超精密三坐標(biāo)測量機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計答辯ppt

1、機(jī)電學(xué)院2011屆畢業(yè)設(shè)計答辯 超精密三坐標(biāo)測量儀整機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計,專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生：張朝輝 指導(dǎo)教師：趙則祥教授 2011.5.30,歡迎下載本文檔參考使用，如果有疑問或者需要CAD圖紙的請聯(lián)系q1484406321,匯報內(nèi)容,一、課題背景 二、總體設(shè)計方案分析 三、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 四、主要零部件設(shè)計和選擇 五、總結(jié),一、課題背景,1.1 課題來源,為了響應(yīng)教育部的號召，實施大學(xué)本科教改計劃，北京微納精密機(jī)械有限公司與中原工學(xué)院聯(lián)合實施“卓越工程師”的培養(yǎng)計劃。本課題來自北京微納精密機(jī)械有限公司，在學(xué)校和公司的商討后，確定了我的課題：超精密三坐標(biāo)測量儀整機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計。,促進(jìn)超精

2、密光學(xué)、機(jī)械制造技術(shù)快速的發(fā)展，填補我國相應(yīng)領(lǐng)域的技術(shù)空白 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,1.2 課題意義,1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,隨著近20年科學(xué)技術(shù)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(0.5m0.05m)，發(fā)展到超精密測量(0.05m0.005m), 近年來又提出納米精度測量(5nm 0.05nm)的要求。,當(dāng)今世界上超精密三坐標(biāo)測量儀在質(zhì)量和性能方面首推德國蔡司（ZEISS）公司和萊茨（LEITZ）公司。,到目前為止ZEISS已有多項專利技術(shù)，從而使ZEISS公司在坐標(biāo)測量技術(shù)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其它公司。其生產(chǎn)的三坐標(biāo)測量儀既有橋式測量儀，也

3、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。,圖1-1 DuraMax三坐標(biāo)測量儀,在國內(nèi)ZEISS三坐標(biāo)測量儀在航空、航天、汽車、電子、機(jī)械等多個行業(yè)中得到廣泛地使用。圖1-1是ZEISS最新的DuraMax三坐標(biāo)測量儀系列，代表著當(dāng)今測量儀行業(yè)的尖端技術(shù)。,德國LEITZ公司憑借其在高精度測量領(lǐng)域積累的世界級測量技術(shù)以及豐富的應(yīng)用理論知識，通過高性能，高精確度的PMM-C三坐標(biāo)測量儀與功能強大的工業(yè)級計量軟件QUIND-OS的結(jié)合，不斷解決來自工業(yè)各個領(lǐng)域的高精度和復(fù)雜幾何形狀的計量需求。,圖1-2為LEITZ最新的三坐標(biāo)系列reference測量儀系列，和ZEISS的Du

4、raMax三坐標(biāo)測量儀系列一樣，在全球三坐標(biāo)行業(yè)中，隸屬最尖端技術(shù)。,圖1-2 reference測量儀,圖1-3 英國IMS公司手動式CMMIMP 圖1-4 德國Zeiss公司的小型CMEclipse550,圖1-5 美國B&S公司的掃描測量機(jī) Chameleon CMM 圖1-6 德國SIOS公司的納米定位與測量NMM,二、總體設(shè)計方案分析,2.1 精密測量的關(guān)鍵技術(shù) 1） 直線導(dǎo)軌 從精度角度看，空氣導(dǎo)軌是現(xiàn)在最好的導(dǎo)軌。雖然它沒有液體靜壓導(dǎo)軌的剛性大，但氣浮導(dǎo)軌優(yōu)點也很明顯，如無需進(jìn)行油溫控制，對環(huán)境沒有污染。此外，納米級精度儀器的負(fù)荷和行程沒有那么大，所以應(yīng)優(yōu)先考慮空氣導(dǎo)軌。,2）

5、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C0級滾珠絲杠 ，利用閉環(huán)控制目前最高可達(dá)到0.01m的定位精度。但在進(jìn)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 。摩擦驅(qū)動可以實現(xiàn)無反向間隙的傳動 ，由于結(jié)構(gòu)上比較簡單，因而彈性變形因素大為減少 ，所以一直被認(rèn)為是一種非常適合精密的傳動系統(tǒng)。,3） 尺寸測量技術(shù) 尺寸測量技術(shù)在精密領(lǐng)域尺寸測量主要有2種技術(shù)：一是激光干涉技術(shù)，二是光柵技術(shù)。 激光干涉儀分辨率高，測量范圍大，測量精度高，但使用困難，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

6、求很苛刻。,從分辨率和精度上看，光柵技術(shù)可以和激光干涉技術(shù)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。,圖2-1 LIP581敞開式直線光柵尺,2.2 總體布局,其主要技術(shù)指標(biāo)要求如下： 1）X軸，最大行程：800 mm，直線度：0.2 m/100 mm，光柵反饋分辨率：0.1m； 2）Y軸，最大行程：600 mm，直線度：0.2 m/100 mm，光柵反饋分辨率：0.1m； 3）Z軸，最大行程：400mm，直線度：0.2 m/100 mm，光柵反饋分辨率：0.1m； 4）驅(qū)動：伺服電機(jī)驅(qū)動摩擦輪 傳動； 5）導(dǎo)軌形式：超精密氣體靜壓

7、 導(dǎo)軌； 6）承重2000kg。,2.3 床身材料選用,床身要支撐整機(jī)的重量，它應(yīng)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。,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(jié)果。,花崗巖,花崗巖現(xiàn)在已是制造精密測量儀和精密機(jī)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(jī)架時，一般都用整體方塊，鉆孔埋入螺母以便和其它件連接。,人造花崗巖,人造花崗巖是由花崗巖

8、碎粒用樹脂粘結(jié)而成。用不同粒度的花崗巖組合可提高人造花崗巖的體積比，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。,考慮到測量儀當(dāng)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(shè)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。,2.4 導(dǎo)軌的設(shè)計,在精密加工與測量領(lǐng)域，進(jìn)行直線運動的機(jī)械元

9、部件導(dǎo)軌主要有滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌。 滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)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(dǎo)軌與支承結(jié)構(gòu)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(dǎo)軌差一些。,滾動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，已實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，是目前使用較多的一種導(dǎo)軌，但精度比滑動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌低。 液體靜壓相對于氣體靜壓導(dǎo)軌具有載荷量大、剛度高，阻尼高，對振動的衰減好，缺點是目前靜壓導(dǎo)軌的大部分設(shè)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(dǎo)軌時，還存在設(shè)備復(fù)雜和油污染的問題，成本也非

10、常高。,空氣靜壓導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)軌不與支承體直接接觸，基準(zhǔn)面摩損小，因此精度高而且使用壽命長。 3） 分布于導(dǎo)軌及支承面之間的5一15m的空氣膜對部件缺陷具有平均效應(yīng)，容易得到高精度。 4） 爬行少，機(jī)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。,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(dǎo)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，一般有如下四種形式,1） 平面封閉型導(dǎo)軌 這種形式的導(dǎo)軌，因工作臺導(dǎo)軌面產(chǎn)生的撓度較小，可取得高精度、高剛性、大負(fù)載量，最適用于作為精密加工機(jī)床和測量儀等的長導(dǎo)軌。 2） 圓柱封閉型導(dǎo)軌 這種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，導(dǎo)桿的圓度、圓柱度和導(dǎo)向孔的間距等精度完全由機(jī)械加工決定，全部負(fù)載由導(dǎo)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(dǎo)軌。 3） 重量平衡式導(dǎo)軌 這種導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。但是軸承剛度低，適用于負(fù)載變化小的場合。 4） 真空負(fù)壓平衡式導(dǎo)軌 這種導(dǎo)軌與重量平衡式導(dǎo)軌是同一型式，適用于工作臺重量輕