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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯
題目 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 078105225
學(xué) 生 姓 名 邱志慶
指 導(dǎo) 教 師 賀紅林
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
Study and Design no Automation Control System of the Thermal Power Unit from the System Point of view.
（1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ,Nanjing 210016 China)
（2. Taiyuan University of Technology ,Taiyuan 030024 China)
Abstract: From the system point of view, the feature of the thermal power unit and the demand on its control system are analyzed and research in details in this paper. The character that the boils and the steam turbine are a whole of relative independence is fully considered. By coordinate control, the purpose of the optimal whole operating effect of the system is realize adopting the key techniques of communication, computer and intelligent information process etc.... The adaptation and whole property of the system is emerged by interaction and coordination between subsystems.
1 Introduction
The system is an organic whole certain structure and function ,which consists of several element with interrelation , interdependence and interplay .The thermal power unit is a typical system ,composed of generator ,steam turbine ,boiler and many anxiliary equipment .Its main function is to produce the power load according to power network requirement .System engineering is the science used to study and design the complex system .In the meantime, It is also the theory and method used to deal with systems in term of definite aim in order to achieve the optimal whole of the system .From the system point of view, the coordinate control system of the thermal power unit has been studied and designed in this paper .
2 Study and Design on Automation Control System of the Thermal Power unit from the System Point of View
2.1 Function of Automation Control System of the Power unit
At first the thermal power unit as the controlled object is deeply studied before its automation control system is studied and designed .The thermal power unit is a huge group of equipments ,which is composed of generator, ,steam turbine ,boiler and many auxiliary equipments. Its process flow is complex and pipelines intervenient .Especially the large-scale power unit is a typical coupling ,nonlinear ,varying complex controlled object with multi-input and multi-output .Thousands of parameters are measured ,operated and controlled .The character of object is changeful because of many different operating modes and switch relation .With enlarging of industry production scale and the raising of people’s living standard ,the required quantity of power energy is increasing and the difference of apex and vale of power load is increasing .So the new and higher require is put forward for automation control system of the power unit .
（1.）Load control :Along with the increase of the unit capacity ,early load control mode of “boiler follows steam turbine ”or “steam turbine follows boiler ” has not already satisfied the requirements so we must adopt more suitable load control scheme ,which is the unit coordinate control .
（2.）Reliability: The design of system must be reliable, ensuring safe and economic operation of the unit .In addition, The tolerance fault, redundant technology ,self-diagnosis of software and hardware must be adopted to improve the reliability of system .
（3.）Communication and man-machine interface: Because there are many parameters need to be measured and controlled and its varying speed is quick when the large scale unit is running , communication system must have quick real-time response and high reliability ;man-machine interface must be good at the operator station including operating terminal and large-area display that provides synthetic menus and information about the whole production process for the operators.
2.2 Structure of Automation Control system of the power unit
The design of automation control system of thermal power unit mainly includes control, alarm monitor, protect etc . In accordance with the above analysis .So we divide the complex system into several subsystems in order to make the whole system optimal .
（1.）Data acquisition system(DAS):It is information center of whole system and provides credible rapid objective operating records ,which is the base of safe and economical operating of equipments .Function of ,print of accident list and incident review ,property calculate ,operate guidance etc…
（2）Boiler control system :Boiler control system such as boiler combustion ,steam temperature ,feedwater ,auxiliary control system and the boiler safe supervisory system and boiler combustion management system. There subsystem coordinate each other and make boiler operate in safe ,efficient and steady state to satisfy the load instruction of power network in various operating modes .
（3.）Steam turbine control system :Steam turbine control system realizes load control and rotative velocity control of steam turbine by DEH (Digital Electro-Hydraulic ).In addition ,the auxiliary system of steam turbine include the deoxygenation water lever control ,deoxygenation pressure control ,the condenser hot well water level control and the heater water lever control etc
（4.）Auxiliary system :Besides the main systems mentioned above ,the auxiliary system also has by-pass control system etc…
The main system and auxiliary system are a organic whole through close connection of information communication network .They are inter-permeable and .Inter-dependent so as to form the main part of the automation control system of the large-scale unit.
2.3 Design of Automation Control System of the Thermal Power Unit
From the system point of view, we analyze and study the principle of two basic feedback control method early that “boiler follows steam turbine” and “steam turbine follows boiler” in order to find out the existent problem ad be able to design more reasonable control method.
2.3.1 Boiler follows steam turbine mode
This kind of control mode is first to let steam turbine trail the needs of power network load ,then let boiler trail steam turbine .Its advantage is to be able to fully use the heat accumulation of boiler ,make the unit meet the change of power network load comparatively quickly.. But because the inertia and delay of boiler are greater ,the regulation of former turbine pressure pt cannot follow the speed of load regulation, thus pt has greater fluctuation, which is disadvantageous to the steady operation of boiler .The range and speed change of the unit’s output must be restricted .
2.3.2. Steam turbine follows boiler mode
This kind of control mode is first to let boiler train the needs of power network load, then let steam turbine train boiler .It can be better to maintain steam pressure stabilize and beneficial to boiler steady operation .But it do not fully utilize the heat accumulation f boiler to regulate the unit’s output ,it is more slowly that the unit meets the load’s demand ,so this control mode is only to be applied to the unit undertaking basic load .
2.3.3 Coordinate control mod
According to the analysis above, it must use the heat accumulation of boiler fully and reasonably when the unit has better adaptability to power network load in safe operation. That is to let former turbine pressure changes, then to coordinate the interaction between two loops of power regulation and pressure regulation reasonably, so that unit's output meets the needs of the power network load promptly, and guarantee the control demand of unit steady operation. The practical method is to lead into properly feedforward control systems mentioned above and make boiler and steam turbine coordinate each other so that the schemes of various coordinate controls suitable to practical project can be attained, such as: coordinate control system based on“ boiler follows steam turbine” or“ steam turbine follows boiler”。
2.3.3.1. Basic function of coordinate control system.
Coordinate control system of the thermal power unit should usually have following function:(l) select different load instruction according to the unit operating condition and the requirement of power network for the unit.(2) restrict the change rate of load instruction.(3). Calculate the biggest possible output of the unit and restrict the biggest and minimum amplitude of load.(4). Have the function of RUNBACK.(5). Select different running mode according to the unit operating condition.(6). Calculate actual unit output.(7). Let automation control system have enough steady abundant quantity and better wholeness.(8). Have necessary safe measures such as starting by-pass system and preventing steam turbine from exceeding the speed limit etc…, when the unit and power network unite suddenly because of accident.
2.3.3.2 Basic composition of coordinate control system of the unit.
Now the coordinate control system of the unit is composed of two parts, which are load instruction process and coordinate control of boiler and steam turbine, shown as fig.1.
Fig.1 Unit Coordinate Control System
In which, load instruction process is composed of unit calculation loop, unit Allowed load calculation loop and load restriction loop. Coordinate and steam turbine controller.
2.3.3.3. Implementation of coordinate control system of the thermal power unit Modern large-scale thermal power unit adopts distributed control system to realize the unit automation control that guarantees safe economic operation of the unit. TEKEPERM-ME of SIEMENS is chosen to realize coordinate control system of the thermal power unit including several parts shown as Fig.2.
Fig 2 Implementation diagram of unit coordinate control system
When each subsystem of the unit normally run, start the mode of coordinate control mode. In this mode , steam turbine and boiler accept load instruction in parallel. Boiler maintains main steam pressure through changing combustion rate, and steam turbine pressure and set value. When the deviation of former turbine pressure and set value exceeds certain limit value, open degree instruction of steam value given by steam turbine main control loop is restricted, up to this deviation within the pressure control scope of the boiler.
3. Conclusion.
In one word, from the system point of view, the automation control system of the thermal power unit is divided into several subsystems as well as the design and implementation of unit coordinate control system is demonstrated in this paper. The large scale unit coordinate control has faster trailing performance and better stability and robustness. The purpose of the optimal whole operation effect of the unit is realized by coordinate the subsystems.
Reference
[1]Xiong Shuyan , Wangxingye ,Tianyan .Distributed Control System of thermal power plant ,Scientific Press .
Beijing P.R China ,20003
[2] Zhong xinyuan .Application of DEB Coordinated Control System in Thermal power plants ,electric power Science And Engineering ,2003(3):50-53.
Author Biographies
Jianyan Tian , associate professor ,is a Doctoral student in Nanjing University of Aeronautics and Astronautics .Her research is aimed at intelligent control ,System Engineering and Grey System theory .
Lizhen pan is a student for Master Degree in 2002 .Her research is aimed at intelligent control theory and its application.
研究與設(shè)計(jì)沒有自動(dòng)化控制系統(tǒng)從系統(tǒng)的角度對(duì)火電機(jī)組
（1．南京航空航天大學(xué)，南京210016中國(guó)）
（2．太原理工大學(xué)，太原030024中國(guó)）
摘要：從系統(tǒng)的角度，對(duì)火電機(jī)組，并在其控制系統(tǒng)的需求特點(diǎn)進(jìn)行了分析和研究在文中詳細(xì)介紹。在沸騰的字符和蒸汽渦輪機(jī)是一種相對(duì)獨(dú)立整體充分考慮。通過坐標(biāo)控制，該系統(tǒng)的最優(yōu)整體運(yùn)行效果的目的，是實(shí)現(xiàn)采用通信，計(jì)算機(jī)和智能信息處理等關(guān)鍵技術(shù)...該系統(tǒng)的適應(yīng)和整體物業(yè)應(yīng)運(yùn)而生子系統(tǒng)之間的相互作用和協(xié)調(diào)。
1簡(jiǎn)介
該系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的整體一定的結(jié)構(gòu)和功能，這與相互聯(lián)系，相互依存和相互幾個(gè)元素組成?；痣姍C(jī)組是一個(gè)典型的系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)，汽輪機(jī)，鍋爐，許多anxiliary設(shè)備組成。它的主要功能是根據(jù)生產(chǎn)的電力負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的要求。系統(tǒng)工程來研究和設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)。與此同時(shí)，這也是理論和方法用于明確的目標(biāo)，在長(zhǎng)期的系統(tǒng)的處理，以達(dá)到優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)從系統(tǒng)的角度的。，坐標(biāo)控制火電機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行了研究，本文設(shè)計(jì)。
2研究與設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的火電機(jī)組從系統(tǒng)的角度
2.1自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能的功率單元
起初，火電機(jī)組的控制對(duì)象是在深入研究其自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)?；痣姍C(jī)組是一組龐大的設(shè)備，這是發(fā)電機(jī)，汽輪機(jī)，鍋爐，許多輔助設(shè)備組成。其工藝流程復(fù)雜，管道的干預(yù)。特別是大型動(dòng)力裝置是一個(gè)典型的耦合，非線性，變復(fù)雜的多輸入多輸出。成千上萬被控對(duì)象的參數(shù)的測(cè)量，操作和控制。性格的對(duì)象是因?yàn)樵S多不同的操作模式和開關(guān)的關(guān)系多變。憑借多年的行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和人民生活水平，電力能源需要的數(shù)量正在增加提高和頂點(diǎn)，電力負(fù)荷低谷差別擴(kuò)大正在增加。因此，新的并提出了更高的要求為動(dòng)力裝置自動(dòng)化控制系統(tǒng)。
（1） 負(fù)荷控制：隨著機(jī)組容量的增加，早期負(fù)荷控制模式“如下汽輪機(jī)鍋爐“或“蒸汽鍋爐渦輪如下：“還沒有滿足的要求，所以我們必須采取更合適的負(fù)荷控制方案，這是單位協(xié)調(diào)控制。
（2） 可靠性：系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須是可靠的，確保安全和經(jīng)濟(jì)單元操作此外，公差故障，冗余技術(shù)，自診斷軟件和硬件必須通過提高系統(tǒng)的可靠性。
（3） 通信和人機(jī)接口：由于有許多參數(shù)需要測(cè)量和控制，其變化速度快，當(dāng)大型機(jī)組正在運(yùn)行，通信系統(tǒng)必須具有快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)和高可靠性，人機(jī)接口必須在操作員站包括操作終端和大面積顯示屏，能夠提供綜合的菜單和有關(guān)的營(yíng)辦商的整個(gè)生產(chǎn)過程信息的好。
2.2結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的動(dòng)力裝置
對(duì)火電機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括控制，報(bào)警監(jiān)控，保護(hù)等。與上述分析相吻合。因此，我們分成幾個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，以便使整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化。
（1） 數(shù)據(jù)采集??系統(tǒng)（DAS）：。這是整個(gè)信息系統(tǒng)的中心目標(biāo)，并提供快速可靠的運(yùn)行記錄，這是設(shè)備的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的作用，事故和事故征候的審查清單打印，物業(yè)計(jì)算，操作指導(dǎo)等等...
（2） 鍋爐控制系統(tǒng)：如鍋爐燃燒鍋爐，蒸汽溫度，給水，輔助控制系統(tǒng)和鍋爐的安全監(jiān)控系統(tǒng)和鍋爐燃燒管理系統(tǒng)控制系統(tǒng)。有子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，使鍋爐運(yùn)行在安全，高效，穩(wěn)定的狀態(tài)，以滿足各種運(yùn)行模式的電網(wǎng)負(fù)荷指令。
（3） 汽輪機(jī)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)負(fù)荷控制和DEH系統(tǒng)的蒸汽渦輪機(jī)（數(shù)字電液）轉(zhuǎn)速控制此外，汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)包括除氧水位控制，除氧壓力控制，冷凝器。熱井水位控制和加熱器水位控制等
（4） 輔助系統(tǒng)：除上述主要系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)還具有旁路控制系統(tǒng)等...
主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)是通過信息通信網(wǎng)絡(luò)緊密聯(lián)系的有機(jī)整體。它們是互相滲透和。相互依存的，從而形成了大型機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要組成部分。
2.3設(shè)計(jì)自動(dòng)化的火電機(jī)組控制系統(tǒng)
從系統(tǒng)的角度，分析和研究反饋控制的兩種基本方法的原理早，“鍋爐如下汽輪機(jī)“和”汽輪機(jī)如下鍋爐“，以找出存在的問題，廣告能夠設(shè)計(jì)出更合理的控制方法。
2.3.1鍋爐蒸汽渦輪機(jī)模式如下
這種控制模式，就是第一個(gè)能夠讓汽輪機(jī)徑電網(wǎng)負(fù)荷的需求，然后讓鍋爐汽輪機(jī)線索。它的優(yōu)點(diǎn)是能夠充分利用鍋爐的熱積累，使該單位滿足電網(wǎng)變化負(fù)載較快..但由于慣性和鍋爐比較大的延遲，前渦輪壓力角監(jiān)管不能跟隨負(fù)荷調(diào)節(jié)速度，從而PT有較大的波動(dòng)，這不利于鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。范圍和速度改變?cè)搯挝坏妮敵霰仨毷艿较拗啤?
2.3.2鍋爐汽輪機(jī)如下模式
這種控制模式，就是第一個(gè)能夠讓鍋爐列車電網(wǎng)負(fù)荷的需求，然后讓火車鍋爐蒸汽渦輪機(jī)。可以更好地保持汽壓穩(wěn)定和有利于鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。但它并沒有充分利用積累的熱量f鍋爐調(diào)節(jié)單元的輸出，它更慢，單位滿足負(fù)載的需求，所以這種控制模式只被應(yīng)用到該單位承擔(dān)基本負(fù)荷。
2.3.3協(xié)調(diào)控制模
根據(jù)上述分析，它必須使用鍋爐蓄熱充分和合理的單位時(shí)，具有較好的適應(yīng)性，功率安全運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。這是為了讓原汽輪機(jī)壓力的變化，然后兩個(gè)權(quán)力之間的協(xié)調(diào)監(jiān)管和壓力調(diào)節(jié)回路的相互作用合理，所以該單位的產(chǎn)出滿足電網(wǎng)負(fù)荷的需求及時(shí)，保證了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的控制要求。實(shí)際的方法是適當(dāng)引入前饋控制系統(tǒng)，使上述鍋爐和汽輪機(jī)相互協(xié)調(diào)，以便協(xié)調(diào)控制各種適合于實(shí)際工程中可以達(dá)到，如計(jì)劃：協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基于“蒸汽鍋爐如下渦輪“或“蒸汽渦輪如下鍋爐“。
2.3.3.1基本功能的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。
協(xié)調(diào)各火電機(jī)組控制系統(tǒng)通常應(yīng)具有以下功能：(l) 選擇不同的加載指令根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀況和電網(wǎng)為單位的要求。（2）限制負(fù)荷指令的變化率。（3）。計(jì)算最大可能的輸出的單位和限制負(fù)荷最大和最小幅度。（4）。具備RUNBACK功能。（5）。選擇不同的運(yùn)行模式，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況。（6）。計(jì)算實(shí)際的單位產(chǎn)量。（7）。讓自動(dòng)化控制系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定和更好的整體性數(shù)量豐富。（8）。有諸如啟動(dòng)旁路系統(tǒng)，防止超速等必要的保護(hù)措施汽輪機(jī)...，當(dāng)本機(jī)和電網(wǎng)團(tuán)結(jié)，因?yàn)橥蝗话l(fā)生意外。
2.3.3.2基本組成單位協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。
現(xiàn)在，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的單位是由兩個(gè)部分，分別是負(fù)載教學(xué)過程和協(xié)調(diào)鍋爐和汽輪機(jī)控制為圖1所示，組成
其中，負(fù)載教學(xué)過程是由單位計(jì)算循環(huán)，允許負(fù)荷計(jì)算負(fù)荷限制回路和循環(huán)機(jī)組。協(xié)調(diào)和蒸汽渦輪控制器。
2.3.3.3協(xié)調(diào)控制的火電機(jī)組現(xiàn)代化大型火電機(jī)組控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用分布式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的單位。 TEKEPERM- ME公司選擇西門子是實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的火電機(jī)組包括圖2所示的幾個(gè)部分系統(tǒng)。
圖2機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖
當(dāng)每個(gè)子系統(tǒng)的正常運(yùn)行的單位，啟動(dòng)了協(xié)調(diào)控制模式模式。在這種模式下，汽輪機(jī)和鍋爐接受并行加載指令。通過改變鍋爐燃燒率維持主蒸汽壓力，蒸汽渦輪機(jī)的壓力和設(shè)定值。當(dāng)原汽輪機(jī)壓力和設(shè)定值的偏差超過一定限值，由汽輪機(jī)主蒸汽定值控制回路開度指令限制，直至鍋爐內(nèi)的壓力控制范圍的偏差。
3.結(jié)論
總之，從系統(tǒng)的角度，對(duì)火電機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)分為幾個(gè)子系統(tǒng)，以及單位的設(shè)計(jì)和實(shí)施協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，本文證明。大型機(jī)組協(xié)調(diào)控制具有更快的性能和尾隨更好的穩(wěn)定性和魯棒性。該單位的最優(yōu)整體運(yùn)行效果的目的，是實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)的子系統(tǒng)。
參考
[1]敻書儼，Wangxingye，天演。分布式火電廠，科學(xué)出版社控制系統(tǒng)。
北京P.R中國(guó)，20003
[2]鐘新元。DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在火電廠，電力科學(xué)與工程，2003（3）:50- 53。
傳記作家
Jianyan田，副教授，現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)博士生。她的研究是在智能控制，系統(tǒng)工程和灰色系統(tǒng)理論的目的。
麗珍鍋是在2002年攻讀碩士學(xué)位的學(xué)生。她的研究是在智能控制理論及應(yīng)用目的。
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
1 緒論 3
1.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展 3
1.2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量原理 6
1.3 設(shè)計(jì)要求 8
2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 8
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)容 8
2.2 總體設(shè)計(jì)方案擬訂 8
2.2.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì) 9
2.2.2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)電路部分設(shè)計(jì) 9
3 三坐標(biāo)測(cè)量進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
3.1 進(jìn)給系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的容量的選擇 16
3.1.1 電動(dòng)機(jī)容量的選擇原則 16
3.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的概述 16
3.1.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的容量的計(jì)算 17
3.2 軸概述 17
3.2.1 軸的用途 17
3.2.2 軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 17
3.2.3 軸的材料 17
3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.3.1 擬定軸上零件的裝配方案 18
3.3.2 軸上零件的定位 18
3.3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
3.3.4 初步設(shè)計(jì)軸的最小直徑 20
3.3.5 擬定軸上零件的裝配方案 21
3.3.6 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的個(gè)段直徑和長(zhǎng)度 21
3.3.7 軸上零件的軸向定位 22
3.3.8 確定軸上圓角和倒角尺寸 22
3.4 絲杠螺母副的選用計(jì)算 22
3.4.1 絲杠螺母的導(dǎo)程的確定 22
3.4.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 22
3.4.3 絲杠的等效負(fù)載上邊已經(jīng)闡明過了 22
3.4.4 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷 22
3.4.5 臨界壓縮負(fù)荷 22
3.4.6 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算 23
3.4.7 計(jì)算軸承動(dòng)載荷 23
3.4.8 絲杠拉壓振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率驗(yàn)算 24
3.5 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度 24
3.6 傳動(dòng)精度計(jì)算 25
3.7 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 25
3.7.1 滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)及配置直 25
3.7.2 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的預(yù)緊 26
3.7.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌副潤(rùn)滑防護(hù) 26
3.8 橫向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算（同以上方法） 26
3.9 縱向、橫向的移動(dòng)工作臺(tái)的裝配圖見（圖3-1） 26
論文總結(jié) 27
致謝 28
參考文獻(xiàn) 29
附錄 30
1 緒論
1.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和對(duì)測(cè)量方法的深入研究，在機(jī)電行業(yè)中人們對(duì)三維坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的要求也越來越高。物體的三維輪廓以及形位測(cè)量已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航海、航空航天、反求工程等領(lǐng)域。目前物體三維輪廓測(cè)量的主要方法有導(dǎo)軌式三坐標(biāo)機(jī)的高精度接觸測(cè)量、激光點(diǎn)掃描和激光線掃描式三坐標(biāo)輪廓測(cè)量、激光散斑物體輪廓高精度顯微全場(chǎng)測(cè)量。在這些諸多的測(cè)量方法中，激光散斑物體輪廓測(cè)量法測(cè)量精度最高，屬非接觸和全場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量速度高，但其測(cè)量范圍小。此外，三坐標(biāo)機(jī)的測(cè)量精度高，已被廣泛采用。但它只能進(jìn)行接觸測(cè)量，并且測(cè)量速度很慢。目前，三坐標(biāo)機(jī)主要有兩種:導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和無導(dǎo)軌式三坐標(biāo)儀，無導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x在國(guó)內(nèi)尚無同類產(chǎn)品問世。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的多功能測(cè)量臺(tái)是一種高精度測(cè)量臺(tái)?？赏瑫r(shí)裝夾兩只測(cè)量表或傳感器對(duì)工件進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)廣泛的應(yīng)用于機(jī)械零件加工，模具制造等個(gè)方面。CLY系列單臂三為測(cè)量?jī)x是一款具有較大測(cè)量范圍的高精度測(cè)量設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了使用者對(duì)沖壓件、儀表板件、塑料件、中型模具件的測(cè)量要求。由于采用開放式測(cè)量，從而保證了在現(xiàn)場(chǎng)、在模具制造和仿型、在部件檢測(cè)和設(shè)計(jì)室里都可以方便的使用。特點(diǎn)： 1、 X軸移動(dòng)方向的導(dǎo)軌采用天然花崗巖，并配備進(jìn)口雙直線導(dǎo)軌，三軸位移傳感器采用進(jìn)口金屬反射光柵和讀數(shù)頭，結(jié)合空間誤差修正技術(shù)，使用中處處體現(xiàn)高精度的3D測(cè)量。 2、 配件萬向電子測(cè)頭，并通過各種測(cè)頭配件，既可以對(duì)遠(yuǎn)程和深孔進(jìn)行數(shù)據(jù)采點(diǎn)，也能完成中、小型零部件的測(cè)量 3、 本測(cè)量?jī)x具有方便的現(xiàn)場(chǎng)自校定功能，用戶可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行精度校正，保證在不同環(huán)境溫度下測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。
CLY系列單臂三為測(cè)量?jī)x是一款具有較大測(cè)量范圍的高精度測(cè)量設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了使用者對(duì)沖壓件、儀表板件、塑料件、中型模具件的測(cè)量要求。由于采用開放式測(cè)量，從而保證了在現(xiàn)場(chǎng)、在模具制造和仿型、在部件檢測(cè)和設(shè)計(jì)室里都可以方便的使用。特點(diǎn)：
1、X軸移動(dòng)方向的導(dǎo)軌采用天然花崗巖，并配備進(jìn)口雙直線導(dǎo)軌，三軸位移傳感器采用進(jìn)口金屬反射光柵和讀數(shù)頭，結(jié)合空間誤差修正技術(shù)，使用中處處體現(xiàn)高精度的3D測(cè)量。
2、配件萬向電子測(cè)頭，并通過各種測(cè)頭配件，既可以對(duì)遠(yuǎn)程和深孔進(jìn)行數(shù)據(jù)采點(diǎn)，也能完成中、小型零部件的測(cè)量
3、本測(cè)量?jī)x具有方便的現(xiàn)場(chǎng)自校定功能，用戶可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行精度校正，保證在不同環(huán)境溫度下測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。
4、采用智能數(shù)顯系統(tǒng)將原電器箱上各項(xiàng)功能都讓計(jì)算機(jī)來處理，摒棄了電器箱，只用一塊小的信號(hào)處理板對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行處理以保證長(zhǎng)線傳輸無誤。光柵和測(cè)頭信號(hào)由信號(hào)處理板處理后，經(jīng)通訊電纜傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝的一塊三軸正交記數(shù)卡，通過編制軟件對(duì)其進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)原電器箱的功能。智能數(shù)顯系統(tǒng)的開發(fā)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，空間精度修正不僅使車間裝調(diào)人員工作量降低，也使測(cè)量?jī)x精度有了保障。采用高性能記數(shù)卡，減少硬件設(shè)備，降低了系統(tǒng)的故障發(fā)生率。該系統(tǒng)具有原電器箱幾乎所有功能，界面直觀，很多操作在面板上即可直接完成，菜單功能簡(jiǎn)潔明了，用戶極易上手。一些關(guān)鍵性操作都給出了提示和警告，可以防止用戶在不太清楚的情況下誤操作而導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常。
其選擇原則如下：
1、合理的測(cè)量精度
坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是檢測(cè)工件尺寸與形位誤差的儀器，首要的是精度指標(biāo)應(yīng)滿足用戶要求。選用時(shí)，一般可根據(jù)被測(cè)工件要求的檢測(cè)精度與測(cè)量機(jī)給定的測(cè)量不確定度相對(duì)比，看測(cè)量機(jī)精度是否符合要求。
精度比對(duì)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的比較過程。測(cè)量機(jī)的技術(shù)規(guī)范中一般只給出單軸測(cè)長(zhǎng)和空間測(cè)長(zhǎng)的兩個(gè)不確定度公式及重復(fù)精度值。但在具體測(cè)件時(shí)需要將被測(cè)參數(shù)的測(cè)量不確定度限制在一定范圍內(nèi)。一般測(cè)量時(shí)，要測(cè)量很多測(cè)點(diǎn)。在形位測(cè)量時(shí)，更有大量測(cè)點(diǎn)參與并帶來測(cè)量誤差，精確計(jì)算是很難的。因此從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，在一般測(cè)量中，測(cè)量不確定度應(yīng)為被測(cè)工件尺寸公差帶的1/5～1/3。例如某一被測(cè)箱體上二孔的孔距為500mm，公差帶為15um，則所選用的測(cè)量機(jī)在500mm長(zhǎng)度上的測(cè)量不確定度應(yīng)不大于3um～5um。對(duì)于精密測(cè)量及復(fù)雜的形位測(cè)量要求還高，一般應(yīng)為被測(cè)尺寸公差帶的1/10～1/5。重要的是重復(fù)精度必須滿足要求，因?yàn)橄到y(tǒng)誤差還可以通過一定方法補(bǔ)償，而重復(fù)精度應(yīng)由測(cè)量機(jī)本身保證。
總之，用戶應(yīng)選用精度（包括重復(fù)精度）高一些的測(cè)量機(jī)。這不僅由于測(cè)量復(fù)雜件時(shí)，測(cè)點(diǎn)可能帶入的誤差比預(yù)想的要大（由于測(cè)頭測(cè)桿變化或加長(zhǎng)會(huì)引入更大的誤差），而且測(cè)量機(jī)的精度會(huì)隨使用次數(shù)增多而有所下降。
2、合乎要求的測(cè)量范圍?
測(cè)量范圍的選擇時(shí)選擇測(cè)量機(jī)時(shí)的最基本參數(shù)。因?yàn)樵跍y(cè)量范圍內(nèi)才能獲得精確的測(cè)量值，超出了范圍，測(cè)量就難于進(jìn)行。選擇測(cè)量范圍時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。
（1）、工件的所需測(cè)量的部分，不一定是整個(gè)工件。如要測(cè)的部分集中在工件的某個(gè)局部，除了測(cè)量機(jī)的測(cè)量范圍能覆蓋被測(cè)參數(shù)之外，還要考慮整個(gè)工件能在測(cè)量機(jī)上安置，要求工件重量對(duì)測(cè)量精度不帶來顯著影響。為了把工件放入測(cè)量機(jī)中，應(yīng)根據(jù)工件大小選擇測(cè)量機(jī)。
（2）、Z軸與Z向空間高度的關(guān)系。Z軸行程是Z軸的測(cè)量范圍，而Z向空間高度是工件能放得下的高度。
（3）、接長(zhǎng)桿的問題。有的測(cè)頭上有星形探針，這些探針在測(cè)量時(shí)往往要求超出工件的被測(cè)部分。一般工件尺寸為l時(shí)，要求測(cè)量范圍L=l+2C，C為探針的長(zhǎng)度。因此測(cè)量范圍等于工件被測(cè)的最大尺寸再加上兩倍的探針長(zhǎng)度。
3、合適的測(cè)量機(jī)類型?
測(cè)量機(jī)按自動(dòng)化程度分為手動(dòng)（或機(jī)動(dòng)）與CNC自控兩大類。選用時(shí)，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的批量大小、自動(dòng)化程度、操作人員技術(shù)水平及資金投入大小去權(quán)衡。當(dāng)然CNC測(cè)量機(jī)水平高、測(cè)速快，但測(cè)量的準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)要求高、資金投入大。故應(yīng)從經(jīng)濟(jì)效益的角度進(jìn)行比較判定。
一般說，對(duì)于中等尺寸的工件，多采用移動(dòng)橋式；對(duì)于小型工件，多采用懸臂式、儀器臺(tái)式與移動(dòng)橋式等；對(duì)于大型工件，則多采用龍門式；對(duì)于需回轉(zhuǎn)測(cè)量的工件，可選用帶分度臺(tái)的測(cè)量機(jī)。
4、豐富的測(cè)量軟件
對(duì)復(fù)雜的測(cè)量對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量機(jī)應(yīng)有豐富的測(cè)量軟件支持，以完成測(cè)量任務(wù)。如缺少某些軟件，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象向生產(chǎn)廠家索取。如果廠方提供了編程方法（多數(shù)廠家不提供），也可自行開發(fā)。
5、符合要求的測(cè)量效率
測(cè)量機(jī)運(yùn)行速度與采樣速度既是測(cè)量機(jī)效率高低的重要指標(biāo)，又與自動(dòng)化生產(chǎn)的要求密切相關(guān)。用于生產(chǎn)線或柔性加工線上的測(cè)量機(jī)，檢測(cè)的時(shí)間必須滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求。
6、功能齊全的測(cè)量頭
測(cè)量頭是測(cè)量機(jī)上重要的傳感器件。它不僅直接影響測(cè)量精度，而且是決定測(cè)量機(jī)功能和測(cè)量效率的重要因素。
7、滿意的經(jīng)濟(jì)效益
作為檢測(cè)儀器，測(cè)量機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益是投資購(gòu)買的一項(xiàng)重要指標(biāo)。雖然它不像生產(chǎn)機(jī)床那樣便于計(jì)算，也不如機(jī)床那樣可以較快地收回成本并創(chuàng)造效益，但作為保證生產(chǎn)質(zhì)量的手段和環(huán)節(jié)，檢測(cè)儀器有著特殊的重要性。
測(cè)量機(jī)的使用費(fèi)用，主要取決于測(cè)量機(jī)的折舊費(fèi)K、檢測(cè)人員的工資G、測(cè)量所用的時(shí)間T及輔助材料和設(shè)備等雜費(fèi)Q，即測(cè)量總費(fèi)用。
M=T（K+G）+Q
測(cè)量機(jī)效益的關(guān)鍵在于使用時(shí)間T。因此在考慮測(cè)量機(jī)資金的投入時(shí)，關(guān)鍵在于了解它的使用效率。如果使用效率高，則經(jīng)濟(jì)效益亦高。如果使用效率不很高，而又易于在當(dāng)?shù)亟鉀Q測(cè)量問題，則應(yīng)委托或協(xié)作檢測(cè)。只付檢測(cè)費(fèi)，比購(gòu)置一臺(tái)測(cè)量機(jī)更經(jīng)濟(jì)。當(dāng)然有的場(chǎng)所，測(cè)量對(duì)象極為精密，不適宜搬動(dòng)，有的系軍工保密件等，此時(shí)配置一臺(tái)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有特殊性，也是必須的。
1.2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量原理
將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)測(cè)量空間，可獲得被測(cè)物體上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算求出被測(cè)物體的幾何尺寸，形狀和位置。導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(Coordinate Measuring Machine簡(jiǎn)稱CMM)是近二十年來發(fā)展起來的一種以精密機(jī)械為基礎(chǔ)，綜合光柵與激光干涉、計(jì)算機(jī)、應(yīng)用電子等先進(jìn)技術(shù)的測(cè)量設(shè)備，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。其主要特征是具有X, Y, Z三個(gè)坐標(biāo)方向的導(dǎo)軌。目前，導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)己被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、儀器制造、電子、汽車、計(jì)量中心、航空和航天等多個(gè)工業(yè)和研究行業(yè)，用來測(cè)量機(jī)械零件的幾何尺寸、相對(duì)位置和形位誤差，包括零件空間曲面、汽車白身、CAD/CAM等多項(xiàng)工作。導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)己經(jīng)成為一種比較成熟的傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，它經(jīng)歷了三代產(chǎn)品:第一代測(cè)量機(jī)由手動(dòng)(或機(jī)動(dòng))測(cè)量，測(cè)量結(jié)果由人工處理，效率極低。第二代測(cè)量機(jī)在第一代測(cè)量機(jī)的基礎(chǔ)上，由微機(jī)處理測(cè)量結(jié)果，形成了微機(jī)化測(cè)量機(jī)。第三代測(cè)量機(jī)在第二代的基礎(chǔ)上，配備上相應(yīng)的程序控制和數(shù)據(jù)圖形化軟件處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量。其中，第三代是目前的主要產(chǎn)品。特別是近二十年來，隨著微機(jī)和光電技術(shù)的迅猛發(fā)展，三坐標(biāo)機(jī)已成為多個(gè)高科技領(lǐng)域諸多技術(shù)的融合產(chǎn)品，包括了微機(jī)、精儀、光電傳感、數(shù)據(jù)分析和人工智能等多項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。
CLY系列單臂三維測(cè)量?jī)x產(chǎn)品信息產(chǎn)品說明： CLY系列單臂三為測(cè)量?jī)x是一款具有較大測(cè)量范圍的高精度測(cè)量設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了使用者對(duì)
沖壓件、儀表板件、塑料件、中型模具件的測(cè)量要求。由于采用開放式測(cè)量，從而保證了在現(xiàn)場(chǎng)、在模具制造和仿型、在部件檢測(cè)和設(shè)計(jì)室里都可以方便的使用。
圖1-1CLY單臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)
在Y、Z方向，其整機(jī)測(cè)量范圍在1500mm x 2600mm以內(nèi)、X向測(cè)量范圍最小為2000mm、并以500mm為間距遞增的整體式測(cè)量機(jī)，采用整體式機(jī)械結(jié)構(gòu)，測(cè)量機(jī)的工作平面通過地腳螺銓固定在地基上，其工作臺(tái)表面略高于地表，或是安裝為與地表齊平，便于大型工件的裝卸。
這種類型的測(cè)量機(jī)的Y向測(cè)量范圍有兩種，1200mm 和 1500mm，其Z向測(cè)量范圍最小為1500mm，最大可以達(dá)到2600mm，X向測(cè)量范圍最小為2000mm，可以按用戶要求以500mm的長(zhǎng)度適量增大。
大中型整體式單臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)比較適宜對(duì)一般大型非對(duì)稱工件的測(cè)量檢測(cè)與劃線操作。
測(cè)量機(jī)可以根據(jù)使用要求，選配WINCOM測(cè)量軟件或XDmis測(cè)量軟件。如果被測(cè)工件為一般機(jī)加工件，測(cè)量要求為一般性的尺寸檢測(cè)，可以選用WINCOM測(cè)量軟件。如果檢測(cè)任務(wù)大部份需要與CAD數(shù)據(jù)協(xié)同比對(duì)檢測(cè)，建議選擇XDMIS測(cè)量軟件。
1.2.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成：
1， 主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)（X、Y、Z三軸或其它）；
2， 測(cè)頭系統(tǒng)；
3， 電氣控制硬件系統(tǒng)；
4， 數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)（測(cè)量軟件）；
1.2.2三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
1）采用花崗石為工作臺(tái)，其工作面平面度精度高，且穩(wěn)定性好，受環(huán)境溫度影響小。
2）立柱采用不銹鋼材料，可防銹，抗腐蝕。
3）采用精密微分頭作微調(diào)裝置，使測(cè)頭接觸工作的微調(diào)量0.01mm。
4）回轉(zhuǎn)支桿(附件另配)可提供裝夾第二只測(cè)量表（或測(cè)量傳感器），從而可擴(kuò)大本產(chǎn)品的使用功能。
5）X軸移動(dòng)方向的導(dǎo)軌采用天然花崗巖，并配備進(jìn)口雙直線導(dǎo)軌，三軸位移傳感器采用進(jìn)口金屬反射光柵和讀數(shù)頭，結(jié)合空間誤差修正技術(shù)，使用中處處體現(xiàn)高精度的3D測(cè)量。
6）配件萬向電子測(cè)頭，并通過各種測(cè)頭配件，既可以對(duì)遠(yuǎn)程和深孔進(jìn)行數(shù)據(jù)采點(diǎn)，也能完成中、小型零部件的測(cè)量
7）本測(cè)量?jī)x具有方便的現(xiàn)場(chǎng)自校定功能，用戶可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行精度校正，保證在不同環(huán)境溫度下測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。
1.3設(shè)計(jì)要求
在繪制產(chǎn)品總裝圖和部件裝配圖時(shí)要注意設(shè)計(jì)的科學(xué)性和條理性。設(shè)計(jì)一個(gè)部件，其過程大致如下：首先，確定末端執(zhí)行件的概略形狀尺寸，然后，設(shè)計(jì)末端執(zhí)行件與其相臨的下一個(gè)功能部件的結(jié)合的形式與概率尺寸。若為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)合部，則執(zhí)行件一測(cè)相當(dāng)于滑臺(tái)，相臨部件一測(cè)相當(dāng)于滑座，考慮導(dǎo)軌精度，選擇并確定導(dǎo)軌的類型及尺寸。根據(jù)導(dǎo)軌結(jié)合部的設(shè)計(jì)結(jié)果和該運(yùn)動(dòng)的行程，直到基礎(chǔ)支撐件。
在設(shè)計(jì)中，處處從實(shí)際出發(fā)分析和處理問題是至關(guān)重要的。從大處講，聯(lián)系實(shí)際是指對(duì)工藝可能性的分析，在參數(shù)擬訂和方案確定中，既要了解當(dāng)今的先進(jìn)生產(chǎn)水平和可能趨勢(shì)，更應(yīng)了解我國(guó)的實(shí)際生產(chǎn)水平，使設(shè)計(jì)的機(jī)器能發(fā)揮最佳的效果。從小處講，指對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)械零部件的制造工藝、裝配和維修要進(jìn)行認(rèn)真的切實(shí)際的考慮和分析。學(xué)會(huì)使用設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)推薦的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和各類標(biāo)準(zhǔn)要結(jié)合實(shí)際情況取舍。通過設(shè)計(jì)實(shí)踐，了解和掌握結(jié)合實(shí)際、綜合思考的設(shè)計(jì)方法。
2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)總體設(shè)計(jì)方案
2.1設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)容
設(shè)計(jì)任務(wù)定位三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其中機(jī)械部分的設(shè)計(jì)工作臺(tái)包括縱向、橫向和Z軸的運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)承擔(dān)運(yùn)動(dòng)功能。其次是夾具體的設(shè)計(jì)，包括手柄、浮動(dòng)滑塊的設(shè)計(jì)， 夾具承擔(dān)的是定位夾緊的作用。
2.2總體設(shè)計(jì)方案擬訂
方案擬訂為測(cè)量機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)其中主要是測(cè)量機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)：工作臺(tái)的橫向和縱向進(jìn)給系統(tǒng)，Z軸的進(jìn)給系統(tǒng)，工作臺(tái)上面疊加一個(gè)可拆卸的夾具體，可拆卸夾具具有兩大優(yōu)點(diǎn)：第一，使用時(shí)夾具可固定在工作臺(tái)上，不用時(shí)，即可拆下。
2.2.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)可歸類于機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)，可分為創(chuàng)新設(shè)計(jì)、變形設(shè)計(jì)、和組合設(shè)計(jì)三大類型，設(shè)計(jì)的過程隨設(shè)計(jì)類型而不同，其中創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程最典型，可分為產(chǎn)品規(guī)劃階段、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)四個(gè)階段。產(chǎn)品規(guī)劃階段的任務(wù)是明確設(shè)計(jì)任務(wù)，通常應(yīng)在市場(chǎng)調(diào)查與預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上識(shí)別產(chǎn)品需求，進(jìn)行可行性分析，制定設(shè)計(jì)技術(shù)任務(wù)書。
初步設(shè)計(jì)方案具體化，技術(shù)設(shè)計(jì)階段是將方案設(shè)計(jì)階段擬訂的初步設(shè)計(jì)方案具體化，確定結(jié)構(gòu)原理方案；進(jìn)行總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)；進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選擇較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
1）確定結(jié)構(gòu)原理放案
根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，再充分理解原理的基礎(chǔ)上，確定結(jié)構(gòu)原理方案。其中包括決定尺寸的依據(jù)，如功率、流量和聯(lián)系尺寸等；決定布局的依據(jù)等，決定和限制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空間條件，。在上述的依據(jù)約束下，對(duì)主要功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)思，初步確定其材料和形狀，進(jìn)行粗略的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
（2）總體設(shè)計(jì)
總體設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是將結(jié)構(gòu)原理方案進(jìn)一步具體化?？傮w設(shè)計(jì)的內(nèi)容大致包括主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、總體布局、系統(tǒng)原理圖、其它。
（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)原理方案結(jié)構(gòu)化，繪制產(chǎn)品總裝圖；提出初步的零件表及裝配說明書。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵守有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，充分考慮人機(jī)工程、外觀造型、結(jié)構(gòu)可靠和耐用性、加工和裝配工藝性等。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)常見的是三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)（沿X、Y、Z）和夾具體的裝配設(shè)計(jì)。
2.2.2三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)電路部分設(shè)計(jì)
三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的控制部分采用PLC控制。
本書以S7-200系列PLC為目標(biāo)機(jī)型，介紹西門子PLC的特點(diǎn)，為今后更好地學(xué)習(xí)和掌握S7-300/400打下基礎(chǔ)。S7-200系列PLC作為西門子SIMATIC PLC家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強(qiáng)大的內(nèi)置功能，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
1.S7-200系列PLC的基本硬件組成S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號(hào)的擴(kuò)展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲(chǔ)卡、寫入器、文本顯示器等。
（1）．基本單元
S7-200系列PLC中可提供4種不同的基本型號(hào)的8種CPU供選擇使用，其輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配見表2-1：
表2-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元
型 號(hào)
輸入點(diǎn)
輸出點(diǎn)
可帶擴(kuò)展模塊數(shù)
S7-200CPU221
6
4
—
S7-200CPU222
8
6
2個(gè)擴(kuò)展模塊
78路數(shù)字量I/O點(diǎn)或10路模擬量I/O點(diǎn)
S7-200CPU224
14
10
7個(gè)擴(kuò)展模塊
168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)
S7-200CPU226
24
16
2個(gè)擴(kuò)展模塊
248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)
S7-200CPU226XM
24
16
2個(gè)擴(kuò)展模塊
248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)
（2.）.擴(kuò)展單元
S7-200系列PLC主要有6種擴(kuò)展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)，S7-200系列PLC擴(kuò)展單元型號(hào)及輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配如表2-2所示。
表2-2 S7-200系列PLC擴(kuò)展單元型號(hào)及輸入輸出點(diǎn)數(shù)
類 型
型 號(hào)
輸入點(diǎn)
輸出點(diǎn)
數(shù)字量擴(kuò)展模塊
EM221
8
無
EM222
無
8
EM223
4/8/16
4/8/16
模擬量擴(kuò)展模塊
EM231
3
無
EM232
無
2
EM235
3
1
（3）.編程器
PLC在正式運(yùn)行時(shí)，不需要編程器。編程器主要用來進(jìn)行用戶程序的編制、存儲(chǔ)和管理等，并將用戶程序送入PLC中，在調(diào)試過程中，進(jìn)行監(jiān)控和故障檢測(cè)。S7-200系列PLC可采用多種編程器，一般可分為簡(jiǎn)易型和智能型。
簡(jiǎn)易型編程器是袖珍型的，簡(jiǎn)單實(shí)用，價(jià)格低廉，是一種很好的現(xiàn)場(chǎng)編程及監(jiān)測(cè)工具，但顯示功能較差，只能用指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程操作，將專用的編程軟件裝入計(jì)算機(jī)內(nèi)，可直接采用梯形圖語言編程，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，非常直觀，且功能強(qiáng)大，S7-200系列PLC的專用編程軟件為STEP7-Micro/WIN。
（4）程序存儲(chǔ)卡
為了保證程序及重要參數(shù)的安全，一般小型PLC設(shè)有外接EEPROM卡盒接口，通過該接口可以將卡盒的內(nèi)容寫入PLC，也可將PLC內(nèi)的程序及重要參數(shù)傳到外接EEPROM卡盒內(nèi)作為備份。程序存儲(chǔ)卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0兩種，程序容量分別為8K和16K程序步。
（5）.寫入器
寫入器的功能是實(shí)現(xiàn)PLC和EPROM之間的程序傳送，是將PLC中RAM區(qū)的程序通過寫入器固化到程序存儲(chǔ)卡中，或?qū)LC中程序存儲(chǔ)卡中的程序通過寫入器傳送到RAM區(qū)。
（6） 文本顯示器
文本顯示器TD200不僅是一個(gè)用于顯示系統(tǒng)信息的顯示設(shè)備，還可以作為控制單元對(duì)某個(gè)量的數(shù)值進(jìn)行修改，或直接設(shè)置輸入/輸出量。文本信息的顯示用選擇/確認(rèn)的方法，最多可顯示80條信息，每條信息最多4個(gè)變量的狀態(tài)。過程參數(shù)可在顯示器上顯示，并可以隨時(shí)修改。TD200面板上的8個(gè)可編程序的功能鍵，每個(gè)都分配了一個(gè)存儲(chǔ)器位，這些功能鍵在啟動(dòng)和測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和診斷。
2. S7-200系列PLC的主要技術(shù)性能
下面以S7-200 CPU224為例說明S7系列PLC的主要技術(shù)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
電源電壓
DC 24V，AC 100~230V
電源電壓波動(dòng)
DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）
環(huán)境溫度、濕度
水平安裝0~550C，垂直安裝0~450C，5~95%
大氣壓
860~1080hPa
保護(hù)等級(jí)
IP20到IEC529
輸出給傳感器的電壓
DC 24V （20.4-28.8V）
輸出給傳感器的電流
280mA，電子式短路保護(hù)（600mA）
為擴(kuò)展模塊提供的輸出電流
660mA
程序存儲(chǔ)器
8K字節(jié)/典型值為2.6K條指令
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
2.5K字
存儲(chǔ)器子模塊
1個(gè)可插入的存儲(chǔ)器子模塊
數(shù)據(jù)后備
整個(gè)BD1在EEPROM中無需維護(hù)
在RAM中當(dāng)前的DB1標(biāo)志位、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等通過高能電容或電池維持，后備時(shí)間190h（400C時(shí)120h），插入電池后備200天
編程語言
LAD，F(xiàn)BD，STL
程序結(jié)構(gòu)
一個(gè)主程序塊（可以包括子程序）
程序執(zhí)行
自由循環(huán)。中斷控制，定時(shí)控制（1~255ms）
子程序級(jí)
8級(jí)
用戶程序保護(hù)
3級(jí)口令保護(hù)
指令集
邏輯運(yùn)算、應(yīng)用功能
位操作執(zhí)行時(shí)間
0.37μs
掃描時(shí)間監(jiān)控
300ms（可重啟動(dòng)）
內(nèi)部標(biāo)志位
256，可保持：EEPROM中0~112
計(jì)數(shù)器
0~256，可保持：256，6個(gè)高速計(jì)數(shù)器
定時(shí)器
可保持：256，
4個(gè)定時(shí)器，1ms~30s
16個(gè)定時(shí)器，10ms~5min
236個(gè)定時(shí)器，100ms~54min
接口
一個(gè)RS485通信接口
可連接的編程器/PC
PG740PII，PG760PII，PC（AT）
本機(jī)I/O
數(shù)字量輸入：14，其中4個(gè)可用作硬件中斷，14個(gè)用于高速功能
數(shù)字量輸出：10，其中2個(gè)可用作本機(jī)功能，
模擬電位器：2個(gè)
可連接的I/O
數(shù)字量輸入/輸出：最多94/74
模擬量輸入/輸出：最多28/7（或14）
AS接口輸入/輸出：496
最多可接擴(kuò)展模塊
7個(gè)
（2）輸入特性
S7-200 CPU224的輸入特性如表2-4所示。
表2-4 S7-200 CPU224輸入特性
類型
源型或匯型
輸入電壓
DC 24V，“1信號(hào)”：14-35A，“0信號(hào)”：0-5A，
隔離
光耦隔離，6點(diǎn)和8點(diǎn)
輸入電流
“1信號(hào)”：最大4mA
輸入延遲（額定輸入電壓）
所有標(biāo)準(zhǔn)輸入：全部0.2-12.8ms（可調(diào)節(jié)）
中斷輸入：（I0.0-0.3）0.2-12.8ms（可調(diào)節(jié)）
高速計(jì)數(shù)器：（I0.0-0.5）最大30kHz
（3）輸出特性
S7-200 CPU224輸出特性如表2-5所示。
表2-5 S7-200 CPU224的輸出特性
類型
晶體管輸出型
繼電器輸出型
額定負(fù)載電壓
DC 24V（20.4-28.8V）
DC 24V（4-30V）
AC24-230V（20-250V）
輸出電壓
“1信號(hào)”：最小DC 20V
L+/L-
隔離
光耦隔離，5點(diǎn)
繼電器隔離，3點(diǎn)和4點(diǎn)
最大輸出電流
“1信號(hào)”：0.75A
“1信號(hào)”：2A
最小輸出電流
“0信號(hào)”：10μsA
“0信號(hào)”：0mA
輸出開關(guān)容量
阻性負(fù)載：0.75A
燈負(fù)載：5W
阻性負(fù)載：2A
燈負(fù)載：DC30W，AC200W
S7-200系列PLC是模塊式結(jié)構(gòu)，可以通過配接各種擴(kuò)展模塊來達(dá)到擴(kuò)展功能、擴(kuò)大控制能力的目的。目前S7-200主要有三大類擴(kuò)展模塊。
（1）輸入/輸出擴(kuò)展模塊 S7-200 CPU上已經(jīng)集成了一定數(shù)量的數(shù)字量I/O點(diǎn)，但如用戶需要多于CPU單元I/O點(diǎn)時(shí)，必須對(duì)系統(tǒng)做必要的擴(kuò)展。CPU221無I/O擴(kuò)展能力，CPU 222最多可連接2個(gè)擴(kuò)展模塊（數(shù)字量或模擬量），而CPU224和CPU226最多可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊。
S7-200 PLC系列目前總共提供共5大類擴(kuò)展模塊：數(shù)字量輸入擴(kuò)展板EM221（8路擴(kuò)展輸入）；數(shù)字量輸出擴(kuò)展板EM222（8路擴(kuò)展輸出）；數(shù)字量輸入和輸出混合擴(kuò)展板EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模擬量輸入擴(kuò)展板EM231，每個(gè)EM231可擴(kuò)展3路模擬量輸入通道，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，12位；模擬量輸入和輸出混合擴(kuò)展模板EM235，每個(gè)EM235可同時(shí)擴(kuò)展3路模擬輸入和1路模擬量輸出通道，其中A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，D/A轉(zhuǎn)換時(shí)間]100μs，位數(shù)均為12位。
基本單元通過其右側(cè)的擴(kuò)展接口用總線連接器（插件）與擴(kuò)展單元左側(cè)的擴(kuò)展接口相連接。擴(kuò)展單元正常工作需要+5VDC工作電源，此電源由基本單元通過總線連接器提供，擴(kuò)展單元的24VDC輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)電源，可由基本單元的24VDC電源供電，但要注意基本單元所提供的最大電流能力。
（2）熱電偶/熱電阻擴(kuò)展模塊 熱電偶、熱電阻模塊（EM231）是為CPU222，CPU224，CPU226設(shè)計(jì)的，S7-200與多種熱電偶、熱電阻的連接備有隔離接口。用戶通過模塊上的DIP開關(guān)來選擇熱電偶或熱電阻的類型，接線方式，測(cè)量單位和開路故障的方向。
（3）通訊擴(kuò)展模塊 除了CPU集成通訊口外，S7-200還可以通過通訊擴(kuò)展模塊連接成更大的網(wǎng)絡(luò)。S7-200系列目前有兩種通訊擴(kuò)展模塊：PROFIBUS-DP擴(kuò)展從站模塊（EM277）和AS-i接口擴(kuò)展模塊（CP243-2）。
S7-200系列PLC輸入/輸出擴(kuò)展模塊的主要技術(shù)性能如表2-6所示。
表2-6 S7-200系列PLC輸入/輸出擴(kuò)展模塊的主要技術(shù)性能
類型
數(shù)字量擴(kuò)展模塊
模擬量擴(kuò)展模塊
型號(hào)
EM221
EM222
EM223
EM231
EM232
EM235
輸入點(diǎn)
8
無
4/8/16
3
無
3
輸出點(diǎn)
無
8
4/8/16
無
2
1
隔離組點(diǎn)數(shù)
8
2
4
無
無
無
輸入電壓
DC24V
?
DC24V
?
?
?
輸出電壓
?
DC24V或AC24-230V
DC24V或AC24-230V
?
?
?
A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間
?
?
?
<250μs
?
<250μs
分辨率
?
?
?
12bit
A/D轉(zhuǎn)換
電壓：12bit
電流：11bit
12bit
A/D轉(zhuǎn)換
?2.3主要參數(shù)的設(shè)定
直線工作臺(tái)面尺寸 （長(zhǎng)×寬×高）：1000×800×40；
縱向工作行程為150mm，橫向工作行程為150mm，垂直方向的工作行程為150mm。光杠的最大距離根據(jù)夾具的尺寸確定。
工作進(jìn)給速度為1-1500mm/min，快速進(jìn)給速度 12m/min
進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的總阻力F∑
傳動(dòng)精度初步為0.1mm-0.5mm
測(cè)量工件的尺寸大小最大體積（120mm×120mm×120mm）
最小高度為20mm
3.三坐標(biāo)測(cè)量進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 進(jìn)給系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的容量的選擇
3.1.1電動(dòng)機(jī)容量的選擇原則
在機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中選擇一臺(tái)合適的電動(dòng)機(jī)是極為重要的。電動(dòng)機(jī)的選擇主要是容量的選擇，如果電動(dòng)機(jī)的容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的能力，使生產(chǎn)效率降低，另一方面電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在過載下運(yùn)行，會(huì)使它過早損壞，同時(shí)還可能出現(xiàn)啟動(dòng)困難、經(jīng)受不起沖擊負(fù)載等故障。
選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)根據(jù)以下三項(xiàng)基本原則進(jìn)行。
（1）發(fā)熱：電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須保證電動(dòng)機(jī)的實(shí)際最高工作溫度等于或略小于電機(jī)允許的最高工作溫度。
（2）過載能力：電動(dòng)機(jī)再運(yùn)行時(shí)，必須具有一定的過載能力。特別是在短期工作時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的熱慣性較大，電動(dòng)機(jī)在短期內(nèi)承受高于額定功率的負(fù)載說仍可保證上面的原則，故此時(shí)，決定電動(dòng)機(jī)容量的主要因素不是發(fā)熱而是電動(dòng)機(jī)的過載能力。既所選電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩或允許電流必須大于運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大負(fù)載電流即：
（3） 啟動(dòng)能力：由于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般較小，所以，為使電動(dòng)機(jī)能可靠啟動(dòng)，必須保證
式中
選擇電動(dòng)機(jī)容量的方法一般有計(jì)算法、統(tǒng)分析計(jì)法和類比法。
3.1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的概述
本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的直線進(jìn)給的。步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖馬達(dá)，是一種把電脈沖信號(hào)變換成直線位移或角位移的控制電機(jī)。它的位移速度和輸入脈沖數(shù)成正比，因此可以在較寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖頻率來調(diào)速，并能實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)已作為重要的執(zhí)行元件應(yīng)用于數(shù)空機(jī)床、智能儀器和自動(dòng)控制中。
3.1.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的容量的計(jì)算
下面的計(jì)算結(jié)果
所以選用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，輸出功率0.2kw，同步轉(zhuǎn)速1500r/min
電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下表一所示：
表3-1 電動(dòng)機(jī)的各種參數(shù)：
電動(dòng)機(jī)型號(hào)
步距角
最大靜轉(zhuǎn)矩（N.m）
運(yùn)行頻 率
最高空載啟動(dòng)頻率
軸徑
長(zhǎng)度
55BF003
0.75/1.5
0.686
1800
6mm
70mm
選取電動(dòng)機(jī)的輸出功率P=0.5KW 轉(zhuǎn)速為800r/min
3.2軸概述
3.2.1軸的用途
軸也是組成機(jī)器的主要零件之一，一切做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)零件，都必須安裝在軸上才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力的傳遞。因此軸的主要功能是支撐和傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。
3.2.2軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
軸的設(shè)計(jì)也和其它零件的設(shè)計(jì)相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算兩方面的內(nèi)容。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會(huì)增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是軸設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。
軸的工作能力計(jì)算指的是軸的強(qiáng)度、剛度和震動(dòng)穩(wěn)定方面的計(jì)算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。這時(shí)只需對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以防止斷裂或塑性變形。而對(duì)剛度要求的軸和受到大力的細(xì)長(zhǎng)軸，還應(yīng)進(jìn)行剛度計(jì)算，防止工作時(shí)產(chǎn)生過大的彈性變形。對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進(jìn)行震動(dòng)穩(wěn)定性的計(jì)算，防止發(fā)生共振而破壞。
3.2.3軸的材料
軸的材料主要是碳素鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。由于碳鋼比合金鋼價(jià)廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，同時(shí)也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中最常用的是45鋼。
3.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。軸的結(jié)構(gòu)主要取決于以下因素：軸在機(jī)器中的安裝位置及形式；軸上安裝零件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸聯(lián)接的方法；載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。但軸的結(jié)構(gòu)形式都必須滿足軸和裝在軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置；軸上零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整；軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。
3.3.1擬定軸上零件的裝配方案
擬定軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，它決定著軸的基本形式。所謂裝配方案，就是預(yù)定出軸上主要零件的裝配方向、順序、和相互關(guān)系。例如圖一的裝配方案是：半聯(lián)軸器、軸承端蓋、圓螺母、套筒、成對(duì)角接觸球軸承、絲杠螺母副，依次從軸的右端向左端安裝，左端只裝軸承和端蓋。這樣就對(duì)個(gè)段軸的粗細(xì)順序作了初步安排。
3.3.2 軸上零件的定位
為了防止軸上零件受力時(shí)發(fā)生沿軸向或周向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，軸上零件除了有游動(dòng)或空轉(zhuǎn)的要求 者外，都必須進(jìn)行軸向和周向定位，保證其準(zhǔn)確的工作位置。
1．零件的軸向定位
軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、軸端擋圈、軸承端蓋和圓螺母等來保證的。
利用軸肩定位是最方便可靠的方法，但采用軸肩就必然使軸的直徑加大，而且軸肩處將因截面突變而引起應(yīng)力集中。滾動(dòng)軸承的定位軸肩高度必須低于軸承內(nèi)圈端面的高度，以便拆卸軸承，軸肩的高度可查手冊(cè)中軸承的安裝尺寸。
套筒定位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位可靠，軸上不需開槽、鉆孔和切制螺紋，因而不影響軸的疲勞強(qiáng)度，一般用于軸上兩個(gè)零件之間的定位。如兩零件的間距較大時(shí)，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的質(zhì)量及材料用量。當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速很高時(shí)，也不宜采用套筒定位。
軸端擋圈適用于固定軸端零件，可以承受較大的軸向力。軸端擋圈可采用單螺釘固定，為了防止軸端擋圈轉(zhuǎn)動(dòng)造成螺釘松脫，可加圓拄銷鎖定軸端擋圈，也可采用雙螺釘加止動(dòng)墊片防松。
圓螺母定位可承受大的軸向力，當(dāng)軸上零件間距較大時(shí)常采用圓螺母。
圖3-1 軸上零件的分布
3.3.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）主要參數(shù)確定
直線工作臺(tái)面尺寸 （長(zhǎng)×寬×高）：1000×800×40；
縱向工作行程為150mm
工作進(jìn)給速度為1-1500mm/min，快速進(jìn)給速度 12m/min
進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的總阻力F∑
工作臺(tái)質(zhì)量及工作臺(tái)重量初估直線工作臺(tái)質(zhì)量
總之量
三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的縱向、橫向、垂直切削力（FX FY FZ=0）
所以，設(shè)軸向壓力F=G
（2）確定絲杠的等效負(fù)載
工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選用導(dǎo)軌為滾動(dòng)導(dǎo)軌，而一般情況下，滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.0025-0.005，取摩擦系數(shù)f為0.005，則絲杠所受的最大牽引力為
故其等效負(fù)載可按下式計(jì)算（估算 t1=t2 ;n2=2n1）
由以上確定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的總阻力F∑=12N
3.3.4初步設(shè)計(jì)軸的最小直徑
先按《機(jī)械設(shè)計(jì)》中15-2公式初步估算軸的最小直徑，選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，并根據(jù)表15-3取A0=125，于是：
輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑DI-II.為了使所選的軸的直徑DI-II聯(lián)軸器孔徑相適應(yīng)，故需同時(shí)選取聯(lián)軸器的型號(hào)。
聯(lián)軸器計(jì)算轉(zhuǎn)矩則： 按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱直徑的條件，查標(biāo)準(zhǔn)GB5843-86或手冊(cè)，選用TL1/YLD1凸緣聯(lián)軸器其技術(shù)指標(biāo)如下和圖二所示：
表3-2聯(lián)軸器的參數(shù)
型號(hào)
公稱轉(zhuǎn)矩T（N.M）
許用轉(zhuǎn)速
（r/min）
軸孔直徑D(H7)
D
D1
螺栓直徑M
L0
YL1
10
13000
6
22
17
M2
35
圖3-2 聯(lián)軸器的尺寸
根據(jù)半聯(lián)軸器的孔徑D=6mm，故取DI-II=6mm。
凸緣聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、傳遞扭矩大，用于振動(dòng)很大、低速和剛性不大的軸聯(lián)接。
3.3.5擬定軸上零件的裝配方案
本設(shè)計(jì)的裝配方案已在前面分析比較，現(xiàn)以用（圖3-1所）示的裝配方案。
3.3.6根據(jù)軸向定位的要求確定軸的個(gè)段直徑和長(zhǎng)度
① 為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，I-II段軸右端需制出一軸肩，故取II-III段的直徑DII-III=6.5mm；左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑為11mm。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度L1=17m，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上故取I-II段的長(zhǎng)度應(yīng)比L1略短一些，現(xiàn)取LI-II=14mm。
② 初步選擇滾動(dòng)軸承。
各種類型的軸承選用應(yīng)叢允許的空間、軸承負(fù)荷的大小和方向、高速性能、旋轉(zhuǎn)精度、剛度、振動(dòng)與噪聲、軸向游動(dòng)、摩擦力矩、安裝與拆卸等方面綜合考慮，全面衡量，擇優(yōu)選擇滿足設(shè)計(jì)要求的軸承類型。因軸承受軸向力的作用，故選用角接觸球軸承。成對(duì)安裝角接觸球軸承：滾子相對(duì)外圈滾道軸向移動(dòng)。通過軸向預(yù)緊提高支撐剛度。參照工作要求并根據(jù)套筒和圓螺母在左端對(duì)軸承定位取DIII-IV=7mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取角接觸球軸承，其基本尺寸為d×D×B=8mm×15mm×4mm，故取DIV-V=8mm，右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊(cè)上查得角接觸球軸承的定位軸肩高度h=0.5mm,因此取DV-VI=9mm。
③ 軸承端蓋的總寬度為1.8mm。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對(duì)軸承添加潤(rùn)滑脂的要求，取端蓋的外面與半聯(lián)軸器又端面的距離L=3.5mm，為了使套筒和圓螺母的裝拆方便，軸承端蓋與DII-III之間的距離為1.2mm，故取LII-III=6.5mm。
④去安裝圓螺母處的直徑DIII-IV=7mm；軸承右端采用套筒定位，套筒長(zhǎng)度為4.5mm，為了使套筒右端面更好的對(duì)軸承進(jìn)行軸向定位，并與軸緊密接觸，取套筒右端面與DIV-V左端面的距離為1.5mm，故取LIV-V=9.5mm，取LIII-IV=6.5mm。
⑤ 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)縱向工作行程為150mm。
⑥同理得出，后邊各軸的直徑和長(zhǎng)度
至此已經(jīng)初步確定了各段軸的直徑和長(zhǎng)度。
3.3.7軸上零件的軸向定位
半聯(lián)軸器與軸的軸向定位采用平鍵定位。由手冊(cè)查得平鍵截面b×h=28mmX6mm（GB1096-79），
3.3.8確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸的倒角為。各段軸肩處的圓角半徑見裝配圖。
3.4 絲杠螺母副的選用計(jì)算
3.4.1絲杠螺母的導(dǎo)程的確定
再本設(shè)計(jì)中，電機(jī)與絲杠直接相連，傳動(dòng)比i=1，選擇電機(jī)Y系列異步電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為
3.4.2. 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速
最大進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為
最慢進(jìn)給時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速為
則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速（估計(jì)）為
3.4.3.絲杠的等效負(fù)載上邊已經(jīng)闡明過了
3.4.4.確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷查表，取絲杠的工作壽命Th為15000h，同時(shí)取精度系數(shù)fa=1，負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)fw=105，溫度系數(shù)ft=0.95，硬度系數(shù)fh=1，可靠性系數(shù)fk=0.53；平均轉(zhuǎn)速為1000r/min。
選用滑動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，絲杠公稱直徑為，基本導(dǎo)程，絲杠螺母的接觸剛度為1692N/，螺旋升角絲杠的底徑26mm，螺母長(zhǎng)度為210mm，取絲杠的精度等級(jí)為1級(jí)。
3.4.5. 臨界壓縮負(fù)荷
確定絲杠螺紋部分的長(zhǎng)度LU。LU等于工作臺(tái)的最大行程（750mm）加上螺母長(zhǎng)度（60mm）加兩端余程（20mm）。LU為850mm。
支撐跨度L1應(yīng)略大于LU，取為L(zhǎng)1=900mm。絲杠全長(zhǎng)為L(zhǎng)=1000mm。臨界壓縮負(fù)荷為
式中E- 材料的彈性模量，；
I—— 絲杠最小截面慣性矩
L0——最大受壓長(zhǎng)度，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取L0=1100mm；
K1——安全系數(shù)，一般取K1=1/3；
——最大軸向工作載荷， ；
——絲杠支撐方式系數(shù)，查表得，則
可見遠(yuǎn)大于，滿足要
3.4.6.臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算
式中 A——絲杠最小橫截面：
LC——臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度：
??；
——安全系數(shù)，一般為0.8；
——材料的密度：
——絲杠支撐方式系數(shù)，查表，則
可見遠(yuǎn)大于，滿足要求。
考慮到本設(shè)計(jì)的絲杠較長(zhǎng)，故采用一端固定、另一端游動(dòng)的支撐方式，固定端選用成對(duì)絲杠軸承組合，額定動(dòng)載荷，預(yù)緊力為2000
3.4.7 .計(jì)算軸承動(dòng)載荷
壽命系數(shù)為：
式中 ——壽命系數(shù)：
——可靠性為90%的額定壽命，取為10000h；
——轉(zhuǎn)速系數(shù)：
；
計(jì)算轉(zhuǎn)速取最高轉(zhuǎn)速，??；
故能滿足要求。
3.4.8.絲杠拉壓振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率驗(yàn)算
已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度
當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。螺母座剛度。軸向拉壓總剛度為：
絲杠拉壓振動(dòng)的固有頻率
由計(jì)算可知，絲杠拉壓振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1500r/min，所以能滿足要求。
3.5絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度
絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得平移物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
絲杠扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率為：
顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1500r/min，所以，能滿足要求。
3.6傳動(dòng)精度計(jì)算
絲杠的拉壓剛度
由以上的各條件可知
最小機(jī)械傳動(dòng)剛度為
最大機(jī)械傳動(dòng)剛度
因此得到由于機(jī)械傳動(dòng)裝置所引起的定位誤差為
其中，F(xiàn)0為空載時(shí)導(dǎo)軌的靜摩擦力。
3.7 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算
導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。例如車床的床身導(dǎo)軌屬于進(jìn)給導(dǎo)軌，本設(shè)計(jì)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的導(dǎo)軌也屬于進(jìn)給導(dǎo)軌，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)導(dǎo)軌與支撐的靜導(dǎo)軌之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較低。滾動(dòng)導(dǎo)軌在兩導(dǎo)軌面間裝有球、滾子或滾針等滾動(dòng)元件，具有滾動(dòng)摩擦性質(zhì)，廣泛的用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌領(lǐng)域。貼塑導(dǎo)軌也具有良好的減摩性。
3.7.1滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)及配置直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)支撐中，滾動(dòng)體作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌叫做直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副組件，（見下圖）。
圖3-7 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的形狀
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副包括軌條和滑快兩部分。導(dǎo)軌通常為兩根，裝在支撐件上，見上圖。每根導(dǎo)軌條上有兩個(gè)滑塊，固定在移動(dòng)件上。如移動(dòng)件較長(zhǎng)，也可以在一根導(dǎo)軌條上裝3個(gè)或3個(gè)以上滑塊。如移動(dòng)件較重，也可以用3根或3根以上的導(dǎo)軌條。如果移動(dòng)件的剛度較高，則少裝為好。
3.7.2滾動(dòng)導(dǎo)軌副的預(yù)緊
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副分為整體型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副和分離型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。整體型的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副由制造廠用選配不同直線鋼球的辦法來決定間隙或預(yù)緊。可根據(jù)要求的預(yù)緊定貨，不需自己調(diào)整。分離型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，應(yīng)由用戶根據(jù)需要。
3.7.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌副潤(rùn)滑防護(hù)
滾動(dòng)導(dǎo)軌多采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。常用的牌號(hào)為ZL-2鋰基潤(rùn)滑脂（GB7324-87，2號(hào)）它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)泄露，不需經(jīng)常加油。缺點(diǎn)是塵屑進(jìn)入后易磨損搗鬼，因此對(duì)防護(hù)要求較高。易被污染又難以防護(hù)的地方，可用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。
3.8橫向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算（同以上方法）
3.9縱向、橫向的移動(dòng)工作臺(tái)的裝配圖見（圖3-1）
論文總結(jié)
隨著現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，零件的加工趨于縮小化，這就對(duì)其加工精度提出了很高的要求，本設(shè)計(jì)三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)就適應(yīng)了現(xiàn)代機(jī)械的發(fā)展，將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)測(cè)量空間，可獲得被測(cè)物體上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算求出被測(cè)物體的幾何尺寸，形狀和位置。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是電子技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)檢測(cè)技術(shù)發(fā)生著極其深刻的和巨大的變化，尤其對(duì)測(cè)量精度的高要求，它依托的理論基礎(chǔ)和技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)不限于測(cè)量學(xué)，還包括傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制思想理論等等。該設(shè)計(jì)說明書在總結(jié)了前人的工作基礎(chǔ)上，詳細(xì)的對(duì)測(cè)頭和進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)用化、智能化的改進(jìn)。 主要表現(xiàn)在現(xiàn)代傳統(tǒng)的波動(dòng)檢測(cè)沒有被采用，而采用了機(jī)械測(cè)量，看上去是比較古老，而結(jié)合當(dāng)代電子技術(shù)和控制思想就與眾不同了。單片機(jī)技術(shù)測(cè)量比較穩(wěn)定，LED顯示也是比較準(zhǔn)確精確，比傳統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量方法自動(dòng)技術(shù)提高了，顯示也相對(duì)精確了，而不在因?yàn)椴牧系牟煌绊憸y(cè)量精度了，只要是在測(cè)量范圍內(nèi)的各種壁厚均可以測(cè)量，大大擴(kuò)大了測(cè)量的范圍，同時(shí)也提高了工作生產(chǎn)效率。由于造價(jià)不高，也能發(fā)展中小企業(yè)，我想它會(huì)成為壁厚檢測(cè)的一種主流方式。
致謝
半學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)也已經(jīng)到了尾聲階段，論文的完成標(biāo)志著四年的大學(xué)學(xué)習(xí)即將結(jié)束，也意味著，新的生活即將開始。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的半年里，我學(xué)到了很多知識(shí)，同時(shí)也得到了很多經(jīng)驗(yàn)，給我即將結(jié)束的大學(xué)生活留下了很多值得回憶的經(jīng)歷，也給了我許多日后可以借鑒的豐富經(jīng)驗(yàn)。
這篇論文的題目涉及到的領(lǐng)域是現(xiàn)今最流行的技術(shù)——三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)技術(shù)，這是我今后的發(fā)展方向，我對(duì)在畢業(yè)之前就能接觸并深入了解這一科目而感到其慶幸，因此我在這里要特別感謝我的指導(dǎo)教師賀紅林老師。
衷心感謝賀紅林老師在這近半年的時(shí)間來對(duì)我的指導(dǎo)和教誨。您開闊的思維、敏銳的洞察力一直給我很大的啟發(fā)。唯一的遺憾是自己不夠主動(dòng)，錯(cuò)過了許多與您交流的機(jī)會(huì)。
同時(shí)還要對(duì)班級(jí)同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予我的無私幫助，再次一并表示感謝。
畢業(yè)設(shè)計(jì)將給我四年的大學(xué)生活畫上圓滿的句號(hào)，這是我人生一個(gè)最重要的階段，也是我最重要的人生經(jīng)歷。它預(yù)示我新生活的開始，我將會(huì)更珍惜以后的每一個(gè)人生階段，因?yàn)槊恳欢稳松?jīng)歷都將影響著我的生活，導(dǎo)致我或成功或失敗 ，因此我將認(rèn)真過好我的每一天。
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