精密凸輪軸非接觸測量儀機械設(shè)計,精密,凸輪軸,接觸,測量儀,機械設(shè)計 畢 業(yè) 設(shè) 計 題 目： 精密凸輪軸非接觸測量儀設(shè)計說明書 系： 專業(yè)： 班級： 學(xué)號： 學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 完成日期： 目 錄 摘要………………………………………………………………………3 Abstract………………………………………………………………4 第1章 緒論……………………………………………………………….5 1.1引言…………………………………………………………………….5 1.2技術(shù)特點……………………………………………………………….5 1.3 非接觸式測量及光電傳感器的應(yīng)用………………………………….5 1.4 非接觸式凸輪軸測量儀的設(shè)計思路………………………………….7 第2章　傳動機構(gòu)和測量平臺的設(shè)計…………………………………….7 2.1導(dǎo)軌的選擇…………………………………………………………….7 2.2導(dǎo)軌的確定…………………………………………………………….9 2.3絲桿的確定選擇與計算………………………………………………10 2.4 齒輪選擇計算與校核………………………………………………..20 2.5 同步帶輪選擇………………………………………………………..22 2.6 步進電機選取與計算………………………………………………..25 第3章　 光電傳感器的選擇…………………………………………..27 3.1光電傳感器的選型……………………………………………………27 3.2 LS-7000系列測量頭的選取………………………………………….29 3.3.測量凸輪軸的應(yīng)用……………………………………………………32 結(jié)論…………………………………………………………………………34 致謝…………………………………………………………………………35 參考文獻……………………………………………………………………36 精密凸輪軸非接觸測量儀設(shè)計 摘要：凸輪軸測量儀采用精密機械、光柵、微型計算機等技術(shù)，為滿足汽車、摩托車發(fā)動機凸輪軸、汽車前后橋剎車凸輪軸等檢測要求而特殊設(shè)計制造的新型測量儀器，可測量凸輪軸的桃形型而誤差、桃形對定位鍵槽的相位角誤差、桃形間相位角誤差、軸徑的徑向跳動及凸輪的速度、加速度等測量項目。儀器采用通用微機系統(tǒng)進行測量循環(huán)控制、測量數(shù)據(jù)采集處理以及測量誤差評值和測量結(jié)果輸出。最大凸輪軸測量長度可達1.5米。 非接觸式測量是指不接觸被測物體的前提下進行精準(zhǔn)測量。其測量精度可以達到μm非接觸式測量儀利用CCD采集變焦鏡下樣品的影像,再配合XYZ軸移動平臺及自動變焦鏡，運用影像分析原理，通過計算機處理影像信號，對科研生產(chǎn)零件進行精密的幾何數(shù)據(jù)的測量，并可進行CPK數(shù)值的分析。 關(guān)鍵詞：凸輪軸；測量儀；非接觸；光電傳感器 Precision Camshaft Design of non-contact measuring instrument Abstract：Camshaft measuring instrument with precision machinery, grating, micro-computer technology, to meet the automotive, motorcycle engine camshaft, cam brakes front and rear axles and other automotive testing requirements and special design and manufacture of new measuring instruments, to measure camshaft Peach Type of error, Peach keyway positioning error of the phase angle, phase angle error between Peach, and the cam shaft of the radial velocity, acceleration and other measurements. Equipment using a common computer system for measuring loop control, measurement data acquisition and processing, and measurement error evaluation and measurement results output. Camshaft measurements maximum length of up to 1.5 meters. Non-contact non-contact measurement is the premise of the measured object for accurate measurements. The measurement accuracy can be achieved μm non-contact measuring microscope samples using CCD image acquisition zoom, coupled with the XYZ axes mobile platform and automatic zoom lens, the use of image analysis principle, through computer processing the image signal, on the research and production of precision parts Measurement geometry, and numerical analysis of the CPK Keywords: Camshaft; measuring instrument; non-contact; photoelectric sensor 第1章　緒 論 1.1 引言 凸輪軸測量儀采用精密機械、光柵、微型計算機等技術(shù)，為滿足汽車、摩托車發(fā)動機凸輪軸、汽車前后橋剎車凸輪軸等檢測要求而特殊設(shè)計制造的新型測量儀器，可測量凸輪軸的桃形型而誤差、桃形對定位鍵槽的相位角誤差、桃形間相位角誤差、軸徑的徑向跳動和圓度及凸輪的速度、加速度等測量項目。儀器采用通用微機系統(tǒng)進行測量循環(huán)控制、測量數(shù)據(jù)采集處理以及測量誤差評值和測量結(jié)果輸出。最大凸輪軸測量長度可達1.5米。 1.2 凸輪軸測量儀技術(shù)特點 普通接觸性凸輪軸測量儀的技術(shù)特點如下： 1、機械主機采用被測凸輪立式安裝結(jié)構(gòu)形式，整機由圓數(shù)控轉(zhuǎn)臺、垂直、徑向數(shù)控導(dǎo)軌三個坐標(biāo)軸及測頭系統(tǒng)、機座、立柱等幾部分組成： 　　2、采用圓向、徑向及軸向光柵定位，以通用型微機進行測量控制、數(shù)據(jù)采集和誤差處理。三個坐標(biāo)軸均采用電機驅(qū)動； 　　3、全自動測量循環(huán)，凸輪軸一次安裝后，自動完成測量過程，并自動進行誤差評值和輸出測量結(jié)果； 　　4、通用測量軟件：配備相應(yīng)鍵槽等定位裝置，一臺儀器滿足多種凸輪軸檢測的要求； 　　5、測量儀同時滿足多種凸輪軸的測量； 　　6、測量儀的測頭部分可換（圓測頭、直線測頭、刀口測頭及店測頭）； 　　7、對凸輪軸按實際鍵槽（或定位孔等）設(shè)計定位校正卡具。 1.3 非接觸式測量和光電檢測的技術(shù)特點 非接觸式測量是指不接觸被測物體的前提下進行精準(zhǔn)測量。其測量精度可以達到μm非接觸式測量儀利用CCD采集變焦鏡下樣品的影像,再配合XYZ軸移動平臺及自動變焦鏡，運用影像分析原理，通過計算機處理影像信號，對科研生產(chǎn)零件進行精密的幾何數(shù)據(jù)的測量，并可進行CPK數(shù)值的分析。 目前常見的非接觸測量有光學(xué)測量，紅外線測量，超聲波測量，電磁感應(yīng)測量，視覺成像測量等等都是非接觸式測量。 針對凸輪軸非接觸式測量，則廣泛采用光電傳感器來測量，此類傳感器應(yīng)用于測量儀器而用，在精密度上和準(zhǔn)確性上很大的保證。 光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。 　　光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。 ①檢測距離長 　　如果在對射型中保留10m以上的檢測距離等，便能實現(xiàn)其他檢測手段（磁性、超聲波等） 無法離檢測。 　?、趯z測物體的限制少 　　由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，所以不象接近傳感器等將檢測物體限定 在金屬，它可對玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進行檢測。 　?、垌憫?yīng)時間短 　　光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機械性工作時間，響應(yīng)時間非常短。 　?、芊直媛矢? 　　能通過高級設(shè)計技術(shù)使投光光束集中在小光點，或通過構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來實現(xiàn)高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。 　　⑤可實現(xiàn)非接觸的檢測 　　可以無須機械性地接觸檢測物體實現(xiàn)檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。 　　⑥可實現(xiàn)顏色判別 　　通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對檢測物體的顏色進行檢測。 　?、弑阌谡{(diào)整 　　在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調(diào)整。 1.4 非接觸式凸輪軸測量儀測量的內(nèi)容 整個凸輪軸的上套有多個凸輪，由于凸輪表面是曲線面，針對該曲面所涉及的測量暫不考慮，此非接觸性凸輪軸測量儀測量凸輪軸表面的圓度和圓跳動公差值。 本測量裝置在測量時，凸輪軸的參數(shù)是變化的，這樣就引起了凸輪的外徑不同，所以在本測量系統(tǒng)中，在測量不同的凸輪軸時時，機械裝置應(yīng)根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整。 當(dāng)直徑變化時，可以通過步進電機來調(diào)整本系統(tǒng)工作臺的位置，使光電傳感器測頭能在正確位置測量。還要調(diào)整激光測頭的位置，來適應(yīng)凸輪軸的直徑的變化。在本系統(tǒng)中測量凸輪軸時，本系統(tǒng)中設(shè)計了采用對射型傳感器，一個測量頭負(fù)責(zé)發(fā)出紅外光，一個測量頭負(fù)責(zé)接收光源。 1.5光電傳感器的選擇 本測量系統(tǒng)采用的是光穿透型光電傳感器，這里我們采用的是基恩士的LS-7000系列： 1.5.1 LS-7000 系列產(chǎn)品特性 LS-7000 系列產(chǎn)品是一款高速、高精度的數(shù)字測微計，無需接觸目標(biāo)物即可對其尺寸進行測量。該系列用途廣泛，可應(yīng)用于聯(lián)機測量和脫機測量。每秒 2400 次的高速采樣可以確保達到兩倍于普通型號的采樣速度。這樣就可以對擠壓制品進行連續(xù)測量以及對運動工件進行聯(lián)機測量。重復(fù)精度為 ±0.15 μm配備最新的光學(xué)系統(tǒng)，確保兩倍于普通型號的重復(fù)精度，從而為高精度產(chǎn)品的制造提供了有力的支持。連接兩個測量頭進行雙渠道同步測量結(jié)合使用兩個測量頭可對兩個目標(biāo)物進行同步測量。利用閾值更改功能對透明目標(biāo)物進行穩(wěn)定的檢測DE 處理器支持閾值更改功能，這樣就可以對透明目標(biāo)物進行穩(wěn)定的檢測。 1.5.2測量原則 高亮度 GaN 綠色 LED 輻射光能夠通過專用的散射模組和準(zhǔn)直儀鏡頭變成均勻的平行光，并照射到測量范圍內(nèi)的目標(biāo)物上。然后目標(biāo)物的影像即通過遠心光學(xué)系統(tǒng)顯示在HL-CCD (高速線性 CCD) 上。HL-CCD (高速線性) 的輸出入射信號將由控制器中的DE (數(shù)字邊緣檢測) 處理器和 CPU 進行處理。因此，目標(biāo)物的尺寸規(guī)格就可以被顯示和輸出。 1.6 凸輪軸圓度和圓跳動測量方法 1.6.1凸輪軸圓度測量方法 圓度公差帶是在同一正截面上，半徑差為公差值t的兩同心圓之間的區(qū)域。 例如，被測圓柱面任一正截面的圓周必須位于半徑差為公差值0.03的兩同心圓之間 用光電傳感器測量示意如下， 光電傳感器 接收器 凸輪軸 光電傳感器 發(fā)射器 傳感器發(fā)射器發(fā)出紅外線光透過凸輪軸，接收器接收發(fā)出的光源，在此時光源經(jīng)過凸輪軸的軸表面，得出此時凸輪軸的軸徑，軸徑除以二便得半徑值；凸輪軸再旋轉(zhuǎn)到另一位置時，又測出此時的軸徑，便得出此處位置的半徑值，依次下去當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)一周后，我們測量出凸輪軸表面的多處半徑值，得出的這些半徑值上下波動在一定范圍內(nèi)，這樣就得出凸輪軸的圓度值。比如測量的幾處半徑值分別是15.032、15.028、15.034、15.029、15.030等，這樣測量的幾處半徑值差值為0.006mm，即測得被測量的凸輪軸該處圓度為0.006mm。 1.6.2凸輪軸圓跳動度測量方法 圓跳動公差，指的是徑向圓跳動，公差帶是在垂直于基準(zhǔn)軸線的任一測量平面內(nèi)半徑差為公差值t，且圓心在基準(zhǔn)軸線上的兩個同心圓之間的區(qū)域，當(dāng)被測要素圍繞公共基準(zhǔn)線A—B(公共基準(zhǔn)軸線)旋轉(zhuǎn)一周時，在任一測量平面內(nèi)的徑向圓跳動量均不得大于0.1 用光電傳感器測量方法如下： 凸輪軸 光電傳感器 接收器 光電傳感器 發(fā)射器 凸輪軸兩端靠圖示兩個箭頭位置的兩個頂尖定位，這樣便確定測量此處的圓跳動的基準(zhǔn)軸線為凸輪軸的整個中心軸線，同樣凸輪軸繞著基準(zhǔn)線轉(zhuǎn)動一周，傳感器按測量圓度的原理一樣，分別測量出轉(zhuǎn)動一周時多處的軸徑值，即可得半徑值，最大半徑值和最小半徑值的差即為該處段的圓跳動公差值。 1.7 凸輪軸非接觸測量儀機械系統(tǒng)總體方案 1.7.1 機械系統(tǒng)分析 在深入了解測量儀的性質(zhì)和特點，掌握非接觸凸輪軸測量儀的工作原理，提出系統(tǒng)的可行性分析。對非接觸凸輪軸參數(shù)化測量儀有多種形式，本裝置采用Z軸方向為凸輪軸的轉(zhuǎn)動方向，兩側(cè)裝光電傳感器的，光電傳感器可以在X軸方向上左右移動，同樣整個兩側(cè)測量裝置可以Y軸上下移動。Z軸凸輪軸轉(zhuǎn)動用步進電機驅(qū)動，X，Y兩個方向用步進電機帶動同步輪驅(qū)動滾珠絲杠副，凸輪軸表面采用光投射型傳感器，裝在凸輪軸的兩側(cè)。 1.7.2 機械系統(tǒng)總體方案和布局 1、測量儀總體布局的基本要求有以下幾點： （1）首先必須滿足如加工范圍、工作精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性等各種要求。確保實現(xiàn)既定工藝方法所要求的被測凸輪軸和光電傳感器的相對位置與相對運動。 （2）在經(jīng)濟、合理的條件下，盡量采用簡單的傳動鏈，以簡化機構(gòu)，提高傳動精度和傳動效率。結(jié)構(gòu)簡單，合理可靠，便于測量和裝配，便于防護和維修；體積小，重量輕，節(jié)約原材料，降低制造成本。在滿足總體布局的基本要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)考慮影響凸輪軸測量儀器布局的基本因素。 2、測量儀基本布局形式采用以下方案，如下圖： 1.7.3 非接觸圓柱直齒輪測量儀的系統(tǒng)構(gòu)成 1、主軸傳動裝置 上頂尖 下頂尖 凸輪軸 主軸 齒輪嚙合 轉(zhuǎn)動電機 主軸傳動裝置為凸輪軸轉(zhuǎn)動裝置，由轉(zhuǎn)動電機帶動齒輪傳動主軸，凸輪軸靠上下頂尖定位固定住。 2、測量裝置 對射型光電傳感器 步進電機同步帶輪機構(gòu) 同步帶輪機構(gòu) 直線導(dǎo)軌+滑塊 步進電機 兩側(cè)測量裝置均采用步進電機帶動滾珠絲桿上下移動，傳感器的左右移動靠步進電機帶動同步輪機構(gòu)，整個測量裝置裝在直線導(dǎo)軌+滑塊機構(gòu)上，實現(xiàn)精確移動和定位。 第2章　機械系統(tǒng)的設(shè)計 2.1 步進電機的選用 2.1.1 測量裝置步進電機的選用 1、各參數(shù)設(shè)定 滑塊工作重量臺w=60N 工作臺上最大承受重量為200N 滑塊與導(dǎo)軌貼塑板間摩擦系數(shù)=0.08 滑塊進給速=1～1000毫米/分 滾珠絲桿導(dǎo)程Lp=1.5毫米 滾珠絲桿節(jié)圓直徑（名義直徑）=12毫米 絲桿總長=320毫米 定位精度0.001毫米 2、確定步進電動機的型號 （1）脈沖當(dāng)量的選擇，脈沖當(dāng)量：一個指令脈沖使步進電動機驅(qū)動拖動的移動距離=0.01mm/p（輸入一個指令脈沖工作臺移動0.01毫米）[7]。 初選之相步進電動機的步距角0.60 /1.20 ，當(dāng)三相六拍運行時，步距角￡=0.60 其每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)S==600 p/r 步進電動機與滾珠絲桿間的傳動比i為1 （2）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算[7] 1、空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩 得= =0.014N.M 2、測量儀工作時的轉(zhuǎn)矩 得=0.467N.M 得電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩為（0.3～0.5）TL=（0.1152～0.192）N.M （3）等效轉(zhuǎn)動慣量計算 1、滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量 Js= Js=5.146x10-6 kgm2 2、滑塊的運動慣量 得JW=3.419x10-7 kgm2 換算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 JL= 得JL=0.00035 kgm2 （4） 初選步進電動機型號，根據(jù)TL=（0.1152～0.192）N.M和電動機總轉(zhuǎn)動慣量=0.00035初步選定電動型號為85BYG3H358B反應(yīng)式步進電動機。該電動機的最大靜扭距Tmax=6.0N.M 查表選用兩個85BYG3H358B型步進電機。 電機的有關(guān)參數(shù)見下表2.1： 表2.1 測量裝置步進電機參數(shù) 型號 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸（mm） 重量 (N) 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動頻率 （step/s） 相數(shù) 電壓 (V) 電流 (A) 外徑 長度 軸徑 85BYG3H358B 0.6-1.2 6.0 500 3 60 5.8 85 97 12 35 2.1.2 測量裝置及上頂針Y軸移動步進電機的選用 1、各參數(shù)設(shè)定 滑塊工作重量臺w=90N 工作臺上最大承受重量為400N 滑塊與導(dǎo)軌貼塑板間摩擦系數(shù)=0.08 滑塊進給速=1～1000毫米/分 滾珠絲桿導(dǎo)程Lp=1.5毫米 滾珠絲桿節(jié)圓直徑（名義直徑）=12毫米 絲桿總長=1000毫米 定位精度0.001毫米 2、確定步進電動機的型號 （1）脈沖當(dāng)量的選擇，脈沖當(dāng)量：一個指令脈沖使步進電動機驅(qū)動拖動的移動距離=0.01mm/p（輸入一個指令脈沖工作臺移動0.01毫米）[7]。 初選之相步進電動機的步距角0.60 /1.2 ，當(dāng)三相六拍運行時，步距角￡=0.60其每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)S==4600 p/r 步進電動機與滾珠絲桿間的傳動比i為1 （2）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算[7] 1、空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩 得= =0.025N.M 2、測量儀工作時的轉(zhuǎn)矩 得=0.56N.M 得電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩為（0.5～0.7）TL=（0.1352～0.232）N.M （3）等效轉(zhuǎn)動慣量計算 1、滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量 Js= Js=1.6x10-5 kgm2 2、滑塊的運動慣量 得JW=5.7x10-7 kgm2 換算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 JL= 得JL=0.00035 kgm2 （4） 初選步進電動機型號，根據(jù)TL=（0.1352～0.232）N.M和電動機總轉(zhuǎn)動慣量=0.00035初步選定電動型號為110BYG3H525反應(yīng)式步進電動機。該電動機的最大靜扭距Tmax=8.0N.M 表2.2 Y軸步進電機參數(shù) 型號 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸（mm） 重量 (N) 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動頻率 （step/s） 相數(shù) 電壓 (V) 電流 (A) 外徑 長度 軸徑 110BYG3H525 0.6-1.2 8.0 500 3 60 2.5 110 126 16 50 2.1.3 主軸步進電機的選擇 1、設(shè)計參數(shù) 主軸最大承受重量為200N； 被測凸輪軸直徑為d=65mm，長度365mm 傳動兩個齒輪的直徑分別為222和123mm，厚度均為30mm 定位精度0.001毫米； 被測量凸輪軸的轉(zhuǎn)動慣量 +me2 Jg=4.99X10-2 kgm2 傳動齒輪1的慣量為J=1/8md2+me2=0.05 kgm2 傳動齒輪2的慣量為J=1/8md2+me2=0. 55 kgm2 總的轉(zhuǎn)動慣量為0.049+0.05+0.55=0.649 kgm2 可得電機的轉(zhuǎn)動慣量為0.649，初步選定電動型號為110BYG3H525反應(yīng)式步進電動機。 查表選用110BYG3H525型步進電機。 表2.3 主軸電機參數(shù) 型號 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸（mm） 重量 N 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動頻率 （step/s） 相數(shù) 電壓 (V) 電流 (A) 外徑 長度 軸徑 110BYG3H525 0.6/1.2 12 480 3 60 3.5 110 150 20 70 2.2齒輪選擇計算與校核 2.2.1齒輪的選擇 1）選擇小齒輪材料為45（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 2） 精度等級選用7級精度； 3）小齒輪齒數(shù)z1＝41，大齒輪齒數(shù)z2＝74的； 4） 齒輪模數(shù)都為3的直齒輪 2.2.2按齒面接觸強度設(shè)計 因為低速級的載荷大于高速級的載荷，所以通過低速級的數(shù)據(jù)進行計算 1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （1） 試選Kt＝1.6 （2）選取區(qū)域系數(shù)ZH＝2.433 （3）選取尺寬系數(shù)φd＝1 （4）查得εα1＝0.75，εα2＝0.87，則εα＝εα1＋εα2＝1.62 （5）查得材料的彈性影響系數(shù)ZE＝189.8Mpa （6）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim1＝600MPa；大齒輪的解除疲勞強度極限σHlim2＝550MPa； （7）計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1＝60n1jLh＝60×192×1×（2×8×300×5）＝3.32×10e8 N2＝N1/5＝6.64×107 （8） 查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1＝0.95； KHN2＝0.98 （9） 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1％，安全系數(shù)S＝1，由得 [σH]1＝＝0.95×600MPa＝570MPa [σH]2＝＝0.98×550MPa＝539MPa [σH]＝[σH]1＋[σH]2/2＝554.5MPa 2.2.3齒輪的校核 m=3,Z1=41,Z2=74, 兩齒輪材料均選用45,表面淬火，48~55HRC。 查得： 預(yù)期齒輪壽命5年，每天工作12小時，工作載荷為輕微沖擊，則 查《機械設(shè)計基礎(chǔ)》圖，得： (1)驗算齒面接觸疲勞強度 載荷系數(shù)，取K=1.5 查得： 接觸應(yīng)力為： (2)驗算齒根彎曲疲勞強度 取 K=1.5 查表：許用彎曲應(yīng)力： 彎曲疲勞強度的最小安全系數(shù)，取 則： 由上述計算可知，均滿足要求。 2.3 軸的設(shè)計 2.3.1 主軸的設(shè)計 軸是組成精密機械的重要零件之一。一切作為回轉(zhuǎn)運動的零件，都必須在軸上才能傳遞運動和動力。在本課題所使用的軸，承受的負(fù)荷比較小，尺寸也比較小，制造精度高，要求材料具有足夠高的機械強度和良好的加工性能。因此，選用材料40Cr，熱處理為對軸進行調(diào)質(zhì)處理。 由于主軸轉(zhuǎn)動電機軸徑為20mm，連接的聯(lián)軸器與輸入軸的軸徑也為20mm，傳動的齒輪中間孔即為20mm，中間端軸徑為25mm。 此輸入軸大致圖形如下： 輸出軸段的軸直接連接下頂尖頂住凸輪軸，可以將下頂尖連同輸出軸作為一個整體的輸出軸，由于傳動齒輪的中間孔為30mm，與齒輪連接的軸徑為30mm，與下頂尖連接段的軸徑為20mm，中間段為25mm。輸入軸的大致圖形如下： 2.3.2 主軸的校核和軸承的選擇 1、軸的較核 一般而言，軸的強度是否滿足要求只需對危險截面進行校核即可，而軸的危險截面多發(fā)生在當(dāng)量彎矩最大或當(dāng)量彎矩較大且軸的直徑較小處。根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸和當(dāng)量彎矩圖可知，截面與電機連接處彎矩最大, 且截面尺寸也非最大, 屬于危險截面；校核公式[6]： （2.13） ，圓角處的有效應(yīng)力集中系數(shù)， ， ， ； 上式中，Z和Zp—軸在截面的抗彎和抗截面模數(shù)； M、T—軸在計算截面上的抗彎和抗扭截面系數(shù)； 、—有效應(yīng)力集中系數(shù)； —疲勞極限； [s]—許用安全系數(shù)； —表面粗糙度系數(shù)； —表面狀態(tài)系數(shù)； 、—絕對尺寸影響系數(shù)。 D—軸徑；b—鍵的寬度。查機械設(shè)計手冊得： [s]=2.2；為275N/mm2；T為7.84N/m； =2.45； =1 =0.91；=1.7 ； =0.89； t=1.8mm ；=2.5。 ==3605.4 ==1253.6 ==0.858 ==1.076 M=0.418 N/m 機床允許的最大扭矩[6]。 S==6.89 S≥[S] 符合安全系數(shù) 2、軸承的選擇和校核 由于輸入軸端和輸出端軸徑均為20mm，工作時為輕度沖擊，正常工作溫度，預(yù)期壽命為5000h，所選擇的軸承為6004，查手冊可知道軸承6004的基本額定負(fù)載Cr=9.38kN,基本額定負(fù)載荷Cor=5.02kN Fa/Cor=e=0.228查表可知道e=0.38，徑向力 ；轉(zhuǎn)速 ；基本額定動載荷 ；基本額定靜載荷；極限轉(zhuǎn)速 ；壽命系數(shù)。 查表可得判斷系數(shù)；軸向載荷系數(shù),；載荷系數(shù)； 當(dāng)量動載荷 軸承壽命。 軸承壽命要求合格。 2.4導(dǎo)軌的選擇 導(dǎo)軌主要根據(jù)導(dǎo)軌副之間的摩擦情況，導(dǎo)軌分為： （1）滑動導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌之間為滑動摩擦。結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，剛度好，抗振性高，是機床上最廣泛采用的。 特點：導(dǎo)向精度高，不會出現(xiàn)間隙，能自動補償磨損。一般選取三角形頂角γ=90°,重型機械采用大頂角γ=110°～120°。當(dāng)水平力大于垂直力，V形導(dǎo)軌兩側(cè)受力不均勻時，采用不對稱V形導(dǎo)軌。直線導(dǎo)軌和圓導(dǎo)軌均可采用 　　承載能力大，制造方便。必須留有側(cè)向間隙。不能補償磨損。用鑲條調(diào)整時，會降低導(dǎo)向精度。 需注意導(dǎo)軌的保護。直線導(dǎo)軌和圓導(dǎo)軌均可采用 尺寸緊湊，適用于要求高度小﹑導(dǎo)軌層數(shù)多的場合?？蓸?gòu)成閉式導(dǎo)軌。用一根鑲條可以調(diào)整各面的間隙。剛度比平面導(dǎo)軌小。制造簡單，彎曲剛度小，主要用于受軸向載荷的導(dǎo)軌。適用于同時作直線和旋轉(zhuǎn)運動的場合。 （2）滾動導(dǎo)軌 滾動直線導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成。當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對運動時，鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通過返向裝置（返向器）進入返向孔后再 進入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始地進行滾動運動。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進入滑塊內(nèi)部。 特點： 滾動直線導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而獲得： 動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。 驅(qū)動功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機械的十分之一。與V型十字交叉滾子導(dǎo)軌相比，摩擦阻力可下降約40倍。 適應(yīng)高速直線運動，其瞬時速度比滑動導(dǎo)軌提高約10倍。能實現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。 能實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度。 成對使用導(dǎo)軌副時，具有“誤差均化效應(yīng)”，從而降低基礎(chǔ)件（導(dǎo)軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎(chǔ)件的機械制造成本與難度。導(dǎo)軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應(yīng)力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點接觸時大大提高，滾動摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。 導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的可校性；心部保持良好的機械性能。簡化了機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造。 2.5導(dǎo)軌的確定 查《機械設(shè)計手冊3》第二版選取直線滾動導(dǎo)軌副系列，又根據(jù)機床設(shè)計要求的特點，本設(shè)計初步選擇: (1)直線滾動導(dǎo)軌副選取四方向等載荷型（GGB型），其特點是：垂直向上向下和左右水平額定載荷是等同的，額定載荷比較大，剛度高。 (2)尺寸規(guī)格初選45，其結(jié)構(gòu)形式選擇AA 型。 (3)每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)為2。 (6)查出全自動軸承磨床推薦的精度等級為3。 (7)導(dǎo)軌的材料為HT200. 初步確定直線滾動導(dǎo)軌的型號為GGB45AA1C123 選擇用南京工藝設(shè)備制造廠的滾動直線導(dǎo)軌如圖1 2.6絲桿的確定選擇與計算 2.6.1 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 因同步皮帶輪直徑相等，皮帶輪與絲杠直聯(lián)，i=1 由表1查得 V=8m/min n=1000r/min 代入得， P≈1.516mm 由于計算出的P值應(yīng)取較大值圓整，因此 ?P=1.5mm 2.6.2 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷 （1）?各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速 ??? ?? 由表1查得 ???V=0.6 V=0.8 V=1 V=8 ? 代入得 ???n=100 ?n=133 ?n=167 ?n=1333 （2）各種切削方式下，絲杠軸向載荷 由表1查得 ???? 已知W=3000N W=5000N 代入得 （3）當(dāng)量轉(zhuǎn)速 由表1查得 代入得 n≈267r/min （3）當(dāng)量載荷 代入得 F=1380N 2.6.3預(yù)期額定動載荷 （1） 按預(yù)期工作時間估算 按表9查得：輕微沖擊取 fw=1.3 按表7查得：1～3取 按表8查得：可靠性97%取fc=0.44 已知：Lh=20000小時 代入得 C=27899N （2）擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載Fmax計算： 按表10查得：中預(yù)載取 Fe=4.5 代入得 取以上兩種結(jié)果的最大值 C=27899N 2.6.4確定允許的最小螺紋底徑 （1） 估算絲杠允許的最大軸向變形量 ?① ≤（1/3～1/4）重復(fù)定位精度 ?② ≤（1/4～1/5）定位精度 ? : 最大軸向變形量?? μm 已知：重復(fù)定位精度10μm, 定位精度25μm ?? ① =3 ?? ② =6 取兩種結(jié)果的小值 =3μm (2）估算最小螺紋底徑 ? 絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式 ? (1.1～1.2)行程+（10～14） 已知：行程為1000mm, W=3000N ,μ=0.2 代入得 F=600N D=20.04mm 2.6.5 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 （1）選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒雙螺母型墊片預(yù)形式 （2）?由計算出的在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副 FFZD4008-5 P=8mm C=30700﹥C=27899 2.6.6 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力 ?? 其中 2.6.7 行程補償值與與拉伸力 （1）?????? 行程補償值 ?? 式中： =（2～4） (2) 預(yù)拉伸力 代入得 2.6.8 滾珠絲杠副工作圖設(shè)計 (1) 絲杠螺紋長度Ls： Ls=Lu+2Le? 由表二查得余程Le=40 繪制工作圖 （2）兩固定支承距離L1 按樣本查出螺母安裝聯(lián)接尺寸 絲杠全長L （3）行程起點離固定支承距離L0 由工作圖得 Ls=890 L1=1000 L=1000 L0=30 得KC=920?? N/m 2.6.9? 剛度驗算及精度選擇 （1） = = N/m = ?N/m F0 = 已知W1=5000? N ，? =0.2 F0=1000? N F0?? ：? 靜摩擦力???? N ?：靜摩擦系數(shù) W1? ：正壓力???? N （2）驗算傳動系統(tǒng)剛度 Kmin Kmin ：傳動系統(tǒng)剛度?? N 已知反向差值或重復(fù)定位精度為10 Kmin=222＞160 （3）傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差 =1.7m （4）確定精度? ?? V300p? ：任意300mm內(nèi)的行程變動量對半閉環(huán)系統(tǒng)言， ? V300p≤0.8×定位精度- 定位精度為20m/300 V300p＜14.3m 絲杠精度取為3級 V300p=12m＜14.3 (5)?確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 已確定的型號：WWCM 公稱直徑：12?? 導(dǎo)程：3 螺紋長度：900 絲杠全長：1000 P類3級精度 FFZD4010-3-P3? /1410×1290 2.6.10? 驗算臨界壓縮載荷?? Fc?? ：??N 絲杠所受最大軸向載荷Fmax小于絲杠預(yù)拉伸力F不用驗算。 2.6.11 驗算臨界轉(zhuǎn)速 nc=f×10 nc? :?? 臨界轉(zhuǎn)速???? n/min f?? ：與支承形式有關(guān)的系數(shù) ?：絲杠底徑 ? ：臨界轉(zhuǎn)速計算長度??? mm 由表14得f=21.9 由樣本得d2=34.3 由工作圖及表14得：Lc2= L1- L0 4310＞nmax=1500 2.6.12 驗算： Dn=Dpw nmax D?pw ：? 滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑?? mm nmax :? 滾珠絲杠副最高轉(zhuǎn)速?? n/min Dpw≈41.4mm 2.7同步帶輪選擇 2.7.1 凸輪軸轉(zhuǎn)動上下調(diào)整同步帶和測量裝置的同步帶選擇 (1)傳動名義功率P_=0.5kW (2)主動輪轉(zhuǎn)速n1=1500r／min，從動輪 =350r／min (3)中心距a=100mm左右 (4)工作情況， 24小時運轉(zhuǎn)． 求設(shè)計功率P=K0 Pm=0.4×2= 0.8Kw，式中Ko為載荷修正系數(shù) 由設(shè)計功率0.8Kw 和n =1500r／min，由查得帶的型號為L型，對應(yīng)節(jié)距P =9.525mm （1）選擇小帶輪齒數(shù) 由小帶輪轉(zhuǎn)速n=1500r/min，L型帶，查表得小帶輪最小許用齒數(shù) Z1=14，則大帶輪齒數(shù) Z2= i Z1，其中i= n1／n2=1500／350=4．286 Z2=4．286×14=60取標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒敦==60 （2）確定帶輪節(jié)圓直徑 dI==Pb Z1/π=42.736mm d2= Pb Z2/π=182mm （3）確定同步帶的節(jié)線長度L， L= 2acosψ +π(d2+d1 )／2+πψ( d2-d1)／180 式中：ψ =sin-1 (d2-d1)/2a =0．218；12．6 (以a=100mm代入) 則L =150.54 選擇最接近計算值的標(biāo)準(zhǔn) 節(jié)線長(見表4)L=160.20mm （4）計算同步帶齒數(shù)z Zb=Lp/Pb=160.20/9.525=17 （5）傳動中心距n的計算 a=Pb( Z2-Z1)／2zcosθ 式中： inV =3．14l6 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法計算，θ=1．351 8(弧度)代入上式 得出a=102.45與精確計算結(jié)果相似。 最后測量裝置同步帶選用L型同步帶P= 9.525mm ZB=17， L,= 150．20ram b．= 25.4mm 同步帶輪： Z1=14，Z2=60，dI==Pb Z1/π=42.736mm d2= Pb Z2/π=182mm 2.7.2 光電傳感器移動同步帶與帶輪選擇 1)傳動名義功率P_=0.25kW (2)主動輪轉(zhuǎn)速n1=1500r／min，從動輪 =350r／min (3)中心距a=55mm左右 (4)工作情況， 24小時運轉(zhuǎn)． 求設(shè)計功率P=K0 Pm=0.3×2= 0.6Kw，式中Ko為載荷修正系數(shù) 由設(shè)計功率0.6Kw 和n =1500r／min，由查得帶的型號為XL型，對應(yīng)節(jié)距P =5.08mm （1）選擇小帶輪齒數(shù) 由小帶輪轉(zhuǎn)速n=1500r/min，L型帶，查表得小帶輪最小許用齒數(shù) Z1=12，則大帶輪齒數(shù) Z2= i Z1，其中i= n1／n2=1500／350=4．286 Z2=4．286×12=51取標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒敦==50 （2）確定帶輪節(jié)圓直徑 dI==Pb Z1/π=19.414mm d2= Pb Z2/π=80.9mm （3）確定同步帶的節(jié)線長度L， L= 2acosψ +π(d2+d1 )／2+πψ( d2-d1)／180 式中：ψ =sin-1 (d2-d1)/2a =0．218；12．6 (以a=100mm代入) 則L =54.54 選擇最接近計算值的標(biāo)準(zhǔn) 節(jié)線長(見表4)L=55.20mm （4）計算同步帶齒數(shù)z Zb=Lp/Pb=55.20/5.08=11 （5）傳動中心距n的計算 a=Pb( Z2-Z1)／2zcosθ 式中： inV =3．14l6 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法計算，θ=1．351 8(弧度)代入上式 得出a=102.45與精確計算結(jié)果相似。 最后測量裝置同步帶選用XL型同步帶P= 5.08mm ZB=11， L,= 55．20ram b．= 9.5mm 同步帶輪： Z1=11，Z2=50，dI==Pb Z1/π=19.4146mm d2= Pb Z2/π=80.9mm 2.8 鍵聯(lián)接的設(shè)計與校核 2.8.1鍵的選型 根據(jù)輸入軸徑和輸出大小選取鍵，輸入軸徑為20mm，選取鍵尺寸6X6X45；輸出軸徑為30，選取鍵尺寸8X7X25。 2.8.2鍵的校核 材料選用：45鋼；許用壓強；； 鍵校核公式： 輸入軸鍵的校核：； ； 輸出軸鍵的校核：； ； 本文以凸輪軸的形位公差研究對象，針對如何精確測量凸輪軸的圓度、同軸度、圓跳動進行研究，并選取光透過性傳感器這種特殊應(yīng)用于測量儀器中。 在此次設(shè)計過程中，對特殊的光透過性傳感器的選型及應(yīng)用有了特殊的了解，并對整個測量裝置中的傳動機構(gòu)，以及精密滾珠絲杠傳動有較深的認(rèn)識，并熟練使用SOLIDWORKS三維設(shè)計軟件，將測量儀的設(shè)計方案并最后出三維模型，并對三維模型進行仿真實驗，使得自己收獲頗大。 由于條件和時間有限，本論文所做的研究和探索僅僅是初步的，要真正實現(xiàn)精密測量和實際應(yīng)用，還需要作進一步的深入研究。 致 謝 本課題是在XXX老師的精心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的，在此謹(jǐn)向?qū)煴硎咀钪孕牡母兄x和最誠摯的敬意…… …… 再有要感謝一起學(xué)習(xí)生活的同學(xué)們，與他們的一次次交流使我得以不斷進步和提高。 我能夠?qū)Ｐ膶W(xué)習(xí)，順利完成學(xué)業(yè)，與我的父母的培養(yǎng)、鼓勵和支持是分不開的，在此向他們表示最誠摯的感謝！ 感謝文中所引用文獻的所有作者們！再次感謝所有關(guān)心、支持和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友們！ 參考文獻 [1] 鄭淑芳 機械工程測量學(xué) 北京：科學(xué)出版社，2004.5 [2] 黃長藝 機械工程測量與實驗技術(shù) 北京：機械工業(yè)出版社，2005.1. 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