孔壁轮廓素线测量装置.docx
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孔壁轮廓素线测量装置
2012届本科毕业论文(设计)
论文题目:
孔壁轮廓素线测量装置
学生姓名:
所在院系:
机电学院
所学专业:
机电技术教育
导师姓名:
完成时间:
2012年5月19日
摘要
随着机械行业的发展,对配合的孔要求越来越高。
孔壁的轮廓形状直接关系着配合的质量,而孔的轮廓形状比较多,有鞍形,喇叭形,腰鼓形等等。
其测量仪器大多数都是利用激光测量仪L-741和L740基础上增加一个垂直光束,它能够检测各种设备或部件的垂直度、平面度、直线度。
连续旋转的转激光平面360°扫描时平面精度为0.5角秒(0.002mm/M),90°扫描的精度为0.25角秒(0.001mm/M)。
由于激光测量仪的成本比较高,直接抬高了零件的制造成本。
本文介绍的测量原理是建立在直角坐标系下进行测量,通过杠杆百分表测出孔壁相对于孔的理论中心线产生的偏移量,再经过计算公式进行修正得出结果。
可以弥补机械模拟测量方法的不足,具有一定的测量精度,结构简单,使用方便,可以满足生产过程的需要,提高生产效率。
基于solidworks进行建模仿真。
也可通过测量结果粗略计算出孔相对于基准面的垂直度,提高杠杆百分表的应用范围。
关键词:
孔壁,素线,测量,辅助装置
Abstract
Withthedevelopmentofmachineryindustry,theholematchingwiththeincreasinglyhighdemand.KongBicontourshapeisdirectlyrelatedwithquality,andtheholeshapeismore,asaddle,ahorn,drumandsoon.ItsmeasuringinstrumentsmostistheuseoflasermeasuringinstrumentforL-741andL740increaseonthebasisofaverticalbeam,itcandetectvarioustypesofequipmentorpartsoftheverticality,flatness,straightness.Continuousrotarylaserplane360°scanningplaneprecisionof0.5arcsec(0.002mm/M),90°scanningaccuracyof0.25seconds(0.001mm/M).Becausethelasermeasuringinstrumentofhighcost,directraisemanufacturingcostofparts.ThispaperintroducesthemeasuringprincipleisbasedontheCartesiancoordinatesmeasurement,throughtheleverindicatormeasuringholerelativetotheholecenterlineoffsettheory,throughthecalculationformulaoftheresults.Cancompensateformechanicalanalogmeasurementmethods,measurementhasacertainprecision,simplestructure,convenientuse,canmeettheneedsoftheproductionprocess,improveproductionefficiency.Modelingandsimulationbasedonsolidworks.Canalsobeobtainedbymeasuringtheresultsroughlycalculatedrelativetothedatumholeverticality,improvetheleverindicatorscopeofapplication.
Keywords:
Holewall,Grainline,Measurement,Auxiliarydevices
目录
1绪论2
1.1现状2
1.2研究意义2
2设计方案的介绍5
2.1solidworks软件的概述5
2.2Solidworks的特点5
2.3轮廓测量装置在实际中的应用5
2.4测量原理6
2.5方案的设计6
3整体设计8
3.1测量头的设计8
3.1.1测量头的设计原理8
3.1.2测量头的设计方案8
3.2辅助装置的设计9
3.2.1底座的设计9
3.2.2支撑杆的设计10
3.2.3齿轮齿条的设计11
3.2.4螺钉的选用14
3.2.5水平移动块儿的设计14
3.2.6旋转体的设计16
3.2.7移动杆的设计16
3.3润滑17
3.4辅助装置的使用18
3.5数据分析21
3.5.1原理分析21
3.5.2误差补偿22
4结论24
致谢25
参考文献26
1绪论
1.1研究意义
轮廓素线测量方法有很多种,但是测量孔的轮廓素线的仪器却不是很多,大部分生产车间采用激光测量仪L-741和L740基础上增加一个垂直光束,它能够检测各种设备或部件的垂直度、平面度、直线度。
连续旋转的转激光平面360°扫描时平面精度为0.5角秒(0.002mm/M),90°扫描的精度为0.25角秒(0.001mm/M)。
激光面与垂直光束的垂直精度为1角秒(0.005mm/M)。
激光器的工作半径为30.5m。
激光垂直度检测仪的系统安装调整时间大约为10分钟,工作温度为18℃-22℃。
所以测量过程比较复杂,测量时间过长,价格比较昂贵,测量时需要专业人员操作,一旦仪器出现故障,修理费用和修理时间过长。
一般工厂生产要求效率高,费用低。
当遇到有需反映孔的形状误差,而且测量精度不是很高的问题时,生产周期就会加长。
为了解决能够快速测量,又能保证加工精度的要求,本文选择了辅助装置加上杠杆百分表(0-8mm)进行孔的轮廓素线测量。
即能提高生产效率,降低成本。
又能扩大杠杆百分表的使用范围。
把杠杆百分表安装到辅助装置上面,辅助装置可以带动杠杆百分表上下左右移动,辅助装置固定和调整比较方面,底座的固定采用电磁铁固定,支撑杆可以在底座上旋转一定的角度,可测量孔与面成一定角度的孔壁素线。
可以测量出孔壁素线相对于孔的理论中心线平行度偏移量,或孔壁素线相对于一平面的平行度偏移量或垂直度偏移量。
当把测量头调整到与孔壁接触并产生一定接触力后进行测量。
1.2现状
目前,生产现场中对孔轮廓素线的测量,尤其是对箱体件的测量,尚无完备的测量方法和方案,近年来随然有使用三坐标测量机进行测量,但是对于一些孔的测量还是不太实用。
以前有用心轴进行模拟打表的方法,只依靠机械精度来保证测量精度,反映零件的误差比较难而且正确率比较低。
本文介绍的方法是建立在直角坐标系下进行测量,通过杠杆百分表测出孔壁相对于孔的理论中心线产生的偏移量,即把孔壁的轮廓测量转变成测量孔壁素线相对于孔的理论中心线产生的偏移量,再由计算公式进行计算修正得出结果,反映孔的轮廓。
弥补机械模拟方法的不足。
具有一定的测量精度,结构简单使用方便,可以满足生产现场的使用要求。
当前所用测量仪器种类和参数如下:
(1)三坐标测量机
垂直度的测量方法有很多。
市面上还有专门的测量垂直度的垂直度测量仪。
所以垂直度公差在0.05之内的,还是用三坐标测量机来测量。
三坐标测量机能从三维空间的不同方向来对工件进行数据采集和计算。
所以是测量垂直度比较理想的设备。
测量工件的垂直度先要确定基准要素,按照图面先测量基准。
建立坐标系。
再测量要被评价的要素,测量好数据,用软件来计算、计算出来的结果与图纸上标注的理论值作比较。
图1三维测量示意图
(2)激光垂直度测量仪L-743
1)L-743激光平面度测量仪(三轴)、激光对中仪(又称超精密三轴扫描激光平面仪、激光校准仪)用于3-5轴机床加工中心的测量和对几何量的修正,用于测量传统机床的平面度、直线度、平行度和垂直度。
2)L-743激光平面度测量仪有三个旋转的激光扫描平面,360º度扫描时垂直精度为1角秒(0.005mm/M),平面精度为1/2角秒(0.0025mm/M),90º扫描的精度为1/4角秒。
3)L-743激光平面度测量仪(三轴)的特点还包括一个角秒的水平玻璃管和一个用于固定和调节俯仰角、滚动角和偏摆角的磁性基座,用来设定激光平行于参考点。
4)三个激光自动扫描平面发射器的工作半径为30.5m,180°扫描激光平面度为1/2角秒(0.0025mm/M),90°扫描平面度为1/4角秒(0.001mm/M)。
扫描平面相互垂直,精度为1角秒(0.005mm/M)。
使用俯仰角/滚动角/偏摆角的基座,用于粗略调整和精细调整。
5)高精度探测靶A-1519-900(A-1519-2.4),单轴,无线靶24.5mm测量范围,0.0005mm分辨率。
6)超高精度探测靶A-1520-900(A-1520-2.4),单轴,无线靶250"测量范围,0.00025mm分辨率。
7)照度标准值精度为2角秒(0.01mm/M),使用高精度分裂棱镜照度值精度可达到1角秒。
8)探测靶具有动态数据显示功能;预热时间短;安装调试需要的时间一般为20分钟或者更短。
9)电子二极管激光,比HeNe激光的稳定性高两倍。
10)适用于微软Windows95/98/XP系统,可以快速记录和分析几何量数据。
11)可使用交流电源或电池电源。
12)该系统主要有激光自动扫描平面发射器L-743、无线探测靶A-1519、无线接收器、显示器和附件组成。
表1技术参数
重量
激光部分:
3.1kg
电池盒:
0.45kg
L-123基座4.54kg
材质
激光部分:
铝和不锈钢
基座部分:
铝
激光类型
可见二极管,波长670nM,光束直径4.06mm,安全等级II级(扫描时为I级)
激光能量
<1mw/束
光束稳定性
传输时:
0.005mm/小时/ºC
角度时:
0.36角秒/小时/ºC
光束直线度
空气噪声中0.001mm/M±0.0025mm
激光面平面度
0.5角秒或0.0025mm/M+180°/360°扫描时最大传输误差±0.0025mm
0.25角秒或0.001mm/M+90°扫描时最大传输误差0.0013mm
激光面垂直度
上部激光面对侧面激光面的垂直度:
1角秒(0.005mm/M)
上部激光面对背部激光面的垂直度:
1角秒(0.005mm/M)
侧部激光面对背部激光面的垂直度:
3角秒(0.015mm/M)
工作面范围
每个扫描平面的工作半径是30.5m
工作状态
每个扫描平面可以单独使用,也可以组合使用
电源
9V直流外部盒装电源(4节电池)或115V交流电源适配器
水平玻璃管
2个发光水平玻璃管,精度为2角秒(0.01mm/M)
使用分裂棱镜可达到1角秒(0.005mm/M)
L-123基座调整范围
粗略调整:
+/-1.5º
精细调整:
+/-0.15º
L-123基座调整分辨率
粗略调整:
1.7角秒(0.25mm/30.5M)
精细调整:
0.17角秒(0.025mm/30.5M)
该装置既可以测量孔壁素线相对于孔的理论中心线的平行度,又可以测量孔所垂直的平面的平面度,这样在测量前可以通过装置本身先检测基准面的平面度,再进行孔壁素线的测量。
可以反映孔壁素线相对于孔的理论中心线的平行度偏移量,也可以反映出孔壁素线相对于基准面在一定高度的垂直偏移量。
通过测量结果反映出孔的轮廓形状,根据轮廓形状还可以判断出产生这种轮廓形状的原因。
测量时底座相对于支撑杆可以在60°范围内调整,满足多方面的测量要求。
旋转体可以相对于移动块儿360°旋转,满足不同角度的测量要求。
该装置能测量的范围:
孔径与孔深之比应大于等于0.2679。
测量的最小直径为5mm,深度为0到15mm。
测量精度为
0.01mm。
该装置还可以测量平面的平面度,也可以把测量结果经过计算反映出孔的垂直度。
辅助装置借助于solidworks进行设计三维建模,模拟仿真。
2设计方案的介绍
2.1solidworks软件的概述
机械设计软件广泛应用于家电生产企业(包括家用电动自行车、空调、冰箱、电视、燃气灶等等我们日常生活中的各种家电)、汽车配件的生产企业、汽车发动机的生产企业、航空航天所需零部件的生产制造企业、医疗器械的生产企业、模具生产企业等等。
2.2Solidworks的特点
SolidWorks软件具有无与伦比的2D和3D设计功能、易用性。
同时具有无与伦比的性能和价值,它是技术创新领域内的先驱,并且还拥有最大的用户群。
没有其它CAD系统可以帮助您快速准确地完成产品设计工作。
2.3轮廓测量装置在实际中的应用
机械工业是一切工业的基础,各种机械又是有数量不等的零件所组成,如箱体、配合件、孔、传动件、齿轮等等。
都需要进行孔的测量,特别是轮廓的测量。
如果一个孔的形状误差达不到要求,就没法跟轴配合实现传动。
所以说机械行业离不开孔的测量。
现在国内外对于孔的轮廓测量,大部分生产车间采用激光测量仪L-741和L740基础上增加一个垂直光束,它能够检测各种设备或部件的垂直度、平面度、直线度。
连续旋转的转激光平面360°扫描时平面精度为0.5角秒(0.002mm/M),90°扫描的精度为0.25角秒(0.001mm/M)。
激光面与垂直光束的垂直精度为1角秒(0.005mm/M)。
激光器的工作半径为30.5m。
另外还有专门测量垂直度的垂直度测量仪。
当垂直度公差在0.05之内的,还是用三坐标测量机来测量。
三坐标测量机能从三维空间的不同方向来对工件进行数据采集和计算。
测量工件的垂直度先要确定基准要素,按照图面先测量基准。
建立坐标系。
再测量要被评价的要素,测量好数据,用软件来计算、计算出来的结果与图纸上标注的理论值作比较。
激光垂直度检测仪的系统安装调整时间大约为10分钟,工作温度为18℃~22℃。
所以测量过程比较复杂,测量时间过长,价格比较昂贵,测量时需要专业人员操作,一旦仪器出现故障,修理费用和修理时间过长。
这种仪器测量精度高、准确、性能稳定、测量距离远、有自校准功能、自检功能。
但是价格昂贵、测量复杂、测量时间长、工作环境要求高、工作范围有限。
而拥有普通精度的垂直度测量装置却很少见。
国内对于一般车间而言要求的精度不是很高。
如果使用激光测量仪,显得大材小用,而且会因测量仪器增加生产成本。
2.4测量原理
测量装置是以直角坐标系为基础。
如图2所示,把测量的基准面作为横坐标AB,底座CDE把测量基准面平移到孔的上方,移动杆带动带动杠杆百分表用EF表示,EF∥CD,即EF和孔的理论中心线平行。
GF为测量头,G点与孔壁接触测量孔壁相对于孔理论中心线的偏移量。
测量头沿着孔壁上下移动,也可以围绕轴线转动一定的角度进行测量。
也能够自己自由确定要测量的孔壁素线。
当把杠杠百分表的测量头移动到孔内后,产生一定的接触力,再用微调向上移动进行测量。
图2测量原理图
2.5方案的设计
孔的轮廓形状有许多形式,有喇叭形的,倾斜形的,毂形(如下图)的等等。
图3理论正常孔
ABC
DEF
图4产生误差后的孔
A为腰鼓形,B为锥形,C为喇叭形,D为鞍形,E为流线形,F为倾斜形。
为了反映孔相对于中心线的形状误差,就要求孔壁可多个方向进行测量,而且需要杠杆百分表能够360°旋转,又要能够上下移动,即测量杆可以水平方向竖直方向移动。
采用齿轮齿条传动,既能满足水平方向的移动,又能满足竖直方向的移动。
由于杠杆百分表的测量头是直线型,测量时与孔的理论中心线平行,所以要对测量头进行设计。
初步定为夹角为165°的测量头。
孔的形状误差很多,所以要把测量孔壁轮廓转变为测量孔壁素线相对于孔理论中心线的平面平行度误差,然后进行数据处理,得出轮廓形状误差。
也可通过得出的数据经过计算得到孔的垂直度误差。
3整体设计
3.1测量头的设计
把直线式的测量头改为成夹角为150°(或者165°)的测量头,以便于对孔壁的测量。
倾斜一定的角度后,可以把测量头伸入孔内和孔壁接触进行测量。
标准的测量头长度为14mm。
经过设计后,长度增加到114mm。
测量头的上部连接采用螺纹连接。
3.1.1测量头的设计原理
孔的轮廓素线测量是反映孔相对于孔的理论中心线所产生的偏移量。
为了使用杠杆百分表进行测量,把对孔壁的测量转变为对孔壁上的素线相对于孔的理论中心轴线的平行度偏移量的测量,测出平行度偏移量后进行修正计算,从而可以求出孔壁素线对孔的轴线产生的偏移误差,也可以测量孔壁素线相对于孔壁母线或理论中心线的偏移量。
3.1.2测量头的设计方案
图5所示为标准的杠杠百分表测量头:
图5杠杆百分表的测量头
图6设计的测量头
图6中左夹角为165°的测量头,即与孔壁成15°夹角。
右图夹角为150°的测量头,即与孔壁成30°夹角。
两个测量头分别用于不同的测量范围。
165°的测量头使用的测量孔深范围是:
0-114mm。
165°的测量头使用测量孔深范围是:
直径大于Φ25mm,深度0-198mm。
另外一种方案:
利用可调角度测量头,测量头可以任意调一个合适的角度进行测量,但是有不利的地方。
当可调角度时,夹角固定处的尺寸过大,测量范围会缩小。
测量杆的力臂大,当夹角力过小时会产生角度变化。
另外,调整角度不便于测量,修正值查找比较麻烦。
因此采用固定角度的测量头进行测量。
3.2辅助装置的设计
3.2.1底座的设计
底座应满足的设计要求:
把测量基准面转移到孔的上面,便于测量头从上面放入到孔中。
能够让杠杆百分表表沿着水平支撑杆在水平方向上移动。
可以在一定范围内调整。
设计方案:
底座的下底面采用电磁铁与测量基准面平行或重合。
电磁铁固定可以任意调整支撑杆在水平面内的角度,放置方便。
图7底座
底座长、宽、高尺寸相等,都为50mm。
底座上开的槽是为了装配支撑杆,螺纹孔是为了在合适位置固定支撑杆。
当底座固定后支撑杆可以在-30°-30°范围内调整,让支撑杆的轴线平行于测量基准面。
3.2.2支撑杆的设计
支撑杆的作用是:
把测量基准面转换到支撑杆上,便于对孔的测量。
测量杆可以相对于测量基准面在-30°到30°范围内调整,适用于不同的适用场合。
支撑杆的上表面为平面,作用是让移动块儿相对于支撑杆有准确的定位。
图8支撑杆
支撑杆的直径选为Φ15mm。
支撑杆上开的槽是为了固定齿条,齿条与支撑杆的配合为间隙配合Φ15h6/g5。
齿条于支撑杆之间用沉头螺钉固定于支撑杆上的槽内。
通过齿轮齿条传动带动移动杆和杠杆百分表沿支撑杆上的平面实现水平方向的移动。
为了防止杠杆百分表沿支撑杆轴线产生偏转,所以支撑杆的上表面设计为平面,限制移动快儿的自由度。
3.2.3齿轮齿条的设计
(1)大齿轮的设计
选用值:
m=0.5,z=15,α=20°,i=1。
材料为45钢,标准支持圆柱齿轮,由于齿轮的直径小,结构为实体式齿轮。
分度圆直径:
(1)
齿顶高系数
顶隙系数
顶隙
(2)
齿顶高
(3)
齿根高
(4)
全齿高
(5)
齿顶圆直径
(6)
齿根圆直径
(7)
齿距
(8)
轮毂直径取Φ4mm。
由于是简单的齿轮齿条传动,而且传动过程不需要精确的传动比,只要能够快调和微调即能满足传动要求。
所以不用校核。
图9大齿轮
(2)小齿轮的设计
选用值:
m=0.5,z=10,α=20°,i=1。
材料为45钢,标准支持圆柱齿轮,结构为实体式齿轮。
分度圆直径:
(9)
齿顶高系数
顶隙系数
顶隙
(10)
齿顶高
(11)
齿根高
(12)
全齿高
(13)
齿顶圆直径
(14)
齿根圆直径
(15)
齿距
(16)
轮毂直径取Φ2mm。
由于是齿轮齿条传动,而且不需要精确的传动比,所以不用校核。
图10小齿轮
(3)齿条的设计
齿条是用于与齿轮配合进行传递运动,实现移动块和杠杆百分表的水平方向上的移动。
基本尺寸的确定:
m=0.5,α=20°,i=1。
材料45钢。
L=170mm。
齿条两端有M2的螺纹孔,用于齿条在支撑杆上的固定与定位。
齿轮可沿齿条移动150mm。
图11齿条
3.2.4螺钉的选用
(1)查机械设计手册GB/T70.1-2000
齿条固定螺钉选用六角头沉孔螺钉M2×13
螺钉总共需用四个,一个齿条上配用两个螺钉实现与移动杆和支撑杆的固定与定位。
图12齿条螺钉
水平移动和旋转锁紧螺钉选用M2×10。
图13锁紧螺钉
(2)齿轮传动杆的设计
齿轮传动杆和齿轮过盈配合,带动齿轮传动。
外形上的滚花便于手的旋转传动。
配合轴Φ4mm,长度为16mm。
图14微调移动杆
微调移动杆与小齿轮过盈配合,带动小齿轮微调移动。
配合轴Φ2mm,长度为16mm。
3.2.5水平移动块儿的设计
水平移动块儿的作用是:
带动竖直移动杆和杠杆百分表(两者通过螺钉连接在一起)实现水平方向上的移动调节,当移动到合适位置时可以旋紧锁紧螺钉进行锁紧。
材料选用45钢。
尺寸与孔的大小设计如图15所示:
图15水平移动块儿
主视图水平移动块儿上的Φ20mm用于与旋转体间隙配合,实现杠杆百分表的360°旋转的测量。
孔的旁边有36个圆周等分刻线,每两个刻线之间的夹角为10°。
旋转体可以通过这些刻线调整杠杆百分表测量头所在孔壁的位置,以便于在孔的不同角度进行测量。
俯视图上所标注的尺寸Φ15mm(R7.5)用于与支撑杆间隙配合,实现水平方向上的移动。
Φ15mm孔的上方有一个平面,是用于固定移动块儿处于水平位置,不会在移动过程中沿支撑杆轴线发生偏转。
水平移动块儿的上表面和右侧面(正等侧视图)有一个M2的螺纹孔,通过与锁紧螺钉的配合实现水平移动块在水平方向上合适的位置进行固定和定位。
当把杠杆百分表移动到水平方向的合适位置时,可以手动拧紧锁紧螺钉,实现水平方向上的固定与定位。
水平移动块儿上方的小孔Φ4mm(图15左视图),是用于与齿轮传动杆实现间隙配合,通过齿轮传动杆与齿轮的过盈配合带动齿轮实现移动块的水平方向移动。
移动杆是用手实现动力的传动。
齿轮传动杆与孔Φ4mm的配合尺寸:
Φ4H8/f7。
微调移动杆与孔Φ2mm的配合尺寸:
Φ2H8/f7.
3.2.6旋转体的设计
旋转体的功能:
旋转体与水平移动块配合实现360°旋转,可以让测量表在360度范围实现测量。
配合方式为阶梯轴配合。
一孔(Φ20mm)与一面(半圆球下底面)与水平移动块儿配合,实现360°旋转和竖直方向的定位。
配合尺寸为:
Φ20H6/g5.旋转体图示如下:
图16旋转体
另外旋转体还要与移动杆进行间隙配合,让移动杆沿Φ15mm的孔上下移动。
配合尺寸为
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