脈沖信號轉化成相應的角位移的電磁機械裝置，是一種輸入與輸出數字的脈沖對應的增量驅動元件。當給步進電機一個電脈沖信號，不僅電動機轉動一個步距角，如按一定規(guī)律給步進電機一串連續(xù)脈沖信號，步進電機便一步步地連續(xù)旋轉。步進電機具有如下特點： （1） 位移量與輸入電脈沖數具有嚴格的對應關系，步距誤差不會積累。 （2） 穩(wěn)定運行時的轉速與控制脈沖的頻率有嚴格的對應關系。 （3） 控制性能好，在一定的頻率下，能按控制脈沖的要求快速啟動，停止或反轉。改變控制脈沖的頻率，電動機的轉速就隨著變化，并在很寬的范圍內平滑調節(jié)。 （4） 控制系統(tǒng)簡單，工作可靠，成本低，但其控制精度受步距角控制。所以步進電機可廣泛應用于數模轉換，速度控制和位置控制系統(tǒng)中，是開環(huán)控制系統(tǒng)中的理想執(zhí)行元件。 步進電動機的類型很多，按其工作原理分為反應式、永磁式、永磁感應式、滾切式以及若干混合式。按勵磁相數，有3相、4相、5相、6相甚至8相，按其規(guī)律分為快速電機和功率電機。 3.4.2步進電動機的工作原理 如圖所示是圓周分相徑向氣隙的3相反應式步進電機結構簡圖，定子上有6個磁極，每相2個，轉子由軟磁材料制成，上面沒有繞組，定子磁極和轉子上有很多小齒，齒數和通電循環(huán)拍數決定了電機的步距角。 反應式步進電機的工作原理與反應式同步電機一樣，轉子的轉動力矩是靠定子磁極與轉子間的磁極和切向分力產生的，當定子上A相繞組通電時，由于磁場力使磁組減少，因此轉子上離A相磁極相對的位置，當A相斷電，受B相繞組所建立的磁場影響最大時，轉子齒2和4在磁場力的作用下，逆時針轉到和B相磁極相對的位置，即轉子前進一步。同樣當B相斷電，而C相通電時，轉子又在磁場力的作用下轉動一步，使轉子1、3齒與C相磁極對齊，由此可見，按A-B-C-A 順序通電時，電機便一步步地轉動，步進電機的步距角 是轉子旋轉一步所轉過的角度，由此可見 z——轉子齒數 ma——通電循環(huán)拍數 3.4.3步進電機的選擇 本設計中步進電機的選擇： （1） 電機的步距角 取系統(tǒng)的脈沖當量： 初選步進電機的步距角： （2） 步進電機啟動力矩的計算 設步進電機等效負載力矩為T，負載力為P。根據能量守恒定律，電機所做的功與負載所做的功有如下的關系： 式中 ——電機轉角 ——機械傳動效率 S——移動部件的相應位移 若取 則 且 P＝Ps+（G+Pz） 所以 (N·cm) Ps——移動部件負載 G——移動部件重量 Pz——與重力方向一致的作用在移動部件上的負載力 ——導軌摩擦系數 ——電機步距角 T——電機軸負載系數 本設計中?。?.03（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數） ＝0.93， 則 （N·cm） 若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩 取安全系數為0.3 則啟動力矩 （N·cm） 對于工作方式為三相六拍的步進電機 （3） 步進電機的最高工作效率 （N·cm） 表3-1 電機有關參數 型號 主要技術依據 55BF004 步距角 （°） 最大靜轉矩 （N/cm） 最高空載啟動頻率 相數 電壓 （V） 電流 （A） 1.513 49 2200 3 27 3 外形尺寸 重量 （N） 外徑 長度 軸徑 6.5 55 62 6 3.5 液壓夾具的設計 3.5.1液壓夾具的液壓基本回路 根據本設計的要求選用定壓回路，一般用定量泵供油，供油率一般為Q=8L/min左右。當壓力達到預定的要求壓力時，溢流閥3自動卸荷，這種回路油溫較高，非生產性消耗大，多用于裝夾較為頻繁的夾具。 3.5.2液壓元件的選擇 液壓系統(tǒng)的主要參數是油的壓力和流量，它們是設計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據，壓力取決于執(zhí)行元件的運動速度和結構尺寸。 （1）油泵的選擇 1）確定油泵的最大的工作壓力 根據設計要求由于是測連桿的平行度，工件與測頭不接觸，夾具所施加的加緊力只需保證工件不移動即可，不可使工件變形超出允許范圍即可，故設 P1＝200N 則活塞作用力 P＝P1/ ——考慮各種損失的有效系數，本設計?。?.9 則 根據常規(guī)油缸的系列，選擇D=45cm 則油缸的工作壓力 則油泵的最大工作壓力 本設計中取 則Pp＝1.4+0.3＝1.7Mpa 2）確定泵的流量Qp K——系統(tǒng)泄油系數。一般取1.1－1.3。 ——同時動作的油缸的最大的流量。 本設計中 K＝1.2 當p<2MPa時，d＝（0.2-0.4）D 則 Qp=1.25.45=6.54L/min 3）選擇油泵的規(guī)格 根據求得的Pp和Qp值，選擇CB－B型齒輪泵。 （2）液壓閥的選擇 根據系統(tǒng)的工作壓力和實際通過該閥的最大的流量，選擇有型的產品的閥，溢流閥按泵的最大的流量選取。根據本設計中的流量選擇溢流閥為YF—L108型，通徑10mm，并采用螺紋連接，重量為2.4 kg。 （4） 管道尺寸的確定 管道內經按上式計算 根據管道的標準系列選擇公稱通徑 DN＝8mm 則鋼管外徑 14mm 管接頭連接螺紋 M14×1.5 管子壁厚為1mm （5） 油箱容量的確定 按下列經驗公式確定油箱的容量 式中 QV ——油泵每分鐘排出的壓力油的容積（m3） ——經驗系數，本式中?。? 則 V＝2×6.54×10-3＝1.31×10-2（m3） （6） 濾油器的選擇 根據設計需要選擇線隙式濾油器，型號為XU-J10×80 （7） 壓力表的選擇 根據設計要求選擇KF－L8/14E型，公稱通徑為8mm，壓力表直徑為mm,接頭螺紋M14×1.5。 （8） 換向閥的選擇 根據設計要求選擇WE5N6.2/N型電磁換向閥。 第4章 連桿平行度測量儀中的微機應用及其接口技術 4.1 測量儀中微處理器8088介紹 8088是Intel公司推出的面向字符處理的16位處理器。其內部數據總線為16位，外部數據總線為8位，是一種應用非常廣泛的微處理器。 最小方式（最大方式） 圖4-1 8088引線圖 4.1.1 Intel8088的內部結構 Intel8088由執(zhí)行單元（EU）和總線接口單元兩部分組成。執(zhí)行單元（EU）負責指令的譯碼執(zhí)行，總線接口單元BIU負責CPU與存儲器和I/O端口之間的數據傳輸，并產生訪問存儲器和I/O端口的地址信號。 8088采用矢量型中斷結構。可處理256種不同中斷，包括硬件中斷和軟件中斷。中斷矢量表位于內存0—3FFH區(qū)域。8088有20根地址線，可尋址1M空間。 Intel8088可工作在最小模式或最大模式。最小模式是在系統(tǒng)中只有8088一個微處理器。系統(tǒng)中所有總線控制信號都由8088產生，最大模式除了8088外，還有一個或多個協(xié)處理器協(xié)助8088工作。一般協(xié)處理器常用的有數值運算協(xié)處理器8087和輸入/輸出協(xié)處理器8089。 4.1.2 Intel8088引腳及功能 地址/數據復用腳，雙向，三態(tài)。 地址/狀態(tài)復用腳。 高8位數據總線/狀態(tài)復用腳。 可屏蔽中斷輸入腳。正沿觸發(fā)。 讀信號，三態(tài)，輸出。 時鐘信號輸入， 等待測試信號。輸入。 復位信號。 總線同期狀態(tài)信號，輸出，三態(tài)。 4.2 連桿平行度測量儀中的接口技術 在微機控制的系統(tǒng)中，除了存儲器外還有很多輸入/輸出裝置，如紙帶閱讀機、磁盤驅動器、顯示器、鍵盤、伺服電機等。如果將這些輸入/輸出裝置與微機連接起來，就是I/O接口要研究的問題。 4.2.1存儲器選擇及與CPU接口技術 存儲器是計算機系統(tǒng)的一個非常重要的組成部分。它的主要功能是存儲執(zhí)行的程序以及待處理的各種數據。計算機最基本的功能是對程序的讀取，并執(zhí)行，執(zhí)行程序由CPU完成。而要讀取的程序則必須安排在存儲器中。存儲器容量越大，則記憶的信息越多，計算機功能越強。存儲器的種類可分為：隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）兩大類。RAM又可分為雙級型和MOS兩大類，RAM又可分為靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM。ROM可分為湮沒ROM、可編程只讀存儲器PROM，可寫可擦的只讀存儲器EPROM，電擦除只讀存儲器E2PROM. 存儲器芯片CPU的連接中考慮如下問題： (1)主存儲器通常RAM和ROM應根據實際要求分配適當的容量并選擇適當的存儲芯片。 (2)主存儲的RAM，ROM必須要占據合理的地址空間，并通過適當的電路進行控制。 (3)CPU負載能力有限，存儲芯片負載也有限，在相互連接時，應加緩沖驅動器。 (4)時序配合是一個重要問題，CPU、存儲器兩者必須相匹配，根據以上幾點及本設計的要求，選用隨機存儲器6264，只讀存儲器為可擦出除存儲芯片2732，即可滿足上述要求，又足夠電路的設計需要。 圖4-2 存儲器連接圖 存儲器與CPU的連接重要有以下三個部分： (1)地址總線的連接。 (2)數據線的連接。 (3)控制線的連接， 下面是8088CPU與存儲器的連接圖，在ROM和RAM之間一般要接地址鎖存器。因為單片機規(guī)定D0提供低8位地址線，同時又要作數據線，所以分為時輸出低8位地址和數據的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提供低8位地址信息，一般要采用地址鎖存器，根據實際情況，本設計采用74LS373作為鎖存器工作時，由CPU發(fā)出地址，允許鎖存信號ALE的下降沿，將地址存入在地址鎖存器中，74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，用作地址鎖存器時，應使其端E為低電平，輸入G與8032的地址鎖存信號ALE連接，當G=1時，373的輸出1Q—8D相同，當G從高電平返回低電平時將輸入數據鎖入1Q—8D中。 4.2.2并行接口芯片的選擇及外設的接口技術 當CPU要從外設輸入信號或輸出信號給外設，可采用程序查詢方式等許多方式，但不論哪一種方式，CPU總要通過接口電路才能與外設連接。 在接口電路中要有輸入輸出數據的鎖存器和緩沖器；要有狀態(tài)和控制命令的寄存器，以便于CPU與接口電路之間用應答方式來交換信息，也便于接口電路與外設間傳送信息，接口電路中不要有端口的譯碼和控制電路以及為了CPU用中斷方式交換信息所需的中斷請示觸發(fā)器，中斷屏蔽觸發(fā)器，這樣才能解決CPU的驅動能力問題，時序的配合問題和實現各種控制，CPU能正確地可靠地與外設交換信息。 現在常用的是Intel公司生產的8255A可編程并行接口芯片。本設計選用的即是這種芯片。 Intel8255A是一個為8080、8085和8088微型機系統(tǒng)設計的通用I/O接口片，與它可用程序來改變功能，通用行強，使用靈活，通過它可直接將CPU總線接向外設，其引腳如圖： 圖4-3 8255A引腳圖 8255A有三個輸入輸出端口PORTA、PORTB、PORTC。每一個端口都是8位，都可以選擇作為輸入或輸出。 8255A有三種基本工作方式： (1)方式0——基本輸入輸出。 (2)方式1——選通輸入輸出。 (3)方式2——雙向傳送。 8255A的工作方式可由CPU用I/O指令輸出一個控制字到8255A的控制字寄存器來選擇這個控制字，可以分別選擇端口A和端口B的工作方式，端口C分成兩部分，上半部分隨端口A，下半部分隨端口B，端口A有方式0、1、2三種，而端口B只能工作方式0和1。 8255的一些控制命令： (1)CS——選片信號，低電平有效，由它啟動CPU與8255A之間的通信。 (2)RD——讀信號，低電平有效，它控制8255A送出數據或狀態(tài)信息至CPU。 (3)WR——寫信號，低電平有效，它控制把CPU的數據或命令信號寫到8255A。 (4)RESH——復位信號，高電平有效，它清除控制寄存器和置所有端口到輸入方式。 4.2.3 8255A及外設的接口電路設計 （1）鍵盤接口設計 因考慮本設計中的按鍵數目較多，故采用矩陣方式與計算機連接，即將所有按鍵排成M行、N列，將行數和列數通I/O接口和計算機的數據線相等，這種方式的優(yōu)點是占用的I/O線少，圖示是以8088CPU為核心的單片機的鍵盤接口76。8088的數據線通過鎖存器741S04及外設驅動器與鍵盤的行線相連，鍵盤的列線通過三態(tài)緩沖器與CPU相連。 按矩陣方式連接的鍵盤檢測是否有鍵按下，可用行掃描法。行掃描法的原理是：計算機向行線輸出信號使所有行線置低電平“0”并由鎖存器存儲，然后輸入列信號，若某列有鍵按下，則該引線必為低電平“0”。當CPU檢測到列線中有“0”時，存儲“0”線列號，并延時一段時間消除，接著進入掃描過程，從C1行到C6行逐行置0，每置一行便讀一次列值，并判斷是否有“0”，若有“0”則存儲行量，根據行號可以計算所按下鍵的編碼值，然后根據該編碼值查鍵值表，查到后便轉向相應的鍵處理程序。我們用中斷的方式來實現進行掃描，中斷掃描就是當有鍵按下鍵盤接口向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應中斷后，便調用鍵盤掃描程序，對鍵盤進行掃描識別處理，在沒有鍵按下時，CPU不掃描鍵盤，節(jié)省CPU時間，采用中斷掃描。如圖：圖中采用8255作接口芯片，將8255PA和PB口編程為基本輸入輸出方式，單片機先向8255PA輸出低電平，這樣當有鍵按下時，與輸出低電平向單片機發(fā)出中斷請求信號，單片機響應后對鍵盤進行掃描。 圖4-4 鍵盤接口原理圖 （2）LED顯示器接口 在微機控制系統(tǒng)中，LED顯示控制方法有兩種：一種是靜態(tài)顯示控制，一種是動態(tài)顯示控制，本設計采用動態(tài)顯示控制，因為動態(tài)顯示控制硬件電路一般較為簡單，動態(tài)系統(tǒng)控制是采用掃描方式。這種方式各位的段位驅動可分別共用一個鎖存器。為了防止各位數碼管同時顯示一個字符，需控制顯示位顯示位。需要哪位顯示，便使哪位導通，某位顯示一段時間后，反復重上位，計算機送另一位要顯示的數據，并選通相應的顯示位，重復上述過程，各位數碼管便輪流顯示，但由于有關過程，所以如果輪流時間太長，會發(fā)生閃爍，因此需限制間隔時間，掃描過程可以采用按位掃描和按字段掃描，在顯示器位數少時，多采用按位掃描。 （3）步進電機的接口技術 步進電機與微機的接口包括硬件接口和相應的軟件接口，這里只設計硬件硬件接口。 微機與步進電機的接口實際上是微機和步進電機驅動電源的接口，接口電源具有下列功能： ①能將計算機發(fā)出的控制信號準確地傳給步進電機驅動電源。 ②能按步進電機的工作方式產生相應的控制信號，這些控制信號可由計算機產生，并進行接口電路送給步進電機。 ③能實現升、降速控制。 ④能實現電壓隔離。 ⑤有足夠的驅動能力，以驅動功率晶體管的通斷。 ⑥能根據不同形式的驅動電源，提供各種所需的控制信號。 接口一般由以下幾部分組成： 本設計的計算機接口選用8255A作為接口芯片，8255A能實現可編程并進行輸入輸出，并可設計擴展接口電路來控制步進電機與其它外設，脈沖分配器是驅動步進電機必不可少的環(huán)節(jié)，其作用是將控制裝置送來的一系列指令脈沖進行分配。本設計使用軟件脈沖分配器，軟件脈沖分配器用軟件編程方法來實現步進電機驅動電器。脈沖分配器輸出的信號經放大后控制步進電機的勵磁繞組，由于步進電機需要的驅動電壓高，電流也較大，如果如果將將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強電器干擾，所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實現電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。光電耦合器由發(fā)光器件和受光器件組成，當輸入信號加到輸入端時，發(fā)光二極管導通，激發(fā)發(fā)出紅外光，受光三極管受照射后，由于主敏效應產生光電流，通過輸出端輸出，從而實現了以光為媒介的電信號傳輸。輸入端、輸出端在電氣上完全隔離。由于脈沖分配器的輸出功率小，必須將其輸出信號放大產生足夠大的功率，才能驅動電機正常運轉。目前我國步進電機的功率放大器由廠家生產出系列化產品，只需根據選用的步進電機容量選擇功率放大器。 4.2.4模擬通道接口設計 計算機在實時數據采集和實時控制系統(tǒng)中，檢測和控制的物理量往往是連續(xù)變化的模擬信號，如溫度、壓力、流量等，由于計算機加工處理的是數字量，因此必須將這些模擬量通過模數轉換器（A/D）轉換成模擬量，總之計算機模擬通道接口的問題，在計算機應用中占有重要的地位。 （1）A/D轉換器 本設計采用的A/D轉換器是AD574，它是混合集成的逐次比較A/D轉換器，它由兩片集成電路進行組裝而成，這樣可獲得較高的技術性能，其中一片為一個12位的D/ A