激光測量機縱軸傳動機構設計,激光測量機縱軸傳動機構設計,激光,測量,丈量,縱軸,傳動,機構,設計 中文摘要 隨著工業(yè)現(xiàn)代化進程的發(fā)展，伴隨著眾多制造業(yè)如汽車業(yè)等大規(guī)模生產的需要，在加工設備提高功效、自動化更強的基礎上，要求計量檢測手段應當高速、柔性化、通用化，而固定的、專用的或手動的工量具大大限制了大批量制造和復雜零件加工業(yè)的發(fā)展；平板加高度尺加卡尺的檢驗模式已完全不適用現(xiàn)代化柔性制造和更多復雜形狀工件的測量需要，所有這些促進和推動了近代坐標測量技術的發(fā)展。三坐標測量機作為一種測量儀器，越來越廣泛的應用于制造，電子，汽車和航天等工業(yè)中，而且成為不可缺少的組成部分，對各種空間自由曲面等復雜形面的檢測尤為適用。三坐標測量技術自從20實際60年代發(fā)展以來，已經逐漸成熟，現(xiàn)主要向高效率，高精度非接觸式方向發(fā)展。本文主要以三坐標測量機為研究對象，概述了測量機的基本原理及基本組成，描述坐標測量機的結構、特點及發(fā)展方向，重點討論了激光測距式非接觸三坐標測量機縱軸傳動機構的選用及實現(xiàn)。 關鍵詞：測量，三坐標測量機，傳動機構 Abatract Wish the denelopment of industrial modernization process, along with many manufacturing industries such as automotive industry’s needs for large-scale production, on the basis of increasing efficiency in the processing equipment, and stronger automation, their measurement requirements should be high speed, flexible and universal but fixed appropriative and hand used tools greatly limited the high-volume and complex parts manufacturing industries’ development; the test model of plate, height ruler and calipers does not fully apply modern flexible manufacturing and more complex forms part of the measurement needs, all of which promote and facilitate the modern coordinate measurement technology. CMM as measuring instrument, is more and more more widely used in manufacturing, electronics, automotive, aerospace and other industries, and is becoming an indispensable part. And it is particularly applicable in the complex-free surface space text. The CMM technology developed since the 1960s, have gradually matured, it is mainly to the high efficiency, high-precision non-contact direction. This article mainly talked about the coordinate measuring machine, summarized the basic principles of measuring machines and basic components, described the CMM structure, characteristics and development, focused on how to chose and realize the transmission mechanism of the non-contact Laser-Ranging-CMM. Key words: Measurement, CMM, The transmission mechanism 目 錄 中文摘要 Abatract 第一章 緒論·················································1 1.1 三坐標測量機的簡述················································1 1.2 坐標測量機的基本組成··············································1 1.3 三坐標測量機的結構················································1 1.4 激光測量機系統(tǒng)結構及測量過程······································3 1.5 國內外概況························································3 1.5.1 國外概況······················································3 1.5.2 國內概況······················································4 1.6 設計概述··························································5 第二章 設計說明··············································6 2.1 立柱設計·························································6 2.1.1 立柱的作用及特點··············································6 2.1.2 材料選用······················································7 2.2 傳動機構設計······················································8 2.2.1 機構選用······················································8 2.2.2 滾珠絲杠副的安裝·············································10 2.2.3 滾珠絲杠副的防護和潤滑·······································11 2.3 軸承選用·························································12 2.4 導軌副的選用·····················································13 2.4.1 直線導軌副結構形式···········································13 2.4.2 材料、熱處理及防護············································14 2.5 裝配·····························································15 2.6 主要參數(shù)的設定···················································15 第三章 設計計算·············································17 3.1 Y軸滾珠絲杠副的選擇計算·········································17 第四章 三坐標測量機的未來展望·······························24 總結 致謝 參考文獻 附錄 VI 朱明智 激光測量機縱軸傳動機構設計 第一章 緒 論 1.1 三坐標測量機的簡述 三坐標測量機CMM（3D Coodinate Measuring Machine）簡稱測量機。它是以精密機械為基礎，綜合應用光學、電子技術、計算機技術等先進技術的測量儀器。 任何形狀都是由空間點組成，所有的幾何量測量都可以歸結為空間點的測量，因此精確進行空間點坐標的采集，是評定任何幾何形狀的基礎。坐標測量機的基本原理就是將被測零件放入它允許的測量空間，精確的測出被測零件表面的點在空間三個坐標位置的數(shù)值，將這些點的坐標數(shù)值經過計算機數(shù)據(jù)處理，擬和形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經過數(shù)學計算的方法得出其形狀、位置公差及其他幾何量數(shù)據(jù)。 近幾十年來，由于現(xiàn)代工藝技術的進步（計算機、集成電路、新材料、氣浮技術、傳感技術等），促進了三坐標測量機（CMM）的發(fā)展。它不僅能測量箱體、汽缸蓋、渦輪、葉片、齒輪、凸輪、模具、各種機身型體及不規(guī)則空間型面的零件，而且還可以配合數(shù)控機、加工中心和柔性制造系統(tǒng)（FMS）納入制造工程，并和CAT、CAD、CAM組成聯(lián)機集成系統(tǒng)，以實現(xiàn)設計、制造和檢測一體化。 1.2坐標測量機的基本組成 測量機一般由主機、電子系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及探測系統(tǒng)所組成。主機包括了其上附屬的裝置如光柵、電機等；電氣系統(tǒng)包括電控柜及計算機；測量軟件形式很多，如通用軟件、統(tǒng)計分析軟件等，由于誤差補償技術的發(fā)展及算法和控制軟件的改進，測量機精度在很大精度上依賴于軟件；探測系統(tǒng)是有測頭及其附件組成的系統(tǒng)，測頭是坐標測量機的關鍵部件，測頭精度的高低很大程度決定了測量機的測量重復性及精度。 1.3三坐標測量機的結構 三坐標測量機有不同的操作需求、測量范圍和測量精度，這些對選用三坐標測量機是很重要的。各種類型的三坐標測量機結構外形敘述如下： 圖1.1 三坐標測量機結構 （1）懸臂式：前面開闊，耗材少，但受剛性影響大。立柱橫梁受力變形影響精度。適用于中小型機。 （2）活動水平臂式：測量空間大，立柱運動方向可以充分加長，但由于水平軸受變形的影響較大，長度受到一定限制。 （3）固定水平臂式：可以比較方便地修正因立柱和水平臂運動引進的阿貝誤差，工作臺承載能力不能太大。適用于小型機。 （4）單柱式：立柱運動與水平運動分開，可以達到較高的精度。由于具有二維水平運動的工作臺加工復雜，難于推廣。適合小型機或稍大一些的機型。 （5）移動龍門式：工作臺承載能力大，不影響運動部件的精度，但由于橫梁上的運動部件影響移動龍門的重心，加之絕大部分生產廠龍門架為開口狀且為單邊驅動，影響運動剛性，扭轉也大，最終影響測量機的穩(wěn)定性和測量精度。 （6）固定龍門式：整機剛性好，負載變化時機械變型小，可以在中央驅動工作臺，可以通過適當加大固定龍門的體積來提高龍門上運動部件的運動精度，半閉式氣浮導軌剛性好。缺點是承載不能太大，不利于發(fā)展高速測量機。適用于中小型機型。 （7）L型橋式：與移動龍門所存在的問題相似，現(xiàn)很少被采用。 （8）高架橋式：由于運動部件被架在兩個固定龍門之間，當運動部件采用高強度輕型材料時，運動性能可以優(yōu)于移動龍門式，更利于發(fā)展高速測量機，整機結構簡單。適用于中型和大型機。 1.4激光測量機系統(tǒng)結構及測量過程 激光非接觸式三坐標測量系統(tǒng)主要由：三維掃描機構、激光非接觸測量頭及對準裝置、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等四部分組成。它實質上是由一個水平X軸、一個垂直Y軸、一個回轉工作臺加上CCD激光測量頭等構成的特別適合回轉體高速非接觸測量的三坐標機。 系統(tǒng)工作過程為：主控程序先完成系統(tǒng)的初始化,然后把被測量部件放在轉臺上,在測量過程中轉臺一直勻速旋轉。測量從最底圈開始,一圈一圈測量。當測量一圈時,主控程序啟動控制模塊控制橫梁和滑動臂沿水平及垂直方向運動,使得測量點在測量頭的測量范圍內,然后轉頭旋轉,使得測量頭對準被測部件。轉頭運動完畢后,運動控制模塊通知主控程序運動結束,然后由主控程序啟動數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊在高精度定時線程的控制下進行數(shù)據(jù)采集。當測量完一圈后,數(shù)據(jù)采集模塊暫停,同時通知主控程序完成一圈數(shù)據(jù)采集。這時候主控制程序再啟動運動控制模塊 來調整測量頭的位置,準備測量下一圈。這樣一直測量到最后一圈,然后系統(tǒng)復位。數(shù)據(jù)利用串行化技術存儲,以供數(shù)據(jù)處理程序處理。 1.5 國內外概況 三坐標測量機屬于高精度測量儀器，在行業(yè)內已經有大約50年的發(fā)展歷史。三坐標測量機主要應用于機械制造、汽車、航空、模具制造等工業(yè)生產行業(yè)中，在工業(yè)生產過程中發(fā)揮著非常重要的作用。隨著高新技術和計算機應用技術的發(fā)展，三坐標測量機技術也得到了長足的發(fā)展空間。 1.5.1國外概況 國外三坐標測量機生產廠家較多，系列品種很多，大多數(shù)都有劃線功能。注明的國外生產廠家有德國Zeiss和Leitz、意大利的DEA、美國的布朗－夏普、日本的三豐等公司。 總的來說，國外機器油一下特點：（1）絕大多數(shù)機器總體布局為懸臂式，空間敞開性好，便于安裝大的零件或整車；（2）采用“AutoCAD”和有限元法進行優(yōu)化設計，結構較合理，造型優(yōu)美；（3）專項開發(fā)力量強，專用軟件和附件較多，能滿足更多用戶的特殊需要；（4）移動構件多數(shù)用合金鋁材，移動件質量盡可能小，做到高剛性、低慣性；（5）配有21項誤差補償軟件，可以廉價地提高機器精度；（6）配有32位DSP連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)，它是一種性能優(yōu)于CPU的數(shù)據(jù)信號處理器，是超大規(guī)模集成電路。它除了有較高的運算和控制功能外，還有內部存儲的許多可供開發(fā)的高級語言程序；（7）絕大多數(shù)機器采用Renishow公司（英國）的電測頭，功能齊全，質量可靠；（8）配有功能齊全的控制測量軟件、專用和誤差修正軟件；（9）機器的性能高度穩(wěn)定可靠，使用壽命長；（10）三坐標測量機與計算機工作站和數(shù)控機床聯(lián)網；（11）三坐標測量機技術近十多年來突飛猛進發(fā)展，特別是數(shù)控系統(tǒng)和測量軟件每二三年便更新一代，系列品種齊全，三化（標準化、通用化、系列化）程度高。 1.5.2 國內概況 在我國，第一臺三坐標測量機誕生于1968年，這還不是自主研發(fā)的，在這之后我國開始自主研發(fā)三坐標測量機，現(xiàn)階段國內三坐標市場的競爭已經十分激烈。 　　三坐標測量機行業(yè)現(xiàn)狀成了眾多業(yè)內人士關注的問題，正確的認識該方面的信息，不僅對供貨商有著不可忽略的積極作用，更對買家有著積極意義，為了讓更多人更合理的認識該方面的知識。 　　根據(jù)國家統(tǒng)計局最新統(tǒng)計，2013年儀器儀表制造業(yè)增加值增長速度為13%左右。三坐標測量市場需求也以年均20%左右的速度增長。另有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明歐洲發(fā)達國家各國數(shù)控機床與三坐標測量機的比例為9:1,美國為6:1.我國目前擁有各類數(shù)控機床多達八十萬臺，如果按照20:1的比例計算，則三坐標測量機的累計需求應在四萬臺左右，且數(shù)控機床保有量每年在不斷增加。 　　我國國內市場需求潛力巨大，而且市場競爭也十分激烈，這就是三坐標測量機行業(yè)在中國的現(xiàn)狀，在這種大環(huán)境下，高質量的產品與服務成為了讓企業(yè)領導市場的關鍵，福萊德就是測量行業(yè)的典范。福萊德測量就是一直秉承著"放心產品，貼心服務"的宗旨，從產品開發(fā)到生產制造，再到售后其中的每一個環(huán)節(jié)，福萊德產品均采用國際一流的標準，多年來贏得了國內市場的一致好評，福萊德也因此連續(xù)多年成為在國內品牌三坐標測量機中生產銷量排名第一企業(yè)。 1.6 設計概述 鑒于三坐標測量機在工業(yè)中的特殊作用，對其研究是非常必要的。但是由于知識和時間的限制只能對三坐標測量機立柱傳動機構設計。至于底座傳動機構，控制系統(tǒng)，測量系統(tǒng)則不進行研究。我的設計流程大致如下： 1. 完成激光測量機的Y軸的裝配結構圖。 2. 完成部分零件圖。 3. 對絲杠進行校核計算。 4. 對所涉及的部分零件建立其三維模型。 第二章 設計說明 2.1立柱設計 2.1.1立柱的作用及特點 立柱的變形和振動，將直接影響設備的加工質量和正常運轉，因此，它必須滿足下列基本要求。 （1）保證剛度 剛度幾十抵抗載荷的能力。如果設備的支承件剛度不足，則在各部件及工件的重力、夾緊力、摩擦力、慣性力和工作載荷等的作用下，就會使其產生變形、振動或爬行，影響設備的定位精度、加工精度及其他性能。因此，機座與機架必須有足夠的剛度，主要是其本身的結構剛度和接觸剛度。動剛度和靜剛度、材料阻尼及固有頻率有關。動剛度是衡量抗振性的主要指標，一般情況下，動剛度越高，抗振性越好。 （2）減少熱變形 設備運轉時，電動機、強光源、烘箱等熱源散發(fā)出的熱量，零部件的相對運動摩擦生熱，都將傳到機座上。如果熱量分布不均勻，散發(fā)不相等，機座就將由于溫差而產生變形，影響其原有精度。為了減小熱變形，可采取下列措施： ①減少發(fā)熱：系統(tǒng)內部發(fā)熱時產生熱變形的主要熱源，應盡量將熱源從主機中分離出去。對不能與主機分離的熱源，如主軸軸承、絲杠螺母副等則應改善其潤滑條件和摩擦特性，以減少內部發(fā)熱。 ②散熱良好：在減少發(fā)熱的同時，應注意散熱，必要時對發(fā)熱部件和高溫部件采取冷卻措施。 ③恒溫控制：電子精密機構設備，如集成電路制版、測試等設備，應放在恒溫室內。 ④選擇熱變形對稱的結構形式：在相同的發(fā)熱條件下結構對熱變形有很大的影響。實踐證明采用熱對稱結構，在同等的受熱條件下，其熱變形可以通過坐標（位移）補償?shù)姆绞接枰韵? （3）提高抗振性 立柱的抗振性是指承受受迫振動的能力。受迫振動的振源可能存在于設備的內部，如驅動電機的轉子或傳動部件旋轉時的不平衡；往返運動件的換向沖擊等。振源也可能來設備的外部，如鄰近的機器、車輛、人員活動（走路、開門、關門、搬運東西等）以及恒溫室的通風機、冷凍機等。當機座受到振源的影響時，除了使整機作搖晃振動外，各主要部件及其相互間還會產生彎曲或扭轉振動，尤其是當振源頻率與某一構件的固有頻率重合時，將產生共振，而嚴重影響設備的正常工作和使用壽命。為了提高機座的抗振性，可采取下列措施： ①提高靜剛度 即從提高固有頻率著手，以避免產生共振。 ②增加阻尼 增加阻尼對提高動剛度有很大作用。液體動壓或液體、氣體靜壓導軌的阻尼比滾動導軌大。 ③減輕重量 在不降低機座靜剛度的前提下，減輕重量可提高固有頻率。如適當減薄壁厚、增加筋和隔板；采用鋼材焊接件代替鑄件等。 ④采用隔振措施 如在設備的周圍挖隔振；由空氣彈簧將設備浮起；加橡膠墊腳等。 （4）保證精度 如果立柱制造不準確，則裝在它上面的工件部件的相對位置和相對運動都不會準確，這樣就會影響設備的總精度，從而給被加工的工件帶來較大的誤差。因此，在設計時，對某些關鍵的表面和部位應提出一定的精度要求。 （5）良好的結構工藝性 進行支撐結構設計時，應同時考慮機械加工工藝性和裝配工藝性。 2.1.2材料選用 立柱材料應具有較高的強度、剛度、吸振性和耐磨性并具有良好的工藝性。鑄鐵、鋼板、合金鑄鐵、花崗巖石等是立柱機架的常用材料。 （1） 鑄鐵 鑄鐵熔點低、鑄造性好，易成型為各種復雜形狀。它吸振性和耐磨性好，成本低，是一種應用最廣泛的材料。鑄件須進行時效處理以消除內應力。鑄件的缺點是需做木模，制造周期長，單件制造成本高，鑄造易出廢品，如有時會產生縮孔、氣泡、砂眼等缺陷；鑄造加工余量大，機加工成本高。 （2） 低碳鋼 由低碳鋼焊接成的構件，其彈性模量比鑄鐵大，在承受同樣的載荷時，壁厚比鑄件薄，因而質量輕。此外焊接制造周期短，節(jié)省原材料。但鋼的抗振性能比鑄鐵差，在結構上須采取防振措施。鋼材焊成后，須進行實效、退火等處理，以消除焊接應力。 （3） 花崗巖 近年來，花崗巖、大理石、天然巖石等材料已廣泛應用于各種高精度機電一體化系統(tǒng)的機座，如三坐標測量機的工作臺、金剛石車床的床身以及平板、導軌、底座橫梁、立柱等?；◢弾r具有許多優(yōu)點：穩(wěn)定性好，無內應力，幾乎不變形，能長期保證穩(wěn)定的精度；通過研磨拋光，容易得到穩(wěn)定的精度和非常光滑的表面；對溫度不敏感，熱導率和膨脹系數(shù)均很??；吸振性好，內阻尼系數(shù)比鋼打15倍；耐磨性比鑄鐵高5~10倍；不導電、抗磁、抗氧化。主要缺點是加工困難，脆性大，抗沖擊能力差，油和水易滲入晶體中，易引起變形。 綜合考慮后立柱選用花崗巖材料，外形如圖2.1所示： 圖2.1 立柱 2.2傳動機構設計 2.2.1機構選用 激光測量機的運動形式為往復的直線運動。實現(xiàn)其往復直線運動的機構形式比較多，常用的有活塞油汽缸、齒輪齒條機構、絲杠螺母機構以及連桿機構等。 激光測量機是高精度測量設備，因此其傳動元件可采用滾珠絲杠副傳動機構。 滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動元件。它可將選擇運動轉變?yōu)橹本€運動，或將直線運動轉變?yōu)樾D運動。滾珠絲杠副與滑動絲杠副或其他直線運動副相比，有一下特點： （1）傳動效率高。一般滾珠絲杠副的傳動效率高達0.90~0.95為滑動絲杠副的3~4倍。傳動精度高、剛度好。絲杠螺母預緊后，可以完全消除間隙產生過盈。 （2）定位精度和重復定位精度高。由于滾珠絲杠副摩擦小、溫升少，因此可以達到較高的定位精度和重復定位精度。 （3）運動平穩(wěn)。滾動摩擦系數(shù)幾乎與運動速度無關，動靜摩擦力之差極小，啟動時無沖擊，低速時無爬行，保證運動的平穩(wěn)性。 （4）使用壽命長。滾珠絲杠副的摩擦表面硬度高（58~62HRC）、精度高，具有較長的工作壽命和精度特性。壽命為滑動絲杠副的4~10倍。 （5）可靠性高。潤滑密封裝置結構簡單，維修方便。 （6）不能自鎖、有可逆性。即能將旋轉運動轉化為直線運動，也能將直線運動轉化為旋轉運動，可以滿足一些特殊要求的傳動場合，但用于垂直傳動時，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動裝置。 滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間以滾珠為滾珠體的螺旋傳動元件。滾珠絲杠副有多種結構型式。按滾珠循環(huán)方式分為外循環(huán)和內循環(huán)兩大類。外循環(huán)回珠器用插管式的較多，內循環(huán)回珠器用腰形槽嵌塊式的較多。 按螺紋軌道的截面形狀分為單圓弧和雙圓弧兩種截形。由于雙圓弧截形軸向剛度大于單圓弧截形，因此目前普遍采用雙圓弧截形的絲杠。 按預加負載形式分，可分為單螺母無預緊、單螺母變位導程預緊、單螺母加大鋼球徑向預緊、雙螺母墊片預緊、雙螺母差齒預緊、雙螺母螺紋預緊。精密機床上常用雙螺母墊片式預緊，其預緊力一般為軸向載荷的1/3。 滾珠絲杠副與滑動絲杠螺母副比較有很多優(yōu)點：傳動效率高、靈敏度高、傳動平穩(wěn)；磨損小、壽命長；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等。 2.2.2滾珠絲杠副的安裝 激光測量機的進給系統(tǒng)要獲得較高的傳動剛度，除了加強滾珠絲杠螺母本身的剛度之外，滾珠絲杠正確的安裝及其支撐的結構剛度也是不可忽視的因素。螺母座及支撐座都應具有足夠的剛度和精度。通常都適當加大和結合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸強度。 滾珠絲杠副安裝方式通常有以下幾種： （1）“固定-支承”型 適用于中等轉速，高精度。如圖2.2所示，絲杠一端固定，另一端支承。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力；支承端軸承支承受徑向力，而且能作微量的軸向浮動，可以避免或減少絲杠因自重而出現(xiàn)的彎曲。同時絲杠熱變形可以自由地向一端伸長。 圖2.2 （2）“固定-固定”型 適用于高轉速，高精度。如圖2.3所示，絲杠兩端均固定。固定端軸承都可以同時承受軸向力和徑向力，這種支承方式，可以對絲杠施加適當?shù)念A拉力，提高絲杠支承剛度，可以部分補償絲杠的熱變形。 圖2.3 （3）“固定-自由”型 適用于低轉速，中精度，短軸絲杠。如圖2.4所示，絲杠一端固定，一端自由。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力。這種支承方式用于行程小的短絲杠。 圖2.4 （4）“支承-支承”型 適用于中等轉速，中精度。如圖2.5所示，絲杠兩端支承：結構簡單，軸向剛度小，適用于剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝。對絲杠的熱伸長較敏感。 圖2.5 綜合考慮決定使用“固定-支承”型的安裝方法。 2.2.3滾珠絲杠副的防護和潤滑 （1）滾珠絲杠副的防護 滾珠絲杠副和其他滾動摩擦的傳動器件一樣，應避免硬質灰塵或切屑污物進入，因此必須裝有防護裝置。如果滾珠絲杠副在機床上外露，則應采用封閉的防護罩，如采用螺旋彈簧鋼帶套管、伸縮套管以及折疊式套管等。安裝時將防護罩的一端連接在滾珠螺母的側面，另一端固定在滾珠絲杠的支承座上。如果滾珠絲桿副處于隱蔽的位置，則可采用密封圈防護，密封圈裝在螺母的兩端。接觸式的彈性密封圈采用耐油橡膠或尼龍制成，其內孔做成與絲杠螺紋滾道相配的形狀；接觸式密封圈的防塵效果好，但由于存在接觸壓力，使摩擦力矩略有增加。非接觸式密封圈又稱迷宮式密封圈，它采用硬質塑料制成，其內孔與絲杠螺紋滾道的形狀相反，并稍有間隙，這樣可避免摩擦力矩，但防塵效果差。工作中應避免碰擊防護裝置，防護裝置一有損壞應及時更換。 （2）滾珠絲杠副的潤滑 潤滑劑可提高耐磨性及傳動效率。潤滑劑可分為潤滑油和潤滑脂兩大類。潤滑油一般為全損耗系統(tǒng)用油：潤滑脂可采用鋰基潤滑脂。潤滑脂一般加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內，而潤滑油則經過殼體上的油孔注入螺母的空間內。每半年對滾珠絲杠上的潤滑脂更換一次，清洗絲杠上的舊潤滑脂，涂上新的潤滑脂。用潤滑油潤滑的滾珠絲杠副，可在每次機床工作前加油一次。 2.3軸承選用 為了提高支承的軸向剛度，選擇適當?shù)臐L動軸承也是十分重要的。選擇軸承的類型主要由下列幾個因素有關： （1）允許空間。 （2）載荷大小和方向。例如既有徑向又有軸向聯(lián)合載荷一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，如徑向載荷大，軸向載荷小，可選深溝球軸承和內外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承，如同時還存在軸或殼體變形大以及安裝對中性差的情況，可選用調心球軸承、調心滾子軸承；如軸向載荷大，徑向載荷小，可選用推力角接觸球軸承、推力圓錐滾子軸承，若同時要求調心性能，可選用推力調心滾子軸承。一般角接觸軸承和圓錐滾子軸承需要成對安裝使用。 （3）軸承工作轉速。一般軸承的工作轉速低于極限轉速，深溝球軸承、角接觸球軸承和圓柱滾子軸承的極限轉速較高，適用于高速運動場合，推力軸承的極限轉速較低。 （4）旋轉精度。一般機械均可用G級公差軸承。 （5）軸承的剛性。一般滾子軸承的剛性大于球軸承，提高軸承的剛性，可通過“預緊”，但必須適當。 （6）軸向游動。軸承配置通常是一端固定，一端游動，以適應軸的熱脹冷縮，保證軸承游動方式，一是可選用內圈或外圈無擋邊的軸承，另一種是在內圈與軸或者外圈與軸承孔之間采用間隙配合。固定支承限制兩個方向的軸向位移，可選用能承受雙向軸向載荷的軸承。單向限位支承可選用能承受單向軸向載荷的軸承。游動支承位軸向不限位，可選用內外圈不分離的軸承。在軸兩端采用了徑向間隙不可調的向心軸承，且軸向位移是以兩端端蓋限定時，其一端必須留出間隙C（C=兩軸承中心距，mm）。 （7）摩擦力矩。需要低摩擦力矩的機械（如儀器），應盡量采用球軸承，還應避免采用接觸式密封軸承。 （8）安裝與拆卸。裝卸頻繁時，可選用分離型軸承，或選用內圈為圓錐孔的、帶緊定套或退卸套的調心滾子軸承、調心球軸承。 國內目前主要采用兩種組合方式。一種是把向心軸承和圓錐軸承組合使用，其結構雖然簡單，但軸向剛度不足。另一種是把推力軸承或向心推力軸承和向心軸承組合使用，其軸向剛度有了提高，但增大了軸承的摩擦阻力和發(fā)熱而且增加了軸承支架的結構尺寸。 激光測量機既有徑向又有軸向的聯(lián)合載荷，所以在支承端采用推力球軸承，在固定端選用深溝球軸承。 2.4導軌副的選用 導軌的作用是當運動件沿著承導件作直線運動時，承導件上的導軌起支承和導向的作用，即支承運動件和保證運動件在外力（載荷及運動件本身的重量）的作用下，沿給定的方向進行直線運動。 2.4.1直線導軌副結構形式 本設計采用滑動導軌作為進給導軌，常見的基本形式有： 三角形導軌：該導軌磨損后能自動補償，故導向精度高。它的截面角度由載荷大小及導向要求而定，一般為90°。為增加承載面積，減小比壓，在導軌高度不變的條件下，采用較大的頂角（110°～120°）；為提高導向性，采用較小的頂角（60°）。如果導軌上所受的力，在兩個方向上的分力相差很大，應采用不對稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導軌面。 矩形導軌：優(yōu)點是結構簡單，制造、檢驗和修理方便；導軌面較寬，承載力較大，剛度高，故應用廣泛。但它的導向精度沒有三角形導軌高；導軌間隙需用壓板或鑲條調整，且磨損后需重新調整。 燕尾形導軌：燕尾形導軌的調整及夾緊較簡便，用一根鑲條可調節(jié)各面的間隙，且高度小，結構緊湊；但制造檢驗不方便，摩擦力較大，剛度較差。用于運動速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的場合。 圓形導軌：制造方便，外圓采用磨削，內孔珩磨可達精密的配合，但磨損后難于調整間隙。為防止轉動，可在圓柱表面開鍵槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受軸向載荷的場合，如拉床、鉆床的主軸和導向套組成的導軌副。 本設計采用矩形雙直線導軌副組合。如圖2.6所示。 圖2.6 直線導軌副 2.4.2材料、熱處理及防護 目前常采用的導軌材料鑄鐵，其材料常用灰口鑄鐵。它具有成本低，工藝性好，熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點。在潤滑和防護良好的情況下，具有一定的耐磨性。常用的是HT200~HT400，硬度以HB=180~200較為合適。 為了提高鑄鐵導軌的硬度，以增強抗硬粒磨損的能力和防止撕傷，鑄鐵導軌經常采用高頻淬火，中頻淬火及電接觸自冷淬火等表面淬火方法。 潤滑和防護 潤滑油能使導軌間形成一層極薄的油膜，阻止或減少導軌面直接接觸，減小摩擦和磨損，以延長導軌的使用壽命。同時，對低速運動，潤滑可以防止爬行；對高速運動，可減少摩擦熱，減少熱變形。導軌的防護裝置用來防止切削、灰塵等贓物落到導軌表面，以免使導軌擦傷、生銹和過早的磨損。為此，在運動導軌端部安裝刮板；采用各種式樣的防護罩，使導軌不外露等辦法。 2.5裝配 圖2.7 裝配示意圖 Y向滾珠絲杠的裝配示意圖如圖2.7所示 連接塊由螺栓裝在絲杠螺母上，絲杠兩端通過軸承裝在軸承座上。左邊推力球軸承由絲杠臺階面和軸承端蓋分別壓住內外圈定位；右邊深溝球軸承分別由螺母和絲杠臺階面壓住內外圈定位，再由聯(lián)軸器與電機直聯(lián)。 雙直線導軌副通過內六角螺釘裝在立柱上，并保證滑塊和連接塊上端面在同一平面上。裝配效果如圖2.8所示。絲杠通過行程開關控制有效行程。 2.6主要參數(shù)的設定 1.立柱尺寸（長×寬×高）：208×125×590； 2.工作行程為480mm； 3.工作進給速度為1－1500r/min，快速進給速度為15m/min。 圖2.8 立柱裝配圖 第三章 設計計算 3.1 Y軸滾珠絲杠副的選擇計算 設計條件 工作臺與被測件平均質量m=20kg；最大工作行程Lmax=480mm；支承面摩擦系數(shù)μ=0.04～0.06，取μ=0.05；絲杠工作進給速度nmax=1500r/min，nmin=30r/min，最大速度Vmax=15m/min；傳動比i=1；全程定位精度±0.008mm；重復定位精度±0.005mm。 選取電機 表3.1 電機參數(shù) 電動機型號 步 距 角 最大靜轉矩 （N·m） 轉子慣量 （10-1kg·m2） 軸徑 （mm） 長度 103H8221-5141（5111） 1.8 4.9 2.9 12 95 選取電動機的輸出功率P=0.5KW 最大轉速Nmax=2000r/min 1） 滾珠絲杠精度 為了獲得±0.008mm的定位精度，先預選3級精度的定位滾珠絲杠副P 2） 計算導程 Ph=Vmaxi·Nmax=15000/2000=7.5mm 式中，Vmax為絲杠副最大移動速度，mm/min Nmax為絲杠副最大相對轉速，r/min 由于Ph要符合標準值，所以Ph取10mm 3）計算當量載荷Fm 由于Y軸滾珠絲杠所受載荷為工作臺與被測物體重力引起的摩擦力，所以 Fm=μmg=0.05×20×10=10N 4）當量轉速nm nm=12（nmax+nmin）=12×（1500+30）=765r/min 5）確定預期額定動載荷Cam 按滾珠絲杠副預期工作時間Lh（小時）計算： Cam=fwFm（60nmLh）1/3/100fafc 式中， Lh－預期工作時間（小時，見表3.2），取Lh=15000h； fa－精度系數(shù)。根據(jù)初定的精度等級（見表3.3）選，取fa=1； fc－可靠性系數(shù)（見表3.4）。一般情況fc=1； fw－負荷系數(shù)。根據(jù)負荷性質（見表3.5），取fw=1.2。 表3.2 各類機械預期工作時間Lh 機械類型 Lh（小時） 普通機械 5000~10000 普通機床 10000~20000 數(shù)控機床 20000 精密機床 20000 測示機械 15000 航空機械 1000 表3.3 精度系數(shù)fa 精度等級 1.2.3 4.5 7 10 fa 1.0 0.9 0.8 0.7 可靠性% 90 95 96 97 98 99 fc 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 表3.4 可靠性系數(shù)fc 表3.5 負荷性質系數(shù)fw 負荷性質 無沖擊（很平穩(wěn)） 輕微沖擊 伴有沖擊或振動 fw 1~1.2 1.2~1.5 1.5~2 因此： Cam=1.2×200×（60×765×15000）1/3/100/1/1=2116.5N 6）按精度要求確定允許的滾珠絲杠最小螺紋底d2m 滾珠絲杠副安裝方式為一端固定，一端自由或游動時 d2≥d2m=2×1010F0LπδmE=0.078F0Lδm 式中， E－楊氏彈性模量21×105N/mm2； F0－導軌靜摩擦力（N）。 F0=μmg=0.06×20×10=12N L－滾珠絲杠兩軸承支撐點的距離（mm），常取1.1行程+（10~14）×Ph L=1.1×480+10×10=628mm δm－估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量（mm），其中δm1=（13~14）×重復定位精度或δm2≤（14~15）×定位精度，取較小值為δm值。 δm1=14×0.005=0.00125mm， δm2=15×0.008=0.0016mm； 取δm=0.00125mm=1.25μm 則 d2≥d2m=0.078×12×6281.25=6.1mm 選用濟寧絲杠廠內循環(huán)式FFZD2004-3-P3型，絲杠底徑d2=17.2mm，Ph=10mm，Ca=5.4KN，C0a=11.7KN。尺寸如圖L=560mm 圖3.1 Y軸滾珠絲杠尺寸 7）確定預緊滾珠絲杠副預緊力Fp 當最大軸向工作載荷Fmax能確定時 Fp=1/3Fmax，F(xiàn)max=F0=12N Fp=1/3×12=4N 8）計算行程補償值C和預拉伸力Ft C=11.8Δt·Lu·10-3，F(xiàn)t=1.95Δtd22 式中， C－行程補償值（μm）； Ft－預拉伸力（N）； Δt－溫度變化值2℃~3℃； Lu－滾珠絲杠副的有效行程（mm）； Lu≈工作臺行程+螺母長度＋兩個安全行程≈行程＋（8~14）Ph Lu=480+8×10=560mm 則 C=11.8Δt·Lu·10-3=11.8×3×560×10-3=19.8μm Ft=1.95Δtd22=1.95×3×19.82=2293.4N 9）確定滾珠絲杠副支承用軸承規(guī)格型號 因滾珠絲杠安裝方式為固定－支承，按圖確定軸承型號。左端為51101推力球軸承，右端為6302深溝球軸承。 10）傳動系統(tǒng)剛度計算 一般校核計算按1K=1Ks+1Kb+1R 式中， Ks－滾珠絲杠副的拉壓剛度； Kb－滾珠絲杠支承軸承的軸向剛度； R－滾珠絲杠副滾珠與滾道的接觸剛度。 ① Ks計算 絲杠支承形式為一端固定，一端支承時Ks=165d22/a 當a=580mm（滾珠螺母至固定支承的最大距離）時剛度最小 Ksmin=165×19.82/580=111.5N/μm 當a=54mm（靠固定端的行程起點處）時剛度最大 Ksmax=165×19.82/54=1197.9 N/μm ② Kb計算 查軸承樣本軸承7201C的軸向剛度Kb1=750N/μm，軸承30302的軸向剛度Kb2=1000 N/μm，則支承軸承的軸向剛度 Kb= Kb1 +Kb2=1750 N/μm ③ 查表得R=555Nμm-1 則 1Kmax=1Ksmax+1Kb+1R，Kmax=311.7 N/μm 1Kmin=1Ksmin+1Kb+1R，Kmin=88.2 N/μm 11）滾珠絲杠副臨界壓縮載荷F的校驗（驗算壓桿穩(wěn)定性） Fc=K1K2105d24Lc12≥Famax' 式中， d2－滾珠絲杠螺紋底徑； Lc1－滾珠絲杠副的最大受壓長度（mm）（見表3.6）； Famax‘－滾珠絲杠副承受最大軸向壓縮載荷（N）。Famax‘=Fmax=12N； K1－安全系數(shù)。絲杠垂直安裝K1=1/2，絲杠水平安裝 K1=1/3； K2－支承系數(shù)。與支承方式有關（見表3.6）。 Fc=1/2×2×105×17.24/5712=26843.7N≥Famax'=12N 符合要求 12）滾珠絲杠副極限轉速nc校驗（避免高速運轉時產生共振） nc=107fd2/Lc22 式中， nc－極限轉速（r/min）； f－與支承形式有關的系數(shù)（見表3.6）； Lc2－臨界轉速計算長度（mm）（見表3.6）。 則 nc=107×15.1×17.2/5602=8282r/min 由計算可知，絲杠拉壓振動的固有頻率遠遠大于1500r/min，所以能滿足要求。 表3.6 13）Dn值校驗 d0nmax≤70000 式中， d0－滾珠絲杠副的公稱直徑（mm）； nmax－滾珠絲杠副的最高轉速（r/min）；nmax=1500r/min 則 d0nmax=20×1500=30000≤70000 符合要求 14）基本軸向額定靜載荷C0a驗算 fsFamax≤C0a 式中， C0a－滾珠絲杠副的基本軸向額定靜載荷（N）； fs－靜態(tài)安全系數(shù)。一般載荷fs=1~2，有沖擊或振動的載荷fs=2~3； Famax－最大軸向載荷（N）； 則 fsFamax=2×12=24N≤C0a=11.4×103N 符合要求 15）強度驗算 σ·14πd22≥Famax 式中， σ=147N/mm2 則 σ·14πd22=147×1/4×3.14×17.22=34138N 遠遠大于Famax=12N 符合要求 16）壽命校核 滾珠絲杠壽命計算公式 Lh=10660NmCPmfw2 式中， Lh－壽命（小時）； C－基本額定動態(tài)負載（N），C=5.4KN； Pm－平均軸向負載（N），Pm=10N； Nm－平均轉速（r/min），Nm=764r/min; fw－負載性質系數(shù)（見表3.5）； 則 Lh=10660×7655.4×100010×1.22=4.4×106h 遠大于預計工作時間15000h，符合要求。 第四章 三坐標測量機的未來展望 （1）大量程方向：代表的產品就是雙龍門三坐標測量機以及三維坐標劃線儀，目前這兩類產品隨著量程的增加其測量的精度以及操作方便性逐漸降低，但是隨著軟件功能以及控制系統(tǒng)的功能逐漸發(fā)展提高，可以大大彌補由于量程而造成的精度以及操作性的損失。這類設備主要應用于逆向以及大型測量。代表產品有中國測試技術研究研究院測量儀器研究所的三維坐標劃線儀。精度在0.01mm±0.01mmL。 （2）小型手動三坐標測量機：目前普及型的三坐標測量機，性價比高，適合廣大中小企業(yè)的需求。由于收到手動的限制，其測量量程多數(shù)在1000mm以內。隨著軟件技術的發(fā)展，其測量的功能隨著軟件的發(fā)展不斷提高。缺點是測量速度慢，適合小批量的檢測要求，精度受人為因素影響大，是現(xiàn)場生產型的中等精度的測量要求，精度多數(shù)為：3.5+1000L/3.5um。國內生產手動的廠家有深圳鑫磊成都司塔瑞西安立德等。 （3）CNC三坐標測量機：操作方便精度高，自動測量自動控制。適合高精度的測量。是今后10年乃至20年德普及推廣趨勢。目前國產德CNC三坐標測量機由于收到進口關鍵部件的制約，普及推廣難度大，價格普遍偏高，一般企業(yè)承受困難。光柵尺、CNC測量軟件，CNC光電控制系統(tǒng)，CNC三維測頭系統(tǒng)，都受到進口部件的影響。目前國內自主研發(fā)的部分很少只有機械部件以及售后服務培訓部分。國內和國外競爭很困難，只有靠低的利潤價格以及廉價優(yōu)質的服務占領市場很小的份額。在短期內國內企業(yè)很難突破這個瓶頸。價格高一直是普及推廣的難點。 （4）智能傻瓜型的測量軟件以及控制系統(tǒng)：軟件以及運動控制系統(tǒng)和測量操作一直是操作人員弱點，智能傻瓜型的測量軟件以及控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)車間基礎工人操作坐標機，實現(xiàn)坐標機普及操作。也是今后發(fā)展的趨勢。 （5）多功能的三維測頭：測頭可以提升坐標機的整體測量水平，實現(xiàn)測量的簡單化。 復合功能的坐標機：實現(xiàn)影響測量，觸發(fā)測量以及激光掃面的多功能組合，可以最大限度的發(fā)揮各個功能優(yōu)勢互補。 （6）新材料應用可以逐漸提高坐標機的測量的功能以及產品的優(yōu)化。新型新技術材料是坐標機今后發(fā)展的另一個主要方向。 總結 通過緊張的兩個月的設計、計算、校核、制圖，終于完成了任務。通過這次對激光測量機縱軸傳動機構設計，我了解了三坐標測量機的發(fā)展，認識打了它在現(xiàn)代化工業(yè)中的巨大作用，對三坐標測量機總體結構有了全面的認識。 隨著現(xiàn)代機械制造業(yè)的發(fā)展，零件的加工趨于縮小化，這就對其加工精度提出了很高的要求，本設計三坐標測量系統(tǒng)就適應了現(xiàn)代機械的發(fā)展，將被測物體置于三坐標測量空間，可獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據(jù)這些點的空間坐標值，經計算求出被測物體的幾何尺寸，形狀和位置。隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，特別是電子技術、電子計算機技術的飛速發(fā)展，對檢測技術發(fā)生著及其深刻和巨大的變化，尤其對測量精度的高要求，它依托的理論基礎和技術已經遠不限于測量學，還包括傳感器技術、計算機控制思想理論等等。 這次最大的收獲是在結構設計的過程中不僅對以前的知識進行了復習，而且對以前有些模糊的概念和方法通過這次的查表，老師的指導，同學的指教有了新的認識。 這次實踐是對自己大學四年所學的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學之路還很長，以后更應該在工作中學習，努力使自己成為一個對社會有所貢獻的人，為中國工業(yè)添上自己的微薄之力。 致謝 畢業(yè)設計即將結束，在進行畢業(yè)設計的時間里，我學到了很多知識，同時也得到了很多經驗，給我即將結束的大學生活留下了很多值得回憶的經歷，也給了我許多日后可以借鑒的豐富經驗。 這篇論文的題目涉及到的領域是現(xiàn)今最流行的技術——三坐標測量機檢測技術，我對在畢業(yè)之前就能接觸并深入了解這一科目而感到慶幸。 首先，我要對我的指導老師，張軍老師表示衷心的感謝。在為期兩個多月的畢業(yè)設計過程中，導師極強的結構知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度以及耐心、細心的育人態(tài)度給我留下深刻的印象。在具體的結構設計過程中，張老師對我在結構設計，和裝配圖繪制上面給予了大量的指導，特別是在機構的選擇，布局的分布上面給予了很多良好的建議。 此外，我要感謝和我同組做畢設的同學，謝謝他們在設計過程中對我的幫助。在老師和同學的幫助之下，我終于順利完成了任務！ 最后，衷心感謝在百忙中抽出寶貴時間對我的論文進行審閱和答辯的全體老師。 參考文獻 [1] 王正強 《三坐標測量機的發(fā)展現(xiàn)狀》 中國計量科學院 [2] 陳孝庫 《激光測量儀》 沈陽信號工廠 [3] 黃根林 《激光測量系統(tǒng)》 上海磨床研究所 [4] 張國雄 《三坐標測量機的發(fā)展趨勢》 天津大學 [5] 王弘鈺 《通用激光測量儀》 長春郵電學院學報 [6] 閆國珍 《線路激光測量儀的設計思路》 鄭州鐵路局科學技術研究所 [7] 陸伯印 《三坐標測量機技術發(fā)展綜述》 天津大學 [8] 王信化 《國內外三坐標測量系統(tǒng)測量發(fā)展》 太原重型機器設計研究院 [9] 吳敏鏡 《三坐標測量機CMM綜述》 機械工業(yè)出版社 [10] 季國平 《我國激光技術的應用與發(fā)展》 信息產業(yè)部電子信息產品管理司 [11] 張玉連 《基于三坐標測量機的復雜曲面的重構設計與實現(xiàn)》 機械工業(yè)出版社 [12] 唐朝偉 《三維曲面激光精密測量技術》 機械工業(yè)出版社 [13] 公茂才 《三坐標測量機的數(shù)據(jù)處理和分析》 科學普及出版社 [14] 成大先 《機械設計手冊》 化學工業(yè)出版社 [15] 葉偉昌 《ProE零件建模方法》 機械工業(yè)出版社 [16] 蔣 東 《快速掃描三坐標激光測量技術研究》 東北大學 [17] 唐榮錫 《三坐標測量機結構系統(tǒng)設計》 北京航空航天大學出版社 [18] 魏江江 《精密測量》 科學出版社 [19] 閆國珍 《線路激光測量儀的設計思路》 鄭州鐵路局科學技術研究所 [20] 彭彥平 《非接觸式鉆頭幾何形狀激光測量儀設計》 大連工業(yè)大學機械工程與自動化學院 28