哈工大复杂机械系统设计大作业(2)

成都学院学士学位论文（设计）

2 方案设计

本次设计主要采用模块化设计，模块化设计主要是以功能化的产品结构为基础，分解产品，在分解中考虑到各个要素的可行性，从而在早期就预测到设计中可能会出现的矛盾，提高设计的可行性和可靠性，降低产品的成本[2]。

系统主要功能模块包括的部分有：测量模块、控制模块、送料模块、上料模块、分料模块以及落料模块；次要功能模块包括：支架模块、动力模块以及外形罩模块。本文章将主要介绍设备中的上料装置、送料装置、测量部分与分选装置，并对最后测量结果进行误差分析。滚珠分选流程图如下：

上料装置送料装置测量部分分选装置料箱 图2-1 滚珠分选系统流程图

待测滚珠由自动上料装置送下，经送料装置送入测量部分，测量部分通过CCD-TCD142D测出滚珠的直径数据，并将数据传给AT89C52单片机，AT89C52单片机将数据处理后继而控制分选装置，使滚珠经过不同的阀门进入到不同的料箱中储存，从而完成对滚珠直径的自动测量与分选。软件部分，本设计拟采用矩阵键盘对系统进行参数设置，测量部分采用半导体激光器作为发射光源，CCD-TCD142D图像传感器作为测量元件。拟采用AT89C52单片机进行数据处理和控制分选，用LCD12864-0402B进行数据显示。

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3 分选机模块设计

3.1 上料装置

上料装置它的作用是把盛在料斗里的工件送至待料位置，实现自动供料。作为自动上料装置的料斗有多种结构型式，常采用往复式推管式结构，其中常见的有如图3-1两种，前一种是气动式的，它实际上是一组复合气缸，中空的活塞杆即为料管，两气缸的运动时反向的，一般用在圆锥滚子和圆柱滚子等分选机上。后一种是机械式的，由电机传动，也是由两支上下往复运动的推管组成，一般用在滚珠和钢球等分选机上。

1、上套 2、上料管组件 3、托快 4、螺钉 5、软管组 6、压软管块

7、托架 8、侧向轴承 9、摆杆 10、盖板 11、油杯 12、塞子

图3-1 料斗

要保证高精度、高速度的自动分选，有一个高效率的自动上料机构是必须的，两向往复推管式料斗能很好地保证这一点。即使对于不易下料的某些大规格滚珠，也能保证100个每分的供料速度，此时两推管的往复运动速度为60-100次每分，因此供料情况完全满足要求。此外，在这种结构中，两推管对料斗中所盛滚珠的搅动较小，故虽然下料速度甚快，但滚珠的搅动量不大，因而与其他一些结构形式的料斗相比较，这种料斗噪

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音较小，滚珠表面搓伤也较小[3]。 3.2 送料装置

送料装置不仅应满足送料对象的节拍要求，而且要为CCD光电传感器的工作提供条件。CCD光电传感器的响应时间较短，测量速度快，可以采用气缸推料的方式，由送料杆将滚珠从待料位置送入测量位置，同时把前一个滚珠推入分选装置，从而实现送料。如图3-2所示，送料装置有三个功能件组成，分别是50斜面、气缸、V型定位块。三个功能件安装在设备中的测量工作台上，组成送料结构。50斜面安装在工作台的右侧，其出口端与V型定位块相连，斜面上的滚珠在重力和后排滚珠的推力作用下顺利滚落到V型定位块中。在V型定位块的一侧由装有推杆的气缸连接，气缸的往复运动推动滚珠在V型块上的移动。V型块是滚珠移动的载体，不仅与50斜面、气缸相连，还有一部分位于传感器之间，便于滚珠的测量[4]。

图3-2 滚珠送料装置示意图

具体设计思路[4]如下：

50斜面的设计：如图3-3所示，滚珠为球面体,其与工作台之间的接触方式为点接触,斜面对滚珠产生的摩擦力小,存在一定斜度的平面上的滚珠会自动滚落,便于滚珠的自动送料。同时,过大的倾斜角度会导致滚珠不能按顺序排列在斜面和V型定位块上,经计算采用斜度为50的斜面为适合角度。此外,设计中为了方便滚珠能够顺利的从斜面上滚落到V型定位块上,在50斜面的出口端相对于V型定位块高出2mm,这样既会使滚珠可

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以正常滚动到V型块上,又可以避免滚珠卡在50斜面和V型定位块二者间。

图3-3 5斜面结构示意图

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气缸的设计：气缸选用的是标准件,其行程的选择是根据滚珠的直径决定，对于测量不同直径的滚珠时,气缸的行程是需要调节的,因此实际测量中应根据不同直径在气缸端头处装上不同长度的推杆,以满足送料时的需求。此外,推杆不仅起到送料的作用,在推杆伸出的同时还将阻挡下一个滚珠下落,保证50斜面上的滚珠能够逐个有序地移动，从而起到阻料的作用。

V型定位块设计：V型定位块是连接50斜面与传感器之间的纽带，同时滚珠测量的过程也是在其上进行的，所以，该定位元件不仅需要为滚珠的移动提供支承，而且还要保证滚珠在移动的过程中不被磨损。该元件的材料应采用尼龙制成，尼龙具有很高的机械强度、耐热、摩擦系数低、耐磨损，并且还有具有吸震性，对于测量设备的定位元件是一种很好的材料[5]。同时，如图3-4所示，在V型定位块的一侧铣出宽度为5mm的条形槽，光电传感器的发射端发射的激光将从此处贯穿，滚珠在V型定位块上移动经过时可以通过CCD接收端暗区的长度而计算出待测滚珠的直径。

图3-4 V型块结构示意图

该方案有如下优点:

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(l)该送料装置仅采用三个构件来实现，结构紧凑，能够满足对送料设计的要求，简单而实用。

(2)采用50斜面放置滚珠，与气缸伸出的推料杆之间联动使其可以在重力的作用向下自由移动的同时也达到了逐个放行的目的，省去阻料器的设计。

(3)采用尼龙V型定位块使定位准确，滚子在移动过程中减少其摩擦，避免在测量时表面粗糙度受到破坏。 3.3 测量部分

分选机的两个重要的模块是测量与分选，测量是滚珠分选的第一个环节，也是决定整机测量精度、测量速率的主要环节。测量工具的选择是该部分设计的首要任务之一，下面结合现有的测量仪器进行比较，选择满足测量需求的产品。现阶段用于滚珠直径测量的仪器共有两种，分别是接触式传感器、非接触式传感器，

接触式传感器：主要以压电传感器为主，仪器结构简单，价格较高，但测量精度高，测量准确。多出现在20实际90年代中后期研制的滚珠分选机中，测量效率相对较高，可减少劳动力投入，降低工人的劳动强度。缺点是现有市面上出售的传感器价格居高不下，导致分选机的价格难以被中小生产厂家所接受，不利于自动化设备的大范围推广。

非接触式传感器：现阶段出现的非接触式测量分选机中，光电传感器是唯一被应用的传感器。光电传感器结构简单、体积小、测量精度高、测量结果准确可靠、价格较高，但由于其在测量过程中对被测零件没有磨损，且被测零件定位简单，响应时间短、速度快，可以满足现代工业快速滚珠测量的目的。利用光电传感器进行测量是滚珠测量行业的最佳方案之一。

本设计采用光电传感器进行测量，光电传感器用于测量系统时，具有不接触、精度高、速度快、灵敏度好及不受电磁干扰等优点，对于生产线或设备维修都具有极大的应用潜力。 3.3.1 测量装置

如图3-5（a）所示,左侧为激光发射端,右侧为CCD接收端，发射端产生一个截面状的平行光束向前传递，CCD接收端能够检测到所发射的平行光束范围，这样就在两者之间形成了一面测量区域。从图3-5（b）中可见，V形定位块在激光通过的部分铣出缺口

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