火车车轴尺寸检测系统机构设计

火车车轴尺寸检测系统机构设计摘要在铁路高速、重载的发展形势下，即提高铁路的运输能力，实现铁路运输的现代化，又保证铁路的运输生产安全，显得尤为重要，如果没有性能良好的车轴作为保证，要提高车辆的运行速度和运行安全是不可能的。车轴尺寸检测对检修车轴中处于关键地位，是保证车轴质量的重要手段，传统的检测方法是以人工操作为主，数据的判断读取存在较大的人为误差，所以影响了检测结果的准确性、真实性，也直接影响了车辆的行车安全。所以急需对现有的检测方式进行微机化、自动化改造，以消除测试过程中人为因素对测量结果的影响，用先进的设备保证车辆的行车安全，所以本文研制一种火车车轴尺寸检测系统机构测量机来解决这个问题。本文研究的车轴尺寸检测机构是一套现代化的智能检测系统，能满足火车车轴各个尺寸的检测，火车车轴尺寸测量机构主要是由侧翻机构、夹紧机构、旋转驱动、测量机构等组成，火车轴尺寸测量机改变传统人工测量的方式，实现车轴尺寸检测，避免人为测量中的误判及波动，以及误检、错检等弊端。关键词：旋转机构；侧翻机构；顶尖Abstract：Underthesituationofthedevelopmentoftherailwayhighspeed,heavyload,namelytoimproverailwaytransportcapacity,realizethemodernizationofrailwaytransportation,andensuretheproductionsafetyofrailwaytransportationisparticularlyimportant,ifnotthegoodperformanceoftheaxleasaguarantee,toimprovevehiclerunningspeedandtransportsecurityisnotpossible.Detectionofaxlesizeofmaintenanceaxleinthekeyposition,isanimportantmeanstoensurethequalityoftheaxle,thetraditionaldetectionmethodismainlybymanualoperation,dataofthejudgeandreadthereisalargeman-madeerror,sotheeffectoftheaccuracyandreliabilityofthetestresults,hasadirectimpactonthesafetyofvehicles.Sothereisanurgentneedtoontheexistingdetectionmethodsofcomputerandautomationtransformation,inordertoeliminatethetestintheprocessofhumanfactorsonthemeasurementresultsandadvancedequipmenttoensurethesafetyofvehicles,sointhispaper,thedevelopmentatrainaxlesizedetectionsystemmeasuringmachinetosolvethisproblem.Theaxledimensiondetectionmechanismisasetofmodernintelligentdetectionsystem,canmeetthedetectionoftrainaxlesofeachsize,trainaxledimensionmeasuringmechanismismainlybytherollovermechanism,aclampingmechanism,arotatingdriving,measurementmechanism,shafttrainsizemeasuringmachinechangesthewayoftraditionalmanualmeasurement,sizedetectionofaxlesandavoidartificialmeasurementerrorandfluctuation,andfalsedetection,falsedetectionofdrawbacks.Keywords:Rotatingmechanism；rollovermechanism；coreclamper 目录1绪论11.1问题的提出11.2课题研究的目的与意义21.3国内外现状分析31.3.1国内现状分析31.3.2国外现状分析31.4发展趋势42火车车轴尺寸检测机构系统的方案设计42.1概述42.2主体设计52.3火车车轴尺寸检测系统的设计方案53火车车轴尺寸检测机构液动系统设计73.1液压部分设计与计算73.1.1液压缸的设计计算与选取83.1.2液压缸的缸筒的设计与计算83.1.3活塞杆的设计与计算93.1.4最小导向长度H的确定114火车车轴尺寸检测机构机械系统设计134.1电机的选型设计134.2顶尖心轴的设计214.2.1顶尖的计算214.2.2轴承的寿命计算214.2.3轴承的静强度计算234.2.4顶尖心轴的设计与计算244.3翻转机构的设计与强度校核254.4滚珠丝杠及电机选型计算27 4.4.1确定滚珠丝杠副的导程274.4.2滚珠丝杠副的载荷及转速计算284.4.3滚珠丝杠副预期额定动载荷284.4.4导程精度的选择294.4.5丝杠电机的选择295检测部分315.1激光位移传感器的简介315.2激光位移传感器的工作原理325.3上下滑架的设计33毕业设计总结35参考文献36谢辞37绪论1.1问题的提出中华人民共和国铁路主要技术政策指出:铁路是国家重要的基础设施,国民经济的大动脉,交通运输体系的骨干。为贯彻国家可持续发展战略,适应和促进国民经济发展和社会进步,应充分发挥铁路技术经济优势,积极发展铁路,满足运输市场需求。铁路技术发展的总原则是：在国家发展战略指导下,加快科技进步,突出技术创新,以市场为导向,加快科技进步,突出技术创新,以市场为导向,以经济效益为中心,以运输安全为前提,不断提高运输能力、质量和效率。坚持自主开发与引进相结合,积极采用高新技术,重视技术的综合集成。根据不同运输需求,采用不同层次的技术和装备,系统配套,发挥整体效能。改革管理体制,制订相应的政策,推动新技术尽快转化为生产力。目前,我国铁路的安全技术装备落后于运输生产不断发展的要求,运量与运能的尖锐矛盾,是我国铁路存在超负荷运用铁路设备的严重倾向,长此以往,必将降低设备的安全系数,缩短使用寿命,危及行车安全。此外,铁路运输自身固有的点多、线长、生产的连续性、协作性和全天候等特点,使铁路设备也具有种类多、数量大、配置分散、连续运转、自然力影响大和有形损耗严重等特点,不仅加大了保证设备技术状态经常性良好的难度,而且还不易使运用中的设备始终处于有效的监控之下。所有这些,使铁路运输安全基础建设面临更为复杂和艰巨的挑战。发达国家铁路技术发展的实践表明,随着现代铁路高速、重载和信息技术的应用与发展,安全技术己成为与一系列高新技术相互融合、彼此渗透、不可分割的先导技术,研制和发展先进的高质量的运输基础设备和安全技术检测设备已经成为铁路现代化的重要标志。因此,在我国铁路大发展的形势下,强调运输设备的基础作用,不失时机地进行机辆设备的系统配套改进和安全技术装备的加强,改善车辆状态,改善检测装备,提高安全保障能力,必将大大加强我国铁路的安全基础设备。[10]在我国铁路提速和重载和铁路信息化管理的发展过程中,车辆行驶的安全问题日益突出,对火车车轴质量也提出了更高的要求。车轴是铁路车辆上重要的运动部件,其状态直接影响到车辆的运行安全。车轴的尺寸检测至关重要，对车轴的各关键尺寸以及精度的检测非常重要,检测数据的准确性将直接影响到车轴的检修质量,当前对车轴参数的检测和数据记录基本上还是靠手工完成,测量工具采特制量具车辆车轮第四种检查器和直尺等,而这些传统的手工轮对测量装置,因效率低、差错率高、不便于信息化管理而不能满足当前的需要。与此同时,由于列车向高速重载方向发展,导致工作量加大,根据车轴检修质量控制的需要,在调研国内外同类设备技术的基础上,采用非接触的激光位移传感器检测车轴尺寸更为方便，设计这套车轴尺寸检测机。大大提高工作效率和检测精度,其应用必将为列车车轴的测量和检修提供一种高精度、高效率的检测手段,对于提高车轴的检修质量、推进铁路系统的计算机管理、保障铁路机车的安全运行具有重要的现实意义。1.2课题研究的目的与意义随着科学技术的不断创新、生产水平的加速进步，要求机械装置的精度、速度也越来越高。轴类相关零件主要起到传递转矩和运动的作用，并保证各部件性能的稳定性，是各种机械装置中应用范围最广、应用面最大、应用程度最高的一种零件，诸如各类变速箱、汽车发动机及传动部件、火车轮对系统等中都有轴类零件重要应用。鉴于轴类零件的重要应用场合，对其相关参数的高精度测量及检测将对人员、生产安全等起到保障作用，《铁路货车轮对和滚动轴承组装检修规则》中规定：货车轮对检修压装过程中轴颈的检测工作量很大，一般情况下，一个车辆段一天检修检测50～100个轮对轴颈。另外，轴承内圈与轴颈之间存在过盈配合，涉及到轴承与轴颈的测量精度问题，而轴承作为标准件，在制造出厂时已标注其精度，因此轮对轴颈轴径测量存在必要性。目前，轴类零件的测量方法可分为机械测量法、气动法、超声法、光学检测法等，传统的机械测量法大都利用机械式测量工具，利用直尺、游标卡尺、千分尺等工具进行机械接触式测量方法容易使零件表面发生损伤或变形。气动法、超声法等手工见表面粗糙度影响较大，线形范围小，且精度不高，测量范围小而有限，在实际测量检测中得不到较广的发展空间，应用较少。机器视觉测量技术作为一种非接触的、高精度的柔性坐标测量技术，可以满足现代化制造领域对检测技术及系统新的更高的技术需要，文章基于机器视觉测量原理对轴径测量装置进行设计研究，通过模拟装置进行实际测量、试验验证，数据显示，此激光视觉轴径测量装置的测量方法简单、测量精度高，且适用于大尺寸轴径测量。通过该设计题目，不仅可以提高火车轴尺寸检测的精度，可靠性。而且可以提高车辆的运行安全。由于长期、大量的重复性手工作业使工人极易产生疲劳，再加上目测的误差等问题使得手工测量的误差较大，车轴尺寸检测装置的出现可以改变目前对参数测量的落后状况，对提高车轴的尺寸检测，推进铁路系统的发展和保障铁路机车的安全运行具有重要的现实意义。[15]1.3国内外现状分析1.3.1国内现状分析在国内在针对较大的大尺寸零件的车轴尺寸测量方面，比较常规的量具有：大型卡尺、大型千分尺和大型千分杆等等。对于这类量具普遍所具有的特点是从体积方面看较大、并且移动笨重、使用时不方便，这些常用量具的测量精度在很大程度上取决于工人的技术水平，由此导致了精度不稳定，最终难以达到对大尺寸零件的精度要求。由于长期、大量的重复性手工作业使工人极易产生疲劳，再加上目测的误差等问题使得手工测量的误差较大。目前，轴类零件的测量方法可分为机械测量法、气动法、超声法、光学检测法等，传统的机械测量法大都利用机械式测量工具，利用直尺、游标卡尺、千分尺等工具进行机械接触式测量方法容易使零件表面发生损伤或变形。气动法、超声法等手工见表面粗糙度影响较大，线形范围小，且精度不高，测量范围小而有限，在实际测量检测中得不到较广的发展空间，应用较少。国内部分研究单位采用成像技术采用一个图像传感器,从车轴的一端运行至另一端,读出相关数据。主要存在问题是对参数的检测方法不符合规程,比如轴直径等都无法符合检测标准，数据的重复误差大,不能满足精度要求，由于光散射、车轴表面不同粗糙度等,都将影响测试尺寸。车轴尺寸检测装置的设计，可以改变目前对火车轴尺寸参数测量的落后状况，对提高车轴的尺寸检测很有帮助。[9]1.3.2国外现状分析在国外，提高大尺寸零件的测量精度，当前，大尺寸测量的精度的准确性基本上可通过对机床的定期检查来保证，并对调整机器的第一个检查工具是严格保密，对大型部件长度测量仍然继续在采用以往的测量方法，传统机械测量方法只能测量7、8级精度的零件，用来测量精密零件的仪器实际上是在国外都没有现成的工具出售，而大尺寸零件的精度测量是确保重大技术装备质量的重要指标之一。国外有使用轮对测量机的先例,但检测参数不多,功能比较简单,如美国,是按照标准检查部分项目,包括轮对跳动、轮直径、轴偏心。而一些车轴部分参数等都由人工检测,检测要求的标准不高。在过去十年中，其他行业的飞速发展，如计算机，传感技术等方面，都在不同程度的促进着检测机检测水平的提高。当前，检测机已大量用于高精度的测量，以及数字化在线质量控制的物理模型，测量形状和位置等的三维复杂零件领域。它具有测量不同形状和不同平面的空间的各方位的曲面结构的能力，但也有数控机床，加工中心和柔性制造系统（FMS）等制造工程，综合性的在线系统，及CAT/CAD/CAM技术，以实现一体化的设计，制造和测试。据统计，国际专业咨询公司的可靠数据表明，测量机销售约8％-24％的增长率。发达国家有更高的增长速度正在下降，约6％-10％;发展中国家则较低，但约14％-24％的增长速度，不断改进。目前，美国，英国，德国，日本，意大利和其他工业国家都在竞相开发各类规格的测量机，以满足不同场合的需要。[9]1.4发展趋势车轴尺寸零件的生产质量及生产效率，在很大程度上取决于所采用测量的方法和工具。国内往往使用在重型机械制造业：大卡尺，千分尺及大型千分杆。这些常见的测量工具普遍体积大，笨重，使用不便，使其工人的技术水平对测量精度产生了很大影响，测量精度是非常不稳定的，在国内的大型零部件的尺寸测量，已引起广泛关注，也是重型机械制造工艺及设备改造需要解决的技术问题，更是我国机械行业的重点研究项目。发展趋势如下：（1）利用微电子技术，依据工厂车间的实际情况，利用微电子技术，传感器技术和大尺寸测量技术，建立一个大型的零部件尺寸测量系统，以提高测量精度。（2）对于大型零件的测量环境复杂，以及因手工测量操作大型部件的测量存在不可靠的因素，因此，采用非接触式光点测量技术测量大尺寸部件将是大尺寸检测发展的主要方向。机器视觉测量技术作为一种非接触的、高精度的柔性坐标测量技术，可以满足现代化制造领域对检测技术及系统新的更高的技术需要，基于机器视觉测量原理对车轴尺寸测量装置进行设计研究，通过模拟装置进行实际测量、试验验证，数据显示，用激光位移传感器测量车轴尺寸装置测量方法简单、测量精度高，且适用于大尺寸轴径测量。2火车车轴尺寸检测机构系统的方案设计2.1概述火车车轴应按预先规定的工艺规程及技术要求完成,并应符合《车辆轮对、轴承组装及检修规则》的规定。火车车轴在外观检查后必须测量各部尺寸,并按规定建立车轴卡片,确定旋修范围。随着科学技术的不断创新、生产水平的加速进步，要求机械装置的精度、速度也越来越高。轴类相关零件主要起到传递转矩和运动的作用，并保证各部件性能的稳定性，是各种机械装置中应用范围最广、应用面最大、应用程度最高的一种零件，诸如各类变速箱、汽车发动机及传动部件、火车轮对系统等中都有轴类零件重要应用。用激光位移传感器测量技术作为一种非接触的、高精度的柔性坐标测量技术，可以满足现代化制造领域对检测技术及系统新的更高的技术需要，基于机器视觉测量原理对轴径测量装置进行设计研究，通过模拟装置进行实际测量、试验验证，数据显示，此激光视觉轴径测量装置的测量方法简单、测量精度高，且适用于大尺寸轴径测量。为适应铁道部火车车轴组装和提速的需要,新车统标准的要求,实现火车轴尺寸参数自动测量及各设备之间实现数据共享,提高设备检测水平,保证火车轴检修及组装质量。我们在调研国内外同类设备技术的基础上,采用非接触的激光位移传感器测量技术,开发研制了火车轴参数测量机。通过对火车轴参数的测量,解决了传统人工测量存在的问题同时可与其它工序共享所检测的数据,而且实现数据全双工通讯,可将测量数据直接存入轮轴系统。2.2主体设计由基座、侧翻机构、夹紧机构、旋转机构，测量机构组成，并配置激光位移传感器，伺服电机驱动控制系统及精密机械传动系统等一整套测量装置。设计尺寸测量机构的长为3900mm，宽为2880mm，高为4300mm，并配置激光位移传感器，伺服电机驱动控制系统及精密机械传动系统等一整套测量装置，采用灰铁铸造框架结构,整体结构稳定性好,机构部分与检测部分分离设计,排除定位部分的压力变形对检测精度的影响，采用顶尖定位的方式,以满足系统对测量精度的要求主体结构应力分布合理,稳定性好。2.3火车车轴尺寸检测系统的设计方案图2-11.上顶尖2.激光位移传感器3.滑架4.侧翻底板5.底座6.侧翻机构7.下顶尖图2-21.杆2.底座3.三脚架4.拉杆式液压缸5.侧翻底板火车车轴尺寸检测系统机构最主要的是要求车轴要竖直放置测量，如果车轴横放顶尖夹紧后电机带动车轴转动，在车轴自身重力的作用下会发生弯曲，使得测量结果不准确，达不到测量的精度要求。车轴竖直放置还不能损坏车轴表面，因此我设计了一种翻转机构，它是由底座、三脚架、液压拉杆等组成，可以实现将轴翻转竖直测量。翻转机构将车轴竖直后，该机构到达最大翻转程度，翻转托板成九十度，整个装置绕着托板前端翻转，三脚架可以相互转动，拉杆绕着底座转动，此时，侧翻托板上的支撑点与侧翻托板前端垂直，这样就可以将水平的车轴侧翻成竖直状态。在翻转前，4带有液压拉杆的活动夹将车轴固定，在竖直状态后，下部带有液压缸的顶尖对准车轴中心孔，上部顶尖也下降至车轴中心孔，这时，4个活动夹松开，带有摩擦轮的电机沿滑槽移动至摩擦轮接触到车轴之后，启动电机让摩擦轮旋转带动车轴旋转，带有激光位移传感器的上下滑架开始工作，最后，完成测量工作。用吊车准确将被测车轴准确平稳地送入放轴凹槽，而将测量完毕的车轴平稳送出测量装置，当车轴进入预备工位时，工业计算机发出控制命令，由旋转驱动装置是翻转机构运动将车轴从平衡状态推送至竖直状态，车轴刚好进入孔中，再由上下顶尖夹紧车轴，随后电机转动带动顶尖旋转，车轴也就随之旋转，使用上下滑架带动传感器的移动来测量车轴尺寸，当车轴测量完毕后，计算机控制进出总成的导出系统使翻转机构再次移动将已测车轴平稳送出测量工位整个进出总成机构的设计与导入和导出控制系统协调一致，避免了车轴进入测量工位时对装置造成的冲击，并控制车轴的速度，防止发生现场生产安全事故。系统以工业计算机为核心，通过吊车将被测车轴平稳送入测量工位，电机控制顶尖旋转带动车轴按预定速度转动，同时，激光位移传感器扫描车轴测量部位实时获取车轴外形特征并反馈给计算机，计算机经过处理并根据测量算法得到车轴尺寸。驱动总成安装在测量装置的基座上，其作用是通过工业计算机向步进电机发出电脉冲信号，将步进电机的运动经机械装置传递给顶尖，顶尖带动车轴转动，可以控制车轴的运动，配合传感器准确采集各轴段的信息，完成轴尺寸测量。由基座、侧翻机构、夹紧机构、旋转机构，测量机构组成，并配置激光位移传感器，伺服电机驱动控制系统及精密机械传动系统等一整套测量装置，伺服电机驱动控制系统及精密机械传动系统等一整套测量装置，不是靠特制工具的手工测量方法。当被测量车轴进入测量装置后，通过伺服电机驱动控制磨砂轮旋转再带动车轴旋转，激光位移传感器在车轴的旋转过程中完成车轴尺寸的检测。3火车车轴尺寸检测机构液动系统设计3.1液压部分设计与计算车轴尺寸测量系统的大部分动作都由液压系统来实现,因此液压系统设计的好坏直接影响到系统的运行。系统液压站采用最新的液压控制技术,全部液压系统采用进口器件,保证液压系统品质优良,液压系统的每个动作都由可调节的减压阀来控制,可以根据系统的运行情况调节各部分动作保证系统在允许压力下工作。液压缸具有多种不同的类型，在翻转机构的设计中，选择拉杆型液压缸，前后端盖与缸筒用四根拉杆来连接，前后端盖为正方形、长方形或圆形。前后端盖和活塞等主要零件均为通用件。因此，拉杆型液压缸结构简单、拆装方便、零件通用化程度较高，但是，受到行程长度、缸筒内径和额定压力的限制。如缸筒内径过大和额定压力偏高时，因拉杆材料强度的要求，选取大直径拉杆，但径向尺寸不允许拉杆直径过大。3.1.1液压缸的设计计算与选取火车轴质量m＝1000kg但是考虑安全系数取m＝1200kg液压缸的单缸最大起升的质量M＝1200kg升降平台的最大起升高度：h＝1.5m上升速度等于下降速度v＝0.1m/s液压平台上升工况的最大负载F＝Mg＝120010＝12000N液压缸的机械效率＝0.95液压缸的工作压力由表可知P＝1MPa表3-1不同负载下的工作压力负载F/KN<55~1010~2020~3030~50>50工作压力p/MPa<0.8~11.5~22.5~33~44~5>53.1.2液压缸的缸筒的设计与计算（1）液压缸内径D的计算由公式D=（Fmax=12000N；P=1MPa；=0.95）解得D=0.063426m根据表可知，圆整成标准值后，得液压缸内径D=80mm表3-2液压缸内径系列mm（GB/T2348-93）810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250（280）320（360）400（450）500（2）缸筒壁厚和外径计算本设计的内径D为80mm，查液压设计手册液压缸的外径D1为95mm，缸壁的厚度为7.5mm。一般按正规的方法选取液压缸壁厚都能满足其强度，但为安全起见我们还要进行校核。由于D=80mm，外径D1=95mm，则/D=0.094<0.25，可按第一强度理论，即按照薄壁圆筒的中径公式计算，则有：式中：--缸筒壁厚；D—缸筒内径；Pmax—缸筒的试验压力，液压缸的额定压力Pn<16MPa时的Pmax=1.5Pn，液压缸的额定压力Pn>16MPa时的Pmax=1.25Pn；[]—材料的许用压力。b为材料的抗拉强度，n=3.5—5，这里n取5。选用45号钢，并且调质241~285HB，查工程力学可知45号钢的抗拉强度b=530~598MPa，现取b=560MPa，故：[==112MPa由于液压缸的工作压力P=1.5MPa<16MPa，故取Pmax=1.5Pn=2.25MPa所以==0.0008m=0.8mm因为7.5mm>0.8mm，故强度足够。3.1.3活塞杆的设计与计算活塞杆是液压缸传递动力的主要部件，它要承受拉力、压力、弯力和震动冲击等多种作用，必须有足够的强度和刚度。（1）活塞杆直径的计算根据活塞杆受力状况来确定，一般受拉力作用时，d=0.3~0.5D。受压力作用时P<5MPa时，d=0.5~0.55D5MPa<P<7MPa时，d=0.6~0.7DP<7MPa时，d=0.7D因为P=1.5MPa，D=0.066858mm，故d=0.036771mm根据下表可知活塞杆直径d=40mm表3-3活塞杆直径系列mm（GB/T2348-93）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400（2）活塞杆强度校核按强度条件校核由公式d>式中d活塞杆直径F活塞杆上作用的力活塞杆材料的许用应力，，s为材料的抗力强度，n为安全系数，一般取n>1.4。由45号钢的许用应力MPa，F=5000N得d>0.0043m，而d=40mm，故活塞杆强度符合要求。按弯曲稳定性校核当活塞杆全部伸出后，活塞杆外端到液压缸支撑点之间的距离l>10d时，应进行稳定性校核。按材料力学理论，当一根受压直杆的轴向载荷F超过临界受压载荷Ff时，即可能失去原有的直线状态平衡，称为失稳，其条件为：F<式中F液压缸最大推力；Fk液压缸临界受压载荷；Nk稳定安全系数，一般取nk=2~4。液压缸临界受压载荷Ff与活塞杆和缸体的材料、长度、刚度以及两端支撑状况有关。Fk的相关计算如下：由公式Fk=式中l活塞杆的计算长度；N端点安装形式系数，两端固定，故n=4；E材料的弹性模量，钢材的E=2.1Pa；J活塞杆的横截面积转动惯量，实心杆的J=。而J=，故Fk==46.2kN，而F=5kN<=11.55kN（当nk取4时），

故活塞杆弯曲稳定性符合要求。3.1.4最小导向长度H的确定当活塞杆全部伸出时，从活塞杆支撑面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度。如果导向长度过短。将使液压缸因间隙引起的初始扰度增大，影响液压缸的工作性能和稳定性。因此，在设计是必须保证液压缸有一定的最小导向长度，对于一般的液压缸，最小导向长度应该满足下式要求：H=式中L最大工作行程；D缸筒内径；液压缸工作行程的确定：升降液压缸的最大升起高度为1.5m，依表选取液压缸工作行程为：800mm表3-4液压缸活塞杆行程参数系列mm（GB/T2348-80）2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000故L=0.8m，D=0.08m，代入公式得：H==80mm活塞杆宽度B的计算：B=（0.6~1.0）D=（48~80）mm取B=60mm。导向套滑动面的长度A，由公式A=（0.6~1.0）d由前面的数据可知，d=40mm，故取A=（0.6~1.0）d=24~40mm取A=30mm。中隔圈K的长度C：由公式H=得：C=H-=35mm。图3-1液压缸顶尖4火车车轴尺寸检测机构机械系统设计4.1电机的选型设计在火车车轴尺寸检测系统机构中，要用到电机驱动摩擦轮带动车轴旋转进行尺寸检测，那么对于电机的选择至关重要，检测需要满足高精度的要求。选择伺服电机还是步进电机，也会影响检测的精度，步进电机与伺服电机的性能比较如下：步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。（1）控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为

1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72

°、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如山洋公司（SANYO

DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以京伺服（KINGSERVO)全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。（2）低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。（3）矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

（4）过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以京伺服（KINGSERVO)交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。（5）运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

（6）速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以京伺服（KINGSERVO)400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。对于驱动火车轴旋转的平稳性、高精度检测的要求，因此，我选择伺服电机驱动，选择的电机型号是GYS500D5-B2，它可以实现低速平稳运行，在电机轴上安装齿轮，用齿轮进行减速，电机减速后带动磨砂轮旋转，再带动车轴旋转进行检测。齿轮的计算电机型号GYS500D5-B2，转速nm=1440r/min，功率为1kw。车轴竖直夹在顶尖中，电机需要带动摩擦轮旋转，摩擦轮再带动车轴旋转。（1）总传动比（2）分配传动装置传动比：式中分别为带传动和减速器的传动比为使V带传动外廓尺寸不致过大，初步取(实际的传动比要在设计V带传动时，由所选大小带轮的标准直径之比计算)，则减速器的传动比为：（3）分配减速器的各级传动比按展开式布置，考虑润滑条件，为使两级大齿轮直径相近，由经验公式：取且有得（4）选定齿轮类型、精度等级、材料和齿数。1）根据传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。2）运输机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB10095-88）3）选择材料。选择齿轮材料为40Ｇr（调质），硬度289HBS,大齿轮材料45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS.4)选小齿轮齿数为z1=24，大齿轮齿数为z2=3.32*24=79.68，取z2=805）选取螺旋角。初选螺旋角（5）按齿面接触强度设计由设计计算公式（10-9a）进行计算，即确定公式内的各计算数值1)试选=1.62）选取区域系数Z=2.433）则4)计算大齿轮传递的转矩大齿轮的转矩可视为与轴I的输出转矩相等5)由表10-7选取吃宽系数=16）由表10-6查得材料的弹性影响系数7）由图10-21d按齿面强度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600MPa;大齿轮的接触疲劳强度极限为=550MPa;8）由式10-13计算应力循环次数9)由图10-19取接触疲劳寿命系数,10)计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，许用接触应力计算1）计算小齿轮分度圆直径，代入的值2）计算圆周速度v3）计算齿宽b4)计算齿宽和齿高之比模数：齿高：5)计算纵向重合度6）计算载荷系数根据v=1.592m/s,7级精度，由图10-8查得动载荷系数用插值法查得，7级精度，小齿轮相对支承非对称分布时，查得查得,故载荷系数7)按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，得8）计算模数（6）根据齿根弯曲疲劳强度设计确定计算参数计算载荷系数根据纵向重合度从图10-28查得螺旋角影响系数计算当量齿数4）查齿形系数,5)查应力校正系数,6)查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限7）取弯曲疲劳系数,8）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得9）计算大小齿轮的,并加以比较大齿轮的数值较大设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算法面模数大于齿面弯曲疲劳强度计算带模数，去，以满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度算得分度圆直径，来计算齿数。于是有，取，则（7）几何尺寸计算1）计算中心距修正后的中心距为129mm.2)按圆整后的中心距修整螺旋角因改变不多，故参数,等不必修正。3）计算大小齿轮分度圆直径4）计算齿轮宽度圆整后取,4.2顶尖心轴的设计与计算4.2.1顶尖的计算顶尖处的受力：火车车轴的质量1000kg，所以受到向下的车轴重力为10000N，为了安全因素，设计顶尖受到12000N。则顶尖受到的轴向力F1=12000N径向力F2==6.9kN在火车轴尺寸检测过程中，要求车轴低速旋转，设计转速n=50r/min设计寿命：3000h4.2.2轴承的寿命计算轴承以小时为单位的寿命计算公式为：L=式中：n轴承工作转速，取50r/min；E寿命指数，取3；为了安装方便取一大一小两个轴承，上边的为7006AC，下边的为7005AC上轴承的额定动载荷，C1=14.5KN下轴承的额定动载荷，C2=11.3KNP为当量动载荷，计算公式为：P=为冲击载荷因数，取1.2；为轴承所受径向载荷，为轴承所受轴向载荷，X为径向载荷系数，Y为轴向载荷系数。（1）计算两轴承所受径向载荷：根据力矩平衡条件：12000=+12000解得：=3400N,=3000N（2）计算两轴承的内部轴向力：内部轴向力计算公式：=0.68所以，=0.683400N=2432N=2016N故，==2432N=-=2016N（3）计算当量动载荷e=0.68P=因为=1>e所以X=0.41，Y=0.87=4884.6N同理=1.44>e，所以X=0.41，Y=0.87=3352.8N（4）寿命计算：下轴承寿命计算：h=4233.8>3000h符合设计要求（b）上轴承寿命计算：h=19472h>3000h符合设计要求4.2.3轴承的静强度计算为了使轴承满足静强度的要求，应满足下式；式中为静强度安全因数，取=3.5；下轴承额定静载荷C1=10.1KN,上轴承额定静载荷C2=7.4KN为当量静载荷，=1820.2=785.2N下轴承静强度校核：上轴承静强度校核：上下轴承静强度校核均符合设计要求4.2.4顶尖心轴的设计与计算在设计中顶尖是用来定位和支撑车轴的，顶尖心轴要承受较大的压力，因此顶尖心轴的材料我选择的是：45号钢各轴段直径：图4-1顶尖心轴轴段2、4直径为=45mm，=45mm轴段2、3之间为定位轴肩，故取轴肩高度：h=0.07则轴段1直径为：=+2h=45mm取=50mm轴段3、4之间为非定位轴肩，仅为轴承拆装方便而设，根据设计要求，装配完成后顶尖伸出部分为50mm，轴段2、4长度取决于其上圆锥滚子轴承宽度，已知，两轴承宽度均为14mm，故取：轴5长度取决于其上止动垫圈及圆螺母厚度，止动垫圈厚度为2mm，圆螺母厚度为8mm，根据设计要求，粗估计顶尖心轴长度为400mm。4.3翻转机构的设计与强度校核图4-2侧翻机构图4-3侧翻机构火车车轴尺寸检测系统机构要求车轴要竖直放置测量，车轴竖直放置还不能损坏车轴表面，因此我设计了一种翻转机构，它是由底座、三脚架、液压拉杆等组成，可以实现将轴翻转竖直测量。它的底座采用灰铁铸造框架结构,整体结构稳定性好，在翻转机构中杆件的强度、刚度非常重要。为了保证杆在机构轻巧的条件下有足够的刚度，一般多用精选含碳量的优质中碳机构钢，只有在特别强化且产量不大的汽油机中用40Cr等合金钢。合金钢有较高的综合机械性能，但当存在产生应力集中的因素时，它的耐劳能力急剧下降，甚至低到与碳素钢不相上下。所以合金钢连杆的形状设计、过度圆滑性、毛坯表面质量下降等，必须给以更多的注意，才能充分发挥优质材料的潜力。设计三脚架的尺寸为600mm，500mm，150mm，翻转机构单独杆件长为900mm。火车轴质量m＝1000kg但是考虑安全系数取m＝1200kg车轴的翻转机构是由两对拉杆式液压缸组成，所以校核一侧的安全强度即可：m=300kgG=3000N三脚架杆件设计直径为100mm杆件的横截面积为：S==3.14=78503000N图4-4F1===6000N强度条件

许用应力：保证构件安全可靠工作所容许的最大应力值。

σ°为极限应力，n为的安全系数。校核强度：=0.76表明此杆在工作中是安全的。G=3000N图4-5F2==8485N=1.08<表明此杆在工作中是安全的。4.4滚珠丝杠及电机选型计算4.4.1确定滚珠丝杠副的导程根据电机的额定转速和滑板的最大速度，计算丝杠导程。运动的驱动电机选择松下MDMA152P1V，电机最高转速为4500rpm。电机与滚珠丝杠通过联轴器连接，传动比为0.99。最大运动速度24m/s,即24000mm/min。滚珠丝杠长度的3200mm，工作台移动长度为2200mm，则丝杠的导程为：实际取=10mm，可满足速度要求。丝杠的总长度为3200mm，工作长度为2200mm。4.4.2滚珠丝杠副的载荷及转速计算滚动导轨承重时的滑动摩擦系数最大为0.004，静摩擦系数与摩擦系数差别不大，此处计算取静摩擦系数为0.006。则导轨的静摩擦力为：式中：M工件台及激光位移传感器质量，M为20kg由于该设备主要用于检测，丝杠工作时不受切削力，检测运动接近匀速，其阻力主要来源于导轨摩擦力。则有：N滚珠丝杠的当量载荷：N滚珠丝杠副的当量转速：rpm4.4.3滚珠丝杠副预期额定动载荷按滚珠丝杠副的预期工作时间计算：N式中：当量转速，=144rpm预期工作时间，预计时间为1500小时负荷系数，平稳无冲击选择=1精度系数，2级精度选择=1可靠性系数，一般选择=1（2）按滚珠丝杠副的预期运行距离计算=6784.04N式中：预加负荷系数，轻预载时，选择=6.7丝杠副最大载荷（3）估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量(1/3~1/4).重复定位精度运动的重复定位精度要求为0.03mm，则：=0.0075mm4.4.4导程精度的选择根据运动的定位精度要求达到0.08mm/1000mm，则任意300mm。长度的导程精度为0.024mm。4.4.5丝杠电机的选择条件：选择伺服电机驱动，伺服电机选取松下MINASA4系列MDMA152P1型中惯量电机，其功率：1KN，额定转矩：7.15N/m，电机惯量JM：0.00123kg。运动工件台及激光位移传感器的质量估计最大值约为：20kg。外部负荷的转动惯量：丝杠部分的转动惯量：=0.0151996565kg外部负荷的转动惯量：=0.0151996565+20=0.01899209kg则有：=15.45加在电机上的转动惯量：=0.018999209+0.00123=0.020229209kg外部负荷产生的摩擦扭矩：==0.0884Nm式中：滚珠丝杠副的导程未夹紧的滚珠丝杠副的效率（2级精度=0.9）F外加轴向载荷，含导轨摩擦力，其中含切削力为0预紧力产生的摩擦扭矩：==0.062Nm式中：滚珠丝杠间的预紧力，==49.4/3=16.47N加速度产生的扭矩负荷：根据设计要求可知：带动激光位移传感器的工作台运动速度为V=24m/min，对应电机转速n=144rpm，最大加速度a=40mm/，则工作台速度从0上升至25mm/s的所需时间为：T==1.1s当电机转速从=0上升至=144rpm时，其负荷扭矩：=0.0202=0.1737Nm电机总扭矩==0.4983<7.15N所选择的电机额定扭矩为7.15N，大于计算电机总扭矩3倍以上，所选择电机扭矩符合要求。5检测部分5.1激光位移传感器简介激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表。能够精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化。可以测量位移、厚度、振动、距离、直径等精密的几何测量。按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。激光位移传感器能够利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光位移传感器（磁致伸缩位移传感器）就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪表，它的出现，使位移量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。激光位移传感器因其较高的测量精度和非接触测量特性，广泛应用于高校和研究机构、汽车工业、机械制造工业、航空与军事工业、冶金和材料工业的精密测量检测。图5-1激光位移传感器5.2激光位移传感器工作原理三角测量法激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可独立设置检测窗口。采取三角测量法的激光位移传感器最高测量精度可达，因此，选用米依ILD1700-20LL激光位移传感器，有效测量距离为40~60mm，传感器到车轴的距离为50mm。半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上;信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。回波分析法激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回至接收器所需的时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。即所谓的脉冲时间法测量的。激光回波分析法适合于长距离检测，但测量精度相对于激光三角测量法要低，最远检测距离可达250m。本设计需要用激光位移传感器，当传感器发出激光到轴中心线上返回，可以计算出传感器到车轴的距离，当标准件到达检测位置后，传感器到车轴距离假设为1mm，车轴轴径为100mm，当要检测的被测车轴到达检测位置后，传感器发出激光测得传感器到车轴的距离为2mm，那么说明被测车轴的轴径变小了，为98mm。当标准件测得传感器到车轴距离为1mm，轴肩为100mm，假如测得被测件到传感器的距离为2mm，就能计算出被测轴肩的尺寸大小。测量圆跳动时，让车轴旋转一周，传感器进行测量，在某个平面内的半径差，就是圆跳动，可以让车轴旋转几周最后求平均值。5.3上下滑架设计在火车车轴尺寸检测机构中，当车轴到达检测位置旋转后，需要设计一个能让激光位移传感器上下移动的滑架。如图所示：图5-2上下滑架上下滑架是由电机、丝杠、方管、滑动部件等组成，由两根方管将滑架固定在旋转的车轴一侧，在滑架上部有一个与丝杠连接的电机，在丝杠上面安装滑动部件以及工作台，将激光位移传感器安装在工作台上，这样，电机驱动丝杠旋转，带动工作台运动，进而，激光位移传感器也就随之运动了。毕业设计总结随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过半个学期的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西