三坐標測量機的畢業(yè)設計（外文翻譯）.doc

第1章 緒論1.1 三坐標測量機的應用與發(fā)展隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展和對測量方法的深入研究，在機電行業(yè)中人們對三維坐標測量技術的要求也越來越高。物體的三維輪廓以及形位測量已被廣泛應用于機械制造、航海、航空航天、反求工程等領域。目前物體三維輪廓測量的主要方法有導軌式三坐標機的高精度接觸測量、激光點掃描和激光線掃描式三坐標輪廓測量、激光散斑物體輪廓高精度顯微全場測量。在這些諸多的測量方法中，激光散斑物體輪廓測量法測量精度最高，屬非接觸和全場測量，測量速度高，但其測量范圍小。此外，三坐標機的測量精度高，已被廣泛采用。但它只能進行接觸測量，并且測量速度很慢。目前，三坐標機主要有兩種:導軌式三坐標測量機和無導軌式三坐標儀，無導軌式三坐標測量儀在國內尚無同類產品問世。三坐標測量機的多功能測量臺是一種高精度測量臺?？赏瑫r裝夾兩只測量表或傳感器對工件進行多參數(shù)測量。三坐標測量機廣泛的應用于機械零件加工，模具制造等個方面。CLY系列單臂三為測量儀是一款具有較大測量范圍的高精度測量設備，在設計時充分考慮了使用者對沖壓件、儀表板件、塑料件、中型模具件的測量要求。由于采用開放式測量，從而保證了在現(xiàn)場、在模具制造和仿型、在部件檢測和設計室里都可以方便的使用。特點： 1、 X軸移動方向的導軌采用天然花崗巖，并配備進口雙直線導軌，三軸位移傳感器采用進口金屬反射光柵和讀數(shù)頭，結合空間誤差修正技術，使用中處處體現(xiàn)高精度的3D測量。 2、 配件萬向電子測頭，并通過各種測頭配件，既可以對遠程和深孔進行數(shù)據采點，也能完成中、小型零部件的測量 3、 本測量儀具有方便的現(xiàn)場自校定功能，用戶可根據實際情況進行精度校正，保證在不同環(huán)境溫度下測量數(shù)據的真實可靠。CLY系列單臂三為測量儀是一款具有較大測量范圍的高精度測量設備，在設計時充分考慮了使用者對沖壓件、儀表板件、塑料件、中型模具件的測量要求。由于采用開放式測量，從而保證了在現(xiàn)場、在模具制造和仿型、在部件檢測和設計室里都可以方便的使用。特點： 1、X軸移動方向的導軌采用天然花崗巖，并配備進口雙直線導軌，三軸位移傳感器采用進口金屬反射光柵和讀數(shù)頭，結合空間誤差修正技術，使用中處處體現(xiàn)高精度的3D測量。 2、配件萬向電子測頭，并通過各種測頭配件，既可以對遠程和深孔進行數(shù)據采點，也能完成中、小型零部件的測量 3、本測量儀具有方便的現(xiàn)場自校定功能，用戶可根據實際情況進行精度校正，保證在不同環(huán)境溫度下測量數(shù)據的真實可靠。 4、采用智能數(shù)顯系統(tǒng)將原電器箱上各項功能都讓計算機來處理，摒棄了電器箱，只用一塊小的信號處理板對各路信號進行處理以保證長線傳輸無誤。光柵和測頭信號由信號處理板處理后，經通訊電纜傳輸至計算機內安裝的一塊三軸正交記數(shù)卡，通過編制軟件對其進行控制，以實現(xiàn)原電器箱的功能。智能數(shù)顯系統(tǒng)的開發(fā)，利用計算機進行大量數(shù)據存儲和處理，空間精度修正不僅使車間裝調人員工作量降低，也使測量儀精度有了保障。采用高性能記數(shù)卡，減少硬件設備，降低了系統(tǒng)的故障發(fā)生率。該系統(tǒng)具有原電器箱幾乎所有功能，界面直觀，很多操作在面板上即可直接完成，菜單功能簡潔明了，用戶極易上手。一些關鍵性操作都給出了提示和警告，可以防止用戶在不太清楚的情況下誤操作而導致系統(tǒng)工作不正常。其選擇原則如下：1、合理的測量精度坐標測量機是檢測工件尺寸與形位誤差的儀器，首要的是精度指標應滿足用戶要求。選用時，一般可根據被測工件要求的檢測精度與測量機給定的測量不確定度相對比，看測量機精度是否符合要求。精度比對不是一個簡單的比較過程。測量機的技術規(guī)范中一般只給出單軸測長和空間測長的兩個不確定度公式及重復精度值。但在具體測件時需要將被測參數(shù)的測量不確定度限制在一定范圍內。一般測量時，要測量很多測點。在形位測量時，更有大量測點參與并帶來測量誤差，精確計算是很難的。因此從經驗出發(fā)，在一般測量中，測量不確定度應為被測工件尺寸公差帶的1/51/3。例如某一被測箱體上二孔的孔距為500mm，公差帶為15um，則所選用的測量機在500mm長度上的測量不確定度應不大于3um5um。對于精密測量及復雜的形位測量要求還高，一般應為被測尺寸公差帶的1/101/5。重要的是重復精度必須滿足要求，因為系統(tǒng)誤差還可以通過一定方法補償，而重復精度應由測量機本身保證?？傊?，用戶應選用精度（包括重復精度）高一些的測量機。這不僅由于測量復雜件時，測點可能帶入的誤差比預想的要大（由于測頭測桿變化或加長會引入更大的誤差），而且測量機的精度會隨使用次數(shù)增多而有所下降。2、合乎要求的測量范圍測量范圍的選擇時選擇測量機時的最基本參數(shù)。因為在測量范圍內才能獲得精確的測量值，超出了范圍，測量就難于進行。選擇測量范圍時，應考慮以下幾個方面。（1）、工件的所需測量的部分，不一定是整個工件。如要測的部分集中在工件的某個局部，除了測量機的測量范圍能覆蓋被測參數(shù)之外，還要考慮整個工件能在測量機上安置，要求工件重量對測量精度不帶來顯著影響。為了把工件放入測量機中，應根據工件大小選擇測量機。（2）、Z軸與Z向空間高度的關系。Z軸行程是Z軸的測量范圍，而Z向空間高度是工件能放得下的高度。（3）、接長桿的問題。有的測頭上有星形探針，這些探針在測量時往往要求超出工件的被測部分。一般工件尺寸為l時，要求測量范圍L=l+2C，C為探針的長度。因此測量范圍等于工件被測的最大尺寸再加上兩倍的探針長度。3、合適的測量機類型測量機按自動化程度分為手動（或機動）與CNC自控兩大類。選用時，應根據檢測對象的批量大小、自動化程度、操作人員技術水平及資金投入大小去權衡。當然CNC測量機水平高、測速快，但測量的準備時間長、技術要求高、資金投入大。故應從經濟效益的角度進行比較判定。一般說，對于中等尺寸的工件，多采用移動橋式；對于小型工件，多采用懸臂式、儀器臺式與移動橋式等；對于大型工件，則多采用龍門式；對于需回轉測量的工件，可選用帶分度臺的測量機。4、豐富的測量軟件對復雜的測量對象進行測量，測量機應有豐富的測量軟件支持，以完成測量任務。如缺少某些軟件，可根據被測對象向生產廠家索取。如果廠方提供了編程方法（多數(shù)廠家不提供），也可自行開發(fā)。5、符合要求的測量效率測量機運行速度與采樣速度既是測量機效率高低的重要指標，又與自動化生產的要求密切相關。用于生產線或柔性加工線上的測量機，檢測的時間必須滿足生產節(jié)拍的要求。6、功能齊全的測量頭測量頭是測量機上重要的傳感器件。它不僅直接影響測量精度，而且是決定測量機功能和測量效率的重要因素。7、滿意的經濟效益作為檢測儀器，測量機的經濟效益是投資購買的一項重要指標。雖然它不像生產機床那樣便于計算，也不如機床那樣可以較快地收回成本并創(chuàng)造效益，但作為保證生產質量的手段和環(huán)節(jié)，檢測儀器有著特殊的重要性。測量機的使用費用，主要取決于測量機的折舊費K、檢測人員的工資G、測量所用的時間T及輔助材料和設備等雜費Q，即測量總費用。M=T（K+G）+Q測量機效益的關鍵在于使用時間T。因此在考慮測量機資金的投入時，關鍵在于了解它的使用效率。如果使用效率高，則經濟效益亦高。如果使用效率不很高，而又易于在當?shù)亟鉀Q測量問題，則應委托或協(xié)作檢測。只付檢測費，比購置一臺測量機更經濟。當然有的場所，測量對象極為精密，不適宜搬動，有的系軍工保密件等，此時配置一臺坐標測量機具有特殊性，也是必須的。1.2 三坐標測量機測量原理將被測物體置于三坐標測量空間，可獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據這些點的空間坐標值，經計算求出被測物體的幾何尺寸，形狀和位置。導軌式三坐標測量機(Coordinate Measuring Machine簡稱CMM)是近二十年來發(fā)展起來的一種以精密機械為基礎，綜合光柵與激光干涉、計算機、應用電子等先進技術的測量設備，在國內外得到了廣泛的應用。其主要特征是具有X, Y, Z三個坐標方向的導軌。目前，導軌式三坐標測量機己被廣泛地應用于機械制造、儀器制造、電子、汽車、計量中心、航空和航天等多個工業(yè)和研究行業(yè)，用來測量機械零件的幾何尺寸、相對位置和形位誤差，包括零件空間曲面、汽車白身、CAD/CAM等多項工作。導軌式三坐標測量機己經成為一種比較成熟的傳統(tǒng)測量設備，它經歷了三代產品:第一代測量機由手動(或機動)測量，測量結果由人工處理，效率極低。第二代測量機在第一代測量機的基礎上，由微機處理測量結果，形成了微機化測量機。第三代測量機在第二代的基礎上，配備上相應的程序控制和數(shù)據圖形化軟件處理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全自動測量。其中，第三代是目前的主要產品。特別是近二十年來，隨著微機和光電技術的迅猛發(fā)展，三坐標機已成為多個高科技領域諸多技術的融合產品，包括了微機、精儀、光電傳感、數(shù)據分析和人工智能等多項應用技術。CLY系列單臂三維測量儀產品信息產品說明： CLY系列單臂三為測量儀是一款具有較大測量范圍的高精度測量設備，在設計時充分考慮了使用者對沖壓件、儀表板件、塑料件、中型模具件的測量要求。由于采用開放式測量，從而保證了在現(xiàn)場、在模具制造和仿型、在部件檢測和設計室里都可以方便的使用。圖1-1CLY單臂三坐標測量機在Y、Z方向，其整機測量范圍在1500mm x 2600mm以內、X向測量范圍最小為2000mm、并以500mm為間距遞增的整體式測量機，采用整體式機械結構，測量機的工作平面通過地腳螺銓固定在地基上，其工作臺表面略高于地表，或是安裝為與地表齊平，便于大型工件的裝卸。 這種類型的測量機的Y向測量范圍有兩種，1200mm 和 1500mm，其Z向測量范圍最小為1500mm，最大可以達到2600mm，X向測量范圍最小為2000mm，可以按用戶要求以500mm的長度適量增大。 大中型整體式單臂三坐標測量機比較適宜對一般大型非對稱工件的測量檢測與劃線操作。 測量機可以根據使用要求，選配WINCOM測量軟件或XDmis測量軟件。如果被測工件為一般機加工件，測量要求為一般性的尺寸檢測，可以選用WINCOM測量軟件。如果檢測任務大部份需要與CAD數(shù)據協(xié)同比對檢測，建議選擇XDMIS測量軟件。1.2.1 三坐標測量機的組成： 1， 主機機械系統(tǒng)（X、Y、Z三軸或其它）； 2， 測頭系統(tǒng)； 3， 電氣控制硬件系統(tǒng)； 4， 數(shù)據處理軟件系統(tǒng)（測量軟件）；1.2.2三坐標測量機的結構特點： 1）采用花崗石為工作臺，其工作面平面度精度高，且穩(wěn)定性好，受環(huán)境溫度影響小。 2）立柱采用不銹鋼材料，可防銹，抗腐蝕。 3）采用精密微分頭作微調裝置，使測頭接觸工作的微調量0.01mm。 4）回轉支桿(附件另配)可提供裝夾第二只測量表（或測量傳感器），從而可擴大本產品的使用功能。5）X軸移動方向的導軌采用天然花崗巖，并配備進口雙直線導軌，三軸位移傳感器采用進口金屬反射光柵和讀數(shù)頭，結合空間誤差修正技術，使用中處處體現(xiàn)高精度的3D測量。 6）配件萬向電子測頭，并通過各種測頭配件，既可以對遠程和深孔進行數(shù)據采點，也能完成中、小型零部件的測量7）本測量儀具有方便的現(xiàn)場自校定功能，用戶可根據實際情況進行精度校正，保證在不同環(huán)境溫度下測量數(shù)據的真實可靠。1.3 設計要求在繪制產品總裝圖和部件裝配圖時要注意設計的科學性和條理性。設計一個部件，其過程大致如下：首先，確定末端執(zhí)行件的概略形狀尺寸，然后，設計末端執(zhí)行件與其相臨的下一個功能部件的結合的形式與概率尺寸。若為運動導軌結合部，則執(zhí)行件一測相當于滑臺，相臨部件一測相當于滑座，考慮導軌精度，選擇并確定導軌的類型及尺寸。根據導軌結合部的設計結果和該運動的行程，直到基礎支撐件。在設計中，處處從實際出發(fā)分析和處理問題是至關重要的。從大處講，聯(lián)系實際是指對工藝可能性的分析，在參數(shù)擬訂和方案確定中，既要了解當今的先進生產水平和可能趨勢，更應了解我國的實際生產水平，使設計的機器能發(fā)揮最佳的效果。從小處講，指對設計的機械零部件的制造工藝、裝配和維修要進行認真的切實際的考慮和分析。學會使用設計手冊，對推薦的設計數(shù)據和各類標準要結合實際情況取舍。通過設計實踐，了解和掌握結合實際、綜合思考的設計方法。第2章 三坐標測量機總體設計方案2.1 設計任務和內容設計任務定位三坐標測量機整體結構的設計，其中機械部分的設計工作臺包括縱向、橫向和Z軸的運動，工作臺承擔運動功能。其次是夾具體的設計，包括手柄、浮動滑塊的設計， 夾具承擔的是定位夾緊的作用。2.2 總體設計方案擬訂 方案擬訂為測量機整體結構的設計其中主要是測量機的傳動系統(tǒng)：工作臺的橫向和縱向進給系統(tǒng)，Z軸的進給系統(tǒng)，工作臺上面疊加一個可拆卸的夾具體，可拆卸夾具具有兩大優(yōu)點：第一，使用時夾具可固定在工作臺上，不用時，即可拆下。 2.2.1 三坐標測量機機械部分設計 三坐標測量機的機械系統(tǒng)設計可歸類于機械制造裝備設計，可分為創(chuàng)新設計、變形設計、和組合設計三大類型，設計的過程隨設計類型而不同，其中創(chuàng)新設計的過程最典型，可分為產品規(guī)劃階段、方案設計、技術設計和施工設計四個階段。產品規(guī)劃階段的任務是明確設計任務，通常應在市場調查與預測的基礎上識別產品需求，進行可行性分析，制定設計技術任務書。 初步設計方案具體化，技術設計階段是將方案設計階段擬訂的初步設計方案具體化，確定結構原理方案；進行總體技術方案設計；進行結構設計；通過技術經濟分析，選擇較優(yōu)的設計方案。1）確定結構原理放案根據初步設計方案，再充分理解原理的基礎上，確定結構原理方案。其中包括決定尺寸的依據，如功率、流量和聯(lián)系尺寸等；決定布局的依據等，決定和限制結構設計的空間條件，。在上述的依據約束下，對主要功能結構進行構思，初步確定其材料和形狀，進行粗略的結構設計。（2）總體設計總體設計階段的任務是將結構原理方案進一步具體化?？傮w設計的內容大致包括主要結構參數(shù)、總體布局、系統(tǒng)原理圖、其它。（3）結構設計結構設計階段的主要任務是在總體設計的基礎上，對結構原理方案結構化，繪制產品總裝圖；提出初步的零件表及裝配說明書。進行結構設計時，必須遵守有關標準規(guī)范，充分考慮人機工程、外觀造型、結構可靠和耐用性、加工和裝配工藝性等。三坐標測量機常見的是三個直線運動坐標（沿X、Y、Z）和夾具體的裝配設計。 2.2.2 三坐標測量機電路部分設計 三坐標測量系統(tǒng)的控制部分采用PLC控制。本書以S7-200系列PLC為目標機型，介紹西門子PLC的特點，為今后更好地學習和掌握S7-300/400打下基礎。S7-200系列PLC作為西門子SIMATIC PLC家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強大的內置功能，在各個領域得到廣泛的應用。1.S7-200系列PLC的基本硬件組成S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。（1）基本單元S7-200系列PLC中可提供4種不同的基本型號的8種CPU供選擇使用，其輸入輸出點數(shù)的分配見表2-1：表2-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元型 號輸入點輸出點可帶擴展模塊數(shù)S7-200CPU22164S7-200CPU222862個擴展模塊78路數(shù)字量I/O點或10路模擬量I/O點S7-200CPU22414107個擴展模塊168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點S7-200CPU22624162個擴展模塊248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點S7-200CPU226XM24162個擴展模塊248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點 （2.）.擴展單元S7-200系列PLC主要有6種擴展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴展I/O點數(shù)，S7-200系列PLC擴展單元型號及輸入輸出點數(shù)的分配如表2-2所示。表2-2 S7-200系列PLC擴展單元型號及輸入輸出點數(shù)類 型型 號輸入點輸出點數(shù)字量擴展模塊EM2218無EM222無8EM2234/8/164/8/16模擬量擴展模塊EM2313無EM232無2EM23531 （3）.編程器PLC在正式運行時，不需要編程器。編程器主要用來進行用戶程序的編制、存儲和管理等，并將用戶程序送入PLC中，在調試過程中，進行監(jiān)控和故障檢測。S7-200系列PLC可采用多種編程器，一般可分為簡易型和智能型。簡易型編程器是袖珍型的，簡單實用，價格低廉，是一種很好的現(xiàn)場編程及監(jiān)測工具，但顯示功能較差，只能用指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計算機進行編程操作，將專用的編程軟件裝入計算機內，可直接采用梯形圖語言編程，實現(xiàn)在線監(jiān)測，非常直觀，且功能強大，S7-200系列PLC的專用編程軟件為STEP7-Micro/WIN。 （4）程序存儲卡為了保證程序及重要參數(shù)的安全，一般小型PLC設有外接EEPROM卡盒接口，通過該接口可以將卡盒的內容寫入PLC，也可將PLC內的程序及重要參數(shù)傳到外接EEPROM卡盒內作為備份。程序存儲卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0兩種，程序容量分別為8K和16K程序步。 （5）.寫入器寫入器的功能是實現(xiàn)PLC和EPROM之間的程序傳送，是將PLC中RAM區(qū)的程序通過寫入器固化到程序存儲卡中，或將PLC中程序存儲卡中的程序通過寫入器傳送到RAM區(qū)。 （6） 文本顯示器文本顯示器TD200不僅是一個用于顯示系統(tǒng)信息的顯示設備，還可以作為控制單元對某個量的數(shù)值進行修改，或直接設置輸入/輸出量。文本信息的顯示用選擇/確認的方法，最多可顯示80條信息，每條信息最多4個變量的狀態(tài)。過程參數(shù)可在顯示器上顯示，并可以隨時修改。TD200面板上的8個可編程序的功能鍵，每個都分配了一個存儲器位，這些功能鍵在啟動和測試系統(tǒng)時，可以進行參數(shù)設置和診斷。 2. S7-200系列PLC的主要技術性能下面以S7-200 CPU224為例說明S7系列PLC的主要技術性能。 （1）一般性能S7-200 CPU224的一般性能如表2-3所示。表2-3 S7-200 CPU224一般性能電源電壓DC 24V，AC 100230V電源電壓波動DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）環(huán)境溫度、濕度水平安裝0550C，垂直安裝0450C，595%大氣壓8601080hPa保護等級IP20到IEC529輸出給傳感器的電壓DC 24V （20.4-28.8V）輸出給傳感器的電流280mA，電子式短路保護（600mA）為擴展模塊提供的輸出電流660mA程序存儲器8K字節(jié)/典型值為2.6K條指令數(shù)據存儲器2.5K字存儲器子模塊1個可插入的存儲器子模塊數(shù)據后備整個BD1在EEPROM中無需維護在RAM中當前的DB1標志位、定時器、計數(shù)器等通過高能電容或電池維持，后備時間190h（400C時120h），插入電池后備200天編程語言LAD，F(xiàn)BD，STL程序結構一個主程序塊（可以包括子程序）程序執(zhí)行自由循環(huán)。中斷控制，定時控制（1255ms）子程序級8級用戶程序保護3級口令保護指令集邏輯運算、應用功能位操作執(zhí)行時間0.37s掃描時間監(jiān)控300ms（可重啟動）內部標志位256，可保持：EEPROM中0112計數(shù)器0256，可保持：256，6個高速計數(shù)器定時器可保持：256，4個定時器，1ms30s16個定時器，10ms5min236個定時器，100ms54min接口一個RS485通信接口可連接的編程器/PCPG740PII，PG760PII，PC（AT）本機I/O數(shù)字量輸入：14，其中4個可用作硬件中斷，14個用于高速功能數(shù)字量輸出：10，其中2個可用作本機功能，模擬電位器：2個可連接的I/O數(shù)字量輸入/輸出：最多94/74模擬量輸入/輸出：最多28/7（或14）AS接口輸入/輸出：496最多可接擴展模塊7個 （2）輸入特性S7-200 CPU224的輸入特性如表2-4所示。表2-4 S7-200 CPU224輸入特性類型源型或匯型輸入電壓DC 24V，“1信號”：14-35A，“0信號”：0-5A，隔離光耦隔離，6點和8點輸入電流“1信號”：最大4mA輸入延遲（額定輸入電壓）所有標準輸入：全部0.2-12.8ms（可調節(jié)）中斷輸入：（I0.0-0.3）0.2-12.8ms（可調節(jié)）高速計數(shù)器：（I0.0-0.5）最大30kHz （3）輸出特性S7-200 CPU224輸出特性如表2-5所示。表2-5 S7-200 CPU224的輸出特性類型晶體管輸出型繼電器輸出型額定負載電壓DC 24V（20.4-28.8V）DC 24V（4-30V）AC24-230V（20-250V）輸出電壓“1信號”：最小DC 20VL+/L-隔離光耦隔離，5點繼電器隔離，3點和4點最大輸出電流“1信號”：0.75A“1信號”：2A最小輸出電流“0信號”：10sA“0信號”：0mA輸出開關容量阻性負載：0.75A燈負載：5W阻性負載：2A燈負載：DC30W，AC200WS7-200系列PLC是模塊式結構，可以通過配接各種擴展模塊來達到擴展功能、擴大控制能力的目的。目前S7-200主要有三大類擴展模塊。（1）輸入/輸出擴展模塊 S7-200 CPU上已經集成了一定數(shù)量的數(shù)字量I/O點，但如用戶需要多于CPU單元I/O點時，必須對系統(tǒng)做必要的擴展。CPU221無I/O擴展能力，CPU 222最多可連接2個擴展模塊（數(shù)字量或模擬量），而CPU224和CPU226最多可連接7個擴展模塊。S7-200 PLC系列目前總共提供共5大類擴展模塊：數(shù)字量輸入擴展板EM221（8路擴展輸入）；數(shù)字量輸出擴展板EM222（8路擴展輸出）；數(shù)字量輸入和輸出混合擴展板EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模擬量輸入擴展板EM231，每個EM231可擴展3路模擬量輸入通道，A/D轉換時間為25s，12位；模擬量輸入和輸出混合擴展模板EM235，每個EM235可同時擴展3路模擬輸入和1路模擬量輸出通道，其中A/D轉換時間為25s，D/A轉換時間100s，位數(shù)均為12位。 基本單元通過其右側的擴展接口用總線連接器（插件）與擴展單元左側的擴展接口相連接。擴展單元正常工作需要+5VDC工作電源，此電源由基本單元通過總線連接器提供，擴展單元的24VDC輸入點和輸出點電源，可由基本單元的24VDC電源供電，但要注意基本單元所提供的最大電流能力。（2）熱電偶/熱電阻擴展模塊 熱電偶、熱電阻模塊（EM231）是為CPU222，CPU224，CPU226設計的，S7-200與多種熱電偶、熱電阻的連接備有隔離接口。用戶通過模塊上的DIP開關來選擇熱電偶或熱電阻的類型，接線方式，測量單位和開路故障的方向。（3）通訊擴展模塊 除了CPU集成通訊口外，S7-200還可以通過通訊擴展模塊連接成更大的網絡。S7-200系列目前有兩種通訊擴展模塊：PROFIBUS-DP擴展從站模塊（EM277）和AS-i接口擴展模塊（CP243-2）。S7-200系列PLC輸入/輸出擴展模塊的主要技術性能如表2-6所示。表2-6 S7-200系列PLC輸入/輸出擴展模塊的主要技術性能類型數(shù)字量擴展模塊模擬量擴展模塊型號EM221EM222EM223EM231EM232EM235輸入點8無4/8/163無3輸出點無84/8/16無21隔離組點數(shù)824無無無輸入電壓DC24VDC24V輸出電壓DC24V或AC24-230VDC24V或AC24-230VA/D轉換時間250s250s分辨率12bitA/D轉換電壓：12bit電流：11bit12bitA/D轉換2.3 主要參數(shù)的設定直線工作臺面尺寸 （長寬高）：100080040；縱向工作行程為150mm，橫向工作行程為150mm，垂直方向的工作行程為150mm。光杠的最大距離根據夾具的尺寸確定。工作進給速度為1-1500mm/min，快速進給速度 12m/min進給運動的總阻力F傳動精度初步為0.1mm-0.5mm測量工件的尺寸大小最大體積（120mm120mm120mm） 最小高度為20mm第3章 三坐標測量進給系統(tǒng)的設計計算3.1 進給系統(tǒng)電動機的容量的選擇3.1.1電動機容量的選擇原則在機電傳動系統(tǒng)中選擇一臺合適的電動機是極為重要的。電動機的選擇主要是容量的選擇，如果電動機的容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機械設備的能力，使生產效率降低，另一方面電動機經常在過載下運行，會使它過早損壞，同時還可能出現(xiàn)啟動困難、經受不起沖擊負載等故障。 選擇電動機應根據以下三項基本原則進行。（1）發(fā)熱：電動機在運行時，必須保證電動機的實際最高工作溫度等于或略小于電機允許的最高工作溫度。（2）過載能力：電動機再運行時，必須具有一定的過載能力。特別是在短期工作時，由于電動機的熱慣性較大，電動機在短期內承受高于額定功率的負載說仍可保證上面的原則，故此時，決定電動機容量的主要因素不是發(fā)熱而是電動機的過載能力。既所選電動機的最大轉矩或允許電流必須大于運行過程中可能出現(xiàn)的最大負載轉矩和最大負載電流即： （3） 啟動能力：由于鼠籠式異步電動機的啟動轉矩一般較小，所以，為使電動機能可靠啟動，必須保證 式中選擇電動機容量的方法一般有計算法、統(tǒng)分析計法和類比法。3.1.2 步進電動機的概述本設計采用步進電機驅動絲杠旋轉實現(xiàn)工作臺的直線進給的。步進電機又稱脈沖馬達，是一種把電脈沖信號變換成直線位移或角位移的控制電機。它的位移速度和輸入脈沖數(shù)成正比，因此可以在較寬的范圍內，通過改變脈沖頻率來調速，并能實現(xiàn)快速啟動、反轉和制動。隨著微電子技術的發(fā)展，步進電機已作為重要的執(zhí)行元件應用于數(shù)空機床、智能儀器和自動控制中。3.1.3 步進電動機的容量的計算下面的計算結果所以選用反應式步進電動機，輸出功率0.2kw，同步轉速1500r/min電動機的參數(shù)如下表一所示：表3-1 電動機的各種參數(shù)：電動機型號步距角最大靜轉矩（N.m）運行頻 率最高空載啟動頻率軸徑長度55BF0030.75/1.50.686 18006mm70mm選取電動機的輸出功率P=0.5KW 轉速為800r/min3.2 軸概述3.2.1 軸的用途軸也是組成機器的主要零件之一，一切做回轉運動的傳動零件，都必須安裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞。因此軸的主要功能是支撐和傳遞運動和動力。3.2.2軸設計的主要內容軸的設計也和其它零件的設計相似，包括結構設計和工作能力計算兩方面的內容。軸的結構設計是根據軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結構形式和尺寸。軸的結構設計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此，軸的結構設計是軸設計中的重要內容。軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和震動穩(wěn)定方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求的軸和受到大力的細長軸，還應進行剛度計算，防止工作時產生過大的彈性變形。對高速運轉的軸，還應進行震動穩(wěn)定性的計算，防止發(fā)生共振而破壞。3.2.3 軸的材料軸的材料主要是碳素鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。由于碳鋼比合金鋼價廉，對應力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中最常用的是45鋼。3.3軸的結構設計軸的結構設計包括定出軸的合理外形和全部結構尺寸。軸的結構主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式；軸上安裝零件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸聯(lián)接的方法；載荷的性質、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結構設計的因素較多，且其結構形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標準的結構形式。但軸的結構形式都必須滿足軸和裝在軸上零件要有準確的工作位置；軸上零件應便于裝拆和調整；軸應具有良好的制造工藝性等。3.3.1 擬定軸上零件的裝配方案擬定軸上零件的裝配方案是進行軸的結構設計的前提，它決定著軸的基本形式。所謂裝配方案，就是預定出軸上主要零件的裝配方向、順序、和相互關系。例如圖一的裝配方案是：半聯(lián)軸器、軸承端蓋、圓螺母、套筒、成對角接觸球軸承、絲杠螺母副，依次從軸的右端向左端安裝，左端只裝軸承和端蓋。這樣就對個段軸的粗細順序作了初步安排。3.3.2 軸上零件的定位為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運動，軸上零件除了有游動或空轉的要求 者外，都必須進行軸向和周向定位，保證其準確的工作位置。1零件的軸向定位軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、軸端擋圈、軸承端蓋和圓螺母等來保證的。利用軸肩定位是最方便可靠的方法，但采用軸肩就必然使軸的直徑加大，而且軸肩處將因截面突變而引起應力集中。滾動軸承的定位軸肩高度必須低于軸承內圈端面的高度，以便拆卸軸承，軸肩的高度可查手冊中軸承的安裝尺寸。套筒定位結構簡單，定位可靠，軸上不需開槽、鉆孔和切制螺紋，因而不影響軸的疲勞強度，一般用于軸上兩個零件之間的定位。如兩零件的間距較大時，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的質量及材料用量。當軸的轉速很高時，也不宜采用套筒定位。軸端擋圈適用于固定軸端零件，可以承受較大的軸向力。軸端擋圈可采用單螺釘固定，為了防止軸端擋圈轉動造成螺釘松脫，可加圓拄銷鎖定軸端擋圈，也可采用雙螺釘加止動墊片防松。圓螺母定位可承受大的軸向力，當軸上零件間距較大時常采用圓螺母。圖3-1 軸上零件的分布3.3.3軸的結構設計 （1）主要參數(shù)確定直線工作臺面尺寸 （長寬高）：100080040；縱向工作行程為150mm工作進給速度為1-1500mm/min，快速進給速度 12m/min進給運動的總阻力F工作臺質量及工作臺重量初估直線工作臺質量 總之量 三坐標測量系統(tǒng)的縱向、橫向、垂直切削力（FX FY FZ=0）所以，設軸向壓力F=G（2）確定絲杠的等效負載工作負載是指機床工作時，實際作用在絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進給牽引力的實驗公式計算。選用導軌為滾動導軌，而一般情況下，滾動導軌的摩擦系數(shù)為0.0025-0.005，取摩擦系數(shù)f為0.005，則絲杠所受的最大牽引力為故其等效負載可按下式計算（估算 t1=t2 ;n2=2n1）由以上確定進給運動的總阻力F=12N 3.3.4初步設計軸的最小直徑先按機械設計中15-2公式初步估算軸的最小直徑，選取軸的材料為45鋼，調質處理，并根據表15-3取A0=125，于是：輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑DI-II.為了使所選的軸的直徑DI-II聯(lián)軸器孔徑相適應，故需同時選取聯(lián)軸器的型號。聯(lián)軸器計算轉矩則： 按照計算轉矩應小于聯(lián)軸器公稱直徑的條件，查標準GB5843-86或手冊，選用TL1/YLD1凸緣聯(lián)軸器其技術指標如下和圖二所示：表3-2聯(lián)軸器的參數(shù)型號公稱轉矩T（N.M）許用轉速（r/min）軸孔直徑D(H7)DD1螺栓直徑ML0YL1101300062217M235圖3-2 聯(lián)軸器的尺寸根據半聯(lián)軸器的孔徑D=6mm，故取DI-II=6mm。凸緣聯(lián)軸器，結構簡單、成本低、傳遞扭矩大，用于振動很大、低速和剛性不大的軸聯(lián)接。3.3.5擬定軸上零件的裝配方案本設計的裝配方案已在前面分析比較，現(xiàn)以用（圖3-1所）示的裝配方案。3.3.6 根據軸向定位的要求確定軸的個段直徑和長度 為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，I-II段軸右端需制出一軸肩，故取II-III段的直徑DII-III=6.5mm；左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑為11mm。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度L1=17m，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上故取I-II段的長度應比L1略短一些，現(xiàn)取LI-II=14mm。 初步選擇滾動軸承。各種類型的軸承選用應叢允許的空間、軸承負荷的大小和方向、高速性能、旋轉精度、剛度、振動與噪聲、軸向游動、摩擦力矩、安裝與拆卸等方面綜合考慮，全面衡量，擇優(yōu)選擇滿足設計要求的軸承類型。因軸承受軸向力的作用，故選用角接觸球軸承。成對安裝角接觸球軸承：滾子相對外圈滾道軸向移動。通過軸向預緊提高支撐剛度。參照工作要求并根據套筒和圓螺母在左端對軸承定位取DIII-IV=7mm，由軸承產品目錄中初步選取角接觸球軸承，其基本尺寸為dDB=8mm15mm4mm，故取DIV-V=8mm，右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。由手冊上查得角接觸球軸承的定位軸肩高度h=0.5mm,因此取DV-VI=9mm。 軸承端蓋的總寬度為1.8mm。根據軸承端蓋的裝拆及便于對軸承添加潤滑脂的要求，取端蓋的外面與半聯(lián)軸器又端面的距離L=3.5mm，為了使套筒和圓螺母的裝拆方便，軸承端蓋與DII-III之間的距離為1.2mm，故取LII-III=6.5mm。去安裝圓螺母處的直徑DIII-IV=7mm；軸承右端采用套筒定位，套筒長度為4.5mm，為了使套筒右端面更好的對軸承進行軸向定位，并與軸緊密接觸，取套筒右端面與DIV-V左端面的距離為1.5mm，故取LIV-V=9.5mm，取LIII-IV=6.5mm。 三坐標測量機縱向工作行程為150mm。同理得出，后邊各軸的直徑和長度至此已經初步確定了各段軸的直徑和長度。3.3.7軸上零件的軸向定位半聯(lián)軸器與軸的軸向定位采用平鍵定位。由手冊查得平鍵截面bh=28mmX6mm（GB1096-79），3.3.8確定軸上圓角和倒角尺寸取軸的倒角為。各段軸肩處的圓角半徑見裝配圖。3.4 絲杠螺母副的選用計算3.4.1絲杠螺母的導程的確定再本設計中，電機與絲杠直接相連，傳動比i=1，選擇電機Y系列異步電動機的最高轉速，則絲杠的導程為3.4.2. 確定絲杠的等效轉速 最大進給時，絲杠的轉速為 最慢進給時，絲杠的轉速為 則得到絲杠的等效轉速（估計）為3.4.3. 絲杠的等效負載上邊已經闡明過了3.4.4. 確定絲杠所受的最大動載荷 查表，取絲杠的工作壽命Th為15000h，同時取精度系數(shù)fa=1，負荷性質系數(shù)fw=105，溫度系數(shù)ft=0.95，硬度系數(shù)fh=1，可靠性系數(shù)fk=0.53；平均轉速為1000r/min。選用滑動絲杠螺母傳動，絲杠公稱直徑為，基本導程，絲杠螺母的接觸剛度為1692N/，螺旋升角絲杠的底徑26mm，螺母長度為210mm，取絲杠的精度等級為1級。3.4.5. 臨界壓縮負荷確定絲杠螺紋部分的長度LU。LU等于工作臺的最大行程（750mm）加上螺母長度（60mm）加兩端余程（20mm）。LU為850mm。支撐跨度L1應略大于LU，取為L1=900mm。絲杠全長為L=1000mm。臨界壓縮負荷為式中E- 材料的彈性模量，；I 絲杠最小截面慣性矩L0最大受壓長度，按照結構設計取L0=1100mm；K1安全系數(shù)，一般取K1=1/3；最大軸向工作載荷， ；絲杠支撐方式系數(shù)，查表得，則可見遠大于，滿足要求3.4.6. 臨界轉速驗算式中 A絲杠最小橫截面：LC臨界轉速計算長度：??；安全系數(shù)，一般為0.8；材料的密度： 絲杠支撐方式系數(shù)，查表，則可見遠大于，滿足要求?？紤]到本設計的絲杠較長，故采用一端固定、另一端游動的支撐方式，固定端選用成對絲杠軸承組合，額定動載荷，預緊力為2000N3.4.7 .計算軸承動載荷 壽命系數(shù)為： 式中 壽命系數(shù)： 可靠性為90%的額定壽命，取為10000h；轉速系數(shù)： ；計算轉速取最高轉速，??； 故能滿足要求。3.4.8.絲杠拉壓振動和扭轉振動的固有頻率驗算已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。螺母座剛度。軸向拉壓總剛度為：絲杠拉壓振動的固有頻率由計算可知，絲杠拉壓振動的固有頻率遠遠大于1500r/min，所以能滿足要求。3.5 絲杠的扭轉剛度絲杠的扭轉剛度 由機械設計手冊得平移物體的轉動慣量為 絲杠的轉動慣量為 絲杠扭轉振動的固有頻率為： 顯然，絲杠的扭轉振動的固有頻率遠遠大于1500r/min，所以，能滿足要求。3. 6傳動精度計算絲杠的拉壓剛度 由以上的各條件可知 最小機械傳動剛度為 最大機械傳動剛度 因此得到由于機械傳動裝置所引起的定位誤差為其中，F(xiàn)0為空載時導軌的靜摩擦力。3.7 導軌的選型及計算導軌的功用是導向和承載。例如車床的床身導軌屬于進給導軌，本設計的三坐標測量機的導軌也屬于進給導軌，進給運動導軌的動導軌與支撐的靜導軌之間的相對運動速度較低。滾動導軌在兩導軌面間裝有球、滾子或滾針等滾動元件，具有滾動摩擦性質，廣泛的用于進給運動導軌領域。貼塑導軌也具有良好的減摩性。3.7.1滾動導軌的結構及配置直線運動滾動支撐中，滾動體作循環(huán)運動的直線滾動導軌叫做直線滾動導軌副組件，（見下圖）。圖3-7 滾動導軌副的形狀直線滾動導軌副包括軌條和滑快兩部分。導軌通常為兩根，裝在支撐件上，見上圖。每根導軌條上有兩個滑塊，固定在移動件上。如移動件較長，也可以在一根導軌條上裝3個或3個以上滑塊。如移動件較重，也可以用3根或3根以上的導軌條。如果移動件的剛度較高，則少裝為好。3.7.2 滾動導軌副的預緊直線滾動導軌副分為整體型直線滾動導軌副和分離型直線滾動導軌副。整體型的直線滾動導軌副由制造廠用選配不同直線鋼球的辦法來決定間隙或預緊?？筛鶕蟮念A緊定貨，不需自己調整。分離型直線滾動導軌副，應由用戶根據需要。3.7.3滾動導軌副潤滑防護滾動導軌多采用潤滑脂潤滑。常用的牌號為ZL-2鋰基潤滑脂（GB7324-87，2號）它的優(yōu)點是不會泄露，不需經常加油。缺點是塵屑進入后易磨損搗鬼，因此對防護要求較高。易被污染又難以防護的地方，可用潤滑油潤滑。3.8 橫向伺服進給系統(tǒng)的設計計算（同以上方法） 3.9 縱向、橫向的移動工作臺的裝配圖見（圖3-1）第4章 夾具的初步設計4.1載要機床夾具是機械加工工藝系統(tǒng)的一個重要組成部分。為保證工件某個工序的加工精度要求，必須使工件在機床相對測頭的測量運動處于準確的相對位置。當用夾具裝夾測量某工件件時，是通過夾具來實現(xiàn)這一要求的。而要實現(xiàn)這一要求，又必須滿足三個條件：1.工件在夾具中占有正確的測量位置；2.夾具裝夾在機床上的準確位置；3.測頭相對夾具的準確位置。這里涉及了三層關系，：零件相對夾具、夾具相對機床、零件相對機床。工件的最終精度是由零件相對機床獲得的。所以“定位：也涉三層關系：工件在夾具上的定位、夾具相對機床的定位，而工件相對于機床的定位是間接通過夾具來保證的。工件定位以后必須通過一定的裝置產生夾緊力把工件固定，使工件保持在準確定位的位置上，否則，在加工過程中因受外界的影響而發(fā)生位置變化或引起震動，破壞原來的準確定位，無法保證測量要求。這種夾緊力的裝置變是夾緊裝置。夾緊裝置的設計與計算是本章的主要內容。4.2機床夾具的基本要求1穩(wěn)定地保證工件的測量精度2提高機械加工的勞動強度3結構簡單，有良好的結構工藝和勞動條件4應能降低工件的測量成本簡而言之，設計夾具時必須使測量精度、生產率，勞動條件和經濟性等幾方面達到辨證統(tǒng)一。其中保證測量精度是基本的要求。為了提高生產率采用先進的結構和機械傳動裝置，往往會