《機械課程設計》報告模版

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1、 中國計量學院 《機械課程設計》報告 步進電機磁鋼片厚度自動測量裝置設計 學生姓名 林衛(wèi) 學號 學生專業(yè) 產(chǎn)品質量工程 班級 09質量2 二級學院 質量與安全工程 指導教師 孫長敬 中國計量學院 2011年9月 步進電機磁鋼片厚度自動測量裝置設計 摘要：磁鋼片對于電機的導磁率、定位力矩和矩角特性都有著顯著的影響，直接影響著電機的性能。因而在生產(chǎn)作業(yè)中檢測磁鋼片的厚度顯得極為重要。目前很多生產(chǎn)磁鋼片的廠家主要還是以人工檢測為主，這種檢測方法存在精度差、效率低、 接觸式等問題，而無法滿

2、足現(xiàn)代化生產(chǎn)作業(yè)。為此，筆者設計了基于激光技術測量磁鋼片厚度的自動檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)利用曲柄滑塊傳動原理，推動工作臺上的的磁鋼片，利用夾具將其固定到激光測距傳感器的正下方，采用激光測距傳感器測量其厚度并自動進行分類收集。測量裝置系統(tǒng)特點： 1. 設計巧妙，使用簡單，適用于不等厚度、不等寬度磁鋼片的厚度測量。 2. 巧妙地選用曲柄滑塊機構，靈活，便于操作。 3. 系統(tǒng)功能齊全，準確定位磁鋼片的測量位置，具有良好的控制精度。取步進電機，負責曲柄滑塊和夾具的動力來源，實現(xiàn)了檢測系統(tǒng)的自動控制。最后還設有分選收集機構，自動進行分類收集。 關鍵詞：磁鋼片 激光測距傳感器 曲柄滑塊 夾

3、具 目次 摘要 I 目次 II 1 前言 1 1.1 前期調研 2 1.1.1 磁鋼片的用途 2 1.1.2 自動測量儀器的選擇 2 1.2 課題研究的目的 4 1.3 課題研究的意義 4 2 總體方案設計 5 3 零件結構設計 6 3.1 推送機構 6 3.2 送料機構 6 3.3 定位機構 7 3.4 激光測量機構 7 3.5 分選收集機構 8 4 裝配圖 9 5 二維圖 10 6 運動仿真 13 7 不足與改進 14 8 結論與體會 15 參考文獻 16 1 前言 磁鋼片是電動機中的重要組成部件，其質量

4、的好壞直接決定電動機的性能，對于厚度不同的磁鋼片必須予以檢測。由于鋼片本身的多樣性、 復雜性等特點導致對其檢測方法的研究一直以來沒有得到實質性的進展。目前很多生產(chǎn)磁鋼片的廠家主要還是以人工檢測為主，這種檢測方法由于存在精度差、效率低、 接觸式等缺點，而無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)作業(yè)。為此，開發(fā)了基于激光技術的磁鋼片厚度自動檢測系統(tǒng)生產(chǎn)工藝。 在高質量產(chǎn)品的制造和高效率生產(chǎn)環(huán)境的構建中，測量技術起到了很大的作用，其重要性與日俱增。尤其在生產(chǎn)國際化、全球經(jīng)濟一體化迅速發(fā)展的時期，要求不同地區(qū)生產(chǎn)的高精度零部件，必須具有良好的互換性，因此，急需建立一種基于國際標準的擁有極佳測量精度及可靠性的測量體制。為了

5、滿足上述要求，精密測量儀器必須具有更高的精度、質量和可靠性。各個儀器生產(chǎn)廠商也都在積極開發(fā)功能更強、服務性能更好的新產(chǎn)品，而從中本小組可以看到測量儀器的最新動向。加工和測量猶如車上的兩個輪子。 近年來，隨著經(jīng)濟的復蘇，制造業(yè)設備運轉率不斷提高，長期處于不景氣的測量儀器生產(chǎn)也有較大的增長。目前，生產(chǎn)現(xiàn)場非常重視提高加工效率和降低生產(chǎn)成本，其中，最重要的便是生產(chǎn)出高質量的產(chǎn)品。為此，必須實行嚴格的質量管理，只有在保證高質量生產(chǎn)的前提下，制造業(yè)才能生存和發(fā)展。作為保證制造業(yè)順利發(fā)展的重要手段，高精度零部件構成的加工機床和由高精度測量儀器組合集成的加工生產(chǎn)線構建成的自律式加工系統(tǒng)，是很有必要的。據(jù)此

6、可以預計，今后，市場對用于質量管理的測量系統(tǒng)和機器設備的需求將不斷增長。 制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場對測量儀器及裝置的要求大致如下：①能夠適應廣泛范圍的環(huán)境溫度；②抗污染和防振動性能優(yōu)異；③測量重復精度高；④使用方便。目前，各廠家以便于在加工環(huán)境使用為前提，正積極地開發(fā)新產(chǎn)品，這些新產(chǎn)品能夠進行高速、高精度測量，而且穩(wěn)定性極佳，操作便捷。 在測量技術方面，日本精密測量儀器工業(yè)協(xié)會常務理事龜井明敏指出：“任何一種加工設備，無論其多么先進，均會出現(xiàn)由熱變形引起的偏移和由工具磨損產(chǎn)生的誤差，而要掌握這些偏移和誤差，則必須依靠測量技術?！饼斁J為，在現(xiàn)場加工過程中，進行測量作業(yè)的目標應該是：“①判斷產(chǎn)品質

7、量是否合格：即在加工過程中配置測量環(huán)節(jié)，保證其能夠進行最終加工；②檢測工具磨損、熱變形等引起的誤差：根據(jù)輸出的補償信號，采取相應的措施；③選取生產(chǎn)節(jié)拍和制品精度的最佳配合：不僅要保證所選適應技術等絕對精度，還應保證獲得相對精度，從而提高總體生產(chǎn)效率。在這些過程中，測量技術起著舉足輕重的作用。” 如上所述，測量技術的主攻方面仍然是進一步提高測量精度；同時，人們對測量技術的重要性和存在價值的認識應大幅度提高，這是測量技術今后不斷發(fā)展的巨大推動力。 1.1 前期調研 隨著汽車行業(yè)自動化的高速發(fā)展，磁鋼片的需求量正在與日俱增。 1.1.1 磁鋼片的用途 磁鋼片主要用在永磁直流電機中，與

8、電磁式電機通過勵磁線圈產(chǎn)生磁勢源不同，永磁電機是以永磁材料產(chǎn)生恒定磁勢源。永磁磁鋼片代替電勵磁具有很多優(yōu)點，可使電機結構簡單、維修方便、重量輕、體積小、使用可靠、用銅量少、銅耗低、能耗小等。 磁鋼片根據(jù)應用領域不同，對性能以及磁場波形要求也不同，作為轉子領域，其外弧面表場要求高，波形基本要求為正弦波，作為定子，則根據(jù)電機的出力要求，火花以及噪音的不同要求進行選擇，作定子的磁鋼片，其內弧表場高，因磁鋼片本身形狀與生產(chǎn)特性決定，其波形主要為馬鞍形，該類波形出力大，平但火花噪音，空載電流大。為改善振動噪聲、換向火花，減少空載電流，磁鋼片的形狀尺寸，模具設計等都要進行精心設計，其中不等厚磁鋼片等已

9、經(jīng)廣泛應用，其原理是使磁鋼片內弧氣隙磁場波形趨向平頂波。 國內最早做鐵氧體磁鋼片的企業(yè)如四川899（宜賓金川電子有限責任公司），廣東省梅州市磁性材料廠等，在八九十年代磁化杯風行時期，曾用磁鋼片作為磁化杯的磁場源。當時國內對鐵氧體磁鋼片的需求量也很少。 1.1.2 自動測量儀器的選擇 1、自動測量儀器的種類 從測量基本原理，可以分為以下三類: (1) 激光測距儀 激光測距儀是利用激光對目標的距離進行準確測定的儀器。激光測距儀在工作時向目標射出一束很細的激光，由光電元件接收目標反射的激光束，計時器測定激光束從發(fā)射到測距儀接收的時間，計算出從觀測者到目標的距離。 　　 激光測距儀是

10、目前使用最為廣泛的測距儀，激光測距儀又可以分類為手持式激光測距儀（測量距離0-300米），望遠鏡激光測距儀（測量距離500-3000米）。 (2) 超聲波測距儀 超聲波測距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來的特性進行測量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計時。 通過不斷檢測產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時間差T，然后求出距離L。 　　 超聲波測距儀，由于超聲波受周圍環(huán)境影響較大，所以一般測量距離比較短，測量精度比較低。目前使用范圍不是很廣闊，但價

11、格比較低，一般幾百元左右。 (3)紅外測距儀 用調制的紅外光進行精密測距的儀器，測程一般為1-5公里。利用的是紅外線傳播時的不擴散原理 ：因為紅外線在穿越其它物質時折射率很小，所以長距離的測距儀都會考慮紅外線，而紅外線的傳播是需要時間的，當紅外線從測距儀發(fā)出碰到反射物被反射回來被測距儀接受到再根據(jù)紅外線從發(fā)出到被接受到的時間及紅外線的傳播速度就可以算出距離。 紅外測距的優(yōu)點是便宜，易制，安全，缺點是精度低，距離近，方向性差。 2 常見自動測量儀器的市場調查 (1) 激光測距儀品牌主要有： 目前市面上的測距儀90%以上都是激光測距儀。 　　 瑞士徠卡[1]Leica DISTO測

12、距儀、法國阿克泰克Agatec、美國LTI激光技術公司、美國圖雅得Truetype測距儀、德國博世BOSCH測距儀、德國奧爾法ORPHA測距儀、美國博士能BUSHNELL測距儀、加拿大紐康NEWCON測距儀、德國喜利得HILTI 測距儀、日本尼康NIKON測距儀、德國奧卡OPTI-LOGIC測距儀。 (2) 超聲波測距儀品牌主要有： 超聲波測距儀，由于技術的缺陷，目前品牌比較少，主要是國產(chǎn)品牌。 　　 ?，?，香港CEM測距儀，Ultrasonic測距儀。 (3) 紅外測距儀 紅外測距儀，由于是落后技術，目前很少有品牌生產(chǎn)。 經(jīng)過各個測距儀優(yōu)缺點的分析和市場調查，基于激光測距

13、儀的適用范圍廣、精度高、使用方便、市場技術成熟的優(yōu)勢，本小組組選擇激光測距儀作為本小組的測量儀器。 1.2課題研究目的 根據(jù)當代社會科學技術的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結構和勞動力市場的變化來調整教育的培養(yǎng)目標。加強創(chuàng)新教育研究與實踐，突破單純學習書本知識的舊習，著重鍛煉以及提高學生的能力和創(chuàng)造性，使之具備分析、表達、理解和應用的能力，以適應未來社會對人才規(guī)格的要求。磁鋼片對于電機的導磁率、定位力矩和矩角特性都有著顯著的影響，直接影響著電機的性能。因而在生產(chǎn)作業(yè)中檢測磁鋼片的厚度顯得極為重要。目前很多生產(chǎn)磁鋼片的廠家主要還是以人工檢測為主，這種檢測方法存在精度差、效率低、 接觸式等問題，而無法滿足現(xiàn)代化生

14、產(chǎn)作業(yè)。為此，筆者設計了基于激光技術測量磁鋼片厚度的自動檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)利用曲柄滑塊傳動原理，推動工作臺上的的磁鋼片，利用夾具將其固定到激光測距傳感器的正下方，采用激光測距傳感器測量其厚度并自動進行分類收集。 本測量儀器系統(tǒng)設計方便、靈活，精巧，并巧妙地選用曲柄滑塊機構，靈活，便于操作，系統(tǒng)功能齊全，準確定位磁鋼片的測量位置，具有良好的控制精度。取步進電機，負責曲柄滑塊和夾具的動力來源，實現(xiàn)了檢測系統(tǒng)的自動控制。最后還設有分選收集機構，自動進行分類收集。 1.3課題研究意義 基于激光技術的磁鋼片厚度自動檢測系統(tǒng)的過程十分復雜，所涉及的問題多屬物理和光電方面的問題。測量過程中速度、尺寸

15、等對產(chǎn)品的質量有很大影響。但是在傳統(tǒng)的設計中，許多參數(shù)的選擇都是憑經(jīng)驗和一些理論確定，所設計的部件的合理性要通過多次實驗才能知道，整個機臺設計完成以后仍需通過多次的試制和修改來滿足設計要求，這樣不僅使設計的生產(chǎn)周期很長，且浪費了大量材料。 但是隨著當今科學技術、計算機技術和計算方法的發(fā)展，對傳統(tǒng)的經(jīng)典理論重新進行探討，探索與實際情況盡可能一致的模擬計算，真正地把理論應用于實踐，并且在設計階段就可以模擬出測量過程，大量的文獻資料證實，激光技術磁鋼片厚度是一個有效工具。通過實驗進行對比和完善，建立起符合生產(chǎn)實際的物理和數(shù)學模型這為進一步完善準確測量打下了一個堅實的基礎。 2 總體方案設計

16、 經(jīng)過小組人員的多次討論，本小組最終定下了此測量系統(tǒng)。將磁鋼片放置于長方筒形送料機構中，由于重力作用，工作平臺上只會自動降落一塊磁鋼片。然后，曲柄滑塊機構在電動機的帶動下，平穩(wěn)緩慢的推動磁鋼片使之在工作臺上前進。其中曲柄滑塊機構中滑塊的的厚度剛好可以阻擋第二塊磁鋼片降落到平臺上，當磁鋼片被推動到激光測距傳感器正下方時，定位機構中的夾具會對磁鋼片進行夾緊固定，使之準確定位于激光測距儀的正下方。激光測距儀探測到的工作臺的水平高度與磁鋼片中心表面的高度差，即磁鋼片的厚度。測量好第一塊磁鋼片后，曲柄滑塊會自動收縮到原位，隨即第二塊磁鋼片降落到工作臺上并重復前述的工作。當?shù)诙配撈煌扑椭良?/p>

17、光測距傳感器正下方時，將第一片磁鋼片送入分選收集機構中。以此類推，當所測磁鋼片厚度與第一片厚度不同時，磁鋼片將會被送入收集盒的另一格子中，從而實現(xiàn)自動分類。 本測量系統(tǒng)由送料機構、曲柄滑塊推動機構、定位機構、激光測量機構、分選收集機構等五個機構構成。設計巧妙，使用簡單，適用于不等厚度、不等寬度磁鋼片的厚度自動測量。其自動測量裝置設計如圖2.1所示。 圖2.1 步進電機磁鋼片厚度自動測量裝置 3 零件結構設計 3.1 推送機構 為將磁鋼片推置激光測量機構正下方，本組利用曲柄滑塊原理設計一推送機構，該機構中，滑塊在電動機的帶動下，平穩(wěn)緩慢的推動磁鋼片使之在工作臺上前進?；?/p>

18、塊設計成下底面是平面，上底面是一個弧面，這樣，就能與磁鋼片更大面積的接觸，從而更穩(wěn)的推進，不易發(fā)生偏移，保證磁鋼片在推塊上緩慢而平穩(wěn)的前進。其推送機構設計如圖3.1所示： 圖3.1 推送機構圖 3.2 送料機構 由于重力原因，當?shù)谝黄配撈凰妥邥r，第二片下移至第一片位置，以此類推，實現(xiàn)循環(huán)送料。另外，送料機構對長方筒和固定片均設計為多個螺釘孔，可以使長方筒在空間上下移動。移動范圍依磁鋼片的厚度而定，從而實現(xiàn)對不同厚度磁鋼片的測量。此外，送料機構中長方筒體積余量較大，可容納多種型號尺寸的磁鋼片。其送料機構設計如圖3.2所示： 圖3.

19、2 送料機構圖 3.3 定位機構 為實現(xiàn)準確定位，本組選取同型號的電動機，當檢測到磁鋼片已移至激光測距傳感器正下方時，電機同步帶動齒輪轉動，同時齒輪帶動齒條，使得夾具以相同的速度向中間移動，將磁鋼片最低點固定至激光測距傳感器正下方。該機構特點為勻速運動，保證磁鋼片的最低點位于激光正下方，減少誤差，提高精度。其定位機構設計如圖3.3所示： 圖3.3 定位機構圖 3.4 激光測量機構 激光測距傳感器:先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學

20、傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間，即可測定目標距離。 其激光測量機構設計如圖3.4所示。 基本原理：光學三角法，半導體激光器①被鏡片②聚焦到被測物體⑥。反射光被鏡片③收集，投射到CMOS陣列④上；信號處理器⑤通過三角函數(shù)計算陣列④上的光點位置得到距物體的距離。 以工作臺為基準平面，測得工作臺到激光傳感器的距離D1，當磁鋼片被推送至測量處時，這時再測得磁鋼片到激光傳感器的距離D2，則磁鋼片的厚度h=D1-D2。 圖3.4 激光測量機構圖 3.5 分選收集機構 為實現(xiàn)自動對不同厚度的磁鋼片進行分選的功能，減少后期人工對

21、不同厚度的磁鋼片篩選的麻煩。本測量裝置特意在接收處設計一分選收集裝置，以所測量磁鋼片為兩種不同厚度為例。其初始位置為第一格正對磁鋼片下落位置。以第一片磁鋼片厚度為基準，設狀態(tài)位為“0”。當激光測量機構檢測到當前所測磁鋼片與第一片厚度不等時，向計算機反饋信號“1”，電機工作，帶動曲柄滑塊迅速轉動，將收集盒后退至第二格正對磁鋼片下落位置。等磁鋼片下落至盒中時，曲柄滑塊迅速回轉，移置初始位置。其分選收集機構設計如圖3.5所示： 圖3.5 分選收集機構圖 4 裝配圖 5 零件圖 6 運動仿真 Pro/ Engineer 軟件的功能十分強大, 其

22、中運動仿真模塊注重運動的分析; 機構運動分析是設計中重要的環(huán)節(jié)，他們之間有著緊密的聯(lián)系。以推送機構中的曲柄滑塊機構為例, 將 Proe 軟件的運動仿真功能應用于曲柄滑塊機構的設計中, 在熟悉運動仿真功能的同時, 還掌握了曲柄滑塊機構的設計方法 , 從而將理論與實踐結合起來。 機構運動包括自由度的計算、各個構件位移、速度和加速度的計算以及構件會不會干涉、還有如何改變構件的尺寸來滿足設計的需要等內容 。例如，曲柄滑塊機構桿與桿之間的尺寸必須不斷推敲，設計，是滿足運動特性。同時連接關系選擇銷釘連接，因為銷釘連接由一個軸對齊約束和一個與軸垂直的平移約束組成。元件可以繞軸旋轉，具有1個旋轉自由度，總自

23、由度為1。符合曲柄滑塊機構運動特性。另外，齒輪與電動機也選擇銷釘連接，因為其只有1個旋轉自由度。齒輪與齒條用滑動桿連接。滑動桿即滑塊，由一個軸對齊約束和一個旋轉約束(實際上就是一個與軸平行的平移約束)組成。元件可滑軸平移，具有1個平移自由度，總自由度為1。 總體運動上還需配合平面等接頭連接約束，從而實現(xiàn)裝置的特定運動。 7 不足與改進 1、在推送磁鋼片過程中磁鋼片會與工作臺平面產(chǎn)生摩擦，甚至會對磁鋼片造成磨損。 改進方法：在工作臺上表面涂上潤滑油，減少摩擦，同時使推送更加平穩(wěn)、快速。 2、在定位裝置方面，本小組在理論上實現(xiàn)了夾具的同步運動并且起到了將磁鋼片固定的功能。但在現(xiàn)

24、實中，易發(fā)現(xiàn)往往難以控制兩電機同時以同速度轉動。 改進方法：在電機啟動上，將兩個電機設置為同一個開關控制，但要到達速度同步，之前雖已選用同型號的電機，但依舊會存在偏差，對此，需不斷調整其轉速，將其兩個速度近似相等。另外，磁鋼片兩邊緣往往不是平整的，現(xiàn)實中可能會出現(xiàn)單邊翹起來的情況，能以實現(xiàn)固定，因而在這一點上，本小組正在設計更加完善的固定機構。 3、在分選收集裝置方面，考慮得不夠周全。它實現(xiàn)了分選和搜集功能，但磁鋼片掉落的時候會出現(xiàn)碰撞，磁鋼片發(fā)生碰撞后，會造成報廢。 改進方法：在分選收集裝置設計方面，本小組在后期計劃設計用機械手實現(xiàn)，通過信號反饋來控制機械手的動作，使其及時將已判斷厚度

25、的磁鋼片放入相應的收集盒中。 由于本小組理論和經(jīng)驗有限，設計中的缺陷和未考慮的地方還很多，有些東西可能與實際脫節(jié)。希望得到老師的批評和指點，并提出寶貴的建議。 8 總結與體會 在機械課程設計中，本組按照開題時所制訂的工作計劃進行了一系列的工作和努力，并在孫老師的諄諄教導及小組成員的全力配合下圓滿完成了課題任務。 本次課程設計，本小組從討論方案，修改方案，到拿出最終方案，大家都集思廣益，共同探討，踴躍的表達自己的想法；在分配任務后，大家都能盡力的完成自己的任務，有余力的組員還幫助其他任務比較多的組員，充分體現(xiàn)了本小組團結協(xié)作的精神，提升了大家的凝聚力！ 本人在這次課程設計中主要負責零件

26、的裝配，修改及動畫仿真。對于零件的尺寸，繪制和配合方式的不斷計算、嘗試、推敲，過程繁瑣，枯燥，但收獲是不言而喻的。特別是運動仿真這個工作，不但可以了解執(zhí)行件的運動及性質, 以此探討結構的重要性，而且可以根據(jù)這個結果調整構件的尺寸。 由于本人是此次課題組的組長，因而在整個設計中都要參與，包括裝置的設計，零件的繪制，裝配和論文的撰寫。及時了解本小組的進程，對不足之處進行討論和改進，盡最大努力使本裝置更加完善。對于本人來說，收獲最大的是方法和能力，分析和解決題目的方法，組織小組成員完成課題項目的能力，收獲了知識和友情。 此次課程設計使筆者進一步的加強了對機械結構的學習與設計能力,加深了也對Pro

27、/ Engineer 軟件的學習與使用，更多的是從中學到很多東西，包括書本知識以及個人素質與品格方面。感謝老師的辛勤指導，也希望老師對于本小組的設計提出意見。 參考文獻 [1] 楊可楨，程光蘊，李仲生.機械設計基礎[J]. 北京：高等教育出版社,2006,（6），P21 -32 [2] 高曉康 陳于萍.互換性與測量技術[J]. 北京：高等教育出版社，2010,（6），P73 -111 [3] 施岳定.工程制圖及計算機繪圖[J]. 浙江：浙江大學出版社，2008，（6），P157 -207 [4] 孫江宏, 黃小龍, 高宏 Proe / ENGINEER結構分析與運動仿真/ 2001 .[M]北京:中國鐵道出版社, 2004，P30 -34 [5] 李現(xiàn)明，吳皓.自動檢測技術[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2009,（1），P160 -165