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-毕业设计（论文）-基于CATIA的三坐标测量机的设计-第 15 页基于CATIA的三坐标测量机的设计安徽农业大学工学院 11机械制造及其自动化 合肥 230036摘要：三坐标测量机已成为检测工业标准设备。最近三坐标测量技术得到迅速发展，而配套检测软件的发展，更是突飞猛进。最早的三坐标测量机只能显示XYZ坐标，而目前的各种检测软件几乎可以解决用户的绝大部分问题。软件日益成为影响用户使用好坏的关键所在。CMM测量软件发展趋势，对于传统的三坐标测量机检测来说，通常是设计部门提供二维图纸，检验部门根据图纸对工件进行尺寸及形位公差的检测。随着三维CATIA软件的应用，越来越多的技术部门使用三维CATIA建模技术进行设计。因此，各坐标机厂家纷纷推出了基于三维CATIA技术的测量软件，直接将客户设计好的三维CATIA模型导入测量软件进行检测。这样做的优点非常明显，不需要额外的图纸，理论值可以直接捕获，更可以进行测量仿真，测头干涉检查等，所以，受到用户的一致好评。关键字：三坐标测量机 传感器 三维 1 绪论1.1 三坐标测量机的应用与发展人们对三坐标测量技术的要求越来越高。物体的三维轮廓以及形位测量已被广泛应用于机械制造、航海、航空航天、反求工程等领域。目前物体三维轮廓测量的主要方法有导轨式三坐标机的高精度接触测量、激光点扫描和激光线扫描式三坐标轮廓测量、激光散斑物体轮廓高精度显微全场测量。其中，三坐标机的测量精度高，已被广泛采用。但它只能进行接触测量，并且测量速度很慢。目前，三坐标机主要有两种:导轨式三坐标测量机和无导轨式三坐标仪，无导轨式三坐标测量仪在国内尚无同类产品问世。三坐标测量机的多功能测量台是一种高精度测量台。可同时装夹两只测量表或传感器对工件进行多参数测量。1.2 三坐标测量机测量原理将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。 1.2.1 三坐标测量机的组成： 1， 主机机械系统（X、Y、Z三轴或其它）；2， 测头系统；3， 电气控制硬件系统；4， 数据处理软件系统（测量软件）；1.2.2三坐标测量机的结构特点： 1）采用花岗石为工作台，其工作面平面度精度高，且稳定性好，受环境温度影响小。 2）立柱采用不锈钢材料，可防锈，抗腐蚀。 3）采用精密微分头作微调装置，使测头接触工作的微调量0.01mm。4）配件万向电子测头，并通过各种测头配件，既可以对远程和深孔进行数据采点，也能完成中、小型零部件的测量5）本测量仪具有方便的现场自校定功能，用户可根据实际情况进行精度校正，保证在不同环境温度下测量数据的真实可靠。1.3 设计要求设计中，处处要从实际出发分析和处理问题。在绘制产品总装图和部件装配图时要注意设计的科学性和条理性。设计一个部件时，首先，确定末端执行件的概略形状尺寸，然后，设计末端执行件与其相临的下一个功能部件的结合的形式与概率尺寸。若为运动导轨结合部，则执行件一测相当于滑台，相临部件一测相当于滑座，考虑导轨精度，选择并确定导轨的类型及尺寸。根据导轨结合部的设计结果和该运动的行程，直到基础支撑件。学会使用设计手册，对推荐的设计数据和各类标准要结合实际情况。2 三坐标测量机总体设计方案2.1 设计任务和内容设计任务定位三坐标测量机整体结构的设计，其中机械部分的设计工作台包括纵向、横向和Z轴的运动，轴的设计，丝杠的设计及计算，还包括电机的选择，导轨的选型，测头的选择。2.2 总体设计方案拟订方案拟订为测量机整体结构的设计其中主要是测量机的传动系统：工作台的横向和纵向进给系统，Z轴的进给系统，工作台上面叠加一个可拆卸的夹具体，可拆卸夹具的优点是使用时夹具可固定在工作台上，不用时，即可拆下。其次，是要设计电路部分。三坐标测量系统的控制部分采用PLC控制。选择S7-200系列PLC为目标机型， S7-200系列PLC具有超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，符合设计要求。 2.3 主要参数的设定直线工作台面尺寸 （长×宽×高）：1200×1000×50；纵向工作行程为150mm，横向工作行程为150mm，垂直方向的工作行程为150mm。光杠的最大距离根据夹具的尺寸确定。工作进给速度为1-1500mm/min，快速进给速度 12m/min进给运动的总阻力F传动精度初步为0.1mm-0.5mm测量工件的尺寸大小最大体积（120mm×120mm×120mm） 最小高度为20mm工作台质量及工作台重量初估直线工作台质量G=pvg=7.85×103×1200×1000×50×9.8×10-9=4615.8N总之量 G=G1+G2=4615.8+1000=5615.8N三坐标测量系统的纵向、横向、垂直切削力（FX FY FZ=0）所以，设轴向压力F=G(后面计算要用)2.4 工作台的三维图3 三坐标测量进给系统的设计及计算3.1 电动机的选择3.1.1 步进电动机的概述在这设计中我采用的是步进电机驱动丝杠旋转实现工作台的直线进给的。步进电机又称脉冲马达，是一种把电脉冲信号变换成直线位移或角位移的控制电机。它的位移速度和输入脉冲数成正比，因此可以在较宽的范围内，通过改变脉冲频率来调速，并能实现快速启动、反转和制动。3.1.2 步进电动机的容量的计算所以选用反应式步进电动机：输出功率0.2kw,同步转速1500r/min电动机的参数如下表一所示：表3-1 电动机的各种参数：电动机型号步距角最大静转矩（N.m）最高空载启动频率轴径长度55BF0030.75/1.50.68618006mm70mm3.2 轴概述3.2.1 轴设计的主要内容轴的设计也和其它零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和震动稳定方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求的轴和受到大力的细长轴，还应进行刚度计算，防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴，还应进行震动稳定性的计算，防止发生共振而破坏。3.2.2 轴的材料轴的材料主要是碳素钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴，选用最常用的45钢。3.3 轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构设计的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。但轴的结构形式都必须满足轴和装在轴上零件要有准确的工作位置；轴上零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。3.3.1 拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序、和相互关系。3.3.2 轴上零件的定位为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求 者外，都必须进行轴向和周向定位，保证其准确的工作位置。轴上零件的轴向定位，是以轴肩，套筒，轴端挡圈，轴承端盖和圆螺母等来保证的。因此处轴的转速不是很高，可以采用套筒定位。其结构简单，定位也可靠。3.3.3 确定丝杠的等效负载 工作负载是指机床工作时，实际作用在丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引力的实验公式计算。在该设计中选用导轨为滚动导轨，而一般情况下，滚动导轨的摩擦系数为0.0025-0.005，取摩擦系数f为0.005，则丝杠所受的最大牵引力为 Fmax=Fmin=fG=0.005×5615.8=28N故其等效负载可按下式计算（估算 t1=t2 ;n2=2n1）=14N由以上确定进给运动的总阻力F=14N3.3.4 初步设计轴的最小直径先按机械设计中15-2公式初步估算轴的最小直径，选取轴的材料为45钢，调质处理，并根据表15-3取A0=105，于是： 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径DI-II.为了使所选的轴的直径DI-II联轴器孔径相适应，故需同时选取联轴器的型号。 联轴器计算转矩则： 按照计算转矩应小于联轴器公称直径的条件，查标准GB5843-86或手册，选用TL1/YLD1凸缘联轴器其技术指标如下和图二所示：表3-2联轴器的参数型号公称转矩T（N.M）许用转速（r/min）轴孔直径D(H7)DD1螺栓直径ML0YL1101300062217M235 根据半联轴器的孔径D=6mm，故取DI-II=6mm。 凸缘联轴器，结构简单、成本低、传递扭矩大，用于振动很大、低速和刚性不大的轴联接。3.3.5 根据轴向定位的要求确定轴的个段直径和长度 初步选择滚动轴承因轴承受轴向力的作用，故选用角接触球轴承。由于一个轴承只能承受单向的轴向力，所以成对安装角接触球轴承，滚子相对外圈滚道轴向移动。通过轴向预紧提高支撑刚度。参照工作要求并根据套筒和圆螺母在左端对轴承定位取DIII-IV=7mm，由轴承产品目录中初步选取角接触球轴承，其基本尺寸为d×D×B=8mm×15mm×4mm，故取DIV-V=8mm，右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得角接触球轴承的定位轴肩高度h=0.5mm,因此取DV-VI=9mm。 轴承端盖的总宽度为1.8mm。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外面与半联轴器又端面的距离L=3.5mm，为了使套筒和圆螺母的装拆方便，轴承端盖与DII-III之间的距离为1.2mm，故取LII-III=6.5mm。去安装圆螺母处的直径DIII-IV=7mm；轴承右端采用套筒定位，套筒长度为4.5mm，为了使套筒右端面更好的对轴承进行轴向定位，并与轴紧密接触，取套筒右端面与DIV-V左端面的距离为1.5mm，故取LIV-V=9.5mm，取LIII-IV=6.5mm。 三坐标测量机纵向工作行程为150mm。同理得出，后边各轴的直径和长度至此已经初步确定了各段轴的直径和长度。3.3.6 确定轴上倒角尺寸选取轴的倒角为。设计的轴如下图：3.4 丝杠的设计及计算3.4.1 丝杠螺母的导程的确定选用的电动机最高转速nmax=1500r/min，快速进给速度Vmax=12m/min则丝杠的导程为3.4.2. 确定丝杠的等效转速最大进给时，丝杠的转速为 最慢进给时，丝杠的转速为 则得到丝杠的等效转速（估计）为3.4.3确定丝杠所受的最大动载荷查表，取丝杠的工作寿命Th为15000h，同时取精度系数fa=1，负荷性质系数fw=105，温度系数ft=0.95，硬度系数fh=1，可靠性系数fk=0.53；平均转速为1000r/min。60Thnm=60×1500×1000=9×108rC=(Fmfw/ftfhfafk)×（60Thnm/106）1/3=345N选用滑动丝杠螺母传动，丝杠公称直径为，基本导程，丝杠螺母的接触刚度为1692N/，螺旋升角丝杠的底径26mm，螺母长度为210mm，取丝杠的精度等级为1级。3.4.4. 临界压缩负荷确定丝杠螺纹部分的长度LU。LU等于工作台的最大行程（150mm）加上螺母长度（60mm）加两端余程（20mm）。LU为250mm。因支撑跨度L1应略大于LU，所以取L1=300mm。丝杠全长为L=400mm。临界压缩负荷为式中E材料的弹性模量，；I丝杠最小截面惯性矩，L0最大受压长度，按照结构设计取L0=500mm；K1安全系数，一般取K1=1/3；最大轴向工作载荷， ；丝杠支撑方式系数，查表得，则F=2×3.142×2.1×1011×0.958×10-7/（3×5002×10-6）=5289.5N>Fmax可见远大于，满足要求。3.4.5. 临界转速验算式中 A丝杠最小横截面：A=d22/4=3.14×37.382/4×10-6=1.097×10-3m2LC临界转速计算长度：L=60/2+150+20+(400-250)/2=275mm取L=L1=300mm；安全系数，一般取为0.8；材料的密度：丝杠支撑方式系数，查表，则 可见远大于，满足要求。设计中丝杠采用一端固定、另一端游动的支撑方式，固定端选用成对丝杠轴承组合，额定动载荷，预紧力为2000N3.4.6 .计算轴承动载荷寿命系数为：式中 寿命系数：可靠性为67%的额定寿命，取为10000h；转速系数：计算转速取最高转速，取；故能满足要求。3.4.7.丝杠拉压振动的固有频率验算已知：轴承的接触刚度，丝杠螺母的接触刚度，丝杠的最小拉压刚度Ksmin=AE/L=0.53×10-3×2.1×105/0.15=148.4N/um丝杠的最大拉压刚度Ksmax=AE/L=0.53×10-3×2.1×105/0.1=1652N/um当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L植分别为150mm和100mm。螺母座刚度。轴向拉压总刚度为：丝杠拉压振动的固有频率由计算可知，丝杠拉压振动的固有频率远远大于1500r/min，所以能满足要求。3.4.8 丝杠的扭转刚度丝杠的扭转刚度 KT=7.84d4m/L=7.84×504/400=1.225×105Nm/r由机械设计手册得平移物体的转动惯量为 丝杠的转动惯量为 丝杠扭转振动的固有频率为： WT=(KT/(JW+JZ+JS/3)1/2=11732rad/s显然，丝杠的扭转振动的固有频率远远大于1500r/min，所以，能满足要求。3.4.9 传动精度计算丝杠的拉压刚度 由以上的各条件可知 最小机械传动刚度为 最大机械传动刚度因此得到由于机械传动装置所引起的定位误差为其中，F0为空载时导轨的静摩擦力。丝杠图如下3.5 导轨的选型导轨的功用是导向和承载。本设计的三坐标测量机的导轨属于进给导轨，进给运动导轨的动导轨与支撑的静导轨之间的相对运动速度较低。滚动导轨在两导轨面间装有球、滚子或滚针等滚动元件，具有滚动摩擦性质，广泛的用于进给运动导轨领域。贴塑导轨也具有良好的减摩性。3.5.1 滚动导轨的结构及配置直线运动滚动支撑中，滚动体作循环运动的直线滚动导轨叫做直线滚动导轨，（见下图）。3.5.2 滚动导轨副的预紧直线滚动导轨副分为整体型直线滚动导轨副和分离型直线滚动导轨副。整体型的直线滚动导轨副由制造厂用选配不同直线钢球的办法来决定间隙或预紧。3.5.3 滚动导轨副润滑防护滚动导轨采用润滑脂润滑。选用的牌号为ZL-2锂基润滑脂（GB7324-87，2号）它的优点是不会泄露，不需经常加油。缺点是尘屑进入后易磨损导轨，因此对防护要求较高。易被污染又难以防护的地方，可用润滑油润滑。4 三坐标测量机的测头装置选择双簧片式三向电感测头，该测头无摩擦、无间隙。测头在三个方向上都有传感器，可作扫描或数控自动检测的自动化测头。双簧片式电感测头的结构形式较多。图一是其中一种结构，由三部分组成：一是感受部分，它由传感器7组成，当发生位移时，各向传感器发出各自的信号；二是测力机构，采用电磁式测力机构8，当测量向一个方向运动时，为了预加测力，电磁测力机构向接触力方向产生磁测力，同时给测头1个预偏量，当触头与工件接触时，即腿压测头直至过零发信这一过程完成后，电磁力有按新的测量要求施加到它向，如果一个坐标紧锁时，则那个坐标的电磁力应释放开；三是零位锁紧机构，三向测头的三个方向不是同时工作的，往往需要锁紧一向或两向，锁紧机构用电磁铁操纵，需要紧锁时，将线圈13的电流断开，则衔铁14被一块永久磁铁11吸向上运动，衔铁可饶片簧12转动而使圆锥销9插入小座10的孔内，从而将此向锁紧在零位上，需要打开锁紧时，将线圈13通入电流，由电磁力克服永久磁力，将锥销从小孔中拔出而成自由状态。Z向测座用弹簧吊挂，可用手轮调整，销子是为了防止螺母转动并可在螺母外圆槽内滑动。测头座上装有个探头，可方便地对工件进行测量。该测头的电感传感器的重复精度为.，测头总的重复精度为.。图4 -1 双簧片式电感测头图4-2 测头的三维图图4-3 驱动装置5 总装配图结 论随着现代机械制造业的发展，零件的加工趋于缩小化，这就对其加工精度提出了很高的要求，本设计三坐标测量系统就适应了现代机械的发展，将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。随着现代科学技术的迅猛发展，特别是电子技术、电子计算机技术的飞速发展，对检测技术发生着极其深刻的和巨大的变化，尤其对测量精度的高要求，它依托的理论基础和技术已经远不限于测量学，还包括传感器技术、计算机控制思想理论等等。该设计说明书在总结了前人的工作基础上，详细的对测头和进给系统进行了实用化、智能化的改进。 主要表现在现代传统的波动检测没有被采用，而采用了机械测量，看上去是比较古老，而结合当代电子技术和控制思想就与众不同了。单片机技术测量比较稳定，LED显示也是比较准确精确，比传统的机械测量方法自动技术提高了，显示也相对精确了，而不在因为材料的不同影响测量精度了，只要是在测量范围内的各种壁厚均可以测量，大大扩大了测量的范围，同时也提高了工作生产效率。由于造价不高，也能发展中小企业，我想它会成为壁厚检测的一种主流方式。致 谢半学期的毕业设计即将结束，我们的毕业设计也已经到了尾声阶段，论文的完成标志着四年的学习即将结束，也意味着，新的生活即将开始。在进行毕业设计的半年里，我学到了很多知识，同时也得到了很多经验，给我即将结束的大学生活留下了很多值得回忆的经历，也给了我许多日后可以借鉴的丰富经验。这篇论文的题目涉及到的领域是现今最流行的技术三坐标测量机检测技术。我对在毕业之前就能接触并深入了解这一科目而感到庆幸，因此我在这里要特别感谢我的指导教师刘素梅老师。衷心感谢刘素梅老师在这近半年的时间来对我的指导和教诲。您开阔的思维、敏锐的洞察力一直给我很大的启发。唯一的遗憾是自己不够主动，错过了许多与您交流的机会。毕业设计将给我四年的大学生活画上圆满的句号，这是我人生一个最重要的阶段，也是我最重要的人生经历。它预示我新生活的开始，我将会更珍惜以后的每一个人生阶段，因为每一段人生经历都将影响着我的生活，导致我成功或失败 ，因此我将认真过好我的每一天。参考文献1 吕 明. 曾志心 张福润 机械制造技术基础. 第一版. 武汉理工大学出版社.出版年: 2001.62 姜玉田 画法几何及机械制图.黑龙江科技学院技术出版社 2002 63 Hong-Tzong Yau & Chia-Hsiang Menq.Path Planning for Auto mated Dimensional Inspection Using Coordinate Measuring MachinesC. Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation Sacramento. 1991 4 沈忠 机械设计 高等教育出版社 第七版 2001 65 杨树人 刘瑞平 编著 Sensors in Manufacturing 化学出版社 2005 66 李庆祥 王东生 现代精密仪器设计 清华大学出版社 2004 37 王绍竣 机械加工工艺手册 北京：机械工业出版社 1991 8 成大先 机械设计手册 。北京：化学工业出版社。 1997 9 王启平 机械制造工艺学。第三版 ，黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，199410 韩秋时 机械制造技术基础 ，武汉：华中理工大学出版社，199911 Wilcox Associates Inc. Direct CATIA Interfaces.12 凌振邦 机械制造工程基础 ，北京：轻工业出版社，198813 朱正心 机械制造技术， 北京：机械工业出版社，1999Title：The design of multiple coordinate measuring machine based on catiaAbstractInvents from the beginning of the 60's to present, coordinate measuring machines (CMM) obtains the worldwide scale widespread application in the manufacturing industry, becomes the 3D examination industry standard equipment. Three coordinates survey technology obtains the rapid development, but the necessary examination software development, is progresses by leaps and bounds. The earliest coordinate measuring machines only can demonstrate the XYZ coordinates, but the present each kind of examination software may solve user's major part problem nearly. The software becomes the influence user use quality the key to be at day by day. The CMM survey software trend of development, regarding the traditional coordinate measuring machines examination, usually is designs the department to provide the two-dimensional blueprint, the inspection department carries on the size and the shape position common difference examination according to the blueprint to the work piece. Along with the three dimensional CATIA software application, the more and more many technical department uses the three dimensional CATIA modeling technology to carry on the design. Therefore, various coordinates machine factory has promoted in abundance based on the three dimensional CATIA technology survey software, the three dimensional CATIA model which designs the customer inducts directly surveys the software to carry on the examination. Does this the merit is extremely obvious, does not need the extra blueprint, the theoretical value may catch directly, may carry on the survey simulation, the gauge head interference inspection and so on, therefore, receives the user the consistent high praise. Survey the software based on the CATIA survey into at present three coordinates the development hot spot.Keywords Coordinate measuring machines Sensor Three dimensional Transmission device