机械毕业设计（论文）-齿轮双啮仪的数字化改造设计【全套图纸】 .doc

摘 要齿轮是机器和仪器中重要的机械零件之一，常用它传递运动和动力。由于齿轮用途甚广，要求各异，形状复杂，几何参数多，在制造和安装中会产生一定的误差，因而会影响其使用质量。为了满足齿轮的使用要求，必须对它进行检测。齿轮径向综合误差对齿轮的传动精度有很大的影响，也是用于综合检测齿轮的重要指标。目前，对于径向跳动的检测主要采用手动及人工误差处理的机械式的测量方法，这种传统的检测方法既耗时又难以保证检测结果的准确性。为了提高齿轮径向跳动的检测精度和效率，必须对传统测量仪器进行智能化改进。本设计针对传统的齿轮双面啮合检测仪检测效率低、误差率较高等缺点，采用电子技术对其进行改进，实现了检测的自动化、数字化，提高了检测的效率、精度和可靠性。改进后的齿轮双面啮合检测仪主要由机械本体部分、电涡流传感器、步进电机及控制电路组成，具有体积小、重量轻、操作方便、稳定性好等特点。关键词 双面啮合检测仪 齿轮径向综合误差 步进电机 电涡流传感器 全套图纸，加153893706abstractgear is one of the important components in the machine and instrument, which is often used transmit movement and power. as gear is used very wide and has varied requirements, complex shape and geometric parameters, most of the manufacture and installation will have a certain degree of error, thus will affect the using quality. in order to meet the requirement of gear, it must be tested. the total composite radial error of gear has a great influence on gear transmission accuracy. it is an important index of gear for synthesis measurement. at present, the traditional gear run-out error measuring system is time-cost and hard to acquire higher precision. so it is meaningful and necessary to improve the traditional radial run-out measuring system.against disadvantages of the traditional gear double flank rolling tester instrument such as lower efficiency, higher error and etc, the traditional gear two flank testing instrument is improved by using the electric technology. the automation, numeralization for gear testing are realized and the testing efficiency, precision and reliability are increased. the improved double flank rolling tester is mainly made up of mechanical body parts, eddy current sensor, stepper motors and control circuits, and has the characteristics of small size, light weight, easy to operate, good stability and so on.key words ： double flank rolling tester the total composite radial error of gear stepper motors eddy current sensor目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 课题任务11.2 齿轮检测技术的发展11.3 课题主要工作内容31.4 本章小结3第2章 机械结构部分的改造设计42.1 齿轮双啮仪的工作原理42.2 轴的设计52.2.1 轴的计流程52.2.2 轴的材料和毛坯62.2.3 零件在轴上的定位形式62.2.4 轴的设计计算72.3 丝杠螺母副的设计计算92.3.1 滚珠丝杠副的组成92.3.2 耐磨性计算102.3.3 丝杠的强度计算122.3.4 螺母凸缘的强度计算142.3.5 丝杠的稳定性计算142.4 滚动轴承的选用和计算152.4.1 滚动轴承类型的选择152.4.2 滚动轴承的构造及材料选择162.4.3 滚动轴承的校核计算172.5 联轴器的选用和计算182.5.1 联轴器的类型182.5.2 联轴器的选择原则182.5.3 联轴器的选取计算192.6 螺纹联接的选用计算212.6.1 螺纹联接212.6.2 螺纹联接的强度计算212.7 键的选用242.7.1 键联接的分类242.7.2 键联接的强度计算252.8 销的选用262.8.1 销的分类262.8.2 销的强度计算262.9 导轨的设计272.9.1 导轨的作用和设计要求272.9.2 本设计导轨的主要结构27第3章 动力驱动部分的设计293.1 步进电机的定义293.2 步进电机的分类293.3 步进电机的工作原理293.4 步进电机的性能指标313.4.1 步进电机的静态性能指标313.4.2 步进电机的动态性能指标313.4 步进电机的选择333.4.1 种类的选择333.4.2 型号的选择333.5 本章小结34第4章 传感测试及控制电路部分设计354.1 电涡流传感器的基本原理354.2 电涡流传感器的选择364.3 控制电路部分的原理框图374.4 单片机的选择384.4.1 8051的引脚功能384.4.2 复位电路394.4.3 时钟电路404.5 a/d转换器的选择404.6译码器的选择414.7键盘434.7.1矩阵式键盘的结构和原理434.7.2矩阵式键盘的识别444.8总体电路图454.9本章小结45结 论46致 谢47参考文献48附录150附录25454第1章 绪论1.1 课题任务对纯机械式双啮仪进行数字化改造，增配步进电机、单片机及电涡流传感器等电子元器件。使改进后的双啮仪可以实现齿轮径向综合误差的自动测量，提高双啮仪的测量效率，降低人为因素对测量结果的影响。测量对象：圆柱齿轮（直径d200mm，模数0.5-8mm）测量参数：齿轮径向综合误差技术指标：分辨率：0.001mm1.2 齿轮检测技术的发展齿轮测量技术的发展历程是以齿轮精度理论的发展为前提的。齿轮精度理论的发展实质上反映了人们对齿轮误差认识的深化。迄今,齿轮精度理论经历了齿轮误差几何学理论、齿轮误差运动学理论和齿轮误差动力学理论的发展过程。其中,齿轮误差动力学理论还处在探索中。第一种理论将齿轮看作纯几何体,认为齿轮是一些空间曲面的组合,任一曲面都可由三维空间中点的坐标来描述,实际曲面上点的位置和理论位置的偏差即为齿轮误差。第二种理论将齿轮看作刚体,认为齿轮不仅仅是几何体,也是个传动件,并认为齿轮误差在啮合运动中是通过啮合线方向影响传动特性的,因此啮合运动误差反映了齿面误差信息。第三种理论将齿轮看作弹性体,对齿廓进行修形,“有意地”引入误差,用于补偿轮齿承载后的弹性变形,从而获取最佳动态性能,由此形成了齿轮动态精度的新概念。齿轮精度理论的发展,导致了齿轮精度标准的不断丰富和更新,如传动误差、设计齿廓的引入等。反过来,齿轮测量技术的发展也为齿轮精度理论的应用和齿轮标准的贯彻提供了技术支撑。我国齿轮行业测试仪器和设备十分缺少，由此造成我国年产2000多万台的齿轮箱总成质量缺乏可靠的测试数据。为彻底改变我国齿轮行业零部件内在质量的落后状况，必须重视和加强测试仪器和设备的发展。 目前，我国齿轮行业内大约只有300家齿轮生产厂具有仪器基本配套的计量室，总计约有三坐标测量仪200多台，这些仪器大多是从国外进口的。各类（机械、光电、数控）齿轮测量仪器1000余台，其中齿轮测量中心30余台，这些仪器的制造厂有国外的maag、klingelnberg、hofler、carlmahr、mm等公司，还有taylorhobsom、carlmahr、zeiss、sip等公司的圆度仪、测长仪、光学分度头、粗糙度仪、投影仪、万工显等各类测量仪器500余台。 其余约200家齿轮生产厂很少有精密测量仪器，部分工厂除了万能量具外，没有一台测量仪器。 在测量仪器中，其中总成测试仪器、蜗轮付检查仪约10余台，变速箱总成试验台和驱动桥试验台全国不超过50台。许多厂没有噪声仪、扭振仪等必备的仪器。在齿轮制造过程中必须对产品零件、部件和总成的要求质量进行严格的检测和控制，因而先进适用的测量技术和仪器是必备的条件。 在各类机械厂内不管齿轮传动件是自制或外购，均应装备齿轮、螺纹、花键测量仪器，否则无法控制传动件的制造质量。目前，齿轮、螺纹、花键测量仪器国内成都工具研究所、哈量精密量仪厂等基本可满足要求。即使是齿轮测量中心、齿轮刀具测量中心、齿轮副和蜗轮副检查仪、激光动态丝杠测量仪等国内也可供货。但对于技术要求很高而财力充裕的用户，也可以考虑引进国外齿轮测量中心。 齿轮、蜗杆、螺杆等传动件必须有精度很高、结构复杂的铸铁、铝合金或焊接箱体支承，这些箱体有大量精密孔系和平面需要测量尺寸精度和相互位置精度。因此每个齿轮厂都应该配备不同规格、精度的三坐标测量仪。 为进一步提高我国齿轮行业的产品质量，提高行业竞争力，应尽快配备相应的各类精密测试仪器。在今后的几年中，我国大中型齿轮企业应配备三坐标测量机、齿轮测量中心和其他精密测量仪及配套完整的中心计量室，小型企业也要配备必要的精密测量仪器，从而保证我国齿轮产品的质量。 1.3 课题主要工作内容根据上述课题任务，以及对齿轮双啮仪的分析，本课题的主要工作内容是：1）仪器机械结构部分的改造2）仪器动力驱动部分的设计3）仪器传感测试部分的设计4）仪器控制电路部分的设计1.4 本章小结齿轮径向综合误差是齿轮的一项重要误差，主要影响齿轮的传递精度。目前其测量仪器主要是机械式的，人为因素影响很大，而且耗时费力。为了解决这个问题，提出一种对机械式双啮仪进行数字化改造的方法。这种方法适应齿轮测量仪的发展方向，适应我国的国情，具有一定的实际意义。本章叙述了齿轮测量的发展历史和发展趋势，指出了机械式齿轮双啮仪存在的问题，说明了本设计的主要任务和工作内容。第2章 机械结构部分的改造设计2.1 齿轮双啮仪的工作原理齿轮双啮仪的工作原理简图如图2-1所示。图2-1 齿轮双啮仪的工作原理简图齿轮双啮仪的工作原理：让一个标准齿轮与被测齿轮进行啮合运动，在啮合过程中，通过测量两个齿轮之间中心距的变化来测试齿轮的径向综合误差。如图2-1所示，标准齿轮安装在主滑架的心轴上，被测齿轮安装在测量滑架的心轴上，在弹簧力的作用下，两齿轮作无侧隙啮合运动，由于被测齿轮存在加工误差，两齿轮在啮合过程中中心距会发生变化，通过测量两齿轮中心距的变化量来测试被测齿轮的径向综合误差。2.2 轴的设计2.2.1 轴的计流程轴是机器中必不可少的重要零件，其功能是支撑转动零件，使转动零件具有确定的工作位置，并传递运动和动力。 根据受载情况，轴可分为： (1)心轴 只用于支承转动零件，特点是只受弯矩作用而不承受转矩。心轴又可分为固定(心轴工作时轴不转动)和转动心轴(工作时转动)。 (2)转轴 既支承转动零件又传递动力，即同时承受弯矩和转矩。 (3)传动轴 主要传递动力，即主要承受扭矩，不承受或只承受较小的弯矩。 根据几何轴线形状，轴可分为直轴、曲轴和软轴。根据结构形状，轴又可分为光轴和阶梯轴；实心轴和空心轴；圆形截面轴和非圆形截面等。 轴的设计应满足下列几方面的要求：适当的选材、合理的结构、足够的强度、必要的刚度和振动稳定性及良好的加工、装配工艺性等。 通常轴的设计程序为： (1)根据机械传动方案的整体布局，拟定轴上零件的布置和装配方案； (2)选择轴的材料； (3)初步确定轴的直径； (4)进行轴的结构设计，校核轴的键连接强度及轴的弯扭强度； (5)对于重要的轴，进行强度和精确校核计算； (6)必要时轴的刚度及临界转速； (7)根据上述计算结果修改设计； (8)绘制轴的工作图(零件图)。2.2.2 轴的材料和毛坯轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度及刚度等要求，以及实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。 轴的常用材料主要是碳素钢和合金钢，其次是球墨铸铁。一般机器中的轴多采用35、45、50等优质碳素钢，尤以45号刚最为常用，对于受载较小或不太重要的轴，可用q235a，q275等普通碳素钢；对于受力较大，轴的尺寸受到限制，以及某些有特殊要求的轴，可采用合会钢。 根据需要轴常需要进行各种热处理，化学处理及表面强化处理，以提高轴咆绔麟口耐磨耐蚀等性能。在一般工作温度下，合金钢和碳素钢的弹性模量十分接近，故只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不合适 轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小，可用圆钢棒制造；重要的、大直径或阶梯直径变化较大的轴，可采用锻坯。直径特大的轴可制成空心的。2.2.3 零件在轴上的定位形式轴的结构应便于加工、测量、装配和维修。通常注意以下几个方向：(1)考虑加工工艺所必须的结构要素(如中心孔螺母退刀槽、砂轮越程槽等)(2)合理确定轴与零件之间的配合性质，加工精度和表面粗糙度；(3)轴的类和直径应按gb282281圆整为标准值；(4)确定各轴段长度时，应尽可能的使结构紧凑，同时要保证零件所需要的滑动距离、装配或调整所需空问，并注意转动零件不得与其它零件相碰撞，与轴毂配装的轴段长度，一般应略小于轮毂23mm，以保证轴向定位可靠；(5)除特殊要求者外，一般轴上所有零件都应无过盈地到达配合的部位；(6)为便于导向和避免擦伤配合表面，轴的两端及有盈配合的台阶处都应制成倒角；(7)为减少加工刀具种类和提高劳动生产率，轴上的倒角、圆角、键槽等应尽可能取相同尺寸。2.2.4 轴的设计计算 本设计中带动标准齿轮转动的轴是传动轴，主要传递转动力矩，即主要承受扭矩，不承受或只承受较小的弯矩，因此只需要对其扭转强度及刚度进行校核即可。本设计中选用材料为45钢的实心轴，最小轴径为mm。1轴的扭转强度的计算轴的扭转强度条件为： （2-1）式中：材料的切应力，单位为pa； 材料的许用切应力，单位为pa； 轴所受的扭矩，单位为nm； 轴的抗扭截面系数，单位为m3，对于圆轴； 轴的直径，单位为m。由公式（2-1）得 （2-2）常见轴的材料的值见表2-1。 表2-1 几种常用的轴材料的值 （mpa）轴的材料q235，20354540cr,35simn203030404052为保险起见，本设计计算取较小值，取30mpa；取电机的最大输出转矩4.9nm (见3章) 。由公式（2-2）得m 此轴有一个键槽和销孔，轴径增大57%，即mm由于本设计中所设计的轴的最小轴径是mm，故满足扭转强度要求。2轴的扭转刚度的计算轴的扭转变形用每米长的扭转角来表示。其计算公式为： （2-3）式中： 轴所受的扭矩，单位为nm； 轴的材料的剪切弹性模量，对于钢材料pa； 轴截面的极惯性矩，单位为m4，对于圆轴； 轴的长度，单位为m。轴扭转刚度的条件为： 为轴每米长允许扭转角，对于精确传动可取 /m。此处取/m。工程上，习惯把/m作为的单位，这样把（2-3）式中的弧度换算成度，可得 /m因为，所以满足扭转刚度要求。2.3 丝杠螺母副的设计计算2.3.1 滚珠丝杠副的组成滚珠丝杠副是在滚珠丝杠和滚珠螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。在滚珠螺母体上装有滚珠循环装置，有反相器，它构成滚珠返回通道，使滚珠在闭合同路中形成滚珠链的反复循环运动。避免了滚珠顺着滚到螺旋面滚到滚珠螺母外面。2.3.2 耐磨性计算滑动螺旋副的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大，螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p，使其小于材料的许用压力p。丝杠螺母副的结构尺寸如图2-3和图2-4所示。 图2-3 丝杠螺母副 图2-4 丝杠螺母副的基本尺寸图中为丝杠螺母副的中径，为丝杠的大径，为丝杠的小径，为螺母的大径，为螺母的小径，为螺距。丝杠螺母副的耐磨性计算公式为： （2-4）式中：丝杠所受最大轴向力，单位为n； 螺母长径比，为螺母长度，一般，本设计中；材料的许用压力，单位为mpa，见表2-3。表2-3 丝杠螺母副材料的许用压力值丝杠螺母的材料滑动速度(r/s)许用压力(mpa)钢青铜3.018253611186127101512淬火钢青铜6121013钢铸铁2.4131861247丝杠螺母副的摩擦系数见表2-4。表2-4 常用材料的摩擦系数材料名称摩 擦 系 数静 摩 擦动 摩 擦无润滑剂无润滑剂有润滑剂钢钢015，0.10.120.150.050.1钢青铜015，0.10.150.150.10.15钢铸钢0.180.050.15本设计中取摩擦系数。已知工作台及工件最大重量为n。所以 n由公式（2-4）可得 mm本设计选用的丝杠螺母副形式为标准梯形螺纹，螺距mm，中径mm，丝杠大径mm，小径mm；螺母大径mm，小径mm。2.3.3 丝杠的强度计算丝杠工作时承受轴向压力（或拉力）和扭矩的作用。丝杠危险截面上既有压缩（或拉伸）应力，又有切应力。因此，校核丝杠强度时，应根据第四强度理论求出危险截面的计算应力。其强度条件为： （2-5）或 式中：丝杠螺纹段的危险截面面积，单位为mm2，mm2；丝杠螺纹段的抗扭截面系数，单位为mm3，mm3；丝杠螺纹小径，单位为mm；丝杠所受的扭矩，单位为nmm， nmm通常可使,取，；丝杠材料的许用应力，单位为mpa，见表2-5。 表2-5 滑动螺旋副材料的许用应力 (mpa)螺旋副材料许用应力b丝杠钢s/(35)(1.01.2) 0.6螺母青铜40603040铸铁405540钢s/(35)(1.01.2) 0.6注：1）s为屈服强度，b为弯曲强度，为剪切强度；2）载荷稳定时，许用应力取大值。由公式（2-5）得mpampa通过上面计算可知，本设计中的丝杠满足强度要求。2.3.4 螺母凸缘的强度计算工作时，在螺母凸缘与工作台的接触面上产生挤压应力，凸缘根部受到剪切作用。 设凸缘部分承受全部轴向力，则螺母凸缘受到的剪切应力为： （2-8）式中：为螺母材料的许用剪切应力，单位为mpa，见表2-5； 螺母凸缘的宽度，单位为mm，mm； 螺母的外径，单位为mm，mm。由公式（2-8）得 mpa所以，螺母凸缘满足强度要求。2.3.5 丝杠的稳定性计算 对于长径比大的丝杠，当轴向压力大于某一临界值时，丝杠就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常工作情况下，丝杠承受的轴向力必须小于丝杠的许用轴向力。丝杠的许用轴向力的计算公式为： （2-9）式中：丝杠支承系数，见表2-6； 丝杠的小径，单位为mm，mm；丝杠的支承距离，单位为mm，mm。 由公式（2-9）得n因为n，所以丝杠满足稳定性要求。 表2-6 丝杠的支承系数丝 杠 支撑情况支 承 系 数两 端 固 定4.00一端固定，一端半固定2.80一端固定，一端简支 2.00两 端 简 支1.00一端固定，一端自由0.252.4 滚动轴承的选用和计算2.4.1 滚动轴承类型的选择滚动轴承类型多种多样，选用时可考虑以下几个方面的因素，根据具体情况进行选择。1.载荷的大小、方向和性质：球轴承适于承受轻载荷，滚子轴承适于承受重载荷及冲击载荷。当滚动轴承受纯轴向载荷时，一般选用推力轴承；当滚动轴承受纯径向载荷时，一般选用深沟球轴承或短圆柱滚子轴承；当滚动轴承受纯径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承及调心球轴承或调心滚子轴承。2.允许转速：因轴承的类型不同有很大的差异。一般情况下，摩擦小、发热量少的轴承，适于高转速。设计时应力求滚动轴承在低于其极限转速的条件下工作。3.刚性：轴承承受负荷时，轴承套圈和滚动体接触处就会产生弹性变形，变形量与载荷成比例，其比值决定轴承刚性的大小。一般可通过轴承的预紧来提高轴承的刚性；此外，在轴承支承设计中，考虑轴承的组合和排列方式也可改善轴承的支承刚度。4.调心性能和安装误差：轴承装入工作位置后，往往由于制造误差造成安装和定位不良。此时常因轴产生热膨胀等原因，使轴承承受过大的载荷，引起早期的损坏。自动调心轴承可自行克服由安装误差引起的缺陷。5.安装和拆卸：圆锥滚子轴承、滚针轴承等，属于内外圈可分离的轴承（即所谓分离型轴承），安装及拆卸方便。6.市场性：即使是列入产品目录的轴承，市场上不一定有销售；反之，未列入产品目录的轴承有的却大量生产。因而，应清楚使用的轴承是否容易购得。本设计选用7004c gb/t292-94 角接触球轴承，其基本参数见表2-7：表2-7 7004c角接触球轴承的基本参数d(mm)d(mm)b(mm)cr(kn)cor(kn)极限转速（r/min）脂润滑油润滑20421210.56.0814000190002.4.2 滚动轴承的构造及材料选择1.滚动轴承构造：滚动轴承一般是由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。内圈装在轴颈上（在推力轴承中称为轴圈），配合较紧；外圈装在机座或零件的轴承孔内，通常配合较松。内外圈上有滚道，当内外圈相对旋转时，滚动体将沿滚道滚动。滚动体是实现滚动摩擦的滚动元件，除“自转”外，还绕轴线公转，形状有球形、圆柱形、锥柱形、滚针形、鼓形等。保持架的作用是把滚动体均匀地隔开。2.常用材料：滚动体与内外圈的材料要有高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。一般用含铬合金钢制造，常用材料有gcr15、gcr15simn、gcr6、gcr9等，经热处理后硬度可达hrc6165。本设计中轴承选用的材料为gcr15。2.4.3 滚动轴承的校核计算1.轴承的基本参数的定义（1）轴承寿命：轴承中任一元件出现疲劳剥落扩展迹象前运转的总转数或一定转速下的工作小时数。（2）基本额定寿命：一组轴承中10%的轴承发生点蚀破坏，而90%的轴承不发生点蚀破坏前的转数（以106r为单位）或工作小时数，用符号或表示。（3）基本额定动载荷：使轴承的基本额定寿命恰好为106r时，轴承所能承受的载荷值，用符号表示。（4）基本额定静载荷：使受载最大的滚动体与滚道接触中心处引起的接触应力达到一定值的载荷，用符号表示。2.轴承寿命的校核计算滚动轴承寿命的校核条件为： （2-10）式中：轴承应具有的基本额定动载荷，单位为n； 轴承所受的载荷，单位为n，经折算n； 轴承的转速，单位为r/min，r/min，见3章； 轴承预期计算寿命，单位为h，h，见表2-8； 寿命指数，对于球轴承。由公式（2-10）得nkn因为本设计中选用的轴承的基本额定动载荷为10.5kn，所以满足使用要求。表2-8 推荐的轴承预期计算寿命 （h）机 器 类 型预期计算寿命不经常使用的仪器或设备，如闸门开闭装置3003000间断使用，中断使用不致引起严重后果，如手动机械30008000间断使用的机械，中断后果严重，如车间吊车800012000每日8h工作的机械（利用率不高），如一般齿轮传动1200020000每日8h工作的机械（利用率较高），如金属切削机床20000300002.5 联轴器的选用和计算2.5.1 联轴器的类型联轴器可分为刚性联轴器、挠性联轴器、安全联轴器、起动安全联轴器等。挠性联轴器又可分为无弹性元件的挠性联轴器、非金属弹性元件的挠性联轴器、金属弹性元件的挠性联轴器等。2.5.2 联轴器的选择原则（1）转矩t：t比较稳定时，选用刚性联轴器、无弹性元件或有金属弹性元件的挠性联轴器；t有较大冲击振动时，选用有弹性元件的挠性联轴器。（2）转速n：n变化不大时，选用非金属弹性元件的挠性联轴器。（3）对中性：对中性好时选刚性联轴器，需补偿时选用挠性联轴器。（4）装拆：考虑装拆方便，选用可直接径向移动的联轴器。（5）环境：若在高温下工作，不可选用非金属元件的联轴器。（6）成本：同等条件下，尽量选择价格低，维护简单的联轴器。2.5.3 联轴器的选取计算本设计选用变径联轴套，材料为45钢，该联轴器特别适用于低速、轻载、小尺寸轴的连接。1.联轴器最大许用转矩的计算此联轴器的最大许用转矩，按键的许用转矩计算，其计算公式为： （2-11）式中：键与轮毂键槽的接触高度，单位为mm，为键的高度； 键的工作长度，单位为mm，对于圆头平键，平头平键，为键的公称长度，为键的宽度； 轴的直径，单位为mm； 键材料的许用挤压应力，单位为mpa，mpa。由公式（2-11）得nm因此，该联轴器的最大许用转矩为nm。2.联轴器的校核计算由于机器起动时和运转中可能出现过载现象，所以为安全起见，应当用轴上的最大转矩来计算联轴器应具有的公称转矩，其计算公式为： （2-12）式中：联轴器应具有的公称转矩，单位为nm； 轴传递的最大转矩，单位为nm，nm； 工作情况系数，见表2-9。表2-9 工作情况系数k工 作 情 况k连续转动的机床，如车床、铣床等1.251.5往复运动的机床，如刨床、插床等1.52.5离心泵、叶片泵、螺旋输送器1.52.0活塞泵2030注：钢性联轴器取较大值，挠性联轴器取较小值由公式（2-12）得nm因为，所以该联轴器满足使用要求。2.6 螺纹联接的选用计算2.6.1 螺纹联接1.螺纹联接的主要类型螺纹紧固件联接主要有四种基本类型：螺栓、螺钉、双头螺柱和紧定螺钉。2.螺纹的失效形式螺纹联接由于它们所受的载荷性质不同，所以它们的失效形式也有很大不同。受静载荷螺栓的失效多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断；受变载荷螺栓的失效多为螺栓的疲劳断裂；对于受横向载荷的铰制孔用螺栓联接，其失效形式主要为螺栓杆剪断，或栓杆被联接件孔接触表面挤压破坏；如果螺纹精度低或联接时经常装拆，很可能发生滑扣现象。2.6.2 螺纹联接的强度计算螺栓联接分松螺栓联接和紧螺栓联接两种形式。松螺栓联接装配时螺母不需要拧紧，即在承受工作载荷之前，螺栓不受力；紧螺栓联接装配时螺母需拧紧。它们按不同的计算公式计算。1.松螺栓联接的强度计算螺栓危险截面的拉伸强度条件为：或 式中：工作拉力，单位为n； 螺栓危险截面的直径，单位为mm； 螺栓材料的许用拉应力，单位为mpa， 本设计mpa。2.紧螺栓的联接强度计算（1）仅承受预紧力的螺栓联接螺栓危险截面的拉伸强度条件为：式中：螺栓所受的预紧力，单位为n；其余符号意义同前。（2）承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接螺栓危险截面的拉伸强度条件为： （2-13）或 式中：螺栓的总拉力，单位为n；，为残余预紧力，对于有密封性要求的联接，；对于一般联接，工作载荷稳定时，；工作载荷不稳定时，；对于地脚螺栓联接，。为工作拉力，其余符号意义同前。（3）承受工作剪力的紧螺栓联接螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为： 螺栓杆的剪切强度条件为： 式中：螺栓所受的工作剪力，单位为n； 螺栓剪力面的直径，单位为mm； 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm； 螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，单位为mpa； 螺栓材料的许用切应力，单位为mpa。由于本设计中的各螺纹联接处的受力均不大，现仅对受力较大几处螺纹联接进行强度校核。()丝杠端部轴承端盖上的螺栓的强度校核由公式（2-13）得mpampa 所以，该螺栓满足强度要求。()盖板上螺栓的强度校核估算环形架的质量：kg则环形架和电机的总重为：n由于加在螺栓上的力还有联轴器等零件的重力，此处取n。由公式（2-13）得mpampa所以，该螺栓满足强度要求。()固定电机的螺钉的强度校核由公式（2-13）得mpampa所以，该螺栓满足强度要求。()联接丝杠螺母的螺栓的强度校核由公式（2-13）得mpampa所以，该螺栓满足强度要求。2.7 键的选用2.7.1 键联接的分类键联接的主要类型有：平键联接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接。平键联接具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点，得到了广泛的应用。这种键联接不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定的作用。根据用途的不同，平键分为普通平键、薄型平键、导向平键和滑键四种。其中普通平键和薄型平键用于静联接，导向平键和滑键用于动联接。普通平键按构造分，有圆头、平头和单圆头三种。半圆键联接的优点是工艺性较好，装配方便，尤其适用于锥形轴端与轮毂的联接。缺点是轴上键槽较深，对轴的强度削弱较大，故一般只用于轻载静联接中。楔键联接可以承受单向的轴向载荷，对轮毂起到单向的轴向固定作用，在传递有冲击和振动的较大转矩时，仍能保证联接的可靠性。缺点是键楔紧后，轴和轮毂的配合产生偏心和偏斜。因此主要用于毂类零件的定心精度要求不高和低转速的场合。切向键联接用一个切向键时，只能传递单向转矩，当要传递双向转矩时，必须用两个切向键，两者间的夹角为120130。由于切向键的键槽对轴的削弱较大，因此常用于直径大于100mm的轴上。本设计中的键全部选用圆头普通平键。2.7.2 键联接的强度计算平键联接的强度计算条件为： （2-14）式中：传递的转矩，单位为nm；键与轮毂键槽的接触高度，单位为mm，为键的高度； 键的工作长度，单位为mm，对于圆头平键，平头平键，为键的公称长度，为键的宽度； 轴的直径，单位为mm； 键材料的许用挤压应力，单位为mpa，mpa。本设计中在主动轴上用到的三个键受力最大，而它们所传递的转矩相等，因此只对最小的那个键进行强度计算即可。由公式（2-14）得mpampa所以，本设计中的键满足强度要求。2.8 销的选用2.8.1 销的分类销有多种类型，如圆柱销、圆锥销、槽销、销轴和开口销等，这些销均已标准化。圆柱销靠过盈配合固定在销孔中，经多次装拆会降低其定位精度和可靠性。圆锥销具有1：50的锥度，在受横向力时可以自锁，它装拆方便，定位精度高，可多次装拆而不影响定位精度。槽销能承受振动和变载荷，安装槽销的孔不需要铰制，加工方便，可以多次装拆。销轴用于两零件的铰接处，构成铰链联接。销轴通常用开口销锁定，工作可靠，可多次装拆。开口销装配时，将尾部分开，以防脱出，常与销轴配合使用。本设计中选用的销均为圆锥销。2.8.2 销的强度计算销的剪切强度条件为： （2-15）式中：销受到的剪切力，单位为n，经估算n； 销的危险截面的直径，单位为mm； 销材料的许用切应力，单位为mpa，此处mpa。由公式（2-15）得mpampa所以，本设计中的销满足强度要求。2.9 导轨的设计2.9.1 导轨的作用和设计要求当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上的导轨起支承和导向的作用，对导轨的要求如下：（1）一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面间的相互位置的准确性。（2）运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。（3）良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。导轨在使用过程中要磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。（4）足够的刚度。运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压，或者设置辅助导轨，以承受外载。（5）结构工艺性好。在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整，以降低成本。2.9.2 本设计导轨的主要结构本设计导轨的形状及基本尺寸如图2-5所示：图2-5 导轨的形状及基本尺寸采用燕型导轨，当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上的导轨起支承和导向的作用，通过丝杠的螺旋传动，带动导轨做直线运动进而实现导轨的进给和退回运动。2.10 本章小结传统的齿轮双面啮合检测仪测量效率低，而且测量精度不高，在传统测量仪器的基础上，本章对其机械结构进行了设计改进，并对机械部分的各个组成部分进行了详细的介绍和设计计算。 第3章 动力驱动部分的设计3.1 步进电机的定义步进电机是根据组合电磁铁的理论设计的，是一种把电脉冲信号转变为相应的角位移或线位移，并用电脉冲信号进行控制的特殊运行方式的同步电动机。它与一般的电动机不同，只接电源时不能转动，每加一次脉冲信号后仅转动一定的角度。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。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（步距角）。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；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。3.2 步进电机的分类步进电机种类繁多，按其运动方式分为旋转型和直线型。通常使用的旋转型步进电机按其电磁转矩的产生原理，又分为三大类：（1）反应式（又称磁阻式）步进电机；（2）永磁式步进电机；（3）混合式（又称永磁感应子式）步进电机。步进电机的励磁绕组可以制成各种相数，最常见的有单相、三相、四相、五相等几种。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出；永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小；混合式步进电机则混合了反应式和永磁式电机的特点。3.3 步进电机的工作原理反应式步进电机是我国目前应用最广泛的一种步进电机，它具有调速范围广，动态性能好，能快速起动、制动和反转等特点，且结构比较简单，因此本设计选用反应式步进电机。下面介绍一下三相反应式步进电机的工作原理。1.结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3 、2/3 ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距，以表示），即a与齿1相对齐，b与齿2向右错开1/3 ，c与齿3向右错开2/3 ，a与齿5相对齐（a就是a，齿5就是齿1）。定转子的展开图如图3-1所示： 图3-1 定转子的展开图2.旋转：如a相通电，b、c相不通电时，由于磁场作用，齿1与a对齐，（转子不受任何力以下均同）。如b相通电，a、c相不通电时，齿2应与b对齐，此时转子向右移过1/3 ，此时齿3与c偏移为1/3 ，齿4与a偏移（-1/3 ）=2/3 。如c相通电，a、b相不通电，齿3应与c对齐，此时转子又向右移过1/3 ，此时齿4与a偏移为1/3 对齐。如a相通电，b、c相不通电，齿4与a对齐，转子又向右移过1/3 。这样经过a、b、c、a分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到a相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按a，b，c，a通电，电机就每步（每脉冲）1/3 ,向右旋转。如按a，c，b，a通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度与导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。3.力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量），当转子与定子错开一定角度将产生力，与成正比 。磁通量，为磁密，为导磁面积。与成正比，为铁芯的有效长度，为转子直径，为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数），为磁阻。力矩=力半径，力矩与电机有效体积安匝数磁密成正比（只考虑线性状态），因此，电机有效体积越励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。3.4 步进电机的性能指标3.4.1 步进电机的静态性能指标1.相数：产生不同对n、s磁场的激磁线圈对数，常用m表示。2.拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，四相四拍运行方式，即ab-bc-cd-da-ab，四相八拍运行方式，即 a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a。3.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用表示。=360度/（转子齿数j运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。4.定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。5.静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。3.4.2 步进电机的动态性能指标1.步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2.失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。3.失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4.最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5. 最大空载运行频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6.运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越