三坐标测量机毕业设计.doc

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： 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。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S7-200CPU22164S7-200CPU222862个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点S7-200CPU22414107个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU22624162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU226XM24162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点 （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EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16模拟量扩展模块EM2313无EM232无2EM23531 （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级口令保护指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37s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，1ms30s16个定时器，10ms5min236个定时器，100ms54min接口一个RS485通信接口可连接的编程器/PCPG740PII，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 （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 20VL+/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”：10sA“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，AC200WS7-200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25s，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25s，D/A转换时间100s，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。（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EM221EM222EM223EM231EM232EM235输入点8无4/8/163无3输出点无84/8/16无21隔离组点数824无无无输入电压DC24VDC24V输出电压DC24V或AC24-230VDC24V或AC24-230VA/D转换时间250s250s分辨率12bitA/D转换电压：12bit电流：11bit12bitA/D转换2.3 主要参数的设定直线工作台面尺寸 （长宽高）：100080040；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（120mm120mm120mm） 最小高度为20m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： （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 式中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。3.1.3 步进电动机的容量的计算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55BF0030.75/1.50.686 18006mm70mm选取电动机的输出功率P=0.5KW 转速为800r/min3.2 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）：100080040；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 总之量 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故其等效负载可按下式计算（估算 t1=t2 ;n2=2n1）由以上确定进给运动的总阻力F=12N 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：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。联轴器计算转矩则： 按照计算转矩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)DD1螺栓直径ML0YL1101300062217M235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dDB=8mm15mm4mm，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。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，则丝杠的导程为3.4.2. 确定丝杠的等效转速 最大进给时，丝杠的转速为 最慢进给时，丝杠的转速为 则得到丝杠的等效转速（估计）为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 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。选用滑动丝杠螺母传动，丝杠公称直径为，基本导程，丝杠螺母的接触刚度为1692N/，螺旋升角丝杠的底径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（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。临界压缩负荷为式中E- 材料的弹性模量，；I 丝杠最小截面惯性矩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；最大轴向工作载荷， ；丝杠支撑方式系数，查表得，则可见远大于，满足要求3.4.6. 临界转速验算式中 A丝杠最小横截面：LC临界转速计算长度：取；安全系数，一般为0.8；材料的密度： 丝杠支撑方式系数，查表，则可见远大于，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，预紧力为2000N3.4.7 .计算轴承动载荷 寿命系数为： 式中 寿命系数： 可靠性为90%的额定寿命，取为10000h；转速系数： ；计算转速取最高转速，取； 故能满足要求。3.4.8.丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算已知：轴承的接触刚度，丝杠螺母的接触刚度，丝杠的最小拉压刚度当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L植分别为750mm和100mm。螺母座刚度。轴向拉压总刚度为：丝杠拉压振动的固有频率由计算可知，丝杠拉压振动的固有频率远远大于1500r/min，所以能满足要求。3.5 丝杠的扭转刚度丝杠的扭转刚度 由机械设计手册得平移物体的转动惯量为 丝杠的转动惯量为 丝杠扭转振动的固有频率为： 显然，丝杠的扭转振动的固有频率远远大于1500r/min，所以，能满足要求。3. 6传动精度计算丝杠的拉压刚度 由以上的各条件可知 最小机械传动刚度为 最大机械传动刚度 因此得到由于机械传动装置所引起的定位误差为其中，F0为空载时导轨的静摩擦力。3.7 导轨的选型及计算导轨的功用是导向和承载。例如车床的床身导轨属于进给导轨，本设计的三坐标测量机的导轨也属于进给导轨，进给运动导轨的动导轨与支撑的静导轨之间的相对运动速度较低。滚动导轨在两导轨面间装有球、滚子或滚针等滚动元件，具有滚动摩擦性质，广泛的用于进给运动导轨领域。贴塑导轨也具有良好的减摩性。3.7.1滚动导轨的结构及配置直线运动滚动支撑中，滚动体作循环运动的直线滚动导轨叫做直线滚动导轨副组件，（见下图）。图3-7 滚动导轨副的形状直线滚动导轨副包括轨条和滑快两部分。导轨通常为两根，装在支撑件上，见上图。每根导轨条上有两个滑块，固定在移动件上。如移动件较长，也可以在一根导轨条上装3个或3个以上滑块。如移动件较重，也可以用3根或3根以上的导轨条。如果移动件的刚度较高，则少装为好。3.7.2 滚动导轨副的预紧直线滚动导轨副分为整体型直线滚动导轨副和分离型直线滚动导轨副。整体型的直线滚动导轨副由制造厂用选配不同直线钢球的办法来决定间隙或预紧。可根据要求的预紧定货，不需自己调整。分离型直线滚动导轨副，应由用户根据需要。3.7.3滚动导轨副润滑防护滚动导轨多采用润滑脂润滑。常用的牌号为ZL-2锂基润滑脂（GB7324-87，2号）它的优点是不会泄露，不需经常加油。缺点是尘屑进入后易磨损捣鬼，因此对防护要求较高。易被污染又难以防护的地方，可用润滑油润滑。3.8 横向伺服进给系统的设计计算（同以上方法） 3.9 纵向、横向的移动工作台的装配图见（图3-1）第4章 夹具的初步设计4.1载要机床夹具是机械加工工艺系统的一个重要组成部分。为保证工件某个工序的加工精度要求，必须使工件在机床相对测头的测量运动处于准确的相对位置。当用夹具装夹测量某工件件时，是通过夹具来实现这一要求的。而要实现这一要求，又必须满足三个条件：1.工件在夹具中占有正确的测量位置；2.夹具装夹在机床上的准确位置；3.测头相对夹具的准确位置。这里涉及了三层关系，：零件相对夹具、夹具相对机床、零件相对机床。工件的最终精度是由零件相对机床获得的。所以“定位：也涉三层关系：工件在夹具上的定位、夹具相对机床的定位，而工件相对于机床的定位是间接通过夹具来保证的。工件定位以后必须通过一定的装置产生夹紧力把工件固定，使工件保持在准确定位的位置上，否则，在加工过程中因受外界的影响而发生位置变化或引起震动，破坏原来的准确定位，无法保证测量要求。这种夹紧力的装置变是夹紧装置。夹紧装置的设计与计算是本章的主要内容。4.2机床夹具的基本要求1稳定地保证工件的测量精度2提高机械加工的劳动强度3结构简单，有良好的结构工艺和劳动条件4应能降低工件的测量成本简而言之，设计夹具时必须使测量精度、生产率，劳动条件和经济性等几方面达到辨证统一。其中保证测量精度是基本的要求。为了提高生产率采用先进的结构和机械传动装置，往往会增加夹具的制造成本，但当工件的批量增加到一定的规模时，将因单件工时下降所获得的经济效率而得到补偿，从而降低工件的制造成本。因此所设计的夹具其复杂程度和工件的效率必须使生产规模相适应，才能获得良好的经济效果。但是，任何技术措施都会遇到某些特殊的情况，设计夹具时，对质量、生产率、劳动条件和经济性几方面，有时也有侧重。如对于位置精度要求很高的测量，往往着眼于测量精度。再设计过程中必须深入生产实际进行调查研究，广泛征求操作者的意见，吸先进经验在此基础上拟出初步设计方案，经过考虑，然后定出合理的方案进行夹具的设计。4.3机床夹具概述机床夹具是机械制造中一项重要的工艺装备。工件再机床上测量时，为保证测量精度和提高效率，必须上工件再机床上相对测头占有正确的位置，这个过程称为定位。为了克服测量过程工件受到外界的作用而破坏定位，还必须对工件施加夹紧力，这个过程称为夹紧。定位和夹紧两个综合称为装夹，完成工件装夹的工艺装备称为机床夹具。4.3.1机床夹具的分类机床夹具按通用化程度可分为两大类。第一类机床夹具是由机床附件厂或专门的工具制造厂制造的。4.3.2夹具的作用：1） 可以缩短辅助时间，提高劳动生产率由于采用了专门的元件使工件能迅速地妆家在夹具中，而夹具则通过定位键、对刀块、导向套等专门装置也能很快地妆家在机床上并调整好位置，此外还可以采用多件、多位、多快、增力、机动等夹紧装置。2） 易于保证加工精度稳定由于夹具在机床上的装夹位置及工件在夹具中的装夹位置均确定，对加工或测量一批工件来说是固定不变的，因此在加工过程中工件和测头始终保持正确的相对工作位置，为稳定地保证加工精度创造了条件。3） 可扩大机床的使用范围，采用专门夹具可代替某种机床的作用。4） 可以减轻劳动强度，保证安全生产采用夹具后可以降低对工人技术水平的要求，使工人操作方便，生产安全和减轻体力劳动。4.3.3夹具的组成1）定位元件它与工件的定位基准相接触，用于确定工件在夹具中的正确位置。2） 夹紧装置这是用于夹紧工件的装置，在测量时使工件在夹具中保持既定位置。3）对测头元件这种元件用于确定夹具与测头的相对位置。4） 夹具体这是用于联接夹具各元件及装置，使其成为一个整体的基础件。它与机床相结合，使夹具相对机床具有确定的位置。5） 其它元件及装置有些夹具根据工件的加工要求，要有分度机构，铣床夹具还要有定位键等以上这些组成部分，并不是对每种机床夹具都是缺一不可的，但是任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置，它们是保证加工精度的关键，目的是使工件“定位、夹牢”。4.4螺旋夹紧装置螺旋夹紧装置是从楔块夹紧装置转化而来的，相当于把楔块饶在圆柱体上，转动螺旋时即可夹紧工件。如图所示为螺旋夹紧机构。若采用螺感杆头部直接与工件接触，则一方面会压伤工作表面，另一方面转动螺杆时会带动工件偏转而破坏定位，因此在螺杆头部装上浮动的压块，如上图所示。压块的结构形式较多，如图为两种标准形式，压块通过螺杆头部的螺纹，旋入压块的槽中而浮动。图4-1用于已加工表面，图二用于未加工表面。压块的材料一般用45钢，淬硬至HCR43-48。螺杆的材料也常用45，淬硬至HCR33-38，螺纹精度为3级。有压块、螺杆、手柄的结构已有标准，参考机床夹具设计手册。各尺寸如图所示。图4-1 夹紧装置的浮块4.4.1 螺旋夹紧力计算工件处于夹紧时，根据力矩的平衡原理有式中 M 作用于螺旋杆的原始力矩； M1 螺母给螺杆的反力矩； M2 工件螺杆的反力矩； 式中 F2 工件对螺杆的摩擦阻力； 摩擦力矩计算半径。 夹紧工件后，根据力的平衡原理有： 而 故 式中 a 螺旋升角，一般为a=24度； 螺母与螺杆间的摩擦角； 工件与螺杆头部间的摩擦角； R1的数值与螺杆头部或压块的形状有关。4.4.2 螺旋夹紧的自锁性能和传力系数 楔块夹紧装置的自锁条件为a11.5-17度，而螺旋夹紧装置的螺旋升角很小，故自锁性能好。 传力系数为： 因为螺旋升角小于楔块升角，而L大于r1和r2，所以螺旋夹紧装置的传力系数远比楔块夹紧装置的大。 由于螺旋夹紧装置结构简单，制造容易，夹紧行程大，传力系数大，自锁性能好，所以广泛用于手动夹紧。但夹紧缓慢，效率低。4.5螺旋夹紧机构的特点：1 自锁性好夹紧可靠。2 螺旋夹紧增力比较大，可达65-140倍。一般夹具上利用螺纹M8-M14。3 螺旋夹紧的行程不受限制，但费时效率低。4 结构简单，应用广泛。4.6横向伺服系统和立拄的设计计算 如第四章纵向私服系统的设计计算第5章 三坐标测量机的测头装置传感器的原理由于制造技术和机床设计新近的发展趋势，在制造业这个领域监控系统也出现了新的要求。无数不同类型的传感器在监控生产和测量方面得到了应用。另一方面还有直接测量系统和间接测量系统的传感器也有区别。就连续测量的传感器系统而言，测量变量贯穿整个测量过程。电感传感器电感传感器不象刻度尺或干涉仪，它是一种模拟位置传感器。再毫米和厘米范围内普遍应用的测量位移的传感器是线形变化的微分变换器线形变化微分变换器，由三个线圈组成。将一个典型频率为5kHz的交流电压加到初始线圈上，初始线圈会感应藕荷到二级线圈。磁芯线形比例变化。通过分析信号相位与参考相位的关系确定磁芯的位移方向。同样的方法，相位灵敏测器的输出与位移成线形比例关系，由于应用两个记数线路，非线性部分被除去。双簧片式三向电感测头（图二）双簧片式三向电感测头无摩擦、无间隙。测头在三个方向上都有传感器，可作扫描或数控自动检测的自动化测头。双簧片式电感测头的结构形式较多。图一是其中一种结构，由三部分组成：一是感受部分，它由传感器7组成，当发生位移时，各向传感器发出各自的信号；二是测力机构，采用电磁式测力机构8，当测量向一个方向运动时，为了预加测力，电磁测力机构向接触力方向产生磁测力，同时给测头1个预偏量，当触头与工件接触时，即腿压测头直至过零发信这一过程完成后，电磁力有按新的测量要求施加到它向，如果一个坐标紧锁时，则那个坐标的电磁力应释放开；三是零位锁紧机构，三向测头的三个方向不是同时工作的，往往需要锁紧一向或两向，锁紧机构用电磁铁操纵，需要紧锁时，将线圈13的电流断开，则衔铁14被一块永久磁铁11吸向上运动，衔铁可饶片簧12转动而使圆锥销9插入小座10的孔内，从而将此向锁紧在零位上，需要打开锁紧时，将线圈13通入电流，由电磁力克服永久磁力，将锥销从小孔中拔出而成自由状态。Z向测座用弹簧吊挂，可用手轮调整，销子是为了防止螺母转动并可在螺母外圆槽内滑动。测头座上装有个探头，可方便地对工件进行测量。该测头的电感传感器的重复精度为.，测头总的重复精度为.。图5 -1 双簧片式电感测头第 6章 经济技术性分析随着控制技术的发展，对伺服系统的性能不断提出了苛刻的要求。近年来，数字技术的发展，将计算机与伺服控制系统相结合，使计算机成为伺服系统中的一个环节已成为现实。在直流伺服系统中利用计算机来完成系统的校正，改变系统增益、宽带、完成系统管理、监控等任务，使系统向智能化的方向发展。本设计中应用的AT89C52、L290、L291、L292等芯片是目前市场上比较成熟的产品应用比较广泛的产品，由它们组成的伺服系统具有体积小，结构简单，操作简便，可靠