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机械毕业设计全套

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JX02-027@三坐标测量机,机械毕业设计全套

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1 第 1 章 绪论 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。 nts 2 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 nts 3 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 nts 4 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。 1.2 三坐标测量机测量原理 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。导轨式三坐标测量机 (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，导轨式三坐标测量机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。导轨式三坐标测量机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。 CLY 系列单臂三维测量仪产品信息产品说明： 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 nts 5 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。 图 1-1CLY 单臂三坐标测量机 在 Y、 Z 方向，其整机测量范围在 1500mm x 2600mm 以内、 X 向测量范围最小为 2000mm、并以 500mm 为间距递增的整体式测量机，采用整体式机械结构，测量机的工作平面通过地脚螺铨固定在地基上，其工作台表面略高于地表，或是安装为与地表齐平，便于大型工件的装卸。 这种类型的测量机的 Y 向测量范围有两种， 1200mm 和 1500mm，其 Z 向测量范围最小为 1500mm，最大可以达到 2600mm， X 向测量范围最小为 2000mm，可以按用户要求以 500mm 的长度适量增大。 大中型整体式单臂三坐标测量机比较适宜对一般大型非对称工件的测量检测与划线操作。 测量机可以根据使用要求，选配 WINCOM 测量软件或 XDmis 测量软件。如果被测工件为一般机加工件，测量要求为一般性的尺寸检测，可以选用WINCOM 测量软件。如果检测任务大部份需要与 CAD 数据协同比对检测，建议选择 XDMIS 测量软件。 1.2.1 三坐标测量机的组成 ： 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）； 1.2.2 三坐标测量机 的结构特点 ： nts 6 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 。 1.3 设计要求 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。 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。 nts 7 第 2 章 三坐标测量机总体设计方案 2.1 设计任务和内容 设计任务定位三坐标测量机 整体结构的设计，其中机械部分的设计工作台包括纵向、横向和 Z 轴的运动，工作台承担运动功能。其次是夹具体的设计，包括手柄、浮动滑块的设计， 夹具承担的是定位夹紧的作用。 2.2 总体设计方案拟订 方案 拟订为测量机整体结构的设计其中主要是测量机的传动系统：工作台的横向和纵向进给系统， Z 轴的进给系统， 工作台上面叠加一个可拆卸的夹具体，可拆卸夹具具有两大优 点：第一，使用时夹具可固定在工作台上，不用时，即可拆下 。 2.2.1 三坐标测量机机械部分设计 三坐标测量机的机械系统设计可归类于机械制造装备设计，可分为创新设计、变形设计、和组合设计三大类型，设计的过程随设计类型而不同，其中创新设计的过程最典型，可分为产品规划阶段、方案设计、技术设计和施工设计四个阶段。 产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上识别产品需求，进行可行性分析，制定设计技术任务书。 初步设计方案具体化，技术设计阶段是将方案设计阶段 拟订的初步设计方案具体 化，确定结构原理方案；进行总体技术方案设计；进行结构设计；通过技术经济分析，选择较优的设计方案。 1）确定结构原理放案 根据初步设计方案，再充分理解原理的基础上，确定结构原理方案。其中包括决定尺寸的依据，如功率、流量和联系尺寸等；决定布局的依据等，决定和限制结构设计的空间条件，。在上述的依据约束下，对主要功能结构进行构思，初步确定其材料和形状，进行粗略的结构设计。 （ 2）总体设计 总体设计阶段的任务是将结构原理方案进一步具体化。总体设计的内容大致包括主要结构参数、总体布局、系统原理图、其它。 （ 3）结构设计 结构设计阶段的主要任务是在总体设计的基础上，对结构原理方案结构化，绘制产品总装图；提出初步的零件表及装配说明书。进行结构设计时，必须nts 8 遵守有关标准规范，充分考虑人机工程、外观造型、结构可靠和耐用性、加工和装配工艺性等。 三坐标测量机 常见的是三个直线运动坐标（沿 X、 Y、 Z）和夹具体的装配设计。 2.2.2 三坐标测量机电路部分设计 三坐标测量系统的 控制部分采用 PLC 控制。 本书以 S7-200 系列 PLC 为目标机型，介绍西门子 PLC 的特点，为今后更好地学习和掌握 S7-300/400 打下基础。 S7-200 系列 PLC 作为西门子 SIMATIC PLC 家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，在各个领域得到广泛的应用。 1.S7-200 系列 PLC 的基本硬件组成 S7-200 系列 PLC 可提供 4 种不同的基本单元和 6 种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。 （ 1） 基本单元 S7-200 系列 PLC 中可提供 4 种不同的基本型号的 8 种 CPU 供选择使用，其输入输出点数的分配见表 2-1： 表 2-1 S7-200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本单元 型 号 输入点 输出点 可带扩展模块数 S7-200CPU221 6 4 S7-200CPU222 8 6 2 个扩展模块 78 路数字量 I/O 点或 10 路模拟量 I/O 点 S7-200CPU224 14 10 7 个扩展模块 168路数字量 I/O点或 35路模拟量 I/O 点 S7-200CPU226 24 16 2 个扩展模块 248路数字量 I/O点或 35路模拟量 I/O 点 S7-200CPU226XM 24 16 2 个扩展模块 248路数字量 I/O点或 35路模拟量 I/O 点 nts 9 （ 2.） .扩展单元 S7-200 系列 PLC 主 要有 6 种扩展单元，它本身没有 CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展 I/O 点数， S7-200 系列 PLC 扩展单元型号及输入输出点数的分配如表 2-2 所示。 表 2-2 S7-200 系列 PLC 扩展单元型号及输入输出点数 类 型 型 号 输入点 输出点 数字量扩展模块 EM221 8 无 EM222 无 8 EM223 4/8/16 4/8/16 模拟量扩展模块 EM231 3 无 EM232 无 2 EM235 3 1 （ 3） .编程器 PLC 在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用 来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入 PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。 S7-200 系列 PLC 可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。 简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大， S7-200系列 PLC 的专用编程软件为 STEP7-Micro/WIN。 （ 4） 程序存 储卡 为了保证程序及重要参数的安全，一般小型 PLC 设有外接 EEPROM 卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入 PLC，也可将 PLC 内的程序及重要参数传到外接 EEPROM 卡盒内作为备份。程序存储卡 EEPROM 有 6ES 7291-8GC00-0XA0 和 6ES 7291-8GD00-0XA0 两种，程序容量分别为 8K 和 16K程序步。 （ 5） .写入器 写入器的功能是实现 PLC 和 EPROM 之间的程序传送，是将 PLC 中 RAM 区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将 PLC 中程序存储卡中的程序通过写入器传送到 RAM 区。 （ 6） 文本显示器 nts 10 文本显示器 TD200 不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入 /输出量。文本信息的显示用选择 /确认的方法，最多可显示 80 条信息，每条信息最多 4 个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。 TD200 面板上的 8 个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。 2. S7-200 系列 PLC 的主要技术性能 下面以 S7-200 CPU224 为例说明 S7 系列 PLC 的 主要技术性能。 （ 1） 一般性能 S7-200 CPU224 的一般性能如表 2-3 所示。 表 2-3 S7-200 CPU224 一般性能 电源电压 DC 24V， AC 100230V 电源电压波动 DC 20.4-28.8V， AC 84-264V（ 47-63Hz） 环境温度、湿度 水平安装 0550C，垂直安装 0450C， 595% 大气压 8601080hPa 保护等级 IP20 到 IEC529 输出给传感器的电压 DC 24V （ 20.4-28.8V） 输出给传感器的电流 280mA，电子式短路保护（ 600mA） 为扩展模块提供的输出电流 660mA 程序存储器 8K 字节 /典型值为 2.6K 条指令 数据存储器 2.5K 字 存储器子模块 1 个可插入的存储器子模块 数据后备 整个 BD1 在 EEPROM 中无需维护 在 RAM 中当前的 DB1 标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（ 400C 时 120h），插入电池后备 200 天 编程语言 LAD， FBD， STL 程序结构 一个主程序块（可以包括子程序） 程序执行 自由循环。中断控制，定时控制（ 1255ms） 子 程序级 8 级 用户程序保护 3 级口令保护 nts 11 指令集 逻辑运算、应用功能 位操作执行时间 0.37 s 扫描时间监控 300ms（可重启动） 内部标志位 256，可保持： EEPROM 中 0112 计数器 0256，可保持： 256， 6 个高速计数器 定时器 可保持： 256， 4 个定时器， 1ms30s 16 个定时器， 10ms5min 236 个定时器， 100ms54min 接口 一个 RS485 通信接口 可连接的编程器 /PC PG740PII， PG760PII， PC（ AT） 本机 I/O 数字量 输入： 14，其中 4 个可用作硬件中断， 14 个用于高速功能 数字量输出： 10，其中 2 个可用作本机功能， 模拟电位器： 2 个 可连接的 I/O 数字量输入 /输出：最多 94/74 模拟量输入 /输出：最多 28/7（或 14） AS 接口输入 /输出： 496 最多可接扩展模块 7 个 （ 2） 输入特性 S7-200 CPU224 的输入特性如表 2-4 所示。 表 2-4 S7-200 CPU224 输入特性 类型 源型或汇型 输入电压 DC 24V，“ 1 信号”： 14-35A，“ 0 信号”：0-5A， 隔离 光耦隔离， 6 点和 8 点 输入电流 “ 1 信号”：最大 4mA 输入延迟（额定输入电压） 所有标准输入：全部 0.2-12.8ms（可调节） 中断输入：（ I0.0-0.3） 0.2-12.8ms（可调节） 高速计数器：（ I0.0-0.5）最大 30kHz nts 12 （ 3） 输出特性 S7-200 CPU224 输出特性如表 2-5 所示。 表 2-5 S7-200 CPU224 的输出特性 类型 晶体管输出型 继电器输出型 额定负载电压 DC 24V（ 20.4-28.8V） DC 24V（ 4-30V） AC24-230V（ 20-250V） 输出电压 “ 1 信号”：最小 DC 20V L+/L- 隔离 光耦隔离， 5 点 继电器隔离， 3 点和 4点 最大输出电流 “ 1 信号”： 0.75A “ 1 信号”： 2A 最小输出电流 “ 0 信号”： 10 sA “ 0 信号”： 0mA 输出开关容量 阻性负载： 0.75A 灯负载： 5W 阻性负载： 2A 灯负载： DC30W， AC200W S7-200 系列 PLC 是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。目前 S7-200 主要有三大类扩展模块。 （ 1）输入 /输出扩展模块 S7-200 CPU 上 已经集成了一定数量的数字量I/O 点，但如用户需要多于 CPU 单元 I/O 点时，必须对系统做必要的扩展。CPU221 无 I/O 扩展能力， CPU 222 最多可连接 2 个扩展模块（数字量或模拟量），而 CPU224 和 CPU226 最多可连接 7 个扩展模块。 S7-200 PLC 系列目前总共提供共 5 大类扩展模块：数字量输入扩展板EM221（ 8 路扩展输入）；数字量输出扩展板 EM222（ 8 路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩展板 EM223（ 8I/O， 16I/O， 32I/O）；模拟量输入扩展板 EM231，每个 EM231 可扩展 3 路模拟量 输入通道， A/D 转换时间为 25 s，12 位；模拟量输入和输出混合扩展模板 EM235，每个 EM235 可同时扩展 3 路模拟输入和 1 路模拟量输出通道，其中 A/D转换时间为 25 s， D/A 转换时间 100 s，位数均为 12 位。 基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器（插件）与扩展单元左侧的扩展接口相连接。扩展单元正常工作需要 +5VDC 工作电源，此电源由基本单元通过总线连接器提供，扩展单元的 24VDC 输入点和输出点电源，可由基本单元的 24VDC 电源供电，但要注意基本单元所提供的最大电流能力。 nts 13 （ 2）热电偶 /热电阻扩 展模块 热电偶、热电阻模块（ EM231）是为CPU222， CPU224， CPU226 设计的， S7-200 与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离接口。用户通过模块上的 DIP 开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。 （ 3）通讯扩展模块 除了 CPU 集成通讯口外， S7-200 还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络。 S7-200 系列目前有两种通讯扩展模块：PROFIBUS-DP 扩展从站模块（ EM277）和 AS-i 接口扩展模块（ CP243-2）。 S7-200 系列 PLC 输入 /输出扩展模块的 主要技术性能如表 2-6 所示。 表 2-6 S7-200 系列 PLC 输入 /输出扩展模块的主要技术性能 类型 数字量扩展模块 模拟量扩展模块 型号 EM221 EM222 EM223 EM231 EM232 EM235 输入点 8 无 4/8/16 3 无 3 输出点 无 8 4/8/16 无 2 1 隔离组点数 8 2 4 无 无 无 输入电压 DC24V DC24V 输出电压 DC24V 或AC24-230V DC24V或AC24-230V A/D 转换时间 250 s 250 s 分辨率 12bit A/D转换 电压： 12bit 电流： 11bit 12bit A/D转换 nts 14 2.3 主要参数的设 定 直线工作台面尺寸 （长宽高）： 1000 800 40； 纵向工作行程为 150mm，横向工作行程为 150mm，垂直方向的工作行程为150mm。光杠的最大距离根据夹具的尺寸确定。 工作进给速度为 1-1500mm/min，快速进给速度 12m/min 进给运动的总阻力 F 传动精度初步为 0.1mm-0.5mm 测量工件的尺寸大小最大体积（ 120mm 120mm 120mm） 最小高度为 20mm nts 15 第 3 章 三坐标测量 进给系统的设计计算 3.1 进给系统电动机的容量的选择 3.1.1 电动机容量的选择原则 在机电传动系统中选择一台合适的电动机是极为重要的。电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它 过早损坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。 选择电动机应根据以下三项基本原则 进行。 （ 1）发热：电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度等于或略小于电机允许的最高工作温度。 （ 2）过载能力：电动机再运行时，必须具有一定的过载能力。特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性较大，电动机在短期内承受高于额定功率的负载说仍可保证上面的原则，故此时，决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。既所选电动机的最大转矩或允许电流必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩和最大负载电流即： NM A XLNmLIIITTTmaxmaxmax （ 3） 启 动能力：由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小，所以，为使电动机能可靠启动，必须保证 nSTL TT 式中Nstst TT /选择电动机容量的方法一般有计算法、统分析计法和类比法。 3.1.2 步进电动机的概述 本设计采用 步进电机驱动丝杠旋转实现工作台的直线进给的。步进电机又称脉冲马达，是一种把电脉冲信号变换成直线位移或角位移的控制电机。它的位移速度和输入脉冲数成正比，因此可以在较宽的范围内，通过改变脉冲频率来调速 ，并能实现快速启动、反转和制动。随着 微电子技术的发展，步进电机已作为重要的执行元件应用于数空机床、智能仪器和自动控制中。 nts 16 3.1.3 步进 电动机的容量的计算 kwVFP e 05.06120/m a x F下面的计算结果 所以选用 反应式步进电动机 ， 输出功率 0.2kw， 同步转速 1500r/min 电动机的参数如下表一所示： 表 3-1 电动机的各种参数 ： 电动机型号 步距角 最大静转矩（ N.m） 运行频 率 最 高 空载 启 动频率 轴径 长度 55BF003 0.75/1.5 0.686 1800 6mm 70mm 选取电动机的输出功率 P=0.5KW 转速为 800r/min 3.2 轴概述 3.2.1 轴的用途 轴也是组成机器的主要零件之一，一切做回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此轴的主要功能是支撑和传递运动和动力。 3.2.2 轴设计的主要内容 轴的设计也和其它零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。 轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的nts 17 要 求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。 轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和震动稳定方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求的轴和受到大力的细长轴，还应进行刚度计算，防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴，还应进行震动稳定性的计算，防止发生共振而破坏。 3.2.3 轴的材料 轴的材料主 要是碳素钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常用的是 45 钢。 3.3 轴的结构设计 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构设计的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况 的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。但轴的结构形式都必须满足轴和装在轴上零件要有准确的工作位置；轴上零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。 3.3.1 拟定轴上零件的装配方案 拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序、和相互关系。例 如图一 的装配方案是：半联轴器、轴承端盖、圆螺母、套筒、成对角接触球轴承、丝杠螺母副，依次从轴的右端向左端安装，左端只装轴承和端盖。这样就对个段轴的粗细顺序作了初步安排。 3.3.2 轴 上零件的定位 为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了nts 18 有游动或空转的要求 者外，都必须进行轴向和周向定位，保证其准确的工作位置。 1零件的轴向定位 轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证的。 利用轴肩定位是最方便可靠的方法，但采用轴肩就必然使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度，以便拆卸轴承，轴肩的高度可查手册中轴承的安装尺寸。 套筒定位结构简单，定位可靠，轴上不需开槽、钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位。如两零件的间距较大时，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的质量及材料用量。当轴的转速很高时，也不宜采用套筒定位。 轴端挡圈适用于固定轴端零件，可以承受较大的轴向力。轴端挡圈可采用单螺钉固定，为了防止轴端挡圈转动造成螺钉松脱，可加圆拄销锁定轴端挡圈，也可采用双螺钉加止动垫片防松。 圆螺母定位可承受大的轴向力，当轴上零件间距较大时常采用圆螺母。 图 3-1 轴上零件的分布 nts 19 3.3.3 轴的结构设计 （ 1）主要参数确定 直线工作台面尺寸 （长宽高）： 1000 800 40； 纵向工作行程为 150mm 工作进给速度为 1-1500mm/min，快速进给速度 12m/min 进给运动的总阻力 F 工作台质量及工作台重量初估 直线工作台质量 NgG 272.24641081.94080010001085.7 931 总之量 NGGG 272.24641000136.123221 三坐标测量系统的纵向、横向、垂直切削力（ FX FY FZ=0） 所以，设轴向压力 F=G （ 2）确定丝杠的等效负载 工作负载是指机床工作时，实际作用在丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引力的实验公式计算。选用导轨为滚动导轨，而一般情况下，滚动导轨的摩擦系数为 0.0025-0.005，取摩擦系数 f 为 0.005，则丝杠所受的最大牵引力为 )(m a x GFFfKFF zyx NfGFF 12272.2464005.0m i nm a x 故其等效负载可按下式计算（估算 t1=t2 ;n2=2n1） 3/1221122m i n3113m a x )/()( tntntnFtnFF m NtntntnFF m12)/()3( 3/12211223m i n 由以上确定进给运动的总阻力 F =12N nts 20 3.3.4 初步设计轴的最小直径 先按机械设计中 15-2 公式初步估算轴的最小直径，选取轴的材料为45 钢，调质处理，并根据表 15-3 取 A0=125，于是： mmNPAd 4.51500/2.0105/ 330m i n 输出轴的最小直径显然是安装联 轴器处轴的直径 DI-II.为了使所选的轴的直径 DI-II 联轴器 孔径相适应，故需同时选取联轴器的型号。 联轴器 计算转 矩 3.11142 Aaca KTKT ，取，考虑到转矩变化很小查表则：mmNTKTmmNNPTAca .3.16553.12733.1.3.12731500/2.09550000/955000022 按照计算转矩 caT 应小于联轴器公称直径的条件，查标准 GB5843-86 或手册，选用 TL1/YLD1 凸缘联轴器其技术指标如下 和图二所示： 表 3-2 联轴器 的参数 型号 公 称 转 矩 T（ N.M） 许用转速 （ r/min） 轴孔直径D(H7) D D1 螺栓直径M L0 YL1 10 13000 6 22 17 M2 35 nts 21 图 3-2 联轴器的尺寸 根据半联轴器的孔径 D=6mm，故取 DI-II=6mm。 凸缘联轴器，结构简单、成本低、传递扭矩大，用于振动很大、低速和刚性不大的轴联接。 3.3.5 拟定轴上零件的装配方案 本设计的装配方案已在前面分析比较，现以用（图 3-1 所）示的装配方案。 3.3.6 根据轴向定位的要求确定轴的个段直径和长度 为了满足半联 轴器的轴向定位要求， I-II段 轴右 端需制出一轴肩，故取 II-III 段的直径 DII-III=6.5mm；左 端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径为 11mm。半联轴器与轴配合的毂孔长度 L1=17m，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上故取 I-II段的长度应比 L1略短一些，现取 LI-II=14mm。 初步选择滚动轴承。 各种类型的轴承选用应丛允许的空间、轴承负荷的大小和方向、高速性能、旋转精度、刚度、振动与噪声、轴向游动、摩擦力矩、安装与拆卸等方nts 22 面综合考虑，全面衡量，择优选择满足设计要求的轴承类 型。因轴承受轴向力的作用，故选用角接触球轴承。成对安装角接触球轴承：滚子相对外圈滚道轴向移 动。通过轴向预紧提高支撑刚度。参照工作要求并根据套筒和圆螺母在左 端对轴承定位取 DIII-IV=7mm，由轴承产品目录中初步选取角接触球轴承，其基本尺寸为 d D B=8mm 15mm 4mm，故取 DIV-V=8mm， 右 端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得角接触球轴承的定位轴肩高度h=0.5mm,因此取 DV-VI=9mm。 轴承端盖的总宽度为 1.8mm。根据轴承 端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外 面与半联轴器又 端面的距离 L=3.5mm，为了使套筒和圆螺母的装拆方便，轴承端盖与 DII-III 之间的距离为 1.2mm，故取LII-III=6.5mm。 去安装圆螺母处的直径 DIII-IV=7mm；轴承右端采用套筒定位， 套筒长度为 4.5mm，为了使套筒右端面更好的对轴承进行轴向定位，并与轴紧密接触，取套筒右 端面与 DIV-V 左 端面的距离为 1.5mm，故取 LIV-V=9.5mm，取LIII-IV=6.5mm。 三坐标测量机纵向工作行程为 150mm。 同理得出，后边各轴的直径和长度 至此已经初步确定了各段轴 的直径和长度。 3.3.7 轴上零件的轴向定位 半联轴器与轴的轴向定位采用平键定位。由手册查得平键截面 bh=28mmX6mm（ GB1096-79）， 3.3.8 确定轴上圆角和倒角尺寸 取轴的倒角为 .452 。各段轴肩处的圆角半径见装配图。 3.4 丝杠螺母副的选用计算 3.4.1 丝杠螺母的导程的确定 再本设计中，电机与丝杠直接相连，传动比 i=1，选择电机 Y 系列异步电动机的最高转速 cmk g fMrn .2.2m in ,/1500m a xm a x 最大转矩，则丝杠的导程为 nts 23 mmnVP h 81 5 0 0/.1 2 0 0 0/ m a xm a x 3.4.2. 确定丝杠的等效转速 最大进给时，丝杠的转速为 m in/1 5 0 08/1 2 0 0 0/m a xm a x rPVn h 最慢进给时，丝杠的转速为 m in/125.08/1/m i nm i n rPVn h 则得到丝杠的等效转速（估计 21 2tt ）为 m in/1000)/()( 212m i n1m a x rtttntnn m 3.4.3. 丝杠的等效负载上边已经阐明过了 3.4.4. 确定丝杠所受的最大动载荷aC查表，取丝杠 的工作寿命 Th 为 15000h，同时取精度系数 fa=1，负荷性质系数 fw=105，温度系数 ft=0.95，硬度系数 fh=1，可靠性系数 fk=0.53；平均转速为 1000r/min。 NnTfffffFCrnTmhkahtwmmh34553.0195.0/9005.112)10/60) . (/(109001 0 0 01 5 0 0 0606033/166选用滑动丝杠螺母传动，丝杠公称直径为 mm45 ，基本导程 mmPh 8，丝杠螺母的接触刚度为 1692N/ m ，螺旋升角 .183 丝杠的底径 26mm，螺母长度为 210mm，取丝杠的精度等级为 1 级。 3.4.5. 临界压缩负荷crF确定丝杠螺纹部分的长度 LU。 LU 等于工作台的最大行程（ 750mm）加上螺母长度（ 60mm）加两端余程（ nts 24 20mm）。 LU 为 850mm。 支撑跨度 L1 应略大于 LU，取为 L1=900mm。丝杠全长为 L=1000mm。临界压缩负荷为 m a x02121 / FLE IKfF cr 式中 E- 材料的弹性模量， 211 /101.2 mNE ； I 丝 杠 最 小 截 面 惯 性 矩47124024 10958.064/10)35.62.145(64/)2.1(64/ mDddI w L0 最大受压长度，按照结构设计取 L0=1100mm； K1 安全系数，一般取 K1=1/3； maxF 最大轴向工作载荷， NF 5.1924max ； 1f 丝杠支撑方式系数，查表得 21 f ，则 m a x5627112 1002.1)1011003/(10958.0101.22 FNF cr 可见crF远大于maxF，满足要求 3.4.6. 临界转速验算 AE IKLfn ccr /)./30( 2222 式中 A 丝杠最小横截面： 236222 1053.0104/264/ mdA LC 临界转速计算长度： mmL c 8752/)8501000(207502/60 nts 25 取 mLLc 11 ； 2K 安全系数，一般为 0.8； 材料的密度： 33 /1085.7 mkg 2f 丝杠支撑方式系数，查表 927.32 f ，则 m i n/1500m i n/21118.01053.01085.7/10958.0101.2)./972.330(./)./30(m a x3371122222rnrKAEILfn ccr可见crn远大于maxn，满足要求。 考虑到本设计的丝杠较长，故采用一端固定、另一端游动的支撑方式，固定端选用成对丝杠轴承组合，额定动载荷 NC R 18800 ，预紧力tF为 2000N 3.4.7 .计算轴承动载荷 nTh fFfC /寿命