活塞外圆尺寸分组检测仪设计.docx

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活塞外圆尺寸分组检测仪设计

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毕业设计（论文）

活塞外圆尺寸分组检测仪设计

Pistonsouter annulus sizepacketdesign

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摘要

活塞是汽车发动机的“心脏”，不仅承受着交变的机械负荷，而且还承受热负荷，是汽车发动机中工作条件最恶劣的一个重要零件。

活塞的分组装配是提高机械制造水平的一个重要手段。

本课题设计的目的就是能够实现对活塞外圆尺寸的自动检测以及分组。

该装置的主要结构是一个立轴通过轴承和一个轴套相配合，动力通过齿轮传递到轴套上，轴套上有活塞夹具。

通过轴套的转动将活塞一个个带动到固定的检测位。

由高精度接触式电感位移传感器实现对活塞外径尺寸的自动检测，测量结果经放大转换后传到单片机，分析计算处理后确定尺寸所在组，然后微机发出控制命令驱动相应的汽缸将活塞分到相应的组中去。

该装置能够快速准确的将活塞分组，并可以无级调节测量速度，提高了检测精度和检测效率。

关键词：

 活塞；外圆尺寸；自动检测

Abstract

Automotiveenginepistonisthe"heart",notonlybearalternatingmechanicalload,butalsobeartheheatload,acarengineworkingconditionsisanimportantpartoftheworst.Packetpistonassemblyistoimprovethelevelofmachinerymanufacturingasanimportanttool.Thepurposeofthistaskistobeabletoachievethedesignofpistonturningautomaticdetectionandpacketsize.

Themainstructureoftheapparatusisaverticalshaftviaabearingandasleevefitted,thepoweristransmittedtothehubviaagear,pistonsleevejig.Byrotatingthesleevetothepistondriveonefixeddetectionbit.Bythehigh-precisioncontactinductivedisplacementsensortoachieveautomaticdetectionoftheouterdiameterofthepiston,themeasurementresultsafteramplifyingconvertedspreadmicrocontroller,analysiscalculationprocesstodeterminewherethesizeofthegroup,thenthecomputersendsoutthecontrolcommandtodrivethecorrespondingcylinderpistonassignedgototheappropriategroup.Thedevicecanquicklyandaccuratelypistonpacketsandmeasuringthespeedsteplessadjustment,improvethedetectionaccuracyanddetectionefficiency.

KerwordsPiston  Outer annulus size  Automatic detection 

目录

1绪论1

1.1活塞外圆尺寸分组检测仪系统研究的意义1

1.2国内外研究现状1

1.3课题的主要研究内容2

2系统的总体方案3

3电动机的确定4

3.1电动机种类的选择4

3.2电动机型号的选择4

3.2.1工作装置所需功率Pw4

3.2.2电动机所需的输出功率Po5

3.2.3选取电动机的额定功率Pm5

4机械结构设计6

4.1机械结构总体设计6

4.2活塞定位设计6

4.3检测部分定位设计8

4.4齿轮的设计8

4.4.1选定齿轮类型8

4.4.2齿面接触疲劳强度设计    8

4.4.3计算小齿轮传递的转矩 9

4.4.4计算应力循环次数9

4.4.5计算接触疲劳许用应力9

4.4.6计算载荷系数10

4.4.7按齿根弯曲强度进行设计11

4.4.8几何尺寸的计算12

4.5轴承的选择12

4.6轴的设计14

4.6.1计算轴所受的力14

4.6.2初步确定轴的最小直径15

5检测与控制系统的设计16

5.1几种活塞检测的介绍16

5.1.1活塞的接触式检测16

5.1.2活塞的非接触式检测16

5.2传感器的选择17

5.3单片机系统的设计17

5.4控制面板的设计18

结论19

致谢20

参考文献 21

1绪论

1.1活塞外圆尺寸分组检测仪系统研究的意义

随着人类社会和自动化程度的日益提高，内燃机这一可以动的动力源已经广泛应用于人类生存和生活的各个领域。

活塞是汽车发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一[1]。

现代活塞质量的控制和改善，其目的是为了让读者正确的理解和应用各种产品的情况[2]。

因为工作状态下活塞直接和高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上。

活塞在这种工作条件下对其要求高的精度是必不可少的的，所以为了能够更好地服务人类的生活，必须要求活塞在工作状态下能够保持很高的稳定性以及可靠性，所以必须优化活塞性能。

例如：

活塞的外圆通常都会被设计成一个非正圆形，也就是说垂直于活塞轴线的横剖面为修正椭圆，活塞在汽车发动机内正常工作的时候其外圆近似正圆，但是活塞在非工作条件下外圆的横剖面是长短径之比很小的椭圆。

还有就是活塞在装配的过程中通过活塞和缸套的分组装配来提高其精度。

这些方法都可以很好的保证活塞在工作状态下的精度，活塞和缸套的分组装配是一个有突出优点并且可行的办法。

在国内，活塞外圆尺寸的检测一般都是靠工人手工检测，也就是说，在一批活塞中，工人用V形块和千分尺一个一个的测量，但是人工检测这种方法不仅使测量结果的精度低、误差大，而且还很大的延长工作时间以及浪费工人的劳动力。

因此，开发出一款出可以快速、准确的检测活塞外圆尺寸的自动分组检测装置是非常迫切的。

活塞检测技术已经慢慢从手工检测向活塞自动检测方向发展，但由于检测装置的复杂性及成本的问题，使得先进的检测装置未能得到普及。

所以在设计活塞检测装置时，应考虑到成本问题以及能否适用于大多数活塞生产厂家。

正确认识检测设备的优缺点以及检测存在的常见问题，对于我国提高检测活塞质量的水平具有重要意义。

1.2国内外研究现状

窗体顶端

窗体底端

活塞的质量不仅取决于加工质量，而且也取决于检测质量，因此，准确、经济而又快速地检测活塞质量在汽车工业发展中显得尤为重要[3]。

活塞外径测量能实现对缸套的优化配对。

随着科技的飞速发展，在科技发展的带动下计算机技术、测量技术也跟着飞速发展，活塞的自动检测技术也相应地得到了发展。

目前，在国内，由于自动测量系统价格不菲，手工检测还是一般的活塞生产厂家检测活塞外圆尺寸的主要方法，只有极少数的生产厂家为了重点产品的的在线检测而引进了发达国家研制出来的活塞自动测量机。

经过查找资料，也发现了一些作者以及高校学生撰写的一些有关活塞自动测量系统的论文，例如：

采用电涡流位移传感器和工控机数据采集系统研制了缸套内径和活塞外径测量装置[4]。

但是很少见到有关于活塞外圆尺寸自动分组检测系统的报道。

在美国、德国、日本、英国等一些发达国家的一些著名的仪器测量公司已经研制成功了多种型号的活塞外圆尺寸自动检测分组系统，并在世界上著名的活塞制造公司，如德国MAHLE和KS、英国AE、日本ART等公司广泛应用。

1.3课题的主要研究内容

本课题的目的是通过研究，设计出一台可以快速、准确、便捷、可大规模推广的用于活塞外圆尺寸分组检测的仪器的设计方案。

本设计由活塞的定位设计、活塞外圆尺寸测量及分组的设计等部分组成。

其中出现以下问题需要了解和解决：

1、电动机的选择。

2、活塞的定位方法。

3、活塞外圆尺寸测量的方法。

4、齿轮的选择。

5、轴承的选择。

6、轴的设计。

7、检测系统的设计方法。

课题的整体研究路线如下：

1、查阅相关资料，对活塞进行深入的理解，为本课题的进一步研究打下良好的基础。

2、查阅有关资料并结合课题设计内容确定电动机、齿轮、轴承以及轴。

3、运用所学知识对活塞定位进行分析，并提出合理的定位方式。

4、查阅相关资料并结合所学知识，对活塞外圆尺寸检测装置进行分析，并确定检测装置及控制系统。

5、在结构设计中，主要采用CAD软件绘图。

2系统的总体方案

本课题的目的是通过研究，设计出一台可以快速、准确、便捷、可大规模推广的用于活塞外圆尺寸分组检测的仪器的设计方案。

本设计由活塞的定位设计、活塞外圆尺寸测量及分组的设计等部分组成。

电动机为整个系统提供动力，如果电动机选择不合理，会影响到整个系统的运行，所以，电动机的选择必须慎重。

电动机由交流、直流之分，其中交流电动机又分为同步和异步电动机，直流电动机价格较高，结构复杂现在应用最多的是交流电动机。

电动机的类型、功率、转速及外形结构可以根据工作条件和载荷特点来选择，由于本系统不需要太大转速，并且所需功率较小，所以选用步进电机。

活塞的定位关系到系统检测精度的高低，定位的设计是否合理还影响系统的效率，因此，定位部分不可忽视本次设计的是活塞外圆尺寸分组检测仪设计，只需要检测活塞外圆直径，可以依靠活塞本身来进行定位，活塞的裙部可以用夹紧装置夹紧，活塞的销孔用伸缩杆的形式定位。

轴承在本系统中起到支承轴的作用，轴承选择的好坏，关系到整个系统的稳定性，马虎不得,根据滚动轴承和滑动轴承二者的特点，选用滚动轴承。

在该系统中，轴的设计是非常重要的，它是保证整个系统检测精度的一个关键因素，轴设计的不合理，整个测量系统的检测精度都会随之下降。

轴的结构设计包括设计出轴的合理外形和全部结构尺寸，由于轴和轴承配合，算出轴承的尺寸之后就能确定轴的最小直径，然后在根据工作台的高度，设计出轴的长度，其他尺寸可以按照标准来设计。

因为整个装置不需要承受太大的力，所以可以用方钢焊接成一个整体支架，然后在支架的合理位置安装上电动机，那么系统总体的方案为：

采用回转式机械结构，首先焊接一个整体支架，在支架上用螺栓连接一个立轴，通过轴承实现立轴和轴套的配合，轴套上安装活塞夹具。

活塞被夹具定位并在轴套的带动下运动到固定的检测位，实现连续的活塞检测。

检测位置设有高精度传感器，保证检测精度。

这样就可以实现活塞外径的自动检测和分组了。

如图2-1所示是系统的总体机械结构设计图。

1.总体支架2.轴套3.保持架4.立轴5.粗定位部分6.活塞7.传感器8.电路板盒

图2-1系统总体机械结构设计

3电动机的确定

结论

活塞和缸套能不能完美的配合关系到发动机的整体性能，所以活塞的分组装配很重要，但是目前在国内还没有很好的活塞外径检测系统，本设计的目的就是设计出一台能够检测活塞外圆尺寸的自动检测装置。

在整体系统的设计过程中需要考虑很多东西，比如说整个工作台的稳定性，如何能够更好地保证活塞在测量过程的精度，各个零部件的选择是否合理。

在电动机的选择过程中，选择什么样的电动机，以及为什么选择它，还要考虑电动机的功率是否合适，过大或者过小会有什么后果，最后要结合各个方面来最终确定电动机。

在设计关于整个系统的总的机械结构时，如何能够使各个零部件协调的组装到一起，这也是一个大的问题，如果设计的不合理那么检测过程就不会顺利甚至有可能导致检测的失败。

在研究活塞的定位时，才发现以前关于这方面的知识没有学好，如何定位，如何夹紧等等这些东西不是随便说的，而是要有理论依据。

在设计齿轮中，牵扯到了很多计算，每一个值都必须准确无误，算错一个数据就有可能导致齿轮的设计不合理，在和轴的装配中出现问题，所以齿轮的设计也是不可轻视的。

在轴承的选择中不仅要考虑是选择滚动轴承还是滑动轴承，而且还要比较二者的优缺点，并且根据本设计的要求选择最合适的那个。

在对于轴的设计中，由于轴是要和轴承配合，所以轴就不能随便设计，而是要考虑到轴承，其他方面的尺寸只需要按照规定要求即可。

机械部分的设计在整个检测系统中都是很重要的，不能忽视每一个细节，如果出现失误，那么就会导致整个检测系统的失败。

由于专业限制，所学电的知识不多，所以有关于电的设计部分就知识简单的提了一下。

通过回顾本次设计的检测系统，发现了一些缺点，比如说设计的检测速度是合理、工人如何去放活塞、检测系统的精度是否准确、工人怎样来操作等问题，还需要进一步的完善。

致谢

参考文献 

[1]杨幕升，窗体顶端

窗体底端

[1]巩孝新，王胜合.21世纪先进的活塞加工技术.装备制造技术.2009.6

[2]杨幕升，基于嵌入式系统的活塞外径自动测量及分选系统.2007.10

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[6]陈秀宁，施高义.机械设计课程设计[M].浙江大学出版社.2012.7

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[8]顾马清.汽轮机主汽门专用重型钻床设计进给部件.大学生论文联合对比库

[9]陈昆鹏，2006版实用滚动轴承设计手册.中国知识出版社.2006 

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[15]马宝甫，孙晨等.单片机人机接口实例集[M].北京航空航天大学出版社.1998.1