1、目 录1 引言 .11.1 三坐标测量机简介 .11.2 三坐标测量机的基本原理 .11.3 该课题的研究意义 .22. 测量器具的设计 .42.1 测量机机身 .42.2 测头 .62.3 电动机的选择 .82.4 对工作过程的简要叙述 .112.4.1 三坐标测量机工作过程的概述 .112.4.2 测头半径校正 .132.4.3 测头的半径补偿 .143. 导弹弹翼夹具的设计 .173.1 弹翼结构分析 .173.2 弹翼的装卡定位及卡具的设计 .193.3 说明 .294.结论 .30参考文献 .31致谢 .331 引言1.1 三坐标测量机简介三坐标测量技术是随着 20 世纪 60 年代
2、第一台三坐标测量机的出现而逐渐发展成熟起来的，现在已经涉及到应用光学、电子技术、控制技术、新材料技术，计算机技术等先进技术领域 1。并且随着这些技术的发展日益完善。在三坐标测量技术的推动下，三坐标测量机已经广泛应用于制造，电子，汽车和航天等工业中，而且成为这些工业中不可缺少的组成部分。三坐标测量在测量方法上主要有两大类：一是传统的接触式测量法；二是非接触测量法。其中非接触测量法随着光学测头技术，及数字图形图像技术的引入而发展迅速，而且根据利用光学原理的不同在测量方法及理论上又有很大的差别:如投影光栅法、激光三角形法、全息法、距离图像三维测量法等 2。随着现代化工业和科技的发展，功能多而强大的三
3、坐标测量机在大型实体和复杂空间曲面的起着重大的作用，它不但能当作测量机来测量和检验曲面的参数，对于廓形复杂不好作图的工件其还能当作制图工具来提取坐标参数来绘制零件的工程图或者形零件成实体，就是人们所知的反求法。1.2 三坐标测量机的基本原理简单地说三坐标测量机的结构就是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置，还要有一个能够放置工件的工作台(大型和巨型不一定有)，测头可以以手动或机动方式自由轻快地移动到被测点上，再由读数设备和数显装置把被测参考点的三维坐标值显示出来的一种测量设备。有了这些基本的结构就是最简单、最原始的三坐标测量机。有了上述的这种测量装置以后，在测量容积里被测参考点
4、的任意一点的三维坐标值都可以通过读数装置读数，然后由数显装置显示出来。 测量机的采集点的三维坐标的采集装置是测头，在沿 X，Y，Z 三个轴的方向上都装有光栅尺和读数头。其测量的过程就可以看作是当测头接触工件是发出数据信号的过程，由控制系统去采集当前机床三个轴的方向上的坐标值相对于机床原点的坐标值，最后再由计算机系统的处理软件对所提取的三维坐标数据进行处理 3。1.3 该课题的研究意义导弹弹翼的翼面形状对导弹的飞行性能有很大的影响，也对导弹的操控和打击的精确性有间接或直接的影响，所以要对其翼面形状的进行反复的检测，而且检测的精度要求也比较高 4。现代由于三坐标测量机的测量精度已经非常的高，所以一
5、般选用三坐标测量机来完成以上检测项目。现在市场上出售的三坐标测量机功能和测量精度都能非常轻松的达到检测要求，但由于功能和精度上的要求使得测量机本身的成本升高，由于技术上的提高也使得其成本加大，若使用其来检测导弹弹翼的参数也会使得导弹的成本价提升，为了降低成本也为了找到一种更为快捷的方法来检测导弹弹翼的参数，就要设计一种专门针对导弹弹翼测量的专用测量机。基于市面上的测量机的功能过于强大，精度更是超出所要求的范围，所以可以使用已有三坐标测量机的一些参数，并对其进行适当的改进和简化，使其精度和功能都降到所要求的范围之内，在设计针对某种导弹弹翼所专用的卡具使其能够固定在台面上而且方便检测。导弹的曲面形
6、状并不是十分复杂，对其进行检测的时候使用三坐标测量机提取其曲面的坐标参数，通过软件分析数据然进而形成工件的实体模型，再与设计时得出的理论参数所形成的实体模型相对比，这时候软件再通过分析得到两者之间的差值，最后将差值与设计所如允许的的误差值进行对比，进而得出工件是否符合设计和技术要求。通过对以上过程的描述，可以知道参数的提取对工件的测量非常重要，这体现在设计中就是要着重设计其私服系统以及器传动结构 5。私服机构主要功能是对测头发出指令使其移动到相应的点，在开始检测时其接受所测量到的参数继而对其做相应的处理，然后发出下一个指令是测头到达系一个点，从夫上述过程。而传动机构的顺畅和精度也直接影响到了测
7、头的探测精度。在设计中对次两处的设计尤为重要 6。另外测量时使导弹弹翼的能固定在平台上的固定卡具也是设计的重点部分，其设计的合理与否，关系到测量的误差，是否影响测头的工作以及是否方便工作人员操作 7。通过以上的分析，可以确定此课题是设计一台专门用于某种导弹弹翼的测量的简便型三坐标测量机，在设计三坐标测量机的过程中应该把设计的重点放在其私服系统的设计，重点考虑其工作方式是否适合以及应该选用的设备；其次应该考虑机械传动机构的设计，着重选择其要用的电动机，机械传动的方式，其具体结构的设计等等；最后还要考虑导弹弹翼在工作台上被固定时所实用的固定卡具的设计，重点是其装恰方式是否会对工件造成弹性变形，是否
8、能卡紧工件，装恰后是否妨碍了测头的行进路线继而影响了测头的工作，这些全部会对测量产生一定的影响，从而产正误差直接影响到测量的结果。2. 测量器具的设计三座标测量机实际上可以看作是一台数控机床,只不过前者是用来测量尺寸,公差,误差对比等,后者是用来加工的.而且两者的工作过程是前后相反的关系，数控机床是先输入坐标才能移动到要求的位置，而三坐标测量机则是先到达所测的地方再输出所在方位点的三维坐标。三坐标测量机的结构是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置，有一个能够放置工件的工作台(大型和巨型不一定有)，测头可以以手动或机动方式轻快地移动到被测点上，由读数设备和数显装置把被测点的坐标值
9、显示出来的一种测量设备。显然这是最简单、最原始的测量机。有了这种测量机后，在测量容积里任意一点的坐标值都可通过读数装置和数显装置显示出来 8。2.1 测量机机身以下来说明测量机的三维坐标系统和坐标系原点的建立。测量系统是模仿三坐标测量机的坐标构建方法由 X，Y，Z 三个方向构成，其具体构建方法在一下简要说明。图 2.1.1 为测量机三维坐标系的简要说明图。图 2.1.1 三维坐标系示意图平台主要是起安放和固定导弹弹翼的作用。其是长为 1500mm 宽为 1000mm的长方形。下面规定长方形的长边方向为 X 轴所在的方向，在其长边的方向上两边各设有一个导程槽，支架上有相应的设备与导程槽草配合工作
10、使支架可以沿长边即 X 轴方向移动，并且设计有带刻度的标尺以确定支架在此方向上的位置，也就可以得到其相应的 X 轴坐标参数。支架安装在平台上，通过自身的设备与导程槽配合可以在 X 轴方向来回移动，其安放应垂直于 X 轴方向，其所对应的方向规定为 Z 轴。支架上设有平行与工作台并垂直于支架的一个横梁来保证其所支撑的机械臂是垂直于水平方向的，规定横梁所对应的方向为 Y 轴，而且横梁上设有能使坐标尺早 Y 轴方向上来回移动的导程槽，其上也有相应的刻度尺，能确定其 Y 轴参数。在支架上安装的是安装有测量测头的机械臂，它能使测头在 X 轴与 Y 轴的方向上自由的运动，而且在机械臂中有伸缩杆，伸缩杆能演
11、Z 轴方向自由的伸长或者是变短，而测头就装在其最下端，这样就能实现测头沿 Z 轴方向自由的伸缩。伸缩杆上面带有刻度能够大概测量位移量。图 2.1.2 为三坐标测量机的模型图。图 2.1.2 三坐标测量机模型图机械臂中做成空心的，这样可以安装伸缩杆，另外这里也安装有芯片，数据的存储装置，线路和电动机。芯片和存储装置科技收集测头所采集的数据，然后对数据进行处理和储存，最后通过数据线传到外接设备中去。线路分为电线线路和数据线路，主要用来供电和传输数据和指令程序。电动机则可以使机械臂沿 Y 轴自由运动和使伸缩杆沿 Z 轴自由运动。支架中设置有供线路通过的空间，使得线路能通到机械臂中。整个机身与常见的运
12、动桥式三坐标测量机相仿，运动桥式测量机结构运动平稳，受外力干扰小，测量精度相对容易提高。工作台运动式虽然比运动桥式的结构精度还要高，但是一般小型的测量机都不选用此种结构，故选用桥式。主要由工作台，可移动的支架，在支架上可以自由移动机械臂，以及装在机械臂上的测头组成。工作台的材料主要用花岗岩。导轨作为测量机的重要部件，其选材显的尤为重要。所设计的三坐标测量机采用了全花岗石导轨的结构形式。目前在国内外小型测量机上，导轨主要采用花岗石、铝合金、陶瓷以及碳素纤维等材料。目前小型测量机除底座工作台采用花岗石材质外， 很多型号测量机的运动构件绝大部分都采用铝合金制作。目的一是追求 “轻” ，二是铝的导热系
13、数较大，铝制结构容易达到温度均衡。但铝合金的导轨存在两大问题：铝合金型材的订购 (铝合金的牌号和成型模具)；导轨表面的硬质阳极化处理和精密加工 (成本较高、周期较长)。碳素纤维的导轨在国外大型测量机上已有成功的应用。但其材质的成本极高；而且导轨面的成形工艺有问题 ，在国外虽有成功的应用，但成本及精度不好控制。花岗石材质的导轨来源充足，加工成本不高。我国有不少专业的花岗石厂具备批量生产中空花岗石 z 轴的能力。因此，我们选择中空的花岗石材质的 Y 导轨和 Z 轴用于三坐标测量机是比较实际的，是为了追求方案实现的成功率。陶瓷对设计加工的技术要求比较高，成本也较高 9。空气轴承的设计充分利用了成熟的
14、设计技术。 Y、Z 向空气轴承应尽量使用“全”刚性气垫布局，以提高测量机运动部件的刚度。在三坐标测量机中，X、Y、Z 向空气轴承均使用“全”封闭式气垫设计，以提高测量机整体的运动刚度，进而提高该测量机的测量精度。空气轴承的布局包括 8 套 Z 向方气垫，6 套 Y 向方气垫以及，6 套 X 向方气垫(承重和导向)等。以上就是测量机机身的大体设计，具体应结合实际情况做灵活的改动。2.2 测头测头是精密量仪的关键部件之一，作为传感器提供被测工件的几何信息，测头也是限制三坐标测量机测量精度和测量速度的主要因素。市面上常见的测头主要分为接触式测头与非接触式测头两种，其中接触式测头又分为机械式测头、触发
15、式测头和扫描式测头；非接触式测头分为激光测头和光学视频测头 10。由于非接触式测头多用的是光学原理，所以受外界影响因素较多，如被测物体的形貌特征、辐射特性以及表面反射情况都会影响测量结果的精确度 11。到目前为止，非接触式测头的测量精度还不是很高，还无法取代接触式测头在精密量仪中的位置，而且由于大量的采用昂贵的光学原件，使得其成本大大提升，又会使得测量机的成本提高，而且课题所要求测量的导弹弹翼的翼面比较平整没有接触式测头无法触及到的地方，故决定在三坐标测量机上采用接触式测头。机械式测头又叫接触式硬测头，是较早时期使用的一种接触式测头，其价格低廉而且结构简单、操作方便，主要用于手动测量。但是其测
16、量进度非常低，无法满足课题中所要测量的导弹弹翼的测量精度要求 12。扫描式测头也称量化测头，测头输出量与测头的偏移量成正比，是一种精度较高、功能强、适应性广的测头，同时具备空间坐标点的位置探测和曲线曲面的扫描测量的功能。但是此类测头的结构比较复杂，相对应的其制造成本也就随之大大提升，而且它的技术没有被推广，世界上只有少数几家公司能够制造。在设计中我们采用市面上被广泛使用的触发式测头。触发式测头的测量原理是当测头测端与被测工件接触时三坐标测量机仪发出采样脉冲信号，并通过仪器的定位系统锁存此时测端球心的坐标值，以此来确定测端与被测工件接触点的坐标。该类测头具有结构简单、使用方便、制作成本低及较高触
17、发精度等优点，是三维测头中应用最广泛的测头。但该类测头也存在各向异性(三角效应)、预行程等误差，限制了其测量精度的进一步提高，最高精度只能达零点几微米。虽然其测量精度远逊于扫描式测头，但其测量精度却可以达到所测导弹弹翼要求的测量精度，再从其在市面上容易找到，可选性较大；其价格也较为便宜，性价比比较高，所以选择此类测头。3. 导弹弹翼卡具的设计工件要使用三坐标测量机去测量，就要想办法将它放置在三坐标测量机的工作台上，而且还要夹紧，要是一般的模型或者是零件只要将测量机自己带的通用的卡具在工作台上固定好，然后将所测工件以某几个基准放入再将其固定并夹紧然就可以开始测量了。但是像导弹弹翼这种零件，虽然曲
18、面轮廓不是十分复杂，但是也大大有异于平常的零件，再加上其基准不是十分的好决定，这使得通用卡具无法将其固定在三坐标测量机的工作台上。既然通用卡具不适应于导弹弹翼的工作台的固定，要测量它就必须设计专用的卡具。3.1 弹翼结构分析首先要对弹翼结构进行分析，以下是通过某种导弹的弹翼仿真模型截图来对弹翼进行结构分析。3.3 说明另外需要说明的是，卡具虽然在 X、Y、Z 三个坐标轴上都对弹翼作了限制（包括沿三坐标轴方向上的移动以及围绕三个坐标轴的翻转） ，但是由于立柱曲面与弹翼曲面有一定的差别，导致面与面的接触不完全会有力臂产生，夹紧的时候一受到里就会产生力矩，使得夹紧后的工件以 X 轴为转轴偏转了一个很
19、小的角度，但是由于它不会使得出的曲面方程的三次方程的多次项的系数发生改变，知识对方程的常数项有所影响，所以因此造成的误差可以忽略不记。卡具的大部分材料为 45 号钢，对于复合材料而言比较坚硬，与工件接触的夹块容易划伤工件，所以将夹块的材料改为黑色的硬橡胶，这样以来可以防止夹块划伤工件。以下是在电脑上模拟的弹翼与卡具的装配图。图 3.3.1 导弹弹翼与卡具相配和的装配图本团队全部是在读机械类研究生，熟练掌握专业知识，精通各类机械设计，服务质量优秀。可全程辅导毕业设计，知识可贵，带给你的不只是一份设计，更是一种能力。联系方式：QQ712070844，请看 QQ 资料。4.结论通过以上对三坐标测量机床身的设计，以及对其相应配件的选取，如：电动机以及其控制芯片等，基本能够实现三坐标测量机对导弹弹翼的界面的测量过程。而且也对其伺服系统所应有的功能进行了简要的说明，也对整个三坐标
