1、11.2 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。导轨式三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine 简称 CMM)是近二十年来发展起来的一种以精密机械为基础，综合光栅与激光干涉、计算机、应用电子等先进技术的测量设备，在国内外得到了广泛的应用。其主要特征是具有 X, Y, Z 三个坐标方向的导轨。目前，导轨式三坐标测量机己被广泛地应用于机械制造、仪器制造、电子、汽车、计量中心、航空和航天等多个工业和研究行业，用来测量机械零件的几何尺寸、相对位置和形位误差，包括
2、零件空间曲面、汽车白身、CAD/CAM 等多项工作。导轨式三坐标测量机己经成为一种比较成熟的传统测量设备，它经历了三代产品:第一代测量机由手动(或机动)测量，测量结果由人工处理，效率极低。第二代测量机在第一代测量机的基础上，由微机处理测量结果，形成了微机化测量机。第三代测量机在第二代的基础上，配备上相应的程序控制和数据图形化软件处理系统，可以实现全自动测量。其中，第三代是目前的主要产品。特别是近二十年来，随着微机和光电技术的迅猛发展，三坐标机已成为多个高科技领域诸多技术的融合产品，包括了微机、精仪、光电传感、数据分析和人工智能等多项应用技术。CLY 系列单臂三维测量仪产品信息产品说明： CLY
3、 系列单臂三为测量仪是一款具有较大测量范围的高精度测量设备，在设计时充分考虑了使用者对冲压件、仪表板件、塑料件、中型模具件的测量要求。由于采用开放式测量，从而保证了在现场、在模具制造和仿型、在部件检测和设计室里都可以方便的使用。图 1-1CLY 单臂三坐标测量机在 Y、Z 方向，其整机测量范围在 1500mm x 2600mm 以内、X 向测量范围最2小为 2000mm、并以 500mm 为间距递增的整体式测量机，采用整体式机械结构，测量机的工作平面通过地脚螺铨固定在地基上，其工作台表面略高于地表，或是安装为与地表齐平，便于大型工件的装卸。这种类型的测量机的 Y 向测量范围有两种，1200mm
4、 和 1500mm，其 Z 向测量范围最小为 1500mm，最大可以达到 2600mm，X 向测量范围最小为 2000mm，可以按用户要求以 500mm 的长度适量增大。大中型整体式单臂三坐标测量机比较适宜对一般大型非对称工件的测量检测与划线操作。测量机可以根据使用要求，选配 WINCOM 测量软件或 XDmis 测量软件。如果被测工件为一般机加工件，测量要求为一般性的尺寸检测，可以选用WINCOM 测量软件。如果检测任务大部份需要与 CAD 数据协同比对检测，建议选择 XDMIS 测量软件。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
5、， 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）回转支杆(附件另配)可提供装夹第二只测量表（或测量传感器），从而可扩大本产品的使用功能。5）X 轴移动方向的导轨采用天然花岗岩，并配备进口双直线导轨，三轴位移传感器采用进口金属反射光栅和读数头，结合空间误差修正技术，使用中处处体现高精度的 3D 测量。 6）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
6、行数据采点，也能完成中、小型零部件的测量7）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。31.3 设计要求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，其过程大致如下：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。在设计中，处处从实际出发分析和处理问题是至关重要的。从大处讲，联系实际是指
7、对工艺可能性的分析，在参数拟订和方案确定中，既要了解当今的先进生产水平和可能趋势，更应了解我国的实际生产水平，使设计的机器能发挥最佳的效果。从小处讲，指对设计的机械零部件的制造工艺、装配和维修要进行认真的切实际的考虑和分析。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取舍。通过设计实践，了解和掌握结合实际、综合思考的设计方法。第 2 章 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，工作台承担运动功能。其次是夹具体的设计，包括手柄、浮动滑块的设计， 夹具承担的是定位夹紧的作用。2.2
8、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，可拆卸夹具具有两大优点：第一，使用时夹具可固定在工作台上，不用时，即可拆下。2.2.1 三坐标测量机机械部分设计4三坐标测量机的机械系统设计可归类于机械制造装备设计，可分为创新设计、变形设计、和组合设计三大类型，设计的过程随设计类型而不同，其中创新设计的过程最典型，可分为产品规划阶段、方案设计、技术设计和施工设计四个阶段。产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上识别产品需求，进行可行性分析，制定设计技术任务书。 初步设
9、计方案具体化，技术设计阶段是将方案设计阶段拟订的初步设计方案具体化，确定结构原理方案；进行总体技术方案设计；进行结构设计；通过技术经济分析，选择较优的设计方案。1）确定结构原理放案根据初步设计方案，再充分理解原理的基础上，确定结构原理方案。其中包括决定尺寸的依据，如功率、流量和联系尺寸等；决定布局的依据等，决定和限制结构设计的空间条件， 。在上述的依据约束下，对主要功能结构进行构思，初步确定其材料和形状，进行粗略的结构设计。（2）总体设计总体设计阶段的任务是将结构原理方案进一步具体化。总体设计的内容大致包括主要结构参数、总体布局、系统原理图、其它。（3）结构设计结构设计阶段的主要任务是在总体设
10、计的基础上，对结构原理方案结构化，绘制产品总装图；提出初步的零件表及装配说明书。进行结构设计时，必须遵守有关标准规范，充分考虑人机工程、外观造型、结构可靠和耐用性、加工和装配工艺性等。三坐标测量机常见的是三个直线运动坐标（沿 X、Y、Z）和夹具体的装配设计。2.2.2 三坐标测量机电路部分设计三坐标测量系统的控制部分采用 PLC 控制。本书以 S7-200 系列 PLC 为目标机型，介绍西门子 PLC 的特点，为今后更好地学习和掌握 S7-300/400 打下基础。S7-200 系列 PLC 作为西门子 SIMATIC PLC 家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，在各个
11、领域得到广泛的应用。1.S7-200 系列 PLC 的基本硬件组成 S7-200 系列 PLC 可提供 4 种不同的基本单元和 6 种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。（1）基本单元5S7-200 系列 PLC 中可提供 4 种不同的基本型号的 8 种 CPU 供选择使用，其输入输出点数的分配见表 2-1：表 2-1 S7-200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本单元型 号 输入点 输出点 可带扩展模块数S7-200CPU221 6 4 S7-200CPU222 8 62 个扩展模块78 路数字量 I/O 点或 10 路模拟量 I/O
12、 点S7-200CPU224 14 107 个扩展模块168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点S7-200CPU226 24 162 个扩展模块248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点S7-200CPU226XM 24 162 个扩展模块248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点（2.）.扩展单元S7-200 系列 PLC 主要有 6 种扩展单元，它本身没有 CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展 I/O 点数，S7-200 系列 PLC 扩展单元型号及输入输出点数的分配如表 2-2 所示。表 2-2 S7-200 系列 PLC 扩展单元
13、型号及输入输出点数类 型 型 号 输入点 输出点EM221 8 无EM222 无 8数字量扩展模块EM223 4/8/16 4/8/16EM231 3 无EM232 无 2模拟量扩展模块EM235 3 1（3）.编程器6PLC 在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入 PLC 中，在调试过程中，进行监控和故障检测。S7-200 系列 PLC 可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操
14、作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200 系列PLC 的专用编程软件为 STEP7-Micro/WIN。（4）程序存储卡为了保证程序及重要参数的安全，一般小型 PLC 设有外接 EEPROM 卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入 PLC，也可将 PLC 内的程序及重要参数传到外接 EEPROM 卡盒内作为备份。程序存储卡 EEPROM 有 6ES 7291-8GC00-0XA0 和 6ES 7291-8GD00-0XA0 两种，程序容量分别为 8K 和 16K 程序步。（5）.写入器写入器的功能是实现 PLC 和 EPRO
15、M 之间的程序传送，是将 PLC 中 RAM 区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将 PLC 中程序存储卡中的程序通过写入器传送到 RAM 区。（6） 文本显示器文本显示器 TD200 不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示 80 条信息，每条信息最多 4 个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。TD200 面板上的 8 个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。2. S7-200 系列 PLC 的主要技术性
16、能下面以 S7-200 CPU224 为例说明 S7 系列 PLC 的主要技术性能。（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 一般性能电源电压 DC 24V，AC 100230V电源电压波动 DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）环境温度、湿度 水平安装 0550C，垂直安装 0450C，595%7大气压 8601080hPa保护等级 IP20 到 IEC529输出给传感器的电压 DC 24V （20.4-28.8V）输出给传感器的电流 280mA，电子式短路保护（600mA）为扩展模块提供的输出
17、电流 660mA程序存储器 8K 字节/典型值为 2.6K 条指令数据存储器 2.5K 字存储器子模块 1 个可插入的存储器子模块数据后备整个 BD1 在 EEPROM 中无需维护在 RAM 中当前的 DB1 标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（40 0C 时 120h），插入电池后备 200 天编程语言 LAD，FBD，STL程序结构 一个主程序块（可以包括子程序）程序执行 自由循环。中断控制，定时控制 （1255ms）子程序级 8 级用户程序保护 3 级口令保护指令集 逻辑运算、应用功能位操作执行时间 0.37s扫描时间监控 300ms（可重启动）内部标志位
18、256，可保持：EEPROM 中 0112计数器 0256，可保持：256，6 个高速计数器定时器可保持：256，4 个定时器，1ms30s16 个定时器，10ms5min236 个定时器，100ms54min接口 一个 RS485 通信接口可连接的编程器/PC PG740PII，PG760PII，PC（AT）本机 I/O 数字量输入：14，其中 4 个可用作硬件中断，14 个用于高速功能8数字量输出：10，其中 2 个可用作本机功能，模拟电位器：2 个可连接的 I/O数字量输入/输出：最多 94/74模拟量输入/输出：最多 28/7（或 14）AS 接口输入/输出：496最多可接扩展模块 7
19、 个（2）输入特性S7-200 CPU224 的输入特性如表 2-4 所示。表 2-4 S7-200 CPU224 输入特性类型 源型或汇型输入电压 DC 24V，“1 信号”：14-35A，“0 信号”：0-5A ，隔离 光耦隔离，6 点和 8 点输入电流 “1 信号”：最大 4mA输入延迟（额定输入电压）所有标准输入：全部 0.2-12.8ms（可调节）中断输入：（I0.0-0.3）0.2-12.8ms（可调节）高速计数器：（I0.0-0.5）最大 30kHz（3）输出特性S7-200 CPU224 输出特性如表 2-5 所示。表 2-5 S7-200 CPU224 的输出特性类型 晶体管
20、输出型 继电器输出型额定负载电压 DC 24V（20.4-28.8V） DC 24V（4-30V）AC24-230V（20-250V）输出电压 “1 信号”：最小 DC 20V L+/L-隔离 光耦隔离，5 点 继电器隔离，3 点和 4点最大输出电流 “1 信号”：0.75A “1 信号”：2A最小输出电流 “0 信号”：10sA “0 信号”：0mA9输出开关容量 阻性负载：0.75A灯负载：5W阻性负载：2A灯负载：DC30W，AC200WS7-200 系列 PLC 是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。目前 S7-200 主要有三大类扩展模块。（1）输
21、入/输出扩展模块 S7-200 CPU 上已经集成了一定数量的数字量I/O 点，但如用户需要多于 CPU 单元 I/O 点时，必须对系统做必要的扩展。CPU221 无 I/O 扩展能力，CPU 222 最多可连接 2 个扩展模块（数字量或模拟量），而 CPU224 和 CPU226 最多可连接 7 个扩展模块。S7-200 PLC 系列目前总共提供共 5 大类扩展模块：数字量输入扩展板EM221（8 路扩展输入）；数字量输出扩展板 EM222（8 路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩展板 EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模拟量输入扩展板EM231，每个 EM231 可扩展 3
22、路模拟量输入通道，A/D 转换时间为 25s，12位；模拟量输入和输出混合扩展模板 EM235，每个 EM235 可同时扩展 3 路模拟输入和 1 路模拟量输出通道，其中 A/D 转换时间为 25s，D/A 转换时间100s，位数均为 12 位。基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器（插件）与扩展单元左侧的扩展接口相连接。扩展单元正常工作需要+5VDC 工作电源，此电源由基本单元通过总线连接器提供，扩展单元的 24VDC 输入点和输出点电源，可由基本单元的 24VDC 电源供电，但要注意基本单元所提供的最大电流能力。（2）热电偶/热电阻扩展模块 热电偶、热电阻模块（EM231）是为CPU22
23、2，CPU224，CPU226 设计的，S7-200 与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离接口。用户通过模块上的 DIP 开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。（3）通讯扩展模块 除了 CPU 集成通讯口外，S7-200 还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络。S7-200 系列目前有两种通讯扩展模块：PROFIBUS-DP 扩展从站模块（EM277）和 AS-i 接口扩展模块（CP243-2）。S7-200 系列 PLC 输入/输出扩展模块的主要技术性能如表 2-6 所示。表 2-6 S7-200 系列 PLC 输入/输出扩展模块的主要技术性能类型 数字量扩展模块
24、 模拟量扩展模块型号 E EM22 EM223 EM231 EM232 EM23510M2212输入点 8 无 4/8/16 3 无 3输出点 无 8 4/8/16 无 2 1隔离组点数 8 2 4 无 无 无输入电压DC24VDC24V 输出电压 DC24V 或AC24-230VDC24V或 AC24-230VA/D 转换时间 250s 250s分辨率 12bitA/D转换电压：12bit电流：11bit12bitA/D转换2.3 主要参数的设定直线工作台面尺寸 （长宽高）：100080040；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
25、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（120mm120mm120mm）最小高度为 20m第 3 章 三坐标测量进给系统的设计计算3.1 进给系统电动机的容量的 选择113.1.1 电动机容量的选择原则在机电传动系统中选择一台合适的电动机是极为重要的。电动机的选择主要是容量的选择，如果电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。选择电动
26、机应根据以下三项基本原则进行。（1）发热：电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度等于或略小于电机允许的最高工作温度。（2）过载能力：电动机再运行时，必须具有一定的过载能力。特别是在短期工作时，由于电动机的热惯性较大，电动机在短期内承受高于额定功率的负载说仍可保证上面的原则，故此时，决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力。既所选电动机的最大转矩或允许电流必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩和最大负载电流即：NMAXLmIITTmax（3） 启动能力：由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小，所以，为使电动机能可靠启动，必须保证式中nSTLNsttT/选择电动机容量的方法
27、一般有计算法、统分析计法和类比法。3.1.2 步进电动机的概述本设计采用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。随着微电子技术的发展，步进电机已作为重要的执行元件应用于数空机床、智能仪器和自动控制中。3.1.3 步进电动机的容量的计算 kwVFPe 05.612/max12下面的计算结果F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
28、各种参数：电动机型号 步距角 最大静转矩（N.m）运行频 率最高空载启动频率轴径 长度55BF003 0.75/1.5 0.686 1800 6mm 70mm选取电动机的输出功率 P=0.5KW 转速为 800r/min3.2 轴概述3.2.1 轴的用途轴也是组成机器的主要零件之一，一切做回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此轴的主要功能是支撑和传递运动和动力。3.2.2 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。轴的结构设
29、计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。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13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。3.2.3 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
30、或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常用的是 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
31、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。例如图一的装配方案是：半联轴器、轴承端盖、圆螺母、套筒、成对角接触球轴承、丝杠螺母副，依次从轴的右端向左端安装，左端只装轴承和端盖。这样就对个段轴的粗细顺序作了初步安排。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。1零件的轴向定位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。14利用轴肩定位是最方便可靠的方法，但采用轴肩就必然使轴的直径加大，而且轴肩处
32、将因截面突变而引起应力集中。滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度，以便拆卸轴承，轴肩的高度可查手册中轴承的安装尺寸。套筒定位结构简单，定位可靠，轴上不需开槽、钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位。如两零件的间距较大时，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的质量及材料用量。当轴的转速很高时，也不宜采用套筒定位。轴端挡圈适用于固定轴端零件，可以承受较大的轴向力。轴端挡圈可采用单螺钉固定，为了防止轴端挡圈转动造成螺钉松脱，可加圆拄销锁定轴端挡圈，也可采用双螺钉加止动垫片防松。圆螺母定位可承受大的轴向力，当轴上零件间距较大时常采用圆螺母。图 3-1 轴上零件的分
33、布3.3.3 轴的结构设计 （1）主要参数确定直线工作台面尺寸 （长宽高）：100080040；15纵向工作行程为 150mm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工作台质量及工作台重量初估直线工作台质量 NgG 27.46108.940185.7931 总之量 G.26.21三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（2）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。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-
34、0.005，取摩擦系数 f 为 0.005，则丝杠所受的最大牵引力为 )(maxGFfKFzyxN127.4605.ina 故其等效负载可按下式计算（估算 t1=t2 ;n2=2n1） 3/1212min313max )/()( tntFtFN2/2i由以上确定进给运动的总阻力 F=12N3.3.4 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=125，于是： mNPAd 4.510/2.05/330min 16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
35、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：3.1142 Aac KTK， 取， 考 虑 到 转 矩 变 化 很 小查 表按照计算转矩 应小于mNNPAca .365.73. .2710/90/95022 caT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)D D1 螺栓直径ML0YL1 10 13000 6 22 17 M2 3517图 3-2 联轴器的尺寸根据半联轴器的孔径 D=6mm，故取 DI-II=6mm。凸
36、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 拟定轴上零件的装配方案本设计的装配方案已在前面分析比较，现以用（图 3-1 所）示的装配方案。3.3.6 根据轴向定位的要求确定轴的个段直径和长度 为了满足半联轴器的轴向定位要求，I-II 段轴右端需制出一轴肩，故取 II-III 段的直径 DII-III=6.5mm；左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径为 11mm。半联轴器与轴配合的毂孔长度 L1=17m，为 了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上故取 I-II 段的长度应比 L1 略短一些，现取 LI-II=14mm。 初步选择滚动轴承
37、。各种类型的轴承选用应丛允许的空间、轴承负荷的大小和方向、高速性能、旋转精度、刚度、振动与噪声、轴向游动、摩擦力矩、安装与拆卸等方面综合18考虑，全面衡量，择优选择满足设计要求的轴承类型。因轴承受轴向力的作用，故选用角接触球轴承。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 dDB=8mm15mm4mm，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=9m
38、m。 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
39、已经初步确定了各段轴的直径和长度。3.3.7 轴上零件的轴向定位半联轴器与轴的轴向定位采用平键定位。由手册查得平键截面bh=28mmX6mm（GB1096-79） ，3.3.8 确定轴上圆角和倒角尺寸取轴的倒角为 。各段轴肩处的圆角半径见装配图。.4523.4 丝杠螺母副的选用计算3.4.1 丝杠螺母的导程的确定再本设计中，电机与丝杠直接相连，传动比 i=1，选择电机 Y 系列异步电动机的最高转速 ，则丝杠的导程cmkgfMrn .2min,/150maxmax 最 大 转 矩19为 mnVPh 8150/.2/max3.4.2. 确定丝杠的等效转速最大进给时，丝杠的转速为 in/1508/2
40、/maxa rPVnh最慢进给时，丝杠的转速为 min/125.08/mini rPVh则得到丝杠的等效转速（估计 ）为21ti/10)/(minax rtnm3.4.3. 丝杠的等效负载上边已经阐明过了3.4.4. 确定丝杠所受的最大动载荷 aC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。 NnTffFCrnTmhkahtwmh 345.0195./05.12)10/6).(/(915060 33/6 选用滑动丝杠螺母传动，丝杠公
41、称直径为 ，基本导程 ，4mPh8丝杠螺母的接触刚度为 1692N/ ，螺旋升角 丝杠的底径 26mm，螺母.183长度为 210mm，取丝杠的精度等级为 1 级。3.4.5. 临界压缩负荷 crF确定丝杠螺纹部分的长度 LU。LU 等于工作台的最大行程（750mm）加上螺母长20度（60mm）加两端余程（20mm） 。LU 为 850mm。支撑跨度 L1 应略大于 LU，取为 L1=900mm。丝杠全长为 L=1000mm。临界压缩负荷为 max0212/FLEIKfFcr 式中 E- 材料的弹性模量， ；.NI 丝杠最小截面惯性矩 47124024 10958.64/0)35.621(6/
42、)2.1(6/ mDdw L0最大受压长度，按照结构设计取 L0=1100mm；K1安全系数，一般取 K1=1/3；最大轴向工作载荷， ；maxFNF5.1924max丝杠支撑方式系数，查表得 ，则1f f max562712 102.)103/(0958.0. FNcr 可见 远大于 ，满足要求crFmax3.4.6. 临界转速验算 AEIKLfnccr /)./30(22式中 A丝杠最小横截面： 2362 105.4/ mdALC临界转速计算长度：21mLc 8752/)01(2075/60取 ；mLc1安全系数，一般为 0.8；2K材料的密度：3/1085.7mkg丝杠支撑方式系数，查表
43、 ，则2f 92.3f min/150in/218.015.08.7/195.01. )/7()/3( max3322 rrKAEILfnccr 可见 远大于 ，满足要求。crmax考虑到本设计的丝杠较长，故采用一端固定、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 2000NNCR180tF3.4.7 .计算轴承动载荷nThf/寿命系数为：71.250/13350/1hhLf式中 寿命系数：f可靠性为 90%的额定寿命，取为 10000h；h1022转速系数：nf；28.045/13/0jnf计算转速 取最高转速，取 ；j mi15rjNC28./7故能满足要求
44、。3.4.8.丝杠拉压振动和扭转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mNkB/108，丝杠的最小拉压刚度mNKC/1692LAEs /1652.0/1.2053./ 4.875maxin 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750mm 和 100mm。螺母座刚度 。轴向拉压总刚度为：mNKH/KEsCBe/128 4.18/692/1082/1/ in 丝杠拉压振动的固有频率 min/7165/50136.2/8.9102/6 rsradmKeB 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。3.5 丝杠的扭
45、转刚度丝杠的扭转刚度23rNmLdKmT /4.207148.74. 由机械设计手册得平移物体的转动惯量为 232.1058.).(.936mkgJ丝杠的转动惯量为23.1045.kgS丝杠扭转振动的固有频率为：sradJKSZWTT /47810)35.6.058.(733 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. 6 传动精度计算丝杠的拉压刚度 LEdKS42由以上的各条件可知最小机械传动刚度为 mNKKBcs /1208/1692/4.8/1/1minin0 最大机械传动刚度 Bcsmanan /45108/692/15/1/0因此得到由于机械传
46、动装置所引起的定位误差为 mKFqk .)45_12(0)_(max0in0 其中，F0 为空载时导轨的静摩擦力。243.7 导轨的选型及计算导轨的功用是导向和承载。例如车床的床身导轨属于进给导轨，本设计的三坐标测量机的导轨也属于进给导轨，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。3.7.1 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副组件， （见下图） 。图 3-7 滚动导轨副的形状直线滚动导轨副包括轨条和滑快
47、两部分。导轨通常为两根，装在支撑件上，见上图。每根导轨条上有两个滑块，固定在移动件上。如移动件较长，也可以在一根导轨条上装 3 个或 3 个以上滑块。如移动件较重，也可以用 3 根或 3 根以上的导轨条。如果移动件的刚度较高，则少装为好。253.7.2 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。可根据要求的预紧定货，不需自己调整。分离型直线滚动导轨副，应由用户根据需要。3.7.3 滚动导轨副润滑防护滚动导轨多采用润滑脂润滑。常用的牌号为 ZL-2 锂基润滑脂（GB7324-87，2 号）
48、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捣鬼，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。3.8 横向伺服进给系统的设计计算（同以上方法）3.9 纵向、横向的移动工作台的装配图见（图 3-1）26第 4 章 夹具的初步设计4.1 载要机床夹具是机械加工工艺系统的一个重要组成部分。为保证工件某个工序的加工精度要求，必须使工件在机床相对测头的测量运动处于准确的相对位置。当用夹具装夹测量某工件件时，是通过夹具来实现这一要求的。而要实现这一要求，又必须满足三个条件：1.工件在夹具中占有正确的测量位置；2.夹具装夹在机床上的准确位置；3.测头相对夹具的准确位置。这里涉及了三层关系，：零件相对夹具、夹具相对机床、零件相对机床。工件的最终精度是由零件相对机床获得的。所以“定位：也涉三层关系：工件在夹具上的定位、夹具相对机床的定位，而工件相对于机床的定位是间接通过夹具来保证的。工件定位以后必须通过一定的装置产生夹紧力把工件固定，使工件保持在准确定位的位置上，否则，在加工过程中因受外界的影响而发生位置变化或引起震动，破坏原来的准确定位，无法保证测量要求。这种夹紧力的装置变是夹紧装置。夹紧装置的设计与计算是本章的主要内容。4.2 机床夹具的基本要求1稳定地保证工件的测量精度
