汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設計

汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設計,汽車發(fā)動機,連桿,小頭,中心線,平行,自動檢測,裝置,設計 編號 無錫太湖學院 畢業(yè)設計（論文） 題目：汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設計 信機 系 機械工程及自動化 專業(yè) 學 號： 　　　 0923094　　　　 學生姓名： 李　 杰 指導教師： 　 馮鮮 （職稱：講 師 ） （職稱： ） 2013年5月 25日 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械92 學 號： 0923094 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學院 信 機 系 機械工程及自動化（數(shù)控技術）專業(yè) 畢 業(yè) 設 計論 文 任 務 書 一、題目及專題： １、 題目　汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測 裝置設計 　　 ２、專題　 　 二、課題來源及選題依據(jù) 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，連桿兩端孔的平行度的要求也越來越高。平行度誤差會使活塞在汽缸中傾斜，致使汽缸壁磨損不均勻，縮短發(fā)動機的使用壽命，同時也使曲軸頸磨損加劇，因此要求工件必須有很高的平行度。過去使用手工測量，既不能保證平行度，也不利于生產率的提高，這就使設計制造一種自動化程度和測量精度更高的測量裝置顯得十分必要了。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： 1、總體方案的確定，選擇合適的電機。 2、機械部分設計，主要是傳感器箱體內的夾緊件與定位件以及其他運動部件的設計與計算，包括承載工作臺外形尺寸與重量估計，測試箱外形尺寸及重量估算，滾珠絲杠伺服傳動系統(tǒng)傳動比的確定，滾珠絲杠伺服傳動系統(tǒng)傳動比的確定，滾珠絲杠螺母副的選型及校核等。 3、進行連桿的壓桿穩(wěn)定性計算。 4、液壓缸的設計，包括液壓缸的設計，液壓泵的選擇以及電機的選擇。 5、控制部分初步設計。 6、設計說明書一份。 注：所有圖紙均需計算機打印 四、接受任務學生： 機械92 班 　　姓名 李 杰 五、開始及完成日期： 自2012 年11月 12日 至 2013 年 5月 25日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師　　　　　　　簽名 簽名 　　　　　　　簽名 教研室主任 　　　　　　　〔學科組組長〕　　　　　　　簽名 　　 　　系主任 　　　　　　簽名 2012 年 11月12日 I 摘 要 連桿是發(fā)動機的關鍵零件之一，它的質量直接影響著發(fā)動機的工作性能和使用壽命，因此對其有很高的尺寸和形位精度的要求。為保證這些要求，連桿檢測成了生產中頻繁而又不可缺少的環(huán)節(jié)。 汽車連桿兩端孔的平行度的要求比較高，如果平行度差，就會使發(fā)動機的噪音大，耗油量大，磨擦大，磨損快，這就要求工件必須有很高的平行度。 本裝置是專門為測試汽車發(fā)動機連桿兩孔中心線的平行度而設計的。本系統(tǒng)的設計原則是：全部測試過程自動化，包括檢測前的工件夾緊，測試過程中的數(shù)據(jù)處理，檢測后試件的自動退出以及測試結果的顯示與打印。本裝置的特點是：測試精度較高。 在本系統(tǒng)中，測試時測試箱和測桿的運動由X向數(shù)控工作臺來拖動，數(shù)控工作臺由步進電動機帶動，工件的夾緊裝置采用液壓系統(tǒng)，因為液壓系統(tǒng)夾緊比較平穩(wěn)，振動較小，對系統(tǒng)的精度影響較小。 本裝置是一個完整的測試裝置，既可以單獨用來測試，也可用于計算機集成制造系統(tǒng)中去。 關鍵詞：　連桿；平行度；測量；X向數(shù)控工作臺 Abstract Connecting rod is one of key components of engine, whose quality affects engines work performance and life-span directly. Consequently, hing precision of size and form is necessary.The connecting rod is examined in the production to be frequent and to be essential link to ensure hing precision of size and form. The center line parallelism of the car’s link bar has a high request. If the center line parallelism is not well, the auto engine will have a loud noise, big waste of oil, big friction, fast wear away. So it requests the work-piece have a high center line parallelism. This testing set is special designed for testing the centre line parallelism of auto engine link bar’s twain aperture. The design principle of this system is: All testing is roboticized, including the data processing before work piece was clamped, the test piece automatic quit after test, testing result display and mimeograph. The characteristic of this set is: The testing precision relatively higher. In this system, when testing begin, the testing box and the measure pole is dragged by the X direction numerical control table and at the same time, the table was drove by step-electromotor. the fixture adopted hydraulic pressure system, because this system is more placidity and the effect to system’s precision is very small. This set is a whole testing installation. It not only can singly for testing but also for CIMS too. Key words：connecting rod ; parallelism ; examination; X direction numerical control table sensor 目 錄 摘 要 Ⅲ Abstract Ⅳ 目 錄 Ⅴ 1 緒論 1 1.1 課題的概況及提出 1 1.2 課題分析 1 2 總體方案設計 2 2.1 本測試系統(tǒng)的理論方法和依據(jù) 2 2.2 本裝置的主要組成部分 2 2.1.1 機械部分 2 2.1.2 液壓部分 2 2.1.3 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 2 2.3 機械部分的功用及其設計原則 3 2.4 液壓部分的功用及選件原則 3 2.5 電氣部分 3 3 機械部分的設計 4 3.1 傳感器的選用與安裝 4 3.1.1 傳感器的選用 4 3.1.2 傳感器的安裝 4 3.2 其他運動部件的設計與計算 5 3.2.1 承載工作臺外形尺寸與重量估計 5 3.2.2 測試箱外形尺寸及重量估算 6 3.2.3 滾珠絲杠伺服傳動系統(tǒng)傳動比的確定 6 3.2.4 傳動系統(tǒng)中一對齒輪參數(shù)的確定 6 3.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型及校核 7 3.2.6 滾動導軌的設計 9 3.2.7 步進電機的選用 10 3.3 數(shù)控系統(tǒng)的精度驗算 12 4 液壓部分的設計 13 4.1 液壓缸的設計 13 4.1.1 夾緊力的計算 13 4.1.2 確定液壓缸的主要尺寸 14 4.1.3 計算液壓缸工作階段所需的流量 14 4.1.4 液壓缸的安裝 14 4.2 液壓泵的選用 15 4.2.1 液壓泵的工作壓力確定 15 4.2.2 泵的流量確定 15 4.2.3 選擇液壓泵的規(guī)格 15 4.3 與液壓泵匹配電動機的選定 15 5 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 16 5.1 硬件電路總體設計方案 16 5.1.1 硬件電路框圖表示 16 5.1.2 硬件電路主要元器件的選擇清單 16 5.2 主控制器CPU的選擇及其引腳 16 5.2.1 CPU的選擇 16 5.2.2 8031的硬件資源及其引腳 17 5.3 存儲器擴展電路的設計 17 5.3.1 程序存儲器的擴展電路芯片 17 5.3.2 地址鎖存器選用 18 5.3.3 數(shù)據(jù)存儲器的擴展電路芯片 18 5.3.4 譯碼器的選用 19 5.4 I/O擴展電路的設計 19 5.4.1 8255可編程接口芯片的選用 19 5.4.2 步進電機驅動電路 20 5.4.3 三相異步電機的驅動電路 21 5.4.4 電磁換向閥的驅動電路 21 5.5 模數(shù)轉換電路設計 22 5.5.1 測量電橋 22 5.5.2測量放大電路 22 5.5.3 相敏檢波電路 22 5.5.4 功率放大電路 23 5.5.5 集成采樣保持電路 23 5.5.6 A/D轉換電路 23 5.6 其他輔助電路設計 24 5.6.1 鍵盤與顯示器接口電路 24 5.6.2 打印機接口電路 24 5.6.3 報警顯示接口電路 24 6 控制軟件編程 26 6.1 監(jiān)控軟件的功能 26 6.2 鍵盤與顯示器接口的軟件設計 26 6.2.1 接口電路 26 6.2.2 軟件設計 26 7 結論與展望 30 7.1 結論 30 7.2 不足之處及未來展望 30 7.2.1 不足之處 30 7.2.2 未來展望 30 致謝 31 參考文獻 32 VII 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設計 1 緒論 1.1 課題的概況及提出 精密測量技術是機械工業(yè)發(fā)展的基礎和先決條件之一，這已被生產發(fā)展的歷史所確認。從生產發(fā)展的歷史來看，精密加工精度的提高總是與精密測量技術的發(fā)展水平相關的。有人認為材料、精密加工、精密測量與控制是現(xiàn)代精密工程的三大支柱。對于科學技術來說，測量與控制是使其發(fā)展的促進因素，測量的精度和效率在一定程度上決定著科學技術的水平[1]。目前，國外測量裝置已經與計算機技術和光電技術相結合，實現(xiàn)自動化、數(shù)字化和多功能化，國內正朝著這個方向努力發(fā)展。 連桿是發(fā)動機的重要組成零件，它連接著活塞和曲軸，他的作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。其大小孔中心線的平行度等主要尺寸直接影響到發(fā)動機的工作性能、使用壽命及機車的整體性能。因此，對其大小孔的中心軸線的平行度有很高的要求，而且連桿在生產過程中是流水作業(yè)、產量大、節(jié)拍快。因此，在生產過程中對其進行質量控制就顯得非常重要。 近年來隨著國內汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對汽車發(fā)動機性能的要求越來越高。而且連桿是發(fā)動機中的關鍵組成部件之一，其大小頭孔中心線的平行度須達到一定的精度，否則會導致發(fā)動機耗油量大、磨擦大、噪音大。因此，設計一套自動化程度高和測量精度高的專用于測量連桿大小頭孔的檢測裝置，不僅僅可以提高產品質量，還能更好的實現(xiàn)互換性，更可以獲得最佳的社會經濟效益。因此，需要對連桿大小孔的中心軸線的平行度進行檢測。連桿測量裝置向高精度、高效益、操作簡單的方向發(fā)展是一種必然的趨勢。 1.2 課題分析 這里要測量的工件是某汽車發(fā)動機的連桿大、小頭孔中心線的平行度。之前許多廠家使用氣動測量儀檢測，即利用直徑對氣體的壓力而通過儀表進行顯示。這樣的測量裝置還是能滿足精度要求的，但其靈敏度不是特別高，也難以適應現(xiàn)代化的自動生產線。 本測量系統(tǒng)的總體設計思想是：整個檢測過程實現(xiàn)自動化，不需人工干預。在本測試裝置中，采用滾珠絲杠以實現(xiàn)測桿的X方向的進給，工件的夾緊采用液壓油缸來保證系統(tǒng)的平穩(wěn)性，而自動檢測裝置選用應用廣泛的8031單片機來實現(xiàn)對整個測試系統(tǒng)控制。 2 總體方案設計 2.1 本測試系統(tǒng)的理論方法和依據(jù) 在本測試系統(tǒng)中，測量汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度所運用的理論依據(jù)是數(shù)學方法：在每孔的圓柱面內側分別測出兩個截面上三個不同點的位置，根據(jù)這三個點確定一個圓心，兩個圓的圓心構成一條直線，再依據(jù)數(shù)學方法來計算這兩條直線的夾角，最后轉換成平行度。 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線在兩個相互垂直的方向上的平行度誤差會導致活塞在氣缸中傾斜，使缸壁磨損不均勻，從而縮短發(fā)動機的使用壽命，同時也使曲軸的連桿軸頸磨損加劇，因此在大小頭頭孔中心線所決定的平面之平行方向上平行度公差值應不小于100：0.03,垂直于上述平面的方向上平行度公差值應不大于100：0.06。而連桿總成裝配圖中要求以大頭孔的中心線為基準來測大小頭孔中心線平行度，所以本測試系統(tǒng)就以一個定位銷來確定大頭孔中心線的位置，只需要測小頭孔中心線的位置最終則可轉換為其平行度。 2.2 本裝置的主要組成部分 2.2.1 機械部分 由傳感器箱體、 承載工作臺、工件定位和夾緊部件組成。 2.2.2 液壓部分 由液壓泵、液壓缸和液壓控制閥組成。 2.2.3 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 包括CPU選擇、存儲器擴展電路、I/O擴展電路、數(shù)模轉換電路、測量放大電路和信號采集保持電路以及其它輔助電路的設計。 下圖2-1 為機械結構圖 圖2-1 機械結構圖 2.3 機械部分的功用及其設計原則 測試箱主要是將選用的傳感器正確定位與夾緊[2]，其定位精度應該比檢測裝置的檢測精度要高1個等級。測試箱由滾珠絲杠拖動以實現(xiàn)X向的進給。另外，連桿的定位精度和夾緊的可靠性要求也比較高。 2.4 液壓部分的功用及選件原則 進行測試之前，要保證工件的正確定位與夾緊，因為本測試裝置屬于精密測量儀器，系統(tǒng)在運行中要求振動小，而液壓系統(tǒng)具有平穩(wěn)性好，運動慣性小、反應速度快、易于實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點。所以，在本測試裝置系統(tǒng)中運用液壓系統(tǒng)對工作進行夾緊比較合理、比較理想的。 2.5 電氣部分 在實際測量中，因為傳感器的輸出量是連續(xù)變化的物理量（也就是模擬量，與此對應的電信號則是模擬信號），要將其輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理，就需要運用A/D轉換電路將模擬信號轉換為計算機可識別的數(shù)字信號，轉換過程主要包括采樣、量化和編碼。這里采用逐次逼近式的轉換電路，因為逼近式A/D轉換器在精度、速度和價格上都適中，是目前最常用的A/D轉換器。 因本系統(tǒng)屬于工業(yè)測控的智能化儀器儀器，根據(jù)實際的需要，在這里需要解決計算機和外設聯(lián)系的接口電路，包括鍵盤、顯示器和打印機等。 3 機械部分的設計 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度檢測裝置的進給運動是數(shù)字控制的直接對象，被測試的連桿的平行度的精度肯定會受到進給運動傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。因此，在設計進給系統(tǒng)時要充分注意減少摩擦，提高傳動精度和剛度，消除傳動間隙，以及減少運動件的慣性。 所以進給系統(tǒng)如下圖3-1。 圖3-1 進給系統(tǒng) 3.1 傳感器的選用與安裝 3.1.1 傳感器的選用 因為本裝置是用來自動檢測汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度的，所以本裝置選用差動變壓器式位移傳感器[3]。差動變壓器式位移傳感器應用比較廣泛，它的精確度和靈敏度都非常高，非線性誤差小，量程比較寬，非常適合本檢測裝置系統(tǒng)。 差動變壓器式位移傳感器有很多型號，現(xiàn)在選用以下規(guī)格的傳感器。其主要性能規(guī)格示值見表3.1。 表3.1 差動變壓器式位移傳感器規(guī)格[4] 變動性 0.2um 測量力 0.4~0.7N 總行程 1.2mm 裝卡尺寸 F8h7 外形尺寸 F8′30 重量 0.15N 3.1.2 傳感器的安裝 3.1.2.1 測量杠桿機構的作用與外伸軸的剛度估計 因為被測汽車發(fā)動機連桿小頭的直徑只有28mm，無法把差動變壓器式位移傳感器安裝在所測孔的內表面上，所以考慮選用一個杠桿機構，稱之為測桿。測桿的一端安裝一個傳感器測頭，另一端與傳感器的測頭相接觸，同時這個機構還可以將這杠桿孔的直徑誤差進行放大，以保證整個測試系統(tǒng)的測量精度。 整個系統(tǒng)要設計三個測桿，它們安裝在測試箱的外伸軸上面。因為所測的連桿小頭孔的直徑誤差很小，所以必須要考慮測試桿和外伸軸的剛度[5]，才能避免因變形而影響整個測試系統(tǒng)的精度。為了降低測桿變形，在安裝時除了采用支承銷還另加彈簧，因在測試過程中，測頭所受到的力非常小，再加上本身的重量還不足1N，而且測桿的材料是選用優(yōu)質的45鋼，承受這樣小的力，估計其變形是可以忽略，因而無需校核其剛度。此外，因外伸軸的外伸長度只有129mm,最小直徑12mm，材料同樣選用45鋼，同樣忽略其變形。 3.1.2.2 傳感器的定位與安裝 傳感器的定位與安裝在本自動檢測裝置的設計中是一個重點問題，因為它的正確定位將會直接影響到本測試系統(tǒng)的精度。但是，不管怎樣它都會帶來誤差屬于常值系統(tǒng)誤差，可以用過其他方法給予補償。 傳感器安裝完成后可以通過調整與其相連的壓板螺母來調節(jié)其軸向定位和徑向定位的精確度。下圖3-2為傳感器的安裝與定位圖 圖3-2 傳感器的安裝與定位 3.2 其他運動部件的設計與計算 3.2.1 承載工作臺外形尺寸與重量估計 見表3.2 表3.2 工作臺外形尺寸與重量估計 長L 200mm 寬D 86mm 高H 45mm 密度ρ 7.8x10-3kg/cm3 重力加速度g 10N/kg 重力G 60.37N 3.2.2 測試箱外形尺寸及重量估算 外伸軸外形尺寸與重量估計見下表3.3 表3.3 外伸軸外形尺寸與重量估計 長L 160mm 圓周率π 3.14 半徑r 12mm 密度ρ 7.8x10-3kg/cm3 重力加速度g 10N/kg 重力G 5.64N 測試箱外形尺寸與重量估計見下表3.4 表3.4 測試箱外形尺寸與重量估計 長L 160mm 寬D 90mm 高H 152mm 密度ρ 7.8x10-3kg/cm3 重力加速度g 10N/kg 重力G 113.82N 傳感器 G=0.15N′3=0.45N 總體重量 G= G工作臺+G外伸軸+G測試箱+G傳感器=180.28N 3.2.3 滾珠絲杠伺服傳動系統(tǒng)傳動比[6]的確定 ∴ i=1.5×5/（360×0.01）=1.67 3.2.4 傳動系統(tǒng)中一對齒輪參數(shù)的確定 Z——齒數(shù)； d——齒輪的公稱直徑(mm); b——齒輪寬度(mm); a——兩個齒輪的中心距(mm) 下圖3-3為齒輪1 圖3-3 齒輪1 3.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型及校核 (1) 滾珠絲杠的特點[7] 滾珠絲杠螺母副是回轉與直線運動相互轉換的新型傳動裝置。在絲杠和螺母上加工有弧型的螺絲槽，當它們套在一起是形成了螺絲滾道，并且在滾道內裝滿滾珠，當絲杠相對于螺母旋轉時，兩者會發(fā)生軸向位移，而滾珠則會沿滾道滾動，螺母螺絲槽兩端用回珠管連接，使?jié)L珠能周而復始的循環(huán)，采用滾珠絲杠提高了機構的效率和傳動精度，所以一般精度較高的系統(tǒng)中采用滾珠絲杠來傳動。 （2）滾珠絲杠的循環(huán)形式 滾珠絲杠的循環(huán)形式主要有內循環(huán)和外循環(huán)。內循環(huán)的有優(yōu)點是回路短，流暢好。外循環(huán)的優(yōu)點是加工方便。 下圖3-4為滾珠絲杠的循環(huán)形式 圖3-4 滾珠絲杠的循環(huán)形式 我設計的連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置的傳動系統(tǒng)就采用了滾珠絲杠，以增加系統(tǒng)的傳動效率，運動的平穩(wěn)性及壽命，循環(huán)形式是內循環(huán)。 3.2.5.1 牽引力Fm的確定 滾珠絲杠上的牽引力Fm（N）是指滾珠絲杠副在驅動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫工作載荷。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。 取Fm=1.414fBG總=1.414x0.01x180.28N=2.55N.5N 3.2.5.2 最大動載荷計算及主要參數(shù)的初定 計算載荷FC（N）的計算 　 ∴ FC=1.2x1.0x1.1x2.55N=3.37N 計算額定動載荷計算值Ca' Ca'=FC3nmLh'1.67x104 式中,nm——為滾珠絲杠的平均轉速（r/min）,nm =1000v/L0,其中v為最大工作載荷下的進給速度,取v=1m/min.L0為滾珠絲杠的基本導程(mm),這里初定為5mm.則nm=1000′1/5=200r/min; Lh' ∴ Ca'=3.373200x150001.67x104=19N 3.2.5.3 初選滾珠絲杠副 根據(jù)最大動載荷并考慮各種因素，選擇滾珠絲杠副的幾何參數(shù)以下： 3.2.5.4 傳動效率的計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 η=tanλtan(λ+φ)=tan4°33‘tan（4°33‘+0.2°）=0.978 式中: 3.2.5.5 壓桿穩(wěn)定[8]性驗算 絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷為 式中，E——絲杠材料的彈性模量，取E=206GPa； ——絲杠的工作長度(m)，這里＝0.28m; ——絲杠危險截面軸慣性矩(m4)， =d14/64=3.14′(0.016788m)4/64=3′10-8m4 μ ——長度系數(shù)，設計絲杠的支承方式為一端固定，一端游動，故取μ＝2/3 ∴ Fcr==1.74′106N 安全系數(shù)S= Fcr/Fm=1.74′106/2.55=682352.94,可見足夠安全，不會失穩(wěn)。 3.2.5.6 剛度驗算[8] 絲杠的拉壓變形量為 σ1=±FmlEA 得　　σ2=±2.55′280/20.6′104′255=±0.14′10-4mm, 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量σ2，該變形量與滾珠列、圈有關，即與滾珠總數(shù)有關，與滾珠總數(shù)有關，與滾珠絲杠長度無關。有預緊時： σ2=0.0013xFm3DwFYJZZ2 式中，F(xiàn)YJ——預緊力(N), FYJ =0.673N； 　　　　　 ZZ=Z=Z′圈數(shù)′列數(shù)； 代入有關數(shù)據(jù)算得 σ2=0.94′10-3mm. 當預緊力為軸向工作載荷的1/3時，σ2的值可減少一半左右， ∴　σ2=0.47′10-3mm σ=σ1+σ2=0.000484mm 本系統(tǒng)的定位精度為0.015，可見滿足要求。取滾珠絲桿精度等級為3級，允差為12um所以也能符合設計要求。 3.2.6 滾動導軌的設計[7] 由于雙V形滾動導軌的結構是對稱的，工作臺可以放在兩導軌之間，能承受側向力矩，接觸剛度好、導向性和精度保持性好，并設計為鑲條以便維修和調整，因此滿足設計要求。 3.2.6.1 滾動導軌的參數(shù)確定 根據(jù)檢測過程中工作臺實際需移動的距離，可取導軌的總長度為280mm，動導軌長度為140mm，動導軌行程為100mm，滾珠保持器的長度為200mm. 3.2.6.2 滾動體尺寸與數(shù)目的確定 由于工作臺重量比較輕，并且在工作過程中動載荷只有2.55N。根據(jù)有關資料中的雙V型導軌的滾動體的直徑最好不低于6mm，因為若滾動體太小就容易產生滑動象。現(xiàn)選滾珠的直徑為6mm。 滾動體數(shù)目選擇的根據(jù)： z≦G/30d, 算得z=10，由動導軌長度為140mm，得兩滾珠之間的距離t=14mm. 3.2.6.3 驗算許用負載[9] 許用負載 [P]=Kξd2 式中，K——滾動體截面上假想許用應力，經查表取K=60N/cm2; ξ——導軌硬度校正系數(shù),這里取ξ=1。 ∴　[P]=60′1′0.62N=21.6N 這里設計的導軌選用淬透鋼HRC=55，所以[P]=21.6N，Pmax=15.412N＜[P] 可見，雙V型滾珠導軌是符合要求的。 3.2.7 步進電機的選用 步進電機也叫脈沖電動機，是將脈沖信號轉化成相應的角位移的電磁機械裝置，是一種輸入與輸出數(shù)字的脈沖對應的增量驅動元件。給步進電機一個電脈沖信號時，不僅電動機會轉動一個步距角，如果按一定規(guī)律給步進電機一串連續(xù)的脈沖信號，步進電機便會一步步地連續(xù)旋轉。步進電機具有如下特點[10]： (1)步進電機受數(shù)字脈沖信號控制，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比。 (2)步進電機的轉速與輸入的脈沖頻率成正比。 (3)步進電機的轉向可以通過改變通電順序來改變。 (4)步進電機具有自鎖能力，一旦停止輸入脈沖，只要維持繞組通電，電動機就可以保持在該固定位置。 （5）適合于直接與微機的I/O接口，構成開環(huán)位置伺服系統(tǒng)。 步進電動機的類型非常多，按它工作原理分為反應式、永磁式、永磁感應式、滾切式和若干混合式。按勵磁相數(shù)可分3相、4相、5相、6相和8相，按其規(guī)律可分為快速電機和功率電機。 步進電動機的工作原理：反應式步進電機的工作原理與反應式同步電機一樣，轉子的轉動力矩是靠定子磁極與轉子間的磁極和切向分力產生的，如圖3-5當定子上A相繞組通電時，由于磁場力使磁組減少，因此轉子上離A相磁極相對的位置，當A相斷電，受B相繞組所建立的磁場影響最大時，轉子齒2和4在磁場力的作用下，逆時針轉到和B相磁極相對的位置，即轉子前進一步。同樣當B相斷電，而C相通電時，轉子又在磁場力的作用下轉動一步，使轉子1、3齒與C相磁極對齊，由此可見，按A-B-C-A 順序通電時，電機便一步步地轉動，步進電機的步距角 是轉子旋轉一步所轉過的角度，由此可見 θb=360°zma z——轉子齒數(shù) ma——通電循環(huán)拍數(shù) 圖3-5步進電機工作原理 3.2.7.1 步進電機的步距角 初選進步電機的步距角θb=1.5°/脈沖脈沖 3.2.7.2 步進電機啟動力矩的計算 取步進電機的等效負載力矩為T，負載為P，根據(jù)能量守恒定理，電機所做的功與負載所做的功有如下關系： TΦη=PS 　　　　　式中，Φ——電機轉角； 　　　　　　　　S——移動部件的相對位移； 　　　　　　　　Η——機械傳動效率； 3.2.7.3 步進電機轉動慣量計算 Jd=J0+J2+Z1Z22J2+J3+m(δpx180/3.14θb)2 對材料為鋼的圓柱零件轉動慣量可按下式計算： J=0.78′10-3′D4′L 式中，D——圓柱零件的直徑(cm)； 　L——零件長度（cm）. J1=0.78′10-3′2.44′0.25=19.24′10-2 kg.cm2 J2=0.78′10-3′54′0.5=24.375′10-2 kg.cm2 J3=0.78′10-3′2.64′26=32.45′10-2 kg.cm2 J0很小可以忽略為0 ∴ Jb=1,294x10-2+24.375+32.45x10-2+51x(0.001x180/3.14x1.5)2=0.218kg?cm2 Wmax=2x3.14xfmax=43.62rad/s Tg=JdxWmax-W00.01=9.51N?cm Jmax>Tg>K0.5=19.02N?cm 3.2.7.4 選擇步進電機的型號 可以根據(jù)最大的靜轉矩Jmaax=19.02 N.cm,選出反應式步進電動機45BF005Ⅱ.有關參數(shù)見表3.5 表3.5 45BF005Ⅱ步進電機參數(shù) 外徑 (mm) 長度(mm) 軸徑(mm) 質量(kg) 步距角 [（°）/脈沖] 電壓 (v) 相電流(A) 最高啟動空載頻率(Hz） 最大靜轉矩(N·m) 45 58 4 0.4 1.5 27 2.5 3000 0.196 3.3 數(shù)控系統(tǒng)的精度驗算 步進電機驅動的數(shù)控系統(tǒng)精度是可以不用驗算，因為檢測前兩面的工作臺的定位精度要求不算太嚴格，而數(shù)控系統(tǒng)本身的精度已經能夠滿足設計要求，特別是滾珠絲杠螺母副的采用，具有傳動效率高，摩擦小，采用經齒差調隙式的雙螺母預緊方式，經適當預緊后，可消除絲杠和螺母的間隙，定位精度高，剛度好，運動平穩(wěn)，傳動精度高，精度保持性好，使用壽命長。 而減速齒輪的間隙在設計時可以采用偏心套消除間隙，這樣可以使傳動更平穩(wěn)，并且能消除振動。 4 液壓部分的設計 在本檢測裝置系統(tǒng)中，汽車發(fā)動機連桿要被夾緊才能被檢測大小頭孔中心線平行度。所以將選用液壓傳動裝置[11]在本檢測系統(tǒng)中夾緊工件，讓工件盡可能的被夾緊，定位準確。因為要考慮到夾緊時間可調節(jié)以及當進油路壓力瞬時下降時的保持夾緊力，所以應接入節(jié)流單向閥保壓。調節(jié)夾緊力大小和保持夾緊力穩(wěn)定，可在回路上加上減壓閥。以下是液壓夾緊總體設計方案圖4-1。 圖4-1 液壓夾緊系統(tǒng)圖 4.1 液壓缸的設計[11] 4.1.1 夾緊力的計算 由連桿圖可以估算的工件重量如下： G工件=190+54+28×1022×30×10-3×7.8×10-3×10=32.46NN 其中F為切削力，此處F為0； G為工件重量。 ∴ F夾=6.67×32.46=216.5N6.5N 4.1.2 確定液壓缸的主要尺寸 液壓缸[12]要承受的負載包括有效工作負載和摩擦阻力以及慣性力等。液壓缸的工作壓力可按負載來確定。對不同用途的液壓設備，因為工作條件的不同，采用的壓力范圍也會不同。設計的時候，液壓缸的工作壓力可以按照負載大小及液壓設備類型，可以參考下面的表4.1、表4.2來確定。 表4.1? 液壓缸的公稱壓力（單位：MPa,GB7938-87） 0.63 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 10.0 16.0 25.0 31.5 40.0 表4.2? 各類液壓設備常用的工作壓力(單位：MPa) ?設備類型? 一般機床 ?一般冶金設備 ?農業(yè)機械、小型工程機械 液壓機、重型機械、軋機壓下、起重運輸機械 工作壓力(MPa) 1～6.3 6.3～16 10～16 20～32 ?取液壓系統(tǒng)的機械效率η為0.95，夾緊液壓缸的工作壓力P1為1.6MPa, 回油背壓力p2為0，即可得液壓缸內徑D D=4F夾maxπp1η 代入數(shù)據(jù)可得D=0.01347m=13.47mm. 表4.3 液壓缸標準規(guī)格（單位：mm） 液壓缸 標準規(guī)格 序號 液壓缸內徑 液壓缸外徑 液壓桿直徑 液壓鋼承壓 01 Φ32 Φ40 Φ18 ≤30 Mpa 02 Φ40 Φ50 Φ25 ≤30 Mpa 03 Φ45 Φ60 Φ30 ≤60 Mpa 04 Φ50 Φ65 Φ32 ≤60 Mpa 05 Φ63 Φ80 Φ45 ≤60 Mpa 查表4.3確定液壓缸和活塞桿的D和d分別為32mm和18mm。 4.1.3 計算液壓缸工作階段所需的流量[11] 設V夾=4m/min，工作階段所需的流量為 代入數(shù)據(jù)可得q=3.22L/min 按照q夾選擇液壓系統(tǒng)中的各個元件的型號，具體型號與安裝見總裝配圖。 4.1.4 液壓缸的安裝 液壓缸的安裝方式采用中部法蘭聯(lián)接，即設計為支座，由于液壓缸與底座相平行，所以底座應當設計成帶有直角形狀，具體結構與參數(shù)見液壓缸支座零件圖。 4.2 液壓泵的選用 4.2.1 液壓泵的工作壓力確定 因為在正常工作中進油管路有一定的壓力損失，所以液壓泵[12]的工作壓力為 4.2.2 泵的流量確定 4.2.3 選擇液壓泵的規(guī)格 現(xiàn)選用限壓式變量葉片泵。因為限壓式變量葉片泵具有結構緊湊、體積小、重量輕、流量均勻、噪聲小、壽命長等優(yōu)點?？梢愿鶕?jù)以上算得的Pp和qp查閱液壓泵相關手冊，選用型號為YBX－16型的葉片泵，其主要參數(shù)見表4.4。 表4.4 YBX－16型葉片泵主要參數(shù) 排量 額定壓力 轉速 容積效率 總效率 （mL/r） （MPa） (r/min) (%) (%) 16 6.3 600-1450 85 70 4.3 與液壓泵匹配電動機的選定 根據(jù)液壓泵的轉速和系統(tǒng)所需要的功率，現(xiàn)在選用Y系列三相異步電動機，型號為Y90L-4，其主要技術參數(shù)見表4.5。 表4.5 Y90L-4型三相異步電動機主要技術參數(shù) 功率 電流 轉速 效率 額定轉速 最大轉矩 質量 （kw) (A) (r/min) (%) (N*m) (N*m) (kg) 1.5 3.7 1400 79 2.3 2.3 27 5 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 5.1 硬件電路總體設計方案 5.1.1 硬件電路框圖表示 圖5-1　硬件電路總體方案框圖 5.1.2 硬件電路主要元器件的選擇清單 CPU：8031芯片 8K程序存儲器 2764 8K數(shù)據(jù)存儲器 6264 地址鎖存器 74LS373 譯碼器 74LS138 擴展可編程接口芯片8255 兩片 可編程鍵盤、顯示器接口芯片 集成采集保持器 AD582 相敏檢波器 AD532 測量放大器 AD521 運算放大電路 可編程 A/D0809 芯片 5.2 主控制器CPU的選擇及其引腳 5.2.1 CPU的選擇 本檢測系統(tǒng)是采用8031作為單片機[14]中央處理單元，主要基于8031微處理器的成本低，應用廣泛，易于產品化，能夠針對性的解決問題，并且具有現(xiàn)成的硬件接口電路和軟件，能方便組成各種智能化控制設備和各種智能儀表儀器。因為本檢測系統(tǒng)是一個智能測量裝置，單片機能面向控制，能針對性地解決問題，所以適合本裝置的應用。 5.2.2 8031的硬件資源及其引腳 5.2.2.1 8031的內部資源 8031內部含有一個8位的CPU，RAM（128字節(jié)），ROM（4K字節(jié)），21個特殊功能的寄存器，4個8位并行口，2個16位的定時器/計數(shù)器，一個全雙工串行口，5個中斷源，40個引腳等。在本裝置中，還須要擴展多個接口才能夠完成系統(tǒng)的自動檢測功能。 5.2.2.2 8031的引腳定義及功能 8031單片機是用40引腳雙列直插封裝（DIP）形式。包括： Vss(20腳)：接地。 Vcc(40腳)：主電源+5V。 XTAL1(19腳)：接外部晶體一個引腳，在單片機內部，它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在這里采用片內振蕩器，此引腳作為驅動端。當用外部振蕩器時，此引腳應接地。 XTAL2(18腳)：接外部晶體的另一端,即反相放大器的輸出端。 RST/VPD(9腳)：振蕩器運行，此引腳上會出現(xiàn)兩個機器周期寬度以上的高電平將會使單片機復位。 ALE/(30腳)：當訪問外部儲存器時，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。 ：片外程序存儲器的選通信號，低電平有效。 /VPP：當端輸入高電平時，CPU執(zhí)行程序，訪問片內程序存儲器。對于8031來說，無片內存儲器，該引腳應接低電平。 輸入/輸出(I/O)引腳P0、P1、P2和P3，共四個端口，每個端口都是8位準雙向口，共占32根引腳。 5.3 存儲器擴展電路的設計[15] 5.3.1 程序存儲器的擴展電路芯片 因為8031內部不帶EPROM芯片，所需要擴展程序存儲器。根據(jù)本系統(tǒng)的控制要求，采用一片8K的EPROM就可以滿足要求，這里選用8K′8位的2764芯片，引腳結構如圖5-2所示。 圖5-2　EPROM引腳結構 2764共有13根地址線A0～A12，其地址范圍是0000H～1FFFH。有8根數(shù)據(jù)線D0～D7，其余為控制線。分別定義為： 　　——片選信號輸入端，低電平有效，表示選中該芯片。因8031內部不帶EPROM芯片，這里直接接地表示一直選通。 　　——輸出使能端，與單片機的相連，當有效時，把2764中的指令或數(shù)據(jù)送入P0口線。 PGM——編程控制端。 VCC ——+5V電源。 5.3.2 地址鎖存器選用 單片機規(guī)定P0口提供低8位的地址，又作數(shù)據(jù)線，所以為分時輸出低8位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外存儲器提供低8位地址信息，這里應選用帶三態(tài)緩沖輸出的8口鎖存器74LS373作為地址鎖存器，它的鎖存控制端G和STB直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器中。 5.3.3 數(shù)據(jù)存儲器的擴展電路芯片 8031內部只有128字節(jié)的RAM，遠遠不能滿足系統(tǒng)的控制要求，需要擴展片外數(shù)據(jù)存儲器。由于面向控制，實際需要擴容量不大。其選用規(guī)則與EPROM的要求相同。這里選用的6264為8K′8位的靜態(tài)RAM，其引腳結構如圖5-3所示。 圖5-3　RAM引腳結構 6264共有13根地址線A0～A12，有8根數(shù)據(jù)線D0～D7。其余為控制線。分別定義為： 　　——片選信號輸入端，低電平有效，表示選中該芯片。 　　——輸出允許(讀)信號，與單片機的(P3.7)連接，實現(xiàn)讀操作。 　　——輸出允許(寫)信號，與單片機的(P3.6)連接，實現(xiàn)寫操作。 　　 VCC ——+5V電源。 　 5.3.4 譯碼器的選用 CPU與存儲器連接的存在一個重要問題是，存儲器地址的分配和片選信號的產生。它們決定了存儲器在內存空間中的位置。解決片選信號的問題就是要正確處理存儲器地址譯碼問題。一般來說，地址譯碼有線選法和地址譯碼法。線選法就是把單獨的地址線作為片選信號接到存儲器的片選端上，只要該信號為低電平就可選中相應的存儲器芯片，這種方法的特點是連線簡單，不需專門設計邏輯電路，但芯片之間的地址不連續(xù)。 地址譯碼法又分部分譯碼和全譯碼兩種方式。部分譯碼法類似于線選法，地址有重疊區(qū)，地址空間分散。這里采用全譯碼法，它是指除存儲器芯片所用地址線與CPU的地址線對應相連外，末用的地址線全部參加譯碼，通過地址譯碼器產生存儲器的片選信號。本系統(tǒng)選用74LS138，其輸入端A、B、C接8031的P2.5、P2.6、P2.7。 5.4 I/O擴展電路的設計 8031單片機[16]共有四個8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口及部分P3口，因此大部分應用系統(tǒng)中都不可避免地要進行擴展I/O口。本系統(tǒng)須擴展兩個8255可編程接口芯片以及其它外設接口電路。 5.4.1 8255可編程接口芯片的選用 8255具有3個可編程的并行I/O端口，A口、B口和C口，它們都可以通過軟件編程來改變I/O口的工作方式，即方式0、方式1和方式2。8255共有40個引腳，下面根據(jù)功能分類說明： 5.4.1.1 數(shù)據(jù)總線 D0～D7用于傳送CPU與8255之間的命令與數(shù)據(jù)，PA0～PA7、PB0～PB7、PC0～PC7，分別與A、B、C3個口相對應，用于8255與外設之間傳送數(shù)據(jù)。 5.4.1.2 控制線 ——讀信號，與8031的(P3.7)連接，當輸入低電平時，控制8255送出數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息到CPU，即CPU對8255進行讀操作。 ——寫信號，與8031的(P3.6)連接，當輸入低電平時，控制把CPU輸出的數(shù)據(jù)或命令寫到8255，即CPU對8255進行讀操作。 RESET——復位信號，輸入。當此引腳為高電平時，所有8255內部寄存器都清0。 5.4.1.3 尋址線 ——芯片選擇信號，接74LS138的兩個輸出端。當為低電平時，本芯片被CPU選中。 A0和A1——兩個輸入信號，接地址總線A11和A12。 5.4.2 步進電機驅動電路 步進電機是由脈沖信號來實現(xiàn)控制的，在負載能力和動態(tài)特性范圍內，電動機的角位移僅與控制脈沖數(shù)成正比。其驅動電路框圖見圖5-4。 計算機接口電路 脈沖分配器 隔離 電路 功率放大電路 步進電機 圖5-4 步進電機驅動電路框圖 5.4.2.1 計算機接口 在數(shù)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)微機對步進電機的自動控制，就必須要借助計算機接口電路。本系統(tǒng)中，步進電機接口電路接8255(1)的A口,其控制由PA0～PA3口輸出信號實現(xiàn)。 5.4.2.2 脈沖分配器 脈沖分配器又稱環(huán)行分配器，是驅動步進電機中必不可少的環(huán)節(jié)。步進電動機的控制方式由環(huán)行分配器來實現(xiàn)，它作用是將數(shù)控裝置傳來的一系列指令脈沖按照一定的分配方式和順序送給步進電機的各項繞組并能實現(xiàn)電機的正轉和反轉。在數(shù)控系統(tǒng)中常使用比較多的是集成脈沖分配器以及軟件分配器，本系統(tǒng)采用的是TTL產品YB103，其引腳結構如圖5-5所示。 圖5-5　YB103引腳結構 各引腳功能說明如下： ——選通輸出控制端，接8255(1)的PA0口?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　? 、——選通輸入控制端，這里把此兩引腳接地。 A0、A1——電機勵磁方式控制。 +△、－△——正、反轉控制端。 A、B、C——分別為A相、B相、C相輸出控制端?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　? CP——時鐘脈沖的輸入，接8031和T0引腳。　　　　 5.4.2.3 光電隔離電路 在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后控制步進電機的勵磁繞組。因步進電機驅動電壓比較高，電流也比較大，如果將輸出信號與功率放大器直接相連接，將會引起強干擾。所以這里脈沖分配器與功率放大器之間加上光電耦合器以實現(xiàn)電氣隔離。 光電耦合器是把發(fā)光件和受光件封裝在一起，通過光信號，實現(xiàn)電信號傳遞的器件。連接發(fā)光源的引線作為輸入端，連接受光件的引線為輸出端。通常發(fā)光件為發(fā)光二極管，而受光件為光敏三極管。 5.4.2.4功率放大器 脈沖分配器的輸出功率還不足夠驅動步進電機所需的功率，這里必須將其輸出信號放大才能保證步進電機的正常運行。 功率放大器按其結構不同分為單電源和雙電源型。本系統(tǒng)中采用單電源供電結構，并在步進電機的繞組回路中串聯(lián)一個小于10Ω的電阻，以增大功率放大器負載回路的電阻，使步進電機中的電流上升時間常數(shù)減小，提高上升沿的陡度。 5.4.3 三相異步電機的驅動電路 在本裝置中，用三相異步電機Y90L-4來驅動液壓元件工作。因這里選用的三相異步電機的功率只有1.5千瓦，起動時沒有必要采用其它特殊的起動方法而用直接起動方法即可。但為了考慮整個裝置的自動化，這里用單片機I/O端口的輸出信號經放大后驅動電磁繼電器，進而控制異步電機的啟停。同樣在單片機端口輸出信號接入光電耦合器和功率放大器。 5.4.4 電磁換向閥的驅動電路 這里采用的是三位四通的電磁換向閥，其換向動作由一個電磁鐵來實現(xiàn)，通過控制電磁鐵的通斷電狀態(tài)進而控制其換向動作。這里用8255的PA3端口輸出信號，經光電耦合器和功率放大來驅動電磁鐵。 5.5 模數(shù)轉換電路設計[15] 傳感器的輸出量是連續(xù)變化的模擬量，這些模擬量須經過轉換成計算機能識別數(shù)字量才能進行最終的數(shù)據(jù)處理，以實現(xiàn)裝置的自動檢測功能。其模數(shù)轉換電路框圖如圖5-6所示。 功率放大 相敏檢波 測量放大 測量電橋 A/D轉換 振蕩器 采樣保持 圖5-6　模數(shù)轉換電路框圖 5.5.1 測量電橋 傳感器[17]本身就是一個電感式的測量電橋，它的作用是將傳感器的徑向位移轉換成強度較強的電壓信號。測量電橋實質是一個乘法器。 5.5.2測量放大電路 這里選用AD521放大器，接線見圖5-7。 圖5-7　AD521接線圖 AD521測量放大器的放大倍數(shù)可調范圍1到1000，輸入阻抗為3MΩ，共模抑比可達120dB，工作電壓范圍5到18V，放大倍數(shù)為1時的最高頻率大于2MHz。其放大倍數(shù)由電阻比K=Rs/Rg決定。 5.5.3 相敏檢波電路 測量放大電路輸出的信號中，包括高頻的調制波和要處理的點信號，相敏檢波的解調與低通濾波器可將高頻的調制波濾去，只剩下要處理的電信號，此時能消除零點殘余電壓的影響。 本檢測系統(tǒng)選用AD532/CL80B作為相敏檢波芯片。其引腳結構見圖5-8。 5.5.4 功率放大電路 經過相敏檢波后的模擬信號，再通過功率放大電路，使信號得到增強，以利于信號的采集。這里的選用F007型的放大器，其接線情況見電氣系統(tǒng)圖。 5.5.5 集成采樣保持電路 這里選用集成采樣保持器AD582，它有0.01%的線性度和0.002%的增益精度，保持電容取1000pF,捕獲時間小于6μs,斷開時間為200ns，無論處于采樣還是保持狀態(tài)均為高輸