三维坐标测量机课程设计

1、河南理工大学精密机械设计课程设计说明书 三坐标工作台设计学 院：机械与动力工程学院 专业班级： 测控08-1班 姓 名： 流川枫 学 号：指导老师： 赵彦如 目录第一章 概述1.1 课程设计的目的1.2 设计要求1.3 注意事项 第二章 机械结构零部件设计2.1 工作台的设计2.2 导轨的设计2.2.1 导轨的材料和类型选择2.2.2 倾覆力矩的校核2.2.3 导轨参数的选择2.2.4 导轨额定载荷的预算 滑动导轨的计算2.3 导轨的间隙调整2.4 导轨的润滑第三章 螺旋传动副的设计3.1 螺旋传动副的选择3.2 滑动丝杆副的结构选择3.3 滑动丝杆副的尺寸选择3.4 螺纹公差3.5 丝杆的校

2、核第四章 总结体会第五章 参考资料文献第一章 概述1.1 课程设计的目的本学期我们学习了精密机械设计基础这门课，而精密机械设计基础课程设计作为实践环节对于整个课程具有非常重要的意义。我们在这个环节中不仅是完成一项指定任务，更重要的是实际走过一个完整的设计过程。我们在课程设计中应该定位为设计者。设计者要进行方案筛选论证，要考虑装配关系，考虑结构工艺性，考虑选材。整个设计采用AutoCAD完成，从3D建模到2D图纸。要求我们每人拿出至少一张可用于加工的图纸。这样的图纸，仅仅图形表达正确是远远不够的。图纸的尺寸标注要合理，要有尺寸公差和形位公差，要正确选择材料，要有技术要求。总之，通过课程设计让我们

3、知道了设计过程包括那些步骤，能够投放生产的加工图纸是什么样子。其目的是：（1）具体应用、巩固加深和扩大课程及有关先修课程的理论知识、生产知识，了解精密机械设计的一般设计方法和步骤，培养学生的实际设计能力，为以后进行毕业设计打下基础；（2）掌握正确的设计思想。 通过课程设计使同学掌握仪表的设计思路。机械产品设计，一般其主要过程为：（接受）设计任务（拟定）设计方案设计计算绘制装配图绘制零件图设计过程中需注意以下内容： 1）满足使用要求（功能、可靠性及精度要求）2）注意工艺性（结构合理、简单，经济性，外观要求）3）熟悉有关规范、标准、手册设计中涉及到的零件材料、结构等，均需按照有关标准选择零件的尺寸

4、、公差等亦应符合相关标准；制图也要符合一定的规范。因此在课程设计过程中要求同学学习、掌握查阅标准及使用手册的能力。1.2设计要求三坐标精密工作台是一种用途广泛的功能部件，既可以用于加工系统，也可以用于测量系统。随着科学技术的发展，人类在制造领域中采用的尺度将由微米迈向纳米。精密和超精密加工技术的发展和推广，提高了整个机械制造业的加工精度和技术水平，并普遍提高了机械产品的质量、性能和竞争力。超精密加工的精度已达到了纳米级。甚至是亚纳米级（原子级）。当前，超精密制造的传统加工方法主要有金刚石刀具超精密切削，金刚石微粉砂轮超精密磨削，精密高速切削和精密砂带磨削等。非传统加工方法主要有电子束、离子束、

5、激光束等高能束加工，电火花、电化学加工、光刻（刻蚀）等。出现了具有复合加工机理的电解研磨、磁流体抛光、超声研磨等复合加工方法。超精密加工技术已成为衡量一个国家科学技术水平的重要标志，也是国防工业研制现代化武器装备的关键技术。三坐标精密工作台主要应用于工程光学实验。利用各种附件的组合和适当的调整，以及配备观察和光学检测仪器，可进行几何光学和物理光学实验。本次课程设计实验微调工作台设计，X/Y/Z三轴微调位移的精度为0.01mm。其附件不设计。三坐标微调工作台X、Y、Z轴方向的导轨及传动机构，负载重量G=10N，工作台面尺寸CBH145mm160mm12mm，具体参数为：数据编号第6组X轴的调节范

6、围（mm）55Y轴的调节范围（mm）55Z轴的调节范围（mm）201.3注意事项（1） 在课程设计前，应认真研究题目，明确设计要求和已知条件，阅读参考资料，了解课程设计的内容；（2） 对设计方案及结构，设计小组应进行讨论和对比，以明确优、劣、正、误，取长补短，改进设计；（3） 在正式进行设计计算前与指导教师充分讨论设计方案，明确设计方案；（4） 设计方案确定后，将确定的结构方案用计算机绘成草图给指导教师审阅，审阅后可绘制正式的设计图纸；（5） 按规定编制设计计算说明书，将设计说明书和全部图纸交指导教师审查，经认可后方可呈交；第二章 机械结构零部件设计2.1 工作台的设计工作台的相关参数设定为：

7、材料：灰铸铁 HT200，密度=7.0g/cm3长度宽度厚度：145mm 200mm 12mm工作台体积：V=145 200 12 =348000mm工作台质量：m=V=7.034800010-6=2.436kg 工作台重量：G=mg=23.873N工作台的有效工作面积：CBH=145mm 160mm 12mm工作台最大载荷：F=10N2.2导轨的设计2.2.1导轨材料和类型选择常用的导轨类型有滑动导轨和滚动导轨，在此我们选择滑动三角形导轨。导轨简图如图所示 1:2材料： 用于导轨的材料，应具有耐磨性好，摩擦因数小，并具有良好的加工和热处理性质。本设计导轨材料应选用HT200，它具有较好的耐磨

8、性，灰铸铁密度为=7.0g/cm3。此灰铸铁导轨的硬度一般为180200HBW。为了提高导轨表面硬度，采用表明淬火工艺，表面硬度可达55HRC，导轨的耐磨性可提高13倍。倾覆力矩的校核计算的假设导轨所在部件的刚度很高,受力后导轨面不因部件变形而使变形；导轨面的宽度远小于其长度；沿导轨宽度方向比压无变化；沿导轨长度方向上的比压按线性分布；导轨面上接触变形与比压成正比。导轨参数选择表3-1 ： (单位：mm)B1216202532(35)404550(55)60b1.21.622.533.544.555.56B65708090100110(120)125(130)140150b6.57891011

9、1212131415B160170180200220250280300320350380400b161718202225283032353840A尺寸系列 mm605560708090100110125140150180200220250280320360400450500550630710800900100011201250140016001800200022402500 角度系列30 o60 o90 o110 o120 o20 o25 o30 o注：1. 括号内尺寸尽可能不采用；2. 以上尺寸亦适用于凹形。由表3-1可选用B=12 ; b=1.2 ; A=90 ; =90导轨长度 L=29

10、0mm导轨额定载荷的预算 (1) 固定板尺寸：401108=35200 mm固定板质量：m=V=7.03520010=0.246 kg固定板重量：G=mg=2.414 N(2) 支承板尺寸：20020012=480000 mm支承板质量：m=V=7.048000010=3.36 kg支承板重量：G=g=32.928 N(3) 导轨的尺寸：29020050=2900000 mm导轨的质量：m=V=7.0290000010=20.3 kg导轨的重量：G=mg=203 NX、Y方向导轨设计形同形状，而下层导轨所受载荷较大，下层导轨额定静载荷为 F=F+G+ G+ G+ G=272.748 N2.2.

11、5滑动导轨的计算根据导轨的初步尺寸和形状，以及受力情况，求出导轨面上的压力分布，然后算出导轨面上的平均比压和最高比压，其值低于使用经验所推荐的许用比压值。为了使导轨磨损均匀及提高工作寿命，导轨上的压力应尽可能平均，从表中可得，许用最大比压约为许用平均比压的二倍，因此在实际设计实验中，通常只计算平均比压。附表：铸铁导轨的许用比压 ( MP)导轨种类直线运动导轨圆周运动导轨直径D中等机床重型机床磨床D300环状工作台单导轨双导轨主运动导轨平均比压45234321.5最大比压84进给运动导轨平均比压121550.250.40最大比压2530100.500.80注：1以固定切削规范工作的专用机床，逊于

12、比压应减小25%；2钢对铸铁用表中允许值，钢对钢的允许比压应增加2030%；3聚四氯乙烯（P.T.F.E）为基材的塑料正常连续使用时平均比压小于3.5 (MP)；间断使用时允许达17.5 (MP)；短暂使用时，最大可达35(MP);4锌合金ZnAl10-5导轨的平均比压可达2 (MP)。P = F/BL p ( MP)，则导轨尺寸设计合理。B导轨的水平投影宽度（mm）；L与工作台接触的导轨面总长度（mm），对于圆周运动导轨，L=D，D为原型导轨的平均直径（mm）；p许用平均比压(MP)。由上边计算可求：P=272.748/(12200)=0.11365 MP 如上表所示，查表得p=0.250.

13、40 Pp则导轨尺寸设计合理2.3导轨的间隙调整导轨结合面的配合松紧的机器的工作性能有很大的影响。配合过紧时，传动所需的功率加大，手动操作费力，磨损也会加大，运动的平稳性差。配合过松则影响导向的精度。因此在装配式要仔细调整导轨接触面间的间隙。使用一段时间后由于磨损要进行重新调整。所选用的V形导轨采用镶条和压板来实现磨损后的间隙自动调整。2.4导轨的润滑保证导轨良好的润滑可以有效减小导轨摩擦和磨损，延长导轨寿命，而保证导轨良好的润滑的关键是选择合适的润滑油。选择润滑油的原则是载荷越大，速度越低，则油的粘度应越大，垂直导轨的润滑油粘度应比水平导轨润滑油的粘度大些。在工作温度变化时,润滑油的粘度变化

14、要小,润滑油应具有良好的润滑性能和足够的油膜强度,不侵蚀机件,油中杂技应尽量少,因此,本设计应选用精密机床润滑油进行润滑。第三章 螺旋传动副的设计3.1螺旋传动副的选择该工作台主要用于空间定位，且要求精度较高，又由于采用的是手动调节，则在低速与微调时回程误差可控制，不需要考虑爬行，为了保证一定的精度及运动平稳性，综合考虑结构，加工工艺，性价比等方面的因素，故采用滑动螺旋传动，这种传动在当螺纹升角小于摩擦角时，能实现自锁，提高运动的稳定性。3.2滑动丝杆副的结构选择本工作台由于精度的要求为0.01mm,所以X轴与Y轴都由千分尺螺旋传动机构驱动而Z轴采用细牙梯形螺纹。3.3滑动丝杠副尺寸的选择1、

15、由于手动速度较低则可由下表选择螺杆和螺母都采用合金工具钢。表4-3 丝杠材料与速度选择螺杆材料螺母材料速度范围（m/min） 钢 钢青铜钢低速钢钢铸铁青铜2.45.611.21.523561015192815192811.222.4234588111518302432435385243243538522.445356781012122125303442503663758510012515036637585100125150459034891012151938435060455611813214017045561181321401701416186775852002362652002362659

16、01804681224364567711061322007110613220014161875901002362653002362653002022242811211813215033535540045033535540045018035681218507511215022433515022433520222412514015037542545037542545032364044200224250280600670750850600670750850注：N中等旋合长度；L长旋合长度。根据上表4-6选用旋和长度为中等旋和长度N。螺纹公差带的选用表4-7 螺纹公差带选择内螺纹精度公差带位置G公差带

17、位置HSNLSNL精密4H4H5H5H6H中等（5G）（6G）(7G)*5H*6H*7H粗糙（7G）7H外螺纹精度公差带位置E公差带位置f公差带位置g公差带位置hSNLSNLSNLSNL精密(3h4h)*4h(5h4h）中等*6e*6f(5g6g)*6g7g6g(5h6h)*6h(7h6h)粗糙8g（8h）由表4-7中选中等精度6级螺旋丝杠标号为Tr101.5-5h6h-N3.5 丝杆的校核（1）耐磨性计算螺纹的许用压强满足式 式中: p螺纹工作表面实际平均压强：p许用压强；轴向载荷；螺纹中径；H螺母高度；h螺纹工作高度，梯形螺纹和矩形螺纹h=0.5P；三角形螺纹h=0.5413P。查螺纹许用

18、压强表可得:p=68取螺旋角=300当量摩擦角：升角=20N由于故124N螺纹实际压强:显然满足(2)稳定性计算螺杆失稳时的临界轴向载荷根据工程力学螺杆失稳时的临界轴向载荷为：式中：L螺杆的最大工作长度，一般取为螺杆支承间的距离； 螺杆载面的惯性矩，在梯形螺纹的稳定性验算中，按螺纹中径的计算，即； E螺杆材料的弹性模量； 长度系数，与螺杆的支承情况有关。为了方便计算，把式写为如下形式：式中：m螺杆支承系数, 其值见表4-8表4-8 稳定性选择螺杆支撑情况m/( Nmm-2)两端固定一端固定，一端不完全固定一端固定，一端铰支两端不完全固定两端铰支一端固定，一端自由40282018102.5注：“

19、自由”是指径向与轴向均无约束；“铰支”是指支承处仅有径向约束，例如向心球轴承或宽径比B/D3的滑动轴承；“不完全固定”是指B/D=1.53的滑动轴承（B为支承宽度，D为支承孔直径）。由螺杆两端的支承情况故而 必满足要求（3）刚度校核:刚度（长度1m的螺纹上螺距累积变化量）（）:轴向载荷 ：中径（7.25mm）E：弹性模量：T：转矩 （为螺纹升角，当量摩擦角）P：螺距G：常量：8 明显符合刚度要求（4）强度计算螺纹强度的计算包括螺杆螺纹及螺母螺纹强度计算，但由于螺杆强度比螺母材料强度高，因此只需验算螺母螺纹强度。剪切强度：弯曲强度：式中：D螺纹大径（mm）； b螺纹概况宽度（mm），对于梯形螺纹

20、，b=0.65P； n旋合扣数，n=H/P=4查表得：铸铁 显然强度满足（5）校核重复精度行程中经过的螺距数=40mm/1.5mm27故允许最大误差为查表可知，可用公差等级IT3满足。故将螺纹改为Tr101.5-3g3h-NZ轴丝杠与导干的在工作台上的布局在不影响工作台的整体空间负载的情况下为使工作台的重量均匀的作用Z在轴丝杠的螺纹上，故做以下布局，将工作台在长度方向外延伸40毫米。将工作台负载时的重心与两导杆构成一个等腰三角形，并将Z在轴丝杠布置在其重心位置。根据如下图形4-9计算：图4-9 工作台压力分布导杆距近边缘距离；工作台中心距边缘；现寻找Z轴丝杠位置：等腰三角形的高为根据重心性质即

21、：重心距顶点与距底边的距离的两倍。故：重心距底边距离为加上到底边距离 5mm，中心到近边缘的距离为故满足要求。第四章 总结体会在赵彦如老师、闫勇刚老师的悉心指导和关心下，经过近三周时间的努力，我的课程设计三坐标精密工作台现已顺利完成！在此期间学会了很多东西，学到了很多课本上没有的知识。设计的过程是一次理论与实践结合的过程，更是自己的思想成熟、成长的过程！让我么能够从中学到知识。在设计的过程中，遇到困难是不可避免的，许多知识不知道该如何应用，但当仔细研究时，发现这些知识也不是那么的难以理解，它们都是源于课本而高于课本，更要把实践经验赋予到里面去。而这三者的有机结合，说起来容易真的做起来却总感到力

22、不从心。有的地方要用到以前学过的课本知识，以前自我感觉挺好，觉得以前学过的课程都学的很好，可是当现在重新拿来品味一遍时，才发现以前所学知识的肤浅。这样带着问题去品味以前的“老味道”，自然是“别有一番滋味在心头”。这更让我们认识到了“学海无涯”，不能为眼前得到的点点滴滴而沾沾自喜，殊不知，前面不为你所知的却是一片浩瀚的海洋！就这样巩固了以前学过的理论知识，问题也得到了解决。如果遇到以前课本上没有学过或没涉及到的，我们就多方面找资料、查信息，争取找到最好的解决问题的方法，现在每每回想起来，却有几分甘苦涌上心头。课程设计是理论知识与专业知识以及实践经验的融合体。通过课程设计认识到了自己在各个方面存在的不足，同时也努力对不足的方面做了加强，使这些知识更趋于条理化、系统化。在以后的工作和学习中，若在碰到类似的情况，都能一点带线甚至一点带面，能够举一反三。以前认为只要把理论知识学好就行了，现在才发现这种认识的错