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長(zhǎng) 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）紙
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單臂三維測(cè)量工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
[摘要]三維測(cè)量，又稱(chēng)為三坐標(biāo)測(cè)量。三維測(cè)量可以定義為“一種可具有三個(gè)方向移動(dòng)的探測(cè)器，可以在三個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌上移動(dòng)，此探測(cè)器以接觸或非接觸等方式傳送訊號(hào)，三個(gè)軸的位移測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)數(shù)據(jù)處理器或計(jì)算機(jī)等計(jì)算出工件的各點(diǎn)坐標(biāo)及各項(xiàng)功能的測(cè)量”。三維測(cè)量的測(cè)量功能應(yīng)包括尺寸精度、定位精度、集合精度及輪廓精度等。三維測(cè)量現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)、汽車(chē)、電子、航天航空、國(guó)防等工業(yè)部門(mén)。
單臂三維測(cè)量工作臺(tái)是一款具有較大測(cè)量范圍的高精度測(cè)量設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了使用者對(duì)沖壓件、儀表板件、塑料件、中型模具件的測(cè)量要求。它在測(cè)量時(shí)采用單臂實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的動(dòng)作，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)。CCD測(cè)量鏡頭運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分來(lái)控制，控制方式采用單片機(jī)控制。其中設(shè)計(jì)時(shí)還包括很多零部件的選擇，如導(dǎo)軌、滾珠絲杠等等。
機(jī)械系統(tǒng)部分由三個(gè)正交的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。Y向?qū)к壪到y(tǒng)裝在工作臺(tái)上，移動(dòng)橋架橫梁是X向?qū)к壪到y(tǒng)，Z向?qū)к壪到y(tǒng)裝在中央滑架內(nèi)。三個(gè)方向軸上均裝有光柵尺用以度量各軸位移值。人工驅(qū)動(dòng)的手輪及機(jī)動(dòng)、數(shù)控驅(qū)動(dòng)的電機(jī)一般都在各軸附近。用來(lái)觸測(cè)被檢測(cè)零件表面的測(cè)頭裝在X軸端部。
[關(guān)鍵字] 三維測(cè)量 控制 機(jī)械系統(tǒng)
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Single arm of the workbench for three dimensional measurements
[Abstract] Three-dimensional measurements, also known as trimetric measurements. Three-dimensional measurement can be defined as "a kind of can have three direction of the probe, can be in three perpendicular guide rail, the detector to contact or non-contact way transmission signals, such as three axis displacement measurement system by data processors or calculation work pieces, such as computers, each point coordinates and functions of measurement". The measuring functions of three-dimensional measurement should include measurement accuracy, positioning accuracy, collection accuracy and contour accuracy. Three-dimensional measurements are now widely used in the industrial sectors of machinery manufacturing, automobiles, electronics, aerospace and defense.
One-armed three-dimensional measurement workbench is a large measurement range and high precision measuring equipment, give full consideration to the user when the design of stamping parts, instrument panel, plastic parts, medium-sized mold parts measurement requirements. In order to simplify the structure and save the cost, it adopts the step motor drive the loop servo drive. The CCD measuring lens movement is controlled by the subdivision of the drive motor through the actuator, and the control method is controlled by the single chip. The design also includes the selection of many parts, such as the guideway, the ball screw and so on.
The mechanical system consists of three orthogonal linear motions. The Y is mounted on the platform, and the moving bridge beam is the X to the guide system, and Z is mounted in the central slide frame. All three orientations are equipped with raster rulers to measure the displacement of each axis. Manually driven handwheel and motorized, numerically driven motors are generally located near each axis. The measuring head on the part of the test part is used to test the part of the Z axis.
[Keywords]Three-dimensional measurement Control Mechanical system
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目 錄
前言 1
第1章 單臂三維測(cè)量工作臺(tái)的概述 2
1.1 三維測(cè)量工作臺(tái)的產(chǎn)生 2
1.2 三維測(cè)量工作臺(tái)的組成及工作原理 2
1.3 三維測(cè)量工作臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 3
1.3.1 結(jié)構(gòu)形式 3
1.3.2 工作臺(tái) 3
1.4 三維測(cè)量工作臺(tái)的測(cè)量系統(tǒng) 4
1.4.1 標(biāo)尺系統(tǒng) 4
1.4.2 測(cè)頭系統(tǒng) 4
1.4.3 測(cè)頭附件 5
1.5 三維測(cè)量工作臺(tái)的控制系統(tǒng) 5
1.5.1 控制系統(tǒng)的功能 5
1.5.2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 6
1.5.3 測(cè)量進(jìn)給控制 7
1.5.4 控制系統(tǒng)的通信 7
第2章 關(guān)鍵部件的選擇計(jì)算 8
2.1 導(dǎo)軌的選擇 8
2.1.1 導(dǎo)軌選擇的基本理論 9
2.1.2 導(dǎo)軌精度選擇 9
2.2 滾珠絲杠的選擇與計(jì)算 11
2.3 軸承的選擇 18
2.4 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 18
2.5 步進(jìn)電機(jī)控制原理 19
2.5.1 理論設(shè)計(jì) 20
2.5.2 程序設(shè)計(jì) 23
2.6 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
第3章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28
3.1 主控制器CPU的選擇 28
3.2 存儲(chǔ)器電路的擴(kuò)展 29
3.2.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 29
3.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 30
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3.3 I/O口電路的擴(kuò)展 30
3.3.1 并行口的擴(kuò)展 30
3.3.2 鍵盤(pán)、顯示器接口電路 31
總 結(jié) 32
致 謝 33
參考文獻(xiàn) 34
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前 言
坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）是一種具有很強(qiáng)柔性的尺寸測(cè)量設(shè)備。?CMM在工業(yè)界的應(yīng)用開(kāi)始于對(duì)棱柱類(lèi)零件的快速、精確測(cè)量。但隨著CMM各方面技術(shù)的發(fā)展（如回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、觸發(fā)式測(cè)頭的產(chǎn)生），特別是計(jì)算機(jī)控制的CMM的出現(xiàn)，目前，CMM已廣泛應(yīng)用于對(duì)各類(lèi)零件的自動(dòng)檢測(cè)。
而作為CMM測(cè)量的重要部件——工作臺(tái)在最近也發(fā)生了巨大的變革。工作臺(tái)主要是用來(lái)放置工件或附件，為了保證儀器的測(cè)量精度和工作的可靠性，它必須具有足夠的剛性，臺(tái)面和導(dǎo)軌面應(yīng)耐磨且有一定的直線(xiàn)度和平面度。工作臺(tái)必須具有手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，手動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單但調(diào)整不便且精度不高，而自動(dòng)調(diào)整即快又準(zhǔn)。所以與測(cè)量?jī)x器配套使用的工作臺(tái)也由手動(dòng)向自動(dòng)方向發(fā)展，精度不斷提高，性能更加完善。
本次設(shè)計(jì)主要完成工作臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)軌的選擇；滾珠絲杠的選擇與計(jì)算；步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。
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第1章 單臂三維測(cè)量工作臺(tái)的概述
1.1 三維測(cè)量工作臺(tái)的產(chǎn)生
三維測(cè)量工作臺(tái)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種新的高效率精密測(cè)量?jī)x器。它的出現(xiàn)，一是因?yàn)樽詣?dòng)機(jī)床、數(shù)控機(jī)床高效率加工以及更多復(fù)雜形狀的零件加工要有更快速更可靠的測(cè)量設(shè)備與之配套；一是因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)和精密加工技術(shù)的完善替三維測(cè)量工作臺(tái)的產(chǎn)生提供了技術(shù)條件。世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在1960年被英國(guó)FERRANTI公司成功研制，到20世紀(jì)60年代末，全球已有約十個(gè)國(guó)家的三十多家公司能生產(chǎn)CMM，但這一時(shí)期的CMM還處在初級(jí)階段。到20世紀(jì)80年代后，很多公司不停地推出新的產(chǎn)品，讓CMM取得了快速的發(fā)展?，F(xiàn)在CMM可以在計(jì)算機(jī)的控制下完成各種各樣的復(fù)雜測(cè)量，也可以通過(guò)與數(shù)控機(jī)床互換信息，實(shí)現(xiàn)控制加工的目的，也還可根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)反求工程。目前，CMM已廣泛用于機(jī)械制造業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)和國(guó)防工業(yè)等各部門(mén)，成為現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)和質(zhì)量控制不可缺少的測(cè)量設(shè)備。
1.2 三維測(cè)量工作臺(tái)的組成及工作原理
（1）三維測(cè)量工作臺(tái)的組成
三維測(cè)量工作臺(tái)屬于機(jī)電一體化設(shè)備，它由電子系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)兩部分組成。
1）機(jī)械系統(tǒng)：一般由三個(gè)正交的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸構(gòu)成。Y向的導(dǎo)軌系統(tǒng)安裝在工作臺(tái)上，移動(dòng)橋架橫梁是X向的導(dǎo)軌系統(tǒng)，Z向的導(dǎo)軌系統(tǒng)安裝在中央滑架內(nèi)。三個(gè)方向的軸上都安裝有光柵尺用以測(cè)量各軸位移值。人工驅(qū)動(dòng)手輪及機(jī)動(dòng)、數(shù)控驅(qū)動(dòng)電機(jī)常常都在各個(gè)軸附近。用來(lái)觸測(cè)被檢測(cè)零件表面的測(cè)頭裝在Z軸端部。
2）電子系統(tǒng)：一般由光柵計(jì)數(shù)系統(tǒng)、測(cè)頭信號(hào)接口和計(jì)算機(jī)等組成，用于獲得被測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
（2）三維測(cè)量工作臺(tái)的工作原理
三維測(cè)量工作臺(tái)是基于坐標(biāo)測(cè)量的通用化數(shù)字測(cè)量設(shè)備。它先將要測(cè)的幾何元素的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)這些幾何元素上一些點(diǎn)集坐標(biāo)位置的測(cè)量，在測(cè)得這些點(diǎn)的坐標(biāo)位置后，再根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算求出其尺寸和形位誤差。
1.3 三維測(cè)量工作臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)
1.3.1 結(jié)構(gòu)形式
按照結(jié)構(gòu)形式，三維測(cè)量工作臺(tái)可分為移動(dòng)橋式、固定橋式、龍門(mén)式、懸臂式、單柱移動(dòng)式、單柱固定式結(jié)構(gòu)等。
(1) 移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)，它是現(xiàn)在使用最廣的一種結(jié)構(gòu)形式，主要分為四部分組成：工作臺(tái)是固定不動(dòng)的，橋框可沿工作臺(tái)上的高貴沿Y向運(yùn)動(dòng)，滑架可沿著橫梁上的導(dǎo)軌沿X向運(yùn)動(dòng)，主軸可沿Z向運(yùn)動(dòng)。被測(cè)工件安放在工作臺(tái)上，測(cè)頭裝在主軸X上。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，剛性好，具有較開(kāi)闊的空間。工件安裝在固定的工作臺(tái)上，承載能力較強(qiáng)，工件質(zhì)量對(duì)測(cè)量機(jī)的動(dòng)態(tài)性能沒(méi)有影響。中小型測(cè)量機(jī)，無(wú)論是手動(dòng)還是數(shù)控的，多數(shù)是采用這種結(jié)構(gòu)形式的。
(2) 固定橋式結(jié)構(gòu)，其橋框是固定不動(dòng)的，直接與基座鏈接；而工作臺(tái)可沿著基座的導(dǎo)軌移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：X相反的標(biāo)尺與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以設(shè)置在工作臺(tái)下方中部，Y向阿貝臂小；從中間驅(qū)動(dòng)，繞Z軸偏擺??；整個(gè)測(cè)量幾點(diǎn)結(jié)構(gòu)剛性很好，容易保證較好的精度，但此結(jié)構(gòu)的不足之處在于工作臺(tái)要移動(dòng)，所以工件質(zhì)量不宜過(guò)大。精密性的三維測(cè)量工作臺(tái)大多采用固定橋式的結(jié)構(gòu)。
(3) 龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，只有橫梁是它的移動(dòng)部分，這是它與移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。而且移動(dòng)部分的質(zhì)量小，整體結(jié)構(gòu)的剛性好，三個(gè)方向的坐標(biāo)測(cè)量范圍比較大，可保證測(cè)量的精度，常用于大型機(jī)，但其限制了工件的裝卸，只有一側(cè)驅(qū)動(dòng)時(shí)仍有較大阿貝誤差，而雙側(cè)驅(qū)動(dòng)的方式在技術(shù)上比較復(fù)雜，只有Y向跨距較大、對(duì)精度要求很高的大型測(cè)量機(jī)才用。
(4) 懸臂式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，具有較好的開(kāi)闊性，但當(dāng)滑架在懸臂上作Y向的運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸臂的變形會(huì)產(chǎn)生不一樣的變化，故其測(cè)量的精度不算高，測(cè)量的精度要求不高的小型測(cè)量機(jī)才會(huì)經(jīng)常用它。
(5) 單柱移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，也稱(chēng)為儀器臺(tái)式結(jié)構(gòu)，隨著工具顯微鏡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的發(fā)展而出現(xiàn)發(fā)展起來(lái)的。但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量范圍不大，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量的精度很高、操作簡(jiǎn)單，高精度小型數(shù)控機(jī)型常用它。
(6) 單柱固定式結(jié)構(gòu)，隨著坐標(biāo)鏜的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的。它的結(jié)構(gòu)牢固、開(kāi)闊性較好，但工件的質(zhì)量會(huì)影響工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，而且二維平動(dòng)的工作臺(tái)的行程不會(huì)太大，因此它僅僅用在測(cè)量精度中等的中小型測(cè)量機(jī)上。
1.3.2 工作臺(tái)
早期的三維測(cè)量的工作臺(tái)一般是由鑄鐵或鑄鋼制成，但近年來(lái)，花崗巖已經(jīng)被各廠(chǎng)家廣泛采用來(lái)制造工作臺(tái)，這是因?yàn)榛◢弾r變形小，穩(wěn)定性也好，不僅耐磨損，也不易生銹，且價(jià)格適宜、加工容易。有些測(cè)量工作臺(tái)裝有可升降的裝置，用來(lái)擴(kuò)大Z軸的測(cè)量范圍，還有些測(cè)量工作臺(tái)備有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，用來(lái)增大測(cè)量功能。
1.4 三維測(cè)量工作臺(tái)的測(cè)量系統(tǒng)
標(biāo)尺系統(tǒng)和測(cè)頭系統(tǒng)共同組成了三測(cè)量工作臺(tái)的測(cè)量系統(tǒng)，它們是三維測(cè)量工作臺(tái)的關(guān)鍵組成部分，決定著測(cè)量精度的高低。
1.4.1 標(biāo)尺系統(tǒng)
用來(lái)度量各軸的坐標(biāo)數(shù)值的稱(chēng)為標(biāo)尺系統(tǒng)，三維測(cè)量工作臺(tái)上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)種類(lèi)較多，它們與在各種機(jī)床和儀器上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)大致相同，按其性質(zhì)可以分為機(jī)械式標(biāo)尺系統(tǒng)、光學(xué)式標(biāo)尺系統(tǒng)和電氣式標(biāo)尺系統(tǒng)。統(tǒng)計(jì)分析國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)使用的三維測(cè)量工作臺(tái)的標(biāo)尺系統(tǒng)可知，光柵使用得最多，感應(yīng)同步器和光學(xué)編碼器次之。而那些高精度三維測(cè)量工作臺(tái)的標(biāo)尺系統(tǒng)則采用了激光干涉儀。
1.4.2 測(cè)頭系統(tǒng)
三維測(cè)量工作臺(tái)是用測(cè)頭來(lái)拾取信號(hào)的，因而測(cè)量精度和測(cè)量效率取決于測(cè)頭的性能。在三維測(cè)量工作臺(tái)上使用的測(cè)頭，按結(jié)構(gòu)原理可分為機(jī)械式、光學(xué)式和電氣式等；按測(cè)量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類(lèi)。
(1) 機(jī)械接觸式測(cè)頭
機(jī)械接觸式測(cè)頭為剛性測(cè)頭，看接觸測(cè)量部位的測(cè)頭的形狀，可以分為V型塊測(cè)頭、半圓形測(cè)頭、圓錐形測(cè)頭、球形測(cè)頭、點(diǎn)測(cè)頭、圓柱形測(cè)頭等。這類(lèi)測(cè)頭形狀簡(jiǎn)易，制造容易。操作者用經(jīng)驗(yàn)和技能的嫻熟度控制測(cè)量力的大小，這樣就會(huì)使其測(cè)量的精度較差、效率較低?，F(xiàn)在除了少數(shù)的手動(dòng)測(cè)量工作臺(tái)還采用這種測(cè)頭外，大多數(shù)的測(cè)量工作臺(tái)都不再用這種測(cè)頭。
（2）光學(xué)測(cè)頭
常規(guī)狀況下，光學(xué)測(cè)頭和被測(cè)物體之間是沒(méi)有機(jī)械接觸的，這種非接觸式測(cè)量具有的一些突出優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
1）因?yàn)闇y(cè)量力不存在，因此比較適合于測(cè)量各種軟的和薄的工件；
2）因?yàn)槭欠墙佑|測(cè)量，所以其可對(duì)工件表面進(jìn)行快速掃描測(cè)量；
3）一般接觸式測(cè)頭的量程都比較小，但大多數(shù)的光學(xué)測(cè)頭都具有較大的測(cè)量范圍。
4）機(jī)械測(cè)頭在工件上難以探測(cè)到的部位都可以使用它。光學(xué)測(cè)頭近年來(lái)快速發(fā)展，目前在測(cè)量工作臺(tái)上應(yīng)用的光學(xué)測(cè)頭的種類(lèi)多種多樣，如光纖測(cè)頭、體視式三維測(cè)頭、三角法測(cè)頭、激光聚集測(cè)頭、接觸式光柵測(cè)頭等。
（3）電氣接觸式測(cè)頭
電氣接觸式測(cè)頭目前已為絕大部分坐標(biāo)測(cè)量工作臺(tái)所采用，按其工作原理可分為動(dòng)態(tài)測(cè)頭和靜態(tài)測(cè)頭。
1）動(dòng)態(tài)測(cè)頭
芯體上裝著測(cè)桿的稱(chēng)為常用的動(dòng)態(tài)測(cè)頭，把三個(gè)鋼球沿圓周120度分布安放形成三對(duì)接觸點(diǎn)，則把芯體放接觸點(diǎn)上面。芯體上上的鋼球在測(cè)桿沒(méi)有受到力的時(shí)候跟三對(duì)接觸點(diǎn)都保持接觸。而當(dāng)X、Y、Z三個(gè)方向上的任何一個(gè)方向上的測(cè)桿端部的鋼球與工件接觸的時(shí)候，最少會(huì)使一個(gè)鋼球和觸點(diǎn)分開(kāi)，從而讓電路變成開(kāi)路狀態(tài)，產(chǎn)生階躍的信號(hào)。采樣電路將直接或者間接的被計(jì)算機(jī)控制，坐標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)沿著X、Y、Z方向送至存儲(chǔ)器，提供給數(shù)據(jù)處理用。
可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)測(cè)頭是可以在測(cè)頭接觸工件表面的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的接觸瞬間進(jìn)行采樣的，因此它也稱(chēng)為觸發(fā)式測(cè)頭。由于其較低的成本和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，所以可用于高速的測(cè)量。但是也由于它的精度較差和不能長(zhǎng)時(shí)間的在工件表面停留的缺點(diǎn)，因此它只能對(duì)工件的表面作分散的逐個(gè)點(diǎn)的測(cè)量，不能作一次性的掃描測(cè)量完成。目前，英國(guó)RENISHAW公司生產(chǎn)的觸發(fā)式測(cè)頭較為廣泛使用于各大廠(chǎng)家。的
2）靜態(tài)測(cè)頭
相當(dāng)于一臺(tái)超小型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的靜態(tài)測(cè)頭還具有觸發(fā)式測(cè)頭特有的 的觸發(fā)采樣的功能。X、Y、Z三個(gè)方向上在有三維幾何量傳感器的測(cè)頭和工件的表面進(jìn)行接觸的時(shí)候都會(huì)有對(duì)應(yīng)的位移距離輸出，從而驅(qū)動(dòng)的伺服系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輸出的位移量讓測(cè)頭停在既定的位置上。由于必須要測(cè)頭接近靜止?fàn)顟B(tài)下的時(shí)候才可以采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，所以稱(chēng)為靜態(tài)測(cè)頭。同時(shí)，由于它可以始終接觸著工件表面并且沿其移動(dòng)來(lái)完成掃描測(cè)量，所以它也稱(chēng)為掃描測(cè)頭。靜態(tài)測(cè)頭的主要特點(diǎn)是精度高，可作連續(xù)掃描，但制造技術(shù)難度大，采樣較慢，價(jià)格昂貴，適用于高精度測(cè)量機(jī)使用。目前大多數(shù)廠(chǎng)家生產(chǎn)的靜態(tài)測(cè)頭均采用電感式位移傳感器，從而我們也將靜態(tài)測(cè)頭稱(chēng)為三向電感測(cè)頭。?
1.4.3 測(cè)頭附件
為了擴(kuò)大測(cè)頭功能、提高測(cè)量效率以及探測(cè)各種零件的不同部位，常需為測(cè)頭也需要配置各種附件，例如測(cè)端、探針、連接器、測(cè)頭回轉(zhuǎn)附件等，用來(lái)擴(kuò)大。
1.5 三維測(cè)量工作臺(tái)的控制系統(tǒng)
1.5.1 控制系統(tǒng)的功能
三維測(cè)量工作臺(tái)的關(guān)鍵組成部分之一控制系統(tǒng)。其主要功能是：一是讀取空間坐標(biāo)值，控制測(cè)量瞄準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的響應(yīng)和處理測(cè)頭信號(hào)，二是機(jī)械系統(tǒng)在其控制下完成測(cè)量所需的動(dòng)作，從而達(dá)到隨時(shí)監(jiān)控測(cè)量工作臺(tái)的狀態(tài)來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性和安全性的目的。
1.5.2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
按自動(dòng)化的程度可以有手動(dòng)型、機(jī)動(dòng)型以及CNC型。以前的測(cè)量工作臺(tái)的各點(diǎn)采樣都是經(jīng)過(guò)操作者直接手動(dòng)或者間接經(jīng)過(guò)操縱桿完成的，然后再把經(jīng)過(guò)手動(dòng)型與機(jī)動(dòng)型為主采樣的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行換算處理。CNC型的控制系統(tǒng)隨著數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展而愈發(fā)普遍，程序控制著測(cè)量工作臺(tái)的數(shù)據(jù)采樣和自動(dòng)進(jìn)給的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)數(shù)據(jù)處理將在計(jì)算機(jī)中完成。
(1) 手動(dòng)型與機(jī)動(dòng)型控制系統(tǒng)
這種控制系統(tǒng)在車(chē)間有較廣的應(yīng)用，它不僅有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且它的操作簡(jiǎn)易，價(jià)格也便宜。這兩種系統(tǒng)的標(biāo)尺系統(tǒng)通常采用光柵，而測(cè)頭通常采用觸發(fā)式的測(cè)頭。測(cè)頭在接觸工件的時(shí)候散出觸發(fā)信號(hào)從而經(jīng)過(guò)控制接口向CPU發(fā)出一個(gè)中斷的信號(hào)，CPU在其指令下會(huì)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)的稱(chēng)序。對(duì)應(yīng)的讀出在計(jì)數(shù)接口處的單元數(shù)值，采樣坐標(biāo)值X、Y和Z將會(huì)在其計(jì)算出對(duì)應(yīng)的空間距離后形成，并且將形成的X、Y和Z送入數(shù)據(jù)采樣的緩沖區(qū)，以方便后面的計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí)用。
(2) CNC型控制系統(tǒng)
CNC型的控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量進(jìn)給進(jìn)行控制。它能夠通過(guò)程序?qū)y(cè)量機(jī)的各軸運(yùn)動(dòng)和運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行控制和隨時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到自動(dòng)測(cè)量的目的。另外，應(yīng)用操縱桿，它也能夠進(jìn)行手工測(cè)量。其中，集中控制和分布控制是從CNC型控制系統(tǒng)中分出的兩個(gè)小類(lèi)。
1）集中控制
集中控制是利用一個(gè)主CPU就能夠完成監(jiān)測(cè)和采樣坐標(biāo)值，從而完成接收計(jì)算機(jī)命令，解釋和執(zhí)行，往回送和顯示狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，鍵盤(pán)輸入控制命令和監(jiān)測(cè)安全等等任務(wù)。一個(gè)相當(dāng)于獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立的模塊能夠完成監(jiān)測(cè)單軸的伺服控制以及三軸聯(lián)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。在功能上，CPU的實(shí)時(shí)性和測(cè)量進(jìn)給的速度的大小和CPU運(yùn)算量的大小和運(yùn)算速度的大小有關(guān)。
2）分布式控制
分布式控制系統(tǒng)中運(yùn)用多個(gè)CPU協(xié)調(diào)工作并完成特定的控制并一起完成測(cè)量的任務(wù)，由于它的高效率從而提升了控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)性。另外，它的單元式、多CPU并行處理的特點(diǎn)使其擴(kuò)充和維修更加的簡(jiǎn)單。如在分布式控制的系統(tǒng)中增加一個(gè)由單軸控制的單元，再在總線(xiàn)上的地址和增加相應(yīng)的軟件就可以增加一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)了。
1.5.3 測(cè)量進(jìn)給控制
在對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)速度的控制方面，主要是通過(guò)操縱桿抑或CNC程序，這里是除手動(dòng)型之外的測(cè)量工作臺(tái)。通過(guò)這種辦法來(lái)讓控制測(cè)頭相對(duì)于測(cè)量工作臺(tái)按一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，以此來(lái)完成測(cè)量工件的任務(wù)。測(cè)量工作臺(tái)在測(cè)量進(jìn)給方面相對(duì)于數(shù)控機(jī)床在進(jìn)給加工方面差距不大嗎，但是前者要求以更高的精度、更平穩(wěn)的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)以及更快的響應(yīng)速度。測(cè)量工作臺(tái)分別有單軸控制和多軸聯(lián)動(dòng)控制兩種運(yùn)動(dòng)控制方式。單軸的伺服控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單，各自的的運(yùn)動(dòng)由其各軸上的單軸伺服控制器單獨(dú)完成。三軸之間由一種特定的算法通過(guò)CPU控制來(lái)使得測(cè)頭和工件在空間中按一定的軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)需要單軸的伺服和插補(bǔ)器共同完成。在測(cè)量工作臺(tái)控制系統(tǒng)中，CPU程序控制實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)器插補(bǔ)。根據(jù)預(yù)定的軌跡，CPU連續(xù)地向三軸伺服控制系統(tǒng)發(fā)送坐標(biāo)軸的位置命令，單軸伺服控制系統(tǒng)則連續(xù)跟隨，從而使測(cè)頭一步一步地從起始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)。
1.5.4 控制系統(tǒng)的通信
控制系統(tǒng)的通信有內(nèi)通信與外通信兩種。命令、參數(shù)、狀態(tài)和數(shù)據(jù)等在控制系統(tǒng)和主計(jì)算機(jī)之間通過(guò)通信總線(xiàn)相互傳送的方式稱(chēng)為內(nèi)通信。當(dāng)測(cè)量工作臺(tái)作為FMS系統(tǒng)或CIMS系統(tǒng)中的組成部分時(shí)，控制系統(tǒng)和其它的設(shè)備之間的通信稱(chēng)為外通信?，F(xiàn)在，串行RS－232標(biāo)準(zhǔn)與并行IEEE－488標(biāo)準(zhǔn)是測(cè)量工作臺(tái)兩種主要的通信。
第2章 關(guān)鍵部件的選擇計(jì)算
2.1 導(dǎo)軌的選擇
此設(shè)計(jì)選用了SBC導(dǎo)軌，其優(yōu)點(diǎn)如下：
圖2-1 SBC導(dǎo)軌
（1） 價(jià)格低廉
SBC直線(xiàn)導(dǎo)軌在各方面都具有很好的經(jīng)濟(jì)性,尤其是在簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì),高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和產(chǎn)品本地化等方面特別突出。
（2） 交貨迅捷
在中國(guó)大陸地區(qū)代理銷(xiāo)售SBC產(chǎn)品,所有標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)全部現(xiàn)貨供應(yīng)。
（3） 精確的位置精度
SBC導(dǎo)軌由于動(dòng)、靜摩擦之間的微小差異從而使摩擦系數(shù)降到百分之五十一,因此可以實(shí)現(xiàn)精確定位，響應(yīng)微量位移。
（4） 節(jié)約生產(chǎn)成本和電力損耗
由于SBC導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小,可使驅(qū)動(dòng)裝置小型化,并可提供高速運(yùn)動(dòng).因此采用SBC導(dǎo)軌可生產(chǎn)出高性能機(jī)械同時(shí)減小電力損耗。
（5） 長(zhǎng)時(shí)間保持高精度
減小了滾動(dòng)摩擦,實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的、無(wú)損耗的、高精度的運(yùn)轉(zhuǎn).
（6） 安裝簡(jiǎn)單
SBC導(dǎo)軌只需通過(guò)螺栓安裝就可保證較高的精度,并且使其在四個(gè)方向上承受等量負(fù)載.
（7） 提高機(jī)械的可靠性
通過(guò)往返的次數(shù)估算機(jī)械壽命,提高機(jī)械的可靠性
2.1.1 導(dǎo)軌選擇的基本理論
導(dǎo)軌和機(jī)體做成一體。如此同鑲裝式導(dǎo)軌相比，用同一種材料，工藝簡(jiǎn)單，剛度大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
聚四氟乙烯軟帶同導(dǎo)軌的聯(lián)接采用粘結(jié)的方法。采用此方法有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1） 比螺釘固定簡(jiǎn)單，而且克服了夾緊力不均勻的缺點(diǎn)。
（2） 粘結(jié)導(dǎo)軌對(duì)設(shè)備維修或改造都很方便。
粘結(jié)時(shí)要求粘膠非常均勻。
（1） 依據(jù)測(cè)量工作臺(tái)的使用要求，提出導(dǎo)軌要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。
（2） 選擇導(dǎo)軌的類(lèi)型。
（3） 選擇導(dǎo)軌的截面形狀。
（4） 確定導(dǎo)軌的數(shù)量和尺寸。
（5） 選擇導(dǎo)軌的材料，確定導(dǎo)軌與部件的關(guān)系(做成整體或鑲裝)。
（6） 計(jì)算。根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的重量和重心位置，外力作用的位置、方向以及大小，對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行受力分析，分析導(dǎo)軌上受力的狀態(tài)。
（7） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要有：間隙(或預(yù)加負(fù)荷)裝置、鑲裝結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑溝槽、卸裁裝置、滾動(dòng)組件選擇、節(jié)流器等等。
（8） 其它方面的設(shè)計(jì)。包括選擇潤(rùn)滑方法、潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑裝量、、和設(shè)計(jì)防護(hù)裝置等。
（9）確定技術(shù)條件。 對(duì)導(dǎo)軌的基本要求
2.1.2 導(dǎo)軌精度選擇
（1） 接觸精度
采用精刨的方法來(lái)加工導(dǎo)軌。對(duì)導(dǎo)軌的接觸精度用著色法檢查。由表32—22[2]查得接觸指標(biāo)：全長(zhǎng)上不少于70%，全寬上不少于50%。
（2） 表面粗糙度
表32—24[2]查得表面粗糙度值：支承導(dǎo)軌0.8，動(dòng)導(dǎo)軌1.6。依據(jù)測(cè)量工作臺(tái)的使用要求，提出導(dǎo)軌要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。
（3） 導(dǎo)向精度
運(yùn)動(dòng)部件沿著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的軌跡的準(zhǔn)確性稱(chēng)為導(dǎo)向精度。
影響導(dǎo)向精度的因素有
1） 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和截面形狀。
2） 導(dǎo)軌的加工質(zhì)量(幾何精度、和粗糙度)以及裝配調(diào)整質(zhì)量。
3） 導(dǎo)軌和其支承件的剛度及熱變形。
4） 潤(rùn)滑狀況。
（4） 精度的保持性
要在規(guī)定的期限內(nèi)保持導(dǎo)軌的初始精度。
影響精度保持性的因素有：
1) 耐磨性。耐磨性與導(dǎo)軌的材料、硬度和摩擦表面的情況有關(guān)，還與導(dǎo)軌副的材料匹配有關(guān)。
2) 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和截面形狀（磨損后能否自動(dòng)補(bǔ)償且調(diào)整很方便)。
3) 潤(rùn)滑狀況好壞。
4) 防護(hù)裝置的好壞。
（5） 運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和靈敏度
要保證在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)微量運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生爬行，能實(shí)現(xiàn)要求的定位精度。影響運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和靈敏度的因素有：
1) 導(dǎo)軌面的磨擦特性(與導(dǎo)軌的材料，類(lèi)型及潤(rùn)滑狀態(tài)有關(guān))。
2) 傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度。
3) 負(fù)載情況。
（6） 其它：
1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。
2) 工藝性好。
3) 維修方便。
4) 價(jià)格合理。
CCD測(cè)量?jī)x是是用于檢測(cè)微小零件表面質(zhì)量情況的，因此對(duì)工作臺(tái)的移動(dòng)距離沒(méi)有非常嚴(yán)格的限制，即對(duì)導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度及精度的保持性要求不是高。如此，對(duì)導(dǎo)軌的摩擦特性、潤(rùn)滑、表面加工質(zhì)量的要求也隨之降低。
（7） 跨距的確定
跨距是指兩條導(dǎo)軌之間的距離。適當(dāng)加大跨距可以提高剛度。導(dǎo)軌跨距的可用范圍是比較大的。一般應(yīng)考慮其移動(dòng)部件所采用傳動(dòng)件安裝所須尺寸及導(dǎo)軌所受傾覆力矩等因素，再參考類(lèi)似設(shè)備決定。本設(shè)計(jì)中，由于導(dǎo)軌橫向結(jié)構(gòu)都是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以在延導(dǎo)軌橫向傾覆力矩較小。則導(dǎo)軌跨距可按測(cè)量工作臺(tái)的各傳動(dòng)部件安裝尺寸來(lái)設(shè)計(jì)。
（8） 導(dǎo)軌截面尺寸的確定
根據(jù)比壓值來(lái)選定滑動(dòng)導(dǎo)軌寬度。初選寬度15mm，后經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)其進(jìn)行校核（計(jì)算過(guò)程見(jiàn)2.5.8）。如抗壓能力不足夠則將寬度值加大。其它尺寸由測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)尺寸而定。
（9） 導(dǎo)軌的長(zhǎng)度
導(dǎo)軌的長(zhǎng)度主要決定于移動(dòng)部件長(zhǎng)度、要求移動(dòng)的距離和對(duì)剛度及維護(hù)的要求。動(dòng)導(dǎo)軌的長(zhǎng)度一般做成和移動(dòng)部件的長(zhǎng)度一樣。（支承導(dǎo)軌的長(zhǎng)度根據(jù)不同情況而定）CCD測(cè)量?jī)x承受的載荷不大，精度要求也不高，剛度可以低些，則支承導(dǎo)軌可做成移動(dòng)導(dǎo)軌和移動(dòng)距離之差的長(zhǎng)度（式2—4）。此時(shí)導(dǎo)軌不會(huì)外露，防護(hù)好。
（10） 軌材料的選擇
導(dǎo)軌的常用材料有：鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料、耐磨涂料等。
導(dǎo)軌材料的選擇過(guò)程：長(zhǎng)導(dǎo)軌（動(dòng)導(dǎo)軌）采用淬硬的HT200作基體，表面粘貼聚四氟乙烯軟帶；短導(dǎo)軌（支承導(dǎo)軌）采用淬硬的HT200。
選用鑄鐵的原因：
① 鑄鐵(特別是灰鑄鐵)是一種成本很低的材料，因此各種機(jī)械設(shè)備及儀器都用它來(lái)制造支承件和運(yùn)動(dòng)部件(如機(jī)座、機(jī)架、工作臺(tái)等)。
② 有良好的耐磨性，它所含的石墨細(xì)片能起潤(rùn)滑作用。有比鋼還要好的抗振性，很適于做導(dǎo)軌。它易于鑄造和切削加工。
③ 將導(dǎo)軌和機(jī)座等做成一體，用同一材料，工藝簡(jiǎn)單。
而淬硬的鑄鐵可以提高其耐磨性。
選用塑料的原因：
① 耐磨性好，摩擦系數(shù)低，動(dòng)靜摩擦系數(shù)差小，能在液體或無(wú)潤(rùn)滑條件下工作。
② 有良好的對(duì)異物的嵌藏性，極細(xì)小的磨粒掉人能被埋人塑料內(nèi)，可減小對(duì)金屬面的磨損。
③ 化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕。
④ 吸振性好。
⑤ 加工成型工藝性好。成本低。
而聚四氟乙烯軟帶與鑄鐵相配時(shí)，動(dòng)靜摩擦系數(shù)差很小，低速時(shí)無(wú)爬行。這種軟帶用粘結(jié)劑固定在導(dǎo)軌上，很方便。已用于多種設(shè)備。
2.2 滾珠絲杠的選擇與計(jì)算
滾珠絲杠是智能自動(dòng)化設(shè)備的關(guān)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(dòng)了工作母機(jī)的發(fā)展,使愈來(lái)愈多的設(shè)備制造廠(chǎng)采用CNC技術(shù)，將傳動(dòng)方式由T型絲杠、皮帶、鏈條等改由滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)。滾珠絲杠軸承為適應(yīng)各種用途，提供了標(biāo)準(zhǔn)化種類(lèi)繁多的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于機(jī)床。循環(huán)導(dǎo)管式、循環(huán)器式、端蓋式是滾珠絲杠主要的循環(huán)方式。根據(jù)一定的用途選擇對(duì)應(yīng)的預(yù)壓方式，其中預(yù)壓方式包括定位預(yù)壓（雙螺母方式、位預(yù)壓方式）、定壓預(yù)壓。絲杠一共有兩種，一種是精密滾珠絲杠（從CO-C7分為6個(gè)精度等級(jí)）由高精度研磨加工而成，一種是冷軋滾珠絲杠軸承（從C7-C10分為3個(gè)精度等級(jí)）由高精度的冷軋加工而成。另外，為應(yīng)付用戶(hù)急需交貨的情況，還有已對(duì)軸端部進(jìn)行了加工的成品，可自由對(duì)軸端部進(jìn)行追加工的半成品及冷軋滾珠絲杠軸承。作為此軸承的周邊零部件，在使用所必要的絲杠支撐單元、螺母支座、鎖緊螺母等也已被標(biāo)準(zhǔn)化了，可供用戶(hù)選擇使用。滾珠絲杠軸承以多年來(lái)所累積制品技術(shù)為基礎(chǔ)，從材料、熱外理、制造、檢查至出貨，都是以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠繁Ｖ贫葋?lái)加以管理，因此具有高信賴(lài)性。
本設(shè)計(jì)選用的是冷軋絲杠。采用冷加工工藝制作的稱(chēng)為冷軋絲杠（如圖2-2所示為冷軋絲杠設(shè)備）。它具有耗材少，加工成本低，生產(chǎn)效率高，加工周期短，容易實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的特點(diǎn)。因此它比研磨的絲杠在價(jià)格方面更具有競(jìng)爭(zhēng)力。尤其是絲杠的長(zhǎng)徑比系數(shù)超過(guò)五十分之一時(shí)，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。滾珠絲杠的精度指標(biāo)有多項(xiàng)。其中同軸度與徑向跳動(dòng)是兩個(gè)特別重要的參數(shù)。徑向跳動(dòng)主要體現(xiàn)在軸承安裝的位置和螺母安裝的位置。徑跳公差越小，軸承座與螺母之間的同軸度就越小。另一方面，工作母機(jī)中使用滾珠絲杠時(shí)，保持由螺母預(yù)壓（預(yù)緊力）產(chǎn)生的可重復(fù)往返運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的容許誤差。而這個(gè)誤差只與滾道的圓柱度相關(guān)。螺母在運(yùn)動(dòng)中會(huì)因?yàn)檫^(guò)量的直徑誤差而或松或緊。絲杠的圓柱度和滾道直徑的一致性共同決定著軋制絲杠的扭矩。但是過(guò)去的冷軋?jiān)O(shè)備及工藝水準(zhǔn)很難實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)值。因?yàn)榕f式的冷軋?jiān)O(shè)備只采用了一套可移動(dòng)的軋絲模和一套固定的軋絲模（見(jiàn)圖A），在碾軋過(guò)程中，絲杠的中軸會(huì)隨著軋絲模的移動(dòng)而偏移，從而造成絲杠中軸線(xiàn)偏差。如果單想靠提高機(jī)械性能來(lái)克服這一點(diǎn)，是很難實(shí)現(xiàn)的。在冷軋絲杠的圓柱度和滾道的直徑一致性問(wèn)題上，歐洲在近十幾年來(lái)利用研發(fā) 的一類(lèi)新型的冷軋?jiān)O(shè)備很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。它使一套可移動(dòng)的扎絲模的舊式的冷軋?jiān)O(shè)備時(shí)代已經(jīng)過(guò)去，使兩套扎絲模都可以移動(dòng)從而提高了冷軋?jiān)O(shè)備的機(jī)械性能，不僅如此，它還引入了CNC技術(shù)和傳感技術(shù)（見(jiàn)圖B），利用CNC控制著兩套可移動(dòng)的軋絲模。每只軋絲模被精度達(dá)到微米級(jí)的交流驅(qū)動(dòng)器控制，為了決定每只軋絲模的位置，CNC又控制每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。在碾軋過(guò)程中，適時(shí)調(diào)整每只軋絲模的進(jìn)給位置只需要通過(guò)傳感系統(tǒng)跟蹤絲杠中軸變量，從而使軋機(jī)能始終保持絲杠的中軸線(xiàn)。
圖2-2 冷軋絲杠設(shè)備
經(jīng)測(cè)試，精密碾軋制程可以使絲杠一致地保持在以下公差范圍內(nèi)：
▲300mm內(nèi)可容許行程誤差介于0.008mm～0.013mm。
▲有效行程內(nèi)的行程誤差在4m有效行程的情況下是0.062mm。
▲同軸度或是徑向跳動(dòng)在0.008mm。
▲滾道圓柱度在0.003mm～0.008mm。
▲滾道圓度在0.003mm～0.006mm。
表2-1 滾珠絲杠的精度等級(jí)
過(guò)去的人們認(rèn)為，研磨的絲杠的精度是高于冷軋絲杠的。這樣的說(shuō)法并不穩(wěn)妥。滾動(dòng)部件行業(yè)在中國(guó)加入WTO后產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)逐步和國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn)接軌后對(duì)判定滾珠絲杠精度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)衡量這方面做的不錯(cuò)。即使國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有三四十年沒(méi)有修訂過(guò)，但是各個(gè)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)差不多都采用ISO標(biāo)準(zhǔn)。因此，在選擇滾珠絲杠的時(shí)侯，要精準(zhǔn)地表達(dá)出使用的標(biāo)準(zhǔn)（精度等級(jí)）。值得注意的是，預(yù)壓是滾珠絲杠中和絲杠精度、電機(jī)功率、壽命、載荷、噪音、運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)都有關(guān)系的一個(gè)重要的指標(biāo)，而我們的的工作實(shí)踐中，用戶(hù)經(jīng)常會(huì)在訂貨的時(shí)候忘記在圖紙技術(shù)欄標(biāo)注預(yù)壓參數(shù)，對(duì)此我們有必要提醒用戶(hù)。
（1）預(yù)壓（Fp）的計(jì)算公式：
1）當(dāng)最大的軸向工作載荷Fmax確定時(shí)
Fp= 1/3 Fmax
2）當(dāng)最大的軸向工作載荷未能確定時(shí)
Fp=ζCa （Ca表示額定動(dòng)載荷，可在手冊(cè)中檢索）
表2-2 ζ值參數(shù)表
（2）基準(zhǔn)扭矩的計(jì)算公式：
Tp 基準(zhǔn)扭矩 (N.mm)
β 螺旋角度
Fao 預(yù)壓負(fù)荷 (N)
é 導(dǎo)程 (mm)
其次是螺母與絲杠的間隙。過(guò)去的人們?cè)谔幚黹g隙時(shí)，一般采用雙螺母結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)是依靠調(diào)整兩只螺母中間的墊片厚度將螺母推向兩側(cè)以消除間隙或螺母與絲杠配合的松緊度（見(jiàn)圖2-3中的圖A）。對(duì)于單螺母的調(diào)隙方法是：調(diào)整螺母體內(nèi)鋼球直徑大小。這種換鋼球調(diào)隙量是很微小的。最大調(diào)整量是在±0.02mm。鋼球的大小會(huì)影響球體與絲杠滾道圓弧的配合，如果一味的增大或者減小鋼球直徑將會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行不順暢或運(yùn)動(dòng)不柔順現(xiàn)象。除此之外，還可以采用變位導(dǎo)程的方法來(lái)進(jìn)行消隙，變位導(dǎo)程消隙方式與雙螺母預(yù)緊片方式相似（見(jiàn)圖2-3中的圖B）。另外還有多種消除間隙的方式，在此不一一列舉。）
圖A 雙螺母調(diào)隙
圖B 變位導(dǎo)程消隙方式
圖2-3 絲杠的預(yù)緊方式
已知：平均工作載荷，絲杠工作長(zhǎng)度L=200mm，平均轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)速，使用壽命，左右絲杠材料CrWMn鋼，滾道硬度為58～62HRC，導(dǎo)程誤差，全行程。
（1）求計(jì)算載荷
根據(jù)已知條件，查表3—3[1]取=1.0（無(wú)沖擊平穩(wěn)運(yùn)行），查表3—4[1]取，取2級(jí)精度，查表3—5[1]取。由式3—3[1]，得
（2）計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值
由式3—4[1]得
（3）根據(jù)選擇滾珠絲杠
選用南京工藝裝配廠(chǎng)的產(chǎn)品，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷等于或略大于的原則，選以下規(guī)格：
規(guī)格：SFK1604，=998N
同時(shí)得絲杠副數(shù)據(jù)如下：
公稱(chēng)直徑；
導(dǎo)程;
滾珠直徑；
絲杠內(nèi)徑；
計(jì)算螺旋角。
（4）穩(wěn)定性驗(yàn)算
1）本設(shè)計(jì)中絲杠的固定采用一端固定一端游動(dòng)的方式。由于僅于一端固定的長(zhǎng)絲杠在工作中可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)大于絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許的安全系數(shù)[S]。
絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱(chēng)為臨界載荷，并按下式計(jì)算
式中：—— 絲杠材料的拉彈性模量，對(duì)于鋼，；
—— 絲杠的工作長(zhǎng)度（）；
—— 絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩，；
—— 長(zhǎng)度系數(shù)，見(jiàn)表5—14[2]。
由已知1
取，則
由5-55[2]得
安全系數(shù)。對(duì)于傳導(dǎo)絲杠，，所以絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
2） 由于絲杠的轉(zhuǎn)速不高，因此不必驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速。
3） 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求。
所以該絲杠副工作穩(wěn)定。
4） 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在工作負(fù)載和轉(zhuǎn)矩共同作用下,所引起每一導(dǎo)程的變形量為
式中： “＋”用于拉伸時(shí)，“-”用于壓縮時(shí)
—— 絲杠的最小橫截面積；
—— 絲杠的底徑的抗彎截面慣性矩；
——鋼的彈性模量；
—— 轉(zhuǎn)矩
式中：—— 摩擦角，其正切值為摩擦系數(shù)；
—— 平均工作負(fù)載；
本設(shè)計(jì)取摩擦系數(shù)為，則得。
按最不利的情況取，則
絲杠在內(nèi)的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為
在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為
所以該絲杠的剛度滿(mǎn)足要求。
6） 效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
2.3 軸承的選擇
（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用圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。
（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(dòng)。固定端選用的軸承須能承受雙向軸向載荷。游動(dòng)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(tái)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(tái)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(jì)性
一般球軸承比滾子軸承的價(jià)格低，深溝球軸承價(jià)格最低?？蛇x用球軸承。
綜上，選擇深溝球軸承和角接觸球軸承。其中固定端為一對(duì)面對(duì)面的角接觸球軸承，用以承受雙向軸向力和徑向力；游動(dòng)端為一深溝球軸承，用以承受徑向力。且軸承及軸承座選擇HSK公司生產(chǎn)的EK—12（固定側(cè)）及EF—12（游動(dòng)側(cè)）絲杠支撐座。
2.4 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制
（1） 電路的選擇
方法一：使用多個(gè)功率放大器件驅(qū)動(dòng)電機(jī)
通過(guò)使用不同的參數(shù)器件和放大電路，就可以達(dá)到不同的放大要求，從而使得放大后能夠得到較大的功率。由于使用的是三相的步進(jìn)電機(jī)，所以就需要對(duì)三路信號(hào)進(jìn)行分別放大。但是由于電路制作起來(lái)比較復(fù)雜，點(diǎn)擊的功率較大時(shí)運(yùn)行起來(lái)會(huì)不穩(wěn)定，所以放大電路很難做到完全一致。
方法二：高低壓驅(qū)動(dòng)電路
圖2-4是一個(gè)L0繞組的高低壓驅(qū)動(dòng)電路，脈沖變壓器Tp組成高壓控制電路。 無(wú)脈沖輸入時(shí)，T1,T2,T3,T4均截止，電機(jī)繞組La中無(wú)電流通過(guò)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。
有脈沖輸入時(shí)，T1,T2,T3,T4飽和導(dǎo)通，電機(jī)繞組T2由截止到飽和導(dǎo)通期間，其集電極電流也就是脈沖變壓器的初級(jí)電流急速增加，在變壓器次級(jí)感生一個(gè)電壓，使T3導(dǎo)通，80V高電壓經(jīng)高壓管T3加到繞組La上，使電流迅速上升，約經(jīng)數(shù)百微秒，當(dāng)T2進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)后。Tp初級(jí)電流暫時(shí)穩(wěn)定，次級(jí)的感應(yīng)電壓降到0，T3截止，這時(shí)12V低壓電流經(jīng)D2加到繞組La上，維持La中的電流為恒定值。
輸入脈沖后，T1，T2，T3，T4又均截止，儲(chǔ)存在La中的能量通過(guò)18歐的電阻和二極管泄放，18歐的電阻的作用是減小放電回路的時(shí)間常數(shù)，改善電流波形后沿。
圖2-4 高低壓驅(qū)動(dòng)電路
通過(guò)比較，使用高低壓驅(qū)動(dòng)電路能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，發(fā)揮其功能，而且價(jià)格適宜，故選用高低壓驅(qū)動(dòng)電路。
（2） 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)
方案一：串行接法
設(shè)計(jì)中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)動(dòng)，其中帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約IO口資源，但要使用SIO，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)容易控制。
方案二：并行接法
使用并行接法時(shí)要對(duì)每個(gè)數(shù)碼管用IO口單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。
由于設(shè)計(jì)中用一塊單片機(jī)進(jìn)行控制，資源有限，選擇了方案一。另外，使用鎖存也起到節(jié)約資源的作用。
2.5 步進(jìn)電機(jī)控制原理
因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是給多少脈沖信號(hào)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)多少角度的角位移的數(shù)字控制電機(jī)，所以它特別適用于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)又可以分為幾類(lèi)，有簡(jiǎn)稱(chēng)VR的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、簡(jiǎn)稱(chēng)PM的永磁式步進(jìn)電機(jī)以及簡(jiǎn)稱(chēng)HB的混合式步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)是被輸入的脈沖信號(hào)控制，這是它與別的控制電機(jī)最大的不同之處，簡(jiǎn)單解釋就是電機(jī)的轉(zhuǎn)過(guò)的總角度取決于輸入的脈沖數(shù)，而電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小取決于脈沖信號(hào)的頻率。
步進(jìn)電機(jī)中由單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)以此來(lái)驅(qū)動(dòng)電路。它的基本原理作用如下：
(1) 控制換相順序
脈沖分配是通電換相中的一過(guò)程。比如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C-A,通電控制脈沖需要照著A-B-C-A這樣的各相的通電順序來(lái)分開(kāi)掌控A,B,C,A相的接通和斷開(kāi)。
(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向
如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。
(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度
如果發(fā)給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短1，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。這樣我們就可以通過(guò)調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，從而達(dá)到對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大小的改變。
2.5.1 理論設(shè)計(jì)
綜和以上選取的方案，總的流程如圖2-5所示。
圖2-5 控制電路流程圖
（1）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
通過(guò)L298N構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路,電路圖如圖2-6所示。
通過(guò)單片機(jī)SPCE061A的IOB8～I(xiàn)OB13對(duì)L298N的IN1～I(xiàn)N4口和ENA、ENB口發(fā)送方波脈沖信號(hào)，起止時(shí)序圖如圖2-7所示。
圖2-6 L298N芯片
圖2-7 時(shí)序圖
（2）數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)
如2-8所示為數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)使用74LS164，通過(guò)SPCE061A的IOB0和IOB1口對(duì)DATA和CLK發(fā)送數(shù)據(jù)。
圖2-8 數(shù)碼管顯示電路
（3）4x4鍵盤(pán)電路
在設(shè)計(jì)中，使用了標(biāo)準(zhǔn)的4x4鍵盤(pán)，其電路圖如圖2-9所示。單片機(jī)的A口低8位為鍵盤(pán)的接口。盡管設(shè)計(jì)要求中只需要4個(gè)鍵對(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對(duì)控制功能的擴(kuò)展，我們使用了4x4的鍵盤(pán)。
圖2-9 4x4鍵盤(pán)電路
2.5.2 程序設(shè)計(jì)
在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要分為五個(gè)部分：雙機(jī)通訊、語(yǔ)音報(bào)數(shù)、數(shù)字顯示、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)；其中雙機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)和語(yǔ)音報(bào)時(shí)比較有特點(diǎn)，將其流程簡(jiǎn)要介紹如下，其他部分見(jiàn)附的程序。
（1） 雙機(jī)通訊
我們?cè)趯?shí)現(xiàn)雙機(jī)通訊的過(guò)程中使用了“三次握手”的方式，這是Intle網(wǎng)中已用的數(shù)據(jù)通訊確認(rèn)協(xié)議，其流程圖如圖2-10所示
圖2-10 雙機(jī)通訊示意圖
(2)語(yǔ)音報(bào)數(shù)
程序設(shè)計(jì)中語(yǔ)音報(bào)數(shù)使用的是SACM－A2000，考慮到程序比較簡(jiǎn)單，首先使用了自動(dòng)報(bào)數(shù)方式，但發(fā)現(xiàn)不能進(jìn)行連續(xù)報(bào)數(shù)，于是使用了非自動(dòng)方式，流程圖如圖2-11所示。
圖2-11 語(yǔ)音報(bào)數(shù)流程圖
2.6 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
初選電機(jī)75BF003三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為0.882Nm，轉(zhuǎn)子慣量為 ，步距角，采用六拍方式工作，絲桿直徑為18㎜，導(dǎo)程4㎜，長(zhǎng)度200㎜，工作臺(tái)質(zhì)量：X向10㎏，Y向5㎏，Z向5㎏，導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.25，最大軸向負(fù)載100。
要求：系統(tǒng)脈沖當(dāng)量0.005/脈沖，空載啟動(dòng)時(shí)間不大于25，最大移動(dòng)速度0.6。
（根據(jù)以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)電機(jī)負(fù)載能力進(jìn)行校核）
確定傳動(dòng)比：
由式2—69[4]得
式中:α－步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角（°）
－滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（mm）
－執(zhí)行部件的脈沖當(dāng)量（mm）
（齒輪的齒數(shù)，及模數(shù)見(jiàn)齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算）
慣量匹配驗(yàn)算：
由式2—63[4]計(jì)算齒輪及絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
折算到電機(jī)軸上的當(dāng)量負(fù)載慣量為
由2-67[4]得
滿(mǎn)足慣量匹配的要求。（）
對(duì)于Y向：
則
同樣滿(mǎn)足慣量匹配的要求。（）
對(duì)于Z向：
則
同樣滿(mǎn)足慣量匹配的要求（）。
步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力校核
電機(jī)軸上的總的慣量為：
X向：
Y向：
Z向：
因?yàn)閄，Y，Z向的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)相同，故取，,中最大者進(jìn)行計(jì)算即可。
取
則
（為傳動(dòng)鏈總效率）
（為預(yù)緊力，可取1/3最大軸向力；為絲桿預(yù)緊前的傳動(dòng)效率，可取0.9）
則空載啟動(dòng)時(shí)
連續(xù)運(yùn)行時(shí)
所以
可見(jiàn)，，均滿(mǎn)足所選步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的要求，選擇的步進(jìn)電機(jī)可以按要求工作。
第3章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成：任何一個(gè)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(biāo)。概括一下數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的組成，它是以下三部分組成：
（1） CPU：中央處理單元。
（2） 存儲(chǔ)器：包含只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。、
（3） 接口。
CPU是該系統(tǒng)的核心。其作用是發(fā)布命令以協(xié)調(diào)各部分電路正常工作，存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)軟件以及運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，I/O接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁。
根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求配備一些外圍設(shè)備，和信號(hào)變換電路。三總線(xiàn)則是CPU與存儲(chǔ)器、接口以及其它各種轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU于各部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。
其余部分并非所有數(shù)控系統(tǒng)都具備。通常，CPU通過(guò)I/O接口可連接的人機(jī)交換外設(shè)是鍵盤(pán)、打印機(jī)、磁帶紀(jì)錄儀等通訊接口；信號(hào)變換是A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大等，是實(shí)現(xiàn)微機(jī)和控制對(duì)象之間的信號(hào)匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路。這兩部分可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求選取。
3.1 主控制器CPU的選擇
微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，選取CPU時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：
（1） 時(shí)鐘頻率與字長(zhǎng)（控制且影響著數(shù)據(jù)處理的快慢）。
（2） 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器（ROM/RAM）的容量。
（3） 指令系統(tǒng)功能是否強(qiáng)（即編程靈活性）。
（4） I/O口擴(kuò)展的能力（即對(duì)外設(shè)的控制能力）。
（5） 開(kāi)發(fā)手段（包含開(kāi)發(fā)軟件的基礎(chǔ)，即硬件電路）。
除此之外，還應(yīng)該依據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合、控制對(duì)象及對(duì)各種參數(shù)要求選擇CPU。16位機(jī)CPU芯片在目前的數(shù)控系統(tǒng)中我們常用的有8086、8088、80286、80386、以及8098、和8096等，8位機(jī)CPU芯片包含8080、Z80和8051、8051、8751等。但從性能價(jià)格比上，其中MCS-51系列單片機(jī)中的8051被我們初步采用作為主控制器。該系列產(chǎn)品是性?xún)r(jià)比很高的控制器，它把CPU、I/O端口和部分RAM等集中整體化。只需增加少量外圍器件，就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開(kāi)發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，變成靈活性大，硬件資料也很豐富。三種型號(hào)的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少許差異。可以說(shuō)8051是沒(méi)有ROM的8051，而8751又是用EPROM代替ROM的8051。目前，工業(yè)控制中應(yīng)用最多的是8051單片機(jī)。下面介紹8051單片機(jī)的基本性能。
8051單片機(jī)的基本特性：
（1） 具有8位中央處理單元（CPU）
（2） 片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路（6MHz或12MHz），每執(zhí)行一條指令時(shí)間為2μs或1μs。
（3） 具有128字節(jié)RAM.
（4） 具有21個(gè)特殊功能寄存器。
（5） 可尋址64k字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64k字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器。
（6） 具有4個(gè)I/O端口、32根I/O線(xiàn)。
（7） 具有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。
（8） 具有5個(gè)中斷源，配備兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。
（9） 具有一個(gè)全雙功串行接口。
（10） 具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。
從上述特性可知，一塊8051的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU、一塊RAM、一塊Z80、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
3.2 存儲(chǔ)器電路的擴(kuò)展
3.2.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片，其型號(hào)分別為：2716、2764、2764、27128、27256等，其容量分別位2k、4k、8k、16k、32k。在選擇芯片時(shí)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。即8051所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM多要求的讀取時(shí)間。此外，還