静重式标准测力机机械结构和力值精度控制系统设计.docx

1、题目静重式标准测力机机械结构和力值精度控制系统设计摘 要一个国家的进步发展，科技力量的展现，可以用标准式测力机来衡量，在力值的传递领域和计量领域中最高标准设备是标准式测力机，同时它也是力学部门用来检验计量的设备。在新时代科技革命的引领下，标准式测力机迎来了新的发展机遇，在测力机快速发展更新的同时，人们对机器设备性能的希望也是越来越大。标准测力机所测量力值准确程度，大大影响了人民生活的质量，社会的发展进步，乃至一个国家的经济前景和科技力量。标准式测力机主要有以下几种分类：静重式、杠杆式、液压式、叠加式等几种类型。在本次设计中，分为机械设计部分以及电气控制系统部分，二者相辅相成，缺一不可，其中测力

2、机的机械结构为最主要的。与此同时，需要控制系统实现机构的正常运行。控制系统应该准确控制装置的精准度，从而使装置在正常工作情况下，具有良好的稳定性。本此设计主要以1KN静重式力标准测力机作为设计对象，采用独立倒码机制，使得测量更加准确、更加方便，减少砝码的总重量，节省了材料，同时也减少了力标准机的空间体积的大小。关键词：力；标准机；力值的测量；静重式；独立倒码的过程 - I -Design Of Mechanical Structure And Force Value Precision Control System For Standard Dynamometer AbstractThe st

3、andard dynamometer is the equipment used by the mechanics department to measure the standard, and is the highest standard equipment in the field of force measurement and force transmission. With the development of society, people increasingly demanding the measurement accuracy, but also requires the

4、 load load cell sensor to use the other performance to meet the needs of production and life. The accuracy of the standard force measurement is of great significance to the economic, military, aerospace and peoples lives of a country.The standard dynamometer is divided into static type dynamometer,

5、lever type dynamometer, hydraulic dynamometer, superposition dynamometer and so on. High-value accuracy of the powerful value of the benchmark machine are generally static-type dynamometer or hydraulic dynamometer. In the static dynamometer, the mechanical composition is its most important part of t

6、he structure, but any normal operation of the equipment are inseparable from the electrical device. The normal operation of the static dynamometer can not be separated from the measurement and control system, and the running performance of the measurement and control system directly affects the accu

7、racy of the static force measuring force.This design is mainly 10KN static force force measuring machine as the design object, the use of independent decipher mechanism, making the measurement more accurate and more convenient to reduce the weight of the total weight, saving the material, while redu

8、cing the force standard machine volume. Key words：Standard dynamometer；Force measurement；Static type； Independent inversion- III -目 录摘 要IAbstractII引 言11 绪论21.1 课题的相关研究背景21.1.1 标准测力机概况及分类21.1.2 标准测力机有关技术指标31.1.3 我国内现在标准测力机状况31.2 设计内容41.2.1 设计的现实意义41.2.2 设计内容51.3 总体方案确定52 机械部分设计72.1 概述72.2 主机的基本组成72.2

9、.1 顶部装置72.2.2 吊挂72.2.3 砝码提升装置82.3 传动系统的确定82.4 电动机的选取92.4.1 横梁的传动系统的电机选择92.4.2 砝码提升装置电机的选择102.5 蜗轮蜗杆的设计计算112.5.1 蜗轮蜗杆传动副概述112.5.2 砝码提升机构蜗轮蜗杆的设计与计算122.5.3 顶部机构蜗轮蜗杆的设计与计算152.6 吊挂的设计172.7 间隙选择182.8 动横梁的校验182.9 砝码的设计192.10 轴承的校核192.10.1 滚动轴承的特点192.10.2 滚动轴承的失效分析及计算准则202.10.3 额定寿命与额定动载荷203 电气控制部分设计223.1 单

10、片机概述223.2 主芯片STM32F103C8T6介绍233.3 8255芯片233.4 74LS373芯片243.5 ADVFC32芯片253.6 复位电路263.7 A/D转换器263.8 CD4051芯片27结论与展望29致 谢30参 考 文 献31长春工业大学毕业设计、毕业论文引 言本次论文主要介绍了标准式测力机的发展历史和国内外的现状，并且着重的说明了静重式测力机的机械结构，通过相应的计算，设计出来1KN的测力机机械结构。静重式测力机相比于其他类型的测力机，具有造价较低，准确度最高等优点，因此国家基准大多采用此类型。一个国家的进步发展，科技力量的展现，可以用标准式测力机来衡量，在力

11、值的传递领域和计量领域中最高标准设备是标准式测力机，同时它也是力学部门用来检验计量的设备。随着社会的不断进步发展,人们对力标准机的测量精度要求也是日益增加，这便也就要求负荷测力传感器的各项性能可以满足人们对生产生活的需要。标准测力机所测量力值准确程度，大大影响着国家的经济、军事、航空航天，乃至人民生活等领域。 通过查阅大量书籍和相关文献，对静重式标准测力机有了全面的了解，所以设计采用独立倒码机构，并设计了相关的电气自动控制系统来完成倒码过程动作。我选用了滚珠丝杠传动方案，这是因为这种传动方案可以达到小摩擦阻力、高传动精度和刚度、小零件转动惯量的目标，还可以达到更灵活的运动，同时还需要保证较高的

12、稳定性和较长的寿命。1 绪论1.1 课题的相关研究背景1.1.1 标准测力机概况及分类标准测力机（force standard machine）:是广泛用于力学计量的标准计量设备，它主要用于检定各种传感器和量值传递。标准测力机是用与标定传感器的设备装置，其分类大致可分成四种，如下所示：（一）静重式标准测力机 这种方式的原理是先把砝码加载到装置上，作为其初始基准。然后传感器经过特殊机构，一一采集砝码的力值，从而实现测力的目的。它的组成包括：主机、砝码、自控泵、液压泵站、控制系统、管路、操作软件。 世界上最大的静重式标准测力机是美国研制发明的，是4500KN。在我国内大量程的静重式测量机却不多，最

13、大的力标准机是一院102所与武汉461厂共同研制生产的，为1.1MN。它是国防系统大力值计量的最高标准，力值复现精度可以达十万分之一。它的研制成功为中国航天事业的大力值计量测试技术的发展奠定了坚实的基础，为今后我国航天飞机推力测试实验创造了有力条件。国内在浙江有一台500KN的力标准机，304所研制的国内第一台300KN测力机。 静重式测力机是准确度最高的，国家基准大多采用此类型。 （二）杠杆式标准测力机 这种方式的工作原理与静重式具有相似之处，也是先把砝码加载到装置上，作为其初始基准。然后传感器经过特殊机构，一一采集砝码的力值，从而实现测力的目的。它的组成包括：主机、砝码、杠杆机构、自控泵、

14、液压泵站、控制系统、操作软件和管路。 杠杆式测力机因为把砝码的重力放大了，所以砝码的精度对于测量的精度影响很大。 （三）液压式标准测力机 液压式测力机的基本原理是巴斯加原理，把砝码产生的重力经过液压机构施加在传感器上。 一般结构为：主机、砝码机构、测量油缸、检测操作台。 世界上主要的液压式测力机有：日本（NRLM）的20MN，日本（NRLM）的5MN，西德（PTB）的16.5MN，东德（BSMQC）的10MN，英国（NPL）的5MN。精度可达到负荷的万分之一。（四）叠加式标准测力机 这种方式的工作原理是用机械或液压的方式给与初始力值，这个力值被施加到传感器上，此传感器需要具有更高的精度，并且他

15、们之间的连接方式为串联方式。它的组成包括：主机、力发生器、标准传感器和二次仪表、加载控制调节系统、软件。 在工业革命的冲击下，叠加式测力机在最近二十年来迎来了大跨步的发展，并且成功在我国工业领域内的标准测力机中占具主要的一席之地。随着科学技术的蓬勃发展，标准测力机在结构型式、操作方式、加载原理等方面也因此而出现了不同类型。国内现有的叠加式测力机都存在一种特定的缺点，那就是力值波动的幅度无法进行精确控制，是因为绝大多数的动力装置都使用了油压的方式。 在上述四种类型的装置中，静重式与液压式相比于其他类型而言，制造加工的成本更低，同时静重式测量力值的最大幅度要强于液压式；他们具有相同的缺点为，传感器

16、的加载需要缓慢进行。而杠杆式测量的精度准值还有待进一步加强，需要尽量避免其力值波动。叠加式的测力机工作方式简单，测量操作简单，一般而言，精度不回受到其他外界因素的影响。1.1.2 标准测力机有关技术指标（1）力值不重复度：这个指标是可以直接影响传感器的不重复度。并且实践证明，静重力式测力机的不重复度非常小，可达到。（2）力值的准确度：这一指标取决于砝码稳重质量和空气密度的测定精度，同时与砝码材质，表面处理和加卸方式有关，力准确度通常大于,大部分可达。它可以反映测量装置的系统误差和随机误差。（3）力标准机的附加滞后值：在同一台高精度的测力仪对一台标准机进行对比检定时获得的各相应点之偏差的最大绝对

17、值。因为力标准机能够对传感器产生附加滞后的影响，在同一传感器对不同的力标准机测试时，得到的滞后值不会完全相同。实践证明，液压式和杠杆力式标准机测试各等级传感器的滞后与静重式测力机的测试结果基本一致，其影响在大多数情况下是可忽略不计的。1.1.3 我国内现在标准测力机状况静重式：国内现有1.1MN，300KN，500KN, 100KN及数十台6KN，两台100N和1KN静重式力标准机等。此外，300KN和1MN杠杆机的直接加荷部分也可作为50KN和30KN静重机使用。这些机器的特点是力值准确度高（优于），但超过100KN时体积大，造价高。杠杆式：这种类型的测力机在国内的数量相对较少，其中1MN量

18、程的设备含有量仅为20，当量程相对较低时，它的含有量稍有回升，但均不超过50台。这种类型的测力机与静重式相比，对传感器附加的非直线度有一定的差距。标准测力机的敏感度可达力值的310甚至可以达到更小。这种类型的测力机生产加工的成本很低，但却能测量精准，具有良好的稳定性，对于使用者而言，具有操作简单的优点。同时，它的缺点也很明显，那就是因为由于机构的运动，会对装置产生一定的摇晃，很容易出现力值的波动，这种现象还与很多外界的人为因素有关，比如施加负荷大小，加荷方式和操作熟练程度等相关。通常，对传感器施加额定载荷时，基本力值波动衰减完的时间约为60s。因此，在高精度传感器的校准情况下或将传感器与力标准

19、机进行力值比对时，除了采用最佳操作用以减少力值波动的幅度外，每次负荷达到预定的值后读数时间也应该一致，如半分钟，一分钟甚至三分钟。液压式：我国内现有二台5MN，五台2MN的和十余台600KN力标准机。此类型的测力机在使用的过程中，测量结果的准确度范围可达从到。这种类型的测力机能够测量很多力值较大的砝码，同时它还具有加工成本低，空间占比小等优点。但其主要缺点就是力值波动过大，有的达到了。力值波动对一些传感器的有关指标测量会带来一定的不良影响，甚至改变测量传感器的蠕变特性。叠加式：这种类型测力机的明显特点就是结构不复杂，制作成本也不高，力级可以任意设计和选择。力值的测量可以直接就由标准传感器来完成

20、，由一台双向式液压千斤顶来施加机械负载。这种加荷方法在一定的程度上既能够提高加荷速度，又能保证负荷的稳定性。还可以由液压活塞施加负荷，力值的测量主要用HBM公司制造的C4传感器和DK37A来完成。设计研究的人员认为这个标准测力机的力精度可达。力值准确度的高低主要取决于标准传感器是否稳定，和被检传感器和标准传感器的加荷同心度是多少。1.2 设计内容1.2.1 设计的现实意义在科技高速发展的今天，世界的变化日新月异，工业发展的地步受到了国家的高度重视，因此各种机电一体化、高自动化的先进机器如雨后春笋一般出现在人们的眼中，这些机械装置大大的加速了我国工业的发展和国民经济的提升。科技进步的同时，也使人

21、们对高品质生活的需求大大加大，所以为了满足市场的需要，为了达到满足现代称重技术的要求。在当今世界里，对称重技术及其装备发展的要求主要体现在下面这几个方面： （1）高速、高精度、高效和高可靠性 （2）自动化和集成化（3）通用性在一些工业发达的国家中，设备的平均役龄控制在10-20年之间，但是设备装置的有效技术寿命期限已缩短到了10年，在市场应用当中，技术寿命在10年以内的设装置备约占总数的一半左右。由此显而易见，科技的不断进步迫使设备更新速度加快，这其中有两个原因，一是厂家更愿意使用技术性能更为优越先进的新设备，新设备工作效率更高，精度更好，相反旧设备各项性能指标老化；另一方面则是可以对老旧设备

22、装置进行有效的技术提升，使旧设备更好的适应新的生产需求。当前中国已经进入科技革命的浪潮中，但是我国的工业领域中的厂商，却还是存在设备“技术性能老化”问题，多数工厂的机器设备工作的时间均在15年以上了，比重相当大。工业领域的企业为增强和其他同类型企业的竞争能力，一方面需要对相应的技术进行更新换代，采用新的工艺流程和设备装置；同时另一方面，企业可以进行少量的投资、并以相对较少的工作量，对原来老旧的设备进行技术改良和提升。以更加及时、并且有效地适应科学技术发展所带来的需要，更具有现实意义。可以看出，新的技术及新配置方式的力标准机设备的出现，非常具有现实意义。1.2.2 设计内容工作内容：设计用于负荷

23、传感器检定试验的自动化机械装置，内容包括查阅资料，总体方案确定，选择运动机构，进行机械结构设计，完成运动和动力计算，绘制总装配图，设计传动原理图，选择电控芯片，设计电路控制原理图。要求设计图纸0#2张，单片机控制原理图0#1张设计计算说明书1分15000字，外文资料翻译不少于3000字。设计参数要求：（1）机器空间：高1200mm，长400mm，宽400mm，高度方向行程300 mm，移动速度020mm/min;（2）承载能力：01kN,压向；（3）加载行程100 mm。1.3 总体方案确定标准测力机是最重要的计量工具之一，通常作为基准或者起着力值计量和传递作用。传统的静重式标准测力机通常结构

24、是，设计出多个不同尺寸的砝码再进行不同的组合。当实验设备开动后，开始进行加载实验，在这个过程中，某个砝码只要被选择使用后，那么在进行下级的砝码组合时这个砝码就不能再被使用了。因为这个原因，所以要尽可能的增加不同尺寸砝码的数量，来实现尽量多的不同力值组合。静重式测力机具有一种精度等级很高的优点，为了可以提高测力机的精度，我选用在静重式的基础上，采用独立倒码机构，减少所需砝码数量，同时避免了使用预加载机构，减少了制造成本。要进行独立加载砝码，就可以使用专门的驱动机构来驱动每一块砝码的加卸动作。在机器设备正常运行的过程中，我必须要保证倒码过程中，与没有倒码的过程是可以达到同样的力值检定效果。也就是可

25、以通过使用正确地控制方法，使得倒砝的过程中力值波动尽可能的小。为此，关键的地方在于加载过程的控制。在科学技术快速发展进步的今天，现代电子和计算机控制技术也得到了相应的发展和提升，使得这一困扰人们多年的难题得到了解决。同时也可以在静重式标准机上设计电气自动控制系统来完成倒码过程动作，并且也使得尽可能的降低砝码的数量成为了可能。机械原理图如图1.1所示。图1.1 静重式标准测力机的机械原理图2 机械部分设计2.1 概述在本次设计中，分为机械设计部分以及电气控制系统部分，二者相辅相成，缺一不可，其中测力机的机械结构为最主要的。与此同时，需要控制系统实现机构的正常运行。控制系统应该准确控制装置的精准度

26、，从而使装置在正常工作情况下，具有良好的稳定性。本此设计主要以1KN静重式力标准测力机作为设计对象，采用独立倒码机制，使得测量更加准确、更加方便，减少砝码的总重量，节省了材料，同时也减少了力标准机的空间体积的大小。2.2 主机的基本组成本标准测力机的主机构成可以分为上下两部分。上部分主要是一个可以竖直方向上移动的承载横梁和吊挂，它是这个静重式力标准机用来安装检测力值仪器的工作部分；下部分由砝码、吊挂构成整机的主体。上下两部通过吊挂串在一起，这样各部分互不干扰，可以时时和分时工作，以便可以达到灵活测量的目的。2.2.1 顶部装置顶部装置是由动横梁、蜗轮蜗杆、电机、光轴、丝杠、联轴器等组成。工作原

27、理如下：电机通过联轴器带动蜗轮蜗杆转动，涡轮带动丝杆旋转，丝杆驱动动横梁在竖直方向上移动。如图2.1所示。图2.1 顶部装置2.2.2 吊挂吊挂的主要作用是用于承载砝码的重量，使其加载到被测仪器上。如图2.2所示。图2.2 吊挂2.2.3 砝码提升装置砝码提升装置分布在砝码的两侧边缘，通过砝码提升装置的砝码托架的上下移动来实现砝码的加载与卸载。如图2.3所示。图2.3 砝码提升装置2.3 传动系统的确定在设计传动系统的时候，我希望可以实现回转运动到动横梁的上下移动的转化，所以我选择了下面的三种机构，螺旋传动机构、齿轮齿条传动机构和曲柄滑块机构。由于设计的内容是静重式标准测力机，是一种可以对传感

28、器进行精密的分析和检测的仪器仪表装置，但是被检测的精度都会受到传动系统的精度、灵敏度和稳定性的影响。所以，在传动系统中选则可用零件时，考虑以下几个问题：（1） 降低运动零件间的相互摩擦阻力：考虑这个原因是因为在机械传动过程中，机构之间会产生摩擦阻力，其中阻力主要来自这几个方面轴和轴承的滚动摩擦、与丝杠螺母副、以及动横梁之间的运动摩擦。在传动系统之中，为了尽可能的降低摩擦阻力，并且还需要消除低速进给时可能出现的爬行现象，提高伺服进给系统的稳定性，所以广泛采用滚珠丝杠和同步齿形带这种搭配。（2）尽可能的提高传动的精度与刚度：要想达到这一指标，需要对装置中的每一个零件进行严格的精度要求，其中最有效的

29、方式就是改善滚珠丝杠副的传动效率；同时在近给的过程中，传动系统的精度和刚度指标很大程度上取决于各个组成机构的刚度系数；丝杠螺母副与涡轮蜗杆副的配合需要达到理想化的需求。同时，在保证其他因素不变的情况下，最好增加对轴承的预紧流程，这样做可以有效地达到提高要求的目的。（3）减少各个零件的惯量：考虑这个原因是在近给的过程中，传动机构的速度不可忽视，在高速运动的过程中，它的惯性很难控制。而惯性的大小只与零件的质量有关，从这一角度出发，要想使设备在运行中具有良好的运行参数，就需要设计者降低传动机构中各个组成零件的质量，并且尽可能的减少旋转零件的横截面面积和重量，达到减少运动部件惯量的目的。（4） 稳定性

30、良好，寿命较长。综上所诉，为了达到小摩擦阻力、高传动精度和刚度、小零件转动惯量的目标，以达到更灵活的运动，同时还需要保证较高的稳定性和较长的寿命。所以我选用了滚珠丝杠传动方案。同时可以通过施加预紧力以提高其承载能力，通过蜗轮蜗杆传动副本身的自锁功能便可以实现自锁，防止丝杠螺母副出现逆转的现象，可以真正意义上实现以上的这些要求和所设计的设备需求的基本性能。2.4 电动机的选取 2.4.1 横梁的传动系统的电机选择由于横梁的上下移动不需要实现速度的可控和可检测性，因此我便只需选用Y系列的三相异步交流电动机。根据上文的方案确定，使用三相异步交流电动机作为移动横梁的输出动力，电动机在经联轴器的连接，再

31、经蜗轮蜗杆传动副的减速，最后电机通过丝杠副将可以将它的回转运动转变为横梁的上下直线运动。已知载荷为100kg，移动速度为最大20mm/min。 （2.1）由于移动速度较低，所以应该按照扭矩计算来选择电动机。选择滚珠丝杠传动副：压力： 去摩擦系数：由公式： （2.2）选择的丝杠为直径为。所以计算所需要的力矩为： （2.3）由公式： （2.4）各种摩擦副的传递效率如下：滚珠丝杠传动副传递效率为：95%；蜗轮蜗杆传动（有自锁性能的）效率为:40%。所以算出需要的电动机的功率： （2.5）根据上面的计算得出的功率和设计所要求的转速，我查机械手册表格，最终选择电动机的型号为Y80M1-4型号，额定功率为

32、0.55kW，定子电流为1.5A,额定转速为1390r/min,堵转转矩为2.4，最大转矩为2.3。2.4.2 砝码提升装置电机的选择砝码提升速度为2.5mm/s。各级传动效率如下：蜗轮蜗杆传动：40%，丝杠传动：95%。所以所选电机的功率：根据以上所计算的功率和要求的转速，选择电动机的型号为90ST-M04M25型号，额定功率为1kW，定子电流为4A。额定的转速为2500r/min，堵转转矩为4，最大转矩为12。这里我选用交流伺服电动机，却不用普通的交流电机，主要是因为力标准机要实现速度的可控，从而保证输出值的稳定可控,以便可以达到对精度的要求。交流伺服电动机工作原理：以永磁铁为材料制作的转

33、子安装在交流伺服电机的内部，在许多工业制造领域范围内，相比于其他伺服动力装置，选用交流伺服电动机的人数占有绝对大的比例，同时，控制电机驱动器的系统绝大多数都是数字化自动控制。相比于与直流电动机具有有以下明显的优点：（1）在相同功率的情况下，交流伺服电动机具有更加小的空间体积。（2）转动惯量更小，所以更加方便提高系统的快速反应，更快执行相应动作。 （3）定子绕组散热会比传统直流电动机更加的方便。（4）可以更好的适应在高速大力矩条件下工作。 因此，在本次设计中我优先选用了三相交流伺服电动机。2.5 蜗轮蜗杆的设计计算2.5.1 蜗轮蜗杆传动副概述蜗轮蜗杆的应用方面是当两个杆交错任意角度（尤其是90

34、），蜗轮蜗杆可以用来传递着两杆间的运动和动力，在大多数情况下是蜗杆为主动件。在本次蜗轮蜗杆的设计当中，我选用了横截面积形状类型为阿基米德蜗杆，这是因为这种类型的蜗轮蜗杆更加容易加工制造，应用最广。在选取制作蜗杆传动所需要的材料时，有两个方面要去考虑，第一，要满足强度要求；第二，最重要的是要具有非常好的转动性、耐摩擦性和抗胶合的能力。蜗轮蜗杆在制造过程中，材料的选取对它工作状况会产生一定的影响，在许多工业制造领域中，蜗轮选用硬度较强的材质，如合金钢；而蜗杆适合用铜或者铸铁制造。材料选择的依据是：锡青铜用于滑动速度v3m/s的传动，锡青铜一般用于v4m/s的传动，铸铁用于滑动速度v2 m/s的传动

35、。在本次设计中，由于滑行速度很低，所以制造蜗轮的材料为锡青铜。蜗轮蜗杆在传动过程中需要按规定的配合原则进行装配：（1）在蜗轮蜗杆啮合时，中间平面上的蜗杆的轴向模数与蜗轮的端面模数必须相等。（2）蜗杆轴向压力角aa1与蜗轮端面压力角at2必须相等。（3）在蜗轮蜗杆两轴线相互垂直的情况下，就会要求蜗杆上的导程角g与蜗轮上的螺旋角b要保证必须相等，同时还要保证蜗轮蜗杆两者的旋向相同。由于要求蜗轮的端面模数必须等于蜗杆的轴向模数，所以也就是要求蜗轮端面模数和蜗杆的轴向模数同时都是标准模数。但是若需要得到较大的传动比并且还要求实现自身的自锁时，可取蜗杆头数为1。所以本次设计我选择了z1=1。蜗轮齿数z2

36、=iz1，为了避免蜗轮轮齿发生根切，z2不应小于26，但不宜大于80。蜗轮蜗杆在正常工作的过程中，其啮合精度很大程度上取决于选用零件的刚度，一旦蜗轮的齿数选用范围很大，与其啮合的蜗杆同时也需要一定的长度才能实现效果较好的啮合，这就是为什么z2的数值不能过高的原因。2.5.2 砝码提升机构蜗轮蜗杆的设计与计算对于蜗杆为主动件的蜗杆传动，其传动比为：式中：n1、n2分别为蜗杆和蜗轮的转速r/min；z1、z2分别为蜗杆头数和蜗轮齿数。（1）蜗轮轮齿齿面接触强度计算在选取制作所需要的材料时，需要先确定的是许用接触应力sH，蜗杆选用的材料是40Cr，要进行表面淬火4550HRC；蜗轮选用的材料是ZCu

37、Sn10P1，要进行砂型铸造。根据机械设计手册可以查出sH=250。应力循环次数：=60=600.7712000=554400 （2.6）由机械设计手册查得： 选蜗杆头数z1，确定蜗轮齿数z2，传动比i= =31/0.77=40.3，因传动比不算大，为了结构紧奏，可选z1=1，则z2=iz1=40.31=40.3，取z2=41。确定作用在蜗轮上的转矩T2，因z1=1，故初步选取h=0. 50，则：T2=9.55106=9.55106=9.55106=1984415.84 N.mm （2.7）确定载荷系数K，因载荷平稳，速度较低，取K=1.1，由下式 ： =3087.6 （2.8） 由机械设计手

38、册，取：m=10，d1=90mm。计算主要几何尺寸：蜗杆分度圆直径：d1=90 mm蜗轮分度圆直径： 中心距：a= （d1+d2）=0.5（100+410）=255mm 验算初设参数，涡轮圆周速度 = =0.016m/s 这与原假设1m/s相同，所以选择合适。滑行速度：= =0.204m/s 对于铝青铜： = ， =0.100验算齿根弯曲疲劳强度：=1.6 （2-9）蜗轮当量齿数： =42 查机械设计手册：=2.3，=1- =0.95 齿数比：u=/=41 齿型角：模数：m=10蜗轮变为系数：=a/m=255/10=25.5 蜗杆直径系数：q=9 蜗杆轴向齿距：=m=3.1410=31.4 蜗

39、杆导程：=3.14101=31.4 蜗杆导程角：=arctan=arctan=6.5198 蜗杆法向齿形角： tan=tancos=0.36 蜗杆和蜗轮齿顶高：=m=10，=(1+)m=12蜗杆涡轮齿根高 =1.2m=12，=(1.2-)m=10工作齿高：=2m=20顶隙：c=0.2m=2蜗杆涡轮分度圆直径： =qm=90，=m=410蜗杆涡轮节圆直径：=（q+2）m=94，=410 蜗杆涡轮齿顶圆直径：=+2m=110，=+2=434蜗杆涡轮齿根圆直径：=-2.4m=66，=-2=390蜗杆齿宽：=（12+0.1）m=161蜗杆轴向齿厚：=0.5m=15.7蜗杆法向齿厚：=cos=25.12

40、cos6.5198=24.95 蜗杆齿厚测量高度：=m=10蜗轮外径： =+（12）m=454蜗轮齿宽：=（0.670.75）=82.5蜗轮咽喉母圆半径：=a-0.5=50蜗轮齿宽角：=arcsin()=0.86（2）热平衡计算由机械设计手册中蜗轮蜗杆的设计计算得： （2-10）取as=15 W/（m2）；取散热面积A2；效率h=0.5；为蜗杆轴功率。 =t-t0=35.55=6070故满足热平衡要求。2.5.3 顶部机构蜗轮蜗杆的设计与计算（1）选择材料选用45钢表面淬火作为加工蜗杆的材料，使蜗杆的表面硬度达到（45-55）HRC；蜗轮选用砂型铸造。，（2）确定 查表确定 蜗杆头数，（3）计

41、算蜗轮工作转矩估计蜗杆蜗轮的捏合效率：轴承效率：（4）确定载荷系数K查取工作情况系数：初设蜗轮的圆周速度小于，取动载荷系数，因灾和平稳取齿轴向载荷分布系数：，故。（5）确定蜗轮的许用接触应力蜗杆材料为，沙型铸造，得到：。（6）接触疲劳强度计算查表得：， 将各参数带入上式得：由公式得：由表选取：，（7）蜗轮的主要几何参数计算：中心距：分度圆直径：蜗杆顶圆直径：弯曲疲劳强度校核验算：选取蜗轮齿数系数：，故经查表确定许用弯曲应力，蜗轮材料为，单侧工作，砂型铸造，取为40MPa。则。（8）热平衡计算由机械设计手册中蜗轮蜗杆的设计计算得：取as=15 W/（m2）；取散热面积A2；效率h=0.5；为蜗杆

42、轴功率。=t-t0=35.55=6070故满足热平衡要求。2.6 吊挂的设计为了可以保持完整机构的良好的刚性,就要求支架和底座尽可能的坚固稳定和牢靠,目的就是为了让机构设备在测量工作过程中不会发生机械整体晃动的现象。由于设吊挂的质量为，按照其质量，并且满足强度要求来设计吊挂。将吊挂形状设计简图如图2.4所示。 图2.4 吊挂形状简图运用公式：，分配吊挂各个部分的质量，计算吊挂的外型尺寸以及材料，注意采取较小的变形量。（1）移动动横梁设计出移动动横梁：，两根采用铝合金材料。（2）受力横梁 设计出受力横梁的尺寸：，采用铝合金材料。（3）吊挂的设计尺寸， 2.7 间隙选择由于砝码在不作用的时候放在砝

43、码提升装置的砝码托盘上，当机器开始工作的时候，为实现砝码倒换，砝码升降托盘动作将砝码下放。由控制系统控制将砝码放在吊挂上，由于砝码之间需要托盘抬升，为了使砝码在抬升和放在吊挂上时不与其他砝码发生撞击，所以各个砝码之间需要有一定的间隙。这个间隙的最小值由砝码托盘的受力变形的最大值，一般为，以及吊挂受到的最大力即1KN时吊挂的变形量，被测传感器由于受力的变形，整体机构在受到最大力的变形量，一般为。计算由受力产生的变形产生的间隙：移动横梁和吊挂的计算变形公式：其中F=1KN，将吊挂的参数带入计算得到：，受力横梁的变形计算公式为： （2.11）其中F=1KN，（）经计算得：受力变形的总间隙为：加上托盘

44、受力变形以及上文提到的其他辅助变形量，得到的最小变形量为：，得到的最小变形量为28mm。为了方便绘图，选取砝码至上一砝码提升装置的底部的距离为：。2.8 动横梁的校验动横梁的变形计算：动横梁可以简化成如图2.5简支梁。图2.5 简支梁横梁的挠曲线方程为： （2.12）最大挠度为：最大受力为：由上式求得挠度为：由于实际的挠度与额定的挠度相差很大，所以横梁上的两个丝杠与两根光杆穿过的孔以及两个吊挂穿过的孔带来的影响可以忽略不计。所以设计的横梁符合要求。2.9 砝码的设计由于静重需要10KN即一吨，所以将砝码设计为:10kg，10kg，10kg，10kg，10kg，5kg，2kg，2kg，1kg，另

45、外加上吊挂及横梁的重量50kg。按照砝码的标准设计，材料为钢，密度为，由于砝码中间需要有吊挂通过，所以需要设计成为环型机构，中间通孔为 ，环孔，设计砝码尺寸如表1所述。表1砝码的设计参数砝码重量（kg）h(mm)(mm)(mm)（mm）103026525956528240234562162001945611118017450经计算得砝码的总厚度为371mm。2.10 轴承的校核2.10.1 滚动轴承的特点（1）滚动轴承采用滚子作为中间体，来使外圈和内圈间是滚动摩擦，相比于滑动轴承，摩擦阻力小、起动快。滚动轴承的起动阻力矩，为滑动轴承的 0.1到0.5，效率明显高。（2）在同一个传动轴上，设计安装的滚动轴承要比普通轴承的宽度小，这样便可使机器设备在轴向的尺寸变小，空间结构紧凑。（3）摩擦小，使得运转精度高。（4）冷却、润滑装置结构简单，维护保养方便。（5）滚动轴承中间安装的是球形，圆柱形或圆锥形