汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計

I 摘 要 連桿是發(fā)動機的關(guān)鍵零件之一，它的質(zhì)量直接影響著發(fā)動機的工作性能和使用壽命，因此對其有很高的尺寸和形位精度的要求。為保證這些要求， 連桿檢測成了生產(chǎn)中頻繁而又不可缺少的環(huán)節(jié)。 汽車連桿兩端孔的平行度的要求比較高，如果平行度差，就會使發(fā)動機的噪音大，耗油量大，磨擦大，磨損快，這就要求工件必須有很高的平行度。 本裝置是專門為測試汽車發(fā)動機連桿兩孔中心線的平行度而設(shè)計的。本系統(tǒng)的設(shè)計原則是：全部測試過程自動化，包括檢測前的工件夾緊，測試過程中的數(shù)據(jù)處理，檢測后試件的自動退出以及測試結(jié)果的顯示與打印。本裝置的 特點是：測試精度較高。 在本系統(tǒng)中，測試時測試箱和測桿的運動由 X 向數(shù)控工作臺來拖動，數(shù)控工作臺由步進電動機帶動，工件的夾緊裝置采用液壓系統(tǒng)，因為液壓系統(tǒng)夾緊比較平穩(wěn)，振動較小，對系統(tǒng)的精度影響較小。 本裝置是一個完整的測試裝置，既可以單獨用來測試，也可用于計算機集成制造系統(tǒng)中去。 關(guān)鍵詞： 連桿 ；平行度； 測量 ； X 向數(shù)控工作臺 Abstract Connecting rod is one of key components of engine, whose quality affects engines work performance and life-span directly. Consequently, hing precision of size and form is necessary.The connecting rod is examined in the production to be frequent and to be essential link to ensure hing precision of size and form. The center line parallelism of the cars link bar has a high request. If the center line parallelism is not well, the auto engine will have a loud noise, big waste of oil, big friction, fast wear away. So it requests the work-piece have a high center line parallelism. This testing set is special designed for testing the centre line parallelism of auto engine link bars twain aperture. The design principle of this system is: All testing is roboticized, including the data processing before work piece was clamped, the test piece automatic quit after test, testing result display and mimeograph. The characteristic of this set is: The testing precision relatively higher. In this system, when testing begin, the testing box and the measure pole is dragged by the X direction numerical control table and at the same time, the table was drove by step-electromotor. the fixture adopted hydraulic pressure system, because this system is more placidity and the effect to systems precision is very small. This set is a whole testing installation. It not only can singly for testing but also for CIMS too. Key words： connecting rod ； parallelism ； examination； X direction numerical control table sensor III 目 錄 摘 要 . Abstract . 目 錄 . 1 緒論 . 1 1.1 課題的概況及提出 . 1 1.2 課題分析 . 1 2 總體方案設(shè)計 . 2 2.1 本測試系統(tǒng)的理論方法和依據(jù) . 2 2.2 本裝置的主要組成部分 . 2 2.1.1 機械部分 . 2 2.1.2 液壓部分 . 2 2.1.3 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 . 2 2.3 機械部分的功用及其設(shè)計原則 . 3 2.4 液壓部分的功用及選件原則 . 3 2.5 電氣部分 . 3 3 機械部分的設(shè)計 . 4 3.1 傳感器的選用與安裝 . 4 3.1.1 傳感器的選用 . 4 3.1.2 傳感器的安裝 . 4 3.2 其他運動部件的設(shè)計與計算 . 5 3.2.1 承載工作臺外形尺寸與重量估計 . 5 3.2.2 測試箱外形尺寸及重量估算 . 6 3.2.3 滾珠絲杠伺服傳動系統(tǒng)傳動比的確定 . 6 3.2.4 傳動系統(tǒng)中一對齒輪參數(shù)的確定 . 6 3.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型及校核 . 7 3.2.6 滾動導軌的設(shè)計 . 9 3.2.7 步進電機的選用 . 10 3.3 數(shù)控系統(tǒng)的精度驗算 . 12 4 液壓部分的設(shè)計 . 13 4.1 液壓缸的設(shè)計 . 13 4.1.1 夾緊力的計算 . 13 4.1.2 確定液壓缸的主要尺寸 . 14 4.1.3 計算液壓缸工作階段所需的流量 . 14 4.1.4 液壓缸的安裝 . 14 4.2 液壓泵的選用 . 15 4.2.1 液壓泵的工作壓力確定 . 15 4.2.2 泵的流量確定 . 15 4.2.3 選擇液壓泵的規(guī)格 . 15 4.3 與液壓泵匹配電動機的選定 . 15 5 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 . 16 5.1 硬件電路總體 設(shè)計方案 . 16 5.1.1 硬件電路框圖表示 . 16 5.1.2 硬件電路主要元器件的選擇清單 . 16 5.2 主控制器 CPU 的選擇及其引腳 . 16 5.2.1 CPU 的選擇 . 16 5.2.2 8031 的硬件資源及其引腳 . 17 5.3 存儲器擴展電路的設(shè)計 . 17 5.3.1 程序存儲器的擴展電路芯片 . 17 5.3.2 地址鎖存器選用 . 18 5.3.3 數(shù)據(jù)存儲器的擴展電路芯片 . 18 5.3.4 譯碼器的選用 . 19 5.4 I/O 擴展電路的設(shè)計 . 19 5.4.1 8255 可編程接口芯片的選用 . 19 5.4.2 步進 電機驅(qū)動電路 . 20 5.4.3 三相異步電機的驅(qū)動電路 . 21 5.4.4 電磁換向閥的驅(qū)動電路 . 21 5.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 . 22 5.5.1 測量電橋 . 22 5.5.2 測量放大電路 . 22 5.5.3 相敏檢波電路 . 22 5.5.4 功率放大電路 . 23 5.5.5 集成采樣保持電路 . 23 5.5.6 A/D 轉(zhuǎn)換電路 . 23 5.6 其他輔助電路設(shè)計 . 24 5.6.1 鍵盤與顯示器接口電路 . 24 5.6.2 打印機接口電路 . 24 5.6.3 報警顯示接口電路 . 24 6 控制軟件編程 . 26 6.1 監(jiān)控軟件的功 能 . 26 6.2 鍵盤與顯示器接口的軟件設(shè)計 . 26 6.2.1 接口電路 . 26 6.2.2 軟件設(shè)計 . 26 7 結(jié)論與展望 . 30 7.1 結(jié)論 . 30 V 7.2 不足之處及未來展望 . 30 7.2.1 不足之處 . 30 7.2.2 未來展望 . 30 致謝 . 31 參考文獻 . 32 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 1 1 緒論 1.1 課題的概況及提出 精密測量技術(shù)是機械工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件之一，這已被生產(chǎn)發(fā)展的歷史所確認。從生產(chǎn)發(fā)展的歷史來看，精密加工精度的提高總是與精密測量技術(shù)的發(fā)展水平相關(guān)的。有人認為材料、精密加工、精密測量與控制是現(xiàn)代精 密工程的三大支柱。對于科學技術(shù)來說，測量與控制是使其發(fā)展的促進因素，測量的精度和效率在一定程度上決定著科學技術(shù)的水平 1。目前，國外測量裝置已經(jīng)與計算機技術(shù)和光電技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)自動化、數(shù)字化和多功能化，國內(nèi) 正朝著這個方向 努力 發(fā)展。 連桿是發(fā)動機的重要 組成 零件，它連接著活塞和曲軸， 他的作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。其大小孔中心 線的平行度等 主要 尺寸直接影響到發(fā)動機的工作性能、使用壽命及機車的整體性能。因此，對其大小孔的中心軸線的平行 度有很高的要求，而且連桿在生產(chǎn)過程中是流水作業(yè)、產(chǎn)量大、節(jié)拍快。 因此 ， 在生產(chǎn)過程中 對其進行質(zhì)量 控制就顯得 非常 重要。 近年來隨著 國內(nèi)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對汽車發(fā)動機 性能 的 要求越來越高。而 且連桿是發(fā)動機中的關(guān)鍵 組成部件之一，其大小頭孔中心線的平行度 須達到一定的精度，否則會導致發(fā)動機耗油量大 、 磨擦大 、 噪音大。因此 ，設(shè)計一套自動化程度高和測量精度高的專用于測量連桿大 小頭孔的 檢測 裝置， 不僅 僅 可以提高產(chǎn)品質(zhì)量， 還能 更好的實現(xiàn)互換性， 更 可以獲得最佳的社會經(jīng)濟效益。因此，需要對連桿大小孔的中心軸線的平行度進行檢測 。連桿測量 裝置 向高精度、高效益、操作簡單的方向發(fā)展是一種 必然的 趨勢。 1.2 課題分析 這里要測量的工件是某汽車發(fā)動機的連桿大、小頭孔中心線的平行度。之前許多廠家使用氣動測量儀檢測，即利用直徑對氣體的壓力而通過儀表進行顯示。這樣的測量裝置還是能滿足精度要求的，但其靈敏度不是特別高，也難以適應現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)線。 本測量系統(tǒng)的總體設(shè)計思想是：整個 檢測過程實現(xiàn)自動化， 不需人工干預。在本 測試裝置中，采用滾珠絲杠以實現(xiàn)測桿的 X 方向的進給，工件的夾緊采用液壓油缸來保證系統(tǒng)的平穩(wěn)性，而自動檢測裝置選用應用廣泛的 8031 單片機來實現(xiàn)對整個測試系統(tǒng)控制。 無錫太湖學院學士學位論文 2 2 總體方案設(shè)計 2.1 本測試系統(tǒng)的理論方法和依據(jù) 在本測試系統(tǒng)中，測量汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度所 運用的理論依據(jù)是 數(shù)學方法：在每 孔的圓柱面內(nèi)側(cè)分別測出兩個截面上三個 不同 點的位置，根據(jù)這三個點確定一個圓心，兩個圓 的圓 心構(gòu)成一條直線，再依據(jù)數(shù)學方法來計算這兩條直線的夾角，最后轉(zhuǎn)換成平行度。 汽車發(fā)動機連桿 大小頭孔中心線在兩個相互垂直的方向上的平行度誤差會 導致 活塞在氣缸中傾斜，使缸壁磨損不均勻，從而縮短 發(fā)動 機的使用壽命，同時也使曲軸的連桿軸頸磨損加劇，因此在大小頭 頭孔中心 線所決定的平面之平行方向上平行度公差值應不小于100： 0.03,垂直于上述平面的方向上平行度公差值應不大于 100： 0.06。 而連桿總成裝配圖中要求以大頭孔的中心線為基準來測大 小頭孔中心線平行度，所以本測試系統(tǒng)就以一 個 定位銷來確定大頭孔中心線的位置，只需要測小頭孔中心線的位置最終則可轉(zhuǎn)換為其平行度。 2.2 本裝置的主要組成部分 2.2.1 機械部分 由傳感器箱體、 承載工作臺、工件定位和夾緊部件組成。 2.2.2 液壓部分 由液壓泵、液壓缸和液壓控制閥組成。 2.2.3 測試裝置的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 包括 CPU 選擇、存儲器擴展電路、 I/O 擴展電路、數(shù)模轉(zhuǎn) 換電路、測量放大 電路 和信號采集保持電路 以 及其它輔助電路的設(shè)計。 下圖 2-1 為機械結(jié)構(gòu)圖 ABB 圖 2-1 機械結(jié)構(gòu)圖 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 3 2.3 機械部分的功用及其設(shè)計原則 測試箱主要是將選用的傳感器正確 定位與夾緊 2，其定位精度應 該 比檢測裝置的檢測精度 要 高 1 個等級。測試箱由滾珠絲杠 拖動以實現(xiàn) X 向的進給。另外，連桿的定位精度和夾緊的可靠性要求也比較 高。 2.4 液壓部分的功用及選件原則 進行測試 之前，要 保證工件的正確定位 與 夾緊，因為本 測試 裝置屬于精密測量儀器，系統(tǒng)在運行 中要求振動小，而液壓系統(tǒng)具有平穩(wěn)性好，運動慣性小、反應速度快、易于實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點。所以，在本 測試裝置 系統(tǒng)中運用液壓系統(tǒng)對工作進行夾緊比較合理、比較 理想的。 2.5 電氣部分 在實際測量中， 因為傳感器的輸出量是連續(xù)變化的物理量（ 也就是模擬量，與此對應的電信號則是模擬信號 ） ，要將其輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理，就需要運用 A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬 信號轉(zhuǎn)換為計算機可識別的數(shù)字信號， 轉(zhuǎn)換過程主要包括采樣、量化和編碼。這里采用逐次逼近式的轉(zhuǎn)換電路，因 為 逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器在精度、速度和價格上都適中，是目前最常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器 。 因本系統(tǒng)屬于工業(yè)測控的智能化儀器儀器 ，根據(jù)實際 的 需要，在這里需要解決計算機和外設(shè)聯(lián)系的接口電路，包括鍵盤、顯示器和打印機 等 。 無錫太湖學院學士學位論文 4 3 機械部分的設(shè)計 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度檢測裝置的進給運動是數(shù)字控制的直接對象，被測試的連桿的平行度的精度肯定會受到進給運動傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。 因此，在設(shè)計進給系統(tǒng)時要 充分注意減少摩擦，提高傳動精度和剛度，消除傳動間隙，以及減少運動件的慣性。 所以進給系統(tǒng)如下圖 3-1。 電機減速器工作臺導軌滾珠絲杠 圖 3-1 進給系統(tǒng) 3.1 傳感器的選用與安裝 3.1.1 傳感器的選用 因為本裝置是用來自動檢測汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度的，所以本裝置選用差動變壓器式位移傳感器 3。差動變壓器式位移傳感器應用比較廣泛，它的精確度和 靈敏度都非常高，非線性誤差小，量程 比 較寬，非常適合本 檢測 裝置系統(tǒng)。 差動變壓器式位移傳感器有很多型號，現(xiàn)在選用以下規(guī)格的傳感器。其主要性能規(guī)格示值 見表 3.1。 表 3.1 差動變壓器式位移傳感器規(guī)格 4 變動性 0.2um 測量力 0.40.7N 總行程 1.2mm 裝卡尺寸 8h7 外形尺寸 830 重量 0.15N 3.1.2 傳感器的安裝 3.1.2.1 測量杠桿機構(gòu)的作用與外伸軸的剛度估計 因為被測汽車發(fā)動機連桿小頭的直徑只有 28mm，無法把差動變壓器式位移傳感器安裝在所測孔的內(nèi)表面上，所以 考慮選用一個杠桿機構(gòu)，稱之為測桿。測桿的一端安裝一個傳感器 測頭，另一端與傳感器的測頭相接觸，同時這個機構(gòu)還可以將這杠桿孔的直徑誤差進行放大，以保證整個測試系統(tǒng)的測量精度。 整個系統(tǒng) 要設(shè)計 三個測桿，它們安裝在測試箱的外伸軸上 面 。因為所測的連桿小頭汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 5 孔的 直徑誤差很小，所以必須 要 考慮測試桿和外伸軸的剛度 5，才能避免因變形而影 響整個測試系統(tǒng)的精度。為了降低測桿變形，在安裝時除了采用支承銷 還另加彈簧，因在測試過程中，測頭所受到的力非常小，再加上本 身 的 重量還不足 1N，而 且 測桿的材料是選用優(yōu)質(zhì)的 45 鋼，承受這樣小的力，估計其變形 是 可以忽略，因而無需校核其剛度。此外，因外伸軸的外伸長度只有 129mm,最小直徑 12mm，材料同樣選用 45 鋼，同樣 忽略其變形。 3.1.2.2 傳感器的定位與安裝 傳感器的定位 與 安裝在本自動檢測裝置的設(shè)計中是一個重點問題，因為它的正確定位將會直接影響到本測試系統(tǒng)的精度。但是，不管怎樣它都會帶來誤差屬于常值系統(tǒng)誤差，可以用過其他方法給予補償。 傳感器 安裝 完成 后可以通過調(diào)整與其相連的壓板螺母來調(diào)節(jié)其軸向定位和徑向定位的精確度。 下圖 3-2 為傳感器的安裝與定位圖 圖 3-2 傳感器的安裝與定位 3.2 其他運動部件的設(shè)計與計算 3.2.1 承載工作臺外形尺寸與重量估計 見表 3.2 表 3.2 工作臺外形尺寸與重量估計 長 L 200mm 寬 D 86mm 高 H 45mm 密度 7.8x10-3kg/cm3 重力加速度 g 10N/kg 重力 G 60.37N 無錫太湖學院學士學位論文 6 3.2.2 測試箱外形尺寸及重量估算 外伸 軸 外形尺寸與重量估計 見下表 3.3 表 3.3 外伸軸 外形尺寸與重量估計 長 L 160mm 圓周率 3.14 半徑 r 12mm 密度 7.8x10-3kg/cm3 重力加速度 g 10N/kg 重力 G 5.64N 測試箱 外形尺寸與重量估計 見下表 3.4 表 3.4 測試箱 外形尺寸與重量估計 長 L 160mm 寬 D 90mm 高 H 152mm 密度 7.8x10-3kg/cm3 重力加速度 g 10N/kg 重力 G 113.82N 傳感器 G=0.15N3=0.45N 總體重量 G= G 工作臺 +G 外伸軸 +G 測試箱 +G 傳感器 =180.28N 3.2.3 滾珠絲杠伺服傳動系統(tǒng)傳動比 6的確定 3.2.4 傳動系統(tǒng)中一對齒輪參數(shù)的確定 Z 齒數(shù)； d 齒輪的公稱直徑 (mm)； b 齒輪寬度 (mm)； a 兩個齒輪的 中心距 (mm) 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 7 下圖 3-3 為齒輪 1 圖 3-3 齒輪 1 3.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型及校核 (1) 滾珠絲杠的特點 7 滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)與直線運動相互轉(zhuǎn)換的新型傳動裝置。在絲杠和螺母上加工有弧型的螺絲槽，當它們套在一起是形成了螺絲滾道，并 且 在滾道內(nèi)裝滿滾珠，當絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)時，兩者 會 發(fā)生軸向位移，而滾珠則 會 沿滾道滾動，螺母螺絲槽兩端用回珠管連接，使?jié)L珠能周而復始的循環(huán)，采用滾珠絲杠提高了機構(gòu)的效率和傳動精度，所以一般精度較高的系統(tǒng)中采用滾珠絲杠來傳動。 （ 2） 滾珠絲杠的循環(huán)形式 滾珠絲杠的循環(huán)形式主要有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。內(nèi)循環(huán)的有優(yōu)點是回路短，流暢好。外循環(huán)的優(yōu)點是加工方便。 下圖 3-4 為滾珠絲杠的循環(huán)形式 圖 3-4 滾珠絲杠的循環(huán)形式 無錫太湖學院學士學位論文 8 我設(shè)計的連桿 大小頭 孔 中心線平行度自動檢測裝置 的傳動系統(tǒng)就采用了滾珠絲杠，以增加系統(tǒng)的傳動效率，運動的平穩(wěn)性及壽命，循環(huán)形式是內(nèi)循環(huán)。 3.2.5.1 牽引力 Fm的確定 滾珠絲杠上的牽引力 Fm（ N） 是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫工作載荷。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。 取 .5N 3.2.5.2 最大動載荷 計算及主要參數(shù)的初定 計算載荷 FC（ N）的計算 計算額定動載荷計算值 式中 , 為滾珠絲杠的平均轉(zhuǎn)速（ r/min） ,nm =1000v/L0,其中 v 為最大工作載荷下的進給速度 , 取 v=1m/min.L0 為滾珠絲杠的基本導程 (mm), 這里初定為 5mm. 則nm=10001/5=200r/min； 3.2.5.3 初選滾珠絲杠副 根據(jù)最大動載荷并考慮各 種因素，選擇滾珠絲杠副的幾何參數(shù)以下： 3.2.5.4 傳動效率的計算 汽車發(fā)動機連桿大小頭孔中心線平行度自動檢測裝置設(shè)計 9 滾珠絲杠螺母副的傳動效率 為 式中 : 3.2.5.5 壓桿穩(wěn)定 8性驗算 絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷為 式中， E 絲杠材料的彈性模量，取 E=206GPa； l 絲杠的工作長度 (m)，這里 l 0.28m； aI 絲杠危險截面軸慣性矩 (m4) ， aI= d14/64=3.14(0.016788m)4/64=310-8m4 長度系數(shù)，設(shè)計絲杠的支承方式為一端固定，一端游動，故取 2/3 Fcr=N2892)28.032(10310206)14.3( =1.74106N 安全系數(shù) S= Fcr/Fm=1.74106/2.55=682352.94,可見足夠安全，不會失穩(wěn)。 3.2.5.6 剛度驗算 8 絲杠的拉壓變形量為 得 2= 2.55280/20.6104255= 0.1410-4mm, 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2，該變形量與滾珠列、圈有關(guān)，即與滾珠總數(shù)有關(guān)，與滾珠總數(shù)有關(guān)，與滾珠絲杠長度無關(guān)。有預緊時： 式中， FYJ 預緊力 (N), FYJ =0.673N； =Z圈數(shù) 列數(shù)； 代入有關(guān)數(shù)據(jù)算得 2=0.9410-3mm. 當預緊力為軸向工作載荷的 1/3 時， 2 的 值 可 減 少 一 半 左 右 ， 2=0.4710-3mm =1+2=0.000484mm 本系統(tǒng)的定位精度為 0.015，可見滿足要求。取滾珠絲桿精度等級為 3 級，允差為 12um所以也能符合設(shè)計要求。 3.2.6 滾動導軌的設(shè)計 7 由于雙 V 形滾動導軌 的 結(jié)構(gòu) 是 對稱 的 ，工作臺可以放在兩導軌之間，能承受側(cè)向力矩，無錫太湖學院學士學位論文 10 接觸剛度好、導向性和精度保持性好，并設(shè)計為鑲條 以 便維修和調(diào)整，因此滿足設(shè)計要求。 3.2.6.1 滾動導軌的參數(shù)確定 根據(jù) 檢測過程中工作臺實際需 移動的距離， 可 取導軌的總長度為 280mm， 動導軌長度為 140mm，動導軌行程為 100mm，滾珠保持器的長度為 200mm. 3.2.6.2 滾動體尺寸與數(shù)目的確定 由于工作臺重量 比較 輕，并且在工作過程中動載荷只有 2.55N。根據(jù) 有關(guān) 資料中的雙V 型導軌的滾動體的直徑最好不低于 6mm，因為若滾 動體太小就容易產(chǎn)生滑動象。現(xiàn)選滾珠的直徑為 6mm。 滾動體數(shù)目選擇的根據(jù)： z G/30 , 算得 z=10，由動導軌長度為 140mm，得兩滾珠之間的距離 t=14mm. 3.2.6.3 驗算許用負載 9 許用負載 P=Kd2 式中， K 滾動體截面上假想許用應力，經(jīng)查表取 K=60N/cm2； 導軌硬度校正系數(shù) ,這里取 =1。 P=6010.62N=21.6N