凸轮轴测量仪设计全套图纸.docx
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凸轮轴测量仪设计全套图纸
凸轮轴测量仪设计
摘要
凸轮机构是常用机构，应用范围很广。
因此，对凸轮工作性能的要求就越来越高，而凸轮工作性能的好坏主要由相关的凸轮形线参数来决定。
因此，目前国内外对凸轮参数的测量仪的研究和开发也越来越广泛和深入。
凸轮轴测量仪采用精密机械、光栅、微型计算机等技术，为满足汽车、摩托车发动机凸轮轴、汽车前后桥刹车凸轮轴等检测要求而特殊设计制造的新型测量仪器，可测量凸轮轴的桃形型而误差、桃形对定位键槽的相位角误差、桃形间相位角误差、轴径的径向跳动及凸轮的速度、加速度等测量项目。
凸轮轴是工程中常用的零件，在凸轮轴的大批量生产中，为了保证产品质量，产品的测量变得非常重要。
凸轮轴的轴向尺寸较多并且精度较高，用传统的测量方法无法保证每一件产品的测量精确、且容易造成测量成本过高，因此需要一台专用的测量设备才能保证产品的质量控制。
所以我设计了一台凸轮轴专用测量仪。
这次设计的凸轮轴测量仪运用了现在比较热门的机器视觉作为测量手段，又采用了步进电机光栅等元件，因此对信号采集，图像处理，运动控制等方面有较高的要求。
导致影响最后测量精度的因素太多，因此调试过程会比较复杂。
本设计中的机械结构相对比较简单，但是关键零件精度要求非常高，对加工工艺以及设备要求较高，装配精度也要求较高，因此装配调试也比较复杂。
关键词：
测量手段，步进电机光栅，精度高，精密机械
TheCamshaftMeasuringInstrumentIsDesigned
Author:
GaoXiaoHuan
Tutor:
WangPingZhu
Abstract
Wheelmechanismisused,theapplicationrangeisverywide.Therefore,theCAMworkingperformancerequirementsmoreandmorehigh,andtheCAMworkperformanceisgoodorbadCAMshapelineismainlycomposedofrelevantparameterstodecide.OnCAMparametermeasuringinstrumentathomeandabroad,therefore,theresearchanddevelopmentisbecomingmoreandmorewidelyanddeeply.
Camshaftmeasuringinstrumentprecisionmachinery,grating,microcomputertechnology,inordertomeettheneedsofautomobile,motorcycleenginecamshaft,carcamshaftfrontandrearaxlebrakedetectionrequirementsmodelspecialequipmentdesignandmanufacturing,butpeachshapemeasurementofcamshaftphaseerroronpositioningkeyway,peach,peachangleerrorshapebetweenthephaseangleerror,andthecamshaftrunouttheradialvelocity,accelerationmeasurementproject.Thecamshaftiscommonlyusedinengineering,inthemassproductionofthecamshaft,inordertoensurethequalityofproducts,productmeasurementbecomesveryimportant.Camshaftaxialsizemoreandhighprecision,cannotbeguaranteedbythetraditionalmethodofmeasuringeachproductprecision,andeasytocausethemeasurementcostistoohigh,thereforeneedadedicatedmeasurementequipmenttoensuretheproductsqualitycontrol.SoIdesignedacamshaftmeasuringinstrument.
NowthedesignoftheCAMshaftmeasuringinstrumentusingapopularmachinevisionasameansofmeasurement,andusedtheelementsuchassteppermotorgrating,sothesignalcollecting,imageprocessing,motioncontrol,etc,havehigherrequirements.Factorsleadtoeffectthemeasuringaccuracyistoomuch,sothedebuggingprocessismorecomplicated.Thisdesignthemechanicalstructureisrelativelysimple,butthekeypartsaccuracyrequirementisveryhigh,theprocessingtechnologyandequipmentdemandishigher,assemblyaccuracyandthedemandishigher,soassemblydebuggingisalsomorecomplex.
Keywords:
：
Measurements,steppermotorgrating,highaccuracy,precisionmachinery
1.绪论
凸轮轴是工程中常用的零件，在凸轮轴的大批量生产中，为了保证产品质量，产品的测量变得非常重要。
凸轮轴的轴向尺寸较多并且精度较高，用传统的测量方法无法保证每一件产品的测量精确、且容易造成测量成本过高，因此需要一台专用的测量设备才能保证产品的质量控制。
所以我设计了一台凸轮轴专用测量仪。
采用方案是利用CCD传感器识别边界，进行非接触式测量。
这在现阶段的测量技术领域还属于比较新颖的测量技术。
因为CCD传感器的视角范围很小，不能直接利用它来测量这样大尺寸的工件。
因此在本测量仪中，只利用它作为一个识别工件边界的工具，再利用光栅记录CCD传感器移动的距离，这样也可以得到精确的测量结果。
而且成本也比较低。
但是这种测量方法受环境光源的影响较大，因此对环境有一定的要求。
目的：
研究回转类零件工艺参数的检测、分析与控制，包括接触式参数提取，数据采集及信号处理，参数识别等，研究凸轮形线参数测试仪，重点研究测量平台和参数分析及误差理论。
意义：
目前在凸轮检测中，大多采用光学分度头对凸轮进行分度，分度由人工控制。
这种测量方法速度慢，精度低，并存在一定的人为误差。
而本课题研究全自动凸轮形线参数测量仪，能够很好的降低人为误差。
另外，采用以凸轮转角为横坐标、对应升程为纵坐标的方式表达凸轮形线，通过光栅式位移传感器探针测量凸轮升程，保证位移精度达到1微米；通过编码器和步进电机控制凸轮轴的转动，保证角度精度0.1度。
因此可以实现全自动化、高精度测量；市场上，虽然少数采用三坐标测量仪器检测，但是三坐标测量仪价格昂贵，因而，在除少数情况下外，一般很少用。
因此，根据以上情况及目前企业的实际情况来看，本课题所研究的问题，具有较高的实用性。
2.国内外主要的一些凸轮轴测量仪
凸轮机构是常用机构，应用范围很广。
因此，对凸轮工作性能的要求就越来越高，而凸轮工作性能的好坏主要由相关的凸轮形线参数来决定。
因此，目前国内外对凸轮参数的测量仪的研究和开发也越来越广泛和深入。
下面将对此进行一下简要的介绍。
2.1国内主要的一些凸轮轴测量仪
2.1.1中外合资广州威而信精密仪器有限责任公司研发的凸轮轴测量仪
如图2.1所示，为该公司研发的凸轮轴测量仪的实物图。
左边为凸轮测量仪器的安装和测量平台，右边为数据采集与处理平台。
这套凸轮轴测量仪器，采用凸轮轴立式安装测量结构。
旋转轴由精密气浮主轴与气浮顶尖构成，双气浮直线运动导轨立柱做为直线运动基准，由进口电机驱动；电器部分由高级计算机及进口精密圆光栅传感器、精密光栅位移传感器组成。
测量软件采用基于中文版WINDOWS操作系统平台的WILSON测量软件，完成参数输入、测量选择、数据采集、处理及测量数据管理和测量结果打印输出等工。
图2.1威尔信凸轮轴检测仪装置图
这款测量仪器目前在国内还算是比较先进的，它主要有以下一些优点：
（1）立式主机测量结构：
凸轮轴垂直安装，避免重力因素影响对测量造成的误差；
（2）高精度：
机械运动部件和工件的定位（超精密气浮主轴与气浮顶尖、双气浮直线运动导轨立柱）均采用气浮结构，主轴精度高达0.08um；
（3）长寿命：
主轴、导轨均采用气浮结构，故永不磨损、精度保持长久、仪器精度寿命长达十年以上；
（4）数据采集采用世界上最著名的德国海德汉公司的精密光栅传感器（旋转、位移）及其相关技术，准确度高，稳定性好；
（5）工作平台和立柱导轨均采用精密花岗岩材料制成，可抑制周围环境的噪声和震动；
（6）可放置在企业计量室和生产车间现场使用
2.1.2北京启点恒达测控技术公司研发的凸轮轴测量仪
北京启点恒达测控技术开发有限公司目前已开发的凸轮轴测量仪，分为三个系列：
（1）计量型凸轮轴、曲轴测量仪
（2）在线式凸轮轴测量仪
（3）凸轮轴综合项目测量仪
下面对以上三个系列的凸轮轴测量仪器分别予以介绍。
计量型凸轮轴测量仪如图2.2所示为其实物图。
测量平台底部的夹具和定位装置固定凸轮轴，并通过装在测量平台底座里面的驱动电机驱动被测凸轮轴转动。
测头装置可以沿导轨上下移动，从而实现自动化测量。
该测量仪的主要特点有：
（1）可实现全自动化测量，避免了人工操作造成人为误差
（2）测量精度高，径向，可达0.1微米。
轴向，可达0.1微米
图2.2计量型凸轮轴测量仪
在线式凸轮轴测量仪，其测量平台示意图如图2.3所示。
该凸轮轴测量仪的重要特点有：
（1）能够实现在线测量
（2）精度高，轴向精度可大0.1微米
（3）测量参数较全面，可测量凸轮的升程曲线、相位角、基圆直径、基圆跳动、桃高
（4）采用立式结构，凸轮轴垂直安装，避免重力因素影响对测量造成的误差；
图2.3在线式凸轮轴测量仪
凸轮轴综合项目测量仪如图2.4所示，左边为其测量平台，右边为其数据采集及处理平台。
该测量仪是一台比较先进的测量仪器，其的主要特点有：
（1）替代传统检具，对除凸轮升程、相位以外的非主要多个项目进行测量。
（2）组合式，根据不同检测项目，由多台仪器组合成为一套测量系列仪器组。
（3）高速,与传统检具相比，测量速度提高几倍至几十倍。
（4）由于多数测量项目的动作控制、数据采集、数据处理均由计算机完成，因而，减少了人为主观因素，使测量更客观准确。
（5）可无限保留原始测量数据。
图2.4凸轮轴综合项目测量仪
2.2国外主要的一些凸轮测量仪
2.2.1美国阿德柯尔911凸轮轴检测仪
如图2.5所示。
左边为测量平台，右边为数据采集及处理平台
该测量仪是一套比较先进的测量仪器，其主要特点有：
（1）立式结构，凸轮轴垂直安装，避免重力因素影响对测量造成的误差；
（2）可实现自动化测量
（3）测量精度高
图2.5阿德柯尔911凸轮轴检测仪
2.2.2瑞士TRIMOS多功能轴类检测仪
如图2.6所示，瑞士TRIMOS公司生产的TWINNER多功能轴类测量系统可完成以下测量任务：
长度、直径、距离、递增尺寸、槽宽、槽径、中点距离、角度、孔的位置、曲轴和凸轮轴冲程、跳动、基于工件轴线的跳动、圆度、端面跳动、同心度、对称度、平行度、直线度、圆锥角度、最大最小值/差值、交点尺寸等。
TWINNER仪器特点：
1.稳定性高（仪器基体都由花岗岩制成），精度高、重复性好、操作简便
2.在车间环境下，长度、直径和跳动的测量精度能得到保证
3.一般情况下，仪器不必经常标定
4.更换工件后，无需对仪器进行重新标定
5.导轨直线度好<=0.002mm
6.顶针头座和尾座可以自由移动，工件可装夹在任意位置
7.特殊顶针座可选，可安放于两标配顶针座之间，这样可同时装夹两种工件，可同时测量
8.导轨和顶针座间平行度调整方便，在一些情况下（如顶针座受到撞击后）方便调整
9.长度和直径测量模块固定于测量支架上，与导轨垂直度好
10.测力固定，极大的减少了人为误差
11.长度和直径测量模块上装有特殊的机电机构，测量时所有测量结果和测量信息（如测量位置）有自动采集提示
12.仪器基本上有3个支架，第一个安放可选测量模块，第二个为长度测量系统，第三个为直径和跳动测量系统
13.另有各种测头、测量系统可选，例如：
孔测头，角度测量系统等.
图2.6TWINNER多功能轴类测量系统
以上简要介绍了目前国内外关于凸轮轴测量仪器产品研发的一些情况，可见目前，凸轮轴测量仪器的发展越来越趋向于全自动化、高精度的要求。
3．项目分析和方案拟订
1.根据要求，拟定了两种方案：
1）方案一：
如图3.1所示。
采用相对测量法，定做标准轴，利用高精度的位移传感器对每一个测量参数进行测量，利用测量值与标准轴的测量值进行计算，得到所需要的精确测量结果。
图3.1方案一原理示意图
2）方案二：
如图3.2所示。
采用顶尖定位被测工件、步进电机驱动、齿轮变速、丝杠传动，从而带动CCD座移动，CCD镜头瞄准工件边界通过软件识别边界，用反射式光栅记录轴向距离、通过运算，得到所需要的精确测量结果。
图3.2方案二原理示意图
2.比较方案的优劣：
方案一采用的是接触式测量，用电感传感器采集数据进行测量，属于比较传统的测量方式。
这种方式由于采用的是电感传感器，这种传感器分辨率较高，抗干扰能力也较强，因此测量结果精确可靠，测量速度很快，技术也非常成熟。
但是由于这里要求测量的工件型号较多，尺寸也较多，将需要大量的电感传感器，以及数据转换通道，成本将非常高。
而且被测工件的两两参数之间的距离也比较小，会在结构布置上产生很多限制。
方案二采用的是利用CCD传感器识别边界，进行非接触式测量。
这在现阶段的测量技术领域还属于比较新颖的测量技术。
因为CCD传感器的视角范围很小，不能直接利用它来测量这样大尺寸的工件。
因此在本测量仪中，只利用它作为一个识别工件边界的工具，再利用光栅记录CCD传感器移动的距离，这样也可以得到精确的测量结果。
而且成本也比较低。
但是这种测量方法受环境光源的影响较大，因此对环境有一定的要求。
综合以上原因，我选择了第二套方案。
4.主要元器件的选择
4.1CCD传感器以及镜头的选择
根据用户要求，被测量的工件有多种型号，各型号产品的径向尺寸各不相同，就需要不同的焦距。
因此，我们选择了0.8－4.5倍变倍镜头以及型号为12V1E-EX的CCD传感器。
4.2导轨的选择
1）导轨类型的选择
在本测量仪中，测量精度以及重复性的要求比较高，并且采用的是CCD传感器采样，因此要求导轨的行走平行度比较高，行走平稳。
因此，普通导轨就不能达到要求。
因此我们选择了HIWIN台湾上银科技股份有限公司的导轨。
导轨有以下优点：
a.定位精度高使用导轨作为线性导引时，由于导轨的摩擦方式为滚动摩擦，不仅摩擦系数降低至滑动导引的1/50，动摩擦力与静摩擦力的差距亦变得很小。
因此当床台运行时，不会有打滑的现象发生，可达到μm级的定位精度。
b.磨耗少能长时间维持精度传统的滑动导引，无可避免的会因油膜逆流作用造成平台运动精度不良，且因运动时润滑不充份，导致运行轨道接触面的磨损，严重影响精度。
而滚动导引的磨耗非常小，故机台能长时间维持精度。
c.适用高速运动且大幅降低机台所需驱动马力由于导轨移动时摩擦力非常小，只需较小动力便能让床台运行，尤其是在床台的工作方式为经常性往返运行时，更能明显降低机台电力损耗量。
且因其摩擦产生的热较小，可适用于高速运行。
2）导轨型号选择：
导轨型号选择
计算项目
计算及说明
主要结果
选用系列产品
查HIWIN台湾上银科技股份有限公司的选型样本，选择了适合精密测量仪器使用的HG系列
选择HG系列
选用精度等级
从C普通,H高,P精密,SP超精密,UP超高精密等级中，根据设备精度要求以及价格因素，我们选择P级的导轨
选择P级
静载荷P（N）的确定
P＝G＝mg＝15×9.8N＝147N
m为拖板以及CCD镜头的质量（经过估算m<15kg，我们这里按照最大值15kg计算）
P＝147N
负荷状况
无冲击力且平滑
使用速度V≦15m/min
润滑
1.导轨若没有适当的润滑，滚动部分的摩擦就会增加，长期使用会成为缩短寿命的主要原因。
润滑剂有下列几种作用：
2．减少滚动部分的摩擦、防止烧伤并降低磨损。
3．在滚动的面与面之间形成油膜，可延长滚动疲劳寿命。
4.防止生锈。
润滑油脂（GREASE）
每组导轨在出厂前可封入锂皂基润滑油脂以润滑珠槽轨道，虽然润滑油脂较不易流失，但为避免因润滑损耗造成润滑不足，建议客户使用距离达100km时，应再补充润滑油脂一次，此时可用注油枪即滑块上所附油嘴，将油脂打入滑块中。
润滑油脂适用于速度不超过60m/min，且对冷却作用无要求的场合。
计算加油脂的时间间隔：
T=100×1000/（Ve×60）hr
＝416.6hr
＝52个工作日
对仪器作保养时候，加油脂的时间间隔
T＝416.6hr
52个工作日
T:
注油频率（hour）
a.基本静额定负荷（C0）
基本静额定负荷
型号
滑轨长度（mm）
精度
等级
行走平行度
（μm）
基本动额定负荷（kN）
基本静
额定负荷C0（kN）
容许静力矩
MR
kN-m
MYkN-m
MPkN-m
HGH35HA1R1160Z2P
1160
P
（精密级）
11
4.95
10.28
1.73
1.20
1.20
V:
速度（m/min）这里V取4m/min
根据需求精度、载荷，以及价格等因素，我查HIWIN台湾上银科技股份有限公司的选型样本，选择了型号为HGH35HA1R1160Z2P的导轨
导轨在静止或运动中若承受过大的负荷，或受有很大冲击负荷时，会导致珠道接触面和钢珠产生局部的永久变形；当永久变形量超过某一限度，将妨碍导轨运动的平稳性。
基本静额定负荷便是容许这个永久变形量的极限负荷。
在本测量系统中，导轨的静载荷为拖板以及CCD镜头的重力G，经估算拖板以及CCD镜头的质量<15kg,即P=G
b.导轨型号计算
c.该导轨其主要技术参数如下：
计算项目
计算及说明
主要结果
静安全系数（fsl）校验
根据使用状况，在使用过程中，会有多次的启动，因此需要取用较大的安全系数，我们取静安全系数fSL>5。
fSL=C0/p＝10.28/147*10-3>5
fSL:
静安全系数
C0:
基本静额定负荷（kN）
P:
工作负荷（kN）
所选导轨安全。
d.静安全系数当导轨使用慢速运动或运动频率不高的状况下，需考虑静安全系数。
3）导轨寿命当导轨承受负荷并作运动时，珠道表面与钢珠因不断地受到循环应力的作用，一但到达滚动疲劳的临界值，接触面就会开始产生疲劳破损，并在部份表面发生鱼鳞状薄片的剥落现象，此种现象叫做表面剥离。
寿命的定义即为珠道表面及钢珠因材料疲劳而产生表面剥离时为止的总运行距离。
4）a.额定寿命
导轨的寿命，具有很大的分散性，即使同一批制造的产品，在相同的运动状态下使用，寿命也会所有不同；这大多归咎于材料本身在疲劳特性上固有的变化。
因此为定义导轨的寿命，一般以额定寿命为基准；其定义是：
以一批同样的产品，逐个在相同的条件及额定负荷下运行，其中90％未曾发生表面剥离现象而能达到的总运行距离。
b.寿命的校核计算导轨的寿命会因实际承受的工作负荷而不同，可依据选用之导轨的基本动额
计算项目
计算及说明
主要结果
寿命的校核计算
1.不考虑环境因素影响，寿命计算如下所示。
L=（C0/P）3*50Km
＝（10.28/147*10-3）3*50Km
=33294Km
L:
额定寿命
C0:
基本动额定负荷
P:
工作负荷
2.寿命时间的换算
依使用速度及频率将寿命距离换算成寿命时间。
Lh=L*103/（Ve*60）
=（C/P）3*50*103/（Ve*60）
=138727hr
Lh:
寿命时间（hr）
L:
寿命（km）
Ve:
运行速率（m/min）
C/P:
负荷比
按照每天工作8小时计算，至少可以工作11.4年。
满足设计要求。
根据以上计算，我们选择型号为HGH35HA1R1160Z2P的导轨满足了设计需求。
4.3滚珠丝杆的选择计算
已知：
丝杠用于传动，选用T型滚珠丝杠，工作时有轻微震动，螺母带动的CCD及附属零件约15Kg，因此丝杠轴向工作载荷Fmax＝147N，Fmin＝147N，工作速度2m/min，快进速度6m/min，精度3级，可靠性90％，工作寿命8年以上。
计算项目
计算及说明
主要结果
1.求当量载荷
Fm＝1/3（2Fmax+Fmin）
＝147N
2.求当量转速
由工作速度2m/min及快进速度4m/min,初定导程为5mm。
丝杆轴的转速
nmax＝4000/5＝800r/min
nmin＝2000/5＝400r/min
当量转速
nm＝（nmax+nmin）/2＝600r/min
3.选定工作寿命
按每天8小时，10年时间，选Lh＝360×8×10＝28800
4.额定动载荷计算
C‘am＝fw*Fm（60nmLh）1/3/100×1×1
＝833N
5.按转速很低、载荷最大时工况进行静载荷计算
fs*Fmax＝2×147N＝294N
根据台湾上银丝杠资料，选用丝杠规格为:
R20-5T3-FSZ-1133-1287-005
其d0＝20mmPh＝5mm
Ca＝7.9KWCoa＝22.10KW
Coa：
额定静载荷
Ca：
额定动载荷
螺母长度：
L＝44mm
4.4长光栅的选择
根据1）测量
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