（精密仪器及机械专业论文）高精度滚轮法测量系统辅助装置研制(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

高精度滚轮法测量系统辅助装置研制 摘要 滚轮法测量大型工件的直径是种应用较广、技术上较成熟的方法。 为了提高滚轮法测量大直径的精度，需要对影响测量精度的误差进行修 正。本文的研究重点为被测大轴仿真系统、误差分离系统、辅助瞄准系统， 辅助标定系统几种辅助装置的研制。通过被测大轴仿真系统能够模拟出真 实的测量状态，从而可以检验所研制测量系统的特性：误差分离系统用于 标定测量大轴转数的光电开关的特性以及测量滚轮转数的光栅系统的特 性；辅助瞄准装置可以调节滚轮轴线与被测大轴轴线的平行度，从而减小 滚轮受压变形所引起的误差；辅助标定系统可以精确地测量仿真系统中的 “被测大轴”的直径，并以此为标准标定所设计的新型测量系统的测量精 度。本文详细地介绍了各系统结构的设计思路，同时还设计了相应的实验， 通过这些实验验证了系统的有效性。 关键词：滚轮法，误差分离，精度标定 t h ea s s i s t a n te q u i p m e n tr e s e a r c ho ft h eh i g hp r e c i s i o n r o l l i n g w h e e lm e a s u r e m e n ts y s t e m a b s t r a c t t h er o l l i n g w h e e lo nm e a s u r i n gl a r g ed i a m e t e rw o r kp i e c ei sa ne f f e c t i v e m e t h o dw h i c hw i l d l yu s e di np r a c t i c e i no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h i s m e t h o d ，t h ec o r r e c t i o no fe v e r ye r r o rm u s tt ob ed o n e i ti si n t r o d u c e di nt h ep a p e r o ft h eb i ga x e se m u l a t o r s y s t e m 、t h ee r r o rs e p a r a t i o ns y s t e m 、t h ea s s i s t a n t o r i e n t a t i o n a lc o l l i m a t i n ge q u i p m e n ta n dt h ea s s i s t a n td e m a r c a t i o ns y s t e m b yt h e b i ga x e se m u l a t o rs y s t e mt h ea c t u a ls t a t ec a nb er e f l e c t e d ；t h ee r r o rs e p a r a t i o n s y s t e mc a ng e tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eo p t i c a ls w i t c ha n dg r a t i n g ，w h i c hg e t st h e r e v o l u t i o n so fm e a s u r i n gw h e e l ；t h ea s s i s t a n to r i e n t a t i o n a lc o l l i m a t i n ge q u i p m e n t c a n a d j u s tt h ep a r a l l e l i s mb e t w e e nt h ea x e so fr o l l i n gw h e e la n dm e a s u r e d p i e c e ，w h i c h canr e d u c et h ee r r o ro ft h em e a s u r e m e n th e a dd e f o r m a t i o n ；t h e a s s i s t a n td e m a r c a t i o ns y s t e mcang e tt h es i m u l a t o rb i ga x e s 。sd i a m e t e ra c c u r a t e l y a n dt h i sd a t ai st a k e na st h ec l a i md i a m e t e rw h i c hcand e m a r c a t et h et o o l i n g - w h e e l s y s t e m t h ed e s i g nn o t i o no fe a c hs y s t e ms t r u c t u r e sp a r ti si n t r o d u ci nt h ep a p e ri n d e t a i l e d m e a n w h i l et h ev a l i d i t yo ft h es y s t e mi st e s t e db yt h ee x p e r i m e n td e s i g n e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l tv e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r e s e n t e de q u i p m e n t k e yw o r d s ：r o l l i n g w h e e l m e t h o d ，e r r o rs e p a r a t i o n ，a c c u r a c yc a l i b r a t i o n 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 舀t 降疑 珊砭 翩：今游岳k 蝴咨彩吹 双蟛蝴 穸v 历(州俐侃 、毅 善氐删蝴戡 缈饼啼 席 员 主 委 表5 1 滚轮受压变形实验结果表1 表5 2 滚轮受压变形实验结果表2 表6 一l 滚动轴承安全系数s 。 列表清单 3 2 3 2 4 0 插图清单 三滚轮法测量大真径的原理图2 滚轮法测量原理图4 多滚压轮大轴径测量装置示意图一5 测量头结构示意图- 6 被测大轴仿真系统结构示意图- 7 被测大轴仿真系统照片1 - 8 被测大轴仿真系统照片2 8 轴的结构设计图1 0 被测工件在轴上的固定和定位方式- 1 3 v 型槽的结构示意图1 4 底座的结构示意图1 4 槽式光电开关工作原理2 0 误差分离系统示意图2l 光栅盘安装方式2 2 r g r 圆光栅传感器安装形位公差要求2 3 r g r 圆光栅读数头安装的示意图2 3 r g r 圆光栅读数头安装的照片2 4 辅助瞄准装置示意图一2 5 c c d 采集图像2 6 二值化后的图像一2 7 边缘提取后的图像- - 2 9 滚轮变形标定实验装置示意图- 3 0 杠杆传递示意图t3 0 g g d 一1 0 0 型秤量控制器原理框图3 l 双频激光干涉仪标定仿真被测大轴的示意图3 4 标定系统的整体结构示意图3 5 夹持架的结构示意图3 6 平面测头的结构示意图- 3 6 固定测头架的结构示意图3 6 移动测头架底板的结构示意图3 6 移动测头架连接块的示意图3 7 移动测头架支架的示意图- 3 7m”弛”妯”他弛”硒锚图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图6 - 9 图6 1 0 图6 1 1 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图6 1 5 三层工作台的结构示意图 导轨的示意图 连接装置l 的示意图 连接装置2 的示意图 轴承底座 轴承端盖- 标定方法示意图 3 7 3 8 3 8 3 9 4 1 4 1 4 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金魍工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字挞许签字嘞时r 月扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日b ：些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权垒g 兰些态 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进彳j ：检索可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者繇楚劳 签字日期：a 掰年r 月矿日 学位论文作者毕业，i ；彳去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：九吐湃j 月妒日 电话： 邮编： 致谢 在三年的硕士研究生阶段，在课程学习、论文选题、收集资料和撰写论文 等方面都得到了我的导师余晓芬教授的悉心指导，余老师严谨的治学态度、求 实的工作作风、广博的理论知识和设计思想都使我获益匪浅，由衷感谢余晓芬 老师在学业指导及各方面所给予我的关心和培养。还要感谢俞建卫老师在本课 题机械设计和加工过程中对我的指导和帮助。 同时，真诚感谢在学习和课题设计当中给予我指导的仪器仪表学院的老师 们，感谢给予我帮助的同学们。 作者樊萍 2 0 0 5 年5 月 第一章绪论 1 1 研究的意义 随着机械加工技术的发展，可加工的大型零部件的空间尺寸越来越大，其 所能达到的尺寸、形状和安装精度也越来越高，因此对测量技术也提出越来越 高的要求。由于大型关键零件的尺寸精度是保证重大技术装备制造质量的一个 重要因素，因此如何采用高精度的在线检测技术来保证大型轴、孔类零件的尺 寸精度是我国核工业、航空航天制造业、造船等军工及大型机电设备加工业等 行业面临的一个技术难题川。目前常用的测量方法中，大型量具测量法、丌尺 测量法、弓高弦长法以及经纬仪测量法等实施简便，测量效率高，但测量不确 定度达不到要求：超声波法、激光瞄准定位块法等测量方法可达很高的准确度， 但这些方法实施困难，测量效率低，难以在生产实践中推广应用；大型坐标机 测量法虽然测量范围大测量精度高，但其价格十分昂贵，且不方便在线测量f 2 】。 相比较而言，滚轮法是一种应用较广、技术上较成熟的方法。该方法装置 简单，装调简便，测量数据自动处理，测量效率很高j 。但传统滚轮法采用单 滚压轮测量大轴的直径，易受打滑、滚轮受压变形以及温度误差的影响，不能 满足高精度测量要求。本课题基于滚轮法的测量原理，设计了新型测量系统， 要求大直径的测量误差不超过5 l m t m ，这是目前所见报道中大直径测量方法 和测量仪器均未达到的精度。为了提高滚轮法测量精度，满足高精度测量要求， 必须研制一些用于检验所研制测量系统的特性、分离系统误差、提高系统测量 精度等辅助装置。在本论文中主要介绍了四种辅助系统的研制：被测大轴仿真 系统，误差分离系统，辅助瞄准系统和辅助标定系统。通过这些辅助系统，减 小滚轮法测量中的测量误差，从而提高滚轮法的测量精度。 滚轮法作为一种应用广泛的大直径测量方法，国内外学者对此作了大量的 研究和尝试。如前苏联测试科学研究院研制成滚压轮式大直径测量仪，该仪器 由滚压轮、零件转数传感器( 计数器) 的调整器和微处理机部件构成，仪器中滚 压轮直径为$ 8 5 m m ，测量范围可达5 0 1 9 9 9 9 m m ，但测量不确定度仅为0 0 2 + 1 5 x 1 0 _ 5 d ( m m ) 【”。在国内，北京量具刃具厂生产出基于滚轮法测量原理的 光栅数最式大直径测量仪，该仪器在测量直径为l m 的工件时，精度为1 0 朋左 右 5 1 。 为了提高滚轮法的测量精度，减小滚轮法测量中打滑误差，测量轮的直径 误差等国内外学者也作了一些研究。天津大学学者提出利用三滚轮法测量大直 径的新技术，该方法的测量原理如图卜1 。在原测量轮的基础上增加一个中间 轮和一个支撑轮。测量轮和支撑轮在一定测量压力下紧压在工件上，工件转动 一周，与测量轮同轴的圆光栅采集测量信号，经过数据补偿处理( 对打滑误差、 测量轮直径误差等进行补偿) 可获得被测工件的周长值。中间轮与长光栅相连， 工件转动时，通过采集长光栅信号，可得到中间轮相对于测量轮和支撑轮的径 向变化。这两路信号经计算机数据处理，可求得工件的最小二乘圆直径或最小 外接圆直径，并可获得工件圆度误差 6 。 圆光栅 测量轮 图i - 1三滚轮法测量大直径的原理圈 针对滚轮法测量过程中的打滑现象，有学者认为可利用单片机进行实时监 测，并提出了分段取值、统计定值的方法，将工件的周长等分n 份，则理想情 况下，每一段的脉冲数应该是相等的，若有打滑现象出现，则打滑段的脉冲将 丢失一部分，利用单片机检测出脉冲丢失段，再通过数据处理确定每一段的标 准值，用标准值对打滑段进行补偿【_ ”。也有学者在分析了被测工件轴与滚轮轴 在安装过程中不平行对滚轮法测量结果影响的基础一h ，提出了增设微调机构和 采用摩擦极小的空气轴承的方法来减小滚轮的打滑现象【8j 。 这些研究考虑了打滑对滚轮法测量大直径的影响，并试图剔除打滑信号， 在一定程度上提高了滚轮法的测量精度，但就影响滚轮法测量精度的其它因素 滚轮受压变形和温度影响没有加以考虑，所以在实际的应用中，其结果很难 令人满意。 l 。2 研究的主要内容 本课题来源于国防军工计量“十五”重点项目：大直径多滚压轮高精度测 量方法研究。该项目是要研制出一套能同时满足高精度、高效率及在线测量要 求的大轴测量系统，可同时测量被测工件的直径及圆度误差，测量范围为1 m 一 5 【i l ，直径测量精度达到5 a n 聊，圆度测量不确定度小于1 5 p , m 。本论文研究内 容为该课题的一部分，主要研制一些辅助装置系统： 1 研制被测大轴仿真系统。考虑到大型工件加工周期阱及加工环境的影响， 无法直接去加工现场对所研制测量系统的特性进行标定，所以需要研制一个仿 真系统构建近似真实的“被测大轴”的“在线测量”状态，从而确定所研制测 量系统的测量精度及特性。在本论文中详细介绍了被测大轴仿真系统的结构设 计，以及驱动系统的选择。 2 2 研制误差分离系统。测量系统有很多误差源，要实现高精度必须对这些 误差进行分离与修正。因此，在本课题中研制了误差分离系统。通过该系统对 测量大轴转数的光电开关和测量滚轮转数，7 的光栅测角系统进行标定，并完 成部分误差分离与修正实验。在本论文中详细介绍了误差分离系统的结构设计。 3 研制辅助瞄准装置。通过以往的滚轮变形标定实验结果可以知道：滚轮 轴线与被测大轴轴线不平行时，滚轮变形量会迅速增大，严重影响滚轮变形修 正的效果。因此在测量系统中应增加瞄准装置，测量时帮助调整滚轮轴线与大 轴平行，以确保滚轮与大轴的接触为线接触，从而保证滚轮变形的正确修正。 本论文q r 详细介绍了辅助瞄准装置的结构设计，辅助瞄准时图像处理方法及所 编制的软件和相应的实验结果。 4 研制辅助标定系统。在被铡大轴仿真系统中的“被测大轴”是标定滚轮 测量系统精度的标准件，由于“被测大轴”直径大于1 米，没有现成的工具能 够按要求的精度测量出“被测大轴”的直径，因此需要研制一套标定系统，通 过该系统能够高精度测量出“被测大轴”的实际直径。本论文详细介绍了系统 的整体结构和标定实验方法。 第二章大直径多滚压轮测量方案与系统 传统的基于滚轮法测量原理的大直径测量系统一般采用单滚压轮结构，存 在着打滑和滚轮变形两个直接影响测量精度的致命缺点。本课题设计了一种新 型的测量头，并采用了由三个滚轮构成多滚压轮测量系统，通过减小滚轮打滑、 滚轮变形以及温度对测量结果的影响，提高滚轮法的测量精度。 2 1滚轮法测量大直径的工作原理 传统的单滚压轮测量原理如图2 1 所示，其是利用已知直径的标准滚轮与 被测工件作无滑动的对滚，通过光电传感器测出大轴的转数n ( 取整数) ，且同 步通过光栅传感器测出与大轴作无滑动滚动的标准滚轮的转数n ( 为非整数) ， 然后由下式求得被测大轴的轴径d 9 1 ： d = d n in 式中d 为标准滚轮的直径，它经过高精度仪器精确标定。 图2 1滚轮法测量原理图 2 2 研制大直径多滚压轮测量系统的目标 1 实现高精度测量 能够将现有的0 0 2 0 0 3 m m m 的测量不确定度提高到0 0 0 5 m m m 以上，以 满足重要工程中对大型零件的高精度测量要求。 2 实现高效率测量 现有的各种大轴径测量方法中，有的测量精度不高，有的则因装调太复杂 使测量过程太长而失去实用性。该测量系统能够在缩短单次测量时间的同时增 大一次测量获取的信息量，即能在一个工作日中完成一次测量，包括系统的安 装与调试，同时同步获取形状的信息，并由此确定平均周长、最大最小直径及 位置、被测截面的椭圆度、棱圆度等多个参数，供工艺调整时参考。 3 。实现在线测量 整个测量系统设计为“单侧结构”，以适应不同加工工位( 立式、卧式) 工件 的在线测量并装拆方便。 4 主要技术参数和指标 测量参数：大轴直径及大轴的圆度误差； 4 可测直径范围：l m 5 m ； 直径测量不确定度：5 1 1m m ； 圆度测量不确定度： 1 5um 。 2 3 多滚压轮测量系统工作原理1 1 0 j 由于单滚压轮法测量受打滑、滚轮受压变形以及温度误差的影响，测量达 不到高准确度的水平。为了减少这些因素对大直径测量精度的影响，采用多滚 压轮冗余测量，并通过误差修正技术提高测量精度。多滚压轮冗余测量装置结 构如图2 2 所示，整个测量装置硬件由测量系统、装调系统、控制系统三大部 分组成。 口 温度引起尺寸偏差修正 滚轮压力变形修正 工件旋转轴向跳动修正 打滑引起转角误差修正 俸感器系统误差修正 计算工件平均宜径 计算最大直径及位置 计算最小直径及位置 计茸圆度误差 温度测量信号 力测量信号 位移测重信号 栅转角测量信号 大轴转数测量信号 图2 - 2多滚压轮大轴直径测量装置示意图 大轴转数测量及各个滚轮转角测量的方法仍采用传统的单滚压轮测量装置 的方案，但滚压轮采用特殊的结构设计以减小打滑发生的几率；同时，因滚轮 作无滑动滚动时，光栅输出脉冲数与测量时间成正比，而当滚轮发生打滑时， 光栅输出信号曲线出现平滑段，因此可通过三个滚轮的冗余测量信号，辩识出 测量过程中的“打滑发生段”( 三个滚轮不可能同时打滑) ，同时在进行三滚轮 信号合成时，进一步将“打滑段”的信号剔除。用上述方法可将打滑对测量结 果精度的影响减至测量不确定度允许的范围之内。 大轴圆度误差可以通过安装在滚轮一侧的电感位移传感器测得。大轴圆度 误差测量受大轴支承径向跳动的影响很大，通过对三个滚轮处不同电感位移传 感器测量信号的正确融合，可分离大轴支承径向跳动误差，实现大轴圆度误差 的高精度测量。 2 4 测量头的结构及组成部分l 为了提高滚轮法的测量精度，研制了一种特殊结构的新型测量头。其不仅 可以减小滚轮的打滑几率，提供可辨识打滑信息的冗余测量信号，还具有对滚 轮变形进行实时监测的功能。 1 一光电传感器2 一u 型支架3 一滚轮d 一圆光栅传感器 5 一电感位移传感器6 一压缩弹簧7 一测力传感器8 一调节螺钉 图2 3测量头结构示意图 该测量头从结构上可以分为三大部分：浮动机构、施力和测力机构、外围 框架。整个测量头的结构如图2 3 所示。 浮动机构由滚轮、u 型支架、滚动轴承及直线滚动导轨副构成，由于测量 过程中被测大轴不可避免的会存在径向跳动，若测量头采用刚性结构，就会损 坏测量头装置甚至使测量过程无法进行，设置浮动机构正是为了避免大轴径向 跳动的影响；施力和测力机构由压缩弹簧、测力传感器及调节螺钉组成，测量 过程中滚轮的旋转由滚轮与大轴之间的摩擦力带动，而摩擦力要靠两者问的正 压力( 即测量力) 产生，施力和测力机构可通过调节螺钉和压缩弹簧产生所需的 测量力，同时由于大轴的径向跳动会使测量力不断改变，测力传感器可实时测 得测量力的大小；外围框架由上、下、前、后、左、右六块盖板组成，使整个 测量头成为一个密封装置，以防止在线测量过程中灰尘等杂物的落入，同时支 撑整个测量头的支架通过左右两侧板与测量头相连接并对其进行调整。 圆光栅传感器与滚轮同轴安装，同步旋转，可精确测量滚轮的转角。在外 围框架的左右两侧分别装有光电传感器和电感位移传感器，光电传感器测量被 测大轴的转数，电感位移传感器测量被测大轴的圆度误差。 第三章被测大轴仿真系统设计 为了能够模拟出真实的测量环境，确定所研制的测量系统的特性及精度， 根据被加工大轴在线测量的状况研制出一套被测大轴仿真系统，通过该系统模 拟被测工件“在线测量”状态，从而对所研制的测量系统的特性进行标定。 3 1 被测仿真大轴整体结构及组成部分 图3 1 为被测大轴仿真系统结构示意图。它包括四个主要部分：轴，机座， 大直径“被测件”，驱动部分。轴的主要功能是用来支撑仿真实验中的大直径 “被测件”。机座主要起整体支撑作用。驱动部分主要通过电动机带动大轴匀速 转动。因为我们所研制的测量头是在线测量，考虑到被测工件直径较大，实际 加工时工件的转速比较低，同时被测工件存在圆度误差，所以在此设计中仿真 “被测大轴”的转速也要符合实际情况，转速应该在2 5 转左右，这是一个较 低的转速。为了达到这个速度，采用减速器和变频器相结合的方法降低转速。 1 一底座2 一支座3 一支承4 一轴5 ，6 - 仿真“被测大轴” 7 一压环8 一皮带轮9 一减速器1 0 - 电动机 1 l 一电机支架 图3 - 1 被测大轴仿真系统结构示意图 图3 2 和图3 3 即为被测大轴仿真系统的实物照片，实验时仿真“被测大 轴”与测量头中的滚轮相接触，电动机带动被测大轴旋转从而带动滚轮旋转。 7 图3 2 被测大轴仿真系统j ! c 片1 图3 3 被测犬轴仿真系统照片2 3 2 仿真“被测大轴”的设计 为研究切削热对水轮机凸止i e i 加工尺寸的影响，曾按水轮机凸止口的实际 形状及加工工艺材判制作了缩小的模型。为借用此模型做初期实验，所以仿真 “被测大轴”设计成了“双层”结构，内层为水轮机凸止口模型，外层为一废 旧的轮毂，经精加工后装配使用。图31 中的5 即为水轮机凸止v i ，6 为废旧 的轮毂，两者结合在一起构成仿真“被测大轴”，再通过压环将其固定在芯轴 匕。 3 3 轴的设计 轴的设计主要包括选定轴的材料、确定结构、计算强度和刚度1 2 】，对于本 系统中轴的转速较低，所以不需要进行振动稳定性的校核。 3 3 1 轴的材料选择 选择轴的材料，应考虑下列因素i ”】： 1 轴的强度、刚度及耐磨性要求； 2 热处理方法； 3 材料来源； 4 材料加工工艺； 5 材料价格即经济性等 轴的常用材料主要是碳钢和合金钢，其次是球墨铸件和高强度铸件。由于 我们所设计的轴对强度和刚度的要求都不是很高，综合比较，选用4 5 # 钢，加 工时做调质处理。 3 3 2 轴的结构设计 轴的结构主要取决于：轴上载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴上零 件的类型、数量、尺寸、安装位置、定位及固定方式：轴的加工及装配工艺等。 由于影响因素很多，具体情况各异，所以轴没有标准的结构形式。轴的结构设 计就是在满足工作能力要求的前提下，针对不同的情况，综合考虑上诉各种因 素，合理确定轴的结构形状和全部尺寸 1 4 l 。 图3 4 为根据结构要求初步设计的轴的结构示意图，其中注意的几点有： ( 1 ) 由于被测大轴中的大直径“被测件”直径大于l m ，因此为了减轻整个系 统的重量，系统的整体结构应该尽量紧凑，所设计的轴在满足强度要求的情况 下应较细。( 2 ) 实验中借用的水轮机凸止口的内径为2 0 0 m m ，因此轴4 段的轴 径也为西2 0 0 m m 。( 3 ) 轴5 段的直径较4 段稍粗，在4 和5 段之间构成轴肩，用 于确定“被测大轴”的轴向位置。在此设计轴5 段的直径为西2 1 0 m m 。( 4 ) 通过 估算知道仿真“被测大轴”的重量很大，因此在这里轴的两端不用轴承支撑而 是将轴直接放置在支撑架上。因此轴的两端要留有支撑端以便与底座连接，轴2 段和轴7 段即为轴支撑段。此处轴的直径相对来说应该较粗，同时为了拆卸被 测工件方便，此处的轴径应小于“被测大轴”的内径。因此，在此设计轴2 和 轴7 段的轴径为1 0 0 m m 。( 5 ) 考虑到轴的整体设计均匀性，轴3 和轴6 的轴径 为1 2 0 r a m 。( 6 ) 轴的旋转依靠电动机驱动，轴l 段部分( 外伸端) 的轴径利用 皮带轮与电动机连接，在此设计轴1 段的轴径为庐5 0 m m 。( 7 ) 第四章介绍的误 差分离系统中所使用的圆光栅要安装在轴上，因此轴的另一端要留出空间以便 安装圆光栅。轴8 段即为安装圆光栅处，因为所选用的圆光栅的内径为痧8 0 m m ， 因此此段留有轴径为8 0 m m ，厚度为1 0 m m 的台阶，以便安装光栅盘。 9 因此此段留有轴径为# 8 0 m m ，厚度为1 0 m m 的台阶，以便安装光栅盘。 图3 - 4 轴的结构设计圈 3 3 3 轴的强度和刚度计算与校核 1 5 】 l - 轴的强度校核 轴的设计首先要保证强度，常用的强度计算方法有两种，一种是按许用应 力计算，一种是按弯曲和扭转复合强度计算，在这里由丁被测大轴的直径大， 重量重，因此我们主要考虑轴的许用应力，采用许用应力来校核轴的强度。 由于所设计的仿真“被测大轴”是“双层”结构，因此在轴的设计中被测轮 的重量按两者重量之和计算。水轮机凸止口的外径为4 0 0 r a m ，内径为2 0 0 m m ，厚 度为1 3 5 m m ，材料为4 5 # 钢。外侧轮毂的外径为1 m ，内径为2 7 2 m m ，厚度为1 0 0 m m ， 材料为铸铁。轴的转速为每分钟2 转一5 转。因此，通过估算可以知道： 轮重： f ：f 】+ f 2 = 3 1 4x 辈) 2 一卑) 2 】删3 5 9 8 7 8 1 0 3 + 3 1 4 “( 丢) 2 一半) 2 0 1 x 9 8 7 8 1 0 3 = 6 5 2 8 n 轴重： f ：3 1 4 x7 9 1 03 r o 1 2x 0 1 4 + o 0 3 0 ，0 6 2 + o 1 0 52 o 0 0 5 + 0 0 6 o 0 5 2 + 0 0 2 5 2 0 0 6 + 0 0 5 2x o 0 8 + o 0 6 2 0 0 3 ) x 9 8 = 5 0 0 n 总重： f = 6 5 2 8 + 5 0 0 = 7 0 2 8 n 因为上面的计算是粗略估计，为了计算方便，可按f = 7 1 0 0 n 计算。 轴与支撑架之间的摩擦系数为：u = o 2 轴所传递的转矩为：m = f r = 5 0 2 5 0 = 2 5 l o o n m m 根据材料力学公式，可以知道轴所传递的功率为： ：竺：型：0013kwp w = _ 5 _ 。 9 5 ，x 1 0 ”9 5 5 x 1 0 ” 按许用应力计算轴径的公式为： t9 5 5 x 1 0 6 p n ，、 勺2 瓦2 瓦驴一s r ，：轴受t 作用时，轴中产生的切应力( n m m ) ： 孵：轴的抗扭截面系数( m m3 ) ； t ：轴所传递的转矩( n m m ) ； p ；轴传递的功率( k w ) ； n ：轴的转速( r m i n ) ： d ：轴的直径( m m ) ： f ， ：许用切应力( n m m2 ) ； 因此，轴的最小直径 d 2 9 5 5 x 1 0 6 p n ：= c 活 其中的c 值是随许用应力变化的系数，其大小决定于所选用的轴的材料和 载荷的性质。轴的材料是4 5 # 钢，查表可以知道取c 值为1 0 7 。 通过计算可以知道，轴的最小直径d 1 9 9 7 m m ，我们所设计的轴的最小直 径为5 0 m m ，因此所设计的轴的强度是满足要求的。 2 轴的刚度校核 刚度计算的目的是为了分析轴的变形是否超过允许的范围。在载荷作用下， 轴的弯曲和扭转变形过大，会影响轴上零件的正常工作和传动精度。所以根据 使用条件，有的轴需要进行刚度计算。 轴的弯曲刚度计算： 在这里采用等效直径法来计算，所谓的等效直径法即为将阶梯轴转化为等 效光轴，求出等效光轴的直径，然后再根据挠度公式求得挠度即可。 等效直径公式为：d m = 冬警， 己i ， 式中d 一阶梯轴各段的直径； 一对应于谚轴段的长度： 通过计算可以知道我们所设计的轴的等效直径为： ， 5 0 x6 0 + 6 0 1 0 0 + 1 2 0 x3 0 + 2 0 0 1 4 0 + 2 1 0 x 5 + 1 2 0 3 0 + 1 0 0 x 8 0 ， a m 一五鬲再而石面i i 丽再矿一2 1 j l m 巩 剖面惯性矩，：堕：! ：坐! ! ! ：! ：1 4 6 7 。l o s 聊聊 光轴的最大挠度y 。一面面一丽i 丽聂而西丽 = 0 0 0 l m m 查表可以知道，一般用途的轴的许用挠度： y ( 0 0 0 0 3 0 0 0 0 5 ) l = ( 0 0 8 2 5 0 13 7 5 ) m m 所以，y 。 【纠，该轴的弯曲刚度足够。 轴的扭转刚度计算： 满足扭转刚度要求的轴径可以用下式计算： 赴c 污删 式中p 一轴传递的功率，k w _ ，2 一轴的转速，r m i n 卢一系数。实心轴= i ；空心轴= i 一( 哦d ) 4 ；d 。为空心轴的内径； d 一轴的外径，m m c 一按每米长度许用扭转角 币 而定的系数，查表为i 0 8 9 则，d 1 0 8 9 x1 4 0 0 。1 3 ：2 4 5 9 埘 我们所设计的轴的最小直径为5 0 m m ，所以该轴的扭转刚度也足够。 3 3 4 轴上零件的定位和固定i 1 零件在轴上应沿轴向准确定位和可靠固定，以使其有确定的工作位置，并 能承受轴向力而不产生轴向位移。常用的轴向定位与固定方法有两类：一类是 利用轴本身的组成部分，如轴肩、轴环、圆锥面、过盈配合等；另一类是采用 附件，如套筒、圆螺母、轴端挡板、弹性档圈、档环、圆锥销钉、紧钉螺钉等。 1 ) 轴肩和轴环。轴肩由定位面和过渡圆角组成。利用轴肩和轴环定位的方 法简单可靠，能承受较大的轴向载荷。常用于齿轮、轴承等的轴向定位 2 ) 套筒和圆螺母。采用套筒定位，可减少轴肩数目或降低轴肩高度，从而 能缩小轴径，简化轴结构，避免或减小应力集中，但会使轴上零件数目增加。 圆螺母的特点是装拆及调整方便但对于轴的削弱较大，螺纹处会引起应力集中， 相应轴段上结构也复杂。 3 ) 轴端挡板和圆锥面联接。轴端挡板与轴肩相结合，可使轴端零件获得轴 向定位与双向固定。此种方式简单可靠，装卸方便，能承受振动和冲击载荷， 但是需在轴端加工螺纹孔。圆锥面与轴端挡板联合使用或与螺母联合使用，也 均可使轴端零件获得轴向定位与双向固定，前者适用于轻载，后者可以适用于 重载。 4 ) 弹性挡圈。用弹性挡圈结构简单、装卸方便，但因需在轴上开环形槽而 削弱轴的强度，常用于固定滚动轴承，或在轴向力不大时作轴上零件定位之用。 5 ) 锁紧挡环、紧定螺钉和圆锥销钉。这三种方式常用于光轴上零件的轴向 1 2 削弱轴的强度，常用于固定滚动轴承，或在轴向力不大时作轴上零件定位之用。 5 ) 锁紧挡环、紧定螺钉和圆锥销钉。这三种方式常用于光轴上零件的轴向 定位与固定，结构简单、装卸方便。 在本结构中，仿真被测大轴的体积较大，轴的两端没有使用轴承而是直接 与支撑架接触，同时要求被测工件拆盘f 方便，比较以上几种固定方式，综合考 虑，采用轴端挡板的固定方式。如图33 所示在轴端对称的加工八个螺纹孔， 利用压环将仿真被测大轴固定在轴上。 i 一轴2 ，3 一“被测大轴”4 一压环 图3 - 5 仿真被测大轴在轴上的同定和定位方式 3 4 轴支承结构的设计【1 7 】 轴支承结构起着支撑和固定其他零件的作用，因此它的设计对于整个系统 的结构设计有着重大的影响。对于轴支承结构设计的要求有；有足够的强度和 刚度，有足够的精度，有较好的工艺性，有较好的尺寸稳定性和抗振性，外型 美观等 18 1 。按照摩擦的性质，可将支承分为四类：滑动摩擦支承，滚动摩擦支 承，弹性摩擦支承和流体摩擦支承，在机械结构设计中比较常用的是滑动摩擦 支承和滚动摩擦支承。滑动摩擦支承的结构简单，拆卸方便，能够承受较大的 载荷，旋转精度较高。滚动摩擦支承是依靠滚动轴承来支承转动零件的。与滑 动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点。 在本系统中，轴的旋转速度较低，“被测大轴”的重量较大，并且在实验过 程中会经常拆卸“被测大轴”，基于以上的原因选择滑动摩擦支承。在这里，设 计了v 型槽结构的滑动摩擦支承。在这种支撑形式中，轴与支承的接触为线接 触，接触面积较小，因此当支承轴线相对于轴颈有倾斜时，运动件仍能正常工 用。这种类型的结构消除了间隙对精度的影响，减小了需要精加工的表面面积 容易达到较高的精度。为了提高轴的旋转精度，在这里选用4 5 # 钢加工v 型槽 在零件的底端打有螺纹孔以便与支撑板连接。 图3 6v 型槽的结构示意圈 3 5 支架和底座的设计 在本结构中支架主要是起支撑轴、连接底座和v 型槽的作用。结构设计的 比较简单( 如图3 l 所示) 。底座需要承受整个系统的重量，因此我们要正确 的选择支撑点。在这里我们采用五点支撑的方法，在底座的四个脚上分别装有 地脚螺钉，不但能够起到支撑的作用，而且能够根据要求调整整个系统的高度 和平行度。在底座的中心也用了一个螺钉，通过该螺钉将底座与地面连接，加 强了系统得稳定性。底座的外形如下图所示。底座的材料选用铸铁，厚度为 3 0 m m 。 图3 7 底座的结构示意图 3 6 驱动系统的设计 被加工大轴在线测量时，大轴是由加工机械的驱动系统驱动的，转速一般 为2 - 5r m i n ，因此在大轴仿真系统中考虑用电动机带动大轴旋转。一般的电 动机转速都比较大，因此需要通过减速器和变频器使得仿真被测大轴的转速可 在2 5r m i n 任意调节。 3 6 1 电动机的选择 选择电动机应该综合考虑以下几个问题【1 9 l ： ( 1 ) 根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等 要求，选择电动机类型。 ( 2 ) 根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温 升限制、过载能力和启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选 电动机功率应留有余量，负荷率一般取0 8 - 0 9 。过大的备用功率会使电机效 4 率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏，并使按电动机最大转矩校验强 度的生产机械造价提高。 ( 3 ) 根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀 和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构型式。 ( 4 ) 根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要 求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机的额定转速。 除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠，安装检修的 难易，以及产品价格，生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。 由3 3 3 中的计算可以知道，轴所传递的功率为p = 0 0 1 3 k w ，传动比应为 电动机的转速与轴的转速之比，根据设计要求在这里选取电动机的额定转速为 1 3 9 0 r m i n ，考虑整个传动系统的效率，选取的电动机的功率为0 5 5 k w 。最后 查机械设计手册，选取y 2 8 0 卜4 型的三相异步电动机。y 2 系列电动机效率高， 耗电少，性能好，噪声低，振动小，体积小，重量轻，运行可靠，维修方便。 结构为全封闭、自扇冷式电动机，能防尘、铁屑、杂物侵入电机内部。 3 6 。2 减速器的选择 选择减速器类型时，应考虑传动比大小、输入、输出轴的空间位置、使用 条件以及经济性等多种因素。减速器类型很多，每种减速器都有其优缺点，常 用的减速器主要有以下几种【2 0 】： 1 齿轮减速器：普通齿轮减速器( 包括渐开线圆柱齿轮减速器和圆锥齿轮 减速器) 具有效率高，适应性强等优点，其缺点是外廓尺寸较大。因此，适用 于场地空间不受限制、长期或连续大功率工作的场合。 2 蜗杆减速器：工作平稳，无噪音。大传动比时，比普通齿轮减速器体积 小，重量轻，结构紧凑。但普通圆柱蜗杆传动效率较低。因此，只适用于在中、 小功率和间歇工作的场合。 3 行星减速器：与普通齿轮减速器比较，其传动比范围大、体积小、重量 轻、结构紧凑，并且大都可做成输出输入同轴形式。若能合理选择传动类型， 传动效率也比较高。此外，与蜗杆传动比较，它不消耗有色金属。主要缺点是 某些类型的结构稍复杂，如选型不当，可能导致效率过低，甚至在大传动比时 发生自锁。 在设计中，我们要求减速器的体积较小，并且电动机的功率也较小。比较 以上几种减速器的优缺点，根据我们的设计要求蜗杆减速器比较适用。根据减 速器的产品说明我们选择w p a 型的圆柱蜗杆蜗轮减速器。 w p a 型减速器是一种单级基本型蜗杆减速器，具有多种规格，电动机的功 率范围从0 1 2 k w 到3 3 2 k w 。w p a 型圆柱蜗杆蜗轮减速器具有j r s 蜗杆传动 减速机所具有的全部共性性能特点；箱体结构为整体，外形美观大方、刚性好； 箱体型式有基本型( 箱体为带有底脚板的立式或卧式两种结构) 和万能型( 箱 体为长方体，多面设有固定螺孔，不带底脚扳或另装底脚板等多种结构型式) ： 输入轴联接方式有基本型( 单输入轴及双输入轴) 、带电机法兰两种；输出轴 结构有基本型( 单输出轴、双输出轴) 和中空输出轴两种；输出、输入轴位置 方向有输入轴在下及在上；输出轴向上及向下；输入轴向上及向下。 根据电动机的功率和轴的输出转矩，我们选择w p a 6 0 型，速比为1 ：4 0 的 圆柱蜗杆蜗轮减速器。 3 6 3 变频器的选择 在实验中我们不但要求轴匀速运动，并且希望轴速是可调的。异步电动机 的调速方法有很多种，常用的有变极调速，定子调压调速，转子串电阻调速， 电磁转差离合器调速以及变频调速。变频调速具有较好的调速性能，是现代交 流调速方法中具有重要意义的一种调速方法。因此，在这里我们采用变频调速 的方法。 所谓的变频调速就是根据异步电动机的转速关系n = 6 0 f , ( 1 一s ) p ，当极对 数p 不变时，电动机转子转速月与定子电源频率五成正比，因此连续地改变供 电电源的频率，就可以连续平滑地调节电动机的转速，这种调速方法就是变频 调速【2 “异步电动机变频调速具有调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的 优点，可以方便地实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压 调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相比美。目前变频调速已成为异步 电动机主要的调速方法，在很多领域都获得了广泛的应用，随着一些新技术新 理论在异步电功机变频调速中的应用，如矢量控制、无速度传感器技术等，它 将向更高性能、更大容量以及智能化等方向发展。 根据技术要求我们选择了西门子公司的m i c r o m a s t e r 4 4 0 型变频器。 m i c r o m a s t e r 4 4 0 是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。它采用高性能 的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过 载能力，以满足广泛的应用场合。创新的b i c o ( 内部功能互联) 功能有无可比 拟的灵活性。 下面是所选用的变频器的一些特性【2 2 1 ： 主要特征： 2 0 0 v 一2 4 0 v l o ，单相三相，交流，0 1 2 k w 一4 5 k w ； 0 3 8 0 v - 4 8 0 v i o ，三相，交流，0 3 7 k w 一2 5 0 k w ； 矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制； 高过载能力，内置制动单元； 三组参数切换功能。 控制功能： 线性v f 控制，平方v f 控制，可编程多点设定v f 控制，磁通电流控制 免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式； 标准参数结构，标准调试软件； 数字量输入6 个，模拟量输入2 个，模拟量输出2 个，继电器输出3 个； 独立i o 端子板，方便维护； 采用b i c o 技术，实现i o 端口自由连接； 内置p i d 控制器，参数自整定： 集成r s 4 8 5 通讯接口，可选p r o f i b u s d p d e v ic e n e t 通讯模块；