毕业设计（论文）-经济型三座标测量机设计.doc

济南大学泉城学院毕业设计济南大学泉城学院毕 业 设 计题 目 经济型三坐标测量机设计 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机设0702班 学 生 学 号 指导教师 (宋体三号，居中) 二一一 年 五 月 二十 日I1前言三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，简称CMM）是20世纪60年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为三坐标测量机的产生提供了技术基础。近40年来，它广泛地用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测，例如箱体、导轨、祸轮、叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量。此外，还可用于划线、定中心孔、光刻集成线路等，并可对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。由于它的通用性强、测量范围大、精度高、性能好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密仪器，故有“测量中心”之称。三坐标测量机作为现代大型的精密测量仪器，已经越来越显示出它的重要性和广阔的发展前景。它可方便地进行空间三维尺寸的测量，可实现在线检测及自动化测量。它的优点是：通用性强，可实现空间对坐标点位的测量，方便地检测出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度； 测量精确可靠； 可方便地进行数据处理与程序控制。到20世纪60年代末，已有近十个国家的三十多家公司在生产CMM，不过这一时期的CMM尚处于初级阶段。进入20世纪80年代后，以ZEISS、LEITZ、DEA、LK、三丰、SIP、FERRANTI、MOORE等为代表的众多公司不断推出新产品，使得CMM的发展速度加快。我国自70年代开始引进研制三坐标测量及以来，也有了很大发展。我国的主要生产厂家有中国航空精密机械研究所、青岛前哨英柯发测量设备有限公司、上海机床厂、北京机床研究所等。1.1 三坐标测量机的需求和研究意义近年来，工业生产有了很大的发展，特别是机床、机械、航空航天和电子工业兴起后，各种复杂零件的研制和生产需要先进的检测技术与仪器，因而体现三维测量技术的三坐标测量机应运而生，并迅速发展。三坐标是基于以下客观要求发展起来的：(1) 越来越多的零件需要三维测量，而传统的测量方法已近不能满足生产的需要。(2) 由于机械加工。数控机床加工及自动加工线的发展，生产节拍的加快，加工一个零件仅有几十分钟或几分钟，要求加快对复杂工件的检测。(3) 随着生产规模日益的扩大，加工精度不断提高，除了需要高精度三坐标测量机在计量室检测外，为了便于直接检测工件还需在生产线或者加工车间进行。其检测数量加大，科学化管理程度加强，因而需要各种精度的坐标测量机。(4) 实现反向工程的需要。由此可知，CMM的出现标志了计量仪器领域的重大变革，在测试技术领域起到了里程碑的作用。三坐标测量机对测量技术的重要作用主要表现在：(1) 成功解决了像箱体零件的孔径与空位、叶片与齿轮、汽车与飞机等的外轮廓尺寸检测的问题。(2) 精确度得以提升，有些坐标测量机的单轴精度可达到0.001。(3) 数控机床和加工中心配套组成的生产线甚至柔性制造系统都离不开三坐标测量仪。这些不见得配合使用可有效提高效率。1.2 三坐标测量机的发展历程、现状和动态1.2.1三坐标测量机的发展历程及其分类三坐标测量机广泛地用于机械制造、电子工业、汽车和航空航天等工业中。它不仅可用作零件和部件的尺寸形状及相互位置的检测，例如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、型体等空间型面的测量，而且能与柔性制造系统相连接以实现设计、制造和检测一体化。由于它的通用性强，测量范围大、精度高、效率高、性能好，因此世界上第一台测量机是英国FERRANTI公司于1956年研制成功，当时的测量方式是测头接触工件后，靠脚踏板来记录当前坐标值，然后使用计算器来计算元素间的位置关系。自1959年世界上第一台三坐标测量机在英国制造出来，仅四十多年的历史，它就取得了飞速的发展，至今已经历了几个发展阶段，并逐渐形成了以下几种类型：(1) 手动数字显示及打印型这种类型坐标测量机主要用于几何尺寸测量，可显示并打印出测得点的坐标数据，但要获得所需的几何尺寸形位误差，还需进行人工运算，其技术水平较低，带有电传打印系统的坐标测量机虽然解决了数据打印问题，但记录下来的数据仍需要人工进行运算。例如在测量机上测量孔距，实际上测得的是孔上各点的x与Y坐标，需要进行计算处理才能得出结果，人工计算工作量很大，所以这类测量机目前己被淘汰。(2) 带有计算机进行数据处理型带有小型电子计算机的测量机的数据系统由三部分组成:即数据输入部分、数据处理部分与数据输出部分。用计算机处理测量数据，可完成诸如工件安装倾斜的自动校正计算、坐标变换、孔心距计算、偏差值计算等数据处理工作。并且可以预先储备一定量的数据，通过计量软件存储所需测量件的数学模型，对曲线表面轮廓进行扫描测量。此类型的三坐标测量机采用手动或机动皆可。(3) 计算机数字控制型(CNC)带有小型电子计算机数据处理的测量机虽解决了数据处理问题，但测量过程仍然是手动或机动的，对一些大型零件(如汽车外壳、叶片或航空工业与空间技术中的一些具有曲线表面的零件)和一些精度要求较高或对测力有一定要求的零件(如非金属材料或薄壁零件等)的测量，手工操作既费力，又不能保证检验精度，因此发展出计算机数字控制坐标测量机。这种测量机可像数控机床一样可按照编制好的程序自动进行测量。计算机将贮存在磁盘中的程序读入，经信息处理，通过数控伺服机构控制测量机按程序自动测量，并将测量的结果输入计算机，按测量要求进行数据处理并自动打印数据或磁盘等形式输出。1.2.2 三坐标测量机的发展现状三坐标测量机是近30年才发展起来的，国外著名的厂家有HEXAGON集团(Leitz公司、DEA公司、Brown&Sharpe公司)、Zeiss公司、三丰公司等。我国从八十年代开始引进研制三坐标测量机，除青岛前哨朗普公司外，北京航空精密机械研究所(303所)、北京机床研究所、上海机床厂、昆明机床厂、新天光学仪器厂等也都先后涉足三坐标领域。他们基本都是引进国外的生产许可证，但由于种种原因，生产的一直是国际上八十年代水平的产品，市场占有率逐年下降，现在大部分已退出三坐标测量机市场。前哨朗普公司走的是吸收学习、自主开发之路。随着QIC数控系统的推出，大大提高了我国数控测量技术的整体制造水平，增强了公司产品在国际市场的竞争能力，改变了我国在数控测量领域依赖国外进口的局面。我们公司的产品已占领了国内53%的三坐标测量机市场，而其它所有国内公司的市场占有率总和不到5%，其余市场被国外几个公司瓜分。前哨朗普现在已经遥遥领先于国内同行的水平，跻身于国际三坐标测量机集团的前列，替代了进口。（1）国外概况国外三坐标测量机生产厂家较多，系列品种很多，大多数都有划线功能。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、美国的布郎-夏普、日本的三丰等公司。总的来说，国外机器有以下特点：a.绝大多数机器总体布局为悬臂式，空间敞开性好，便于安装大的零件或整车.b.采用AutoCAD 和有限元法进行优化设计，结构较合理，造型优美；c.专项开发力量强，专用软件和附件较多，能满足更多用户的特殊需要；d.移动构件多数用合金铝材，移动件质量尽可能小，做到高刚性、低惯性；e. 配有21项误差补偿软件，可以廉价地提高机器精度；f.配有32位DSP 连续轨迹控制系统，它是一种性能优于CPU的数据信号处理器，是超大规模集成电路。它除了有较高的运算和控制功能外，还有内部存储的许多可供开发的高级语言程序；g.绝大多数机器采用Renishow公司（英国）的电测头，功能齐全，质量可靠；h.配有功能齐全的控制测量软件、专用和误差修正软件；i.机器的性能高度稳定可靠，使用寿命长；j.三坐标测量机与计算机工作站和数控机床联网；k.三坐标测量机技术近十多年来突飞猛进发展，特别是数控系统和测量软件每二三年便更新一代； l.系列品种齐全，“三化”（即标准化、通用化、系列化）程度高。（2）国内概况我国自20世纪70年代开始引进、研制三坐标测量机以来，也有了很大发展。国内引进较多的是:/蔡司（Zeiss）和莱茨（Leitz）、意大利的DEA、美国的布郎-夏普、日本的三丰等公司的产品。而国内的生产单位也已经有了很大的发展，主要的生产厂家有中国航空精密机械研究所、青岛前哨英柯发测量设备有限公司、上海机床厂、北京机床研究所、哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂和新天光仪器厂等。现在，我国具有年产几百台各种型号三坐标测量机的能力。国内三坐标测量机近十年来发展也较快，但同国外相比还有一定差距，主要有以下几方面：系列品种较少，“三化”程度低；新产品开发周期长，主要原因是元件和材料配套难；机加工周期长等；产品的稳定性较差，特别是电控系统，可靠性较差，故障率较高，寿命相对低，此外软件功能相对少些，特别是专用软件更少，与计算机工作站和数控机床联网问题，仅有极少数测量机刚刚起步，多数机器还没开始这项工作，有待进一步开发研究。1.2.3 三坐标测量机的发展动态目前国内外正在探索简单、快速、易行而精度高的测试方法，比如用误差综合修正法来提高三坐标测量机的精度。三坐标测量机的测量精度及工作效率与测量头密切相关。研制高精度的测量头是三坐标测量机研究的重要方面。先进制造技术、各种工程项目与科学实验的需要也对三坐标测量机不断提出新的、更高的要求。三坐标测量头的主要作用是能实现三维瞄准，有的三向测量头还能用作测微。三坐标测量机测头的精度要求高，一般高精度类型测量头的单向重复精度要达0.1微米 ,三向综合精度要达0.2-0.5微米。某些情况下，不仅要求三坐标测量头能瞄准并发出信号，还要求它能实现测量，这时要求它有较大的测量范围，线性好且精度高。从目前国内外三坐标测量机发展情况和科技生产对三坐标测量机提出的要求来看，其发展趋势可以概括为以下几方面:(1) 提高测量精度和普及高速测量。精密级的三坐标测量机测量空间任何一点的坐标精度均可达到微米级。但是现代的超精加工、科学研究中往往提出纳米级的精度要求。质量与效率一直是衡量各种机器性能、生产过程优劣的两项主要指标。传统的概念是为了保证测量精度，测量速度不宜过高。随着生产节奏不断加快，用户在要求测量机保证测量精度的同时，会对CMM的测量速度提出越来越高的要求。(2) 提高测量效率。现代的生产节奏不断加快，要求测量在保证必要测量精度的同时，还要有较高的效率。铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广泛的应用。由于新型材料良好的导热性，所以在发生温度分布不均匀时，也能在极短的时间内迅速达到热平稳，将由温度变化所产生的热变形减至最低。为此，近几年引起了厂商的改型高潮，新品种层出不穷。技术指标的进步表现在两个方面：a. 最高运动速度达到15m/s以上b. 环境温度要求可降低到204 (3) 发展新型测头技术。三坐标测量机除了机械本体外，测头是测量机达到高精度的关键，也是坐标测量机的核心。与其他各项技术指标相比，提高测头的性能指标难度最大。理想测头最主要的性能指标是测头接近零件能力的参数：在同等精度指标下，测头端部的测头体直径D与测杆长度L 的长径比为D/L。其值愈大，其性能愈好。在采用非接触式测头的情况下，不仅可以在测量机的连续运动过程中对工件进行“飞测”，而且可以同时对一个面进行测量。具有高精度、较大量程、能用于扫描测量的模拟测头，以及能伸入小孔、用于测量微型零件的专门测头也将获得发展。不同类型的测头同时使用或交替使用，也是一个重要发展方向。(4) 采用新材料，运用新技术。近年来，铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广泛的应用，德国Zeiss公司的CARAT技术就是采用铝合金制作高速运行的三坐标测量机。(5) 软件智能技术。发展智能测量机，现代测量机软件越来越丰富，它不仅包括坐标系的转换、端侧半径补偿、控制软件、数据处理软件，还包括误差补偿软件，CAD, CAM软件与网络通信软件等。测量机的功能主要由软件决定。三坐标测量机的操作、使用的方便性，也首先取决于软件，测量机每一项新技术的发展，都必须有相应配套的软件技术跟上。可以说测量机软件是三坐标测量机中发展最为迅速的一项技术。软件的发展将使三坐标测量机向智能化的方向发展，它至少将包括能进行自动编程、按测量任务对测量机进行优化、故障自动诊断等方面的内容。(6) 开放式系统。目前多数测量机都配置制造厂商自行制造他们专用的制造系统。这使得开放式、具有通用性与柔性的三坐标控制系统发展缓慢。既可以改进测量机的结构设计，提高控制系统性能，又可以进行动态误差补偿，在实现高速测量的同时保证高精度；采用非接触式测头测量方式，在触测情况下，由于工件与测头的接触速度不能太大，这就给测量速度带来了很大的限制。(7) 制造系统的不断发展。进入制造系统，成为制造系统组成部分，在现代制造系统中，测量的目的越来越不能仅仅局限于成品验收检验，而是向整个制造系统提供有关制造过程的信息，为控制提供依据。从这一要求出发，必须要求测量机具有开放式控制系统，具有更大的柔性。为此，要尽可能利用发展迅速的新的电子工业技术，尤其是计算机，设计新的高性近年来，计算机价格一直在降低，而性能愈来愈好。从发展趋势来看，三坐标测量机将越来越多地用于生产线。(8) 加强量值传递、误差与补偿的研究。误差补偿技术是一项能以较低的成本、大幅度地提高坐标测量机测量精度的先进技术手段。测量机的结构设计改进及材料的变化，结构优化以提高刚性，减轻运动部件的质量；使用轻质材料来降低运动惯性，即由普通使用的花岗石等传统材料转变为密度与杨氏模数之比低的材料、薄壁空心结构等。铝、陶瓷、人工合成材料在测量机中获得了越来越多的应用；高速的动态性能要求提高动态补偿能力，动态误差与测量机的结构参数和运动规程有关。1.3 三坐标测量机的组成三坐标测量机种类繁多、各式各样、性能更不相同，所测试的工件和放置的环境条件也有很大差别，但是大体上都是有若干具有一定功能的部分组合而成。作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被测量与标准量，并将比较结果用数值表示出来。三坐标测量机需要3个方向的标尺，通过导轨实现沿x，y，z轴的运动，还需要三维测头对被测量进行探测和瞄准。此外，测量机还具有数据处理和自动检测等功能，需由相应的电气控制系统与计算机软件和硬件联合实现。三坐标测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分，如图1.3所示。43615X2YZ图1.3 三坐标测量机的组成图1工作台 2移动桥架 3中央滑架 4Z轴 5测头 6电子系统Z1.4 三坐标测量机的选用、经济效益和本课题的设计任务1.4.1 三坐标测量机的选用目前大多数测量机都带有计算机和相应的软件系统。计算机不仅对测量结果进行数据处理，还按程序控制测量机进行自动测量，所以还必须配备驱动控制软件。计算机与外围设备，驱动控制系统、位置测量系统、测头信息系统等通过接口联系起来.软件部分一般有系统应用软件作逻辑控制，它具有广泛的、多种类型的数据测量、计算和处理的功能;还有外部编制的“零件程序”。但从其使用的角度看，如何选用合适的测量机来满足检测要求，又能达到最佳的性价比，同时产生较高的经济效益是广大用户的关心治所在。因此在选择三坐标测量机时，一般遵循以下几个原则：a. 合理的测量精度b. 合乎要求的测量范围c. 合适的测量机类型d. 丰富的测量软件e. 符合要求的测量效率f. 功能齐全的测量头1.4.2 三坐标测量机的经济效益目前市面上的三坐标测量机虽然功能齐全，精度高，测量范围广，测量物体形状可很复杂。但是，三坐标测量机在提高了测量水平同时也伴随着一些不足之处，其价格很昂贵，而且附件多，有的附件价格为主机价格的两倍以上。用在测量一些形状不是很复杂的物体显得比较浪费，其维护保养也比较高，对工作环境要求高。本次设计的经济型三坐标测量机，结构比较简单，可用在对形状不复杂的物体（尤其是对称结构和回转体）的测量，比较经济。1.4.3本课题的设计任务对三坐标测量机进行总体设计和机械部件的详细设计，要求人性化设计，具有优良的可操作性。具体内容为:(1) 机身的选择设计(2) 测头的设计(3) 平衡装置的设计(4) 步进电机的选择计算(5) 同步带和同步带轮的设计计算(6) 滚珠丝杠副的选择计算(7) 导轨副的选择计算(8) 三坐标测量机总体方案的设计2 主机设计经济性三坐标测量机是在已经加工好的产品上，利用测头与工件型面靠近测得的一系列点的坐标值，进而计算出尺寸、形位误差值的测量设备。三坐标测量机的分类众多，主要有以下几种。(1) 按自动化程度分类按自动化程度分为数字显示及打印型、带小型计算机的测量机、计算机数字控制型。(2) 按结构形式与运动关系分类按结构形式与运动关系分为移动桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗式、卧镗式和仪器台式等。(3) 按测量范围分类按测量范围分为:小型、中型、和大型坐标测量机。(4) 按测量精度分类按精度分为低精度、中精度、高精度测量机。作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被测与标准量，并用数值表示出来。相应方向的运动，三坐标测量机需要三个方向的标准器(标尺)，利用导轨和三维测头对被测量进行探测和瞄准。此外，测量机还具有数据自动处理和自动监测等功能，需要由相应的电气控制系统与计算机软硬件实现。三坐标测量机主要分为机械系统和检测系统两大部分。(1) 机械系统三坐标测量机机械系统主要包括:框架结构、标尺系统、导轨、驱动装置、平衡部件、转台与附件等。(2) 检测系统三维测头即是三维测量传感器，它可在三个方向上感受瞄准信号和微小位移，以实现瞄准和测微两项功能。主要有硬测头、光学测头等。测头有接触式和非接触式之分。按输出信号分，有用于发信号的触发式测头和用于扫描的瞄准式测头、测微式测头等。2.1 三坐标测量机的框架结构设计在三坐标测量机的多种结构形式中，移动桥式三坐标测量机是目前应用最广泛的。本机也采用了这种形式。它主要由四部分组成：工作台1（图2.11）是固定不动的，桥框2可沿工作台1上的导轨沿着X向运动，滑架4可沿桥框2横梁上的导轨沿Y向运动,主轴5可沿Z向运动。被测工件安放在工作台1上，测头装在主轴5上。1-工作台 2-桥框 3-X向标尺 4-滑架 5-主轴Z图2.1 三坐标测量机的结构形式三坐标测量机的框架结构设计如图2.1所示。这种形式的三坐标测量机结构简单、紧凑、刚度好，具有较开阔的空间。工件直接在工作台上，可以承受质量较大的工件，同时质量对测量机的动态性能没有影响。因此在中小型测量机多采用这种形式。但是这种结构还有一些缺点。表现为在Y方向存在阿贝臂，X轴方向容易引起爬行现象，对测量的精度产生不容忽视的影响。移动部分不仅包括桥框的横梁，还有左右方向上的立柱。因此对大型测量机而言，其立柱很高，跨度较大，为保证刚度，衡量与立柱的截面均较大，导致移动件质量很大，所以只用于小型测量机中。2.2 三坐标测量机的结构材料选择结构材料对三坐标测量机的精度、性能有很大影响，随着各种新型材料的研究、开发和应用，三坐标测量机的结构材料也越来越多，性能也越来越好。常用的结构材料有铸铁、钢、花岗石、陶瓷、铝合金等。铸铁应用较普遍，它有耐磨性好、变形小、宜加工、成本低、线膨胀系数与多数被测件接近等优点，但铸铁易受腐蚀，耐磨性低于花岗石，强度不高等缺点越来越制约其使用。钢材具有刚性和强度好的优点，同时也易焊接与铸铁件相比有着很多优势，经过焊接可获得较高的稳定性，并且灵活性高可以焊接出空腔甚至多腔结构的封闭性薄壳零件。花岗石比钢轻，比铝重，是应用较为普遍的材料。其主要优点是变形小、稳定性好、不生锈，易于作平面加工，易于达到比铸铁更高的平面度，适合制作高精度的平台与导轨。陶瓷和铝合金的综合性能较好，但是其工艺过程复杂，成本较高常用于精度很高的场合。综上所述可知，在设计经济型三坐标测量仪时既要保证其具有要求的测量精度，有需要一定的经济性。由于铸铁材料的线膨胀系数与钢接近，在整个机器结构中只采用铁金属材料可避免复杂变形并且铸件可以经过较长时间的自然时效，有利于保持长期稳定性。鉴于其低廉的成本，因此本机采用铸铁作为基座材料。考虑到对精度的要求，它的工作台、立柱、各轴导轨、X,Y,Z轴使用花岗岩石制造。3 测量装置的设计3.1三坐标测量机的标尺系统测量系统也成为标尺系统，是坐标测量机的重要组成部分。在设计坐标测量及时，恰当地选择测量系统，对于提高整机精度是非常重要的。原因是测量系统直接影响坐标测量机的精度、性能和成本。另外，不同的测量系统，对坐标测量机的使用环境也有不同的要求。国内外坐标测量机上实用的测量系统种类很多。它们和各种机床与仪器上使用的测量系统基本相似。按性质来说分为三大种类，分别是机械式测量系统、光学式测量系统、电气式测量系统。目前使用的测量系统最多的是光栅，其次是感应同步器和光学编码器。如需要高精度的测量，则可使用激光干涉仪。在设计经济型三坐标测量仪时考虑到对精度的要求以及结构的简单性，可选择使用光栅测量系统。因为光栅测量系统具有许多优点，例如光栅尺体积小，制造容易，安装方便，测量精度高，所得到的光电信号容易细分。因此可以在X，Y，Z的导轨上安装3个光栅尺，但光栅吃不耐腐蚀和灰尘，因此环境的清洁度要求较高。3.2三坐标测量机的测头设计三坐标测量机是一种高精度、量程大、通用性强、效率高的测量仪器，它能对复杂的零件进行精确的三维测量。测量机是用测头来拾取信号的。三坐标测量机的功能、工作效率、精度与测头密切相关。没有先进的测头，就无法发挥测量机的功能。坐标测量机的发展促进了新型侧头的研制，新型测头的出现又使其功能更加完善。三坐标测量头其实可以看作一种传感器，但是它的功能、结构比一般的传感器复杂。它有俩大基本功能，分别是测微（测偏差）和触发瞄准并过零发讯。按照结构的不同，测头分为光电式、电气式和机械式。机械式主要用于手动测量；光学式用于非接触测量；电气式用于接触式的自动测量。按照测量方法不同，测量头分为接触式和非接触式俩类。接触式测量头便于拾取三向尺寸信号，种类丰富，应用广泛。在设计三坐标测量的测头时需要考虑到以下几个方面：1) 测头需要自身能多向运动，并可补偿测头的测端半径，因为被测工件的曲面、深孔、曲线等工作的要求。2) 由于测量机要求测量速度快，自动化程度高，能测量各种工件与参数，故结构上常采用多探针形式。3) 测量机需要数显以及和计算机数据处理联系在仪器，因此测头的回转、更换，测头锁紧及测力机构等一般采用电气及光电系统。4) 测头需要达到比较高的精度。5) 测头需要有很大的量程。在考虑到以上条件后，结合市场上的所使用的产品，最终选择电气测头中的电触式作为经济型三坐标测量机的测量头。它有结构简单、使用方便、又有较高的发讯精度，是各种三维测头中应用最为广泛的测头。这种电触式开关测头又称触发测头。它是利用电触头的开合进行瞄准的，它主要用于“飞跃”测量中。所谓“飞跃”测量就是在检测零件时，测头缓慢前进，当过“零点”时，测头自动发信号，不待测头停止运动或退回，就已经“瞄准”完毕。其结构形式如图3.21所示。测头体是由主体3及下底座10通过三根防转杆2连接组成的，用三个螺钉1拧紧而连成。测杆11安在测头座7上，测头座7的地面上有120均匀分布的圆柱体8（共三个）。圆柱体8与装在下底座上的六个钢球9俩俩相配，组成三对钢球接触副。测头座7为半球形，顶部有一压力弹簧6向下压紧，使三对接触副接触。弹簧的力大小可由螺杆5调整。为防止侧头座在运动中绕轴向转位，设置了2。测头座7上的防转槽与防转杆之间有较大间隙，只要能防止产生大的扭转错位即可。电路导线由插座4引出。电触式测头的工作原理相当于零位发讯开关，当三组接触副均接触时，它们将底座10上的印制线路接通，这时指示灯熄灭。当测端12与被测件接触时，在外力的作用下，测头座7发生位移或偏移，此时三对钢球接触副会至少有一对脱离，从而发出过零信号，表明原先的通路变为短路，指示灯点亮。当测端12与被测件脱离后，外力消失，弹簧6的力使测头座7回到原位置。图3.2-1 测头的结构形式图 3.3三坐标测量机的平衡部件三坐标测量机中，由于Y轴处于垂直方向，因此对于轴需要加一个和运动部分的重量相同的反方向平衡力，以避免主轴自行下落破坏测头，同时使部件沿导轨上下移动时轻便而平稳，能够叫稳定的停止。因此，平衡机构必须满足不管移动部件在何工作位置时，平衡力的大小和方向应始终保持不变。在平衡机构中通常有重锤平衡机构、弹簧平衡机构、气压平衡机构和用传动机构实现平衡等方式。重锤机构虽然简单，但是增加了仪器的质量和体积，同时增大了运动部件的惯量。考虑到以上几点最终选择了弹簧平衡机构，因为其占用空间小、结构简单、容易控制虽然平衡力不完全恒定，但是在小行程的坐标测量机中使用，完全符合要求。弹簧式平衡机构如图3.31所示。图3.31 弹簧式平衡机构4驱动机构的选择计算 三坐标测量机中驱动系统是指沿三个方向（X,Y,Z）D的驱动系统。对驱动系统的基本要求有传动平稳、高刚度、爬行小，同时不会产生较大的振动与噪声。主要有丝杠传动、钢带传动、齿形带传动、齿轮齿条传动、摩擦轮传动、气压传动、直线电机驱动。因此，应该根据具体情况选择合适的驱动方式以及电动机。4.1丝杠传动的选择计算4.1.1 丝杠的选择和概述在精密传动机械中，丝杠传动（螺纹传动）是比较常用的一种形式。其主要作用是把螺旋运动转变成直线运动，在三坐标测量机中，位移的传动是主要要求。在计算机的指令下，驱动机构精确的把运动部件送到所需位置。从原理上看，三坐标测量机是根据标尺系统反馈回来的信息去确定运动部件是否达到所需位置。一般情况下，机构的传动误差不会直接引起定位误差。但是精度不高，有空程、爬行等现象的驱动机构就会演唱寻觅准确位置的时间，甚至造成往复搜索导致不能定位。当丝杠的精度和分辨力较高时，对精确定位的实现是非常有利的，并且丝杠传动还具有自锁性能，只要丝杠停止运动，运动部件不会在惯性力或者重力的作用下继续运动。这对z轴非常重要，即使Z轴平衡不好，也不会在自重作用下自行下垂。当丝杠传动比较大时，有利于提高分辨力从而实现精确的定位，但对快速驱动有很大影响。在传动中，有大量滚珠交替参加啮合，而这些滚珠有不可避免地有一些尺寸差异和形状误差，这是螺母会有一些请向微颤，会影响直线运动精度，有的可能造成运动干涉。当采用浮动机构时，可有效避免径向震颤对滑板的影响因此传动装置可选择为步进电机带动滚珠丝杠旋转，带动上面的工作台（装有测头）在滚动直线导轨上作直线运动，在X轴、Y轴、Z轴三个方向上各装一套，从而实现经济性三坐标测量机在三个方向的测量。如图4.1-1所示。同时在测头上设置旋转装置用以实现回转运动，便于测量。图4.1传动系统示意图三坐标测量机在X、Y、Z三个方向的运动都是直线运动，丝杠螺母机构是机床上最常见的一种直线运动机构普通精度的丝杠螺母机构广泛应用在各种机床和测量仪器的进给传动；高精度的丝杠螺母机构则应用在高精度的丝杠车床、螺纹磨床等精密机床；滚动丝杠螺母机构和静压螺母机构主要应用在精密机床、数控机床和测量仪器上。普通丝杠螺母传动的方式是滑动摩擦，因此具有摩擦力高，传动效率低，磨损较大等一系列的缺点。如果用于三坐标测量机的进给机构，虽然能满足三坐标测量机三个坐标方向上运动能精确的相互配合以及无间隙或间隙很小的要求，但是动作灵敏性差、精度得不到保证，摩擦力增大，运动不灵敏，不能满足要求。所以，要选用滚珠丝杠副。4.1.2滚珠丝杠副的特点与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副机构具有下列优点：(1) 传动效率高。由于滚动摩擦具有较小的摩擦，因此其传动效率高，一般可以达到90%以上是普通滑动丝杠副效率的三倍左右。用较小的扭矩就能获得较大的轴向推力。但是由于其摩擦力比较小，导致机构不能自锁。这种机构不仅将旋转运动变为直线运动，还可以将直线运动变为旋转运动，这种运动上的可逆性是滚珠丝杠副所独有的。(2) 动作灵敏。滚动摩擦的摩擦阻力很小，所以滚珠丝杠副的动作很灵敏，用较小的力矩就可以启动，而且在速度很低的情况下，人可以获得均匀的速度，有利于克服爬行现象，因此，特别适用于位移很低的传动，(3) 无间隙传动。在丝杠上用两个滚珠螺母可以调整到完全消除轴向间隙，而且还可以加一定的预紧力来提高轴向刚度，在无间隙和过盈的情况下，因此适用于精确位移传动。(4) 磨损小、精度保持性好。滚动摩擦要比滑动摩擦磨损小得多，而且滚珠、丝杠和螺母的螺旋槽表面都是淬硬的，故在长期运转中仍能保持较好的精度。4.1.3 滚珠丝杠副的选择与计算1、确定导程电机通过传动带连接丝杠，其传动比为i=1 取 （4.1-3a）2、计算丝杠各级转速及丝杠轴向负荷已知数据， （4.1-3b）代入数据， 3、求滚珠丝杠的当量载荷及当量转速，滚珠丝杠副在转速，,条件下工作时间分别是，,，受到的载荷为,.当量载荷 （4.1-3c）当量转速 （4.1-3d）4、计算额定载荷下限值轴向基本额定寿命：为一组相同参数的滚珠丝杠副，在相同的条件下，运转转时，90%的滚珠丝杠副的螺纹滚道表面或钢球的表面不发生疲劳点蚀前所能承受的最大载荷。 最大轴向载荷为滚珠丝杠副在当量载荷及当量转速条件下运转，达到预期寿命时所能承受的最大轴向载荷。设计选用滚珠丝杠时根据机床定位要求，预选精度等级为2级，查表4.1-2及表4.1-4取载荷系数=1.1，=1表4.1-2 精度等级系数精度等级1、2、3、4、57101.00.90.7表4.1-3 负载性质系数负荷性质平稳冲击振动11.21.21.51.52额定载荷下限值： （4.1-3e）式中，-预期运行时间（h），取值见表4.14表4.1-4 工作时间机床20000小时生产机械10000小时自动化设备15000小时测试仪器15000小时5、估算丝杠最小底径表4.1-5各个符号意义符号意义及用处b1丝杠螺纹左端到左轴承的距离b2丝杠螺纹右端到右轴承的距离Le余程La安全行程 La=(12)PhLx机械最大行程Lx螺母长度L1丝杠螺纹长度L1=2Le+2La+Lx+LnLu有效行程Lu=L1-2Le左右端轴承之间的距离=L1+b1+b2L213种情况计算用长度L2=b1+Le+La+Ln/2L313种情况计算及Pc用长度L3=L2+LxL413种情况计算用长度L4=Lz-L2L5第四种情况计算K、Pc、用长度L5=b+Le+La+Lx+Ln/2丝杠采用支承支承安装方式，由表4.1-5知两轴承间的距离估计允许的滚珠丝杠的最大弹性模量 ，按失动量的算 （4.1-3f）-失动量，取0.003mm。根据丝杠的安装方式来估计丝杠最小底径 （4.1-3g） 式中,-失动量（）；-两端固定支撑的距离（mm）；-检测位置精度空运转时，作用在滚珠丝杠副上的轴向载荷（N）；-机械最大行程。6、选择滚珠丝杠的型号规格根据上面程序已计算出的值选择滚珠丝杠副的型号规格。注意从样本中所选的滚珠丝杠副的，的下限值不宜过大，否则会使滚珠丝杠副的转动惯量增大，驱动力矩增大，结构尺寸偏大，造成制造成本增高。根据 , ,选择内循环反相器双螺母垫片预紧的滚珠丝杠 ，型号为GD32053P2,，=5609.2满足设计要求。7、计算滚珠丝杠的值 （4.1-3h）满足要求。8、确定预紧力预紧滚珠丝杠副的轴向接触刚度随着预紧力的增大而增大，在滚珠丝杠副承受最大轴向载荷3的范围内是一常数，但预紧力太大。会导致发热量的增大，寿命减小。所以预紧力按照下列要求选取 （4.1-3i）9、确定行程补偿量C和预拉伸力取 （4.1-3j）式中，-机械最大行程； -螺母的长度；-热膨胀系数 取（）；-温升；-安全行程 。预拉伸力 （4.1-3k）式中，E-弹性模量（）;-丝杠底径（mm）10、计算轴承载荷，确定轴承型号规格（1）选轴承型号因滚珠丝杠安装方式为：固定-固定，选背对背角接触轴承（2）确定轴承内径，确定轴承型号规格内径应略小于丝杠外径，取，型号规格为7002C。11、滚珠丝杠主要参数最大行程：Lx=800mm 余程：Le=200mm安全行程：La=Ph=800mm 螺母长度：=85mm由结构设计得：b1=55mm b2=20mm 螺纹长度：L1=1110mm 两支撑轴承间距：=1250mm4.1.4滚珠丝杠副定位精度的分析三坐标测量机系统的精度就取决于组成进给系统各环节的精度由下列几部分误差组成:滚珠丝杠副制造的误差和由于载荷与温度变化的作用产生的丝杠、螺母、轴承、及伺服系统的误差。滚珠丝杠副制造误差由所选丝杠副精度决定。1.丝杠的轴向变形量（1）丝杠的拉伸或压缩变形量在轴向载荷作用下，丝杠在轴线方向上被拉伸或压缩，变形量的大小与支承方式和螺母工作位置有关选用的滚珠丝杠为两端固定式根据材料力学求解超静定计算式，可以得到最大变形量为=FL/4EA （4.1-4a）式中F-轴向工作载荷（N）；E-弹性模量，取2.1；A-丝杠的截面积（按内径算），mm；L-丝杠制成件的受力长度。把F=262N，A=3.14=2497 mm，L=712mm代入得：=2622497=8.8（2）丝杠扭转变形所产生的轴向变形量丝杠受扭矩作用而引起导程发生变化，一个导程的变化量： （4.1-4b）式中Ph-丝杠的导程（mm）；-扭矩作用下丝杠每一导程长度两截面上的相对扭转角（rad）根据材料力学计算，扭转角;M-丝杠的驱动扭矩（N.mm）;G-剪切弹性模量，取G=0.824;J-丝杠截面极惯性矩（mm）.丝杠的驱动扭矩：M= （4.1-4c）式中-传动效率，取0.95则 M=220N.mm每一导程长度两截面上相对扭转角：=0.2则=0.23 （3）丝杠自重弯曲所引起的轴向变形量丝杠虽然采用两端固定，预拉伸的结构，但由于丝杠自重，轴线发生弯曲变形，即简支端从B点水平移动很小的距离到达c点处，其位移量等于丝杠的初始支承长度L与弯曲后丝杠的Ac之差。根据材料力学超静定结构分析计算，可得出丝杠自重弯曲变形所引起的轴向变形量:= （4.1-4d）式中，-中央处挠度（mm）因丝杠太长，采用两端固定预拉伸不能完全消除丝杠的下垂必须考虑丝杠自重的影响， 取=0.5mm=0.96则丝杠因自重和载荷变化所产生的轴向变形量=+=9.99 （4.1-4e）（4）滚珠与滚道面弹性接触变形引起的轴向变形量螺母体变形量包括螺母和螺母座的变形量、螺母的固定螺栓所产生的轴向变形量和滚珠，与滚道面弹性接触变形引起的轴向变形量，由于尽量使螺母和螺母座的刚性好，故其变形甚微。当采用预紧螺母时，对固定螺栓的变形可略去不计。故对螺母体的变形只需考虑滚珠与滚道面弹性接触变形。根据弹性接触理论，其变形量与螺母有无预紧有关有预紧时= （4.1-4f）-滚珠直径（mm）；-接触角，45度；z-工作的滚珠数，内循环时z=.圈数.列数;-滚珠丝杠副的公称直径；-预紧力（N）；-精度系数，=1.31.5。Z=32=172螺母的预紧力=87.3N=6.7（5）支承滚珠丝杠轴承的轴向变形轴承类型不同，则轴向接触变形量不同，且与丝杠有无预紧有关，有预紧、角接触轴承时计算公式如下：= （4.1-4g）式中，-预紧力（N）;F-轴向工作载荷（N）；z-轴承的滚动体数；-轴承的接触角；25所选用的轴承为7002C，滚动体直径为9.25mm，滚动体的数量18。则=1.9mm传动系统的总变形量：=+=9.599mm （4.1-4h）满足定位要求。4.2电机的选择步进电机是一种将电脉冲信号变为角位移或线位移的频率位移转换器。它的运动速度随控制脉冲的频率而变化，有很宽的调速范围，有自整步能力。只要维持控制绕组中的电流相位不变，即可使活动部分保持某固定位置，从而不需要制动装置。步进电机在调速范围、机械特性和调节特性的线性度、响应快速等方面均占优，且当控制电压改变为零时能立即停止转动；普通电机则做不到。从结构上比较，两者的区别在于电枢铁心的长度与直径之比，步进电机较大，而气隙较小。运动速度与方向的控制方便，传动部件刚度高，运动部件惯性小。步进电动机能提供较大的驱动力，在发生碰撞是还能“打滑”，可避免重大事故。因此在精密定位和宽调速范围的应用场合，一般都选步进电机。4.2.1步进电机的工作原理和分类步进电机能直接将以数码形式表示的位移指令转换为电机的转角或者线位移，这些量随着信号的频率和顺序的变化而变化。这就使控制电路简单、方便，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。步进电机的种类很多，按照力或者力矩产生的原理可分为激磁式、反应式和永磁反应式等；按照输出力矩的大小可以分成功率式、伺服式；按照步进电动机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数就能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。4.2.2步进电动机的特性步进电动机具有以下特性：1) 作为控制用的特种电机，步进电动机的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)单步运行的，优点是没有积累误差，精度可达到100，所以广泛应用于各种开环控制环节。2) 脉冲信号的频率与步进电机的转速成正比。3) 步距值不会因为电气、负载、环境条件的变化而发生改变,使用开环控制(或半闭环控制)就能进行良好的定位控制。4) 动态相应快起制动、正反转、变速等控制方便。5) 价格相对较便宜,可靠性高。6) 步进电动机的主要缺点是运动不够平稳，加速度大，容易引起震动。效率较低,并且需要配上适当的驱动电源。7) 速度调节范围较宽，低速下能保持较大的转矩，有时可免去减速器而直接驱动负。同交直流电动机相比，步进电动机仅接供电电源是不会运行的。为了驱动步进电动机，必须有一个脉冲发生器来决定电动机速度和旋转角度的、一个脉冲分配器来决定电动机绕组电流按规定次序通断的、一个功率放大器来保证电动机正常运行，以及一个直流功率电源等组成的一个驱动系统，如图4.2-1所示 。图4.2-1 步进电机驱动系统的基本组成4.2.3步进电动机的选择计算在设计时按步进电机选择的一般步骤进行选择。步进电机的选择主要考虑步距角，静力矩和保持转矩。1.步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量)换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/