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長 春 大 學 畢業(yè)設計（論文）紙
開題報告
1. 設計題目
單臂三維測量工作臺設計
2. 課題研究的目的、意義
三維測量的出現(xiàn)，一方面是由于現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展的需要，即高效率加工機床的出現(xiàn)，產(chǎn)品質(zhì)量要求進一步提高，復雜的立體形狀的加工等都要求有快速、可靠的測量設備與之配合；另一方面也是由于精密加工技術、電子技術以及計算機技術的發(fā)展，為三維測量技術的出現(xiàn)提供了強大的基礎?，F(xiàn)在，三維測量已經(jīng)廣泛的應用于儀器制造、電子工業(yè)、機械制造、航空和國防等工業(yè)部門，特別適用于箱體類零件的孔距和面距、模具、電子線路板、汽車外殼、精密鑄件、發(fā)動機零件、凸輪以及飛機型體等帶有曲面的工件。
三維測量不僅僅是比傳統(tǒng)的測量計量儀器增加了一兩個坐標，它不僅使測量對象被廣泛化，而且它的生命力在如今還表現(xiàn)在它已經(jīng)成為有些加工機床不可缺少的伴侶。例如他能成功地為數(shù)控機床制備數(shù)字穿孔帶，而且隨著現(xiàn)代化技術的發(fā)展，這種工作愈加復雜，用傳統(tǒng)方法是很難完成的。因此，現(xiàn)在的三維測量工作臺它與數(shù)控“加工中心”相配合，已經(jīng)具有“測量中心”稱號。
3. 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
測量技術與儀器涉及所有物理量的測量，對于材料、工程科學、能源科學關系密切。目前的發(fā)展趨勢有以下幾點：
（1）高精度。目前半導體工藝的典型線寬為0.25um，并正向0.18um過渡，2009年預測的線寬是0.07um.如果定位要求占線寬的1/3，那么就要求10nm量級的精度，而且鏡片尺寸還在增大，達到300mm。這就意味著測量定位系統(tǒng)的精度要優(yōu)于3*10的-8次方，相應的激光穩(wěn)頻精度應該是10的-9次方數(shù)量級。
（2）高速度，目前加工機械的速度已經(jīng)提高到1m/sec以上，上世紀80年代以前開發(fā)研制的儀器已經(jīng)不適應市場的需求。
（3）高靈敏，高分辨，小型化。如將光譜儀集成到一塊電路板上。
（4）標準化。通訊接口過去常用GPIB,RS232,目前有可能成為替代物的高性能標準是USB、IEEE1394和VXI?，F(xiàn)在，技術領先者設法控制技術標準，參與標準制訂是儀器開發(fā)的基礎研究工作之一。
我國儀器科技的發(fā)展現(xiàn)狀
（1）由于長期習慣仿制國外產(chǎn)品，我國的儀器儀表工業(yè)缺乏創(chuàng)新能力，跟不上科學研究和工程建設的需要。
（2）我國儀器科學與技術研究領域積累了大量科研成果，許多成果處于國際領先水平，有待篩選、提高和轉(zhuǎn)化，但產(chǎn)業(yè)化程度很低，沒有形成國際競爭力的完整產(chǎn)業(yè)。
未來發(fā)展趨勢
（1）發(fā)展方向與科學前沿
1）配合數(shù)控設備的技術創(chuàng)新（如主軸轉(zhuǎn)速，精度創(chuàng)成）。
2）運行和制造過程的監(jiān)控和在線檢測技術。
3)配合信息產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)科學的技術創(chuàng)新。
（2）優(yōu)先領域
在基礎研究的初期，對于能否有突破性進展是很難預測的。但是，當已經(jīng)取得突破性進展時，則需要有一個轉(zhuǎn)化機制以進入市場。
1）納米溯源技術和系統(tǒng)。
2)介入安裝和制造的坐標跟蹤測量系統(tǒng)。
3）非接觸測頭以及各種掃描探針顯微鏡。
4）計算機輔助測量理論。
5）新器件，新材料。
6）半導體激光器計量特性的研究和創(chuàng)新。
工作臺是作為精密測量或劃線用的基準平面，因此工作臺工作面的平面度就表征了平板質(zhì)量的主要精度指標。工作臺工作面的平面度是指包容實際表面且距離為最小的兩平行平面間的距離。將工作臺工作面平面度公差允許值，按其數(shù)值大小分成幾個級別，稱為工作臺平面度準確度。至于應分成幾個級別，按什么規(guī)律分布公差數(shù)值，各國的評判標準都不一樣。目前，我國將工作臺標準分為6級，即000、00、0、1、2、3級，這個精度大致對應于GB1184-80規(guī)定的平面度公差的1、2、3、5、7、9共6個等級。由于現(xiàn)在的市場暫無000級平板商品出售，規(guī)程將工作臺準確度級別分為5級，即00、0、1、2、3級。
4.研究內(nèi)容及方案擬定
4.1 設計內(nèi)容
本次設計主要內(nèi)容是設計CCD三坐標顯微數(shù)控工作臺，用于微小零件的CCD圖像測量。如模具，鍛壓件等微小零件，完成總體設計和主要結(jié)構(gòu)設計和部分零件設計。
參數(shù)：尺寸要求：400mm*400mm*400mm
工作行程：200mm*200mm*200mm
總行程誤差：0.5um
考慮到測量儀的要求精度不是很高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。CCD測量鏡頭運動由步進電動機通過驅(qū)動器的細分來控制。控制方式采用單片機控制。
4.2 總體方案擬定
4.2.1.工作臺
早期的三坐標測量機的工作臺一般是由鑄鐵或鑄鋼制成的，但近年來，各生產(chǎn)廠家已廣泛采用花崗巖來制造工作臺，這是因為花崗巖變形小、穩(wěn)定性好、耐磨損、不生銹，且價格低廉、易于加工。有些測量機裝有可升降的工作臺，以擴大Z軸的測量范圍，還有些測量機備有旋轉(zhuǎn)工作臺，以擴大測量功能。
4.2.2.初步設定采用單臂完成三維空間測量，采用非接觸式測量
三維測量是采用測頭來拾取信號的，因而測頭的性能直接影響測量精度和測量效率，沒有先進的測頭就無法充分發(fā)揮測量工作臺的功能。在三維測量工作臺上使用的測頭，按結(jié)構(gòu)原理可分為機械式、光學式和電氣式等；而按測量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。而我們采用非接觸式測量。
對于接觸式測量采用的是機械接觸式剛性測頭，這種測頭形狀簡單，制造容易，但是測量力的大小取決于操作者的經(jīng)驗和技能，因此測量精度差、效率低。目前除少數(shù)手動測量機還采用此種測頭外，絕大多數(shù)數(shù)控機床工作臺已不再使用這類測頭。而對于非接觸式測量，采用光學測頭，大多數(shù)情況下與被測物體間沒有機械接觸，這種非接觸式測量具有一些突出的優(yōu)點。
（1）由于不存在測量力，因而適合于測量各種軟的和薄的工件；
（2）由于是非接觸測量，可以對工件表面進行快速掃描測量；
（3）多數(shù)光學測頭具有比較大的量程，這是一般接觸式測頭難以達到的；
（4）可以探測工件上一般機械測頭難以探測到的部位。近年來，光學測頭發(fā)展較快，目前在坐標測量機上應用的光學測頭的種類也較多，如三角法測頭、激光聚集測頭、光纖測頭、體視式三維測頭、接觸式光柵測頭等。
現(xiàn)在為了擴大測頭功能、提高測量效率以及探測各種零件的不同部位，常需為測頭配置各種附件，如測端、探針、連接器、測頭回轉(zhuǎn)附件等。
4.2.3.對關鍵部件進行選擇與計算
（1）導軌的選擇：在選擇導軌時我們應該考慮到它的經(jīng)濟性、高結(jié)構(gòu)強度和標準性。標準性是對于導軌出問題時的維修或更換比較方便來說；由于動，靜摩擦之間的微小差異，我們應盡量使摩擦系數(shù)降低到1/50，從而可以響應微量位移，實現(xiàn)精確定位；在生產(chǎn)成本和電力損耗時，摩擦系數(shù)小的話，可以使裝置小型化，并可提供高速移動，從而提高測量速度，提高生產(chǎn)效率；除這些外，導軌還應該能滿足減小滾動摩擦，實現(xiàn)長時間、無損耗、高精度運轉(zhuǎn)，安裝簡單，機械壽命較長等條件。此外，導軌的選擇還應注意一下幾點：
1)導軌和機體做成一體。如此同鑲裝式導軌相比，用同一種材料，工藝簡單，剛度大，結(jié)構(gòu)簡單。
2）注意接觸精度 、表面粗造度、導向精度、精度的保持性、運動的平穩(wěn)性和靈敏度。
3）導軌材料的選擇：常用的材料有鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料、耐磨涂料等
（2）滾珠絲杠的選擇與計算：滾珠絲杠是智能自動化設備的關鍵執(zhí)行部件。隨著制成產(chǎn)品的精度要求不斷提高，大大推動了工作母機的發(fā)展,使愈來愈多的設備制造廠采用CNC技術，將傳動方式由T型絲杠、皮帶、鏈條等改由滾珠絲杠來實現(xiàn)。對于滾珠絲杠選擇我們需要根據(jù)工作行程以及總行程誤差進行計算、驗算。
（3）軸承的選擇：根據(jù)軸向和徑向的載荷大小、軸承的轉(zhuǎn)速支撐限位要求、軸承的調(diào)心能力、安裝和拆卸以及其經(jīng)濟性來選擇。
1）徑向、軸向載荷均存在，但不大。其中軸向載荷為雙向載荷?？蛇x用角接觸球軸承和圓錐滾子軸承。
2）軸承的轉(zhuǎn)速
平均轉(zhuǎn)速較低，最大轉(zhuǎn)速為1000r/min，旋轉(zhuǎn)精度較高?？蛇x用球軸承。
3）支撐限位要求
一端固定，一端游動。固定端選用的軸承須能承受雙向軸向載荷。游動端選用承受純徑向載荷的軸承。
4）軸承的調(diào)心能力
工作臺結(jié)構(gòu)不需要有調(diào)心能力的軸承。
5）軸承的安裝和拆卸
工作臺的軸承一般情況不拆卸。不必選擇內(nèi)外圈可分離的軸承。
6）軸承的經(jīng)濟性
一般深溝球軸承價格最低，滾子軸承比球軸承的價格高?？蛇x用球軸承。
綜上，選擇角接觸球軸承和深溝球軸承。其中固定端為一對面對面的角接觸球軸承，用以承受雙向軸向力和徑向力；游動端為一深溝球軸承，用以承受徑向力。
（4）步進電動機的單片機控制：一種方法是通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，電路的制作也比較復雜。另一種方法是使用高低壓驅(qū)動電路，它能穩(wěn)定地驅(qū)動步進電機，且價格不高。通過比較，我們初步選用高低壓驅(qū)動電路。
4.2.4.計算機控制系統(tǒng)設計
（1）數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成：任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件與軟件兩部分組成。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下三部分組成：
1）中央處理單元CPU。
2）存儲器。包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。、
3）接口。
（2）主控器CPU選擇
微機應用系統(tǒng)中，CPU的選擇應考慮以下要素：
1）時鐘頻率與字長（控制數(shù)據(jù)處理的速度）。
2）可擴展存儲器（ROM/RAM）的容量。
3）指令系統(tǒng)功能是否強（即編程的靈活性）。
4）I/O口擴展的能力（即對外設控制的能力）。
5) 開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。
4.2.5.存儲器電路的擴展
（1） 程序存儲器的擴展
單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片，其型號分別為：2716、2732、2764、27128、27256等。在選擇芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配。即芯片所能讀取的時間必須大于EPROM所要求的時間。此外，還需考慮最大讀出速度，工作溫度及存儲器的容量。在滿足要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡化。
4.2.6. I/O口電路的擴展
（1） 并行口的擴展
（2） 鍵盤、顯示器接口電路
5. 畢業(yè)設計進度安排
03.06-3.24 調(diào)研、開題報告
03.27-04.07 總體方案設計
04.10-04.21 傳動部件設計、計算分析
04.24-05.12 裝配圖、部件圖設計
05.15-05.19 零件圖設計
05.22-05.26 撰寫設計說明書
05.27-05.31 提交設計說明書、設計圖紙
06.01-06.05 資格審查，答辯材料審閱修改
06.08-06.23 答辯，整理畢業(yè)設計資料，修改圖紙
6. 參考文獻
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