杭电凸轮廓线检测装置的设计论文Word格式文档下载.docx
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国内研究状况与国外相比,国内研究起步晚、经费投入少,限制了高水平研究的开展,创新性的研究不多,在世界学术领域,还没有形成较大的影响力。
己知的较早从事反求工程研究的单位多为高等院校,为数不多的论文散见于计算机应用、机械工程等类学位论文、会议及杂志上。
在应用研究上,除一些实验室的小型软件外,自主开发的商用逆向软件仅有浙江大学生产工程研究所的反求工程CAD软件RE.SOFT和西北工业大学的实物测量造型系统NPU.SRMS,由于缺乏自主的CAD/CAM软件的支撑,以及逆向工程的上游测试设备和下游应用。
CAD/CAE/CAM基本为国外产品,使得国产软件产品在设备接口、数据转换和应用上一直滞后于相关产品,开发的软件显得势单力薄,与国外软件相比处于竞争的劣势。
在科学技术高速发展的今天,科技成果的应用己成为推动生产力发展和社会进步的重要手段。
各国都在充分利用别国的科技成果,并加以消化吸收与创新发展自己的新技术。
事实证明,技术引进是吸收国外先进技术,促进民族经济和武器装备快速发展的有力战略措施。
到目前为止,我国己引进了不少国外先进技术和设备,但是要取得最佳技术成果和经济效益,还要善于对引进的技术、设备进行深入的研究、消化、吸收和创新,这对于迅速缩小我国和发达国家的技术差距、快速形成自主知识产权的创新产品具有十分重要的意义。
但是由于技术保密,除非购买转让,否则要获得产品的图样、技术文档、工艺等技术资料几乎是不可能实现的,而产品实物作为商品和最终的消费品,是最容易获得的一类研究对象。
在只有产品原型或实物模型条件下,可以基于产品实物反求对产品零件进行生产制造,除实现对原型的仿制外,通过重构产品零件的CAD模型。
在探询和了解原设计技术的基础上,实现对原型的修改和再设计,以达到设计创新、产品更新之目的。
对于其他具有复杂曲面外形的零部件,反求工程更成为其主要的设计方式,如何实现已有产品的无图纸加工,使用反求工程的思想,通过对加工产品进行检测和逆向分析,以帮助用户掌握原凸轮的廓线特征函数,理解原凸轮设计的思想和经验,加快对国内外凸轮先进设计技术的消化和吸收,为后续的再设计和制造提供依据,从而创造并开发出自己的新产品,具有非常重要的实际意义。
第二章设计方案
2.1凸轮廓线检测装置的设计方案
就目前国内外对平面凸轮的检测主要有两种方法,接触式和非接触式。
接触式中又分两种:
专用凸轮廓线检测机和通用三坐标检测机。
非接触测量有激光三角法、电涡流法、超声测量法、机器视觉测量获取信号。
目前从所获得的文献看,采用接触式进行测量占相当大的比例,其主要好处是数据离散性小,边界容易辨别,数学建模容易建立,误差补偿容易实现,不足之处是效率不高,高精度设备不容易实现或者价格高昂。
非接触式速度快,数据量大,然而测量所得的数据存在明显缺陷无法直接应用于三维模型重建,需要非常复杂的数学模型来解决精度问题。
所以我采用的是接触式进行设计凸轮廓线检测装置的设计。
2.2凸轮廓线检测装置的组成及其原理
2.2.1凸轮廓线检测装置的组成
主要由分度头、中量程百分表、横移座、纵移座、工作台等组成。
2.2.2凸轮廓线检测装置的设计原理
被测凸轮是由分度头和一个锁紧机构固定在工作台上的,并由分度头带动转动并读出角度,而锁紧机构当手柄脱落的可以移动尖顶轴,用于装卸凸轮,当手柄闭合时则用于固定凸轮,而凸轮的主要参数是由一个百分表读出来的,利用凸轮转过多少角度和百分表移动多少距离来计算凸轮的相关数据。
百分表是由表架固定在升降杆上的,而调整百分表与凸轮的位置是由横移座和纵移座来调整的,旋钮用来调整表架和百分表的横向位置,纵向丝杆来调整表架和百分表的纵向位置。
纵移座和横移座的设计方案
(1)纵移座的设计方案
把纵移座放置在工作台上,不固定其纵向的自由度,用纵向丝杆来控制。
(2)横移座的设计方案
①把横移座放置在升降杆上,不固定其横向的自由度,用旋钮来调整横移座的位置。
②把表架放置在横移座上,使表架手臂能自由伸缩,从而实现百分表的横向移动。
2.2.3凸轮轮廓线检测的基本原理
凸轮轮廓线的接触式检测方法一般分为两类:
一是检测出凸轮廓线的极坐标;
二是检测出凸轮廓线所决定的从动杆位移曲线图。
下面分述他们各自的检测原理。
1.检测出凸轮廓线的极坐标。
检测凸轮轮廓线极坐标图,按对心尖顶直动从动杆盘状凸轮机构动作原理进行,适用于任何形状的盘状凸轮。
2.检测出凸轮廓线所决定的从动杆位移曲线图。
凸轮机构的从动杆位移曲线不仅取决于凸轮的实际轮廓,还取决于从动杆偏距,滚子大小等因素。
因此,检测轮廓线所决定的从动杆位移曲线图时必须使测量状态与工作状态一致。
平底直动从动杆盘状凸轮机构,在不改变平底线的条件下,平移导路,不影响实际轮廓,因此不管是否偏置,都可以按对心原理来检测。
2.2.4凸轮轮廓线的检测方法
绘制凸轮廓线的极坐标图:
通常把极轴取在凸轮廓线上,刚开始有位移点的极径处(对应于从动杆起始位置),用手柄带动凸轮转动,此时手柄转角直接代表了凸轮的极角。
凸轮轮廓线极径变化由百分表指示,再测出凸轮的基圆半径,即可绘制出凸轮轮廓线的极坐标图。
绘制凸轮机构的从动杆位移曲线:
只须将工作状态的从动杆以百分表取代,此时百分表头也应与从动杆实际状态一致(即为尖顶、相同直径的棍子或平底形等),这样百分表读数直接指示出从动杆位移曲线的位移变化值,将其与分度头转角变化一一对应起来,即可绘制出凸轮机构的从动杆位移曲线。
第三章检测装置的设计
3.1凸轮廓线检测装置的主要参数
1.百分表测量杆的端部结构有尖顶的、平底的、有滚子的,小滚子的直径20mm,大滚子的直径30mm。
2.为了获得从动杆导路偏距,横向丝杆可以调整横向座的位置,调整范围为60mm。
3.表架的高度可调,被测凸轮基圆直径为40-100mm。
4.纵向丝杆可调整纵移座的位置,行距为250mm。
5.分度头中心高为100mm,主轴前缀刻度环的刻度值为1度。
6.中量程百分表的量程为50mm,刻度值为0.01mm。
通过转动手柄,将运动传递到凸轮,使凸轮转动,从而引起表头的上下运动,读出实时的数据。
通过凸轮转过的角度和实时读出的数据来画出凸轮的轮廓线。
为了适合被测凸轮的大小,表架的高度可调为40mm-180mm。
横杆高度为100mm。
图3-1凸轮廓线检测装置的设计简图
3.2传动的设计
如何将手柄旋转转化为凸轮的转动。
将凸轮固定在凸轮轴上,先转动轴2上的两颗螺钉,将凸轮轴固定在固定轴上,再转动尖顶轴,用顶尖顶紧凸轮,使其不会在其他方向上晃动。
再通过转动轴2来进行对凸轮的转动。
固定轴的转动
方案一.通过一对传动比为1的圆锥齿轮,转动手柄带动圆锥齿轮1的转动,从而带动圆锥齿轮2的转动,圆锥齿轮2通过平键和轴2连接在一起,以此来实现转动手柄达到转动凸轮的目的。
方案二.通过一对涡轮蜗杆机构,转动手柄驱动蜗杆转动,带动涡轮的转动,从而带动固定轴的转动,以此来实现转动手柄达到转动凸轮的目的。
方案三.直接将手柄安装在轴2上,通过转动手柄来带动轴2的转动,从而实现对凸轮的转动。
第三种方案可以省去一对圆锥齿轮或涡轮蜗杆传动机构的设计过程,及其制造的成本。
从对凸轮轮廓线检测装置的实验操作和设计制造成本综合考虑,显然第三中传动方式更加合适。
3.3凸轮的固定方法
凸轮的固定方式如图3-2所示。
图3-2凸轮的固定方式
先转动轴2上的两颗螺钉,将凸轮轴固定在轴2上,再转动轴1,用顶尖顶紧凸轮,使其不会在其他方向上晃动。
夹紧后转动横向丝杆来调整凸轮和表头的位置。
3.4轴的设计
3.4.1轴的介绍
轴是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的圆柱形物件,但也有少部分是方型的。
轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。
一般为金属圆杆状,各段可以有不同的直径。
机器中作回转运动的零件就装在轴上。
常见的轴有曲轴、直轴和软轴三种。
直轴又可分为:
1.转轴,工作时既承受弯矩又承受扭矩,是机械中最常见的轴,如各种减速器中的轴等。
2.心轴,用来支承转动零件只承受弯矩而不传递扭矩,有些心轴转动,如铁路车辆的轴等,有些心轴则不转动,如支承滑轮的轴等。
3.传动轴,主要用来传递扭矩而不承受弯矩,如起重机移动机构中的长光轴、汽车的驱动轴等。
轴的材料主要采用碳素钢或合金钢,也可采用球墨铸铁或合金铸铁等。
轴的工作能力一般取决于强度和刚度,转速高时还取决于振动稳定性。
轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸,为轴设计的重要步骤。
它由轴上安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式,载荷的性质、方向、大小及分布情况,轴承的类型与尺寸,轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输,对轴的变形等因素有关。
设计者可根据轴的具体要求进行设计,必要时可做几个方案进行比较,以便选出最佳设计方案,以下是一般轴结构设计原则:
1.节约材料,减轻重量,尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系数的截面形状;
2.易于轴上零件精确定位、稳固、装配、拆卸和调整;
3.采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施;
4.便于加工制造和保证精度。
3.4.2轴类磨损
轴类磨损是轴使用过程中最为常见的设备问题[3]。
轴类出现磨损的原因有很多,但是最主要的原因就是用来制造轴的金属特性决定的,金属虽然硬度高,但是退让性差(变形后无法复原轴),抗冲击性能较差,抗疲劳性能差,因此容易造成粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、微动磨损等,大部分的轴类磨损不易察觉,只有出现机器高温、跳动幅度大、异响等情况时,才会引起人们的察觉,但是到人们发觉时,大部分轴都已磨损,从而造成机器停机。
3.4.3轴的材料的选择
1、碳素钢
35、45、50等优质碳素结构钢因具有较高的综合力学性能,应用较多,其中以45钢用得最为广泛。
为了改善其力学性能,应进行正火或调质处理。
不重要或受力较小的轴,则可采用Q235、Q275等碳素结构钢。
2、合金钢
合金钢具有较高的力学性能,但价格较贵,多用于有特殊要求的轴。
例如采用滑动轴承的高速轴,常用20Cr、20CrMnTi等低碳合金结构钢,经渗碳淬火后可提高轴颈耐磨性;
汽轮发电机转子轴在高温、高速和重载条件下工作,必须具有良好的高温力学性能,常采用40CrNi、38CrMoAlA等合金结构钢。
轴的毛坯以锻件优先、其次是圆钢;
尺寸较大或结构复杂者可考虑铸钢或球墨铸铁。
例如,用球墨铸铁制造曲轴、凸轮轴,具有成本低廉、吸振性较好,对应力集中的敏感性较低、强度较好等优点。
轴的力学模型是梁、多数要转动,因此其应力通常是对称循环。
其可能的失效形式有:
疲劳断裂、过载断裂、弹性变形过大等。
轴上通常要安装一些带轮毂的零件,因此大多数轴应作成阶梯轴,切削加工量大。
人们的察觉,但是到人们发觉时,大部分轴都已磨损,从而造成机器停机。
我选择用的最为广泛的45#钢作为轴的材料,为了保证轴的使用强度和寿命,进行调制处理。
3.4.4尖顶轴的设计
尖顶轴设计简图如图3-3所示。
图3-3尖顶轴设计简图
尖顶轴的总长为218mm。
从左边起L1=190mm。
L2=20mm。
L3=8mm。
尖顶轴的最小直径为d1=15mm。
d2=25mm。
材料的选择及其处理:
选用45#钢,调质处理。
3.4.5固定轴的设计
固定轴的设计简图如图3-4所示。
图3-4固定轴的设计简图
固定轴的总长为280mm。
从左边起L1=40mm。
L2=60mm。
L3=182mm。
L4=18mm。
固定轴的最小直径为
d1=d3=40mm。
d2=50mm。
在距离左端10mm处攻两个直径为8mm的螺纹孔,通过旋转螺栓来进行对凸轮机构的固定。
在轴的右端攻一个直径为10mm的螺纹孔,通过螺栓,将旋转手柄固定在固定轴上。
材料的选择及其处理:
3.4.6轴的加工方法
轴类、套类和盘类零件是具有外圆表面的典型零件[4]。
外圆表面常用的机械加工方法有车削、磨削和各种光整加工方法。
车削加工是外圆表面最经济有效的加工方法,但就其经济精度来说,一般适于作为外圆表面粗加工和半精加工方法;
磨削加工是外圆表面主要精加工方法,特别适用于各种高硬度和淬火后的零件精加工;
光整加工是精加工后进行的超精密加工方法(如滚压、抛光、研磨等),适用于某些精度和表面质量要求很高的零件。
轴的基本加工路线
外圆加工的方法很多,基本加工路线可归纳为四条。
1.粗车—半精车—精车
对于一般常用材料,这是外圆表面加工采用的最主要的工艺路线。
2.粗车—半精车—粗磨—精磨
对于黑色金属材料,精度要求高和表面粗糙度值要求较小、零件需要淬硬时,其后续工序只能用磨削而采用的加工路线。
3.粗车—半精车—精车—金刚石车
对于有色金属,用磨削加工通常不易得到所要求的表面粗糙度,因为有色金属一般比较软,容易堵塞沙粒间的空隙,因此其最终工序多用精车和金刚石车。
4.粗车—半精—粗磨—精磨—光整加工
对于黑色金属材料的淬硬。
对于我设计的轴的精度,选用第二种加工方法:
粗车—半精车—粗磨—精磨。
3.5轴承盖的设计
轴承盖的厚度L=2mm。
直径D=100mm,d=20mm。
选用45#钢作为轴承盖的材料。
3.6轴承的选择。
3.6.1轴承的分类
1.按承受载荷的方向分
向心轴承:
主要承受径向载荷,公称接触角
。
根据接触角的大小又可分为:
径向接触轴承:
公称接触角
角接触轴承:
推力轴承:
主要承受轴向载荷,公称接触角
轴向接触轴承:
角接触轴承:
2.按滚动体的形状分
球轴承和滚子轴承。
其中滚子轴承有分为圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承和调心滚子轴承。
3.按是否具有调心性分
调心轴承:
滚道为球面,能适应两滚道轴心线间的角位移;
非调心轴承:
能阻抗两滚道轴心线间的角位移。
4.按滚动体的列数及能否离分
按滚动体的列数分为单列、双列和多列轴承。
按轴承部件能否分离,分为可分离轴承和不可分离轴承。
5.按轴承公称外径D的大小分
微型轴承:
小型轴承:
中小型轴承:
中大型轴承:
大型轴承:
特大型轴承:
根据我所设计的装置来分析,主要承受的是径向负荷。
所选择的轴承是径向接触轴承(公称接触角
),在这里我选择圆柱滚子轴承。
圆柱滚子与滚道为线接触轴承。
负荷能力大,主要承受径向负荷。
滚动体与套圈挡边摩擦小,适于高速旋转。
根据套圈有无挡边,可以分有NU、NJ、NUP、N、NF等单列圆柱滚子轴承,及NNU、NN等双列圆柱滚子轴承。
该轴承是内圈、外圈可分离的结构。
内圈或外圈无挡边的圆柱滚子轴承,其内圈和外圈可以向轴向作相对移动,所以可以作为自由端轴承使用。
在内圈和外圈的某一侧有双挡边,另一侧的套圈有单个挡边的圆柱滚子轴承,可以承受一定程度的一个方向轴向负荷。
一般使用钢板冲压保持架,或铜合金车制实体保持架。
但也有一部分使用聚酰胺成形保持架。
3.6.2圆柱滚子轴承的特点
1.滚子与滚道为线接触或修下线接触,径向承载能力大,适用于承受重负荷与冲击负荷。
2.摩擦系数小,适合高速,极限转速接近深沟球轴承。
3.N型及NU型可轴向移动,能适应因热膨胀或安装误差引起的轴与外壳相对位置的变化,可作自由端支承使用。
4.对轴或座孔的加工要求较高,轴承安装后外圈轴线相对偏斜要严加控制,以免造成接触应力集中。
5.内圈或外圈可分离,便于安装和拆卸。
我所设计的轴的最小直径为40mm。
查机械设计手册,与其相配的轴承代号为N208E,尺寸为d=40mm,D=80mm。
B=18mm。
轴承的安装位置在L2和L4处,所以L4=18mm。
3.6.3一些因素对圆柱滚子轴承
震动对圆柱滚子轴承的影响
在平时的使用中,震动对轴承的损伤是相当敏感的,剥落、压痕、锈蚀、裂纹、磨损等都会在轴承振动测量中反映出来。
所以,通过采用特殊的轴承振动测量器(频率分析器等)可测量出振动的大小,通过频率分不可推断出异常的具体情况。
测得的数值因轴承的使用条件或传感器安装位置等而不同,因此需要事先对每台机器的测量值进行分析比较后确定判断标准。
温度对轴承的影响
用高温经常表示圆柱滚子轴承已处于异常情况。
高温也有害于轴承的润滑剂。
有时轴承过热可归诸于轴承的润滑剂。
若轴承在超过125℃的温度长期连转会降低轴承寿命。
引起高温轴承的原因包括:
润滑不足或者润滑过多,轴承滚道中含有杂质,极限转速过高,轴承长期超负荷运转等。
3.6.4轴承的润滑
润滑对滚动轴承的疲劳寿命和摩擦、磨损、温度、振动等有重要影响,没有正常的润滑,轴承就不能工作。
分析轴承损坏的原因表明,40%左右的轴承损坏都与润滑不良有关。
因此,轴承的良好润滑是减小轴承摩擦和磨损的有效措施。
除此之外,轴承的润滑还有散热,防锈、密封、缓和冲击等多种作用,轴承润滑的作用可以简要地说明如下:
1.在相互接触的二滚动表面或滑动表面之间形成一层油膜把二表面隔开,减少接触表面的摩擦和磨损。
2.采用油润滑时,特别是采用循环油润滑、油雾润滑和喷油润滑时,润滑油能带走轴承内部的大部分摩擦热,起到有效的散热作用。
3.采用脂润滑时,可以防止外部的灰尘等异物进入轴承,起到封闭作用。
4.润滑剂都有防止金属锈蚀的作用。
5.延长轴承的疲劳寿命
3.6.5选择润滑剂时应该考虑的因素有:
1.轴承的工作温度[6]
各种润滑剂都有其各自适合于工作的温度范围。
过高的工作温度会使润滑剂的
粘度降低,润滑效果变差,以至完全失效
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