测角仪的结构设计论文

1、. . . . 本科毕业设计论文题目：测角仪的结构设计 院 系： 光电工程学院 学科专业： 测控技术与仪器 学 生： 畅院东 学 号： 070101101 指导教师： 纪小辉 老师 2011年 6月21 / 31自准直瞄准方式角度测量仪结构设计摘 要精密角度测量是几何量测量的一个重要项目，也是计量科学中发展较为完备的一个分支。光学测角方法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点而倍受重视。本装置适用于在自准直瞄准方式下对反射率较高的被测件进行角度测量的仪器，利用自准直原理对被测件进行瞄准，通过度盘读数来完成 0º360°任意角度的测量，并可配合通过在自准直上的读数来完成或更

2、精确的测量，本仪器主要包括瞄准系统和测量系统，瞄准系统采用精度为±2的自准直仪完成，并可对自准直仪进行水平、高低、俯视的调节，测量读数主要由精密轴系支承的度盘来完成。本仪器的测量精度可达±1´. 关键词：测角仪;结构设计;自准直Structural design of the angle measuring device basesd on autocollimation aiming methodAbstractPrecise angle measurement is the point of geometric measurement of an import

3、ant project, but also it is a more comprehensive branch in the development of scientific measurement. Optical angle measurement methods becomed much attention which it has a non-contact, high accuracy and high sensitivity of the characteristics. This device applies to the based on autocollimation ai

4、ming method to measured piece the reflection of the higher rate .Since the use of autocollimation principles of conduct aimed at the measured pieces， through degree tray readings of the set to complete 0º-360º angle of the arbitrary measure , and through the autocollimational readings to c

5、omplete a higher precision measurement.This equipment includes aiming systems and the measurement system，targeting system used for the precise ±2 collimator to complete.It can be conducted regulation up which the collimator levels, high and low, overlooking true.Supporting the precision of the

6、shaft was revealed that the main measurement readings. The measurement accracy ±1´ of this equipment. Key Words: goniometer ; structural design ; autocollimation目 录1 绪论11.1课题研究的背景与意义11.2现状与展望21.3本文主要研究容82 测量原理92.1光电自准直原理与测角仪的瞄准方法92.2 测量与读数原理102.3 误差分析122.3.1 圆分度误差122.3.2 分度间隔误差122.3.3 直径误差

7、 132.3.4 零起分度误差133 结构设计错误！未定义书签。3.1总体设计错误！未定义书签。3.2部件设计错误！未定义书签。3.2.1夹持组件结构设计错误！未定义书签。3.2.2瞄准测量组件结构设计错误！未定义书签。3.2.3顶尖组件结构设计错误！未定义书签。3.2.4底板组件结构设计错误！未定义书签。3.2.5轴承的选取错误！未定义书签。3.2.6 三爪卡盘的选取错误！未定义书签。3.2.7错误！未定义书签。3.2.8错误！未定义书签。4 结论错误！未定义书签。致错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。1 绪论1.1课题研究的背景与意义精密角度测量是几何量测量的一个重要项目，也是计量

8、科学中发展较为完备的一个分支，在过去的20年中，角度测量的精度也提高了10倍多。角度测量技术分为静态测量和动态测量两种，某些静态测量技术仍然是动态测量的基础，一些动态测角技术可以实现静态测量。对于静态测量技术来说,目前的主要任务集中在如何提高测量精度和测量分辨力上。随着工业的发展,对回转量的测量要求也越来越多,因此人们在静态测角的基础上,对旋转物体的转角测量问题进行了大量的研究,产生了许多新的测角方法。目前，很多重要的测控仪器，如陀螺转台、经纬仪、星体跟踪器、雷达、导弹发射架、空间望远镜、高精度数控机床、机器人等系统中一般都需要角度传感器，用于测量被测物体相对于某基准方位的绝对转角或相对于自身

9、在不同时刻的相对转角。光学测角方法由于具有非接触、高准确度 和 高灵敏度的特点而倍受重视3。随着现代自动控制系统、惯性导航系统、精密零件制造业的发展，对角度测量的准确度又提出了更高的要求，例如高准确度的控制系统需要测量误差小于几个角秒的角位移测量结果。传统的光学小角度测量方法通常基于干涉或者自动准直4。目前，很多重要的测控仪器，如陀螺转台、惯导平台、经纬仪、星体跟踪器、雷达、导弹发射架、空间望远镜、高精度数控机床、机器人等系统中一般都需要角度传感器，用于测量被测物体相对于某基准方位的绝对转角或相对于自身在不同时刻的相对转角。随着测控技术的发展，系统要求的测控精度越来越高。然而，角度测量仍然存在

10、各种各样的问题，主要有：精度不够高或只能在小角度测量时得到高精度，精度提高使产品尺寸和重量过大，全周界绝对角度测量装置的测量精度不高，小型化方面存在技术困难，动态围小，对关键元件要求苛刻，对环境要求高，可靠性低，不易实现与其它仪器融合等等. 这就要求研制出适合的仪器以用于实际的生产中。测角技术中研究最早的是机械式和电磁分度式测角技术。机械式测角技术主要以多齿分度盘为代表。多齿分度盘的雏形出现在本世纪30年代，作为一个完整的圆分度器件，是由美国Gate公司研制并于1960年获得专利，当时其分度达±0.25。由于多齿分度盘的齿数不能无限增加，因此细分受到限制。解决办法是采用两组或多组多齿

11、分度盘叠放在一起，利用差动法进行细分。从原理上讲，完全有可能设计四层或更多层的多齿分度台，但由于各层之间的同轴度难以保证，齿盘起落结构复杂等原因而难以实现。为进一步扩大应用围和减小定位不确定性，可以采用细分结构。本课题主要训练设计测量装置和仪器的能力。本课题涉与简单光路设计，结构设计，测量的基本方法，误差分析，零件加工和仪器装校的工艺性等知识容的综合运用，对测控技术与仪器专业的学生对以后从事光学测量装置与其它测量仪器的设计打下良好的基础。1.2现状与展望测角技术中研究最早的是机械式和电磁式测角技术,如多齿分度台和圆磁栅等,这些方法的主要缺点大多为手工测量,不容易实现自动化,测量精度受到限制。光

12、学测角方法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视,尤其是稳定的激光光源的发展使工业现场测量成为可能,因此使光学测角法的应用越来越广泛,各种新的光学测角方法也应运而生。目前,光学测角方法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外,常用的还有光电编码器法、衍射法、自准直法、光纤法、声光调制法、圆光栅法、光学反射法、激光干涉法、平行干涉图法以与环形激光法等1。这些方法中的很多方法在小角度的精密测量中已经得到了成功地应用,并得到了较高的测量精度和测量灵敏度,通过适当的改进还可对360°整周角度进行测量。对于众所周知的光学分度盘、轴角编码器、光电光楔测角法等1来说,由于应用较多,

13、技术比较成熟，本文不作介绍。对于众所周知的光学分度盘、轴角编码器、光电光楔测角法等来说,由于应用较多,技术比较成熟,本文不作具体介绍。下面主要介绍几种近几年来发展起来的可用于整周角度测量的方法。1.2.1 环形激光测角法 环形激光器已发展成为在360°整周角度围的高测量精度和高测量分辨力的角度和角速度传感器,在惯性导航和角度定位方面有重要的用途。环形激光是转速测量准确度最高的方法,转速测量相对准确度可达到10-6。研究环形激光器最多的国家是德国和俄罗斯。用该技术测角有以下优点:(1)易实现自校,可以在测量过程中确定环形激光器的比例因子,从而大大减小了测量误差。(2)可以实现高速转角测

14、量,动态响应围宽。(3)可以在转速测量的同时实现转角测量,还可以测量瞬态转速。缺点是加工工艺难以保证,成本高,对环境要求严格,这是环形激光器没有得到大量应用的最主要原因。主要误差来源是“频锁”、“零漂”、“频率牵引”和地球自转的影响。缺点是加工工艺难以保证,成本高,对环境要求严格,这是环形激光器没有得到大量应用的最主要原因。主要误差来源是“频锁”、“零漂”、“频率牵引”和地球自转的影响。如图1.1所示，当被检量具和环形激光器相对于静止的光电自准直仪同步转动时,在瞄准轴与量具棱面法线相重合的瞬间,被测角度转换成由光电自准直仪产生的光电流触发和停止脉冲所需的时间间隔,接口装置在此间隔对环形激光脉冲

15、读数。圣彼德堡电子大学和PTB合作研制的精密环形激光测角计可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转物体的外部角度测量和测角仪本身的部旋转角测量。该装置的原理和上面介绍的基本一样。为了消除环形激光器比例系数绝对值长时间波动引起的测量误差,与测量过程同时进行激光器校准,即用2角度(整转)的周期数相加的方法确定环形激光器差频周期的角值。与标准角度测量方法相比,该装置在1 r/s的转速围,测量准确度达到0.5rad(0.1)。他们还将环形激光用于衍射光谱仪衍射角的测量,在0°360°围测量误差大约为0.05弧秒。图1.1 环形激光器任意角度干涉测量原理图1.2.2 激光干涉大角度测

16、角法下面是几种激光干涉任意角测量方法：(1)用双平面反射镜实现任意角度测量 该系统的构成如图1.2所示。系统的核心部分由旋转RM、旋转镜悬架SU以与防倾斜装置TP构成。防倾斜装置TP 能够保证在一周的旋转围,由旋转镜RM的两镜面构成的直角的角平分线始终与入射的激光束平行。当旋转镜悬架SU转动角时,旋转镜RM在光线入射方向移动相应的距离,光电元件接收的干涉条纹数发生相应的变化11。该方法存在的主要问题是平面镜的表面形貌和两平面镜的直角误差都会对测量结果产生影响,另外机械导杆的运动平稳度也会使结果产生偏差,需要用算法进行修正。图1.2 用双平面镜实现任意角度测量的系统原理图TP防倾斜装置; SU旋

17、转镜悬架;BS分光镜; RM双平面反射镜;M1,M2平面镜。(2)定值角型任意角干涉测量技术两块平面镜以一定的夹角排列而构成的光学组件即为定值角,用标准定值角取代迈克尔逊干涉仪中的测量反射镜就构成定值角干涉仪。大学根据该原理设计的一个双定值角型测角系统光路如图1.3所示。由激光器1出射的光束经扩大镜组2、针孔滤波器3、准直透镜5、限束光阑6、平面反射镜7、分光镜8后分成两束,分别进入由长平面镜9和被检多面棱体12构成的双定值角,经反射后在分光镜8上产生干涉,干涉信号由CCD元件4接收。这一路光称为多面棱体检定光路,与其对称的右半部分称为双定值角测量-跟踪干涉仪,工作原理与其完全一样。该系统能在

18、0°360°围实现任意角度的高准确度测量,测量不确定度优于0·3。该方法的主要问题是标准定值角的加工与安装精度比较难保证,而且测量过程中需要一套双定值跟踪系统,结构比较复杂。图1.3 双定值角型任意角干涉测量原理光路图1激光器; 2扩束镜组;3针孔滤波器;4CCD元件;5准直镜; 6限束光阑;7平面镜; 8分光镜;9长平面镜;10平面镜;11平面镜; 12被检多面棱体1.3本文主要研究容本课题研究的主要容为设计一个自准直仪瞄准方式的测角仪仪，其测量围为角度值，测量精度，采用对径读数方式的度盘读数，主要设计出瞄准单元、测量单元、支承调整单元，根据总体结构设计各功能部

19、件的结构。由于自准直仪的测角围是有限的，只能进行小角度的测量，只有经过结构方面的设计才可以满足全角度测量，即本文的研究主要为测角仪的结构设计。2 测量原理 2.1光电自准直原理与测角仪的瞄准方法自准直仪是利用光学自准直原理4，用于小角度测量的重要测量仪器。望远镜加反射镜即可构成一个简单的自准直仪。由于自准直仪具有较高的准确度和测量分辨力，因而被广泛应用于精密的测量工作中，如:在角度测量、平板的平面度测量、轴系的角晃动测量、导轨的直线度测量等方面自准直仪发挥着重要的作用。光学自准直法中采用的是平行光原理2-1所示，当光源发出光线照明位于物镜焦平面上的分划板上的目标O时，如果O点在物镜光轴上，那么

20、由它发出的光线通过物镜后，成一束与光轴平行的平行光射向反射镜，当反射镜面垂直于于光轴时，光线仍按原路返回，经物镜后仍成像在分划板上O处，与原目标重合。如下图2-1自准直原理(反射镜垂直光轴) 图2-1 自准直原理图而当反射镜面与光束不垂直，偏过一个角度时，那么在平行光轴的光线射向反射镜时，光线按反射定律与原光线成角返回，通过物镜后成像在分划板O'处，与原目标O不重合而有OO'的位移量(如图2-2) 图2-2 反射镜倾斜后的光路 当反射镜偏角为时，根据几何光学原理，光线就偏转，这时就相当于进入物镜的是与光轴成角的平行光束，因此使目标O与成像处有x的位移量，根据图2-3可推算出 (

21、2-1) 式中为反射镜偏转角时在分划板上的目标位移量；为物镜焦距(mm)。图2-3 反射角与移动量之间的关因为物镜是固定的，所以f是一固定常数。如果已知了x的数值（x可以从分化板上读出），就可以根据公式(2-1)推导公式算出反射偏角的大小，即：(2-2) 这就是自准直法的基本原理。测角仪测量时瞄准的方法，依据的是自准直原理。其瞄准是利用自准直仪光源发出的光，照亮了位于物镜焦面上的分划板，经物镜后成平行光束，这样的简单光学装置即平行光管16。垂直于光轴的反射镜反射回来的平行光束通过物镜仍在分划板上的原来位置成一实象。这种现象称为“自准直”。平行光管与反射镜即构成自准直光管（准直仪）.只有当此时的

22、反射镜角度为零时才能在分划板上原来位置成一实象。此时自准直仪为零状态。2.2 测量与读数原理本仪器的测量方法为：先将被测件放于测角仪的载物台上，用自准直仪对A面进行瞄准，保持载物台位置不变，转动分度圆盘，使其零刻线（起始刻线）对准测角仪读数标志刻线，此时，仪器处于零状态，并将载物台与分度圆盘固定在一起，同时转动使从B面反射回来的光线照在自准直仪的分划板上，原理如图2-1所示，然后进行读数。其中，分度盘采用0.5°/1mm，由此可以计算出它的D=229.18。 图2-4 自准直测角原理图本仪器的读数方法为：先用分度盘粗读出角度值，然后通过自准直仪测量角度的原理精读出角度值16。即先将被

23、测件置于载物台上，当被测件的角度大于自准直仪的测量围时，先用自准直仪对其进行瞄准，此时将自准直仪处于零状态下，然后转动分度盘一个合适的角度，此时再用自准直仪小角度的方法读出这个剩余的小角度，将这两个角度进行相加，即可得到被测件的角度。本次设计的测角仪主要针对具有高反射率和表面光滑的物体平面而言，例如三棱镜。如图1.1所示，测量时，首先将被测件置于载物台上，先用自准直仪对被测件上被测角的一个平面进行瞄准，使光电自准直仪显示屏上的十字中心与坐标原点重合。此时，固定载物台，将分度圆盘的0刻线和标刻线对齐，亦即180刻线，也与另一标刻线对齐。然后，将载物台与分度圆盘固定在一起，解除对载物台的固定。同时

24、转动载物台与分度圆盘直至被测角的另一平面与光电自准直仪的侧头尽可能垂直，瞄准该面，使光电自准直仪显示屏上的十字中心与坐标原点重合，观察分度圆盘，如图1.2所示，让分度圆盘上离标刻线最近的刻线与标刻线对准，读出分度盘上的角度值，再读出光电自准直仪上的角度值，二者之和即为被测件转动的角度，设为。被测角度为，与的关系为+=180°即=180°-（1）。图1.1 测角原理图图1.2 刻线就近对准1.2 读数原理图1.3 对径读数原理图根据要求，本测角仪采用的是对径读数，即规定分度圆盘顺时针转动。由 式（1），如图1.3所示，若零状态时，0刻线与标刻线盘A处对齐，180刻线与标刻线盘

25、B处对齐，将圆分度盘与载物台所在轴锁紧，同时转动载物台与圆分度盘，再次瞄准并对齐。当分度圆盘上的与A处标刻线就近的刻线跟A处标刻线对齐时，读出相应的角度值，记为1，则可以得到：。为提高精度，同理当离标刻线盘 B处最近的刻线与B处标刻线对齐时读出的角度值，记为2，则可以得到：根据（1）式得到所要测角度值为亦即，。2.3 误差分析凡用来直接或间接将被测量和已知量进行比较的器具设备，称为仪器或仪表，它们本身都有误差。在该仪器的设计中，由于涉与到瞄准单元，测量单元和支承单元的设计，因此在设计中不可避免的会产生误差，该误差包括原理误差，加工误差，装配误差。其中原理误差为：由于被测件必须具有高反射率，当被

26、测件的反射率不理想时，则测量出的小角度的值在经过CCD进行后续处理时会产生小的误差。但由于所采用的ELCOMAT vario 140/D40型号的自准直仪，其所具有的在电路中进行的误差补偿，所以原理误差是很小的，可以忽略不计。加工误差中，其中主要有圆分度误差，零起分度误差， 分度间隔误差，直径误差；装配中的主要误差为垂直度误差。2.3.1 圆分度误差把圆周进行等分(例如n等分)，从而得到所需要的角度，称为圆分度。各种圆分度器件都具有圆周封闭的特点，对它们进行圆分度时产生的不均匀性就是圆分度误差。各分度刻线(或具有分度特性的几何要素)的实际位置对其理论位置的偏差。用qi表示。分度误差有正负值。以

27、刻线的理论位置为准，实际刻线在角度增加的一侧，则分度误差为正，反之为负。图2.3圆分度误差示意图中，0为正值，1为负值，2为零。图2-5 圆分度误差示意图圆分度误差的大小取决于刻线的理论位置。用于质量评定的刻线理论位置是以全部圆分度误差之和等于零为条件来确定的。即根据给理论位置确定的刻线误差具有的特性，且由该理论位置得到的圆分度误差是唯一确定的。但由于现今的刻线技术的发展，这些在理论上的误差已经变的很小，采用高精度圆刻线机用于刻制度盘，分度精度在0.22之间。圆刻线机由高精度蜗杆蜗轮副（见蜗杆传动）控制分度。高精度圆刻线机采用特高精度的球面蜗杆蜗轮副，主轴一般采用带锥度的滑动轴承，精度要求极高

28、。 故而圆分度误差最大为：1。2.3.2 分度间隔误差度盘上相邻两刻线之间的角距离称为间隔，实际间隔角度值 与理论间隔角度值之差即为分度间隔误差(如图2.3所示)，用fi表示。分度间隔误差的一般表达式为分度间隔误差与零起分度误差的关系为分度误差也具有圆周封闭性，即。2.3.3 直径误差 为减小度盘圆分度误差对测量的影响，测角仪器或瞄准度盘对径位置上两刻线的平均位置读数，或在对径位置上安置两个读数显微镜取其读数的平均值作为测得值。这时度盘的分度精度不再以单个刻线误差作指标，而以度盘对径位置上两刻线分度误差的平均值作指标，该平均值即为直径误差，用(fi)表示。直径误差的一般表达式为。2.3.4 零

29、起分度误差以零刻线的实际位置为基准，确定全部刻线的理论位置，可得的分度误差为零起分度误差。因为在本设计中不需要对零，只要在测量被测物件时将被测物件放置在一个合适的位置，并此误差也是很小的，可以忽略不计。3 结构设计3.1总体设计随着科学技术的不断发展，对光电仪器的精度和性能也提出愈来愈高的要求。现代光电仪器大多采用光、机、电、算等综合技术来完成高精度的测量任务，其中机械系统也是光电仪器不可缺少的组成部分，也是光电仪器的关键部件之一。6因此，对于一个完整的光电仪器来说，只有上面所示的光电系统是不够的，其中需要用机械系统对其进行组装，同时还起着确定零部件之间相互位置的作用，以保证仪器的精度。总之，

30、对于光电仪器的总体设计来说光、机、电、算四部分是现代光电仪器设计的重要组成部分，缺一不可。光学是进行光电仪器测量的前提；机械结构则是整个仪器的基础;电学是进行光电转换不可缺少的中间环节;计算机部分则承担控制与处理数据，并输出显示结果。可见，每一部分侧重点各不一样，但各部分作用都不能忽视，在设计时要加倍的小心论证设计。同时，各部分也不可能独立完成测量任务，它们之间必须构成一个统一的整体，通过装配调试使其达到设计要求的所要达到的目标。对本仪器而言，自准直仪包含光、机、电、算四个方面的容，剩余的结构而言，均只包含机械方面的元素。根据支承件的作用特点，设计时要注意支撑件的刚性、热变形、稳定性、精度、抗

31、震性以与结构、工艺性等问题。现代化的光电仪器已由过去的单一模式向多元化、智能化方向发展，由接触式向非接触式测量向方向发展。而光电技术可以在不改变被 测物质的条件下进行测试，光电系统的最在优点是非接触测量。光束通过被测物体在绝大多数情况下，不会改变其性质。这是光电系统受到普遍重视的原因之一。并且它的精度高，由于光电系统须用光作为信息载体，所以其测控精度容易达到高的精度，在测角时可精确到秒级。设计任务分析：本课题要求设计一个自准直仪瞄准方式的测角仪，因此自准直仪的选择就显的尤为重要，由设计原理可知，自准直仪垂直于光轴的反射镜反射回来的平行光束通过物镜仍在分划板上的原来位置成一实象这种现象，可以用来

32、瞄准被测物件放置的是否合适。自准直仪的优点是：安装、使用方便、测量结果直观、准确等特点。但是自准直仪本身只能用来进行小角度测量，而不能实现360°全周角度测量，因此为了满足测量要求，就必须在结构设计上下功夫，通过在结构上的优化来完成全角度测量，比如在测量中先把被测件瞄准后，再将其转动一个适当的角度作为初值，使其能够满足自准直仪小角度测量的角度围，然后用自准直仪测出这个小角度，这时再将这个小角度值与转动过的初值相结合即可得到被测物件的角度值。对于度盘读数的要求，设计任务书中要求为对径读数的方式，这种读数方式的优点是虽然设计简单但却可以有效减少直径误差，实现这种读数方式是相当简单的，只要

33、在指标线盘上刻划出一条指示线，在其相对的位置上再刻一条与之相对应的指示线即可，在读数时先读第一条指示线所指示的角度，再读第二条指示线所指示出的角度便方便的得到了分度盘所转过的角度。仪器总装图如图3.1所示，其被设计为5个部件，包括：1分度盘，2支承，3调整机构，4瞄准机构，5 ELCOMAT vario 140/D40型自准直仪（外购）。分度盘的主要作用为，为被测件提供一个载物台，并且为被测件的转动提供转动角度的平台，还要测量出转动的大角度的值，此为部件一的作用。支承部件主要是为仪器提供支撑作用和底座的调平作用，还具有对瞄准部件的升降调节作用。调整机构的设计的功能为瞄准机构提供水平方向的方向的

34、调节。瞄准机构设计的功能图3.1仪器总装图为自准直仪提供纵向方向的调节。最后ELCOMAT vario 140/D40型自准直仪主要为仪器提供瞄准和小角度的精确测量。装置的瞄准单元包括部件4瞄准机构和5 ELCOMAT vario 140/D40型号自准直仪；测量单元包括部件1分度盘和5 ELCOMAT vario 140/D40型号自准直仪；支承调整单元包括部件2支承。3.2部件设计3.2.1分度盘的设计分度盘由于其功能的复杂性和在整台仪器的作用比较大，从而导致它的设计为整台仪器的最有难度的一部分。如图3.2所示，其所包含的零件主要有：载物台1，调平圆环2，立柱3，刻线盘4，支承钢球5，指标

35、线盘6，轴座7，轴套8，圆垫片9，支承柱10，钢球11，轴12，压圈13，压盖14，弹簧15，悬挂柱16，调整螺钉17。图3.2分度盘本部件的主要作用是放置被测件，以与测量出被测件转动的角度的初值。载物台1的设计主要是为了放置被测件，本仪器的设计主要是为了更精密的测量被测件的角度，考虑到被测件的大小和测量精度的要求为了使被测件故而在设计中其大小设计为直径150mm，上表面表面粗糙度0.4，平面度0.02mm，为了方便地使它和调平圆环用弹簧连接在一起，在设计中采用了在载物台上先开圆孔，然后在圆孔上方开矩形槽，这样就能使弹簧能方便的在载物台上被固定。调平圆环的设计主要为了满足调平的作用，可以为调整

36、螺钉提供调整螺孔，为了为调整提供支撑点，还在它的上表面设计了一个深为1mm的SR3球形孔；为了使它和载物台用弹簧连接在一起，它的下表面挂弹簧处与载物台的挂弹簧处设计是一致的。刻线盘的设计主要为载物台转动的角度提供计量使用，为了读数方便，将刻线面切为与水平面成45角（如图3.2所示），刻线间隔为/0.5mm，整周刻线1080条，这样它的最小测量间隔为，所以在选取自准直仪时就要选取测量围大于的自准直仪。其它的技术要求还有，每隔三格刻线长度为10mm,其余长度为8mm,刻深0.2mm,涂黑。指标线盘主要是为计量角度提供指示作用，由于使用滑动摩擦转动时可能会导致装配后与刻线盘转不动，或者可能转动，但是

37、会带来大的偏差，所以在设计时采用三个钢球作为与刻线盘的支撑与转动，所在在它的上表面均布了三个SR1.5深为1mm的三个球形孔。这样就可以避免上述的两种缺陷。但是由于有了三个球的支撑，就会使得指标线盘和刻线盘之间有2mm的间隙，所以在指标线盘的外边缘处设计了一个小的凸台，其高度为1.8mm，这样它与刻线盘之间的间隙仅为0.2mm，不仅不会因间隙过大引起误差，而且还避免了滑动摩擦，为操作者使用带来便利。支承柱10在该仪器中设计为的圆柱，它的横截面面积为314mm²,其在最不利条件下，在此处压力为107.56N，它的应力为：故其满足强度要求。轴的设计，最重要的零件之一为轴系12的设计，在精

38、密机械中，当要求零部件精确地绕某一轴线转动时，常常通过滑动摩擦支撑、滚动摩擦支承，以与它们之间的组合来实现，这种以支承为主体所形成的部件，称为精密轴系。它具有旋转精度高、工作载荷小和转速低等特点。精密轴系的要求有轴系运转中的置中精度和方向精度；刚度的大小将影响轴系的旋转精度，因此轴系要有足够的刚度；还有就是转动的灵活性，即转动灵活、平稳、没有滞后现象。其结构设计采用的是圆柱形轴系，如图所示，轴套8用压圈13压紧在轴座7上，轴12在轴套8旋转，而轴承21又以轴套8的外圆为承导面做旋转运动。轴系的轴向载荷大部分由钢球11承受，螺钉21用以防止柱形轴的轴向窜动。为便于制造和装配，以与减小轴系的摩擦力

39、矩，将轴套8的中部切深，以减小接触面积。这种轴系的特点是结构简单，容易得到较高的制造精度。由于在该仪器中，轴是不动的，即它的转速为零，所以它所受到的力是很小的。在轴向方向的载荷仅为刻线盘与其上部的零件的重量。在轴的切向方向上，轴所受到的载荷完全可以忽略。轴的计算：由于分布力在横截面上各点处的强弱程度（简称集度）不同，细杆横截面上分布力集度比粗杆的力分布集度大。所在在材料一样的情况下，判断杆件破坏与否的的依据不是力的大小，而是办力分布集度。力分布集度工程上称为应力。7轴的应力集中处有两处，一处为使用零件22 螺钉M3x10处，另一处为轴与球面的接触面。GCr15材料密度为：7.81g/cm

40、79;65Mn 材料密度为：7.81g/cm³钢45 材料密度为：7.85g/cm³HT150材料密度为：7.8g/cm³由此和图中零件尺寸，以在最不利条件下，并假定被测件重量为5时，轴在处压力为90N。故其应力为：在轴与球面的接触面处的接角面为SR3球面的一部分。在最不利条件下计算可得，其应力为95N，在此处的应力为：由于还有支承钢球5也在承担这个方向的载荷，以上计算为轴独自承担重量时的强度校核。故轴满足强度要求。刻线盘6与轴套8的外圆相接，用螺钉19紧固在支承座7上，使其做为指示线的功能得以实现。刻线盘4与轴承21的外圆相配合，使其方便稳定的旋转。为使载物台上

41、的被测件转动一个角度就必须在刻线盘4上体现出来，因而在设计上就使用了立柱3来带动与调平环2紧固在一起的载物台1.调平圆环2与载物台的调平使用了三个支承，即一个圆球为支点，利用三点确定一个平面的原理，支承球与两个调平螺钉呈均布的状态实现三点支承，调整两个调平螺钉17可以使载物台调至水平。为了在调整调平螺钉17时载物台1与调平圆环2不会分开，在设计中采用了两个拉簧16，使用拉簧的拉力将它们两个零件结合在一起。这样就可以在载物台上的被测件转动角度时，因为它们是同步的，所以这个角度就可在刻线盘上清晰显示出来。同时为了方便地测量被测件，使其在测量时更加方便，在设计时增加了一个支柱10，使得测量人员在测量

42、时可以很方便的取得测量数据。在压盖的设计中，为了容易安装固定，在它的外围分别伸出三个爪片，使用螺钉将其固定在刻线盘上，并使其将轴承外圈压紧。在调整螺钉的设计中，它的顶端被设计为半球形的，其与载物台的接触只有一个点，使调平更加容易控制。弹簧的设计，在仪器的设计中，弹簧起到的作用是拉紧载物台和调平圆环的作用，它所要提供的是拉力，所以在本仪器中选用的是拉伸弹簧，由于碳素弹簧钢价格低廉，用途广泛。如表面状态和热处理组织一样，疲劳极限 并不低于合金弹簧钢。缺点是淬透性和屈服强度较低；截面较大的弹簧，油淬时不能淬透，水淬时容易开裂。如增加含碳量，虽能提高强度和弹性极限，却会降低冲击韧性和塑性，尤

43、其是降低低温韧性。中国的碳素弹簧钢有65、70、75、85四个钢号。 单纯含锰弹簧钢,如65Mn，锰含量为0.901.20。增加锰含量可提高钢的淬透性和强度,减小脱碳倾向;缺点是有过热敏感性和回火脆性，且易产生淬火裂纹，所以只适于制造各种小尺寸扁弹簧、圆弹簧。因此在选材上选用65Mn是可行的。弹簧的计算如下，所选用的弹簧为簧丝直径1，有效圈数4圈，弹簧高度为11mm。它的旋绕比C=/d ，通过计算可得该弹簧旋绕比为5。有初拉的的弹簧在自由装态下就受有拉力的作用。初拉力是由于卷制弹簧时便各弹簧圈并紧和回弹而产生的，有初拉弹簧的初拉力可用下式计算式中，d 为簧丝直径； 为拉伸弹簧初切应力； 为弹簧

44、中径。7查表可得=100（N/）故可知=9.8N。拉伸弹簧的弹簧圈数可用下式计算（无初拉力的=0）：式中，G为材料的切变模量；为弹簧所承受的变形；d为簧丝直径；F为弹簧所承受的拉力；为弹簧所受的初拉力；为弹簧的中径。因为弹簧在拉紧载物台和调平圆环时与弹簧的自由高度相差为4mm，由此可得弹簧在=4时，弹簧的拉力F=164.1N。查表知65Mn弹簧钢的弹性极限为1000N/²。故而可得出该弹簧的弹性极限为318.5N，其拉伸极限为8.3mm。轴承的选取：滚动轴承通常由外圈、圈、滚动体和保持架组成。圈常装在轴颈上，随轴一起旋转，外圈装在机架或机械的零部件上（有的轴承是外圈旋转，圈起支承作用

45、，个别情况下，、外圈都可以旋转）。工作时，滚动体在、外圈之间的滚道上滚动，形成滚动摩檫。保持架把滚动体均匀地相互隔开，以避免滚动体间的摩檫和磨损。8滚动体有钢球、圆柱滚子、圆锥滚子、滚针等型式。通常，不同的滚动体可构成不同类型的轴承，以适应各种载荷和工作情况。、外圈和滚动体的表面硬度为60-66HRC，材料主要是GCr15、ZGCr15、GCr15SiMn等。保持架的材料通常为08F-30优质碳素结构钢，也可用黄铜、青铜或工程塑料等其他材料。深沟球轴承，主要承受径向载荷，也可承受不大于的、任一方向的轴向载荷。承受冲击载荷的能力差。 适用于刚性较好、转速高的轴。高转速时可以代替推力球轴承，承受纯

46、轴向载荷。工作时，、外圈轴线的相对偏斜为。由于在本仪器中，轴承主要承受不大的径向载荷，所以可以选用深沟球轴承。所选用的轴承代号为：GB/276 6205型轴承。它的圈与轴相配合，选用的配合为过盈配合H7/p6，外圈与刻线盘采用的配合为P7/H6。它们均属于过盈定位配合，用于定位精度特别重要时，能以最好的定位精度达到部件的刚性与对中性要求，而对孔承受压力无特殊要求。3.2.2支承的设计在仪器的结构设计中，支承的设计也是必不可少的，如图3.3所示，本部件主要包含的零件有：导轨1，升降手轮 2，底座3,支承架4，调平螺钉5组成。本部件在结构上是简单的，主要可以实现底座的调平，以与确定调整机构的运动方

47、向。（1）底座与调平的设计本机构的设计中，底座的调平是设计的重点，为了方便的使仪器工作在水平状态，主要利用了四个调平螺钉的升降使其工作在水平状态，工作中，支承架3支撑在支撑面上，螺钉6使支承架3与调平螺钉4联接在一起。支承架3的上表面与调平螺钉4的底面的接触面为球面，这样，在需要调平时，使用一个柱件插入钉调平螺4的孔中，旋转调平螺钉4，就可以方便的实现调平功能。图3.3支承（2）导轨的设计导轨1主要是为调整机构工作的，为了使调整机构可以顺利地升降，它的螺纹采用的是梯形螺纹。以升降手轮为依托进行高低调节。由于圆柱面导轨的优点是导轨面的加工和检验比较简单，易于达到较高的精度；缺点是对温度变化比较敏

48、感，间隙不能调整。圆柱面导轨，在多数情况下，运动件的转动是不允许的，为此，可采用各种防转结构。所以在调整机构的设计中用大锁死螺钉对其进行锁死，这样就可以防止瞄准机构转动。导轨的表面粗糙度可根据相应的精度等级决定。通常，被包容零件外表面的粗糙度小于包容件的表面的粗糙度。9H7/g6间隙很小的滑动配合，用于不希望自由转动，但可自由移动和滑动并精密定位配合；也可用于要求明确的定位配合，相当于旧国标D/db.因此在设计中采用的配合即为H7/g6。3.2.3调整机构调整机构主要的设计功能为：使自准直仪可以实现水平方向的方向，以与为瞄准机构提供垂直方向的调整支撑。如图3.4所示，它所主要包含的零件有：座套

49、1，小锁死螺钉2，和大锁死螺钉3.图3.4调整机构装配时，仅需要将小锁死螺钉和大锁死螺钉旋转进座套即可，当调整机构调整到适当位置时，拧紧大锁死螺钉，其前端便会与导轨抱紧，使其平稳地固定，当瞄准机构的零件5支架旋转到合适位置时，拧紧小锁死螺钉2即可稳定的固定。（1）座套的设计座套1的主要是起到联接瞄准机构和支承，使瞄准机构在导轨上平滑的移动，从满足仪器功能、减轻重量和美观的方面出发设计，小锁死螺钉这边只要起到支撑的作用即可，所以设计的比较小，而与导轨相连的另一边设计的比较大，主要是因为它不仅要起到联接作用，还要确保导向精度，故而只有设计的比较大才不至于在机加工和小量磨损的条件下使仪器精度出现大围

50、下降。而在大圆筒这边与小锁死连接的部分的板子连接使用圆弧过渡，这样就可以减小应力集中。（2）锁死螺钉的设计大锁死螺钉和小锁死螺钉的作用是锁死零件，其设计为后端部为了方便操作人员使用，设计中采用了比较宽大的设计，并为其打上网纹，前端为了使其方便地使零件固定好，为了不使其在锁死的同时破坏其它零件，因而设计为在加工后热处理后的硬度比其它零件的硬度低。3.2.4瞄准机构瞄准机构的主要功用是起到夹持自准直仪和调整自准直仪在垂直方向的调节。如图3.5所示，它所包含的主要零件为：上压片1，下压片2，支承板3，紧钉螺钉4，支架5和旋转螺钉6。在装配时所要注意的是，支承板3和旋转螺钉6在装之前一定要先涂润滑脂。

51、在调节自准直仪时，只需要旋松紧钉螺钉4然后对自准直仪进行调整，支承板3将会绕旋转螺钉6的光轴部分转动，当调整到恰当的位置时，将紧钉螺钉4旋紧，这样就达到了设计本机构的目的。图3.5瞄准机构设计中，上压片和下压片是用来固定自准直仪的，由于所选自准直仪的光管是圆柱形的，所以上下压片也设计为与之相匹配的类型。如图中所示，其径的尺寸与自准直仪的外径的尺寸相符合。这样当要夹紧自准直仪时，只需要将四个螺钉上紧即可。由于自准直仪后端的结构为长方体，所以支承板3的后端设计成一个有台阶的板，这样就使得自准直仪稳当地落在支承板上，支承板3的下端被设计为圆弧面。在设计支架5时，考虑到它要给支承板3提供转动的空间，所

52、以它的上端被设计为叉形结构，支承板3插入其中，这样当要调整时，支承板就会绕旋转螺钉6的光面在支架5的叉槽中转动。H7/g6间隙很小的滑动配合，用于不希望自由转动，但可自由移动和滑动并精密定位配合，因此在设计中旋转螺钉6和支承板3采用的配合即为H7/g6。3.2.5自准直仪利用自准直的现象，本仪器用作瞄准的的自准直仪为：德国 Moller-Wedel Optical GmbH公司的ELCOMAT vario 140/D40型号的自准直仪，该仪器主要用于小角度的精密测量。其具有安装、使用方便等特点。测量结果直观、准确；其外型图为图3.6所示：它的性能指标为：自准直测头 透镜: 自由孔径 D40 2

53、8 mm焦距 (名义值) ： 140 mm测角围： 图3.6自准直仪精度： 光源: 高性能LED 波长 660 nm 探测器: 成像设备 interline transfer CCD 有效像素数量 756 (高)x581(宽) 成像区面积 8.8x6.6 mm电源供应 12V 直流，来自控制器 电源消耗 210 mA 最大 放置温度与湿度 -20°C to 60°C, 相对湿度 90%或更低 操作温度与湿度 0°C to 50 °C, 相对湿度 70%或更低全性能指标下温度与湿度 20°C to 25°C，相对湿度50%至70% 尺寸（不带物管）： 90 x 70 x 70 mm（