【《一款移动桥式三坐标装置结构设计》18000字】

一款移动桥式三坐标装置结构设计摘要三坐标装置在如今的生产加工中，应用相当广泛，常见的就有三坐标测量仪、激光切割机、数控铣床等。显然三坐标结构装置已经拥有了成熟的技术和广阔的市场，但是这些装置始终用途过于单一，不能在一个三坐标装置下分别完成两种及两种以上的工件加工。本课题针对三坐标测量仪和激光切割机的机械结构进行了研究，以实现在一个三坐标装置下完成测量和雕刻为目标，综合分析了多种装置框架结构的特点，设计了一款移动桥式三坐标装置。在设计过程中，根据不同结构的传动需求，分别设计了适合该结构的传动系统，包括滚珠丝杆传动系统和二合一工作平台转换系统。其中，滚珠丝杠传动系统主要由电机、滚珠丝杠、轴承、导轨等部件组成，它的工作过程是由电机带动滚珠丝杠传递动力，通过丝杠螺母使滑块在导轨上实现直线运动。二合一工作平台转换系统解决了平台转换过程费力、费时的问题，该传动系统利用了电机、联轴器、锥齿轮、梯形丝杠、轴承等部件，其工作原理是电机带动锥齿轮运动，实现运动的转向，再由梯形丝杠将旋转运动转换为平台的直线运动，给予平台足够的空间位置完成翻转。通过本课题的研究设计使三坐标装置用途单一以及工作平台转换的自动化程度等问题得到了改善。关键词：三坐标测量；激光切割；二合一工作平台目录摘要 第1章绪论1.1课题研究的背景及意义1.1.1研究背景三坐标测量仪，是指市面上在三维空间范围内，能够通过测量工件得到其表面所有点的三维坐标的仪器设备[1]。该仪器设备的测量内容主要包括定位精度测量、几何精度测量及轮廓精度测量等，当前该仪器设备主要应用于各领域的机械零部件的加工制造中[2]。三坐标测量仪工作过程是：将被测工件放置在测量机的测量范围内，得到该工件表面所有点在X、Y、Z三个坐标轴上坐标值，将这些坐标值输入计算机控制系统，通过计算机系统进行一系列复杂的数学运算过程，最后得到该工件的形状、位置公差等几何数据[3]。三坐标测量仪在工件测量方面已经十分成熟，但是在现代化工业发展中，加工设备都在追求单用途向多用途的优化设计。除三坐标测量仪以外，市面上还存在着许多利用三维空间坐标进行加工工作的装置，比如：激光雕刻机、三坐标数控铣床、三坐标打印机等。针对这些单用途装置在加工过程中用途单一，实现三坐标装置多种用途相融合的结构设计具有重要意义。1.1.2课题意义解决目前三坐标装置用途单一、分散的问题，该多用途三坐标装置可以实现工件测量、雕刻加工、误差分析等。在加工前可以对工件进行精准定位，并通过三坐标测量得到工件尺寸数据；可根据系统已有的加工方案，对被加工工件进行三坐标雕刻加工，得到所需工件成品。现在的科技技术正在蓬勃发展，对于生产设备的结构、效率、性能等有了更严格的要求。实现设备的单用途向多用途的优化，已经成为各类装置研究设计的主线。多用途装置的实现可以节约购买装置的成本，提高工作效率等；还能运用到少批量加工、单个工件加工、教学实训等实践工作之中。1.2国内外发展现状1.2.1国外研究现状日本三丰（Mitutoyo）开发了一款“LEGEX系列三坐标测量仪”（如图1.1），该设备能够达到超高的性能要求，科学利用高强度导轨上固定桥式结构与气浮轴承的功能，确保工作过程的稳定性和最终结果的精度[4]。设备的检测装置中所使用的超高精度玻璃光栅尺，能够排除许多测量过程中可能导致测量误差的因素和极大限度降低影响[5]。该装置为了能够测量较为复杂的、尺寸精度较高的中、小型工件，提供了繁多的测量头选择，比如：接触触发式测头、激光扫描测头、视像测量测头等[6]。由于该仪器设备多种测量头选件的运用使测量方式更加多样化，精密的气浮导轨系统也使得设备测量更加稳定、可靠和精确。图1.1LEGEX776三坐标测量仪德国蔡司（Zeiss）开发了“ACCURA三坐标测量机”（如图1.2），该设备在结构上采用了单边桥式结构，不仅使得设备的运动性能得到了提高，而且增强了设备的稳定性。三个轴上的导轨系统均使用了空气轴承，减少了导轨的磨损量，不仅提高了设备测量速度，还降低了操作成本[7]。选择光栅尺时，考察许多了与导轨材料花岗岩膨胀系数较接近的类型，最后选择了自粘开放式金属光栅尺，极大的提高了设备稳定性[8]。全新的材料选择使温度对测量结果的影响降到了最低，模块化的结构设计也使用户在整个产品周期内轻松实现对设备的使用。图1.2ACCURA三坐标测量机东京精密设备（上海）有限公司（Accretech），其代表作品“SVFNEX系列三坐标测量机”（如图1.3），该设备考虑温度对于测量精度的影响，设计了可根据环境温度进行精度更正温度补偿的装置[9]。其AI智能识别系统可以智能识别测量形状，大大简化了操作者输入的工作量，使初学者也能方便的操作。在结构上该设备没有特别的创新点，主要依靠系统的提升保证了测量机的测量精度；它对于温度的误差考虑，可以为结构设计的选材提供重要思路。图1.3SVFNEX系列三坐标测量机1.2.2国内研究现状杨晓礼在论文《激光雕刻机的结构及控制系统的研究》中，详细讲述了雕刻机的雕刻头和工件是如何实现其X、Y、Z三轴的相对运动得。其中Z轴方向的进给运动使用的是丝杆传动完成得，X、Y两个轴的进给运动则选择了同步带传动实现加工目的。Z轴上的工作头通过连接板与丝杆的连接，使其可以在导轨上平稳的进行Z方向的进给运动，启动步进电机后，丝杠开始传动从而带动工作头在导轨上直线移动。Y轴方向的传动主要依靠两根Y方向导轨，工作头及其相关部件安装在横梁上实现工作头的Y方向的移动。X轴方向的运动通过步进电机带动同步带运动，使主轴可以在导轨上进行X方向的直线运动[10]。该文章对于雕刻机的结构设计和运动分析进行了具体的分析论述，根据不同轴的工作特点进行传动系统的选择，使得各轴运动连贯、精准（如图1.4）。图1.4雕刻机X、Y方向结构示意图我国公开专利——CN211796973U一种义齿立体雕刻机，包括：本体、加工支架行走装置、万向加工支架、刀架行走装置、雕刻装置、控制端等。所述装置的本体两侧均设有侧板，控制端设在本体的左侧侧板上，加工支架行走装置固定在本体右侧的侧板上。加工支架行走装置上安装有万向加工支架，加工支架可以实现各个方向的移动；位于支架上方的刀架装置，通过丝杠结构也可以实现横向移动和升降运动[11]。加工支架和刀架装置的移动系统的创新设计，使得该义齿立体雕刻机可以完成雕刻加工的高精度、高效率和义齿的复杂形状加工等任务。该专利为雕刻加工提供了加工支架装置和刀架行走装置的创新性设计，实现了多方位加工、复杂形状加工、高效率加工等，且能够满足雕刻加工的现实需要。图5义齿立体雕刻机的总体结构梁宇在其论文《三坐标测量机结构设计及误差理论研究》中对测量机的各个关键结构工作时的结构变形，负载大小结构变形等因素引起的误差进行了研究[12]。该文章详细介绍了气浮导轨系统的结构设计，并分析了气浮导轨系统对于测量精度的影响；还提到了测量机工作台的工作要求和工作台移动系统的结构设计等；在传动装置上选择的是滚珠丝杆传动，滚珠丝杆属于精密传动元件，符合测量机精准测量的要求[13]。该文章对测量机主要结构的选择上要求精度高、稳定性强和平衡性好，故在对主要结构进行了理论分析后，还设计了一系列平衡系统，保证后续使用过程中出现磨损等情况时能够进行装置的自我修正。陈洪波在论文《三坐标测量机运动控制系统设计与仿真》中，对测量机所用的静压气浮导轨进行了结构分析、设计计算等研究，利用经典力学的理论知识，分别从静压气浮导轨的压力、摩擦力和运动速度等方面进行了设计计算的分析[14]。该文章立足于相关理论知识的探讨，用强有力的证明过程得出了静压气浮导轨运动平稳、运动阻尼小、稳定性强等的结论，这一重要研究结果对于解决测量机测量精度问题具有重要意义。1.2.3研究现状总结测量机的结构设计在一定程度上决定了测量数据的准确性，根据不同的被测量件形状大小、类型、需要测量的数据等，都有不同的总体结构布局。为了确保和提高三坐标测量机的精准度，导轨结构主要采用气浮导轨，气浮导轨中气浮轴承的设计和气浮垫的布局、安装是气浮导轨的关键所在[15]。测量过程中受到外界和电机的影响，存在一定的振动冲击，减振装置也是必不可少的主要结构之一，减振结构大多数考虑多层减振装置共同作用，达到更好的减振效果。激光切割机的出现解决了一些平面上切割和雕刻的效率问题和标准化问题。切割机工作时不同的运动方向需要不同的联动轴，激光切割机是通过控制X、Y、Z三个坐标轴的联动，从而完成加工切割任务。激光切割能够完成这样的加工任务，在于传动系统推动工作轴实时完成进给运动，只有精准实现给定的进给运动的情况下才能完成切割任务，否则无法完成对产品的加工需求。因此对于各个轴需要设计不同的传动结构，让X、Y、Z三个轴都能够实现自己独立的轴向移动以及同其他轴的联动。三坐标测量仪和激光切割机均可通过控制X、Y、Z三个坐标轴的进给运动，完成数据测量和加工任务。他们的X、Y、Z轴传动系统和工作头进给运动结构有着密切联系，可以将两种不同用途的三坐标装置结合起来，实现一种多用途的三坐标装置结构设计，该设计可以完成三坐标工作条件下的工件尺寸测量、工件激光切割等任务。1.3课题设计要求与内容1.3.1课题设计要求绘制产品模型图以及二维图纸时要符合结构图纸的严谨性与条理性；设计出的产品要符合机械运动原理；装置在满足产品可实现性的基础之上，完成产品多种用途的结合，并且解决产品的用途融合中遇到的结构设计问题。在设计某个部件时，首先，确定该部件的大概形状尺寸；然后，根据该部件需要实现的功能，以及与下一个部件的结合的方式，设计出该部件的细节特征。1.3.2课题设计内容针对目前市场上现有的三坐标测量仪的结构和功能特点，同时结合激光切割机的结构和功能特点，从中找到它们的共同点。由此，将通过在三坐标测量机的结构基础上加入激光切割机的功能实现结构，进而实现多用途式的一体装置。为了达到多用途功能的实现，本课题装置设计的主要内容如下：通过了解装置的功能结构要求，从中进一步掌握主要零件的工作原理；将自己的方案构思实体化，查阅教材和相关学习资料，先对主要结构进行结构设计计算；在重要零部件参数大体成形的基础上，并开展其他附属零部件的结构设计建模，同时不断的对部分结构进行实时的参数调整；最后，绘制主要零部件的二维图纸和装配图，以及相关动画仿真。

第2章整体方案设计本课题的首要目标是实现三坐标装置的多用途，通过对于三坐标测量仪和激光切割机的初步认识。对课题的设计进行了以下分析：首先，三坐标测量仪和激光切割机，在工作时的进给运动基本相同，故两种功能的实现可以在同一个机架上完成；其次，两者工作头的运动方式相同，为实现不同功能的切换，采用了传统的方式更换工作头；最后，考虑两种工况下工作平面的要求不同，对两种工作平面进行二合一的设计，并且为节省人力资源以及实现装置的自动化，设计了二合一工作平面翻转装置。2.1三坐标测量仪框架结构分析2.1.1单边桥式单边桥式结构的三坐标测量机如图2.1所示，目前，单边桥结构的测量仪主要是为了解决工业上大型尺寸的工件测量而设计的。单边桥结构的设计，能够让机构在工作时保持一定的稳定性，同时还能保持良好的动态性。目前，主要运用于汽车制造行业、一些大型模具制造行业、以及大型尺寸的精密仪器零部件的测量，单边桥式结构的特点可以概括为如下几点[16]：相对于部分较大型的工作平面，它主要采用的材质是花岗岩，增加平面的刚性；对于Y轴方向的承载，它的主导轨结构是利用高架结构，这种结构对于运动部件的惯性有一定的减少作用；单边桥的设计使得整个工作平面在实际工作时拥有开阔的空间，在放置工件时，有明显的空间优势，在工件装载时，更加简单、快捷、方便，使得被测产品在靠近测量中心时更容易；由于一边没有设置导轨，所以在主导轨方向更容易作加长设计，通过这样的设计不仅增大了测量跨距，保证了更好的运动特性以及测量精度，而且使得主导轨的导向精度得到进一步提高。图2.1单边桥式三坐标测量仪2.1.2龙门式龙门式三坐标测量机结构如图2.2所示，龙门式结构也称作双边高架型结构，是一种高精度的几何测量仪器，并且它能在工业上完成多种测量任务，例如：测量零部件的形状误差、位置误差等。这种结构的测量仪，目前，主要运用于机械行业中测量大、中型的零件，一般在计量室和一些生产现场使用，包含汽车行业、航空航天行业、兵器制造行业以及一些工装模具的测量。其结构特点可以概括如下[17]：由于龙门式整体装置的结构尺寸偏大，刚度要求较大，导轨材料通常采用花岗岩材料，使得它能够达到较高刚度，满足较强承载能力。同时花岗岩的自身特性，使得它能适应一些温度变化较大的工作环境，增强了测量仪的工作环境适应能力；主导轨采用的是双边高架结构，在工作时，两边能够同时驱动，使得工作过程中，发生的偏摆较小，确保了移动过程中的稳定性；X轴与Z轴方向一般采用内部由钢丝组成的同步带，这样即达到了两轴同步要求的精度，又能获得较好刚性与良好柔性的完美结合；但由于测量尺寸较大，同时导轨相对其他结构更长，故占地空间也就更大。图2.2龙门式三坐标测量仪2.1.3水平臂式水平臂式三坐标测量仪结构如图2.3所示，可以看出，测量仪的横向移动主要依靠类似悬臂梁的结构完成的，这类结构通常是安装在室内工厂的地面上，在目前的生产现场中，是运用最广泛的一种结构。生产制造过程中，主要是提供加工途中质量检测的必要数据，它的结构特点可以概括为以下几点[18]：根据图中所示，在工作时，主要由水平臂的伸展进行测量，并且由于水平臂尺寸偏向于细长形，使得该结构较为紧凑，而且它没有其他多余的桥架结构，故它的测量空间也足够的宽阔；水平臂式结构的灵活性较强，水平臂在工作时，工作探头在工作空间内基本上可以实现360度的全方位测量；水平臂能够伸出、收回，测量机的工作空间基本上是全敞开式，使得工件能够实现各个方向的上、下料和工件装夹，适用范围十分广泛，在车身的检测生产线上随处可见它的身影；它的传动装置一般采用直线导轨和齿轮齿条传动系统，保证了移动时既平稳又无相对滑动。图2.3水平臂式三坐标测量仪2.1.4移动桥式移动桥式三坐标测量仪如图2.4所示，它在结构上与单边桥式有相似之处，在用途上又跟龙门式有些许相同。移动桥式测量仪主要用于测量中小型的机械部件，能够测量部件的形状误差和位置误差；广泛运用于汽车行业、航空航天行业、模具以及电子电器行业，其结构特点概括如下[19]：本身测量范围不大，主体结构比较紧凑，整体结构的刚性相对单边桥式更为突出；导轨主要使用空气导轨和空气轴承等结构，其导轨基本都是整体式；结构材料通常使用铝合金等金属材料作为整体框架，在同等刚度的条件下，不仅减轻了设备重量，而且使工作头在工作过程中更加平稳。图2.4移动桥式三坐标测量仪2.2框架结构的确定本课题的结构设计是在三坐标测量机的基础之上，加入激光切割机的功能，并且主要是针对单个零件或少批量生产。在选择三坐标结构框架时，在考虑适用范围的前提条件下，也要清楚激光切割机的基本框架的结构组成。激光切割机结构如图2.5所示，通过直观结构特点的方式，可以暂时排除水平臂式结构。分析切割机的移动方式，激光切割机在水平方向上的移动，主要是依靠机床上的机械传动系统协同完成，并通过伺服电机系统控制水平方向的移动；进一步研究激光切割机的机械传动原理，可以排除单边桥式结构。最后，虽然它的整体结构与龙门式和移动桥式结构都存在几分相似，但从使用角度出发，可以看出龙门式结构，通常是用于中大型的零部件测量机使用的结构，而移动桥式则主要是针对于中小型。综合以上不同情况的分析，本课题结构选择采用移动桥架式，原因如下：移动桥架式结构和切割机移动的工作原理更为相似；结构上相对更加紧凑，对工作空间需求相对较小；在结构材料方面，移动桥式的实用性更强，可以使用金属合金作为整个装置的材料；采用测量范围较小的结构，使得后续二合一工作平面转换的实现更容易。图2.5激光切割机2.3传动方案的选择2.3.1滚珠丝杠由于滚珠丝杠可以实现旋转运动与直线运动的相互转换，通常它的工作状态又比较理想，。常用于较为精密的机械传动结构中。滚珠丝杠根据旋转运动过程中滚珠与丝杠的接触情况，分为外循环和内循环两种方式；其中，外循环就是在旋转运动过程中，内部的滚珠会暂时性的远离丝杠；而内循环在旋转运动过程中则一直保持着与丝杠的密切接触[20]。当滚珠丝杠工作时，由于滚珠螺母的整体要进行线性运动，而里面的滚珠要沿着丝杠螺纹进行旋转运动，螺母内部的滚珠要进行循环运动，所以设置了循环槽，使得滚珠在整个旋转通道里能够不断地进行循环运动，达到带动零部件直线往复运动的效果[21]。为了防止滚珠从螺母中掉落，循环通道两端都需要进行密封处理。外循环结构如图2.6，内循环结构如图2.5，根据两个原理图的对比，能够看出两者循环通道的不同，同时，可以发现两种方式在使用效果上基本没有太大的差距。对于滚珠丝杠的传动还有如下一些特点：滚珠丝杠副内部有许多滚珠在进行着滚动运动，从传动效率上来说它能够高达百分之九十六左右，在传动件中传动效率较高，因内部做滚动运动，使得内部受到的摩擦力很小；滚珠丝杠的制造精度比较高，因此使用滚珠丝杠的装置可以得到较高的精度，通常运用在精密仪器的结构设计中；与摩擦运动相比，滚动运动受到的阻力更小，其运动过程中的速度自然能够实现更快、更准确的要求。故在一些需要进行高速进给运动、微小进给运动，同时又需要满足较高的精度需求的场合，通常考虑使用滚珠丝杠；具有较好的力学性能，轴向刚度较高，能承受一定的压力；不具有自锁性，往复运动的可逆性较好，且具有较好的灵活性。综合上述几个特点，滚珠丝杠可以应用于本课题传动系统的结构设计中，主要用于水平方向上工作头的移动，工作头在工作时需要传动件具有稳定性、灵活性、较好力学性能、自身阻力小等优势，确保工作头在测量和切割时都能够达到所需的精度要求。图2.6外循环式1.滚珠循环外通道2.丝杠图2.7内循环式2.3.2梯形丝杠梯形丝杠的组成相对于滚珠丝杠的组成较为简单，如图2.8，它主要是由梯形螺杆和螺母通过螺旋配合所组成。它不仅在结构上较为简单，在安装上也更加方便、简单，但是能够达到的精度要求远没有滚珠丝杠的精度要求高。它主要依靠丝杠和螺母的相对滑动和螺纹的自锁性，实现结构的传动和自锁，通常是产生滑动摩擦；与滚珠丝杠一样，可将旋转运动转变成直线运动，而且运动的转换也是可逆的[22]。梯形丝杠的特点有如下几点：梯形丝杠结构比较简单，制造成本上相对较低，无法达到较高精度；安装过程方便、简单，后期的维护工作也更加方便、快捷；可达到通常传动功率的需求，可用于有一定受力情况下的传动，具有良好刚性；具有自锁性，在传动过程中，不易发生相对滑动。综上所述，梯形丝杠适用于精度要求较低、要求拆装便捷、需要自锁性等的场合，本课题中二合一平面转换结构的设计，可以考虑选用梯形丝杆。它不仅具有自锁性和一定承载能力，而且成本低、拆装便捷。图2.8梯形丝杠第3章总体结构设计3.1传动系统设计原理及简图本课题的主要设计任务是将三坐标测量仪和激光切割机的结构进行融合，所以在结构设计过程中要致力于实现同一三坐标装置下完成测量和雕刻任务。深入了解三坐标测量仪和激光切割机后，确定了总体结构的主要部件，包括步进电机、滚珠丝杠进给系统、二合一工作面、梯形丝杠、锥齿轮组、可更换测量头等零部件。工作平面装换装置设计原理：步进电机为工作平面转换功能提供源动力，它的输出轴连接着锥齿轮组，利用锥齿轮组的减速和换向功能，将动力输送到梯形丝杠，并带动丝杠实现旋转运动；通过丝杠与丝杠螺纹的相互配合，将旋转运动转变为线性往复运动，实现二合一工作平面的上下运动以及工作位置的调整。滚珠丝杠进给系统，主要负责测量头的水平方向的进给运动。装置结构简图如下：（图3.1）图3.1装置结构简图1.滚珠丝杠进给系统2.梯形丝杠3.移动桥架4.工作头5.二合一工作面6.步进电机3.2步进电机的参数选择3.2.1步进电机的容量要求步进电机中的保持转矩，相当于普通电机的功率，但是两者的实际结构却存在着本质区别。步进电机的对外输出功率是可以根据工况发生变化的，可以先确定装置运行所需转矩的范围，再选择步进电机的型号[23]。比如：如果需求扭力数据是小于0.8N·m的，一般情况下，电机机身的尺寸小于42mm，所以可以选取35mm、28mm等尺寸型号的电机。此外，还要考虑转速、频率，步距角等重要参数，如果这些数据不满足使用需求，将会降低设备的机械使用效率，无法有效地完成机械运行任务。有可能会发生过载现象，严重的还会导致设备的损坏，进而引起设备故障等。3.2.2选取原则电机内部是由若干线圈组成的，所以无法避免的会出现发热的现象，在选取相关参数的过程中，要确保电机在负载的工作状态下，线圈产生的最高温度始终保持在允许的最大值以下。这样才能保证电机在正常工作状态下，不会因为线圈温度过高而造成设备故障。能承受部分允许范围内的过载，这种情况与日常中一种常见的现象十分相似。日常家用电器在打开的一瞬间，通过电器的瞬时电流比较大，如果电器无法接受这个电流，在那一瞬间就会烧坏电器设备。电机也是一样的，特别是刚启动的刹那，通过电机的瞬时电流比较大，同时，由于电机需要带动后续设备运作，在那短暂的瞬间，它所要求的瞬时力矩也相对较大。所以这就要求，电动机选用的最大转矩以及允许通过的电流，要大于设备在运行过程中可能出现的对应的最大值[24]。3.2.3电机参数的确定结合装置的整体参数预设分析，本课题装置结构主要针对的是小型产品的加工处理。所以在电机的选取功率上，不宜过大，初步选定电机的输出功率P为0.5kw，转速大概在600r/min左右。最终选取的电机参数如表1所示：表1电机参数型号步距角电阻电感保持力矩转子惯量引线数量Y07-59D1-171551.80.602.22.447043.3系统转速、功率、转矩分配根据结构计算中相关参数的确定，作为减速换向的锥齿轮组部分的减速传动比i=1.5，通过查阅数据可知：一般的直齿锥齿轮传动系统中，它的传递效率范围一般在0.94~0.98，在设计时，选用8级精度，所以它的效率η1=0.96；另外，在线性往复运动环节，梯形丝杠的传动效率最高可以达到百分之八十五，我们选取它的效率η2=0.8。QUOTEi1=d大3.3.1转速分配根据此前电机型号的选择中确定，电机转速n电=600r/min，电机的输出轴直接与主动锥齿轮联接，从动锥齿轮直接与梯形丝杠联接，可得出以下数据：（1）主动锥齿轮的转速n1：n1=n电=600r/min；（2）从动锥齿轮的转速n2：n2=n1/i=600/1.5r/min=400r/min；（3）梯形丝杠的转速n3：n3=n2=400r/min；3.3.2功率分配（1）电机输出功率P电：P电=0.5kw；（2）锥齿轮组输出功率P1：P1=P电η1=0.5kw0.96=0.48kw；（3）梯形丝杠输出功率P2：P2=P1η2=0.48kw0.8=0.384kw；3.3.3转矩分配（1）电机输出转矩T电：T电=9550P电/n电=95500.5/600=7.96N·m；（2）锥齿轮轴上转矩T1：T1=T电=7.96N·m；（3）梯形丝杠输入转矩T2：T2=T1iη1=7.961.50.96=11.4624N·m；3.4锥齿轮参数设计将两个锥齿轮组的两个轴中心呈90度安装，传动比为i=1.5，工作时所承受的载荷较稳定，普遍进行短期往复运转，不计寿命。该齿轮的主动轮转速为600r/min，输入功率为0.5kw，主动小齿轮轮选用40Cr材料，调质处理，选择硬度260HBS左右；从动大齿轮选用42SiMn材料，同样进行调质处理，硬度取230HBS，具体设计计算过程如下[25]。3.4.1根据齿面接触疲劳强度计算（1）齿数确定及精度等级设定小齿轮的齿数为z1=20，根据传动比大齿轮的齿数为：z齿轮精度选择为8级精度由此得出：z1=20（2）选取相关系数查书上表8-8，使用系数可选取：K查书上图8-9，动载系数可选取：K查书上表8-9，齿间载荷分配系数可选取：K查书上表8-19，齿向载荷分布系数可选取：K（3）载荷系数根据书上公式计算得：K=由此得出：载荷系数K=1.87（4）转矩T根据书上公式计算得：T=9.55×由此得出：转矩T=7958.3N·m（5）弹性系数查书上表8-11，根据材质选取对于数值由此得出：弹性系数Z（6）节点区域系数查书上图8-16，节点区域系数Z（7）接触疲劳极限查书上图8-17c，根据材料对应的硬度值选取由此得出：σHlim1=171MPa（8）接触最小安全系数查书上表8-13，接触最小安全系数S（9）接触寿命系数根据结社设计需求寿命得出：Z（10）许用基础应力根据书上公式8-9得：σσ（11）小齿轮大端分度圆直径根据数据可以取ϕRd==50.37mm由此得出：小齿轮大端分度圆之间初取d（12）验算圆周速度v根据书上公式计算如下：dv=由此计算数据，结合书上表8-6，得出结论：符合要求（13）验算K根据结合书上公式计算如下：Fb==K由此得出：计算结构小于100N/mm。与原估计相同，验算合格。3.4.2确定传动的主要尺寸（1）模数确定根据模数公式计算如下：m=查书上表8-3可以取m=2.5mm（2）实际大端分度圆直径根据书上分度圆公式d=mz计算如下：dd由此得出：小齿轮大端分度圆直径d1=50mm（3）锥顶距根据书上公式计算如下：R=由此得出：轴顶距R=45.07mm（4）齿宽根据书上齿宽计算公式计算如下：b=3.4.3齿根疲劳强度验算（1）当量齿数根据书上公式计算如下：zz由此得出两个当量齿数：zv1=21.05（2）齿形系数根据求出当量齿数，查书上如8-29得出：YFα1=2.88（3）应力修正系数也需要根据当量齿数，查书上8-30得出：YSα1=1.6（4）齿间载荷分配系数由书上表8-9得知：齿间载荷分配系数K（5）弯曲疲劳极限由书上图8-23c中得知：弯曲疲劳极限σFlim1=600MPa（6）弯曲最小安全系数由书上表8-13可知：弯曲最小安全系数S（7）弯曲寿命系数根据设计的寿命需求确定：Y（8）尺寸系数由书上图8-25可以得出：尺寸系数取：Y（9）许用弯曲应力根据书上公式计算如下：σσ（10）验算σ根据书上公式计算如下：σ==112.49MPaσ根据数据结果显示；σF1=112.49MPa<[由此得出：合格锥齿轮三维模型图如下：图4.1小齿轮图4.2大齿轮图4.3锥齿轮啮合3.5锥齿轮支承轴的设计能够进行旋转运动的零部件，在其旋转中心的部位都有一个旋转轴，作为中间枢纽传递动力；除了传递动力和运动形式之外，更重要的作用是支承，为零部件提供受力点，是机械设备中的重要组成部分。齿轮轴的设计过程跟其它的齿轮、链、带等的设计过程颇有几分相似，都需要进行结构设计和参数计算等。在结构方面，主要有以下几点要求：齿轮轴上需要与之配合的零部件，需注意部件的相对安装位置、定位方式以及部件的制造工艺；合理的结构设置和尺寸设计，若齿轮轴的结构设计不能满足工作需求，将会影响设备的运行过程，甚至影响生产设备的使用安全性；尽可能使齿轮轴的结构简单、可靠，避免不必要的结构出现，尽量减少制造加工成本，降低装配难度等。在参数设计过程中，轴是否满足工作要求，一般取决于轴的强度是否达到所需要求，所以在完成轴的参数设计后，还要对设计的轴进行相关强度计算。其目的是防止轴在工作过程中发生断裂或者产生塑性变形，保证轴在使用过程中的可靠性。在结构设计时，可能会出现一些比较长的轴，或者一些刚度需求比较大的轴，这时候便需要对轴进行刚度计算。如果刚度要求不达标，在工作过程中，很有可能发生弹性变形；除此之外，在一些必要情况下，还应该附加对轴的稳定性计算。在此传动过程中，轴所接触的主要零件是联轴器、主动锥齿轮、定位套筒以及滚动轴承。在轴与齿轮相互配合的轴段上，需要设置一段轴肩，用于齿轮轴向定位。根据此前的设计计算和相关设计条件，可知电机的输入功率为0.5kw，并通过联轴器与轴的联接传递动力，相关数据计算如下：（1）功率、转速、转矩电机输出功率P电：P电=0.5kw；轴的转速n：n=n电=600r/min；锥齿轮轴上转矩T1：T1=T电=7.96N·m；由此得出：功率0.5kw、转速600r/min、转矩7.96N·m（2）锥齿轮受力情况分析结合此前齿轮设计中的计算结构分析，齿轮在各个方向上受到的力，可以通过查阅书上的公式，计算过程结果如下：圆周力F径向力F轴向力F由此得出：圆周力为318.4N、径向力为115.9N、轴向力为338.8N（3）估计轴的最小直径结合工况需求，选取轴的材料，一般选择采用调制处理的45钢，根据书上的相关数据查表12-3，选取计算常量A0为110。结合书上公式12-2计算过程如下：d由此得出：轴的最小直径为10.45mm这里计算出的直径大小只是设计计算的最小值，并不是轴的实际尺寸结构，实际的尺寸还需要在此基础上适当增加。根据使用要求部分轴段上需要设置键槽，所以直径同比计算值还需要增加百分之五，另外考虑到轴和其他部件的配合，使得轴的受力存在微小的变化，计算得到的直径值还不能用于实际工作中。（4）轴的结构设计根据轴的工作情况和安装位置，对锥齿轮传动轴的结构参数进行分析设计。首先，轴的两侧分别有一段长度为68mm、直径为13mm的轴段，两端轴段的基础尺寸相同，但两轴段的零部件在配合上存在一定的区别。左端轴段，首先要与联轴器进行固定配合，达到传递动力的目的，其次是和滚动轴承的配合，滚动轴承能够视为短套筒，对锥齿轮进行轴向限位；而右端轴段，没有与联轴器的联接，故需要两个轴承作为滚动支承，其中一个轴承和联轴器位置相同，另一个则在靠近齿轮处作为轴向限位。其次，是左右两端分别一段长度为12mm、直径为15mm的轴段，并且开有键槽，这两个轴段是与锥齿轮相配合的轴段，键槽的设置带动锥齿轮与轴保持同步转动，并且具有径向定位的作用。然后，是左右两端分别设计一段直径为25mm、长度为5mm的轴段，作为轴两端的轴肩，设置轴肩的主要目的是实现齿轮在工作过程中的轴线定位，防止发生相对滑动，所以它的直径值与其他轴段相比较大。最后，是长度为520mm、直径为20mm的轴段，这是一段空轴段，不需要作任何的配合，主要是将左右两端的轴段连接起来，在工作时，进行扭矩的传递作用。支撑轴的结构设计如图4.4所示。图4.4轴的结构设计（5）强度计算由于在结构设计过程中，轴基本上不存在承受重载的情况，其主要作用是传递转矩，所以需要进行强度的校核计算。查阅书上表12-3中材料的许用扭转切应力[τT]以及计算常量。由此可以得出：[τT]的范围在25~45MPa、A0为110结合书上公式计算如下：τ=由此得出：符合强度要求。3.6梯形丝杠的设计计算关于梯形丝杠的选择，在强度要求方面，它需要参照两个基准：动态容许扭矩以及动态容许推力，这两个参数分别表示在轴承齿面上，接触面压数值为9.8N/mm2情况下的扭矩和推力。在计算丝杠所承受的负荷时，需要部分固定工作条件下承载物品的重量以及需要的运动速度；在部分相关系数的获取上，可能会因为工作条件的变化，而存在不确定的系数。为减小工作误差和不确定性，对梯形丝杠螺纹处的材料提出了如下要求：涉及到摩擦滑动，并且还要进行往复运动和旋转运动，所以要考虑材料在工作时，是否有良好的耐磨性和较小的磨损；梯形丝杠属于杆状零件，故要求丝杠具有较好的塑性、韧性；作为中间传动部件，不免会受到外界的外力作用以及机器本身的外力负载，所以要具有足够的抗压强度、抵抗外力的能力和一定的抗疲劳能力；具有一定的导热性和耐腐蚀性，可以增加使用寿命。设计过程中，假设整个测量平面质量控制在5kg以内，其中丝杠的精度需求不需要太高，8级精度即可，采用单条螺纹线，螺纹导程为4mm、螺纹牙型角30度、公称直径15mm，压顶间隙ac=0.25，输入转矩11.4624N·m，材质考虑用无锡青铜。相关计算过程如下[26]：（1）轴向载荷根据重力相关公式计算得：G=mg=5kg×9.8N/kg=49N由此得出：轴向载荷F=G=49N（2）中径根据公式计算如下，外螺纹：d2=d-0.5p=15-0.54=13mm、内螺纹：D2=d+2ac=15+20.25=15.5mm由此得出：外螺纹中径d2=13mm、内螺纹中径D2=15.5mm（3）牙高根据公式计算如下，外螺纹：h3=0.5p+ac=0.54+0.25=2.25mm、内螺纹：H3=h3=2.25mm由此得出：外螺纹牙高2.25mm、内螺纹牙高2.25mm（4）小径根据公式计算如下，外螺纹：d1=d-2h3=15-22.25=10mm、内螺纹：D1=d-p=15-2=13mm由此得出：外螺纹小径10mm、内螺纹小径13mm（5）牙底宽根据公式计算如下：t=0.634p=0.6344=2.536由此得出：牙底宽为2.536mm（6）螺纹旋合长度H根据公式计算如下：H=φd2=2.313=29.9由此得出：螺纹旋合长度29.9（7）螺纹旋合圈数根据公式计算如下：z=H/p=29.9/4=8由此得出：旋合圈数至少8圈（8）剪切强度条件根据书上相关公式计算如下：F（9）弯曲强度条件3Fh（10）螺杆强度计算根据对应强度计算公式计算如下：4F=计算结构＜许用应力[σ]。（11）螺纹自锁根据条件选取对应的当量摩擦系数u=0.1根据螺纹自锁条件公式计算如下：ψ=梯形螺纹中的牙形斜角取β=15°，根据公式求当量摩擦角计算如下：ρ=对于螺旋类传动，要保证自锁功能的可靠性，应取ψ<ρ，在此前的计算结果显示中，正好满足这一条件，所以，此设计梯形螺纹能够实现自锁。第4章重要部件结构设计4.1滚珠丝杠进给系统结构设计作为一套数字化的自动控制设备，要完成高精度、高效率的机械传动过程，不可或缺的是精密的传动机构。本装置不仅能够实现零部件的测量，还能够完成激光切割的加工任务，所以它在进给方向上的运动相当的灵活、准确。关于传动方案的选择，曾考虑过直线导轨、气浮导轨、丝杠等传动件，在综合考虑各种情况和条件后，选择了采用滚珠丝杠。滚珠丝杠在移动过程中，内部属于密封状态，而且丝杠的清洁保养也相对便捷，如图3.2所示。图3.2滚珠丝杠传动系统结构1.丝杠2.丝杠螺母套3.移动桥架4.固定导轨5.支承轴承座6.步进电机结构图中，1是公称直径30mm，导程为8mm，总长约为800mm的滚珠丝杠。2是丝杠螺母套，它在使用过程中除了将旋转运动转变成X轴方向的线性运动之外，还起到主要的支撑作用，它的底平面开有槽口。3是移动桥架，桥架的横梁中也有一组滚珠丝杠传动结构，这组丝杠主要负责Y轴方向的线性运动，移动桥架所有的重量将会落在2上，通过筋板、螺钉的配合固定在一起。4是固定导轨，主要是起支撑作用，它的槽型与3的底平面槽口紧密配合，使得整个桥架的受力点都放在了导轨的水平面上；此外，槽口间的紧密配合，使得滚珠丝杠移动过程中，不会产生其它方向上的偏移，一定程度上减小了装置在移动过程中造成的误差，提升了传动的平稳性，保证了工件加工的准确度。5是支承轴承座，内部配合有与丝杠同轴心的滚动轴承，保证丝杠转动过程中的平稳性，同时，两端设有轴承座，主要对传动系统产生限位作用，提供了受力点。6是步进电机结构，其结构设置可以直接与丝杠相联接，传递运动所需动力，控制系统的进给运动。4.2二合一工作台结构设计如图3.3所示，该工作平面采用的是二合一的两面式结构设计，整个工作平面的最大尺寸是410mm470mm，两个工作面的尺寸相同。图中，1是进行激光切割工作时使用的平面，从侧面可以看出它表面并不平整，其表面是由每个尺寸为15mm15mm的四棱锥组成，每个四棱锥依次相邻，由若干个四棱锥铺成整个平面，设计目的是防止激光穿透被加工零件，对工作平面造成损坏。即便平面看上去凹凸不平，可是被加工零件依然可以平整的摆放在平台上，在完成加工过后凹槽还能方便工作人员拿取零件。2是翻转轴心，在二合一工作台装换装置中，会将一根金属轴穿过翻转轴心，该金属轴能够承受一定平台重量，还能帮助二合一工作平台完成两平面的180度转换。3是对工件进行尺寸检测时使用的测量平面，为满足测量精度和准确性，该平面相当平整且不容易发生变形。4是定位销孔，在工作台的四个角上对称设置，与定位销配合使用，实现工作台的定位。图3.3二合一工作台1.激光切割平面2.翻转轴心3.测量平面4.定位销孔4.3联轴器的选用设计联轴器是动力传递过程中的重要部件，它通常是用于联接两根轴或者回转件的机械装置，其作用是实现不同部件整体的回转运动，完成动力传输。虽然常见的联轴器种类极多，但是主要可分为刚性联轴器、绕性联轴器两种；选择种类时，主要考虑对于工作轴间相对位移补偿能力的区别[27]。根据相关设计需要，决定使用绕性联轴器，它通常具有一定的相对位移补偿能力，并且在工作过程中，还能提供一定的缓冲、减振能力。本结构设计中选用的绕性联轴器是LM型梅花型联轴器，如图5.1所示。图5.1LM型梅花型联轴器4.4定位插销组合设计进行结构设计时，考虑到多用途的设计要求，所以结构设计方案是对三坐标测量仪结构与激光切割机结构进行相互融合。在研究过程中，发现这两种设备在工作过程中存在一些不同的地方，比如，它们的工作平台具有天差地别；三坐标测量仪的工作平面是光滑平整的，而激光切割机的平面，则不是平整的，反而多数是镂空或者凹凸不同的。根据这个发现，对两个工作平面进行了二合一的结构设计，使得在进行加工功能切换的时候，平面的转换更加方便、快捷。当二合一工作平台进行工作平面转换时，将会涉及到关于平面转换完成后的定位问题。设备在进行工件加工或者测量的过程中，要求摆放工件的工作平面保持相对设备的水平，只能通过定位结构，保证加工平面的位置稳定，只有实现平台的准确定位才能保证工件的精度。平台的定位结构需要实现对工作台上四个角的定位，由于它们四个属于对称结构，需要同时固定四个角的位置才能更好的完成平台的定位，达到定位要求。在设计定位装置时，利用定位插销与插销槽组合定位，一种类似机械门锁的结构。如图5.2所示，此时，定位装置处于非定位状态，插销并没有插入定位孔内，工作面就没有得到固定。当定位装置处于这种状态下时，开动电机带动工作台转换装置，就可以进行工作台的转换。图5.2非定位状态如图5.3所示，此时，定位装置处于定位状态，可以看到插销已经插入定位孔内部，工作台四个角均已固定，无法发生相对转动，工作台定位完成。在工作台完成上升运动、翻转运动后，便可以使定位装置处于这种状态，实现工作台的定位。此外，该装置的定位和非定位状态，插销位置不同，所以在两种状态的不同位置开设了一个卡槽，防止插销发生不必要的轴向移动，确保该结构的可实现性、稳定性和可靠性。图5.3定位状态

第5章总体方案数字化建模5.1电动机建模根据整体结构分析，以及设计计算结果，选择了型号为Y07-59D1-17155的电动机作为动力源。其建模情况如图5.1所示。图5.1电机5.2移动桥式整体框架建模由第二章的总体结构分析、传动件选择等，确定了移动桥式总体结构与滚珠丝杠传动件，根据产品其他设计要求与零部件的具体参数建立了如图5.2主体模型。该模型主要包括了X、Y、Z方向的滚珠丝杠以及移动导轨、底座、传动电机、测量头头套、导轨滑块、丝杠轴承、轴承座等，通过合理的配合确定了最终模型。图5.2移动桥式三坐标装置5.3二合一工作台建模根据测量机和雕刻机的工作平面的不同与自身特点，选择了不同材质、不同形状的两种平面进行结合，将两个工作面合体为一个二合一工作台。测量工作平面选用花岗岩材料整个平面相当平整，该平面整体建模效果如图5.3所示；雕刻工作平面选用45号钢，由若干个四棱锥组成，该平面整体建模效果如图5.4所示。二合一工作面模型测量平面侧面如图5.5，雕刻平面侧面如图5.6。图5.3测量工作平面图5.4雕刻工作平面图5.5测量平面侧面图5.6雕刻平面侧面5.4二合一工作台转换结构建模为方便二合一工作台的转换，设计了二合一工作台转换装置，根据第3章相关计算结果，确定了模型的主要传动尺寸；由工作平面的相关重要参数，建立了该装置的总体框架结构，确保在转换过程中的稳定性。该结构主要由锥齿轮、支撑轴、电机、联轴器、梯形丝杠、支撑架、支撑架底座等组成，通过有序的配合、严谨的设计计算最终装配出了该结构模型如图5.7所示。图5.7二合一工作面转换结构5.5工作头及工作头支撑架建模根据测量机和雕刻机的常用工作头的特征，分别创建了两种工作头的模型，测量头如图5.8所示，雕刻头如图5.9所示。图5.8测量头图5.9雕刻头为方便更换工作头，设计了工作头支撑架，只需将上一个工作头取下，随后安装上另一个工作头，即可进行其他加工流程。工作头支撑架模型如图5.9所示图5.10工作头支撑架5.6整体装配综合考虑各个结构的配合情况，以及各部分传动系统的设计计算、重要的零部件参数、整体结构布置、加工工件尺寸等多方面情况，确定了最终的整体结构方案。在多次整装尝试后，得到了整体结构模型如图5.10所示。图5.11多用途三坐标测量图5.12多用途三坐标测量仪侧视图图5.13多用途三坐标测量仪俯视图

第6章总结与展望6.1总结本文对三坐标装置进行了创新性的结构设计，将测量与雕刻两种用途相结合，提高了三坐标装置的实用性。在进行结构设计时，研究了测量和雕刻两者不同的工作情况和工作环境，比如，工作平台的区别、工作原理的差异性等。针对两种用途的不同，在固定桥式三坐标测量仪的结构基础上进行了以下几个方面的研究工作：分析各类三坐标框架结构的特点，确定了移动桥式结构方案，通过Solidworks、AutoCAD等制图软件进行三维建模和二维制图，多方位展示本装置的结构特点；分析X、Y、Z轴的传动特点，在多种传动丝杠类型中，明确各类型的传动优势，根据丝杠类型的优势，确定了各个轴的传动丝杠类型。并完成了传动丝杠主要参数的设计计算，保证传动件的准确性，还进行了强度计算，检验传动件的可靠性；研究分析了测量台与雕刻台，其中测量台要求平整、稳定，以此满足测量的精准度；雕刻台则要求有足够空间暂存废料。根据两种平台的差异性，设计了二合一综合工作台，将测量台与雕刻台合为一体，满足不同工作情况下的需求；为方便二合一综合工作台的转换，设计了二合一工作台转换装置，该装置利用了锥齿轮、丝杠、传动轴等零部件完成工作台的翻转。节省了工作人员切换工作台时的人力，达到了机械的自动化要求。6.2未来展望在科技的不断发展下，生产实践、生活需求、教学实训等都在发生着前所未有的变化，在这样的时代背景下，要求产品设计倾向于自动化、便捷化、综合化、智能化。手机就是一个最好的例子，它融合了许多不同领域的功能，比如：计算器、通讯、支付、地图、指南针、购物、上网、学习、网页浏览、文件处理等。正是由于手机融合了如此广泛的功能与用途，才让它成为我们生活中不可或缺的产品。