机械毕业设计（论文）-精密倾角计标定平台设计【全套图纸】.doc

本科毕业设计本科毕业设计(论文论文)题目：精密倾角计标定平台设计题目：精密倾角计标定平台设计全套图纸，加全套图纸，加 153893706 系 别： 机电信息系 专 业： 机械设计制造及自动化班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2013 年 04 月1精密倾角计标定平台设计精密倾角计标定平台设计摘摘 要要测量技术是工业制造的一个重要部分，精密零件制造完毕后都要进行检查，看精度是否达到要求，比如平面的角度，高度等。一般的倾角计很难达到高精度的测量。针对这一情况，本文设计了一款数控倾角计，能够实现三个坐标方向上的自由度。本文中，对数控倾角计标定平台的总体布局、床身的选材、导轨的设计、进给方式的选择做了介绍，选用燕尾型气体静压导轨，同步齿形带传动，摩擦杆进行驱动；选用伺服电机作为动力源。最后利用 AUTOCAD 软件对其整体进行设计绘制。关键词关键词：倾角计；数控；标定平台2AbstractPrecision inclinometer calibration platform designAbstractMeasurement technology is an important part of industrial manufacturing, precision parts manufacturing after check, look at the accuracy meets the requirement, such as plane angle, height etc. The inclinometer is difficult to achieve high precision measurement. In view of this situation, this paper introduces the design of a digital inclinometer, can realize the three coordinate directions on the degrees of freedom.In this paper, the NC inclinometer of overall layout, bed material, guide design, feeding mode selection is introduced, the dovetail type gas static pressure guide rail, synchronous belt transmission, friction rod drive; servo motor as power source selection. Finally, the overall design drawing with AUTOCAD software.Key Words: inclinometer; CNC; AUTOCAD3目目 录录摘摘 要要.1ABSTRACT.21 绪绪 论论.11.1 前言.11.2 数控测量仪测量原理.11.3 数控倾角计的组成和特点.21.4 本文主要设计内容及要求.22 数控倾角计整机机构介绍数控倾角计整机机构介绍.42.1 总体布局.42.2 床身材料选用.52.3 导轨的设计.62.4 进给传动方式的选择.92.4.1 进给丝杠 .92.4.2 钢丝和钢索传动 .92.4.3 摩擦驱动 .102.5 本章小结.103 数控倾角计的主要零部件的设计数控倾角计的主要零部件的设计.113.1 电机选型.113.1.1 X 方向驱动电机选择 .123.1.2 Y 方向驱动电机 .133.2 带的设计计算.143.2.1 X 轴同步带机构的设计计算 .143.2.2 Y 同步带机构的设计计算 .153.3 环境控制平台.163.3.1 温度控制 .1643.3.2 隔振 .173.4 光栅尺的选型.183.5 本章小结.194 测量仪精度分析测量仪精度分析.214.1 测量仪误差源.214.2 测量仪精度分析.224.2.1 测量表的精度 .224.2.2 数学模型的误差 .224.2.3 测杆受力引起的误差 .234.3 本章小结.235 结论结论.24参考文献参考文献.25致致 谢谢.26毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明.27毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）独创性声明.281 绪论11 绪绪 论论1.1 前言前言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:导轨式数控测量仪和无导轨式三坐标仪，无导轨式数控倾角计在国内尚无同类产品问世。数控测量仪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。数控测量仪广泛的应用于机械零件加工，模具制造等个方面。1.2 数控测量仪测量原理数控测量仪测量原理 将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。导轨式数控测量仪(Coordinate Measuring Machine 简称 CMM)是近二十年来发展起来的一种以精密机械为基础，综合光栅与激光干涉、计算机、应用电子等先进技术的测量设备，在国内外得到了广泛的应用。其主要特征是具有 X, Y, Z 三个坐标方向的导轨。目前，导轨式数控测量仪己被广泛地应用于机械制造、仪器制造、电子、汽车、计量中心、航空和航天等多个工业和研究行业，用来测量机械零件的几何尺寸、相对位置和形位误差，包括零件空间曲面、汽车白身、CAD/CAM 等多项工作。导轨式数控测量仪己经成为一种比较成熟的传统测量设备，它经历了三代产品:第一代测量机由手动(或机动)测量，测量结果由人工处理，效率极低。第二代测量机在第一代测量机的基础上，由微机处理测量结果，形成了微机化测量机。第三代测量机在第二代的基础上，配备上相应的程毕业设计（论文）2序控制和数据图形化软件处理系统，可以实现全自动测量。其中，第三代是目前的主要产品。特别是近二十年来，随着微机和光电技术的迅猛发展，三坐标机已成为多个高科技领域诸多技术的融合产品，包括了微机、精仪、光电传感、数据分析和人工智能等多项应用技术。1.3 数控倾角计的组成和特点数控倾角计的组成和特点 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， 数据处理软件系统（测量软件） ；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。 6） 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7） 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。1.4 本文主要设计内容及要求本文主要设计内容及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，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。毕业设计（论文）3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，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 数控倾角计整机机构介绍42 数控倾角计整机机构介绍数控倾角计整机机构介绍2.1 总体布局总体布局我这次设计的数控倾角计总体布局如图 2-1 所示。结构整体为移动桥式结构，这种结构简单、紧凑、刚度好，具有较开阔的空间。工件安装在固定的工作台上，承载能力较强，工件质量对测量仪的动态性能没有影响；工作台采用人造花岗岩材料，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，适合制作超精密的平台；横梁和 Z 轴采用陶瓷材料，在保证所需要的刚度的同时，减少了本身的重量，保证测量仪的测量精度；X 向、Y 向、Z 向均采用气体静压导轨，使测量仪在运动时有足够的精度；X 向、Z 向采用摩擦杆驱动，Y 向采用刚带传动。图 2-1 数控倾角计总体布局图其主要技术指标要求如下：1）X 轴，最大行程：800 mm，直线度：0.2 m/100 mm，光栅反馈分辨率：0.1m；2）Y 轴，最大行程：600 mm，直线度：0.2 m/100 mm，光栅反馈分辨率：毕业设计（论文）50.1m；3）Z 轴，最大行程：400mm，直线度：0.2 m/100 mm，光栅反馈分辨率：0.1m；4）驱动：伺服电机驱动摩擦轮传动；5）导轨形式：超精密气体静压导轨；6）承重 2000kg。2.2 床身材料选用床身材料选用床身要支撑整机的重量，它应具有良好的刚度和强度，可以采用不同材料，比如优质耐磨铸铁、花岗岩、人造花岗岩等。1）优质耐磨铸铁）优质耐磨铸铁铸铁是制造床身的传统材料，它的优点是工艺性好。选用耐磨性好，热膨胀系数低，对振动衰减能力强，并经时效处理的优质合金铸铁作精密仪器的床身，可以得到满意的结果。近年来，虽然多数精密坐标测量仪和精密机床改用花岗岩，但美国 Moore 公司和瑞士 SIP 公司仍使用铸铁床身，他们认为花岗岩有吸湿性，会导致微量变形，降低测量的精度，反不如铸铁好。2）花岗岩）花岗岩花岗岩现在已是制造精密测量仪和精密机床的床身的热门材料，这是因为花岗岩比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高、耐磨并且不会生锈等。用花岗岩作机架时，一般都用整体方块，钻孔埋入螺母以便和其它件连接。但花岗岩加工比较困难，而且吸湿后会产生微量变形，影响精度。3）人造花岗岩）人造花岗岩花岗岩不能铸造成形且有吸湿性。为解决这问题国外提出了人造花岗岩。人造花岗岩是由花岗岩碎粒用树脂粘结而成。用不同粒度的花岗岩组合可提高人造花岗石的体积比，使人造花岗岩有优良的性能，不仅可铸造成形，吸湿性低，并对振动的衰减能力加强。在温度特性、动态特性以及工艺特性的方面的相关参数的基础上，考虑到测量仪当今制造业中的使用特点、使用环境、精度以及效率要求，考虑到测量仪对精度的要求是第一位的，而对速度要求一般；由于价值高，一般配备专用的工作环境，环境较好。其移动部件的选材，需要兼顾密度和刚性；而对于固定部件，则对密度/刚性比的要求比较宽松，一般通过加大截面尺寸提高刚性，故固定部件的材料可选择陶瓷或花岗石，所以本次设计的测量仪采用花岗岩为毕业设计（论文）6床身材料。国内的泰山青是比较优秀的花岗岩。2.3 导轨的设计导轨的设计在精密加工与测量领域，进行直线运动的机械元部件的导轨主要有滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨和空气静压导轨。滑动导轨具有结构简单、紧凑、刚性高、停止时的稳定性高和热稳定性高及价格低等优点，缺点是由于其导轨与支承结构直接接触，摩擦力较大而且动摩擦系数和静摩擦系数的差值较大，有爬行，定位精度有限，低速时运行的平滑度较其他导轨差一些。滚动导轨结构简单，已实现标准化，是目前使用较多的一种导轨，但精度比滑动导轨和静压导轨要低。液体静压相对于气体静压导轨具有载荷量大、刚度高，阻尼高，对振动的衰减好，应用激光干涉仪的情况下，得到定位精度可以达到 0.02m/200mm，直线运动精度为 0.05m/200mm。缺点是目前静压导轨的大部分设计只是依赖于简单的工程计算或者实际经验，缺乏一套成熟的理论支持。采用液体静压导轨时，还存在设备复杂和油污染的问题，成本也非常高。液体静压导轨由于油的粘性剪切阻力，发热问题不可忽视，因此对液压油必须采取彻底的冷却对策。液体静压油膜厚度要保持恒定不变比较困难，调试调整费时费力。而且在运行过程中，需要一个压力(或流量)稳定、过滤严格的静压供油系统，才能保证导轨运动的高精度。空气静压导轨主要有如下特点:1）由于空气的粘性系数为油的 1/50 以下，而且粘度对温度和压力的变化不敏感，空气静压导轨的摩擦力非常小且近似为常数。2）采用空气静压润滑支承，在运动过程中导轨不与支承体直接接触，基准面摩损小，因此精度高而且使用寿命长。3）分布于导轨及支承面之间的 5 一 15m 的空气膜对部件缺陷具有平均效应，容易得到高精度。4）爬行少，机械摩损小，噪声低。5）发热量少，工作温度范围宽，热变形非常小。6）无环境污染。因此现在国内外大部分的精密测量设备都用空气静压导轨作为精密运动部件;在适应参数控制模式(MRAC)下采用气体静压花岗岩导轨得到好于土 15nm的位置控制精度。在精密测量仪中，要求摩擦发热小，载荷不需要太高，因此主要应用空气静压导轨来构成高精度的直线运动机构。毕业设计（论文）7所以根据以上的分析，测量仪的导轨采用空气静压导轨。凡能同时承受轴向、径向或其它方向作用力的气体支撑装置均称为气体静压组合装置。空气静压导轨是典型的气体静压组合装置。根据工作台的移动量、载荷量和精度要求等的不同，一般有如下几种形式，图 2-2 是气浮导轨的结构示意图。 (a) 平面封闭性 （b） 圆柱封闭性 （c） 重量平衡式 （d） 真空负压平衡式图 2-2 气浮导轨结构形式1）平面封闭型导轨）平面封闭型导轨这种形式的导轨，因工作台导轨面产生的挠度较小，可取得高精度、高刚性、大负载量，最适用于作为精密加工机床和测量仪等的长导轨。2）圆柱封闭型导轨）圆柱封闭型导轨这种结构的导轨结构简单，导杆的圆度、圆柱度和导向孔的间距等精度完全由机械加工决定，全部负载由导柱承受，容易产生挠度，故除了用于立式外，毕业设计（论文）8常用于轻载、短导轨。3）重量平衡式导轨）重量平衡式导轨这种导轨结构简单，加工方便。但是轴承刚度低，适用于负载变化小的场合。4）真空负压平衡式导轨）真空负压平衡式导轨这种导轨与重量平衡式导轨是同一型式，适用于工作台重量轻或不能加重的场合，使真空负压和静压保持的同时，由维持固定的导轨间隙。根据本次测量仪的设计要求气静压导轨型式采用平面封闭式，图 2-3 为横梁的气浮分布。部分尺寸和参数见表 2-1.气浮块图 2-3 横梁的气浮分布序号直径 mm厚度 Dmm球径 Smm承载Kg f刚度Kg f/m接头螺纹1301510161M52401510272M53501510443M54601516635M5毕业设计（论文）9表 2-1 圆形气浮块部分尺寸和参数2.4 进给传动方式的选择进给传动方式的选择2.4.1 进给丝杠进给丝杠这是目前较多采用的一种进给传动方式。常用的进给丝杠形式有梯形丝杠、滚珠丝杠、空气静压丝杠或液体静压丝杠和滚柱丝杠等。空气静压丝杠或液体静压丝杠的制造误差、弯曲变形等对工作台直线方向上的运动精度影响小，因此在较长的行程上可以达到纳米级的分辨率，另外由于不存在摩擦引起的爬行和回程间隙，可以长期保持精度，但其轴向刚度和承载能力小，制造和装配难度非常大。滚珠丝杠因具有高速、节省能源、易于润滑、跟随灵敏、对周边环境适应性强等特点，应用最广泛。但滚珠丝杆存在回程影响和轴向误差。滚珠丝杠的配合直接影响了滚珠丝杠的精度，很明显，滚珠与螺母之间为点接触，其性能劣于采用面接触的传动螺杆。滚珠丝杠之间为摩擦环节，是一个二阶系统，故从控制角度来讲系统不稳定，容易产生振荡现象，导致不能够很好的定位。滚珠丝杠之间若为间隙配合，丝杠产生回程误差，但是通过双频激光检测系统对进给量的检测和反馈可以进行补偿，问题并不严重;若为过盈配合，微小量的进给实现起来比较困难，容易产生爬行现象。最近一些学者的研究表明，滚珠丝杠在数微米的行程范围内呈非线性弹性现象。Shigeo fuakda 根据滚珠和滚道之间的接触状况分别测试了其纳米精度定位的能力。最主要的是，在进给5702016879M5680201611313M5790251615619M58100251619625M59120252528240M510150302544070M5112005025780120M51225060501220180M51330060501766270M5毕业设计（论文）10全行程中，丝杠和螺母配合的松紧程度有变化，滚珠螺母之间产生非线性的接触变形，影响进给运动的平稳性和精度，而且不同滚珠所承受载荷的不一致性也影响了它的使用寿命。2.4.2 钢丝和钢索传动钢丝和钢索传动这种传动方法可以获得稳定而平滑的运动方式。这种传动方式的优点是无反向间隙，但是由于钢丝等具有伸缩性，进给方向的刚性较弱，随着工作台行程的增大，其力矩和输出位移之间存在明显的非线性迟滞现象。2.4.3 摩擦驱动摩擦驱动摩擦驱动是获得平滑而无伸缩变形运动的一种较好驱动方式，在国内外的一些精密机床和坐标测量仪上有所应用，其中国防科技大学在国家自然科学基金的资助下，对小角度扭轮摩擦进行了系统的研究，并成功研制了扭轮摩擦传动精密定位系统。图 2-4 出的是摩擦驱动示意图，摩擦传动具有定位精度高和结构简单的优点，但是在高速进给中电动机轴和摩擦杆之间容易产生滑动，进给方向的刚性较低。 1、伺服电机 2、减速器 3、驱动轮 4 摩擦杆5、预紧力 6、线性刻度尺 7、摩擦力图 2-4 摩擦驱动示意图驱动轴和从动杆是摩擦传动系统的主要元件。驱动轴亦称滚轮，断面为圆形，由轴承（滚动轴承、液压轴承、空气轴承）支撑着，在伺服电机带动下，通过减速器做旋转运动。从动杆或称滑尺，断面为矩形或圆形，以直角或某一角度与驱动轴接触，在预压机构产生的压紧力 P 的作用下，接触部位产生摩擦力 F，带动从动杆作直线运动。通过比较，我们最终选择摩擦驱动形式。毕业设计（论文）112.5 本章小结本章小结 本章主要对数控倾角计整体方案的设计，包括三个坐标上的驱动方式，传动结构的选择，导轨形式的选择等。通过本章的设计，确定数控倾角计整体的方案，为后面的设计计算打下基础。3 数控倾角计的主要零部件的设计123 数控倾角计的主要零部件的设计数控倾角计的主要零部件的设计3.1 电机选型电机选型驱动装置是测量仪的重要运动机构，可实现机动和程序控制伺服运劝的功能。在测量仪上一般采用的驱动装置有丝杠丝母、滚动轮、钢丝、齿形带、齿轮齿条、光轴滚动轮等传动，并配以伺服马达驱动。运动控制系统是在自动控制理论的指导下，以电动机为控制对象，以人或机器的操作为控制核心，以电力电子功率变换装置为执行机构组成的电气传动控制系统。根据位置反馈形式，即有无反馈装置，运动控制系统分为开环、半闭环和全闭环三种控制方式。开环控制系统没有位置检测反馈装置，这类系统结构简单，控制方便，但位置精度不高。半闭环控制系统位置反馈装置采用直接安装在伺服电机端部的角度检测元件，这类控制系统虽有位置反馈比较，但大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，故只可获得较大的定位精度。全闭环控制系统利用安装在最后一级机械运动部件上的光栅等检测元件作为位置反馈装置，这类系统可以消除从电机到被控单元之间整个机械传动链中的传动误差，获得很高的定位精度，但系统的设计和调整较复杂。随着电力电子技术、传感器技术、自动控制技术及计算机技术的发展，全闭环运动控制系统在高精度定位系统的机电一体化产品中得到越来越广泛的应用。由于交流伺服系统与直流伺服电机相比，不仅具有动态响应好、坚固耐用，经济可靠等优点，而且克服了直流伺服电机造价高、寿命短、应用环境受限制等缺点，近年来交流伺服系统多用作全闭环运动控制系统。交流伺服系统包括交流伺服驱动器和伺服电动机，与直流伺服电机相比，交流伺服系统具有以下优点：1）电机散热性好；2）功率相同时，交流伺服电机具有较小的体积和重量；3）由于转子转动惯量小；4）可靠性高，对维护保养要求不高。毕业设计（论文）13在本机械系统中共有三个电机：X 方向电机、Y 方向电机，Z 方向上的电机。下面通过计算分析选择这些电机的型号。3.1.1 X 方向驱动电机选择方向驱动电机选择1）选择电机类型和结构模式）选择电机类型和结构模式 选用小惯量系列 GYS 伺服电机，为了更好地控制停机时同步带的运动，应当选择配有制动器的电机。2）选择电机容量）选择电机容量 dP电机工作功率计算公式， ，KWPPwd1000/FVPwmF 承同承联承同承联2a参数确定：估算出同步带 1 所需驱动的质量。最快移动速度为Kg100m 0.1m/s 考虑到滑块在移动过程中还将要克服直线导轨的摩擦力，查直线导轨的说明书可知，摩擦力，由于工作载荷超过了导轨基本额定静刮油fGFfG载荷的 1/10，所以摩擦系数=0.01，而滑动件总重，。又N980Kg/N8 . 9Kg100gMGN92. 3980004. 0FfV=0.1m/s。KW983. 01000s/m1 . 0N92.9831000/FVPw承带承联承带承联2a921. 0988. 0995. 0988. 0992. 0988. 0995. 0988. 0992. 02计算结果：KW1 . 1921. 0KW983. 0PPawd3）确定电机转速）确定电机转速dn计算公式：。 初步选取同步带轮的节圆直径带轮带DVnd100060。mm10D带轮。min/ r191mm1014. 3s/m1 . 0100060DV100060nd带轮带以上述数据为依据，综合考虑本机械系统在工作过程中经常需要急加速的要求和富士公司现有标准产品，最终选定表 3-1 所示型号的伺服电机作为 X 方向电机。电机型号如下：表 3.1 X 方向驱动电机型号毕业设计（论文）14型号额定转速 编码器保护等级带油封/键制动额定功率重量GYS1501DC2-T2A-B3000r/min17 位INCIP67无油封/带键带制动1.5KW4.2Kg3.1.2 Y 方向驱动电机方向驱动电机1）选择电机类型和结构模式）选择电机类型和结构模式 选用小惯量系列 GYS 伺服电机，为了更好地控制停机时同步带的运动，应当选择配有制动器的电机。2）选择电机容量）选择电机容量 dP电机工作功率计算公式：， ， ，KWPPwd1000/FVPwmaF 。承同承联a参数确定：假设测量头的质量。最快运行速度为 0.1m/s,加速度为Kg25m ，即。考虑到 Y 轴在2s/m1 . 02s/m1 . 0N5 . 2s/m1 . 0Kg25maF2移动过程中还将要克服 4 导轨的摩擦力，查文献136 页表 1-12 得：动摩擦因数，而滑动件总重，即摩擦力3 . 0N245Kg/N8 . 9Kg25gMG， 。又V=0.1m/sN5 .733 . 0N245GFfN76N5 .73N5 . 2F。KW01. 01000s/m1 . 0N761000/FVPw承带承联a9635. 0988. 0995. 0988. 0992. 0 计算结果：KW012. 09635. 0KW01. 0PPawd3）确定电机转速）确定电机转速dn计算公式：带轮带DVnd100060参数确定：初步选取同步带轮的节圆直径。mm10D带轮计算结果：。min/ r191mm1014. 3s/m1 . 0100060DV100060nd带轮带以上述数据为依据，综合考虑本机械系统在工作过程中经常需要急加速的工作要求和富士公司现有标准产品，电机型号如下：毕业设计（论文）15表 3.2 Y 方向驱动电机型号型号额定转速编码器保护等级带油封/键制动额定功率重量GYS201DC2-T2A-B3000r/min17 位INCIP67无油封/带键带制动0.2KW1.7Kg3.2 带的设计计算带的设计计算3.2.1 X 轴同步带机构的设计计算轴同步带机构的设计计算1）确定设计功率）确定设计功率 KWPd/计算公式：。由 3.1.1 可知，；由文献13294 页表WAdPKP KW1 . 1PW7-25 查得，。3 . 1AKKW43. 1KW1 . 13 . 1Pd2）选择带型（节距）选择带型（节距）bp根据设计功率和同带轮 1 转速，查文献13295 页图 7-4 得，选取 L 或dPH 型同步带，由于运行比较平稳，所以选择 H 型为佳。再查文献13296 页表7-30 得，。7 .12bp3）带轮节圆直径）带轮节圆直径计算公式：。根据转速 191r/min 和带型 H，查文献13295/21zpddb页表 7-26 及表 7-27 得,。mm10dd214）确定带长）确定带长 mmLp/由于所用同步带传动机构两轮大小相同，所以带长计算公式：。其中，这里的按机构需要的长度确定为 100；计addLp22/ )(21amm算结果按文献13295 页表 7-28 圆整成 225。最终结果。带的长mmmm215Lp度代号为 105。5）确定带宽）确定带宽sb计算公式：根据设计要求，设计功率。而，PPd0PKKPwz，。14. 10)(sswbbK14. 1/100)(PKPbbzdss毕业设计（论文）16参数确定：由于我们设计的同步带机构两带轮大小不想当相等，所以；1Kz查文献13296 页表 7-29 得，；查文献13298 页表 7-32 得，mm1 .50b0s；60PKW31. 1Pd计算结果：，按文献13297 页表1 .24)6131. 1(1 .50)PKP(bb14. 1/114. 1/10zd0ss7-30 圆整成，带的宽度代号为 100。4 .25bs综上述，X 轴同步带机构的型号选择如下：表 3.3 大带轮型号型号长度代号宽度代号H105（215）100（25.4mm）3.2.2 Y 同步带机构的设计计算同步带机构的设计计算1）确定设计功率）确定设计功率 KWPd/计算公式：。WAdPKP 参数确定：由 3.1.2 可知，；由文献13294 页表 7-25 查得KW01. 0PW。计算结果：。3 . 1AKKW013. 0KW01. 03 . 1Pd2）选择带型（节距）选择带型（节距）bp根据设计功率和同带轮 Y 转速 191r/min，查文献13295 页图 7-4 得，dP选取 L 型同步带。再查文献13296 页表 7-30 得，。525. 9bp3）带轮节圆直径）带轮节圆直径计算公式：。/21zpddb参数确定：根据转速 191r/min 和带型 L，查文献13295 页表 7-26 及表 7-27 得,=12，。minz20z计算结果：。)(7 .6014. 3/20525. 921mmdd4）确定带长）确定带长 mmLp/计算公式：由于所用同步带传动机构两轮大小相同，所以带长计算公式：。addLp22/ )(21参数确定：这里的按机数控倾角计的的宽度度确定为 1295；amm毕业设计（论文）17。最终结果。带)mm(39001295*22/ )7 .607 .60(14. 3Lpmm3900Lp的长度代号为 1700，带的齿数选择为 420。5）确定带宽）确定带宽sb计算公式：根据设计要求，设计功率。而，PPd0PKKPwz，。14. 10)(sswbbK14. 1/100)(PKPbbzdss参数确定：由于我们设计的同步带机构两带轮大小相等，所以；查文1zK献13296 页表 7-29 得，；查文献13298 页表 7-32 得，mmbs4 .250；72. 00PKWPd15. 0计算结果：，按文献1329732. 6)72. 0115. 0(4 .25)(14. 1/114. 1/100PKPbbzdss页表 7-30 以及实际工作情况需要， 25.4，带的宽度代号为 100。sb综上述，Y 同步带机构的型号如下：表 3.4 小带轮型号长度宽度代号3900mm（420 齿）100（25.4mm） 3.3 环境控制平台环境控制平台在没有测量环境保障的前提下，谈实现精密测量是毫无意义的。要实现精密测量，对环境条件的要求十分严格，要求恒温、恒湿和洁净，而且还要隔绝振动。3.3.1 温度控制温度控制导致测量热变形误差效应的主要热源有:1）不同温度空气之间的对流，如空调的温度调节系统；2）测量仪内部发热源，如主轴电机以及运动机构的摩擦发热等；3）周围环境的热辐射，如在测量仪周围有其它加工测量仪械，并且正在运行；4）测量仪周围人体的热效应，如人体本身的发热、人员走动以及呼吸作用等；5）测量仪构件和被测工件的温度惯性作用。毕业设计（论文）18当这些热源的作用使测量仪温度偏离标准环境温度 20时或引起温度分布不均时，由于轮廓仪的主要构件，如长度计、气浮导轨、光栅尺等的热特性差异，它们的热膨胀系数、形状将发生变化，从而导致各构件内部应力状态互不相同，连接构件之间应力关系复杂，最终作用将导致轮廓仪在测量空间、时间域内形成复杂的非线性测量误差。因此环境温度的保障是实现精密测量关键要素之一。对于金属零件温度每变化 1，就会造成尺寸误差 1-1.6m 左右。所以要保证 0.1m 以上的尺寸测量精度，必须有能检测、控制的测量环境的措施，尽可能地减小温度变化。3.3.2 隔振隔振在精密测量中，测量仪本身振动已通过合理的设计解决，而外界振动对测量精度影响极大。隔振设计主要分为两类：一类为积极隔振，另一类为消极隔振。所谓积极隔振，是为了减少动力设备产生的扰力对测量、设备的支撑结构和生产科研人员的有害影响而对动力设备所采用的隔振措施，即减小振动的输入。而消极隔振，就是为了减小支撑结构的振动对精密测量的影响而对设备采取的隔振措施。无论是积极隔振还是消极隔振，其主要的方法是在振源、精密测量设备与支撑结构之间设置屏障、减振器或减振材料。设计的测量仪总的重量达 2 吨多，所以要在表格 3-5 中选择四个 ZD-12，形状如图 3-1。图 3-1 阻尼弹簧减震器表 3-5 减震器的型号表产品型号载荷范围竖向刚度外型尺寸（mm）毕业设计（论文）19（Kg）（N/mm）HDL1M1M2ZD-9360-42089901612071213ZD-10420-4801021101612071213ZD-11488-5001291101612071213ZD-12500-6301801101612071213ZD-13630-70019611016120712133.4 光栅尺的选型光栅尺的选型要选择合适的光栅尺要满足：分辨率小于 0.1m；量程 X 轴要大于1000mm，Z 轴要大于 400mm。直线光栅尺在测量仪械运动位移时安装在最后一级运动平台上，不存在任何附加的机械传动元件，减小了机械的传动误差，故它已成为高精度定位测控制系统不可或缺的检测设备。根据形状测量仪在 X 向、Y 向、Z 向的测量范围，本测量仪选购了德国海德汉 HEIDENHAIN 公司生产的 LIP581 超精密敞开式直线光栅尺为 X 轴、Y 轴和 Z 轴光栅尺，分别用于 X 向、Y 向、Z 向的位移检测设备。外形如图 3-12 所示。图 3-2 LIP581 敞开式直线光栅尺该系列光栅尺是增量式直线光栅尺，由光栅读数头和标尺光栅构成，标尺光栅的基体为钢带，安装方式为将钢带光栅尺的背面粘贴在安装面上。本测量仪所选的光栅尺的技术参数如表 3-6 所示。标尺光栅和光栅读数头的相互位置由机床导轨确定，他们之间没有机械接触。表 3-6 LIP 581 系列光栅尺的技术参数技术参数LIP 581测量基准在玻璃上的 DRADUR 相位光栅 8m测量长度（mm）701440mm参考标记在中间有一个参考标记增量信号正弦波毕业设计（论文）20准确度等级1m最大移动速度信号周期48m/min内置 10 倍频细分：0.4m电源功耗5V5%220mA(无负载)信号接口D 型接口，3m 电缆工作温度0到 503.5 本章小结本章小结本章主要对数控倾角计主要零部件的设计计算，主要对 XY 轴伺服电机的进行计算选型，通过本章设计，确认了各种主要零部件的型号。4 测量仪精度分析214 测量仪精度分析测量仪精度分析4.1 测量仪误差源测量仪误差源测量仪作为多轴的复杂系统，常为伺服控制系统，用于高精度规格的复杂测量任务。基于其部件的功能特点，主要有以下影响精度的重要误差源：机构系统、驱动系统、测量系统、计算机系统等。测量仪的机构系统主要包括：支撑测量工件的工作台，导轨，以及装有轴承的桥架等。因为部件制造、调整以及其它属性例如硬度，热膨胀等的非精确性，就会导致误差的产生。这些误差可能是静态的，准静态的或者动态的。对于测量仪，每个轴上都装配有驱动马达、传动部件、伺服控制单元。与驱动系统相关影响测量精确性的因素有：不适当的、非常数的测量速度，因为桥架运动运动所产生的机构载荷所导入的机构振动。因为实际测量点的坐标来自于测量位置（通过标尺读数） ，而非驱动系统中的指令位置，所以通常定位误差并不十分显著。测量点的实际坐标值来自于测量仪线形标尺的示数。由标尺导致的误差主要源于其较低的制造精度,读数装置的对准、调整误差，内部插值误差和数字性误差。在对于表面点进行探测时，通常使用探针系统。许多的误差源均与探针系统相关联，例如测杆支撑的滞后，测杆弯曲等。同样探测系统由于时间延迟产生的的电（触发）信号也是重要的误差源之一。计算机系统包括控制器单元，硬件、软件。硬件误差一般很少存在。软件主要任务是进行数据计算，并将测量点的位置坐标与工件进行匹配，以获得工件的尺寸和形状。软件在数据计算拟合时就会产生误差，继而严重影响测量结果及其准确性。除了上述误差源而外，测量仪的测量精度还受到外部操作者和工作环境的影响。操作者所产生的误差主要源于测量中产品的处理、测量的策略、以及实际操作者对测量仪的实际操作。产品的处理指测量前的准备工作，如产品的清洁，工件的装夹，均一温度等。如果测量前没有充分的做好准备工作，例如：工件脏污，温度梯度等，这时就会产生误差。测量策略主要是指测端的选用。不合理的测端选用会严重影响测量结果。测量仪的操作主要是指在探测时，尽量在垂直工件表面上以常数的测量速度进毕业设计（论文）22行探测，以建立确定的接触。测量仪在手动操作时，由于探测力的大小很难控制，所以探测更倾向于产生误差。测量仪放置位置对于测量精度也十分重要。放置位置环境的温度通常会严重影响机械结构的几何形状、测量精度。同样，由于测量仪附近其他机械体的振动也会严重影响其测量精度。通常，这些振动通过地面传至测量仪的支撑部件，并造成工件和探针产生相对的运动，从而差生误差。另一种环境误差源于空气湿度，它会造成部件的变形，尤其花岗岩工作台受湿度影响最大。根据以往研究，机构对误差的影响最大。这些误差可以是准静态的，也可能是动态的。准静态误差是指：与机构环相关、随时间变化比较缓慢的误差。衡量的尺度取决于相关制程（例如测量）时间尺度的大小。机构环由测量仪中所有用于确定探针和工件位置、方位的机械部件组成。测量任务的精确性首先取决于机构环精度，其次是误差的影响。许多研究对于准静态误差都有精确的阐述，对于测量仪而言，准静态误差主要分为以下几类：1）几何误差。）几何误差。几何误差源于机构部件的有限精度。导轨和测量系统部件的精度取决于制造厂商部件的制造精度，装配和维护的调节精度。导轨的几何误差是指直线度误差和旋转误差，其相对方位受垂直度误差影响。标尺在测量位置所产生的误差与轴线平行（线性误差） 。2）机构载荷引起的误差。）机构载荷引起的误差。机构载荷引起的误差源于静态或者测量仪部件上缓慢变化的力。机构载荷的变化源于移动部件的重量，它使得与之配合的部件产生变形、导致几何误差。机构载荷引起的误差取决于部件的刚度和重量、测量仪的结构类型。3）热变形误差。）热变形误差。热变形误差源于测量仪与工件的温度场。热误差有两种类型的最为显著。测量标准（例如测量仪的测量标尺）和工件之间的温度差异。机械内部部件的温度梯度（温度梯度会导致部件部件变形，例如导轨弯曲变形产生几何误差） 。以上误差取决于测量仪的结构、材料属性、温度分布。温度分布与外部环境温度、内部热源例如驱动电机有关。除了以上众所周知的准静态误差，动态误差也会影响测量仪的测量精度。动态误差相对随时间变化较快，例如，由加速度所决定的测量仪部件的变形，这些变形源于部件移动以及振动，振动可以是自激振动或者强迫振动。与准静态误差相似，动态误差同样会影响到测量仪的结构几何形状，并将导致随时间变化的测量误差。动态误差和测量仪的结构属性紧密相关，例如质量分布、部件刚度、阻尼特性、控制力和干扰力。毕业设计（论文）234.2 测量仪精度分析影响仪器精度的原因有根多种，有些精度是由仪器硬件本身决定的，无法改变，如测量表的测量精度;有些引起误差的原因可以经过后续数据处理得到改善，从而达到提高测量仪的测量精度，如仪器装配引起的误差。对于设计的测量仪测量精度要求小于 1m。现对仪器的精度进行分析。4.2.1 测量表的精度测量表的精度光栅尺采用海德汉的 LIP581 光栅尺测量分辨率为 O.05m；符合课题要求：分辨率：0.1m。4.2.2 数学模型的误差数学模型的误差由图 4-1 可知，测量头读数计读出的数据实际上是测量头球心相对于非球面包络线，图中测头所测的值为圆心所在的值，与测头和被测表面的接触点不是同一个点，测量误差为: （4-1）/coscosZr式(4-1)中，为实际切线角。/ 图 4-1 数学模型误差该测量仪的数学模型引起的测量误差由两个因素决定:1）测量头的大小。当测量头的半径越小，测量精度越高;2）被测非球面的面形质量。当被测面形越接近理论面形，测量精度也就越高。本设计采用的测量头半径为 2mm，测量头半径 r 相对于 R(被测非球面近轴曲率半径)极小;而被测件将是一个连续光滑的表面，即使工件面形偏离了理论面形，也不会在加工工件表面有突然的凸起或凹坑，因此实际切线角将非常接/毕业设计（论文）24近理论切线角 a，因此测量仪的数学模型引起的测量误差对被测非球面矢高误差曲线的测量精度几乎没有影响，在测量精度范围内。4.2.3 测杆受力引起的误差测杆受力引起的误差这个误差是因为测头与工件表面接触时有接触力产生，所以产生了变形。主要对 Z 轴方向的测量精度有影响。误差值为L22311*120.761112FEELRR （4-2）因为海德汉的测头材料的弹性模量 E1=70GPa，被测件材料的弹性模量E2=55GPa。接触力 F=0.6N， 。 229983110.6 *70*1055*100.761.67*101121050Lmm 这个误差远小于测量仪的精度，所以不予考虑。4.3 本章小结本章小结本章主要对数控倾角计的测量精度进行分析。通过本章，了解测量进度误差的原因。5 结论255 结论结论为期一个学期的本科毕业设计到此为止已经基本结束，这是继上学期的技术实习教学环节之后又一个重要的学习锻炼时机，也是我的综合能力再次得到较大提高的关键点。通过这比毕业设计的锻炼，我学到了在书本上没有学到过的很多知识以及在书本上也无法学到的许多重要的实际经验。在设计过程中，我再次重温了在大一至大三期间所学的专业知识，充分条用了工程图学 、机械原理 、 机械设计 、 精度测量 、 材料力学 、 理论力学等课程的一些理论知识，并做到了理论联系实践的科学研究方法，最终完成了毕业设计论文。在本次的数控倾角计机械系统设计中，经过努力思考和精心设计，也呈现出了一些创新点。如一共有三个坐标方向上的移动，这样大大提高测量的速度，不用人工移动工件。然而，设计工作并不是最初所想象的那么一帆风顺的，在设计过程中所遇到的困难也不少，如对各种传动机构的不熟练，设计无法下手等。也正是从“出现问题、解决问题”的这种重复过程中，我又学到了很多东西。比如说如何在实际工程中去保证理论上所要求达到的直线导轨平行度问题（通过保证定位面的加工精度，运用适当的螺栓连接方式） 、如何在已经设计制造出来的机构上面科学地挖去一部分材料以减轻重量的技巧等等。经过这段时间的毕业设计工作后，我更加深入地了解了实际工程运用中机械设计的概念，对与机械的理论设计与实际制造之间存在的不可调和的矛盾也颇有认识。其中我感受最深的是创新性思维在实际机械工程设计中产生的微妙的作用，这对于我日后踏入