汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计1.doc

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1、目录中文摘要4Absrtact4第1章 绪论51.1 课题的概况及提出51.2 课题分析5第2章 总体方案设计52.1 本装置的主要组成部分52.1.1 机械部分52.1.2 液压部分52.1.3 电气部分52.2 本测试系统的理论方法和依据52.3 机械部分的作用及其设计原则62.4 液压部分的功能62.5 模数转换电路62.6 相关的计算机接口电路6第3章机械部分的设计63.1 传感器的选用及安装6 3.1.1 传感器的选用63.1.2 传感器的安装63.1.2.1 测杆与外伸轴的刚度估计63.1.2.2传感器的定位与安装73.2其他运动部件的设计与计算73.2.1 承载工作台外形尺寸与重

2、量估计73.2.2 测试箱外形尺寸及重量估算73.2.3 滚珠丝杠螺母副的设计计算73.2.3.1计算载荷FC（N）的计算73.2.3.2计算额定动载荷计算值73.2.3.3根据选择滚珠丝杠副83.2.3.4 稳定性验算83.2.3.5 刚度验算83.2.4滚动导轨的设计93.2.4.1导轨的长度93.2.4.2滚动体尺寸与数目的确定93.2.4.3验算许用负载93.2.5 步进电机的选用93.2.5.1滚珠丝杠传动系统传动比i的确定93.2.5.2减速齿轮的设计93.2.5.3 步进电机启动力矩的计算93.2.5.4步进电机转动惯量计算103.2.5.5选择步进电机的型号103.3 数控系统

3、的精度验算10第4章液压部分的设计104.1液压缸的设计114.1.1夹紧力的计算114.1.2 确定液压缸的主要尺寸114.1.3 计算液压缸工作阶段所需的流量114.1.4 液压缸的安装114.2液压泵的选用124.2.1泵的工作压力的确定124.2.2 泵的流量确定124.2.3 选择液压泵的规格124.3与液压泵匹配电动机的选定12第5章检测装置的数控系统硬件电路设计135.1硬件电路总体设计方案135.1.1 硬件电路框图表示135.1.2 硬件电路主要元器件的选择清单135.2主控制器CPU的选择及其引脚135.2.1CPU的选择135.2.28031的硬件资源及其引脚145.2.

4、2.18031的内部资源145.2.2.28031的引脚定义及功能145.3 存储器扩展电路的设计145.3.1程序存储器的扩展电路芯片145.3.2 地址锁存器选用145.3.3 数据存储器的扩展电路芯片155.3.4译码器的选用155.4I/O扩展电路的设计155.4.18255可编程接口芯片的选用155.4.1.1数据总线155.4.1.2控制线155.4.1.3寻址线165.4.2 步进电机驱动电路165.4.2.1计算机接口165.4.2.2脉冲分配器165.4.2.3光电隔离电路165.4.2.4功率放大器165.4.3三相异步电机的驱动电路175.4.4电磁换向阀的驱动电路175

5、.5模数转换电路设计175.5.1测量电桥175.5.2 测量放大电路175.5.3相敏检波电路175.5.4 功率放大电路175.5.5集成采样保持电路185.5.6 A/D转换电路185.6其他辅助电路设计18 5.6.1 键盘与显示器接口电路185.6.2 打印机接口电路195.6.3 报警显示接口电路19第6章控制软件编程196.1监控软件的功能196.1.1 仪表硬件和软件的初始化196.1.2基本输入和输出系统的实现196.1.3仪表内部的组态196.1.4 仪表的任调度196.2键盘与显示器接口的软件设计196.2.1 接口电路206.2.2 软件设计20鸣谢23参考文献24汽车

6、发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计第1章 绪论1.1 课题的概况及提出精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件之一，这已被生产发展的历史所确认。从生产发展的历史来看，精密加工精度的提高总是与精密测量技术的发展水平相关的。有人认为材料、精密加工、精密测量与控制是现代精密工程的三大支柱。对于科学技术来说，测量与控制是使其发展的促进因素，测量的精度和效率在一定程度上决定着科学技术的水平。目前，国外量仪已与计算机技术和光电技术相结合，实现了自动化、数字化和多功能化，国内也正朝着这个方向发展。近年来随着汽车工业的飞速发展，人们对汽车发动机的性能要求越来越高。而连杆是发动机中的关键部件之一，

7、其大、小头孔中心线的平行度必须达到一定的精度，否则会导致发动机耗油量大，磨擦大，噪音大。因此设计一套自动化程度和测量精度高的专用于测量连杆大、小头孔的测量装置，是保证产品质量和提高生产效率的重要手段。1.2 课题分析这里要测量的工件是某汽车发动机的连杆大、小头孔中心线的平行度。本人去年在东风汽车发动机厂的连杆加工车间实习时曾记得这一工序是通过气压量仪来测量的，即利用直径对气体的压力而通过仪表进行显示。这样的测量装置还是能满足精度要求的，但其灵敏度不是特别高，也难以适应现代化的自动生产线。本测量系统的总体设计思想是：整个测量过程实现自动化，而不需人工干预。在本装置中，采用滚珠丝杠以实现测杆的X方

8、向的进给，工件的夹紧采用液压油缸来保证系统的平稳性，而自动检测装置选用应用广泛的8031单片机来实现对整个测试系统控制。第2章 总体方案设计2.1 本装置的主要组成部分2.1.1 机械部分由传感器箱体即测试箱、 X向数控工作台、工件定位和夹紧部件组成。2.1.2 液压部分由液压泵、液压缸和液压控制阀组成。2.1.3 电气部分包括CPU的选择、存储器扩展电路、I/O扩展电路、数模转换电路、测量放大和信号采集保持电路及其它辅助电路的设计。2.2 本测试系统的理论方法和依据在本测试系统中，测量连杆大小头孔中心线的平行度所应用的理论依据是运用数学方法：在每个孔的圆柱面内侧分别测出两个截面上三个点的位置

9、，根据这三个点确定一圆心，两个圆心构成一直线，再依据数学方法来计算这两条直线的夹角，最后转换成平行度。根据所测连杆大、小头孔平行度误差水平方向不大于100：0.03、垂直方向不大于100：0.06，而连杆总成装配图中要求以大头孔的中心线为基准来测大、小头孔中心线平行度，所以本测试系统就以一定位销来确定大头孔中心线的位置，只需测小头孔中心线的位置最终则可转换为其平行度。2.3 机械部分的作用及其设计原则测试箱主要是将所选用的传感器正确的定位与夹紧，其定位精度应比检测装置的检测精度高1个等级。测试箱由滚珠丝杠来拖动以实现X向的进给，关于滚珠丝杠的传动部分设计原来已在机电综合课程设计中详细设计过，这

10、里就简要描述了。另外，连杆的定位精度和夹紧的可靠性要求也很高。2.4 液压部分的功能在进行测试前，应保证工件的正确定位和夹紧，而本装置属于精密测量仪器，系统在运行过程中要求振动小，而液压系统具有平稳性好，运动惯性小、反应速度快、易于实现自动化控制等优点。因此，在本系统中运用液压系统对工作进行夹紧比较理想。2.5 模数转换电路在实际测量中，由于传感器的输出量是连续变化的物理量，也就是模拟量，与此对应的电信号则是模拟信号，要将其输入计算机进行数据处理，就需要运用A/D转换电路将模拟信号转换为计算机可识别的数字信号，其转换过程主要包括采样、量化和编码。这里采用逐次逼近式的转换电路，因逼近式A/D转换

11、器在精度、速度和价格上都适中，是目前最常用的A、D转换器。具体设计见后面。2.6 相关的计算机接口电路因本系统属于工业测控的智能化仪器仪表，根据实际需要，在这里需要解决计算机和外设联系的接口电路，包括键盘、显示器和打印机。第3章 机械部分的设计3.1 传感器的选用与安装 3.1.1 传感器的选用本检测装置选用差动变压器式位移传感器。因差动变压器式传感器应用比较广泛，其灵敏度高，精确度高，非线性误差小，量程较宽，适合本系统，现选用的传感器为中原量仪股份有限公司生产的DG-z7型（轴式）差动变压器式传感器。其主要性能规格示值为：变动性：0.2um测量力：0.40.7N总行程：1.2mm装卡尺寸：F

12、8h7外形尺寸：F830重量：0.15N3.1.2 传感器的安装3.1.2.1 测杆与外伸轴的刚度估计因所测的连杆小头孔的直径只有28mm，无法使传感器直接安装在所测孔的内表面上，这里考虑选用一个杠杆机构，称之为测杆。它的一端安装一个测头，另一端与传感器的测头相接触，同时这个机构还可以将这杠杆孔的直径误差进行放大，以保证整个测试系统的测量精度。整个系统设计出三个测杆，它们安装在测试箱的外伸轴上。由于所测的连杆小头孔的直径误差很小，必须考虑测试杆和外伸轴的刚度，避免因变形而影响整个测试系统的精度。为了降低测杆变形，在安装时除了采用支承销时还另加弹簧，因在测试过程中，测头所受到的测量力非常小，再加

13、上自身重量还不足1N，而测杆的材料是选用优质的45钢，承受这样小的力，估计其变形可以忽略，因而无需校核其刚度。此外，因外伸轴的外伸长度只有123mm,最小直径12.5mm，材料同样选用45钢，同样可以忽略其变形。3.1.2.2 传感器的定位与安装传感器的安装与定位在本测试装置的设计中属于一个重点问题，因它的正确定位直接影响到测试系统的精度。但它所带来的误差属于常值系统误差，可以通过计算机的编程等方法来予以补偿。传感器在安装后可以通过调整与其相连的压板螺母来调节其轴向定位和径向定位精度。其详细装配情况见测试箱装配图及其三维图。3.2 其他运动部件的设计与计算3.2.1 承载工作台外形尺寸与重量估

14、计 G工作台=(2001406010-3)cm3(7.810-3)kg/cm310N/kg=131N3.2.2 测试箱外形尺寸及重量估算G外伸轴=(3.1413219010-3) cm3(7.810-3 )kg/cm310N/kg=7.86NG测试箱=(10016016010-3 )cm3(7.810-3 )kg/cm310N/kg 2/3=133.12NG传感器=0.15N3=0.45NG总= G工作台+G外伸轴+G测试箱+G传感器=272.43N3.2.3 滚珠丝杠螺母副的设计计算3.2.3.1 计算载荷FC（N）的计算FC=KFKHKAFm 式中，KF载荷系数，取KF=1.2；KH硬度系

15、数，取KH=1.0；KA精度系数，设计为3级精度，取KA=1.1；Fm为平均工作载荷，取Fm=1.414fBG总=1.4140.01272.43N=4N FC=1.21.01.14N=5.28N 3.2.3.2 计算额定动载荷计算值= FC 式中，为滚珠丝杠的平均转速（r/min）, =1000v/L0,其中v为最大工作载荷下的进给速度,取v=1m/min.L0为滚珠丝杠的基本导程(mm),这里初定为5mm.则=10001/5=200r/min; 为使用寿命，取=15000h =30N 3.2.3.3 根据选择滚珠丝杠副根据最大动载荷并考虑各种因素，选择滚珠丝杠副的几何参数以下：公称直径：D0

16、=20mm导程：p=5mm螺旋角：=433滚珠直径：Dw=3.175mm滚道半径：R=0.52Dw=0.523.175mm=1.651mm偏心距：e=0.07(R-Dw/2)=0.707(1.651-3.175/2)mm=4.510-2mm丝杠内径：d1=D0+2e-2R=(20+24.510-2-21.651)mm=16.788mm3.2.3.4 稳定性验算丝杠不会发生失稳的最大载荷为Fcr= 式中，E丝杠材料的弹性模量，取E=206GPa； 丝杠的工作长度(m)，这里0.28m; 丝杠危险截面轴惯性矩(m4)， =d14/64=3.14(0.016788m)4/64=310-8m4 长度系

17、数，设计丝杠的支承方式为一端固定，一端游动，故取2/3 Fcr=1.74106N安全系数S= Fcr/Fm=1.74106/4=435000,可见足够安全，不会失稳。3.2.3.5 刚度验算丝杠的拉压变形量为 1=Fm/EA,得1=4280/20.6104255=0.310-4mm,滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2，该变形量与滚珠列、圈有关，即与滚珠总数有关，与滚珠总数有关，与滚珠丝杠长度无关。有预紧时：2=0.0013 式中，预紧力(kgf), =0.673kgf； =圈数列数；代入有关数据算得2=1.4710-3mm.当预紧力为轴向工作载荷的1/3时，2的值可减少一半左右，2=0.7410-

18、3mm =1+2=0.00077mm本系统的定位精度为0.015，可见满足要求。取滚珠丝杆精度等级为3级，允差为12um所以也能符合设计要求。3.2.4 滚动导轨的设计 由于双V形滚动导轨结构对称，工作台可以放在两导轨之间，能承受侧向力矩，接触刚度好、导向性和精度保持性好，并设计为镶条方便维修和调整，因此满足设计要求。3.2.4.1 导轨的长度 根据测量过程中工作台实际需要移动的距离，取导轨的总长度为240mm，则动导轨长度为140mm，动导轨行程为100mm，滚珠保持器的长度为190mm.3.2.4.2 滚动体尺寸与数目的确定 由于工作台重量轻，并且在工作过程中动载荷只有4N。根据机床设计手

19、册中的双V型导轨的滚动体的直径最好不低于6mm，因为若滚动体太小就容易产生滑动象。现选滚珠的直径为6mm。滚动体数目选择的根据：zG/30,算得z=10，由动导轨长度为140mm，得两滚珠之间的距离t=14mm.3.2.4.3 验算许用负载平均每个滚动体上的最大负载为：Pmax=PG/z，所以Pmax=15.412N，许用负载P=Kd2 式中，K滚动体截面上假想许用应力，经查表取K=60N/cm2;导轨硬度校正系数,这里取=1。P=6010.62N=21.6N这里设计的导轨选用淬透钢HRC=55，所以P=21.6N，Pmax=15.412NP可见，双V型滚珠导规符合要求。3.2.5 步进电机的

20、选用 3.2.5.1 滚珠丝杠传动系统传动比i的确定i=bL0/360p式中，b电动机步距角（）/脉冲，初定b=1.5/脉冲;L0滚珠丝杠导程（mm），取L0=5mm;p脉冲当量（mm/脉冲）,这里根据系统精度要求取p =0.01 mm/脉冲i=1.55/3600.01=2.083.2.5.2 减速齿轮的设计 由i=2.08要求在传动系统中加一对减速齿轮。根据i=Z2/Z1=2.08,现取Z2=50，Z1=24。由于丝杠在工作过程中所爱的传动扭矩很小，取模数m=1，齿轮的具体参数设计如下：齿轮1：Z=24,d=24,b=4齿轮2：Z=50，d=50,b=6中心距：a=37Z齿数；d齿轮的公称直

21、径(mm);b齿轮宽度(mm);a两个齿轮的中心距(mm)3.2.5.3 步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为T，负载为P，根据能量守恒定理，电机所做的功与负载所做的功有如下关系：T=PS式中，电机转角；S移动部件的相对位移；机械传动效率； 步进电机的最高工作频率：fmax=1000Vmax/60p=1667Hz3.2.5.4 步进电机转动惯量计算Jd=J0+J1+(Z1/Z2)2(J2+J3)+m(p 180/3.14b)2 对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式计算：J=0.7810-3D4L 式中，D圆柱零件的直径(cm)；L零件长度（cm）.J1=0.7810-32.440.

22、25=19.2410-2 kg.cm2J2=0.7810-3540.5=24.37510-2 kg.cm2J3=0.7810-32.6426=32.4510-2 kg.cm2J0很小可以忽略为0 Jd=1.29410-2+(24.375+32.45) 10-2+51 (0.001180/3.141.5)2 =0.218 kg.cm2Wmax=23.14fmax=43.62 rad/sTg=Jd (Wmax-W0)/0.01=9.51 N.cmJmaxTg/k=Tg/0.5=19.02 N.cm 3.2.5.5 选择步进电机的型号根据最大的静转矩Jmax=19.02 N.cm,选反应式步进电动机

23、45BF005.有关参数见表3-1。表3-145BF005步进电机参数外径 长度 轴径质量 步距角 电压 相电流 最高启动空载频率 最大静转矩(mm) (mm) (mm) (kg) （）/脉冲 (v) (A) (Hz）(Nm)45 58 4 0.4 1.5 27 2.5 3000 0.1963.3 数控系统的精度验算 步进电机驱动的数控系统精度可以不用验算，因为测量前两面的工作台的定位精度要求并不十分严格，而数控系统本身的精度已能满足要求，特别是滚珠丝杠螺母副的采用，具有传动效率高，摩擦小，采用经齿差调隙式的双螺母预紧方式，经适当预紧后，可消除丝杠和螺母的间隙，定位精度高，刚度好，运动平稳，传

24、动精度高，精度保持性好，使用寿命长。而减速齿轮的间隙在设计时采用了偏心套消除间隙，这样可以使传动更平稳，并能消振。第4章 液压部分的设计在本系统中，液压传动装置的作用是夹紧工件，其设计的依据是尽可能使工件夹紧，并定位准确。考虑到夹紧时间可调节和当进油路压力瞬时下降时保持夹紧力，所以接入节流阀调速和单向阀保压。在回路上加上减压阀，用来调节夹紧力的大小和保持夹紧力的稳定。总体设计方案如图4-1所示。图4-1液压夹紧回路系统图4.1 液压缸的设计4.1.1 夹紧力的计算根据经验，取夹紧力为工件重量的三倍。由连杆总成图算得工件重量如下：G工件=(190+50+26) 152/2387.810-5=59

25、N F夹=3 G工件=359=177N4.1.2 确定液压缸的主要尺寸取液压系统的机械效率为0.95，夹紧液压缸的输工作压力p1为2.5MPa，回油背压力p2为0，即可得液压缸内径D的面积为D=0.032m=32mm 查表确定液压缸和活塞杆的D和d分别为40mm及25mm.4.1.3 计算液压缸工作阶段所需的流量 设v夹=2m/min,工作阶段所需的流量为q夹=D2v夹/4=(/4) 0.0422m3/min=5.25L/min 按照q夹选择液压系统中的各元件型号，具体型号与安装见总装配图。4.1.4 液压缸的安装液压缸的安装方式采用中部法兰联接，即设计为支座，由于液压缸与底座相平行，所以底座

26、应设计成带有直角形状，具体结构与参数见支座零件图。4.2 液压泵的选用4.2.1 泵的工作压力的确定考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为pp=p1+p式中，pp液压泵最大工作压力；p1执行元件最大工作压力；p进油管路中的压力损失，这里取0.3MPa. pp =(2.5+0.3)MPa=2.8MPa4.2.2 泵的流量确定qp=KL(q)max 式中，qp液压泵最大流量；(q)max执行元件所需流量之和的最大值,这里取6L/min；KL系统泄漏系数，一般取1.11.3，现取KL=1.2 qp=1.26=7.2L/min4.2.3 选择液压泵的规格根据以上算得的pp和qp再查阅有关手册，现在选用限压式变量叶片泵。这是因为叶片泵具有结构紧凑、体积小、重量轻、流量均匀、噪声小、寿命长等优点。这里所选用的叶片泵的型号为YBX16，该泵的基本参数为：每转排量q0=16mL/r,泵的额定压力pn=6.3MPa,转速为6001450r/min,容积效率