[优秀毕业设计精品]连杆平行度测量仪的研制.doc

第一章 绪 论 连杆是汽车发动机的主要传力构件之一，常处于高速运动状态，因此要求与其它零件间具有较高的配合精度。它在柴油机中，把作用于活塞顶面的膨胀的压力传递给曲轴，又受曲轴的驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。连杆在工作中承受着急剧变化的动载荷。 在发动机工作过程中，连杆受膨胀气体交变压力的作用和惯性力的作用，连杆除应具有足够的强度和刚度外，还应尽量减小连杆自身的质量，以减小惯性力的作用。连杆杆身一般都采用从大头到小头逐步变小的工字型截面形状。为了保证发动机运转均衡，同一发动机中各连杆的质量不能相差太大，因此，在连杆部件的大、小头两端设置了去不平衡质量的凸块，以便在称量后切除不平衡质量。连杆大、小头两端对称分布在连杆中截面的两侧。考虑到装夹、安放、搬运等要求，连杆大、小头的厚度相等(基本尺寸相同)。在连杆小头的顶端设有油孔(或油槽)，发动机工作时，依靠曲轴的高速转动，把气缸体下部的润滑油飞溅到小头顶端的油孔内，以润滑连杆小头衬套与活塞销之间的摆动运动副。 连杆的作用是把活塞和曲轴联接起来，使活塞的往复直线运动变为曲柄的回转运动，以输出动力。因此，连杆的加工精度将直接影响柴油机的性能，而工艺的选择又是直接影响精度的主要因素。反映连杆精度的参数主要有5个：（1）连杆大端中心面和小端中心面相对连杆杆身中心面的对称度；（2）连杆大、小头孔中心距尺寸精度；（3）连杆大、小头孔平行度；（4）连杆大、小头孔尺寸精度、形状精度；（5）连杆大头螺栓孔与接合面的垂直度在实际生产中常采用放大孔径公差带制造，通过分组装配满足配合精度要求，因而连杆检测成了生产中频繁而又不可缺少的环节。目前我国连杆检测常采用两种方法，一种是采用国产气动测量仪检测两端孔孔径值，并同时测出两者的中心距，而对平行度和交叉度则采用手工检测方法；另一种采用进口气动量仪直接监测5-6个参数。连杆平行度测量仪是专门为测量汽车连杆而设计的专用测量工具。要求其简单轻便，结构简单，测量精度高，且测量过程要求自动化，是机电一体化方面上的设计题目。其测头装配图如图1-2.图1-1 连杆零件图图1-2 测头装配图图1-2 测头装配图 连杆平行度测量仪是专门用来检测连杆平行度的检测设备，它避免了手工检测可能带来的人为因素导致的误差，极大地提高了检测效率，同时也提高了检测的精度。近些年随着我国汽车行业的快速发展，检测技术也是突飞猛进。通过自主研发、引进国外先进技术、与国外公司合资、合作等方式，迅速提高了国内的检测水平，基本满足了使用要求。目前开发研制成功的连杆综合检测仪器，将先进的传感技术、计算机技术、误差处理技术及控制技术融入到整台设备中，利用比较测量的方法对连杆主要参数进行综合测量，连杆测头装配图如图（1-2）。与传统的利用三座标测量机的方法相比，测量效率高、精度高、成本低，是企业用来对连杆的产品质量控制、委外产品验收、工序间检查的理想测试设备。其结构简图如图1-3。图 1-3 连杆平行度测量仪立体 第二章 机电一体化技术简介2.1 机电一体化概要 机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。 2.2 机电一体化的核心技术1、机械技术：是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能要求。2、计算机与信息技术：其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。3、系统技术：即以整体概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，是实现系统各部分有机连接的保证。4、自动控制技术：其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。5、传感检测技术：是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。6、伺服传动技术：包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。2.3 机电一体化的发展前景机械技术的发展进入机电一体化阶段就是使机械技术智能化，更好地代替人进行各项工作。目前机械技术已经发展到采用微型计算机的阶段。今后计算机技术的发展将在图象识别机器上看到文字和声音认别的景象。计算机完全有可能取代人的五官功能，从而出现接近人类智慧的高度智能机器人。微细加工技术是在尖端技术领域里进一步推进精致化、微小化和高度集成化，可以预见的二十一世纪，将会出现加工精度达到原子或分子水平的机床，加工处理技术也会在精密测量方面有较大的发展。第三章 连杆加工工艺3.1 连杆简介众所周知，连杆是发动机的五大主关件之一，其在发动机中的地位是显而易见。它是发动机传递动力的主要运动件，在机体中做复杂的平面运动，连杆小头随活塞作上下往复运动；连杆大头随曲轴作高速回转运动；连杆杆身在大、小头孔运动的合成下作复杂的摆动。图3-1 连杆立体图连杆在承受往复的惯性力之外，还要承受高压气体的压力，在气体的压力和惯性力合成下形成交变载荷，这就要求连杆具有耐疲劳、抗冲击，并具备足够的强度、刚度和较好的韧性。在今天随着汽车工业的高速发展，“小体积、大功率、低油耗”的高性能发动机对连杆提出更新、更高的要求:1)作为高速运动件重量要轻，减小惯性力，降低能耗和噪声；2)强度、刚度要高，并具有较高的韧性；3)连杆比要大，连杆要短。这也就意味着对连杆的设计和加工有更高的要求。连杆由连杆大头、杆身和连杆小头三部分组成。连杆大头是分开的,一半为连杆盖,另一半与杆身为一体,通过连杆螺栓连起来。连杆大头孔内分别装有轴瓦,由于连杆体与连杆盖的接合面是与大小头孔的中心联线垂直,故称为直剖式连杆。有些连杆大头结构粗大,为了使连杆在装卸时能从气缸孔内通过,采用斜剖式结构,即接合面与大、小头孔轴线形成一定的角度。连杆材料一般采用45钢或40cr,45mn2等优质钢或合金钢。钢制连杆都用模锻制造毛坯。它的锻造工艺有两种方案,将连杆体和盖分开锻造,连杆体和盖整体锻造。从锻造后材料的组织来看,分开锻造的连杆盖金属纤维是连续的,因此具有较高的强度,而整体锻造的连杆,铣切后,连杆盖的金属纤维是断裂的,因而削弱了强度。整体锻造要增加切开连杆的工序,但整体锻造可以提高材料利用率,减少结合面的加工余量。加工时装夹也较方便。工厂中连杆的材料是40cr,调质处理,整体锻造,只需要一套锻模,一次便可锻成,也有利于组织和管理生产。锻造时表面冷却速度快,对内产生压应力,表面应力是平衡的,但铣分开面后应力不平衡,易变形,所以要增加校力这一工序。连杆是发动机的关键零件，对强度有较高的要求。其作用是把活塞和曲轴联接起来，使活塞的往复直线运动变为曲轴的回转运动，以输出动力。就制造工艺而言，连杆属于较难锻造与加工的一种零件，为了提高发动机的效率，延长其使川寿命，有必要对连杆加工工艺进行改进。3.2 连杆加工艺改进分析(1)采用了连杆撑断新工艺。连杆撑断工艺的基本原理是:在连杆大头孔的剖分面上，加一个v型凹槽，在该凹槽处施加一个撑开的力，由于在v形凹槽处形成压力集中，而将连杆和连杆盖撑开，断口沿v形凹槽准确断裂，其断裂面的特性可使连杆体和连杆盖在装配时处于最佳吻合状态。采用撑断工艺将连杆断开以后，连杆盖、杆结合面具有完全啮合的犬牙交错结构，以保证结合面精确相接、吻介，结合面不须再进行任何加工。其优点如下:减少了加工工序数(无结合面的铣削、磨削及拉削)，使连杆加工变得更简单，节省机床投资25，减少刀具费用35，节省能源40 ,节省面积20。由于结合面的特殊开口，使盖的定位准确，可保证连杆在使用过程中的精度，而不需要定位螺栓(只需要普通螺栓)，省去了螺母。由于连杆撑断接触面是凸凹不平的，大大提高了接触面积，从而提高了连杆承载能力、抗剪能力。节省了操作人员。降低了生产线运行费用，减少了维护保养。(2)提高了连杆两孔中心距尺寸精度。一是加工工艺改进前，大头孔与小头孔的钻、粗镗以及精镗均分开为两道工序，两次装夹，故两孔中心距的尺寸公差分布范围较大；工艺改进后，一次装夹钻或镗两孔，能够将连杆两孔中心距尺寸误差控制在很小范围内。二是工艺改进后，车大头外圆在粗镗大头孔和小头孔后，更有利于后续工序回转自由度限制的一致性与稳定性。(3)保证了两孔的平行度。一是连杆毛坯为模锻件，孔加工余量大，内应力变形大，改进后的工艺，由于先钻两孔，再粗磨端面，使连杆在钻孔工序时，避免了孔端面平面度、平行度被破坏。二是改进后的连杆加工工艺，以连杆整个端面定位，并压紧整个端面，同时镗两孔，保证连杆两孔的平行度。(4)提高了连杆大头孔和小头铜套孔的光洁度、尺寸精度、形状精度。改进后的连杆加工工艺，小头铜套孔在精位后进行滚压加工，有利于提高光洁度、尺寸精度，并能产生有利的残余压应力。而大头孔采用珩磨加工，珩磨头与机床主轴浮动连接，有利于减少主轴回转中心与被加工孔的同轴度误差的影响3.3 连杆撑断工艺应考虑的问题 连杆撑断技术的原理是利用材料断裂理论，为保证连杆产品的性能和切削性，应关注以下几个问题:(1)毛坯材料及毛坯工艺撑断连杆要求其材料塑性变形小、强度较好、脆性适中、工艺性好。按撑断加工技术要求，主要采用的材料有:高碳钢(广泛应用，例:一汽的连杆材料c70s6by)、球墨铸铁、可锻铸铁、粉末烧结材料(粉末成分为fe一cu一c一s)，这几种材质的毛坯，室温下可实现脆性断裂，连杆大头孔不产生明显塑性变形，其变形量40微米。例:一汽的连杆材料c7056by其金相组织为珠光体加断续的铁素体，抗拉强度为9001050mpa，屈服极限为520mpa，最大延伸率为10。撑断连杆锻件毛坯形状、尺寸与普遍连杆毛坯并无多大区别，但为减少撑断过程中的撑断力及大头孔变形，在不影响断裂面啮合的情况下，尽量减少大头孔中心处撑断截面积。撑断连杆锻件在锻造过程中不需特殊的防范，一般锻后在保护坑内空冷。(2)温度影响撑断面分为三区，由断裂源向外依次可分为纤维区、放射区、剪切唇。当断面的放射区较宽时，表示材料的塑性差，脆性较大。反之，纤维区较大，表明材料就塑性及韧性较好，如何加大放射区宽度，缩小纤维区宽度，是实现脆性断裂的条件。(图3-1)所示为温度对断口三要素各区大小的影响，材料为40cr。从图中可见，当温度低于室温时，放射区显著增大，为室温下实施连杆的撑断工艺提供了保障。图3-1 温度对脆性断裂的影响 图3-2 沟槽深度与断裂强度的关系(3)初始沟槽的加工初始沟槽深度与断裂强度成反比(如图3-2所示)，即对于一定的应力值，存在着一个临界的沟槽裂纹深度。因此，初始沟槽加工工艺、方法直接影响撑断加工质量。目前常规的机加工方法是用拉削工艺加工“v型”槽，但为减少撑断变形及撑断力，提高撑断效率和质量，激光加工初始沟槽方法正逐步得以运用。3.4 连杆加工夹具的几点说明(1)自为基准为适应“一面一孔一凸台”(即大小头端面、小头孔、大头孔一侧外圆面)的统一精基准，而大、小头孔是一次装夹中镗出，故须考虑“自为基准”情况，这时小头定位销应做成活动的，当连杆定位夹紧后，再抽出定位销，进行加工。(2)车大头外圆夹具传统的车大头外圆的定位方式为以连杆端面、连杆小头孔、连杆大头孔内侧定位(即一面两销定位方式)。此种定位方式的问题是:因前道工序租镗大头孔是以毛坯外侧定位来加工内孔，由此而产生毛坯的较大锻造尺寸公差带来了加工后内孔两侧壁厚超差，致使车大头外圆时单边现象严重，甚至车不出来而报废。根据连杆毛坯外侧对称的特征，可设计一种自定心车夹具，以实现毛坯的对中定位。如图3-3所示，将连杆装在夹具体上，移动定位套与工件接触，利用定位套前端的锥面对连杆大头两侧实现对中顶定位。然后装上开口压板，拧紧六角螺钉使工件夹紧后，再将定位套退回规定位置进行车削，阻尼钢球主要起定位套在加工状态下的限位作用。 图3-3 车连杆大头夹具示意图(3)自动定心夹紧机构与联动夹紧机构的运用自动定心夹紧机构是一种同时实现对工件定心定位和夹紧的夹紧机构，即在夹紧过程中，能使工件相对于某一对称面保持对称性。连杆铣两端面工序是以连杆杆身对称面定位，其夹具可采用螺旋定心夹紧机构(如图3-4所示)，利用左右反螺纹的螺杆带动压块夹紧工件，并采用双面铣，来实现连杆对称度要求及减少工件变形。连杆加工中，联动夹紧机构也得到广泛采用，例同时幢大小头孔夹具，一个夹紧力源对工件大小头孔处同时实施夹紧。联动夹紧机构设计的关键是必须要有中间浮动环节，才能保证夹紧力能同时均匀地传递作用于各个施力点。 图3-4 螺旋定心夹紧机构示意图 第四章 连杆平行度测量概述4.1 连杆平行度测量仪的简介连杆是汽车发动机的主要传力构件之一，常处于高速运动状态，因此要求与其它零件间具有较高的配合精度。在实际生产中常采用放大孔径公差带制造，通过分组装配满足配合精度要求，因而连杆检测成了生产中频繁而又不可缺少的环节。目前我国连杆检测常采用两种方法，一种是采用国产气动测量仪检测两端孔孔径值，并同时测出两者的中心距，而对平行度和交叉度则采用手工检测方法；另一种采用进口气动量仪直接检测56个参数。连杆中心孔平行度测量仪是专门为测量汽车连杆而设计的专用测量工具。要求其简单轻便，结构简单，测量精度高，且测量过程要求自动化，是机电一体化方面上的设计题目。4.2 连杆平行度测量仪的作用平行度测量仪是专门用来检测连杆平行度的检测设备，它避免了手工检测可能带来的人为因素导致的误差，极大地提高了检测精度，同时也提高了检测的效率。在我国汽车及相关零部件快速发展的今天，它一定会受到广大汽车行业的欢迎。目前开发研制成功的连杆综合检测仪器，将先进的传感技术、计算机技术、误差处理技术及控制技术融入到整台设备中，利用比较测量的方法对连杆主要参数进行综合测量，与传统的利用三座标测量机的方法相比，测量效率高、精度高、成本低，是企业用来对连杆的产品质量控制、委外产品验收、工序间检查的理想测试设备。它的作用还体现在报废连杆的修复上，它不但能提示零件是否合格，还能将检测结果显示出来，供我们参考，以便我们采取相应措施提高产品的合格率。4.3 连杆平行度测试的进给运动的要求连杆平行度测试的进给运动是数字控制的直接对象，被测试的连杆的平行度的精度肯定会受到进给运动传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，在设计进给系统时，充分注意减少摩擦，提高传动精度和刚度，消除传动间隙，以及减少运动件的惯性。摩擦阻力主要来源与传动系统的导轨和丝杠。因此，为丝杠和导轨的滚动是减少摩擦的重要措施。因为在进给系统中，采用滚珠丝杠螺母和支撑结构是决定其传动精度和刚度的主要部件，故必须保证它们的加工精度。对步进电机驱动的系统尤其如此，此外，还可以用合理的预紧力来夹紧以消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙，是支撑丝杠的轴承预紧以提高支撑的结构刚度，这些措施有利于提高传动精度。在满足传动强度和刚度的要求下应尽可能将各元件进行合理的配置，并减少它们的惯量。 第五章 连杆平行度测量仪机械部分的总体设计5.1进给运动的要求连杆平行度测试的进给运动是数字控制的直接对象，被测试的连杆的平行度的精度肯定会受到进给运动传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，在设计进给系统时，充分注意减少摩擦，提高传动精度和刚度，消除传动间隙，以及减少运动件的惯性。 5.1.1减少运动件的摩擦阻力摩擦阻力主要来源与传动系统的导轨和丝杠。因此，为丝杠和导轨的滚动是减少摩擦的重要措施。 5.1.2 提高传动的精度和刚度因为在进给系统中，采用滚珠丝杠螺母和支撑结构是决定其传动精度和刚度的主要部件，故必须保证它们的加工精度。对步进电机驱动的系统尤其如此，此外，还可以用合理的预紧力来夹紧以消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙，是支撑丝杠的轴承预紧以提高支撑的结构刚度，这些措施有利于提高传动精度。 5.1.3 减少传动惯量在满足传动强度和刚度的要求下应尽可能将各元件进行合理的配置，并减少它们的惯量。5.2 滚珠丝杠的选择滚珠丝杠螺母副是回转与直线运动相互转换的新型传动装置。其原理如图。在丝杠和螺母上加工有弧型的螺丝槽，当它们套在一起是形成了螺丝滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿滚道滚动，螺母螺丝槽两端用回珠管连接，使滚珠能周而复始的循环，采用滚珠丝杠提高了机构的效率和传动精度，所以一般精度较高的系统中采用滚珠丝杠来传动。我设计的连杆中心孔平行度测量仪的传动系统就采用了滚珠丝杠，以增加系统的传动效率，运动的平稳性及寿命。图5-1 外循环导管式图5-2 内循环反向器式1、 滚珠丝杠的安装连杆平行度测量仪的进给系统要获得较高的传动精度除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度外，滚珠丝杠正确的安装及其支撑的结构刚度也是不可忽视的因素。为了提高支撑的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的，一般采用两种组合方式：一种是把向心轴承和锥轴承组合使用，其支撑方案，可有以下几种：（1） 一端装止推轴承这种安装方式因为它承载能力小，刚度低，所以一般用于短丝杠。（2） 一端装止推轴承，另一端装向心球轴承 这种安装用于滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定外，另一端再装向心球轴承，这时需注意止推轴承要远离热源和丝杠上的常用段，以减小丝杠变形的影响。（3） 两端装止推轴承把止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧力，这样有助于提高刚度，但这种安装方式对丝杠的热伸缩较为敏感。（4） 两端装推力轴承及向心球轴承这种结构方式不能精确的预先测定预紧力，预紧力大小是由丝杠的温度变形转化而产生的。本设计中由于滚珠丝杠只是带动测头部分往复运动，所以轴向力并不是太大，故两端只采用球轴承支撑。2、滚珠丝杠的润滑及防护（1） 润滑使用润滑剂可以提高滚珠丝杠的耐磨性和传动效率，润滑剂有固体和液体两种，液体润滑可用20号或30号机油，90180号透平油或140号主轴油。固体润滑可用高压润滑脂或锂基润滑脂根据本装置要求简单的特点，故使用固体润滑，使用两种润滑脂均可使用时，润滑脂直接加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。（2） 防护丝杠预紧后，轴向间隙小，当硬质灰或污物等落入螺纹滚道内就会妨碍滚珠的运转，并加快磨损，常用的防护装置有：(a)密封圈：密封圈装在螺母的两端。有接触式和非接触式两种，接触式的弹性密封圈，用耐油橡胶和尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配合的开头即与螺纹滚道相结合，这类密封的防尘效果好，但有接触压力会使摩擦力矩加大，非接触式密封圈用聚乙烯等塑料材料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道相反，并稍有间隙且不会增加摩擦力，但防尘效果较差。(b)防护罩：防护罩有锥形套管，伸缩管，也有折叠式的防护罩。对防护罩的要求是：耐油、耐腐蚀、耐高温和耐用。根据本设计的要求选用接触式弹性密封圈进行防护。5.3 滚珠丝杠的设计计算（1）滚珠丝杠的设计计算对于三角形导轨或综合导轨 p=kpx+f(pz+g)px、pzx、z方向上的切削力。f导轨的摩擦系数。k考虑颠覆力拒影响的实验系数。对于本装置k1.15 g30kg f0.16 pxpz0则 p0.16309.847.04n根据 pq0 q0最大动载荷选取公称直径 d32则查取机械设计手册 表2.2414得滚珠直径螺距 p5mm螺纹升角 251额定静载荷 c0a30150n额定动载荷 ca10900n接触角 45螺纹滚道半径 rs（1.25-0.65）dw0.63.1751.905mm偏心距 e（rsdw/2）sin0.225螺杆大径 ddm（0.20.5）dw31.27mm螺杆小径 d1dm+2e2rs28.64mm螺杆接触点直径 dkdmdwcos29.74mm螺杆牙顶圆角半径 ra（0.10.15）dw0.381螺母螺纹大径 ddm2e+2rm螺母螺纹小径 ddm+0.5（dmd）32.37mm预紧力计算：滚珠和螺纹滚道由于受轴向力的作用而产生轴向变形在弹性范围内，根据赫兹公式k与滚道的曲率半径、材料的弹性模量有关。对于确定丝杠，k为常数。如图所示。设对螺母a、b施加预紧力p0向对应变形，当外加轴向载荷为p时，螺母b产生了，则0057当时，这时螺母a中滚珠和滚道刚好接触，因此要保证丝杠在最大轴向载荷pmin作用下无间隙，则p0定要满足一定的关系：当 时 则螺母b变形为 因为 所以 于是 则为使螺母和丝杠之间不出现间隙，应使预紧力近似等于最大轴向载荷的1/3。p0过小不能保证无间隙传动，p0过大会降低传动效率和承载能力。（2）刚度验算滚珠丝杠是精密的传动元件，它在轴向的作用下将产生伸长或缩短，这将引起丝杠导程的变化，根据公式滚珠丝杠在（“+”号用于拉伸，“”号用于压缩）工作载荷p和扭矩m的共同作用下，引起每一个导程变形量l为p工作载荷l滚珠丝杠的基本导程e弹性模量。对于钢e21106（n/cm2）f滚珠丝杠的截面积m扭矩g切变模量。对于钢jc 截面积惯性矩。对于本设计5.4 齿轮传动的设计计算齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种装置几乎都离不开齿轮传动，在数控传动装置中，步进电机常通过齿轮传动装置传递转矩和转速，并使电动机和螺旋传动副之间的转矩和转速得以匹配，因此齿轮传动是设计数控机械的一个重要的组成部分。由于电动机转速一般较高，而机械系统的移动速度有时不能太高，变化范围不能太大，故往往用齿轮传动装置将电动机输出轴的高转速、低转矩转化为负载轴的低转速、高转矩。当用齿轮作为进给装置时，需要满足以下技术要求：（1） 大齿轮折算到电机轴上的转动惯量要小。（2） 刚度大。（3） 无间隙。（4） 噪声低。1、齿轮传动比的计算因为步进电机步距角 t5cm要实现脉冲当量0.01mm/step在传动系统中应加一对齿轮降速传动，齿轮的传动比选z124 z2502、确定齿轮模数及有关尺寸因传动的扭矩较小，取模数m1.5有关尺寸： 齿宽b9mm d1mz1.52436mmd2mz1.55075mmda1d1+2m36+21.539mmda2d2+2m75+21.578mmdf1d121.25m32.25mmdf2d221.25m71.25mm3、转动惯量的计算根据等效转动惯量的计算公式得式中 jd折算到电动机轴的惯性负载（kg/cm2） j1齿轮z1的转动惯量（kg/cm2） j2齿轮z2的转动惯量（kg/cm2） j3滚珠丝杠的转动惯量（kg/cm2） m移动部件的质量（kg）对材料为钢的圆柱零件传动惯量可按下式计算j0.78103d4ld圆柱零件直径（mm）l零件长度（cm）j10.781033.540.90.0153（kgcm2）j20.781037.540.92.221（kgcm2）j30.781033.24302.455（kgcm2）电机轴的转动惯量很小可以忽略，则（kgcm2）5.5步进电动机的选择5.5.1 步进电机的分类 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器 接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的 。 步进电机分三种：永磁式（pm） ，反应式（vr）和混合式（hb） 永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度； 反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振 动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰； 混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 步进电机具有如下特点：（1） 位移量与输入电脉冲数具有严格的对应关系，步距误差不会积累。（2） 稳定运行时的转速与控制脉冲的频率有严格的对应关系。（3） 控制性能好，在一定的频率下，能按控制脉冲的要求快速启动，停止或反转。改变控制脉冲的频率，电动机的转速就随着变化，并在很宽的范围内平滑调节。（4） 控制系统简单，工作可靠，成本低，但其控制精度受步距角控制。所以步进电机可广泛应用于数模转换，速度控制和位置控制系统中，是开环控制系统中的理想执行元件。步进电动机的类型很多，按其工作原理分为反应式、永磁式、永磁感应式、滚切式以及若干混合式。按励磁相数，有3相、4相、5相、6相甚至8相，按其规律分为快速电机和功率电机。5.5.2本设计中步进电机的选择：（1） 电机的步距角取系统的脉冲当量：初选步进电机的步距角：（2） 步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为t，负载力为p。根据能量守恒定律，电机所做的功与负载所做的功有如下的关系：式中 电机转角 机械传动效率 s移动部件的相应位移若取 则且 pps+（g+pz）所以 (ncm)ps移动部件负载g移动部件重量pz与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力导轨摩擦系数电机步距角t电机轴负载系数本设计中取0.03（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数） 0.93，则 （ncm）若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3则启动力矩（ncm）对于工作方式为三相六拍的步进电机（3） 步进电机的最高工作效率（ncm）表3-1 电机有关参数型号主要技术依据55bf004步距角（）最大静转矩（n/cm）最高空载启动频率相数电压（v）电流（a）1.5134922003273外形尺寸重量（n）外径长度轴径6.5556265.5.3 步进电机应用中的注意点1、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666pps)，最好在1000-3000pps(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、由于历伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57byg采用直流24v-36v，86byg采用直流50v,110byg采用高于直流80v），当然12伏的电压除12v恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。4、转动史原因，只有标称为12v电压的电机使用12v外，其他电机的电压值不是驱动电压惯量大的负载应选择大机座号电机。5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。8、电机在600pps（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9、应遵循先选电机后选驱动的原则。5.6 液压夹具的设计1、液压夹具简介 大家都知道减少停工检修期是提高生产力、使生产能力利用系数最大化的一项重要因素。然而零件加工过程中的精确定位和装夹的重复精度也是改进效率和质量的关键。譬如柔性加工中心的产生就是为了减少产品循环周期。在一个固定夹具体上，采用机械装夹定位、夹紧工件后，进行切削加工，加工完毕后松开机械装夹定位块，取下已经加工完毕的工件再换新工件上去夹紧，依次往复这通常是很花时间的一个步骤。为了实现高产高效，工件的定位、支撑、夹紧和夹具的快速松开夹紧，以及操作方便、安全都是非常重要的环节。对于加工一个较大的工件，并且工序间隔时间短，选用半自动化或全自动化的液压夹具是非常具有经济价值的。液压定位和夹紧是一项非常可靠而且有效的技术。 目前中国汽车制造业发展迅猛，以前的汽车制造业普遍使用刚性专机加工发动机的缸体、缸盖、连杆、曲轴、凸轮轴等关键零部件，导致汽车发动机改型周期较长。随着汽车对零部件变化和改进的需求与日俱增，加工设备和工艺也向着柔性化的方向转变。加工装备的柔性概念和需求主要体现在对设备快速性和适应性的需求上，因此制造商不得不寻求柔性和产量之间的最佳组合。当然，在满足了柔性的条件下、也有着不同的解决方案，如：模块化、可变换化、可重新配置化、在线兼容性等。不论采用哪种方案，使用高性能的液压夹具都显得尤为重要，现在，柔性专机、可重新配置的机床及专用加工中心的组合应用，使得发动机零件的加工变得越来越柔性化，具体情况取决于每个加工项目的产量配额。2、液压夹具的液压基本回路根据本设计的要求选用定压回路，一般用定量泵供油，供油率一般为q=8l/min左右。当压力达到预定的要求压力时，溢流阀自动卸荷，这种回路油温较高，非生产性消耗大，多用于装夹较为频繁的夹具。3、液压元件的选择液压系统的主要参数是油的压力和流量，它们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据，压力取决于执行元件的运动速度和结构尺寸。（1）油泵的选择1）确定油泵的最大的工作压力根据设计要求由于是测连杆的平行度，工件与测头不接触，夹具所施加的加紧力只需保证工件不移动即可，不可使工件变形超出允许范围即可，故设 p1200n则活塞作用力 pp1/ 考虑各种损失的有效系数，本设计取0.9则 根据常规油缸的系列，选择d=45cm则油缸的工作压力则油泵的最大工作压力 本设计中取 则pp1.4+0.31.7mpa2）确定泵的流量qpk系统泄油系数。一般取1.11.3。同时动作的油缸的最大的流量。本设计中 k1.2当p2mpa时，d（0.2-0.4）d则 qp=1.25.45=6.54l/min3）选择油泵的规格根据求得的pp和qp值，选择cbb型齿轮泵。（2）液压阀的选择根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大的流量，选择有型的产品的阀，溢流阀按泵的最大的流量选取。根据本设计中的流量选择溢流阀为yfl108型，通径10mm，并采用螺纹连接，重量为2.4 kg。（1） 管道尺寸的确定管道内经按上式计算根据管道的标准系列选择公称通径 dn8mm则钢管外径 14mm管接头连接螺纹 m141.5管子壁厚为1mm（2） 油箱容量的确定按下列经验公式确定油箱的容量式中 qv 油泵每分钟排出的压力油的容积（m3） 经验系数，本式中取3则v26.5410-31.3110-2（m3）（3） 滤油器的选择根据设计需要选择线隙式滤油器，型号为xu-j1080（4） 压力表的选择 根据设计要求选择kfl8/14e型，公称通径为8mm，压力表直径为mm,接头螺纹m141.5。（5） 换向阀的选择根据设计要求选择we5n6.2/n型电磁换向阀。第6章 连杆平行度测量仪中的微机应用及其接口技术6.1 测量仪中微处理器8088介绍 1979年，intel公司推出了8088芯片，它仍旧是属于16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77mhz，地址总线为20位，可使用1mb内存。8088内部数据总线都是16位，外部数据总线是8位，是一种应用非常广泛的微处理器。而它的兄弟8086是16位。1981年8088芯片首次用于ibm pc机中，开创了全新的微机时代。也正是从8088开始，pc机（个人电脑）的概念开始在全世界范围内发展起来。 8088为40条引线、双列直插式封装。它们的40条引线排列如图5-1所示。8088有最小组态（单微处理器组成的小系统）和最大组态（多处理器系统）两种工作模式，从图6.1所示，大部分引脚在两种组态下功能是一样的，只有8根引脚的名称及功能不同（24脚31脚）。由于在pc机内，8088工作于最大组态，所以在引脚功能介绍时，为了突出重点我们只介绍最大模式的引脚功能。最小方式（最大方式）图6-1 8088引线图1、8088地址线和数据线ad7ad0：8位地址/数据总线，分时复用、双向、三态。a15a8：地址线，三态输出。a19/s6a16/s3：地址/状态线，分时复用、输出、三态。在总线周期的t1状态作地址线用，a19a16输出高4位地址。在总线周期的t2t4状态作状态线用，s6s3输出状态信息，其中：s6恒为0。s5指示中断允许标志if的当前状态，s5 1，表示当前允许可屏蔽中断请求，s5=0，则禁止一切可屏蔽中断。s4和s3用以指示是哪一个段寄存器正在使用，其编码和使用的段寄存器如下：00为es，01为ss，10为cs，11为ds。2、 8088总线周期概念（1）、指令周期： cpu执行一条指令的时间（包括取指令和执行完该指令所需的全部时间）称为一个指令周期。（2）、 总线周期：通过外部总线对存储器或i/o端口进行一次读/写操作的过程称为总线周期。因此，一个指令周期由若干个总线周期组成。而一个总线周期由若干时钟周期t组成。（3）、 时钟周期：也就是系统主时钟频率的倒数，它是cpu的基本时间计量单位，例如，某cpu的主频为5mhz，则其一个时钟周期就是200ns，若主频为10mhz，则一个时钟周期为100ns。8086/8088cpu的一个基本总线周期由4个时钟周期（t1，t2，t3，t4）组成，时钟周期也称为时钟状态，即t1状态、t2状态、t3状态和t4状态。每一个时钟周期（时钟状态）内完成一些基本操作。例如：在t1状态，cpu往数据/地址多路复用总线上发出访问存储器或i/o端口的地址信息。在t2状态，cpu从总线上撤销地址，若为读周期发出“rd”控制信号，使数据/地址多路复用总线的低8位处于高阻抗状态，以便cpu有足够的时间从输出地址方式转变为输入数据方式，接着在t3t4期间，cpu从总线上接收数据。若为写周期发出“wr”控制信号，由于输出数据和输出地址都是写总线过程，因而不需要缓冲时间，cpu在t2t4期间把数据放到总线上。在t3状态，数据/地址分时复用线的低8位上出现由cpu输出的数据或为cpu从存储器或i/o端口读入的数据。在t4状态，8088完成数据传送，是控制信号变为无效，结束总线周期。2、intel8088的内部结构intel8088由执行单元（eu）和总线接口单元两部分组成。执行单元（eu）负责指令的译码执行，总线接口单元biu负责cpu与存储器和i/o端口之间的数据传输，并产生访问存储器和i/o端口的地址信号。8088采用矢量型中断结构。可处理256种不同中断，包括硬件中断和软件中断。中断矢量表位于内存03ffh区域。8088有20根地址线，可寻址1m空间。intel8088可工作在最小模式或最大模式。最小模式是在系统中只有8088一个微处理器。系统中所有总线控制信号都由8088产生，最大模式除了8088外，还有一个或多个协处理器协助8088工作。一般协处理器常用的有数值运算协处理器8087和输入/输出协处理器8089。3、intel8088引脚及功能地址/数据复用脚，双向，三态。地址/状态复用脚。高8位数据总线/状态复用脚。可屏蔽中断输入脚。正沿触发。读信号，三态，输出。时钟信号输入，等待测试信号。输入。复位信号。总线同期状态信号，输出，三态。4、微型计算机的基本工作方法 nmi：不可屏蔽中断申请信号，输入、上升沿有效。不可屏蔽中断申请不受中断允许标志if的影响，一旦从nmi引脚收到一个正跳变触发信号，cpu在当前指令执行完成，便自动引起一个类型码为2的中断，并转入执行与中断类型码相对应的不可屏蔽中断服务程序。intr：可屏蔽中断申请信号，输入、高电平有效。受cpu内部中断允许标志位的控制。cpu用sti指令可使中断允许标志if置1，用cli指令可使if清0，从而可实现中断允许或屏蔽。reset：复位信号，输入、高电平有效。ready：准备就绪信号，输入、高电平有效。cpu在每个总线周期的t3状态检测ready信号线，如果ready为低电平，表示数据末准备好，则在t3状态结束后cpu插入一个或几个tw等待状态，直到ready信号有效后，才进入t4状态，完成数据传送过程。test：测试信号，输入、低电平有效。test信号是和等待指令wait配合使用的信号。qs1、qs0：指令队列状态信号，输出，高电平有效。这两个信号的组合用来指示cpu中指令队列的当前状态。s2、s1、s0：总线周期状态信号，三态、输出。在最大模式系统中，总线周期状态信号s2、s1、s0用来指示当前总线周期所进行的操作类型。lock：总线封锁信号，三态、输出、低电平有效。lock信号可由指令前缀lock来设置。rq/gt0、rq/gt1：总线请求信号（输入）总线请求允许（输出），双向、低电平有效。在最大模式中，这两个信号用来供cpu以外的两个协处理器发出总线请求（rq）和接收cpu对其总线请求信号的响应信号（gt0，gt1）。其中rq/gt0比rq/gt1有更高的优先级。rd：读信号，三态、输出、低电平有效。rd信号有效，表示cpu正在对存储器或io端口进行读操作。 mn/mx：最小最大工作模式控制信号，输入。当mnmx接高电平时，则cpu工作在最小模式。当mnmx接低电平时，则cpu工作在最大模式。sso：系统状态输出信号，输出。在最小模式下，该信号与其它两个信号一起反应8088总线操作类型。在最大模式下，该引脚输出恒为高电平。6.2 连杆平行度测量仪中的接口技术在微机控制的系统中，除了存储器外还有很多输入/输出装置，如纸带阅读机、磁盘驱动器、显示器、键盘、伺服电机等。如果将这些输入/输出装置与微机连接起来，就是i/o接口要研究的问题。1、存储器选择及与cpu接口技术存储器是计算机系统的一个非常重要的组成部分。它的主要功能是存储执行的程序以及待处理的各种数据。计算机最基本的功能是对程序的读取，并执行，执行程序由cpu完成。而要读取的程序则必须安排在存储器中。存储器容量越大，则记忆的信息越多，计算机功能越强。存储器的种类可分为：随机存储器（ram）和只读存储器（rom）两大类。ram又可分为双级型和mos两大类，ram又可分为静态ram和动态ram。rom可分为湮没rom、可编程只读存储器prom，可写可擦的只读存储器eprom，电擦除只读存储器e2prom.存储器芯片cpu的连接中考虑如下问题：(1)主存储器通常ram和rom应根据实际要求分配适当的容量并选择适当的存储芯片。(2)主存储的ram，rom必须要占据合理的地址空间，并通过适当的电路进行控制。(3)cpu负载能力有限，存储芯片负载也有限，在相互连接时，应加缓冲驱动器。(4)时序配合是一个重要问题，cpu、存储器两者必须相匹配，