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1、本科论文目 录摘 要AbstractII1 绪论11.1 齿轮测量技术的发展11.2 齿轮双面啮合综合测量仪前景分析11.3 课题主要工作任务11.4 课题预期目标11.5 小结22 齿轮综合误差试验机总体方案22.1 总体方案设计22.2 方案确定32.3 工作原理42.4 齿轮双面啮合综合测量仪的使用43 动力驱动部分设计43.1 步进电动机的介绍43.2 步进电动机的分类及特点43.3 步进电动机的三要素54 机械结构部分设计计算74.1 轴的设计74.2 丝杠螺母副的计算94.3 滚动轴承的选用和计算144.4 联轴器的选用和计算144.5 螺纹联接的选用计算164.6 键的选用174
2、.7 销的选用194.8 导轨的设计205 传感测试及控制电路部分设计215.1 传感器的定义及分类215.2 电感式位移传感器225.3 光电编码器225.4 控制系统226 圆柱齿轮参数226.1 标准齿轮参数236.2 被测齿轮参数23结 论25致 谢26参考文献27本科论文摘 要齿轮是轮式机械部件，其通过齿的啮合传递扭矩。齿轮由其余齿形机械部件（如另一个齿蜗，齿条，杆轮）驱动，改动目的并改变运动形式。因为齿轮的普遍应用在我们生活中，不同情况差别很大，不同的形态和更多的几何参数，这将直接引出制作和装置中的某些谬误，这将影响使用质量。对于符合齿轮的各种数据，必需测试各种数据。齿轮的误差对于
3、齿轮的整体精度有重要的影响，也是整个齿轮箱检测的重要一环。当今，检测主要是利用手动和手动误差处置的机械测量措施。这种传统的检测方式耗时且难以保障测试数据的准确性。由于我们要保证测试的效率还有准确性，有必要自动改进具有双齿轮的传统集成测量仪器。该设计主要设计用于自动转换传统测量装置的低效率和大误差检测，采用双面齿轮传动装置，它能够使检测效率，准确性和可靠性得提升。具有齿轮传动装置的改进的双作用集成测量仪器基本上由机械部件，步进电机等组成。改进后的齿轮啮合综合测量仪具备体积小，重量轻，操作简便，稳定性好的特点。改进后的双面齿轮测量器采用步进电机控制装置的转动功能，用传感器替代用来检修测量，可以完成
4、自动测量装置的综合误差，测量精度的提高，减少外界因素影响提升测量效率是可以达到的。关键词： 齿轮双面啮合综合测量仪，位移传感器，步进电机，齿轮 AbstractGear is a wheel type mechanical part, which transmits torque through the engagement of teeth. The gear is driven by other tooth shaped mechanical parts (such as another worm, rack and rod wheel), which changes the purpos
5、e and movement form. Because gear is widely used in our life, different situations are very different, different shapes and more geometric parameters, which will directly lead to some fallacies in production and device, which will affect the quality of use. It is necessary to test all kinds of data
6、according to the gear. The error of the gear has an important influence on the overall accuracy of the gear, and it is also an important part of the whole gearbox detection. Nowadays, the detection mainly uses the mechanical measurement measures of manual and manual error disposal. This traditional
7、detection method is time-consuming and difficult to guarantee the accuracy of test data. Because we want to ensure the efficiency and accuracy of the test, it is necessary to automatically improve the traditional integrated measuring instrument with double gears. The design is mainly designed for au
8、tomatic conversion of traditional measuring device for low efficiency and large error detection. The double-sided gear transmission device can improve the detection efficiency, accuracy and reliability. The improved double action integrated measuring instrument with gear transmission device is basic
9、ally composed of mechanical parts, stepping motor, etc. The improved gear engagement comprehensive measuring instrument has the characteristics of small volume, light weight, simple operation and good stability. The improved double-sided gear measuring device adopts the rotation function of the step
10、ping motor control device, and the sensor is used instead of the maintenance measurement. It can complete the comprehensive error of the automatic measuring device, improve the measurement accuracy, reduce the influence of external factors and improve the measurement efficiency.Key Words Gear double
11、-side meshing comprehensive measuring instrument; displacement pickup; Stepper motor; Gear1 绪论1.1 齿轮测量技术的发展到目前为止，齿轮的精密度拥有三个阶层：齿轮几何误差是第一个阶层、第二阶层是齿轮误差运动学，第三阶层是齿轮误差动力学。目前我们所研究的三个阶层里，齿轮误差动力学理论仍处于钻研。1随着计算机和数控技术的普遍应用，齿轮双面啮合集成测量仪器技术也在快速发展，各种功能也发生了质的变化。1.2 齿轮双面啮合综合测量仪市场需求及产品应用前景分析由于中国测量仪器行业一直创新，因而在我国测量工具的可靠
12、程度以及稳定程度取得了历史性的突破。尤近年来，我国在自主开发测量仪器区域有了很高成就，尤为在开发测量齿轮工具方面，日益壮大，与国外发达国家有着明显差距减小。但测量行业任重道远，我们要牢牢把握住机遇。因此，具有很高的地位，因而在生产实际中被广泛应用。齿轮双面啮合综合测量仪界面友好，检测准确，生产成本低。在现今社会对齿轮测量仪需求量较大的环境下齿轮双面啮合综合测量仪具有一定的社会价值和实用价值，所以有更好的市场潜力以及发展前景。21.3 课题主要工作任务根据课题任务极其测量仪的分析，本设计主要内容：步进电动机的选择、轴的结构设计、丝杠螺母副的设计计算、滚动轴承的选用及计算、联轴器的选用和计算、螺纹
13、连接的设计计算、键和销的选用以及导轨的设计。1.4 课题预期目标为了解决测量结果的稳定性，可靠性和准确性的问题，现有的齿轮测量仪器缺乏动态性能对质量是影响的。一般而言，齿轮双面啮合综合测量仪具有许多优点和缺点，但操作简单，界面友好，检测精度高，生产成本低。3齿轮双面啮合综合测量仪具有一定的社会价值和实用价值，具有较好的市场潜力和发展前景。1.5 小结当今，测量仪器主要是机械式的，受人为因素的影响，不仅耗费时间而且浪费人力。想要摆脱这个大难题，有人创新了一种机械齿轮双啮合测量仪向数字化转换的方法。该方法适应了仪器瞄准装置的发展目标和我国的实际情况，本文介绍了测量设备的发展历史，指出了机械工具双目
14、尺寸存在的问题，并概述了设计的主要任务和工作内容。 2 齿轮综合误差试验机总体方案2.1 总体方案设计2.1.1方案1 自动化齿轮双面啮合综合测量仪图2.1 自动化齿轮双面啮合综合测量仪的简图第一种类型的测量仪器，如图2-1在箱体8内上安装一个步进电机1驱动轴4转动。再由轴4带动标准齿轮3，然后带动齿轮5作双啮合转动。 在箱体8设计一个用于安装手柄7用来把被测齿轮5驱动到位。被测齿轮和标准齿轮的中心距变化就是滑板6和底座8的位移。该结构以双齿仪原有的安装附件为基础进行改进设计，并附加了一些结构组合，使其成为一个系统。2.1.2方案2 滑板直线移动式双齿仪图2.2 滑板直线移动式双齿仪的简图第二
15、种类型的测量仪器，被测齿轮3和标准齿轮2中心距的变动将通过观察指示表4的指针得到。滑板直线移动式双齿仪这种仪器结构简单，但这种测量方式过程很麻烦，因而效率极其低，读数时会影响准确度。2.1.3 方案3 支架摆动式双齿仪图2.3 支架摆动式双齿仪的简图第三种类型的测量仪器，如图2-3通过重锤5的牵引可以带动1测量仪表的数值变动。1是带有传动链的记录仪器。支架摆动式双齿仪要求较高，不适合中小企业的大批量加工，生产效率低。2.2 方案确定方案1较方案2和方案3相比:方案1结构成本虽然相对较高，但功能稳定，测量具有可靠性，可以简化测量过程，提高测量精确度。方案2测量效率低，不适合大批量检测。齿轮检查仪
16、需要在现场进行检测，方案3的设计在凹凸不平的环境下测量不稳定。综合以上三种方案，从环境要求、可用性、国内现有的技术等方面考虑，最终选择方案1。综上所述：选用方案1合适。2.3 工作原理齿轮双面啮合综合测量仪的工作原理：使一标准齿轮与被测齿轮啮合，并在啮合过程中，通过测量中心距变化来测试齿轮的误差。4如图2.1所示，将标准齿轮安装在心轴上，被测齿轮安装在测量滑架的心轴上，在弹簧力的作用下，两齿轮啮合时无侧隙，由于测量齿轮的加工误差，两个齿轮的中心之间的距离将在啮合过程中发生改变，通过测量两齿轮中心距的变化量来测试被测齿轮的综合误差。52.4 齿轮双面啮合综合测量仪的使用旋转手柄沿标准齿轮的方向驱
17、动导轨，使待测齿轮与标准齿轮啮合，然后安装在齿轮箱中的步进电机启动使轴进行旋转。再使轴带动标准齿轮驱动，驱动待测齿轮，使两个齿轮作紧密无侧隙双啮合转动。测量滑架和导轨的相对位移是测量的齿轮和标准齿轮之间的中心距离的变化，并且以此可以全面的反映了被测齿轮误差。3 动力驱动部分设计计算3.1 步进电动机的介绍根据组合电磁铁原理设计了步进电机。步进电动机的原理是由电脉冲信号转换成相关的线性位移，我们所说的电脉冲信号控制特殊运行方式的同步发动机。在特殊的角度旋转下并且不过载，脉冲率和脉冲数通常是能够控制转速和决定发动机停止的位置，而与是否过载并无关系，6所以向发动机发送信号将使发动机以步进角旋转，这种
18、线性关系的存在和发动机停止位置只取决于转速和脉冲数，而不取决于负载的变化，即向发动机添加脉冲信号将以步进角旋转。总而言之：当传球手收到脉冲时，他移动步进发动机，让球在固定的轨道上划过，完成准确的定位是由脉冲数量的多少来操控角位移的，同时我们所确定的调速指标是靠控制发动机脉冲频率完成的。3.2 步进电动机的分类及特点3.2.1分类步进电机有很多种，有旋转电动机还有直线电动机。根据电磁转矩产生原理，常用的旋转步进电机可分为三类:反应型(也称为磁阻型)步进电机、永磁型步进电机和混合型(也称为永磁电感型)步进电机。3.2.2特点（1）反应式步进电机的特点：起动，运转频率高和小步距角，使用长期功率大，具
19、有自锁功能，功耗大，在我们日常生活中使用频繁。（2）永磁式步进电机的特点：能量相对较小。在突发电力故障中，存在一个大的阶跃位置二进制和低的启动和运行频率。（3）混合式步进电机的特点：它具有小的步距角（可以在与反作用步距角相同的小步距角下进行）、高的起动和运行频率、低的消耗和定位扭矩。结合了反应级发动机和永磁通道发动机的特点。因为采用了混合结构，结构更为复杂，所以有非常高的成本。3.3 步进电动机的三要素反应式步进电机是中国最广泛使用的步进电机之一。它具有广泛的速度控制，良好的动态性能，启动迅速，结构简便。因此，本设计采用第一种步进电动机也就是反应式步进电机。步距角，静态转矩和电流。是步进电机的
20、三个重要指标，了解这三个重要指标，因而就选择了我们设计所需要的步进电机的型号。7（1）电机固有步距角 已知被测齿轮的最多齿数是400，每个齿采样10个点，标准齿轮的齿数为40，则经换算电机的步距角应不大于0.9。（2）静力矩的选择我们通常首先确定电机的静态扭矩。一旦选择了静态扭矩，就可以确定电机的基准和长度（几何尺寸）。由于本设计电机驱动齿轮转动，齿轮转动所需力矩很小，由经验估算其大小约为1.5Nm。（3）电流的选择由于不同的电流参数，具有相同静态转矩的电动机具有不同的操作特性。我们可以依照步进电机的运行局频特性曲线图来判断。如图3.1所示。图3.1 步进电机的运行矩频特性曲线 图3.2 步进
21、电动机的型号图3.3 步进电动机外形尺寸参数见表3.1。表3.1 110BF004步进电动机基本参数相数步距角（）电压（V）相电流（A）静转矩（N.m）起动频率（步/s）外形尺寸（mm）外径长度轴径重量30.753044.9500110110115.54 机械结构部分设计计算4.1 轴的设计4.1.1轴的概述（1）轴的用途及分类轴是机器不可或缺的一部分，其作用是支撑转动部件，使转动部件具有一定的工作位置，传递运动和动力。（2）轴的材料和毛坯大多数钢轴坯料由轧制钢和锻件制成，而其他钢轴坯料则直接由钢制成。也可以使用球墨铸铁。机器轴一般由优质碳钢制成，如35，45，50。虽然碳钢的强度比合金钢低，
22、但整体性能良好，灵敏度较高，成本低。其他好处被广泛使用。特别使用钢45使用最多。8根据轴的需要，经常需要各种热处理，化学处理和表面强化处理来改善轴的耐磨性和耐腐蚀性。轴通常通过轧制圆棒或锻件制成。4.1.2 轴的设计计算本设计中驱动标准齿轮的轴是传动轴，它主要传递转扭矩，也就是说主要承受扭矩，不承受或只承受较小的弯矩，所以只需要校核扭转强度及刚度即可。本设计中选用材料为45钢的实心轴，最小轴径为12 mm。（1）轴的扭转强度的计算根据材料力学可知，对于实心圆轴的扭转强度条件为：（4- 1）式中：扭转切应力，；轴所受的扭矩，；轴的抗扭截面系数，；实心轴：；计算截面处轴的直径，；许用扭转切应力，；
23、见表4-1由式（4-1）可得轴的直径（4- 2）表4.1 轴常用几种材料的值轴的材料Q235A、20Q275、35（1Cr18Ni9Ti）4540Cr、35SiMn、38SiMnMo、3Cr131525203525453555本设计计算取，取电动机的最大输出转矩。代入（4-2）得。此轴有一个键槽，轴径增大，即。由于本设计中所设计的轴的最小轴径为12mm，因此满足扭转强度计算。2、轴的扭转刚度的计算圆轴扭转角单位为()/m的计算公式为：（4- 3）式中：轴所受的扭矩，；轴的材料的剪切弹性模量，对于钢材，；轴截面的极惯性矩，对于圆轴，；轴的直径，。轴的扭转刚度条件为：（4- 4）式中：对于精密传动
24、轴，可取，取。由于本设计中，故，满足扭转刚度计算。4.2 丝杠螺母副的计算4.2.1 滚珠丝杠螺母副的组成及工作原理滚珠丝杠螺母副是完成旋转和直线运动的转换传动机构。特点是其构造螺杆螺母与球之间有螺旋槽，为了能够摩擦系数变小。当它们一起安装时，就形成了一个螺旋形的滚道，滚道内充满了滚珠轴承。当螺杆相对于螺母旋转时，它们之间会发生轴向位移。将滚珠在螺杆上旋转几圈后，通过回料导轨（滚珠回料装置）将滚珠在螺杆与螺母之间依次回滚，形成闭环管。94.2.2 耐磨性计算丝杠螺母副的结构尺寸如图4.1和图4.2所示。图4.1 丝杠螺母副的简图图4.2 丝杠螺母副的基本尺寸图图中为丝杠螺母副的中径，为丝杠的大
25、径，为丝杠的小径，为螺母的大径，为螺母的小径，为螺距。耐磨性决定丝杠中的中径。（4- 5）对于梯形螺纹，带入式（4-5）得（4- 6）式中：丝杠中径，mm丝杠所受最大轴向力，N螺母长径比，一般，取材料许用应力，见表4-2，表4.2 丝杠螺母副材料的许用压力值丝杠螺母的材料滑动速度()许用压力()摩擦系数钢青铜低速18250.080.103.011186127101512淬火钢青铜61210130.060.08钢铸铁81010121217172222303038键的长度系列6，8，10，12，14，16，18，20，22，25代入（4-16）得。，综上所述，该键满足强度要求。4.7 销的选用4.
26、7.1 销的分类及选用圆柱销可预加工，适合精准定位（预加工），并且可以承受剪切力但不适合频繁拆卸。圆锥销通常用于定位，经常拆卸的场合，也可以用作连接销，需要进行铰孔。连接用小的直径可根据连接的结构特点和经验确定，必要时再做强度校核。定位销的直接可按结构确定。16我们在本设计中确定选取的销均为圆锥销。4.7.2 销的强度计算销的剪切强度条件为：（4- 14）式中：销的切应力，销受到的剪切力，经估算销的危险截面的直径，销材料的许用切应力，代入（4-17）得综上所述，本设计中的销强度满足要求。4.8 导轨的设计4.8.1 导轨的作用导轨的功能是支撑负载和导向。移动部件和工件受到安装在导轨上的移动部件
27、的质量和切割力，并且移动部件可以沿着导轨移动。4.8.2 导轨设计的主要要求导轨必须负荷高精度，高承载能力，良好的刚性，低摩擦阻力，结构简单，做工精良，易于加工，调整等要求，组装维护，成本低。174.8.3 导轨的主要结构直线运动导轨具有四种横截面形状：矩形，三角形，燕尾形，圆柱形，并且可以彼此组合，具有凸和凹的分别。本设计导轨的形状及基本尺寸如图4.3所示：图4.3 导轨的形状及基本尺寸图采用燕尾导轨，可承受较大的倾覆力矩，高度较小，结构紧凑，间隙调整方便，适用于受力小、层次多，要求间隙调整方便的部件。5 传感测试及控制电路部分设计5.1 传感器的定义及分类传感器指的是对特定信息具有感知和检
28、测功能的那些组件或设备，并且根据特定规则被转换成相应可用的输出信号。根据输入物理量的性质进行分类，可分为物理量、化学量、生物量三大类，见表5.1，按工作原理可分为应变式、电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式传感器。表5.1 传感器按输入物理量分类基本物理量派生物理量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度等角位移旋转角、偏转角、角振动等速度线速度速度、振动、流量、动量等角速度转速、角振动等加速度线加速度振动、冲击、质量等角加速度角振动、扭矩、转动惯量等力压力重量、应力、力矩等在这次设计里我们确定选用电感式位移传感器。5.2 电感式位移传感器电感式位移传感器是机电传感器。它分为两种类型：
29、差分电感和差动变压器。它的输入是机械位移，输出是一个正弦波，其幅度与位移成正比。主要部件有镗孔精密夹套、测量杆、磁箱、线圈等。在测量零件的大小进行测试或位移的变化，通过测量杆的核心，改变线圈的相对位置，并导致周围的线圈磁场的变化,因此使输出信号的振幅变化，在电气原理上属于机电位移传感器。18它广泛用于精密加工，以高精度测试产品尺寸。输出电信号可以转换成数字输出，用于微电脑采集，因此可以安装在生产线上。它在许多领域具有广泛的应用，如精密加工和检测。5.3 光电编码器步进电机的旋转角度非常高，因为它与齿轮误差测量装置的测量精度直接相关，因此在该装置中必须使用编码器。5.4 控制系统整个系统如图5.
30、1 所示。图5.1 控制系统介绍 原理：在本设计和测试过程中，当被测齿轮被手轮调整到合理的中心距并且两齿轮啮合正常时，步进电机驱动标准齿轮驱动被测齿轮进行双啮合运动，被测齿轮产生相对于浮滑板基座的相对位移。计算机把数据存储、分析，最后结合软件分析结果然后打印出来。196 圆柱齿轮参数双面齿轮啮合综合测量仪的工作原理是使标准齿轮与被测齿轮啮合。在啮合过程中，通过测量两齿轮中心距的变化来测量齿轮的综合误差。6.1 标准齿轮参数五大基本参数：齿数、模数、分度圆压力角、齿顶高系数和顶隙系数，它们的值决定了齿轮的主要几何尺寸及齿廓形状。所谓标准齿轮是指模数、分度圆压力角、齿顶高系数和顶隙系数均为标准值，
31、并且的齿轮。（1）模数（2）分度圆压力角，我国国家规定分度圆上的压力角。（3）齿顶高系数和顶隙系数本设计标准齿轮参数如表6.1所示：表6.1 标准齿轮参数名称代号及计算公式数值齿数50模数3压力角齿顶高系数1顶隙系数0.25分度圆直径150齿顶高直径156齿根高直径142.5基圆直径140.95分度圆齿距9.42分度圆齿厚4.71分度圆齿槽宽4.716.2 被测齿轮参数本设计被测齿轮参数如表6.2所示：表6.2 被测齿轮参数名称代号及计算公式数值齿数40模数3压力角齿顶高系数1顶隙系数0.25分度圆直径120齿顶高直径126齿根高直径112.5基圆直径112.76分度圆齿距9.42分度圆齿厚4
32、.71分度圆齿槽宽4.71结 论最后通过此次的毕业设计，不仅能够让我复习巩固了，在校期间所学的知识与专业课，同时提高了查阅手册、文献的能力，在制图、写作、表达叙述方面也得到了很大的提高，对制图软件Auto CAD，Proe使用也更加成熟稳定了。通过本次对齿轮双面啮合综合测量仪的设计，得到的主要结论如下:（1）通过了解对齿轮双面啮合综合测量仪的发展和使用情况，分析并设计了齿轮双面啮合综合测量仪的本体部分和动力驱动部分。（2）通过对机械本体部分的轴、轴承、丝杠螺母副及其附件进行了设计和选用；动力驱动部分主要是对步进电机进行了选用和计算。（3）通过了解对齿轮双面啮合综合测量仪的装置设计，分析出了传动
33、的结构，设计了合理的传动零件及具体的设计参数。（4）对先前确定的部件进行分析，确保其能完成本次设计要求。（5）最后完成了齿轮双面啮合综合测量仪的装配图以及主要零件的零件图。（6）对设计的齿轮双面啮合综合测量仪进行三维建模。致 谢在经历了近几个月的选题、查阅资料以及反复与导师的沟通后，终于这篇论文成型了，该篇论文得以顺利完成主要归功于我的论文指导老师们的指导。毕业设计是帮助我总结大学所学到的知识。从初始数据采集、数据选择、方案比较、方案确定，到齿轮综合误差测量仪的设计，每个步骤都至关重要，环环相扣，导致遗漏或忽视的任何步骤都将导致未来设计的许多缺点。通过这次毕业设计，我的实践技能和数据收集技能也
34、得到了提高。最终设计中的许多数值，公式和计算方法要求我在设计过程中耐心阅读书籍，查看材料和使用辅助设计软件。我还需要耐心学习，学习使用的基础知识并将其应用到设计中。同时，本次毕业设计的顺利完成还要感谢同学和室友的无私帮助，是你们不厌其烦的为我解决问题，给予了我迎难而上的动力。最后，感谢学习提供给我们的优质学习环境以及庞大的师资力量，使我得到了前进的动力和学习的机会。本次毕设的完成过程使我更深刻的认识到学无止境的意义，通过完成的过程我也发现了自己在部分知识的理解与掌握上的不足，这也会是我之后继续学习、专研的动力。完成毕设的过程充满了曲折，这也使我的意志力以及自律性得到极大增强，在未来的工作与生活中必将对我有极大的帮助。参考文献1石照耀，费业泰，谢华锟.齿轮测量技术100年回顾与展望J.中国工程科学，2003(09):13-17.2刘代瑞. 齿轴自动双啮合测量仪的研制D.上海交通大学，2014.3孙晓娟. 齿轮参数和精度的三维坐标测量仪检测D.哈尔滨理工大学，2006.4董里扬.浅谈步进电机的工作原理J.科技信息，2007(08):74.5郭连湘，何频，李党索.滚动轴承专家系统设计J.机械设计与制造，2005(08):141-142.6吴国忠，许懿洋.步进电机驱动电源的设计及其可靠性分析J.中小型电机，2003(06):50-54.7武永利.滚珠丝杠的选用与校核J.机械