机械毕业设计（论文）-激光跟踪仪垂直轴的设计【全套图纸】 .doc

毕业论文（设计）题 目 激光跟踪仪垂直轴的设计 系 部 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年级 级 学生姓名 学 号 指导教师 摘 要由于激光发散性很小，测距精度高，人们在几十年前就开始用激光干涉仪来测距离。进而用它测直线度和角度，特别在较长距离的测量中发挥了它的优势。但是激光 干涉仪使用时要求找好准直，如果干涉镜或反射镜偏离了激光光轴，那么就出错，而且不能断光再续，必须重新再来，甚至中间有东西当一下光也是如此。这些限制 了它在空间坐标测量中的应用，另一方面激光终究是一个测长的工具，要用来做空间测量则必须寻求其他的定位装置。本文设计了激光跟踪仪垂直轴设计，主要完成了：整体结构设计，结构设计计算、滚珠丝杠、直线滚动导轨的选择及其强度分析；以步进电机为进给驱动的驱动系统及其传动机构的分析设计计算。关键词: 激光跟踪仪，工作台，垂直轴，电机全套图纸，bstractbecause the laser divergence is small, high precision, people began to distance measurement with laser interferometer in decades ago. and then use it to measure the straightness and angular, especially its advantages in the measurement of long distance. but the laser interferometer used for looking good alignment, if interference mirror or mirrors deviated from the laser beam axis, then the error, and can not be broken light again, must come again, even when the light is something in the middle of a so. these limit its application in spatial coordinate measurement, on the other hand, the laser is ultimately a length measuring tool, used to do spatial measurement must seek other positioning device.this paper designed a laser tracker vertical shaft design, the main completed: the overall structure design, structure design, ball screw, linear rolling guide the choice and strength analysis; step motor as feed drive system and its transmission mechanism analysis and design calculation.keywords: laser tracker, working table, vertical shaft, motor目 录摘 要iiabstractiii目 录iv1 引言11.1激光跟踪仪概念11.1激光跟踪仪组成11.2 设计任务21.3 总体设计方案分析32 系统分析42.1什么是姿态42.2实验原理43基本结构设计53.1设计要求53.2初步确定设计尺寸53.3 电机功率计算53.4 确定减速比64 齿轮减速传动设计计算74.1 选择齿轮传动的类型与材料74.2 按齿面接触疲劳强度设计74.3 按齿根弯曲强度设计94.4 几何尺寸计算105轴的设计及校核125.1选择轴的材料125.2初算轴径125.3结构设计125.5校核轴和轴承135.6轴承寿命校核165.7键的设计与校核16第6章 轴的工艺设计186.1 定位基准的选择186.2制定工艺路线186.3 方案比较与分析196.4选择加工设备及刀、量具21第7章 总结与展望237.1 全文总结237.2 展望23参考文献25致 谢261 引言1.1激光跟踪仪概念由于激光发散性很小，测距精度高，人们在几十年前就开始用激光干涉仪来测距离。进而用它测直线度和角度，特别在较长距离的测量中发挥了它的优势。但是激光 干涉仪使用时要求找好准直，如果干涉镜或反射镜偏离了激光光轴，那么就出错，而且不能断光再续，必须重新再来，甚至中间有东西当一下光也是如此。这些限制 了它在空间坐标测量中的应用，另一方面激光终究是一个测长的工具，要用来做空间测量则必须寻求其他的定位装置。激光跟踪仪是一台以激光为测距手段配以反射标靶的仪器，它同时配有绕两个轴转动的测角机构，形成一个完整球坐标测量系统。可以用它来测量静止目标，跟踪和测量移动目标或它们的组合。1.1激光跟踪仪组成激光跟踪测量系统（laser tracker system）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理 论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸 工件配装测量。激光跟踪测量系统基本都是由激光跟踪头（跟踪仪）、控制器、用户计算机、反射器（靶镜）及测量附件等组成。激光跟踪测量系统的工作基本原理是在目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光射到反射器上，又返回到跟踪头，当目 标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。同时，返回光束为检测系统所接收，用来测算目标的空间位置。简单的说，激光跟踪测量系统的所要解决的问题是静态 或动态地跟踪一个在空间中运动的点，同时确定目标点的空间坐标。激光器要放在激光器的主机体内,全封闭,平衡设计，光束通过光纤传送，无反射镜（避免反射镜因经过运输而产生微小的位移就需要长的校准时间），光纤具有稳定性好,制造精度高，激光光路部分全程完全密封，可靠性好，响应速度快。* 内置综合气象站，能够测量环境温度、湿度、和气压，并自动补偿环境误差，保证设备的精度及稳定性. 控制器还可外接八个温度传感器（控制器上带八个接口）,可对测量现场或大工件附近温度的变化误差进行自动补偿。* 强强组合 trackerarm 对于大型零件中的局部复杂测量,可结合测量臂来对跟踪仪进行隐藏点的补充测量,完全脱离激光束真正意义上的6自由度测量,并且能实现在同一坐标系下生成测量数据.* 能实现干涉仪测量、干涉与绝对相辅测量和真正绝对测量的选择，独立的2路激光系统。在adm（绝对测量）模式下，能够实现高精度，高效率的扫描测量。* 为了保证机器的热稳定性，光学仪器、电子仪器和激光源不得集成在同一空间，并且在激光头部要有散热孔.* 主机配备3个跟踪器安装复位器tmr,可同时放置3个(1.5”,0.875”,0.5”)反射镜标靶,为了提高稳定性,此复位器必须是跟踪仪主要构件的一部分,不得使用螺栓固定。* 具有内置电子水平仪，可以自动进行水平面的测量，也可以实现对工件的调平。简介在直角坐标系、圆柱坐标系及球坐标系中唯有球坐标系是只要求长度量的，其他两个角度量完全可以用现代精密的角度编码起器完成。现在的三大技术，即：精度的角度编码器、续光再续和激光催生了激光跟踪仪。t-probe的发明使隐蔽处测量成为可能，尤其是对方向姿态的测量大大扩展了激光跟踪仪的应用，例如可以用于机器人姿态的动态测量。激光跟踪仪在汽车、航空航天和通用制造领域工装设置、检测和机床控制与校准应用中得到普遍认可，其中以leica居多，拥有全球1600多台的装机量。激光测量技术如今已开始广泛应用。1.2 设计任务激光跟踪仪设计主要解决微型工件在工业上的装配过程中需满足较高的安装精度，为了测试激光姿态，需建立一套自动装置，将检测得到的参数传递给控制系统进行姿态的高精度定位，本设计主要解决装置中二维微型移动平台的设计。1.3 总体设计方案分析电动机转动，带动小齿轮转动，小齿轮和大齿轮啮合传动，大齿轮通过一根轴与转台进行连接，进行旋转运动。图1-1 系统总体原理图 2 系统分析2.1什么是姿态 姿态指遥感器或遥感平台对某一参考系所处的角方位。随着计算机视觉技术的不断发展 ,计算机视觉定位在智能机器人、智能人机交互、视觉交通监管(电子警察) 等方面有着广泛的应用。计算机 视觉定位 ,又称pnp问题 ,是指在被定位物体上设 置一定数量的特征点 ,根据这些特征点在图像中的位置和其在物体坐标系中实际位置的对应性 ,按照 某种约束求取物体坐标系与摄像机坐标系间的旋转矩阵和偏移向量 ,从这方面讲其等价于摄像机的外参数标定 。当前基于计算机视觉的物体定位方 法按照使用摄像机的数量基本可以分为单目定位和双目定位2种 。采用单个相机进行定位时 ,需要 设定图像中特征点和实际物体特征点间的几何约束 ,建立数学方程 ,进而通过求解该方程来给出物 体的姿态 ,该方法具有精度高 、计算速度快的优点 , 但需要设计高效鲁棒的几何约束以对物体和图像 之间的关系进行精确表达 ;采用双目视觉来进行定 位时 ,一般采用三维重建的方法来进行定位 ,这种方法简单 ,只需要 3 个特征点即能求解 ,然而该方 法由于采用 2 个摄像机 , 增加了图像处理的复杂度,从而影响了物体的实时性能 ,且在该方法中要 求 2 个摄像机应能同时观测到目标物体 ,因此其观测范围也小 。2.2实验原理触发过程有一点需要注意的是:在普通是触发模式下，当触发后当前桢开始曝光和传输当这个过程没有完成时采集卡会忽略外部的触发脉冲，因此，要保证所有需要的(触发点)图像被捕获，就得保证两个触发脉冲间的间隔时间大于一桢图像完成曝光与传输的时间和。在异步触发模式下，如果脉冲间隔时间短于一桢图像完成曝光与传输的时间，不同的相机可能会有不同的动作，一部分相机会同普通触发模式下相同，完成一桢的动作后才可以接收触发脉冲，而另一部分相机则会取消当前桢的动作，从新开始曝光，因此要获得所有需要的图像，同样应该保证触发脉冲间隔时间大于单桢图像完成曝光与传输的时间和。从上面三种组合方式我们很容易看出曝光时间和闪光时间的交集就是实际成像所利用的时间，具体方法的采用得考虑应用对象、环境以及成本要求等诸多因素。触发机制从原理上容易去描述，在实际的工业现场应用中它却常常被证明是引起问题的部分。这主要因为触发机制没有标准化，不同公司的相机和采集卡往往都拥有不同的硬件结构和电压定义，常常就同一种方法的称谓都是各说各话，很容易让人混淆这些概念。通过简单接线或模拟电路接收传感器的信号然后发送给采集卡、相机或频闪发生器的触发输入端，很容易有噪声信号产生，要获得稳定的视觉系统就必须有稳定干净的触发源。 3基本结构设计3.1设计要求激光跟踪仪设计主要解决微型工件在工业上的装配过程中需满足较高的安装精度，为了测试圆柱物体的姿态，需建立一套基于自动装置，将检测得到的参数传递给控制系统进行姿态的高精度定位，本设计主要解决装置中机械传动平台的设计。3.2初步确定设计尺寸转台承重5kg，转速20转/分钟，轴中心孔直径为40mm,电机数1个，转台半径为160mm.3.3 电机功率计算 工作所需功率为： (3-1) (3-2)式中， 电机工作效率， 电机所需的输出功率为： (3-3)式中：为电机至工作台主动轴之间的总效率。齿轮： 轴承：。因此3）转矩由后面齿轮的转矩可得：选择i=16,负载转速为n=180r/min3.4 确定减速比由于上节选取的电机转速为n=180r/min，而转台要输出的转速为n=20r/min，那需要中间通过一对齿轮传动进行减速传动设计，而减速比i=180/20=94 齿轮减速传动设计计算4.1 选择齿轮传动的类型与材料1） 选用直齿圆柱齿轮传动；2） 选用7级精度；3） 选择小齿轮材料为40cr（调质），硬度为280hbs,大齿轮材料为45钢（调质）；4） 选小齿轮齿数z=20，大齿轮齿数取z=1804.2 按齿面接触疲劳强度设计 (3-4)(1) 确定公式内的各计算数值。1） 试选载荷系数；2） 计算小齿轮传递的转矩3） 由文献1,205205表10-7，齿宽系数4） 由文献1,201201表10-6查的材料的弹性影响系数5） 由文献1,209209图10-21d按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度；6） 由文献1，206206式10-13计算应力循环次数7) 由文献1，206206图10-19取接触疲劳寿命系数8) 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数s=1，由式（10-12）得（2）计算1）试算小齿轮的分度圆直径，代入中较小的值2）计算周转速度3）计算齿宽b4)计算齿宽与齿高之比模数 齿高 5） 计算载荷系数根据，7级精度，由文献1，206206图10-8查的动载荷系数;直齿轮;由文献1，193193表10-2查得使用系数;由文献1，196197表10-4用插值法查的7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时；,由、,。由文献1，210210查图10-23得;故载荷系数6)按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由文献1,204204式（10-10a）得7）计算模数m4.3 按齿根弯曲强度设计由文献1，201201式（10-5）得弯曲强度的设计公式为 (3-5)（1）确定公式内的各计算数值1）由文献1，207208图10-20查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限2）由文献1，206206图10-18，取弯曲疲劳寿命系数 3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数,由式（10-12）得4）计算载荷系数k5)查取齿形系数由文献1，200200表10-5查的 6）查取应力校正系数由文献1，200200表10-5查得 7） 计算大小齿轮的并加以比较 （2）设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，取。 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4.4 几何尺寸计算1）计算分度圆直径2）中心距3）计算齿轮宽度取其他几何尺寸的计算（，）齿顶高 由于正常齿轮， 所以齿根高 由于正常齿 所以全齿高 齿顶圆直径 齿根圆直径 名 称计 算 公 式结 果 /mm模数m2压力角n分度圆直径d140d2360齿顶圆直径齿根圆直径中心距200齿 宽5轴的设计及校核5.1选择轴的材料因传递的功率不大，并对重量及结构尺寸无特殊要求，故查表1得选用常用材料的45钢，正火处理，强度极限，许用弯曲应力。5.2初算轴径查表1得，考虑轴端只承受转矩，故取最 则：轴有一个键槽，轴径应增大，则轴端最细处直径：5.3结构设计轴承部件的结构设计：该发热小，轴不长，故轴承用两端固定方式，按轴上零件安装顺序，从最小轴径处开始设计。（3）、轴承与轴段及轴段的设计轴段及轴段上安装轴承，其直径应便于轴承安装，又符合轴承内径系列，选用轴承72132，轴承内径，外径，宽通常一根轴上的两个轴承取相同的型号（4）、齿轮与轴段该段上安装齿轮4，为便于齿轮的安装，应略大于，可初定为，其右端采用轴肩定位，左端采用套筒定位，为使套筒端面能够顶到齿轮面，轴段的长度应比轮毂略短，故取。（5）、轴段轴段为齿轮提供定位和固定作用，定位轴肩的高度为：取，则，齿轮左端面距箱体内壁距离,取轴段的长度（6）、轴段与轴段的长度箱体外壳有一定空隙，故取轴段的长度5.5校核轴和轴承已知： 作用在圆周上的圆周力 ：径向力 ：求垂直面的支承力：计算垂直弯矩： 求水平面的支承力： 计算、绘制水平面弯矩图： 求f在支点产生的反力： 求f力产生的弯矩： 求合成弯矩图（图）：图 轴合成弯矩图考虑最不利的情况；把与相加求危险截面当量弯矩由图可见处截面最危险，其当量变矩为：（取折合系数 ）计算危险截面处轴的直径：考虑到键槽的影响，取因为，所以该轴是安全的。5.6轴承寿命校核轴承寿命可由式进行校核，由于轴承主要承受径向载荷的作用，所以，取，按最不利考虑，则有则所以轴上轴承是适合要求的。5.7键的设计与校核查附表2，则取键，因为齿轮的材料为45钢，查附表10-51得，取键长，取键长根据挤压强度条件，键的校核力：所以所选键位，。第6章 轴的工艺设计6.1 定位基准的选择粗基准的选择：考虑到以下几点要求，选择零件的重要孔的毛坯孔和轴面作粗基准：1、在保证各加工余量的前提下，使重要孔的加工余量尽量均匀；2保证定位准确、夹紧可靠。选择精基准的出发点是保证加工精度，特别是加工表面的相互位置精度，以及安装的方便可靠。其选择的原则如下：1、基准重合原则；2、基准统一原则；3、自为基准原则；4、互为基准原则；5、所选精基准 应能保证工件定位准确稳定，装夹方便可靠，夹具结构简单适用。精基准的选择：加工输出轴，通过了解零件结构特点和加工精度要求，可以初步选定车各阶梯圆柱面时分别以不加工面为基准。选定a面面积较大，定位比较稳定，夹紧方案比较简单，可靠，操作方便，使用夹具即可。利用钻顶尖孔可以对精加工面进行自由度的限制确保加工达到要求精度。6.2制定工艺路线根据各表面加工要求和各加工方法能达到的经济精度，确定各外圆面加工方法如下：外圆面：粗车精车因为外圆面轴承位置有同轴度要求，所以宜在一次固定加工中完成，以保证其位置精度。根据先面后孔、先主要表面后次要表面和先粗加工后精加工的加工原则，先完成一端的粗加工后再精加工，再调头加工另外一端。然后加工键槽，最后进行修磨加工。为改善工件材料的力学性能的热处理工序，例如淬火、渗碳淬火等，一般都安排在半精加工和精加工之间进行，这是因为淬火处理后尤其是渗碳淬火后工件会有较大的变形产生，为修正渗碳、淬火处理产生的变形，热处理后需要安排精加工工序。在淬火处理之前，需要将铣键槽、钻孔、攻螺纹，去毛刺等次要表面的加工进行完毕。当工件需要作渗碳淬火处理时，由于渗碳过程工件会有较大的变形产生，常将渗碳过程放在次要表面加工之前进行，这样可以减少次要表面与淬硬表面间的位置误差。根据机械加工工序先后顺序的安排，一般应遵循以下几个原则： 1、先加工定位基准，再加工其他表面。 2、先加工主要表面，后加工次要表面。 3、先安排粗加工工序，后安排精加工工序。 4、先加工平面，后加工孔。为了减少工件的换位带来的加工误差，可以在一次装夹中通过换刀来完成几个工序的加工。对于位置度要求较高的孔系，宜在同一工位工安排该孔系相关表面的加工工作，以消除工件更换装夹误差对孔系位置精度要求的影响。综合上述论述，初步拟订加工工艺路线如下： 6.3 方案比较与分析加工路线方案一：10时效20车两端面30粗车外圆40粗车台阶50修磨中心孔60精车外圆及台阶70车退刀槽80掉头，粗车90精车120铣键槽150调质处理160去毛刺170清洗180检验190油封、入库加工路线方案二：10时效20车两端面30粗车外圆40粗车台阶50调质处理60修磨中心孔70精车外圆及台阶80车退刀槽90掉头，粗车100精车110铣键槽120去毛刺130清洗140检验150油封、入库上述方案中遵循了工艺路线拟定的一般原则，但是在某些工序上有些问题还值得进一步讨论。从上述2种方案比较可以看出，二者的区别在于调质工序的安排，方案一把调质放到后面工序，而方案二把调质放到粗加工之后加工。从手册了解可知调质容易出现开裂变形等缺陷，如果安排在最终工序将会导致零件尺寸超差达不到使用要求。根据零件的加工精度、刚度和变形等因素来划分工序时，可按粗、精加工跟开的原则来划分工序，即先粗加工再精加工。此外，可用不同的机床或不同的刀具顺次同步进行加工。对于单个零件要先粗加工、后半精加工，而后精加工。或者一批零件，先全部进行粗加工、半精加工，最后再进行精加工。通常在一次安装中，不允许将零件某一部分表面粗、精加工完毕后，再加工另的其他表面；否则，可能会在对新的表面进行大切削量加工过程中，因切削力太大而引起已精加工完成的表面变形。所以在车削中应先切除整个零件的大部分余量，再将其表面精车一遍，以保证加工精度和表面粗糙度的要求。粗精加工中间最好隔一段时间，以使粗加工后零件的变形能得到充分的恢复，再进行精加工，以提高零件的加工精度。在工序中钻孔、扩孔和对孔的攻丝可以只安排一个工序，这样就可以节省工时，而且还减少了工步。修改后的工艺路线如下：锻造毛坯10时效20车两端面30粗车外圆40粗车台阶50调质处理60修磨中心孔70精车外圆及台阶80车退刀槽90掉头，粗车100精车110铣键槽120去毛刺130清洗140检验150油封、入库6.4选择加工设备及刀、量具 由于生产类型为少批量生产，所以所选设备宜以通用机床为主，辅以少量专用机车。起生产方式为以通用机床加专用夹具为主，辅以少量专用机床加工生产。工件在各机床上的装卸及各机床间的传递，由于工件质量较大，故需要辅助工具来完成。平端面确定工件的总长度。可选用量具为多用游标卡尺（mm）,测量范围01000mm（参考文献2表67）。采用车床加工，床选用卧式车床ca6140（参考文献2表43），专用夹具。钻孔、扩孔、攻丝所选刀具见（参考文献2第五篇金属切削刀具，第2、3节），采用相匹配的钻头，专用夹具及检具。钻中心孔。选用60中心钻（参考文献4第6章）。铣键槽5。选择x6132卧式（万能）铣床（参考文献2表417）。选择与键槽宽度相同型号的刀具。采用精铣专用夹具及游标卡尺、刀口形直尺。第7章 总结与展望7.1 全文总结本次设计主要是激光跟踪技术机械结构设计，根据设计要求，便携式设计：设备部件易拆易装，方便带至测量现场；可以实现横向、纵向的任意调动；利用激光跟踪技术测量；工作的内容总结如下：一、绪论主要阐述激光跟踪技术的概念，激光跟踪技术机作用以及它的应用与发展，本次设计的目的及其重大意义。二、介绍激光跟踪技术机系统的测量原理，测量机的特点，然后详细介绍了控制系统的原理。三、主要介绍激光跟踪技术机的整体设计法案。四、主要描述机械部分的设计和一些硬件件的选择，对相应的硬件进行详细的介绍。1、绘制整体结构草图。2、底座、框架的设计。4、电动平移台的结构设计。5、扫描仪硬件的选择及一些硬件的详细介绍。五、介绍测量机的相关设计计算。7.2 展望人们经常需要快速的获得物体表面的立体信息，将其转变为计算机能直接处理的信息。激光跟踪技术这一装置将在许多领域可以发挥重要作用。一、 工业制造业激光跟踪技术系统提供了一种快速无接触的快速方法，能快速测量物体的立体尺寸，可用于工业零件快速在线测量、仿制、快速制造系统、对特殊物体的测量等。二、影视娱乐业随着计算机图形图像技术的飞速发展，计算机影视特技技术越来越广泛地应用于影视、广告业，达到了过去无法想想的特技效果，已经成为高质量影视、广告制作不可缺少的手段。要在计算机上完成三维动画，必须要有三维模型数据，这时就可以用三维扫描系统将演员、道具、模型等的表面空间数据输入计算机系统中。三、文物保护激光跟踪技术系统能以不损伤物体的手段，获得文物的三维信息、纹理、便于长期保存、再现，给文物复制带来了很大的便利。四、艺术把该系统和数