三坐标测量仪毕业设计

1、本科毕业设计(论文)附件题目：拉刀测量仪的设计院 （系）： 机电工程学院 专 业：机械设计制造及自动化班 级： 090202 学 生： 张栋 学 号： 090202122 指导教师： 陈晓东 2013年 6月II拉刀测量仪的设计摘要由于拉刀在磨齿前进行淬火处理后产生变形，导致齿距不均匀，从而使磨齿过程中不能一次调整好齿轮位置，为了提高生产效率，就要先测出每个齿间的齿距，因此拉刀测量仪就成为提高生产效率的必备机械设备。对于拉刀测量仪的设计采用接触式测量方法，及将测头移至拉刀表面，进行在线测量，所以拉刀测量仪要满足X,Y,Z,三个方向的运动，为了满足运动的要求，采用丝杠螺母副的传动方式，所以需要进

2、行合理的选择丝杠、电机等标准件。为了满足制造的工艺的简单性，要进行合理的结构设计，测头部分选用能够满足在线测量的要求。本文首先了解了丝杠的选择，导轨的选择安装，电机的选择，整体设计。通过大致的估算床身质量，以及在满足测量精度的情况下确定每个方向的运动速度，进而确定电机，丝杠的型号。然后画二维装配图，零件图。通过本次设计的拉刀测量仪对于测量装置有了更深入的认识，也更好的掌握了机械的结构设计。关键词：拉刀测量仪，丝杠，电机，导轨。BroachMeasuring InstrumentAbstractSincebroachgrinding teethinbeforedeformationafterqu

3、enching, resulting in unevenpitch, making agrindingprocess can notadjustthe gear position, In order to improveproduction efficiency, we must first measure thedistanceof eachtoothteeth, so broachesmeasuring instrumentto improve production efficiencyhas becomeessentialequipment。ForBroachmeasuring inst

4、rumentwas designed withcontact measurement method, andthe probemovesbroachesthe surface, on-line measurement，Broachmeasuring instrumentto meet theX, Y, Z,movementin three directions，In order to meetthe requirements ofmovement，usingscrew nuttransmission mode，a reasonable choicescrew,motor and otherst

5、andard parts。In order tomeet themanufacturingprocesssimplicity, to conduct a reasonablebed design, the probepart of the selectionto meetthe requirements ofonline measurement。Firstly,to understandthe choice ofscrew, railschoose to install, motor selection, the overall design。Byrough estimate of thequ

6、ality ofthe bed, andinthe case ofmeasurement accuracyto meet thedeterminedspeed of movementin each direction，and to determine themotor, screw models。Then drawtwo-dimensionalassembly drawings,parts diagram。Through thisdesignbroachmeasuring deviceformeasuringa deeperunderstanding, but alsoa better gra

7、sp ofthe mechanicalstructure design。Keyword：Broachmeasuring instrument，Screw，Motor, Rail.目录中文摘要（）英文摘要（）1绪论（1）1.1课题背景及其意义（1）1.2拉刀测量仪的发展阶段及其发展现况（1）1.3设计指标及其要求（2）1.4本文主要研究内容（2）2拉刀测量仪的总体方案设计（3）2.1总体方案设计思路（3）2.2方案提出、分析及确定方案（4）2.2.1 总体方案提出（5）2.2.2 总体方案分析及方案确定（6）3拉刀测量仪的详细设计（7） 3.1X轴的设计（7） 3.1.1X轴的结构设计（7） 3

8、.1.2X轴滚珠丝杠副的设计计算（11）3.1.3X轴轴承的设计计算（15）3.1.4X轴导轨的设计计算（16）3.1.5X轴的电机设计计算（17）3.1.6联轴器的设计计算（19）3.2Y轴的设计（20）3.3Z轴的设计（28）3.4测头的设计计算（35）4 结论（37）参考文献（38）致谢（39）毕业设计（论文）知识产权声明（40）毕业设计（论文）独创性声明（41）43西安工业大学毕业设计（论文）一、绪论1.1题目背景和意义：拉刀在磨齿前进行淬火处理后发生形变，导致齿距不均匀，从而使磨齿过程中不能一次调整好砂轮位置，磨每个齿时都需要调整砂轮位置，生产效率很低，为了提高磨削拉刀的工作效率，需

9、要在磨削拉刀时，先测出每个齿间的齿距，并根据测出的数据进行编程，将生成的NC代码通过串口导入到拉刀磨齿机的数控系统，控制整个磨削过程，提高拉刀磨削生产效率。拉刀刃形复杂，精度要求高，制造工艺复杂，成本高，因此要求拉刀能够多次重磨，并保证两次重磨间具有很高的耐用度，只有这样才能降低拉削加工的刀具成本，提高经济效益。实现拉刀重磨，并保持重磨后拉刀的精度和切削性能，是采用拉削加工的基本前提。拉刀重磨的传统加工方法是在专用拉刀磨床上进行的，这种加工方法不仅需要复杂的手工计算和机床调整，而且加工质量严重依赖于操作者的经验和技巧，拉刀精度和切削性能难以得到保证。所以设计拉刀测量仪，就是为了提高加工精度，提

10、高工作效率。1.2拉刀测量仪的发展阶段及其发展现况：拉刀测量仪是近十几年来新发展的一种高效率精密测量仪器, 它被广泛用于机械制造、仪器制造、电子工业、汽车和航空工业中, 测量各种机械零件、模具等的形状尺寸、孔的位置、孔的中心距以及形状复杂的轮廓。按日本的定义, 这种测量机在X、Y 、Z方向一般均有导向机构, 并在各座标上设有测量座标移动距离的测长元件和读数装置, 同时具有放置工件的工作台, 测量头可以用手或机动轻快地移到测量点上, 通过数显装置就能将各方向的座标值显示出来。16如果在这种测量机上加上诸如分度头或万能转台之类的附件, 它还能在四个或五个座标轴上测量零件。很早以前就有各种各样的测量

11、机。例如测长机, 它用来在一个方向上测量工件的长度, 实际上就是一个座标的测量机, 而万能工具显微镜具有X、Y 方向移动的工作台, 用以测量平面内的位置, 可以称为双座标测量机。拉刀测量机出现以前, 三座标尺寸测量方法有两种: 一种是在座标机上用指示表代替切削刀具作三座标尺寸测量, 另一种是将被测工件放置在平板上, 通过一些和平板垂直或平行的量具(高度规和量块等) , 把被测工件的形状、尺寸和相关位置测量出来。因此目前三座标测量机有两类: 一类是由平板测量法发展而成的, 国外通称为座标测量机，简称C M M, 另一类是由座标机床发展而成的, 称为万能测量机，简称UMM，其特点是测量元件沿用原座

12、标幢床使用的丝杠或刻线尺等, 精度很高, 比一般座标测量仪精度高一个数量级, 而且万能性很广。这类测量机只有美国的莫尔，瑞士的西浦、毫泽和日本的三井精机等少数厂家生产。 当前，我国的拉刀测量仪的制造行业的相关技术还比较落后，尤其在测量系统、误差补偿等方面发展还比较缓慢。测量仪的精度是衡量一台机器好坏的重要指标，对拉刀测量仪的首要要求就是测量精度，测量仪的示值和被测量的真值之差称为拉刀测量仪测量误差。拉刀测量仪产生测量误差的主要原因包括拉刀测量仪本身的误差（测量仪机构产生的静态误差）和与测量条件相联系的各种因素（如在加速测量时产生的动态误差）。拉刀测量仪误差补偿多采用非实时误差补偿，即用精度高的

13、量具将拉刀测量仪的误差检验出来，在测量仪工作时，按检验的结果对误差进行修正。误差检验可事先进行，并将结果存入拉刀测量仪的软件中，在测量仪工作时，将误差补偿程序调出来，对拉刀测量仪的测量结果进行修正4-51.3设计指标及要求：、实现拉刀测量机在拉刀磨床上的在线测量。 、 完成拉刀测量机的本体设计。 、 测量精度在0.005mm。 、 X方向最大行程为0.8m,Y方向最大行程为0.4m。1.4本文主要研究内容：（1）了解拉刀测量仪的测量技术，进而进行设计，以及拉刀测量仪的发展状况。（2）分析拉刀测量仪的功能要求，提出总体结构方案.(3)对拉刀测量仪的机械部分进行详细的设计，并对其中关键零部件进行校

14、核计算。西安工业大学毕业设计（论文）二、拉刀测量仪的总体方案设计2.1总体方案的设计思路由于拉刀在磨齿前进行淬火处理后发生形变，导致齿距不均匀，从而使磨齿过程中不能一次调整好砂轮位置，磨每个齿时都需要调整砂轮位置，生产效率很低，为了提高磨削拉刀的工作效率，需要在磨削拉刀时，先测出每个齿间的齿距，并根据测出的数据进行编程，将生成的NC代码通过串口导入到拉刀磨齿机的数控系统，控制整个磨削过程，提高拉刀磨削生产效率。拉刀磨齿测量修正图2-1.闭环生产循环图由于拉刀测量仪的设计比较复杂，不利于直接设计出几个总体方案图，从中选择一个，便进行具体的详细设计，这时我们需要从拉刀测量仪的功能出发，将任务抽象化

15、，抓住设计中的主要矛盾，所以将拉刀测量仪的设计任务抽象化设计：拉刀测量仪拉刀齿距测量结果驱动能工件图2-2.拉刀测量仪的黑箱示意图拉刀测量仪是实现高精度、高重复性的关键，由于拉刀测量仪不需复杂的机械展成传动链，机械结构摆脱了传统齿轮量仪的结构限制，机械结构可以根据拉刀在磨床上的特点设计的更加合理、可靠。拉刀的外形如图所示： 图2-3.拉刀示意图所以拉刀的齿距测量需要将侧头沿拉刀的纵向横向移动，即需要有X,Y方向的运动，因为要针对每个机床的高度调整测头高度，所以需要Z方向的运动。拉刀测量仪的总功能是测齿距，所以可以分为离线测量和在线测量两种方式。对于每个方向的运动需要有驱动和传动、测量和导向方式

16、，显然，对于拉刀测量仪这种复杂的机电系统如果采用一个形态学矩阵就过于庞大，这时可将各低层的分功能先建立形态学矩阵，分别考虑局部的设计方案，然后再整合为整体方案。所以可以列出拉刀测量仪的底层形态学矩阵：表2-1.拉刀测量仪的低层形态学矩阵分功能分功能解12345A导向滑动导轨滚动导轨液体静压导轨气体静压导轨B位移检测激光检测器光栅尺磁栅尺感应步器测量感应头C传动齿轮传动齿形带传动涡轮传动丝杠传动齿轮齿条传动D驱动交流伺服电机直流伺服电机步进电机直线电机气动机对于拉刀测量仪的系统功能图的建立：实际设计时，建立系统功能结构可以从系统功能分解出发，分析功能关系和逻辑关系。首先从上层分功能的结构考虑起，

17、建立该层功能的雏形，再逐层向下细化最终得到完善的功能结构图。根据拉刀测量仪的“黑箱”，将总功能逐级分层，得到第一层功能结构图，如图2-4所示。由于该系统是由许多小系统组成，如运动控制系统、运动驱动系统、运动测量系统、工件安装系统、测头系统等等。工件测头驱动与传动运动控制图 2-4拉刀测量仪功能结构拉刀测量仪的设计中，主要抓住整体技术，在掌握整体技术的前提下，各零部件的设计选型采用成熟产品，一方面分散技术难度，缩短了研制周期，另一方面提高系统的可靠性。从机械运动的角度出发，可以认为拉刀测量仪是一种三坐标测量机，它有三个移动坐标。西安工业大学毕业设计（论文）2.2方案提出、分析及确定方案 2.21

18、 总体方案提出方案一：本方案是拉刀离线测量，即将拉刀取下来放在测量仪的工作面上进行测量，驱动、传动、导向、位移检测方式选择为A1、B2、C1C4、D3，方案简图如下：图2-5离线式拉刀测量仪方案二：本方案采用在线测量，即直接在拉刀磨床上进行拉刀齿距测量，驱动、传动、导向、位移检测方式选择为A2、B5、C4、D1，方案简图如下：图2-6.在线拉刀测量仪2.22 总体方案分析及方案确定通过两个方案比较：方案一的测量是离线测量，这样测量仪的设计复杂，而且还要设计夹持拉刀的夹具，制造成本高，不能提高拉刀的生产效率；同时考虑到拉刀的形状，测量时还需旋转测头，对拉刀整个圆柱方向进行测量，增加了测头的移动方

19、向，使测量仪结构复杂；方案二的传动方式相对方案一简单，利与设计，同时在线测量不用考虑旋转运动，因为拉刀在磨床上即可进行旋转，这样大大提高了拉刀磨床的工作效率。所以通过两个方案的比较，选择方案二。西安工业大学毕业设计（论文）三、拉刀测量仪的详细设计拉刀测量仪主要由三部分组成，X方向的轴向运动，Y方向的轴向运动，Z方向的轴向运动。每个方向的运动都是电机带动丝杠运动，由于交流伺服电机可以调整转速，满足测量精度，所以每个方向都选用不同型号的交流伺服电机。为了满足测量精度，尽可能使每个轴向的运动速度低点，所以我把X,Y方向的进给速度定为4mm/s，Z方向的速度定为2mm/s。31X轴的设计计算3.1.1

20、X轴的结构设计：1.丝杠螺母副传动形式:由于拉刀测量仪在测量齿距时，为了保证测量精度，测量仪的丝杠传动速度较低，这时丝杠做较低的匀速运动时，工作台可能产生一快一慢或跳跃式的运动，即会产生爬行运动。为了防止爬行运动的产生，采用电机和丝杠的直连方式，即通过联轴器把电机轴和丝杠轴端直接连接。这样就缩短了传动链，减少了传动件数和弹性变形量。同时提高各传动件或组件的刚度，减小各传动轴的跨度，合理布置轴上零件的位置。通过减轻Y工作台和Z方向的立柱的重量，减小摩擦阻力，也能起到一定的效果。同时为了降低摩擦力使用滚珠丝杠较好。因为具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间元件的传动机构称为滚珠丝杠副，丝杠或者螺母

21、转动时，滚珠沿螺旋槽滚动，滚珠在丝杠上滚过数圈后，通过回程引导装置，逐个地滚回到丝杠和螺母之间，构成了一个闭合的循环回路，这种机构把丝杠和螺母之间的滑动摩擦变成滚动摩擦。这样降低了摩擦系数，减小摩擦阻力。16而且滚珠丝杠具有传动效率高，传动精度高，摩擦损失小，磨损小，使用寿命长等优点。2.轴向间隙的调整：当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程，从而影响机构的传动精度。为了消除轴向间隙，一般采用双螺母预紧，把预紧后的弹性变形量控制在一定限度内，不但能消除间隙，减少误差，而且还能提高进给精度。为保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用轴承组合。考虑到X轴的受力状况，采用双推-

22、双推的支撑方式。因为这种支撑方式轴向刚度较高，适用于中低速，高精度的场合。双推双推的支撑方式图如下：图3-1.丝杠的支撑方式为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，选用润滑脂润滑，润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3.如果污物及异物进入滚珠丝杠副，它就很快磨损，使其破损，因此需要防尘装置，选择折皱保护罩，将丝杠轴完全保护起来。安装应注意丝杠的轴线必须和与之配套的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点一线；安装螺母时，尽量靠近支撑轴承。2.滚动轴承的组合设计：采用两端固定方式，外圈用轴承盖顶住深沟球轴承的外圈的外侧，轴承内圈固定使用圆螺母和止动垫圈紧固，因为圆螺母还可

23、用于调整轴承游隙，如图：图3-2.轴承组合图轴承端盖的选用凸缘式，将端盖用螺钉拧在箱体上，为保证定位精度。端盖与轴承座的配合长度不小于58mm，如图：图3-3.轴承端盖3.滚动轴承的润滑与密封：采用的是脂润滑，因为滚动轴承的速度较低，脂润滑的结构简单，易于密封。一般每隔半年左右补充或更换一次润滑脂。润滑脂的填装量不应该超过轴空间的1/31/2。可通过轴承座上的注油孔及通道注入，为防止箱内的油浸入轴承与脂混合，并防止脂流失，应在箱体内侧装挡油环，密封选用毡封式，因为毡封式主要用于脂润滑，而且简单、经济。其结构如图：图3-4.轴承4.滚珠直线导轨副滚珠直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向装置、密封

24、装置等组成。当导轨与滑块做相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向器进入反向孔后在进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。如图：图3-5.滚珠丝杠副的结构基准导轨副的设计计算：导轨副连接基准面的结构形式，用压板固定的方式，如图：图3-6滚珠丝杠导轨副1）利用U型夹头将导轨的基准侧面与安装台阶的基准侧面夹紧，然后在该处用固定螺栓拧紧，由一端开始，依次将导轨固定。图3-7.导轨安装步骤5床身的设计计算：对于X方向的床身的设计，因为X方向最大行程是800mm，考虑到联轴器，丝杠的实际长度，所以设定X方向的床身长为1200mm，床身中间加工出

25、来一个矩形槽，其中轴承座与床身铸为一体，这样可以提高轴的装配精度和机床的整体精度，为了实现整机功能，这时就要提供可靠的刚度和强度支承，其结构功能应保证在工作情况下的工作应力、形变、挠度和位移在规定范围以内。因此，要满足静刚度要高，变形量不超过规定值，在移动时，静刚度的变化要小。X床身属于拉刀测量仪的支承大件，支撑大件与床身整体刚度有很大的关系。X床身刚度是机床的基本技术性能之一，指机床在外加载荷下抵抗被迫变形的能力。确定了基本尺寸后，其次是确定结构的壁厚。在此选取d=30mm，截面高度、宽度或壁厚的加大，都受诸多因素的限制，要大幅的提高刚度，往往是十分困难的，一般采用改善结构的材料和布置加强肋

26、等措施来提高刚度。由于要安装滚动导轨，所以设计了安装台阶，这样可以方便导轨的安装，在X床身增加了加强肋提高了床身的刚度。由于轴承座和床身是一体的，所以在加工床身时应该注意轴承座与轴承接触的面，因为轴承和轴承座的接触面应该光滑，表面粗糙度在0.8左右，同时装电机的部分应该留出定位面，经上所述，床身的结构如图：图3-12床身3.1.2X轴滚珠丝杠副的设计与选型：1）计算载荷FC:，（3.1）K为工况系数；：载荷系数，按表1选取；：可靠性系数，按表2选取；：精度系数，按表3选取；：平均工作载荷（N）表3-1 载荷系数载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动fw11.21.21.51.52.5表3-

27、2 可靠性系数可靠性系数%9095969798fc1.00.620.530.440.33表3-3 精度系数精度系数C,DE,FGHfa1.00.90.80.7为轴向载荷，对于X轴的运动情况，近似取为Y,Z工作台的重力。N查表得机器的使用寿命为15000h，根据公式：Lh=106L/60n（3.2）n=60r/min，解得L=54（106r）L=（Ca/Fc）3（3.3）Ca=4.91KN根据动载荷选择丝杠副的尺寸。丝杠的型号及参数如下表：表3-4 丝杠型号：代号公称直径（d0）公称导程（ph0）外径（d1）钢球直径（Dw）丝杠底径（d2）总圈数n动载荷CaKN静载荷CoaKN刚度KCN/mFF

28、ZD2004L-320419.32.38117.535.312.1519图3-13电机1）稳定性验算：采用双推-双推支撑方式，因为丝杠较长，所以用压杆稳定性来求临界载荷Fcr，(3.4)式中：丝杠的弹性模量，对钢=206Gpa，：丝杠危险截面的轴惯性矩，：长度系数，两端铰接， ：丝杠的工作长度。 （3.5）故丝杠是安全的，不会失稳。2）临界转速验证当丝杠高速运转时，需要验算其是否会发生共振的临界转速，要求丝杠的最高转速所以：（3.6）d1丝杠底径；长度系数，两端铰接，l丝杠的工作长度fc取值如下表所示：表3-5 支撑方式选择系数支撑系数双推-自由双推-简支双推-双推安全系数S3-42.5-3.

29、3-长度系数 22/3-临界转速系数fc1.8753.9274.730由于；所以不会发生共振。3）刚度验算：滚珠丝杠在工作负载F和转矩T共同的作用下，引起每个导程的变形量L0为 （3.7）A丝杠的截面积:JC丝杠的极惯转矩：G钢的剪切弹性模量，对于钢G=83.3GPa;F 工作载荷 ( N )P 丝杠的导程(mm)T转矩（Nm）取工作载荷F等于平均工作载荷Fm，即 F = Fm，则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差：（3.8）通常，要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即故丝杠的刚度满足要求4）效率验算滚珠丝杠副的传动效率为（3.9）要求 在90%95%之间，所以该丝杠副能满足使

30、用要求。3.1.3X轴轴承的设计计算轴承可分为：滚动轴承和滑动轴承两大类。由于拉刀测量仪是精密的测量仪器，所以要选择摩擦系数小,传动效率高的轴承，一般滑动轴承的摩擦系数为0.08-0.12,而滚动轴承的摩擦系数仅为0.001-0.005;而且滚动轴承已实现标准化、系列化、通用化,适于大批量生产和供应，使用和维修十分方便；同时滚动轴承用轴承钢制造,并经过热处理,因此,滚动轴承不仅具有较高的机械性能和较长的使用寿命,而且可以节省制造滑动轴承所用的价格较为昂贵的有色金属;对于拉刀测量仪这种精密机械，滚动轴承内部间隙很小,各零件的加工精度较高,因此,运转精度较高。同时,可以通过预加负荷的方法使轴承的刚

31、性增加，这是很重要的。在轴承的润滑方面，由于滚动轴承传动效率高,发热量少,因此,可以减少润滑油的消耗,润滑维护较为省事;而且滚动轴承可以方便地应用于空间任何方位的轴上。拉刀测量仪的承受的载荷不需要很大，而且振动较小，相比于滑动轴承，滚动轴承目前已发展成为机械的主要支承型式。所以选择滚动轴承。 又因为X轴受轴向力和径向力，所以可以选用推力球轴承和深沟球轴承，根据丝杠的型号可以选轴径为15mm的滚动轴承，通过型号的查询，选用型号如下：X轴的深沟球轴承型号：表3-6 深沟球轴承型号型号尺寸（mm）额定载荷疲劳负荷额定转速体积6202内径外径厚度动态（C）静态（Co）PU(KN)参照速 度限制速 度m

32、31535118.063.750.1643000280000.045X轴的推力球轴承：表3-7 推力球轴承型号型号尺寸（mm）额定载荷疲劳负荷额定转速体积51102内径外径厚度动态（C）静态（Co）PU(KN)参照速度限制速度m31528910.618.30.678500120000.024为了使轴承使用的寿命增长，对于轴承的使用进行了解：轴承的安装是否正确，影响着精度、寿命、性能。因此要严格按照作业标准进行安装，作业标准的项目通常如下：（1）、清洗轴承及轴承关连部件（2）、检查关连部件的尺寸及精加工情况（3）、安装（4）、安装好轴承后的检查（5）、供给润滑剂在即将安装前，方才打开轴承包装。一

33、般润滑脂润滑，不清洗，直接填充润滑脂。润滑油润滑，普通也不必清洗，但是，仪器用或高速用轴承等，要用洁净的油洗净，除去涂在轴承上的防锈剂。除去了防锈剂的轴承，易生锈，所以不能放置不顾。再者，已封入润滑脂的轴承，不清洗直接使用。轴承的安装方法，因轴承结构、配合、条件而异，一般，由于多为轴旋转，所以内圈需要过盈配合。圆柱孔轴承，多用压力机压入，或多用热装方法。锥孔的场合，直接安装在锥度轴上，或用套筒安装。安装到外壳时，一般游隙配合多，外圈有过盈量，通常用压力机压入，或也有冷却后安装的冷缩配合方法。用干冰作冷却剂，冷缩配合安装的场合，空气中的水分会凝结在轴承的表面。所以，需要适当的防锈措施。3.1.4

34、X轴导轨的设计计算对于导轨分为滚动导引，和传统的滑动导引两大类，为了保证拉刀测量仪的线性运动的高精度，选择滚动导引组成的导轨，因为滚动导引，它由钢珠在滑块与导轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着导轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至传统滑动导引的1/50，使之能轻易地达到m级的定位精度。滚动导引中滑块与导轨间的末制单元设计，使得线形导轨可同时承受上下左右等各方向的负荷，专用的回流系统及精简化的结构设计让线性导轨有更平顺且低噪音的运动。直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、

35、流体摩擦导轨等种类。直线导轨主要用在自动化机械上比较多,。根据预估的工作载荷FH和估算的Wx和Wy负载，计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本额定静载荷，单位kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受几乎不受冲击,因此fSL=1.0，FH=600, WX=300N,WY=300N，为使结构简单紧凑X向和Y向导轨统一，现在以X向计算导轨。（3.10） (3.11)PX=150NC0X=fSLPX=1x300=300N根据计算额定静载荷初选导轨:选择GGB型滚动直线导

36、轨，其型号为：GGB16BA基本参数如表：表3-8 导轨型号型号额定动载荷（KN）额定静载荷(KN)GGB16BA8.5113.38导轨的额定动载荷Ca=8510N；依据使用速度V（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷(kN)验算导轨的工作寿命Ln公式额定行程长度寿命:（3.12）导轨的额定工作时间寿命: ，导轨的工作寿命足够。3.1.5X轴电机的设计计算X轴的运动为直线运动，直线运动的实现可以通过电机带动滚珠丝杠来实现。图3-14电机丝杠传动一、 驱动电机的选择按照力矩匹配原则：就是根据负载力矩来选择电机。也就是说机床在任何状态下工作，电机都应有足够的力矩来驱动负载。为此应满足两点要求，一

37、是进给传动系统折算到电机轴上的最大负载力矩应小于或等于电机的额定力矩，对于这一点，数控机床与普通机床选择电机的思路是一致的；二是进给传动系统折算到电机轴上的最大加速力矩应小于或等于电机的瞬时最大转矩。X轴的移动是通过丝杠来传动的。TL=Ta+Tf+To（3.13）TL折算到电机轴上的负载转矩(N.m)Ta折算到电机轴上的加速力矩(N.m)Tf折算到电机轴上的摩擦力矩(N.m)To折算到电机轴上的附加摩擦力矩(N)（3.14） （3.15）丝杠的转动惯量：工作台的转动惯量：加速力矩： （3.16）摩擦力矩： （3.17）附加摩擦力矩：式中，Jr折算到电机轴上的总惯量(kg.m)；t系统时间常数(

38、s)；nmax电机最大转速(r/min)；Fo导轨摩擦力(N)；P丝杠螺距(mm)；i降速比；传动链总效率(0.70.8)。故选用：表3-9 电机型号型号额定功率/kw额定力矩（N.m）额定转速/r/min60HBM00630CBM0.20.6373000LRSLALBLCLELFLZLL3014705060375.5102图3-15 电机3.1.6联轴器的设计计算据传递扭矩的大小，轴转速的高低，被联接两部件的安装精度，参考各类联轴器特性，选择一种合用的联轴器类型。通常选择时考虑以下几点：(1)所需传递的扭矩的大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。(2)联轴器的工作转速高低和引起的偏心力大小。(

39、3)两轴相对位移的大小和方向。(4)联轴器的可靠性和工作环境。(5)联轴器的制造，安装，维护，和成本。由于机器起动过程有动载荷，可能出现过载现象，所以应当按轴上的最大扭矩作为计算扭矩，计算扭矩按下式进行计算：（3.18）式中T为公称转矩，单位为；为工作情况系数。公称转矩： （3.19）查得KA=1.3，=1.340.11=41.38Nm 表3-10 联轴器型号型号d1.d2DNLLFSFKM底孔最小最大SFS-08S12143582546630611424-M6*29图3-16 联轴器3.2 Y轴的设计计算3.2.1Y轴的结构设计：主要参数确定：Y工作台质量大体估算： (3.20)丝杠的设计计

40、算：对于Y工作台受力分析，Y工作台主要支承上方立柱和纵向移动，所以对Y工作台经受力分析可得，Y方向丝杠上受到轴向力和径向力，主要以轴向力为主，为了减小摩擦力，提高传动效率，选用滚珠丝杠副，通过缩短传动链来提高测量仪的精度，选用电机丝杠直连的连接方式；同样选择可以满足测量精度的支承方式，选用双推双推的支撑方式，如图：图3-17 丝杠支撑方式丝杠的润滑采用润滑脂润滑;防尘采用褶皱的保护套，保护套两端通过磁铁与床身连接，因为磁铁的连接方便于更换保护套，其结构如图:图3-18 丝杠防护罩滚动轴承的组合设计：采用两端固定方式，外圈用轴承端盖顶住两轴承的外圈的外侧，轴承内圈的使用圆螺母和止动垫圈紧固，因为

41、圆螺母还可用于调整轴承游隙轴承的润滑密封与X轴一样。导轨的安装基准面的选择也同X轴。Y方向最大行程是400mm，同样考虑到联轴器，等其他零件的长度，将Y方向的床身长定为600mm，床宽是200mm，厚度为60mm，床身的材料定为灰口铸铁，查的灰口铸铁的密度为7x103Kg/m3，其余设计参数与X床身相似,形状如图所示图3-18 Y工作台3.2.2Y轴丝杠的选择及校核1.丝杠螺母副传动特点：1.传动效率高，摩擦损失小，2.传动的可逆性，3.传动精度高，4.磨损小，使用寿命长2.支承方式的选择：为保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用轴承组合。考虑到Y轴水平运动，滚珠丝杠副水平

42、布置，采用双推双推的支撑方式。因为这种支撑方式轴向刚度最高，适用于高速、高刚度、高精度的场合。4.滚珠丝杠副的选型与校核:1）.计算载荷：，K为工况系数，和X轴的取值一样，从表1、2、3中取值，算得k=1.3，为轴向载荷，对于Y轴的运动情况，近似取为Z工作台的重力。Z方向床体质量大致估算前面已经算的为10Kg，加上伸出的机械臂，丝杠和电机的质量，给定Z工作台的总体质量为30Kg，所以=300N。查表得机器的使用寿命为15000h，n=60r/min，解得L=54（106r），L=（Ca/Fc）3，Ca=1.74KN根据动载荷选择丝杠副的尺寸丝杠的型号及参数表3-11 丝杠型号代号公称直径（d0

43、）公称导程（ph0）外径（d1）钢球直径（Dw）丝杠底径（d2）总圈数n动载荷CaKN静载荷CoaKN刚度KCN/mFFZD1604-316415.32.38113.534.89.7442图3-19丝杠3.2.3.稳定性验算：采用双推-双推支撑方式，因为丝杠较长，所以用压杆稳定性来求临界载荷Fcr，（3.10）式中：丝杠的弹性模量，对钢=206Gpa，：丝杠危险截面的轴惯性矩，：长度系数，两端铰接， ：丝杠的工作长故丝杠是安全的，不会失稳。3.2.4临界转速ncr验证高速运转时，需要验算其是否会发生共振的临界转速，要求丝杠的最高转速临界转速可按公式计算：d1丝杠底径；长度系数，两端铰接，l丝杠

44、的工作长度fc取值如下表所示：表3-12 fc取值表支撑系数双推-自由双推-简支双推-双推安全系数S3-42.5-3.3-长度系数 22/3-临界转速系数fc1.8753.9274.730；所以不会发生共振。3.2.5刚度验算滚珠丝杠在工作负载F和转矩T共同的作用下，引起每个导程的变形量L0为（3.11）式中：A丝杠的截面积JC丝杠的极惯转矩G钢的剪切弹性模量，对于钢G=83.3GPa;F 工作载荷 ( N ) P 丝杠的导程(mm)T转矩（N.m）取工作载荷F等于平均工作载荷Fm，即 F = Fm，则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为:（3.13）通常，要求丝杠的导程误差应小于其传

45、动精度的1/2，即故丝杠的刚度满足要求3.2.6效率验算滚珠丝杠副的传动效率为 （3.14）要求 在90%95%之间，所以该丝杠副能满足使用要求3.2.7Y轴轴承的设计计算Y轴轴承的选用：Y轴和X轴受力类似，都受轴向力和径向力，所以选则同样的轴承，Y轴的深沟球轴承型号：表3-13 深沟球轴承型号型号尺寸（mm）额定载荷疲劳负荷额定转速体积6202外径内径厚度动态（C）静态（Co）PU(KN)参照速 度限制速 度m31535118.063.750.1643000280000.045Y轴的推力球轴承：表3-12推力球轴承型号型号尺寸（mm）额定载荷疲劳负荷额定转速体积51102外径内径厚度动态（C

46、）静态（Co）PU(KN)参照速度限制速度m31528910.618.30.678500120000.0243.2.8 Y轴的导轨的设计计算：因为对于X轴所选的导轨同样也满足Y轴，所以使用相同的导轨，其型号为：GGB16BA。3.2.9 Y轴电机的设计计算Y轴的移动是通过丝杠来传动的。TL=Ta+Tf+To（3.15）式中，TL折算到电机轴上的负载转矩(N.m)Ta折算到电机轴上的加速力矩(N.m)Tf折算到电机轴上的摩擦力矩(N.m)To折算到电机轴上的附加摩擦力矩(N)式中，Jr折算到电机轴上的总惯量(kg.m)；t系统时间常数(s)；nmax电机最大转速(r/min)；Fo导轨摩擦力(N

47、)；P丝杠螺距(mm)；i降速比；传动链总效率(0.70.8)。TL=Ta+Tf+To=0.00354+0.47 +0.09=0.28N.m故选用：表3-13 电机型号型号额定功率/kw额定力矩（N.m）额定转速/r/min40HBM00330BAT0.10.323000LRSLALBLCLELFLZLL258463040444.599.5图3-20 电机3.2.10Y轴联轴器的设计计算：由于机器起动过程有动载荷，可能出现过载现象，所以应当按轴上的最大扭矩作为计算扭矩，计算扭矩按下式进行计算：（3.15）式中T为公称转矩，单位为；为工作情况系数。公称转矩 =9550x0.1/60=15.91N

48、m查得KA=1.3，=1.315.91=21.6Nm 表3-14 联轴器型号型号d1.d2DNLLFSFKM底孔 最小最大SFS-06S782568405625610304-M6*25图3-21 联轴器3.3Z轴的设计计算3.3.1z轴的结构设计：主要参数的确定：Z工作台质量大体估算：滚珠丝杠副的支撑方式的选择：选择单推单推的支撑方式，如图：图3-22 丝杠的支撑方式丝杠的润滑、防尘、安装、方式与X轴丝杠的润滑、防尘、安装方式相同。滚动轴承的组合设计：采用两端固定方式，外圈用轴承端盖顶住两轴承的外圈的外侧，轴承内圈的使用圆螺母和止动垫圈紧固，因为圆螺母还可用于调整轴承游隙轴承的润滑密封与X轴一

49、样。导轨的安装基准面的选择也同X轴。由于拉刀测量仪的Z方向，有沿立柱上下运动的部件，这时就要选用合适的配重来平衡运动部件的质量，以减小电机的负荷。由于拉刀测量仪属于轻型机床，配重质量约占待平衡运动部件质量的80%，同时添加配重也可以减小螺杆的负载，抑制电机和螺杆的发热，从而保证加工精度，延长电机和螺杆的寿命。 配重的形式有机械配重，液压配重，弹性配重；由于机械配重形式结构简单，故障率低。用配重体的重量来抵消主轴单元的重量，从而降低丝杠上的载荷和减小电机负载，此种形式不适合高速切削。对于机械臂和测头的质量估计约为20Kg，而且拉刀测量仪属于轻型机床，所以配重质量为16kg。图3-22立柱传动系统

50、由于拉刀是截面逐渐增大的圆形，所以在Z向上也要有一定的运动，同样Z方向也有联轴器等零件，考虑其中，将Z方向定为200mm，宽100mm，厚60mm，以立柱的形式存在，对于如图所示：图3-23 Z轴立柱示意图3.3.2滚珠丝杠副的选型与校核:1）.计算载荷：，k为工况系数，和X轴的取值一样，从表1、2、3中取值，算的K=1.3，为轴向载荷，对于Z轴的运动情况，近似取为Z工作台的机械臂和测头的重力100N，查表得机器的使用寿命为15000h，n=60r/min，解得L=54（106r），Ca=1.74KN，根据动载荷选择丝杠副的尺寸表3-15 丝杠型号代号公称直径（d0）公称导程（ph0）外径（d

51、1）钢球直径（Dw）丝杠底径（d2）总圈数n动载荷CaKN静载荷CoaKNFFZD1604-38281.5886.742.343.3.3稳定性验算：采用单推-单推支撑方式，用压杆稳定性来求临界载荷Fcr，（3.16）式中：丝杠的弹性模量，对钢=206Gpa，：丝杠危险截面的轴惯性矩，：长度系数，两端铰接， ：丝杠的工作长度。 (3.17)故丝杠是安全的，不会失稳。3.3.4临界转速ncr验证高速运转时，需要验算其是否会发生共振的临界转速，要求丝杠的最高转速临界转速可按公式计算：d1丝杠底径；长度系数，两端铰接，l丝杠的工作长度所以不会发生共振。3.3.5刚度验算滚珠丝杠在工作负载F和转矩T共同的作用下，引起每个导程的变形量L0为（3.17）式中：A丝杠的截面积JC丝杠的极惯转矩G钢的剪切弹性模量，对于钢G=83.3GPa;F 工作载荷 ( N ) P 丝杠的导程(mm)T转矩（Nm）取工作载荷F等于平均工作载荷Fm，即F = Fm，则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为:通常，要求丝杠的导程误差应小于其传动