摘要
连杆是汽车发动机的主要传力构件之一，常处于高速运动状态，因此要求与其它零件间具有较高的配合精度。因而连杆检测成了生产中频繁而又不可缺少的环节。连杆平行度测量仪是专门为检测汽车连杆而设计的专用测量工具，其结构简单、测量精度高。本设计是由机械系统设计和控制系统的设计所组成。包括齿轮传动的设计及选择，滚珠丝杠的设计及选择，步进电机的选择和装置中机械系统的设计，有关测试系统的控制设计及选择。我的设计内容主要是机械部分的设计。
关键词：连杆平行度检测
Abstract
The connecting rod is one of motor car engine main power transmission components, often being at the high speed state of motion, therefore, which requests the higher grade of fit with other components. Thus the connecting rod is examined in the production to be frequent and the also essential link. The connecting rod parallelism measuring instrument is specially for examines for measuring tool which the automobile connecting rod design, its structure is simple, the measuring accuracy is high. This design is composed by the mechanical system design and the control system design, which includes the gear drive design and the choice, the ball bearing guide screw design and chooses, motor machine choice and installment mechanical system design, relating test system control design and choice. My design content mainly focuses on the machine part design.
Key words：Connecting rod parallelism examination
目录
摘要……………………………………………………………………………I Abstract…………………………………………………………………………II
第1章绪论 (1)
第2章机电一体化技术简介 (3)
2.1 机电一体化技术简介 (3)
2.2 机电一体化技术体系 (3)
2.3 机电一体化的发展前景 (3)
2.4 连杆平行度测量仪的简介 (4)
2.5 Pro/ENGINEER产品介绍 (4)
第3章连杆平行度测量仪机械部分的总体设计 (9)
3.1 进给运动的要求 (9)
3.2 滚珠丝杠的选择 (9)
3.3 齿轮传动的设计计算 (14)
3.4 步进电机的选择 (16)
3.5 液压夹具的设计 (19)
第4章连杆平行度测量仪中的微机应用及其接口技术 (23)
4.1 测量仪中主控芯片8088介绍 (23)
4.2 测量仪中的接口技术 (24)
第5章传感器的选择及测量原理 (34)
5.1 传感器的选择及测量方法 (34)
5.2 连杆平行度的分析及计算 (35)
第6章经济分析 (37)
总结 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
附录1专题论文 (41)
附录2外文译文 (49)
附录3外文原文 (54)
第1章绪论
连杆是汽车发动机的主要传力构件之一，常处于高速运动状态，因此要求与其它零件间具有较高的配合精度。在实际生产中常采用放大孔径公差带制造，通过分组装配满足配合精度要求，因而连杆检测成了生产中频繁而又不可缺少的环节。目前我国连杆检测常采用两种方法，一种是采用国产气动测量仪检测两端孔孔径值，并同时测出两者的中心距，而对平行度和交叉度则采用手工检测方法；另一种采用进口气动量仪直接监测5-6个参数。连杆平行度测量仪是专门为测量汽车连杆而设计的专用测量工具。要求其简单轻便，结构简单，测量精度高，且测量过程要求自动化，是机电一体化方面上的设计题目。
图1-1 连杆零件图
连杆平行度测量仪是专门用来检测连杆平行度的检测设备，它避免了手工检测可能带来的人为因素导致的误差，极大地提高了检测效率，同时也提高了
检测的精度。近些年随着我国汽车行业的快速发展，检测技术也是突飞猛进。通过自主研发、引进国外先进技术、与国外公司合资、合作等方式，迅速提高了国内的检测水平，基本满足了使用要求。
目前开发研制成功的连杆综合检测仪器，将先进的传感技术、计算机技术、误差处理技术及控制技术融入到整台设备中，利用比较测量的方法对连杆主要参数进行综合测量，与传统的利用三座标测量机的方法相比，测量效率高、精度高、成本低，是企业用来对连杆的产品质量控制、委外产品验收、工序间检查的理想测试设备。
其结构简图如图1-2。
图 1-2 连杆平行度测量仪立体
第2章机电一体化技术简介
2.1 机电一体化技术简介
在科学技术飞速发展的今天，任何一项新技术的产生都是各种技术互相渗透的结果。机电一体化是一种复合化技术，它是机械技术和微电子技术、信息技术相互渗透的产物，是机电工业发展的必然趋势。
机电一体化的实体部分是机械技术及电子技术，又通过信息技术把两者有机的结合在一起，从而构成功能更为先进的产品，按照系统分析的观点，机电一体化就是把机械部分和电子部分各作为一个环节统一在一个“系统”之中。为了使系统运行达最优化，应该是构成系统的所有硬件采取最佳组合方式，为了强化机电一体化产品的功能从系统观点出发把机械部分和电子部分融合在一起进行通盘考虑，决定那些采用机械技术，那些采用电子技术，并通过信息传输与处理把两者有机组合。因此，从某种意义上来说，机电一体化技术是系统工程学在机械、电子领域的应用，而机电一体化则显示出它的应用效果。
2.2 机电一体化技术体系
机电一体化技术是一门新兴的科学，所联系的主要领域如表2-1所示：
表2-1 机电一体化所联系的主要学科
机械学控制理论机械设计动态系统分析经典控制、数字控制现代控制
微处理机
及常规仪器仪表
电机、电器
及电力电子学
软件工程微处理机系统设计
电子学计算机科学
从上述学科基础来看，机电一体化技术作为一门综合性技术，为这三种工程对象服务，随着科学技术的发展，单纯的机械产品及电器产品将越来越少，今后机电结合的技术将在机械行业和电工行业中占主导地位。
2.3 机电一体化的发展前景
机械技术的发展进入机电一体化阶段就是使机械技术智能化，更好地代替人进行各项工作。目前机械技术已经发展到采用微型计算机的阶段。今后计算
机技术的发展将在图象识别机器上看到文字和声音认别的景象。计算机完全有可能取代人的五官功能，从而出现接近人类智慧的高度智能机器人。微细加工技术是在尖端技术领域里进一步推进精致化、微小化和高度集成化，可以预见的二十一世纪，将会出现加工精度达到原子或分子水平的机床，加工处理技术也会在精密测量方面有较大的发展。
2.4 连杆平行度测量仪的简介
连杆是汽车发动机的主要传力构件之一，常处于高速运动状态，因此要求与其它零件间具有较高的配合精度。在实际生产中常采用放大孔径公差带制造，通过分组装配满足配合精度要求，因而连杆检测成了生产中频繁而又不可缺少的环节。目前我国连杆检测常采用两种方法，一种是采用国产气动测量仪检测两端孔孔径值，并同时测出两者的中心距，而对平行度和交叉度则采用手工检测方法；另一种采用进口气动量仪直接检测5～6个参数。连杆中心孔平行度测量仪是专门为测量汽车连杆而设计的专用测量工具。要求其简单轻便，结构简单，测量精度高，且测量过程要求自动化，是机电一体化方面上的设计题目。
2.5 Pro/ENGINEER产品介绍
1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER Wildfire。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。
Pro／ENGINEER是一套由设计到制造一体化的三维设计软件，是新一代的产品造型系统。Pro／ENGINEER已经成为当今世界上拥有用户最多的三维软件，是全球CAID／CAD／CAE／CAM/PDM领域最具有代表性的著名软件。Pro／ENGINEER总的设计思想体现了MDA(Mechanical Design Automation)软件的新发展，所采用的数据比其他MDA软件更具有优越性。Pro／ENGINEER是一套由设计至生产的机械自动化软件，是一个参数化、基于特征的实体造型系统,并且具有单一的数据库功能。
Pro／ENGINEER Wildfire是PTC公司推出的又一代新产品。同以前的版本相比，Pro／ENGINEER Wildfire更是将三维设计软件无论从易用性、设计的高效率，还是功能的实用性都推向了一个新的顶点。如果您是一位结构或工程设
计师，利用该软件，不但可建立零件模型，还可轻松建立部件、整机的装配模型，还可对设计的产品在计算机上预先进行动态、静态分析，装配干涉检验，甚至进行运动仿真，今您的设计不仅快速高效，而且天衣无缝，一次成功。
PRO/ENGINEER软件包的产品开发环境在支持并行工作，它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。PRO/E能够让多个部门同时致力于单一的产品模型。包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。PRO/ENGINEER共有六大主模块，下面我把它们逐一介绍一下。
(一)工业设计(CAID)模块
工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时，是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，用3DS可以生成实体模型，但用3DS生成的模型在工程实际中是“中看不中用”。用PRO/E 生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上，PRO/E后阶段的各个工作数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。
包括：PRO/3DPAINT(3D建模)、 PRO/ANIMATE(动画模拟)、PRO/DESIGNER(概念设计)、PRO/NETWORKANIMATOR(网络动画合成)、PRO/PERSPECTA-SKETCH（图片转三维模型）、PRO/PHOTORENDER(图片渲染)几个子模块。
(二)机械设计(CAD)模块
机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的零件。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如图1中的摩托车轮轱，这些称为自由曲面。随着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。用PRO/E生成曲面仅需2步～3步操作。PRO/E生成曲面的方法有：拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此PRO/E可以迅速建立任何复杂曲面。
它既能作为高性能系统独立使用，又能与其它实体建模模块结合起来使用，它支持GB、ANSI、ISO和JIS等标准。包括：PRO/ASSEMBLY（实体装配）、PRO/CABLING（电路设计）、PRO/PIPING（弯管铺设）、PRO/REPORT（应用数据图形显示）、PRO/SCAN-TOOLS（物理模型数字化）、PRO/SURFACE（曲面设计）、PRO/WELDING（焊接设计）
(三)功能仿真(CAE)模块
功能仿真(CAE)模块主要进行有限元分析。我们中国有句古话：“画虎画皮难画骨，知人知面不知心”。主要是讲事物内在特征很难把握。机械零件的内部变化情况是难以知晓的。有限元仿真使我们有了一双慧眼，能“看到”零件内部的受力状态。利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化零
件的设计。著名的可口可乐公司，利用有限元仿真，分析其饮料瓶，结果使瓶体质量减轻了近20％，而其功能丝毫不受影响，仅此一项就取得了极大的经济效益。
包括：PRO/FEM（有限元分析）、PRO/MECHANICA CUSTOMLOADS（自定义载荷输入）、PRO/MECHANICA EQUATIONS（第三方仿真程序连接）、PRO/MECHANICA MOTION（指定环境下的装配体运动分析）、PRO/MECHANICA THERMAL（热分析）、PRO/MECHANICA TIRE MODEL（车轮动力仿真）、PRO/MECHANICA VIBRATION（震动分析）、PRO/MESH（有限元网格划分）。
(四)制造(CAM)模块
在机械行业中用到的 CAM制造模块中的功能是NC Machining(数控加工)。说到数控功能，就不能不提八十年代著名的“东芝事件”。当时，苏联从日本东芝公司引进了一套五座标数控系统及数控软件CAMMAX，加工出高精度、低噪声的潜艇推进器，从而使西方的反潜系统完全失效，损失惨重。东芝公司因违反“巴统”协议，擅自出口高技术，受到了严厉的制裁。在这一事件中出尽风头的CAMMAX软件就是一种数控模块。
PRO/ES的数控模块包括：PRO/CASTING（铸造模具设计）、PRO/MFG（电加工）、PRO/MOLDESIGN（塑料模具设计）、PRO/NC-CHECK（NC仿真）、PRO/NCPOST （CNC程序生成）、PRO/SHEETMETAL（钣金设计）。
(五)数据管理(PDM)模块
PRO/E的数据管理模块就像一位保健医生，它在计算机上对产品性能进行测试仿真，找出造成产品各种故障的原因，帮助你对症下药，排除产品故障，改进产品设计。它就像PRO/E家庭的一个大管家，将触角伸到每一个任务模块。并自动跟踪你创建的数据，这些数据包括你存贮在模型文件或库中零件的数据。这个管家通过一定的机制，保证了所有数据的安全及存取方便。
它包括：PRO/PDM（数据管理）、PRO/REVIEW（模型图纸评估）。
(六)数据交换(Geometry Translator)模块
在实际中还存在一些别的CAD系统，如UGⅡ、EUCLID、CIMATRTON、MDT 等，由于它们门户有别，所以自己的数据都难以被对方所识别。但在实际工作中，往往需要接受别的CAD数据。这时几何数据交换模块就会发挥作用。
PRO/E中几何数据交换模块有好几个，如：PRO/CAT（PRO/E和CATIA的数据交换）、PRO/CDT（二维工程图接口）、PRO/DATA FOR PDGS（PRO/E和福特汽车设计软件的接口）、PRO/DEVELOP（PRO/E软件开发）、PRO/DRAW（二维数据库数据输入）、PRO/INTERFACE（工业标准数据交换格式扩充）、PRO/INTERFACE FOR
STEP（STEP/ISO10303数据和PRO/E交换）、PRO/LEGACY（线架/曲面维护）、PRO/LIBRARYACCESS（PRO/E模型数据库进入）、PRO/POLT（HPGL/POSTSCRIPTA 数据输出）
下面就Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。
主要特性
全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。
基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。
装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。
数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。
装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。
易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。
常用模块
Pro/DESIGNIER是工业设计模块的一个概念设计工具，能够使产品开发人员快速、容易的创建、评价和修改产品的多种设计概念。可以生成高精度的曲面几何模型，并能够直接传送到机械设计和/或原型制造中。
Pro/NETWORK ANIMTOR 通过把动画中的帧页分散给网络中的多个处理器来
进行渲染，大大的加快了动画的产生过程。
Pro/PERSPECTA-SKETCH 能够使产品的设计人员从图纸、照片、透视图或者任何其它二维图象中快速的生成一个三维模型。
Pro/PHOTORENDER 能够很容易的创建产品模型的逼真图象，这些图象可以用来评估设计质量，生成图片。
Pro/ASSEMBLY 构造和管理大型复杂的模型，这些模型包含的零件数目不受限制。装配体可以按不同的详细程度来表示，从而使工程人员可以对某些特定部件或者子装配体进行研究，同时在整个产品中使设计意图保持不变。附加的功能还能使用户很容易的创建一组设计，有效的支持工程数据重用（EDU）。 Pro/DETAIL 由于具有广泛的标注尺寸、公差和产生视图的能力，因而扩大了Pro/ENGINEER生成设计图纸，这些图纸遵守ANAI、ISO、DIN和JIS标准。 Pro/FEATURE 允许产品设计人员创建高级特征（例如高级的扫描和轮廓混合）利用简便的设计工具，在很短的时间内就可以实现。
Pro/NOTEBOOK 以“自顶向下”的方式对产品的开发过程进行管理，同时对复杂产品设计过程中涉及的多项任务自动分配，来增强工程的生产效率。
Pro/SCAN-TOOLS 满足工业上使用物理模型作为新设计起点的需求。把模型数字化，它的形状和曲面就可以以点数据的形式输入到Pro/SCAN-TOOLS中，因此能产生高质量的与物理原型非常匹配的模型。
Pro/SURFACE 能够使设计人员和工程人员直接对Pro/ENGINEER的任一实体零件中的几何外形和自由形式的曲面进行有效的开发，或者开发整个的曲面模型。
Pro/WELDINGTM 参数化的定义焊接装配体中的对接要求，使用户很容易的确认焊接点，避免装配零件与焊接点之间发生干涉，在文件编制和制造中消除错误成本。
功能仿真模块 Pro/FEM-POST
用户无须离开Pro/ENGINEER环境，就能够显示高级解算器计算的有限元结果，还鼓励在产品开发早期对设计进行验证。
Pro/MECHANICA CUSTOM LOADS 用户可以把自定义载荷输入，清楚的编辑和连接到Pro/MACHANICA MOTION的图形用户界面上。
第3章连杆平行度测量仪的机械部分总体设计
3.1 进给运动的要求
连杆平行度测试的进给运动是数字控制的直接对象，被测试的连杆的平行度的精度肯定会受到进给运动传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，在设计进给系统时，充分注意减少摩擦，提高传动精度和刚度，消除传动间隙，以及减少运动件的惯性。
3.1.1减少运动件的摩擦阻力
摩擦阻力主要来源与传动系统的导轨和丝杠。因此，为丝杠和导轨的滚动是减少摩擦的重要措施。
3.1.2 提高传动的精度和刚度
因为在进给系统中，采用滚珠丝杠螺母和支撑结构是决定其传动精度和刚度的主要部件，故必须保证它们的加工精度。对步进电机驱动的系统尤其如此，此外，还可以用合理的预紧力来夹紧以消除滚珠丝杠螺母副的轴向传动间隙，是支撑丝杠的轴承预紧以提高支撑的结构刚度，这些措施有利于提高传动精度。
3.1.3 减少传动惯量
在满足传动强度和刚度的要求下应尽可能将各元件进行合理的配置，并减少它们的惯量。
3.2 滚珠丝杠的选择
3.2.1 概述
滚珠丝杠螺母副是回转与直线运动相互转换的新型传动装置。其原理如图。在丝杠和螺母上加工有弧型的螺丝槽，当它们套在一起是形成了螺丝滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则沿滚道滚动，螺母螺丝槽两端用回珠管连接，使滚珠能周而复始的循环，采用滚珠丝杠提高了机构的效率和传动精度，所以一般精度较高的系统中采用滚珠丝杠来传动。我设计的连杆中心孔平行度测量仪的传动系统就采用了滚珠丝杠，以增加系统的传动效率，运动的平稳性及寿命。
图3-1 外循环导管式
图3-2 内循环反向器式
3.2.2 滚珠丝杠的安装
连杆平行度测量仪的进给系统要获得较高的传动精度除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度外，滚珠丝杠正确的安装及其支撑的结构刚度也是不可忽视的因素。为了提高支撑的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的，一般采用两种组合方式：一种是把向心轴承和锥轴承组合使用，其支撑方案，可有以下几种：
（1）一端装止推轴承
这种安装方式因为它承载能力小，刚度低，所以一般用于短丝杠。
（2）一端装止推轴承，另一端装向心球轴承
这种安装用于滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定外，另一端再装向心球轴承，这时需注意止推轴承要远离热源和丝杠上的常用段，以减小丝杠变形的影响。
（3）两端装止推轴承
把止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧力，这样有助于提高刚度，但这种安装方式对丝杠的热伸缩较为敏感。
（4）两端装推力轴承及向心球轴承
这种结构方式不能精确的预先测定预紧力，预紧力大小是由丝杠的温度变形转化而产生的。
本设计中由于滚珠丝杠只是带动测头部分往复运动，所以轴向力并不是太大，故两端只采用球轴承支撑。
3.2.3 滚珠丝杠的润滑及防护
（1）润滑
使用润滑剂可以提高滚珠丝杠的耐磨性和传动效率，润滑剂有固体和液体两种，液体润滑可用20号或30号机油，90～180号透平油或140号主轴油。固体润滑可用高压润滑脂或锂基润滑脂根据本装置要求简单的特点，故使用固体润滑，使用两种润滑脂均可使用时，润滑脂直接加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。
（2）防护
丝杠预紧后，轴向间隙小，当硬质灰或污物等落入螺纹滚道内就会妨碍滚珠的运转，并加快磨损，常用的防护装置有：
(a)密封圈：密封圈装在螺母的两端。有接触式和非接触式两种，接触式的
弹性密封圈，用耐油橡胶和尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配合的开头即与螺纹滚道相结合，这类密封的防尘效果好，但有接触压力会使摩擦力矩加大，非接触式密封圈用聚乙烯等塑料材料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道相反，并稍有间隙且不会增加摩擦力，但防尘效果较差。
(b)防护罩：防护罩有锥形套管，伸缩管，也有折叠式的防护罩。对防护罩的要求是：耐油、耐腐蚀、耐高温和耐用。
根据本设计的要求选用接触式弹性密封圈进行防护。
3.2.4滚珠丝杠的设计计算