【《三坐标测量机机械系统总体结构设计案例分析》5400字】

三坐标测量机机械系统总体结构设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u10347三坐标测量机机械系统总体结构设计案例分析 [3]采用了完整的转动副机械结构,利用了齐次坐标轴的运动转角和运动频率等信息进行了计算和测量,再经过齐次坐标变换之后便可以直接得到该检测头的中心轴所在参考坐标系的空间和地理方位信息,从而可以达到三维点位和地理坐标来进行测量。仪器的在其中X、Y、Z三个测量方向上的测量运动都可以是通过一个复合物运动来进行完成的,测量探头部分的运动也都可以是通过不同运动坐标之间的返回转动和运动过程来进行实现和处理完成的。想要详细获取各种测量仪器头部底座相对于测量仪器头部底座的有效空间移动方位,需要详细了解各种运动回转杆的移动杆和运动连接元件之间的有效空间移动，夹角和各段运动连接杆的有效移动距离。各段杆的有效运动长度都同样可以事先精确计算出来得到,所以最需要的数据处理量在电路中，我们只不过需要实时地精确记录每一个杆的角度以及传感器的回转角的相关信息,经过角度坐标系的变换处理即可。同时精确计算出并得到对于检测仪器头部分角和相对于检测仪器顶部底座的三维角度坐标,这样就不仅能够同时使得到的数据处理简单,并且随着进行后续的数据处理使该电路也大为实现精细化。1.2轴结构设计（1）基础(台面)、导轨这一部分是整个坐标测量系统的基础,也是测量系统纵向移动轴线的支承和导向用花岗岩加工方便,稳定性好(包括热稳定性和抗变形能力)。而在一些台面较大,或精度较低25℃分。在高精度的测量系统中,这部分多使用优质花岗岩(弹性模量接近铸铁),因为花。花岗岩20oC的坐标测量系统中,这部分也有使用铸铁的。(2)桥架、横梁、导轨桥架是测量机的移动主体(Y轴),横梁一方面是桥架的中间联接部分,同时也是测量机横向移动轴(X轴)的导轨。由于其跨度大,因此其刚性、重量、精度、热稳定性等都会直接影响到测量机的精度。在测量机中机器的重量和移动速度始终是相应矛盾的一般二者只能满足其一。在高精度的测量系统中,这部分一般也是用优质花岗岩,在这种情况下,机器的刚性与本身的精度能得保证,但带来的问题是就是重量,并直接影响了测量机的测量运行速度,同时对地基及后续的服务也提出了相应的要求。铝合金20oC为了减轻桥架重量,在一些精度稍低或车间型的测量系统中,特别是一些要求高速测量的测量系统中,会采用高强度铝合金材料,铝合金一方面比重轻,另一方面由于导热性非常好,因此整体对热变形带来的响应均匀,配以计算机补偿技术同样能减少热变形带来的影响。20℃此外,使用铝合金等材料,由于其具有结构成型的方便性还可以通过对其内部中孔结构的设计来进一步协调重量和刚性的关系。1.2.1X轴结构设计在三维坐标侧量机几何坐标测量中，所使用的的坐标系与被测要素要达成一致共面的特点。X轴在电机的驱动控制下通过横向移动对Y、Z轴进行有效组合形成一个三维空间坐标系，在这个坐标系中所以我们在设计结构轴的时候要对X、Y、Z轴建立基准面，同时确定进给范围如图3-2所示，由于本课题在X轴上测量范围为800mm，所以我们在设计X轴的结构时总体尺寸必须是大于800mm的。3-2X轴外壳结构原解剖图图3-3X轴外壳结构图1.2.2Y轴结构设计测量坐标系是指进行测量运动、再三坐标测量机中Y轴是通过前后移动控制进给方向，测量机通过计算机探针的对位置探测与接触、通过检测点在测量系统中对建立的空间坐标系进行信息的处理与表述。所有的测量工作都必须是在特定的测量坐标系下进行开展,如果不考虑到这些测量工作的简单性,那么这些测量工作就可以在任何一个被测量的坐标系下同时进行。此时,测量软件所显示的信息为当前所使用的空间坐标系下由控制端所得出的数据。在日常生活测量过程中,我们在测量时为了能够更容易的操作,往往我们会选择使用一种可以让在建立尺寸公差时我们会将测量的坐标系保持一致。或者密切相关的测量方法,即此时所有测量坐标系的设计和建立也都是会通过参考所有测量工件坐标系二的公差来进行标注,可以作为当前的坐标系下所能够进行相应的检查。如图3-4所示Y轴与工作台面是在一个平面。Y轴上通过气浮快来控制移动进给范围大于400mm。图3-4Y轴工作台面解剖图图3-5Y轴工作台面结构零件图1.2.1Z轴结构设计当坐标测量机具有计算机数控(CNC)功能时,Z周通过丝杠电机控制上下移动。它还能通过测量程序的控制进行自动量。测量程序同样是在某个测量坐标系下运行的。由于自动测量工作往往需要多次运，特别是工件,甚至夹具会在多次安装后运行,因此要求运行自动测量程序的编程坐标应该能非常方便地建立。在此坐标系会编写一个简单的程序,通过自动测量编程,实现Z轴方向自由进给进行测头探测。在不同的坐标系中我们只要保证工作台面上的物体要固定不动,以及探针未重新配置和校准,则问系并不会改变。Z轴上通过丝杆电机使上下移动测量范围达到200mm。图3-6Z轴结构解剖图图3-7Z轴结构零件图1.3三坐标测量机的基本结构和自由度分析1.1.1坐标系统选择及自由度分析对于三坐标空间而言，最常用的是直角坐标系也称卡迪尔坐标系，是一种正交坐标系。三个空间坐标系的轴都可以是一个满足了右手定则所描述规定的一个三维空间,如图所示,它表现并给出了三维中的直角空间坐标系的基本定义及其规律，三个轴按常规定义为X、Y、和Z轴。图3-8笛卡尔坐标系三坐标运动测量计算机的三个独立运动测量元件的自由度系数能否意味着每一个三个独立运动测量单元在一个三维空间体系中的运动都可能相对于没有任何参考体系的坐标体而言，可能有三个独立运动的测量元件的数目。即指各种运动零件所需要包含的垂直线上进行运动、旋转、摆动等的数量。一般来说,出于控制的灵活性等因素考虑,大都选择4至6个点进行控制。由于这种移动桥式三坐标测量计算机的设计主要是参考其他结构形式进行对比的,因此当我们需要设计时才能够确定某一个测量计算机在其结构中能够拥有一定的自由度。若要正确地设想在一个向量空间点上同时进行这个线性测量,我们要建立相应的基准面，建立出三维空间。如图3-9所示图3-9三坐标测量机自由度示意图作者从其经济性和技术实用性两个方面的考虑角度出发,一般测量对象是把它们放置在自己所做的工作平台上进行检测时,既有可能被放置在上四个象限内,也有可能被放置在下四个象限内,其差异只是存在于z轴的高度,因而理论上任何一个被检测到的对象,只要是通过增加其Z轴高度,都是可以直接实现在四个象限内。因此,在本次的课题中,作者将通过考虑如何设计三个相同关节的原型机,来帮助我们实现这些坐标的精确测量。1.3三坐标测量机各部分传动设计1、三坐标测量机的探头在X选用导轨滑块以及气浮块来进行传动。保证期传动平稳和精确的进给。图3-10X方向传动方案图2、三坐标测量机Y方向移动方案三坐标测量机Y方向的运动原理和X方向移动相似，传递方案如图3-11所示。图3-11Y方向传动方案图3、三坐标测量机Z方向移动方案三坐标测量机在Z轴上传动方式通常选用滚珠丝杠进行传动控制，因为该传动方式具有很高的精准度且传动效率也很高。传动方案如图3-12所示。图3-12Z轴传动方案图1.4光栅及侧头的选用1.4.1光栅光栅可以作为三坐标长度测量机的光线长度测量依据。光栅由一块圆形光栅尺和一块读数头两个主要的组成部件所结合组成,光栅上面同时有着均匀地有序排列的光栅时钟线和刻线,读数头上面同时还有一块用于读数头的光栅以及一块光栅发光光电二极管和一块带有硅胶的光栅蓄电池。将两个读数两头和运动光栅分别同时安放在两个相对运动的两个载体上,利用两个运动光栅尺和两个读数两头之间的相对运动径向关系函数来进行计算即可得到两个运动载体之间相对运动的径向位移。图3-13陶瓷玻璃光栅尺的原理光栅的分类闭式光栅：为了有效保护光栅防尘,把闭式光栅及两个读数器的头部分组合并紧紧地一起封闭在一个圆形铝长箱内；优点：光栅可以同时进行一个光栅整体的保护安装,不必再因为需要对光栅读数器的头和闭式光栅尺身的两个相对移动位置分别做任何细微调整；缺点：由于光栅密封条和光栅轴承之间的较大摩擦应力会直接影响检测到闭式光栅的工作精度和光栅使用寿命,不太可能适合在高速铁路工作时的状态下进行使用,很少在光学测量仪和计算机上直接应用这种闭式光栅。开式光栅：光栅及读数头均暴露在空气中。优点：自动光栅尺和自动读数摄像头之间互换时不会与之发生任何接触,因而也因此无法与之产生任何摩擦。该光栅测量机目前在国内工业上主要就是采用此种新型光栅测量标尺。缺点：将自动光栅尺和自动读数摄像头分别直接放置在相对可以移动的各个相对物体上,需要通过使用安装工具来手动调整其相对的物体位置。图3-14不同材料光栅尺的误差比较对于一些特别是具有旋转和旋转两种结构的仪器而言,用来实时地记录各种角度信息的各种元器件主要类型有许多,其中主要的包括机械式计量分度仪、电磁式计量光谱单位为光栅、电子或者是科学地称之为磁栅、计量光谱单位或者是电子或者光学地称之为旋转编码器等,相比而言,计量光栅和旋转编码器在检测在质量上都要求得更高,获取大量数据抵御干扰的能力就会变得更好,可靠性也会变得更高,因而往往在运动时被广泛地应用在一些高精度运动的转速手臂上。对于这种相当于较高精度的旋转光栅和自动旋转计量编码器,计量运动过程中旋转光栅的整体物理测量大小和结构尺寸都会变得更小,机构更加紧凑,更好地适宜于小型精密的化学检测计量仪器。常见的微型圆形雕刻光栅主要类型包括两类:圆周圆形雕刻线和一个端面圆形雕塑雕刻线。圆周径向刻线的各种圆周长直径刻线光栅主要尺寸是从较短的长度圆直径刻线光栅尺寸发展而来,圆周体表面径向刻线的各种圆周长直径刻线光栅在工艺设计上主要有着更方便的材料选择和容易安装等的特点,在材料安装和施工调试上更加简单方便迅捷,同时相同于圆直径尺寸大小的各种光栅,圆周体表面上的径向刻线也同样可以尽量多的做到更多,因此同等尺寸精度的各种光栅其圆周径向刻线尺寸也略微较小,具有一定的设计技术性和优越性。因而,本次实验中的测量仪器从其结构紧凑性,安装及调试时的便捷性,精度等多个因素进行综合考虑,确定了选择圆周表面雕刻线条的半正形圆型计量光栅。而光栅的测定方式又被分成绝对测定式和数值增加式两种。绝对式的光栅己经自身地在仪表上标记了一个时间的刻度,可以从任何一个角度就能够正确地进行计算,但是价格比较昂贵。所以目前一般采用增量型光栅。增量型光栅经由扫描仪检测机对其中一个光栅上的探头。1.4.2侧头的选择测头是在一种仪器架构中作为一个用来直接感知被测物体的对象,并且负责直接对被测物体的位置进行采样,常见的三坐标测量机的测头系统大致可以划分为接触式测头和非接触式测头。目前世界上绝大多数的坐标测量计测头都是采用了接触式测头,接触式测头又按测头形式可以细分为机械式硬测头、触发式和仿真量式。机械式硬度检测头并不是一个没有任何温度传感器和任何控制处理系统,无任何测量程序、不输入信号也没有发讯,只是一个单独的纯手动或者机械式非接触硬度检测头,主要用于接触感知被测物。由于采用了人工直接操作,故该检测头在各方面的测量能力不容易控制,仅适合作一般高精度的检测,目前该检测头在国内已经极少有机会被使用。图3-15触发式测头接触式检测头与一个类似于发讯开关的检测头不但能够接触到被检测物,还能够在检测到被检测物时进行发讯。例如当一个传感器在检测端上进行一个点时,该检测头在与被检测件的接触后就以模拟位移,传感器将其向检测端输出一个以模拟位移方式测量的信号,即检测端具有一个以模拟位移方式接触偏转一发讯返回的过程,因此这类检测头通常更加适合于模拟位移。该两种类型的主要优势之处在于：其结构比较简单,成本相对于模拟测头低,精度也相对较高,可以适合用于高速测量,它们在目前三坐标测量机中是应用最为广泛的两种测头。模拟运动测头除了已经完全具备了自动触发模拟测头的测量信号和对运动通讯控制的功能外,还已经在测量中