本科毕业设计-轴类零件圆柱度误差自动检测系统的设计.docx

1前言1.1 零件圆柱度误差测量的现状与发展趋势1.1.1 国内研究现状及发展趋势我国是从1975年才开始提出形位公差标准的，此后进行了修改制，并接连制定了一些其它的相关连的标准。到了80年代的末期，我国已经逐渐形成成套的形状和位置公差标准和形位误差检测的基本标准。其中多数的标准是与国际的相应标准一致或相类似的。制定的这些指标，无疑对国内形位误差评定理论和检测技术的进一步发展起到了关键性的作用。国内诸多高等院校和科研机构他们都对形位误差的检测与评定的研究已具有相当不非的水平，尤其是在形状误差和位置误差的检测与评定的理论及方法的许多方面都已走在世界的前面，但是，就在理论成果转向实际应用技术的转化部分,特别在测量仪器的深入研究和进一步开发方面,就综合水准和总体实力来看,与发达国家还有相当的差距。近些年，我国已经在圆柱度误差的测量方面取得了相当大的进步，特别是“北京机电研究院”成功地研制出了第一台计算机控制的圆柱度仪。研究方法采用最小二乘圆法和最小区域圆法等指标评定圆柱度误差。螺旋线法测量圆柱度误差的圆柱度仪在中原量仪厂初步试制成功了。大连理工大学机械工程系试用研发的新型五坐标回转体测量仪能在一次装备下，测量诸如圆柱、圆锥、圆球以及它们组合型体等的回转零件的内外型面的形状和位置误差。该仪器已于90年前后通过了技术的鉴定并申报了国家专利，同年的9月交付给用户运转试用，试用后证明各项技术指标均达到标准，软件运行状况很好，受到用户的一致好评。东北大学机械工程学院自行研制了“xwY一,型形位误差测量仪并开发出形位误差数据处理软件包，这台测量仪在90年前后通过国家技术监督局的技术成果鉴定和认定，初步达到了国际先进水平1L1.1.2 国外研究现状及发展趋势国外对形位公差的标准化研究工作是从20世纪40-50年代开始的。50年代后期，国际标准化组织提出了有关于形位公差框架标注的指标的初步草案，此后，出台了一系列相一致的国际标准。推移到80年代末已经发展了从图样标注到检测方案诸多方面的形位误差、公差部分的国际标准。国际标准的制定推进了各国形位误差、公差的研究内容和标准内容在英国、美国、加拿大、瑞士、瑞典、日本以及前苏联等国先后修订了相一致的标准，使之与国际标准基本一致。德国、美国、日本、英国等国对形位误差的评定与检测领域的研发和实际应用方面均走在世界的前列。国外在形位误差的测量的开发方面，主要放在于高精、高效、多功能、符合误差定义的测量仪的开发上。诸如三坐标测量机等。美国某些大学的精密度测量的实验室专门用于坐标测量和表面测量的开发，该实验室拥有许多用于测量工件形状以及表面粗糙度的量仪。其中，测量圆柱度误差的量仪主要有接触式和非接触式两类。前面的包括FCderalFomscan3600圆柱度仪、MahrMFu7圆柱度仪；后面的包括TroDClcM一25光学圆柱度仪器等。TaylorHobSon企业开发的圆柱度仪利用最小二乘原理设计的应用截面法的测量圆柱度误差的类似计算程序。1.2 设计的内容和意义课题设计题目属于机电一体化系统设计的内容，回转轴类零件圆柱度误差自动检测系统的整体设计，包括机械传动系统、回转轴类零件的夹持系统、传感器移动和固定系统、自动控制系统等几个部分。系统的指标如下：1）回转轴类零件的最大检测范围为100nlm；2）每个回转轴类零件的最大检测时间为60秒；3）系统采用接触测量方式或非接触测量方式，在计算机的控制下实现自动测量。其设计的意义如下：（1）我国轴类零件圆柱度误差的测量对自动化系统有着巨大的需求。我国制造业和制造业组织面临着调整、改进和优化的艰巨任务，因此自动化检测系统的研究和发展为新一代的制造技术提供了巨大的动力。（2）我国的轴类零件的生产与市场将进一步融合到广阔的国际市场中去，而对激烈的市场竞争，要使我们的产品在国际占有一席之地，必须尽快提高产品的技术含量和性能指标，并与国际接轨。自动化检测系统的设计起到了至关重要的环节。（3）实用价值和经济效益轴系零件的计量与认证在航空航天工业、造船业、汽车制造业等许多产业中都具有良好的应用前景，市场需求是极其广泛的同时在国际经济一体化的大背景下，开发圆柱度误差非接触测量自动化检测系统及其软、硬件产品，将会有很好的实用性和推广价值。2理论及总体方案的设计2.1 形位误差形状误差和位置误差简称形位误差。形状误差是指实际形状对理想形状的变动量。这个变动量就是实际得到的误差值。它是用来表示零件表面的一条线，或一个面，加工后本身所产生的误差，是实际测量的数值。测量理想形状相比于现实形状的位置，可以按照最小条件等要素来确定。位置误差就是实际位置相对于理想位置的变动量，主要是用于表示零件上的两个或两个以上的线面修整后本身所发生的误差，即实际测量值。测量时，理想的位置是相对于理想形状位置面而确定的，基准的理想位置是按照最小条件确定。形位误差的评定方法主要有最小二乘法和最小条件法。随着理论研究的深入发展，形位误差评定已经从对单一要素的研发转向对关联多个要素的评定理论研发。目前出现了许多不同的形位误差评定方法。诸如：最小向量范数法由国家的形位公差的定义，评定出了运用向量范数最小化原理判定形位误差的数学模型，可得出最佳的评价结论。形位误差进行包容评定的方法是将形位误差评定模型略去高次项而得到线性模型，再进行求解，但是，这种做法将带来所谓“少许模型误差e,数据处理结果的误差将被放大。2.2 轴类零件的圆柱度2.2.1 圆柱度的简介（1）圆柱度是指任一垂直截面最大尺寸与最小尺寸差为圆柱度。圆柱度误差包含了轴剖面和横剖面两个方面的误差。.圆柱度的公差带是两同轴圆柱面间的区域，该两同轴圆柱面间的径向距离即为公差值。（2）圆柱度是限制实际圆柱面对其理想圆柱面变动量的一项指标，用于对圆柱面所有正截面和纵截面上的轮廓提出综合性形状精度要求。圆柱度公差可以同时控制圆柱、素线和轴线的直线度，以及两条素线的平行度等。2.2.2 圆柱度的标注（1）圆柱度形位公差的标注应注意以下问题：（D形位公差内容用框格表示,框格内容自左向右第一格总是形位公差项目符号，第二格为公差数值,第三格以后的作为基准,指引线由框格右端引出可以同样理解。（2）被测要素是中心部分要素,箭头一定要与有关的尺寸线相对齐。当且仅当被测要素为单一段的轴线或者各个要素的公共轴线以及公共中心平面时,所标箭头指在轴线或中心线,如此标注方便，但必须要注意此公共轴线中，非被测要素的轴段未包含在内。（3）被测要素被为轮廓要素，箭头垂直于该要素的方向为指向，圆度公差的箭头方向一定要垂直轴线。（4）公差带为圆或圆柱体时，符号加用在公差数值前,其含义为圆或圆柱体的直径。此类情况在被测要素为轴线时才会产生。同轴度的公差带可以认为是圆柱体,因此，公差值前要加上符号;轴线相对平面的垂直度以及轴线的位置度也是看作圆柱体公差带,需在公差值前也加上符号。（5）对于附加标准,可以在公差数值后加注相一致的符号,例（+）符号说明被测要素要求形状外凸，（一）说明被测要素要求形状内凹，（）说明误差只许按符号的小端方向逐渐减小。如形位公差要求遵守最大实体要求时，则需加符号OM。在框格的上,下方可用文字作附加的说明。如对被测要素数量的说明，应写在公差框格的上方;属于解释性说明（包括对测量方法的要求）应写在公差框格的下方。例如:在离轴端30Omm处;在a,b范围内等。2.2.3 圆柱度的测量长度计量技术中对圆柱度误差的测量。圆柱度（见形位公差）是圆柱体圆度和素线直线度的综合，因此圆柱度一般是在圆度仪上附加能沿被测圆柱体作轴向运动的精密直线导轨、电子计算机和相应的程序等来测量的。测量时，长度传感器的测头沿精密直线导轨测量被测圆柱体的若干横截面，也可沿被测圆柱面作螺旋运动取样。测得的半径差由电子计算机按最小条件确定圆柱度误差。在配有电子计算机和相应程序的三坐标测量机上利用坐标法也可测量圆柱度。测量时，长度传感器的测头沿被测圆柱体的横截面测出若干（取样）点的坐标值X、y,并按需要测量若干横截面，然后由电子计算机按最小条件确定圆柱度误差。止匕外，还可利用V形块和平板（带有径向定位用直角座）等分别测量具有奇数棱边和偶数棱边的圆柱体的形状误差（见圆度测量），但这时V形块和平板的长度应大于被测圆柱体的全长。测量时，被测圆柱体在V形块内或带直角座的平板上回转一周，从测微仪读出一个横截面中最大和最小的示值，按需要测量若干横截面，然后取从各截面读得的所有示值中最大与最小示值差之半，作为被测圆柱体的圆柱度误差。2.3 圆柱度误差的评定方法与正确选择圆柱度误差的评定主要由最小区域圆法、最小二乘圆法、最小外接圆法和最大内切圆法等方法。用最小区域圆评定准则评定的圆柱度的优点是误差值最小、具有唯一性；最小二乘圆评定准则所评定的圆度误差值虽然也具有唯一性，但是数值不是很小；另外两种准则在我国使用很少，圆柱度误差一般使用最小区域圆的评定准则进行评定。在有些条件的情况下，我们也应用最小二乘圆评定准则予进行评定。MATLAB拥有强大的科学计算及数据处理能力，600多个数学运算函数，可以方便地实现各种计算功能。在生产实践中，圆柱度的测定仪器主要有圆柱度仪、三坐标机等仪器。而圆柱度的评定和计算则是用圆柱度仪、三坐标机等仪器自带的计算程序，该程序严格保密且价格不菲。圆度的评定和计算过程，实际是按照圆柱度评定标准，构造函数原型进行优化求解的过程。随着MATLAB软件功能的日益完善，其拥有600多个工程中要使用的一般运算函数，运算所使用的方法都是科学研究计算中的应用研发成就，进行优化处理，因此使用起来可靠性、实用性很高。在优化中只要根据编写的正确函数，使用MATLAB的已编写函数。求解结果的可视化通过调用MATLAB的插值函数和可视化函数即可方便地实现。2.4 总体方案的设计总体方案设计主要包括机械传动系统、回转轴类零件的夹持系统、传感器移动和固定系统、自动控制系统等几个部分。由于机械部分将会作具体说明，在此只做大体说明。1 .机械传动系统从经济性、适用性的角度和结合自身技术能力等多种因素，我们初步选定为齿轮齿条传动系统。2 .回转轴类零件的夹持系统的选择是考虑装夹固定被测量的轴表面加工精度的影响程度，我们将左侧采用顶尖装置，右侧采用三抓卡盘夹紧和固定。顶尖和三爪卡盘的精度将影响测量圆度的精确程度。3 .传感器移动是是根据支座的移动确定（传感器安装在支座上，支座整体安装在滑块座上，滑块座带动支座实现沿轴方向的移动。4 .自动控制系统设计中，单片机是整个系统的核心，其程序主要包括模拟信号通道选择部分、并行数据采集部分和并行数据传输部分。3机械部分的设计3.1 仪器总体结构及其组成3.1.1 双顶尖夹持结构用来装夹固定被测量的轴，其左侧采用顶尖装置，右侧采用顶尖与连轴器电机相连装置，电机采用三角板固定装置。顶尖的精度和电机将影响测量圆柱度的精确程度。双顶尖结构左右顶尖基本相同，下面就左顶尖作基本说明。高精度的顶尖支承是保证本仪器具有较高回转精度的关键结构。因此其加工精度要求较高，并且应选择刚度大的材料。轴类零件以其中心孔定位，盘套类用零件以与零件相配的测量芯轴上的中心孔定位。如图3.1左顶尖为可伸缩式顶尖。图3.1左顶尖图3.1是左顶尖的示意图。如图所示在左顶尖的一侧的结构是齿条结构。在左顶尖座的内安有小齿轮轴，小齿轮轴与一个外接手柄相连，通过外接手柄的摇摆来实现顶尖的移动，来调整距离，实现对被测轴的固定。左顶尖的尾部装有圆柱压缩弹簧，用于左顶尖的复位。同时尾部还制有螺纹与圆螺母配合，圆螺母的作用是拧紧后抵消弹簧的回复力，使左顶尖在一定的位置固定。图3.2所示零件内孔有螺纹，与左顶尖尾部螺纹旋合，用螺钉将其固定在左顶尖座上。3.1.2 底座导轨以及顶尖座底座是测量装置和夹具安装的平台，底座上采用平面度较高的平导轨和直线度较