机械毕业设计（论文）-激光测量机纵轴传动机构设计【全套图纸三维】 .doc

中文摘要随着工业现代化进程的发展，伴随着众多制造业如汽车业等大规模生产的需要，在加工设备提高功效、自动化更强的基础上，要求计量检测手段应当高速、柔性化、通用化，而固定的、专用的或手动的工量具大大限制了大批量制造和复杂零件加工业的发展；平板加高度尺加卡尺的检验模式已完全不适用现代化柔性制造和更多复杂形状工件的测量需要，所有这些促进和推动了近代坐标测量技术的发展。三坐标测量机作为一种测量仪器，越来越广泛的应用于制造，电子，汽车和航天等工业中，而且成为不可缺少的组成部分，对各种空间自由曲面等复杂形面的检测尤为适用。三坐标测量技术自从20实际60年代发展以来，已经逐渐成熟，现主要向高效率，高精度非接触式方向发展。本文主要以三坐标测量机为研究对象，概述了测量机的基本原理及基本组成，描述坐标测量机的结构、特点及发展方向，重点讨论了激光测距式非接触三坐标测量机纵轴传动机构的选用及实现。关键词：测量，三坐标测量机，传动机构全套图纸，加153893706abatractwish the denelopment of industrial modernization process, along with many manufacturing industries such as automotive industrys needs for large-scale production, on the basis of increasing efficiency in the processing equipment, and stronger automation, their measurement requirements should be high speed, flexible and universal but fixed appropriative and hand used tools greatly limited the high-volume and complex parts manufacturing industries development; the test model of plate, height ruler and calipers does not fully apply modern flexible manufacturing and more complex forms part of the measurement needs, all of which promote and facilitate the modern coordinate measurement technology. cmm as measuring instrument, is more and more more widely used in manufacturing, electronics, automotive, aerospace and other industries, and is becoming an indispensable part. and it is particularly applicable in the complex-free surface space text. the cmm technology developed since the 1960s, have gradually matured, it is mainly to the high efficiency, high-precision non-contact direction. this article mainly talked about the coordinate measuring machine, summarized the basic principles of measuring machines and basic components, described the cmm structure, characteristics and development, focused on how to chose and realize the transmission mechanism of the non-contact laser-ranging-cmm.key words: measurement, cmm, the transmission mechanism目 录中文摘要abatract第一章 绪论11.1 三坐标测量机的简述11.2 坐标测量机的基本组成11.3 三坐标测量机的结构11.4 激光测量机系统结构及测量过程31.5 国内外概况31.5.1 国外概况31.5.2 国内概况41.6 设计概述5第二章 设计说明62.1 立柱设计62.1.1 立柱的作用及特点62.1.2 材料选用72.2 传动机构设计82.2.1 机构选用82.2.2 滚珠丝杠副的安装102.2.3 滚珠丝杠副的防护和润滑112.3 轴承选用122.4 导轨副的选用132.4.1 直线导轨副结构形式132.4.2 材料、热处理及防护142.5 装配152.6 主要参数的设定15第三章 设计计算173.1 y轴滚珠丝杠副的选择计算17第四章 三坐标测量机的未来展望24总结致谢参考文献附录vii朱明智 激光测量机纵轴传动机构设计第一章 绪 论1.1 三坐标测量机的简述 三坐标测量机cmm（3d coodinate measuring machine）简称测量机。它是以精密机械为基础，综合应用光学、电子技术、计算机技术等先进技术的测量仪器。任何形状都是由空间点组成，所有的几何量测量都可以归结为空间点的测量，因此精确进行空间点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础。坐标测量机的基本原理就是将被测零件放入它允许的测量空间，精确的测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟和形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。近几十年来，由于现代工艺技术的进步（计算机、集成电路、新材料、气浮技术、传感技术等），促进了三坐标测量机（cmm）的发展。它不仅能测量箱体、汽缸盖、涡轮、叶片、齿轮、凸轮、模具、各种机身型体及不规则空间型面的零件，而且还可以配合数控机、加工中心和柔性制造系统（fms）纳入制造工程，并和cat、cad、cam组成联机集成系统，以实现设计、制造和检测一体化。1.2坐标测量机的基本组成 测量机一般由主机、电子系统、软件系统及探测系统所组成。主机包括了其上附属的装置如光栅、电机等；电气系统包括电控柜及计算机；测量软件形式很多，如通用软件、统计分析软件等，由于误差补偿技术的发展及算法和控制软件的改进，测量机精度在很大精度上依赖于软件；探测系统是有测头及其附件组成的系统，测头是坐标测量机的关键部件，测头精度的高低很大程度决定了测量机的测量重复性及精度。1.3三坐标测量机的结构三坐标测量机有不同的操作需求、测量范围和测量精度，这些对选用三坐标测量机是很重要的。各种类型的三坐标测量机结构外形叙述如下：图1.1 三坐标测量机结构（1）悬臂式：前面开阔，耗材少，但受刚性影响大。立柱横梁受力变形影响精度。适用于中小型机。（2）活动水平臂式：测量空间大，立柱运动方向可以充分加长，但由于水平轴受变形的影响较大，长度受到一定限制。（3）固定水平臂式：可以比较方便地修正因立柱和水平臂运动引进的阿贝误差，工作台承载能力不能太大。适用于小型机。（4）单柱式：立柱运动与水平运动分开，可以达到较高的精度。由于具有二维水平运动的工作台加工复杂，难于推广。适合小型机或稍大一些的机型。（5）移动龙门式：工作台承载能力大，不影响运动部件的精度，但由于横梁上的运动部件影响移动龙门的重心，加之绝大部分生产厂龙门架为开口状且为单边驱动，影响运动刚性，扭转也大，最终影响测量机的稳定性和测量精度。（6）固定龙门式：整机刚性好，负载变化时机械变型小，可以在中央驱动工作台，可以通过适当加大固定龙门的体积来提高龙门上运动部件的运动精度，半闭式气浮导轨刚性好。缺点是承载不能太大，不利于发展高速测量机。适用于中小型机型。（7）l型桥式：与移动龙门所存在的问题相似，现很少被采用。（8）高架桥式：由于运动部件被架在两个固定龙门之间，当运动部件采用高强度轻型材料时，运动性能可以优于移动龙门式，更利于发展高速测量机，整机结构简单。适用于中型和大型机。1.4激光测量机系统结构及测量过程 激光非接触式三坐标测量系统主要由：三维扫描机构、激光非接触测量头及对准装置、控制系统和数据处理系统等四部分组成。它实质上是由一个水平x轴、一个垂直y轴、一个回转工作台加上ccd激光测量头等构成的特别适合回转体高速非接触测量的三坐标机。 系统工作过程为：主控程序先完成系统的初始化,然后把被测量部件放在转台上,在测量过程中转台一直匀速旋转。测量从最底圈开始,一圈一圈测量。当测量一圈时,主控程序启动控制模块控制横梁和滑动臂沿水平及垂直方向运动,使得测量点在测量头的测量范围内,然后转头旋转,使得测量头对准被测部件。转头运动完毕后,运动控制模块通知主控程序运动结束,然后由主控程序启动数据采集模块。数据采集模块在高精度定时线程的控制下进行数据采集。当测量完一圈后,数据采集模块暂停,同时通知主控程序完成一圈数据采集。这时候主控制程序再启动运动控制模块 来调整测量头的位置,准备测量下一圈。这样一直测量到最后一圈,然后系统复位。数据利用串行化技术存储,以供数据处理程序处理。1.5 国内外概况三坐标测量机属于高精度测量仪器，在行业内已经有大约50年的发展历史。三坐标测量机主要应用于机械制造、汽车、航空、模具制造等工业生产行业中，在工业生产过程中发挥着非常重要的作用。随着高新技术和计算机应用技术的发展，三坐标测量机技术也得到了长足的发展空间。1.5.1国外概况国外三坐标测量机生产厂家较多，系列品种很多，大多数都有划线功能。注明的国外生产厂家有德国zeiss和leitz、意大利的dea、美国的布朗夏普、日本的三丰等公司。总的来说，国外机器油一下特点：（1）绝大多数机器总体布局为悬臂式，空间敞开性好，便于安装大的零件或整车；（2）采用“autocad”和有限元法进行优化设计，结构较合理，造型优美；（3）专项开发力量强，专用软件和附件较多，能满足更多用户的特殊需要；（4）移动构件多数用合金铝材，移动件质量尽可能小，做到高刚性、低惯性；（5）配有21项误差补偿软件，可以廉价地提高机器精度；（6）配有32位dsp连续轨迹控制系统，它是一种性能优于cpu的数据信号处理器，是超大规模集成电路。它除了有较高的运算和控制功能外，还有内部存储的许多可供开发的高级语言程序；（7）绝大多数机器采用renishow公司（英国）的电测头，功能齐全，质量可靠；（8）配有功能齐全的控制测量软件、专用和误差修正软件；（9）机器的性能高度稳定可靠，使用寿命长；（10）三坐标测量机与计算机工作站和数控机床联网；（11）三坐标测量机技术近十多年来突飞猛进发展，特别是数控系统和测量软件每二三年便更新一代，系列品种齐全，三化（标准化、通用化、系列化）程度高。1.5.2 国内概况在我国，第一台三坐标测量机诞生于1968年，这还不是自主研发的，在这之后我国开始自主研发三坐标测量机，现阶段国内三坐标市场的竞争已经十分激烈。三坐标测量机行业现状成了众多业内人士关注的问题，正确的认识该方面的信息，不仅对供货商有着不可忽略的积极作用，更对买家有着积极意义，为了让更多人更合理的认识该方面的知识。根据国家统计局最新统计，2013年仪器仪表制造业增加值增长速度为13%左右。三坐标测量市场需求也以年均20%左右的速度增长。另有统计数据表明欧洲发达国家各国数控机床与三坐标测量机的比例为9:1,美国为6:1.我国目前拥有各类数控机床多达八十万台，如果按照20:1的比例计算，则三坐标测量机的累计需求应在四万台左右，且数控机床保有量每年在不断增加。我国国内市场需求潜力巨大，而且市场竞争也十分激烈，这就是三坐标测量机行业在中国的现状，在这种大环境下，高质量的产品与服务成为了让企业领导市场的关键，福莱德就是测量行业的典范。福莱德测量就是一直秉承着放心产品，贴心服务的宗旨，从产品开发到生产制造，再到售后其中的每一个环节，福莱德产品均采用国际一流的标准，多年来赢得了国内市场的一致好评，福莱德也因此连续多年成为在国内品牌三坐标测量机中生产销量排名第一企业。1.6 设计概述鉴于三坐标测量机在工业中的特殊作用，对其研究是非常必要的。但是由于知识和时间的限制只能对三坐标测量机立柱传动机构设计。至于底座传动机构，控制系统，测量系统则不进行研究。我的设计流程大致如下：1. 完成激光测量机的y轴的装配结构图。2. 完成部分零件图。3. 对丝杠进行校核计算。4. 对所涉及的部分零件建立其三维模型。第二章 设计说明2.1立柱设计2.1.1立柱的作用及特点立柱的变形和振动，将直接影响设备的加工质量和正常运转，因此，它必须满足下列基本要求。（1）保证刚度 刚度几十抵抗载荷的能力。如果设备的支承件刚度不足，则在各部件及工件的重力、夹紧力、摩擦力、惯性力和工作载荷等的作用下，就会使其产生变形、振动或爬行，影响设备的定位精度、加工精度及其他性能。因此，机座与机架必须有足够的刚度，主要是其本身的结构刚度和接触刚度。动刚度和静刚度、材料阻尼及固有频率有关。动刚度是衡量抗振性的主要指标，一般情况下，动刚度越高，抗振性越好。（2）减少热变形 设备运转时，电动机、强光源、烘箱等热源散发出的热量，零部件的相对运动摩擦生热，都将传到机座上。如果热量分布不均匀，散发不相等，机座就将由于温差而产生变形，影响其原有精度。为了减小热变形，可采取下列措施：减少发热：系统内部发热时产生热变形的主要热源，应尽量将热源从主机中分离出去。对不能与主机分离的热源，如主轴轴承、丝杠螺母副等则应改善其润滑条件和摩擦特性，以减少内部发热。散热良好：在减少发热的同时，应注意散热，必要时对发热部件和高温部件采取冷却措施。恒温控制：电子精密机构设备，如集成电路制版、测试等设备，应放在恒温室内。选择热变形对称的结构形式：在相同的发热条件下结构对热变形有很大的影响。实践证明采用热对称结构，在同等的受热条件下，其热变形可以通过坐标（位移）补偿的方式予以消除。（3）提高抗振性 立柱的抗振性是指承受受迫振动的能力。受迫振动的振源可能存在于设备的内部，如驱动电机的转子或传动部件旋转时的不平衡；往返运动件的换向冲击等。振源也可能来设备的外部，如邻近的机器、车辆、人员活动（走路、开门、关门、搬运东西等）以及恒温室的通风机、冷冻机等。当机座受到振源的影响时，除了使整机作摇晃振动外，各主要部件及其相互间还会产生弯曲或扭转振动，尤其是当振源频率与某一构件的固有频率重合时，将产生共振，而严重影响设备的正常工作和使用寿命。为了提高机座的抗振性，可采取下列措施：提高静刚度 即从提高固有频率着手，以避免产生共振。增加阻尼 增加阻尼对提高动刚度有很大作用。液体动压或液体、气体静压导轨的阻尼比滚动导轨大。减轻重量 在不降低机座静刚度的前提下，减轻重量可提高固有频率。如适当减薄壁厚、增加筋和隔板；采用钢材焊接件代替铸件等。采用隔振措施 如在设备的周围挖隔振；由空气弹簧将设备浮起；加橡胶垫脚等。（4）保证精度 如果立柱制造不准确，则装在它上面的工件部件的相对位置和相对运动都不会准确，这样就会影响设备的总精度，从而给被加工的工件带来较大的误差。因此，在设计时，对某些关键的表面和部位应提出一定的精度要求。（5）良好的结构工艺性 进行支撑结构设计时，应同时考虑机械加工工艺性和装配工艺性。2.1.2材料选用立柱材料应具有较高的强度、刚度、吸振性和耐磨性并具有良好的工艺性。铸铁、钢板、合金铸铁、花岗岩石等是立柱机架的常用材料。（1） 铸铁 铸铁熔点低、铸造性好，易成型为各种复杂形状。它吸振性和耐磨性好，成本低，是一种应用最广泛的材料。铸件须进行时效处理以消除内应力。铸件的缺点是需做木模，制造周期长，单件制造成本高，铸造易出废品，如有时会产生缩孔、气泡、砂眼等缺陷；铸造加工余量大，机加工成本高。（2） 低碳钢由低碳钢焊接成的构件，其弹性模量比铸铁大，在承受同样的载荷时，壁厚比铸件薄，因而质量轻。此外焊接制造周期短，节省原材料。但钢的抗振性能比铸铁差，在结构上须采取防振措施。钢材焊成后，须进行实效、退火等处理，以消除焊接应力。（3） 花岗岩近年来，花岗岩、大理石、天然岩石等材料已广泛应用于各种高精度机电一体化系统的机座，如三坐标测量机的工作台、金刚石车床的床身以及平板、导轨、底座横梁、立柱等。花岗岩具有许多优点：稳定性好，无内应力，几乎不变形，能长期保证稳定的精度；通过研磨抛光，容易得到稳定的精度和非常光滑的表面；对温度不敏感，热导率和膨胀系数均很小；吸振性好，内阻尼系数比钢打15倍；耐磨性比铸铁高510倍；不导电、抗磁、抗氧化。主要缺点是加工困难，脆性大，抗冲击能力差，油和水易渗入晶体中，易引起变形。综合考虑后立柱选用花岗岩材料，外形如图2.1所示：图2.1 立柱2.2传动机构设计2.2.1机构选用激光测量机的运动形式为往复的直线运动。实现其往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油汽缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连杆机构等。激光测量机是高精度测量设备，因此其传动元件可采用滚珠丝杠副传动机构。滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。它可将选择运动转变为直线运动，或将直线运动转变为旋转运动。滚珠丝杠副与滑动丝杠副或其他直线运动副相比，有一下特点：（1）传动效率高。一般滚珠丝杠副的传动效率高达0.900.95为滑动丝杠副的34倍。传动精度高、刚度好。丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙产生过盈。（2）定位精度和重复定位精度高。由于滚珠丝杠副摩擦小、温升少，因此可以达到较高的定位精度和重复定位精度。（3）运动平稳。滚动摩擦系数几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，启动时无冲击，低速时无爬行，保证运动的平稳性。（4）使用寿命长。滚珠丝杠副的摩擦表面硬度高（5862hrc）、精度高，具有较长的工作寿命和精度特性。寿命为滑动丝杠副的410倍。（5）可靠性高。润滑密封装置结构简单，维修方便。（6）不能自锁、有可逆性。即能将旋转运动转化为直线运动，也能将直线运动转化为旋转运动，可以满足一些特殊要求的传动场合，但用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚珠体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副有多种结构型式。按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。外循环回珠器用插管式的较多，内循环回珠器用腰形槽嵌块式的较多。按螺纹轨道的截面形状分为单圆弧和双圆弧两种截形。由于双圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形，因此目前普遍采用双圆弧截形的丝杠。按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧。精密机床上常用双螺母垫片式预紧，其预紧力一般为轴向载荷的1/3。滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：传动效率高、灵敏度高、传动平稳；磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。2.2.2滚珠丝杠副的安装激光测量机的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，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。螺母座及支撑座都应具有足够的刚度和精度。通常都适当加大和结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度。滚珠丝杠副安装方式通常有以下几种：（1）“固定-支承”型 适用于中等转速，高精度。如图2.2所示，丝杠一端固定，另一端支承。固定端轴承同时承受轴向力和径向力；支承端轴承支承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以避免或减少丝杠因自重而出现的弯曲。同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长。图2.2（2）“固定-固定”型 适用于高转速，高精度。如图2.3所示，丝杠两端均固定。固定端轴承都可以同时承受轴向力和径向力，这种支承方式，可以对丝杠施加适当的预拉力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝杠的热变形。图2.3（3）“固定-自由”型 适用于低转速，中精度，短轴丝杠。如图2.4所示，丝杠一端固定，一端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力。这种支承方式用于行程小的短丝杠。图2.4（4）“支承-支承”型 适用于中等转速，中精度。如图2.5所示，丝杠两端支承：结构简单，轴向刚度小，适用于刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装。对丝杠的热伸长较敏感。图2.5综合考虑决定使用“固定-支承”型的安装方法。2.2.3滚珠丝杠副的防护和润滑（1）滚珠丝杠副的防护 滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。（2）滚珠丝杠副的润滑 润滑剂可提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全损耗系统用油：润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂。用润滑油润滑的滚珠丝杠副，可在每次机床工作前加油一次。2.3轴承选用为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的。选择轴承的类型主要由下列几个因素有关：（1）允许空间。（2）载荷大小和方向。例如既有径向又有轴向联合载荷一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，如径向载荷大，轴向载荷小，可选深沟球轴承和内外圈都有挡边的圆柱滚子轴承，如同时还存在轴或壳体变形大以及安装对中性差的情况，可选用调心球轴承、调心滚子轴承；如轴向载荷大，径向载荷小，可选用推力角接触球轴承、推力圆锥滚子轴承，若同时要求调心性能，可选用推力调心滚子轴承。一般角接触轴承和圆锥滚子轴承需要成对安装使用。（3）轴承工作转速。一般轴承的工作转速低于极限转速，深沟球轴承、角接触球轴承和圆柱滚子轴承的极限转速较高，适用于高速运动场合，推力轴承的极限转速较低。（4）旋转精度。一般机械均可用g级公差轴承。（5）轴承的刚性。一般滚子轴承的刚性大于球轴承，提高轴承的刚性，可通过“预紧”，但必须适当。（6）轴向游动。轴承配置通常是一端固定，一端游动，以适应轴的热胀冷缩，保证轴承游动方式，一是可选用内圈或外圈无挡边的轴承，另一种是在内圈与轴或者外圈与轴承孔之间采用间隙配合。固定支承限制两个方向的轴向位移，可选用能承受双向轴向载荷的轴承。单向限位支承可选用能承受单向轴向载荷的轴承。游动支承位轴向不限位，可选用内外圈不分离的轴承。在轴两端采用了径向间隙不可调的向心轴承，且轴向位移是以两端端盖限定时，其一端必须留出间隙c（c=两轴承中心距，mm）。（7）摩擦力矩。需要低摩擦力矩的机械（如仪器），应尽量采用球轴承，还应避免采用接触式密封轴承。（8）安装与拆卸。装卸频繁时，可选用分离型轴承，或选用内圈为圆锥孔的、带紧定套或退卸套的调心滚子轴承、调心球轴承。国内目前主要采用两种组合方式。一种是把向心轴承和圆锥轴承组合使用，其结构虽然简单，但轴向刚度不足。另一种是把推力轴承或向心推力轴承和向心轴承组合使用，其轴向刚度有了提高，但增大了轴承的摩擦阻力和发热而且增加了轴承支架的结构尺寸。激光测量机既有径向又有轴向的联合载荷，所以在支承端采用推力球轴承，在固定端选用深沟球轴承。2.4导轨副的选用 导轨的作用是当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上的导轨起支承和导向的作用，即支承运动件和保证运动件在外力（载荷及运动件本身的重量）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。2.4.1直线导轨副结构形式本设计采用滑动导轨作为进给导轨，常见的基本形式有：三角形导轨：该导轨磨损后能自动补偿，故导向精度高。它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为90。为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，采用较大的顶角（110120）；为提高导向性，采用较小的顶角（60）。如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。矩形导轨：优点是结构简单，制造、检验和修理方便；导轨面较宽，承载力较大，刚度高，故应用广泛。但它的导向精度没有三角形导轨高；导轨间隙需用压板或镶条调整，且磨损后需重新调整。燕尾形导轨：燕尾形导轨的调整及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面的间隙，且高度小，结构紧凑；但制造检验不方便，摩擦力较大，刚度较差。用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的场合。圆形导轨：制造方便，外圆采用磨削，内孔珩磨可达精密的配合，但磨损后难于调整间隙。为防止转动，可在圆柱表面开键槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受轴向载荷的场合，如拉床、钻床的主轴和导向套组成的导轨副。本设计采用矩形双直线导轨副组合。如图2.6所示。图2.6 直线导轨副2.4.2材料、热处理及防护目前常采用的导轨材料铸铁，其材料常用灰口铸铁。它具有成本低，工艺性好，热稳定性高等优点。在润滑和防护良好的情况下，具有一定的耐磨性。常用的是ht200ht400，硬度以hb=180200较为合适。为了提高铸铁导轨的硬度，以增强抗硬粒磨损的能力和防止撕伤，铸铁导轨经常采用高频淬火，中频淬火及电接触自冷淬火等表面淬火方法。润滑和防护 润滑油能使导轨间形成一层极薄的油膜，阻止或减少导轨面直接接触，减小摩擦和磨损，以延长导轨的使用寿命。同时，对低速运动，润滑可以防止爬行；对高速运动，可减少摩擦热，减少热变形。导轨的防护装置用来防止切削、灰尘等赃物落到导轨表面，以免使导轨擦伤、生锈和过早的磨损。为此，在运动导轨端部安装刮板；采用各种式样的防护罩，使导轨不外露等办法。2.5装配图2.7 装配示意图y向滚珠丝杠的装配示意图如图2.7所示连接块由螺栓装在丝杠螺母上，丝杠两端通过轴承装在轴承座上。左边推力球轴承由丝杠台阶面和轴承端盖分别压住内外圈定位；右边深沟球轴承分别由螺母和丝杠台阶面压住内外圈定位，再由联轴器与电机直联。双直线导轨副通过内六角螺钉装在立柱上，并保证滑块和连接块上端面在同一平面上。装配效果如图2.8所示。丝杠通过行程开关控制有效行程。2.6主要参数的设定1.立柱尺寸（长宽高）：208125590；2.工作行程为480mm；3.工作进给速度为11500r/min，快速进给速度为15m/min。图2.8 立柱装配图第三章 设计计算3.1 y轴滚珠丝杠副的选择计算设计条件工作台与被测件平均质量m=20kg；最大工作行程lmax=480mm；支承面摩擦系数=0.040.06，取=0.05；丝杠工作进给速度nmax=1500r/min，nmin=30r/min，最大速度vmax=15m/min；传动比i=1；全程定位精度0.008mm；重复定位精度0.005mm。选取电机表3.1 电机参数电动机型号步距角最大静转矩（nm）转子惯量（10-1kgm2）轴径（mm）长度103h8221-5141（5111）1.84.92.91295选取电动机的输出功率p=0.5kw 最大转速nmax=2000r/min1） 滚珠丝杠精度为了获得0.008mm的定位精度，先预选3级精度的定位滚珠丝杠副p2） 计算导程ph=vmaxinmax=15000/2000=7.5mm式中，vmax为丝杠副最大移动速度，mm/minnmax为丝杠副最大相对转速，r/min由于ph要符合标准值，所以ph取10mm3）计算当量载荷fm 由于y轴滚珠丝杠所受载荷为工作台与被测物体重力引起的摩擦力，所以fm=mg=0.052010=10n4）当量转速nmnm=12（nmax+nmin）=12（1500+30）=765r/min5）确定预期额定动载荷cam按滚珠丝杠副预期工作时间lh（小时）计算：cam=fwfm（60nmlh）1/3/100fafc式中，lh预期工作时间（小时，见表3.2），取lh=15000h；fa精度系数。根据初定的精度等级（见表3.3）选，取fa=1；fc可靠性系数（见表3.4）。一般情况fc=1；fw负荷系数。根据负荷性质（见表3.5），取fw=1.2。表3.2 各类机械预期工作时间lh机械类型lh（小时）普通机械500010000普通机床1000020000数控机床20000精密机床20000测示机械15000航空机械1000表3.3 精度系数fa精度等级1.2.34.5710fa1.00.90.80.7可靠性%909596979899fc10.620.530.440.330.21表3.4 可靠性系数fc表3.5 负荷性质系数fw负荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或振动fw11.21.21.51.52因此：cam=1.2200（6076515000）1/3/100/1/1=2116.5n6）按精度要求确定允许的滚珠丝杠最小螺纹底d2m滚珠丝杠副安装方式为一端固定，一端自由或游动时d2d2m=21010f0lme=0.078f0lm式中，e杨氏弹性模量21105n/mm2；f0导轨静摩擦力（n）。f0=mg=0.062010=12nl滚珠丝杠两轴承支撑点的距离（mm），常取1.1行程+（1014）phl=1.1480+1010=628mmm估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（mm），其中m1=（1314）重复定位精度或m2（1415）定位精度，取较小值为m值。 m1=140.005=0.00125mm， m2=150.008=0.0016mm；取m=0.00125mm=1.25m则 d2d2m=0.078126281.25=6.1mm选用济宁丝杠厂内循环式ffzd2004-3-p3型，丝杠底径d2=17.2mm，ph=10mm，ca=5.4kn，c0a=11.7kn。尺寸如图l=560mm图3.1 y轴滚珠丝杠尺寸7）确定预紧滚珠丝杠副预紧力fp当最大轴向工作载荷fmax能确定时fp=1/3fmax，fmax=f0=12n fp=1/312=4n8）计算行程补偿值c和预拉伸力ftc=11.8tlu10-3，ft=1.95td22式中，c行程补偿值（m）；ft预拉伸力（n）；t温度变化值23；lu滚珠丝杠副的有效行程（mm）；lu工作台行程+螺母长度两个安全行程行程（814）phlu=480+810=560mm则 c=11.8tlu10-3=11.8356010-3=19.8m ft=1.95td22=1.95319.82=2293.4n9）确定滚珠丝杠副支承用轴承规格型号因滚珠丝杠安装方式为固定支承，按图确定轴承型号。左端为51101推力球轴承，右端为6302深沟球轴承。10）传动系统刚度计算一般校核计算按1k=1ks+1kb+1r式中，ks滚珠丝杠副的拉压刚度；kb滚珠丝杠支承轴承的轴向刚度；r滚珠丝杠副滚珠与滚道的接触刚度。 ks计算丝杠支承形式为一端固定，一端支承时ks=165d22/a当a=580mm（滚珠螺母至固定支承的最大距离）时刚度最小ksmin=16519.82/580=111.5n/m当a=54mm（靠固定端的行程起点处）时刚度最大ksmax=16519.82/54=1197.9 n/m kb计算查轴承样本轴承7201c的轴向刚度kb1=750n/m，轴承30302的轴向刚度kb2=1000 n/m，则支承轴承的轴向刚度kb= kb1 +kb2=1750 n/m 查表得r=555nm-1则 1kmax=1ksmax+1kb+1r，kmax=311.7 n/m1kmin=1ksmin+1kb+1r，kmin=88.2 n/m11）滚珠丝杠副临界压缩载荷f的校验（验算压杆稳定性）fc=k1k2105d24lc12famax式中，d2滚珠丝杠螺纹底径；lc1滚珠丝杠副的最大受压长度（mm）（见表3.6）；famax滚珠丝杠副承受最大轴向压缩载荷（n）。famax=fmax=12n；k1安全系数。丝杠垂直安装k1=1/2，丝杠水平安装 k1=1/3；k2支承系数。与支承方式有关（见表3.6）。fc=1/2210517.24/5712=26843.7nfamax=12n 符合要求12）滚珠丝杠副极限转速nc校验（避免高速运转时产生共振）nc=107fd2/lc22式中，nc极限转速（r/min）；f与支承形式有关的系数（见表3.6）；lc2临界转速计算长度（mm）（见表3.6）。则 nc=10715.117.2/5602=8282r/min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。表3.613）dn值校验d0nmax70000式中，d0滚珠丝杠副的公称直径（mm）；nmax滚珠丝杠副的最高转速（r/min）；nmax=1500r/min则 d0nmax=201500=3000070000 符合要求14）基本轴向额定静载荷c0a验算fsfamaxc0a式中，c0a滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷（n）；fs静态安全系数。一般载荷fs=12，有冲击或振动的载荷fs=23；famax最大轴向载荷（n）；则 fsfamax=212=24nc0a=11.4103n 符合要求15）强度验算14d22famax式中，=147n/mm2则 14d22=1471/43.1417.22=34138n 远远大于famax=12n 符合要求16）寿命校核滚珠丝杠寿命计算公式lh=10660nmcpmfw2式中，lh寿命（小时）；c基本额定动态负载（n），c=5.4kn；pm平均轴向负载（n），pm=10n；nm平均转速（r/min），nm=764r/min;fw负载性质系数（见表3.5）；则 lh=106607655.41000101.22=4.4106h远大于预计工作时间15000h，符合要求。第四章 三坐标测量机的未来展望（1）大量程方向：代表的产品就是双龙门三坐标测量机以及三维坐标划线仪，目前这两类产品随着量程的增加其测量的精度以及操作方便性逐渐降低，但是随着软件功能以及控制系统的功能逐渐发展提高，可以大大弥补由于量程而造成的精度以及操作性的损失。这类设备主要应用于逆向以及大型测量。代表产品有中国测试技术研究研究院测量仪器研究所的三维坐标划线仪。精度在0.01mm0.01mml。（2）小型手动三坐标测量机：目前普及型的三坐标测量机，性价比高，适合广大中小企业的需求。由于收到手动的限制，其测量量程多数在1000mm以内。随着软件技术的发展，其测量的功能随着软件的发展不断提高。缺点是测量速度慢，适合小批量的检测要求，精度受人为因素影响大，是现场生产型的中等精度的测量要求，精度多数为：3.5+1000l/3.5um。国内生产手动的厂家有深圳鑫磊成都司塔瑞西安立德等。（3）cnc三坐标测量机：操作方便精度高，自动测量自动控制。适合高精度的测量。是今后10年乃至20年德普及推广趋势。目前国产德cnc三坐标测量机由于收到进口关键部件的制约，普及推广难度大，价格普遍偏高，一般企业承受困难。光栅尺、cnc测量软件，cnc光电控制系统，cnc三维测头系统，都受到进口部件的影响。目前国内自主研发的部分很少只有机械部件以及售后服务培训部分。国内和国外竞争很困难，只有靠低的利润价格以及廉价优质的服务占领市场很小的份额。在短期内国内企业很难突破这个瓶颈。价格高一直是普及推广的难点。 （4）智能傻瓜型的测量软件以及控制