便携式三坐标测量机翻转测台设计与研发 毕业论文.doc

iii 便携式三坐标测量机翻转测台设计与研发 摘 要 随着工业技术的不断发展，对测量技术的要求也越来越高。为了满足不同要求的 测量技术本文提出了翻转测台式三坐标测量机的设计。本论文主要阐述了便携式三坐 标测量机转台的设计过程。主要内容包括转台传动系的设计和转台的控制。其中传动 系的设计包括电机的选择、齿轮的设计、传动轴的设计、联轴器、轴承设计及校核等； 控制过程包括电机的控制、测台定位控制以及测台水平位置的调节控制。 本论文还阐述了在 cad/cae/cam 中图形变换的基本原理，为三坐标测量机物体旋 转测量提供了理论基础。论文在设计过程中还包括了翻转测台夹具等附属部件的设计。 关键词：便携式三坐标测量机，翻转测台，设计，控制 abstract with the continuous development of industrial technology, there are increasingly high requirements of the measuring technology. to meet the different requirements of the measurement technique, this paper proposes the design of flip test desktop cmm. the thesis chiefly expounds the design of the turntable of portable coordinate measuring machine. the main contents include the control of turntable and the design of the power train of turntable. for one thing, the design of the power train consists of the choice of motor, the design of gear, the design of shaft, coupling and the design of bearing and calibration, etc.; for another, the process of control includes the control of motor, and the position of measuring station and the regulation of the horizontal position of measuring station. besides, this paper not only describes the basic principles of graphics transformation in the cad / cae / cam which provides a theoretical basis for the object rotation of coordinate measuring machine, but also involves the design of ancillary components in the design process, such as fixture of flip test platform design. key words: portable coordinate measuring machine, flip test platform, design, control v 目 录 前 言 .1 1 绪论 .2 1.1 引言 .2 1.2 国内外三坐标测量机研究现状.2 1.3 本课题研究目的.3 1.4 本课题研究主要内容.3 1.5 本章小结.4 2 三坐标测量机图形变换 5 2.1 二维图形的几何变换.5 2.1.1 基本原理 .5 2.1.2 平移变换 .7 2.1.3 旋转变换 .8 2.2 三维图形几何变换.9 2.2.1 三维平移变换 .9 2.2.2 三维旋转变换 .9 2.2.3 三坐标测量机上被 测物体坐标的变换 10 2.3 本章小结12 3 转台驱动系统的设计 .13 3.1 电机的选择13 3.2 齿轮组的设计14 3.2.1 齿轮材料及各参数的选择和计算 14 3.2.2 齿轮的校核 15 3.3 联轴器设计16 3.4 传动轴的设计17 3.6 测台夹具的设计18 3.6 本章小结19 4 控制、调节装置的设计 .20 4.1 电机的控制20 4.2 翻转测台锁止控制 25 4.3 水平位置的调节 26 4.4 本章小结27 结 论 28 致 谢 29 参考文 献 .30 1 前 言 随着科学技术的发展，三维测量工具广泛运用到现代工业中，其中三坐标测量机 占主导作用。但是随着技术的不断提高，对三坐标测量机的要求也不断提高。例如对 于一些零件需要进行底部某些特殊特的征体打点测量，而传统的三坐标测量机在进行 一次定位后就不能对底部这些特殊的特征体进行测量打点。所以为了能实现对被测物 体底部局部特征体进行测量而又不改变原来定位的基础上，本论文中设计开发了这种 旋转式可翻转平台。本文中所设计的三坐标测量机翻转平台可实现绕 y 轴进行 360 度 旋转。另外现代技术的不断发展对测量环境的要求也不断提高，例如在汽车维修厂对 一些汽车零部件如果用传统实验室的三坐标测量机进行测量会浪费大量的时间，而本 设计提出的便携式三坐标测量机可以用车载现场测量，同时也能满足对上述特殊部件 的测量。 本文通过理论分析后建立出了便携式三坐标测量机翻转测台的结构模型并通过三 维制图软件 ug 建立便携式三坐标测量机的简易模型；通过计算、校核设计出系统传 动机构所需要的齿轮、传动轴、联轴器等，并通过机械、电机手册选出所需要的电机 及轴承等其他零部件；通过控制电机实现转台的旋转，在电机断电时通过电磁制动器 对转轴锁止实现转台的定位，另外本文在控制过程中还阐述了仪器水平位置的调节。 由于作者水平有限，论文中难免有不少缺点和不足之处，恳请老师和广大读者批 评指正。 1 绪论 1.1 引言 随着 cad/ cam 技术的发展，机械产品，特别是具有复杂外形即具有空间自由曲面 的机械零部件(如汽车、飞机、发动机的零部件、塑料成形模具等)的线图构思、线图 输人和数据准备，成为影响 cai 性能和效率的最突出的问题，同时也成为 cam, cnc 数 控机床编程中难度最大、用时最多的问题。随着坐标测量机(cmm)技术的不断成熟和 cim 集成技术的发展，人们开始认识到通过 cmm 对产品物理模型的点位检测，可以解决 零部件的线图输人和数据准备等问题，并在汽车外形设计和模型设计等方面进行了初 步尝试。 目前在实验室或计量室中广泛使用的 cmm 是一种集机械、光学、电子、数控技术 和计算机技术为一体的大型精密智能化仪器，可对各种形状复杂的零部件进行几何参 数测量，尤其是近年来随着 cad/cam 技术在制造业中的广泛应用，cmm 在提高产品质量、 缩短生产周期及新产品开发中起到了重要的保证作用。成为现代工业检则、质量控制 和制造技术中不可缺少的重要仪器。 1.2 国内外三坐标测量机研究现状 1 世界上第一台测量机是在 1959 年由英国制造的。现在，国内外使用已经相当普遍。 根据国际专业咨询咨询公司统计，三坐标测量机的销售增长率在 7% - 25%左右。发达 国家拥有量较高，但增长率逐年下降，大约为 7%一 10%;发展中国家拥有量较低，但增 长率不断提高，大约为 15%-25%。目前，国内外三坐标测量机正迅速发展，世界上生产 测量机的厂商己超过 50 家，品种规格也己达 300 种以上。 （1）国外概况 国外三坐标测量机（cmm）生产厂家较多，系列品种也较多，大多 都具有划线功能。著名的国外生产厂家有德国的蔡司（zeiss）和莱茨（leitz） 、意大 利的 dea、美国的布朗-夏普（brown unsigned int locality,locality0,locality90,locality180,locality270,locality360; unsigned int locality0set,locality90set,locality180set,locality270set,locality360set; /*定时器*/ void interrupt 26 _set_vtimmdcu_vector_ (void) disableinterrupts; mcctl_mczi=0; /disable moduluse interrupt atd0ctl3=0x08; /ad 中断使能 atd0ctl5_mult=0; 23 atd0ctl5_cc =0; atd0ctl5_cb =0; atd0ctl5_ca =0; atd0ctl2_adpu=1; /*实时位置检测*/ void interrupt 22 _set_vatd0_vector_ (void) disableinterrupts; atd0ctl2_adpu=0; data0=atd0dr0l; mccnt=mccntd; mcctl_mczi=1; locality =data0; enableinterrupts; /*位置检测*/ void localitytest() if(porta_bit0=1) locality0=1; if(porta_bit1=1) locality90=1; if(porta_bit2=1) locality180=1; if(porta_bit3=1) locality270=1; if(porta_bit4=1) locality360=1; /*位置控制*/ void localitycontrol() if(locality0=1) if(localitylocality0set) / motor prograde. pwmdty01=0; pwmdty23=2000 ; if(locality=locality90set) pwmdty01=0; pwmdty23=0 ; /stop the motor if(locality90=1) if(localitylocality90set) / motor retrograde pwmdty01=2000; pwmdty23=0 ; if(locality=locality90set) pwmdty01=0; pwmdty23=0 ; /stop the motor if(locality180=1) if(localitylocality180set) / motor retrograde pwmdty01=0; #include /* common defines and macros */ #include /* derivative information */ #pragma link_info derivative “mc9s12dg128b“ #include “main_asm.h“ /* interface to the assembly module */ #pragma code_seg _near_seg non_banked #define mccntd 700 /检测控制时间（可任意调） localitytest(); / localitycontrol(); / #define uchar unsigned char /字符宏定义 #define uint unsigned int /整型宏定义 uchar data1; uint code table= locality,locality0,locality90, locality180,locality270,locality360; uint code table= locality0set,locality90set, locality180set,locality270set,locality360set; void main(void) /无反数值主函数 asm_main(); / 调用装配函数 27 /*端口初始*/ ddra=0x00; /方向寄存器方向为输入 ddrb=0x00; porta=0x00; portb=0x00; pwmctl_con45 =1;/45 口合成选择 pwmprclk=0x00; /ab 口时钟比例选择 0 pwmclk_pclk5=1; pwmcae=0; /左对齐的输出模式 pwmscla=24; /模前置分频器时钟设置 sa=clocka/(2*pwmscla) pwmpol_ppol5=1; /使 5 口先输出高电平 pwmper45=5000; / 设置 45 的周期 pwme_pwme5=1; / 45 口使初始化 atd0ctl3=0x08; / 序列是 1 atd0ctl5=0; /从 0 频道开始 atd0ctl4=0x85; /模数转换频率 2mhz,选用 8 位的 a/d atd0ctl5_mult=8; /使用模块单通道 atd0ctl5_djm=1; /right justify data in the result registers atd0ctl5_scan =0;/single conversion sequences atd0ctl2_affc =1;/ad0 fast flag clear all atd0ctl2_ascie =1; /ad0 interrupt enable tscr1_tffca=1; /flag fast clear mcctl=2; /分频 1/8 mcctl_mcen=1; mcctl_mczi=1; /*pwm 控制*/ pwmctl_con01 =1;/01 口合成选择 pwmctl_con23 =1;/23 口合成选择 pwmpol_ppol1=0; /使 1 口先输出低电平 pwmpol_ppol3=0; /使 3 口先输出低电平 pwmclk_pclk1=1; /设置 clock sa 作为 pwm1 的时钟源 pwmclk_pclk3=1; /设置 clock sb 作为 pwm3 的时钟源 pwmsclb=24; /sb 比例因子 prescaler pwmper01=2000; /设置 01pwm 周期 pwmper23=2000; /设置 23pwm 周期 pwmdty01=500; /设置 01pwm 占空比 0 pwmdty23=1400; /设置 23pwm 占空比 500 pwme_pwme1=1; /pwm1 开启 pwme_pwme3=1; /pwm3 开启 locality90=0; locality180=0; 29 locality270=0; locality360=0; enableinterrupts ; for(;) localitytest(); localitycontrol(); /*定时器*/ void interrupt 26 _set_vtimmdcu_vector_ (void) disableinterrupts; mcctl_mczi=0; / atd0ctl3=0x08; /ad 中断使能 atd0ctl5_mult=0; / 模式中断停止 atd0ctl5_cc =0; atd0ctl5_cb =0; atd0ctl5_ca =0; atd0ctl2_adpu=1; /*实时位置检测*/ void interrupt 22 _set_vatd0_vector_ (void) disableinterrupts;/中断停止 atd0ctl2_adpu=0; data0=atd0dr0l; mccnt=mccntd; mcctl_mczi=1; locality =data0; enableinterrupts;/中断可以工作 /*位置检测*/ void localitytest() if(porta_bit0=1) locality0=1; if(porta_bit1=1) locality90=1; 31 if(porta_bit2=1) locality180=1; if(porta_bit3=1) locality270=1; if(porta_bit4=1) locality360=1; /*位置控制*/ void localitycontrol() if(locality0=1) if(localitylocality0set) / 电机逆行 pwmdty01=0; pwmdty23=2000 ; if(locality=locality90set) pwmdty01=0; pwmdty23=0 ; /电机停止 if(locality90=1) if(localitylocality90set) / 电机逆行 pwmdty01=2000; pwmdty23=0 ; if(locality=locality90set) pwmdty01=0; pwmdty23=0 ; /电机停止 if(locality180=1) if(localitylocality180set) / 电机逆行 pwmdty01=0; pwmdty23=2000 ; if(locality=locality180set) pwmdty01=0; pwmdty23=0 ; /电机停止 if(locality270=1) if(localitylocality270set) / 电机逆行 pwmdty01=2000; pwmdty23=0 ; if(locality=locality270set) pwmdty01=0; pwmdty23=0 ; /电机停止 if(locality360=1) if(localitylocality360set) / 电机逆行 pwmdty01=0; pwmdty23=2000 ; if(locality=locality360set) pwmdty01=0; pwmdty23=0 ; /电机停止 4.2 翻转测台锁止控制 在前面所叙述的设计过程中实现了翻转测台的 360 度的旋转，为了方便和实现任 意面上点的测量应满足翻转测台实现任意角度的锁止。故该设计过程中提出并引进了 电磁制动器来实现上述要求。 电磁制动器是使机械中的运动件停止或减速的机械零件，俗称刹车阀。制动器制 动架、制动件、和操作装置等组成。有些制动器还装有制动件间隙的自动调节装置。 为了减小制动力矩和结构尺寸制动器往往装配在系统设备的高速轴上。 它主要与系列电机配套。广泛应用于建筑、冶金、化工、机床等机械中，以及在 断电时制动等场合。 37 4-2 azm 型电磁制动器 fig.4-2 azm-type electromagnetic brake 上图 4-2azm（断电制动性）三相交流制动器是一种可靠安全型电磁制动器。具 有启动时间快和操作简便等特点。可以广泛应用于要求快速制动，精确定位的各种机 械装备。 电磁制动器机构原理： azm（断电制动性）三相交流制动器结构示意图如图 4-3 图 4-3 azm 电磁制动器结构示意图 fig.4-3 schematic diagram of electromagnetic brake azm 断电时，弹簧产生的压力压紧 5 衔铁组件中衔铁，使 4 制动组件中的制动盘与衔铁 和电机的后端盖产生巨大的摩擦力矩，可使旋转的物体快速制动；当系统通电时，衔 铁产生的磁力克服弹簧的压力，使制动盘脱离制动，使物体恢复自由运动状态。 4.3 水平位置的调节 为了提高测量精度，应当保证测量机在放置过程中保持转轴水平。为了实现转轴 的水平在转台中加上气泡水平仪，利用底座的调整螺栓来实现对水平位置的检测和调 整。 气泡水平仪（如图 4-4 主要用于检验各种机床和工件的平面度、直线度、垂直度 及设备安装的水平位置等。特别是在测垂直度时，磁性水平仪可以吸咐在垂直工作面 上， 不用人工扶持，减轻了劳动强度，同时也避免了人体热量辐射带给水平仪的测量误差。 图 4-4 玻璃圆式气泡水平仪 fig.4-4 glass round-type bubble spirit level 水平仪工作原理：气泡式水平仪的水准管是用玻璃制作成的，水准管的内壁是具 有一定曲率半径额曲面，当水平仪发生倾斜时，水准管内的气泡会向水平仪高的一端 移动，从而确定水平位置。水平仪的精度与水准管曲率半径有关，曲率半径越大，精 度越高，曲率半径越小，精度越低。 4.4 本章小结 本章主要介绍了翻转测台的传动系统得控