轴心轨迹检测仪结构设计Word文件下载.docx
《轴心轨迹检测仪结构设计Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《轴心轨迹检测仪结构设计Word文件下载.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
在科学实验和工业生产过程中，为了及时了解工艺过程，生产过程的情况及他们的结果，需要对被控对象特征的某些参数进行测量或检测，其目的是为了准确获得表征他们的定量信息，为生产过程的自动化及科研提供可靠的数。
科学技术的发展与检测技术的发展是密切相关的，特别是新材料，新结构的传感器研制成功，以及微型机算计的广泛发展，给测试技术带来了革命性的影响，他们在检测系统的准确性，快速性和抗干扰等方面发挥了明显的作用。
自从70年代微型机问世以来，不久就被引进电子测量和一起领域，用于检测技术中，随着单片机在体积小，性能强，价格低，速度快，用途广及通用性好等方面的发展，形成了一种全新的微机化仪器，于是基于单片机的自动检测装置越来越受到人们的青睐。
20世纪80年代，随着计算机科学技术的发展，特别是微处理器和个人电脑的诞生，不仅能进行测量并输出测量结果，而且能对结果进行储存，提取，加工与处理。
20世纪90年代微机研究获得巨大成功，实现了传感器的微型化，并进而实现传感器与信号调理电路和微处理机的集成，从而产生了高度集成的只能传感器。
人工智能原理及技术的发展，人工神经网络技术，专家系统，模式识别技术在检测中的用用，促进了检测智能化的进程，成为21世纪检测技术的发展方向。
目前国内外已经建立了许多基于润滑理论之上的轴心轨迹计算方法，其中最具代表性的有三种方法：
汉氏（Hahn）法、荷氏（Holland）法和迁移率（Mobility）
法。
汉氏（Hahn）法是德国Karlsruhe大学H.W.Hahn教授于1957年提出的。
其基本思路是将动载荷雷诺方程分成旋转效应和挤压两个部分，采用了统一的边界条件，分别求出油膜承载力，并矢量合成，再建立总承载力与外载静力平衡的方程求出轴心运动轨迹，该方法从数学上是严格的，但计算量很大。
荷氏（Holland）法是德国Clausthal工业大学J.Holland教授于1959年提出的，该方法为克服动载荷雷诺方程在数学上求通解的困难，将旋转运动和挤压运动分开，按各自的边界条件独立求解再将旋转油膜力和挤压油膜力迭加而与外载平衡，从而导出轴心运动微分方程，求得轴心轨迹。
迁移率（Mobility）法是美国学者Booker于1965年提出的，其基本思路是应用无限窄轴承理论求出油膜压力的解析解，根据油膜承载力与外载平衡求出轴心运动方程，但该方程形式非常复杂难以直接积分求解。
以上方法在轴承的变形、动力学条件、油膜演变、边界条件及热平衡等方面
对轴心轨迹的影响作了深入的研究，但仍存在不完善的地方，实际上轴承工作更
为复杂，如零部件的刚度、载荷、导热性、热容量、进油压力及油量、加工及装
配等，要准确计算轴心轨迹仍是非常困难的。
因此在实际中经常利用同一平面上
两只相互垂直安装地电涡流传感器对转轴振动进行测量，经过处理可以得到转子的轴心轨迹。
传感器的前置放大器输出信号经滤波后将交流分量输入示波器的X轴和Y轴或监测计算机，便可以得到转子的轴心轨迹。
1.3轴心轨迹检测的原理
轴心轨迹的检测是由两个垂直方向的电涡流传感器检测轴的表面的变化，从而产生的变化的涡流使传感器感知，生成一个模拟信号，该信号经过处理变成数字信号给计算机。
计算机经过处理做出判断，并合成轴心轨迹图像。
为了在径向平面，即测量平面上，完全确定轴运动，必须在这个平面上两个尽可能垂直的方向上安装两个传感器。
如果振动位移S1和S2互相垂直，那么在测量平面上的动态位移为：
图1.1轴心轨迹检测框图
提供了一钟轴的检测方式，轴心轨迹可以提供详细的轴的信息，可以通过图像直观的表达出轴的一些形位公差，并能根据所记录的数据判断该轴是否合格。
可以对轴有一个整体的判断，提高轴的检测精度，保证产品的质量。
第2章总体方案设计
2.1总体方案设计
轴心轨迹检测仪属于机电一体化的产品，机电一体化产品是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际的产品中。
一个机电一体化系统中一般由结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、职能组成要素五大组成要素有机结合而成。
机械本体（结构组成要素）是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等。
动力驱动部分（动力组成要素）依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。
测试传感部分（感知组成要素）对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。
控制及信息处理部分（职能组成要素）将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。
执行机构（运动组成要素）根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能。
构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循结构耦合、运动传递、信息控制与能量转换等原则。
在总体方案设计时要考虑机械系统、传感器的选择、电路的设计、控制检测部分主要是器件的选择和安装匹配等。
机械系统主要是由物料流系统、能量流系统、信息流系统和机械运动系统。
在机械结构方案设计时主要考虑驱动装置、传动装置、执行装置和操作装置。
将其合理的装配在一起，实现所需的机械功能。
传感器的选择要根据所检测的物体和检测的量有关，选择合理的传感器可以很方便的解决问题。
控制检测部分要选择合理的电子元器件，还要考虑各个器件的接口及具体的电路设计。
方案一：
机械系统的设计：
选择电动机作为驱动装置，选择合适的传动装置及工件的安装方式。
选用三相异步电动机作为驱动装置，选用减速器来获得一个较低的转速并且要有足够大的转矩。
工件的装夹选用三级卡盘和可以移动的尾座，尾座上有顶尖来保证工件加紧及平衡。
选用滑动导轨，尾座在其上滑动可以适合不同长度的工件。
选用螺旋传动来带动传感器的移动，选用螺纹传动。
其结构简图如图2-1所示。
图2-1.方案一结构简图
方案二：
该检测仪所需的转速很低，在电动机选择时选择低速的直流电动机，并且可以提供足够大的转矩。
因为选用低速的电动机，可以获得较低的转速，所以采用联轴器直接和轴联接，直接来带动工件的运转。
工件的装夹采用三级卡盘和尾座来装夹工件，选用滑动导轨实现平稳的运动。
传感器的移动选用滚珠丝杠螺母副，这样可以保证平稳行，减少位移误差。
其结构简图如图2-2
图2-2方案二结构简图
2.2方案的比较选择：
该检测仪的工件转动主要是由电动机来驱动的，由于所需检测的精度较高，对周围环境有一定的要求。
这样电动机的噪声不能太大，并且还要提供足够的动力。
三相异步电动机的转速一般都较高，要想得到地的转速就得选用减速装置，选用减速器来减速会有很大的噪声。
减速器的结构复杂，设计和安装比较麻烦，消耗多的能量。
低速直流电动机能够在很低的转速下提供动力，不需要减速装置。
这样的结构简单，并能保障安全性。
设计滑动轨道可以保证传感器的平稳移动，消除因机械结构的原因产生的误差，提高其检测的精度。
选用滚珠丝杠能使其平稳的运动，在位置度上提供保证。
一般的螺纹传动由于制作的原因其误差很大，并且很难保证其位置。
选用滚珠丝杠虽然造价比较高，但是可以保证其检测的精度。
这样所选用的主要部件有低速直流电动机、三级卡盘、尾座、滑动导轨和滚珠丝杠。
组成结构图如图2-3所示。
图2-3确定方案图
第3章机械结构的设计
3.1电动机的选择
该驱动和传动系统的単轴拖动系统，是由电动机通过联轴器和轴相连接，带动轴转动。
在这样的系统中电动机所带动旋转的部件就是其负载。
给定的转速的30r/min，（转速的确定的根据单片机处理信息的时间和A/D等芯片的处理时间）。
根据给定的可测轴的直径范围选择合适的三级卡盘（直径为380㎜，宽度为98㎜）。
这样该系统的主要负载是三级卡盘和轴，所受的力为其重力。
三级卡盘的重力为：
最大工件的重力：
式中：
重力加速度一般取
钢铁的密度
转矩：
总转矩T：
额定转矩：
电动机的功率：
式中：
。
根据以上的计算，选用的直流电动机的由苏州西格玛机电有限公司生产的YDS系列的超低速电机。
选用的型号是YDS-100，具体的性能参数和尺寸如下：
额定转速：
32r/min
328N.M
额定输出功率：
1.1KW
额定电流：
3.4A
图3-1电动机外形
表3-1电动机的尺寸
A
160
F
12
AC
165
B
125
G
37
AD
C
63
H
100
HD
192
D
K
L
442
E
82
AB
200
3.2导轨的设计和选型
导轨主要是用来支承和引导运动部件沿确定的轨迹运动的装置，它由两个相对运动的部件组成，称为导轨副。
导轨副中具有不动配合面的称为固定导轨或静导轨，而有运动配合面的部件称为运动导轨或动导轨。
在运动导轨和固定导轨之间只允许有一个自由度，可以是直线运动或的回转导轨
3.2.1导轨的设计要求
1）导向精度及精度保持性
导向精度是指动导轨沿静导轨运动时其运动轨迹的准确程度。
影响导向精度的主要因素有：
导轨的几何精度、导轨副的基础精度、导轨和支承件的刚度和热变形、导轨的油膜厚度及油膜刚度等。
导轨的几何精度主要是指导轨的直线度和导轨间的平行度；
接触精度则用到过实际接触面所占的百分比或单位面积每接触点数来衡量。
各类机械的技术条件不同，对导轨的精度要求也不同、
导轨精度的保持性主要取决于导轨的耐磨性和导轨的材料的尺寸稳定性。
耐磨性与导轨副的材料匹配情况、受力情况、加工精度、润滑方式及防护装置的性能等因素有关；
而良好的尺寸稳定性则要求在导轨制造过程中尽力消除导轨及其支承件的内部残余应力。
2）运动精度
运动精度包括运动的平稳性，移动灵敏度和定位精度等。
导轨运动的平稳性，特别是在低速运动时的平稳性，要求导轨速度均匀而无爬行现象。
它与导轨的结构、导轨副材料匹配、润滑条件和导轨运动传动系统的刚度运动部件的质量等因素有关。
导轨移动灵敏度指运动导轨完成一次移动所能达到的最短距离；
定位精度指运动导轨由运动状态停止在某一指定位置的能力。
灵敏度和定位精度与导轨类型、摩擦特性、运动速度、传动系统刚度及移动件质量等因素有关。
3）刚度和承载能力
导轨受力后的变形将影响部件之间的相对位置和导向精度，这对于精度机械和一起尤为重要。
导轨变形有导轨本体变形和导轨与静导轨接触部位的接触变形，应分别考虑。
导轨应具有足够的承载能力，载荷的分布要合理，以避免导轨不均匀磨损而失去精度，影响使用寿命。
4）抗振性和稳定性
抗振性和稳定性是导轨的振动稳定性指标，前者指抗受迫振动的能力，而后者指抗自激振动的能力。
导轨的抗振能力与导轨刚度、固有频率和阻尼特性有关。
如闭环控制的数控机床，不仅要求导轨的启动、制动跟踪灵敏度高，还要求有适当的粘滞阻尼特性，以防止在启动、制动过程中发生振动稳定性问题。
5）机构工艺性
结构简单、工艺性好，在满足使用要求的前提下，尽量便于加工、装配、调整和维修。
6）对温度变化的适应性
环境温度变化和局部热源产生的不均匀温度场，都可能会引起导轨变形，精密设备的导轨应具有较好的适应性。
3.2.2导轨的选型
导轨的类型和特点：
导轨的分类方法有很多种，按运动轨迹可分为直线型导轨和圆导轨；
按工作性质可分为主运动导轨，进给导轨和调整导轨；
按受力情况可以分为开式导轨和闭式导轨；
按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。
根据需要选择的导轨是直线导轨，常用的直线滑动导轨的截面形状有矩形、三角形、燕尾形和圆形。
选的是燕尾形导轨，该导轨的尺寸紧凑，导向精度较高，位置精度高；
用一根镶条可以同时调整各面的间隙，调整及加紧简便。
导轨的精度要求：
导轨面的平面常取0.01,导轨长度方向的直线度取0.005。
导轨的润滑：
对导轨进行润滑后，可以降低摩擦系数，减少磨损，并且可以防止导轨面锈蚀。
因此，必须对导轨面进行润滑。
滑动导轨常用的润滑为润滑脂。
3.3滚珠丝杠螺母副的选型
3.3.1滚珠丝杠螺母副的工作原理和特点
1）滚珠丝杠螺母副的工作原理
滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，其结构如图3-2所示。
丝杠4和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起是变形成了滚珠的螺旋滚道。
螺母上有滚珠的回路管道2，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，病在滚道内装满滚珠3。
当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母（或滚珠丝杠）轴向移动。
2）滚珠丝杠螺母副的特点：
1．传动效率高，摩擦损失小。
滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92～0.96，比普通丝杠高3～4倍。
因此，功率消耗只相当于普通丝杠的1/4～1/3。
2．若给予适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。
3．运动平稳，无爬行现象，传动精度高。
4．具有可逆性，既可以从旋转运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。
也就是说，丝杠和螺母都可以作为主动件。
5．磨损小，使用寿命长。
6.制造工艺复杂。
滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度要求高，故制造成本高。
图3-2滚珠丝杠螺母副的结构简图
1-螺母；
2-滚珠回路通道；
3-滚珠；
；
4-丝杠；
3.3.2滚珠丝杠螺母副的选择
1.滚珠丝杠精度选择
国家标准GB/T17587.3-1998将滚珠丝杠分为定位滚珠丝杠副（P型）和传动滚珠丝杠副（T型）两大类。
滚珠丝杠的精度等级分为7个等级，即1、2、3、4、5、7、10级，1级精度最高，依次降低。
根据JB/GQ1140-1989的规定，坐标轴的反向值主要取决于该坐标轴的摩擦死区误差Δ值的大小；
而定位误差一是取决于滚珠丝杠自身的螺距误差的影响，二是取决于由传动系统刚度变化产生弹性变形而引起的定位误差
始终是滚珠丝杠的精度选择依据。
2.滚珠丝杠螺母副支承方式的选择
支承的作用是限制两端固定轴的轴向窜动。
较短的滚珠丝杠或竖直安装的滚珠丝杠，可以一端固定一端自由（无支承）。
水平安装的滚珠丝杠较长时，可以一端固定一端游动。
用于精密和精密机床（包括数控机床）的滚珠丝杠副，为了提高滚珠丝杠的拉压刚度，可以两端固定。
为了减少滚珠丝杠因自重下垂和补偿热膨胀，两端固定的滚珠丝杠还可以进行预拉伸。
根据以上的选择原则，为了保证测量的精度，提高运动精度。
我选择FFZL2005型。
选择（P型），等级2级。
3.4传感器的选择及支承架的设计
3.4.1传感器的选择
传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。
静态量指稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号。
动态量通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。
无论对动态量或静态量，传感器输出电量都应该不失真地复现输入量的变化。
这主要取决于传感器的静态特性和动态特性。
因为我设计的是传感器非接触测量轴的轴心轨迹，我选用的是电涡流传感器。
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。
它是一种非接触的线性化计量工具。
电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。
在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。
如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。
从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。
电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。
该检测仪检测时是非接触的测量，选择了电涡流传感器。
选择的是美国KAMAN电涡流传感器型号为KD-2300。
传感器的主要技术参数：
（1）测量范围0.020-2.0英寸
（2）精度0.01%
（3）线性度±
0.5-±
1%
（4）频响50KHZ;
（5）工作温度：
传感器：
-55°
C～+105°
C
电缆及连接设备：
C～+105°
电子电路：
0°
C～+55°
（6）存储温度：
传感器，电联，连接设备：
电路：
（7）电源需求：
电压：
±
12Vdc～±
15Vdc
电压调整：
1/2Vdc
电流：
70mA
3.4.2传感器支架的设计
本试验台设计的可以检测轴直径从20㎜—200㎜的轴，而选择的电涡流传感器的测量范围0.020-2.0英寸（5.08—50.8毫米），在检测时不能够完全检测所有的轴径范围内的轴，因此需要调整传感器的位置。
而传感器的位置对于检测的精度的影响是很大的，所以要选择合适的支架来适应不同轴径的轴。
为了保证检测的精度，设计一系列的传感器支架。
根据轴径的不同和测量范围的限制，对所需检测的轴径进行了分段设计。
把轴的直径分为20—80㎜；
80—120㎜；
120—160㎜；
160—200㎜四段。
这样可以保证在一个检测到每个轴径的轴。
对应的每一段的轴径所设计的传感器支架的半径分别为：
55㎜、75㎜、95㎜和115㎜。
采用的是分离上下两部分结合的方式，将半圆的支架焊接在固定支座上，这样可以保证其位置度。
固定支座是用螺螺栓和动导轨固定在一起的，减少了位置的偏差。
传感器支架如图3-3
图3-3传感器支架
3.5尾座的设计
尾座在该检测仪结构中的作用主要是在检测轴时，使轴始终保持在一个轴线上不出现偏差或使太长的轴不会有下垂的情况发生。
要使三级卡盘中心线和尾座的顶尖的轴线重合，并且该轴线通过两个传感器的垂直线的交点，这样才能更好的保证检测的精度。
尾座是采用螺栓固定在懂导轨上的，可以沿导轨移动来适应不同轴的长度。
尾座主要是靠顶尖来固定工件的，采用的是螺旋传动可以使顶尖伸缩来顶紧或放松工件。
尾座体采用的材料是HT200，采用的是铸造成型，这样的整体容易加工及安装。
尾座的下半部分是空心的，两端是加固肋板，这样的结构减轻了重量，也节省了材料。
套筒采用的45号钢，是棒料。
套筒的前端的用来安装顶尖的，采用的莫氏锥度4号锥度，这样可以方便安装顶尖。
后端是是和螺母连接的，通过螺旋传动使套筒在尾座体内来回移动带动顶尖运动，可以实现轴的顶紧或是松开。
顶尖的角度是60°
选用的材料是T18A。
选用这样的材料是考虑到顶尖的磨损，因为顶尖是和轴的中心孔直接接触，当轴旋转时对顶尖有很大的摩擦，所以要采用耐磨的材料。
第4章检测控制电路设计
检测控制系统是由硬件和软件系统组成。
其发展经历了三个阶段。
第一个阶段是仪器与小型仪器用计算机通过各种专用接口相连接而组成的
升级会员 