需要購買對應 紙 咨詢 14951605 買對應的 紙 14951605 或 1304139763 畢業(yè)設計論文 題目名稱： 超精密三坐標測量儀整機機構設計 摘 要 本文中，對三坐標測量儀的研究現(xiàn)狀和精密測量的關鍵技術做了總結，對所設計的測量儀的總體布局、床身的選材、導軌的設計、進給方式的選擇做了介紹，選用燕尾型氣體靜壓導軌，同步齒形帶和鋼帶傳動，摩擦桿進行驅動。對移動橋和溜板進行了簡單的 析，計算了移動橋受力時最大的變形量和直線度；選用伺服電機作為動力源，并對其進行了簡單的功率計算，分析了測量儀的工作環(huán)境對其精度的影響和它的應用環(huán)境；定位采用開式光柵尺，對光柵尺的 選型做了比較。最后針對測量儀整機進行精度分析，查找誤差源和精度的綜合分析。 關鍵詞 ：超精密、氣靜壓、高精度、精密測量 需要購買對應 紙 咨詢 14951605 n of of of of of to of of of as a of to of of of of to of 需要購買對應 紙 咨詢 14951605 要購買對應 紙 咨詢 14951605 要購買對應 紙 咨詢 14951605 V 1 目 錄 1 緒 論 . 2 課題的來源 . 2 課題的意義 . 2 精密測量的研究現(xiàn)狀 . 2 精密測量的關鍵技術 . 6 2 超精密三坐標測量儀整機機構介紹 . 8 總體布局 . 8 床身材料選用 . 9 導軌的設計 . 10 進給傳動方式的選擇 . 14 測量儀整體結構設計 . 16 測量儀的工作原理 . 17 3 測量儀的主要零部件的設計 . 18 移動橋的設計 . 18 溜板的設計 . 19 電機選型 . 21 環(huán)境控制平臺 . 25 光柵尺的選型 . 26 4 測量儀精度分析 . 28 測量儀誤差源 . 28 測量儀精度分析 . 29 5 結束語 . 32 參考文獻 . 33 致 謝 . 錯誤 !未定義書簽。 2 買文檔送全套圖紙 扣扣 414951605 1 緒 論 課題的來源 為了響應教育部的號召，實施大學本科教改計劃，北京微納精密機械有限公司與中原工學院聯(lián)合實施“卓越工程師”的培養(yǎng)計劃。由該公司接收中原工學院大四學生來公司實習并完成畢業(yè)設計，為學生走上工作崗位提供一個鍛煉自己的平臺。本課題來自北京微納精密機械有限公司，在學校和公司的商討后，確定了我的課題：超精密三坐標測量儀整機 機構設計。 課題的意義 本課題研制的超精密三坐標測量儀具有重要意義：一方面將促進超精密光學、機械制造技術快速發(fā)展，填補我國相應領域的技術空白；另一方面將提高我國產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力以及我國測量儀器的性價比水平。 精密測量的研究現(xiàn)狀 精密測量技術和裝置是先進制造主要支撐技術之一，體現(xiàn)國家工業(yè)與科技水平。國民經(jīng)濟和先進制造的不斷發(fā)展對精密測量提出了新的要求，因此，提高精密測量水平，對提升我國先進制造能力，促進國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。隨著近 20年科學技術的迅速發(fā)展 , 對儀器精度要求出現(xiàn)了數(shù)量 級的變化。從精密測量 (mm)，發(fā)展到超精密測量 (m m), 近年來又提出納米精度測量(5 要求。據(jù)專家們的推測，隨著精密工程技術、尖端科技和空間技術的迅猛發(fā)展，輪廓形狀允差為 505度允差為 10010超精密零件將被廣泛使用，所以超精密測量技術和儀器工程的研究與應用已成為科學技術發(fā)展的關鍵因素之一。 當今世界上超精密三坐標測量儀在質(zhì)量和性能方面首推德國 司 (即原西德 和 目前為止 而使 生產(chǎn)的三坐標測量儀既有橋式測量儀，也有龍門式、懸臂式測量儀，既有生產(chǎn)型測量儀，也有計量型測量儀。在國內(nèi) 3 天、汽車、電子、機械等多個行業(yè)中得到廣泛地使用。圖 1新的 表著當今測量儀行業(yè)的尖端技術。 圖 1德國 通過高性能，高精確度的 坐標測量儀與功能強大的工業(yè)級計量軟件 斷解決來自工業(yè)各個領域的高精度和復雜幾何形狀的計量需求。 發(fā)、制造超高精度坐標測量儀，包括在世界高精度三坐標測量儀的發(fā)展歷史上具有里程碑意義的 動態(tài)指標分別為最大測量加速度 3000mm/s 或最大測量速度 400mm/s，平均觸測頻率 40點 /秒。圖 1 坐標測量儀系列 一樣，在全球三坐標行業(yè) 中，隸屬最尖端技術。表 1量儀系列的部分參數(shù)。 4 圖 1 表 1機型（ (100E (m) P (m) m) mm/s) a mm/0+L/350 5s 520 3300 0+L/350 5s 520 3300 0+L/350 5s 520 3300 意大利 公司 生產(chǎn)的三坐標測量儀，主要使用對象大多數(shù)是與汽車產(chǎn)品相關的生產(chǎn)廠家。國內(nèi)許多大型企業(yè)都訂購了該公司的三坐標測量儀，目前，世界上為汽車行業(yè)車身檢測提供專業(yè)檢測方案的最知名廠家當屬意大利 在推動汽車車身研究和“白車身”的尺寸檢測方面作出了突出貢獻。 5 三豐公司也是著名的測量儀生產(chǎn)廠家，目前，己累計向世界提供了 33000 臺三坐標測量儀，占世界測量儀市場份額的 35%，雄踞三坐標測量儀世界第一供應商的位置。經(jīng)過不斷改進和發(fā)展，已開發(fā)出現(xiàn)在的高速高精度三坐標測量儀，如列和 新型機種。其他世界上較有名的坐標測量儀制造廠商有 司，英國的 我國坐標測量儀發(fā)展過程可分為三個階段 :第一階段自上世紀 70年代開始至 80年代初。由于該技術密集度高，特別受我國計算機技術落后的嚴重影響，致使研究和生產(chǎn)總是處于樣機試制階段，第二階段自上世紀 80年代開始至 80年代末，隨著改革開放的政策實施，我國三坐標測量儀的研制工作一改過去封閉狀況，走上了引進國外先進技術，結合自身特點進行開發(fā)生產(chǎn)，加快我國三坐標測量儀生產(chǎn)的步伐，初步形成了國產(chǎn)測量儀的生產(chǎn)能力。第三 階段為進入上世紀 90年代至今。目前我國已具備了從生產(chǎn)精密型測量儀到生產(chǎn)型測量儀各種型號的三坐標測量儀的能力，開始占領國內(nèi)市場。 1982年北京機床研究所研制出第一臺 萬能測量儀。同年國內(nèi)率先研制出帶氣浮導軌的 手動三坐標測量儀。北京航空精密機械研究所 (原航空部第三 從 1972年開始研制三坐標測量儀， 1978年三坐標測量儀商品化是國內(nèi)第一家生產(chǎn)測量儀的企業(yè)，至今己有十種不同系列品種的測量儀。如 866橋固定式高精度測量儀、 儀、 近幾年來，隨著數(shù)據(jù)檢測技術研究的深入，國內(nèi)測量儀得到了進一步的發(fā)展。目前，在國內(nèi)測量儀廠家中，海克斯康測量技術 (青島 )有限公司擁有產(chǎn)品系列最多，測量精度較高。?？怂箍禍y量技術 (青島 )有限公司是世界級數(shù)控三坐標測量儀專業(yè)制造廠商，是瑞典高科技制造業(yè)集團 中國航空工業(yè)第二集團公司下屬青島前哨精密機械公司共同投資在中國組建 的國際化合資公司。?？怂箍倒镜那吧硎乔鄭u前哨精密測量技術有限公司（ 哨 )。其與享譽全球的坐標測量儀制造公司 大利 國 典屬 克斯康所提供的測量儀產(chǎn)品在汽車工業(yè)、航空航天，機床工具、國防軍工、電子和模具等領域得以廣泛應用，產(chǎn)品系列包括 : 活動橋式測量儀、固定橋式測量儀、龍門測量儀、水平臂式測量儀、懸劈式測量儀其中以 1997年推 出的 種測量儀系中小型測量儀系列，屬于高速度、高精度生產(chǎn)型測量儀，測量速度是固定橋式測量儀的兩倍。這種測量儀在生產(chǎn)在線測量 6 應用最為廣泛。該種測量儀的技術水平達到國際同類中小型測量儀的水平。與國外測量儀廠家的發(fā)展相比，國內(nèi)的發(fā)展就顯得很慢，遠遠不能適應國家重點行業(yè)技術改造和市場發(fā)展的需要，無論從技術實力還是市場開拓方面均大大落后于國外測量儀廠家。 精密測量的關鍵技術 直線導軌 總的來說，從精度角度看，空氣導軌是現(xiàn)在最好的導軌。雖然它沒有液體靜壓導軌的 剛性大，但氣浮導軌優(yōu)點也很明顯，如無需進行油溫控制，對環(huán)境沒有污染。此外，納米級精度儀器的負荷和行程沒有那么大，所以應優(yōu)先考慮空氣導軌。目前空氣導軌的直線度可達（ m/250水平，國內(nèi) 303 所也可做到 m/200。納米水平的儀器導軌行程比上述要短，通過補償技術還可進一步提高導軌的直線度，國防科技大學利用二維微進給裝置補償導軌直線度，取得了較好的效果，可補償?shù)?m/300導軌的結構設計上還有潛力可挖，如采用多根導軌并聯(lián)來加強氣膜的誤差勻化作用，加大 氣墊式導軌跨度來縮小直線度誤差等。由于空氣導軌的氣膜厚度大概只有 10 m 左右，在使用過程中防塵顯得很重要，若不保證潔凈的環(huán)境，導軌有可能因為灰塵而受損傷，這種損傷常常是難以修復的。 傳動系統(tǒng) 傳統(tǒng)的傳動方法為滾珠絲杠傳動，精密儀器一般用 用閉環(huán)控制目前最高可達到 m 的定位精度。利用滾珠絲杠的微小彈性變形原理，也可實現(xiàn)納米分辨率的進給，但在進行非球面等輪廓曲線跟蹤時，滾珠絲杠的精度及其在運動中的微小振動都會對系統(tǒng)的靜態(tài)特性與動態(tài)特性產(chǎn)生影響。國防科技大學利用微進給系統(tǒng)補償 輪廓誤差，在對半徑為 50 圓進行跟蹤試驗時，跟蹤定位精度可達 m。靜壓絲杠的絲杠和螺母不直接接觸，有一層高壓膜相隔，所以沒有摩擦引起的爬行和反向間隙，而且可以長期保持精度，進給分辨率也會更高。由于介質(zhì)膜（油、空氣）有勻化作用，可以提高進給精度，在較長行程上，可以達到納米的定位分辨率。目前的空氣靜壓絲杠分辨率可達到 m，進給精度比 個數(shù)量級。但它的剛度比較小，直徑 25程為 10度可達到 50N/ m。摩擦驅動可以實現(xiàn)無反向間隙的傳動，由于結構上比較 簡單， 7 因而彈性變形因素大為減少，所以一直被認為是一種非常適合精密的傳動系統(tǒng)。一般的摩擦驅動機構的結構和齒輪齒條相似，可以把電機的回轉運動直接轉換為直線運動。英國 司開發(fā)的 00 精密鏡面儀器的進給機構采用了這種裝置， 300辨率， 近，由國防科技大學設計的一種扭輪摩擦傳動系統(tǒng)，模擬絲杠的傳動原理，大大提高了系統(tǒng)的進給分辨率。從原理上說，利用分辨率為六萬分之一轉的電機驅動，系統(tǒng)可達 率。 寸測量技術 尺寸測量技術在精密領域尺寸測量主要有 2 種技術：一是激光干涉技術，二是光柵技術。激光干涉儀分辨率高，最高可達 般為 量范圍大，可達幾十米；測量精度高，日本和美國的使用精度都可到 10使用困難，特別是高精度測量，激光波長受溫度、濕度、壓力的影響比較大，因此使用過程中對環(huán)境要求很苛刻。近年來精密領域越來越多地選用光柵作為測量工具。從分辨率上看， 羅斯的全息光柵系統(tǒng)達 10 京光電量儀研究中心的光柵系統(tǒng)分辨率可達 測量長度看，光柵尺測量范圍 70辨率為 5 測量長度可達 220度上， m（ 220 m（ 100俄羅斯的全息光柵精度是 m， 量范圍 100 度 m,8。單從分辨率和精度上看，光柵技術可以和激光干涉技術相媲美，對環(huán)境的要求相對較低，可以滿足納米精度的使用要求，特 別是相位光柵，是一種非常有前途的精測量工具。 8 2 超精密三坐標測量儀整機機構介紹 總體布局 三坐標測量儀是近三十年發(fā)展起來的一種高效率的新型精密測量儀器。它以精密機械為基礎，綜合電子技術、數(shù)控技術、計算機技術以及精密位移技術為一體的高技術、高精度、高效率的精密儀器，并廣泛用于機械制造的檢測、電子、汽車和航空航天等工業(yè)中。可以進行零件和部件的尺寸、形狀及相互位置的檢測，例如箱體、導軌、蝸輪和葉片、缸體、凸輪、齒輪、形體等空間型面的測量。此外，還可用于畫線、定中心孔、光刻集成電路等，并可對連續(xù)曲面 進行掃描及制備數(shù)控機床的加工程序等。由于它的通用性強、測量范圍大、精度高、效率高、性能好、能與柔性制造系統(tǒng)相連接，已成為一類大型精密儀器，有“測量中心”之稱。 我這次設計的超精密三坐標測量儀總體布局如圖 2示。結構整體為移動橋式結構，這種結構簡單、緊湊、剛度好，具有較開闊的空間。工件安裝在固定的工作臺上，承載能力較強，工件質(zhì)量對測量儀的動態(tài)性能沒有影響；工作臺采用人造花崗巖材料，其主要優(yōu)點是變形小、穩(wěn)定性好、不生銹，易于作平面加工，易于達到比鑄鐵更高的平面度，適合制作超精密的平臺；橫梁和 Z 軸采用陶瓷材料 ，在保證所需要的剛度的同時，減少了本身的重量，保證測量儀的測量精度； 向均采用氣體靜壓導軌，使測量儀在運動時有足夠的精度； 9 圖 2三坐標測量儀總體布局圖 其主要技術指標要求如下： 1） 大行程： 800 線度： m/100 柵反饋分辨率： 2） 大行程： 600 線度： m/100 柵反饋分辨率： 3） 大行程： 400直線度： m/100 柵反饋分辨率： 4）驅動：伺服電機驅動摩擦輪傳動； 5）導軌形式：超精密氣體靜壓導軌； 6）承重 2000 床身要支撐整機的重量，它應具有良好的剛度和強度，可以采用不同材料，比如優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵、花崗巖、人造花崗巖等。 1）優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵 鑄鐵是制造床身的傳統(tǒng)材料，它的優(yōu)點是工藝性好。選用耐磨性好，熱膨脹系數(shù)低，對振動衰減能力強，并經(jīng)時效處理的優(yōu)質(zhì)合金鑄鐵作精密儀器的床身，可以得到滿意的結果。近年來，雖然多數(shù)精密坐 標測量儀和精密機床改用花崗巖，但美 10 國 司和瑞士 司仍使用鑄鐵床身，他們認為花崗巖有吸濕性，會導致微量變形，降低測量的精度，反不如鑄鐵好。 2）花崗巖 花崗巖現(xiàn)在已是制造精密測量儀和精密機床的床身的熱門材料，這是因為花崗巖比鑄鐵長期尺寸穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)低，對振動的衰減能力強，硬度高、耐磨并且不會生銹等。用花崗巖作機架時，一般都用整體方塊，鉆孔埋入螺母以便和其它件連接。但花崗巖加工比較困難，而且吸濕后會產(chǎn)生微量變形，影響精度。 3）人造花崗巖 花崗巖不能鑄造成形且有吸濕性。為解決這問題國外提 出了人造花崗巖。人造花崗巖是由花崗巖碎粒用樹脂粘結而成。用不同粒度的花崗巖組合可提高人造花崗石的體積比，使人造花崗巖有優(yōu)良的性能，不僅可鑄造成形，吸濕性低，并對振動的衰減能力加強。 在溫度特性、動態(tài)特性以及工藝特性的方面的相關參數(shù)的基礎上，考慮到測量儀當今制造業(yè)中的使用特點、使用環(huán)境、精度以及效率要求，考慮到測量儀對精度的要求是第一位的，而對速度要求一般；由于價值高，一般配備專用的工作環(huán)境，環(huán)境較好。其移動部件的選材，需要兼顧密度和剛性；而對于固定部件，則對密度 /剛性比的要求比較寬松，一般通過加大截面尺寸提 高剛性，故固定部件的材料可選擇陶瓷或花崗石，所以本次設計的測量儀采用花崗巖為床身材料。國內(nèi)的泰山青是比較優(yōu)秀的花崗巖。 導軌的設計 在精密加工與測量領域，進行直線運動的機械元部件的導軌主要有滑動導軌、滾動導軌、液體靜壓導軌和空氣靜壓導軌?；瑒訉к壘哂薪Y構簡單、緊湊、剛性高、停止時的穩(wěn)定性高和熱穩(wěn)定性高及價格低等優(yōu)點，缺點是由于其導軌與支承結構直接接觸，摩擦力較大而且動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)的差值較大，有爬行，定位精度有限，低速時運行的平滑度較其他導軌差一些。 滾動導軌結構簡單，已實現(xiàn)標準化，是目前使 用較多的一種導軌，但精度比滑動導軌和靜壓導軌要低。液體靜壓相對于氣體靜壓導軌具有載荷量大、剛度高，阻尼高，對振動的衰減好，應用激光干涉儀的情況下，得到定位精度可以達到 00線運動精度為 m/200點是目前靜壓導軌的大部分設計只是依賴于簡單的工程計算或者實際經(jīng)驗，缺乏一套成熟的理論支持。采用液體靜壓導軌時，還存在設備復雜和油污染的問題，成本也非常高。液體靜壓導軌由于油的粘 11 性剪切阻力，發(fā)熱問題不可忽視，因此對液壓油必須采取徹底的冷卻對策。液體靜壓油膜厚度要保持恒定不變比較困 難，調(diào)試調(diào)整費時費力。而且在運行過程中，需要一個壓力 (或流量 )穩(wěn)定、過濾嚴格的靜壓供油系統(tǒng)，才能保證導軌運動的高精度。 空氣靜壓導軌主要有如下特點 : 1）由于空氣的粘性系數(shù)為油的 1/50 以下，而且粘度對溫度和壓力的變化不敏感，空氣靜壓導軌的摩擦力非常小且近似為常數(shù)。 2）采用空氣靜壓潤滑支承，在運動過程中導軌不與支承體直接接觸，基準面摩損小，因此精度高而且使用壽命長。 3）分布于導軌及支承面之間的 5一 15 m 的空氣膜對部件缺陷具有平均效應，容易得到高精度。 4）爬行少，機械摩損小，噪聲低。 5）發(fā)熱量少，工 作溫度范圍寬，熱變形非常小。 6）無環(huán)境污染。 因此現(xiàn)在國內(nèi)外大部分的精密測量設備都用空氣靜壓導軌作為精密運動部件 ;在適應參數(shù)控制模式 (采用氣體靜壓花崗巖導軌得到好于土 15位置控制精度。 在精密測量儀中，要求摩擦發(fā)熱小，載荷不需要太高，因此主要應用空氣靜壓導軌來構成高精度的直線運動機構。 所以根據(jù)以上的分析，測量儀的導軌采用空氣靜壓導軌。 凡能同時承受軸向、徑向或其它方向作用力的氣體支撐裝置均稱為氣體靜壓組合裝置?？諝忪o壓導軌是典型的氣體靜壓組合裝置。根據(jù)工作臺的移動量、載荷量和精度要求等 的不同，一般有如下幾種形式，圖 2 12 (a) 平面封閉性 （ b） 圓柱封閉性 （ c） 重量平衡式 （ d） 真空負壓平衡式 圖 2氣浮導軌結構形式 1）平面封閉型導軌 這種形式的導軌，因工作臺導軌面產(chǎn)生的撓度較小，可取得高精度、高剛性、大負載量，最適用于作為精密加工機床和測量儀等的長導軌。 2）圓柱封閉型導軌 這種結構的導軌結構簡單，導桿的圓度、圓柱度和導向孔的間距等 精度完全由機械加工決定，全部負載由導柱承受，容易產(chǎn)生撓度，故除了用于立式外，常用于輕載、短導軌。 3）重量平衡式導軌 這種導軌結構簡單，加工方便。但是軸承剛度低，適用于負載變化小的場合。 4）真空負壓平衡式導軌 這種導軌與重量平衡式導軌是同一型式，適用于工作臺重量輕或不能加重的場合，使真空負壓和靜壓保持的同時，由維持固定的導軌間隙。根據(jù)本次測量儀的設計要求氣靜壓導軌型式采用平面封閉式，圖 2橫梁的氣浮分布。圓形氣浮墊的機構見圖 2部分尺寸和參數(shù)見表 2 13 氣浮塊圖 2梁的氣浮分布 圖 2圓形氣浮墊結構圖 剛性螺桿氣墊（含節(jié)流塞）氣管接頭氣管外徑4氣 浮 工 作 面 14 表 2圓形氣浮塊部分尺寸和參數(shù) 進給傳動方式的選擇 進給絲杠 這是目前較多采用的一種進給傳動方式。常用的進給絲杠形式有梯形絲杠、滾珠絲杠、空氣靜壓絲杠或液體靜壓絲杠和滾柱絲杠等?？諝忪o壓絲杠或 液體靜壓絲杠的制造誤差、彎曲變形等對工作臺直線方向上的運動精度影響小，因此在較長的行程上可以達到納米級的分辨率，另外由于不存在摩擦引起的爬行和回程間隙，可以長期保持精度，但其軸向剛度和承載能力小，制造和裝配難度非常大。滾珠絲杠因具有高速、節(jié)省能源、易于潤滑、跟隨靈敏、對周邊環(huán)境適應性強等特點，應用最廣泛。但滾珠絲桿存在回程影響和軸向誤差。滾珠絲杠的配合直接影響了滾珠絲杠的精度，很明顯，滾珠與螺母之間為點接觸，其性能劣于采用面接觸的傳動螺桿。滾珠絲杠之間為摩擦環(huán)節(jié)，是一個二階系統(tǒng)，故從控制角度來講系統(tǒng)不穩(wěn)定， 容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，導致不能夠很好的定位。滾珠絲杠之間若為間隙配合，絲杠產(chǎn)生回程誤差，但是通過雙頻激光檢測系統(tǒng)對進給量的檢測和反饋可以進行補償，問題并不嚴重 ;若為過盈配合，微小量的進給實現(xiàn)起來比較困難，容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。最近一些學者的研究表明，滾珠絲杠在數(shù)微米的行程范圍內(nèi)呈非線性彈性現(xiàn)象。 主要序 號 直徑 度 D 徑 載 Kg f 剛度 Kg f/ m 接頭 螺紋 1 30 15 10 16 1 40 15 10 27 2 50 15 10 44 3 60 15 16 63 5 70 20 16 87 9 80 20 16 113 13 90 25 16 156 19 100 25 16 196 25 120 25 25 282 40 0 150 30 25 440 70 1 200 50 25 780 120 2 250 60 50 1220 180 3 300 60 50 1766 270 15 的是，在進給全行程中，絲杠和螺母配合的松緊程度有變化，滾珠螺母之間產(chǎn)生非線性的接觸變形，影響進給運動的平穩(wěn)性和精度，而且不同滾珠所承 受載荷的不一致性也影響了它的使用壽命。 鋼絲和鋼索傳動 這種傳動方法可以獲得穩(wěn)定而平滑的運動方式。這種傳動方式的優(yōu)點是無反向間隙，但是由于鋼絲等具有伸縮性，進給方向的剛性較弱，隨著工作臺行程的增大，其力矩和輸出位移之間存在明顯的非線性遲滯現(xiàn)象。 摩擦驅動 摩擦驅動是獲得平滑而無伸縮變形運動的一種較好驅動方式，在國內(nèi)外的一些精密機床和坐標測量儀上有所應用，其中國防科技大學在國家自然科學基金的資助下，對小角度扭輪摩擦進行了系統(tǒng)的研究，并成功研制了扭輪摩擦傳動精密定位系統(tǒng)。圖 2的 是摩擦驅動示意圖，摩擦傳動具有定位精度高和結構簡單的優(yōu)點，但是在高速進給中電動機軸和摩擦桿之間容易產(chǎn)生滑動，進給方向的剛性較低。 1、伺服電機 2、減速器 3、驅動輪 4摩擦桿 5、預緊力 6、線性刻度尺 7、摩擦力 圖 2摩擦驅動示意圖 驅動軸和從動桿是摩擦傳動系統(tǒng)的主要元件。驅動軸亦稱滾輪，斷面為圓形，由軸承（滾動軸承、液壓軸承、空氣軸承）支撐著，在伺服電機帶動下，通過減速器做旋轉運動。從動桿或稱滑尺，斷面為矩形或圓形，以直角或某一角度與驅動軸 16 接觸，在預壓機構產(chǎn)生的壓緊力 P 的作用下， 接觸部位產(chǎn)生摩擦力 F，帶動從動桿作直線運動。 測量儀整體結構設計 各主要部分確定以后，按照各部分的尺寸進行測量儀的總體設計，圖 2測量儀的三維模型圖，圖 2 圖 2 5 測量儀三維圖 17 圖 2測量儀的總裝配圖 測量儀的工 作原理 如圖 2 服電機 6通過同步齒形帶帶動摩擦輪轉動，摩擦輪通過摩擦桿 4、 11 分別帶動床身 1和 0 做直線運動，在 服電機通過同步齒形帶帶 動滾珠轉動，再通過鋼帶 5帶動溜板 2在 測量時，工件固定在工作臺上， X、 Y、 工件做三維測量，通過測量儀上的光柵尺進行三軸的測量定位，然后通過軟件把數(shù)據(jù)收集分析，完成測量任務。 18 3 測量儀的主要零部件的設計 移動橋的設計 移動橋是測量儀設計中，保證機械部分測量精度最重要的零件。它的精度要求直接關系到測量儀的精度。 由于移動橋的尺寸較大，用常規(guī)的簡化計算很難滿足設計要求所以采用行零件設計校核。 移動橋承受的重量主要有溜板的重量和 Z 軸的重量 ，總重量估算有 800N?；◢弾r的彈性模量 147000壓強度 255 根據(jù) 出如圖 3 然后經(jīng)過 析后，得出圖 3門架受力變形量；圖 3門架應力分布。 由圖 3t: 2 . 2 9 7 m 0 . 1 4 3 m / 1 0 0 m 0 0 m 由于 tm/100 以滿足設計要求。 由圖 3 圖 3移動橋三維模型 19 圖 3移動橋受力變形量 圖 3移動橋應力分布 溜板的設計 首先建立溜板三維模型如圖 3過分析后得到的圖 3 由圖 3板的受力變形量，看出移動受的力為豎直方向的，同一個面內(nèi)變形均勻。所以只要溜板加工時候滿足設計要求，在加載后加載力對 Z 軸的直線度影響 20 很小。 圖 3動的應力分布中最大應力為 06小于許用應力45*106 圖 3溜板的三維模型 圖 3溜板的受力變形量 21 圖 3溜板的應力分布 電機選型 驅動裝置是測量儀的重要運動機構，可實現(xiàn)機動和程序控制伺服運勸的功能。在測量儀上一般采用的驅動裝置有絲杠絲母、滾動輪、鋼絲、齒形帶、齒輪齒條、光軸滾動輪等傳動，并配以伺服馬達驅動。 運動控制系統(tǒng)是在自動控制理論的指導下，以電動機為控制對象，以人或機器的操作為控制核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構組成的電氣傳動控制系統(tǒng)。根據(jù)位置反饋形式，即有無反饋裝置，運動控制系統(tǒng)分為開環(huán)、半閉環(huán)和全閉環(huán)三種控制方式。開環(huán)控制系統(tǒng)沒有位置檢測反饋裝置，這類系統(tǒng)結構簡單，控制方便，但位置精度不高。半閉環(huán)控制系統(tǒng) 位置反饋裝置采用直接安裝在伺服電機端部的角度檢測元件，這類控制系統(tǒng)雖有位置反饋比較，但大部分機械傳動環(huán)節(jié)未包括在系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)，故只可獲得較大的定位精度。全閉環(huán)控制系統(tǒng)利用安裝在最后一級機械運動部件上的光柵等檢測元件作為位置反饋裝置，這類系統(tǒng)可以消除從電機到被控單元之間整個機械傳動鏈中的傳動誤差，獲得很高的定位精度，但系統(tǒng)的設計和調(diào)整較復雜。 隨著電力電子技術、傳感器技術、自動控制技術及計算機技術的發(fā)展，全閉環(huán)運動控制系統(tǒng)在高精度定位系統(tǒng)的機電一體化產(chǎn)品中得到越來越廣泛的應用。由于交流伺服系統(tǒng)與直流伺服電機 相比，不僅具有動態(tài)響應好、堅固耐用，經(jīng)濟可靠等優(yōu)點，而且克服了直流伺服電機造價高、壽命短、應用環(huán)境受限制等缺點，近年來交流伺服系統(tǒng)多用作全閉環(huán)運動控制系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)包括交流伺服驅動器和伺 22 服電動機，與直流伺服電機相比，交流伺服系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： 1）電機散熱性好； 2）功率相同時，交流伺服電機具有較小的體積和重量； 3）由于轉子轉動慣量小； 4）可靠性高，對維護保養(yǎng)要求不高。 根據(jù) X 向、 Y 向和 Z 向機械運動平臺的構成和各伺服電機主軸承載的徑向載荷（相對于電機軸施加的垂直方向的載荷）、軸向載荷（相對于電機軸施 加的水平方向的載荷）的大小，近似計算各機械系統(tǒng)的慣性矩即負載慣性矩 L，最后決定選購日本富士 交流伺服放大器共兩套，如圖 3示，并選購了伺服放大器和伺服電機等連接所用的不同規(guī)格的連接器和電纜線。該伺服電機具有防水、防塵等特點，內(nèi)部裝有分辨率為 17位的專用編碼器，內(nèi)裝編碼器與伺服電機的位置關系是調(diào)好的，不可拆卸。與伺服電機相配使用的伺服放大器采用微處 理器的電子部件構成，將控制電路、驅動電路、多路保護電路等集成在一個模塊內(nèi)，提高了系統(tǒng)的性能，其功能在于完成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制，通過簡易調(diào)試功能可實現(xiàn)機械和電機最理想的匹配。表 3所選購的伺服電機和伺服放大器的部分具體參數(shù)。 圖 3富士 23 表 3伺服電機 參數(shù) 參數(shù) 額定輸出（ 用電機的輸出 (定轉矩（ Nm） 源相數(shù) 單相 最大轉矩（ Nm） 源電壓 定旋轉速度 r/ 3000 電源頻率 50/60大旋轉速度 r/ 5000 載頻 10性矩（ kg 10饋 17位串行編碼器（增量） 額定電流（ A） 置控制方式 脈沖串 最大電流（ A） 度控制方式 模擬電壓 耐振動（ m/s） 49 轉矩控制方式 模擬電壓指令 電機計算 24 25 環(huán)境控制平臺 在沒有測量環(huán)境保障的前提下，談實現(xiàn)精密測量是毫無意義的。要實現(xiàn)精密測量，對環(huán)境條件的要求十分嚴格，要求恒溫、恒濕和潔凈，而且還要隔絕振動。 溫度控制 導致測量熱變形誤差效應的主要熱源有 : 1）不同溫度空氣之間的對流，如空調(diào)的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)； 2）測量儀內(nèi)部發(fā)熱源，如主軸電機以及運動機構的摩擦發(fā)熱等； 3）周圍環(huán)境的熱輻射，如在測量儀周圍有其它加工測量儀械，并且正在運行； 4）測量儀周圍人體的熱效應，如人體本身的發(fā)熱、人員走動以及呼吸作用等； 5）測量儀構件和被測工件的溫度慣性作用。 當這些熱源的作用使測量儀溫度偏離標準環(huán)境溫度 20時或引起溫度分布不均時，由于輪廓儀的主要構件，如長度計、氣浮導軌、光柵尺等的熱特性差異，它們的熱膨脹系數(shù)、形狀將發(fā)生變化，從而導致各構件內(nèi)部應力狀態(tài)互不相同，連接構件之間應力關系復雜，最終作用將導致輪廓儀在測量空間、時間域內(nèi)形成復雜的非線性測量誤差。因此環(huán)境溫度的保障是實現(xiàn)精密測量關鍵要素之一。對于金屬零件溫度每變化 1，就會造成尺寸誤差 m 左右。所以要保證 m 以上的尺寸測量精度，必須有能檢測、控制的測量環(huán)境的措施，盡可能地減小溫度變化。 隔振 在精密測量中，測量儀本身振動已通過合理的設計解決，而外界振動對測量精度影響極大。隔振設計主要分為兩類：一類為積極隔振，另一類為消極隔振。所謂積極隔振，是為了減少動力設備產(chǎn)生的擾力對測量、設備的支撐結構和生產(chǎn)科研人員的有害影響而對動力設備所采用的隔振措施，即減小振動的輸入。而消極隔振，就是為了減小支撐結構的振動對精密測量的影響而對設備采取的隔振措施。無論是積極隔振還是消極隔振，其主 要的方法是在振源、精密測量設備與支撐結構之間設置屏障、減振器或減振材料。 設計的測量儀總的重量達 2噸多，所以要在表格 3狀如圖 3 26 圖 3阻尼彈簧減震器 表 3減震器的型號表 產(chǎn)品型號 載荷范圍 （ 豎向剛度 （ N/ 外型尺寸（ H D 1 609 90 161 207 12 13 2002 110 161 207 12 13 8829 110 161 207 12 13 0080 110 161 207 12 13 3096 110 161 207 12 13 光柵尺的選型 要選擇合適的光柵尺要滿足：分辨率小于 m；量程 X 軸要大于 1000 軸要大于 400 直線光柵尺在測量儀械運動位移時安裝在最后一級運動平臺上，不存在任何附加的機械傳動元件，減小了機械的傳動誤差，故它已成為高精度定位測控制系統(tǒng)不可或缺的檢測設備。根據(jù)形狀測量儀在 X 向、 Y 向、 Z 向的測量范圍，本測 量儀選 購了德國海德漢 軸、Y 軸和 Z 軸光柵尺，分別用于 X 向、 Y 向、 Z 向的位移檢測設備。外形如圖 3示。 圖 3該系列光柵尺是增量式直線光柵尺，由光柵讀數(shù)頭和標尺光柵構成，標尺光柵 27 的基體為鋼帶，安裝方式為將鋼帶光柵尺的背面粘貼在安裝面上。本測量儀所選的光柵尺的技術參數(shù)如表 3示。標尺光柵和光柵讀數(shù)頭的相互位置由機床導軌確定，他們之間沒有機械接觸。 表 3 81系列光柵尺的技術參 數(shù) 技術參數(shù) 81 測量基準 在玻璃上的 位光柵 8m 測量長度（ 70 1440考標記 在中間有一個參考標記 增量信號 正弦波 準確度等級 1m 最大移動速度 信號周期 48m/置 10 倍頻細分： 源功耗 5V 5% 220負載 ) 信號接口 D 型接口， 3m 電纜 工作溫度 0到 50 28 4 測量儀精度分析 測量儀誤差源 測量儀作為多軸的復雜系統(tǒng)，常為伺服控制系統(tǒng)，用于高精度 規(guī)格的復雜測量任務?；谄洳考墓δ芴攸c，主要有以下影響精度的重要誤差源：機構系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)等。測量儀的機構系統(tǒng)主要包括：支撐測量工件的工作臺，導軌，以及裝有軸承的橋架等。因為部件制造、調(diào)整以及其它屬性例如硬度，熱膨脹等的非精確性，就會導致誤差的產(chǎn)生。這些誤差可能是靜態(tài)的，準靜態(tài)的或者動態(tài)的。對于測量儀，每個軸上都裝配有驅動馬達、傳動部件、伺服控制單元。與驅動系統(tǒng)相關影響測量精確性的因素有：不適當?shù)?、非常?shù)的測量速度，因為橋架運動運動所產(chǎn)生的機構載荷所導入的機構振動。因為實際測量點的坐 標來自于測量位置（通過標尺讀數(shù)），而非驅動系統(tǒng)中的指令位置，所以通常定位誤差并不十分顯著。測量點的實際坐標值來自于測量儀線形標尺的示數(shù)。由標尺導致的誤差主要源于其較低的制造精度 ,讀數(shù)裝置的對準、調(diào)整誤差，內(nèi)部插值誤差和數(shù)字性誤差。在對于表面點進行探測時，通常使用探針系統(tǒng)。許多的誤差源均與探針系統(tǒng)相關聯(lián)，例如測桿支撐的滯后，測桿彎曲等。同樣探測系統(tǒng)由于時間延遲產(chǎn)生的的電（觸發(fā)）信號也是重要的誤差源之一。計算機系統(tǒng)包括控制器單元，硬件、軟件。硬件誤差一般很少存在。軟件主要任務是進行數(shù)據(jù)計算，并將測量點的位置坐標 與工件進行匹配，以獲得工件的尺寸和形狀。軟件在數(shù)據(jù)計算擬合時就會產(chǎn)生誤差，繼而嚴重影響測量結果及其準確性。 除了上述誤差源而外，測量儀的測量精度還受到外部操作者和工作環(huán)境的影響。操作者所產(chǎn)生的誤差主要源于測量中產(chǎn)品的處理、測量的策略、以及實際操作者對測量儀的實際操作。產(chǎn)品的處理指測