毕业设计之凸轮传动精度测量仪机械设计.docx

毕业设计之凸轮传动精度测量仪机械设计.docx

《毕业设计之凸轮传动精度测量仪机械设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计之凸轮传动精度测量仪机械设计.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计之凸轮传动精度测量仪机械设计

毕业设计（论文）

凸轮传动精度测量仪机械设计

学院：

机械工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

姓名：

学号：

指导教师：

2011年6月

摘要

此论文主要讲述的是凸轮分割器精度测量仪的机械设计，它是测量凸轮分割器精度的一种重要设备。

此测量仪是利用两个三维坐标联动来实现不同类型凸轮分割器的精度测量，其中电机轴的移动利用一三轴联动，工作台和测量轴利用另一三轴联动（工作台两轴联动，测量轴一轴移动）。

再利用光电编码器分别安装在电机轴和测量轴上来测量其旋转角度，从而确定凸轮分割器的精度。

根据测量的精度，选择合适的丝杠导程角和减速步进电机。

此测量仪利用的是V形导轨，磨损后可自动补偿。

此设计主要利用计算机来控制部件的移动和测量数据的分析，运动精度高，测量精确度高，自动化程度较高。

关键词：

凸轮分割器，精度测量，三轴联动，光电编码器。

Abstract

Thisthesisismainlytalkaboutthemechanicaldesignofcamsplitterprecisionmeasuringinstrument,whichisanimportantdeviceofcamsplitterprecisionmeasure.Themeasuringinstrumentisuseofthree-dimensionalcoordinateswithtwodifferenttypestoachievetheprecisionofcamsplittermeasurement,whichmovesthemotorshaftusingathree-axis,worktableusetheotherthree-axismeasuringshaft（two-axistable,measurementaxisaaxis.）Re-useopticalencoderswereinstalledinthemotorshaftandmeasuringtheangleofrotationaxistomeasuretodeterminetheaccuracyofthecamsplitter.Accordingtomeasurementaccuracy,selecttheappropriatescrewleadangleanddecelerationsteppermotor.ThemeasuringinstrumentusedisV-shapedrail,weartoautomaticcompensation.

Thisdesign mainlyusethe computertocontrol the movementofparts and themeasurementofdata analysis，sothisdesignhashighprecision,highmeasurement precision, andahigh degreeofautomation.

Keywords:

Camdivision,precisionmeasurement,triaxiallinkage,opticalencode.

目录

摘要I

AbstractII

第一章引言2

1.1课题的背景和意义2

第二章总体方案的制定4

第三章设计及计算过程5

3.1丝杠的选择与计算5

3.1.1电机轴移动丝杠的选择与计算6

3.1.2工作台丝杠的选择与计算8

3.2电机的选择11

3.2.1传动步进电机11

3.2.2测量步进电机12

3.3步进电机驱动器13

3.3.1性能简介14

3.3.2型号说明14

第四章测量部件的设计15

第五章导轨的选择16

第六章联轴器的选择18

6.1传动步进电机轴的联轴器18

6.2测量机构联轴器19

第七章编码盘的选择22

总结24

参考文献25

致谢26

第一章引言

1.1课题的背景和意义

一.课题意义：

凸轮分割器已成为当今世界上精密驱动的主流装置。

它具有运转平稳，传递扭矩大，定位时自锁，结构紧凑、体积小，噪音低、寿命长等显著优点，是代替槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构等传统间歇机构的理想产品，产品广泛应用配套于各种组合机械、机床加工中心、烟草机械、化工灌装机械，印刷机械、电器制造装配自动生产线等需把连续运转转化为步进动作的各种自动化机械上的必备的理想功能部件。

国内机械制造行业对凸轮需求量日益增大。

相对于美国、日本等发达国家，我国研究凸轮分割器的时间较短，其产品还没有实现标准化和系列化，对于该机构的检测在国内已经提出了一种用三坐标测量机测量其面误差的方法。

从精度分析和实际操作的角度论证了这种测量方法的可行性和准确性。

三坐标测量机的出现，在一定程度上对凸轮分割器轮廓面的误差有了直观测量，使得凸轮分割器的轮廓精度提高有了理论依据，但由于其主从动件配合方面的原因，凸轮分割器运动精度必然存在误差。

然而无论作为凸轮分割器的生产厂家、还是凸轮分割器的使用者，目前仍然缺少必要的测量手段来准确描术凸轮分割器的运动精度，只能靠工人的现场精验或者一些简单缩紧装置来判断或提高弧面凸轮分度机构的运动精度。

因此无论对凸轮分割器的生产厂家来说，还是对其运动精度要求严格的使用厂家来说，凸轮分割器的运动精度是否符要求，仅靠工人的现场精验来解决是不现实的。

由此可见，凸轮分割器精度测量仪的研究对生产实践重要的现实指导意义。

二.该领域目前的国内外研究水平和发展趋势

美国机械师福克森（FERGUSON）于1926年生产出第一台凸轮分割器，并由他创建Ferguson公司首先开始系列化生产。

英国、德国、瑞士、日本等国家也相继进行了研制生产并广泛应用。

我国从上世纪七十年代开始对分度凸轮机构进行了广泛而深入的研究，在1980's初，分度凸轮机构才开始引入中国的机械设备中。

目前已有上海理工大学、天津大学、陕西科技大学、大连轻工业学院、合肥工业大学、山东大学、山东理工大学等院校以及山东诸城、西安钟表机械厂、芜湖电工机械厂等厂家在凸轮分度机构的理论研究、设计、制造与检测方面做了大量的工作，取得了一批研究成果。

现在，我国已经可以设计制造出各种规格的凸轮分度机构。

为了增强产品的市场竞争力，凸轮分度机构轮廓精度的控制成为各个厂家重中之重，国内对精度测量仪的研究也随之掀起，三坐标测量机的出现为产品精度的保证提供重要的测量依据，但由于其主从动件配合方面的原因，凸轮分割器运动精度势必也存在误差，而对于运动精度要求严格的使用厂家来说，国内还缺乏必要测量仪器来测量凸轮分割器运动的准确性。

随着计算机辅助测试技术（ComputerAidTest简称CAT）的发展，使得计算机技术和原有的传统测试技术相互渗透、相互融合。

CAT开创了测试学的新领域，使之有了更广阔的发展空间。

在精密测试领域，计算机辅助测试技术使得复杂工件的测量，不仅能完成尺寸、曲线、曲面的精密测量，还能进行形位误差的精确评定，其最典型的代表是三坐标测量机（CMM）的出现，标志着计量仪器从传统的手动测量向现代化的自动测试技术过渡的一个里程碑。

三坐标测量机（CMM）的出现也为凸轮分割器运动精度的测量提供了重要的研究思路，使得凸轮分割器运动精度的测量成为可能，促进了自动化的快速发展。

第二章总体方案的制定

由于我所设计仪器的特性，决定了此仪器主要包括三个部分：

电机轴移动机构，工作台部分，测量机构。

由于此仪器所测量的凸轮分割器的大小、输入输出轴的位置均不确定，所以必须有两个三轴联动组成，由于电机重量比较小，移动比较方便，故选择电机为一个三轴联动；工作台重量比较大，测量机构重量比较小，结合工作台与测量机构的结构，故选择工作台和测量轴利用另一三轴联动（工作台两轴联动，测量轴一轴移动）。

由于本仪器主要利用轴的移动，所以本仪器主要是丝杠导轨结构，把电机的旋转运动转成轴的直线移动，导轨选择三角形—平面导轨，结构简单；丝杠两端用两队角接触球轴承，可承受双向轴向载荷。

测量机构主要能使测量轴在四个方向上安装，由于要自动使测量轴机构到达四个部位比较困难，所以本机构采用手动安装方式安装在四个位置，这就需要一个测量架支撑机构，但测量架结构很难同时测量上方向的轴和前、左、右方向的轴，故把测量上方向上的机构和前、左、右方向上的机构分开设计，使用时分开测量，即测量上方向的轴时把其相关机构安装在主体架上，测量前、左、右方向的轴时，把测量上方向的轴时的相关机构拆卸下来。

同时为了保证其精度，相关机构的连接均使用绞制孔螺栓连接，测量机构与其支撑机构的连接也采用绞制孔连接。

同时为了保证测量精度，测量时采用光电编码盘，精度高。

第三章设计及计算过程

3.1丝杠的选择与计算

3.1.1电机轴移动丝杠的选择与计算

1、电机轴移动丝杠的选择

由于在电机轴移动丝杠导轨机构中最下面的导轨受力最大，所以只需校核最下面的丝杠导轨即可，若最下面的丝杠导轨满足要求，由于三个导轨规格一样，所以上两个导轨也满足要求。

以下为其设计计算过程：

滚珠丝杠承受的轴向力

：

3-1

式中

、

、

为X,Y,Z方向上的分力（N），皆为0。

f为导轨上的摩擦系数f=0.01，G为移动部件的重量设为80k

。

代入式中得

.

设丝杠的转速为10转/分。

故丝杠工作寿命为：

（3-2）

式中L--工作寿命，以

为一个单位。

n--丝杠转速，r/min，T

丝杠使用寿命，可取T=15000h

计算当量动载荷

:

Ca=3.1/1.5x1.2x1x0.8KN=1984N（3-3）

Coa=1.2x1x0.8KN=960N（3-4）

查滚珠丝杠产品样本中与

相近的额定动载荷

使得

<

然后由此确定滚珠丝杠副的型号与尺寸。

查滚珠丝杠产品样本，选择NFD3205-5滚珠丝杠，该丝杠副属外循环方式，公称直径为Ø32，导程

=5mm，螺母上的负荷滚珠总圈数为5圈，精度为3级，右旋螺纹，其动载荷为15721N,大于1984N。

强度满足使用要求，滚珠丝杠两端均采用背对背角接触球轴承支撑。

2．滚珠丝杆的承载能力校验

（1）滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验

丝杆始终受拉尔不受压。

因此不存在压杆不稳定问题。

（2）滚珠丝杆螺母副临界转速nc的校验

滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度L2=680mm。

已知弹性模量E=2.1x105MPa材料密度ρ=

，重力加速度g=9.8x103mm/s2,安全系数K1=0.8.查表得λ=4.73.滚珠丝杆的最小惯性矩为

Ⅰ=

（3-5）

滚珠丝杆的最小截面积为

A=

（3-6）

故可由公式得

（3-7）

本设计的滚珠丝杆螺母副的最高转速为1500r/min，远远小于其临界转速，故满足要求。

3、驱动转矩

T=T1+T2+T3（3-8）

T1=FaxPh/（2ηx3.14）=0.8x5/（2x0.92x3.14）=0.692Nm（3-9）

设T2=T3=0.001x800=0.8

故T=0.852Nm

3.1.2工作台丝杠的选择与计算

1、工作台丝杠的选择

由于在工作台丝杠导轨机构中最下面的导轨受力最大，所以只需校核最下面的丝杠导轨即可，若最下面的丝杠导轨满足要求，由于两个个导轨规格一样，所以上面两个导轨也满足要求。

以下为其设计计算过程：

由（3-1）得滚珠丝杠承受的轴向力

：

式中

、

、

为X,Y,Z方向上的分力（N），皆为0。

f为导轨上的摩擦系数f=0.01，G为移动部件的重量设为400k

。

代入式中得

.

设丝杠的转速为10转/分。

由（3-2）得丝杠工作寿命为：

式中L----工作寿命，以

为一个单位。

n----丝杠转速，r/min，T

--丝杠使用寿命，可取T=15000h

计算当量动载荷

由（3-3），（3-4）得

Ca=3.1/1.5x1.2x1x4KN=10000N

Coa=1.2x1x4KN=4800N

查滚珠丝杠产品样本中与

相近的额定动载荷

使得

<

然后由此确定滚珠丝杠副的型号与尺寸。

查滚珠丝杠产品样本，选择NFD3205-5滚珠丝杠，该丝杠副属外循环方式，公称直径为Ø32，导程

=5mm，螺母上的负荷滚珠总圈数为5圈，精度为3级，右旋螺纹，其动载荷为15721N,大于10000N。

强度满足使用要求，滚珠丝杠两端均采用背对背角接触球轴承支撑。

2．滚珠丝杆的承载能力校验

（1）滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验

丝杆始终受拉尔不受压。

因此不存在压杆不稳定问题。

（2）滚珠丝杆螺母副临界转速nc的校验

滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度L2=680mm。

已知弹性模量E=2.1x105MPa材料密度ρ=

，重力加速度g=9.8x103mm/s2,安全系数K1=0.8.查表得λ=4.73.由（3-5）得滚珠丝杆的最小惯性矩为

Ⅰ=

由（3-6）得滚珠丝杆的最小截面积为

A=

故可由公式（3-7）得

本设计的滚珠丝杆螺母副的最高转速为1500r/min，远远小于其临界转速，故满足要求。

3、驱动转矩

由（3-8）得

T=T1+T2+T3

由（3-9）得

T1=FaxPh/（2ηx3.14）=4x5/（2x0.92x3.14）=3.46Nm

设T2=T3=0.001x4000=4

故T=11.46Nm

3.2电机的选择

3.2.1传动步进电机

初选步距角

，每个脉冲丝杠螺母移动的距离为

（3-10）

要实现

，就必须在步进电机和滚珠丝杠之间加上一对降速装置，减速比为

（3-11）

根据最大静转矩和进行选择电动机

驱动转矩：

T=T1+T2+T3

T1=FaxPh/（2ηx3.14）=4x5/（2x0.92x3.14）=3.46Nm

设T2=T3=0.001x4000=4

故T=11.46Nm

参考手册，选择110BYG4501步进电机，保持转矩12Nm，总长度192mm，

脉冲当量δ=0.005。

3.2.2测量步进电机

选择：

86BYG250-80两相步进电机，二相四线步距角1.8°转矩4NM电流：

4A

环境温度：

-20℃--+50℃。

绝缘等级：

B级。

绝缘电阻：

500VDC100MΩMin。

绝缘强度：

500VAC50Hz1mAMin

外形图

如图所示，此电机有两个输出轴，其转速相同，故可以一轴连接传动轴，另一轴连接编码盘，便于测量转速。

3.3步进电机驱动器

2HD8080A/B是一款性价比超高的110以下步进电机驱动器（2相，8A，80VDC或48VAC）：

3.3.1性能简介

高性能伺服式数字步进电机驱动器2HD8080A/B系列采用32bit数字处理器，引入控制理论中实时电流跟踪控制，实现电流闭环。

8路独立的同相PWM无差拍输出，独立控制全桥的上下臂，电流控制更精确。

同时加入200K的基频，彻底消除次谐波，并加入电子阻尼技术以及实时矢量合成后的PWM输出。

使得电机的低频、倍频共振、高频自激振动、电磁噪音较传统开环驱动器有很大的改善。

2HD8080A/B系列驱动器有以下几个显著特点

1、实时矢量合成的8路独立的同相PWM无差拍输出，使得电机运行更平稳，噪声更小。

2、电流闭环控制，可实现缺相保护，避免电机在缺相情况下继续振动运行。

3、可扩展的位置闭环控制，预留编码器接口，可实现误差补偿、堵转保护。

4、独特的断电相位记忆功能，避免开机时电机寻找相位抖动。

5、交、直流输入电压，DC可达80V、AC可达48V，最大峰值电流可达8A。

6、全方位的保护功能，使电机运行更安全可靠。

7、超高性能，超低价格，性价比卓越。

3.3.2型号说明

2--两相步进电机

HD--高性能数字驱动器

80--供电电压24-80VDC或48VAC

80--最高相电流8.0A

A/B--细分选择类型

第四章测量部件的设计

图示为测量体的支架，共有四个位置，分别用绞制孔螺栓连接，可以测量左、右、前、上四个方向上输出轴的凸轮分割器。

测量某一方向上的输出轴时，手动把测量体安装在测量架上，从而实现转角的测量。

当测量左、右、前方向上的测量轴时，应把测量上方向的轴的支架卸掉，以防止干扰。

图示为测量部件，安装在测量架上。

其左端连接编码盘，右端连接凸轮分割器。

第五章导轨的选择

选用的导轨如图所示，此导轨结构简单，磨损后能自动补偿，成本低，缺点是润滑油不易保存。

导轨主要有滚动导轨和滑动导轨。

滚动导轨运动灵敏度高，低速运动平稳性好，定位精度高，磨损少，寿命长，但结构复杂体积大成本高，刚性抗震性差，要求良好的防护。

滑动导轨结构简单，使用维修方便。

但磨损较大，寿命较低。

综合考虑，滑动导轨即可满足要求，滚动导轨体积较大，成本较高，故舍去。

第六章联轴器的选择

6.1传动步进电机轴的联轴器

选用凸缘联轴器，凸缘联轴器无补偿性能并要求两轴严格精确对中，在此仪器中步进电机轴与丝杠的连接完全满足要求。

凸缘联轴器具有结构简单，制造容易，工作可靠，装拆方便，刚性好，传递转矩大等优点而得到广泛应用。

但它不能吸收冲击，当两轴对中精度较低时，将引起较大的附加载荷，适用于工作平稳的一般传动，高速时需要有较高的对中和制造精度。

故选用

型号:

GY2,GYS2,GYH5

公称转矩Tn/（N·m）:

63

许用转速[n]/（r/min）:

10000

轴孔直径d1、d2:

20

轴孔长度L|Y型:

52

轴孔长度L|J1型:

38

D:

90

D1:

40

b:

28

b1:

44

S:

6

转动惯量I/（kg·m^2）:

0.0015

重量m/kg:

1.72

6.2测量机构联轴器

选用梅花联轴器

通过上表所示，根据所设计的仪器，可选择pct-80和pct-55，pct-80用在测量轴与凸轮分割器输出轴的连接和传动轴与凸轮分割器输入轴的连接，pct-55用在测量电机轴与传动轴的连接。

第七章编码盘的选择

选择：

E6F-CWZ5G500P/R2M分类：

增量型。

电源电压：

12VDC-10%～24VDC+15%（波动（p-p）：

5％以下）。

消耗电流：

DC100mA以下。

冲击电流：

电流:

约9A，时间:

约5us。

原点位置接点：

无。

最高应答频率：

83kHz。

输出相位差：

90°±45°。

输出上升、下降的时间：

输出上升时间:

1us以下（同步电流：

30mA导线长：

2m），输出下降时间:

1us以下（同步电流：

30mA导线长：

2m）。

启动转矩：

常温时:

10mN.m以下，低温时:

15mN.m以下。

惯性转矩:

1.5×10-6kg.m2以下。

保护电路：

输出短路保护：

电源逆接保护。

容许最高转速：

5000r/min。

机械寿命:

1亿转以上。

环境温度范围：

使用时:

-10～70CEL，保存时:

-25～85CEL（不结冰、不结露）。

环境湿度范围:

使用时:

35～85％RH,保存时:

35～85％RH（不结露）。

绝缘电阻：

20MΩ以上（DC500V兆欧表）充电部整体与外壳间。

耐电压：

AC500V50／60Hz1min充电部与外壳间。

振动（耐久）：

10～500Hz复振幅2mm或150m／s2X、Y、Z各方向3回扫描时间11min。

冲击（耐久）：

1000m／s2X、Y、Z各方向3回。

适用标准（EN/IEC（EMC指令））：

EMI:

EN50081-2

辐射干扰电场强度:

EN55011Group1classA

杂音端子电压:

EN55011Group1classA

静电放电抑制能力:

IEC61000-4-2

电场强度抑制能力:

IEC61000-4-3

突发噪声抑制能力:

IEC61000-4-4

CE标记:

无

连接方式：

导线引出型（电缆长度:

2m）

旋转轴材质：

SUS420J2

总结

通过本次设计，我更加清醒的意识到：

要在以后的工作学习中，不断地用理论来指导实践，用实践来证明理论，不断的探索学习，积累经验。

我的毕业设计题目是凸轮传动精度测量仪机械设计，其主要部分是丝杠导轨机构的设计，这是一个机械系统中的普通结构，但我却走了许多弯路，这是我认识到我知识的匮乏，还需加强对机械基础结构的理解和认识的加深。

同时此次毕业设计也让我学到了很多机械行业的基础知识，稳固了大学期间已学过的知识。

这将对我以后的设计产生了深远的影响。

参考文献

[1]机械设计手册，北京：

机械工业出版社，2004

[2]曾正明主编，机械工程材料手册（金属材料），机械工业出版社，2003

[3]徐万椿著，机构设计，世界图书出版公司，1989.12

[4]刘昌祺等，凸轮机构设计，机械工业出版社，2005.10

[5]张锋，李博，黄镇昌.基于虚拟仪器的凸轮运动参数测量仪.机电工程技术，2005

[6]阮晓光，蔡安江，林红.主回凸轮机构中回凸轮运动规律的确定，2006

[7]陈晓峰，张东峰.凸轮运动参数设计.农机化研究，2003，

[8]程万先，黄道敏等.凸轮的计算机辅助测量方法研究.机械，2006，

[9]钱志良.平面运动从动件等径凸轮机构运动角的确定2006，

[10]刘乐平，钟名东.三坐标测量机在凸轮快速测量中的应用.工具技术，2009

[11]王红敏.基于三坐标测量机的凸轮测量技术研究.制造技术与机床，2009

[12]曾励.机电一体化系统设计[M].高等教育出版社，2004.4

[13]李凯.三坐标测量机探针校准的误差分析[J]．物理测试，2004

[14]王兰美殷昌贵.画法几何及工程制图，机械工业出版社，2007

[15]聂旭忠.编码器用SSI协议及实现.洛阳师范学院学报，2010·

[16]姜义.光电编码器的原理与应用.机床电器，2010

[17]齐欣.非接触式三坐标测量机校准方法讨论.中国计量，2010

[18]王继群、郭勇等.逆向工程中三坐标测量机的测量误差分析.科技信息，2009

致谢

感谢机械工程学院的所有老师在四年来对我学习和生活上的帮助，谨向所有老师表示衷心的感谢！

本次毕业设计使我受益匪浅，这是对我在大学期间学习的一次检验，也是一次补充，它让我体会到了我自身的许多不足。

在本文即将结束之际，我要由衷地感谢在我毕业设计阶段，乃至在大学学习生活中帮助过我的师长与同学。

首先，我要感谢我的指导老师袁光明老师。

在整个毕业设计阶段，袁老师给予了我极大的关心和帮助。

无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到袁老师的悉心指导和帮助。

在袁老师的帮助下，使我的毕业设计能够顺利开展，并不断取得阶段性成果。

袁老师治学严谨、知识渊博、诲人不倦，平易近人，他对我的指导使我终生受益，在此，我向他表示最真挚的感谢！

其次，我要感谢山东理工大学对我的培养，以及大学期间里传授我各门知识的老师。

正是他们孜孜不倦的教导才使我学到了各种专业课知识，加上袁老师的指