摘要3目錄4小組任務分配81專業綜合設計任務書92總體設計102.1引言102.2設計任務分析與創新性設計102.2.1設計任務的分析包括以下內容102.2.2創新性設計112.2.3本儀器設計中應注意的問題112.2.4本設計中創新點的構思122.3測控儀器設計原則考慮132.3.1阿貝原則132.3.2變形最小原則142.3.3測量鏈最短原則142.3.4坐標基準統一原則142.3.5精度匹配原則152.3.6經濟原則152.4測控儀器若干設計原理討論152.4.1平均讀數原理152.4.2比較測量原理162.4.3補償原理162.5大型齒輪漸開線齒形誤差在位檢測的主要方法162.5.1直角坐標法162.5.2標準漸開線法172.5.3直線基準法[1]172.6大型齒輪漸開線齒形誤差在位檢測系統工作原理的選擇172.6.1直線基準法的基本原理172.6.2坐標系的建立182.6.3理論漸開線數學模型192.6.4定位球球心相對與齒輪軸心位置232.6.5測量頭坐標計算的數學模型252.7測量系統設計262.7.1總體功能結構規劃262.7.2機械子系統功能實現262.7.3光電子系統功能實現272.7.4測量系統軟件結構282.8造型設計282.8.1造型要求282.8.2裝飾方面283精度設計與誤差分配303.1精度設計303.2誤差分析303.2.1機械子系統誤差303.2.2電氣子系統誤差313.2.3軟件子系統誤差313.2.4其余誤差313.3誤差分配314機械子系統324.1引言324.2機械結構的原理及功能324.2.1測量定位系統324.2.2X方向誤差信號的傳遞334.2.3測量頭Y方向的運動334.3定位機構的設計334.3.1總體要求334.3.2定位球直徑的計算334.3.3定位球跨距以及定位臂長的確定354.3.4測頭及測桿的設計計算374.3.5片簧的設計424.3.6柱銷的設計454.3.7十字片簧的設計454.3.8杠桿的設計計算474.3.9杠桿限位裝置的設計494.3.10電感傳感器的安裝緊固件尺寸設計計算504.3.11誤差傳遞機構外廓尺寸計算524.4導軌的設計524.4.1設計要求524.4.2在Y方向運動導軌的設計554.4.3定位臂導軌的設計594.5螺旋傳動的設計624.5.1螺旋傳動的分類624.5.2螺旋副的選擇634.5.3滑動螺旋傳動的計算634.5.4滾動螺旋副的設計674.6電機的選擇714.7聯軸器的設計714.8箱體的設計724.8.1箱體分類724.8.2箱體結構設計734.8.3箱體的毛坯、材料及熱處理734.8.4設計的主要問題和設計要求744.8.5箱體結構參數的選擇745精度分析765.1機械部分誤差分析765.1.1定位誤差765.1.2數據采集機構的誤差775.1.3導軌直線運動誤差785.1.4絲桿螺母結構的運動誤差785.1.5差動電感傳感器的測量誤差785.1.6差動電感傳感器的裝配誤差785.1.7光柵位移傳感器的測量誤差785.1.8光柵位移傳感器的裝配誤差785.1.9電機與連軸器連接部分安裝誤差795.1.10動導軌與連軸器連接部分安裝誤差795.2機械部分誤差合成796心得體會807參考文獻82附錄一軟件子系統83附錄二光電子系統87小組任務分配組長：朱濠組員：張云、林宏偉我們機械小組的任務具體被分為四部分：1張云、林宏煒完成各種參數的確定和零部件選取配合；2朱濠、張云繪制零部件草圖和裝配圖；3朱濠、林宏煒通過SoildWorks制圖；4張云、朱濠、林宏煒完成了報告的整理工作。1專業綜合設計任務書設計題目：Large-scalegears’involuteprofileerrormeasuringmachinewithastraightlinebasis(大型齒輪漸開線齒形誤差在位測量儀>設計要求：設計大型齒輪漸開線齒形誤差在位測量儀器，結構簡單，重量輕，體積小，測量鏈短；被測齒輪參數：模數≥8,齒數Z≥90，精度4級及其以下；實現誤差數據的自動采集、處理、存儲、顯示、打印輸出；2總體設計2.1引言儀器總體設計，是指在進行儀器具體設計之前，從儀器自身的功能、技術指標、檢測與控制系統框架及儀器應用的環境和條件等總體角度出發，對儀器設計中的全局問題進行全面的設想和規劃。現代測控儀器是機械、光學、電學及計算機一體化的整體系統，是檢測與控制相結合的智能型動態系統。因此，測控儀器的范疇十分廣泛。總體來說，儀器總體設計的最終評估，是以其所能達到的經濟指標與技術指標來衡量的。一般而言，在所有指標中，精度和可靠性指標是儀器設計的核心問題。就具體一臺儀器而言，其所能達到的新功能，所實現的新方法，所反映出的新技術、新理論等，則是儀器總體設計中的創新。創新設計應貫穿儀器總體設計的始末，創新才有發展，創新才有效益。總體設計要考慮的主要問題：設計任務分析與創新性設計測控儀器若干設計原則的考慮測控儀器若干設計原理的討論測控儀器工作原理的選擇和系統設計測控儀器系統主要結構參數與技術指標的確定測控儀器造型設計2.2設計任務分析與創新性設計為了設計好儀器，首先必須對設計任務有詳細的了解和分析。這一工作的目的是要弄清楚設計任務對儀器設計提出的要求和限制，以便所設計的儀器能實現和滿足設計任務提出的各項指標和要求。為此，要了解被測對象的特點、技術指標、使用條件、測量范圍等。2.2.1設計任務的分析包括以下內容測控儀器的工作任務首先是對被測參數的測量和跟蹤。本次設計任務的被測參數是大齒輪齒形誤差。<1）了解測控參數載體<測控對象）的特點測控參數載體，即測控對象，一般是各種各樣的機械或光學載體。這些載體的大小、形狀、材料、重量、狀態等特點都將對測量和跟蹤控制的質量產生重大影響。因此，儀器設計要設法消除測控對象中其它參數對被測參數的影響，即要獲取被測信號本身。本次設計任務的被測對象是大齒輪，它具有尺寸大、重量大的特點，尤其是加工工藝的特殊性，其精度主要靠加工工藝來保證，因此要設計一種能在車間中使用的大齒輪在位檢測儀器是迫切需要的。<2）了解儀器的功能要求儀器的功能要求包括儀器用途<是靜態測量還是動態測量、是開環測量還是閉環測控、是一維測量還是多維測量、是單一參數測量還是多種參數測量）；儀器的檢測效率；儀器的測量范圍；儀器的承載能力；儀器的操作方式<手動、自動、鍵盤、觸摸屏）；測量結果的顯示方式<儀表、數字、圖象、記錄、打印等）；儀器的自動診斷要求；儀器的自動保護要求以及儀器的外輪廓尺寸與自重要求等。<3）了解儀器的使用條件儀器的使用條件和工作環境對儀器能否達到設計要求起到至關重要的作用。例如：儀器是在室內還是室外工作；是在計量室內還是車間工作；是在線測量還是離線脫機測量；間斷工作還是連續工作<以及連續時間）；儀器工作環境<環境溫度變動范圍，濕度及振動情況，灰塵以及外界干擾）等。<4）了解國內外同類產品的類型、原理、技術水平和特點了解國內有關方面的加工工藝水平及關鍵元器件銷售情況。2.2.2創新性設計創新性設計體現在儀器設計所實現的原理、所達到的功能、所反映出的新方法和新技術等方面。創新主要包括原創性設計和對原設計的繼承和發展。對現有儀器的原理、功能、特點了解的愈多，掌握的愈深入，愈容易發現現有儀器的缺陷，從而找到進一步完善和發展的途徑。2.2.3本儀器設計中應注意的問題被測參數的精度要求被測參數的精度要求，關系到儀器選用什么樣的信號轉換原理和采用什么樣的主要結構形式。例如，在設計高精度的分度裝置，除了應該選擇恰當的信號轉換原理外，軸系實際便是一個關鍵。在高精度大量程的直線位移測量中，保證儀器中有關部件做精確的直線位移，也是設計中的主要問題之一。<1）儀器類型根據測量任務的不同，可以有比較法測量的儀器和絕對法測量的儀器兩大類。這兩類不同測量方法的儀器，設計時差別很大，它們對信號轉換原理的選擇有不同的考慮，而且在儀器結構布局上也有較大差異。為此，應根據設計前選擇測量方法選擇儀器。<2）儀器中的感受轉換部件類型感受元件是采用接觸式的還是采用非接觸式的，既決定于被測件材料的性質，也與被測參數本身的性質有關。例如，有些參數的測量，可能由于無法用測頭感受而不得不采用非接觸的感受方法。<3）儀器中的定位元件常用的定位元件有平臺、定位球、頂尖等多種形式。有些是固定的，有些是可動的，有些是可調的。它們的設計一方面要遵守基準面統一原則，同時也和被測件的特定及精度要求有關。例如，在光柵式齒輪單面嚙合檢查儀和絲桿動態檢查儀等儀器中，它們的頂尖都做成死頂尖，其目的是為了克服活頂尖引起的軸向跳動對測量結果的影響。<4）儀器的通用性如果要求儀器具有一定的通用性，就應為儀器設計一定的附件和調整環節，同時也要考慮各種附件在主機上的裝卸問題，使儀器能適應不同的測量對象。但在專用儀器中考慮較少。<5）儀器的使用場合對于計量室內使用的高精度儀器，在設計時，應盡量采取措施避免外界條件變化對它的影響，或者設計有消除外界條件變化對測量結果影響的校正環節。而對于在車間條件下使用的儀器，考慮的出發點則是防塵、防油、防水等密閉裝置，至于其它環境條件，要求在允許的范圍內變化時，保證儀器也能正常工作。所要設計的儀器是和設計任務密切相關的，實際情況非常復雜，設計任務提出的要求是多方面的，應該視具體情況而定。另外對于提高檢驗效率，降低勞動強度等方面的要求，在儀器設計中也應有所考慮。2.2.4本設計中創新點的構思就儀器總體設計而言，創新包括所設計儀器在理論上、所實現的原理上、所達到的功能上、所反映出的新方法上和新技術等方面的創新。創新是指對原設計的繼承和發展。本次設計中創新點有：<1）原理創新提出測量齒輪齒形誤差的直線逼近漸開線的原理，測量頭的直線運動，消除了傳統測量儀器采用復合導軌所引起的誤差，保證了精度，并使開發的儀器結構簡單、測量鏈短、成本降低等。<2）技術創新提出用測量頭直線運動軌跡去逼近齒形漸開線的在線測量方案，在確保測量精度的前提下，顯著縮短了測量導軌尺寸，并且由于雙定位球的精確定位系統確定測量頭相對于齒輪的位置，使測量頭的對正誤差非常微小，測量操作方便。2.3測控儀器設計原則考慮在儀器設計長期實踐的基礎上，設計者經過不斷的總結經驗、繼承和發展前人的科技成果，形成了一些帶有普遍性的或在一定場合下帶有普遍性的儀器設計所遵循的基本準則與基本原理。這些設計原則和設計原理，根據不同儀器設計的具體情況，作為儀器設計中的技術措施，在保證和提高儀器精度，改善儀器性能，以及在降低儀器成本等方面帶來了良好的效果。因此，在儀器的總體設計中，要特別注意的一個重要內容就是具體考慮各設計原則和設計原理在儀器設計中應如何實現以及采用何種具體措施實現。2.3.1阿貝原則對于線值尺寸測量儀器的設計，阿貝提出了一條具有指導性的原則，原則指出：為使量儀能正確給出測量結果，必須將儀器的讀數刻線尺安放在被測尺寸線的延長線上。就是說，被測零件的尺寸線和儀器中作為讀數用的基準線<刻線基準）應順序排成一條直線。但在實際設計中，完全遵守阿貝原則會造成：<1）儀器外廓尺寸過大；<2）自由度測量儀器很難在所有方向上都遵守阿貝原則；儀器設計者在大量的實際工作中進一步擴展了阿貝原則的定義。阿貝原則的擴展包含了三重意思，即：1>標尺與被測量一條線；2>若做不到，則應使導軌沒有角運動；3>若導軌存在角運動，則應跟蹤測量算出偏移量加以補償；遵守這三條中的任意一條，就遵守了阿貝原則。在本次設計中，測頭在X方向采用了數據采集機構，不符合阿貝原則，在設計過程中應盡量減少測頭的延伸長度以保證傳遞機構的運動精度，并考慮是否需要進行阿貝誤差補償。測頭在Y方向上，標尺光柵和測量線在一條直線上，運動導軌為雙V形滾珠導軌，運動的靈敏度較高，導軌的角運動極小，因此可認為是符合阿貝誤差的。而指示光柵和標尺光柵的距離又很接近，其誤差可忽略不計。2.3.2變形最小原則變形最小原則是指盡量避免在儀器工作過程中，因受力變化或因溫度變化而引起的儀器結構變形或儀器狀態和參數的變化，并使之對儀器精度的影響最小。在儀器工作過程中，無論是受力引起的變形，或是溫度變化或其它原因引起的變形，都是無法避免的。例如：儀器承重變化，引起儀器結構變形而產生測量誤差；溫度變化引起儀器或傳感器結構參數變化，導致光電信號的零點漂移及系統靈敏度變化。為此，需要著重考慮變形最小原則。2.3.3測量鏈最短原則測量鏈最短原則是指構成儀器測量環節的構件數目應最少。在儀器的整體結構中，凡是直接與感受標準量和被測量信息的有關元件均屬測量鏈。這類元件對儀器精度影響最大，一般都是1:1影響到測量結果，因此設計時應盡量減少測量鏈環節以提高儀器精度。測量鏈最短原則，一般只能從原始設計上加以保證，不能采用補償的方法來實現。如采用電子式位移同步比較原理的儀器可以大大縮短測量鏈，使儀器的精度及其它方面的功能得到大幅度提高。本設計中采用了電子式位移同步比較原理，可以大大縮短測量鏈，使儀器的精度及其它方面的功能得到大幅度的提高。測量時，使觸頭和被測齒輪的齒面接觸。在測量過程中，電感傳感器采集觸頭在X方向上的微位移信號，光柵傳感器采集導軌運動方向信號，兩路信號同時送入計算機進行分析。這就是位移量同步比較原理。2.3.4坐標基準統一原則坐標系基準統一原則是對儀器群體之間的位置關系，相互倚賴關系來說，或主要是針對儀器中的零件設計及部件裝配要求來說。對零部件設計來說，這條原則是指：在設計零件時，應該使零件的設計基面、工藝基面和測量基面一致起來，符合這個原則，才能使工藝上或測量上能夠比較經濟地獲得規定的精度要求而避免附加的誤差。對于部件裝配，則要求設計基面、裝配基面和測量基面一致。在本設計中，標準漸開線的數學模型、測量頭的移動、定位球的定位精度等相關計算最后通過坐標變換統一到XOY中，從而避免了附加誤差。2.3.5精度匹配原則精度匹配原則是在對儀器精度分析的基礎上，根據儀器中各部分環節對儀器精度的影響程度不同，分別對各部分環節提出不同的精度要求和恰當的精度分配。本次設計中機械子系統部分誤差權重較大，光電子系統次之，軟件子系統誤差權重最小。具體精度分配在精度分析中有詳細闡述。2.3.6經濟原則經濟原則在儀器設計中應從以下幾個方面考慮工藝性：<1）合理的精度要求；<2）提高儀器壽命；<3）盡量使用標準件和標準化模塊；<4）合理的調整環節，設計合理的調整環節，往往可以降低儀器零部件的精度要求，以便降低成本的目的；<5）合理選材。合理選材是儀器設計中的重要環節之一，從減小磨損、減小熱變形、減小力變形、提高剛度及滿足許多物理性能上來說，都離不開材料性能。而不同的材料，其成本差價很大，因此合理選材至關重要。2.4測控儀器若干設計原理討論2.4.1平均讀數原理在計量學中，利用多次讀數取其平均值，通常可以提高讀數精度。利用這一原理來設計儀器的讀數系統，即稱之為平均讀數原理。這種儀器的每一個讀數值實際上是由多個讀數的平均值構成，所以精度很高。2.4.2比較測量原理比較測量原理廣泛地應用于各種物理量的測量。在電信號的測量中，比較電橋和比較放大是比較測量的基本形式。它可以消除共模信號的影響，有利于提高測量精度。在光電法測量儀器中雙通道差動比較測量可以有效地減小光源光通量變化的影響。比較測量原理尤其適用于幾何量參數測量，如漸開線齒形誤差、齒輪切向綜合誤差、螺旋線誤差、凸輪型誤差等的測量。<1）位移量同步比較<2）差動比較測量<3）零位比較測量2.4.3補償原理儀器精度不可能只依靠加工精度來保證。如果在設計過程中，恰當的采用包括補償、調整、校正環節等技術措施，能在提高儀器精度和改善儀器性能方面收到良好的效果。2.5大型齒輪漸開線齒形誤差在位檢測的主要方法齒形誤差的主要測量方法有：直角坐標法、極坐標法原理、標準漸開線法、直線基準法、標準圓弧法(會田氏法>、單面嚙合整體測量法。2.5.1直角坐標法直角坐標法是指將被測齒形上的若干點的實際坐標與理論坐標進行比較，計算得出齒形誤差。根據測量過程中采用的漸開線坐標形式，坐標法可以分為直角坐標法與極坐標法。直角坐標法測量漸開線齒形的原理是把被測齒形置于給定的直角坐標系中，把測量得到的齒形各點的直角坐標值與其理論坐標比較，經數據處理獲得齒形誤差。這種方法的控制與數據處理軟件均比較復雜，測量精度難以提高。極坐標法的漸開線齒形測量儀，其工作臺在旋轉的同時，測頭按漸開線極坐標方程沿徑向移動，同時測量實際齒形偏差。此方法測量齒形，不需要切向運動機構，可以簡化齒輪測量中心的機械結構，但數據處理復雜，兩軸位移非線性，對徑向測量系統的精度及測頭相對于齒輪軸線的位置精度要求較高，僅適合中等精度齒形的測量。2.5.2標準漸開線法將被測齒形與儀器產生的理論漸開線軌跡進行比較，從而求出齒形誤差的方法稱為標準漸開線法。用一直尺與基圓盤相切，當基圓盤旋轉，直尺沿切線方向做無滑動的移動時，直尺與基圓盤的切點相應移動，使直尺上的點A相對于基圓盤上的點形成理論漸開線軌跡。若測微儀的測端相對于切點，當被測齒形與測端接觸時，就可以使實際齒形與理論漸開線軌跡進行比較，從而測得誤差。在大齒輪的測量中，理論漸開線軌跡不容易復現，常用一些簡單的幾何型線，如圓弧和直線來代替理論漸開線作為替代標準。2.5.3直線基準法[1]測量的基本原理是利用測量頭的直線運動軌跡去逼近齒輪漸開線。如圖1所示，測量頭A沿Y軸方向作直線運動，而且始終保持與齒面接觸。當測量頭A沿Y軸方向做直線運動時，它在X軸方向的變化量可以由測微傳感器反映出來。假設在齒形工作范圍內齒面上任意一點處的采樣值為，則既包括了齒形誤差信息量，又包括了測量頭的直線運動軌跡與漸開線之間的原理誤差即。2.6大型齒輪漸開線齒形誤差在位檢測系統工作原理的選擇2.6.1直線基準法的基本原理我們選擇直線基準法作為設計原理，應屬于展成法范圍，其原理是利用測量頭的直線運動軌跡去逼近齒輪漸開線。在齒形工作范圍內，用直線作基準在位檢測大齒輪漸開線誤差是完全可行的。圖1直線基準法選擇直線基準法主要考慮到以下三點：<1）大型齒輪漸開線輪廓接近直線，在測量范圍內原理誤差不大，有利于實現測量原理。<2）隨著齒數和模數增大，其原理誤差變化不大，故該測量原理適用范圍廣，具有現實意義。<3）運用該方法易于實現在線測量，并且有利于提高大型齒輪在位測量的精度。測量的基本原理是利用測量頭的直線運動軌跡去逼近齒形漸開線，如圖1所示：在齒形工作范圍內的齒面上的任意一點Mi，有：<1）式中，Δxi為齒形誤差信息，xi為測量頭的直線運動軌跡與漸開線之間的理論誤差。2.6.2坐標系的建立為了研究方便，建立三個坐標系：∑1<O1-x1,y1,z1）：其原點O1為被測齒輪的軸心，其y1軸為O1點的漸開線發生點的連線；∑1<O2-x2,y2,z2）：其原點O2為齒廓上的某點<暫定為分度圓上的點），其y2軸為在該點處齒廓的切線；∑1<O3-x3,y3,z3）：其原點O為通過測量頭球心A<A點位于x2軸上）同y2軸平行的直線與被測齒中線的交點，顯然y軸平行于y2軸，三坐標系的建立如圖2所示。2.6.3理論漸開線數學模型測量頭在齒廓上滾動，其軌跡就是理論漸開線齒形的等距漸開線，如圖3所示，Mi點為測量頭與齒輪的接觸點，故：<2）式中d為測量頭直徑，βb為基圓螺旋角。圖2三坐標系的建立圖3漸開線生成線圖2.4直角坐標系變換<3）<4）<5）因此在x1O1y1坐標系中，漸開線上任意一點Mi的徑矢：<6）Rb為基圓半徑，φi為齒廓上Mi處的端面齒形展開角，θi為展角，αti為壓力角。坐標系變換：由坐標系轉換為坐標系時：<7）<8）如若兩坐標的原點不同，則需在上式轉換后，加上偏移向量A1，即式：<9）Mz為變換矩陣，Ai為偏移向量。其中M-θz一般為下式：<10）一、由到變換：x1O1y1中的xi軸上的分量投影到x2O2y2中，由于x1O1y1坐標系與x2O2y2坐標系夾角為φt<φt為分度圓上的端面齒形展開角），即θ=φt，則：變換矩陣：<11）式中偏移向量：<12）式中：R為分度圓半徑，αt為分度圓的端面壓力角將式<11），<12）代入式<9），得到<13）二、由到變換：從x2O2y2坐標系變換xOy為：，變換矩陣<14）在x2軸方向上向左平移，βb為基圓螺旋角，d為測量頭直徑。在y2軸方向上向上平移L，根據圖3可得：<15）<16）根據齒輪的一些方程式得：<17）<18）由公式<14）、<15）、<16）和<17）得：<19）<20）可得到偏移向量：<21）式中，Z為齒輪齒數。就可得到接觸點在x2O2y2的坐標：令：<23）則<24）m為齒輪模數，Z為齒輪齒數，St為齒輪分度圓上的齒厚。<25）則可得到：<26）2.6.4定位球球心相對與齒輪軸心位置如圖5所示在定位球與齒的接觸點上，半徑為，齒寬為：<27）式中：<28）則任意齒間隙為：<29）將公式<27）<28）代入式Ss=2θRi，可得：<30）由圖5可知：<32）化簡得：<32）圖5定位球球心相對與齒輪軸心位置圖圖6測量頭坐標計算的數學模型圖2.6.5測量頭坐標計算的數學模型如圖6所示，A′、B′分別為兩定位球球心，測量頭在坐標系xOy中的位置可由下式表示：<33）在圖3中可知<34）根據圖6知：<35）將公式<32）代入<33）可得：<36）<37）<38）<39）<40）將代入，可得：<41）2.7測量系統設計2.7.1總體功能結構規劃大型齒輪漸開線齒形誤差在位測量儀設計，是光、機、電、算一體化的有機結合。該測量系統包括測量數據的自動采集、處理、存儲、顯示、結果分析及打印輸出。該測量系統具體是由機械主體、誤差信號提取及處理單元電路、采樣控制信號單元及伺服驅動單元電路四部分組成，整個測控系統以IBM.PC機為核心在軟件菜單的控制下完成齒形誤差的采集和處理。機械子系統通過傳感器實現自動測量，將位移量轉換為電學量送入光電子系統，光電子系統將轉換過來的電學量進行信號處理、分析，并實現對機械系統動力的自動驅動控制，同時將信號送入計算機，軟件系統通過人機界面將信號獲取，并經最終的數據處理、誤差分析等處理。本儀器是針對齒數為90，模數為8的一類大型齒輪齒形誤差測量而進行的設計。其功能由機械子系統、電氣子系統、軟件子系統三個部分實現。2.7.2機械子系統功能實現<1）測量系統的定位測量系統的定位主要是為了確定齒輪的基圓半徑，確定齒輪的中心。在系統運行開始時，軟件系統的人機對話界面在輸入待測齒輪參數后，系統自動提示可選用的定位球直徑的大小范圍，及已經計算確定的定位臂的長度范圍和調整參數，選用合適的定位球直徑和定位臂長，系統可以自動的確定定位