基于制动主缸补偿孔测量仪的功能和技术指标选定总体结构方案.doc

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1、摘 要制动主缸是汽车制动系统中的重要组成部件，尤其是制动主缸的补偿孔对汽车制动的平稳性和安全性起着关键作用。制动主缸补偿孔测量仪主要用于测量汽车液压制动主缸缸体补偿孔的位置、尺寸、形状，是集精密机械技术、CCD成像技术、计算机实时控制和数据处理等技术的高技能精密测量仪器。本文基于制动主缸补偿孔测量仪的功能和技术指标选定总体结构方案，重点针对制动主缸补偿孔测量仪的机械系统设计采用理论计算和计算机辅助设计相结合的方法完成最终设计和优化。利用UG三维软件建立机械系统各部件模型及整机装配，经过分析和改进以提高机械结构的工作可靠性，使之满足设备的使用要求。关键词：补偿孔 测量仪 结构设计- 1 -Abs

2、tractCar brake master cylinder is an important part in the brake system,In particular the compensation bore brake master cylinder brake on car stability and security plays a key role.Compensation for brake master cylinder bore gauge for measuring vehicle hydraulic brake master cylinder body compensa

3、ting hole location, size, shape,Set of precision machinery technology, CCD imaging technology, computer real-time control and data processing technology, highly skilled precision measuring instrumentsBased on the brake master cylinder bore measuring compensation function and the overall structure of

4、 the program selected technical indicators,Compensation for the brake master cylinder key hole measuring the mechanical system design, theoretical calculations and the method of combining computer-aided design to complete final design and optimization.Use of CATIA software to establish the three-dim

5、ensional model of the mechanical system parts and machine assembly, through the analysis and improvement work to improve the reliability of mechanical structure, so as to meet the equipment requirements.Key Words：Compensation hole;Measuring instrument;Structural Design- 33 -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11

6、1 引 言112 汽车零部件测量的发展现状113 课题来源、研究内容及意义214 本文的研究内容3第二章 制动主缸补偿孔测量仪的工作原理及系统组成42.1 工作原理42.2 系统组成42.2.1 机械传动系统42.2.2 控制系统62.2.3 计算机系统72.2.4 测量系统72.2.5 光学系统8第三章 机械系统结构方案93.1 制动主缸补偿孔测量仪测量内容及精度需求93.2 结构设计的任务93.3 结构方案分析103.3.1 工件安装方案103.3.2 工件夹紧方案的确定103.3.3 机械传动系统方案设计11第四章 夹具设计144.1 安装盘设计144.2 气动夹紧机构设计144.2.1

7、 固定式回转结构原理144.2.2 气缸加紧工作原理15第五章 系统部件选择和计算175.1 电机选用与计算175.2 气缸选用与计算195.2.1 特性举例及选型标准195.2.2 气缸参数选择215.3 丝杠选用与校核225.3.1 丝杠结构原理及特点225.3.2 丝杠参数选择235.4 齿轮参数计算245.4.1齿轮的材料245.4.2齿轮传动的基本参数25全文总结27参考文献28致谢29沈阳航空航天大学继续教育学院 毕业设计第1章 绪论11 引 言汽车制动主缸是刹车系统中的关键部件，而制动主缸补偿孔的位置又决定主缸性能的优劣，制动主缸补偿孔测量仪能够实现对补偿孔的精确测量并能为汽车制

8、动过程中的稳定性和安全性提供保障。补偿孔测量仪的技术也不断更新进步，从传统的三坐标式、机械式测量到CCD-TV窥镗系统测量再到现在集光、机、电等系统化于一体的测量技术，不仅有效的克服最初测量仪的操作繁琐，测量精度低误差偏移大等缺点，而且能够通过成像技术直观的看到补偿孔的位置、尺寸和形状。无论是从设备安装的可靠性、测量的精密性、反应的快速性、计算的准确性以及整个系统的稳定性都有较大提高。随着国内外经济的发展及技术进步，我国汽车工业也有突飞猛进的提高，产量逐年提高，使得汽车零部件的需求量大幅度提升，也对部件检测技术及相关仪器设备提出新的挑战。尽管目前可以从欧美和日本等国家引进测量仪器或技术，但从长

9、远角度看，在借鉴国外先进技术的基础上发展本国技术，自主开发设计汽车制动主缸补偿孔测量设备，逐步完善并使之满足当下汽车市场需求。12 汽车零部件测量的发展现状目前汽车已经成为了人们日常生活工作的重要交通工具，是科学技术发展水平的标志，也是一个国家综合国力的体现，世界上发达国家无不把汽车工业作为本国国民经济的支柱产业。从第一辆汽车问世至今的一百多年里，汽车工业从无到有，迅猛发展，产量大幅度增加，技术革新也日新月异。汽车零部件作为汽车的重要组成部分，是汽车产业发展的基础。在经济全球化的背景下，伴随着汽车产业新的变化，世界汽车零部件产业也呈现出新的发展态势。汽车零部件的质量问题直接影响整部汽车的性能，

10、检测设备是保证各项指标和质量的最重要的手段，测量技术的不断进步是提高加工精度的前提条件。因此从这方个角度而言，汽车零部件检测设备的发展是汽车零部件生产商打入市场站稳脚跟的重要保证。纵观世界汽车零部件检测设备的发展状况，可以代表这个行业领先技术的公司有以下几家。德国continental TEVES公司，是名列世界500强的著名跨国公司，全球汽车零部件制造商中的佼佼者。TEVES公司是世界上最大的液压电子制动系统、稳定控制系统、底盘系统和电子空气悬挂系统制造商之一。同时，它的汽车零部件检测设备的研究和开发也处于领先的地位。德国霍梅尔有限公司 (HOMMELWERKE GMBH)是有130年历史的

11、专业计量仪器和在线检测设备生产厂。其工业计量仪器和设备多年来一直居世界一流水平，精密测量是霍梅尔公司悠久的传统。霍梅尔公司目前主要产品包括实验室使用的各种高精度几何量计量仪器和生产线上使用的各种在线检测设备以及自动化综合测量分选设备。法国 Etamic SA 公司的主要产品是气动量仪和非标量检具、采用气电测量技术的在线综合测量机、主动量仪等。 Etamic SA 公司是世界气动量仪市场的领导者， ETAMIC Movomatic 公司是世界主动量仪市场的技术带头人。 霍梅尔公司侧重接触式电感测量技术和非接触式光学测量技术， Etamic/Movomatic 公司侧重非接触式气动/气电测量技术和

12、机床加工过程中的主动测量技术。以动力总成零部件的在线检测为例，霍梅尔公司在轴类零件的在线检测方面具市场领先地位。例如曲轴凸轮轴和齿轮轴等在线检测均大量采用霍梅尔公司所擅长的接触式电感测量技术和非接触式光学测量技术；而 Etamic SA 公司 在箱体壳体类零件在线检测方面位居市场领先地位，例如大量缸体缸盖连杆和油泵油嘴等零件的在线检测均大量采用 Etamic SA 公司所擅长的非接触式气动 / 气电测量技术。国内也有一些汽车零部件检测设备的研制开发企业，如上海仪器仪表自控系统检验测试所、上海聚得永升测控系统有限公司、长春光机所等。与国外汽车零部件检测设备研制开发企业相比，国内的汽车零部件检测设

13、备的开发研制水平仍存在较大的差距。随着汽车零件越来越复杂，传统的接触式测试手段日渐显露出技术的局限性。而非接触式测试技术的不断发展，在生产实践中的得到广泛应用应用。这项技术本身在辅助工业生产的同时也不断改进使之满足市场需求，在过去的两三年里，应用非接触式测试技术的领域也不断扩大工厂、医院、科研单位等意识到了这项技术的优越性并将其投入使用。因此，针对国内外汽车零部件的发展状况和检测设备的发展状况，制动主缸补偿孔测量仪的研制和开发有着重大的经济效益和社会效益。13 课题来源、研究内容及意义汽车制动总成对汽车行驶的安全性和刹车的可靠性起着重要的保证作用，汽车的制动性能是汽车的主要性能指标之一，它直接

14、关系到交通安全。制动器技术性能是汽车行业中管理要求最为严格的，而补偿孔式液压制动主缸是汽车行车安全的重要装置，是汽车制动系统中的关键部件，汽车在运行过程中，制动主缸使用频繁，因而它的质量优越决定制动系统性能的高低。因此，制动主缸补偿孔测量技术变得尤为突出。本课题针对目前我国汽车制动主缸补偿孔测量技术落后这一现状，提出了设计制造制动主缸补偿孔测量仪的新思路。目的在于设计出实用合理的制动主缸补偿孔测量仪，在设计过程中并通过CAD技术辅助设计，改进和优化最初的机构模型，使之趋近合理的设计结构。机械本体是整个补偿孔测量仪必要的组成部分，制动主缸补偿孔测量仪的结构设计具有很强的实际工程意义，也是本次课题

15、需要完成的主要任务之一。14 本文的研究内容结合课题“制动主缸补偿孔测量仪的设计”的要求，本文开展了制动主缸补偿孔测量仪机械结构设计研究，主要进行以下几个方面工作：制动主缸补偿孔测量仪机械系统结构方案选定；机械结构设计，其中包括工件安装夹紧机构、转动机构等设计；测量装置的设计；测量仪工作台结构设计。制动主缸补偿孔测量仪的机械结构本体主要用于支撑和连接其他连接部件，形成能够达到设计预想的整体并满足使用需求，保证如下技术参数要求：测量精度：0.03FS(FS代表全量程，重复性指产品测试过程中在单位量程中几次测试的最大差值；迟滞是指在加压过程的平均值，和卸压过程的平均值中的最大差值)分辨率：0.00

16、5mm不重复度：小于0.01mm第二章 制动主缸补偿孔测量仪的工作原理及系统组成2.1 工作原理本设计中的制动主缸补偿孔测量仪采用的是光电式非接触动态测量方法，即通过光学成像技术对制动主缸所测量的内表面成像，对所得图像资料通过相应计算机程序进行处理，最终转换为样件表面的坐标点信息。根据市场中主要的制动主缸型号参数进行检测，系统采用人机交互式测量，采用气缸夹紧的方式将被试件安装在定位夹具上，步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而带动内窥镜在竖直方向上移动，通过齿轮传动被测工件旋转调整测量角度，根据CCD所成图像的处理结果用鼠标确定采样点位置，并记录光栅尺的位置信息，同时将主缸内孔表面质量信息也保存起来作

17、为数据库的一部分内容。2.2 系统组成制动主缸补偿孔测量仪主要由精密机械传动系统、控制系统、计算机数据采集处理系统、CCD成像系统等组成。制动主缸补偿孔测量仪是典型的集光、机、电于一体的精密检测仪器，涉及的学科较多，技术复杂。其工作流程是：由操作者放置工件，工控机向控制系统发出指令，光学成像系统上升到预定位置进行检测，并给出测量结果，使整个测量过程按预定的程序完成。本设计中主要系统组成部分如图2-1。图2-1 制动主缸补偿孔测量仪的基本组成2.2.1 机械传动系统组成该系统的主要硬件包括：齿轮传动机构、滚珠丝杠、直线轴承等。 齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴

18、线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。 在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳，结构紧凑，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。 滚动丝杠副是由螺杆、螺母、滚珠、密封件等零件组成的高精度机械传动部件，由于滚珠丝杆的螺杆与螺母之间有滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运运效率。因此，不仅能把回转运动转变为直线运动，也能容易地将直线运动变为回转运动。滚珠丝杠副由于滚珠运动，起动扭矩极小，不会产生如滑动运动中易出现的爬行、蠕动现象，所以能保证实现精确的微进给。另

19、一方面，由于滚珠丝杆副效率高、摩擦小、发热低，从而又能进行高速进给。滚珠丝杠的特点： 与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 滚珠丝杆的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。 高精度的保证 滚珠丝杆是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 微进给可能 滚珠丝杆由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,

20、能保证实现精确的微进给。 无侧隙、刚性高 滚珠丝杆可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 高速进给可能 滚珠丝杆由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。 线轴承是与淬火直线传动轴配合使用。作无限直线运动的系统。负荷滚珠和淬火传动轴因为是点接触，容许载荷较小，但直线运动时，摩擦阻力最小，精度高，运动快捷。是一种以低成本生产的直线运动系统，用于无限行程与圆柱轴配合使用。由于承载球与轴呈点接触，故使用载荷小。钢球以极小的摩擦阻力旋转，从而能获得高精度的平稳运动。直线轴承的

21、特点：直线轴承是一种以最低成本生产的直线运动系统，用于无限行程与圆柱轴配合使用。由于承载球与轴承点接触，故许用载荷小。钢球以最小的摩擦阻力旋转，因此能获得高精度的平稳运动。传动具体实现过程：步进电机驱动滚珠丝杠通过2个导向立柱带动内窥镜安装板实现上下的线性移动，在移动过程中，CCD摄像机与内窥镜的相对位置保持不变，内窥镜安装板与导向柱靠直线轴承滑动，这样可以减少摩擦，增加运动的平稳性，提高测量精度。内窥镜在线性运动的同时，通过另外的步进电机通过带动一对直齿圆柱齿轮啮合并配合夹具使被测工件能够完成整周旋转，实现观察内孔表面的质量和寻找补偿孔的中心位置，便于测量是得到准确的结果。2.2.2 控制系

22、统步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成位移的元件，由于它具有快速启停、精确步进以及能直接接收数字量的特点，所以它在定位的场合中得到广泛的应用。 步进电机的原理当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，是转子齿与定子齿对齐。由此可知，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。对于一个步进电机，若它的转子齿数为，它的齿距角为：而步进电机的步距可表示如下：其中，K是步进电机的工作拍数。 步进电机控制器移动机构的执行部件为步进电机，步进电机控制器可以对步进电机的转动方向、步数进行键盘输入，同时还设计了

23、串行通信接口，由计算机对步进电机的运动情况直接进行控制。步进电机的工作控制系统框图如图2-2所示。在图中脉冲分配回路用于产生步进电机工作方式所需的各项脉冲信号，功率放大电路对脉冲分配回路输出的弱信号进行放大，产生电机工作所需的激磁电流。图2-2 步进电机的工作控制系统框图2.2.3 计算机系统该系统主要由工业控制计算机、数据采集卡、显示器和打印机等组成。为了维护和使用方便，计算机操作系统采用Windows XP，应用程序在此平台上工作。在管理方面，按照需方提供的试验表格建立数据库，将班组工作记录下来，同时也是为每件产品建立一个档案，便于产品追踪管理，通过打印机打印所需内容；在控制方面，计算机通

24、过数据采集卡将CCD摄像机的视频信号实时显示图像，控制步进电机运动，经过数据处理系统计算出补偿孔的形心位置，该位置由光栅位移传感器记录下来。2.2.4 测量系统测量系统的定标有两方面内容，一是法兰盘端面基准的确定，二是不同主孔直径对应的补偿孔大小的标定。法兰盘端面基准的确定由于被试件的多样化，在测量不同的产品时要更换不同的定位夹具，每次更换夹具和测试，系统重新上电(由于光栅位移传感器是增量形式的)，都需要对基准面进行标定同批次产品连续测试中只需要标定一次。标定过程如下：定位夹具如图2-3所示，系统加电后启动步进电机带动滚珠丝杠旋转，刚性导光臂运动，在人机交互的操作下找到中口孔的中心位置，同时记

25、录光栅尺的信息，这样基准面的位置可以通过光栅尺的信息和事先标定的定位尺寸L计算出来。图2-3 定位夹具不同主孔直径对应的补偿孔的标定由于主孔直径的变化，补偿孔和轴线的径向距离不一样，在CCD上成像所占据的像元数也不一样，这样就需要进行径向标定。根据光学测量原理，此项标定可以通过程序参数设定完成。2.2.5 光学系统CCD摄像机的基本功能是将空间频率信号变换成视频信号。CCD摄像机由摄像物镜、面阵CCD器件及CCD驱动电源三部分组成。通过摄像物镜，将内窥镜采集到的制动主缸补偿孔的图像成像在面阵CCD器件的光敏面上。CCD驱动电源用于驱动CCD器件工作，输出图像视频信号并通过图像转换，使图像最终成

26、像在计算机屏幕上以供检测和观察”。 CCD传感器的特点CCD(charge coupled device)即电荷耦合器件是一种利用光电效应由单个光敏元构成的光传感器的集成化，集电荷存储、移位和输出于一体，应用于成像技术、数据存储和信号处理电路等。 CCD传感器的工作原理CCD图像传感器是以硅片为基础，采用光电转换原理，用来摄取平面光学图像并使其转换为电子图像信号的器件，其构造是在硅衬底上排列着许多光敏二极管(像素)，光照在其最小区段(像素)上，将其上的成像光变成电信号，然后以电脉冲方式输出得到图像信号。图像传感器必须具有两个作用：一是具有把光信号转换为电信号的作用；二是具有将平面图像上的像素进

27、行点阵取样，并把这些像素按时问取出的扫描作用。第三章 机械系统结构方案3.1 制动主缸补偿孔测量仪测量内容及精度需求制动主缸补偿孔测量仪测量的对象是汽车制动主缸主泵泵体，测量的内容包括：主缸补偿孔的位置（距法兰面30mm+150mm）、尺寸（0.3mm1.2mm）;主缸补偿孔的形状及其倒角尺寸;统计主缸泵体内表面加工面上气孔数。制动主缸结构的几何参数如下：制动主缸缸体主孔直径15mm 45mm;补偿孔直径0.3mm1.2mm;补偿孔到安装法兰的距离为-30mm +150mm。如3-1 制动主缸结构示意图3-1所示。（图方向变一下）3-1 制动主缸结构示意图制动主缸补偿孔测量仪的精度指标由零部件

28、生产厂家根据整机厂的配套要求及质量要求提出。本文研制的制动主缸补偿孔测量仪的精度要求如下：测量精度：0.03FS分辨率：0.005mm不重复度：0.01mm其中，0.03%FS主要针对位置尺寸，而分辨率0.005mm主要针对小孔直径，因为按补偿孔的位置尺寸-30+150mm，最大测量行程为180mm，该值乘以0.03%得到0.054mm。3.2 结构设计的任务制动主缸补偿孔测量仪机械结构分系统的设计任务主要由以下几个方面组成： 传动机构设计根据制动主缸补偿孔测量仪的测量内容及精度需求，在保证正常使用条件下选择恰当的传动机构。在机械结构设计中常用的传动机构有多种，如齿轮传动、滚珠丝杠副传动、带传

29、动、链传动等。针对制动主缸补偿孔测量仪的测量内容及自身特点，测量仪的传动机构采用圆柱齿轮传动和滚珠丝杠副传动。 工件装夹机构的设计检测工作开始之前，首先要将工件安装在工作台上。如何把工件较为合理安装及夹紧在工作台上也就成了测量仪机械结构设计中需要解决的问题。还应当考虑到对制动主缸补偿孔测量仪来说，不能只针对单一型号的主缸产品检测，还要检验其它不同型号产品的产品。如何将各种型号的产品都能在测量仪的定位机构上安装也是测量仪结构设计中的一个重点问题。 测量仪工作台结构设计工作台主要承担测量仪各分系统的部件，能都将个系统按彼此之间的位置关系协调统一地安装起来，工作台结构设计的要求是整体布局合理，外观及

30、造型美观。并且整台仪器要适合在生产现场工作，仪器结构内部元件要有良好的封闭性。3.3 结构方案分析 3.3.1 工件安装方案在制动主缸补偿孔测量仪中，被测工件即制动主缸的放置形式决定测量仪工作台的整体结构布局。工件在工作台上的放置方式主要有三种方案可供选择：缸体水平放置；缸体主孔朝下；缸体主孔朝上。缸体水平放置时，在测量时缸体水平放置在工作台面上，这种设计方案在水平方向上占用大量空间，并且测量时对工件和镜臂的定位要求严格，工件的倾斜或是镜臂的略微弯曲都会的测量结果产生影响。缸体主孔朝下放置时，光学成像系统从下方伸入到主孔内进行测量。由于主缸出场之前需要经过压力测试内部留有液体杂质，且工件主孔在

31、加工过程中容易留下油液或铁屑，当镜筒伸入到主孔内时很容易被杂质污染了光学镜头，镜头表面有轻微的污染都会影响测量仪的测量质量。因此，不宜采用主孔朝下放置的方案。缸体主孔朝上放置，在水平方向上节省空间，也能避免镜头从工件下方深入污染镜头的不利因素。并且镜头与工件在竖直方向一直，不会发生镜臂或工件倾斜的现象从而降低对测量结果的影响，所以需按此方案进行设计。3.3.2 工件夹紧方案的确定在结构设计中，工件的夹紧机构有三种形式可供选择：手动方式、气动方式、液压方式。气动夹紧相对手动方式来说，在各种气动阀的配合下，便于调节所输出的力的大小和运动的速度等。另外，气缸的安装形式，运动方向等可根据机械装置的要求

32、较为自由地选择。这就简化了整个机械的结构设计。虽然液压方式也有上述优点，但和液压系统相比，气动系统还有其它一些优点，如制造成本低，可允许少许泄漏，污染少，运动速度较快。当然气压系统也有它的缺点，首先是它所使用的压缩空气的压力比较低，因此在同样的缸径下，气缸输出的力要比油缸小。其次，气体的可压缩性又使气缸在速度控制，抗负载影响等方面的性能劣于液压缸。但对于制动主缸补偿孔测量仪来说，夹紧机构并不需要严格的速度控制，同时，所需要的夹紧力也只是要克服主缸自身重力的影响。对制动主缸来说，它的体积及质量都很小，因此，夹紧机构所需的夹紧力也很小，气动夹紧完全能满足测量仪的要求。因此，决定采用气动夹紧机构。3

33、.3.3 机械传动系统方案设计机械传动系统是指将原动机的运动和动力传递到执行构件的中间环节，它是机械的重要组成部分。其作用不仅是转换运动形式，改变运动大小和保证各执行构件的协调配合工作等，而且还要将原动机的功率和传递给执行构件，以克服生产阻力。对现代完善的机械传动系统来说，不仅要能达到上面所说的作用，同时，还具有运动操纵和控制功能，将光、机、电、液有机地组合，借助微机控制，自动实现机械所需要的完整工作过程。 机械的工作原理及运动方案的确定对制动主缸的补偿孔和主缸内表面的测量，测量仪采用的是非接触光电测量的方法。根据制动主缸补偿孔测量仪测量内容及精度要求，确定测量仪的机械工作原理为利用光学镜筒与

34、工件间的相对运动来进行测量。对测量仪来说如果仅采用一种运动形式不能完成整个测量内容，因此，测量仪选择两种运动方式：平动运动和转动运动相结合的方式共同完成测量工作。 执行构件和执行元件设计对测量仪的执行元件工件安装盘和光学镜筒来说，有以下这三种运动方案：工件安装盘不动，光学镜筒运动;光学镜筒不动，工件安装盘运动;光学镜筒和工件安装盘同时运动。考虑到方案的可操作性，光学镜筒不动，工件安装盘运动。同时从工艺上来说，光学镜筒内安装有摄像头等电子器件，并不适合进行转动。结合测量仪的运动方案以及执行构件的具体工艺特点，选定测量仪的执行构件运动形式为镜头平动，工件安装盘转动。执行元件是一种能量转换装置，它位

35、于电气控制装置和机械执行装置之间，在控制指令下，将输入的各种形式的能量转换为机械能。根据使用能量的不同，分为电气式、液压式和气压式等主要类型。 系统对执行元件的要求为：（1）惯性小、动力大。为使控制系统具有良好的快速响应性能和足够的负载能力，希望执行元件具有较小的惯量并输出较大的功率。（2）体积小、重量轻。为使执行元件易于安装及与机械系统联接，使控制系统结构紧凑，希望执行元件具有较小的体积和较轻的重量。（3）便于计算机控制。机电一体化产品多采用计算机控制，因而要求控制系统及其执行元件也能够采用计算机来统一控制。（4）成本低、可靠性好、便于安装和维修。执行元件主要有电气式、液压式、气压式三种。本

36、文的设计采用电气式驱动元件。电气式执行元件有很多种，用于精密仪器的电机主要有同步电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。步进电机也称电脉冲马达，是一种将电脉冲信号转换成机械角位移模拟量的控制电机，因此也是一种数模转换装置。步进电机可按照输入的脉冲指令一步一步地旋转，每接收到一个脉冲就运行一个步距角。为了提高步进电机的运行分辨力和运行精度，还可以对步进电机的步距角进行细分，细分后步进电机每接收到一个脉冲就运行一个步距角细分后的角度。例如步进电机的步距角为1.8，那么步进电机每接收到一个脉冲就转动1.8，如果对步距角进行10细分，则步进电机每接收一个脉冲后转动0.18。在机电一体化设计中确定步进电机的

37、型号主要应考虑脉冲当量、转矩、惯量匹配、启动及运行频率等方面的问题，这往往需要与机械部分进行综合设计。4. 机构的选择机构选型就是选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。它是机械传动系统方案设计中很重要的一环。回转运动机构的选择传递连续回转运动的机构常用的有以下三大类：摩擦传动机构包括带传动、摩擦轮传动等。其优点是结构简单、传动平稳、易于实现无级变速，有过载保护作用。缺点是传动比不准确，传递功率小，传动效率较低等。啮合传动机构包括齿轮传动、蜗杆传动、链传动等。连杆机构如双曲柄机构和平等四边形机构等，多用于有特殊需要的地方。在这三大类常用机构中，齿轮传动具有恒定传动比、适用的载荷与速度范围

38、广、结构紧凑、效率高等特点，因此广泛应用于各种机械设备传动系统当中。对制动主缸补偿孔测量仪来说，工件安装盘的转动机构对精度的要求并不高，只要能完成在镜头平动过程中的旋转运动即可，因此，补偿孔测量仪的工件安装盘转动机构就采用由步进电机驱动一组齿轮副的形式，同时在旋转工作台上配有编码器用于测量泵体转动的角度。 平动机构的选择将电机的回转运动变为往复移动的机构常见的有连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、齿轮齿条机构及组合机构等。在机电一体化设备制造中，一般都采用齿轮齿条机构或螺旋机构形式。但这种传统的传动组合由电机驱动齿轮或螺旋传动机构直接输出直线运动的方式存在一些问题：如加工精度不高、不易控制等缺点，将

39、直接影响整个系统的定位精度。随着现代工业化的发展，出现了直线运动单元即直线电动缸。直线电动缸具有运动速度和距离可柔性变化、重量轻、安装灵活、定位精度高、可形成闭环反馈控制及高速和大行程等特点，能够方便地拼成多维运动组合，适用于高速 、轻载、精密的运动场合。它广泛应用于坐标机械手、物流传送、自动化生产线、专用设备、自动调偏、阀门控制、激光加工、医疗设备等领域。精密型步进电机驱动直线电动缸，具备多种方便功能：多点定位，推压功能、限位信号输出，原点检测方式可选。低速运转时，可保持低振动，低噪音。结构设计合理，可以简单的进行多轴组合，实现堆栈(palletizing)等应用。电动缸内部采用了高质量的丝

40、杆和润滑装置，可以长期免维护。体积轻小，节省空间。另外，电动缸还可以选配制动器和绝对位置编码器。制动主缸补偿孔测量仪中的镜头平动机构和位移传感器光栅尺配合使用，用位移传感器检测镜头的行程来测量补偿孔的位置。在机械设计过程当中，不可盲目地追求复杂高级的方案，如果采用简单的方法就能满足所提出的功能要求，则此方案是经济的设计方案。因为方案简单，构成仪器的零部件就少，这既符合最短传动链原则，提高了仪器的可靠性，又降低了仪器的成本。根据这一设计基本原则，首选采用直线电动缸作为补偿孔测量仪的镜头平动机构。根据制动主缸补偿孔位置距基准法兰面尺寸为30mm150mm，测量仪精度为0.03FS的要求，选择南京思

41、展科技有限公司的LPC51-300型直线电动缸。该型号电动缸最大行程300 mm，位置精度0.01 mm，最大推力55N，完全满足测量仪的测量要求。第四章 夹具设计4.1 安装盘设计在测量仪中，工件是通过销钉固定在安装盘上，然后再将安装盘装配到齿盘轴上，这样，工件在齿盘的带动下也一起转动，完成测量内容。由于不同型号及不同品牌汽车的要求，制动主缸产品零部件生产厂家生产的制动主缸产品规格及法兰面定位尺寸也不相同。综合考虑设计、制造、安装等各方面内容，把工件安装盘设计加工成可换式组件。工件定位盘与齿盘轴机械接口不变，由主缸不同产品型号确定安装盘尺寸结构。4.2 气动夹紧机构设计气缸的种类很多，结构形

42、式也多种多样。对气缸来说，在工作中气缸活塞杆要顶到工件端部。从制动主缸补偿孔测量仪运动形式来说，工件在检测过程中是绕光轴转动着的，由于活塞杆和工件顶端直接接触，因此气缸也要绕光轴转动才能夹紧工件。气缸结构复杂，质量相对来说比较大。若气缸随工件一起转动会产生如离心力大，转动惯量大，振动大等缺点。对测量仪整体动态特性影响较大。为了克服这些缺点，设计采用一种固定式回转气缸。固定式回转气缸的特点是其缸体及活塞不旋转，只有往复运动的活塞杆可随工件一起旋转。4.2.1 固定式回转结构原理固定式回转机构的基本原理如图4-1所示。在气缸夹紧的状态下通过齿轮传动，齿轮盘与被测工件通过定位销连接，齿轮盘转动的过程

43、中带动工件转动，而齿轮盘固定到回转轴上，在滚珠和转轴座的配合下共同完成被测工件的回转运动。转轴座固定在工作台上，转轴槽内放有滚珠，利用滚动滑动的原理，转轴在齿轮盘的带动下转动。图4-1 固定式回转的基本原理4.2.2 气缸加紧工作原理利用被测工件上的定位孔，在齿轮盘上设有定位销，便于定位。以齿轮盘端面为基准固定工件上端，工件下方有气缸配合夹具提供向上的推力最终加紧工件。图4-2 工件装夹机构工作简图取气缸活塞杆为研究对象，忽略活塞杆自重，分析活塞杆的受力情况。如图4-3所示可知，在忽略活塞杆自重的情况下，活塞杆就是一个二力杆结构。工作中活塞杆受压，两端分别受到气缸中气体的推力F2及工件对活塞杆

44、的反作用力F1，这两个力大小相等，方向相反。 图4-3 活塞杆受力图为了要确定活塞杆受力的大小，再来分析一下工件的受力情况。计算当工件被气缸压在安装盘上不能自由移动时所需夹紧力的大小。工件的受力情况如Error! Reference source not found.所示。第五章 系统部件选择和计算5.1 电机选用与计算步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机

45、械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩大的电机，负载力矩大。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足快速移动的需要。 步进电机参数选择

46、系统力学模型如下图5-1所示：已知条件如下： 所用丝杆为滚珠螺杆，直径D=15mm，长度L=300mm。图5-1 丝杠传动系统力学模型根据要求计算：负载转矩：负载P=10KG，为摩擦系数，在此设其为=0.2由此可求得负载转矩如下：根据负载转矩查找选型手册选择合适步进电机所选电机的数据如下表5-1所示：表5-1 步进电机参数表电机型号34HS300B34HS300C相数2步距角1.8相电流5.0A驱动电压AC40V/60V最大静转矩2.8Nm4.0Nm相电阻0.70.75相电感3.9Hm7.0Hm转动惯量1.5kgcm23.0kgcm2重量1.8kg2.3kg空载启动转速288转/分252转/分5.2 气缸选用与计算图5-2 气缸工作简易原理图 5.2.1 特性举例及选型标准1特性举例：（1）气缸的瞬态性能（2）气缸的速度特性活塞在整个运动过程中，其速度是变化的。速度的最大值称为最大速度。对非缓冲气缸，最大速度通常在行程的末端。对缓冲气缸，最大速度通常在进入缓冲前的行程位置。（3）气缸的理论输出力气缸的理论输出力是指气缸处在静止状态时，其使用压力作用在活塞有效面积上产生的推力或拉力。当单杆单作用汽缸弹簧压回型气缸的理论输出推力 (1)弹簧压回型气缸的理论返回拉力 (2)弹簧压回型气缸的理论输出拉力 (3)弹簧压回型气缸的理论返回推力单杆双作用气缸理论输出推力（活塞