简易轮廓测量装置的设计(共26页)

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2、183;··········Abstract······································

3、············目录·····································

4、3;················表 列·································&

5、#183;···················图例······························

6、;························第1章 绪论·························

7、;······················11.1引言···························

8、;····················11.2轮廓测量仪在国内外的发展···························1

9、1.3轮廓测量装置的分类和构造···························1.4课题的背景及研究的目的和意义·················

10、3;·····1.5本课题研究的内容···································第2章 简易轮廓测量装置设计总体方案2.1原则制定及规划 2.1.1方案的制定原则 第一章 绪

11、论1.1引言轮廓测量仪是测量各种机械零件素线形状和截面轮廓形状的精密设备。当今信息技术已经成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术。著名科学家钱学森先生曾指出：“信息技术包括测量技术、计算机技术和通讯技术。测量技术是关键和基础。”采用适度先进的信息化数字测量技术和产品来迅速提升装备制造业水平，是当前一个重要的发展方向。 非球面轮廓测量是制作非球面镜过程中的一项关键技术。传统的测量方法对镜子的放置有极严格的要求。镜子中心与探测头零点间微小的偏移，镜子轴线与测量仪旋转平台的不垂直等因素都会造成很大的测量误差；测量时提供的镜子的曲率半径与实际镜子的曲率半径往往有很小的偏差，也会影响测量结果；另外

12、，在实际工程应用中发现，轮廓仪的零点会在某一极小的范围内波动，这一因素在三维轮廓的测量中造成的误差会直接影响测量结果的重复性。对位置放置所造成的误差，传统的方法是在测量过程中尽可能地调整镜子中心位置与探测头零点相一致，然后对测量结果做去倾斜处理。这一方法在精度要求不高的测量过程中可勉强应用，但这一方法在每次测量时，都要花大量时间来调整镜子，且因为镜子中心与探测头中心不可能严格一致，所以测量精度不能达到很高。对衄率半径不准确这一点，实际应用中经常的做法是人工调整这一半径，由主观判断来找到一个合适的曲率半径。这一方法不但增加了测的时间，同时使测量结果带有一定的主观性。对轮廓仪的零点会在某一极小的范

13、围内波动这一点，普通的轮廓测量中都会忽略这一误差，但随着测量精度的提高，这一误差是不可忽略的。在某些高精度的测量仪中，采用每次测量前重新校正零点的方法来提高测量精度，但这一方法显然会增加测量过程的复杂性。 为解决上述问题，本文对接触式非球面轮廓测量仪进行了较为全面的误差分析，以确定上述因素会造成什么样的测量误差；在此基础上，在X轴和Y轴方向采用极坐标形式，避免了单独测量X轴和Y轴的时安装的垂直度影响的误差。1.2 轮廓测量装置在国内外的发展研究现状它是以 1968 年美国J.B.P.Williamson 首次推出三维表面触针式轮廓仪12。近二十年来，随着微电子技术、计算机技术、光学技术、传感器

14、技术、信号分析和处理技术的飞速发展，基于各种原理的测量仪器纷纷面世，其测量范围小至亚纳米，大到毫米级，这主要表现在以下几个方面3：（1）传统的触针式仪器朝着高分辨率、大量程方向发展；（2）非接触式光学测量方法得到迅速发展，光学探针仪器、相移式扫描干涉显微镜、光外差干涉测量仪等相继出现；（3）扫描隧道显微镜、原子力显微镜的出现和发展使表面检测突破了传统的局限，实现了原子级尺度的检测。根据测量原理的不同，表面测量技术基本上可以划分为以下三类：接触式测量方法，光学测量方法和非光学式扫描显微镜测量方法。根据测量原理的不同，表面测量技术基本上可以划分为以下三类：接触式测量方法，光学测量方法和非接触式测量

15、。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

16、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。 目前，我国的光学非接触表面轮廓测量技术的主要优点是在垂直方向上有0.01 纳米级分辨率，能用于测量非常精细的表面，如光学镜面、激光陀螺镜、金刚石车削镜面、软磁盘面、磁头等反射率大于1%的表面，然而它们的垂直测量范围受入射光波的限制，一般为几个微米。相移干涉仪的横向分辨率和扫描范围取决于所用物镜的放大倍率和CCD 面列阵的像素间隔。差分干涉仪和外差干涉仪采用机械装置驱动扫描，其扫描范围较大，可以达到与触针量仪相当的范围，

17、采用干涉法时必须考虑两个问题：1、在测量范围内光学常数不能变化，因为光学常数变化会引起干涉仪的相位变化而产生表面高度误差。2、被测件表面的反射系数必须认真考虑，如测塑料、玻璃表面，参考表面应有相对小的反射系数，因此，需要改变参考面以满足具有不同反射系数被测表面的要求。近年来英国在NPL 的Nanosurf 与Talystep 的基础上研制成功了Nanostep 型测量仪4，其垂直分辨率可达到0.03nm，放大倍率为5002000 万倍。测量范围0.1nm10m，仪器工作范围为50mm,工作台移动速度0.50.005mm/s。工作温度-2070 摄氏度。如此高分辨率的仪器其关键已转向温度影响与外

18、界干扰，因此仪器采用了温涨系数为零的玻璃陶瓷，并在结构上采取了措施，减小隔离驱动部分带来的振动影响，这是当前机械触针式仪器的最高水平。法国的M.Chuard 等人提出了一种扩大经典轮廓仪测量范围的方法5，并按此原理研制出一种自适应浮零位轮廓仪。该方法采用步进电机和丝杠（最小步距为1m）控制触针的上下，从而可扩大仪器的测量范围。也可利用该机构控制测量力的大小，当采样值超过某一设定值就通过步进电机使测头上抬，从而减少测量力。但由于受步进电机的性能（如失步）影响及步距过大，因而测量力的控制效果受到影响，尽管轮廓仪量程得以扩大，但精度不是很高。华中科技大学机械工程学院仪器系在2003 年研制出一种适用

19、于工程表面形貌测量的大量程微恒力位移传感器12。该传感器由电感和音圈电机构成。利用音圈电机瞬变响应好、工作频率及控制精度高、噪声低、没有传动机械的磨损等优点来扩大传感器的量程，而系统测量所采用的标准量仍是高精度的电感传感器。为保证该位移传感器的测量力能得到控制，设计了一种由音圈电机、信号处理电路以及PID 反馈控制校正网络组成的测量力控制系统, 提出了采用提升方法来保证传感器的高精度。使电感传感器工作在最小3m 的量程范围内，当传感器超出该量程，则调整加在音圈电机上的电压，使音圈电机上升或下降，从而可以使测量力减小，而传感器的位移通过提升算法得到，使量程得以扩大。1.3 简易轮廓测量装置的分类

20、和构造 日本三丰QV系列影像测量仪，非接触三坐标测量机 CV-3100系列轮廓测量仪 非接触式测量机 关节臂式坐标测量机1.4 课题的背景及研究的目的和意义 实体表面是实体与周围介质的分界面。表面形貌是指零件加工过程中，在零件的被加工表面上残留的各种不同形状和尺寸的微观峰谷和凹谷。它不仅对配合性能有很大的影响，而且对许多非配合，非接触性零件的使用性能也同样有重要影响6。其外在特性在幅度、空间及表面形成等方面的特征支配着它在许多工程方面的使用性能，如磨损、磨擦、润滑、疲劳、密封、配合、反射、涂层、导热、导电、支撑、光学特性等等。此外，由于它是随着加工工艺过程形成，故对工艺过程状态变化非常敏感，如

21、刀具磨损、切削用量变化、机床振动以及加工操作、表面处理等工艺因素都会引起表面形貌的变化。表面形貌是三维的，表面轮廓是形貌的一部分。因此，从工程应用 出发，对表面形貌或表面轮廓进行检测、分析，不仅是研究它与使用性能关系的基础，也是正确识别、监视控制其形成工艺过程的依据。 表面特征是控制机械零件表面质量的主要内容，表面特征一般分为粗糙度、波度、形状误差和尺寸误差4个主要方面。一般粗糙度的表面波长为2um-800um,幅度为0.05um-5um；波度的表面波长为250um-8mm，幅度为1um-20um。从生产发展的历史来看，准确地测量和评定表面特征，不但能正确地识别出加工过程中的变化和缺陷，而且对

22、控制和改进加工方法，研究表面几何特征与使用性能的关系，以及提高加工表面的质量和产品性能都有着重要的意义7。近一个世纪以来，人们对于表面形貌测量技术的研究有了长足的发展，测量仪器和测量方法也日益增多，推动了表面测量技术的一次次飞跃.§1.4 本文的主要研究内容 通过对表面测量技术的回顾和比较，可以看出触针式仪器和聚焦探测式仪器是用于工程表面形貌测量较为有效的方法，两者共同的特点是垂直与水平测量范围较大，动态比率较高，能够综合测量工件表面的形状误差、表面波纹度和表面粗糙度信息，以便评估三者之间的关系及其对工件表面性能的影响。但在实际应用中，需测的工程表面是极为多样化的，不同类型的表面可能

23、需要不同的测量方法，触针仪器和光学探针式仪器都存在着各自的局限性，应用领域各不相同。因此能否研究一种价格较低，同时具备有接触与非接触两种功能且非接触测量方法较为成熟的表面计量仪器，显然有着十分重要的应用价值。 1 将触针式传感器用于测量Z轴方向的位移，水平方向x轴采用直线导轨，被测物体放在一个按角度旋转的工作台上。根据转过的角度可以得出Y轴的坐标。此方法机构简单，减少Y轴方向用的传感器，用极坐标计算Y轴方向的坐标。第2章 简易轮廓测量装置 的设计总体方案 对两种方案的几项指标（如测量头对被测物体的压力）进行相应对比，从而得到较符合的总体方案，为后续的设计提供一个全局性的指导。2.1 原则的制定

24、及规划2.1.1 案的制定原则 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，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

25、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。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

26、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

27、、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、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。5、功能齐全的测量头测量头是测量机上重要的件。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。 6、科学性 任何设计方案必须满足现行的设计方案，满足相

28、关的设计课程，如果设计人仅凭自己的想象设计，那必然会出现于客观实际脱节的情况。 7、可行性和可靠性满足使用功能是设计方案所具备的首要条件。设计人把握好两方面的因素：一个是与项目相关的外部因素，一个是项目内部因素。外部因素包括：设计方案不能与国家规范想冲突。内部因素包括：仔细研究轮廓测量装置的使用功能和运行特性，确定合理并规范的设计参数，计算准确、清晰并且格式规范。6、满意的经济效益作为检测仪器，测量机的经济效益是购买的一项重要指标。虽然它不像生产那样便于计算，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

29、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。 经济性往往是建设单位最关注的因素，也应该是设计者认真考虑的使用特性。经济性和其他因素综合考虑来进行取舍。2.1.2 三坐标测量机测量原理CLY系列单臂三维测量

30、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。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，1200m

31、m 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。2.2.3 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，

32、数据处理软件系统（测量软件）；2.2.4三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。 2.2.5 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，

33、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

34、，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。2.1.6 方案设计的规划产品的方案设计一般包括如下几个步骤：（1）信息获取：是在市场调查、需求分析的基础上，获取产品设计的原始数据和设计约束。 本课题研究的是接触式轮廓测量装置，该装置的整体造型和各部件的外形尺寸通过测量得到。（2）问题识别：是对所获取的原始数据和设计约束进行深入地分析，明确问题类型，确定设计目标和产品的总体功能，并进行功能分解，得到一系列的功能元。 课题的研究内容就是将接触式轮廓测量装置设计成X轴、Y轴采用极坐标的形式。对测量头压力进行相应研究，包括：合理采用测量Z轴位移的

35、测量形式。从而达到设计要求。在这个过程中会先进行总体设（3）形成设计方案：设计方案是指产品的原理方案计，计算和估算整体质量，确定合适的位移测量装置，然后再合理设计各个部件。方案的设计是从功能元求解开始的，功能元的求解就是获取实现功能元的具体方案。其结果是获取多组与每个功能元对应的分系统方案，每一组方案的组合就构成了一个产品设计方案。所有产品设计方案组合在一起就组成了产品设计方案的集合。因而产品方案设计是一个多目标、多层次、多方案的设计问题，是一个复杂的决策问题。它是基于问题的识别和专家的设计知识、设计和设计实例的创造性过程。 首先进行总体设计，确定轮廓测量装置的中心位置，其次进行载物台的受力计

36、算，得到相应的测量装置测量速度和步进电动机型号。再次就是进行制动性和机动性计算，最后进行稳定性分析。总体设计结束后便开始各个系统的设计。而对于本文来讲其主要工作是设计轮廓测量装置的结构，包括：电动机、传动部件、测量位移的传感器的的排布，支架的相关改造以及一些重要装置的设计和安放。2.2 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。2.3 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旋转运动

37、，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。2.3.1 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

38、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

39、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二个直线运动坐标（沿X、Z）、一个旋转运动（沿Y）和夹具体的装配设计。2.3 主要参数的设定直线工作台面尺寸 （长×宽×高）：1000×800×40；纵向工作行程为200mm，横向工作行程为200mm，垂直方向的工作行程为200mm。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（120mm×120mm

40、15;120mm） ，最小高度为20m。 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

41、，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3.1.2 步进电动机的概述步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件9。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

42、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

43、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10。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

44、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

45、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

46、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

47、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。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）：1000×800×40；纵向工作行程为200mm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

48、、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：10输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径

49、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3-1 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

50、，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

51、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d×D×B=8mm×15mm×4mm，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

52、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200mm。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b×h=28mmX6mm（GB1096-

53、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 3.4.4. 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

54、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

55、.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，

56、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 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

57、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。 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

58、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，可用润滑油润滑第四章 夹具的初步设计4.1摘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

59、。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

60、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，往往会增加夹具的制造成本，但当工件的批量增加到一定的规模时，将因单件工时下降所获得的经济效率而得到补偿，从而降低工件的制造成本。因此所设计的夹具其复杂程度和工件的效率必须使生产规模相适应，才能获得良好的经济效果。但是，任何技术措施都会遇到某些特殊的情况，设

61、计夹具时，对质量、生产率、劳动条件和经济性几方面，有时也有侧重。如对于位置精度要求很高的测量，往往着眼于测量精度。再设计过程中必须深入生产实际进行调查研究，广泛征求操作者的意见，吸先进经验在此基础上拟出初步设计方案，经过考虑，然后定出合理的方案进行夹具的设计。4.3机床夹具概述机床夹具是机械制造中一项重要的工艺装备。工件再机床上测量时，为保证测量精度和提高效率，必须上工件再机床上相对测头占有正确的位置，这个过程称为定位。为了克服测量过程工件受到外界的作用而破坏定位，还必须对工件施加夹紧力，这个过程称为夹紧。定位和夹紧两个综合称为装夹，完成工件装夹的工艺装备称为机床夹具。4.3.1机床夹具的分类机床夹具按通用化程度可分为两大类。第一类机床夹具是由机床附件厂或专门的工具制造厂制造的。4.3.2夹具的作用：1） 可以缩短辅助时间，提高劳动生产率由于采用了专门的元件使工件能迅速地妆家在夹具中，而夹具则通过定位键、对刀块、导向套等专门装置也能很快地妆家在机床上并调整好位置，此外还可以采用