【導(dǎo)讀】齒輪是機(jī)器和儀器中重要的機(jī)械零件之一，常用它傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。生一定的誤差，因而會(huì)影響其使用質(zhì)量。為了滿足齒輪的使用要求，必須對(duì)。齒輪徑向綜合誤差對(duì)齒輪的傳動(dòng)精度有很大的影響，也是用于。目前，對(duì)于徑向跳動(dòng)的檢測(cè)主要采用手動(dòng)及人工。儀器進(jìn)行智能化改進(jìn)。測(cè)的效率、精度和可靠性。方便、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

　　

【正文】 l — 鍵的工作長度 ， 單位為 mm，對(duì)于圓頭平鍵 l L b??，平頭平鍵 lL? ， L 為鍵的公稱長度， b 為鍵的寬度； d — 軸的直徑 ， 單位為 mm； []p? — 鍵材料的許用擠壓應(yīng)力 ， 單位為 MPa， [ ] 110p? ? MPa。 本設(shè)計(jì)中 在主動(dòng)軸上 用到 的 三個(gè) 鍵 受力最大，而它們 所傳遞的轉(zhuǎn)矩相等，因此只對(duì)最小的那個(gè)鍵進(jìn)行 強(qiáng)度計(jì)算即可。 由公式（ 214）得 332 1 0 2 4 . 9 1 0 5 5 . 70 . 5 4 8 1 1p T k ld? ? ? ?? ? ?? ? ?MPa [ ] 110p???MPa 26 所以，本設(shè)計(jì)中的鍵滿足強(qiáng)度要求。 銷的選用 銷的分類 銷有多種類型，如圓柱銷、圓錐銷 、槽銷、銷軸 和開口銷等 ，這些銷均已標(biāo)準(zhǔn)化 。 圓柱銷靠過盈配合固定在銷孔中，經(jīng)多次裝拆會(huì)降 低其定位精度和可靠性。圓錐銷具有 1： 50 的錐度，在受橫向力時(shí)可以自鎖，它裝拆方便，定位精度高，可多次裝拆而不影響定位精度。 槽銷能承受振動(dòng)和變載荷，安裝槽銷的孔不需要鉸制，加工方便，可以多次裝拆。銷軸用于兩零件的鉸接處，構(gòu)成鉸鏈聯(lián)接。銷軸通常用開口銷鎖定，工作可靠，可多次裝拆。 開口銷裝配時(shí)，將尾部分開，以防脫出 ，常與銷軸配合使用 。 本設(shè)計(jì)中選用的銷 均 為圓錐銷。 銷的強(qiáng)度計(jì)算 銷的剪切強(qiáng)度條件為： 2 []4Fd????? （ 215） 式中： F — 銷受到的剪切力 ， 單位為 N，經(jīng)估算 100F? N； d — 銷的危險(xiǎn)截面的直徑 ， 單位為 mm； []? — 銷材料的許用切應(yīng)力 ， 單位為 MPa，此處 [] 80?? MPa。 由公式（ 215）得 27 22100 8 .03 .1 4444Fd? ?? ? ??MPa [ ] 80???MPa 所以，本設(shè)計(jì)中的銷滿足強(qiáng)度要求。 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 導(dǎo)軌的作用和設(shè)計(jì)要求 當(dāng)運(yùn)動(dòng)件沿著承導(dǎo)件作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，承導(dǎo)件上的導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)向的作用，對(duì)導(dǎo)軌的要求如下： （ 1）一定的導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度是指運(yùn)動(dòng)件沿導(dǎo)軌移動(dòng)的直線性，以及它與有關(guān)基面間的相互位置的準(zhǔn)確性。 （ 2）運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)。工作時(shí)，應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速時(shí)應(yīng)無爬行現(xiàn)象。 （ 3）良好的耐磨性。導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌長期使用后，能保持一定的使用精度。導(dǎo)軌在使用過程中要磨損，但應(yīng)使磨損量小，且磨損 后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。 （ 4）足夠的剛度。運(yùn)動(dòng)件所受的外力，是由導(dǎo)軌面承受的，故導(dǎo)軌 應(yīng)有足夠的接觸剛度。為此，常用加大導(dǎo)軌面寬度，以降低導(dǎo)軌面比壓，或者 設(shè)置輔助導(dǎo)軌，以承受外載。 （ 5）結(jié)構(gòu)工藝性好。在保證導(dǎo)軌其它要求的前提下，應(yīng)使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，便于加工、測(cè)量、裝配和調(diào)整， 以 降低成本。 本設(shè)計(jì)導(dǎo)軌的主要結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)導(dǎo)軌的形狀及基本尺寸如圖 25 所示： 28 圖 25 導(dǎo)軌的形狀及基本尺寸 采用燕型導(dǎo)軌 ， 當(dāng)運(yùn)動(dòng)件沿著承導(dǎo)件作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，承導(dǎo)件上的導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)向的作用， 通過絲杠的螺旋傳動(dòng)，帶動(dòng)導(dǎo) 軌做直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌的進(jìn)給和退回運(yùn)動(dòng)。 本章小結(jié) 傳統(tǒng)的 齒輪 雙面嚙合檢 測(cè) 儀 測(cè)量效率低， 而且 測(cè)量精度不高，在傳統(tǒng)測(cè)量 儀器 的 基礎(chǔ)上， 本章 對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu) 進(jìn)行了 設(shè)計(jì)改進(jìn)，并對(duì) 機(jī)械部分的各個(gè)組成 部分 進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和設(shè)計(jì)計(jì)算 。 29 第 3 章 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的定義 步進(jìn)電機(jī)是 根據(jù)組合電磁鐵的理論設(shè)計(jì)的，是一種把 電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?相應(yīng)的 角位移或線位移 ，并用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制的特殊運(yùn)行方式的同步電動(dòng)機(jī) 。 它與一般的電動(dòng)機(jī)不同，只接電源時(shí)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，每加一次脈沖信號(hào)后僅轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度 。 在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一 線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)， 使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（步 距 角）。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí) 還 可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步 進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電機(jī)種類繁多，按其運(yùn)動(dòng)方式分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。通常使用的旋轉(zhuǎn)型步進(jìn)電機(jī)按其電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生原理，又分為三大類： （ 1）反應(yīng)式（又稱磁阻式）步進(jìn)電機(jī)； （ 2）永磁式步進(jìn)電機(jī)； （ 3）混合式（又稱永磁感應(yīng)子式）步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組可以制成各種相數(shù)，最常見的有單相、三相、四相、五相等幾種。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出；永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小；混合式步進(jìn)電機(jī)則混合了反應(yīng)式和永磁式電機(jī)的特點(diǎn)。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是我國目前應(yīng)用最廣泛的 一種步進(jìn)電機(jī)，它具有調(diào)速范圍廣，動(dòng)態(tài)性能好，能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，且 30 結(jié)構(gòu)比較簡單，因此本設(shè)計(jì)選用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。下面介紹一下三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理。 ： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。 0、 1/3 ? 、 2/3 ? ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距 ， 以 ? 表示），即 A 與齒 1 相 對(duì)齊， B 與齒 2 向右錯(cuò)開 1/3 ? ， C 與齒 3 向右錯(cuò)開 2/3 ? ， A39。與齒 5 相對(duì)齊（ A39。就是 A，齒 5 就是齒 1） 。 定轉(zhuǎn)子的展開圖 如圖 31 所示： 圖 31 定轉(zhuǎn)子的展開圖 ： 如 A 相通電， B、 C 相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒 1 與 A 對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不 受任何力以下均同）。 如 B 相通電， A、 C 相不通電時(shí)，齒 2 應(yīng)與 B 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 ? ，此時(shí)齒 3 與 C 偏移為 1/3 ? ，齒 4 與 A 偏移（ ? 1/3 ? ） =2/3 ? 。 如 C 相通電， A、 B 相不通電，齒 3 應(yīng)與 C 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 ? ，此時(shí)齒 4 與 A 偏移為 1/3 ? 對(duì)齊。 如 A 相通電， B、 C 相不通電，齒 4 與 A 對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 ? 。 這樣經(jīng)過 A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按 A， B， C， A??通電，電機(jī)就每步（每脈沖） 1/3 ? ,向右旋轉(zhuǎn) 。如按 A， C， B， A??通電，電機(jī)就 反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度 與 導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 ： 31 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量 ? ） ， 當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度 ? 將 產(chǎn)生力 F ， F 與 ( / )dd?? 成正比 。 磁通量BrS?? ， Br 為磁密， S 為導(dǎo)磁面積 。 F 與 LDBr 成正比 ， L 為鐵芯的 有效長度， D 為轉(zhuǎn)子直徑 ， /Br N I R? ， NI為 勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)） ， R 為磁阻 。 力矩 =力 半徑 ， 力矩與電機(jī)有效體積 安匝數(shù) 磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)） ，因此，電機(jī)有效體積越 勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。 步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo) 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)性能指標(biāo) ：產(chǎn)生不同對(duì) N、 S 磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)， 常用 m 表示。 ：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài) ， 用 n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例， 四相四拍運(yùn) 行方式 ， 即 ABBCCDDAAB，四相八拍運(yùn)行方式 ， 即 AABBBCCCDDDAA。 ：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移 ， 用θ表示。θ =360 度 /（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J 運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ =360 度 /（ 50*4） =度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ =360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）。 ：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 。 ：電機(jī)在額定靜態(tài) 電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) ：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差 /步距角 100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15%以內(nèi)。 32 ：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù) ， 稱之為失步。 ：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 ：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 5. 最大空載運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式 、 電壓及額定電流下， 電機(jī)不 帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率 。 ：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜 態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬， 如圖 32 所示。 其中，曲線 3 電流最大、或電壓最高 ； 曲線 1 電流最小、或電壓最低 ； 曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。 圖 32 步進(jìn)電機(jī)的 運(yùn)行矩頻特性 曲線 ：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然 。 為使電機(jī)輸出 轉(zhuǎn) 矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較 多。 ：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)?ABBCCA 時(shí)為正轉(zhuǎn) ； 通電時(shí)序?yàn)?CABCAB 時(shí)為反轉(zhuǎn)。 33 步進(jìn)電機(jī)的選擇 種類的選擇 1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：步距角小，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率高，在一相繞組長期通電狀態(tài)下，具有自鎖能力，消耗功率較大，應(yīng)用比較廣泛。例如閥門控制、數(shù)控機(jī)床及其他數(shù)控裝置。 2）永磁式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：功率比較小，在斷電的情況下，有定位轉(zhuǎn)矩，步距角大，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較低。 3）混合式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：有較小的步距角（可做成與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一樣小的步距角），起 動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，消耗功率較小，有定位轉(zhuǎn)矩，它具有反應(yīng)式和永磁式兩種步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)。但是，因是混合式結(jié)構(gòu)，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造成本高。 本設(shè)計(jì)選用 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 型號(hào)的選擇 步進(jìn)電機(jī)有步距角、靜轉(zhuǎn)矩及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率換算到步進(jìn)電 機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度，電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。已知被測(cè)齒輪的最多齒數(shù)是 400，每個(gè)齒采樣10 個(gè)點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)齒輪的齒數(shù)為 40，則經(jīng)換算電機(jī) 的步距角應(yīng)不大于176。 步進(jìn)電機(jī)的靜力矩的選擇依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的23 倍為好，一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來。由于本設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需力矩很小，由經(jīng)驗(yàn)估算其大小約為 m。 34 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖判斷電機(jī)的電流。 本設(shè)計(jì)選用 110BF004 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其參數(shù)見表 31。 表 31 110BF004 步進(jìn)電機(jī)的基本 參數(shù) 相數(shù) 步距角（ 176。） 電壓（ V） 相電流（ A） 靜轉(zhuǎn)矩 （ Nm） 起動(dòng)頻率（步/S） 外形尺寸（ mm） 重 量 外徑 長度 軸徑 3 30 4 500 110 110 11 本章小結(jié) 本章 介紹了步進(jìn)電機(jī)的定義和 分類 ，列舉了步進(jìn)電機(jī)的一些基本性能參數(shù)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的選擇作了詳細(xì)說明，并為本設(shè)計(jì)的儀器選定了步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)。 35 第 4 章 傳感測(cè)試及控制電路部分設(shè)計(jì) 電渦流傳感器的基本原理 電渦流傳感器是一種性能優(yōu)越的非接觸測(cè)量傳 感器，這種傳感器適用于對(duì)機(jī)械的振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀態(tài)的直接在線監(jiān)測(cè)。它的體積小 、 結(jié)構(gòu)緊湊堅(jiān)固 、 耐腐蝕 、 耐濕熱 ， 因而廣泛應(yīng)用于電力、石化、機(jī)械等行業(yè)。 電渦流傳感器由平面線圈和金屬片組成，它是基于電磁感應(yīng)原理而制成的。由電磁場(chǎng)理論可知，在受到交變電磁場(chǎng)作用的任何