三坐标测量机设计【2张CAD图纸和说明书】

摘 要
从60年代初发明到现在，三坐标测量机（CMM）在制造业得到世界范围广泛应用，成为3D检测工业标准设备。三坐标测量技术得到迅速发展，而配套检测软件的发展，更是突飞猛进。最早的三坐标测量机只能显示XYZ坐标，而目前的各种检测软件几乎可以解决用户的绝大部分问题。软件日益成为影响用户使用好坏的关键所在。CMM测量软件发展趋势，对于传统的三坐标测量机检测来说，通常是设计部门提供二维图纸，检验部门根据图纸对工件进行尺寸及形位公差的检测。随着三维CAD软件的应用，越来越多的技术部门使用三维CAD建模技术进行设计。因此，各坐标机厂家纷纷推出了基于三维CAD技术的测量软件，直接将客户设计好的三维CAD模型导入测量软件进行检测。这样做的优点非常明显，不需要额外的图纸，理论值可以直接捕获，更可以进行测量仿真，测头干涉检查等，所以，受到用户的一致好评。基于CAD的测量成为目前三坐标测量软件的发展热点。

关键词　三坐标测量机   传感器   三维     传动装置

Abstract
Invents from the beginning of the 60's to present, coordinate measuring machines (CMM) obtains the worldwide scale widespread application in the manufacturing industry, becomes the 3D examination industry standard equipment. Three coordinates survey technology obtains the rapid development, but the necessary examination software development, is progresses by leaps and bounds. The earliest coordinate measuring machines only can demonstrate the XYZ coordinates, but the present each kind of examination software may solve user's major part problem nearly. The software becomes the influence user use quality the key to be at day by day. The CMM survey software trend of development, regarding the traditional coordinate measuring machines examination, usually is designs the department to provide the two-dimensional blueprint, the inspection department carries on the size and the shape position common difference examination according to the blueprint to the work piece. Along with the three dimensional CAD software application, the more and more many technical department uses the three dimensional CAD modeling technology to carry on the design. Therefore, various coordinates machine factory has promoted in abundance based on the three dimensional CAD technology survey software, the three dimensional CAD model which designs the customer inducts directly surveys the software to carry on the examination. Does this the merit is extremely obvious, does not need the extra blueprint, the theoretical value may catch directly, may carry on the survey simulation, the gauge head interference inspection and so on, therefore, receives the user the consistent high praise. Survey the software based on the CAD survey into at present three coordinates the development hot spot.
Key words　 Coordinate measuring machines   Sensor   Three dimensional      Transmission device

目 录
摘要………………………………………………………………………………I
Abstract………………………………………………………………………II

第1章 绪论………………………………………………………………………1
1.1  三坐标测量机的应用与发展…………………………………………1
1.2  三坐标测量机测量原理………………………………………………4
1.2.1  三坐标测量机的组成…………………………………………5
1.2.2  三坐标测量机的结构特点……………………………………5
1.3  设计要求………………………………………………………………6
第2章 三坐标测量机总体设计方案……………………………………………7
    2.1  设计任务和内容………………………………………………………7
    2.2  总体设计方案拟订……………………………………………………7
        2.2.1  三坐标测量机机械部分设计…………………………………7
        2.2.2  三坐标测量机电路部分设计…………………………………8
    2.3   主要参数的确定……………………………………………………14
第3章  三坐标测量机进给系统的设计计算………………………………15
    3.1  进给系统步进电动机的选择计算…………………………………15
        3.1.1  调速电动机的容量的计算…………………………………15
        3.1.2  步进电动机的概述…………………………………………15
     3.1.3  步进电动机的容量的计算…………………………………16
3.2  轴概述 ………………………………………………………………16  
3.2.1  轴的用途…………………………………………………16
3.2.2  轴的材料……………………………………………………16
        3.2.3  轴的材料……………………………………………………17
3.3   轴的结构设计………………………………………………………17
        3.3.1  拟定轴上零件的装配方案…………………………………17
        3.3.2  轴上零件的定位 ……………………………………………17
3.3.3  轴的结构设计………………………………………………18
        3.3.4  初步设计轴的最小直径.............................20
        3.3.5  拟定轴上零件的装配方案…………………………………21
        3.3.6  根据轴向定位的要求确定轴的个段直径和长度…………21
        3.3.7  轴上零件的轴向定位………………………………………22
        3.3.8  确定轴上圆角和倒角尺寸………………………………22
    3.4  丝杠螺母副的选用计算…………………………………………22
        3.4.1  丝杠螺母的导程的确定……………………………………22
        3.4.2  确定丝杠的等效转速………………………………………23
        3.4.3  丝杠的等效负………………………………………………23
3.4.4  确定丝杠所受的最大动载荷Cax…………………………23
3.4.5   临界压缩负荷Fcr…………………………………………23
3.4.6   临界转速验算………………………………………………24
3.4.7   计算轴承动载荷……………………………………………25
        3.4.8   丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算………………26
    3.5   丝杠的扭转刚度……………………………………………………26
    3.6   传动精度计算………………………………………………………27
    3.7   导轨的选型及计算…………………………………………………27
        3.7.1   滚动导轨的结构及配………………………………………28
        3.7.2   滚动导轨副的预紧…………………………………………28
        3.7.3   滚动导轨副润滑防护………………………………………29
    3.8   横向伺服进给系统的设计计算（同以上方法）……………………29
    3.9   纵向、横向的移动工作台的装配图（见附图1）…………………29
第4 章 夹具的初步设计………………………………………………………30
    4.1   载要…………………………………………………………………30
    4.2   机床夹具的基本要求………………………………………………30
    4.3   机床夹具概述………………………………………………………31
        4.3.1   机床夹具的分类……………………………………………31
        4.3.2   夹具的作用…………………………………………………31
        4.3.3   夹具的组成…………………………………………………31
    4.4   螺旋夹紧装置………………………………………………………32
        4.4.1   螺旋夹紧力计算……………………………………………33
        4.4.2   螺旋夹紧的自锁性能和传力系数…………………………34
    4.5   螺旋夹紧机构的特点………………………………………………34
    4.6   横向伺服系统和立拄的设计计算…………………………………35
第5章  三坐标测量机的测头装置……………………………………………36
第 6章  经济技术性分析……………………………………………………38

结论 …………………………………………………………………………41
致谢 …………………………………………………………………………42
参考文献 ……………………………………………………………………43
附录1 …………………………………………………………………………44
附录2  …………………………………………………………………………50
附录3  …………………………………………………………………………58
1.1  三坐标测量机的应用与发展
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。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对冲压件、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。特点： 1、 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、 配件万向电子测头，并通过各种测头配件，既可以对远程和深孔进行数据采点，也能完成中、小型零部件的测量 3、 本测量仪具有方便的现场自校定功能，用户可根据实际情况进行精度校正，保证在不同环境温度下测量数据的真实可靠。
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对冲压件、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。特点：
    1、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、配件万向电子测头，并通过各种测头配件，既可以对远程和深孔进行数据采点，也能完成中、小型零部件的测量
    3、本测量仪具有方便的现场自校定功能，用户可根据实际情况进行精度校正，保证在不同环境温度下测量数据的真实可靠。
    4、采用智能数显系统将原电器箱上各项功能都让计算机来处理，摒弃了电器箱，只用一块小的信号处理板对各路信号进行处理以保证长线传输无误。光栅和测头信号由信号处理板处理后，经通讯电缆传输至计算机内安装的一块三轴正交记数卡，通过编制软件对其进行控制，以实现原电器箱的功能。智能数显系统的开发，利用计算机进行大量数据存储和处理，空间精度修正不仅使车间装调人员工作量降低，也使测量仪精度有了保障。采用高性能记数卡，减少硬件设备，降低了系统的故障发生率。该系统具有原电器箱几乎所有功能，界面直观，很多操作在面板上即可直接完成，菜单功能简洁明了，用户极易上手。一些关键性操作都给出了提示和警告，可以防止用户在不太清楚的情况下误操作而导致系统工作不正常。
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仪器，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1/5～1/3。例如某一被测箱体上二孔的孔距为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3um～5um。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1/10～1/5。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。
总之，用户应选用精度（包括重复精度）高一些的测量机。这不仅由于测量复杂件时，测点可能带入的误差比预想的要大（由于测头测杆变化或加长会引入更大的误差），而且测量机的精度会随使用次数增多而有所下降。
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、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、丰富的测量软件
对复杂的测量对象进行测量，测量机应有丰富的测量软件支持，以完成测量任务。如缺少某些软件，可根据被测对象向生产厂家索取。如果厂方提供了编程方法（多数厂家不提供），也可自行开发。
5、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。
6、功能齐全的测量头
测量头是测量机上重要的传感器件。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。
7、满意的经济效益
作为检测仪器，测量机的经济效益是投资购买的一项重要指标。虽然它不像生产机床那样便于计算，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。