连杆平行度测量仪
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摘 要
连杆是汽车发动机的主要传力构件之一，常处于高速运动状态，因此要求与其它零件间具有较高的配合精度。因而连杆检测成了生产中频繁而又不可缺少的环节。连杆平行度测量仪是专门为检测汽车连杆而设计的专用测量工具，其结构简单、测量精度高。本设计是由机械系统设计和控制系统的设计所组成。包括齿轮传动的设计及选择，滚珠丝杠的设计及选择，步进电机的选择和装置中机械系统的设计，有关测试系统的控制设计及选择。我的设计内容主要是机械部分的设计。
关键词： 连杆 平行度 检测
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连杆平行度测量仪
目 录
摘 要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„I
第1章 绪论 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
第2章 机电一体化技术简介 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
2.1 机电一体化技术简介 „„„„„„„„„„„„„„„„„„3
2.2 机电一体化技术体系 „„„„„„„„„„„„„„„„„„3
2.3 机电一体化的发展前景 „„„„„„„„„„„„„„„„„3
2.4 连杆平行度测量仪的简介 „„„„„„„„„„„„„„„„4
2.5 Pro/ENGINEER产品介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„4
第3章 连杆平行度测量仪机械部分的总体设计 „„„„„„„„„„„9
3.1 进给运动的要求 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9
3.2 滚珠丝杠的选择 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9
3.3 齿轮传动的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„14
3.4 步进电机的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16
3.5 液压夹具的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19
第4章 连杆平行度测量仪中的微机应用及其接口技术„„„„„„„„23
4.1
4.2 测量仪中主控芯片8088介绍„„„„„„„„„„„„„„ 23 测量仪中的接口技术 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 24
第5章 传感器的选择及测量原理„„„„„„„„„„„„„„„„„34
5.1
5.2 传感器的选择及测量方法„„„„„„„„„„„„„„„„34 连杆平行度的分析及计算„„„„„„„„„„„„„„„„35
第6章 经济分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37 总 结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„38 致 谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39 参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„40 附录1专题论文 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„41 2
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绪论
连杆是汽车发动机的主要传力构件之一，常处于高速运动状态，因此要求与其它零件间具有较高的配合精度。在实际生产中常采用放大孔径公差带制造，通过分组装配满足配合精度要求，因而连杆检测成了生产中频繁而又不可缺少的环节。目前我国连杆检测常采用两种方法，一种是采用国产气动测量仪检测两端孔孔径值，并同时测出两者的中心距，而对平行度和交叉度则采用手工检测方法；另一种采用进口气动量仪直接监测5-6个参数。连杆平行度测量仪是专门为测量汽车连杆而设计的专用测量工具。要求其简单轻便，结构简单，测量精度高，且测量过程要求自动化，是机电一体化方面上的设计题目。
图1-1 连杆零件图
连杆平行度测量仪是专门用来检测连杆平行度的检测设备，它避免了手工检测可能带来的人为因素导致的误差，极大地提高了检测效率，同时也提高了检测
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连杆平行度测量仪
的精度。近些年随着我国汽车行业的快速发展，检测技术也是突飞猛进。通过自主研发、引进国外先进技术、与国外公司合资、合作等方式，迅速提高了国内的检测水平，基本满足了使用要求。
目前开发研制成功的连杆综合检测仪器，将先进的传感技术、计算机技术、误差处理技术及控制技术融入到整台设备中，利用比较测量的方法对连杆主要参数进行综合测量，与传统的利用三座标测量机的方法相比，测量效率高、精度高、成本低，是企业用来对连杆的产品质量控制、委外产品验收、工序间检查的理想测试设备。
其结构简图如图1-2。
图 1-2 连杆平行度测量仪立体
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机电一体化技术简介
2.1 机电一体化技术简介
在科学技术飞速发展的今天，任何一项新技术的产生都是各种技术互相渗透的结果。机电一体化是一种复合化技术，它是机械技术和微电子技术、信息技术相互渗透的产物，是机电工业发展的必然趋势。
机电一体化的实体部分是机械技术及电子技术，又通过信息技术把两者有机的结合在一起，从而构成功能更为先进的产品，按照系统分析的观点，机电一体化就是把机械部分和电子部分各作为一个环节统一在一个“系统”之中。为了使系统运行达最优化，应该是构成系统的所有硬件采取最佳组合方式，为了强化机电一体化产品的功能从系统观点出发把机械部分和电子部分融合在一起进行通盘考虑，决定那些采用机械技术，那些采用电子技术，并通过信息传输与处理把两者有机组合。因此，从某种意义上来说，机电一体化技术是系统工程学在机械、电子领域的应用，而机电一体化则显示出它的应用效果。
2.2 机电一体化技术体系
机电一体化技术是一门新兴的科学，所联系的主要领域如表2-1所示：
表2-1 机电一体化所联系的主要学科
从上述学科基础来看，机电一体化技术作为一门综合性技术，为这三种工程对象服务，随着科学技术的发展，单纯的机械产品及电器产品将越来越少，今后机电结合的技术将在机械行业和电工行业中占主导地位。
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2.3 机电一体化的发展前景
机械技术的发展进入机电一体化阶段就是使机械技术智能化，更好地代替人进行各项工作。目前机械技术已经发展到采用微型计算机的阶段。今后计算机技术的发展将在图象识别机器上看到文字和声音认别的景象。计算机完全有可能取代人的五官功能，从而出现接近人类智慧的高度智能机器人。微细加工技术是在尖端技术领域里进一步推进精致化、微小化和高度集成化，可以预见的二十一世纪，将会出现加工精度达到原子或分子水平的机床，加工处理技术也会在精密测量方面有较大的发展。
2.4 连杆平行度测量仪的简介
连杆是汽车发动机的主要传力构件之一，常处于高速运动状态，因此要求与其它零件间具有较高的配合精度。在实际生产中常采用放大孔径公差带制造，通过分组装配满足配合精度要求，因而连杆检测成了生产中频繁而又不可缺少的环节。目前我国连杆检测常采用两种方法，一种是采用国产气动测量仪检测两端孔孔径值，并同时测出两者的中心距，而对平行度和交叉度则采用手工检测方法；另一种采用进口气动量仪直接检测5～6个参数。连杆中心孔平行度测量仪是专门为测量汽车连杆而设计的专用测量工具。要求其简单轻便，结构简单，测量精度高，且测量过程要求自动化，是机电一体化方面上的设计题目。
2.5 Pro/ENGINEER产品介绍
1985年，PTC 公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER Wildfire。PTC 的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。
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Pro ／ENGINEER 是一套由设计到制造一体化的三维设计软件，是新一代的产品造型系统。Pro ／ENGINEER 已经成为当今世界上拥有用户最多的三维软件，是全球CAID ／CAD ／CAE ／CAM/PDM领域最具有代表性的著名软件。Pro ／ENGINEER 总的设计思想体现了MDA(Mechanical Design Automation)软件的新发展，所采用的数据比其他MDA 软件更具有优越性。Pro ／ENGINEER 是一套由设计至生产的机械自动化软件，是一个参数化、基于特征的实体造型系统, 并且具有单一的数据库功能。
Pro ／ENGINEER Wildfire 是PTC 公司推出的又一代新产品。同以前的版本相比，Pro ／ENGINEER Wildfire 更是将三维设计软件无论从易用性、设计的高效率，还是功能的实用性都推向了一个新的顶点。如果您是一位结构或工程设计师，利用该软件，不但可建立零件模型，还可轻松建立部件、整机的装配模型，还可对设计的产品在计算机上预先进行动态、静态分析，装配干涉检验，甚至进行运动仿真，今您的设计不仅快速高效，而且天衣无缝，一次成功。
PRO/ENGINEER软件包的产品开发环境在支持并行工作，它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。PRO/E能够让多个部门同时致力于单一的产品模型。包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。PRO/ENGINEER共有六大主模块，下面我把它们逐一介绍一下。
(一) 工业设计(CAID)模块
工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时，是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，用3DS 可以生成实体模型，但用3DS 生成的模型在工程实际中是“中看不中用”。用PRO/E生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上，PRO/E后阶段的各个工作数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。
包括：PRO/3DPAINT(3D建模) 、 PRO/ANIMATE(动画模拟) 、PRO/DESIGNER(概念设计) 、PRO/NETWORKANIMATOR(网络动画合成) 、PRO/PERSPECTA-SKETCH（图片转三维模型）、PRO/PHOTORENDER(图片渲染) 几个子模块。
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(二) 机械设计(CAD)模块
机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的零件。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如图1中的摩托车轮轱，这些称为自由曲面。随着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。用PRO/E生成曲面仅需2步～3步操作。PRO/E生成曲面的方法有：拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此PRO/E可以迅速建立任何复杂曲面。
它既能作为高性能系统独立使用，又能与其它实体建模模块结合起来使用，它支持GB 、ANSI 、ISO 和JIS 等标准。包括：PRO/ASSEMBLY（实体装配）、PRO/CABLING（电路设计）、PRO/PIPING（弯管铺设）、PRO/REPORT（应用数据图形显示）、PRO/SCAN-TOOLS（物理模型数字化）、PRO/SURFACE（曲面设计）、PRO/WELDING（焊接设计）
(三) 功能仿真(CAE)模块
功能仿真(CAE)模块主要进行有限元分析。我们中国有句古话：“画虎画皮难画骨，知人知面不知心”。主要是讲事物内在特征很难把握。机械零件的内部变化情况是难以知晓的。有限元仿真使我们有了一双慧眼，能“看到”零件内部的受力状态。利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化零件的设计。著名的可口可乐公司，利用有限元仿真，分析其饮料瓶，结果使瓶体质量减轻了近20％，而其功能丝毫不受影响，仅此一项就取得了极大的经济效益。 包括：PRO/FEM（有限元分析）、PRO/MECHANICA CUSTOMLOADS（自定义载荷输入）、PRO/MECHANICA EQUATIONS （第三方仿真程序连接）、PRO/MECHANICA MOTION （指定环境下的装配体运动分析）、PRO/MECHANICA THERMAL （热分析）、PRO/MECHANICA TIRE MODEL（车轮动力仿真）、PRO/MECHANICA VIBRATION（震动分析）、PRO/MESH（有限元网格划分）。
(四) 制造(CAM)模块
在机械行业中用到的 CAM制造模块中的功能是NC Machining(数控加工) 。 8
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说到数控功能，就不能不提八十年代著名的“东芝事件”。当时，苏联从日本东芝公司引进了一套五座标数控系统及数控软件CAMMAX ，加工出高精度、低噪声的潜艇推进器，从而使西方的反潜系统完全失效，损失惨重。东芝公司因违反“巴统”协议，擅自出口高技术，受到了严厉的制裁。在这一事件中出尽风头的CAMMAX 软件就是一种数控模块。
PRO/ES的数控模块包括：PRO/CASTING（铸造模具设计）、PRO/MFG（电加工）、PRO/MOLDESIGN（塑料模具设计）、PRO/NC-CHECK（NC 仿真）、PRO/NCPOST（CNC 程序生成）、PRO/SHEETMETAL（钣金设计）。
(五) 数据管理(PDM)模块
PRO/E的数据管理模块就像一位保健医生，它在计算机上对产品性能进行测试仿真，找出造成产品各种故障的原因，帮助你对症下药，排除产品故障，改进产品设计。它就像PRO/E家庭的一个大管家，将触角伸到每一个任务模块。并自动跟踪你创建的数据，这些数据包括你存贮在模型文件或库中零件的数据。这个管家通过一定的机制，保证了所有数据的安全及存取方便。
它包括：PRO/PDM（数据管理）、PRO/REVIEW（模型图纸评估）。
(六) 数据交换(Geometry Translator)模块
在实际中还存在一些别的CAD 系统，如UG Ⅱ、EUCLID 、CIMATRTON 、MDT 等，由于它们门户有别，所以自己的数据都难以被对方所识别。但在实际工作中，往往需要接受别的CAD 数据。这时几何数据交换模块就会发挥作用。
PRO/E中几何数据交换模块有好几个，如：PRO/CAT（PRO/E和CATIA 的数据交换）、PRO/CDT（二维工程图接口）、PRO/DATA FOR PDGS（PRO/E和福特汽车设计软件的接口）、PRO/DEVELOP（PRO/E软件开发）、PRO/DRAW（二维数据库数据输入）、PRO/INTERFACE（工业标准数据交换格式扩充）、PRO/INTERFACE FOR STEP（STEP/ISO10303数据和PRO/E交换）、PRO/LEGACY（线架/曲面维护）、PRO/LIBRARYACCESS（PRO/E模型数据库进入）、PRO/POLT（HPGL/POSTSCRIPTA数据输出）
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下面就Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。
主要特性
全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。
基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。
装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。
数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。
装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。
易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。
常用模块
Pro/DESIGNIER是工业设计模块的一个概念设计工具，能够使产品开发人员 10
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快速、容易的创建、评价和修改产品的多种设计概念。可以生成高精度的曲面几何模型，并能够直接传送到机械设计和/或原型制造中。
Pro/NETWORK ANIMTOR 通过把动画中的帧页分散给网络中的多个处理器来进行渲染，大大的加快了动画的产生过程。
Pro/PERSPECTA-SKETCH 能够使产品的设计人员从图纸、照片、透视图或者任何其它二维图象中快速的生成一个三维模型。
Pro/PHOTORENDER 能够很容易的创建产品模型的逼真图象，这些图象可以用来评估设计质量，生成图片。
Pro/ASSEMBLY 构造和管理大型复杂的模型，这些模型包含的零件数目不受限制。装配体可以按不同的详细程度来表示，从而使工程人员可以对某些特定部件或者子装配体进行研究，同时在整个产品中使设计意图保持不变。附加的功能还能使用户很容易的创建一组设计，有效的支持工程数据重用（EDU ）。 Pro/DETAIL 由于具有广泛的标注尺寸、公差和产生视图的能力，因而扩大了Pro/ENGINEER生成设计图纸，这些图纸遵守ANAI 、ISO 、DIN 和JIS 标准。 Pro/FEATURE 允许产品设计人员创建高级特征（例如高级的扫描和轮廓混合）利用简便的设计工具，在很短的时间内就可以实现。
Pro/NOTEBOOK 以“自顶向下”的方式对产品的开发过程进行管理，同时对复杂产品设计过程中涉及的多项任务自动分配，来增强工程的生产效率。 Pro/SCAN-TOOLS 满足工业上使用物理模型作为新设计起点的需求。把模型数字化，它的形状和曲面就可以以点数据的形式输入到Pro/SCAN-TOOLS中，因此能产生高质量的与物理原型非常匹配的模型。
Pro/SURFACE 能够使设计人员和工程人员直接对Pro/ENGINEER的任一实体零件中的几何外形和自由形式的曲面进行有效的开发，或者开发整个的曲面模型。
Pro/WELDINGTM 参数化的定义焊接装配体中的对接要求，使用户很容易的确认焊接点，避免装配零件与焊接点之间发生干涉，在文件编制和制造中消除错误
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成本。
功能仿真模块 Pro/FEM-POST
用户无须离开Pro/ENGINEER环境，就能够显示高级解算器计算的有限元结果，还鼓励在产品开发早期对设计进行验证。
Pro/MECHANICA CUSTOM LOADS 用户可以把自定义载荷输入，清楚的编辑和连接到Pro/MACHANICA MOTION的图形用户界面上。
连杆平行度测量仪的机械部分总体设计
3.1 进给运动的要求
连杆平行度测试的进给运动是数字控制的直接对象，被测试的连杆的平行度的精度肯定会受到进给运动传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，在设计进
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给系统时，充分注意减少摩擦，提高传动精度和刚度，消除传动间隙，以及减少运动件的惯性。
3.1.1减少运动件的摩擦阻力
摩擦阻力主要来源与传动系统的导轨和丝杠。因此，为丝杠和导轨的滚动是减少摩擦的重要措施。
3.1.2 提高传动的精度和刚度
因为在进给系统中，采用滚珠丝杠螺母和支撑结构是决定其传动精度和刚度的主要部件，故必须保证它们的加工精度。对步进电机驱动的系统尤其如此，此外，还可以用合理的预紧力来夹紧以消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙，是支撑丝杠的轴承预紧以提高支撑的结构刚度，这些措施有利于提高传动精度。
3.1.3 减少传动惯量
在满足传动强度和刚度的要求下应尽可能将各元件进行合理的配置，并减少它们的惯量。
3.2 滚珠丝杠的选择
3.2.1 概述
滚珠丝杠螺母副是回转与直线运动相互转换的新型传动装置。其原理如图。在丝杠和螺母上加工有弧型的螺丝槽，当它们套在一起是形成了螺丝滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿滚道滚动，螺母螺丝槽两端用回珠管连接，使滚珠能周而复始的循环，采用滚珠丝杠提高了机构的效率和传动精度，所以一般精度较高的系统中采用滚珠丝杠来传动。我设计的连杆中心孔平行度测量仪的传动系统就采用了滚珠丝杠，以增加系统的传动效率，运动的平稳性及寿命。
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图3-1 外循环导管式
图3-2 内循环反向器式
3.2.2 滚珠丝杠的安装
连杆平行度测量仪的进给系统要获得较高的传动精度除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度外，滚珠丝杠正确的安装及其支撑的结构刚度也是不可忽视的因素。
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为了提高支撑的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的，一般采用两种组合方式：一种是把向心轴承和锥轴承组合使用，其支撑方案，可有以下几种： （1） 一端装止推轴承
这种安装方式因为它承载能力小，刚度低，所以一般用于短丝杠。 （2） 一端装止推轴承，另一端装向心球轴承
这种安装用于滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定外，另一端再装向心球轴承，这时需注意止推轴承要远离热源和丝杠上的常用段，以减小丝杠变形的影响。
（3） 两端装止推轴承
把止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧力，这样有助于提高刚度，但这种安装方式对丝杠的热伸缩较为敏感。 （4） 两端装推力轴承及向心球轴承
这种结构方式不能精确的预先测定预紧力，预紧力大小是由丝杠的温度变形转化而产生的。
本设计中由于滚珠丝杠只是带动测头部分往复运动，所以轴向力并不是太大，故两端只采用球轴承支撑。
3.2.3 滚珠丝杠的润滑及防护
（1） 润滑
使用润滑剂可以提高滚珠丝杠的耐磨性和传动效率，润滑剂有固体和液体两种，液体润滑可用20号或30号机油，90～180号透平油或140号主轴油。固体润滑可用高压润滑脂或锂基润滑脂根据本装置要求简单的特点，故使用固体润滑，使用两种润滑脂均可使用时，润滑脂直接加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。 （2） 防护
丝杠预紧后，轴向间隙小，当硬质灰或污物等落入螺纹滚道内就会妨碍滚珠的运转，并加快磨损，常用的防护装置有：
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(a)密封圈：密封圈装在螺母的两端。有接触式和非接触式两种，接触式的弹性密封圈，用耐油橡胶和尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配合的开头即与螺纹滚道相结合，这类密封的防尘效果好，但有接触压力会使摩擦力矩加大，非接触式密封圈用聚乙烯等塑料材料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道相反，并稍有间隙且不会增加摩擦力，但防尘效果较差。
(b)防护罩：防护罩有锥形套管，伸缩管，也有折叠式的防护罩。对防护罩的要求是：耐油、耐腐蚀、耐高温和耐用。
根据本设计的要求选用接触式弹性密封圈进行防护。
3.2.4滚珠丝杠的设计计算
（1）滚珠丝杠的设计计算 对于三角形导轨或综合导轨
p =kp x +f ' (p 2+G )
Px 、Pz ——X 、Z 方向上的切削力。 f’——导轨的摩擦系数。
k ——考虑颠覆力拒影响的实验系数。
对于本装置k ＝1.15 G＝30kg f’＝0.16 Px＝Pz ＝0 则 p＝0.16⨯30⨯9.8＝47.04N 根据 p〈Q 0 Q 0＝最大动载荷 选取公称直径 d＝32
则查取《机械设计手册》 表2.2－4－14得 滚珠直径
D w
螺距 P＝5mm
⎛1⎫
=3. 175 ⎪mm
⎝8⎭
n
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螺纹升角 λ＝2°51′ 额定静载荷 C0a ＝30150N 额定动载荷 Ca ＝10900N 接触角 β＝45°
螺纹滚道半径 rs＝（1.25-0.65）Dw ＝0.6⨯3.175＝1.905mm 偏心距 e＝（rs －Dw/2）sin β＝0.225 螺杆大径 d＝dm －（0.2－0.5）Dw ＝31.27mm 螺杆小径 d1＝dm+2e－2rs ＝28.64mm 螺杆接触点直径 dk ＝dm －Dwcos β＝29.74mm 螺杆牙顶圆角半径 ra＝（0.1－0.15）Dw ＝0.381 螺母螺纹大径 D＝dm －2e+2rm
螺母螺纹小径 D＝dm+0.5（dm －d ）＝32.37mm 预紧力计算：
滚珠和螺纹滚道由于受轴向力的作用而产生轴向变形在弹性范围内，根据赫兹公式
δ=KP 2/3
K ——与滚道的曲率半径、材料的弹性模量有关。对于确定丝杠，K 为常数。 如图所示。设对螺母A 、B 施加预紧力P 0向对应变形δ0，当外加轴向载荷为P 时，螺母B 产生了δ，则
δ
A
=δ0-δ
δB =δ0+δ
0057
当δA
=δ0-δ=0
时，这时螺母A 中滚珠和滚道刚好接触，因此要保证丝杠在
最大轴向载荷P m i n 作用下无间隙，则P 0定要满足一定的关系：
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当 δA
=δ0-δ=0
时 δ0
=δ
则螺母B 变形为 δB 因为 δB δ0
==
K (P ma x ) 2
3K (P 0) 2
3
=δ0+δ=2δ0
23
所以 K (P ma x ) 于是 P 0
23
=K (P 0) P ma x 3
=P 预≈
则为使螺母和丝杠之间不出现间隙，应使预紧力近似等于最大轴向载荷的1/3。P 0过小不能保证无间隙传动，P 0过大会降低传动效率和承载能力。 （2）刚度验算
滚珠丝杠是精密的传动元件，它在轴向的作用下将产生伸长或缩短，这将引起丝杠导程的变化，根据公式滚珠丝杠在（“+”号用于拉伸，“—”号用于压缩）工作载荷P 和扭矩M 的共同作用下，引起每一个导程变形量L 为
∆L =±
PL EF
±
ML
20
2GJ c π
P ——工作载荷
L ——滚珠丝杠的基本导程
E ——弹性模量。对于钢E ＝21⨯106（N/cm2） F ——滚珠丝杠的截面积 M ——扭矩
G ——切变模量。对于钢
J c —— 截面积惯性矩。对于本设计
J c =
π32
d 1(cm
44
)
3.3 齿轮传动的设计计算
齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种装置几乎都离不开齿轮传动，在数控传动装置中，步进电机常通过齿轮传动装置传递转矩和转速，并使电动机
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和螺旋传动副之间的转矩和转速得以匹配，因此齿轮传动是设计数控机械的一个重要的组成部分。由于电动机转速一般较高，而机械系统的移动速度有时不能太高，变化范围不能太大，故往往用齿轮传动装置将电动机输出轴的高转速、低转矩转化为负载轴的低转速、高转矩。当用齿轮作为进给装置时，需要满足以下技术要求：
（1） 大齿轮折算到电机轴上的转动惯量要小。 （2） 刚度大。 （3） 无间隙。 （4） 噪声低。
3.3.1齿轮传动比的计算
因为步进电机步距角θp
δ
p
=1. 5
t＝5cm 要实现脉冲当量
=
0.01mm/step在传动系统中应加一对齿轮降速传动，齿轮的传动比
z 1z 2
μ==
δ
p
⨯360
θb t
=
0. 01⨯3601. 5⨯5
0. 48
选Z 1＝24 Z2＝50
3.3.2确定齿轮模数及有关尺寸
因传动的扭矩较小，取模数m ＝1.5 有关尺寸：
齿宽b ＝9mm α
=20
d 1＝mz ＝1.5⨯24＝36mm d 2＝mz ＝1.5⨯50＝75mm d a 1＝d 1+2m＝36+2⨯1.5＝39mm d a 2＝d 2+2m＝75+2⨯1.5＝78mm d f 1＝d 1－2⨯1.25m ＝32.25mm
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d f 2＝d 2－2⨯1.25m ＝71.25mm
α=
d 1+d 2
2
=55. 5mm
3.3.3转动惯量的计算
根据等效转动惯量的计算公式得
⎛z 1⎫
⎪+J 1+
z ⎪⎝2⎭
2
J d =J 0
(J 2
⎛ δ
p
+J 3)+M
π
θb ⎝180⎫⎪⎪⎪⎪⎭
2
式中 Jd ——折算到电动机轴的惯性负载（kg/cm2） J1——齿轮Z 1的转动惯量（kg/cm2） J2——齿轮Z 2的转动惯量（kg/cm2） J3——滚珠丝杠的转动惯量（kg/cm2） M——移动部件的质量（kg ）
对材料为钢的圆柱零件传动惯量可按下式计算
J ＝0.78⨯10－3D4L
D ——圆柱零件直径（mm ） L ——零件长度（cm ）
J 1＝0.78⨯10－3⨯3.54⨯0.9＝0.0153（kg ·cm 2） J 2＝0.78⨯10－3⨯7.54⨯0.9＝2.221（kg ·cm 2） J 3＝0.78⨯10－3⨯3.24⨯30＝2.455（kg ·cm 2） 电机轴的转动惯量很小可以忽略，则
⎛⎫
2 ⎪
0. 001⎛24⎫⎪=0. 1053+ ⎪(2. 221+2. 454)+30
3. 14⎪⎝50⎭
⨯1. 5⎪
⎝180⎭
2
J d
=1. 226
（kg ·cm 2）
3.4 步进电动机的选择
3.4.1概述
步进电机也叫脉冲电动机，是将脉冲信号转化成相应的角位移的电磁机械装
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置，是一种输入与输出数字的脉冲对应的增量驱动元件。当给步进电机一个电脉冲信号，不仅电动机转动一个步距角，如按一定规律给步进电机一串连续脉冲信号，步进电机便一步步地连续旋转。步进电机具有如下特点：
（1） 位移量与输入电脉冲数具有严格的对应关系，步距误差不会积累。 （2） 稳定运行时的转速与控制脉冲的频率有严格的对应关系。
（3） 控制性能好，在一定的频率下，能按控制脉冲的要求快速启动，停止或反
转。改变控制脉冲的频率，电动机的转速就随着变化，并在很宽的范围内平滑调节。
（4） 控制系统简单，工作可靠，成本低，但其控制精度受步距角控制。所以步
进电机可广泛应用于数模转换，速度控制和位置控制系统中，是开环控制系统中的理想执行元件。
步进电动机的类型很多，按其工作原理分为反应式、永磁式、永磁感应式、滚切式以及若干混合式。按励磁相数，有3相、4相、5相、6相甚至8相，按其规律分为快速电机和功率电机。
3.4.2步进电动机的工作原理
如图所示是圆周分相径向气隙的3相反应式步进电机结构简图，定子上有6个磁极，每相2个，转子由软磁材料制成，上面没有绕组，定子磁极和转子上有很多小齿，齿数和通电循环拍数决定了电机的步距角。
反应式步进电机的工作原理与反应式同步电机一样，转子的转动力矩是靠定子磁极与转子间的磁极和切向分力产生的，当定子上A 相绕组通电时，由于磁场力使磁组减少，因此转子上离A 相磁极相对的位置，当A 相断电，受B 相绕组所建立的磁场影响最大时，转子齿2和4在磁场力的作用下，逆时针转到和B 相磁极相对的位置，即转子前进一步。同样当B 相断电，而C 相通电时，转子又在磁场力的作用下转动一步，使转子1、3齿与C 相磁极对齐，由此可见，按A-B-C-A 顺序通电时，电机便一步步地转动，步进电机的步距角 是转子旋转一步所转过的角度，由此可见
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α=
360zm
a
z——转子齿数 ma ——通电循环拍数
3.4.3步进电机的选择
本设计中步进电机的选择： （1） 电机的步距角θb 取系统的脉冲当量：δ
=0. 01/step
=1. 5
初选步进电机的步距角：θb
（2） 步进电机启动力矩的计算
设步进电机等效负载力矩为T ，负载力为P 。根据能量守恒定律，电机所做的功与负载所做的功有如下的关系：
T ρη=PS
式中 ρ——电机转角 η——机械传动效率 S——移动部件的相应位移 若取 ρ
=θb
则
S =δ
p
且 P＝P s +μ（G+Pz ） 所以 T
36δ
p
=
[P s +μ(G +P z
)]
2πθb η
(N·cm)
P s ——移动部件负载 G ——移动部件重量
P z ——与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力
μ
——导轨摩擦系数
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θb
——电机步距角
T ——电机轴负载系数
本设计中取μ＝0.03（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数） η＝0.93， 则 T
=
36⨯0. 10(0. 03⨯980
2π⨯1. 5⨯0. 93
)
=11. 92
（N ·cm ）
若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩
T e =
T 0. 3-0. 05
取安全系数为0.3 则启动力矩
T e =
T 0. 3
=11. 920. 3
=39. 73
（N ·cm ）
对于工作方式为三相六拍的步进电机 （3） 步进电机的最高工作效率
T f
max
=
T e 0. 866
=45. 87
（N ·cm ）
=1667(Hz
f max =
1000V max
60δ
p
=
1000⨯160⨯0. 01
)
表3-1 电机有关参数
3.5 液压夹具的设计
3.5.1液压夹具的液压基本回路
根据本设计的要求选用定压回路，一般用定量泵供油，供油率一般为Q=8L/min左右。当压力达到预定的要求压力时，溢流阀3自动卸荷，这种回路油温较高，非生产性消耗大，多用于装夹较为频繁的夹具。
3.5.2液压元件的选择
液压系统的主要参数是油的压力和流量，它们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据，压力取决于执行元件的运动速度和结构尺寸。 （1）油泵的选择
1）确定油泵的最大的工作压力
根据设计要求由于是测连杆的平行度，工件与测头不接触，夹具所施加的加紧力只需保证工件不移动即可，不可使工件变形超出允许范围即可，故设 P1＝200N
则活塞作用力 P＝P 1/η
η——考虑各种损失的有效系数，本设计取η＝0.9 则 P
=2000. 9
=222N
p P
D =1. 13
(cm )
根据常规油缸的系列，选择D=45cm 则油缸的工作压力
p =
p ⎛D ⎫
⎪1. 13⎝⎭
2
=
222⎛0. 045⎫
⎪1. 13⎝⎭
2
=1. 4MPa
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则油泵的最大工作压力 P p 本设计中取 ∑
∆P =0. 3Mp
a
=P +
∑
∆P
则Pp ＝1.4+0.3＝1.7Mp a
2）确定泵的流量Qp
Q p 〉K
(∑Q
max
)(m
3
/s
)
K ——系统泄油系数。一般取1.1－1.3。
∑Q
max
——同时动作的油缸的最大的流量。
Q max =
π40
(D
2
-d
2
)V
2
本设计中 K＝1.2
当p
Q max =
π40
[4. 5
2
-(0. 3⨯4. 5)
2.
]⨯1m /min
=5045L /min
则 Qp=1.2⨯5.45=6.54L/min 3）选择油泵的规格
根据求得的Pp 和Qp 值，选择CB －B 型齿轮泵。 （2）液压阀的选择
根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大的流量，选择有型的产品的阀，溢流阀按泵的最大的流量选取。根据本设计中的流量选择溢流阀为YF —L108型，通径10mm ，并采用螺纹连接，重量为2.4 kg。 （4） 管道尺寸的确定
d =4. 6
Q V
=4. 6
1. 743
=6. 79mm
管道内经按上式计算
根据管道的标准系列选择公称通径 DN ＝8mm 则钢管外径 14mm
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管接头连接螺纹 M14×1.5 管子壁厚δ为1mm （5） 油箱容量的确定
按下列经验公式确定油箱的容量
V =αQ V (m
3
)
式中 QV ——油泵每分钟排出的压力油的容积（m 3） α——经验系数，本式中取α＝3 则
V ＝2×6.54×10-3＝1.31×10-2（m 3）
（6） 滤油器的选择
根据设计需要选择线隙式滤油器，型号为XU-J10×80μm （7） 压力表的选择
根据设计要求选择KF －L8/14E型，公称通径为8mm ，压力表直径为Φ60mm, 接头螺纹M14×1.5。 （8） 换向阀的选择
根据设计要求选择WE5N6.2/N型电磁换向阀。
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连杆平行度测量仪中的微机应用及其接口技术
4.1 测量仪中微处理器8088介绍
8088是Intel 公司推出的面向字符处理的16位处理器。其内部数据总线为16位，外部数据总线为8位，是一种应用非常广泛的微处理器。
最小方式（最大方式）
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图4-1 8088引线图
4.1.1 Intel8088的内部结构
Intel8088由执行单元（EU ）和总线接口单元两部分组成。执行单元（EU ）负责指令的译码执行，总线接口单元BIU 负责CPU 与存储器和I/O端口之间的数据传输，并产生访问存储器和I/O端口的地址信号。
8088采用矢量型中断结构。可处理256种不同中断，包括硬件中断和软件中断。中断矢量表位于内存0—3FFH 区域。8088有20根地址线，可寻址1M 空间。
Intel8088可工作在最小模式或最大模式。最小模式是在系统中只有8088一个微处理器。系统中所有总线控制信号都由8088产生，最大模式除了8088外，还有一个或多个协处理器协助8088工作。一般协处理器常用的有数值运算协处理器8087和输入/输出协处理器8089。
4.1.2 Intel8088引脚及功能
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地址/数据复用脚，双向，三态。 地址/状态复用脚。
高8位数据总线/状态复用脚。 可屏蔽中断输入脚。正沿触发。 读信号，三态，输出。 时钟信号输入， 等待测试信号。输入。 复位信号。
总线同期状态信号，输出，三态。
4.2 连杆平行度测量仪中的接口技术
在微机控制的系统中，除了存储器外还有很多输入/输出装置，如纸带阅读机、磁盘驱动器、显示器、键盘、伺服电机等。如果将这些输入/输出装置与微机连接起来，就是I/O接口要研究的问题。
4.2.1存储器选择及与CPU 接口技术
存储器是计算机系统的一个非常重要的组成部分。它的主要功能是存储执行的程序以及待处理的各种数据。计算机最基本的功能是对程序的读取，并执行，执行程序由CPU 完成。而要读取的程序则必须安排在存储器中。存储器容量越大，则记忆的信息越多，计算机功能越强。存储器的种类可分为：随机存储器（RAM ）和只读存储器（ROM ）两大类。RAM 又可分为双级型和MOS 两大类，RAM 又可分为静态RAM 和动态RAM 。ROM 可分为湮没ROM 、可编程只读存储器PROM ，可写可擦的只读存储器EPROM ，电擦除只读存储器E 2PROM.
存储器芯片CPU 的连接中考虑如下问题：
(1)主存储器通常RAM 和ROM 应根据实际要求分配适当的容量并选择适当的存储芯片。
(2)主存储的RAM ，ROM 必须要占据合理的地址空间，并通过适当的电路进行控制。
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(3)CPU负载能力有限，存储芯片负载也有限，在相互连接时，应加缓冲驱动器。
(4)时序配合是一个重要问题，CPU 、存储器两者必须相匹配，根据以上几点及本设计的要求，选用随机存储器6264，只读存储器为可擦出除存储芯片2732，即可满足上述要求，又足够电路的设计需要。
图4-2 存储器连接图
存储器与CPU 的连接重要有以下三个部分： (1)地址总线的连接。 (2)数据线的连接。 (3)控制线的连接，
下面是8088CPU 与存储器的连接图，在ROM 和RAM 之间一般要接地址锁存器。因为单片机规定D0提供低8位地址线，同时又要作数据线，所以分为时输出低8位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提供
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低8位地址信息，一般要采用地址锁存器，根据实际情况，本设计采用74LS373作为锁存器工作时，由CPU 发出地址，允许锁存信号ALE 的下降沿，将地址存入在地址锁存器中，74LS373是带三态缓冲输出的8D 触发器，用作地址锁存器时，应使其端E 为低电平，输入G 与8032的地址锁存信号ALE 连接，当G=1时，373的输出1Q —8D 相同，当G 从高电平返回低电平时将输入数据锁入1Q —8D 中。
4.2.2并行接口芯片的选择及外设的接口技术
当CPU 要从外设输入信号或输出信号给外设，可采用程序查询方式等许多方式，但不论哪一种方式，CPU 总要通过接口电路才能与外设连接。
在接口电路中要有输入输出数据的锁存器和缓冲器；要有状态和控制命令的寄存器，以便于CPU 与接口电路之间用应答方式来交换信息，也便于接口电路与外设间传送信息，接口电路中不要有端口的译码和控制电路以及为了CPU 用中断方式交换信息所需的中断请示触发器，中断屏蔽触发器，这样才能解决CPU 的驱动能力问题，时序的配合问题和实现各种控制，CPU 能正确地可靠地与外设交换信息。
现在常用的是Intel 公司生产的8255A 可编程并行接口芯片。本设计选用的即是这种芯片。
Intel8255A 是一个为8080、8085和8088微型机系统设计的通用I/O接口片，与它可用程序来改变功能，通用行强，使用灵活，通过它可直接将CPU 总线接向外设，其引脚如图：
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图4-3 8255A引脚图
8255A 有三个输入输出端口PORTA 、PORTB 、PORTC 。每一个端口都是8位，都可以选择作为输入或输出。
8255A 有三种基本工作方式：
(1)方式0——基本输入输出。
(2)方式1——选通输入输出。
(3)方式2——双向传送。
8255A 的工作方式可由CPU 用I/O指令输出一个控制字到8255A 的控制字寄存器来选择这个控制字，可以分别选择端口A 和端口B 的工作方式，端口C 分成两部分，上半部分随端口A ，下半部分随端口B ，端口A 有方式0、1、2三种，而端口B 只能工作方式0和1。
8255的一些控制命令：
(1)CS——选片信号，低电平有效，由它启动CPU 与8255A 之间的通信。
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(2)RD——读信号，低电平有效，它控制8255A 送出数据或状态信息至CPU 。
(3)WR——写信号，低电平有效，它控制把CPU 的数据或命令信号写到8255A 。
(4)RESH——复位信号，高电平有效，它清除控制寄存器和置所有端口到输入方式。
4.2.3 8255A及外设的接口电路设计
（1）键盘接口设计
因考虑本设计中的按键数目较多，故采用矩阵方式与计算机连接，即将所有按键排成M 行、N 列，将行数和列数通I/O接口和计算机的数据线相等，这种方式的优点是占用的I/O线少，图示是以8088CPU 为核心的单片机的键盘接口76。8088的数据线通过锁存器741S04及外设驱动器与键盘的行线相连，键盘的列线通过三态缓冲器与CPU 相连。
按矩阵方式连接的键盘检测是否有键按下，可用行扫描法。行扫描法的原理是：计算机向行线输出信号使所有行线置低电平“0”并由锁存器存储，然后输入列信号，若某列有键按下，则该引线必为低电平“0”。当CPU 检测到列线中有“0”时，存储“0”线列号，并延时一段时间消除，接着进入扫描过程，从C1行到C6行逐行置0，每置一行便读一次列值，并判断是否有“0”，若有“0”则存储行量，根据行号可以计算所按下键的编码值，然后根据该编码值查键值表，查到后便转向相应的键处理程序。我们用中断的方式来实现进行扫描，中断扫描就是当有键按下键盘接口向CPU 发出中断请求，CPU 响应中断后，便调用键盘扫描程序，对键盘进行扫描识别处理，在没有键按下时，CPU 不扫描键盘，节省CPU 时间，采用中断扫描。如图：图中采用8255作接口芯片，将8255PA 和PB 口编程为基本输入输出方式，单片机先向8255PA 输出低电平，这样当有键按下时，与输出低电平向单片机发出中断请求信号，单片机响应后对键盘进行扫描。
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图4-4 键盘接口原理图
（2）LED 显示器接口
在微机控制系统中，LED 显示控制方法有两种：一种是静态显示控制，一种是动态显示控制，本设计采用动态显示控制，因为动态显示控制硬件电路一般较为简单，动态系统控制是采用扫描方式。这种方式各位的段位驱动可分别共用一个锁存器。为了防止各位数码管同时显示一个字符，需控制显示位显示位。需要哪位显示，便使哪位导通，某位显示一段时间后，反复重上位，计算机送另一位要显示的数据，并选通相应的显示位，重复上述过程，各位数码管便轮流显示，但由于有关过程，所以如果轮流时间太长，会发生闪烁，因此需限制间隔时间，扫描过程可以采用按位扫描和按字段扫描，在显示器位数少时，多采用按位扫描。
（3）步进电机的接口技术
步进电机与微机的接口包括硬件接口和相应的软件接口，这里只设计硬件硬
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件接口。
微机与步进电机的接口实际上是微机和步进电机驱动电源的接口，接口电源具有下列功能：
①能将计算机发出的控制信号准确地传给步进电机驱动电源。
②能按步进电机的工作方式产生相应的控制信号，这些控制信号可由计算机产生，并进行接口电路送给步进电机。
③能实现升、降速控制。
④能实现电压隔离。
⑤有足够的驱动能力，以驱动功率晶体管的通断。
⑥能根据不同形式的驱动电源，提供各种所需的控制信号。
接口一般由以下几部分组成：
本设计的计算机接口选用8255A 作为接口芯片，8255A 能实现可编程并进行输入输出，并可设计扩展接口电路来控制步进电机与其它外设，脉冲分配器是驱动步进电机必不可少的环节，其作用是将控制装置送来的一系列指令脉冲进行分配。本设计使用软件脉冲分配器，软件脉冲分配器用软件编程方法来实现步进电机驱动电器。脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组，由于步进电机需要的驱动电压高，电流也较大，如果如果将将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电器干扰，所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。光电耦合器由发光器件和受光器件组成，当输入信号加到输入端时，发光二极管导通，激发发出红外光，受光三极管受照射后，由于主敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。输入端、输出端在电气上完全隔离。由于脉冲分
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配器的输出功率小，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动电机正常运转。目前我国步进电机的功率放大器由厂家生产出系列化产品，只需根据选用的步进电机容量选择功率放大器。
4.2.4模拟通道接口设计
计算机在实时数据采集和实时控制系统中，检测和控制的物理量往往是连续变化的模拟信号，如温度、压力、流量等，由于计算机加工处理的是数字量，因此必须将这些模拟量通过模数转换器（A/D）转换成模拟量，总之计算机模拟通道接口的问题，在计算机应用中占有重要的地位。
（1）A/D转换器
本设计采用的A/D转换器是AD574，它是混合集成的逐次比较A/D转换器，它由两片集成电路进行组装而成，这样可获得较高的技术性能，其中一片为一个12位的D/ A，另一片集成了逐次比较寄存器、控制电路、时钟电路、比较器和总线接口电路。
它有如下几个特点：
①三种供电电源，+5V和两种正负电源，采用的标准电压值为12V 或15V 。 ②本身自带时钟和参考电压源。
③数据输出经三态缓冲，可直接与总线相连。
④转化时间25。
AD574引脚如下图：
引脚说明：
A 转换数据长度选择A ＝0时启动12位转换，A ＝1时，8位转换。
CS ：片选信号，按地址译码输出。
R/C：读或转换选择，高电平为读数据，低电平为启动转换。
CE ：芯片允许信号。
STS ：状态输出。转换进行时为高电平，结束后为低电平。
D 0～D 11 ：数据线输出。
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AC 和DC ：模拟器和数字器。
AD574启动过程：CS=0，CE=1，R/C=0时，启动转换12位转换，A ＝1时，启动8位转换。
图4-5 AD574引脚图
表4-1 启动转换与读数据真值表
如何读取A/D转换值，由于本设计接8位数据总线，所以需读两次，分高8位和低4位，两次读出由A 0决定，其它应满足的条件是CE=1,CS=0,R/C=1期间，
IORC 为低电平，经与非门输出后使CE=1，由于I/O读操作期间，IORC 为高电平，因而满足了R/C=1，读取低4位地址，使A 0＝1，因此全满足了读操作时序。
（2）多模拟开关
在数据采集系统中，被测回路往往有几路或几十路，对这些回路的参数进行模数转换时，常公用模数转换电路，利用多路开关轮流切换被测回路与模数转换器之间的通道，以达到分时检测的目的。
本设计由于有6路被测回路，所以要应用模拟开关，设计使用的是CD4051，这
是一个具有8通道的双向模拟开关，CD4051可多路输入，又可一线输入，多线输出，本设计采用多线输入一线输出的方式。CD4051的引脚图如下：
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图4-6 CD4051引脚图
图中INH 为片选信号，低电平有效，C 、B 、A 为通道选择信号，COM 为公共端，多路输入信号S 0～S 7被C 、B 、A 选中者，由COM 端输出。
传感器的选择及测量原理
5.1 传感器的选择及测量原理
凡接受外界刺激能产生输出信号，即可定义为传感器。传感器就是用来对所测的量产生响应并提供可用的电信号器件，即把输入信号变成不同形式的输出信号的装置。最简单也是应用最广泛的是位置传感器，位置传感器的检测方式有接触式和非接触式两种。
根据设计的要求，选用非接触测量方式，并使用电容式传感器，传感器如图所示：
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图5-1 传感器结构示意图
本传感器的工作原理式以被测连杆圆孔为一极板，另一极板在传感器上，当传感器在侧头的带动下伸入孔内时，由于孔的平行度存在误差，必然会引起传感器上的极板和孔的内壁之间的距离的变化，从而引起传感器电容两极板之间电压的变化。传感器将这些变化引入计算机，由计算机对这些变化进行处理，即可求出传感器极板与圆孔之间的距离。
5.2 连杆平行度误差分析与计算
当测头进入连杆中心孔时，测头上的三套传感器能自动检测与孔壁之间的距离，即为y 1，y 2，y 3。
∆x =1
2cos θ(y 3-y 2)
∆x 如图所示。根据圆与直线交点的关系得出偏心量，∆y 。
∆y =
12(1+sin θ)[2y 1-(y 2-y 3)]
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其中θ则
=30
∆x =0. 578(y 3-y 2
)
∆y
=0. 323[2y 1-(y 2-y 3)]
y 1，y 2，y 3由检测器输出电压的变化来求得，当测头向前移动L 时，再次测得y 1′， y 2′，y 3′。
∆x 1=0. 578(y 3'-y 2') ∆y 1=0. 323[2y 1'-(y 2'-y 3')]
则以第一个所测得的圆面位X ，Y 平面建立空间直角坐标系，如图所示。则两点的中心线即可近似为中心孔的轴线。直线方程为
x -∆x ∆x 1-∆x
=
y -∆y ∆y 1-∆y
=Z L
同理，因两孔为同时测量，则另一孔也会同样通过两点A ′（x ′, ∆y ′, ∆z ′）, B ′(x1′, ∆y 1 ′,L) ，则另一条轴线的方程为
x -∆x '∆x 1'-∆x '
=
y -∆y '∆y 1'-∆y '
=Z L
则两条直线在空间的夹角为：
ϕ=arctg
(∆x 1'-∆x ')(∆x 1-∆x )+(∆y 1-∆y )(∆y 1'-∆y ')+L
2
2
[(∆x 1-∆x )-(∆x 1'-∆x ')]++[(∆y 1-∆y )-(∆y 1'-∆y ')]
2
而根据所要求的平行度所夹的最大角为
ϕ'=2arctg
0. 04L
如所测得的角
ϕ〈ϕ'
41
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则连杆为合格品，否则为不合格品。
经济性分析
连杆平行度测量仪是专门用来检测连杆平行度的检测设备，它避免了手工检测可能带来的人为因素导致的误差，极大地提高了检测精度，同时也提高了检测的效率。在我国汽车及相关零部件快速发展的今天，它一定会受到广大汽车行业
42
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的欢迎。
目前开发研制成功的连杆综合检测仪器，将先进的传感技术、计算机技术、误差处理技术及控制技术融入到整台设备中，利用比较测量的方法对连杆主要参数进行综合测量，与传统的利用三座标测量机的方法相比，测量效率高、精度高、成本低，是企业用来对连杆的产品质量控制、委外产品验收、工序间检查的理想测试设备。
它的作用还体现在报废连杆的修复上，它不但能提示零件是否合格，还能将检测结果显示出来，供我们参考，以便我们采取相应措施提高产品的合格率。
总结
43
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经过这次毕业设计，我不但巩固了这四年学习的知识，还学到了很多新的东西。知道了自己的不足，也知道了自己的一些优点。从这次毕业设计中我收获不少，更让我高兴的是我又一次系统的总结大学期间所学的专业知识，学会了如何去解决问题，尝到了解决问题的乐趣。
刚开始和杨老师见面定题目的时候，感觉自己什么都不知道，突然有些手足无措。可能是第一次的缘故，心里有些紧张。等我全身心的投入设计当中，经过老师的指导和查阅大量的资料，我知道了设计的一般过程，同时也大致了解了我设计的主要内容。这时心情才放轻松下来。
我要设计的是一台连杆平行度测量仪，将它的每一个零件的立体造型都画出来，并进行装配和运动仿真。这个题目涉及的内容很广，包括机械系统设计和控制系统设计，我主要设计的是机械系统。机械系统又涵盖了液压部分、电机部分，还有一些传动和检测的知识。我的工作量比其他同学的要多一点，所以我很早就开始设计。设计过程中我查阅了很多资料，光运动仿真相关书籍就不下十本。设计过程中遇到了很多问题，也学到了很多东西。也使我明白了一个道理：有些事只有自己亲自去做才能真得学到东西。我用的三维造型和运动仿真软件是美国PTC 公司Pro ／ENGINEER ，它是一个相当强大的软件。利用该软件，不但可建立零件模型，还可轻松建立部件、整机的装配模型，还可对设计的产品在计算机上预先进行动态、静态分析，装配干涉检验，甚至进行运动仿真，不仅快速高效，而且天衣无缝，一次成功。
经过了无数次的修改，终于完成了毕业设计。现在想想设计过程中的困难也不算什么，因为只有发现问题才能解决问题。经过这次的毕业设计，我的收获很多，将理论和实践联系了起来，提高了自己解决实际问题的能力。相信这些收获对将来的工作也会有很大的帮助。
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青岛滨海学院毕业设计
致谢
毕业设计是学生在完成了基础课、专业基础课和专业课的学习任务并在进行了课程设计和毕业实习的基础上，使学生具备机械工程师基本技能的训练，是教学的重要环节之一。
在赵敏玲老师的辛勤指导下，经过三个月的设计、制图、编写说明书，终于顺利完成了这次毕业设计。经过这次设计，培养了我独立思考、独立工作和独立解决问题的能力。在设计过程中能够正确运用各种规范和设计手册，提高了从事机械设计和工艺装备设计的水平。
我所设计的题目是连杆中心孔平行度测量仪，这是一个机电一体化的设计题目。通过自己思考和老师的耐心指导，终于成功的完成了这次毕业设计。这套设备的设计方案还有许多不成熟的地方，恳请各位老师、同学批评指正，使其更加完善。
在此，向设计过程中给予我热心指导的赵敏玲老师及所有帮助我的老师、同学表示衷心的感谢！
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连杆平行度测量仪
参考文献
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