毕业设计（论文）-三维定位工作台毕业设计.docx

吉安职业技术学院三维定位工作台毕业设计所属系部：机 电 学 院专业班级：14数控1班学生姓名：指导老师：二一六年十一月崇文明理 厚德精技目录第一章 绪 论3第二章 1.1 引言3第三章 1.2 纳米三坐标测量机的研究现状 3第四章 1.3 课题的主要来源和内容4第二章 微 纳三维测量机总体结构设计52.1 微纳三维测量机结构5第三章 维定位工作台机械结构设计63.1 通用器件选型 63.2 测量器件选型及安装调平机构设计73 3 共平面二维定位平移台设计 103.4 Z向定位工作台设计163.4.2 Z 向反射靶镜设计183.4.3 Z 向驱动部件设计193.4.4 Z 向运动台平衡部件设计 193.4.5 Z 向定位工作台整体总装 203.5 测量机基台设计 20第四章 测量机三维定位工作台有限元分析及结构优化234.1 有限元法及 ANSYS 概述 23第五章 测量机整体装配及测试 245.1 测量机台的整体装配 245.2 装配后各单轴机构误差测定 25第六章 总结与展望 276.1 课题工作总结 276.2 研究工作展望 27第一章 绪论 1.1 引言 三坐标测量机是20世纪 50 年代以来发展起来的一种高效率的精密测量仪器，它广泛地运用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。三坐标测量机作为一种以精密机械为基础，综合运用电子技术、计算机技术、激光技术、气动技术等先进技术的测量设备，在现代工业检测和现代制造业中发挥着不可或缺的作用，其技术水平已成为现代测量技术和制造技术发展水平的重要指标。 随着制造业的飞速发展，产品多样化和精密化促使三坐标测量机逐渐朝着多元化的方向发展，如逐渐向大型化和小型高精度化等方向发展。测量机大型化发展，主要是为了适应制造业设备大型化和高精度化的需求，如 DEA 的坐标测量机测量范围为达 2500*1600*600mm2；测量机的小型高精度化发展，主要是为了适应微纳米技术的发展需求。微纳米技术为微机电系统(MEMS)技术和纳米科学技术（nano ST）的简称，是 20 世纪末在美国、日本等发达国家兴起的以微米加工、纳米结构和系统为目的的高新科学技术。由于其在航空、航天、军事、生命科学和健康保健、汽车工业、仿生机器人、家用电器等领域均有巨大的应用前景，因此受到了各国政府、科研机构和学者的普遍重视，并成为当前科技界研究的热门领域之一。21世纪以来，随着微电子技术的快速发展，半导体产业、精密机械工业、光电系统、表面工程等方面都朝微小化、精密化的方向发展。伴随 MEMS 的快速发展，利用精密加工手段加工的各种微/纳米机构，如微型齿轮、微型轴、微型台阶等产品3,4，其几何尺寸几乎都为微纳米量级，要对这些微器件进行精密测量，就要发展微纳米级的高精度检测方法与技术手段。因而研制具有纳米级测量精度的三坐标测量机已成为当务之急。1.2 纳米三坐标测量机的研究现状 纳米三坐标测量机简称 Nano-CMM，是近年来国内外相关研究单位研制的体积小，精度高、具纳米级测量精度的三坐标测量机，其三维测量精度可达到100nm 以下。相对于技术已相当成熟的普通三坐标测量机来说，Nano-CMM 还处于起步阶段。这是因为，在纳米级的测量精度要求下，温度变化、振动等的影响都会带来很大的误差，故其对工作环境的要求非常严格；其次，纳米测量的技术难点在于驱动、导轨和测量方法。目前驱动器利用压电或电致伸缩位移器居多，而种类比较少。在导轨设计方面，目前通常利用柔性铰链的弹性导轨技可以制造出性能优良的小行程运动导轨，但行程只能达到微米级。如何设计出毫米级行程、纳米级精度的导轨，仍然是至今还未很好解决的技术难题。目前国内外研究高精度三坐标测量机的单位，大多数由当地国家重点实验室或相关单位结合该领域知名专家、学者进行共同开发。相关的研究项目大多属于国家级重点研究课题。在纳米测量机研究方面处于技术领先的国家均为日本、德国、瑞士等发达国家。我国约从 70 年代中期开始研制三坐标测量机，采取引进国外先进技术的方法来迅速发展我国的三坐标测量机事业。国内的清华大学、哈尔滨工业大学、合肥工业大学等在纳米微位移定位机构的研究中已取得一定研究成果12-14。可看出国内目前对纳米三坐标测量机项目的研究大多属于针对三维测量系统中的部分关键技术进行了开发。1.3课题的主要来源和内容本论文内容来源于：国家 863 计划重点项目微纳测量技术与装置，项目编号 2008AA042409。项目研究内容为微纳米三坐标测量装置的研制。装置要求具有多维激光干涉测量系统，测量结果直接溯源“米”定义的国家基准；三轴测量范围为 50mm50mm50mm；测长分辨率 1nm；测量不确定度 100nm；微型测头测量范围20m；装置实现制造业中的精密加工领域的计量标准装置。项目包括：(一)Nano-CMM 机台研制；(二)三维定位工作台设计；(三)纳米 CMM探头及其检测系统研制；(四)准共路微片激光器回馈干涉测量系统研制。每个子项目由不同的课题组负责，本课题“三维定位工作台设计”为项目研究内容之一。本研究课题的主要内容为新型 Na-CMM 三维定位平移台的机械结构设计及装配。论文依托课题，研究内容包括：1、 Nano-CMM 三维定位工作台的机械结构设计。通用器件及测量器件的选型；实现纳米级定位精度的三维工作台机械结构设计；基台结构设计。2、 对设计的三维定位工作台的机械结构进行有限元静力分析，提出优化方案。Z 向工作台及配重的重力引起的 X、 Y 向定位工作台在运动中结构变形及优化案研究； X、Y 向工作台自重变形及结构参数优化研究。 论文主要内容安排。第二章将介绍新型微纳三维测量机总体结构设计，通过对比分析三类 Nano-CMM 结构优缺点，说明采用“331”原则的测量机结构优越性，设计了实现“331”原则的微纳三维测量机总体结构方案；第三章主要介绍了三维定位工作台的机械结构设计，包括通用器件和测量器件的选型、共平面二维定位平移台部件设计、Z 向定位工作台部件设计及基台设计；第四章对设计的三维定位工作台结构进行结构建模及有限元分析，并根据分析结果提出优化方案；第五章则主要进行了测量机整体机械装配，并进行了装配后单轴机构误差测定。第二章 微纳三维测量机总体结构设计2.1 微纳三维测量机结构 具有微纳米级测量精度的三坐标测量机的结构可以采用被测件固定的传统CMM 微型化结构，或者采用被测件只随 X-Y 向做二维运动的一般 Nano-CMM结构，也可以采用探头不动而被测件做三维运动的新型结构。1传统 CMM 结构一般在普通的 CMM 结构中，被测对象被固定于工作面上，CMM 探头做三维运动测量。这种方式优点是结构简单且易于实现。缺点是 CMM 探头在三维方向存在空间变化，故在三维方向均不满足阿贝原则15。图 2-1 所示为结构形式运用最广泛的移动桥式 CMM，此结构缺点表现在 X 向标尺在工作台的一侧，在 Y 向存在较大的阿贝臂；X 向的驱动从一侧进行，容易引起爬行现象，并造成较大的绕 Z 轴偏摆，由于在 Y 向存在较大的阿贝臂，偏摆会引起较大的阿贝误差，极大的影响了测量精度。图 2-1 移动桥式 CMM3、 Nano-CMM 的一般结构 在 Nano-CMM 中，为了尽量消除阿贝误差，一般将 CMM 探头限制在 Z 向单自由度运动，而被测对象固定于 XY 工作台上，测量时由 XY 工作台驱动被测对象在 X、Y 两个自由度上运动。这种方式的优点是可以使 X、Y 向的长度测量系统与 Z 轴共面，从而消除由上述不共面引起的阿贝误差。NanoCMM，其 Z 轴测量符合阿贝原则，运动导轨面、一维光栅测量面和被测件所在平台面在同一高度的共平面设计，使得导轨垂直面内（Z 向）直线度误差引起的阿贝误差得以消除，不过由于采用一维光栅，且光栅安装在工作平台侧面，在水平方向均存在违阿贝距离和阿贝误差16。第三章 三维定位工作台机械结构设计三维定位工作台是三坐标测量机的主体硬件结构，是坐标测量机实现定位及测量的基础。三维定位工作台中包括导轨、电机等通用器件及激光测量器件，机械结构设计时首先要对其进行选型及设计。定位工作台的 X 向、Y 向组成共平面结构，故三维定位工作台机械结构设计可分为通用器件选型、测量器件选型及安装调平机构设计、共平面二维定位平移台部件设计、Z 向定位工作台部件设计及基台设计五部分组成。加工部件选用殷钢材质。殷钢属于铁镍合金的一种，其最大的特点就是随温度的变形极小，适合于制作对温度变形有严格要求的零件。3.1 通用器件选型 3.1.1 导轨选型在微纳平移台中，导轨是最重要的部件之一，它是保证定位工作台平稳、高精度运动的关键，目前通用的纳米仪器导轨类型包括气浮导轨、内摩擦导轨和精密直线滚子导轨等。1、 气浮导轨 气浮导轨的核心是气浮轴承(空气轴承)，利用气浮轴承小孔节流形成气腔内的高压，在导轨和气浮轴承间形成具有一定承载能力和刚性的薄膜，气浮导轨具有无摩擦及无磨损的特性，由于匀差效应，运动的局部直线度及角度摆动较小，精度较高的测量机一般采用气浮导轨18。2、 内摩擦导轨 摩擦导轨可分为内摩擦导轨和外摩擦导轨，内摩擦导轨(如挠性铰链机构)精度很高、灵敏且滞后小，但行程难于加大，宜于作超微动工作台19。3、 精密直线滚子导轨目前，高精度的直线滚子导轨在纳米级微进给平台的设计中应用广泛。直线滚子导轨的优点是结构简单，成本较低，适于无气源的环境，刚性较好，承载能力强，有一定的匀差效应，灵活性、导向的直线度、稳定重复性均较好。但摩擦力较大，安装、调整对导轨的性能的影响亦较大。滚子分滚珠和滚柱两类，滚柱型相对于传统滚珠型导轨有承载能力大、滚动摩擦小、维护少、寿命长等优点20结合纳米测量机 50mm 行程、高定位精度的总体要求，导轨采用结构简单的精密直线滚子型，选用日本 NB 公司生产的精密交叉滚子导轨 VR 型，滚子为高精滚柱，此导轨是具有高刚度、高精度、小型的有限型式直线运动导轨。 NB公司提供的 VR 型各尺寸导轨分为高精度型、精密型和超精密型，结合测量机单轴运动范围 50mm 选用精度最高的超高精密 SV2090-16Z-UP 型，其参数包括单根导轨尺寸 90mm*6mm*5.5mm，组合后尺寸 90mm*6mm*12mm，滚动面的平行度误差小于 2m。SV2090-16Z-UP 型导轨实物图如图 3-1 3.1.2 电机选型 常规驱动与传动方式已经不能实现微纳米级定位，能实现微纳米级定位的超精密工作台目前包括：电磁式工作台、直线电机式工作台、压电式工作台等。 基于压电型没有空回、粘滞等现象很容易实现分辨率较高的运动，这里选用德国 PI 公司生产的 N-310 压电型直线电机作为系统的驱动电机。N-310 是PI 公司近年来开发的一款新型压电型直线电机，具有皮米级超高分辨率，且具有尺寸小巧、驱动力大、亚微秒级高动态响应、不需要维持电流等优点，与传统的直流电机以及步进电机驱动器相比，N-310 电机驱动器不需要通过齿轮、丝杠以及螺母等机械器件把旋转运动转化就直接可以实现直线运动，其性能参数包括：最大驱动力为 10N；最大行程 52mm；大行程内运动速度 01mm/s，1nm 的定位分辨率21。实物图如图 3-2 所示。 根据 N-310 压电型直线电机实物外形，其用于电机架及驱动架设计的结构尺寸图如图 3-3 所示。各轴驱动架及电机架的结构尺寸都是依据此结构尺寸来设计的。图3-3 电机结构尺寸图3.2 测量器件选型及安装调平机构设计 测量系统是坐标测量机的重要组成部分。目前国内外坐标测量机上使用的测量系统种类很多，如精密丝杠、高精度刻线尺、光栅、感应同步器、磁尺、激光干涉仪等，按性质可分为机械式、光学式和电气式三类。据先前统计，坐标测量机中使用最多的是光栅，其次是感应同步器和官学编码器，对于高精度测量机一般采用激光干涉仪测量系统1。 本项目的位移测量器件选用激光回馈干涉仪，由清华大学负责研发，清华大学精密测试与仪器国家重点实验室研制的激光回馈干涉仪22实物图如图 3-4所示。 激光回馈干涉仪是一种新型的激光干涉仪，正日益运用于包括位移测量在内的多种领域。激光回馈干涉仪是基于 King 在 1963 年发现的激光自混合干涉的现象研制的。当用一个外反射表面将激光器输出的光束反射回激光器内部时，发射光与反射光的光场相混合，从而引起激光器功率即光强的变化23，激光回馈干涉仪测位移即从光强变化中解析出相应的位移量。3.2.1 X、 Y 向激光器安装尺寸及其安装调平机构设计 由于激光器装配设计只需用到激光器外尺寸以及出光孔、安装孔位置，根据激光器外形尺寸， X、Y 向激光器用于装配设计的结构尺寸图如图 3-5 所示。根据出光孔位置布置激光器位置，根据外尺寸及安装孔位置设计激光器调整机构的安装上板。 图3-5 X Y激光回馈干涉仪结构尺寸图 装配调整架是激光器固定及位置调整机构，关系到测量机的装配及测量。根据激光器布置方式，X 向、Y 向的装配调整架相同，而 Z 向的略有不同。X向激光器装配调整架机械结构如图 3-6 所示。安装上板的安装螺钉位置根据激光器尺寸图中安装螺孔位置确定，激光器通过安装螺钉固定于安装上板。安装下板固定于测量机基台，安装上板四个角通过弹簧吊杆上的拉紧弹簧连接于安装下板，其中一个内角垫有钢球，另外外边缘两角安置有两个调整螺钉。调整螺钉的下端为半球形。安装上板的调平设计基于三点支撑原理，即三点构成一个平面，固定其中一点，调节两点的高度即可调整平面的角度，三点支撑相对于多点支撑的结构更容易实现调平。三点支撑调平原理的基础是点接触或球面接触，这里设计固定点为球面接触，调整点为螺钉点接触。调整光束时，通过调节安装上板上的调整螺钉可以调整激光器 X 向旋转和 Y 向旋转的两个自由度，实现激光器光束调平；通过调节夹持块上的调整螺钉可以调节激光器 Z 向旋转自由度，实现激光器光束横向偏摆，如此实现激光器位置调整及光束调整。3.2.2 Z 向激光器安装尺寸及其安装调平机构设计 Z 向激光器的光束须从 Z 向工作台的下方垂直向上发射，根据提供的 Z 向激光器外形结构，其与安装调平机构设计相关的结构尺寸如图 3-7 所示。图3-7 Z向激光回馈干涉仪结构尺寸图 设计 Z 向激光器悬挂固定于测量机基台的下方，根据出光孔位置布置 Z 向激光器位置，根据外尺寸及安装孔位置设计激光器调整机构的安装上板，装配设计结构图如图 3-8 所示。激光器及其调整机构通过悬挂侧板固定于基台上，调整板设计依旧采用一角钢球固定、两角螺钉调整的三点支撑调整方式。由于Z 向激光器只需要实现光束垂直，故其调整机构不需添加横向偏摆螺钉。激光器的位置调整时，通过调节安装上板上的调整螺钉可以调节激光器实现 X 向旋转和 Y 向旋转的两个自由度运动，从而调整激光器光束垂直。3.3 共平面二维定位平移台设计二维定位平移台功能为实现 X、Y 两个方向的共平面运动，并实现二维运动的精确定位14。根据测量机总体结构设计图可得二维定位平移台结构示意图如图 3-9 所示，主要由 X 台、Y 台、X 台基座、各向电机、各向导轨及二维测量系统几部分组成，二维测量系统的激光器独立于平移台布置，而反射靶镜则是平移台设计的一部分，X 台、Y 台和 X 台基台呈层叠结构布置。设计的关键是保证 X、Y 两个方向的导向面共面，保证各向导向线、驱动线与测量线平行。3.3.1 X 向平移台设计 X 向平移台的功用为在 X 向驱动下沿 X 向导向面运动，并通过 X 向激光器及反射靶镜实现 X 向运动的精确定位。X 向平移台的结构示意图如图 3-10所示，设计的关键是保障 X 向的导向线、驱动线与测量线同向，即三线平行。 1、 X 台设计 二维定位平移台须设计成相互嵌套的形式以实现 X、Y 导轨处于相同高度上。根据设计方案，X 台中间必须留有 Z 向工作台上测量件 Y 向运动的空间，必须留有平移台二维运动时测头的空间，因此拟定 X 台为正方框式。设计中兼顾机构的对称性，以减小平台在温度变化以及驱动力影响下产生的变形。设计X 台的结构示意图如图 3-11 所示。 X 台四个导轨安装面共面是两导向面共面的基础，因此 X 台设计的关键是保证导轨安装面的机械精度，因而在这里设计以导轨安装面为加工基准面，一体化加工保障四个导轨安装面平面度误差小于 2m，以此为基准加工其他面，导轨侧安装面的平面度与及相对基准面的垂直度亦要保证足够精度。 由 X 台结构示意图可知，导轨安装面还是主要承力面，因此须有足够的厚度与外延来保障刚度与精度，拟定主框台厚度为 18mm，外延 26.5mm。X 向平移台空间孔设计时须保障 Z 向载物台至少 50mm*50mm 的移动空间，结合导轨尺寸 90mm 拟定正方框内外框尺寸分别为 110mm、150mm。边缘做倒角以减小应力。基于上述要求，设计 X 台结构图如图 3-12 所示。2、 X 台基座设计 定位工作台的 X 台基座及电机架均须直接固连于基台，为保障导向线与驱动线同向，设计 X 向电机架固定于基座。根据 X 台尺寸设计 X 台基座的导轨安装面，根据 Z 向定位台的水平面活动范围设计 X 台基座中间框尺寸，X 台基座及电机架结构如图 3-13 所示。在精度保障设计中，以基座中的导轨安装面为加工基准面，并保证与底面及机架安装侧面的平行度及垂直度精度；电机架设计中，需保证垂直度精度以保障驱动方向与运动方向的一致。4、 X 台反射靶镜设计 靶镜是激光测量定位系统的重要组成部分，其功用为配合各轴激光器实现定位测量，靶镜主要设计要求包括：三维靶镜位于三维运动台上；标准反射面在运动范围内有足够高的平面度及足够小的粗糙度；各向靶镜与相应导向线垂直。 根据“331”原则，X 向反射靶镜应布置于做三维运动的 Z 向工作台，由于台体阻挡，将 X 向靶镜布置于做二维运动的 Y 向平移台的 X 向侧面上。标准反射面的平面度及粗糙度通过机械加工保证。这里需保证靶镜安装面精度及靶镜安装件精度，即能保障 X 向靶镜反射面的 X 向垂直精度，从而实现测量线与X 同向即与驱动线及导向线平行。 X 向靶镜的设计结构图如图 3-14 所示，支架固定于 Y 向工作台而压板固定于支架，靶镜通过压紧螺钉固定于压板和支架之间。4、 X 向平移台总装 X 向平移台整体结构如图 3-15 所示。以 X 台导轨运动的导向线为基准的驱动机构的设计保障了驱动线与导向线平行。由于 X 向靶镜安置于 Y 台，将在Y 向平移台设计中补充说明 X 向测量线与导向线共向的设计装配。 3.3.2 Y 向平移台设计 Y 向平移台的功用为在 Y 向驱动下沿 Y 向导向面运动，并通过 Y 向激光器及反射靶镜实现 Y 向运动的精确定位。X 向平移台的结构示意图如图 3-16所示，设计的关键是保障 Y 向的导向线、驱动线与测量线平行。1、 Y 台设计 Y 台是实现相对 X 平移台做 Y 向平移运动的结构，通过 Y 向电机驱动沿 Y向导轨实现 Y 向运动。结合二维定位平移台及 Y 向定位平移台结构示意图可知：Y 台中间须留有 Z 向测量台的孔空； X 台与其基座分别位于 Y 台上下两侧， Y向工作台须留有 Y 向运动时与 X 台基座的空间；Y 向平移台的四个边框均有驱动及测量靶镜安装。结合对称性设计，Y 台的结构示意图如图 3-17 所示。Y 向平移台的宽度结合 X 台尺寸确定，拟定为 200mm，长度依据 Y 向运动时与 X 台基座的空间保障拟定为 300mm，厚度结合导轨安装处重力及外力变形情况 拟 定 为 12mm， 边 孔 尺 寸 拟 定 为 160mm*83mm， 中 心 Z 孔 尺 寸 拟 定 为57mm*57mm。由于 Y 台的四个边框均有驱动件及测量靶镜安装，须设有安装孔，中间的 Z 向连结平台也设有安装孔。Y 台的导轨安装面为导向精度面，须保证加工精度。Y 台结构图如图 3-18 所示。2、 Y 向驱动部件设计 Y 向驱动部件包括驱动电机、电机架和驱动架，设计的关键为保障驱动线与导向线一致在 Y 台 Y 向一端中轴线位置布置安装驱动架，由于内端有 X台基座阻挡故安装在外端，驱动架的长度根据电机杆长度确定；在 X 台 Y 向此端轴线布置安装电机架。驱动部件装配图如图 3-19 所示，驱动架的安装面及电机杆安装孔、电机架的 X 台安装面及电机安装面，均需要保证一定垂直度及平面度精度，以保障驱动线与导向线平行。3、 Y 向反射靶镜设计 根据 “331”原则， Y 向反射靶镜应固定于做三维运动的 Z 向工作台上，同样由于台体阻隔的原因，设计 Y 向靶镜布置于做二维运动的 Y 向平移台上，Y向靶镜设计结构图如图 3-20 所示，主要由固定架及靶镜两部分组成，固定架由固定螺钉固定于 Y 台，靶镜通过其固定螺钉压紧于固定架与 Y 台之间，通过机械加工精度保障标准反射面与平移台的垂直度，通过调整其后的调整螺钉调整标准反射面与导向线垂直，从而保证同样与反射面垂直的测量线与导向线同向。4、 Y 向平移台总装 结合上述 Y 向平移台各零部件结构，安装组合即得 Y 向平移台整体结构如图 3-21 所示。以 Y 台导轨运动的导向线为基准，驱动机构的设计保障了驱动线与导向线平行，靶镜的反射面垂直于导向线的设计保障了测量线与导向线的平行，从而实现三线平行的 Y 向平移台设计。 X 向靶镜安置于 Y 向平移台的 X 向一侧面，只需保证此安装侧面的精度及靶镜安装件精度，即能保障 X 向靶镜反射面的 Z 向精度，其 Y 向精度采用电感测微仪感测、手动微动调整。如此即实现了 X 向测量线与 X 向导向线平行，结合与导向线平行的驱动线设计实现了三线平行的 X 向平移台设计。 3.3.3 二维定位平移台整体总装 二维定位平移台整体结构图如图 3-22 所示。X 向导轨基座直接固定于基台，整个平移台在 X 向电机驱动下沿 X 向导轨实现 X 向平移，Y 平移台在 Y向电机驱动下沿 Y 向导轨实现 Y 向平移。为了实现运动线与驱动线同向，机械设计时通过设定各向电机架和驱动架安装面平面精度及轴线垂直精度，来实现驱动精度。3.4 Z 向定位工作台设计 Z 向定位工作台主要功能是在 Z 轴电机驱动下沿垂直于 X-Y 面的 Z 向导轨运动，并配合 Z 向激光器实现 Z 向精确定位。根据测量机总体结构垂直面布置图设计 Z 向工作台结构示意图如图 3-23 所示，Z 向电机通过电机支架固连于 Y向工作台，驱动 Z 向工作台沿 Z 向导轨相对于 Y 向工作台运动，固连于 Z 向工作台的 Z 向靶镜配合固连于基台的 Z 向激光器实现 Z 向精度定位。Z 向定位工作台部件主要包括 Z 向工作台、导轨支架、导轨、滑轮、重锤、Z 向电机、电机支架和 Z 向靶镜等零部件组成，这些零部件可以根据功能分为导向部件、定位部件、驱动部件及平衡部件四部分。结构设计需要保障驱动线、导向线及测量线同向，如图中虚线所示。3.4.1 Z 向导向部件设计 Z 向导向部件是实现 Z 向运动的部件，主要由 Z 台、 Z 向导轨、 Z 向导轨支架及其配重三部分组成。其设计主要考虑对称性原则，因为在不对称的结构中，温度变化及受力情况下均会对结构精度造成大的影响。 1、 Z 台设计 结合 Y 向定位工作台结构， Z 向工作台可以简单的设计为实心长方体块，基于减小重影响的考虑，拟采用空心长方体柱，由于处于测量面的 Z 工作台上表面须为实心面，固 Z 向工作台设计为载物台和 Z 主台体两部分组成。Z 向台机械结构图如图 3-24 所示2、 Z 向导轨支架及配重设计 根据总体结构设计方案，Z 向导轨支架是固连于 Y 工作台且与 Z 工作台通过 Z 向导轨衔接的重要部件。基于装配方便因素的考虑设计其结构为半开口型，三角栅槽的设计增强了结构的稳定性。Z 向导轨支架结构图如图 3-25 所示。 完成导轨支架安装及 Z 台装配后须添加导轨支架配重，使连接于 Y 台的 Z向部件的重心位于连接件几何中心上，实现结构的对称稳定性。3.4.2 Z 向反射靶镜设计 Z 向激光器靶镜，是 Z 向测量定位部件，其功用为配合 Z 向激光器实现 Z向精度定位。靶镜须固连于 Z 台且其反射平面须垂直于导向线，达到测量线与导向线共向的目的，故靶镜需添加调整机构。 靶镜约束条件主要包括位置约束和反射面大小约束两部分。靶镜安装位置主要受到激光回馈干涉仪性能约束，清华大学研制的位移测量激光回馈干涉仪量程只有几十毫米23，这就要求靶镜离激光器出光口尽可能的近，基于此设计靶镜位于 Z 台下端。由于 Z 向激光器固定而 Z 向工作台也随 X、Y 向工作台运动，故 Z 向靶镜标准反射面须设计的足够大，面积应大于平移台 X、Y 向运动范围 50mm*50mm。靶镜的标准反射面表面先要经过精磨，然后经过抛光处理，保证较小的平面度误差及很小的表面粗糙度。 靶镜平面调整设计思路为三点支撑调平原理，设计一固定点为球面接触，两调整点为螺钉点接触。Z 向靶镜及调整件设计结构图如图 3-26 所示。靶镜基板四个角通过弹簧吊杆上的拉紧弹簧悬挂预紧于 Z 向工作台下板，其中一个角垫有钢球，另外对角角安置有两个调整螺钉，靶镜固定于靶镜基板并由固定于Z 工作台底板的压板压紧，通过调节调整螺钉就能调整标准反射面使之与 Z 向激光器光束垂直了。3.4.3 Z 向驱动部件设计 Z 向驱动部件的功能为实现 Z 台相对于 Y 台 Z 向运动。设计约束主要包括三个方面：一是 Z 台各向运动时驱动架应避开 Z 向激光器出光探头；二是保障驱动线与导向线同向；三是遵循对称性设计原则。 驱动部件包括 Z 向电机、驱动架和电机支架三部分。基于 Z 向激光器出光头与反射靶镜无零件间隔的设计要求，设计 Z 向激光器出光头位于驱动架之中、电机支架位于驱动架外部、电机位于驱动架下方的布局方式。由于激光器固定于基台而 Z 向定位工作台相对于基台有三维运动，故驱动架应有足够宽度和长度，结合各轴 50mm 的运动范围设计驱动架内框尺寸为 85mm*92mm,取框宽及框厚均为为 10mm,故外框尺寸为 105mm*112mm。结合驱动架尺寸及电机尺寸设计电机架尺寸：外框尺寸为 136mm*211.5mm；厚度边框取 10mm、下框取27mm；内框尺寸为 116 mm*118mm。在机械设计中须保证驱动架、电机架、电机安装面及上安装孔的 Z 向精度，从而保障驱动线与导向线平行。对称性保障设计中，除了保证驱动架与电机支架边框结构均匀对称外，还应设计一块电机支架配重实现电机安装处的结构对称。 Z 向驱动部件结构图如图 3-27 所示。电机固连于电机支架，电机支架通过固连于导轨支架连接于 Y 台，从而实现 Z 向电机相对于 Y 台固定的设计，即实现了 Z 台相对于 Y 台 Z 向运动的驱动功能。3.4.4 Z 向运动台平衡部件设计 Z 向工作台由于重力作用会下掉或重力加载 Z 向电机，必须有机构加以平衡，使它随时处于平衡状态。目前最常用的测量机平衡机构有三种，一种为重锤平衡，另一种为气动平衡，还有一种是依靠电机用高减速比的减速器来平衡。重锤平衡的优点是结构简单、安全，其原理类似定滑轮机构，一端为主轴，一端为平衡重量，构造可靠，除非连接连接绳断裂，一般不会出安全问题。 缺点是：加大了移动部分重量，当配重上升下降到不同位置时，会影响到测量机性能。气动平衡的缺点是结构较为复杂，高减速器减速比平衡的缺点为要求电机功率较大，在本测量机结构设计中，基于结构简便及电机功率较小的考虑，采用滑轮重锤系统平衡 Z 轴系统的重力。平衡部件主要由滑轮和重锤组成，经计算 Z 向运动台的总质量为 3816g，故每一个配重的质量为 1908g，为减小配重体积这里选用圆柱形铅锤。滑轮固定于导轨支架上，选用 GB/T276-1994 深沟球轴承，结合圆柱重锤半径，选取轴承规格为 6203，外径为 40mm，内径为 17mm，厚度为 12mm。Z 台平衡部件结构图如图 3-28 所示。通过固连于导轨支架的轴承滑轮，对称设计的两个重锤平衡掉 Z 向运动件的重力，实现 Z 轴电机的无负载驱动。3.4.5 Z 向定位工作台整体总装 Z 向定位工作台整体结构图如图 3-29 所示。导轨支架及其配重固连于 Y 台，在重锤系统平衡掉 Z 台自重情况下 Z 向电机驱动 Z 台沿 Z 向导轨实现 Z 向运动。机械设计时通过设定电机架和驱动架 Z 向精度，来实现驱动线与导向线平行。通过 Z 向靶镜的调整机构调整，实现测量线与导向线平行。从而实现三线平行的 Z 向定位工作台设计。3.5 测量机基台设计 测量机基台是测头系统、激光器和三维定位工作台的安装布置平台，是定位工作台的结构基础，设计时要求其加工平面度高，力热变形小，抗震性能好，化学性能稳定。常用的基台材质包括铸铁、低碳钢、花岗岩等，这里选用花岗岩材质。天然花岗岩具有的优点包括：工性能好，其加工精度可达 0.5m 以下；耐磨性能好，比铸铁高 5-10 倍；热膨胀系数小，与殷钢相仿，受温度影响极微；弹性模量大，高于铸铁；刚性好，内阻尼系数大，比钢铁大 15 倍，能防震，减震；化学性质稳定，不易风化，能耐酸、碱及腐蚀气体的侵蚀；不导电、不导磁，场位稳定。缺点有：花岗岩石质较脆，粗加工时容易崩边；水会引起微量变形，使用中须注意防水防潮。 由于 Z 向激光器的悬挂布置要求以及定位工作台 Z 向零部件较多，出于装配方便考虑，基台设计为中心方孔型桌式结构。基于基台调平及稳定需求，设计基台分为台面、千斤顶支撑及底座三部分，其中千斤顶支撑为调平机构。 1、台面设计 基台台面是测头系统、激光器和定位平移台的承载体，根据功用花岗岩台面须布置 X、Y 向激光器安置槽和三维平移台安置槽，测头系统及 Z 向工作台安装螺钉孔。 了保证良好的抗震性和刚度，应尽可能增加台面厚度，综合考虑台面下方 Z 向工作台及激光器的布置空间和千斤顶支撑的负载力，最终确定台面厚度为 100mm。根据 X 向定位台基座外尺寸 200mm*200mm 以及激光器长度尺寸280mm 设定台面长宽560mm*560mm。分别根据激光器尺寸确定激光器槽尺寸，根据 X 导轨基座的内框尺寸确定基台台面内孔尺寸，根据基座外孔尺寸确定基座槽尺寸，根据电机架尺寸确定电机槽尺寸。机台上的安装螺孔根据设计的各安装件螺孔位置及大小确定。根据上述尺寸设计台面机械结构图如图 3-30所示。为保证 X 导轨基座槽底面的平面度精度，基座槽的 X 向激光器安置方向设计为开敞式，以保障基座槽和电机槽底部平面的加工便利；为保证调平及悬挂件精度，设计以台面底面为加工基准面。2、千斤顶设计 基台台面由千斤顶支脚支撑，千斤顶的作用有两个方面，支撑和调平。 由于台面质量大，支撑的同时实现调平功能对千斤顶的刚性和稳定性要求较高。平台支撑的方式包括三点支撑、四点支撑及多点支撑等。三点支撑的结构较简单，容易实现平台水平调节控制，但由于支撑点少，平台的稳定性和抗倾覆能力较差；采用四点以上的支撑由于支撑点数目多，不易对平台的水平度进行调整控制，但平台系统的刚度大大提高，平台的稳定性和抗倾覆能力较好24。综合考虑调平难易度、稳定性及台面布置等因素，设计平台支撑为四点支撑方式。 四点支撑也须设计为点接触或面接触，基于台面重量大，设计使用更易实现相对运动的点接触方式。由于花岗岩台面较脆，故设计一垫块位于千斤顶与台面之间，垫块材质选用 45 号钢，其特点为强度较高、塑性和韧性尚好。稳定性可由千斤顶基体保障，千斤顶基体设计为空心圆锥台体，并适当加大底面面积，千斤顶基体采用 A3钢材质，A3 钢含碳适中、综合性能好。 设计千斤顶杆连接基体与垫块，并在顶杆上设计一调节螺母实现调平功能。千斤顶杆上端设计为锥面点接触方式。点接触及杆连接的设计方式，要求其具有很高的刚性，因而设计千斤顶杆及螺母材质选用 40Cr 钢，并对千斤顶杆做调质处理，对千斤顶杆的锥面做高平淬火处理。 40Cr 钢调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性，钢的淬透性良好，适于氰化和高频淬火处理。表面高频淬火最主要的优点是工件表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等均有很大提高。设计的千斤顶结构图如图 3-31 所示，调整高度时用扳手旋转千斤顶螺母即可。3、底座设计 底座起到稳定作用，同样选用花岗岩材质。由于其只起到支撑和稳定作用，可简单设计为方孔正方台，结合台面尺寸和千斤顶基体的底面外径，设计底座尺寸420mm*420mm*100mm，孔径 200mm*200mm*100mm。4、基台整体结构设计 整个花岗岩基台的设计结构如图 3-32 所示。基台安装时须调整台面至较高水平度，具体调平方法为在加工的平面度较高的台面上同一位置不同方向的放置水平仪，通过调整千斤顶螺母使各个方向水平仪气泡居中即可。 本章主要介绍了测量机三维定位工作台的机械结构设计，包括通用元器件选型，各主要零部件的功能、设计思路及具体结构等。根据定位工作台及关联结构的模块划分，依次完成了通用器件选型、测量器件选型及安装调整机构设计、共平面二维定位平移台部件设计、Z 向定位工作台部件设计及基台设计。第四章 测量机三维定位工作台有限元分析 及结构优化三维定位工作台是三坐标测量机的主体硬件结构，是影响整台测量机精度和效率的重要部件25，平移台结构变形的影响往往制约测量机的整体精度，因此，在三维平移台的结构设计中减小力变形已成为三坐标测量机研究的重要方面。4.1 有限元法及 ANSYS 概述 有限元方法是广泛用于解决应力分析、传热学、电磁学和流体力学等工程问题的数值方法。应力分析中稳态的、瞬态的、线性的或非线性的问题以及热传导、流体流动和电磁学中的问题都可以用有限元的方法进行解决。 有限元方的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解26。有限元法的基本思路包括： 1离散，将某个连续体拆分为若干个形状简单的单元，这些单元要小到可以用简单的数学模型来描述特性参数分布。 2单元分析，通过对单元的研究来建立各特性参数之间的关系方程。 3整体分析，利用结构力的平衡条件和连续条件，将各单元按原来的结构重新联结成连续体结构。对连续体在确定边界条件下进行分析，从而得到整体的参数关系矩阵方程。 4解矩阵方程，即可得到各种参数在整体结构中的分布。 ANSYS 软件是集结构、热、流体、电磁场等分析于一体的大型通用有限元计算机程序。ANSYS 的多物理场耦合功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如热-结构耦合磁-结构耦合以及电-磁-流体-热耦合。ANSYS 作为功能强大，引用广泛的有限元分析软件，已经被广泛运用在许多的工程领域，如航空航天、汽车工业、船舶、电子电气、核科学、建筑结构、通用机械、微机电系统及医疗机械等。 ANSYS 在机械领域的应用主要是研究结构的强度、刚度以及稳定性等问题。结构的强度、刚度问题主要是分析机械结构在静态或动态外载荷作用下的应力和应变，振动、噪声问题主要是分析机械结构的振动特性以及在随时间变化的载荷作用下的动态响应。ANSYS 能对复杂结构的多重工况进行快速的分析，这是解析法等方法难以做到的，因此运用 ANSYS 进行有限元分析的方法越来越多的运用于机械结构的分析与优化27,28。ANSYS 有限元分析元件分析过程包括三个三面，流程如图 4-1 所示。第五章 测量机整体装配及测试5.1 测量机台的整体装配 测量机整体硬件包括基台、测头系统、激光器及调整机构、三维定位工作台及力平衡系统几部分组成，根据负责测头系统的项目组提供的测头结构，组合以上各装配体，得测量机整体结构图如图 5-1 所示。1.测头系统 2.Z 向定位工作台 3.X 向定位工作台 4.Y 向定位工作台 5.基台6. X 向激光回馈干涉仪 7.力平衡系统 8.测头安装悬臂 9.Y 向激光回馈干涉仪10.Z 向激光回馈干涉仪根据整体机械设计装配图进行测量机的实体装配，装配后的实物图如图5-2 所示。测量机整体尺寸为 560mm*560mm*780mm，总体质量约 200kg。为了保证测量机的装配质量，装配过程中应注意以下问题。（1）凡要装配的零部件必须经检验确认合格才能用来装配。对精度要求较高的外购件及加工零部件须进行必要精度检验，如导轨性能、各轴定位工作台导轨安装面精度、力平衡系统的上下导向面平面度等。要严格防止将不合格的零件装配到机器中去，这是保证装配质量的前提。2）装配时要重视清洁。由于定位工作台加工部件大多为殷钢部件，装配时须用汽油仔细清洗，对导轨及力平衡系统的滚动保持架等运动部件件更要注意进行彻底清洗。注意保持装配场地的清洁，并注意保持干燥。装配完成时应对钢部件进行防锈处理。（3）选择合适的装配程序。在处理好装配基准件后，一般是先下后上，先内后外，先部件后总体。本测量机装配中，按照基台、三维定位台、激光器、测头的顺序装配，其中在三维定位工作台装配过程中，按照先完成各分系统的部分装配，再安 X 向、Y 向、Z 向、力平衡系统的次序依次装配。4）装配时应遵守操作要领。装配时不得强行用力和猛力敲打，应选用合适的工具及设备进行装配，有专用工具的一定要用专用工具和机动工具安装，以保证装配质量。装配完成后应清点工具，看是否有工具遗留在设备内部。（5）重视紧固件、运动件的装配。紧固件联接要牢固，需要锁紧的应按要求锁紧，运动件