某三坐標測量儀的整體方案設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u5546某三坐標測量儀的整體方案設計案例 143871.1三坐標測量儀框架結構分析 1125261.1.1單邊橋式 1221001.1.2龍門式 2259801.1.3水平臂式 3207131.1.4移動橋式 4161631.2框架結構的確定 5126431.3傳動方案的選擇 6308581.3.1滾珠絲杠 628961.3.2梯形絲杠 7本課題的首要目標是實現(xiàn)三坐標裝置的多用途，通過對于三坐標測量儀和激光切割機的初步認識。對課題的設計進行了以下分析：首先，三坐標測量儀和激光切割機，在工作時的進給運動基本相同，故兩種功能的實現(xiàn)可以在同一個機架上完成；其次，兩者工作頭的運動方式相同，為實現(xiàn)不同功能的切換，采用了傳統(tǒng)的方式更換工作頭；最后，考慮兩種工況下工作平面的要求不同，對兩種工作平面進行二合一的設計，并且為節(jié)省人力資源以及實現(xiàn)裝置的自動化，設計了二合一工作平面翻轉裝置。1.1三坐標測量儀框架結構分析1.1.1單邊橋式單邊橋式結構的三坐標測量機如圖1.1所示，目前，單邊橋結構的測量儀主要是為了解決工業(yè)上大型尺寸的工件測量而設計的。單邊橋結構的設計，能夠讓機構在工作時保持一定的穩(wěn)定性，同時還能保持良好的動態(tài)性。目前，主要運用于汽車制造行業(yè)、一些大型模具制造行業(yè)、以及大型尺寸的精密儀器零部件的測量，單邊橋式結構的特點可以概括為如下幾點[16]：相對于部分較大型的工作平面，它主要采用的材質是花崗巖，增加平面的剛性；對于Y軸方向的承載，它的主導軌結構是利用高架結構，這種結構對于運動部件的慣性有一定的減少作用；單邊橋的設計使得整個工作平面在實際工作時擁有開闊的空間，在放置工件時，有明顯的空間優(yōu)勢，在工件裝載時，更加簡單、快捷、方便，使得被測產品在靠近測量中心時更容易；由于一邊沒有設置導軌，所以在主導軌方向更容易作加長設計，通過這樣的設計不僅增大了測量跨距，保證了更好的運動特性以及測量精度，而且使得主導軌的導向精度得到進一步提高。圖1.1單邊橋式三坐標測量儀1.1.2龍門式龍門式三坐標測量機結構如圖1.2所示，龍門式結構也稱作雙邊高架型結構，是一種高精度的幾何測量儀器，并且它能在工業(yè)上完成多種測量任務，例如：測量零部件的形狀誤差、位置誤差等。這種結構的測量儀，目前，主要運用于機械行業(yè)中測量大、中型的零件，一般在計量室和一些生產現(xiàn)場使用，包含汽車行業(yè)、航空航天行業(yè)、兵器制造行業(yè)以及一些工裝模具的測量。其結構特點可以概括如下[17]：由于龍門式整體裝置的結構尺寸偏大，剛度要求較大，導軌材料通常采用花崗巖材料，使得它能夠達到較高剛度，滿足較強承載能力。同時花崗巖的自身特性，使得它能適應一些溫度變化較大的工作環(huán)境，增強了測量儀的工作環(huán)境適應能力；主導軌采用的是雙邊高架結構，在工作時，兩邊能夠同時驅動，使得工作過程中，發(fā)生的偏擺較小，確保了移動過程中的穩(wěn)定性；X軸與Z軸方向一般采用內部由鋼絲組成的同步帶，這樣即達到了兩軸同步要求的精度，又能獲得較好剛性與良好柔性的完美結合；但由于測量尺寸較大，同時導軌相對其他結構更長，故占地空間也就更大。圖1.2龍門式三坐標測量儀1.1.3水平臂式水平臂式三坐標測量儀結構如圖1.3所示，可以看出，測量儀的橫向移動主要依靠類似懸臂梁的結構完成的，這類結構通常是安裝在室內工廠的地面上，在目前的生產現(xiàn)場中，是運用最廣泛的一種結構。生產制造過程中，主要是提供加工途中質量檢測的必要數(shù)據(jù)，它的結構特點可以概括為以下幾點[18]：根據(jù)圖中所示，在工作時，主要由水平臂的伸展進行測量，并且由于水平臂尺寸偏向于細長形，使得該結構較為緊湊，而且它沒有其他多余的橋架結構，故它的測量空間也足夠的寬闊；水平臂式結構的靈活性較強，水平臂在工作時，工作探頭在工作空間內基本上可以實現(xiàn)360度的全方位測量；水平臂能夠伸出、收回，測量機的工作空間基本上是全敞開式，使得工件能夠實現(xiàn)各個方向的上、下料和工件裝夾，適用范圍十分廣泛，在車身的檢測生產線上隨處可見它的身影；它的傳動裝置一般采用直線導軌和齒輪齒條傳動系統(tǒng)，保證了移動時既平穩(wěn)又無相對滑動。圖1.3水平臂式三坐標測量儀1.1.4移動橋式移動橋式三坐標測量儀如圖1.4所示，它在結構上與單邊橋式有相似之處，在用途上又跟龍門式有些許相同。移動橋式測量儀主要用于測量中小型的機械部件，能夠測量部件的形狀誤差和位置誤差；廣泛運用于汽車行業(yè)、航空航天行業(yè)、模具以及電子電器行業(yè)，其結構特點概括如下[19]：本身測量范圍不大，主體結構比較緊湊，整體結構的剛性相對單邊橋式更為突出；導軌主要使用空氣導軌和空氣軸承等結構，其導軌基本都是整體式；結構材料通常使用鋁合金等金屬材料作為整體框架，在同等剛度的條件下，不僅減輕了設備重量，而且使工作頭在工作過程中更加平穩(wěn)。圖1.4移動橋式三坐標測量儀1.2框架結構的確定本課題的結構設計是在三坐標測量機的基礎之上，加入激光切割機的功能，并且主要是針對單個零件或少批量生產。在選擇三坐標結構框架時，在考慮適用范圍的前提條件下，也要清楚激光切割機的基本框架的結構組成。激光切割機結構如圖1.5所示，通過直觀結構特點的方式，可以暫時排除水平臂式結構。分析切割機的移動方式，激光切割機在水平方向上的移動，主要是依靠機床上的機械傳動系統(tǒng)協(xié)同完成，并通過伺服電機系統(tǒng)控制水平方向的移動；進一步研究激光切割機的機械傳動原理，可以排除單邊橋式結構。最后，雖然它的整體結構與龍門式和移動橋式結構都存在幾分相似，但從使用角度出發(fā)，可以看出龍門式結構，通常是用于中大型的零部件測量機使用的結構，而移動橋式則主要是針對于中小型。綜合以上不同情況的分析，本課題結構選擇采用移動橋架式，原因如下：移動橋架式結構和切割機移動的工作原理更為相似；結構上相對更加緊湊，對工作空間需求相對較?。辉诮Y構材料方面，移動橋式的實用性更強，可以使用金屬合金作為整個裝置的材料；采用測量范圍較小的結構，使得后續(xù)二合一工作平面轉換的實現(xiàn)更容易。圖1.5激光切割機1.3傳動方案的選擇1.3.1滾珠絲杠由于滾珠絲杠可以實現(xiàn)旋轉運動與直線運動的相互轉換，通常它的工作狀態(tài)又比較理想，。常用于較為精密的機械傳動結構中。滾珠絲杠根據(jù)旋轉運動過程中滾珠與絲杠的接觸情況，分為外循環(huán)和內循環(huán)兩種方式；其中，外循環(huán)就是在旋轉運動過程中，內部的滾珠會暫時性的遠離絲杠；而內循環(huán)在旋轉運動過程中則一直保持著與絲杠的密切接觸[20]。當滾珠絲杠工作時，由于滾珠螺母的整體要進行線性運動，而里面的滾珠要沿著絲杠螺紋進行旋轉運動，螺母內部的滾珠要進行循環(huán)運動，所以設置了循環(huán)槽，使得滾珠在整個旋轉通道里能夠不斷地進行循環(huán)運動，達到帶動零部件直線往復運動的效果[21]。為了防止?jié)L珠從螺母中掉落，循環(huán)通道兩端都需要進行密封處理。外循環(huán)結構如圖1.6，內循環(huán)結構如圖1.5，根據(jù)兩個原理圖的對比，能夠看出兩者循環(huán)通道的不同，同時，可以發(fā)現(xiàn)兩種方式在使用效果上基本沒有太大的差距。對于滾珠絲杠的傳動還有如下一些特點：滾珠絲杠副內部有許多滾珠在進行著滾動運動，從傳動效率上來說它能夠高達百分之九十六左右，在傳動件中傳動效率較高，因內部做滾動運動，使得內部受到的摩擦力很?。粷L珠絲杠的制造精度比較高，因此使用滾珠絲杠的裝置可以得到較高的精度，通常運用在精密儀器的結構設計中；與摩擦運動相比，滾動運動受到的阻力更小，其運動過程中的速度自然能夠實現(xiàn)更快、更準確的要求。故在一些需要進行高速進給運動、微小進給運動，同時又需要滿足較高的精度需求的場合，通?？紤]使用滾珠絲杠；具有較好的力學性能，軸向剛度較高，能承受一定的壓力；不具有自鎖性，往復運動的可逆性較好，且具有較好的靈活性。綜合上述幾個特點，滾珠絲杠可以應用于本課題傳動系統(tǒng)的結構設計中，主要用于水平方向上工作頭的移動，工作頭在工作時需要傳動件具有穩(wěn)定性、靈活性、較好力學性能、自身阻力小等優(yōu)勢，確保工作頭在測量和切割時都能夠達到所需的精度要求。圖1.6外循環(huán)式1.滾珠循環(huán)外通道1.絲杠圖1.7內循環(huán)式1.3.2梯形絲杠梯形絲杠的組成相對于滾珠絲杠的組成較為簡單，如圖1.8，它主要是由梯形螺桿和螺母通過螺旋配合所組成。它不僅在結構上較為簡單，在安裝上也更加方便、簡單，但是能夠達到的精度要求遠沒有滾珠絲杠的精度要求高。它主要依靠絲杠和螺母的相對滑動和螺紋的自鎖性，實現(xiàn)結構的傳動和自鎖，通常是產生滑動摩擦；與滾珠絲杠一樣，可將旋轉運動轉變成直線運動，而且運動的轉換也是可逆的[22]。梯形絲杠的特點有如下幾點：梯形絲杠結構比較簡單，制造成本上相對較低，無法