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东华大学硕士学位论文摘要 大型靶材表面检测系统研究 摘要 随着材料表面技术的飞速发展，各种镀膜靶材的需求 量不断增长，某些高端领域所需的高质量薄膜又对靶材的 技术指标提出了更高的要求，靶材表面不平度就是其中的 一项重要指标，因此建立靶材表面检测系统，实现对大型 靶材表面的自动检测具有重要意义。 本课题来自企业的合作项目。根据企业的功能要求确 定了系统的总体方案。检测系统由机械系统、硬件系统和 软件系统组成。机械系统主要完成被测对象的定位和夹紧、 激光测头的移动和回转工作台的转动。硬件系统主要完成 被测信号的采集、a d 转换、分析处理和控制系统运动构 件的动作。软件采用基于l a b v i e w 的虚拟仪器开发平台， 根据检测系统的功能要求可以通过增加软件模块来实现系 统功能的扩展。 运用p r o e 工程软件完成了机械系统的设计，并对支承 件、夹具、导轨和齿轮传动进行了详细计算和校核。分析 了系统的误差来源，设定了系统的精度指标，并在等影响 法的基础上按试探法进行了误差分配，分配结果表明，采 用给定的公差要求进行零部件加工和装配，能够保证该检 东华大学硕士学位论文摘要 测系统达到o 1m m 的测量要求。分析了i 0 接口的五种总 线类型，确定采用p c i 总线，并以p c d a q p c i 作为系统 的硬件平台。根据检测系统的功能要求对传感器和数据采 集卡进行了选型，完成了系统硬件设计。以l a b v i e w 作为 虚拟仪器开发平台完成了检测系统的软件设计，主要功能 模块包括数据采集、数据回放、数字滤波、统计分析与处 理、自相关分析及虚拟信号发生器。给出了主要模块的算 法，通过对虚拟信号的分析与处理，验证了二维数据分析 处理模块、三维形貌显示与分析模块的功能。 该系统实现了对大型靶材表面的自动检测，对不平度 信号进行采样、分析和处理，并将分析处理结果以文本和 波形形式显示。系统操作方便，软件界面友好，测量精度 可靠，满足了合作企业的要求。 关键词：大型靶材，表面不平度，检测，虚拟仪器 东华大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ei n s p e c t i n ga n dt e s t i n g s y s t e mf o rl a r g es u r f a c eo ft a r g e t m a t e r i a l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo nt h e s u r f a c eo fm a t e r i a l ，t h ed e m a n df o ra l lk i n d so ft a r g e t m a t e r i a l su s e df o rp l a t i n gf i l mi s c o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g s o m ea d v a n c e da n dc o m p l i c a t e df i e l d sn e e dh i g hq u a l i t yt h i n f i l m ，s ot h eh i g hs t a n d a r dr e q u e s tf o rt e c h n o l o g yp a r a m e t e ro f t h et a r g e tm a t e r i a li sp u tf o r w a r d t h ed e g r e eo fu n e v e n n e s s i so n eo ft h e i m p o r t a n tt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s f o rt a r g e t m a t e r i a l ，s oi t sv e r ys i g n i f i c a n tt oe s t a b l i s ht h ei n s p e c t i n g a n dt e s t i n gs y s t e mt oi m p l e m e n tt h ea u t o m o t i v et e s t i n gf o rt h e s u r f a c eo fl a r g et a r g e tm a t e r i a l t h ist h e s i sc o m e sf r o mac o o p e r a t i v ep r o je c tw i t ha c o r p o r a t i o n t h ew h o l es c h e m e i s b r o u g h tf o r w a r di n t h i s p a p e ra c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u e s to ft h ep r o j e c t t h e 1 1 1 东华大学硕士学位论文a b s t r a c t i n s p e c t i n ga n dt e s t i n gs y s t e mc o n s i s t so fm e c h a n i c a ls y s t e m ， h a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m t h em e c h a n i c a ls y s t e m m e e t st h e c l a m p i n ga n do r i e n t a t i o n a b o u tt h em e a s u r e d o b je c t ，t h em o t i o no ft h e l a s e rp r o b ea n dt h e r o t a r y w o r k b e n c h t h eh a r d w a r es y s t e ma c c o m p l i s h e st h es a m p l i n g ， a d t r a n s f e r ，a n a l y s i s a n d d i s p o s a l o ft h e s i g n a l a n dt h e c o n t r o lo ft h em o t i o no ft h es y s t e m a t i ck i n e t i cc o m p o n e n t s t h es y s t e ms o f t w a r eb a s e do nl a b v i e ws o f t w a r ep l a t f o r m a b o u tv it e c h n o l o g yi sd e s i g n e d ，a n di t sf u n c t i o n sc a nb e e x p a n d e db ya d d i n gm o d u l e sw i t ht h ef u n c t i o nr e q u e s to ft h e t e s t i n gs y s t e m t h em e c h a n i c a ls y s t e mi sd e s i g n e db yt h es o f t w a r ep r o e ， t h es u p p o r t i n gp a r t s ，c l a m p ，g u i d ea n dg e a rt r a n s m i s s i o na r e c a l c u l a t e da n dc h e c k e di nd e t a i l t h ee r r o rs o u r c e sa r e a n a l y z e da n dt h ep r e c i s i o ni n d e x e sa r ed e s i g n e di nt h es y s t e m ， t h ee r r o rd i s t r i b u t i o ni sf i n i s h e db a s e do nt h es a m e e f f e c t m e t h o db yt h em e a n so ft r i a l t h er e s u l t ss h o wt h es y s t e mc a n m e e tt h em e a s u r e m e n t r e q u e s to f0 1m mp r e c i s i o n ，i ft h ep a r t s a r e p r o c e s s e d a n da s s e m b le d b y t h ed e m a n dt o l e r a n c e p c d a q p c i i ss e l e c t e da st h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h e s y s t e mb a s e do nt h ec o m p a r ea n da n a l y s i si nf i v et y p e so fb u s t h es e l e c t i o n so fs e n s o ra n dd a qc a r di sc a r r i e do u t i v 东华大学硕士学位论文a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o nd e m a n do ft h e s y s t e m ，a n dt h e d e s i g no fs y s t e mh a r d w a r ei sc o m p l e t e di n t h i sp a p e r t h e s y s t e ms o f t w a r eb a s e do nl a b v i e ws o f t w a r ep l a t f o r ma b o u t v it e c h n o l o g yi sd e s i g n e d ，d a t aa c q u i s i t i o na n dr e a p p e a r a n c e ， d i g i t a lf i l t e r ，s t a t i s t i ca n a l y s i sa n dd i s p o s a l ，a u t o c o r r e l a t i o n a n a l y s i s a n dv i r t u a l s i g n a lg e n e r a t i o nc o m p r i s e i t sm a i n f u n c t i o nm o d u l e s t h et r e a t m e n tm e t h o d so fm a i na n a l y s i s a n dd i s p o s a lm o d u l e si s l i s t e d ，a n dt h ef u n c t i o n so ft h e m o d u l e so ft w o d i m e n s i o n sd a t aa n a l y s i sa n dd i s p o s a la n dt h e t h r e e - d i m e n s i o n ss u r f a c et o p o g r a p h yd i s p l a ya n da n a l y s i sa r e v a l i d a t e db yt h ea n a l y s i sa n dd i s p o s a ld o n et ov i r t u a ls i g n a l s t h es y s t e mh a sa c c o m p l i s h e dt h ea u t o m o t i v et e s t i n gf o r t h es u r f a c eo fl a r g et a r g e tm a t e r i a la n dt h es a m p l i n g ，a n a l y s i s a n dd i s p o s a lo ft h es i g n a lo ft h ed e g r e eo fu n e v e n n e s s ，t h e r e s u l t sc a nb ed is p l a y e db yt e x ta n dw a v et y p e s t h es y s t e mi s e a s yt oo p e r a t ea n dt h ei n t e r f a c eo ft h es o f t w a r ei sf r i e n d l y ， t h et e s t i n gp r e c i s i o ni sr e l i a b l ea n dm e e t st h er e q u e s to ft h e p r o je c t k y e w o r d s ：l a r g et a r g e tm a t e r i a l ，t h ed e g r e e o f u n e v e n n e s so ft h es u r f a c e ，i n s p e c t i n ga n d t e s t i n g ，v i r t u a li n s t r u m e n t v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：九肚年 日期： 0 07 年月。日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密口。 学位论文作者签名：后j 9 i 量4 孚 e t 期：一口p 7 年月0e t 指导狮签名：戤 日期：伽7 年厂月乙日 东华大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景、目的和意义 目前，各种靶材主要用于装饰和功能镀膜工业、汽车玻璃和建 筑玻璃镀膜工业以及光学镀膜工业等。在装饰和功能镀膜工业领 域，铬、镍、钛、钛铝合金、钛锆合金及镍铬合金等靶材广泛应用 手表、眼镜、钢笔、门把手等装饰五金镀膜及钻头、模具、刀具和 手机外壳等功能性镀膜，起到装饰、耐磨损、抗腐蚀和抗电磁干扰 等作用。在汽车玻璃和建筑玻璃及光学镀膜工业领域，主要用来镀 制各种保护膜、复合膜、彩色膜、增透膜、变色膜、红外增透膜及 高反射膜等【1 】- 【5 1 。 镀膜靶材是通过磁控溅射、多弧离子镀或其他类型的镀膜系统 在适当工艺条件下溅射在基板上形成各种功能薄膜的溅射源。随着 材料表面技术的飞速发展，各种镀膜靶材的市场需求量不断增长， 同时，某些高端领域所需的高质量薄膜又对相应靶材的技术指标提 出了更高的要求【6 】。其中靶材表面不平度是靶材的一项重要技术指 标，因此对靶材表面不平度进行检测研究很有必要，特别是对大型 靶材而言，实现表面自动检测更具有重要意义。 随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的 不断提高，传统的接触式测量由于接触测头与工件之间的接触压力 会划破被测表面以及接触测头半径较大带来的横向分辨率等问题 己无法完全满足工业界的需求。而非接触测量由于其良好的精确性 和实时性，己经成为测量领域的热点。同时由于电子学和光学技术 的飞速发展，光电检测己经成为非接触测量的一种主要方法。激光 三角法是光电检测技术的一种。由于该方法具有结构简单、测试速 度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点在工业中的长度、距 东华大学硕士学位论文第一章绪论 离以及三维形貌等检测中有着广泛的应用【7 】- 【8 1 。 当前我国检测设备正处在更新换代的阶段，国内市场需求量 大。随着对检测性能要求的逐步提高，在目前国内小型数字化检测 设备尚不成熟的条件下，许多设备都得从国外进口，从价格看，进 口设备价格昂贵。即使国内能生产自己的检测设备，功能也比较单 一，设备之间的数据无法共享【9 】。可喜的是，计算机技术同新月异 的发展以及高速度、高精度a d 转换器的问世，将测试技术推向 了一个新的发展阶段【i0 1 。利用计算机来辅助测试，使得数据采集、 处理和控制融为一体。而虚拟仪器技术正是基于计算机技术的自动 测试技术，具有功能化、模块化、数据共享及体积小等优点。如果 将虚拟仪器技术应用于检测系统，就可以扩充检测功能，使检测设 备小型化，而且还可以实现自动检测、远程检测等功能【i1 1 。因此， 开发基于虚拟仪器技术的检测系统具有实用价值。 本课题来源于企业的工程项目，研究对象是镍、钛、钛铝合金 及钛锆合金等大型圆靶巾d m a x = 5 0 0 m m ，靶材厚度变化为- 4 - 0 6 m m ， 要求对大型靶材表面进行自动检测，检测精度达到0 1 m m 。 1 。2 大型靶材表面不平度检测现状 对不平度的测量，有宏观和微观两个方面。在宏观不平度测量 方面，主要以高速公路、主干公路、市内道路不平度为测量对象， 有统一的计量标准，一般以8 0 k m h 的速度进行自动化测量。在微观 不平度测量方面，以金属表面不平度的测量为代表，称为金属表面 粗糙度的测量，测量长度仅为几个毫米或者更小，标准更为严格 【1 2 】 o 国内外对大型靶材表面的检测主要体现在表面轮廓测量和表 面粗糙度测量，测量精度达到微米甚至纳米级，而且对被测表面有 不同程度的要求。清华大学汽车工程开发研究院开发的便携式轮廓 检测仪，可以实现对车身外覆盖件的在线跟踪检测【13 1 。哈尔滨工 2 东华大学硕士学位论文第一章绪论 业大学精密工程研究所设计的超精密加工表面微观形貌非接触在 线检测系统，专门应用于超精密车床在线检测加工表面微观形貌的 检测系统【1 4 】。德国m a h r 公司推出的新一代m 1 粗糙度测量仪，取 样长度机器自动识别，无需人工设置【15 1 。 本课题对大型靶材表面不平度进行检测，依企业要求，检测精 度要求达到10 0 i ，t m ( 0 1m m ) ，这一精度介于宏观不平度和微观 不平度之间。据资料检索，在对被测靶材表面质量不作严格要求的 前提下，国内满足这种精度要求的不平度测量仪不多，特别是对大 型表面不平度进行自动测量的测量仪更加稀少，而且价格昂贵。如 上海第三钢铁厂研发的板材不平度自动数字测量仪、辽宁工程技术 大学马和教授等研发的“多功能激光衍射测量仪 市场价都在3 5 万左右。这种情况下，由于检测系统的精度( 0 1m m ) 属于微位移 测量范围，决定通过微位移测量来实现大型靶材表面不平度检测。 关于微位移测量，目前常用的方法有以下几类【1 6 】： ( 1 ) 机械法：如光学机械法、杠杆测量法等； ( 2 ) 电学法：如电阻法、电容法、电感法等； ( 3 ) 光电法：如干涉法、偏光法、扫描电镜等。 在以上方法中，机械法属于接触式测量，电学法中的电阻法也 属于接触式测量，电容法虽为非接触式测量，但量程小、精度低、 要求被测工件材料具有导电性；光电法是一种较为成熟的测量方 法，测量分辨率较高，但采用光电法原理的测量仪器通常仅适用于 计量室环境，不适合生产现场检测。 激光三角法是一种新型的光电检测技术，它利用光学三角法原 理，将位移量的光学信号转换为电信号，具有以上测量方法难以比 拟的优点【1 7 】： ( 1 ) 采用半导体激光器，测量仪器体积比较小； ( 2 ) 半导体激光方向性好，稳定性好、测量精度高； ( 3 ) 可与计算机结合组成测量自动化程度较高的智能型测量仪； ( 4 ) 既可测量金属材料，也可测量非金属及柔软材料。 3 东华大学硕士学位论文第一章绪论 因此，在本检测系统中，决定采用激光三角法微位移检测技术 来实现大型靶材表面不平度的自动检测。 1 3 论文主要研究工作 大型靶材表面检测系统由机械系统、硬件系统和软件系统组 成。论文主要研究工作如下： 1 、在检测系统功能分析的基础上，确定了系统的总体方案， 对机械系统进行了设计、计算和校核，设定了系统的精度并完成了 误差分配。 2 、在对各类总线进行分析比较的基础上，完成了硬件平台的 选型，根据检测系统的功能要求对传感器和数据采集卡的进行了选 型，并完成了系统硬件设计。 3 、在分析系统功能要求的基础上，完成了系统软件设计，主 要包括软件平台选择、软件结构设计、主界面设计及功能模块设计， 并对系统软件功能进行了验证。 4 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 第二章总体方案及机械系统设计 2 1 大型靶材表面检测系统总体方案 开发测试与控制系统时，应从系统需求入手，考虑系统的各项 功能需求和技术经济指标，然后进行详细的方案设计，研究系统的 结构、功能和实现方式，根据系统方案设计符合要求的机械系统， 选择符合要求的传感器、数据采集卡和软件开发平台及一些附属设 备，最后进行软件的设计和系统调试【18 】。【9 1 。 大型靶材表面检测系统主要是检测靶材表面的不平度，并产生 检测报告和三维形貌。要求能将机械系统、数据采集设备、计算机 和软件等结合起来，不仅能够对被测信号进行准确的测量，而且需 要对测量结果进行分析处理，还能把分析处理的结果以文本和波形 的形式显示出来，并能够对测试结果进行保存、打印以及数据在模 块之间的共享。此外，还能够产生常用信号，一方面可以对某些被 测信号进行相关分析和互相关分析，另一方面可以对软件系统的分 析处理模块进行功能验证。 检测系统设计中信号转换原理的选择很重要，因为几乎任何一 种新发现的物理现象和新技术的出现都会给计量技术增添新的手 段。一个检测系统的新颖性也常常和信号转换原理有关【20 1 ，本课 题采用激光位移传感器，其信号转换原理为光学成像原理。目前基 于光学成像原理这类仪器的示值误差为o 5 l m ，性能稳定耐用，如 工具显微镜、测长机等【2 。 检测系统的总体布局( 拿去了前挡板和密封齿轮的盖板) 如图 2 1 所示。被测工件通过联动v 型块自动定心夹具安装在基准工作 台上。基准工作台通过4 个均布的螺钉与回转工作台固联。回转工 作台的分度，是通过回转工作台步进电机驱动一对圆柱齿轮实现 的，其传动比为4 ，当采用四相八拍的步进电机时，工作台回转角 5 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 度的分辨率叮达00 5 。激光测头安置在测头架上，通过测头移 动步进电机一滚珠牲杠实现沿被测工件卣径方向的位移。如果采 用四桐八拍的步进电机( 步距角为09 。) ，在丝杆的导程为5 m m 的情况f ，激光测又的位移分辨率可达00 l2 j m m 。激光测头选用 l a p l0 ，其测茸精确度为0 1 6 6 _ 1 m ，线性( 整个删量范围的最大偏移) 为 1 0 u m ，能够满足企业的精度耍求。 拖板1 块自动定心夹具 0 醚黪黧 滞b 导轨 1 e = k n 目2 1 检删系统总体布局 虚拟仪器软件，f ：发平台采用美幽n i ( n a t i o a a l i n s t r u m e n t ) 公 司的l a b v i e w ，l a b v i e w 是荧幽n i 公司推出的种基于g 语言 的虚拟仪器软件丌发丁具，主要用j 数据检测、数槲测量聚集系统、 数i ( | ：分析系统和工业自动控制系统等领域 z 2 。 虚拟仪器硬件、p 台根据i o 接口设备总线类型的不同主要柏 五种2 3 j ：p c d a q p c i 插卡式、g p i b 、v x i 、p x i 及串【i 总线虚拟 仪器测试系统。其中，p c d a q p c i 插卡式充分利用了p c 计算机 的机箱、总线、电源及软件资源，价格便宜，特别适合于小型工业 删控现场、各种实验室和教学部门使用1 2 4 】。在奉系统中采用了 p c d a q p c i 插i - 式虚拟仪器系统。整个检测系统基本结构框图如 n2 2 所示。 轮旨往删 蜥 一，一 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 到袅群动诸 图2 2 大型靶材表面检测系统基本结构 钩工 # 锣谴 测量过程可简述如下：首先将工件通过联动v 型块自动定心 夹具安装在基准工作台上，使之能随工作台回转，然后安装好激光 测头，并使激光测头与被测工件垂直。这时计算机发出控制信号给 型耄鹫鞔墨，多墼黼媸过滚珠丝杠带动测量架沿着工件表面上 的一条直径方向运动，从而得到工件表面一条直径方向上的一组不 平度数据。当对一条直径采样完毕时，激光位移传感器给计算机反 馈一个位移突变信号，此时计算机控制步鳓霉哦回转工作台 转动一个设定的角度之后，测头移动步进电机通过滚珠丝杠带动测 量架返回，即可测得工件表面上另一条直径上的一组不平度数据。 如此循环，只要通过细分工作台转动的角度，就可以得到整个工件 表面上所有直径的不平度数据。计算机对这些数据进行分析处理， 并将分析处理的结果以文本或图形的形式在屏幕上显示出来，并且 可打印或存入磁盘保存。 7 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 检测系统的控制程序流程如图2 3 所示。 2 2 机械系统设计 图2 3 检测系统控制程序流程图 机械系统设计是大型靶材表面检测系统设计的基础，设计可靠 性高、功能完善，具有良好扩展性的机械系统是进行大型靶材表面 检测的前提和基础。机械系统部分主要包括支承件、联动v 型块 自动定心夹具、回转工作台、测量架、导轨和滚珠丝杠等。 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 2 21 联动v 型块自动定心夹具设计 在奉系统中工件的定位和央紧是通过联动v 型块自动定心夹 其实现的，它土要由螺杆、义形块和能够实现联动的两个v 型块 组成。如图24 所示，当用套简扳手转动螺杆时，受叉形块的限制， 螺朴不能移动，幻使两v 型块在央具体的t 型楷巾移动。由于螺 杆的一端足庄螺纹，另一端是右螺纹，且螺距相等，所以螺杆转动 时，两v 犁块的移动方向相反，速度相等，从而实现自动定心和 必紧。 戮 夫具体( 蒹基准工作台 幽2 - 4 联动v 碰块自动定心夹具装配图 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 2 2 2 支承件设计 支承件不仅起着支承和连接各零部件的作用，同时还起着确定 零部件之间相互位置的作用，以保证检测系统的精度，所以支承件 的设计非常重要。 1 ) 支承件设计的技术要求 ( 1 ) 刚度。系统中，支承件焊接而成，且有加强筋板来提高 其强度和刚度。支承件所受的外力主要来自轴承传递的力。由于支 承件在结构上类似于箱体式结构，因此其刚度的计算采用箱体的刚 度计算公式。箱体刚度的计算公式为平板刚度计算公式乘以板壁孔 的影响系数k 。对于壁厚为t 的箱板，变形量瓯的计算公式为【2 5 】： 8 0 = k o 避等 沼3 ， 考虑到板壁孔和筋板的影响，箱体变形的近似计算公式为： 万= 8 0 k i k 2 ( 2 - 2 ) 则支承件刚度： k ：一f( 2 3 ) d 其中f ：垂直于箱壁的作用力， = 1 5 0 0 n ； e ：材料弹性模量，e = 2 1 x l0 5 m p a ； a ：受力箱壁长边的一半，a = 5 35 m m ； t ：受力箱壁的厚度，t = 15 m m ； p ：材料的泊松比，斗= 0 3 ； k 。：着点力位置系数，k o = 0 1 3 ： k ，：孔对箱体刚度的影响系数，k 。= 0 5 4 ； k ：筋系影响系数， k ：= 0 8 。 则由式( 2 1 ) 得： l o 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 = k o 等 ：0 1 3 1 5 0 0 x 5 3 5 2 ( 1 - 0 。0 9 ) ：0 0 7 2 r a m 2 1 1 0 1 5 由式( 2 - 2 ) 得： 万= 瓯k i k 2 = 0 0 7 2 x 0 5 4 x 0 8 = 0 0 3 l m m 由式( 2 3 ) 得支承件的刚度为： k ：一f ：3 0 0 0 ：9 6 7 4 4 n m m：= 一= = 艿0 0 3 l 检测系统支承件刚度要求k l0 0 0 n o 1m m ，显然满足刚度要 求。 ( 2 ) 抗振性。在系统中支承件采用焊接钢板。由于钢的阻尼比 为铸铁的1 3 ，抗振性差，所以在结构和焊缝上要采取抗振措施： 在保证焊接强度的前提下，两焊接件之间部分焊住，留有贴合而未 焊死的表面，振动过程中，两贴合面之间产生的相对摩擦即为阻尼， 使振动减小26 1 。为了消除焊接应力，在钢板支承件焊成以后，进 行人工热时效处理，升温到6 0 0 6 5 0 。 2 ) 支承件材料选择。支承件常用的材料有铸铁、钢板及花岗 岩等。系统中采用钢板焊接支承件，考虑因素有以下两个方面：一 是钢材弹性模量比铸铁大，在同样载荷下壁厚可做得比铸件薄、重 量轻；二是焊接件的制造周期比铸件短，容易制造。 3 ) 支承件结构设计 ( 1 ) 截面形状选择。根据功能和工艺的需要，支承件的截面 形状确定为空心矩形闭式结构，主要是考虑空心截面的刚度大于实 心，封闭截面的刚度大于开口。 ( 2 ) 筋板筋条布置。在支承件的机身和基座上布置垂直筋板 和水平筋条，垂直筋板有助于提高机身垂直面内的弯曲刚度，水平 筋条有助于提高基座在水平面内的弯曲刚度。 ( 3 ) 壁厚选择。根据受力大小决定壁的厚度。对于铸造支承 件，按其长l 、宽b 、高h ( 均以m 计) 计算当量尺寸c t 2 7 】： 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 c ：2 l + b + h( 2 _ 4 ) 3 然后根据当量尺寸c 查机械设计手册，选择最小壁厚t ，选择出的 是小壁厚是基奉尺寸，局部受力处可适当加厚。对于焊接支承件的 壁厚，呵取铸造支承件壁厚的5 0 8 0 。率系统中，确定支承件的 础厚为l5 r a m 。其雉本结构如图2 5 所示。 2 23 导轨设计 图2 5 支承件基本站构 导轨部件山运动件和承导件组成，在系统l l ，运动件上有测头 架和夹持部件，承导件与系统支承件机身连接在起。激光探头的 重量约1 4 k g ，载荷不大，所以系统中导轨的主要功能是保证运动 件定位和运动时的运动精度及与有哭部件的相互位置精度。 1 ) 导轨设计的技术要求 对导轨部什设计的技术要求是：导向精度高，刚度大，耐磨、 运动灵活平稳及良好的结构工艺性等。导轨面的磨损是检测系统精 度世失的主要原因之，因此提高导轨面的耐磨性非常重要。本系 统采取如下措施束提高导轨的耐磨陛：选用滚珠滚动导轨，导 轨材料采用合金丁具铡c r w m n ，经淬火、低温回火、调质再表面 氮化，滚动体采片】滚珠球轴承钢g c r l5 ，淬火硬度6 0 一6 5 h r c ； 通过良好的润滑，在精加工后的导轨表面涂一层磷酸盐润骨薄膜， 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 可大大提高其耐磨性【28 1 。运动平稳性主要指导轨低速运动时不产 生爬行现象，由于选用滚珠滚动摩擦导轨，它的动静摩擦系数之差 f 非常小，运动灵活，因此有效地防止了爬行现象的发生。 2 ) 导轨类型的选择 系统要求运动件在较小的推力下获得精确的微量位移，因此选 用滚珠滚动摩擦导轨。滚珠导轨选用双v 形导轨，它具有工艺性 好、制造精度高的优点，其结构形式如图2 6 所示。 在v 形槽( v 形角为9 0 。) 中安置着滚珠，隔离架1 用来保 持各个滚珠的相对位置，固定在承导件上的限动销2 与隔离架上的 限动销构成限动装置，用来限制运动件的位移，以免运动件从承导 件上滑脱。 o 图2 - 6 滚珠导轨 3 ) 导轨主要参数设计计算 ( 1 ) 运动件和承导件长度l 的确定【2 9 】 在设计滚动导轨时，首先应确定运动件的长度l ，其原则是： 在满足使用要求即移动距离s 一的条件下，应尽可能减少运动件的 长度l 。由图2 7 可知，滚珠中心的线速度v 与运动件速度v 的关 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 系为v r = v 2 ，因此运动件的长度l 为 l = 2 l o + 卜导 ( 2 5 ) 式中，1 0 ：边缘余量，一般取l o = 5 10 m m ； 1 ：滚珠间的距离，由结构确定。承导件的长度一般取 l = l + s 。 等+ 厶 图2 - 7 运动件位移计算 ( 2 )隔离架限动槽长度b 和平椭圆长度b 的确定3 0 1 ( 见图 2 6 ) 因为隔离架的速度与左边滚道滚珠中心的移动速度相同，为 运动件移动速度的一半，当运动件移动s 嗍时，隔离架只移动了 s 一2 。因此， b ：妻s 一+ d s i i ( 2 6 ) 2 ” b = d + 0 1 s 一 ( 2 7 ) 式中，d 幽：限动销直径； d ：滚珠直径。 ( 3 ) 滚珠的直径和数量【3 1 】 滚珠的直径和数量与单位接触面积上的容许压力和结构尺寸 有关。在结构允许的条件下，应优先选用直径较大的滚珠。这是因 为：增大滚珠直径可以提高导轨的承载能力，滚珠导轨的承载能 1 4 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 力与滚珠数目z 及滚珠直径d 的平方成正比，因此增加滚珠直径d 比增加滚珠数目z 有利；增大滚珠直径有利于提高导轨的接触 刚度；增大滚珠直径，可以减小导轨的摩擦阻力。 在系统中，激光探头的重量约为1 4 k g ，载荷不大，导轨几乎 只承受运动件本身的自重，因此可以根据导轨结构条件选择滚动体 的数量。在本系统中，滚珠直径d = 5 m m ，z = 15 2 。 2 2 4 齿轮传动设计 本系统中采用齿轮传动的目的是用来精确地传递运动，由于其 传动功率较小，所以属于精密齿轮传动。 1 ) 齿轮传动类型选择。齿轮传动主要用来实现工作台的精确 分度回转，即主要用来精确地传递运动，且属于单级齿轮传动，由 于传递功率较小，传动速度不大，所以根据系统的总体布局，考虑 两轴的相互位置关系，在参考类似传动选型经验的基础上，本系统 选择了渐开线圆柱直齿轮传动。 2 ) 齿轮齿数和模数确定。对于单级齿轮传动，设小齿轮齿数 为z 。，大齿轮齿数为z ：，则在传动比i 。：= z z z ：已经确定后，如果选定 z 。，则可算出z ：。因此如何选定z 。是确定齿数的关键。齿轮模数的 选择要参照国家标准g b13 5 7 19 8 7 的规定，可按下述原则进行确 定：当传动受力较大时，模数必须根据强度条件确定；当传动受力 很小时，可按类比法或按结构条件确定。由于系统中齿轮传递的功 率较小，所以主要根据结构条件( 支承件空间的大小) 确定模数 m = 4 ，对于直齿圆柱齿轮，z 按下式计算【3 2 】： z ：_ 兰生一 ( 2 8 ) 1 m ( 1 + i 1 2 ) 在本系统中，根据工作台回转角度的分辨率要求，参照步进电 机的选型，传动比i 。2 = 4 ，根据原则，a ：2 0 0 m m ，m = 4 m m ，则由式 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 ( 2 - 8 ) 得z i - - 2 0 ，则z ：= 8 0 ： 3 ) 齿轮失效形式分析及材料选择 系统的齿轮传动属于闭式齿轮传动，且能够实现较好的润滑， 所以疲劳点蚀是其主要实效形式，为了防止齿面疲劳点蚀，要对齿 面接触疲劳强度进行计算，强度条件为齿面的接触应力小于或等于 许用值，即 】。由于本系统齿轮主要用来传递运动，承受载 荷小，所以在此不对它进行研究讨论。 在工作中，不存在短期过载或冲击载荷，齿轮主要用来传递 运动，载荷较小；为了使大、小两齿轮的强度和耐磨性接近相等， 小齿轮选用4 2 s i m n ，调质处理，其硬度可达到217 2 6 9 h r c ，大 齿轮选用4 5 号钢，正火处理，其硬度可达到16 9 。217 h r c 33 1 。 4 ) 传动误差计算 对工作时仅作单向回转的精密齿轮传动，传动误差小是保证传 动精度的关键，因此设计时应进行传动误差的计算，并使其不超过允 许值0 0 3 。( 1 8 ) ，该传动误差是总转动误差0 1 。( 6 ) 的l 3 。 造成传动误差的原因主要有【3 4 】：单个齿轮本身( 轮齿) 的 制造误差，轴和齿轮孔的配合间隙c ，安装齿轮处轴对轴承的径 向跳动嗔，轴承动圈的径向跳动瓯。在上面四个因素中，单个齿 轮本身的制造误差影响最大，其它三个在精心设计、精心加工和装 配的条件下影响较小，有时可以忽略不计。对于单级齿轮传动，在 输出轴上度量的传动误差可按下式计算【3 5 】： 纪= 4 8 羔+ 鱼】( - ) ( 2 9 ) l m z l ) 1 1 2m z 2 在本系统中，i 。2 = 4 ，z 。- - 2 0 ，z 2 = 8 0 ，m = 4 m m ，e 、f 边分别为齿轮切向 综合误差的公差，根据d i = 1 1 1 z l = 8 0 m m ，d 2 - - - m z 2 = 3 2 0 m m ，齿轮精度等 级为6 级，查表得e 。= 3 6 肛m ，巳= 4 7 1 儿n ，代入式( 2 - 9 ) 得， o p t = 4 8 丽3 6 + 志们= 1 2 4 5 ( - ) 1 6 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 计算结果表明，传动误差在允许范围内，设计合理，能够满足 系统的检测要求。 2 3 系统精度设计原理 在对系统进行精度设计时，主要遵循阿贝误差原理、运动学设 计原理、平均效应原理、变形最小原则、基面统一原则及误差配置 原理，并在具体设计中灵活运用。 如图2 8 所示，由于导轨变形也会产生一阶误差影响定位精 度，其误差a = + h t 9 0 h 0 ，为了减少测量误差，采用两层拖板( 见 图2 1 ) ，使垂直阿贝误差和水平阿贝误差相互抵消【3 6 l 。 o导轨 oo 。o l 0 、，+ k一”。”- j 吲 。， 叽 ! 1 0 1r 0 i 0 0 工作台 i l ph l 图2 8 导轨变形引起的误差 系统零部件受到自重、外载、温度变化、工艺内应力以及振动 等因素的作用，都会产生变形误差。因此，为了使各项变形误差最 小，本系统在进行精度设计时采取如下措施：提高零部件刚度减小 载荷引起的变形。在钢板支承件焊接后，进行人工热时效处理，升 温到6 0 0 6 5 0 消除焊接应力1 3 7 1 。 对一个检测系统而言，如果各部分的误差配置得当，就可以提 高整个系统的总精度。 1 7 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 2 4 系统精度设计和误差分配 系统精度设计的基本任务是精度分配和误差补偿。精度分配是 根据产品允许的总误差，将其经济、合理地分配到零部件上，并制 定各零部件和公差的要求。误差补偿的目的是减少或消除部分误 差，从而达到总精度的要求。 2 4 1 误差来源、分类及合成 1 ) 误差来源。在检测系统中，测量误差的来源是多方面的， 几乎所有因素都将引起测量误差。在分析和计算测量误差时，不可 能、也没有必要将所有因素及其引起的测量误差逐一计算，因此， 要着重分析引起测量误差的主要因素。同时在分析和计算中还应避 免重复和遗漏。本系统主要考虑以下误差来源： ( 1 ) 基准工作台的误差。作为提供比较测量用的基准工作台 ( 其表面作为测量的基准面) ，它本身不可避免地存在一定误差， 另一方面，它虽作为标准量，但也必须经过标定，因此它自然也存 在着标定误差。这些误差将直接反映到测量结果中而造成测量误 差，因此在选用标准工作台时，应尽量使其误差小些，一般要求其 误差约为总测量误差l0 0 p m 的l 3 l 1o 【38 1 。 ( 2 ) 导轨导向误差。它主要取决于导轨承导面几何形状的精 度和导轨配合间隙，其精度指标主要有导轨在垂直平面和水平平面 内的直线度及导轨间的平行度39 1 。 ( 3 ) 主轴回转误差。它由轴向窜动误差、径向跳动误差及角 运动误差三部分组成，它们构成了主轴的轴向回转精度、径向回转 精度和定向精度。 ( 4 ) 齿轮的传动误差。所谓传动误差，是指在齿轮传动机构 中，瞬时速比对理想速比的偏差，它使读数齿轮的实际转角偏离理 论转角。 ( 5 ) 控制两步进电机运动的编程误差。它是由程序控制原理 东华大学硕士学位论文第二章总体方案及机械系统设计 决定的误差，出现在编程阶段。 ( 6 ) 激光测头对被测工件的垂直度误差。 ( 7 ) a d 和d a 转换误差。 2 ) 误差分类( 4 0 】 以上误差来源，就其性质而言，可分为系统误差、随机误差； 但对靶材上的某一被测点而言，主要存在水平平面内的定位误差和 垂直平面内的测量误差( 直线度误差) ，水平平面内的定位误差主 要为转角误差。它们的对应关系如表2 1 所示。 表2 1 误差分类 随 系统误差定位测最 机 误 误差 误差 已未 差 转角 ( m m ) ( ) 定定 l标准上作台的平面度误差 - 2 导轨在垂直平面内的 、， - 直线