便攜式三坐標(biāo)測量機翻轉(zhuǎn)測臺設(shè)計與研發(fā)畢業(yè)論文

1、便攜式三坐標(biāo)測量機翻轉(zhuǎn)測臺設(shè)計與研發(fā)摘 要隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對測量技術(shù)的要求也越來越高。為了滿足不同要求的測量技術(shù)本文提出了翻轉(zhuǎn)測臺式三坐標(biāo)測量機的設(shè)計。本論文主要闡述了便攜式三坐標(biāo)測量機轉(zhuǎn)臺的設(shè)計過程。主要內(nèi)容包括轉(zhuǎn)臺傳動系的設(shè)計和轉(zhuǎn)臺的控制。其中傳動系的設(shè)計包括電機的選擇、齒輪的設(shè)計、傳動軸的設(shè)計、聯(lián)軸器、軸承設(shè)計及校核等；控制過程包括電機的控制、測臺定位控制以及測臺水平位置的調(diào)節(jié)控制。本論文還闡述了在CAD/CAE/CAM中圖形變換的基本原理，為三坐標(biāo)測量機物體旋轉(zhuǎn)測量提供了理論基礎(chǔ)。論文在設(shè)計過程中還包括了翻轉(zhuǎn)測臺夾具等附屬部件的設(shè)計。關(guān)鍵詞：便攜式三坐標(biāo)測量機，翻轉(zhuǎn)測臺，設(shè)計，

2、控制AbstractWith the continuous development of industrial technology, there are increasingly high requirements of the measuring technology. To meet the different requirements of the measurement technique, this paper proposes the design of Flip test desktop CMM. The thesis chiefly expounds the design o

3、f the turntable of portable coordinate measuring machine. The main contents include the control of turntable and the design of the power train of turntable. For one thing, the design of the power train consists of the choice of motor, the design of gear, the design of shaft, coupling and the design

4、of bearing and calibration, etc.; for another, the process of control includes the control of motor, and the position of measuring station and the regulation of the horizontal position of measuring station. Besides, this paper not only describes the basic principles of graphics transformation in the

5、 CAD / CAE / CAM which provides a theoretical basis for the object rotation of coordinate measuring machine, but also involves the design of ancillary components in the design process, such as fixture of flip test platform design. Key words: Portable Coordinate Measuring Machine, Flip Test Platform,

6、 Design, Control目 錄 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc264099412 前 言 PAGEREF _Toc264099412 h 1 HYPERLINK l _Toc264099413 1緒論 PAGEREF _Toc264099413 h 2 HYPERLINK l _Toc264099414 PAGEREF _Toc264099414 h 2 HYPERLINK l _Toc264099415 1.2 國內(nèi)外三坐標(biāo)測量機研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc264099415 h 2 HYPERLINK l _Toc264099416 1.3

7、本課題研究目的 PAGEREF _Toc264099416 h 3 HYPERLINK l _Toc264099417 1.4 本課題研究主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc264099417 h 3 HYPERLINK l _Toc264099418 1.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264099418 h 4 HYPERLINK l _Toc264099419 2 三坐標(biāo)測量機圖形變換 PAGEREF _Toc264099419 h 5 HYPERLINK l _Toc264099420 2.1 二維圖形的幾何變換 PAGEREF _Toc264099420 h 5 HYPERLIN

8、K l _Toc264099421 PAGEREF _Toc264099421 h 5 HYPERLINK l _Toc264099422 2.1.2 平移變換 PAGEREF _Toc264099422 h 7 HYPERLINK l _Toc264099423 2.1.3 旋轉(zhuǎn)變換 PAGEREF _Toc264099423 h 8 HYPERLINK l _Toc264099424 2.2 三維圖形幾何變換 PAGEREF _Toc264099424 h 9 HYPERLINK l _Toc264099425 2.2.1 三維平移變換 PAGEREF _Toc264099425 h 9

9、HYPERLINK l _Toc264099426 2.2.2 三維旋轉(zhuǎn)變換 PAGEREF _Toc264099426 h 9 HYPERLINK l _Toc264099427 2.2.3 三坐標(biāo)測量機上被測物體坐標(biāo)的變換 PAGEREF _Toc264099427 h 10 HYPERLINK l _Toc264099428 2.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264099428 h 12 HYPERLINK l _Toc264099429 3 轉(zhuǎn)臺驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 PAGEREF _Toc264099429 h 13 HYPERLINK l _Toc264099430 3.1 電機

10、的選擇 PAGEREF _Toc264099430 h 13 HYPERLINK l _Toc264099431 3.2 齒輪組的設(shè)計 PAGEREF _Toc264099431 h 14 HYPERLINK l _Toc264099432 3.2.1 齒輪材料及各參數(shù)的選擇和計算 PAGEREF _Toc264099432 h 14 HYPERLINK l _Toc264099433 3.2.2 齒輪的校核 PAGEREF _Toc264099433 h 15 HYPERLINK l _Toc264099434 3.3 聯(lián)軸器設(shè)計 PAGEREF _Toc264099434 h 16 HYP

11、ERLINK l _Toc264099435 3.4 傳動軸的設(shè)計 PAGEREF _Toc264099435 h 17 HYPERLINK l _Toc264099436 3.6 測臺夾具的設(shè)計 PAGEREF _Toc264099436 h 18 HYPERLINK l _Toc264099437 3.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264099437 h 19 HYPERLINK l _Toc264099438 4 控制、調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計 PAGEREF _Toc264099438 h 20 HYPERLINK l _Toc264099439 4.1 電機的控制 PAGEREF _T

12、oc264099439 h 20 HYPERLINK l _Toc264099440 翻轉(zhuǎn)測臺鎖止控制 PAGEREF _Toc264099440 h 25 HYPERLINK l _Toc264099441 PAGEREF _Toc264099441 h 26 HYPERLINK l _Toc264099442 4.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264099442 h 27 HYPERLINK l _Toc264099443 結(jié) 論 PAGEREF _Toc264099443 h 28 HYPERLINK l _Toc264099444 致 謝 PAGEREF _Toc2640994

13、44 h 29 HYPERLINK l _Toc264099445 參考文獻 PAGEREF _Toc264099445 h 30前 言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維測量工具廣泛運用到現(xiàn)代工業(yè)中，其中三坐標(biāo)測量機占主導(dǎo)作用。但是隨著技術(shù)的不斷提高，對三坐標(biāo)測量機的要求也不斷提高。例如對于一些零件需要進行底部某些特殊特的征體打點測量，而傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機在進行一次定位后就不能對底部這些特殊的特征體進行測量打點。所以為了能實現(xiàn)對被測物體底部局部特征體進行測量而又不改變原來定位的基礎(chǔ)上，本論文中設(shè)計開發(fā)了這種旋轉(zhuǎn)式可翻轉(zhuǎn)平臺。本文中所設(shè)計的三坐標(biāo)測量機翻轉(zhuǎn)平臺可實現(xiàn)繞Y軸進行360度旋轉(zhuǎn)。另外現(xiàn)代技術(shù)的不

14、斷發(fā)展對測量環(huán)境的要求也不斷提高，例如在汽車維修廠對一些汽車零部件如果用傳統(tǒng)實驗室的三坐標(biāo)測量機進行測量會浪費大量的時間，而本設(shè)計提出的便攜式三坐標(biāo)測量機可以用車載現(xiàn)場測量，同時也能滿足對上述特殊部件的測量。本文通過理論分析后建立出了便攜式三坐標(biāo)測量機翻轉(zhuǎn)測臺的結(jié)構(gòu)模型并通過三維制圖軟件UG建立便攜式三坐標(biāo)測量機的簡易模型；通過計算、校核設(shè)計出系統(tǒng)傳動機構(gòu)所需要的齒輪、傳動軸、聯(lián)軸器等，并通過機械、電機手冊選出所需要的電機及軸承等其他零部件；通過控制電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)，在電機斷電時通過電磁制動器對轉(zhuǎn)軸鎖止實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的定位，另外本文在控制過程中還闡述了儀器水平位置的調(diào)節(jié)。由于作者水平有限，論文中難

15、免有不少缺點和不足之處，懇請老師和廣大讀者批評指正。1緒論隨著CAD/ CAM技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品，特別是具有復(fù)雜外形即具有空間自由曲面的機械零部件(如汽車、飛機、發(fā)動機的零部件、塑料成形模具等)的線圖構(gòu)思、線圖輸人和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，成為影響CAI性能和效率的最突出的問題，同時也成為CAM, CNC數(shù)控機床編程中難度最大、用時最多的問題。隨著坐標(biāo)測量機(CMM)技術(shù)的不斷成熟和CIM集成技術(shù)的發(fā)展，人們開始認識到通過CMM對產(chǎn)品物理模型的點位檢測，可以解決零部件的線圖輸人和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備等問題，并在汽車外形設(shè)計和模型設(shè)計等方面進行了初步嘗試。目前在實驗室或計量室中廣泛使用的CMM是一種集機械、光學(xué)、電子、

16、數(shù)控技術(shù)和計算機技術(shù)為一體的大型精密智能化儀器，可對各種形狀復(fù)雜的零部件進行幾何參數(shù)測量，尤其是近年來隨著CAD/CAM技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，CMM在提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期及新產(chǎn)品開發(fā)中起到了重要的保證作用。成為現(xiàn)代工業(yè)檢則、質(zhì)量控制和制造技術(shù)中不可缺少的重要儀器。1.2 國內(nèi)外三坐標(biāo)測量機研究現(xiàn)狀1世界上第一臺測量機是在1959年由英國制造的?，F(xiàn)在，國內(nèi)外使用已經(jīng)相當(dāng)普遍。根據(jù)國際專業(yè)咨詢咨詢公司統(tǒng)計，三坐標(biāo)測量機的銷售增長率在7% - 25%左右。發(fā)達國家擁有量較高，但增長率逐年下降，大約為7%一10%;發(fā)展中國家擁有量較低，但增長率不斷提高，大約為15%-25%。目前，國內(nèi)外三坐

17、標(biāo)測量機正迅速發(fā)展，世界上生產(chǎn)測量機的廠商己超過50家，品種規(guī)格也己達300種以上。 （1）國外概況 國外三坐標(biāo)測量機（CMM）生產(chǎn)廠家較多，系列品種也較多，大多都具有劃線功能。著名的國外生產(chǎn)廠家有德國的蔡司（Zeiss）和萊茨（Leitz）、意大利的DEA、美國的布朗-夏普（Brown&Sharpe）日本的三豐（Mitutoyo）等公司。 （2）國內(nèi)概況 我國自20世紀(jì)70年代開始引進、研制三坐標(biāo)測量機以來，也有了很大發(fā)展。國內(nèi)引進較多的是Zeiss、 Brown& Sharpe、Leitz、DEA等公司的產(chǎn)品。而國內(nèi)的生產(chǎn)單位也己經(jīng)有了很大的發(fā)展，主要的生產(chǎn)廠家有中國航空精密機械研究所、青

18、島前哨英柯發(fā)測量設(shè)備、上海機床廠、北京機床研究所、哈爾濱量具刀具廠、昆明機床廠和新天光儀器廠等。現(xiàn)在，我國具有年產(chǎn)幾百臺各種型號三坐標(biāo)測量機的能力。國內(nèi)三坐標(biāo)測量機近十年來發(fā)展也較快，但同國外相比還有一定差距，主要有以下幾方面：系列品種較少；新產(chǎn)品的開發(fā)周期長，主要是由于元件和材料配套較難，機加工周期長等原因；產(chǎn)品的穩(wěn)定性較差，特別是電控系統(tǒng)，可靠性較差，故障率較高，壽命相對低，此外軟件功能相對少此，特別是專用軟件更少，與計算機工作站和數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)問題，僅有極少數(shù)測量機剛剛起步，多數(shù)機器還沒開始這項工作，有待進一步開發(fā)研究。 本課題研究目的現(xiàn)有的三坐標(biāo)測量機雖然具有測量精度高、使用安全可靠等優(yōu)

19、點，但同時也存在造價昂貴、體積龐大、對工作環(huán)境條件要求嚴(yán)格、對于一些具有特殊整體的零部件在一次裝夾定位后不便于測量等缺點。因此，必須開發(fā)一種小型、實用化的三坐標(biāo)測量機。本文提出的三坐標(biāo)測量機翻轉(zhuǎn)測臺（見圖1-1），具有結(jié)構(gòu)簡單、可以實現(xiàn)被測物體繞平行于Y軸的轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)。因此，在要求精度不算高的前提下，可以有效的解決上面提出的問題。圖1-1 測臺翻轉(zhuǎn)式三坐標(biāo)測量機簡圖 Test platform flip-type coordinate measuring machine diagram1.4 本課題研究主要內(nèi)容 本文主要研究便攜式三坐標(biāo)測量機翻轉(zhuǎn)測臺，通過電動機、齒輪、傳動軸等實現(xiàn)測

20、臺的旋轉(zhuǎn)。本文內(nèi)容主要包括電機型號的選擇、齒輪設(shè)計與計算、軸的選擇及校核、電機的控制、轉(zhuǎn)臺的定位、水平位置調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)臺附屬件的設(shè)計等內(nèi)容。1.5 本章小結(jié) 本章是在廣泛收集、閱讀、比較、分析國內(nèi)外三坐標(biāo)測量機發(fā)展與研究的資料，充分了解國內(nèi)外在該領(lǐng)域研究狀況和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際，提出了“三坐標(biāo)測量機翻轉(zhuǎn)測臺的設(shè)計與研發(fā)”的研究課題，并介紹了改課題研究目的與意義，以及研究的主要內(nèi)容。2 三坐標(biāo)測量機圖形變換 對于一個繪圖系統(tǒng)來說，不僅能用圖形基本元素的集合構(gòu)成復(fù)雜的二維靜態(tài)圖形，而且可以通過三維的幾何體定義來定義零件的空間模型，還可以令該模型圍繞某一指定的軸旋轉(zhuǎn)，以利于從某一最有利的角度去觀

21、察它，對它進行修改。軟件的這些功能是基于圖形變換原理實現(xiàn)的，所以圖形變換是計算機圖形學(xué)中的主要內(nèi)容，它包括圖形的比例縮放、錯切、旋轉(zhuǎn)、平移、投影與透視等2。2.1 二維圖形的幾何變換基本原理 在二維平面中，任何一個圖形都可以認為是點之間的連線構(gòu)成的。對于一個圖形作幾何變換，實際上就是對一些列點進行變換。圖2-1中，要實現(xiàn)abcd的變換，只需分別求出四邊形新頂點坐標(biāo)即可，然后將四個頂點依次連接，即得到變換后的圖形2。圖2-1 圖形變換 Graphics Transformation（1）點的表示 在二維平面內(nèi)，一個點通常用它的兩個坐標(biāo)（X,Y）來表示，寫成矩陣形式為X Y。同樣，在三維空間內(nèi)，也

22、是用一個向量X Y Z來標(biāo)定一個點在空間的位置，對點的位置變換，通常采用矩陣運算來實現(xiàn)2。表示點的矩陣通常被成為點的位置向量。以下將采用向量表示一個點。如三角形的三個頂點坐標(biāo)A（X1 ,Y1),B(X2 ,Y2),C(X3 ,Y3),用矩陣表示則記為(2) 變換矩陣 若A、B和T都是矩陣，且AT=B，這種一個矩陣A對另一個矩陣T施行乘法運算而得出一個新矩陣B算法，可被用來完成坐標(biāo)或一組點的幾何變換。這里的T被成為變換矩陣2。如二維線性變換的一般形式寫成如下代數(shù)形式。 （2.1） （為了利用矩陣進行運算，需將向量X Y改寫成X Y 1，則上式為 =X Y 1 （2.2）在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)，二維向量

23、X Y是位于h=0平面上的點，而三維向量X Y 1的幾何意義是相當(dāng)于點X Y落在h=1的平面上(見圖2-2)。對于圖形來說，沒有實質(zhì)性的差別，但會給矩陣運算的實現(xiàn)提供可行性和方便性。在二維圖形處理中，齊次坐標(biāo)法解決了平移的問題，在三維圖形處理中解決了平移和透視問題2。圖2-2齊次坐標(biāo)變換幾何意義-2 Geometric meaning of the coordinate transformation這種用三維向量表示二維向量，擴大來說，用n+1維空間的向量表達n維空間的向量的方法，稱為齊次坐標(biāo)法。齊次坐標(biāo)法的定義是：若h0，則三元組X,Y,h是二維空間中點X/h,Y/h的齊次坐標(biāo)。如令h=1，

24、則可用三維點X Y 1表示二維點X Y。采用齊次坐標(biāo)法后，可以把 二維線性變換寫成如下形式2。 1=X Y 1 （2.3）上式中的T=為一個二維線性變換矩陣。由此可以寫出二維變換矩陣的一般形式T= （2.4）從變換功能上可把T分為四個子矩陣，其中T=是對圖形進行縮放、旋轉(zhuǎn)、對稱、錯切等變換，m n是對圖形進行平移變換；對圖形進行投影變換，當(dāng)p、q為零時為平行投影，當(dāng)p、q不等于零時為中心投影；s是對整體圖形作伸縮變換。從上面分析可見新點的位置取次于變換矩陣中變量值，只要適當(dāng)選取變換矩陣中的元素值，就能實現(xiàn)所要求的二維變換2。 平移變換平移變換指的是將平面上任意坐標(biāo)沿X方向移動m，沿Y方向移動n

25、，如圖2-3所示。圖2-3 平移變換Fig.2-3 Translation transformation平移變換用矩陣乘法表示為 1=X Y 1 （2.5） 旋轉(zhuǎn)變換旋轉(zhuǎn)變換就是將平面上任意坐標(biāo)繞原點旋轉(zhuǎn)角，一般規(guī)定逆時針方向為正，順時針為負，從圖2-4可以推出其變換矩陣2。圖2-4旋轉(zhuǎn)變換Fig.2.4 Rotation transformation用矩陣運算表示為 （2.6） =X Y （2.7）因此旋轉(zhuǎn)變換矩陣 T= （2.8）采用齊次坐標(biāo)法，則旋轉(zhuǎn)矩陣T為T= （2.9）2.2 三維圖形幾何變換三維圖形的變換是二維圖形幾何變換的簡單擴展，變換的基本原理是把原齊次坐標(biāo)點X Y Z 1變換

26、成新的齊次坐標(biāo)點 1，因此，三維空間里的點的變換可寫為 1= X Y Z 1M （2.10）其中M是一個矩陣，即M= （2.11）方陣M可分為四部分，其中T=產(chǎn)生比例、對稱、錯切和旋轉(zhuǎn)變換；左下角的l m n產(chǎn)生平移變換；右上角的產(chǎn)生透視變換；右下角s產(chǎn)生完全比例變換。 三維平移變換將坐標(biāo)（X,Y,Z）平移到一個新點（）的變換公式為 =X Y Z 1=X+l Y+m Z+n 1 （2.12）其中，l、m、n分別是在X、Y、Z方向上平移分量。 三維旋轉(zhuǎn)變換 三維圖形旋轉(zhuǎn)變換比二維圖形旋轉(zhuǎn)變換要復(fù)雜些，但是二維變換的基本方法仍然適用，并作為三維旋轉(zhuǎn)變換的基礎(chǔ)。因為任何三維變換都可以看成是由幾個二維

27、旋轉(zhuǎn)變換組合而成。最簡便的方法是將一個三維旋轉(zhuǎn)變化視為三個二維旋轉(zhuǎn)變換，分別取X，Y，Z為旋轉(zhuǎn)軸。而對每一個二維旋轉(zhuǎn)變換可采用前述方法處理，如圖2-5所示。最后將他們組合起來，可得到總的三維旋轉(zhuǎn)變換假定在右手坐標(biāo)系中，物體旋轉(zhuǎn)方向為右手螺旋方向，即從該軸向原點看，是逆時針方向2。圖2-5 三維圖形旋轉(zhuǎn)變換Fig.2-5 3D Rotation transformation（1）繞X軸正向旋轉(zhuǎn)度 =X Y Z 1 （2.13） （2）繞Y軸正向旋轉(zhuǎn)度 如圖2-3所示的ZOX平面內(nèi)繞Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)度，則在右手坐標(biāo)系下相當(dāng)于ZOX平面繞Y軸轉(zhuǎn)角，因而得到下式。 =X Y Z 1 （2.14） 繞Z軸

28、旋轉(zhuǎn)度 =X Y Z 1 （2.15） 三坐標(biāo)測量機上被測物體坐標(biāo)的變換 假設(shè)被測工件時一個長方體，長、寬、高分別為300mm、200mm、180mm。在該工件上表面中心有一個直徑為80mm的孔，該孔的中心在三坐標(biāo)測量機測臺上未旋轉(zhuǎn)前的坐標(biāo)為（475，-415，670）如圖2-6所示。圖2-6 工件旋轉(zhuǎn)前時坐標(biāo)示意圖Fig.2.6 When rotating the workpiece coordinate diagram before 工件在傳動系統(tǒng)驅(qū)動下繞與Y軸平行的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90度，旋轉(zhuǎn)后如圖2-7所示。2-7 工件旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)示意圖Fig.2-7 After work piece revo

29、lving, coordinate schematic drawing 工件是繞平行于Y軸的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于工件先做平移，再做旋轉(zhuǎn)變換。轉(zhuǎn)軸上的點平行Y軸移動為X=500mm，Z=390mm。所以變換后點的坐標(biāo)為： =X Y Z 1 =475 -415 670 1 =220 -415 390 1 所以被測點的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后為（220 -415 390 ）,通過UG中點的測量測得旋轉(zhuǎn)后點的坐標(biāo)與計算點的坐標(biāo)相同，故上述理論成立。2.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了便攜式三坐標(biāo)測量機轉(zhuǎn)臺圖形的變換理論基礎(chǔ)，包括二維圖形平移、旋轉(zhuǎn)及三維圖形的平移、旋轉(zhuǎn)。本章所涉及的內(nèi)容是上述變換的基本原理及數(shù)學(xué)公式，并通過

30、實例說明了在三坐標(biāo)翻轉(zhuǎn)測臺上被測物體點坐標(biāo)的變換求法。3 轉(zhuǎn)臺驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計本文所提出的三坐標(biāo)測量機的翻轉(zhuǎn)測臺驅(qū)動系統(tǒng)是由電機、齒輪、傳動軸等組成。其工作原理為：直流扭矩電機輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)齒輪傳動系統(tǒng)減速增扭，經(jīng)傳動軸帶動測臺旋轉(zhuǎn)。其工作原理見圖如圖3-1所示。電機聯(lián)軸器齒輪組傳動軸 軸承測臺圖 3-1驅(qū)動系統(tǒng)工作原理簡圖Fig.3-1 Diagram of drive system works 電機的選擇5為了能實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的設(shè)計與計算，假設(shè)傳動系統(tǒng)已知量如表3-1所示。表3-1傳動系統(tǒng)已知量Tab.3-1 Transmission of known volume被測物件最大質(zhì)量/kg測臺長/

31、mm測臺的寬/mm測臺的高/mm小齒輪齒數(shù)傳動比大齒輪半徑/mm408005002020100所以，由已知可知要保證被測工件翻轉(zhuǎn)所需要的最大扭矩為：T3=mga/2=100Nm （3.1）假設(shè)傳動軸和滾動軸承的傳動效率T2=T3/=100/0.9 =112 Nm （3.2）由定義知齒輪組中大齒輪半徑r2=100mm i=r2/r1 （3.3） r1=r2= （3.4）取r1=30mm。兩齒輪嚙合時接觸點的切向力相等，故：Ft1=Ft2=T2/r2=112/0.1=1120N （3.5）由此計算出電機輸出扭矩經(jīng)聯(lián)軸器傳遞給小齒輪的最大扭矩為 T1=Ft1r1=1120 Nm （3.6）取聯(lián)軸器傳

32、遞效率 T=T1/ Nm （3.7）所以我們所選的電機輸出扭矩應(yīng)該大于37.3 Nm由電機手冊查的電機型號為:直流扭矩電機SYL-400其參數(shù)見表3-2表3-2直流扭矩電機SYL-400主要參數(shù)Tab.3-2 DC torque motor SYL-400 main parameters最大電流Imax（A）最大電壓Umax（V）最高轉(zhuǎn)速nmax（r/min）最大功率Pmax（W）103050300由手冊所提供的參數(shù)可得該電機輸出的扭矩T=9549Pm/n=9549 Nm （3.8）所選電機滿足上述要求。3.2 齒輪組的設(shè)計3 齒輪材料及各參數(shù)的選擇和計算4 （1）材料選擇：選擇小齒輪材料為4

33、0Cr（調(diào)制），硬度為280HBS，大齒輪材料為45剛（調(diào)制），硬度為240HBS。 （2）齒輪參數(shù)計算：為提高傳動平穩(wěn)性，減小沖擊振動，小齒輪齒數(shù)z1=20. z2=iz120=70 （3.9） m=d1/z1=60/20=3mm （3.10） GB1365-88規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)直齒輪齒頂高系數(shù)ha頂隙系數(shù)c，標(biāo)準(zhǔn)值為ha=1、c=0.25，壓力角=20度。 故齒輪各主要參數(shù)計算如下：齒頂圓直徑： =60+231=66mm （3.11） =200+231=206mm （3.12）齒根圓直徑：=60-2(1+0.25)3= . （3.13）=200-2(1+0.25)3= （3.14）基圓直徑：=6

34、0= （3.15）=200= （3.16）齒距：p=3= （3.17）齒厚：s/2= （3.18）因為該傳動系統(tǒng)傳動平穩(wěn)轉(zhuǎn)速較低，所以由手冊查的齒輪的齒寬系數(shù)=0.2。所以齒輪寬度為：B1=d160=12mm （3.19）B2=d2200=40mm （3.20）考慮到齒輪所承受的強度，故取B1=20mm，B2=40mm。設(shè)計齒輪見圖3-2圖3-2 齒輪示意圖Fig.3-2 Gear diagram 齒輪的校核3（1）齒面接觸強度的校核： 齒面接觸強度校核的基本計算公式： （3.21）= （3.22）由機械設(shè)計手冊查的接觸疲勞壽命系數(shù)=0.9,=0.95；彈性影響系數(shù)Z1；小齒輪接觸疲勞強度極限

35、=600Mpa，大齒輪接觸疲勞強度極限=550Mpa；安全系數(shù)S=1。1=700=630Mpa （3.23）由機械設(shè)計手冊查的使用系數(shù)=1、動載系數(shù)=1.05、齒間載荷分配系數(shù)對于直齒輪=1、=、。 K=111.1212=1.2 （3.24）=pa （3.25）1，符合接觸強度要求。按道理應(yīng)分別對大小齒輪節(jié)點與單對齒輪的最低點處進行接觸強度計算。但按單對齒輪的最低點計算接觸應(yīng)力比較復(fù)雜，并且當(dāng)小齒輪齒數(shù)Z120時，按單對齒嚙合的最低點所得的接觸應(yīng)力與按節(jié)點嚙合計算得的接觸應(yīng)力極為相似。為了計算方便，通常即以節(jié)點嚙合為代表進行齒面接觸強度計算。故以上只選用小齒輪參數(shù)對節(jié)點進行接觸強度校核。（2）

36、齒輪彎曲應(yīng)力的校核： 齒輪彎曲應(yīng)力計算公式： （3.26）= （3.27） 由機械手冊查的齒形系數(shù)=2.8、應(yīng)力校正系數(shù)=1.55.=（）Mppa （3.28）由手冊查的小齒輪疲勞強度極限=500Mpa，彎曲疲勞壽命系數(shù)0.85，疲勞安全系數(shù)S=1.4。1=pa （3.29）1 符合彎曲強度要求。3.3 聯(lián)軸器設(shè)計4（1）類型選擇因為該系統(tǒng)傳遞載荷較小、沖擊較小，故選用凸緣剛性聯(lián)軸器即可。（2）載荷計算公稱轉(zhuǎn)矩=9549Pm/n=9549 Nm （3.30） 由機械手冊查的工作情況系數(shù)=1.3，所以計算聯(lián)軸器所傳遞的轉(zhuǎn)矩為： = Nm （3.31） （3）型號選擇 從機械手冊查的LY7型凸緣聯(lián)

37、軸器的許用轉(zhuǎn)矩為160 Nm，該型號聯(lián)軸器主要參數(shù)見表3-3。表3-3 LY7 聯(lián)軸器的主要參數(shù)Tab.3-3 LY7 main parameters of the coupling型號轉(zhuǎn)矩/ NmL/mmD/mmL0/mm螺栓規(guī)格LY716012012056M83.4 傳動軸的設(shè)計3（1）初步確定軸的最小軸徑取每級齒輪傳動效率（包括聯(lián)軸器在內(nèi)）=0.9，選取軸的材料為45鋼，調(diào)制處理，由手冊查的=112。故軸的最小軸徑為：= （3.32）（2）擬定軸上零件裝配方案 本系統(tǒng)裝配方案選用如圖3-3所示的裝配方案。3-3 傳動軸的裝配方案Fig.3-3 Shaft assembly program

38、（3）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段軸徑和長度小齒輪的傳動軸如圖3-4所示圖3-4 小齒輪軸示意圖Fig.3-4 Fig.3-5 Schematic diagram of small gear shaft為了滿足強度要求取軸的最小直徑d1=30mm，安裝齒輪處的直徑d2=35mm、L=20mm。大齒輪的傳動軸如圖3-5所示圖3-5 大齒輪軸示意圖Fig.3-5 Schematic diagram of large gear shaft同樣考慮齒輪軸的強度要求取大齒輪走的最小軸經(jīng)d1=40mm，安裝齒輪處直徑d2=50mm、L=40mm，在安裝軸承處制作一個軸肩。3.6 測臺夾具的設(shè)計6為了保證

39、被測物體在測臺上不移動應(yīng)該在測臺上添加一些裝夾具。根據(jù)前面測臺的設(shè)計，設(shè)計的部分裝夾具如下圖3-6所示 彈性壓板 滑動支撐塊 夾具緊固螺釘3-6 測臺夾具示意圖Fig.3-6 Test fixture schematic Taiwan3.6 本章小結(jié) 本章主要是對翻轉(zhuǎn)測臺傳動系統(tǒng)各個部件的設(shè)計，主要包括電機的選擇、齒輪的設(shè)計與校核、傳動軸的設(shè)計、聯(lián)軸器的設(shè)計以及軸承設(shè)計等。以上設(shè)計是通過查閱機械手冊、機械設(shè)計等參考書籍經(jīng)過精確計算和校核后提出的對該傳動系統(tǒng)的設(shè)計過程。本章還在最后列出了幾種測臺常用的裝夾具。4 控制、調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計4.1 電機的控制6在日常生產(chǎn)工作，以電機來拖動生產(chǎn)機械的拖動方

40、式稱為電力拖動，電力拖動主要由電動機、傳動機構(gòu)、控制設(shè)備等三個基本環(huán)節(jié)組成。它們之間的關(guān)系如圖4-1所示控制設(shè)備設(shè)備電動機傳動設(shè)備電源圖4-1電力拖動基本組成部分的關(guān)系Fig.4-1 Drag the basic components of the power relationship between在上述電力拖動中其核心部分是控制設(shè)備，在本文中為了實現(xiàn)測臺在360度內(nèi)旋轉(zhuǎn)和物體各個面得測量，其電力拖動的控制部分要實現(xiàn)以下功能：電機正反轉(zhuǎn)、在轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到一定角度時電機停止和維持額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。以下便是電機實現(xiàn)上述功能的程序。#include /* common defines and macros

41、*/#include /* derivative information */#pragma LINK_INFO DERIVATIVE mc9s12dg128b#include main_asm.h /* interface to the assembly module */#pragma CODE_SEG _NEAR_SEG NON_BANKED#define MCCNTD 700 /檢測控制時間（可調(diào)）unsigned char data1;unsigned int locality,locality0,locality90,locality180,locality270,locality

42、360;unsigned int locality0set,locality90set,locality180set,locality270set,locality360set;/*定時器*/ void interrupt 26 _SET_Vtimmdcu_VECTOR_ (void) DisableInterrupts; MCCTL_MCZI=0; /disable moduluse interrupt ATD0CTL3=0 x08; /AD中斷使能 ATD0CTL5_MULT=0; ATD0CTL5_CC =0; ATD0CTL5_CB =0; ATD0CTL5_CA =0; ATD0CT

43、L2_ADPU=1; /*實時位置檢測*/ void interrupt 22 _SET_Vatd0_VECTOR_ (void) DisableInterrupts; ATD0CTL2_ADPU=0; data0=ATD0DR0L; MCCNT=MCCNTD; MCCTL_MCZI=1; locality =data0; EnableInterrupts; /*位置檢測*/ void localitytest() if(PORTA_BIT0=1) locality0=1; if(PORTA_BIT1=1) locality90=1; if(PORTA_BIT2=1) locality180=

44、1; if(PORTA_BIT3=1) locality270=1; if(PORTA_BIT4=1) locality360=1; /*位置控制*/ void localitycontrol() if(locality0=1) if(localitylocality0set) / motor prograde. PWMDTY01=0; PWMDTY23=2000 ; if(locality=locality90set) PWMDTY01=0; PWMDTY23=0 ; /stop the motor if(locality90=1) if(localitylocality90set) / m

45、otor retrograde PWMDTY01=2000; PWMDTY23=0 ; if(locality=locality90set) PWMDTY01=0; PWMDTY23=0 ; /stop the motor if(locality180=1) if(localitylocality180set) / motor retrograde PWMDTY01=0; #include /* common defines and macros */#include /* derivative information */#pragma LINK_INFO DERIVATIVE mc9s12

46、dg128b#include main_asm.h /* interface to the assembly module */#pragma CODE_SEG _NEAR_SEG NON_BANKED#define MCCNTD 700 /檢測控制時間（可任意調(diào)） localitytest(); / localitycontrol(); /#define uchar unsigned char /字符宏定義#define uint unsigned int /整型宏定義uchar data1;uint code table= locality,locality0,locality90, lo

47、cality180,locality270,locality360;uint code table= locality0set,locality90set, locality180set,locality270set,locality360set;void main(void) /無反數(shù)值主函數(shù) asm_main(); / 調(diào)用裝配函數(shù) /*端口初始*/ DDRA=0 x00; /方向寄存器方向為輸入 DDRB=0 x00; PORTA=0 x00; PORTB=0 x00; PWMCTL_CON45 =1;/45口合成選擇 PWMPRCLK=0 x00; /AB口時鐘比例選擇0 PWMCLK

48、_PCLK5=1; PWMCAE=0; /左對齊的輸出模式 PWMSCLA=24; /模前置分頻器時鐘設(shè)置 SA=clocka/(2*pwmscla) PWMPOL_PPOL5=1; /使5口先輸出高電平 PWMPER45=5000; / 設(shè)置45的周期 PWME_PWME5=1; / 45口使初始化 ATD0CTL3=0 x08; / 序列是1 ATD0CTL5=0; /從0頻道開始 ATD0CTL4=0 x85; /模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率2MHz,選用8位的A/D ATD0CTL5_MULT=8; /使用模塊單通道 ATD0CTL5_DJM=1; /right justify data in the

49、 result registers ATD0CTL5_SCAN =0;/single conversion sequences ATD0CTL2_AFFC =1;/AD0 fast flag clear all ATD0CTL2_ASCIE =1; /AD0 interrupt enable TSCR1_TFFCA=1; /flag fast clear MCCTL=2; /分頻1/8 MCCTL_MCEN=1; MCCTL_MCZI=1; /*PWM控制*/ PWMCTL_CON01 =1;/01口合成選擇 PWMCTL_CON23 =1;/23口合成選擇 PWMPOL_PPOL1=0; /

50、使1口先輸出低電平 PWMPOL_PPOL3=0; /使3口先輸出低電平 PWMCLK_PCLK1=1; /設(shè)置CLOCK SA作為PWM1的時鐘源 PWMCLK_PCLK3=1;/設(shè)置CLOCK SB作為PWM3的時鐘源 PWMSCLB=24; /SB比例因子 prescaler PWMPER01=2000;/設(shè)置01PWM周期 PWMPER23=2000;/設(shè)置23PWM周期 PWMDTY01=500;/設(shè)置01PWM占空比0 PWMDTY23=1400;/設(shè)置23PWM占空比 500 PWME_PWME1=1; /pwm1 開啟 PWME_PWME3=1; /pwm3 開啟 locali

51、ty90=0; locality180=0; locality270=0; locality360=0; EnableInterrupts ; for(;) localitytest(); localitycontrol(); /*定時器*/ void interrupt 26 _SET_Vtimmdcu_VECTOR_ (void) DisableInterrupts; MCCTL_MCZI=0; / ATD0CTL3=0 x08; /AD中斷使能 ATD0CTL5_MULT=0; / 模式中斷停止 ATD0CTL5_CC =0; ATD0CTL5_CB =0; ATD0CTL5_CA =0

52、; ATD0CTL2_ADPU=1; /*實時位置檢測*/ void interrupt 22 _SET_Vatd0_VECTOR_ (void) DisableInterrupts;/中斷停止 ATD0CTL2_ADPU=0; data0=ATD0DR0L; MCCNT=MCCNTD; MCCTL_MCZI=1; locality =data0; EnableInterrupts;/中斷可以工作 /*位置檢測*/ void localitytest() if(PORTA_BIT0=1) locality0=1; if(PORTA_BIT1=1) locality90=1; if(PORTA_

53、BIT2=1) locality180=1; if(PORTA_BIT3=1) locality270=1; if(PORTA_BIT4=1) locality360=1; /*位置控制*/ void localitycontrol() if(locality0=1) if(localitylocality0set) / 電機逆行 PWMDTY01=0; PWMDTY23=2000 ; if(locality=locality90set) PWMDTY01=0; PWMDTY23=0 ; /電機停止 if(locality90=1) if(localitylocality90set) / 電機

54、逆行 PWMDTY01=2000; PWMDTY23=0 ; if(locality=locality90set) PWMDTY01=0; PWMDTY23=0 ; /電機停止 if(locality180=1) if(localitylocality180set) / 電機逆行 PWMDTY01=0; PWMDTY23=2000 ; if(locality=locality180set) PWMDTY01=0; PWMDTY23=0 ; /電機停止 if(locality270=1) if(localitylocality270set) / 電機逆行 PWMDTY01=2000; PWMDTY23=0 ; if(locality=locality270set) PWMDTY01=0; PWMDTY23=0 ; /電機停止 if(locality360=1) if(localitylocality360set) / 電機逆行 PWMDTY01=0; PWMDTY23=2000 ; if(locality=locality360set) PWMDTY01=0; PWMDTY23=0 ; /電機停止 4.2翻轉(zhuǎn)測臺鎖止控制在前面所敘述的設(shè)計過程中實現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)測臺的360度的旋轉(zhuǎn)，為了方便和實現(xiàn)任意面上點的測量應(yīng)滿足翻轉(zhuǎn)測臺實現(xiàn)任意角度