毕业设计(论文)曲轴轴线同轴度自动测量仪的设计(含全套CAD图纸).doc
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1、曲轴轴线同轴度自动测量仪的设计由于部分原因,说明书已删除部分,完整版说明书,CAD图纸,联系153893706摘 要:本文介绍了曲轴轴线同轴度误差自动检测仪设计的详细过程,其中运用最小二乘法原理建立了曲轴轴线同轴度误差检测原理的数学模型,对检测装置的组成部分进行了详细的分析及运算,提出了多套设计方案,并选择其中一种进行了详细地说明和计算,包括对床身的结构设计、驱动用电动机的选择、测量装置的选择、对主要的传动部件进行计算和校核,并列出了多个图表进行补充说明,还绘制了检测系统原理图、组成联系图、检测装置的装配图和部分零件图。根据原理编写了对已采集数据进行计算处理的程序。 关键词:同轴度误差;数学模
2、型;自动检测及数据分析THE DESIGN OF AUTOMATIC DETECTOR FOR COAXIALITY OF CRANKSHAFT Abstract: This paper introduced the axis of the crankshaft coaxiality automatically detect errors in detail the process of home design, according to the principle of least squares to establish the axis of the crankshaft coaxial
3、ity error detection principle of mathematical model of detection devices have been an integral part of detail and put forward a number of sets of design options, and select one of a detailed explanation and calculation, including the bed of the structural design, the choice of driving motor, the cho
4、ice of measuring devices, the main components of the calculation of transmission and checking, and set out a number added to the chart. Drawing a schematic diagram detection system, composed of linked maps, detection devices and parts assembly diagram. Prepared in accordance with the principle of th
5、e calculation has to deal with data collection procedures. Key words: coaxiality error; mathematical model; automatic detection and the data analysis;1 前言1.1 选题研究意义 自动检测技术是自动化科学技术的一个重要分支科学,它在仪器表的使用、研制、生产的基础上发展起来的一门综合性技术。自动检测就是在检测和检验过程中完全不需要或仅需要很少的人工干预而自动进行并完成的。现实自动检测可以提高自动化水平和程度,减少人为干扰因素和人为差错,可以提高生产
6、过程或设备的可靠性及运行效率。形位误差对零件的使用功能有很大的影响,为了保证零件的互换性和精度等要求,不仅要控制尺寸误差和表面粗糙度,还必须控制零件的形位误差。在加工过程中,由于机床、夹具、刀具、工件所构成的工艺系统会出现受力变形、热变形、振动及磨损等情况,在其影响之下被加工零件的几何要素不可避免地将会产生误差、波度和表面粗糙度。零件的形位误差会影响零件的功能要求、配合性质和装备性质,所以,零件的形位误差对其工作性能的影响一定不能忽视,它是衡量机器、仪器产品质量的重要指标。我国汽车工业的快速发展,对发动机的需要量越来越大。曲轴是发动机的几大基本组件之一,其加工质量关系到发动机整体的质量,可以说
7、曲轴尺寸及形位参数直接影响着发动机的性能。因此,在控制曲轴的加工质量上,这些参数是主要的检测对象。在加工曲轴时对其曲轴轴线的同轴度要求较高。同轴度误差会使曲轴在旋转时造成发动机缸体的振动,而振动对机器的正常工作有很大影响,由于转动惯量大、转速高,造成机器轴不对中,会带来一系列的严重问题:一是增加了轴承所受的力,轴承会过早地发生损坏,缩短了轴承的使用寿命;二是增大了联轴器的磨擦,使联轴器处磨擦增大,会使机器的能源使用效率显著下降,提高了运营成本;三是缩短了机器寿命,由不对中所产生的额外的力,会使转轴发生往复移动,这样活动性的动作会显著地缩短机器的寿命;四是不对中会对转轴密封产生特别严重的影响。为
8、适应我国汽车工业发展的需要,改变汽车工业生产中检测手段落后的局面,研制具有高新技术含量的在线检测仪器,显然有着重要意义。1.2 国内外研究现状近年来,现代科学技术不断进步,工业生产趋向于集成化,专业化,标准化。机械工业中的在线检测,从狭义上讲,是指在机械加工生产线上,加入某一环节,以便对加工生产中的某些参数或工况进行检测。国内外曲轴主轴轴线的生产加工自动化程度明显提高,多有主动测量装置,加工精度高,其尺寸及形位参数在加工时就予以保证了。 同轴度误差常见的测量方法有坐标法、对径双测头测量法、反向法和壁厚差法 。 这些测量方法都是在通用测量器具上如圆度仪、坐标测量仪、分度头或以平板为基准, 利用V
9、 型块和指示器进行测量。 较先进的还有激光的非接触测量,用CCD 获取衍射条纹图象从而获得同轴度误差值。1.3 课程研究内容这次设计的课题是曲轴轴线同轴度误差自动测量仪的设计。同轴度误差是用于限制被测要素对基准要素的轴线同轴的位置误差。就实际价值而言,发动机缸体是发动机的基础零件,曲轴轴线同轴度误差会使曲轴在旋转时造成发动机缸体的振动,而振动对机器的正常工作有很大影响,由于转动惯量大、转速高,造成机器轴不对中,会带来一系列的严重问题,这对于发动机性能及其寿命都有重要影响,因此利用计算机系统控制其误差具有重要的现实意义。本次设计的数学模型是用最小二乘法建立的,最小二乘法常被应用在误差检测的建模方
10、面,因此本次设计具有一定的理论基础和实际意义。就目前国内同轴度误差测量的状况来看,开发出的设备主要都是运用在外圆,即轴类零件的圆度和同轴度误差的检测。同轴度误差常见的测量方法有坐标法、对径双测头测量法、反向法和壁厚差法 。 这些测量方法都是在通用测量器具上如圆度仪、坐标测量仪、分度头或以平板为基准, 利用V 型块和指示器进行测量。 较先进的还有激光的非接触测量,用CCD 获取衍射条纹图象从而获得同轴度误差值。但这些方法都不适应在线测量的要求。本次设计要求解决的问题是完成发动机曲轴轴线同轴度误差自动检测装置的设计。说明书中的主要内容是检测装置机械部分的结构设计,而计算机的控制和电气部分只是稍微做
11、介绍。2 形位误差检测原理2.1 形位误差检测的特点第一个特点就是加工后测量。形位误差涉及到某方面的全部尺寸,所以只能在加工完成后进行测量。例如,在机床上加工圆柱体,其圆度误差与每个截面上的直径尺寸有关,所以,其圆度误差只有在加工完成后才能被测量出来。第二个特点就是多尺寸测量。由于形位误差涉及到某方面的全部尺寸,为了获得全部或较多的的尺寸信息,可用下面良种方法实现:(1)少传感器测量。例如用一个测量直径的传感器并用旋转法去扫描测出某个圆周上各点的直径,从而得出该圆周上各点的直径信息,然后可找出该截面上的圆度误差。(2)多传感器测量。如前例中,可用多个测量直径的传感器同时测量。采用的传感器越多,
12、获得的信息越多,测量精度越高,否则相反。对于某个具体问题,要经过经济技术比较后方可确定。第三个特点是数据处理。由于形位误差涉及到某个方面的全部尺寸,当获得信息后,还要经过运算后才能求出形位误差,也就是说,形位误差不能直接测量出来。例如,确定某圆柱体的圆度误差。首先测出某个截面上的诸多半径R,然后找出最大半径Rmax和最小半径Rmin,而该圆截面上的圆度误差就是两者之差=Rmax-Rmin。对于一个圆柱体的圆柱面来说,还要测出众多的截面上的圆度误差,从中找出最大误差max,就是被测圆柱体的圆度误差。2.2 形位误差检测的基本原则检测形位误差的具体方法,随检测对象的特点、精度要求以及设备条件不同,
13、可以采用多种方法。只要能够保证一定的测量精度,又符合经济原则,就是一个合理的方案。按国际惯例,将常用仪表显示的各种检测方法概括为以下几种检测原理。检测原则一:与理想要素比较原则。该原则是将被测实际要素与理想要素直接进行比较,得到一系列数据,再根据这些数据来评定形位误差。检测原则二:测量坐标原则。该原则是指被测量要素的测的数据为相对于某种坐标而言的坐标值,再根据这些数据做数据处理后获得形位误差的一种原则。检测原理三:测量特征参数原则。特征参数是指表征被测要素形位误差的某种具有代表性的参数。用特征参数来表征形位误差,可使测量设备简单,测量过程简化,从而提高测量效率,有较好的经济效果。检测原则四:测
14、量跳动原则。该原则是在被测要素绕基准轴线回转过程中,相对于某参考点或线的变化情况来表示跳动值的一种原则。检测原则五:控制实效边界原则。图样上按最大实体状态给出形位公差时,通常综合量规来检验被测要素。检测原则五即用综合量规检测的原则。2.3 同轴度测量的数学模型极坐标法测圆的最小二乘法是测量同轴度误差采用的方法。极坐标测量法是在极坐标系中进行的,极坐标系是一个二维坐标系统。该坐标系统中的点由一个夹角和一段相对中心点极点(相当于我们较为熟知的直角坐标系中的原点)的距离来表示。极坐标系的应用领域十分广泛,包括数学、物理、工程、航海以及机器人领域。在两点间的关系用夹角和距离很容易表示时,极坐标系便显得
15、尤为有用;而在平面直角坐标系中,这样的关系就只能使用三角函数来表示。对于很多类型的曲线,极坐标方程是最简单的表达形式,甚至对于某些曲线来说,只有极坐标方程能够表示。一个回转零件,其横截面轮廓是否为一正圆,需要与理想圆进行比较后,才能得出正确结论。在同轴度、平行度及垂直度误差检测中,经常要在极坐标系中测取零件截面的圆周误差。在国家标准中有许多方法,其中最常用的是最小二乘法。进一步简述如下:一个圆形工件,其表面的轮廓如图1所示。为计算方便,把它分成有限个点进行采样,点的位置用极坐标(r,)表示,如果一条圆周线把这些采样的距离的平方和为最小,这个圆就是最小二乘圆。这个圆最佳地近似表示了这些点。所以最
16、小二乘法原理可写为: (1)式中,ri为测量点的极坐标幅值;Li为最小二乘圆周上的点到原点O的直线长度;n为测量点数。图1是一个有安装偏心的圆周误差放大轮廓图形。O点是传感器扫描机构的回转中心;a、b分别是理想圆的圆心横坐标及纵坐标;e是圆心至回转中心的距离。以O为坐标原点,等间隔地对圆周n等分,测得极坐标为(ri,i),其中i=1,2,n,由图1可知,其中为测量点至理想圆的偏差。为使轮廓线与理想圆之间的面积为最小,应满足: (2)由图1可知: (3)式中,为线段e与水平方向的夹角。图1最小二乘圆Figure 1 Smallest two rides the circle测量时,由于工作是精心
17、对中心的,因而e 一般很小,可认为eR,则上式简化为:设 (4)由极值条件: (5) (6) (7)解式(5)得: (8)解式(6)得:因为 ;所以 令偏心e在x轴的投影为a,在y轴投影为b,则a=ecos,b=esin,求解式(9)得:; (10)对式(2.8)和式(2.9)以求和代替积分得:; (11)式中,R为最小二乘圆半径;a、b为最小二乘圆圆心坐标。2.4 最小二乘圆法测量2.4.1 测量原理A0.02Aa)db)P图2同轴度误差测量原理图Figure 2 the proper alignment error surveys the schematic diagram建立坐标系,如图
18、2所示,被测零件为一阶的台阶轴,测量B轴线对A轴线(基准轴线)的同轴度。在测量轴线上各测m个截面,每个截面测量步骤如下1:(1)传感器先沿基准轴长每移动一个等分距离,采集每个截面上表面轮廓的n个采样点数据(j=1,2,n)代入式(10),分别求出该轮廓最小二乘圆中心坐标(a1,b1),(a2,b2),(am,bm)。将这些基准孔的m个中心代入求均值公式中,可求出最小二乘圆心坐标(a0,b0)。; (12)把计算得到的(a0,b0)作为基准轴线在XOY平面上的投影坐标值。(2)传感器再沿被测轴长移动每个等分距离,并采集每个截面上表面轮廓的n个采样点数据代入式(10),分别求出被测面轮廓最小二乘圆
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