机械毕业设计434超精密三坐标测量机整机结构设计论文.doc
机械毕业设计434超精密三坐标测量机整机结构设计论文
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I 毕业设计论文 题目名称： 超 精密三坐标测量 仪 整机机构设计 院系名称： 机 电 学 院 班 级： 机 自 学 号： 学生姓名： 指导老师： 超精密三坐标测量 仪 整机机构设计 nts II 摘 要 本文中，对三坐标测量仪的研究现状和精密测量的关键技术做了总结，对 所设计的测量仪的总体布局、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，同步齿形带和钢带传动，摩擦杆进行驱动。 对移动桥和溜板进行了 简单的 ANSYS 分析 ，计算了移动桥受力时最大的变形量和直线度；选用伺服电机作为动力源，并对其进行了简单的功率计算，分析了测量仪的工作环境对其精度的影响和它的应用环境；定位采用开式光栅尺，对光栅尺的选型做了比较。最后针对测量仪整机进行精度分析，查找误差源和精度的综合分析。 关键词 ： 超精密、气静压、高精度、精密测量 nts III Three Coordinates Measuring Instrument Ultra-precision Machine Mechanism Design Teacher : zexiangzhao Student : zhaohuizhang ABSTRACT In this paper, three coordinates measuring instrument for precision measurement, the research present situation and the key technology of summing up, the design of measuring instrument lathe bed of the general layout, the design of the selection of materials, guide rail, into to the choice of the ways of doing introduced, choose coattails type aerostatic guide rail, synchronous cog belt and steel belt transmission, friction lever driven. Slip board of mobile bridge and the simple ANSYS analysis method, the largest mobile bridge when stress deformation and straightness; Choose servo motor as a power source, and analyses the simple power calculation, analyzes the working environment of measuring apparatus to the precision of the influence and its application environment; The positioning of grating open grating feet, comparison of the selection of the feet. Finally, according to the measuring apparatus for precision analysis, find the error sources and precision of the comprehensive analysis. Keywords: The ultra precision, Gas static pressure, High accuracy, Precision measurement nts 1 目 录 1 绪 论 . 2 1.1 课题的来源 . 2 1.2 课题的意义 . 2 1.3 精密测量的研究现状 . 2 1.4 精密测量的关键技术 . 6 2 超精密三坐标 测量仪 整机机构介绍 . 8 2.1 总体布局 . 8 2.2 床身材料选用 . 9 2.3 导轨的设计 . 10 2.4 进给传动方式的选择 . 14 2.5 测量仪 整体结构设计 . 16 2.6 测量仪 的工作原理 . 17 3 测量仪 的主要零部件的设计 . 18 3.1 移动桥的设计 . 18 3.2 溜板的设计 . 19 3.3 电机选型 . 21 3.4 环境控制平台 . 25 3.5 光栅尺的选型 . 26 4 测量仪 精度分析 . 28 4.1 测量仪 误差源 . 28 4.2 测量仪 精度分析 . 29 5 结束语 . 32 参考文献 . 33 致 谢 . 34 nts 2 1 绪 论 1.1 课题的来源 为了响应教育部的号召，实施大学本科教改计划，北京微纳精密机械有限公司与中原工学院联合实施“卓越工程师”的培养计划。由该公司接收中原工学院大四学生来公司实习并完成毕业设计，为学生走上工作岗位提供一个锻炼自己的平台。本课题来自北京微纳精密机械有限公司，在学校和公司的商讨后，确定了我的课题 ：超精密 三坐标测量 仪 整机机构设计。 1.2 课题的意义 本课题研制的超精密三坐标测量 仪 具有重要意义：一方面将促进超精密光学、机械制造技术快速发展，填补我国相应领域的技术空白；另一方面将提高我国产品质量和市场竞争力以及我国测量仪器的性价比水平。 1.3 精密测量的研究现状 精密测量技术和装置是先进制造主要支撑技术之一，体现国家工业与科技水平。国民经济和先进制造的不断发展对精密测量提出了新的要求，因此，提高精密测量水平，对提升我国先进制造能力，促进国民经济发展具有重要意义 。随着近 20年科学技术的迅速发展 , 对仪器精 度要求出现了数量级的变化。从精密测量 (0.5 m0.05 m)， 发展到超精密测量 (0.05 m 0.005 m), 近年来 又提出纳米精度测量(5nm 0.05nm)的要求 。 据专家们的推测，随着精密工程技术、尖端科技和空间技术的迅猛发展，轮廓形状允差为 50nm 5nm，尺度允差为 100nm 10nm 的超精密零件将被广泛使用，所以超精密测量技术和仪器工程的研究与应用已成为科学技术发展的关键因素之一。 当今世界上超精密三坐标 测量仪 在质量和性能方面首推德国 ZEISS 公司 (即原西德 OPTON公司 )和 LEITZ公司 。到目前为止 ZEISS已有多项专利技术，从而使 ZEISS公司在坐标测量技术上远远领先于其它公司。其生产的三坐标测量仪既有桥式测量仪，也有龙门式、悬臂式测量仪，既有生产型 测量仪 ，也有计量型测量仪。在国内ZEISS三坐标测量仪在航空、航天、汽车、电子、机械等多个行业中得到广泛地使用。 图 1-1是 ZEISS 最新的 DuraMax三坐标 测量仪 系列，代表着当今 测量仪 行业的尖端技术。 nts 3 图 1-1 DuraMax 三坐标 测量仪 德国 LEITZ公司凭借其在高精度 测 量领域积累的世界级测量技术以及丰 富的应用理论知识，通过高性能，高精确度的 PMM-C三坐标 测量仪 与功能强大的工业级计量软件 QUIND-OS的结合，不断解决来自工业各个领域的高精度和复杂几何形状的计量 需求。 LEITZ主要从事研制、开发、制造超高精度坐标 测量仪 ，包括在世界高精度三坐标 测量仪 的发展历史上具有里程碑意义的 PMM机型 。 其动态指标分别为最大测量加速度 3000mm/s 或最大 测 量速度 400mm/s，平均触测频率 40点 /秒。 图 1-2为LEITZ最新的三坐标系列 reference测量仪 系列 ，和 ZEISS的 DuraMax 三坐标 测量仪 系列 一样， 在全球三坐标行业中，隶属最尖端技术。表 1-1为 reference测量仪 系列 的部分参数。 nts 4 图 1-2 reference测量仪 表 1-1 reference 测量仪 系列 参数 机型（ x.y.z） (100mm) E (m) P (m) THP (m) Vmax (mm/s) a max (mm/s2) Reference 10-7-6 0.9+L/350 1.0 1.9/45s 520 3300 Reference 15-9-7 0.9+L/350 1.0 1.9/45s 520 3300 Reference 20-10-7 0.9+L/350 1.0 1.9/45s 520 3300 Reference 22-12-9 1.5+L/350 1.5 2.1/45s 520 3300 Reference 30-12-9 1.7+L/350 1.5 2.1/45s 520 3300 Reference 45-12-9 1.7+L/350 1.5 2.1/45s 520 3300 意大利 DEA公司也是世界著名的三坐标测量仪的生 产商之一。该公司生产的三坐标测量仪，主要使用对象大多数是与汽车产品相关的生产厂家。国内许多大型企业都订购了该公司的三坐标测量仪，目前，世界上为汽车行业车身检 测 提供专业检测方案的最知名厂家当属意大利 DEA公司，并在推动汽车车身研究和“白车身”的尺寸 检测 方面作出了突出贡献。 三丰公司也是著名的测量仪生产厂家，目前，己累计向世界提供了 33000 台三坐标 测量仪 ，占世界 测量仪 市场份额的 35%，雄踞三坐标测量仪世界第一供应商的位置。 经过不断改进和发展，已开发出现在的高速高精度三坐标测量仪，如nts 5 Crysta-Apex 系列和 MACH、 LEGEX 等新型机种。其他世界上较有名的坐标 测量仪 制造厂商有 Brown-sharp 公司，英国的 ZX公司、 LK公司等。 我国坐标测量仪发展过程可分为三个阶段 :第一阶段自上世纪 70年代开始至 80年代初。由于该技术密集度高，特别受我国计算机技术落后的严重影响，致使研究和生产总是处于样机试制阶段，第二阶段自上世纪 80年代开始至 80 年代末，随着改革开放的政策实施，我国三坐标 测量仪 的研制工作一改过去封闭状况，走上了引进国外先进技术，结合自身特点进行开发生产，加快我国三坐标测量仪生产的步伐，初步形成了国产 测量仪 的生产能力。第三阶段为进入上世纪 90年代至今。目前我国已具备了从生产精密型 测量仪 到生产型 测量仪 各种型号的三坐标 测量仪 的能力，开始占领国内市场。 1982年北京机床研究所研制出第一台 CLW63型万能测量仪。同年国内率先研制出带气浮导轨的 CLZ864 型手动三坐标测量仪。北京航空精密机械研究所 (原 航 空部第三 O三研究所 )从 1972年开始研制三坐标测量仪， 1978年三坐标测量仪商品化是国内第一家生产测量仪的企业，至今己有十种不同系列品种的测量仪。如 CIOTA桥移动式测量仪、 SZC 一 J866桥固定式高精度测量仪、 XB654手动悬臂式测量仪、 TS654手动式数控测量仪、 LZ立柱式测量仪、 LM 龙门式测量仪、 CENTURY 世纪型测量仪、ORIENT东方型测量仪、 PEARL甩珍珠型测量仪、 FUTURE未来型测量仪等。 近几年来， 随着数据检测技术研究的深入，国内测量仪得到了进一步的发展。目前， 在国内 测量仪 厂家中，海克斯康测量技术 (青岛 )有限公司拥有产品系列最多，测量精度较高。海克斯康测量技术 (青岛 )有限公司是世界级数控三坐标 测量仪 专业制造厂商，是瑞典高科技制造业集团 HEXAGON 与中国航空工业第二集团公司下属青岛前哨精密机械公司共 同投资在中国组建的国际化合资公司。海克斯康公司的前身是 青岛 前哨精密测量技术有限公司（ Brown-shorpe前哨 )。其与享誉全球的坐标测量仪制造公司 Brown-shorpe前哨公司、意大利 DEA公司、德国 LEITZ 公司、瑞典CE JOHNASSAN公司并列，同属 HEXAGON集团计量产业的核心成员和五大测量仪制造基地之一。海克斯康所提供的测量仪产品在汽车工业、航空航天，机床工具、国防军工、电子和模具等领域得以广泛应用，产品系列包括 : 活动桥式测量仪、固定桥式测量仪、龙门测量仪、水平臂式测量仪、悬劈式测量仪其 中以 1997 年推出的 Z003系列活动桥式测量仪为典范。该种测量仪系中小型测量仪系列，属于高速度、高精度生产型测量仪，测量速度是固定桥式测量仪的两倍。这种测量仪在生产在线测量应用最为广泛。该种测量仪的技术水平达到国际同类中小型测量仪的水平。与国外测量仪 厂家的发展相比，国内的发展就显得很慢，远远不能适应国家重点行业技术nts 6 改造和市场发展的需要，无论从技术实力还是市场开拓方面均大大落后于国外测量仪厂家。 1.4 精密 测量 的关键技术 1.4.1 直线导轨 总的来说，从精度角度看，空气导轨是现在最好的导轨。虽然它没 有液体静压导轨的刚性大，但气浮导轨优点也很明显，如无需进行油温控制，对环境没有污染。此外，纳米级精度仪器的负荷和行程没有那么大，所以应优先考虑空气导轨。目前空气导轨的直线度可达（ 0.1 0.2） m/250mm 的水平，国内 303 所也可做到 0.1 m/200mm5。纳米水平的仪器导轨行程比上述要短，通过补偿技术还可进一步提高导轨的直线度，国防科技大学利用二维微进给装置补偿导轨直线度，取得了较好的效果，可补偿到 0.1 m/300mm的精度水平。在导轨的结构设计上还有潜力可挖，如采用多根导轨并联来加强气膜的误 差匀化作用，加大气垫式导轨跨度来缩小直线度误差等。由于空气导轨的气膜厚度大概只有 10 m 左右，在使用过程中防尘显得很重要，若不保证洁净的环境，导轨有可能因为灰尘而受损伤，这种损伤常常是难以修复的。 1.4.2 传动系统 传统的传动方法为滚珠丝杠传动，精密仪器一般用 C0级滚珠丝杠，利用闭环控制目前最高可达到 0.01 m 的定位精度。利用滚珠丝杠的微小弹性变形原理，也可实现纳米分辨率的进给，但在进行非球面等轮廓曲线跟踪时，滚珠丝杠的精度及其在运动中的微小振动都会对系统的静态特性与动态特性产生影响。国防科技大学利用微进给系统补偿轮廓误差，在对半径为 50 mm 的圆进行跟踪试验时，跟踪定位精度可达 0.033 m。静压丝杠的丝杠和螺母不直接接触，有一层高压膜相隔，所以没有摩擦引起的爬行和反向间隙，而且可以长期保持精度，进给分辨率也会更高。由于介质膜（油、空气）有匀化作用，可以提高进给精度，在较长行程上，可以达到纳米的定位分辨率。目前的空气静压丝杠分辨率可达到 0.01 m，进给精度比 C0级丝杠高 2个数量级。但它的刚度比较小，直径 25mm，导程为 10mm的空气静压丝杠，刚度可达到 50N/ m。摩擦驱动可以实现无反向间隙的传动 ，由于结构上比较简单，因而弹性变形因素大为减少，所以一直被认为是一种非常适合精密的传动系统。一般的摩擦驱动机构的结构和齿轮齿条相似，可以把电机的回转运动直接转换为直线nts 7 运动。英国 Rank Tailor Hobson 公司开发的 Nanoform 600 精密镜面仪器的进给机构采用了这种装置， 300mm的行程上可获得 1.25nm分辨率， 0.1 m的定位精度。最近，由国防科技大学设计的一种扭轮摩擦传动系统，模拟丝杠的传动原理，大大提高了系统的进给分辨率。从原理上说，利用分辨率为六万分之一转的电机驱动，系统可达 0.1nm级水平的进给分辨率。 1.4.3 尺寸测量技术 尺寸测量技术在精密领域尺寸测量主要有 2 种技术：一是激光干涉技术，二是光栅技术。激光干涉仪分辨率高，最高可达 0.3nm，一般为 1.25nm；测量范围大，可达几十米；测量精度高，日本和美国的使用精度都可到 0.2 10-6，但使用困难，特别是高精度测量，激光波长受温度、湿度、压力的影响比较大，因此使用过程中对环境要求很苛刻。近年来精密领域越来越多地选用光栅作为测量工具。从分辨率上看， HEIDENHAIN 的 LIP382型开启式直线编码器可达 1nm，俄罗斯的全息光栅系 统达 10nm，北京光电量仪研究中心的光栅系统分辨率可达 0.1nm；从测量长度看，LIP382 型光栅尺测量范围 70mm，分辨率为 5nm 的 LIP401 型测量长度可达 220mm；精度上， HEIDENHAIN 的 LIP401的准确度为 0.2 m（ ML 220 mm）， 0.1 m（ ML 100mm），俄罗斯的全息光栅精度是 0.1 m， LG100光栅系统分辨率可达 0.1nm，测量范围 100 mm，精度 0.01 m,8。单从分辨率和精度上看，光栅技术可以和激光干涉技术相媲美，对环境的要求相对较低，可以满足纳米精 度的使用要求，特别是相位光栅，是一种非常有前途的精测量工具。 nts 8 2 超精密三坐标 测量仪 整机机构介绍 2.1 总体布局 三坐标 测量仪 是近三十年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它以精密机械为基础，综合电子技术、数控技术、计算机技术以及精密位移技术为一体的高技术、高精度、高效率的精密仪器，并广泛用于机械制造的检测、电子、汽车和航空航天等工业中。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、蜗 轮 和叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量。此外，还可用于画线、定中心孔、光刻集成电路等 ，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、效率高、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，有“测量中心”之称。 我这次设计的超精密三坐标 测量仪 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。 nts 9 图 2-1 三坐标 测量仪 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： 0.1m； 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.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 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nts 10 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 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 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 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 0.05 m/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nts 11 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 15 m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。 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。 nts 12 (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 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 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，常用于轻载、短导轨。 3） 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 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。 圆形气浮垫的机构见图 2-4 ，部分尺寸和参数见表 2-1. nts 13 气浮块图 2-3 横梁 的气浮分布 图 2-4 圆形气浮垫结构图 刚性螺杆气垫（含节流塞）气管接头气管外径4气 浮 工 作 面nts 14 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 2.4.1 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。最主要序 号 直径 mm 厚度 D mm 球径 S mm 承载 Kg f 刚度 Kg f/ m 接头 螺纹 1 30 15 10 16 1 M5 2 40 15 10 27 2 M5 3 50 15 10 44 3 M5 4 60 15 16 63 5 M5 5 70 20 16 87 9 M5 6 80 20 16 113 13 M5 7 90 25 16 156 19 M5 8 100 25 16 196 25 M5 9 120 25 25 282 40 M5 10 150 30 25 440 70 M5 11 200 50 25 780 120 M5 12 250 60 50 1220 180 M5 13 300 60 50 1766 270 M5 nts 15 的是，在进给全行程中，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 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nts 16 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。 2.5 测量仪 整体结构设计 各主要部分确定以后， 按照各部分的尺寸进行 测量仪 的总体设计 ， 图 2-5 为 测量仪 的三维模型图， 图 2-6为 测量仪 的总装配图。 图 2 5 测量 仪 三维图 nts 17 图 2-6 测量 仪 的总装配图 2.6 测量仪 的工 作原理 如图 2-6， 在 X向、 Z向上，伺服电机 6通过同步齿形带带动摩擦轮转动，摩擦轮通过摩擦杆 4、 11 分别带动床身 1和 Z轴 10做直线运动，在 Y向上，伺服电机 通过同步齿形带带动滚珠转动，再通过钢带 5 带动溜板 2在 Y向上的直线运动。 测量时，工件固定在工作台上， X、 Y、 Z三轴均做直线运动，对工件做三维测量，通过 测量仪 上的光栅尺进行三轴的测量定位，然后通过软件把数据收集分析，完成测量任务。 nts 18 3 测量 仪 的主要零部件的设计 3.1 移动桥 的设计 移动桥 是 测量仪 设计中，保证机械部分测量精度最重要的零件。它的精度要求直接关系到 测量仪 的精度。 由于 移动桥 的尺寸较大，用常规的简化计算很难满足设计要求所以采用solidworks 进行零件设计校核。 移动桥 承受的重量主要有 溜板 的 重量 和 Z轴的重量 ， 总重量估算有 800N。花岗岩的弹性模量 147000MPa，抗压强度 255MpPa。 根据 AutoCAD 的二维图纸，在 solidworks 画出如图 3-1的龙门架三维模型 。 然后经过 Cosmosxpress 分析后，得出图 3-2 龙门架受力变形量；图 3-3 龙门架应力分布。 由图 3-2可得出龙门架横梁最大变形处的直线度 t: 2 . 2 9 7 m 0 . 1 4 3 m / 1 0 0 m m1 6 0 0 m mht L 由于 t0.2 m/100 mm,所以满足设计要求。 由图 3-3进 行 与花岗岩的参数比较强度符合要求。 图 3-1 移动桥 三维模型 nts 19 图 3-2 移动桥 受力变形量 图 3-3 移动桥 应力分布 3.2 溜板 的设计 首先 建立 溜板 三维模型如图 3-4，经过分析后得到的图 3-5和图 3-6。 由图 3-5 溜板 的受力变形量，看出移动受的力为竖直方向的，同一个面内变形均匀。所以只要 溜板 加工时候满足设计要求，在加载后加载力对 Z 轴的直线度影响nts 20 很小。 图 3-6 移动的应力分布中最大应力 为 0.8363*106MPa，远 小于许用应力45*106MPa。 图 3-4 溜板 的三维模型 图 3-5 溜板 的受力变形量 nts 21 图 3-6 溜板 的 应力分布 3.3 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nts 22 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。 根据 X 向、 Y 向和 Z 向机械运动平台的构成和各伺服电机主轴承载的径向载荷（相对于电机轴施加的垂直方向的载荷）、轴向载荷 （相对于电机轴施加的水平方向的载荷）的大小，近似计算各机械系统的惯性矩即负载惯性矩 JL以及驱动机械所需的转矩即负载转矩 TL， 最后决定 选购日本富士 FALDIC-W系列型号为 GYS401DC2-T2A的交流伺服电机以及与伺服电机配套使用的型号为 RYC401D3-VVT2 的交流伺服放大器共两套，如图 3-7 所示，并选购了伺服放大器和伺服电机等连接所用的不同规格的连接器和电缆线。该伺服电机具有防水、防尘等特点，内部装有分辨率为 17位的专用编码器，内装编码器与伺服电机的位置关系是调好的，不可拆卸。与伺服电机相配使用的伺 服放大器采用微处理器的电子部件构成，将控制电路、驱动电路、多路保护电路等集成在一个模块内，提高了系统的性能，其功能在于完成伺服系统的闭环控制，通过简易调试功能可实现机械和电机最理想的匹配。表 3-1 为所选购的伺服电机和伺服放大器的部分具体参数。 图 3-7 富士 FALDIC-W系列型号为 GYS401DC2-T2A的交流伺服电机和配套伺服放器 nts 23 表 3-1 伺服电机 GYS401DC2-T2A和伺服放大器 RYC401D3-VVT2的部分参数 参数 GYS401DC2-T2A电机 参数 RYC401D3-VVT2伺服放大器 额定输出（ kW） 0.4 适用电机的输出 (kW) 0.4 额定转矩（ Nm） 1.27 电源相数 单相 最大转矩（ Nm） 3.82 电源电压 AC200-230V 额定旋转速度 min-1（ r/min） 3000 电源频率 50/60Hz 最大旋转速度 min-1（ r/min） 5000 载频 10KHz 惯性矩（ kgm2） 0.246 10-4 反馈 17 位串行编码器（增量） 额定电流（ A） 2.7 位置控制方式 脉冲串 最大电流（ A） 8.1 速度控制方式 模拟电压 耐振动（ m/s） 49 转矩控制方式 模拟电压指令 电机计算 nts 24 nts 25 3.4 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。 3.4.1 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。 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 1-1.6 m 左右。所以要保证 0.1 m 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。 3.4.2 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 3-2中选择四个 ZD-12，形状如图 3-8。 nts 26 图 3-8 阻尼弹簧减震器 表 3-2 减震器的型号表 产品型号 载荷范围 （ Kg） 竖向刚度 （ N/mm） 外型尺寸（ mm） H D L1 M1 M2 ZD-9 360-420 89 90 161 207 12 13 ZD-10 420-480 102 110 161 207 12 13 ZD-11 488-500 129 110 161 207 12 13 ZD-12 500-630 180 110 161 207 12 13 ZD-13 630-700 196 110 161 207 12 13 3.5 光栅尺 的选型 要选择合适的光栅尺要满足：分辨率小于 0.1 m；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 3-9 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nts 27 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 3-2 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 3-3 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） 70 1440mm 参考标记 在中间有一个参考标记 增量信号 正弦波 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 5V 5% 220mA(无负载 ) 信号接口 D 型接口， 3m 电缆 工作温度 0到 50 nts 28 4 测量 仪 精度分析 4.1 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、
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