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机械课程设计报告步进电机磁钢片厚度自动测量装置设计步进电机磁钢片厚度自动测量装置设计摘要：磁钢片对于电机的导磁率、定位力矩和矩角特性都有着显著的影响，直接影响着电机的性能。因而在生产作业中检测磁钢片的厚度显得极为重要。目前很多生产磁钢片的厂家主要还是以人工检测为主，这种检测方法存在精度差、效率低、 接触式等问题，而无法满足现代化生产作业。为此，笔者设计了基于激光技术测量磁钢片厚度的自动检测系统。该检测系统利用曲柄滑块传动原理，推动工作台上的的磁钢片，利用夹具将其固定到激光测距传感器的正下方，采用激光测距传感器测量其厚度并自动进行分类收集。测量装置系统特点：1. 设计巧妙，使用简单，适用于不等厚度、不等宽度磁钢片的厚度测量。2. 巧妙地选用曲柄滑块机构，灵活，便于操作。3. 系统功能齐全，准确定位磁钢片的测量位置，具有良好的控制精度。取步进电机，负责曲柄滑块和夹具的动力来源，实现了检测系统的自动控制。最后还设有分选收集机构，自动进行分类收集。关键词：磁钢片 激光测距传感器 曲柄滑块 夹具目次摘要I目次II1 前言11.1 前期调研21.1.1 磁钢片的用途21.1.2 自动测量仪器的选择21.2 课题研究的目的41.3 课题研究的意义42 总体方案设计53 零件结构设计63.1 推送机构63.2 送料机构63.3 定位机构73.4 激光测量机构73.5 分选收集机构84 装配图95 二维图106 运动仿真137 不足与改进148 结论与体会15参考文献161 前言磁钢片是电动机中的重要组成部件，其质量的好坏直接决定电动机的性能，对于厚度不同的磁钢片必须予以检测。由于钢片本身的多样性、 复杂性等特点导致对其检测方法的研究一直以来没有得到实质性的进展。目前很多生产磁钢片的厂家主要还是以人工检测为主，这种检测方法由于存在精度差、效率低、 接触式等缺点，而无法满足现代化生产作业。为此，开发了基于激光技术的磁钢片厚度自动检测系统生产工艺。在高质量产品的制造和高效率生产环境的构建中，测量技术起到了很大的作用，其重要性与日俱增。尤其在生产国际化、全球经济一体化迅速发展的时期，要求不同地区生产的高精度零部件，必须具有良好的互换性，因此，急需建立一种基于国际标准的拥有极佳测量精度及可靠性的测量体制。为了满足上述要求，精密测量仪器必须具有更高的精度、质量和可靠性。各个仪器生产厂商也都在积极开发功能更强、服务性能更好的新产品，而从中本小组可以看到测量仪器的最新动向。加工和测量犹如车上的两个轮子。近年来，随着经济的复苏，制造业设备运转率不断提高，长期处于不景气的测量仪器生产也有较大的增长。目前，生产现场非常重视提高加工效率和降低生产成本，其中，最重要的便是生产出高质量的产品。为此，必须实行严格的质量管理，只有在保证高质量生产的前提下，制造业才能生存和发展。作为保证制造业顺利发展的重要手段，高精度零部件构成的加工机床和由高精度测量仪器组合集成的加工生产线构建成的自律式加工系统，是很有必要的。据此可以预计，今后，市场对用于质量管理的测量系统和机器设备的需求将不断增长。 制造业生产现场对测量仪器及装置的要求大致如下：能够适应广泛范围的环境温度；抗污染和防振动性能优异；测量重复精度高；使用方便。目前，各厂家以便于在加工环境使用为前提，正积极地开发新产品，这些新产品能够进行高速、高精度测量，而且稳定性极佳，操作便捷。 在测量技术方面，日本精密测量仪器工业协会常务理事龟井明敏指出：“任何一种加工设备，无论其多么先进，均会出现由热变形引起的偏移和由工具磨损产生的误差，而要掌握这些偏移和误差，则必须依靠测量技术。”龟井认为，在现场加工过程中，进行测量作业的目标应该是：“判断产品质量是否合格：即在加工过程中配置测量环节，保证其能够进行最终加工；检测工具磨损、热变形等引起的误差：根据输出的补偿信号，采取相应的措施；选取生产节拍和制品精度的最佳配合：不仅要保证所选适应技术等绝对精度，还应保证获得相对精度，从而提高总体生产效率。在这些过程中，测量技术起着举足轻重的作用。” 如上所述，测量技术的主攻方面仍然是进一步提高测量精度；同时，人们对测量技术的重要性和存在价值的认识应大幅度提高，这是测量技术今后不断发展的巨大推动力。 1.1 前期调研随着汽车行业自动化的高速发展，磁钢片的需求量正在与日俱增。1.1.1 磁钢片的用途磁钢片主要用在永磁直流电机中，与电磁式电机通过励磁线圈产生磁势源不同，永磁电机是以永磁材料产生恒定磁势源。永磁磁钢片代替电励磁具有很多优点，可使电机结构简单、维修方便、重量轻、体积小、使用可靠、用铜量少、铜耗低、能耗小等。 磁钢片根据应用领域不同，对性能以及磁场波形要求也不同，作为转子领域，其外弧面表场要求高，波形基本要求为正弦波，作为定子，则根据电机的出力要求，火花以及噪音的不同要求进行选择，作定子的磁钢片，其内弧表场高，因磁钢片本身形状与生产特性决定，其波形主要为马鞍形，该类波形出力大，平但火花噪音，空载电流大。为改善振动噪声、换向火花，减少空载电流，磁钢片的形状尺寸，模具设计等都要进行精心设计，其中不等厚磁钢片等已经广泛应用，其原理是使磁钢片内弧气隙磁场波形趋向平顶波。 国内最早做铁氧体磁钢片的企业如四川899（宜宾金川电子有限责任公司），广东省梅州市磁性材料厂等，在八九十年代磁化杯风行时期，曾用磁钢片作为磁化杯的磁场源。当时国内对铁氧体磁钢片的需求量也很少。1.1.2 自动测量仪器的选择1、自动测量仪器的种类从测量基本原理，可以分为以下三类:(1) 激光测距仪激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到测距仪接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。 激光测距仪是目前使用最为广泛的测距仪，激光测距仪又可以分类为手持式激光测距仪（测量距离0-300米），望远镜激光测距仪（测量距离500-3000米）。(2) 超声波测距仪超声波测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。 通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。 超声波测距仪，由于超声波受周围环境影响较大，所以一般测量距离比较短，测量精度比较低。目前使用范围不是很广阔，但价格比较低，一般几百元左右。(3)红外测距仪用调制的红外光进行精密测距的仪器，测程一般为1-5公里。利用的是红外线传播时的不扩散原理 ：因为红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线，而红外线的传播是需要时间的，当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被测距仪接受到再根据红外线从发出到被接受到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离。 红外测距的优点是便宜，易制，安全，缺点是精度低，距离近，方向性差。2 常见自动测量仪器的市场调查(1) 激光测距仪品牌主要有：目前市面上的测距仪90%以上都是激光测距仪。 瑞士徕卡1Leica DISTO测距仪、法国阿克泰克Agatec、美国LTI激光技术公司、美国图雅得Truetype测距仪、德国博世BOSCH测距仪、德国奥尔法ORPHA测距仪、美国博士能BUSHNELL测距仪、加拿大纽康NEWCON测距仪、德国喜利得HILTI 测距仪、日本尼康NIKON测距仪、德国奥卡OPTI-LOGIC测距仪。(2) 超声波测距仪品牌主要有：超声波测距仪，由于技术的缺陷，目前品牌比较少，主要是国产品牌。 希玛，香港CEM测距仪，Ultrasonic测距仪。(3) 红外测距仪红外测距仪，由于是落后技术，目前很少有品牌生产。 经过各个测距仪优缺点的分析和市场调查，基于激光测距仪的适用范围广、精度高、使用方便、市场技术成熟的优势，本小组组选择激光测距仪作为本小组的测量仪器。1.2课题研究目的根据当代社会科学技术的发展、产业结构和劳动力市场的变化来调整教育的培养目标。加强创新教育研究与实践，突破单纯学习书本知识的旧习，着重锻炼以及提高学生的能力和创造性，使之具备分析、表达、理解和应用的能力，以适应未来社会对人才规格的要求。磁钢片对于电机的导磁率、定位力矩和矩角特性都有着显著的影响，直接影响着电机的性能。因而在生产作业中检测磁钢片的厚度显得极为重要。目前很多生产磁钢片的厂家主要还是以人工检测为主，这种检测方法存在精度差、效率低、 接触式等问题，而无法满足现代化生产作业。为此，笔者设计了基于激光技术测量磁钢片厚度的自动检测系统。该检测系统利用曲柄滑块传动原理，推动工作台上的的磁钢片，利用夹具将其固定到激光测距传感器的正下方，采用激光测距传感器测量其厚度并自动进行分类收集。本测量仪器系统设计方便、灵活，精巧，并巧妙地选用曲柄滑块机构，灵活，便于操作，系统功能齐全，准确定位磁钢片的测量位置，具有良好的控制精度。取步进电机，负责曲柄滑块和夹具的动力来源，实现了检测系统的自动控制。最后还设有分选收集机构，自动进行分类收集。1.3课题研究意义基于激光技术的磁钢片厚度自动检测系统的过程十分复杂，所涉及的问题多属物理和光电方面的问题。测量过程中速度、尺寸等对产品的质量有很大影响。但是在传统的设计中，许多参数的选择都是凭经验和一些理论确定，所设计的部件的合理性要通过多次实验才能知道，整个机台设计完成以后仍需通过多次的试制和修改来满足设计要求，这样不仅使设计的生产周期很长，且浪费了大量材料。但是随着当今科学技术、计算机技术和计算方法的发展，对传统的经典理论重新进行探讨，探索与实际情况尽可能一致的模拟计算，真正地把理论应用于实践，并且在设计阶段就可以模拟出测量过程，大量的文献资料证实，激光技术磁钢片厚度是一个有效工具。通过实验进行对比和完善，建立起符合生产实际的物理和数学模型这为进一步完善准确测量打下了一个坚实的基础。 2 总体方案设计 经过小组人员的多次讨论，本小组最终定下了此测量系统。将磁钢片放置于长方筒形送料机构中，由于重力作用，工作平台上只会自动降落一块磁钢片。然后，曲柄滑块机构在电动机的带动下，平稳缓慢的推动磁钢片使之在工作台上前进。其中曲柄滑块机构中滑块的的厚度刚好可以阻挡第二块磁钢片降落到平台上，当磁钢片被推动到激光测距传感器正下方时，定位机构中的夹具会对磁钢片进行夹紧固定，使之准确定位于激光测距仪的正下方。激光测距仪探测到的工作台的水平高度与磁钢片中心表面的高度差，即磁钢片的厚度。测量好第一块磁钢片后，曲柄滑块会自动收缩到原位，随即第二块磁钢片降落到工作台上并重复前述的工作。当第二片磁钢片被推送至激光测距传感器正下方时，将第一片磁钢片送入分选收集机构中。以此类推，当所测磁钢片厚度与第一片厚度不同时，磁钢片将会被送入收集盒的另一格子中，从而实现自动分类。本测量系统由送料机构、曲柄滑块推动机构、定位机构、激光测量机构、分选收集机构等五个机构构成。设计巧妙，使用简单，适用于不等厚度、不等宽度磁钢片的厚度自动测量。其自动测量装置设计如图2.1所示。图2.1 步进电机磁钢片厚度自动测量装置3 零件结构设计3.1 推送机构为将磁钢片推置激光测量机构正下方，本组利用曲柄滑块原理设计一推送机构，该机构中，滑块在电动机的带动下，平稳缓慢的推动磁钢片使之在工作台上前进。滑块设计成下底面是平面，上底面是一个弧面，这样，就能与磁钢片更大面积的接触，从而更稳的推进，不易发生偏移，保证磁钢片在推块上缓慢而平稳的前进。其推送机构设计如图3.1所示： 图3.1 推送机构图3.2 送料机构由于重力原因，当第一片磁钢片被送走时，第二片下移至第一片位置，以此类推，实现循环送料。另外，送料机构对长方筒和固定片均设计为多个螺钉孔，可以使长方筒在空间上下移动。移动范围依磁钢片的厚度而定，从而实现对不同厚度磁钢片的测量。此外，送料机构中长方筒体积余量较大，可容纳多种型号尺寸的磁钢片。其送料机构设计如图3.2所示：图3.2 送料机构图3.3 定位机构 为实现准确定位，本组选取同型号的电动机，当检测到磁钢片已移至激光测距传感器正下方时，电机同步带动齿轮转动，同时齿轮带动齿条，使得夹具以相同的速度向中间移动，将磁钢片最低点固定至激光测距传感器正下方。该机构特点为匀速运动，保证磁钢片的最低点位于激光正下方，减少误差，提高精度。其定位机构设计如图3.3所示：图3.3 定位机构图3.4 激光测量机构激光测距传感器:先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。 其激光测量机构设计如图3.4所示。 基本原理：光学三角法，半导体激光器被镜片聚焦到被测物体。反射光被镜片收集，投射到CMOS阵列上；信号处理器通过三角函数计算阵列上的光点位置得到距物体的距离。以工作台为基准平面，测得工作台到激光传感器的距离D1，当磁钢片被推送至测量处时，这时再测得磁钢片到激光传感器的距离D2，则磁钢片的厚度h=D1-D2。图3.4 激光测量机构图3.5 分选收集机构为实现自动对不同厚度的磁钢片进行分选的功能，减少后期人工对不同厚度的磁钢片筛选的麻烦。本测量装置特意在接收处设计一分选收集装置，以所测量磁钢片为两种不同厚度为例。其初始位置为第一格正对磁钢片下落位置。以第一片磁钢片厚度为基准，设状态位为“0”。当激光测量机构检测到当前所测磁钢片与第一片厚度不等时，向计算机反馈信号“1”，电机工作，带动曲柄滑块迅速转动，将收集盒后退至第二格正对磁钢片下落位置。等磁钢片下落至盒中时，曲柄滑块迅速回转，移置初始位置。其分选收集机构设计如图3.5所示：图3.5 分选收集机构图4 装配图5 零件图6 运动仿真Pro/ Engineer 软件的功能十分强大, 其中运动仿真模块注重运动的分析; 机构运动分析是设计中重要的环节，他们之间有着紧密的联系。以推送机构中的曲柄滑块机构为例, 将 Proe 软件的运动仿真功能应用于曲柄滑块机构的设计中, 在熟悉运动仿真功能的同时, 还掌握了曲柄滑块机构的设计方法 , 从而将理论与实践结合起来。机构运动包括自由度的计算、各个构件位移、速度和加速度的计算以及构件会不会干涉、还有如何改变构件的尺寸来满足设计的需要等内容 。例如，曲柄滑块机构杆与杆之间的尺寸必须不断推敲，设计，是满足运动特性。同时连接关系选择销钉连接，因为销钉连接由一个轴对齐约束和一个与轴垂直的平移约束组成。元件可以绕轴旋转，具有1个旋转自由度，总自由度为1。符合曲柄滑块机构运动特性。另外，齿轮与电动机也选择销钉连接，因为其只有1个旋转自由度。齿轮与齿条用滑动杆连接。滑动杆即滑块，由一个轴对齐约束和一个旋转约束(实际上就是一个与轴平行的平移约束)组成。元件可滑轴平移，具有1个平移自由度，总自由度为1。总体运动上还需配合平面等接头连接约束，从而实现装置的特定运动。7 不足与改进1、在推送磁钢片过程中磁钢片会与工作台平面产生摩擦，甚至会对磁钢片造成磨损。改进方法：在工作台上表面涂上润滑油，减少摩擦，同时使推送更加平稳、快速。 2、在定位装置方面，本小组在理论上实现了夹具的同步运动并且起到了将磁钢片固定的功能。但在现实中，易发现往往难以控制两电机同时以同速度转动。改进方法：在电机启动上，将两个电机设置为同一个开关控制，但要到达速度同步，之前虽已选用同型号的电机，但依旧会存在偏差，对此，需不断调整其转速，将其两个速度近似相等。另外，磁钢片两边缘往往不是平整的，现实中可能会出现单边翘起来的情况，能以实现固定，因而在这一点上，本小组正在设计更加完善的固定机构。3、在分选收集装置方面，考虑得不够周全。它实现了分选和搜集功能，但磁钢片掉落的时候会出现碰撞，磁钢片发生碰撞后，会造成报废。改进方法：在分选收集装置设计方面，本小组在后期计划设计用机械手实现，通过信号反馈来控制机械手的动作，使其及时将已判断厚度的磁钢片放入相应的收集盒中。由于本小组理论和经验有限，设计中的缺陷和未考虑的地方还很多，有些东西可能与实际脱节。希望得到老师的批评和指点，并提出宝贵的建议。8 总结与体会在机械课程设计中，本组按照开题时所制订的工作计划进行了一系列的工作和努力，并在孙老师的谆谆教导及小组成员的全力配合下圆满完成了课题任务。本次课程设计，本小组从讨论方案，修改方案，到拿出最终方案，大家都集思广益，共同探讨，踊跃的表达自己的想法；在分配任务后，大家都能尽力的完成自己的任务，有余力的组员还帮助其他任务比较多的组员，充分体现了本小组团结协作的精神，提升了大家的凝聚力！本人在这次课程设计中主要负责零件的装配，修改及动画仿真。对于零件的尺寸，绘制和配合方式的不断计算、尝试、推敲，过程繁琐，枯燥，但收获是不言而喻的。特别是运动仿真这个工作，不但可以了解执行件的运动及性质, 以此探讨结构的重要性，而且可以根据这个结果调整构件的尺寸。由于本人是此次课题组的组长，因而在整个设计中都要参与，包括装置的设计，零件的绘制，装配和论文的撰写。及时了解本小组的进程，对不足之处进行讨论和改进，尽最大努力使本装置更加完善。对于本人来说，收获最大的是方法和能力，分析和解决题目的方法，组织小组成员完成课题项目的能力，收获了知识和友情。此次课程设计使笔者进一步的加强了对机械结构的学习与设计能力,加深了也对Pro/ Engineer 软件的学习与使用，更多的是从中学到很多东西，包括书本知识以及个人素质与品格方面。感谢老师的辛勤指导，也希望老师对于本小组的设计提出意见。参考文献1 杨可桢，程光蕴，李仲生.机械设计基础J. 北京：高等教育出版社,2006,（6），P21 -322 高晓康 陈于萍.互换性与测量技术J. 北京：高等教育出版社，2010,（6），P73 -1113 施岳定.工程制图及计算机绘图J. 浙江：浙江大学出版社，2008，（6），P157 -2074 孙江宏, 黄小龙, 高宏 Proe / ENGINEER结构分析与运动仿真/ 2001 .M北京:中国铁道出版社, 2004，P30 -345 李现明，吴皓.自动检测技术M. 北京：机械工业出版社,2009,（1），P160 -165