用于檢測全跳動的偏擺檢查儀設(shè)計

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I用于檢測全跳動的偏擺檢查儀設(shè)計摘要：本課題擬對原有偏擺檢查儀進行改進，擴展其功能，設(shè)計能滿足檢測徑向和端面全跳動項目的實驗裝置。用以測量實際被測要素對理想回轉(zhuǎn)面的允許變動量。解決了在實際使用對整個表面的形位公差綜合控制，并且測量簡便。本課題針對此問題設(shè)計了一種全新的偏擺檢查儀，通過資料查詢，文獻參考，對原有的偏擺檢查儀進行結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計出用于檢測全跳動的偏擺檢查儀。新的偏擺檢查儀和原有的偏擺檢查儀相比具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作簡單，精度高等優(yōu)點。它不僅能反映單個測量面內(nèi)被測要素輪廓形狀的誤差情況，而且能反映整個被測面上的誤差。更加的貼近實際。本課題通過對偏擺檢查儀的改進與設(shè)計，得出了偏擺檢查儀能夠提高企業(yè)生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品精度的結(jié)論。測量儀器的測量方式的改進，不僅可以提升機械加工生產(chǎn)的效率，而且可以極大的改善人們的工作形式，對建設(shè)科技強國也具有重要作用。關(guān)鍵詞：全跳動； 偏擺檢查儀；測量儀器。 IIBounce tester design for detecting full runoutAbstract：This subject intends to improve the original yaw tester, expand its function, and design an experimental device that can meet the radial and end-to-end full jerk. It is used to measure the allowable variation of the ideal revolution surface for the actual measured element. Solve the practical use of the whole surface of the geometric tolerance control, and measurement is simple.This subject has designed a new type of pendulum tester for this problem. Through data query and literature reference, the structural analysis of the original pendulum tester is designed to design a pendulum tester for detecting full runout. Compared with the original pendulum tester, the new pendulum tester has the advantages of stable structure, simple operation and high precision. It can not only reflect the error of the contour shape of the measured element in a single measurement plane, but also reflect the error of the entire measured surface. More close to reality.This subject through the improvement and design of the pendulum tester, concluded that the pendulum tester can improve the production efficiency of the company and improve the accuracy of the product. Improvements in the measurement methods of measuring instruments can not only improve the efficiency of mechanical processing and production, but also can greatly improve people's working methods, and also have an important role in building a strong science and technology nation.IIIKeywords:Full beat，Bending tester，Measuring instrument目 錄摘要 ..............................................................................IAbstractt........................................................................II1 緒 論 ...........................................................................11.1 研究的目的及意義 .........................................................11.2 國內(nèi)外研究狀況 ...........................................................11.3 主要研究內(nèi)容 .............................................................21.4 研究的方法及步驟 .........................................................22 結(jié)構(gòu)設(shè)計 ........................................................................32.1 全跳動偏擺檢查儀的技術(shù)條件及其原理 .......................................32.1.1 全跳動與全跳的公差的概念 ..........................................32.1.2 圓跳動的概念及與全跳動的區(qū)別 ......................................32.1.3 各公差項目的詳細檢測方案 ..........................................42.2 偏擺檢查儀的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計 .................................................42.2.1 確定結(jié)構(gòu) ..........................................................42.2.2 全跳動偏擺檢查儀的工作原理 ........................................52.3 底座與尾座的設(shè)計 .........................................................5IV2.4 測量機構(gòu)的設(shè)計 ...........................................................62.5 變換機構(gòu)的設(shè)計 ...........................................................62.6 位移傳感器的選擇 .........................................................63 設(shè)計計算 ........................................................................83.1 電動機的設(shè)計 .............................................................83.1.1 電動機的容量 ......................................................83.1.2 電動機的轉(zhuǎn)速 ......................................................83.2 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) .............................................83.2.1 傳動裝置的傳動比 ..................................................83.2.2 各軸轉(zhuǎn)速，輸入功及扭矩 ............................................93.3 齒輪的設(shè)計 ...............................................................93.3.1 選定齒輪精度等級，材料，齒數(shù)和模數(shù) ................................93.3.2 齒面接觸強度計算 ..................................................93.3.3 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 ...........................................103.3.4 幾何尺寸計算 .....................................................123.4 滾珠絲杠的計算 ..........................................................123.4.1 確定滾珠絲杠副的導程 .............................................123.4.2 滾珠絲杠的載荷及轉(zhuǎn)速計算 .........................................123.4.3 估算絲杠的最大允許軸向變形量 .....................................133.4.4 計算滾珠絲杠長度及螺紋底 X........................................133.4.5 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 .........................................144 精度與誤差計算 .................................................................154.1 誤差分析 ................................................................154.2 在垂直平面的直線度誤差而引起的誤差 ......................................154.3 在水平面的直線度誤差而引起的誤差 ........................................164.4 裝置精度設(shè)計 ............................................................165 三維模型繪制 ...................................................................185.1UG 繪圖軟件介紹 ..........................................................185.1.1UG 介紹 ...........................................................18V5.1.2UG 的特點 .........................................................185.2 零件的建模 ..............................................................185.2.1 底座的建模 .......................................................185.2.2 頭架的建模 .......................................................195.2.3 測量機構(gòu)的建模 ...................................................205.3 零件的裝配 ..............................................................21結(jié) 論 ............................................................................22參考文獻 .........................................................................23致 謝 ............................................................................24附錄 A 外文翻譯 ..................................................................25附錄 B 三維裝配圖 ................................................................4011 緒 論1.1 研究的目的及意義在實際機械的加工生產(chǎn)的過程中，為了提高產(chǎn)品的精度以及質(zhì)量，就必須運用某些特定的儀器對產(chǎn)品進行校核，而偏擺檢查儀就是其中的一種。偏擺檢查儀作用非常廣泛，存在機械、電力、水利等多種行業(yè)，尤其是在機械制造業(yè)中具有極高的地位，它主要用于檢測軸類零件的圓跳動誤差?？梢蕴岣弋a(chǎn)品的精度與質(zhì)量，實現(xiàn)高效率的生產(chǎn)。其中以重工業(yè)使用最為普遍，近些年來，民營企業(yè)的蓬勃發(fā)展，導致了社會需求的明顯增加，這樣一來使得偏擺檢查儀在小企業(yè)的使用比例上占據(jù)了很大的比重，第三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也使得電子行業(yè)加入到這個隊伍中。偏擺檢查儀的制作工藝性較高，是直線度和平行度及垂直度為一體的檢測型儀器，具有良好的耐磨性、使用壽命長、測量精度高等優(yōu)點。市場上存在的偏擺檢查儀大多為圓跳動偏擺檢查儀，而圓跳動有著很大的局限性，它不能反映被測件所有面上的誤差。圓跳動的概念決定了被測件的各個表面之間并沒有建立起聯(lián)系，而各個截面的讀數(shù)是分開進行的。但是在實際的生產(chǎn)加工與使用過程中要求能夠?qū)Ρ粶y件的各個表面的形位公差都能夠進行控制，所以為了滿足實際的需求。設(shè)計出作用于檢測全跳動的偏擺檢查儀就顯得尤為重要。在原有偏擺檢查儀結(jié)構(gòu)上，擴展其功能，裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，設(shè)計能滿足檢測徑向和端面全跳動項目的實驗裝置。用于檢測全跳動偏擺檢查儀器能夠?qū)⒈粶y件各個表面上的輪廓誤差情況反映出來，更加的貼近人們的實際需求。1.2 國內(nèi)外研究狀況我國的制造業(yè)發(fā)展迅速，帶動了偏擺檢查儀的市場發(fā)展，不僅社會需求快速增長，而且產(chǎn)品的出口量也持續(xù)增長。國家也出臺了相關(guān)的政策，鼓勵偏擺檢查儀產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)品方向發(fā)展，企業(yè)對于市場的投資力度也逐漸增大。偏擺檢查儀的市場也獲得了國家和投資者的青睞，這樣一來偏擺檢查儀市場的前景也越來越好。目前為止美國與德國在偏擺檢查儀生產(chǎn)規(guī)模在世界上一直處于領(lǐng)先地位。無論是精度還是工藝在世界上都受到一致的好評。我國距離全球頂尖制造還是有許多差距。根據(jù)機械大國得到經(jīng)驗，要想先進制造技術(shù)得到發(fā)展，必須先提高自身的2產(chǎn)品精度與質(zhì)量，我國制造業(yè)正在向技術(shù)型制造轉(zhuǎn)型，企業(yè)對于高精度產(chǎn)品的需求量越來越大。所以制造業(yè)產(chǎn)品精度的高低已經(jīng)成為衡量國家實力的一個重要標志。2013-2017 年我國偏擺檢查儀市場規(guī)模由 9 億元增長至 27 億元。并且增速常年保持在 25%以上。2018 年將是偏擺檢查儀行業(yè)發(fā)展關(guān)鍵的一年，從國家層面來講，新的政策和新的法規(guī)都陸續(xù)出臺，不斷的改善市場的發(fā)展環(huán)境。但是另一方面偏擺檢查儀行業(yè)也面臨著新的危機：嚴格的節(jié)能減排政策對市場的發(fā)展都產(chǎn)生了深刻的影響，另外還有通貨膨脹、人民幣升值等外部因素的影響，經(jīng)濟發(fā)展所帶來的人力成本的提升也在不斷的沖擊著這個行業(yè) [1]。1.3 主要研究內(nèi)容互換性與測量技術(shù)、機械設(shè)計、計算機輔助設(shè)計及計算機輔助制造為一體。主要圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面進行。主要內(nèi)容有：改進原有偏擺檢查儀擴展其功能，使其可以測量物件全跳動。優(yōu)化偏擺檢查儀的操作使其實現(xiàn)自動化測量。對偏擺檢查儀進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及主要零部件的計算。提高全跳動偏擺檢查儀的精度，進行偏擺儀三維圖的建模。本設(shè)計的主要內(nèi)容有：通過閱讀資料、文獻、期刊研究并且掌握檢測全跳動的偏擺檢查儀的技術(shù)條件掌握其工作原理。熟悉其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要零部件。確定檢測全跳動的偏擺檢查儀的基本結(jié)構(gòu)。擬定出總體設(shè)計方案，繪制簡圖。對檢偏擺檢查儀的主要零件進行設(shè)計計算和校核。使用 UG 軟件對偏擺儀的零件圖進行建模與裝配。1.4 研究的方法及步驟1.研究的方法：①文獻研究法：以查閱圖書為主要手段，通過網(wǎng)絡(luò)查詢和數(shù)據(jù)庫等手段進行輔助研究，進行資料的收集、數(shù)據(jù)的整理等工作。②比較分析法：通過比較全跳動和圓跳動的區(qū)別，分析在檢測過程中的個中測量辦法。從中找出最佳的設(shè)計方案。2.研究的步驟： 第一階段：①通過閱讀資料、文獻、期刊研究檢測全跳動的偏擺檢查儀的技術(shù)條件及其原理；②確定檢測全跳動的偏擺檢查儀的基本結(jié)構(gòu)；第二階段：③對主要零件進行設(shè)計計算和校核；④繪制檢測全跳動的偏擺檢查儀的裝配圖，繪制主要零件的工作圖。第三階段：①繪制三維圖；②分析總結(jié)進行反思。主要解決的問題為：①如何對原有的偏擺檢儀進行改進實現(xiàn)檢測全跳動。3②如何提高偏擺檢查儀的測量精度使其滿足需求。③結(jié)構(gòu)需可靠性高、工作穩(wěn)定，適應多種環(huán)境狀況。2 結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 全跳動偏擺檢查儀的技術(shù)條件及其原理2.1.1 全跳動與全跳的公差的概念全跳動指的是被測件繞著基準軸線做回轉(zhuǎn)運動時，測量儀器沿著 x 軸方向做勻速直線運動時，測量頭上所讀取到的最大值與最小值的差。全跳動公差是將測量機構(gòu)與被測件進行接觸，沿著被測件的徑向作勻速直線運動。所允許的最大跳動量。由于測量方式與測量點的不同可具體分為三類：即斜向全跳動公差、徑向全跳動公差和軸向端面全跳動公差。全跳動公差所表示的實際意義是由測量機構(gòu)的測量位置與測量方向所決定的，可分為以下兩種：(1)徑向全跳動：當測量儀器的運動方向與基準軸線相互垂直的同時被測件繞基準軸線作持續(xù)的回轉(zhuǎn)運動，使得測量裝置與工件同時進行沿著軸向的相對運動，在被測件上所測得的各個點間的值。(2)端面全跳動：當測量裝置的測量方向與基準軸線平行時，被測件圍繞著基本軸做間斷的回轉(zhuǎn)運動，并且使測量裝置與工件同時進行沿著徑向的相對運動，在被測件上所測得的各個點間的值。2.1.2 圓跳動的概念及與全跳動的區(qū)別圓跳動指的是當測量機構(gòu)固定不動時，被測件以基準軸線為參考基準進行回轉(zhuǎn)運動且只轉(zhuǎn)動一周，在給定的方向上偏擺檢查儀上的測量機構(gòu)所測得的最大數(shù)值與最小數(shù)值的差。圓跳動公差指的是測量機構(gòu)和被測件進行無軸向運動的同時被測件在一個確定的固定參考點繞基準軸線旋轉(zhuǎn)一周時，被測件所允許的最大誤差。圓跳動公差適性沒有限制，它可以用于被測件上任意位置。由于被測件的形狀特征不同，且被測件的測量方向是根據(jù)實際需求所確定，所以圓跳動公差的種類也不同。由于測量方式的不同具體的分類也有所區(qū)別，可以分為以下三4類：端面的圓跳動公差、徑向的圓跳動公差和斜向的圓跳動公差。而斜向圓跳動公差可分為兩類：即給定角度和任意角度。圓跳動在測量結(jié)果的表達上具有很大的局限性，它只能反映出一個被測面上的輪廓形狀誤差狀況，并不能反映整個被測面上所有的誤差。因為在圓跳動的概念中并沒有建立各個被測量面的聯(lián)系，各個被側(cè)面之間都是區(qū)分開的。但是在實際的生產(chǎn)加工中往往需要測量儀器能夠控制被測件整體的公差。為了能夠滿足實際加工生產(chǎn)的需求，在測量時增加了全跳動公差這個概念。全跳動公差所反映的不只是單個被測面內(nèi)被測件的輪廓形狀的誤差，并且能夠反映出被測件上所有的被測面上的誤差情況。更加貼切實際。2.1.3 各公差項目的詳細檢測方案各公差項目的詳細檢測方案：①被測件做連續(xù)回轉(zhuǎn)運動的同時，測量滑板固定不動?？梢詸z測零的圓跳動誤差；②測量滑板固定不動且被測件做連續(xù)回轉(zhuǎn)運動的同時，可以檢測零件端面全跳動；③測量滑板做 x 軸的勻速直線運動的同時，使被測件進行回轉(zhuǎn)運動，可以檢測被測件的軸向全跳動誤差；④測量滑板做軸向勻速直線運動的同時，被測件固定不動。可以檢測被測件的直線度誤差；⑤被測件與測量滑板都被固定時，通過改變測量頭的測量方向，可以檢測被測件的平面度與端面圓跳動。2.2 偏擺檢查儀的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計2.2.1 確定結(jié)構(gòu)根據(jù)全跳動及全跳動公差的概念設(shè)計出用于檢測全跳動偏擺檢查儀的基本結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示：5圖 2.1 全跳動偏擺檢查儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)機械結(jié)構(gòu)主要包括：頭架、底座、測量滑板三大部分定位方法：通過頂尖法對被測件進行夾持定位。電機的選擇：全跳動偏擺儀的左側(cè)選擇一個三相同步小功率電機，帶動被測件進行回轉(zhuǎn)運動。底座部分選擇一個三相異步小功率電動機通過滾珠絲杠來實現(xiàn)測量機構(gòu)沿著 x 軸做勻速直線運動。夾緊裝置：全跳動偏擺儀的左側(cè)頂尖為固定的頂尖不可移動，右側(cè)頂尖為可伸縮式。主要目的是為了將不同尺寸的被測件夾緊。測量機構(gòu)：測量機構(gòu)的底部與導軌進行連接，測量機構(gòu)與右側(cè)的電動機通過滾珠絲杠鏈接實現(xiàn)發(fā)動機帶動測量機構(gòu)進行 x 軸的移動。偏擺檢查儀是由鐵素體+珠光體灰鑄鐵（HT150）鑄造而成，為了消除整體的應力，通過多次回火處理可將其消除 80%以上，可以防止因為變形現(xiàn)象導致的精度誤差。鑄件需要經(jīng)過龍門刨床的刨削和人工反復刮研工后，才能控制平行精度和直線度精度的值分別小于 0.01μm 和 0.005μm。偏擺儀的夾緊裝置為了提高其效率所使用的是錐面莫氏 6 號頂尖。本設(shè)計僅能用于測量尺寸范圍 20- 60 的軸類零件的全跳動公差的測量儀?器，但是要設(shè)計用于測量尺寸較大的軸類零件的全跳動偏擺檢查儀時，設(shè)計思路與方案也具有參考價值。2.2.2 全跳動偏擺檢查儀的工作原理使用頂尖法將被測件夾緊，利用左側(cè)的三相同步小功率電機帶動頂尖使被測件進行回轉(zhuǎn)運動，且可以進行雙速變換。根據(jù)被測件的實際的大小可以提供所需要的高回轉(zhuǎn)運動或者低速回轉(zhuǎn)運動，將被測件通過夾緊裝置進行夾緊后，6測量機構(gòu)通過偏擺檢查儀右側(cè)的三相異步小功率電動機通過滾珠絲杠帶動測量機構(gòu)進行 x 軸方向的移動。將測量裝置上的指示器與被測量表面進行接觸，然后使測量裝置沿著 x 軸方向做勻速直線運動。通過改變測量機構(gòu)上的變換機構(gòu)（彈簧鐵）的位置實現(xiàn)在被測件長度范圍內(nèi)測量其軸向全跳動和徑向全跳動。在測量裝置的所測量的范圍內(nèi)，指示器上讀取到的最大值與最小值之差，即為零件的端面全跳動誤差。2.3 底座與尾座的設(shè)計電動機利用一個高精度的絲杠螺母帶動測量裝置，使其能夠在導軌上實現(xiàn)平穩(wěn)的移動，在底座上裝有一個刻度尺，能夠在偏擺儀進行測量時準確的讀出測量裝置的相對位置，對于導軌的要求有以下幾點：①導軌應當具有較高的精度，良好的直線度。導軌本身不會對測量的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響；②要具有足夠的承載能力；③在安裝方面要方便、在使用方面要足夠便捷。④能夠使檢測裝置平穩(wěn)的運動，不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象；導軌的精度為 10μm/100mm。導軌采用燕尾封閉式導軌，由平導軌和側(cè)導軌兩部分組和而成，平導軌平面度的平面度較高，而側(cè)導軌具有較高的平行度。采用高精度的滾珠絲杠進行傳動不僅可以提高整體的測量精度，還可以滿足在測量過程中對精密定位的要求。2.4 測量機構(gòu)的設(shè)計全跳動偏擺檢查儀的測量機構(gòu)采用的是立柱式支臂測量機構(gòu)，使用 M8 的螺釘將 20 的圓柱與全跳動偏擺儀的底座進行聯(lián)接，而且應當使垂直度誤差在?允許誤差范圍內(nèi), 如圖 2.2 所示。可以通過旋轉(zhuǎn)可改變立柱式支臂上的檢測頭與被測件的相對位置?？梢酝ㄟ^調(diào)整立柱式支臂上的摩擦輪來進行控制測量機構(gòu)沿著 x 軸的來回運動。根據(jù)實際的測量需求，可以通過改變測量裝置與被測件的接觸狀態(tài)，將被測件進行夾緊之后旋轉(zhuǎn)小旋鈕將支臂機構(gòu)進行鎖緊，即可開始測量。7圖 2.2 立柱式支臂測量機構(gòu)2.5 變換機構(gòu)的設(shè)計測量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)軸向、徑向測量方向的變換都是依靠如圖 2.3 所示的彈簧鐵來完成的，將一個裝有彈簧鐵的帶螺紋的小圓柱擰到變換機構(gòu)的槽形圓柱桿之中，然后用螺帽防松。即可通過改變彈簧鐵的與測量機構(gòu)的相對位置，完成測量方向的變換。通過改變測量裝置的位置，使測量頭進入被測件需要的測量范圍內(nèi)，電動機帶動頂尖使得被測件做持續(xù)的回轉(zhuǎn)，測量頭可測量被測件上任意一段的誤差情況；測量頭通電動機帶動滾珠絲杠做沿 x 軸的移動，也可測量任一區(qū)域內(nèi)被測件形位誤差；如果需要測量被測件端面上的形位誤差，只需要通過彈簧鐵將其測量機構(gòu)的方向進行改變，縱向移動測量機構(gòu)到所需測量的面進行測量即可，本設(shè)計之所以可以進行多種測量的主要原因就是存在變換機構(gòu)。8圖 2.3 彈簧鐵2.6 位移傳感器的選擇測量儀器整體的穩(wěn)定性與精度主要是由傳感器自身的穩(wěn)定性與精度所決定的，跳動誤差的范圍不得超過 0.01μm～0.1μm 。因為在測量的過程中被測件僅進行回轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生其自身的振動幅度不大，所以在選擇時采用了一般選擇原則，選取了動態(tài)分辨率為 0.13μm～0.15μm 的接觸式位移傳感器，在測量時應當保持測量頭與被測件的表面進行接觸，這樣以來測量參數(shù)的每一次改變，都能夠通過測量裝置的位移量直觀的反映出來。經(jīng)過篩選，本設(shè)計采用 MCW-D 型線位移傳感器，其主要量程為 1000mm，靜/動態(tài)分辨率為 0.05/0.1μm，精度為 0.25%。3 設(shè)計計算93.1 電動機的設(shè)計3.1.1 電動機的容量在使用全跳動偏擺檢查儀時，在被測件進行穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)速度的同時，且可以進行雙速轉(zhuǎn)換。設(shè)：V=1.0m/s，F(xiàn)=30N。則，工作機所需輸入功率： WFVP31.250.9610w????電動機軸至左頂尖軸的總傳動效率為： 。則 ， 分別為：（7 級精度）a1?2圓柱齒輪傳動效率，聯(lián)軸器傳動效率。查得： =0.98， =0.99?？傂蕝⒖脊綖椋?0.95.80.921a ????電動機所需功率： WPaw87.32950.d?3.1.2 電動機的轉(zhuǎn)速初算電動機轉(zhuǎn)速可選范圍：本裝置要求工作機可實現(xiàn)高速 30r/min 和低速 15r/min，所以工作機的轉(zhuǎn)速取高速:n=30r/min，所以電動機的可選初速度的范圍為： 。則：nid)(21?min/120~i/3min/0)4~1( rrrnd???可選電機最大轉(zhuǎn)速為： ，可選電機最小轉(zhuǎn)速為： 。mi/30r根據(jù)分析上述的計算結(jié)果，通過篩選，選擇型號為 60TDY060S4-2 的電動機，轉(zhuǎn)速為 30r/min。3.2 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)3.2.1 傳動裝置的傳動比總傳動比為：10電動機滿載轉(zhuǎn)速為 ；工作機的轉(zhuǎn)速為 。/min60r?min/30rw?傳動裝置的總傳動比 23i分配各級傳動比：為高速圓柱齒輪的傳動比， 為低速圓柱齒輪的傳動比。取 則1i 2i 1?i。22??3.2.2 各軸轉(zhuǎn)速，輸入功及扭矩各軸轉(zhuǎn)速：連接電動機的軸為 1 軸，連接小齒輪的軸為 2 軸，工作軸為 3軸。則：電動機軸轉(zhuǎn)速為： min/60rn?連接小齒輪的軸轉(zhuǎn)速為： i/21工作軸的轉(zhuǎn)速為： min/3023rin?各軸的輸入功： ；wPd 89.31.987.21 ???d5..0312?各軸的輸入轉(zhuǎn)矩： mNnPTmdd /23.687.95??/07.5.130911??mNnPT/1.30.522 ?113.3 齒輪的設(shè)計3.3.1 選定齒輪精度等級，材料，齒數(shù)和模數(shù)設(shè)計參數(shù)： ， ， 。wP89.31?min/601r?2?全跳動偏擺檢查儀為一般性質(zhì)的測量儀器，它自身對于速度的要求并不高，所以本設(shè)計選用 7 級精度。小齒輪的材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)），調(diào)質(zhì)處理表面淬火，硬度為 280HBS。大齒輪的材料為：45 鋼（調(diào)質(zhì)），調(diào)質(zhì)處理表面淬火，硬度為 240HBS[2]。初選小齒輪齒數(shù)為 ，則201?Z402212??iZ3.3.2 齒面接觸強度計算按齒面接觸強度設(shè)計公式為: 2211 )()5.0(3HEtt ZuRTkd????確定公式內(nèi)的各項參數(shù)值，查得材料的彈性影響系數(shù)： ；查pa189.ME?得大小齒輪的接觸疲勞極限： ， ；試選載荷系pa6lim1MH??lim2H數(shù)為 。3.1?tk應力循環(huán)次數(shù)為： 81 1043.3080???njLN726.9?通過查抗點蝕壽命系數(shù)表 [6]可得齒輪的接觸疲勞壽命系數(shù)為： ，97.01?HNK。89.02?HNK接觸疲勞許用應力：取安全系數(shù)為 0.1?HSMpaSHNH58216097.][111lim???KHNH39.][222li將 中的較小的值帶入接觸強度設(shè)計公式中即可求出分度圓直徑，則：][?12mdt 56.4)3918.2(.5)0.31(0.37842241 ?????smnv/.6??計算尺寬： 2.7081udb1t??R?模數(shù)： 3.045.61?zmtt根據(jù) V=0.177m/s，裝置采用 7 級精度，即可查得動載荷系數(shù) ；假02.1?vK設(shè)： ，則由表查得 ；查表得使用系數(shù) ；NbFKtA/10?1.0a?FHK5A根據(jù) 7 級精度，非對稱分布，由插值法可得出 。86?H512..012.5??????HVAH按照實際的載荷系數(shù)校正從而計算得的分度圓直徑： mKdHtt 370.59.12345.631 ???計算模數(shù) m= 68.207.91zdm3.3.3 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計齒根彎曲疲勞強度的計算公式為: ][1)5.01(4321FSaYuzRkTm??????確定公式內(nèi)的各項參數(shù)數(shù)值：通過查表可得齒輪的疲勞極限 , ；查得抗彎疲pa501MFN??pa3802FN?13勞壽命系數(shù)： ， ；取彎曲疲勞安全系數(shù)為：pa85.01MKFN?pa90.2KFN?S=1.7可得： MpaSFENF 285.91.709][11 ????KFENF .06.3][22載荷系數(shù)計算可得： 1.72????FVAKH計算當量系數(shù)： 取 ，則： =21.801， =68.1992tan5.?u12?，40.18.2cos011 ???zv 107.568.9cos422 ??zv查取應力校正系數(shù)，可得 ，通過插值法即可求得 ；.561aSY.2aSY通過插值法可求出 。2.761a?FY2.8a?F計算齒輪的 并且對結(jié)果進行對比：][aFSY?， 可得大齒輪的0.1528.967][1a??FSY 0.17829.618][2a??FSY?數(shù)值大于小齒輪。則：][aFS? 2.90.54)35.0(.74323??m14通過比較所得結(jié)果,可以分析出通過計算得到的齒面接觸疲勞強度的模數(shù)大于計算所得到的齒根彎疲勞強度模數(shù),通過查表可知抗彎強度的大小決定了齒輪的模數(shù) m,而齒面接觸疲勞強度與齒輪直徑的大小決定了齒輪承載能力的強弱,所以可取由抗彎強度算得的模數(shù) 2.790,并取就近圓為標準值 3，接觸強度算得分度直徑為 56.455mm。由：；8.1345.61??mdz考慮到裝置的潤滑增大齒數(shù)則： ，9112iz3.3.4 幾何尺寸計算計算齒輪的分度圓直徑： ，mzd573191??。mzd14382??計算齒輪的錐距： =53.31821?uR計算齒輪的寬度： ，則 。mbR9.15308.5???? mb162?3.4 滾珠絲杠的計算3.4.1 確定滾珠絲杠副的導程根據(jù)電動機的轉(zhuǎn)速以及測量機構(gòu)沿 X 軸方向上運動的最大移動速度來計算滾珠絲杠的導程。為了使測量機構(gòu)低速穩(wěn)定的運行，滿足本設(shè)計的需求，要求其最大速度不超過 30mm/s。因此帶動測量機構(gòu)進行 X 向運動的驅(qū)動電機選擇為 MDMA152PIV，其最高轉(zhuǎn)速為 4500rpm，電機與滾珠絲杠通過傳動比為 1 的齒輪鏈接，則傳動比也為 1，X 軸向的最大速度為 25mm/s，即 1500mm/min。則絲杠導程為： mniVPMAXK34.051???且根據(jù)實際測量與本設(shè)計對速度的需求取 =10mm。KP3.4.2 滾珠絲杠的載荷及轉(zhuǎn)速計算因為動摩擦與靜摩擦系數(shù)比較類似，所以可以通過略微增大動摩擦系數(shù)當15作為靜摩擦。且導軌在勻速直線運動時所產(chǎn)生的摩擦力系數(shù)的最大值為 0.004，此處則可以取導軌的靜摩擦系數(shù)為 0.006，則導軌的靜摩擦力為： NfgMF8.20.91506.0 ????????式子中：M 即為工件及工作臺的總質(zhì)量，本設(shè)計底座大小為100mm×35mm，材料采用鐵素體+珠光體灰鑄鐵（ HT150），用于承受中等應力的結(jié)構(gòu)鑄件。經(jīng)過估算得約為 15kg。f 導軌滑塊密封阻力，約為 20N。全跳動偏擺檢查儀是一般測量儀器，滾珠絲杠在工作時不受切削力的影響。因為在檢測過程中檢測裝置始終保持著勻速直線運動。所以檢測裝置所受到的阻力主要是導軌自身所產(chǎn)生的動摩擦力，則有： rpmPvnK102560miax ????滾珠絲杠副的當量載荷為： NFF2.10832minaxm????偏擺檢查儀根據(jù)市場需求以及材料為采用鐵素體+珠光體灰鑄鐵（HT150）構(gòu)成，根據(jù)實際需求選擇預期工作時間為 15000 小時；查表 [2]得負載荷系數(shù) ，wf在平穩(wěn)運行且無沖擊力影響的情況下選擇 1；因為偏擺儀為一般測量機構(gòu)，所以精度系數(shù) 選擇 1，可靠性系數(shù) 一般選擇 1。af cf按照滾珠絲杠副的預期工作時間來計算： NfFLnCm 06.5102.815601603caw3 ??????按照滾珠絲杠副的預加最大軸向負載計算： 為預加負載系數(shù)，全跳動偏ef擺檢查儀屬于一般檢測類儀器，選用輕預載，則 =6.7；所以可得： NFfCeam139.820.76???163.4.3 估算絲杠的最大允許軸向變形量根據(jù)公式可以得知： （1/3~1/4）×重復定位精度m??本設(shè)計 X 向重復定位精度要求為：0.005mm則： =1/4×0.1=0.00125mmm?3.4.4 計算滾珠絲杠長度及螺紋底 X根據(jù)設(shè)計可知偏擺檢查儀在 X 向的最大移動距離為 600mm，可以計算出滾珠絲杠左右兩側(cè)固定點的最大距離。 mPlLK86014602.1·)4~10(·.2??????）（滾珠絲杠的一端是固定在測量機構(gòu)的測量滑板上，另一端是固定在底座中，所以本設(shè)計應當計算滾珠絲杠的螺紋底。 LFdmm 10..2510768.391039.2 ?????3.4.5 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號根據(jù)滾珠絲杠的導程與螺紋底的值，通過篩選，選擇型號為：FYND6917-2的內(nèi)循環(huán)雙螺母式滾珠絲杠，其精度等級為 2 級，絲杠螺紋底X=45mm 10.01，公稱直徑： =58mm，額定動載荷 C=15530N 555.06N，額?d0X?定靜載荷 P=6257N。174 精度與誤差計算4.1 誤差分析全跳動偏擺儀的設(shè)計使用的是國家標準的測量數(shù)學模型，所以在測量原理上不會出現(xiàn)誤差，而機械裝置自身的誤差決定了偏擺檢查儀的誤差。即包括：被測件在進行回轉(zhuǎn)運動時產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)誤差、由于裝夾而引起的偏心誤差、測量機構(gòu)在沿 x 軸方向移動時產(chǎn)生的誤差，由于水平面和垂直面都不同程度的存在著不均勻現(xiàn)象從而導致產(chǎn)生了直線度誤差，使得測量頭的位置與標定的位置發(fā)生偏移而引起誤差 [3]。偏擺檢查儀是通過頭座上的兩個頂尖利用頂尖法對被測件進行夾緊，工件頂尖孔的尺寸偏差決定了回轉(zhuǎn)誤差。頂尖孔一般都是車制而成的，出現(xiàn)的回轉(zhuǎn)誤差非常小。僅為±4 。m?18由于被測件的頂尖孔既是加工過程的定位基準也是測量裝置的測量基準，所以其偏心值的范圍不會超過±0.1mm。工件頂尖孔的偏心不足以對整體的測量產(chǎn)生較大影響故忽略不計。4.2 在垂直平面的直線度誤差而引起的誤差定義 為標定時傳感器與標準件間的距離； 為理想位置傳感器與被測件3L4L間的距離； 測量頭的相對偏移量； 傳感器與被測件間的距離； 為標準件1?4? r半徑； 為被測件半徑。則導軌在垂直平面所產(chǎn)生的直線度誤差的數(shù)學模型如R圖 4.1 所示：圖 4.1 垂直平面直線度誤差模型由幾何關(guān)系可得： ， ；被測件的真實值為：raL??3R4。）（標測 r-2RD??則 ，由于 遠遠小于 1，可將其省略。21214 ）（aL??? 1?所以： )(214R???所以偏移后被測件直徑為： 。RDLD2143r2???????? ）（）（ 標標測則，在垂直面內(nèi)的導軌的直線度誤差為：19。RD211?????測測可知，在垂直平面內(nèi)導軌的直線誤差與被測件的半徑成反比，因此只要對本測量儀器最大測量范圍 600mm 內(nèi)，即被測件直徑 600mm 內(nèi)進行誤差分析，即滿足整個系統(tǒng)要求。4.3 在水平面的直線度誤差而引起的誤差同理，定義 偏移后傳感器與被測件間的距離； 導軌在水平面的直線度4L? 2?誤差。則導軌在水平面的直線度誤差而引起的誤差的數(shù)學模型如圖 4.2 所示：圖 4.2 水平面直線度誤差模型由幾何關(guān)系可得：; 。24????L 2434322???????? ）（）（ 標標測 LDLD則導軌在水平面的直線度誤差而引起的誤差為： 2-????標測 D4.4 裝置精度設(shè)計由上述計算可得知，水平面內(nèi)導軌的直線誤差度是影響系統(tǒng)的精度的主要原因，所以減小導軌在水平面方向的直線度誤差就顯得尤為重要了。直線滾動導軌在水平面的直線度誤差一般為 0.15～0.75 ，因此導軌在水平面存在的直m?線度誤差而引起的誤差為：0.2～1.6 。在測量機構(gòu)上由于導軌直線度誤差產(chǎn)生的總誤差為： 。21D???軸類零件的精度一般為測量儀表的三倍 ，查表 [7]得知全跳動偏擺檢查儀在測量軸類零件時的精度不得超過 3 。在垂直平面內(nèi)直線滾動導軌副的直線度m?20不會超過 0.3 ，在水平面的直線度誤差 不超過 0.8 ，將 與 帶入1?m?2?m?1?2上式可得出這本設(shè)計的精度為：0.8544 ＜3 ，因此本設(shè)計的精度是滿足實m?際需求的。215 三維模型繪制5.1UG 繪圖軟件介紹5.1.1UG 介紹公司設(shè)計出的一款產(chǎn)品工程Software PLMiemns是NX UnigraphcG解決方案，它能夠給予使用者產(chǎn)品上便利快捷的設(shè)計，還可以數(shù)字化加工造型。UG 可以根據(jù)使用者的對工藝設(shè)計需求，提供相應的解決方案UG 的功能非常強大，具有強大的建模功能，任何復雜的實體結(jié)構(gòu)模型和復雜的輪廓表面都可以進行建模。具有強大的機械設(shè)計和機械制圖功能有著較高的靈活性，為制造設(shè)計等方面提供了便利。UG 在制造業(yè)上運用非常廣泛，包括了零件的設(shè)計、工業(yè)造型的設(shè)計、零件三維圖的建模、動態(tài)模擬仿真、動力學與運動學分析等強大的功能。5.1.2UG 的特點UG 軟件具有三維實體建模、裝配建模等功能，能夠生成用戶所需要的三維模型圖，并且可以對其進行運動分析、仿真運動及載荷分析。其主要的功能特點有以下四點：（1）設(shè)計者可運用三維圖來直觀的表達自己所設(shè)計的產(chǎn)品。（2）設(shè)計的全面性，使得理論上的設(shè)計成為可能。（3）UG 提供了完整的分析方案可以滿足設(shè)計者的實際需求。（4）圖形和數(shù)據(jù)的一致性可以更好的輔助設(shè)計者完成設(shè)計。22本設(shè)計主要運用到了 UG 的建模、裝配、制圖模塊。5.2 零件的建模5.2.1 底座的建模首先，打開 NX10.0 的軟件。在左側(cè)文件選擇欄里選擇新建。類型選擇模型進入模型繪制界面，對零件進行三維建模。（1）長方形建模：在主菜單中選擇草圖→選擇基準面（XY 軸為基本面）→插入→特征設(shè)計→長方形，選擇兩點法，點擊彈出的“塊”對話框，在中輸入尺寸即可得到對應的正方形。（2）拉伸與拔模在主菜單中選擇拉伸命令，截面選擇剛繪制好的草圖，輸入拉伸量，選擇拉伸的方向。在拔模選項中選擇“從起始限制”輸入角度為 8deg，點擊確定即可完成。（3）底腳的建模和長方形建模類似，在主菜單中選擇草圖，將底座底面設(shè)為基準面。進行草圖繪制，對其進行拉伸處理。（4）滑塊導軌的建模和長方形建模類似，在主菜單中選擇草圖，將底座頂面設(shè)為基準面。進行草圖繪制，進行拉伸處理時將拉伸方向定為反向，選擇開放輪廓智能體積，即可完成建模。（5）底腳的建模在主菜單中選擇草圖，選擇底座的底面作為基準平面。進行草圖繪制，進行拉伸處理時將拉伸方向定位反向，選擇開放輪廓智能體積。在拔模選項中選擇“從起始限制”輸入角度為 5deg，點擊確定即可完成。通過如上步驟即可完成底座的建模，如圖 5.1 所示：23圖 5.1 底座建模圖5.2.2 頭架的建模（1）長方形頭架建模在主菜單中選擇草圖→選擇基準面（XY 軸為基本面）→插入→特征設(shè)計→長方形，選擇兩點法，點擊彈出的“塊”對話框，在中輸入尺寸即可得到對應的正方形。（2）拉伸與倒圓角在主菜單中選擇拉伸命令，截面選擇剛繪制好的草圖，輸入拉伸量。即可完成拉伸。在主菜單中選擇倒圓角命令，選擇要倒圓角的角，形狀選擇為圓形，輸入圓角半徑，即可完成倒圓角。（3）頂尖建模與長方形建模類似，選擇頭架內(nèi)部為基準面，繪制圓形，輸入尺寸后進行拉伸即可完成頂尖建模。通過如上步驟即可完成頭架的建模，如圖 5.2 所示:24圖 5.2 頭架建模圖5.2.3 測量機構(gòu)的建模（1）長方形底座建模在主菜單中選擇草圖→選擇基準面（XY 軸為基本面）→插入→特征設(shè)計→長方形，選擇兩點法，點擊彈出的“塊”對話框，在中輸入尺寸即可得到對應的正方形。（2）滑塊導軌建模與長方形建模類似，以滑塊底部為基準面，繪制兩個長方形草圖，進行拉伸處理時將拉伸方向定為反向，選擇開放輪廓智能體積，即可完成建模。（3）測量桿建模以滑塊頂部為基準面，繪制圓形草圖，輸入拉伸量，即可完成建模。通過如上步驟即可完成測量機構(gòu)的建模，如圖 5.3 所示:圖 5.3 測量機構(gòu)建模圖5.3 零件的裝配首先，打開 NX10.0 的軟件。在左側(cè)文件選擇欄里選擇新建。類型選擇裝配功能進入零件裝配界面，對零件進行裝配。點擊右上角菜單欄的添加組件功能，點擊打開按鈕，選擇需要裝配的零件圖。選擇“底座”作為裝配基準。在放置定位選項中選擇“絕對原點”作為原點。點擊確定開始裝配。25（1）頭架裝配打開添加組件功能，點擊之前添加好的頭架圖。此時右下角出現(xiàn)頭架的預覽圖片。在左側(cè)的放置定位選項中選擇“通過約束”，然后在類型選擇欄中選擇“距離”，點擊頭架與底座所需要約束的面，輸入兩者的距離，點擊確定。即可通過距離定位來完成約束。（2）測量機構(gòu)裝配打開添加組件功能，點擊先前添加的測量機構(gòu)圖。此時右下角出現(xiàn)頭架的預覽圖片。在放置定位選項中選擇“通過約束”，然后在類型選擇欄中選擇“對齊接觸”，點擊需要進行對齊接觸約束的面（即頭架底部的導軌與底座上方的導軌槽）即可通過對齊接觸來完成約束。通過如上步驟即可完成裝配，裝配效果如圖 5.4 所示：圖 5.4 全跳動偏擺檢查儀裝配圖26結(jié) 論偏擺檢查儀是測量軸類零件各種跳動誤差的必備儀器，在提高產(chǎn)品精度，延長產(chǎn)品壽命方面具有很大的實際意義。因此偏擺檢查儀在制造業(yè)中具有非常重要的地位。本文通過對偏擺檢查儀的改進，使其實現(xiàn)可以對工件進行全跳動誤差的檢測，并繪制出了三維圖形。在此過程中總結(jié)出了到以下結(jié)論：（1）全跳動偏擺檢查儀與一般偏擺檢查儀相比較不僅反映單個測量面內(nèi)被測要素輪廓形狀的誤差情況，而且能反映整個被測面上的誤差。更加符合實際需求 [3]。（2）全跳動偏擺檢查儀在設(shè)計時，利用兩個獨立的電機進行驅(qū)動，并配備合理的傳動機構(gòu)，實現(xiàn)了頂尖回轉(zhuǎn)的同時底座進行 X 軸方向的平移。在測量機構(gòu)上加入彈簧鐵，實現(xiàn)了測量機構(gòu)測量位置的變換，使其不僅能夠完成徑向全跳動的測量還能夠完成軸向全跳動的測量。（3）全跳動偏擺檢查儀在實際測量中還存在一些不足之處，如：當需要測量斜面時全跳動偏擺檢查儀顯然無法完成測量。因此在實際中應該將全跳動誤差測量與圓跳動誤差測量結(jié)合起來，能夠更好的發(fā)揮各自的優(yōu)勢。偏擺檢查儀的種類的豐富與精度的提升可以使企業(yè)加工節(jié)約大量成本，提升加工質(zhì)量，也使得企業(yè)獲得更多的利潤。2728參考文獻[1] (美)約瑟夫 E.希格利.機械工程設(shè)計第 6 版.機械工業(yè).2002:127-129[2] 周廷樹.從偏擺檢查儀的結(jié)構(gòu)原理談其檢定[D].技術(shù)監(jiān)督與管理.1992:55-59[3] 傅成昌.形位誤差檢測技術(shù)問答.機械工業(yè)出版社.1990:105-117[4] 趙西佳.偏擺檢查儀校準結(jié)果的不確定度評定[J].中國計量.2014:59-60[5] 魏冰瑩.淺談跳動檢查儀用偏心軸的設(shè)計[J].計量與測試技術(shù).2017:67-73[6] 張鋒.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊.高等教育出版社.2010:55-57[7] 機械工程手冊委員會.機械工程手冊第 5 卷.機械工業(yè)出版社.1984:115-124[8] 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It describes the probe test rig whose main objective is to check the probe repeatability and pre-travel variation (lobing effects). The results indicate that such a verification has been achieved with the additional advantage of testing the probe independent of the CMM error sources.