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中文摘要
隨著工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)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(chǎn)的需要，在加工設(shè)備提高功效、自動(dòng)化更強(qiáng)的基礎(chǔ)上，要求計(jì)量檢測(cè)手段應(yīng)當(dāng)高速、柔性化、通用化，而固定的、專用的或手動(dòng)的工量具大大限制了大批量制造和復(fù)雜零件加工業(yè)的發(fā)展；平板加高度尺加卡尺的檢驗(yàn)?zāi)Ｊ揭淹耆贿m用現(xiàn)代化柔性制造和更多復(fù)雜形狀工件的測(cè)量需要，所有這些促進(jìn)和推動(dòng)了近代坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為一種測(cè)量?jī)x器，越來(lái)越廣泛的應(yīng)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(duì)各種空間自由曲面等復(fù)雜形面的檢測(cè)尤為適用。三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)自從20實(shí)際60年代發(fā)展以來(lái)，已經(jīng)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(biāo)測(cè)量機(jī)為研究對(duì)象，概述了測(cè)量機(jī)的基本原理及基本組成，描述坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及發(fā)展方向，重點(diǎn)討論了激光測(cè)距式非接觸三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)縱軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選用及實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：測(cè)量，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
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(biāo)測(cè)量機(jī)的簡(jiǎn)述················································1
1.2 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本組成··············································1
1.3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)················································1
1.4 激光測(cè)量機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)量過(guò)程······································3
1.5 國(guó)內(nèi)外概況························································3
1.5.1 國(guó)外概況······················································3
1.5.2 國(guó)內(nèi)概況······················································4
1.6 設(shè)計(jì)概述··························································5
第二章 設(shè)計(jì)說(shuō)明··············································6
2.1 立柱設(shè)計(jì)·························································6
2.1.1 立柱的作用及特點(diǎn)··············································6
2.1.2 材料選用······················································7
2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)······················································8
2.2.1 機(jī)構(gòu)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(hù)和潤(rùn)滑·······································11
2.3 軸承選用·························································12
2.4 導(dǎo)軌副的選用·····················································13
2.4.1 直線導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)形式···········································13
2.4.2 材料、熱處理及防護(hù)············································14
2.5 裝配·····························································15
2.6 主要參數(shù)的設(shè)定···················································15
第三章 設(shè)計(jì)計(jì)算·············································17
3.1 Y軸滾珠絲杠副的選擇計(jì)算·········································17
第四章 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的未來(lái)展望·······························24
總結(jié)
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄
VI
朱明智 激光測(cè)量機(jī)縱軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
第一章 緒 論
1.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的簡(jiǎn)述
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)CMM（3D Coodinate Measuring Machine）簡(jiǎn)稱測(cè)量機(jī)。它是以精密機(jī)械為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用光學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的測(cè)量?jī)x器。
任何形狀都是由空間點(diǎn)組成，所有的幾何量測(cè)量都可以歸結(jié)為空間點(diǎn)的測(cè)量，因此精確進(jìn)行空間點(diǎn)坐標(biāo)的采集，是評(píng)定任何幾何形狀的基礎(chǔ)。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本原理就是將被測(cè)零件放入它允許的測(cè)量空間，精確的測(cè)出被測(cè)零件表面的點(diǎn)在空間三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，擬和形成測(cè)量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)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(lái)，由于現(xiàn)代工藝技術(shù)的進(jìn)步（計(jì)算機(jī)、集成電路、新材料、氣浮技術(shù)、傳感技術(shù)等），促進(jìn)了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）的發(fā)展。它不僅能測(cè)量箱體、汽缸蓋、渦輪、葉片、齒輪、凸輪、模具、各種機(jī)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(jī)、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(jī)集成系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)一體化。
1.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本組成
測(cè)量機(jī)一般由主機(jī)、電子系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及探測(cè)系統(tǒng)所組成。主機(jī)包括了其上附屬的裝置如光柵、電機(jī)等；電氣系統(tǒng)包括電控柜及計(jì)算機(jī)；測(cè)量軟件形式很多，如通用軟件、統(tǒng)計(jì)分析軟件等，由于誤差補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展及算法和控制軟件的改進(jìn)，測(cè)量機(jī)精度在很大精度上依賴于軟件；探測(cè)系統(tǒng)是有測(cè)頭及其附件組成的系統(tǒng)，測(cè)頭是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的關(guān)鍵部件，測(cè)頭精度的高低很大程度決定了測(cè)量機(jī)的測(cè)量重復(fù)性及精度。
1.3三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)有不同的操作需求、測(cè)量范圍和測(cè)量精度，這些對(duì)選用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是很重要的。各種類型的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)外形敘述如下：
圖1.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)
（1）懸臂式：前面開(kāi)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(jī)。
（2）活動(dòng)水平臂式：測(cè)量空間大，立柱運(yùn)動(dòng)方向可以充分加長(zhǎng)，但由于水平軸受變形的影響較大，長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)引進(jìn)的阿貝誤差，工作臺(tái)承載能力不能太大。適用于小型機(jī)。
（4）單柱式：立柱運(yùn)動(dòng)與水平運(yùn)動(dòng)分開(kāi)，可以達(dá)到較高的精度。由于具有二維水平運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)加工復(fù)雜，難于推廣。適合小型機(jī)或稍大一些的機(jī)型。
（5）移動(dòng)龍門(mén)式：工作臺(tái)承載能力大，不影響運(yùn)動(dòng)部件的精度，但由于橫梁上的運(yùn)動(dòng)部件影響移動(dòng)龍門(mén)的重心，加之絕大部分生產(chǎn)廠龍門(mén)架為開(kāi)口狀且為單邊驅(qū)動(dòng)，影響運(yùn)動(dòng)剛性，扭轉(zhuǎn)也大，最終影響測(cè)量機(jī)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。
（6）固定龍門(mén)式：整機(jī)剛性好，負(fù)載變化時(shí)機(jī)械變型小，可以在中央驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，可以通過(guò)適當(dāng)加大固定龍門(mén)的體積來(lái)提高龍門(mén)上運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)精度，半閉式氣浮導(dǎo)軌剛性好。缺點(diǎn)是承載不能太大，不利于發(fā)展高速測(cè)量機(jī)。適用于中小型機(jī)型。
（7）L型橋式：與移動(dòng)龍門(mén)所存在的問(wèn)題相似，現(xiàn)很少被采用。
（8）高架橋式：由于運(yùn)動(dòng)部件被架在兩個(gè)固定龍門(mén)之間，當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件采用高強(qiáng)度輕型材料時(shí)，運(yùn)動(dòng)性能可以優(yōu)于移動(dòng)龍門(mén)式，更利于發(fā)展高速測(cè)量機(jī)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。適用于中型和大型機(jī)。
1.4激光測(cè)量機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)量過(guò)程
激光非接觸式三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)主要由：三維掃描機(jī)構(gòu)、激光非接觸測(cè)量頭及對(duì)準(zhǔn)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(shí)質(zhì)上是由一個(gè)水平X軸、一個(gè)垂直Y軸、一個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)加上CCD激光測(cè)量頭等構(gòu)成的特別適合回轉(zhuǎn)體高速非接觸測(cè)量的三坐標(biāo)機(jī)。
系統(tǒng)工作過(guò)程為：主控程序先完成系統(tǒng)的初始化,然后把被測(cè)量部件放在轉(zhuǎn)臺(tái)上,在測(cè)量過(guò)程中轉(zhuǎn)臺(tái)一直勻速旋轉(zhuǎn)。測(cè)量從最底圈開(kāi)始,一圈一圈測(cè)量。當(dāng)測(cè)量一圈時(shí),主控程序啟動(dòng)控制模塊控制橫梁和滑動(dòng)臂沿水平及垂直方向運(yùn)動(dòng),使得測(cè)量點(diǎn)在測(cè)量頭的測(cè)量范圍內(nèi),然后轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn),使得測(cè)量頭對(duì)準(zhǔn)被測(cè)部件。轉(zhuǎn)頭運(yùn)動(dòng)完畢后,運(yùn)動(dòng)控制模塊通知主控程序運(yùn)動(dòng)結(jié)束,然后由主控程序啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊在高精度定時(shí)線程的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)測(cè)量完一圈后,數(shù)據(jù)采集模塊暫停,同時(shí)通知主控程序完成一圈數(shù)據(jù)采集。這時(shí)候主控制程序再啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制模塊 來(lái)調(diào)整測(cè)量頭的位置,準(zhǔn)備測(cè)量下一圈。這樣一直測(cè)量到最后一圈,然后系統(tǒng)復(fù)位。數(shù)據(jù)利用串行化技術(shù)存儲(chǔ),以供數(shù)據(jù)處理程序處理。
1.5 國(guó)內(nèi)外概況
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)屬于高精度測(cè)量?jī)x器，在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)有大約50年的發(fā)展歷史。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車、航空、模具制造等工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮著非常重要的作用。隨著高新技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展空間。
1.5.1國(guó)外概況
國(guó)外三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠家較多，系列品種很多，大多數(shù)都有劃線功能。注明的國(guó)外生產(chǎn)廠家有德國(guó)Zeiss和Leitz、意大利的DEA、美國(guó)的布朗－夏普、日本的三豐等公司。
總的來(lái)說(shuō)，國(guó)外機(jī)器油一下特點(diǎn)：（1）絕大多數(shù)機(jī)器總體布局為懸臂式，空間敞開(kāi)性好，便于安裝大的零件或整車；（2）采用“AutoCAD”和有限元法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)較合理，造型優(yōu)美；（3）專項(xiàng)開(kāi)發(fā)力量強(qiáng)，專用軟件和附件較多，能滿足更多用戶的特殊需要；（4）移動(dòng)構(gòu)件多數(shù)用合金鋁材，移動(dòng)件質(zhì)量盡可能小，做到高剛性、低慣性；（5）配有21項(xiàng)誤差補(bǔ)償軟件，可以廉價(jià)地提高機(jī)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(hào)處理器，是超大規(guī)模集成電路。它除了有較高的運(yùn)算和控制功能外，還有內(nèi)部存儲(chǔ)的許多可供開(kāi)發(fā)的高級(jí)語(yǔ)言程序；（7）絕大多數(shù)機(jī)器采用Renishow公司（英國(guó)）的電測(cè)頭，功能齊全，質(zhì)量可靠；（8）配有功能齊全的控制測(cè)量軟件、專用和誤差修正軟件；（9）機(jī)器的性能高度穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)；（10）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與計(jì)算機(jī)工作站和數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)；（11）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)技術(shù)近十多年來(lái)突飛猛進(jìn)發(fā)展，特別是數(shù)控系統(tǒng)和測(cè)量軟件每二三年便更新一代，系列品種齊全，三化（標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化）程度高。
1.5.2 國(guó)內(nèi)概況
在我國(guó)，第一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誕生于1968年，這還不是自主研發(fā)的，在這之后我國(guó)開(kāi)始自主研發(fā)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)三坐標(biāo)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)十分激烈。
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀成了眾多業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的問(wèn)題，正確的認(rèn)識(shí)該方面的信息，不僅對(duì)供貨商有著不可忽略的積極作用，更對(duì)買家有著積極意義，為了讓更多人更合理的認(rèn)識(shí)該方面的知識(shí)。
根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局最新統(tǒng)計(jì)，2013年儀器儀表制造業(yè)增加值增長(zhǎng)速度為13%左右。三坐標(biāo)測(cè)量市場(chǎng)需求也以年均20%左右的速度增長(zhǎng)。另有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家各國(guó)數(shù)控機(jī)床與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的比例為9:1,美國(guó)為6:1.我國(guó)目前擁有各類數(shù)控機(jī)床多達(dá)八十萬(wàn)臺(tái)，如果按照20:1的比例計(jì)算，則三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的累計(jì)需求應(yīng)在四萬(wàn)臺(tái)左右，且數(shù)控機(jī)床保有量每年在不斷增加。
我國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求潛力巨大，而且市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也十分激烈，這就是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)行業(yè)在中國(guó)的現(xiàn)狀，在這種大環(huán)境下，高質(zhì)量的產(chǎn)品與服務(wù)成為了讓企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)市場(chǎng)的關(guān)鍵，福萊德就是測(cè)量行業(yè)的典范。福萊德測(cè)量就是一直秉承著"放心產(chǎn)品，貼心服務(wù)"的宗旨，從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到生產(chǎn)制造，再到售后其中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，福萊德產(chǎn)品均采用國(guó)際一流的標(biāo)準(zhǔn)，多年來(lái)贏得了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的一致好評(píng)，福萊德也因此連續(xù)多年成為在國(guó)內(nèi)品牌三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中生產(chǎn)銷量排名第一企業(yè)。
1.6 設(shè)計(jì)概述
鑒于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在工業(yè)中的特殊作用，對(duì)其研究是非常必要的。但是由于知識(shí)和時(shí)間的限制只能對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)立柱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。至于底座傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)則不進(jìn)行研究。我的設(shè)計(jì)流程大致如下：
1. 完成激光測(cè)量機(jī)的Y軸的裝配結(jié)構(gòu)圖。
2. 完成部分零件圖。
3. 對(duì)絲杠進(jìn)行校核計(jì)算。
4. 對(duì)所涉及的部分零件建立其三維模型。
第二章 設(shè)計(jì)說(shuō)明
2.1立柱設(shè)計(jì)
2.1.1立柱的作用及特點(diǎn)
立柱的變形和振動(dòng)，將直接影響設(shè)備的加工質(zhì)量和正常運(yùn)轉(zhuǎn)，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(shè)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(huì)使其產(chǎn)生變形、振動(dòng)或爬行，影響設(shè)備的定位精度、加工精度及其他性能。因此，機(jī)座與機(jī)架必須有足夠的剛度，主要是其本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度。動(dòng)剛度和靜剛度、材料阻尼及固有頻率有關(guān)。動(dòng)剛度是衡量抗振性的主要指標(biāo)，一般情況下，動(dòng)剛度越高，抗振性越好。
（2）減少熱變形 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)、強(qiáng)光源、烘箱等熱源散發(fā)出的熱量，零部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦生熱，都將傳到機(jī)座上。如果熱量分布不均勻，散發(fā)不相等，機(jī)座就將由于溫差而產(chǎn)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(nèi)部發(fā)熱時(shí)產(chǎn)生熱變形的主要熱源，應(yīng)盡量將熱源從主機(jī)中分離出去。對(duì)不能與主機(jī)分離的熱源，如主軸軸承、絲杠螺母副等則應(yīng)改善其潤(rùn)滑條件和摩擦特性，以減少內(nèi)部發(fā)熱。
②散熱良好：在減少發(fā)熱的同時(shí)，應(yīng)注意散熱，必要時(shí)對(duì)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(jī)構(gòu)設(shè)備，如集成電路制版、測(cè)試等設(shè)備，應(yīng)放在恒溫室內(nèi)。
④選擇熱變形對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式：在相同的發(fā)熱條件下結(jié)構(gòu)對(duì)熱變形有很大的影響。實(shí)踐證明采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在同等的受熱條件下，其熱變形可以通過(guò)坐標(biāo)（位移）補(bǔ)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(dòng)的能力。受迫振動(dòng)的振源可能存在于設(shè)備的內(nèi)部，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子或傳動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)時(shí)的不平衡；往返運(yùn)動(dòng)件的換向沖擊等。振源也可能來(lái)設(shè)備的外部，如鄰近的機(jī)器、車輛、人員活動(dòng)（走路、開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)、搬運(yùn)東西等）以及恒溫室的通風(fēng)機(jī)、冷凍機(jī)等。當(dāng)機(jī)座受到振源的影響時(shí)，除了使整機(jī)作搖晃振動(dòng)外，各主要部件及其相互間還會(huì)產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，尤其是當(dāng)振源頻率與某一構(gòu)件的固有頻率重合時(shí)，將產(chǎn)生共振，而嚴(yán)重影響設(shè)備的正常工作和使用壽命。為了提高機(jī)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(chǎn)生共振。
②增加阻尼 增加阻尼對(duì)提高動(dòng)剛度有很大作用。液體動(dòng)壓或液體、氣體靜壓導(dǎo)軌的阻尼比滾動(dòng)導(dǎo)軌大。
③減輕重量 在不降低機(jī)座靜剛度的前提下，減輕重量可提高固有頻率。如適當(dāng)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(shè)備的周圍挖隔振；由空氣彈簧將設(shè)備浮起；加橡膠墊腳等。
（4）保證精度 如果立柱制造不準(zhǔn)確，則裝在它上面的工件部件的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)都不會(huì)準(zhǔn)確，這樣就會(huì)影響設(shè)備的總精度，從而給被加工的工件帶來(lái)較大的誤差。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)某些關(guān)鍵的表面和部位應(yīng)提出一定的精度要求。
（5）良好的結(jié)構(gòu)工藝性 進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮機(jī)械加工工藝性和裝配工藝性。
2.1.2材料選用
立柱材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)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(jī)架的常用材料。
（1） 鑄鐵
鑄鐵熔點(diǎn)低、鑄造性好，易成型為各種復(fù)雜形狀。它吸振性和耐磨性好，成本低，是一種應(yīng)用最廣泛的材料。鑄件須進(jìn)行時(shí)效處理以消除內(nèi)應(yīng)力。鑄件的缺點(diǎn)是需做木模，制造周期長(zhǎng)，單件制造成本高，鑄造易出廢品，如有時(shí)會(huì)產(chǎn)生縮孔、氣泡、砂眼等缺陷；鑄造加工余量大，機(jī)加工成本高。
（2） 低碳鋼
由低碳鋼焊接成的構(gòu)件，其彈性模量比鑄鐵大，在承受同樣的載荷時(shí)，壁厚比鑄件薄，因而質(zhì)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(jié)構(gòu)上須采取防振措施。鋼材焊成后，須進(jìn)行實(shí)效、退火等處理，以消除焊接應(yīng)力。
（3） 花崗巖
近年來(lái)，花崗巖、大理石、天然巖石等材料已廣泛應(yīng)用于各種高精度機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)座，如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)、金剛石車床的床身以及平板、導(dǎo)軌、底座橫梁、立柱等。花崗巖具有許多優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，無(wú)內(nèi)應(yīng)力，幾乎不變形，能長(zhǎng)期保證穩(wěn)定的精度；通過(guò)研磨拋光，容易得到穩(wěn)定的精度和非常光滑的表面；對(duì)溫度不敏感，熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)均很??；吸振性好，內(nèi)阻尼系數(shù)比鋼打15倍；耐磨性比鑄鐵高5~10倍；不導(dǎo)電、抗磁、抗氧化。主要缺點(diǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1機(jī)構(gòu)選用
激光測(cè)量機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)其往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油汽缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)等。
激光測(cè)量機(jī)是高精度測(cè)量設(shè)備，因此其傳動(dòng)元件可采用滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球?yàn)闈L動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)元件。它可將選擇運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠副與滑動(dòng)絲杠副或其他直線運(yùn)動(dòng)副相比，有一下特點(diǎn)：
（1）傳動(dòng)效率高。一般滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率高達(dá)0.90~0.95為滑動(dòng)絲杠副的3~4倍。傳動(dòng)精度高、剛度好。絲杠螺母預(yù)緊后，可以完全消除間隙產(chǎn)生過(guò)盈。
（2）定位精度和重復(fù)定位精度高。由于滾珠絲杠副摩擦小、溫升少，因此可以達(dá)到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。
（3）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。滾動(dòng)摩擦系數(shù)幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，動(dòng)靜摩擦力之差極小，啟動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊，低速時(shí)無(wú)爬行，保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。
（4）使用壽命長(zhǎng)。滾珠絲杠副的摩擦表面硬度高（58~62HRC）、精度高，具有較長(zhǎng)的工作壽命和精度特性。壽命為滑動(dòng)絲杠副的4~10倍。
（5）可靠性高。潤(rùn)滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。
（6）不能自鎖、有可逆性。即能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，也能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以滿足一些特殊要求的傳動(dòng)場(chǎng)合，但用于垂直傳動(dòng)時(shí)，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動(dòng)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(dòng)元件。滾珠絲杠副有多種結(jié)構(gòu)型式。按滾珠循環(huán)方式分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類。外循環(huán)回珠器用插管式的較多，內(nèi)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(yù)加負(fù)載形式分，可分為單螺母無(wú)預(yù)緊、單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊、單螺母加大鋼球徑向預(yù)緊、雙螺母墊片預(yù)緊、雙螺母差齒預(yù)緊、雙螺母螺紋預(yù)緊。精密機(jī)床上常用雙螺母墊片式預(yù)緊，其預(yù)緊力一般為軸向載荷的1/3。
滾珠絲杠副與滑動(dòng)絲杠螺母副比較有很多優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)效率高、靈敏度高、傳動(dòng)平穩(wěn)；磨損小、壽命長(zhǎng)；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(cè)量機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)要獲得較高的傳動(dòng)剛度，除了加強(qiáng)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(jié)構(gòu)剛度也是不可忽視的因素。螺母座及支撐座都應(yīng)具有足夠的剛度和精度。通常都適當(dāng)加大和結(jié)合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸強(qiáng)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(zhuǎn)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(shí)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(dòng)，可以避免或減少絲杠因自重而出現(xiàn)的彎曲。同時(shí)絲杠熱變形可以自由地向一端伸長(zhǎng)。
圖2.2
（2）“固定-固定”型 適用于高轉(zhuǎn)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(shí)承受軸向力和徑向力，這種支承方式，可以對(duì)絲杠施加適當(dāng)?shù)念A(yù)拉力，提高絲杠支承剛度，可以部分補(bǔ)償絲杠的熱變形。
圖2.3
（3）“固定-自由”型 適用于低轉(zhuǎn)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(shí)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(zhuǎn)速，中精度。如圖2.5所示，絲杠兩端支承：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)絲杠的熱伸長(zhǎng)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(hù)和潤(rùn)滑
（1）滾珠絲杠副的防護(hù) 滾珠絲杠副和其他滾動(dòng)摩擦的傳動(dòng)器件一樣，應(yīng)避免硬質(zhì)灰塵或切屑污物進(jìn)入，因此必須裝有防護(hù)裝置。如果滾珠絲杠副在機(jī)床上外露，則應(yīng)采用封閉的防護(hù)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(shí)將防護(hù)罩的一端連接在滾珠螺母的側(cè)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(hù)，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(nèi)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(zhì)塑料制成，其內(nèi)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(yīng)避免碰擊防護(hù)裝置，防護(hù)裝置一有損壞應(yīng)及時(shí)更換。
（2）滾珠絲杠副的潤(rùn)滑 潤(rùn)滑劑可提高耐磨性及傳動(dòng)效率。潤(rùn)滑劑可分為潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂兩大類。潤(rùn)滑油一般為全損耗系統(tǒng)用油：潤(rùn)滑脂可采用鋰基潤(rùn)滑脂。潤(rùn)滑脂一般加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內(nèi)，而潤(rùn)滑油則經(jīng)過(guò)殼體上的油孔注入螺母的空間內(nèi)。每半年對(duì)滾珠絲杠上的潤(rùn)滑脂更換一次，清洗絲杠上的舊潤(rùn)滑脂，涂上新的潤(rùn)滑脂。用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的滾珠絲杠副，可在每次機(jī)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(dāng)?shù)臐L動(dòng)軸承也是十分重要的。選擇軸承的類型主要由下列幾個(gè)因素有關(guān)：
（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(nèi)外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承，如同時(shí)還存在軸或殼體變形大以及安裝對(duì)中性差的情況，可選用調(diào)心球軸承、調(diào)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(shí)要求調(diào)心性能，可選用推力調(diào)心滾子軸承。一般角接觸軸承和圓錐滾子軸承需要成對(duì)安裝使用。
（3）軸承工作轉(zhuǎn)速。一般軸承的工作轉(zhuǎn)速低于極限轉(zhuǎn)速，深溝球軸承、角接觸球軸承和圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速較高，適用于高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，推力軸承的極限轉(zhuǎn)速較低。
（4）旋轉(zhuǎn)精度。一般機(jī)械均可用G級(jí)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(guò)“預(yù)緊”，但必須適當(dāng)。
（6）軸向游動(dòng)。軸承配置通常是一端固定，一端游動(dòng)，以適應(yīng)軸的熱脹冷縮，保證軸承游動(dòng)方式，一是可選用內(nèi)圈或外圈無(wú)擋邊的軸承，另一種是在內(nèi)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(gè)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(dòng)支承位軸向不限位，可選用內(nèi)外圈不分離的軸承。在軸兩端采用了徑向間隙不可調(diào)的向心軸承，且軸向位移是以兩端端蓋限定時(shí)，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(jī)械（如儀器），應(yīng)盡量采用球軸承，還應(yīng)避免采用接觸式密封軸承。
（8）安裝與拆卸。裝卸頻繁時(shí)，可選用分離型軸承，或選用內(nèi)圈為圓錐孔的、帶緊定套或退卸套的調(diào)心滾子軸承、調(diào)心球軸承。
國(guó)內(nèi)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(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)尺寸。
激光測(cè)量機(jī)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(dǎo)軌副的選用
導(dǎo)軌的作用是當(dāng)運(yùn)動(dòng)件沿著承導(dǎo)件作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，承導(dǎo)件上的導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)向的作用，即支承運(yùn)動(dòng)件和保證運(yùn)動(dòng)件在外力（載荷及運(yùn)動(dòng)件本身的重量）的作用下，沿給定的方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。
2.4.1直線導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)形式
本設(shè)計(jì)采用滑動(dòng)導(dǎo)軌作為進(jìn)給導(dǎo)軌，常見(jiàn)的基本形式有：
三角形導(dǎo)軌：該導(dǎo)軌磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，故導(dǎo)向精度高。它的截面角度由載荷大小及導(dǎo)向要求而定，一般為90°。為增加承載面積，減小比壓，在導(dǎo)軌高度不變的條件下，采用較大的頂角（110°～120°）；為提高導(dǎo)向性，采用較小的頂角（60°）。如果導(dǎo)軌上所受的力，在兩個(gè)方向上的分力相差很大，應(yīng)采用不對(duì)稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導(dǎo)軌面。
矩形導(dǎo)軌：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、檢驗(yàn)和修理方便；導(dǎo)軌面較寬，承載力較大，剛度高，故應(yīng)用廣泛。但它的導(dǎo)向精度沒(méi)有三角形導(dǎo)軌高；導(dǎo)軌間隙需用壓板或鑲條調(diào)整，且磨損后需重新調(diào)整。
燕尾形導(dǎo)軌：燕尾形導(dǎo)軌的調(diào)整及夾緊較簡(jiǎn)便，用一根鑲條可調(diào)節(jié)各面的間隙，且高度小，結(jié)構(gòu)緊湊；但制造檢驗(yàn)不方便，摩擦力較大，剛度較差。用于運(yùn)動(dòng)速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的場(chǎng)合。
圓形導(dǎo)軌：制造方便，外圓采用磨削，內(nèi)孔珩磨可達(dá)精密的配合，但磨損后難于調(diào)整間隙。為防止轉(zhuǎn)動(dòng)，可在圓柱表面開(kāi)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(chǎng)合，如拉床、鉆床的主軸和導(dǎo)向套組成的導(dǎo)軌副。
本設(shè)計(jì)采用矩形雙直線導(dǎo)軌副組合。如圖2.6所示。
圖2.6 直線導(dǎo)軌副
2.4.2材料、熱處理及防護(hù)
目前常采用的導(dǎo)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(diǎn)。在潤(rùn)滑和防護(hù)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(dǎo)軌的硬度，以增強(qiáng)抗硬粒磨損的能力和防止撕傷，鑄鐵導(dǎo)軌經(jīng)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(rùn)滑和防護(hù) 潤(rùn)滑油能使導(dǎo)軌間形成一層極薄的油膜，阻止或減少導(dǎo)軌面直接接觸，減小摩擦和磨損，以延長(zhǎng)導(dǎo)軌的使用壽命。同時(shí)，對(duì)低速運(yùn)動(dòng)，潤(rùn)滑可以防止爬行；對(duì)高速運(yùn)動(dòng)，可減少摩擦熱，減少熱變形。導(dǎo)軌的防護(hù)裝置用來(lái)防止切削、灰塵等贓物落到導(dǎo)軌表面，以免使導(dǎo)軌擦傷、生銹和過(guò)早的磨損。為此，在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌端部安裝刮板；采用各種式樣的防護(hù)罩，使導(dǎo)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(guò)軸承裝在軸承座上。左邊推力球軸承由絲杠臺(tái)階面和軸承端蓋分別壓住內(nèi)外圈定位；右邊深溝球軸承分別由螺母和絲杠臺(tái)階面壓住內(nèi)外圈定位，再由聯(lián)軸器與電機(jī)直聯(lián)。
雙直線導(dǎo)軌副通過(guò)內(nèi)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(guò)行程開(kāi)關(guān)控制有效行程。
2.6主要參數(shù)的設(shè)定
1.立柱尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：208×125×590；
2.工作行程為480mm；
3.工作進(jìn)給速度為1－1500r/min，快速進(jìn)給速度為15m/min。
圖2.8 立柱裝配圖
第三章 設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 Y軸滾珠絲杠副的選擇計(jì)算
設(shè)計(jì)條件
工作臺(tái)與被測(cè)件平均質(zhì)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(jìn)給速度nmax=1500r/min，nmin=30r/min，最大速度Vmax=15m/min；傳動(dòng)比i=1；全程定位精度±0.008mm；重復(fù)定位精度±0.005mm。
選取電機(jī)
表3.1 電機(jī)參數(shù)
電動(dòng)機(jī)型號(hào)
步
距
角
最大靜轉(zhuǎn)矩
（N·m）
轉(zhuǎn)子慣量
（10-1kg·m2）
軸徑
（mm）
長(zhǎng)度
103H8221-5141（5111）
1.8
4.9
2.9
12
95
選取電動(dòng)機(jī)的輸出功率P=0.5KW 最大轉(zhuǎn)速Nmax=2000r/min
1） 滾珠絲杠精度
為了獲得±0.008mm的定位精度，先預(yù)選3級(jí)精度的定位滾珠絲杠副P(pán)
2） 計(jì)算導(dǎo)程
Ph=Vmaxi·Nmax=15000/2000=7.5mm
式中，Vmax為絲杠副最大移動(dòng)速度，mm/min
Nmax為絲杠副最大相對(duì)轉(zhuǎn)速，r/min
由于Ph要符合標(biāo)準(zhǔn)值，所以Ph取10mm
3）計(jì)算當(dāng)量載荷Fm
由于Y軸滾珠絲杠所受載荷為工作臺(tái)與被測(cè)物體重力引起的摩擦力，所以
Fm=μmg=0.05×20×10=10N
4）當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm
nm=12（nmax+nmin）=12×（1500+30）=765r/min
5）確定預(yù)期額定動(dòng)載荷Cam
按滾珠絲杠副預(yù)期工作時(shí)間Lh（小時(shí)）計(jì)算：
Cam=fwFm（60nmLh）1/3/100fafc
式中，
Lh－預(yù)期工作時(shí)間（小時(shí)，見(jiàn)表3.2），取Lh=15000h；
fa－精度系數(shù)。根據(jù)初定的精度等級(jí)（見(jiàn)表3.3）選，取fa=1；
fc－可靠性系數(shù)（見(jiàn)表3.4）。一般情況fc=1；
fw－負(fù)荷系數(shù)。根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)（見(jiàn)表3.5），取fw=1.2。
表3.2 各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Lh
機(jī)械類型
Lh（小時(shí)）
普通機(jī)械
5000~10000
普通機(jī)床
10000~20000
數(shù)控機(jī)床
20000
精密機(jī)床
20000
測(cè)示機(jī)械
15000
航空機(jī)械
1000
表3.3 精度系數(shù)fa
精度等級(jí)
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(fù)荷性質(zhì)系數(shù)fw
負(fù)荷性質(zhì)
無(wú)沖擊（很平穩(wěn)）
輕微沖擊
伴有沖擊或振動(dòng)
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(dòng)時(shí)
d2≥d2m=2×1010F0LπδmE=0.078F0Lδm
式中，
E－楊氏彈性模量21×105N/mm2；
F0－導(dǎo)軌靜摩擦力（N）。
F0=μmg=0.06×20×10=12N
L－滾珠絲杠兩軸承支撐點(diǎn)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(fù)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(jì)寧絲杠廠內(nèi)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(yù)緊滾珠絲杠副預(yù)緊力Fp
當(dāng)最大軸向工作載荷Fmax能確定時(shí)
Fp=1/3Fmax，F(xiàn)max=F0=12N
Fp=1/3×12=4N
8）計(jì)算行程補(bǔ)償值C和預(yù)拉伸力Ft
C=11.8Δt·Lu·10-3，F(xiàn)t=1.95Δtd22
式中，
C－行程補(bǔ)償值（μm）；
Ft－預(yù)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(tái)行程+螺母長(zhǎng)度＋兩個(gè)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(hào)
因滾珠絲杠安裝方式為固定－支承，按圖確定軸承型號(hào)。左端為51101推力球軸承，右端為6302深溝球軸承。
10）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度計(jì)算
一般校核計(jì)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(jì)算
絲杠支承形式為一端固定，一端支承時(shí)Ks=165d22/a
當(dāng)a=580mm（滾珠螺母至固定支承的最大距離）時(shí)剛度最小
Ksmin=165×19.82/580=111.5N/μm
當(dāng)a=54mm（靠固定端的行程起點(diǎn)處）時(shí)剛度最大
Ksmax=165×19.82/54=1197.9 N/μm
② Kb計(jì)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(yàn)（驗(yàn)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(zhǎng)度（mm）（見(jiàn)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(guān)（見(jiàn)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(zhuǎn)速nc校驗(yàn)（避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生共振）
nc=107fd2/Lc22
式中，
nc－極限轉(zhuǎn)速（r/min）；
f－與支承形式有關(guān)的系數(shù)（見(jiàn)表3.6）；
Lc2－臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度（mm）（見(jiàn)表3.6）。
則 nc=107×15.1×17.2/5602=8282r/min
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。
表3.6
13）Dn值校驗(yàn)
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(zhuǎn)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(yàn)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(dòng)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(qiáng)度驗(yàn)算
σ·14πd22≥Famax
式中，
σ=147N/mm2
則 σ·14πd22=147×1/4×3.14×17.22=34138N 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Famax=12N 符合要求
16）壽命校核
滾珠絲杠壽命計(jì)算公式
Lh=10660NmCPmfw2
式中，
Lh－壽命（小時(shí)）；
C－基本額定動(dòng)態(tài)負(fù)載（N），C=5.4KN；
Pm－平均軸向負(fù)載（N），Pm=10N；
Nm－平均轉(zhuǎn)速（r/min），Nm=764r/min;
fw－負(fù)載性質(zhì)系數(shù)（見(jiàn)表3.5）；
則 Lh=10660×7655.4×100010×1.22=4.4×106h
遠(yuǎn)大于預(yù)計(jì)工作時(shí)間15000h，符合要求。
第四章 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的未來(lái)展望
（1）大量程方向：代表的產(chǎn)品就是雙龍門(mén)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)以及三維坐標(biāo)劃線儀，目前這兩類產(chǎn)品隨著量程的增加其測(cè)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(bǔ)由于量程而造成的精度以及操作性的損失。這類設(shè)備主要應(yīng)用于逆向以及大型測(cè)量。代表產(chǎn)品有中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究研究院測(cè)量?jī)x器研究所的三維坐標(biāo)劃線儀。精度在0.01mm±0.01mmL。
（2）小型手動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)：目前普及型的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，性價(jià)比高，適合廣大中小企業(yè)的需求。由于收到手動(dòng)的限制，其測(cè)量量程多數(shù)在1000mm以內(nèi)。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，其測(cè)量的功能隨著軟件的發(fā)展不斷提高。缺點(diǎn)是測(cè)量速度慢，適合小批量的檢測(cè)要求，精度受人為因素影響大，是現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)型的中等精度的測(cè)量要求，精度多數(shù)為：3.5+1000L/3.5um。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)手動(dòng)的廠家有深圳鑫磊成都司塔瑞西安立德等。
（3）CNC三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)：操作方便精度高，自動(dòng)測(cè)量自動(dòng)控制。適合高精度的測(cè)量。是今后10年乃至20年德普及推廣趨勢(shì)。目前國(guó)產(chǎn)德CNC三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)由于收到進(jìn)口關(guān)鍵部件的制約，普及推廣難度大，價(jià)格普遍偏高，一般企業(yè)承受困難。光柵尺、CNC測(cè)量軟件，CNC光電控制系統(tǒng)，CNC三維測(cè)頭系統(tǒng)，都受到進(jìn)口部件的影響。目前國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的部分很少只有機(jī)械部件以及售后服務(wù)培訓(xùn)部分。國(guó)內(nèi)和國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)很困難，只有靠低的利潤(rùn)價(jià)格以及廉價(jià)優(yōu)質(zhì)的服務(wù)占領(lǐng)市場(chǎng)很小的份額。在短期內(nèi)國(guó)內(nèi)企業(yè)很難突破這個(gè)瓶頸。價(jià)格高一直是普及推廣的難點(diǎn)。
（4）智能傻瓜型的測(cè)量軟件以及控制系統(tǒng)：軟件以及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和測(cè)量操作一直是操作人員弱點(diǎn)，智能傻瓜型的測(cè)量軟件以及控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)車間基礎(chǔ)工人操作坐標(biāo)機(jī)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)機(jī)普及操作。也是今后發(fā)展的趨勢(shì)。
（5）多功能的三維測(cè)頭：測(cè)頭可以提升坐標(biāo)機(jī)的整體測(cè)量水平，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的簡(jiǎn)單化。 復(fù)合功能的坐標(biāo)機(jī)：實(shí)現(xiàn)影響測(cè)量，觸發(fā)測(cè)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(gè)功能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
（6）新材料應(yīng)用可以逐漸提高坐標(biāo)機(jī)的測(cè)量的功能以及產(chǎn)品的優(yōu)化。新型新技術(shù)材料是坐標(biāo)機(jī)今后發(fā)展的另一個(gè)主要方向。
總結(jié)
通過(guò)緊張的兩個(gè)月的設(shè)計(jì)、計(jì)算、校核、制圖，終于完成了任務(wù)。通過(guò)這次對(duì)激光測(cè)量機(jī)縱軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，我了解了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的發(fā)展，認(rèn)識(shí)打了它在現(xiàn)代化工業(yè)中的巨大作用，對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)總體結(jié)構(gòu)有了全面的認(rèn)識(shí)。
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)生著及其深刻和巨大的變化，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。
這次最大的收獲是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中不僅對(duì)以前的知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)，而且對(duì)以前有些模糊的概念和方法通過(guò)這次的查表，老師的指導(dǎo)，同學(xué)的指教有了新的認(rèn)識(shí)。
這次實(shí)踐是對(duì)自己大學(xué)四年所學(xué)的一次大檢閱，使我明白自己知識(shí)還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學(xué)之路還很長(zhǎng)，以后更應(yīng)該在工作中學(xué)習(xí)，努力使自己成為一個(gè)對(duì)社會(huì)有所貢獻(xiàn)的人，為中國(guó)工業(yè)添上自己的微薄之力。
致謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間里，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)，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慶幸。
首先，我要對(duì)我的指導(dǎo)老師，張軍老師表示衷心的感謝。在為期兩個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，導(dǎo)師極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度以及耐心、細(xì)心的育人態(tài)度給我留下深刻的印象。在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，張老師對(duì)我在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，和裝配圖繪制上面給予了大量的指導(dǎo)，特別是在機(jī)構(gòu)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(shè)的同學(xué)，謝謝他們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)我的幫助。在老師和同學(xué)的幫助之下，我終于順利完成了任務(wù)！
最后，衷心感謝在百忙中抽出寶貴時(shí)間對(duì)我的論文進(jìn)行審閱和答辯的全體老師。
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