曲轴轴颈圆度自动检测仪的设计

曲轴轴颈圆度自动检测仪的设计 摘 要：本次设计主要运用在线检测原理使用传感器同时测量曲轴主轴颈的圆度误差。曲轴圆度误差是形位误差中必不可少的一个测量方面，它直接影响发动机的各个性能。伴随着科学技术的发展，生产现场对形位误差测试的要求不断提高，一些原有的测试手段已不能满足产品的需要。基于这种情况下，本次设计采用顶尖定位，三爪卡盘夹紧，用传感器测量数据，经信号放大、滤波、A/D转换、微机处理,最后得到精确圆度误差。 关键词：曲轴；误差；测量；数据；传感器The Desing of Automatic Detector for Roundness of Crankshaft SpindleAuthor.Li Guangmang Tutor.Zhou Guangyong(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract：This design mainly utilization online examination principle uses sensors simultaneously to survey the crank main journals roundness errors. The mian journals roundness error is in the shape position error of the essential survey aspect, its immediate influence engines each performance. With the science and technology developed, produces the scene the request which tests to the shape position error to continuously improve , some original test method has not been able to satisfy the need of product. Based on this kind of situation, this design uses the apex localization, three jaw chucks clamp, with the sensor metrical data, singnal amplifcation, the filtering, A/D after the signal to transform, microcomputer processing, finally obtains the precise roundness error. Key words: Crank axle; Error; Survey; Data; Sensor1 前言 曲轴是汽车发动机的关键零部件其精度直接影响到发动机的各项性能指标。目前国产曲轴磨床加工的曲轴连杆轴颈所能达到的圆度约为001ram，而汽车发动机曲轴连杆轴颈圆度要求约为0O05mm。如果单纯提高曲轴磨床的精度将使机床成本成倍增加。若在现有国产曲轴磨床上加入圆度误差临床测量和补偿控制装置，既可以使国产曲轴磨床加工的圆度误差满足生产需要，又可以为国家节省大量的外汇经济效益显著1。曲轴的材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：主轴颈，连杆颈，（还有其他）。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的润滑主要是指与摇臂间轴瓦的润滑和两头固定点的润滑这个一般都是压力润滑的，曲轴中间会有油道和各个轴瓦相通，发动机运转以后靠机油泵提供压力供油进行润滑、降温。发动机工作过程就是，活塞经过混合压缩气的燃爆，推动活塞做直线运动，并通过连杆将力传给曲轴，由曲轴将直线运动转变为旋转运动。曲轴的旋转是发动机的动力源。也是整个系统的源动力2。旧式圆度测量仪的数据处理方法是：记录仪将轴类零件的实际外圆轮廓线记录在纸上。然后用刻有多个同心圆的有机玻璃块覆盖在记录纸上相对滑动，找出包罗图形的最小同心圆环带，来评定工件的最大圆度，这样测量得到的结果，因人而异，误差很大。接着出现的测量仪以解决前者弊端为目的，该仪器测量的原理是：将工件安放在一个旋转的工作台上，一位移传感器的测端与被测轮廓接触，在转台旋转过程中，传感器测端的径向变化莫测与被测轮廓相当，次信号通过放大、检波、滤波后驱动记录器表头，用电敏方式将轮廓的径向变化记录在与转台同步转动的记录纸上，然后由测量人员借助一同心圆透明样板，按GB1183-80规定，人员评定被测工件的圆度和偏心值。该仪器的电器元件，性能和质量均不理想，另外人工评定方式也会造成很大的人为误差。总之，这种方法存在两方面的不足：一是测量误差大、精度低、人工画图时要产生误差；二是劳动强度大、效率低。由于测量数据必须记录在表格中，再进行人工绘图，造成工作量大，耗费时间3。计算机控制的圆度测量仪是用计算机软件取代了传动仪器中的部分电器元件，用计算机代替人工进行评定。使仪器的测量精度得到提高。用计算机来控制圆度测量，使测量技术有了很大的发展，大量的圆度测量装置涌现，但在传统上，圆度测量装置是一个其运动精度超过实施圆度测量精度的旋转机械为基础，假定运动误差特别小，测量工件表面的位移传感器读数直接用来处理工件的圆度误差4。本检测系统是采用三爪卡盘夹紧，利用顶尖定位，用传感器测量数据，经信号放大、滤波、A/D转换、微机处理,最后得到精确圆度误差。经过大量的搜集资料和整理，本检测方案达到要求的精度。该设计的圆度测量仪是一种精度高、功能多、性能稳定、测量数度快、操作简单和使用方便的圆度误差测量系统。2 在线检测的定义及意义在线检测系统，从狭义上来说，是指在机械加工生产线上，加入某环节，以便对加工中的某些参数或工况进行检测。在线检测包括检测与控制，也就是说在生产线上应用各种传感器，对生产产品的某些参数进行实时监测，将分析处理测量结果所获得的信息，与预先设定的参数进行比较，然后根据误差信号作出工艺决策（如报警、停车、反馈调节等）。以保证产品的质量或使生产处于最佳状态下进行。在机械工业中，已逐步广泛应用在线检测这个词来表达机械加工过程中对几何量、机械量的检测。对于复杂零件还有形状和位置公差的要求，这是保证高质量的机械制造产品所必需的。在机械生产加工线上对零件的形位误差进行检测，必须设立检测工位。所以说，自动检测装置自动线上的形位检测工位，是自动生产线上不可缺少的组成部分。在机械制造行业中，应用在线检测技术，会使社会经济效益增加，主要体现在：1）保证产品的质量。产品质量是生产者与用户共同关心的首要问题。根据1993年统计数字表明：我国目前每年生产中废次品率高达5%10%，如果废次品率下降1%，即可为国家减少几十亿的损失。而在线检测可在生产线上监测产品生产过程的质量指标，把废品消灭在萌芽状态。在理想状态下，可以保证合格品率达到100%。2）节约和降低成本，减少废品，减少材料消耗，减少次品返修率，都可以节省材料、能源，降低了成本。3）提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。由于采用在线检测，可减少停机和设备的调整时间，减少检测人员数量，从而提高劳动生产率。在生产环境恶劣的地方，在产品数量大的地方，应用在线检测可以大大减轻工人的劳动强度。3 形位误差检测3.1 形位公差以及圆度的定义形状公差是指单一实际要素的形状所允许的变动全量。形状公差用形状公差带表达。形状公差琮是限制实际要素变动的区域，零件实际要素在该区域为合格。形状公差带包括公差带形状、方向、位置、和大小等四个因素。其公差值用公差带的宽度或直径来表示，而公差带的形状、方向、位置、和大小则要随要素的几何特征及功能要求而定。圆度的定义圆度公差带是垂直于轴线的任意正截面上半径为公差值t的两同心圆之间的区域（如图1） 图1 圆度 Figure 1 Roundness3.2 形位误差检测的特点 第一个特点是加工后测量。形位误差涉及到某方面的全部尺寸，所以只能在加工完了后进行测量。例如，在机床上加工圆柱体，其圆度误差与每个截面上的直径尺寸有关，所以，其圆度误差只有在加工完了后才能被测量出来。第二个特点是多尺寸测量。由于五花八门误差涉及某方面的全部尺寸，为了获得全部或较多的尺寸信息，可用少传感器的扫描测量或多传感器的测量，传感器数量越多，获得的信息越多，测量准确越高，否则相反。第三个特点是数据处理。由于形位识差涉及到某方面的全部尺寸，当获得信息后，还要经过运算后才能求出形位误差，也就是说，形位误差不能直接测量出来。3.3 形位误差检测的基本原则检测误差的具体方法，随检测对象的特点、精度要求以及设备条件不同，可以采用多种方法。只要能够保证一定的测量精度，又符合经济原则，就是一个合理的方案。按国标，将常用仪表显示的各种检测方法概括为以下几种检测原则。检测原则一：与理想要素比较原则。该原则是将被实际要素与理想要素直接进行比较，得到一系列数据，再根据这些数据评定形位误差。检测原则二：测量坐标原则。该原则是指被测要素的测得数据为相对于某种坐标而言的坐标值，再根据这些数据处理后获得形位误差的一种原则。检测原则三：测量特征参数原则。特征参数是指表征被测要素形位误差的某种具有代表性的参数。用特征参数来表征形位误差，可使测量设备简单，测量过程简化，从而提高测量效率，有较好的经济效果。检测原则四：测量跳动原则。该原则是在被测要素绕基准轴线回转过程中，相对于某参考点或线的变化情况来表示跳动值的一种原则。检测原则五：控制实效边界原则。图样上按最大实体状态给出形位公差时，通常用综合量规来检验被测要素。检测原则五即用综合量规检测的原则。4 圆度误差的评定4.1 圆度误差的评定方法及比较测量曲轴轮廓是评定圆度误差的依据，对于同以测量轮廓来说，选取不同的圆度评定中心，将会得到不同的半径差值，即不同的圆度误差值，圆度误差的评定方法有最小外接圆法（MCC）、最大内切圆法（MLC）、最小包容区域法（MZC）以及最小二乘圆法（LSC）最小区域中心是包容同一测量轮廓且半径差为最小的两个同心圆的圆心，其半径差即为圆度误差，这就是最小条件原则评定的方法以。下面介绍两种常用的评定方法，从中选出适合于评定曲轴圆度的评定方法。1）单纯形法单纯形法试图从其它方法得到的结果作初始值来搜索最小圆度值。但除非在很多方向上进行交替搜索后得到证实，否则就很难说，这样得来的值是不是真实的最小值。2）最小二乘法最小二乘法已是众所周知并应用于很多领域。在此情况下，在忽略二次项使方程线性化时，可获得简单最小二乘图。这在很多场合是适用的。3）直觉法当数据为均布时，直觉法是简便的。和最小二乘法相比，这种方法亦同样有效。4）圆的一般二次方程式法在圆的一般二次方程的解法中，扩展了一个新的标准。它考虑到由椭圆的特性而来的偏差平方和并使之最小。与最小二乘法不同，这里并未忽略二次项 但扩展了一个新的标准。这样方法亦与最小二乘法一样有效。5）最佳椭圆逼近法在最佳椭圆逼近法中确定了最佳逼近椭圆中心并以这个中心确定圆度。这一方法的优点在于给出了误差最大的方向(椭圆的长轴方向)。综上所述，应该注意 使用所提及的任一种方法皆不会失去太多的精度。可是，为要确定最小半径差的中心，就需要在各不同方向用单纯形法搜索。4.2 最小二乘法评定圆度最小二乘圆是一个穿过实际被测轮廓的圆，它是一个理想化的圆，它所处的位置使实际被测轮廓上各测点至它的距离的平方之和为最小。其圆心称为最小二乘圆圆心。以中心为基准，画出包容圆图形的两个同心圆，以半径差作为圆度误差，从误差理论上来看，以最小二乘圆作为评定基准是最合理的，其特点是圆度误差的数值和中心位置均是唯一的，评定结果不易受到个别大误差的影响，能反映出整个实际轮廓的情况。并作为圆度细化项目的基础 测量中心O为测量实际被测轮廓时所采用的坐标系的，令最小二乘圆圆心的直角坐标为G（a，b）,按直角坐标系获得实际被测轮廓上各测点的坐标为Pi(xi,yi),按极坐标系获得实际被测轮廓上各测点的坐标为,则最小二乘圆圆心的坐标值a和b按下式计算: 式中 n测点数目最小二乘圆的半径R按下式计算： （1）取最大二乘圆圆心至实际被测轮廓的最大距离与最小距离之差作为圆度误差值，即。因为用最小二乘法评定圆度误差时，评定时的数值和中心位置均是唯一的，评定结果不易受到个别误差的影响，能反映出整个实际轮廓的情况。所以曲轴主轴圆度的误差评定方法选用最小二乘法来评定。 图2 最小二乘圆Figure2 Least square circle4.3 原始数据的处理因一个回转体零件，其横截面轮廓是否为一正圆，需要与理想圆进行比较后，才能得正确结论。又根据上述论证选取最小二乘法来评定。如果一条圆周线把在一圆形工件所采集的n个点进行采样的数据拟合起来，使得这些点到圆周曲线上的距离的平方和为最小，这个圆就是最小二乘圆，如图所示。已知O点是传感器扫描机构的回转中心；a、b分别是理想圆的圆心横坐标及纵坐标；e是圆心至回转中心的距离。以O为坐标原点，等间隔地圆周n等分，测得极坐标为（），其中i1,2,3，n,由图（3）可知，其中为测量点至理想圆的偏差。图3 坐标图 Figurre 3 Coordinates map最小二乘法的原理可写为 （2） 为使轮廓圆与理想圆之间的面积最小，应满足： （3）由上图可知：a是线段e与水平方向的夹角，由于eR,则上式可以简化为： （4）设由极值条件可知： （5） （6） （7）由上式（4）可解得： （8）由上式（5）可解得：因为 所以 （9）令偏心e在x轴的的投影为a，在y轴投影为b，则a=ecosa,b=esina,求解式得 （10）对式（7）和式（9）以求和代替积分得： （11）式中，R为最小二乘圆半径；a、b为最小二乘圆圆心坐标。由被测工件圆轮廓圆心角的大小确定由以上可得到圆度误差为： 5 方案评定5.1 测量原理传感器和测量头固定不动，把要测曲轴安放在回转主轴上或者回转转台上，在转台的带动下随转台一起转动，安放在转台上面的陪测圆光栅盘随转台同步转动随工作台一起回转，产生脉冲，使安放在主轴上面的电感式传感器进行测量，核心部分是信号拾取，也就是利用传感器来检测被测工该仪器的检测原理，将被测工件放置在一个旋转的工件轮廓的变化并换成电信号，再将此电信号进行处理和转换，最后输入计算机中进行处理，然后利用相应的圆度评定方法就可以得到比较精确的圆度误差。5.2 方案论证测量参数：主轴轴颈：直径40mm；主轴轴颈7个；曲轴总长：900mm主要设计参数：零件重量：40kg1）方案一：采用转台旋转带动曲轴的方法，采用七个传感器同时对曲轴七处主轴颈进行测量当工件随转台回转一周时，传感器可测得测头所在工件截面各点的测值，各点的测值经过放大、滤波、A/D转换，最后由微机进行处理，利用相应的圆度误差评定方法进行评定，得到圆度误差值。该方案在设计时思想清晰，结构简单，测量效率比较高，采用顶尖定位，三爪卡盘夹紧的方法，因为三爪卡盘有自动找心的作用，只要保证三爪卡盘中心和顶尖的同轴度，能很好地进行测量。并且由于曲轴比较长(900mm)，重量为40kg，另外还有很多连杆轴颈，用这种方案能保证很好的旋转精度和力矩。并且这种方案成本比较低，工件装卸简单方便，能适合多种工件的圆度测定，使用范围比较广，测量所得的精度比较高。2）方案二：采用双顶尖定位，用鸡心夹头夹紧，也采用七传感器同时对曲轴七处主轴颈进行测量，当工件随转台回转一周时，传感器可测得测头所在工件截面各点的测量值，各点的测量值经过放大、滤波、A/D转换，最后由微机进行处理，利用相应的圆度误差评定方法进行评定，得到圆度误差值。方案二设计比起方案一，在工件的装夹和定位上面都有很大的不同。虽然双顶尖定位时，由于两端都是锥面定位，其定位准确度比较高，多次装卸和掉头，曲轴的轴线也始终是两端锥孔的中心连线。其回转精度有了改善，但是由于工件比较重，使用鸡心夹头不能很好的保证回转精度，并且不能提供足够的力矩，致使测量精度不能得到很好的保证。 所以在该设计中采用方案一。6 自动测试系统总体方案的设计检测系统采用了以微型计算机核心测量系统，位移测量用位移传感 ，被测工件同轴安装，测头与位移传感器安装在可升降调整的丝杆上，在径向测量力的作用下与被测工件保特接触，两路信号经A/D数模转换送进微型计算机内，再由软件程序处理计算得到各项误差。其总体设计方案示意图如下图4所示。 在仪器工作时，放置在工作台上的陪测光栅盘随仪器同步转动，陪测光栅盘和基准光栅盘每转过一条栅线，它们各自都会产生一个完整的正弦（余弦）信号，经过差分、放大、调整、进入计算机细分、计数系统。当陪测盘计数系统计到给定的值时，就会发出一个采拌脉冲允许A/D采集器采集基准光栅信号的当前值，并将所采集的值转换成角度值，并给位移传感器一个脉冲，使位移传感器采样，允许A/D采集器采集基准光栅信号的当前值，并将所采集的值转换成角度值，对以上采集到的数据进行微机处理，得到最终的圆度误差，方案如图5所示。 图4 系统示意图 Figurre 4 System schematic drawing图5 数据采集方案 Figure 5 Data acquisition program6.1 传感器的分类及选择 传感器有两种常用分类方法：第一种是按工作原理分类，如应变式，压阻式，压电式，光电式等；第二种是按被测量分类，如力，位移，速度，加速度等。这两种分类方法有共同的缺点，都只强调一个方面，所以在许多情况下往往将上述两种分类方法综合使用，如：应变式压力传感器，压电式加速度传感器等。圆度误差测量的传感器有很多种，如电容式传感器、涡流式传感器、电感式传感器等。本文选用的是电感式传感器，它是将被测部件几何尺寸的微小变化转换为线圈的电感变化来实现测量。它具有精度高、工作稳定、结构简单的特点。信号的拾取和放大主要由测量传感器、测量放大器构成，用于圆度度公差测量信号的拾取和放大。检测工作台上的电感传感器与工件表面轮廓相接触。将其径向位移信号转拘成高频调制信号，输入到信号采集和控制卡中，然后经过倍率选择、放大滤波、调制电路和A/D转换电路完成信号的前端处理和转换。经过比较，选用变圆柱截面积型差动电传感器DGC6PG/A型杠杆式旁向测头种差动电感传感器具有精度高、线型范围大、稳定性好和能够准确出微小尺寸的特点。由电感传感器获得的信息，通过测量线路变化-5+5V模拟量，再经A/D卡送入计算机作数据处理。采样逻辑控制由位置检测、电平转换、数字输出输入构成，用于曲轴的圆度误差信号的等间隔采样点的同步等。转换部分和逻辑控制部分一起实现对误差信号的采集，通过采样逻辑控制功能的组合和变化，可实现被测曲轴圆度误差信号的在线或离线测量。6.2 滤波器的选择我们知道，滤波器对圆度轮廓的影响是用每转等间隔波纹数（OPR）为单位来定义的，在灰顶的滤波器截止值内，滤波器对圆度轮廓只有很小的影响或无影响，它在测量中是当零件表面存在靠得很近的幅度波纹而掩盖表面轮廓特征时，滤波器是揭示工件几何轮廓的辅助工具，或在一定条件下揭示较大间隔幅度的存在，使测量结果真正反映零件的实际表面。如何根据零件表面加工情况来选择滤波器小波段才能使测量误差最小，本文根据已知结论进行引用。 （12）其中D是被测工件的直径工件的直径，0.8是被测量工件测量面的加工方法所选用的切除波长值地，大多数精密切削加工表面采用0.8.表本设计中D40所以由上述公式可计算得到=157OPR157接近1500PR，所以该装置中的滤波器选用1150OPR档。6.3 位置检测元件的设计在本检测系统上使用圆光栅作为位置检测装置。它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给计算机，实现闭环位置控制。光栅是由标尺光栅和光学读数头两部分组成。长光栅的标尺光栅固定在工作台上，光栅读数头装在工作台座上，指示光栅装在光栅读数头中。标尺光栅和指示光栅的平行度及两者之间的间隙要严格控制，一般控制在0.005到0.1mm之间。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。圆光栅的标尺光栅固定在精密回转轴上，光栅读数头装在测头支座上，指示光栅装在光栅读数头中。标尺光栅和指示光栅的平行度及两者之间的间隙要严格控制，一般控制在0.005到0.1mm之间。当光栅读数头相对于标尺光栅转动时，指示光栅便在标尺光栅上相对运动。 光栅尺是指示尺头栅和指示光栅，它们是用真空镀膜的方法刻上均匀密集线纹的长条形金属镜面。光滑的线纹相互平行，线纹之间是相等的，线纹密度为50线/mm。光栅读数又叫光电转换器，由电源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。它把光栅莫乐条纹变成电信号，送入计算机，莫尔条纹具有如下特点：1）用平行光束照射光栅时，莫尔条纹有亮带到暗带、再由暗带到亮带，透过光的强度分布近似于余弦函数。2）起放大作用。3）起平均误差作用。4）莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成正比例。6.4 A/D转换器的选择如果说数据采集系统的性能影响到虚拟仪器的整体性能，那么A/D转换器的性能就是数据采集系统的关键了，而A/D的性能集中在采集精度与速度。其设计如下：1) 传感器输出的信号为一正弦波，根据实际测量，信号周期T0.1ms；信号频率；f=10000HZ。根据奈奎斯特理论，只有采样频率大于系统信号最高频率（包括噪声信号）的2倍以上，采样信号才能恢复成原始横模拟信号。实际上，为保证信号质量，选用的采样频率经常大于采样定理所指出最小采样频率，即fs2fmax.但采样频率提高以后留给每次进行转换的时间也相应的缩短了，这就要求转换电路必须具备更快的工作速度。因此不能无限制的提高采样频率，通常取fs=(35)famx。就已满足要求。就本文而言fmax=10KHz，则取fs=5famx50KHz.2)分辨率的选择 当测头装在30mm测杆上，测量范围，测量精度。通过实际测量，传感器最大输出信号为71mv即为测头最大量位移，则当测头径向移动，传感器输出信号电压为u,u=0.028mv即u为传感器最小输出信号，根据分辨率公式。分辨率测量电压满量程/增益测量电压满量程式中：n分辨率为n位取测量电压5V取增益为1，则有。 分辩率 解之 n=18 取增益为70即把传感器最大输出放大到A/D测量满量程，则有分辩率N=126.5 驱动部分根据设计需要并参考机械部分的构造，一共选用1台步进电机来实现测量装置的动作。在选择步进电机时，不仅电机的转速高低要适中。因此选用型号为PM42S-0480-SKA9的步进电机。采用平板安装的方式，这样能很好的保证力矩的传递，它具有一下六个方面的特点：1）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。2）位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。3）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。4）易于起动，停止，正反转及速度响应性好。5）停止时可有自锁能力。6）步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低转速下高转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。7 机械系统的设计机械机构部分的主要任务是为了固定步进电机、传感器和被测工件，并按预定的要求进行进给和旋转扫描、收集信息而设计的。该测量系统的机械工作过程：将曲轴置于旋转工作台上，通过顶尖定位和三爪卡盘夹紧，用七个传感器同时测量七个主轴颈，并采集所需数据后分别送予计算机处理。7.1 联轴器的选用此部分的设计包括轴、联轴器和电机的配合设计。根据本测量装置机械部分所使用的电机，再由精密回转轴以及电机轴和曲轴的尺寸，且因为凸缘联轴器具有结构简单，成本低，可传递较大转矩的特点对转速低，无冲击，轴的刚度大，对中性较好时常采用。故选用刚性联轴器。根据计算转矩T及所选的联轴器类型，按照TT （13）的条件由联轴器标准中确定该联轴器型号是否达到要求。T为该型号联轴器的许用转矩。则可知：55BF003反应式步进电机：T0.672.31.541N.m63， 凸缘联轴器达到要求。7.2 轴承的选择因为曲轴的重量为40Kg，长为900mm，所以旋转时所需的力矩很大，因此在连接三爪卡盘时的轴须采用轴承以承受径向载荷及轴向载荷。故此，选择采用成对的角接触轴承以承受径向载荷和轴向载荷。7.3 丝杆的设计丝杆的传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的，它由手柄来带动螺杆旋转，它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动的动力。螺杆和螺母的相对运动关系，螺旋传动的常用运动形式有两种，1）螺杆转动，螺母移动。2）螺杆传动并移动。在本设计的装置中，采用第一种形式，使丝杆转动，带动螺母上的测杆移动，使传感器和曲轴有一个准确的位置。滑动螺旋的结构和材料：螺旋传动的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支撑的结构形式，螺旋传动的工件刚度与精度和支撑结构有直接关系。滑动螺旋在国内的螺纹类型有矩形，梯形和锯齿形。其中以梯形和锯齿形螺纹应用最广。传力螺旋和调整螺旋要求处琐，所以采用单线螺纹。螺杆和螺母的材料：螺杆材料要是足够的强度和耐磨性。螺母材料除要有足够的强度外，还要求在与螺杆配合时摩擦系数小和耐磨。对于螺杆在装置中的用处，它经常运动，受力不大，转速较低的传动，选用材料Q235,螺母在整个装置中，要求耐磨，强度高，属于低速传动，采用材料铸铝青铜。采用铸造的方式加工。螺杆传动的设计计算：滑动螺旋工作时，主要承受转矩以及轴向拉力的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动，其失效形式主要是螺纹磨损，因此，滑动螺旋的基本尺寸，通常是根据耐磨条件确定的。耐磨性计算：滑动螺旋的磨损与螺纹工作表面上的压力、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表面上的压力，压力越大，螺旋副之间就会容易形成过度磨损。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。由于螺杆螺母的材料分别为Q235和铝铸青钢，滑动速度为低速，所以取P20MP值一般取1.22.5.对于整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，为使受力分布均匀，螺纹工作圈数不宜过多，故取1.2,通过手册可知，取F3KN则 取 设计螺距p5mm 对于矩形螺纹和梯形螺纹，螺纹工作高度h=0.5 p=2.5现取 h=3mm螺母高度 对所设计螺纹副进行校核 （14）代入数值可得螺纹副主要视图如下（图6） 图6 丝杆 Figure 6 Lead screw7.4 定位夹紧机构的设计在测量轴类零件时，大多数采用顶尖定位，把轴架在顶尖上，并用三爪卡盘夹紧，使工件和主轴一起旋转。 安装校正顶尖。顶尖是借尾部锥面与主轴或尾座套筒锥孔的配合而夹紧的，因此，在安装顶尖时，必须先擦十净配合面，然后用力推紧，否则装不牢或者装不正，同时，还须校正顶尖和三爪卡盘中心的同轴度。如果不重合，必须将尾座体横向调节，使之符合要求，在该设计中，对与曲轴的旋转精度要求很严格，所以，在测量前只凭视觉来对准顶尖是不够的，还需要边测量边调整。由于测量圆度是在加工完全之后进行测量的，所以要在曲轴的相应装夹处垫上一个开缝的小套或者是包上薄筒皮，以免在测量装夹时夹伤曲轴已加工表面。在调节顶尖和三爪卡盘中心的同轴度前，松开固定螺栓，挥动调节螺钉，使顶尖产生移动，使两者的轴线重合为止，然后拧紧固定螺栓。尾座体的横向调节结构如下图所示。 图 7 尾座调节 Figure 7 Tailstock regulation 图8 测杆 Figure 8 Measuring bar7.5 测杆的设计测杆在整个装置中占有很大的一部分，在测量过程当中，要保证测头和被测主轴颈之间有一个准确的位置，这就要求测杆在横向和纵向都是可调的，测杆的一端通过螺钉与丝杆上的螺母之间连接，在调节测头的时候，松开测杆上面的两个螺钉，稍稍敲击测头，在测头到达所要求的准确位置后，琐紧螺钉即可，测杆在测量时要常常进行调节，来保证测量的精度，这就要求测杆有足够的耐磨性能，在材料的选择上，选用量具用钢，根据要求，在测量时要求精度高，不能因磨损或者尺寸不稳定影响测量精度。对其材料要求如下：高硬度和高耐磨性。高尺寸稳定性，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。一般精度要求高的测量装置中，选用CrWMn、CrMn、GCrL5等。由于CeWMn钢耐磨性和尺寸稳定性较好，多用于制造高精度块规、千分尺等、所以在该设计中，选用GCr15钢来制造测杆，如图8,使其各个性能都达到要求。7.6 整体结构的设计整体结构的设计对整个装置的性能是有很大的影响的。整个测量装置的机械结构部分是许多零散的部件，必须用一个机构将这些零散的部件整合起来，使之成为一个有机的整体，来组成圆度测量的硬件设施，从系统设计的角度出发，总的设计方法是将整体的结构设计成车床形式的样子，最上面是平板，平板上面一端是主轴箱，另一端是尾座，在床身内部有丝杆，测杆通过丝杆上的螺母进行轴向进给，在高度的设计上，考虑到了测量人员的习惯和人性化的测量，不会使测量人员感到疲劳，所以整个装置的高度应该在一米左右，这样有利于工件的安装和拆卸，为了安全起见，导轨一下的部分用金属壳包起来，使整个装置，从外观上看很简单明了，在测量时又不乏有高精度测量仪器的精度。如图9所示： 图9 总体装配设计 Figure 9 General assembly design 8 程序处理的设计用C语言进行编程Main() Float i,j,x,r,a,K1,K2,S1,S2,Float j, ri ,Pi，Px, PyS1=0, S2=0 For (j=0 jn j+) K1=rj*double(cosj) K2=rj*double(sinj) S1=S1 + K1 S2=S2 + K2 A=2/n + S1 B=2/n + S2For (i=0 i=n i+) Pi=ri-R-A*cosi-B*cos aFor （x=0 x=n x+） max=P1 If(Px ma x) max=Pi Else max=P1For (y=0 ymin) min=P1 Else min=P y=max-min Print f(“%”，) 图10 程序框图Figure 10 Process diagram9 测量精度分析该测量系统的精度主要取决于以下几个方面：1)工件中心孔的圆度误差因为工件跟随三爪卡盘进行旋转，在装夹工件时，由于中心孔的圆度误差会引起装夹误差，最后导致测量误差。采用研磨中心孔的办法可以使该误差降到最低，一般可以使误差小于0.65um。2)侧头安装位置引起的测量误差由于侧头安装时可能产生偏移，其测量误差约为0.04um。 3)圆度测量仪的实际测量精度取决于装置在制造过程中的材料的选用，加工精度，组装情况和使用过程中的调整好坏，在制造过程中，关键在于传动丝杆和测杆的加工和组装。10 结束语毕业设计是大学本科教育最后一个重要的实践环节，这次毕业设计是对本人知识能力水平的一次全面检验，是对本专业知识的一次拓展，也是本人从在学校学习向社会工作的一种很好的过渡。因为这个毕业设计的题目既是以本专业为基础，优势在实际工作中提出的，而且涉及的知识面很广，如在数据采集，数据处理等方面的理论就是在以前的学习中接触不多的，整个设计既有机械机构设计又有硬件，软件的设计，这也就相应地使我们在整个毕业设计过程中遇到了诸多困难，但在老师的帮助下，许多问题都经过努力很好的解决了。参考文献1 沈德和.臧汉荣.汽车发动机曲轴连杆轴颈圆度临床测量的研究J.机械设计与研究, 1993（4）：15-302 王华定.两点法测量船舶柴油机曲轴轴颈圆度误差的研究J.渔业现代化,1997（5）：10-343 曾