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編號
無錫太湖學院
畢業(yè)設計（論文）
題目： 電腦漸開線齒輪齒形誤差檢測儀 設計
機 電 系 機械工程及自動化 專業(yè)
學 號： 0923017
學生姓名： 朱敬松
指導教師： 屠德剛（職稱：高工）
（職稱： ）
2012年5月25日
無錫太湖學院本科畢業(yè)設計
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計 電腦漸開線齒輪齒形誤差檢測儀設計 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)設計中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計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91
學 號： 0923017
作者姓名：
2012 年 5 月 25 日
無錫太湖學院
機電 系 機械工程及自動化 專業(yè)
畢 業(yè) 設 計論 文 任 務 書
一、題目及專題：
1、題目 電腦漸開線齒輪齒形誤差檢測儀設計
2、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
課題來源：實驗室
選題依據(jù)：主要是針對老式手動漸開線齒輪齒形誤差測量儀進行數(shù)控化改造， 通過此改造設計過程，能熟練掌握手動量儀的工作原理及機械結構，并在此基礎上考慮其數(shù)控化改造方案。改過去的普通絲杠為滾珠絲杠，并以步進電機帶動傳動部件，采用8051單片機進行控制。
三、本設計應達到的要求：
一、針對原有老式手動儀器的數(shù)控化改造,因此系統(tǒng)采應新的機電一體化技術和元件器，以及電腦控制的伺服系統(tǒng)。本次設計的主要是機電一體化機械系統(tǒng)方面的設計。本儀器用于測量直齒或斜齒的圓柱齒輪的漸開線齒輪誤差。這種儀器不需要不同尺寸的基圓盤。通過在儀器上的數(shù)控裝置可以將被測工件的基圓半徑調準到0.002MM.儀器表有電感比較儀,其傳感器將被測工件齒形的漸開線誤差傳到指示電表上。
二、 對指定零件進行有限元分析。
三、 查閱文獻15篇以上，并有不少于8000字符的外文資料譯文。
四、 完成開題報告。
五、 中文摘要在400字以內，有3—4個關鍵詞，外文摘要與中文摘要相同。
六、 至少完成A0圖紙3張和一份1萬字以上的設計計算說明書。
四、接受任務學生：
機械91 班 姓名 朱敬松
五、開始及完成日期：
自2011年11月7日 至2012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
〔學科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
2011年11月7日
I
摘 要
本次畢業(yè)設計首先是對檢測儀市場使用情況的數(shù)據(jù)進行采集工作，以確定設計的方案。
其次，分析所具備的條件因素，考慮廠方的成組技術要求，進行方案的制定。
最后，開始零件設計和重要零件三維繪圖設計。
本儀器用于測量直齒或斜齒的圓柱齒輪的漸開線齒輪誤差。這種儀器不需要不同尺寸的基圓盤。通過在儀器上的數(shù)控裝置可以將被測工件的基圓半徑調準到0.002MM.儀器表有電感比較儀,其傳感器將被測工件齒形的漸開線誤差傳到指示電表上。本課題主要是著重與儀器機械結構方面的設計，并制作相關的三維軟件，以滿足設計改進，質量控制，售后服務，商務洽談方面的要求。
目前在國內產品中銷量很多。國產齒輪測量中心的質量和性能不斷提高，已經(jīng)具有和國外產品競爭的能力。不過在儀器精度、穩(wěn)定性，尤其在測量軟件、儀器故障診斷功能等方面，和國外還有一定差距。
關鍵詞：漸開線；儀器精度；數(shù)控裝置；傳感器
Abstract
This graduation design is first acquisition work on the use of market detector data, to determine the design scheme.
Secondly, with analysis of factors, considering the requirements of group technology, make plan.
Finally, start part design and important parts of 3D graphics design.
This instrument is used for measuring the error of cylindrical gear involute spur or helical gear. This instrument does not need discs of different sizes. Through the numerical control device on the instrument can be measured workpiece radius of base circle aligned with the 0.002MM. instrument with inductance comparator, involute error of the sensor was measured the tooth profile of the workpiece to the indicating meter. This topic is mainly focuses on the design and equipment of mechanical structure, and fabrication of three-dimensional software related, in order to satisfy the design improvement, quality control, after sale service, business requirements.
At present in the domestic sales of many products. The quality and performance of domestic gear measuring center continuously improve, ability has competition and foreign products. But in the instrument accuracy, stability, especially in the aspect of software, measuring instrument fault diagnosis function, there is still a certain gap with foreign.
Key words: involute ；precision ；CNC device ； sensor
目錄
摘 要 III
Abstract IV
目錄 V
1緒論 1
1.1 本課題的研究內容和意義 1
1.2國內外的發(fā)展概況 1
1.3本課題應達到的要求 2
2 設計的要求及基本技術規(guī)格 4
2.1 設計參數(shù)及要求 4
2.2 設計任務及工作量 4
2.3 設計內容 4
2.3.2 設計說明書，翻譯英文資料 4
3 總體方案的設計原理 5
3.1 總體方案的確定 5
3.1.2 齒輪實際齒輪誤差的測量 5
3.2 原有儀器示意圖 6
3.3 總體方案的確定 6
4 機械部分的設計與說明 8
4.1 轉動機構的設計 8
4.2 導向機構的設計 9
4.3 伺服驅動元件的設計 10
5 機械傳動部分的設計 12
5.1 縱向導軌的選擇 12
5.1.1 承受載荷的估算： 12
5.2 橫向導軌的選擇 13
5.3滾珠絲杠副的計算 13
5.3.2 額定動載荷的計算 13
5.4穩(wěn)定性驗算 14
5.5 軸承的選擇 17
5.5.1 壽命計算 17
5.5.2 計算附加軸向力 18
5.5.3 計算單個軸承的軸向載荷 18
5.5.4計算當量動載荷 18
5.5.5 壽命 18
5.5.6 額定靜載荷驗算 19
5.5.7 極限轉速驗算 19
5.6 聯(lián)軸器的選擇 19
5.7 鍵的選擇與聯(lián)接強度的計算 22
5.8 步進電機的選擇 23
6 維護與保養(yǎng) 25
7 結論和展望 26
致謝 27
參考文獻 29
V
電腦漸開線齒輪齒形誤差檢測儀
1緒論
此次設計是我到單位設計的，在設計之前，我曾到公司參觀了一臺手動檢測儀（如圖1所示）對漸開線齒輪工作原理有了一些了解，并提出了這種數(shù)控改造方案。為了增加論文的可持續(xù)性和易懂性，在論文中配一些相關圖解。
圖 1.1 普通漸開線齒輪誤差檢測儀
1.1 本課題的研究內容和意義
本次畢業(yè)設計為了完全實現(xiàn)數(shù)控化，針對原有老式手動儀器的數(shù)控化改造，因此系統(tǒng)采新的機電一體化技術和元件器，現(xiàn)代的機械系統(tǒng)必然是由電腦控制的伺服系統(tǒng)，其中包含機電一體化機械系統(tǒng)，機電一體化集成電路的應用，微電子和接口技術,傳感技術等。為了適應工業(yè)發(fā)展的需要，精密測量技術也需要得到長遠發(fā)展。因此，再此次對漸開線齒輪檢測儀進行數(shù)控化改造，使其在應用中獲得更佳性能參數(shù)。
1.2國內外的發(fā)展概況
從上世紀80年代開始，齒輪測量中心的開發(fā)受到眾多齒輪測量儀器制造商的重視；90年代逐步形成了系列化產品推向市場。CNC齒輪測量中心是信息技術、計算機技術和數(shù)控技術在齒輪測量儀器上集成應用的結晶，主要用于齒輪單項幾何精度的檢測，也可用于（靜態(tài)）齒輪整體誤差的測量。
德國KLINGELNBERG的P系列齒輪測量中心，其特點是采用了專利的三維數(shù)字式高精度光柵測量頭（使用了HEINDENHAIN的超高精度光柵）；性能穩(wěn)定的優(yōu)質鑄鐵床身，高性能直線電機驅動系統(tǒng)；高精度滾珠軸系和密珠滾動導軌。儀器精度達到德國標準1級。據(jù)報道該廠生產并經(jīng)精化的一臺P65齒輪測量中心，被英國國家齒輪計量實驗室選定，作為英國齒輪精度傳遞及標定的基準儀器。美國M&M的齒輪測量中心，其三維高精度電感測量頭；花崗石基座；精密氣浮軸系以及精密直線滾動體結構導軌，成為該儀器的特色（近年也采用了直線電機驅動），儀器測量不確定度為2μm。德國MAHR的GMX275采用的模擬量測量頭，可選擇掃描或單點采樣方式，可以按0.1°間距轉動，使測頭的測尖能處于被測齒面的法面上，儀器測量不確定度在測量空間內為（2.3μm+L/200）。國外齒輪測量中心廠商，大多還開發(fā)了測量軟件和加工機床的參數(shù)修正軟件，選用相關軟件，還能用于反求工程對工件參數(shù)進行測定。高精度和一機多能的特點，使齒輪測量中心更適合于工廠計量站使用。日本的齒輪測量儀器制造商，在我國市場經(jīng)過近十年的沉寂后近年來亮相頻繁。大阪精機在GC-HP系列齒輪測量儀器的基礎上，開發(fā)出CNC電子創(chuàng)成式的CLP系列齒輪測量儀器。特別值得一提的是最近在國內參展亮相的東京技術儀器公司（Tokyo Technical Instruments Inc.）。在2003年底上海中國國際齒輪傳動、制造技術及裝備展覽會上該廠首次展出TTI-300E型CNC齒輪檢測儀，據(jù)稱其質量較小的測頭部件能單獨在徑向運動，便于快速測量齒輪齒距偏差。密珠軸系的主軸回轉精度可達0.03μm，儀器測量重復性達到0.5μm。
國內近年來，CNC齒輪測量中心有了長足的發(fā)展，哈爾濱量具刃具廠、哈爾濱精達公司都先后成功開發(fā)出了系列產品。哈量的3903A齒輪測量中心，經(jīng)過幾年努力，儀器精度和測量速度已達到或接近KLINGELNBERG公司產品的先進水平。精達公司作為后起之秀，發(fā)展引人矚目，其JD、JDS系列齒輪測量中心。
目前在國內產品中銷量很多。國產齒輪測量中心的質量和性能不斷提高，已經(jīng)具有和國外產品競爭的能力。不過在儀器精度、穩(wěn)定性，尤其在測量軟件、儀器故障診斷功能等方面，和國外還有一定差距。令人欣慰的是國內齒輪量儀制造商已有共識，已聯(lián)合高校院所協(xié)同攻關努力縮小差距；隨著性價比的迅速提高，參與市場競爭能力的增強，國產齒輪測量中心的發(fā)展前景看好。
當前齒輪制造業(yè)的一個發(fā)展趨勢，是將齒輪測量技術和齒輪設計、加工制造進行集成，實現(xiàn)齒輪制造信息的融合及CAD/CAM/CAT的集成，從而構建一個先進的齒輪閉環(huán)制造系統(tǒng)（由于通常由數(shù)字化信息來實現(xiàn)，可稱為數(shù)字化閉環(huán)制造系統(tǒng)）。隨著齒輪制造業(yè)的快速發(fā)展，因此齒輪測量技術和齒輪測量儀器的發(fā)展方向更加明確。
1.3本課題應達到的要求
本儀器用于測量直齒或斜齒的圓柱齒輪的漸開線齒輪誤差。這種儀器不需要不同尺寸的基圓盤。通過在儀器上的數(shù)控裝置可以將被測工件的基圓半徑調準到0.002MM。儀器表有電感比較儀，其傳感器將被測工件齒形的漸開線誤差傳到指示電表上，用電表可以直接讀數(shù)。本儀器也可以測量直尺圓柱齒輪的齒向誤差（大致的設備的樣子如圖，但我設計的儀器與此有些出入）。
圖 1.2 電腦漸開線齒輪齒形誤差檢測儀
由于時間倉促和作者缺乏實踐經(jīng)驗，在設計中出現(xiàn)的錯誤和不足之處懇請各位老師給予批評指正。
2 設計的要求及基本技術規(guī)格
2.1 設計參數(shù)及要求
測量范圍：m=2～5；
分辨率： 0.002；
測量齒輪精度等級：7-10級；
使用范圍：基圓直徑d≤250m的直齒，斜齒和圓柱齒輪。
2.2 設計任務及工作量
1.完成開題報告。
2.對指定零件進行有限元分析
3.查閱文獻15篇以上，并有不少于8000字符的外文資料譯文
4.中文摘要在400字以內，有3—4個關鍵詞，外文摘要在2000字符以上
5.至少完成A0圖紙4張和一份1萬字以上的設計計算說明書
2.3 設計內容
2.3.1 儀器運動方案的確定
（1） 儀器伺服系統(tǒng)的選擇，設計計算；
（2） 機械結構總裝圖，部分零件圖設計。
2.3.2 設計說明書，翻譯英文資料
3 總體方案的設計原理
3.1 總體方案的確定
3.1.1 漸開線的形成
本次畢業(yè)設計漸開線齒輪誤差檢測儀的原理,是基于在圓上產生漸開線的方法.即一條直線沿著一個直徑為d的圓,做無滑動滾動時,該直線上任意一點的軌跡為該圓的漸開線,如圖3.1。
圖 3.1 圓漸開線
3.1.2 齒輪實際齒輪誤差的測量
我們現(xiàn)在在假設用被檢測齒輪的基圓盤代替這個圓,用滑齒板代替這條直線,把檢測儀的測頭放在上圖1的A點時,那么這個測頭就會沿著尺面進行滑行.
如果被檢齒形符合理論的漸開線,則與測頭相連的指示表指針就不動,反之,則指示表就示出偏差數(shù)值.使用這種儀器,每一個不同基圓直徑的齒輪,需要有一相應尺寸的基圓盤,這是一個很大的缺點。
為了避免產生上述的缺點,本儀器采用無滑動的滾動機構和可以調各種基圓半徑的杠桿機構.在儀器的內部裝有一個固定的基圓盤a及連接在它上面的兩條鋼帶b,鋼帶的另外兩端分別固結在滑板c上.使滑板的運動傳給杠桿直尺d.杠桿直尺d控制著測量滑架.對滑板做平移運動.即對基圓盤作切向運動.測量時,將被測滑架上的測頭調到被測齒輪的基圓上.則當滑架移動時,測頭即在被冊齒面上滑行。
圖 3.2 儀器原理圖
其比例適合于:
（3.1）
式中 S——固定基圓盤滾程
S'——受檢齒輪基圓的滾程
R——固定基圓半徑
——受檢齒輪基圓半徑
上式表明,僅有一個基圓盤，就可以檢查任意基圓盤大小的漸開線齒廓.由于滑板c的移動，通過杠桿，就可以帶動測量滑架沿著與滑板平行的方向，產生一個適應于上述比例關系的移動量。這時測頭的測來量，即按照理論漸開線在受檢齒輪的齒面上滑行。
3.2 原有儀器示意圖
圖 3.3 儀器示意圖
該測量儀器基座的兩側有兩個電源插座，左側的云斗插座插座可獲得儀器總電源,右側的插座可供測威儀220V電源。全套測威儀由傳感器，測威儀電箱，功率放大電箱及自動記錄器四個部分組成。
3.3 總體方案的確定
經(jīng)過考慮,我確定了本次畢業(yè)設計的總體設計方案：我分別在老式手動檢測儀的Y向和Z向作了改動，改造后，被測齒輪通過安裝心桿來固定在兩頂尖之間,用兩個步進電機分別代替以前的純手動部件，控制帶測頭的工作臺和被測齒輪的相互匹配運動，他們分別是用Y向步進電機控制測頭的工作臺運動，用Z向步進電機來控制被測齒輪的旋轉運動，用軟件(也就是用單片機語言編程)來完成這些運動。
在X向我用的是粗調和微調機構來調整被測齒輪的位置，粗條只能是調整被測齒輪的大致位置,而微調則是調整被測齒輪的精確位置，此次用來進一步確保該檢測儀的精度。
因為滾珠絲杠轉動平穩(wěn)、結構緊湊、精度高，為了確保測量精度，所以我本次畢業(yè)設計選用滾珠絲杠的轉動通過滾動導軌帶動測頭。
4 機械部分的設計與說明
4.1 轉動機構的設計
本次設計的系統(tǒng)要求精度很高,運動平穩(wěn),工作可靠,這個不僅僅是機械運動和機構所能解決的問題,而是要通過控制裝置,使機械轉動部分與伺服電動機的動態(tài)性相匹配,所以本次設計要求轉動機構滿足以下幾個部分。
4.1.1 轉動慣量小
也就是在不影響機械系統(tǒng)剛度的前提下，轉動機構的質量和轉動慣量應盡量減小。否則，轉動慣量大會造成不良影響，機械負載增大；系統(tǒng)響應速度降低，靈敏度下降。所以在設計轉動機構時應盡量減小轉動慣量。
4.1.2 剛度大
剛度是使彈性體單位量所需的作用力。大剛度對機械系統(tǒng)而言是有利的：
（1） 伺服系統(tǒng)動力損失隨之減小。
（2） 機構固有頻率高,超出機構的頻帶寬度，使之不容易產生共振。
（3） 增加閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以再設計時應該選用大剛度的機構。
4.1.3 阻尼合適
機械系統(tǒng)產生震動時，系統(tǒng)的阻尼越大，其最大振幅就越小而且衰減也越快，但大阻尼也會使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。所以設計時，轉動機構的阻尼要選擇適當。此外要球摩擦?。ㄌ貏e是提高機構的靈敏度），抗振性好（提高機構的穩(wěn)定性），間隙?。ūＷC機構轉動精度），特別是其動態(tài)特性應與伺服電動機等其他環(huán)節(jié)的動態(tài)特性相匹配。
基于以上對轉動機構的要求，所以本次畢業(yè)設計選用滾珠式杠轉動機構，它有許多優(yōu)點，比如：
（1） 轉動效率高,它的效率高達90%-95%,耗費的能量僅為滑動絲杠的1/3。
（2） 運動具有可逆性,即可以將回轉運動變?yōu)橹本€運動,又可以將直線運動變?yōu)榛剞D運動,而且逆?zhèn)鲃有蕩缀跖c正傳動效率相同。
（3） 系統(tǒng)剛度好,通過給螺旋母組件內施加預壓來獲得較高的系統(tǒng)剛度,可以滿足各種機械傳動要求,無爬行現(xiàn)象,始終保持運動的平穩(wěn)性和靈敏性。
（4） 傳動精度高,經(jīng)過淬硬并精磨螺紋滾道后的滾珠絲杠副本身就具很高的制造精度,又由于摩擦小,絲剛副工作時溫升和熱變形小,容易獲得較高的傳動精度。
（5） 使用壽命長,滾珠是在淬硬道上做滾動運動,磨損極小,長期使用后仍能保持其精度,因而壽命長,且具有很高的可靠性.其壽命一般比滑動絲杠要高5-6倍。
但是,滾動絲杠也有缺點,如:
（1） 不能自鎖,特別是垂直安裝的絲杠,當運動停止后,螺母將在重力重用下下滑,故長需設置制動裝置。
（2） 造工藝復雜,滾珠絲杠和螺母等件加工精度,表面粗糙度要求很高,制造成本高。
雖然滾珠絲杠有兩個缺點,但是基于它有這么多優(yōu)點,能保證本次設計測頭的測量精度,從而保證漸開線齒輪誤差檢測儀的精度,很能符合本次設計的要求。
由于滾動絲杠副獨特的性能而受到極大的評價,因而已出成為數(shù)控機床,精密機械,各種省力機械設備急各種機電一體化產品中不可缺少的傳動機構。
滾珠絲杠軸向間隙的調整和施加預緊力的方法:滾珠絲杠除了對本身單一方向的傳動精度有要求外,對其軸向間隙也有要求,以保證其反向傳動的精度.滾珠絲杠的軸向間隙是承載時在滾珠與滾道型面接觸點的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原由間隙的總和.通常采用雙螺母預緊的方法 把彈性變形控制在最小限度內,以減小和消除軸向間隙,并可以提高滾珠絲杠副的剛度。
目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間隙達0.05mm,而雙螺母式的經(jīng)過預緊力調整后基本上能消除軸向間隙.應用該方法消除軸向間隙時應注意以下兩點:
（1） 預緊力大小必須合適,過小不能保證無隙傳動,過大將使驅動力矩增大,效率降低,壽命縮短,預緊力應不超過最大軸向負載的1/3。
（2） 要特別注意減小絲杠安裝部分驅動部分的間隙,這些間隙用預緊的方法是消除的,而它對傳動精度有直接影響。
常用的雙螺母消除軸向間隙的結構有三種:
（1） 墊片調隙法；
（2） 螺母調隙法；
（3） 齒差調隙法。
滾珠絲杠副的支承方式的選擇：
（1） 一端固定,一端自由(F-O)；
（2） 一端固定,一端游動(F-S)；
（3） 兩端固定(F-F)。
本次畢業(yè)設計采用的是兩端固定的方式.因為兩端固定方式的支承為減少絲杠因自重的下垂和補償熱膨脹，應進行的拉伸。只要實際問升不超過預見的溫升，這種預見的溫升就不會產生周詳?shù)拈g隙。
4.2 導向機構的設計
本次設計要求機械系統(tǒng)的各個運動機構必須得到安全支承，并能精確的完成其特定方向的運動，這個任務由導向機構來完成。機電一體化產品的導向機構是導軌，可以分為滑動導軌和滾動導軌。
其中滑動導軌有兩個導軌工作面的摩擦性質為滑動摩擦?；瑒訉к壗Y構簡單，制造方便，剛性好，抗振性高，是機械產品中最廣泛使用的導軌形式。為了減小磨損，提高定位精度，改善摩擦特性，通常選用合適的導軌材料，采用適當?shù)臒崽幚砗图庸し椒?，如采用?yōu)質鑄鐵，合金耐磨鑄鐵或鑲淬火鋼導軌，采用導軌表面滾扎強化，表面淬硬、涂鉻、涂鉬等方法提高導軌的耐磨性。另外采用新型工程塑料可滿足導軌低摩擦、耐磨、無爬行的要求。
滾動導軌的承載能力很大，它的軌道采用圓弧形式，增加了滾動體與圓弧軌道接觸面積，從而大大的提高了軌道的承載能力，可以達到平面軌道的3倍。滾動導軌的剛性很強，在該導軌制作時常常需要預加載荷，這種導軌系統(tǒng)剛度得以提高，，所以滾動直線導軌在工作時能承載較大的沖擊和振動。滾動導軌的壽命長，由于是純滾動，摩擦系數(shù)為滑動導敦的1/50左右，磨損小，因而壽命長，功耗小，便于機械小型化。滾動導軌傳動平穩(wěn)可靠，由于摩擦小，動作輕便，因而定位精度高，微量移動靈活準確。還有，滾動導軌具有結構自調整能力，裝配調整容易，因此降低了對配件加工精度要求。
基于以上滾動導軌的優(yōu)點，所以本次設計選用滾動導軌作為導向機構，來作為導向和支承用。
4.3 伺服驅動元件的設計
伺服系統(tǒng)也叫做隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行運作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動控制系統(tǒng)。
大多數(shù)伺服控制系統(tǒng)具有檢測反饋控制理論，伺服系統(tǒng)不斷的檢測在各種擾動作用下被控對象輸出量變化，與指令值進行比較，并用兩者的偏差，使被控對象輸出量始終跟蹤輸入的指令值。
伺服系統(tǒng)中所用到的執(zhí)行元件很多，主要有：電氣式、液壓式、氣壓式，其中電氣式主要有步進電動機、支流伺服電動機、交流伺服電動機。本次畢業(yè)設計選用的是步進電動機。
伺服系統(tǒng)要求執(zhí)行元件慣性小、動力大，著為了使伺服系統(tǒng)具有良好的快速響應性和足夠的負載能力，希望執(zhí)行元件具有較小的慣量，并輸出較大的功率；要求執(zhí)行元件體積小、質量輕，這是為了執(zhí)行元件易于安裝及與機械系統(tǒng)連接，使伺服系統(tǒng)結構緊湊，常常希望執(zhí)行元件具有較小的體積和較輕的質量；要求便于進行微機控制，因為機電一體化產品多采用微機控制，因而要求伺服系統(tǒng)及執(zhí)行元件也能采用微機來統(tǒng)一控制；另外，伺服系統(tǒng)還要求執(zhí)行元件成本低、可靠性好、便于安裝和維修。
步進電機又被叫做馬達，是伺負電動機的一種。步進電動機可以按照輸入的麥冬指令一步步地旋轉，即可以將輸入的數(shù)字指令信號轉換成相應的角位移，。因此，它實質上也是一種數(shù)模轉換裝置。由于步進電動機成本較低，易于采用計算機控制，因而被廣泛用于開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。
4.4 其他元件設計
本次設計的粗調與微調機構選的是絲杠螺母機構，采用手動調整絲杠螺母機構來做X向的運動，以此來調整被測齒輪和測頭的位置，進一步地保證測頭的測量精度，保證整個測量儀的精度。
本次設計中測頭在測齒行誤差時會有跳動量，我們通過傳感器、放大器、顯示器把這個跳動量顯示出來。
其中測量記錄的設計原理如圖4.1。
圖 4.1 測量記錄的設計原理
其中傳感器內兩個電感線圈按差動方式接在測量電橋上，傳感器測端的位移就直接帶動兩個電感線圈內銜接的鐵位移。當銜鐵處于兩線圈中間位置時，兩線圈電感相等，測量電橋平衡，沒有輸出信號。當先鐵向前（或向后）移動時就使上線圈電感量增加（或減少）下線圈電感量減少（或增加0其交流阻抗也相應變化，這樣電橋就不平衡，而輸出一幅度與銜鐵成比例的交流電信號，這信號經(jīng)過放大后送到相應整流器，就可以把位移信號由在頻中解出來，得到一個與銜鐵位移量成正比的電壓信號，并由指示表指示出來，這樣即可以由指示表的相應檔位讀出傳感器測端的微小位移。測量電橋由一穩(wěn)定的高頻振蕩器供電，以保證儀器的適值穩(wěn)定。由相敏整流器輸出的電壓，經(jīng)過直流功率放大器放送入記錄器，記錄器的描雞頭就可以在記錄紙上連續(xù)的畫出與傳感器測頭位移相對應的記錄曲線。功率放大器，記錄器及電感測量儀之電路圖在這本人就不詳細敘述了。
圖 4.2 傳感器簡圖
圖4.2就是傳感器簡圖，具體構造為：測量儀1靠螺紋固定在測桿2上 ，測桿2支持在一精密滾珠導軌上，它可做軸向移動，測桿2的右端固定著銜鐵4，當測桿移動時帶動銜鐵四在電感線圈5中移動。線圈5 放在圓桶形泵3中，布置成差動電感的形式。電信號由導線6輸出，測量力由彈簧7產生，防轉裝置8用來限制測桿2的傳動。本儀器所帶傳感器不準許作脫離本儀器的另外使用，因為它在儀器上的正確安裝位置已經(jīng)由導套位置。
5 機械傳動部分的設計
本次畢業(yè)設計中確定：每天開機6小時，一年按265個工作日計，壽命要為5年，單行程長度為0.2米(橫向和縱向)，每分鐘反復次數(shù)n=4。
5.1 縱向導軌的選擇
5.1.1 承受載荷的估算：
（5.1）
上式中即為作用在滑座上的載荷F，滑座數(shù)M取1，每根導軌使用一個滑座，所以由《機電一體化設計基礎》中表2－15～2－18確定：
又導軌的額定工作壽命：
（5.2）
又因為導軌的額定行程長度壽命：
（5.3）
導軌的額定動載荷 （5.4）
式中:
所以，
查表《機電一體化設計基礎》2－13，所以可以用導軌的型號為HJG-D25。
因為此導軌允許的最大動載荷，且能滿足5年的使用要求，所以可選擇該型號的滾動導軌。
綜合確定本次設計導軌長度為：
滑座重量為0.60kg，導軌重量為3.1kg。
5.2 橫向導軌的選擇
其算法同縱向，，，，，
滑座重量G=6N，導軌重量G=15.5N，總的徑向載荷F=4442.54N，。表2－13，其型號為HJG-D25,導軌長度L=F(n)＋2G=680mm。
5.3滾珠絲杠副的計算
5.3.1 載荷的計算
（5.5）
由《機電一體化設計基礎》表2－6，取KF＝1
表2－7，取KH=1,
表2－4，取KA＝1，
Fm…………平均滾珠載荷取4442.54N
5.3.2 額定動載荷的計算
5.3.3 滾珠絲杠規(guī)格的選定
圖5.1滾珠絲杠
根據(jù)值從滾珠絲杠副系中選出所需要的規(guī)格，使所選規(guī)格的絲杠額定動載荷值等于或大于值，并列出其主要參數(shù)值。選定所以滾珠絲杠長度可近似為。規(guī)格尺寸《機電一體化設計基礎》P23,表2－9,
公稱直徑D=25mm
P＝5mm
按表2－1中尺寸公式計算：
軌道半徑：
偏心距： e＝0.07（R－d/2） （5.6）
=0.07×（1.651-3.175/2）
=4.45×10mm
絲杠內徑：
（5.7）
5.4穩(wěn)定性驗算
（1） 滾珠絲杠的支承方式采取兩端固定， 可得：
——長度系數(shù)為0.5
——臨近轉速系數(shù)為4.730〔S〕＝4查《滾珠絲杠副自鎖裝置》p108
Ns——滾珠絲杠的穩(wěn)定系數(shù),一般為ns=2.5～4
絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷按下式計算：
（5.8）
式中：E——絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206G；
L——絲杠工作長度為0.2ｍ
——絲杠危險截面的軸慣性矩
（5.9）
則：
安全系數(shù)：
（5.10）
所以，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
（2） 高速長絲杠工作時間可能發(fā)生共振，因此須檢驗其不會發(fā)生共振的最高轉速―――臨界速度，要求絲杠的最大轉速＜。
?。?
則：
不會發(fā)生共振。
（3） 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
則，
所以絲杠副工作穩(wěn)定。
（4） 剛度驗算：滾珠絲杠副在工作負載F和轉矩T共同作用下，引起每個導程的變形量為
即， （5.11）
式中，A——絲杠截面積
（5.12）
——絲杠極慣性矩
T——轉矩，
——摩擦角，其正切值為摩擦系數(shù)。
取，則
（5.13）
按最不利的情況取F=Fm
（5.14）
則絲杠在工作長度上的彈性形變所引起的導程誤差為，
（5.15）
通常要求絲杠的導程誤差應小于其傳動精度的1/2，（取測量精度為0.05mm）
絲杠的滿足上式，剛度滿足要求。
（5） 效率驗算：
滾珠絲杠副的傳動效率為：
（5.16）
要求在0.90～0.98之間，所以絲杠副合格。經(jīng)驗證：各項性能均滿足要求，可選用。
該零件的三維圖如下圖所示：
圖5.2 滾珠絲杠三維圖
5.5 軸承的選擇
已知條件：輸出軸用一對圓錐滾子軸承支承，徑向力Fr＝44442.54/2=2221.27N，軸向力FA＝50N，軸頸直徑d＝20mm，轉速n＝10r/min，載荷性質為微小沖擊，要求軸承的使用壽命大于7680h，可靠性0.98，試選用適當?shù)妮S承支承。
圖 5.3 圓錐滾子軸承
5.5.1 壽命計算
選用軸承的型號為30204（軸承和載荷性質定）
徑向基本額定動載荷 ，由《軸承手冊》表24.4－7，
徑向基本額定靜載荷 ， 由《軸承手冊》表24.4－7，
極限轉速 ，由《軸承手冊》表2表24.4－7，
判斷系數(shù)e ，由《軸承手冊》表2表24.4－7，e＝0.35
系數(shù)Y ，由《軸承手冊》表24.4－7，Y=1.7
系數(shù) , 由《軸承手冊》表24.4－7,
5.5.2 計算附加軸向力
軸承徑向載荷，由力學計算公式，
軸承徑向載荷，由力學計算公式，
附加軸向力,
附加軸向力,
5.5.3 計算單個軸承的軸向載荷
比較與,
因為
則， ，由表24.2－15，
，由《軸承手冊》表24.2－15得，
5.5.4計算當量動載荷
由表24.4－7（）得，
由《軸承手冊》表24.4－7（）得，
5.5.5 壽命
由式（24.2－2）得，
（5.17）
5.5.6 額定靜載荷驗算
當量靜載荷：
所需額定靜載荷安全系數(shù),《軸承手冊》表24.2－20，取
5.5.7 極限轉速驗算
載荷因數(shù)，圖24.2－8，,則
載荷分布因數(shù)因載荷角近似為零，所以
由《軸承手冊》式24.2－35得，
絲杠右端的軸承選擇（略），型號為61803；采用雙螺母預緊的特點是結構簡單，放松效果好，放松能力隨螺紋聯(lián)接副預緊力的增加而提高。取名稱為“全金屬六角法蘭面鎖緊螺母”標準編號：GB/T6183.1~6183.2-2000,規(guī)格范圍：,軸右側的螺母為。
5.6 聯(lián)軸器的選擇
1. 聯(lián)軸器的分類及特點
表5-1聯(lián)軸器的分類及特點
類別
名稱及圖形
標準
特點
表5-1續(xù)
剛
性
聯(lián)
軸
器
GT型凸緣聯(lián)軸器
GB5843-86
只傳遞扭矩。結構簡單，對中性好，價格低廉，能傳遞較大轉矩，但不能緩沖吸振和補償安裝誤差，常用于轉速不高、載荷平穩(wěn)場合。
JQ型夾殼聯(lián)軸器
HG5-213-65
?對中性好，使用時裝拆方便，徑向尺寸小。可起到懸吊攪拌器的作用，一般用于無支點機架或罐內攪拌軸之間的聯(lián)接。
SF型三分式聯(lián)軸器
SB90-353
對中性好，使用時裝拆方便。
軸向方向留有更換密封環(huán)的間隙，更換時只需將攪拌軸下降6~8mm，適用于需要經(jīng)常更換密封環(huán)的場合。
DF型帶短節(jié)聯(lián)軸器
HG21569.1-95
用于YDJ、YSJ系列機架，對中性好。在不拆除減速機及機架的情況下，只需將聯(lián)軸器短節(jié)拆下，即可拆除下半截聯(lián)軸器、機架軸承座及密封裝置。按長度不同分為A、B型兩種。
DT型剛性凸緣聯(lián)軸器
HG21570-95
結構與GT型聯(lián)軸器近似，帶有軸端擋盤，能夠承受軸向負荷。攪拌器軸端需加工吊裝孔。
HE型焊接法蘭式聯(lián)軸器
HG21570-95
結構簡單，聯(lián)軸器連接盤與傳動軸焊接在一起。
用于罐內攪拌軸之間的聯(lián)接，或類似用途的場合。。
續(xù)表5-1
彈
性
聯(lián)
軸
器
HL型彈性柱銷聯(lián)軸器
GB5014-85
結構簡單，裝拆更換方便，成本較低，使用壽命長，不用潤滑更換柱銷方便等特點。允許兩軸間有較大的徑向和角度偏差，具有良好的減振緩沖作用。適用于軸向竄動較大，正反轉變化較多和啟動頻繁的場合，由于尼龍柱銷對溫度較敏感，古使用溫度限制在-20～+70的范圍內
計算轉矩：查《機械零件設計手冊》p868
式中：T―――公稱轉矩；
K―――工作情況系數(shù)K=1.5,當被帶動轉動慣量小或載荷平穩(wěn)時K取較小值。
聯(lián)軸器上軸的轉動慣量的計算：
（5.18）
選擇型號為YLD1.
圖5.4 YLD型凸緣聯(lián)軸器
型號
公稱扭矩
Tn(N·m)
許用轉速[n]r/min
軸孔直徑d(H7)
軸孔長度L
D
D1
螺栓
L0
轉動慣量
(kg.m2)
Y型
J1型
數(shù)量
n
直徑M
鐵
鋼
鐵
鋼
Y型
J1型
YL1 YLD1
10
8100
13000
10
11
10
11
25
22
71
53
3(3)
M6
54
48
0.0018
12
14
12
14
32
27
68
58
16
18
19
16
18
19
42
30
88
64
20
-
20
22
52
38
108
80
5.7 鍵的選擇與聯(lián)接強度的計算
見《機械零件設計手冊》p457
（5.19）
式中，T――――轉矩
d――――軸的直徑
L――――鍵的工作長度
K――――鍵與輪轂
b―――― 鍵寬
[P]――― 鍵聯(lián)接的許用比壓
[]―――鍵聯(lián)接的許用擠壓應力
[]――― 許用剪應力
所以合格。
5.8 步進電機的選擇
我們在選擇步進電機時應該主要考慮以下幾個方面：
（1）.步距角是否適合系統(tǒng)脈沖當量的要求。
（2）.步進電機轉矩是否滿足要求。
（3）.步進電機啟動頻率及運行頻率是否滿足要求。
工作臺的重量:
?。海ㄤ撆c鑄鐵的滑動摩擦系數(shù)）
則，滑動摩擦力為：
（5.20）
?。ㄤ撆c鋼的摩擦系數(shù)）則，滾動摩擦力為：
（5.21）
所以，
則，徑向力為:
扭矩
按空載計算：,其中常數(shù)C按表5-2選取。
表5－2 電機運行參數(shù)
電機相數(shù)
3
4
5
6
運行拍數(shù)
3
6
4
8
5
10
6
12
C
0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
因為本設計電機為三相六拍，所以C=0.866；因此，
按正常工作計算：
通過《電機手冊》可得知
經(jīng)計算：步進電機的最大靜轉矩滿足設計要求，據(jù)此選擇電機型號36BF003,所以確定電機設計滿足要求。電機形狀及其數(shù)據(jù)如下所示。
圖 5.4 電機形狀
表5-3電機數(shù)據(jù)
型號
相數(shù)
步距角
電壓
電流
保持轉矩
空載啟動頻率
運行頻率
接線圖
備注
Model
No.of Phase
Step Angle
(Deg.)
Voltage
(V)
Current(A)
Holding Torque
Nm(kg.cm)
No-load pull-In Frequency(Hz)
Pull-out Frequency(Hz)
Wdg
Notes
28BF001
3
3/6
27
0.8
0.017(0.18)
1800
1
36BF003-2
3
3/6
27
0.6
0.049(0.5)
1900
1
36BF003
3
1.5/3
27
1.5
0.078(0.8)
3100
1
6 維護與保養(yǎng)
儀器在不使用是應該蓋上塑料保護蓋，以防止灰塵落入。
（1） 主軸與頂尖主軸應定期注入高質量的潤滑油（無水、中性）。注油時，應將塑料蓋上的螺釘擰下。
（2） 導軌表面如有灰塵，應用軟布濺上汽油將其擦干靜。然后澆上高級潤滑油
（3） 涂有紅色的螺釘是精密調整用的，不要隨便擰動，否則會影響儀器的精度。
（4） 滾珠軸承要保持清潔和良好的潤滑
（5） 儀器的精加工表面不準放儀器附件及其它工具，以免損傷儀器。
7 結論和展望
通過本次的畢業(yè)設計，所接受的題目是對原有老式手動的漸開線檢測儀進行數(shù)控改造。機械設計部分主要是對漸開線齒輪誤差測量儀的結構的選擇、總體方案的確定以及各個傳動機構、導向機構的選擇。通過在東風傳動公司動轉廠進行的現(xiàn)場觀察和查閱大量的資料，我最終確定了在z向和y向添加步進電機確定了此種設計方案，并通過嚴密的計算，繪制出畢業(yè)設計的總裝配圖和相關的零件圖。
本次設計是針對漸開線齒輪測量儀的數(shù)控化改造。經(jīng)過此設計，又一次系統(tǒng)的復習了所學的專業(yè)知識，在此基礎上充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新精神，并能獨立完成老師分配的任務。在理論和實踐兩方面得到了鍛煉，增加了我在攀登知識階梯的信心。
數(shù)控電路部分的設計主要是通過編制單片機語言程序來控制步進電動機，其中選擇了8031作為主控芯片、8255來擴展接口芯片、74LS373等芯片，并采用隔離元件進行隔離，目的是防止CPU及外圍芯片的損壞。
本設計為機械和數(shù)控系統(tǒng)兩部分。機械部分的設計可以綜合機械零件的計算方法及結構設計。微機數(shù)控系統(tǒng)分為軟件和硬件兩部分，運用了單片機、微機及接口等方面的知識，初步掌握軟硬件的設計方法。
通過本次畢業(yè)設計，樹立了我的正確設計思想，培養(yǎng)了自己發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，
致謝
終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學和老師的幫助下度過了。尤其要強烈感謝我的論文指導老師—屠德剛老師，他對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。在此向幫助和指導過我的各位老師表示最衷心的感謝！
感謝這篇論文所涉及到的各位學者。本文引用了數(shù)位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。感謝我的同學和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多你問素材，還在論文的撰寫和排版燈過程中提供熱情的幫助。由于我的學術水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位老師和學友批評和指正
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參考文獻
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