三坐标测量机的应用与发展 毕业设计.doc

.第1章 绪论1.1 三坐标测量机的应用与发展随着现代科学技术的飞速发展和对测量方法的深入研究，在机电行业中人们对三维坐标测量技术的要求也越来越高。物体的三维轮廓以及形位测量已被广泛应用于机械制造、航海、航空航天、反求工程等领域。目前物体三维轮廓测量的主要方法有导轨式三坐标机的高精度接触测量、激光点扫描和激光线扫描式三坐标轮廓测量、激光散斑物体轮廓高精度显微全场测量。在这些诸多的测量方法中，激光散斑物体轮廓测量法测量精度最高，属非接触和全场测量，测量速度高，但其测量范围小。此外，三坐标机的测量精度高，已被广泛采用。但它只能进行接触测量，并且测量速度很慢。目前，三坐标机主要有两种:导轨式三坐标测量机和无导轨式三坐标仪，无导轨式三坐标测量仪在国内尚无同类产品问世。三坐标测量机的多功能测量台是一种高精度测量台。可同时装夹两只测量表或传感器对工件进行多参数测量。三坐标测量机广泛的应用于机械零件加工，模具制造等个方面。cly系列单臂三为测量仪是一款具有较大测量范围的高精度测量设备，在设计时充分考虑了使用者对冲压件、仪表板件、塑料件、中型模具件的测量要求。由于采用开放式测量，从而保证了在现场、在模具制造和仿型、在部件检测和设计室里都可以方便的使用。特点： 1、 x轴移动方向的导轨采用天然花岗岩，并配备进口双直线导轨，三轴位移传感器采用进口金属反射光栅和读数头，结合空间误差修正技术，使用中处处体现高精度的3d测量。 2、 配件万向电子测头，并通过各种测头配件，既可以对远程和深孔进行数据采点，也能完成中、小型零部件的测量 3、 本测量仪具有方便的现场自校定功能，用户可根据实际情况进行精度校正，保证在不同环境温度下测量数据的真实可靠。cly系列单臂三为测量仪是一款具有较大测量范围的高精度测量设备，在设计时充分考虑了使用者对冲压件、仪表板件、塑料件、中型模具件的测量要求。由于采用开放式测量，从而保证了在现场、在模具制造和仿型、在部件检测和设计室里都可以方便的使用。特点： 1、x轴移动方向的导轨采用天然花岗岩，并配备进口双直线导轨，三轴位移传感器采用进口金属反射光栅和读数头，结合空间误差修正技术，使用中处处体现高精度的3d测量。 2、配件万向电子测头，并通过各种测头配件，既可以对远程和深孔进行数据采点，也能完成中、小型零部件的测量 3、本测量仪具有方便的现场自校定功能，用户可根据实际情况进行精度校正，保证在不同环境温度下测量数据的真实可靠。 4、采用智能数显系统将原电器箱上各项功能都让计算机来处理，摒弃了电器箱，只用一块小的信号处理板对各路信号进行处理以保证长线传输无误。光栅和测头信号由信号处理板处理后，经通讯电缆传输至计算机内安装的一块三轴正交记数卡，通过编制软件对其进行控制，以实现原电器箱的功能。智能数显系统的开发，利用计算机进行大量数据存储和处理，空间精度修正不仅使车间装调人员工作量降低，也使测量仪精度有了保障。采用高性能记数卡，减少硬件设备，降低了系统的故障发生率。该系统具有原电器箱几乎所有功能，界面直观，很多操作在面板上即可直接完成，菜单功能简洁明了，用户极易上手。一些关键性操作都给出了提示和警告，可以防止用户在不太清楚的情况下误操作而导致系统工作不正常。其选择原则如下：1、合理的测量精度坐标测量机是检测工件尺寸与形位误差的仪器，首要的是精度指标应满足用户要求。选用时，一般可根据被测工件要求的检测精度与测量机给定的测量不确定度相对比，看测量机精度是否符合要求。精度比对不是一个简单的比较过程。测量机的技术规范中一般只给出单轴测长和空间测长的两个不确定度公式及重复精度值。但在具体测件时需要将被测参数的测量不确定度限制在一定范围内。一般测量时，要测量很多测点。在形位测量时，更有大量测点参与并带来测量误差，精确计算是很难的。因此从经验出发，在一般测量中，测量不确定度应为被测工件尺寸公差带的1/51/3。例如某一被测箱体上二孔的孔距为500mm，公差带为15um，则所选用的测量机在500mm长度上的测量不确定度应不大于3um5um。对于精密测量及复杂的形位测量要求还高，一般应为被测尺寸公差带的1/101/5。重要的是重复精度必须满足要求，因为系统误差还可以通过一定方法补偿，而重复精度应由测量机本身保证。总之，用户应选用精度（包括重复精度）高一些的测量机。这不仅由于测量复杂件时，测点可能带入的误差比预想的要大（由于测头测杆变化或加长会引入更大的误差），而且测量机的精度会随使用次数增多而有所下降。2、合乎要求的测量范围测量范围的选择时选择测量机时的最基本参数。因为在测量范围内才能获得精确的测量值，超出了范围，测量就难于进行。选择测量范围时，应考虑以下几个方面。（1）、工件的所需测量的部分，不一定是整个工件。如要测的部分集中在工件的某个局部，除了测量机的测量范围能覆盖被测参数之外，还要考虑整个工件能在测量机上安置，要求工件重量对测量精度不带来显著影响。为了把工件放入测量机中，应根据工件大小选择测量机。（2）、z轴与z向空间高度的关系。z轴行程是z轴的测量范围，而z向空间高度是工件能放得下的高度。（3）、接长杆的问题。有的测头上有星形探针，这些探针在测量时往往要求超出工件的被测部分。一般工件尺寸为l时，要求测量范围l=l+2c，c为探针的长度。因此测量范围等于工件被测的最大尺寸再加上两倍的探针长度。3、合适的测量机类型测量机按自动化程度分为手动（或机动）与cnc自控两大类。选用时，应根据检测对象的批量大小、自动化程度、操作人员技术水平及资金投入大小去权衡。当然cnc测量机水平高、测速快，但测量的准备时间长、技术要求高、资金投入大。故应从经济效益的角度进行比较判定。一般说，对于中等尺寸的工件，多采用移动桥式；对于小型工件，多采用悬臂式、仪器台式与移动桥式等；对于大型工件，则多采用龙门式；对于需回转测量的工件，可选用带分度台的测量机。4、丰富的测量软件对复杂的测量对象进行测量，测量机应有丰富的测量软件支持，以完成测量任务。如缺少某些软件，可根据被测对象向生产厂家索取。如果厂方提供了编程方法（多数厂家不提供），也可自行开发。5、符合要求的测量效率测量机运行速度与采样速度既是测量机效率高低的重要指标，又与自动化生产的要求密切相关。用于生产线或柔性加工线上的测量机，检测的时间必须满足生产节拍的要求。6、功能齐全的测量头测量头是测量机上重要的传感器件。它不仅直接影响测量精度，而且是决定测量机功能和测量效率的重要因素。7、满意的经济效益作为检测仪器，测量机的经济效益是投资购买的一项重要指标。虽然它不像生产机床那样便于计算，也不如机床那样可以较快地收回成本并创造效益，但作为保证生产质量的手段和环节，检测仪器有着特殊的重要性。测量机的使用费用，主要取决于测量机的折旧费k、检测人员的工资g、测量所用的时间t及辅助材料和设备等杂费q，即测量总费用。m=t（k+g）+q测量机效益的关键在于使用时间t。因此在考虑测量机资金的投入时，关键在于了解它的使用效率。如果使用效率高，则经济效益亦高。如果使用效率不很高，而又易于在当地解决测量问题，则应委托或协作检测。只付检测费，比购置一台测量机更经济。当然有的场所，测量对象极为精密，不适宜搬动，有的系军工保密件等，此时配置一台坐标测量机具有特殊性，也是必须的。1.2 三坐标测量机测量原理将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。导轨式三坐标测量机(coordinate measuring machine简称cmm)是近二十年来发展起来的一种以精密机械为基础，综合光栅与激光干涉、计算机、应用电子等先进技术的测量设备，在国内外得到了广泛的应用。其主要特征是具有x, y, z三个坐标方向的导轨。目前，导轨式三坐标测量机己被广泛地应用于机械制造、仪器制造、电子、汽车、计量中心、航空和航天等多个工业和研究行业，用来测量机械零件的几何尺寸、相对位置和形位误差，包括零件空间曲面、汽车白身、cad/cam等多项工作。导轨式三坐标测量机己经成为一种比较成熟的传统测量设备，它经历了三代产品:第一代测量机由手动(或机动)测量，测量结果由人工处理，效率极低。第二代测量机在第一代测量机的基础上，由微机处理测量结果，形成了微机化测量机。第三代测量机在第二代的基础上，配备上相应的程序控制和数据图形化软件处理系统，可以实现全自动测量。其中，第三代是目前的主要产品。特别是近二十年来，随着微机和光电技术的迅猛发展，三坐标机已成为多个高科技领域诸多技术的融合产品，包括了微机、精仪、光电传感、数据分析和人工智能等多项应用技术。cly系列单臂三维测量仪产品信息产品说明： cly系列单臂三为测量仪是一款具有较大测量范围的高精度测量设备，在设计时充分考虑了使用者对冲压件、仪表板件、塑料件、中型模具件的测量要求。由于采用开放式测量，从而保证了在现场、在模具制造和仿型、在部件检测和设计室里都可以方便的使用。图1-1cly单臂三坐标测量机在y、z方向，其整机测量范围在1500mm x 2600mm以内、x向测量范围最小为2000mm、并以500mm为间距递增的整体式测量机，采用整体式机械结构，测量机的工作平面通过地脚螺铨固定在地基上，其工作台表面略高于地表，或是安装为与地表齐平，便于大型工件的装卸。 这种类型的测量机的y向测量范围有两种，1200mm 和 1500mm，其z向测量范围最小为1500mm，最大可以达到2600mm，x向测量范围最小为2000mm，可以按用户要求以500mm的长度适量增大。 大中型整体式单臂三坐标测量机比较适宜对一般大型非对称工件的测量检测与划线操作。 测量机可以根据使用要求，选配wincom测量软件或xdmis测量软件。如果被测工件为一般机加工件，测量要求为一般性的尺寸检测，可以选用wincom测量软件。如果检测任务大部份需要与cad数据协同比对检测，建议选择xdmis测量软件。1.2.1 三坐标测量机的组成： 1， 主机机械系统（x、y、z三轴或其它）； 2， 测头系统； 3， 电气控制硬件系统； 4， 数据处理软件系统（测量软件）；1.2.2三坐标测量机的结构特点： 1）采用花岗石为工作台，其工作面平面度精度高，且稳定性好，受环境温度影响小。 2）立柱采用不锈钢材料，可防锈，抗腐蚀。 3）采用精密微分头作微调装置，使测头接触工作的微调量0.01mm。 4）回转支杆(附件另配)可提供装夹第二只测量表（或测量传感器），从而可扩大本产品的使用功能。5）x轴移动方向的导轨采用天然花岗岩，并配备进口双直线导轨，三轴位移传感器采用进口金属反射光栅和读数头，结合空间误差修正技术，使用中处处体现高精度的3d测量。 6）配件万向电子测头，并通过各种测头配件，既可以对远程和深孔进行数据采点，也能完成中、小型零部件的测量7）本测量仪具有方便的现场自校定功能，用户可根据实际情况进行精度校正，保证在不同环境温度下测量数据的真实可靠。1.3 设计要求在绘制产品总装图和部件装配图时要注意设计的科学性和条理性。设计一个部件，其过程大致如下：首先，确定末端执行件的概略形状尺寸，然后，设计末端执行件与其相临的下一个功能部件的结合的形式与概率尺寸。若为运动导轨结合部，则执行件一测相当于滑台，相临部件一测相当于滑座，考虑导轨精度，选择并确定导轨的类型及尺寸。根据导轨结合部的设计结果和该运动的行程，直到基础支撑件。在设计中，处处从实际出发分析和处理问题是至关重要的。从大处讲，联系实际是指对工艺可能性的分析，在参数拟订和方案确定中，既要了解当今的先进生产水平和可能趋势，更应了解我国的实际生产水平，使设计的机器能发挥最佳的效果。从小处讲，指对设计的机械零部件的制造工艺、装配和维修要进行认真的切实际的考虑和分析。学会使用设计手册，对推荐的设计数据和各类标准要结合实际情况取舍。通过设计实践，了解和掌握结合实际、综合思考的设计方法。第2章 三坐标测量机总体设计方案2.1 设计任务和内容设计任务定位三坐标测量机整体结构的设计，其中机械部分的设计工作台包括纵向、横向和z轴的运动，工作台承担运动功能。其次是夹具体的设计，包括手柄、浮动滑块的设计， 夹具承担的是定位夹紧的作用。2.2 总体设计方案拟订 方案拟订为测量机整体结构的设计其中主要是测量机的传动系统：工作台的横向和纵向进给系统，z轴的进给系统，工作台上面叠加一个可拆卸的夹具体，可拆卸夹具具有两大优点：第一，使用时夹具可固定在工作台上，不用时，即可拆下。 2.2.1 三坐标测量机机械部分设计 三坐标测量机的机械系统设计可归类于机械制造装备设计，可分为创新设计、变形设计、和组合设计三大类型，设计的过程随设计类型而不同，其中创新设计的过程最典型，可分为产品规划阶段、方案设计、技术设计和施工设计四个阶段。产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上识别产品需求，进行可行性分析，制定设计技术任务书。 初步设计方案具体化，技术设计阶段是将方案设计阶段拟订的初步设计方案具体化，确定结构原理方案；进行总体技术方案设计；进行结构设计；通过技术经济分析，选择较优的设计方案。1）确定结构原理放案根据初步设计方案，再充分理解原理的基础上，确定结构原理方案。其中包括决定尺寸的依据，如功率、流量和联系尺寸等；决定布局的依据等，决定和限制结构设计的空间条件，。在上述的依据约束下，对主要功能结构进行构思，初步确定其材料和形状，进行粗略的结构设计。（2）总体设计总体设计阶段的任务是将结构原理方案进一步具体化。总体设计的内容大致包括主要结构参数、总体布局、系统原理图、其它。（3）结构设计结构设计阶段的主要任务是在总体设计的基础上，对结构原理方案结构化，绘制产品总装图；提出初步的零件表及装配说明书。进行结构设计时，必须遵守有关标准规范，充分考虑人机工程、外观造型、结构可靠和耐用性、加工和装配工艺性等。三坐标测量机常见的是三个直线运动坐标（沿x、y、z）和夹具体的装配设计。 2.2.2 三坐标测量机电路部分设计 三坐标测量系统的控制部分采用plc控制。本书以s7-200系列plc为目标机型，介绍西门子plc的特点，为今后更好地学习和掌握s7-300/400打下基础。s7-200系列plc作为西门子simatic plc家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，在各个领域得到广泛的应用。1.s7-200系列plc的基本硬件组成s7-200系列plc可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。（1）基本单元s7-200系列plc中可提供4种不同的基本型号的8种cpu供选择使用，其输入输出点数的分配见表2-1：表2-1 s7-200系列plc中cpu22x的基本单元型 号输入点输出点可带扩展模块数s7-200cpu22164s7-200cpu222862个扩展模块78路数字量i/o点或10路模拟量i/o点s7-200cpu22414107个扩展模块168路数字量i/o点或35路模拟量i/o点s7-200cpu22624162个扩展模块248路数字量i/o点或35路模拟量i/o点s7-200cpu226xm24162个扩展模块248路数字量i/o点或35路模拟量i/o点 （2.）.扩展单元s7-200系列plc主要有6种扩展单元，它本身没有cpu，只能与基本单元相连接使用，用于扩展i/o点数，s7-200系列plc扩展单元型号及输入输出点数的分配如表2-2所示。表2-2 s7-200系列plc扩展单元型号及输入输出点数类 型型 号输入点输出点数字量扩展模块em2218无em222无8em2234/8/164/8/16模拟量扩展模块em2313无em232无2em23531 （3）.编程器plc在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入plc中，在调试过程中，进行监控和故障检测。s7-200系列plc可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，s7-200系列plc的专用编程软件为step7-micro/win。 （4）程序存储卡为了保证程序及重要参数的安全，一般小型plc设有外接eeprom卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入plc，也可将plc内的程序及重要参数传到外接eeprom卡盒内作为备份。程序存储卡eeprom有6es 7291-8gc00-0xa0和6es 7291-8gd00-0xa0两种，程序容量分别为8k和16k程序步。 （5）.写入器写入器的功能是实现plc和eprom之间的程序传送，是将plc中ram区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将plc中程序存储卡中的程序通过写入器传送到ram区。 （6） 文本显示器文本显示器td200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。td200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。 2. s7-200系列plc的主要技术性能下面以s7-200 cpu224为例说明s7系列plc的主要技术性能。 （1）一般性能s7-200 cpu224的一般性能如表2-3所示。表2-3 s7-200 cpu224一般性能电源电压dc 24v，ac 100230v电源电压波动dc 20.4-28.8v，ac 84-264v（47-63hz）环境温度、湿度水平安装0550c，垂直安装0450c，595%大气压8601080hpa保护等级ip20到iec529输出给传感器的电压dc 24v （20.4-28.8v）输出给传感器的电流280ma，电子式短路保护（600ma）为扩展模块提供的输出电流660ma程序存储器8k字节/典型值为2.6k条指令数据存储器2.5k字存储器子模块1个可插入的存储器子模块数据后备整个bd1在eeprom中无需维护在ram中当前的db1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400c时120h），插入电池后备200天编程语言lad，fbd，stl程序结构一个主程序块（可以包括子程序）程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1255ms）子程序级8级用户程序保护3级口令保护指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37s扫描时间监控300ms（可重启动）内部标志位256，可保持：eeprom中0112计数器0256，可保持：256，6个高速计数器定时器可保持：256，4个定时器，1ms30s16个定时器，10ms5min236个定时器，100ms54min接口一个rs485通信接口可连接的编程器/pcpg740pii，pg760pii，pc（at）本机i/o数字量输入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能数字量输出：10，其中2个可用作本机功能，模拟电位器：2个可连接的i/o数字量输入/输出：最多94/74模拟量输入/输出：最多28/7（或14）as接口输入/输出：496最多可接扩展模块7个 （2）输入特性s7-200 cpu224的输入特性如表2-4所示。表2-4 s7-200 cpu224输入特性类型源型或汇型输入电压dc 24v，“1信号”：14-35a，“0信号”：0-5a，隔离光耦隔离，6点和8点输入电流“1信号”：最大4ma输入延迟（额定输入电压）所有标准输入：全部0.2-12.8ms（可调节）中断输入：（i0.0-0.3）0.2-12.8ms（可调节）高速计数器：（i0.0-0.5）最大30khz （3）输出特性s7-200 cpu224输出特性如表2-5所示。表2-5 s7-200 cpu224的输出特性类型晶体管输出型继电器输出型额定负载电压dc 24v（20.4-28.8v）dc 24v（4-30v）ac24-230v（20-250v）输出电压“1信号”：最小dc 20vl+/l-隔离光耦隔离，5点继电器隔离，3点和4点最大输出电流“1信号”：0.75a“1信号”：2a最小输出电流“0信号”：10sa“0信号”：0ma输出开关容量阻性负载：0.75a灯负载：5w阻性负载：2a灯负载：dc30w，ac200ws7-200系列plc是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。目前s7-200主要有三大类扩展模块。（1）输入/输出扩展模块 s7-200 cpu上已经集成了一定数量的数字量i/o点，但如用户需要多于cpu单元i/o点时，必须对系统做必要的扩展。cpu221无i/o扩展能力，cpu 222最多可连接2个扩展模块（数字量或模拟量），而cpu224和cpu226最多可连接7个扩展模块。s7-200 plc系列目前总共提供共5大类扩展模块：数字量输入扩展板em221（8路扩展输入）；数字量输出扩展板em222（8路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩展板em223（8i/o，16i/o，32i/o）；模拟量输入扩展板em231，每个em231可扩展3路模拟量输入通道，a/d转换时间为25s，12位；模拟量输入和输出混合扩展模板em235，每个em235可同时扩展3路模拟输入和1路模拟量输出通道，其中a/d转换时间为25s，d/a转换时间100s，位数均为12位。 基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器（插件）与扩展单元左侧的扩展接口相连接。扩展单元正常工作需要+5vdc工作电源，此电源由基本单元通过总线连接器提供，扩展单元的24vdc输入点和输出点电源，可由基本单元的24vdc电源供电，但要注意基本单元所提供的最大电流能力。（2）热电偶/热电阻扩展模块 热电偶、热电阻模块（em231）是为cpu222，cpu224，cpu226设计的，s7-200与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离接口。用户通过模块上的dip开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。（3）通讯扩展模块 除了cpu集成通讯口外，s7-200还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络。s7-200系列目前有两种通讯扩展模块：profibus-dp扩展从站模块（em277）和as-i接口扩展模块（cp243-2）。s7-200系列plc输入/输出扩展模块的主要技术性能如表2-6所示。表2-6 s7-200系列plc输入/输出扩展模块的主要技术性能类型数字量扩展模块模拟量扩展模块型号em221em222em223em231em232em235输入点8无4/8/163无3输出点无84/8/16无21隔离组点数824无无无输入电压dc24vdc24v输出电压dc24v或ac24-230vdc24v或ac24-230va/d转换时间250s250s分辨率12bita/d转换电压：12bit电流：11bit12bita/d转换2.3 主要参数的设定直线工作台面尺寸 （长宽高）：100080040；纵向工作行程为150mm，横向工作行程为150mm，垂直方向的工作行程为150mm。光杠的最大距离根据夹具的尺寸确定。工作进给速度为1-1500mm/min，快速进给速度 12m/min进给运动的总阻力f传动精度初步为0.1mm-0.5mm测量工件的尺寸大小最大体积（120mm120mm120mm） 最小高度为20mm第3章 三坐标测量进给系统的设计计算3.1 进给系统电动机的容量的选择3.1.1电动机容量的选择原则在机电传动系统中选择一台合适的电动机是极为重要的。电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。 选择电动机应根据以下三项基本原则进行。（1）发热：电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度等于或略小于电机允许的最高工作温度。（2）过载能力：电动机再运行时，必须具有一定的过载能力。特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性较大，电动机在短期内承受高于额定功率的负载说仍可保证上面的原则，故此时，决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。既所选电动机的最大转矩或允许电流必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩和最大负载电流即： （3） 启动能力：由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小，所以，为使电动机能可靠启动，必须保证 式中选择电动机容量的方法一般有计算法、统分析计法和类比法。3.1.2 步进电动机的概述本设计采用步进电机驱动丝杠旋转实现工作台的直线进给的。步进电机又称脉冲马达，是一种把电脉冲信号变换成直线位移或角位移的控制电机。它的位移速度和输入脉冲数成正比，因此可以在较宽的范围内，通过改变脉冲频率来调速，并能实现快速启动、反转和制动。随着微电子技术的发展，步进电机已作为重要的执行元件应用于数空机床、智能仪器和自动控制中。3.1.3 步进电动机的容量的计算下面的计算结果所以选用反应式步进电动机，输出功率0.2kw，同步转速1500r/min电动机的参数如下表一所示：表3-1 电动机的各种参数：电动机型号步距角最大静转矩（n.m）运行频 率最高空载启动频率轴径长度55bf0030.75/1.50.686 18006mm70mm选取电动机的输出功率p=0.5kw 转速为800r/min3.2 轴概述3.2.1 轴的用途轴也是组成机器的主要零件之一，一切做回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此轴的主要功能是支撑和传递运动和动力。3.2.2轴设计的主要内容轴的设计也和其它零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和震动稳定方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求的轴和受到大力的细长轴，还应进行刚度计算，防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴，还应进行震动稳定性的计算，防止发生共振而破坏。3.2.3 轴的材料轴的材料主要是碳素钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常用的是45钢。3.3轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构设计的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。但轴的结构形式都必须满足轴和装在轴上零件要有准确的工作位置；轴上零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。3.3.1 拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序、和相互关系。例如图一的装配方案是：半联轴器、轴承端盖、圆螺母、套筒、成对角接触球轴承、丝杠螺母副，依次从轴的右端向左端安装，左端只装轴承和端盖。这样就对个段轴的粗细顺序作了初步安排。3.3.2 轴上零件的定位为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求 者外，都必须进行轴向和周向定位，保证其准确的工作位置。1零件的轴向定位轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证的。利用轴肩定位是最方便可靠的方法，但采用轴肩就必然使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度，以便拆卸轴承，轴肩的高度可查手册中轴承的安装尺寸。套筒定位结构简单，定位可靠，轴上不需开槽、钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位。如两零件的间距较大时，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的质量及材料用量。当轴的转速很高时，也不宜采用套筒定位。轴端挡圈适用于固定轴端零件，可以承受较大的轴向力。轴端挡圈可采用单螺钉固定，为了防止轴端挡圈转动造成螺钉松脱，可加圆拄销锁定轴端挡圈，也可采用双螺钉加止动垫片防松。圆螺母定位可承受大的轴向力，当轴上零件间距较大时常采用圆螺母。图3-1 轴上零件的分布3.3.3轴的结构设计 （1）主要参数确定直线工作台面尺寸 （长宽高）：100080040；纵向工作行程为150mm工作进给速度为1-1500mm/min，快速进给速度 12m/min进给运动的总阻力f工作台质量及工作台重量初估直线工作台质量 总之量 三坐标测量系统的纵向、横向、垂直切削力（fx fy fz=0）所以，设轴向压力f=g（2）确定丝杠的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引力的实验公式计算。选用导轨为滚动导轨，而一般情况下，滚动导轨的摩擦系数为0.0025-0.005，取摩擦系数f为0.005，则丝杠所受的最大牵引力为故其等效负载可按下式计算（估算 t1=t2 ;n2=2n1）由以上确定进给运动的总阻力f=12n 3.3.4初步设计轴的最小直径先按机械设计中15-2公式初步估算轴的最小直径，选取轴的材料为45钢，调质处理，并根据表15-3取a0=125，于是：输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径di-ii.为了使所选的轴的直径di-ii联轴器孔径相适应，故需同时选取联轴器的型号。联轴器计算转矩则： 按照计算转矩应小于联轴器公称直径的条件，查标准gb5843-86或手册，选用tl1/yld1凸缘联轴器其技术指标如下和图二所示：表3-2联轴器的参数型号公称转矩t（n.m）许用转速（r/min）轴孔直径d(h7)dd1螺栓直径ml0yl1101300062217m235图3-2 联轴器的尺寸根据半联轴器的孔径d=6mm，故取di-ii=6mm。凸缘联轴器，结构简单、成本低、传递扭矩大，用于振动很大、低速和刚性不大的轴联接。3.3.5拟定轴上零件的装配方案本设计的装配方案已在前面分析比较，现以用（图3-1所）示的装配方案。3.3.6 根据轴向定位的要求确定轴的个段直径和长度 为了满足半联轴器的轴向定位要求，i-ii段轴右端需制出一轴肩，故取ii-iii段的直径dii-iii=6.5mm；左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径为11mm。半联轴器与轴配合的毂孔长度l1=17m，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上故取i-ii段的长度应比l1略短一些，现取li-ii=14mm。 初步选择滚动轴承。各种类型的轴承选用应丛允许的空间、轴承负荷的大小和方向、高速性能、旋转精度、刚度、振动与噪声、轴向游动、摩擦力矩、安装与拆卸等方面综合考虑，全面衡量，择优选择满足设计要求的轴承类型。因轴承受轴向力的作用，故选用角接触球轴承。成对安装角接触球轴承：滚子相对外圈滚道轴向移动。通过轴向预紧提高支撑刚度。参照工作要求并根据套筒和圆螺母在左端对轴承定位取diii-iv=7mm，由轴承产品目录中初步选取角接触球轴承，其基本尺寸为ddb=8mm15mm4mm，故取div-v=8mm，右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得角接触球轴承的定位轴肩高度h=0.5mm,因此取dv-vi=9mm。 轴承端盖的总宽度为1.8mm。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外面与半联轴器又端面的距离l=3.5mm，为了使套筒和圆螺母的装拆方便，轴承端盖与dii-iii之间的距离为1.2mm，故取lii-iii=6.5mm。去安装圆螺母处的直径diii-iv=7mm；轴承右端采用套筒定位，套筒长度为4.5mm，为了使套筒右端面更好的对轴承进行轴向定位，并与轴紧密接触，取套筒右端面与div-v左端面的距离为1.5mm，故取liv-v=9.5mm，取liii-iv=6.5mm。 三坐标测量机纵向工作行程为150mm。同理得出，后边各轴的直径和长度至此已经初步确定了各段轴的直径和长度。3.3.7轴上零件的轴向定位半联轴器与轴的轴向定位采用平键定位。由手册查得平键截面bh=28mmx6mm（gb1096-79），3.3.8确定轴上圆角和倒角尺寸取轴的倒角为。各段轴肩处的圆角半径见装配图。3.4 丝杠螺母副的选用计算3.4.1丝杠螺母的导程的确定再本设计中，电机与丝杠直接相连，传动比i=1，选择电机y系列异步电动机的最高转速，则丝杠的导程为3.4.2. 确定丝杠的等效转速 最大进给时，丝杠的转速为 最慢进给时，丝杠的转速为 则得到丝杠的等效转速（估计）为3.4.3. 丝杠的等效负载上边已经阐明过了3.4.4. 确定丝杠所受的最大动载荷 查表，取丝杠的工作寿命th为15000h，同时取精度系数fa=1，负荷性质系数fw=105，温度系数ft=0.95，硬度系数fh=1，可靠性系数fk=0.53；平均转速为1000r/min。选用滑动丝杠螺母传动，丝杠公称直径为，基本导程，丝杠螺母的接触刚度为1692n/，螺旋升角丝杠的底径26mm，螺母长度为210mm，取丝杠的精度等级为1级。3.4.5. 临界压缩负荷确定丝杠螺纹部分的长度lu。lu等于工作台的最大行程（750mm）加上螺母长度（60mm）加两端余程（20mm）。lu为850mm。支撑跨度l1应略大于lu，取为l1=900mm。丝杠全长为l=1000mm。临界压缩负荷为式中e- 材料的弹性模量，；i 丝杠最小截面惯性矩l0最大受压长度，按照结构设计取l0=1100mm；k1安全系数，一般取k1=1/3；最大轴向工作载荷， ；丝杠支撑方式系数，查表得，则可见远大于，满足要求3.4.6. 临界转速验算式中 a丝杠最小横截面：lc临界转速计算长度：取；安全系数，一般为0.8；材料的密度： 丝杠支撑方式系数，查表，则可见远大于，满足要求。考虑到本设计的丝杠较长，故采用一端固定、另一端游动的支撑方式，固定端选用成对丝杠轴承组合，额定动载荷，预紧力为2000n3.4.7 .计算轴承动载荷 寿命系数为： 式中 寿命系数： 可靠性为90%的额定寿命，取为10000h；转速系数： ；计算转速取最高转速，取； 故能满足要求。3.4.8.丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算已知：轴承的接触刚度，丝杠螺母的接触刚度，丝杠的最小拉压刚度当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，l植分别为750mm和100mm。螺母座刚度。轴向拉压总刚度为：丝杠拉压振动的固有频率由计算可知，丝杠拉压振动的固有频率远远大于1500r/min，所以能满足要求。3.5 丝杠的扭转刚度丝杠的扭转刚度 由机械设计手册得平移物体的转动惯量为 丝杠的转动惯量为 丝杠扭转振动的固有频率为： 显然，丝杠的扭转振动的固有频率远远大于1500r/min，所以，能满足要求。3. 6传动精度计算丝杠的拉压刚度 由以上的各条件可知 最小机械传动刚度为 最大机械传动刚度 因此得到由于机械传动装置所引起的定位误差为其中，f0为空载时导轨的静摩擦力。3.7 导轨的选型及计算导轨的功用是导向和承载。例如车床的床身导轨属于进给导轨，本设计的三坐标测量机的导轨也属于进给导轨，进给运动导轨的动导轨与支撑的静导轨之间的相对运动速度较低。滚动导轨在两导轨面间装有球、滚子或滚针等滚动元件，具有滚动摩擦性质，广泛的用于进给运动导轨领域。贴塑导轨也具有良好的减摩性。3.7.1滚动导轨的结构及配置直线运动滚动支撑中，滚动体作循环运动的直线滚动导轨叫做直线滚动导轨副组件，（见下图）。图3-7 滚动导轨副的形状直线滚动导轨副包括轨条和滑快两部分。导轨通常为两根，装在支撑件上，见上图。每根导轨条上有两个滑块，固定在移动件上。如移动件较长，也可以在一根导轨条上装3个或3个以上滑块。如移动件较重，也可以用3根或3根以上的导轨条。如果移动件的刚度较高，则少装为好。3.7.2 滚动导轨副的预紧直线滚动导轨副分为整体型直线滚动导轨副和分离型直线滚动导轨副。整体型的直线滚动导轨副由制造厂用选配不同直线钢球的办法来决定间隙或预紧。可根据要求的预紧定货，不需自己调整。分离型直线滚动导轨副，应由用户根据需要。3.7.3滚动导轨副润滑防护滚动导轨多采用润滑脂润滑。常用的牌号为zl-2锂基润滑脂（gb7324-87，2号）它的优点是不会泄露，不需经常加油。缺点是尘屑进入后易磨损捣鬼，因此对防护要求较高。易被污染又难以防护的地方，可用润滑油润滑。3.8 横向伺服进给系统的设计计算（同以上方法） 3.9 纵向、横向的移动工作台的装配图见（图3-1）第4章 夹具的初步设计4.1载要机床夹具是机械加工工艺系统的一个重要组成部分。为保证工件某个工序的加工精度要求，必须使工件在机床相对测头的测量运动处于准确的相对位置。当用夹具装夹测量某工件件时，是通过夹具来实现这一要求的。而要实现这一要求，又必须满足三个条件：1.工件在夹具中占有正确的测量位置；2.夹具装夹在机床上的准确位置；3.测头相对夹具的准确位置。这里涉及了三层关系，：零件相对夹具、夹具相对机床、零件相对机床。工件的最终精度是由零件相对机床获得的。所以“定位：也涉三层关系：工件在夹具上的定位、夹具相对机床的定位，而工件相对于机床的定位是间接通过夹具来保证的。工件定位以后必须通过一定的装置产生夹紧力把工件固定，使工件保持在准确定位的位置上，否则，在加工过程中因受外界的影响而发生位置变化或引起震动，破坏原来的准确定位，无法保证测量要求。这种夹紧力的装置变是夹紧装置。夹紧装置的设计与计算是本章的主要内容。4.2机床夹具的基本要求1稳定地保证工件的测量精度2提高机械加工的劳动强度3结构简单，有良好的结构工艺和劳动条件4应能降低工件的测量成本简而言之，设计夹具时必须使测量精度、生产率，劳动条件和经济性等几方面达到辨证统一。其中保证测量精度是基本的要求。为了提高生产率采用先进的结构和机械传动装置，往往