凸轮轴测量仪设计

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

The Camshaft Measuring Instrument Is Designed

Author: Gao Xiao Huan

Tutor : Wang Ping Zhu

Abstract

Wheel mechanism is used, the application range is very wide.Therefore, the CAM working performance requirements more and more high, and the CAM work performance is good or bad CAM shape line is mainly composed of relevant parameters to decide. On CAM parameter measuring instrument at home and abroad, therefore, the research and development is becoming more and more widely and deeply.

Cam shaft measuring instrument precision machinery, grating, microcomputer technology, in order to meet the needs of automobile, motorcycle engine camshaft, car camshaft front and rear axle brake detection requirements model special equipment design and manufacturing, but peach shape measurement of camshaft phase error on positioning keyway, peach, peach angle error shape between the phase angle error, and the cam shaft runout the radial velocity, acceleration measurement project.The camshaft is commonly used in engineering, in the mass production of the cam shaft, in order to ensure the quality of products, product measurement becomes very important. Cam shaft axial size more and high precision, can not be guaranteed by the traditional method of measuring each product precision, and easy to cause the measurement cost is too high, therefore need a dedicated measurement equipment to ensure the products quality control. So I designed a cam shaft measuring instrument.

Now the design of the CAM shaft measuring instrument using a popular machine vision as a means of measurement, and used the element such as stepper motor grating, so the signal collecting, image processing, motion control, etc, have higher requirements. Factors lead to effect the measuring accuracy is too much, so the debugging process is more complicated. This design the mechanical structure is relatively simple, but the key parts accuracy requirement is very high, the processing technology and equipment demand is higher, assembly accuracy and the demand is higher, so assembly debugging is also more complex.

Keywords:：Measurements, stepper motor grating, high accuracy, precision machinery

目录

1.绪论 (1)

2.国内外主要的一些凸轮轴测量仪 (2)

2.1 国内主要的一些凸轮轴测量仪 (2)

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 (2)

2.1.2 北京启点恒达测控技术公司研发的凸轮轴测量仪 (3)

2.2 国外主要的一些凸轮测量仪 (5)

2.2.1 美国阿德柯尔911凸轮轴检测仪 (5)

2.2.2 瑞士TRIMOS 多功能轴类检测仪 (5)

3．项目分析和方案拟订 (7)

4.主要元器件的选择 (9)

4.1 CCD传感器以及镜头的选择 (9)

4.2 导轨的选择 (9)

4.3 滚珠丝杆的选择计算 (14)

4.4 长光栅的选择 (15)

4.5 电机的选择 (15)

4.6 齿轮设计 (18)

4.7 滚动轴承的选择及计算 (26)

结论 (27)

致谢 (28)

参考文献 (29)

附录 (31)

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