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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，一方面是由于現代生產發(fā)展的需要，即高效率加工機床的出現，產品質量要求進一步提高，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提供了強大的基礎。現在，三維測量已經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在它已經成為有些加工機床不可缺少的伴侶。例如他能成功地為數控機床制備數字穿孔帶，而且隨著現代化技術的發(fā)展，這種工作愈加復雜，用傳統(tǒng)方法是很難完成的。因此，現在的三維測量工作臺它與數控“加工中心”相配合，已經具有“測量中心”稱號。
3. 國內外現狀和發(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次方數量級。
（2）高速度，目前加工機械的速度已經提高到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)展現狀
（1）由于長期習慣仿制國外產品，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、提高和轉化，但產業(yè)化程度很低，沒有形成國際競爭力的完整產業(yè)。
未來發(fā)展趨勢
（1）發(fā)展方向與科學前沿
1）配合數控設備的技術創(chuàng)新（如主軸轉速，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)配合信息產業(yè)和生產科學的技術創(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，當已經取得突破性進展時，則需要有一個轉化機制以進入市場。
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.研究內容及方案擬定
4.1 設計內容
本次設計主要內容是設計CCD三坐標顯微數控工作臺，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構設計和部分零件設計。
參數：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，為了簡化結構，降低成本，采用步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動。CCD測量鏡頭運動由步進電動機通過驅動器的細分來控制?？刂品绞讲捎脝纹瑱C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，按結構原理可分為機械式、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驗和技能，因此測量精度差、效率低。目前除少數手動測量機還采用此種測頭外，絕大多數數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濟性、高結構強度和標準性。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降低到1/50，從而可以響應微量位移，實現精確定位；在生產成本和電力損耗時，摩擦系數小的話，可以使裝置小型化，并可提供高速移動，從而提高測量速度，提高生產效率；除這些外，導軌還應該能滿足減小滾動摩擦，實現長時間、無損耗、高精度運轉，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，結構簡單。
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。對于滾珠絲杠選擇我們需要根據工作行程以及總行程誤差進行計算、驗算。
（3）軸承的選擇：根據軸向和徑向的載荷大小、軸承的轉速支撐限位要求、軸承的調心能力、安裝和拆卸以及其經濟性來選擇。
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）軸承的轉速
平均轉速較低，最大轉速為1000r/min，旋轉精度較高?？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）軸承的調心能力
工作臺結構不需要有調心能力的軸承。
5）軸承的安裝和拆卸
工作臺的軸承一般情況不拆卸。不必選擇內外圈可分離的軸承。
6）軸承的經濟性
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動電路，它能穩(wěn)定地驅動步進電機，且價格不高。通過比較，我們初步選用高低壓驅動電路。
4.2.4.計算機控制系統(tǒng)設計
（1）數控系統(tǒng)基本硬件組成：任何一個數控系統(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控系統(tǒng)的性能指標。數控系統(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據存儲器。、
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（控制數據處理的速度）。
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
[1] 吳宗澤主編 . 機械零件設計[M]. 北京 ： 機械工業(yè)出版社 ，2003.11
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長 春 大 學 畢業(yè)設計（論文）紙
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單臂三維測量工作臺的設計
[摘要]三維測量，又稱為三坐標測量。三維測量可以定義為“一種可具有三個方向移動的探測器，可以在三個相互垂直的導軌上移動，此探測器以接觸或非接觸等方式傳送訊號，三個軸的位移測量系統(tǒng)經數據處理器或計算機等計算出工件的各點坐標及各項功能的測量”。三維測量的測量功能應包括尺寸精度、定位精度、集合精度及輪廓精度等。三維測量現已廣泛應用于機械制造業(yè)、汽車、電子、航天航空、國防等工業(yè)部門。
單臂三維測量工作臺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。它在測量時采用單臂實現三個方向的動作，為了簡化結構，節(jié)約成本，采用步進電動機開環(huán)伺服驅動。CCD測量鏡頭運動由步進電動機通過驅動器的細分來控制，控制方式采用單片機控制。其中設計時還包括很多零部件的選擇，如導軌、滾珠絲杠等等。
機械系統(tǒng)部分由三個正交的直線運動構成。Y向導軌系統(tǒng)裝在工作臺上，移動橋架橫梁是X向導軌系統(tǒng)，Z向導軌系統(tǒng)裝在中央滑架內。三個方向軸上均裝有光柵尺用以度量各軸位移值。人工驅動的手輪及機動、數控驅動的電機一般都在各軸附近。用來觸測被檢測零件表面的測頭裝在X軸端部。
[關鍵字] 三維測量 控制 機械系統(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 單臂三維測量工作臺的概述 2
1.1 三維測量工作臺的產生 2
1.2 三維測量工作臺的組成及工作原理 2
1.3 三維測量工作臺的機械結構 3
1.3.1 結構形式 3
1.3.2 工作臺 3
1.4 三維測量工作臺的測量系統(tǒng) 4
1.4.1 標尺系統(tǒng) 4
1.4.2 測頭系統(tǒng) 4
1.4.3 測頭附件 5
1.5 三維測量工作臺的控制系統(tǒng) 5
1.5.1 控制系統(tǒng)的功能 5
1.5.2 控制系統(tǒng)的結構 6
1.5.3 測量進給控制 7
1.5.4 控制系統(tǒng)的通信 7
第2章 關鍵部件的選擇計算 8
2.1 導軌的選擇 8
2.1.1 導軌選擇的基本理論 9
2.1.2 導軌精度選擇 9
2.2 滾珠絲杠的選擇與計算 11
2.3 軸承的選擇 18
2.4 步進電機的單片機控制 18
2.5 步進電機控制原理 19
2.5.1 理論設計 20
2.5.2 程序設計 23
2.6 步進電機的設計計算 24
第3章 計算機控制系統(tǒng)設計 28
3.1 主控制器CPU的選擇 28
3.2 存儲器電路的擴展 29
3.2.1 程序存儲器的擴展 29
3.2.2 數據存儲器的擴展 30
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3.3 I/O口電路的擴展 30
3.3.1 并行口的擴展 30
3.3.2 鍵盤、顯示器接口電路 31
總 結 32
致 謝 33
參考文獻 34
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前 言
坐標測量機（CMM）是一種具有很強柔性的尺寸測量設備。?CMM在工業(yè)界的應用開始于對棱柱類零件的快速、精確測量。但隨著CMM各方面技術的發(fā)展（如回轉工作臺、觸發(fā)式測頭的產生），特別是計算機控制的CMM的出現，目前，CMM已廣泛應用于對各類零件的自動檢測。
而作為CMM測量的重要部件——工作臺在最近也發(fā)生了巨大的變革。工作臺主要是用來放置工件或附件，為了保證儀器的測量精度和工作的可靠性，它必須具有足夠的剛性，臺面和導軌面應耐磨且有一定的直線度和平面度。工作臺必須具有手動或自動調整機構，手動調整機構簡單但調整不便且精度不高，而自動調整即快又準。所以與測量儀器配套使用的工作臺也由手動向自動方向發(fā)展，精度不斷提高，性能更加完善。
本次設計主要完成工作臺總體結構設計，導軌的選擇；滾珠絲杠的選擇與計算；步進電機的選擇計算；控制系統(tǒng)設計等。
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第1章 單臂三維測量工作臺的概述
1.1 三維測量工作臺的產生
三維測量工作臺是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新的高效率精密測量儀器。它的出現，一是因為自動機床、數控機床高效率加工以及更多復雜形狀的零件加工要有更快速更可靠的測量設備與之配套；一是因為計算機技術、電子技術、數字控制技術和精密加工技術的完善替三維測量工作臺的產生提供了技術條件。世界上第一臺三坐標測量機在1960年被英國FERRANTI公司成功研制，到20世紀60年代末，全球已有約十個國家的三十多家公司能生產CMM，但這一時期的CMM還處在初級階段。到20世紀80年代后，很多公司不停地推出新的產品，讓CMM取得了快速的發(fā)展?，F在CMM可以在計算機的控制下完成各種各樣的復雜測量，也可以通過與數控機床互換信息，實現控制加工的目的，也還可根據測量的數據，實現反求工程。目前，CMM已廣泛用于機械制造業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)和國防工業(yè)等各部門，成為現代工業(yè)檢測和質量控制不可缺少的測量設備。
1.2 三維測量工作臺的組成及工作原理
（1）三維測量工作臺的組成
三維測量工作臺屬于機電一體化設備，它由電子系統(tǒng)和機械系統(tǒng)兩部分組成。
1）機械系統(tǒng)：一般由三個正交的直線運動軸構成。Y向的導軌系統(tǒng)安裝在工作臺上，移動橋架橫梁是X向的導軌系統(tǒng)，Z向的導軌系統(tǒng)安裝在中央滑架內。三個方向的軸上都安裝有光柵尺用以測量各軸位移值。人工驅動手輪及機動、數控驅動電機常常都在各個軸附近。用來觸測被檢測零件表面的測頭裝在Z軸端部。
2）電子系統(tǒng)：一般由光柵計數系統(tǒng)、測頭信號接口和計算機等組成，用于獲得被測坐標點數據，并對數據進行處理。
（2）三維測量工作臺的工作原理
三維測量工作臺是基于坐標測量的通用化數字測量設備。它先將要測的幾何元素的測量轉化為對這些幾何元素上一些點集坐標位置的測量，在測得這些點的坐標位置后，再根據這些點的空間坐標值，經過數學運算求出其尺寸和形位誤差。
1.3 三維測量工作臺的機械結構
1.3.1 結構形式
按照結構形式，三維測量工作臺可分為移動橋式、固定橋式、龍門式、懸臂式、單柱移動式、單柱固定式結構等。
(1) 移動橋式結構，它是現在使用最廣的一種結構形式，主要分為四部分組成：工作臺是固定不動的，橋框可沿工作臺上的高貴沿Y向運動，滑架可沿著橫梁上的導軌沿X向運動，主軸可沿Z向運動。被測工件安放在工作臺上，測頭裝在主軸X上。其結構簡單、緊湊，剛性好，具有較開闊的空間。工件安裝在固定的工作臺上，承載能力較強，工件質量對測量機的動態(tài)性能沒有影響。中小型測量機，無論是手動還是數控的，多數是采用這種結構形式的。
(2) 固定橋式結構，其橋框是固定不動的，直接與基座鏈接；而工作臺可沿著基座的導軌移動。這種結構的主要優(yōu)點是：X相反的標尺與驅動機構可以設置在工作臺下方中部，Y向阿貝臂??；從中間驅動，繞Z軸偏擺小；整個測量幾點結構剛性很好，容易保證較好的精度，但此結構的不足之處在于工作臺要移動，所以工件質量不宜過大。精密性的三維測量工作臺大多采用固定橋式的結構。
(3) 龍門式結構，只有橫梁是它的移動部分，這是它與移動橋式結構的主要區(qū)別。而且移動部分的質量小，整體結構的剛性好，三個方向的坐標測量范圍比較大，可保證測量的精度，常用于大型機，但其限制了工件的裝卸，只有一側驅動時仍有較大阿貝誤差，而雙側驅動的方式在技術上比較復雜，只有Y向跨距較大、對精度要求很高的大型測量機才用。
(4) 懸臂式結構，結構較為簡單，具有較好的開闊性，但當滑架在懸臂上作Y向的運動時，懸臂的變形會產生不一樣的變化，故其測量的精度不算高，測量的精度要求不高的小型測量機才會經常用它。
(5) 單柱移動式結構，也稱為儀器臺式結構，隨著工具顯微鏡結構基礎的發(fā)展而出現發(fā)展起來的。但是它的結構復雜，測量范圍不大，其優(yōu)點是測量的精度很高、操作簡單，高精度小型數控機型常用它。
(6) 單柱固定式結構，隨著坐標鏜的基礎上開發(fā)出來的。它的結構牢固、開闊性較好，但工件的質量會影響工作臺的運動，而且二維平動的工作臺的行程不會太大，因此它僅僅用在測量精度中等的中小型測量機上。
1.3.2 工作臺
早期的三維測量的工作臺一般是由鑄鐵或鑄鋼制成，但近年來，花崗巖已經被各廠家廣泛采用來制造工作臺，這是因為花崗巖變形小，穩(wěn)定性也好，不僅耐磨損，也不易生銹，且價格適宜、加工容易。有些測量工作臺裝有可升降的裝置，用來擴大Z軸的測量范圍，還有些測量工作臺備有旋轉工作臺，用來增大測量功能。
1.4 三維測量工作臺的測量系統(tǒng)
標尺系統(tǒng)和測頭系統(tǒng)共同組成了三測量工作臺的測量系統(tǒng)，它們是三維測量工作臺的關鍵組成部分，決定著測量精度的高低。
1.4.1 標尺系統(tǒng)
用來度量各軸的坐標數值的稱為標尺系統(tǒng)，三維測量工作臺上使用的標尺系統(tǒng)種類較多，它們與在各種機床和儀器上使用的標尺系統(tǒng)大致相同，按其性質可以分為機械式標尺系統(tǒng)、光學式標尺系統(tǒng)和電氣式標尺系統(tǒng)。統(tǒng)計分析國內外生產使用的三維測量工作臺的標尺系統(tǒng)可知，光柵使用得最多，感應同步器和光學編碼器次之。而那些高精度三維測量工作臺的標尺系統(tǒng)則采用了激光干涉儀。
1.4.2 測頭系統(tǒng)
三維測量工作臺是用測頭來拾取信號的，因而測量精度和測量效率取決于測頭的性能。在三維測量工作臺上使用的測頭，按結構原理可分為機械式、光學式和電氣式等；按測量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。
(1) 機械接觸式測頭
機械接觸式測頭為剛性測頭，看接觸測量部位的測頭的形狀，可以分為V型塊測頭、半圓形測頭、圓錐形測頭、球形測頭、點測頭、圓柱形測頭等。這類測頭形狀簡易，制造容易。操作者用經驗和技能的嫻熟度控制測量力的大小，這樣就會使其測量的精度較差、效率較低?，F在除了少數的手動測量工作臺還采用這種測頭外，大多數的測量工作臺都不再用這種測頭。
（2）光學測頭
常規(guī)狀況下，光學測頭和被測物體之間是沒有機械接觸的，這種非接觸式測量具有的一些突出優(yōu)點主要體現在：
1）因為測量力不存在，因此比較適合于測量各種軟的和薄的工件；
2）因為是非接觸測量，所以其可對工件表面進行快速掃描測量；
3）一般接觸式測頭的量程都比較小，但大多數的光學測頭都具有較大的測量范圍。
4）機械測頭在工件上難以探測到的部位都可以使用它。光學測頭近年來快速發(fā)展，目前在測量工作臺上應用的光學測頭的種類多種多樣，如光纖測頭、體視式三維測頭、三角法測頭、激光聚集測頭、接觸式光柵測頭等。
（3）電氣接觸式測頭
電氣接觸式測頭目前已為絕大部分坐標測量工作臺所采用，按其工作原理可分為動態(tài)測頭和靜態(tài)測頭。
1）動態(tài)測頭
芯體上裝著測桿的稱為常用的動態(tài)測頭，把三個鋼球沿圓周120度分布安放形成三對接觸點，則把芯體放接觸點上面。芯體上上的鋼球在測桿沒有受到力的時候跟三對接觸點都保持接觸。而當X、Y、Z三個方向上的任何一個方向上的測桿端部的鋼球與工件接觸的時候，最少會使一個鋼球和觸點分開，從而讓電路變成開路狀態(tài)，產生階躍的信號。采樣電路將直接或者間接的被計算機控制，坐標數據會沿著X、Y、Z方向送至存儲器，提供給數據處理用。
可見，動態(tài)測頭是可以在測頭接觸工件表面的動態(tài)運動過程中的接觸瞬間進行采樣的，因此它也稱為觸發(fā)式測頭。由于其較低的成本和簡單的結構，所以可用于高速的測量。但是也由于它的精度較差和不能長時間的在工件表面停留的缺點，因此它只能對工件的表面作分散的逐個點的測量，不能作一次性的掃描測量完成。目前，英國RENISHAW公司生產的觸發(fā)式測頭較為廣泛使用于各大廠家。的
2）靜態(tài)測頭
相當于一臺超小型三坐標測量機的靜態(tài)測頭還具有觸發(fā)式測頭特有的 的觸發(fā)采樣的功能。X、Y、Z三個方向上在有三維幾何量傳感器的測頭和工件的表面進行接觸的時候都會有對應的位移距離輸出，從而驅動的伺服系統(tǒng)會根據輸出的位移量讓測頭停在既定的位置上。由于必須要測頭接近靜止狀態(tài)下的時候才可以采集三維坐標數據，所以稱為靜態(tài)測頭。同時，由于它可以始終接觸著工件表面并且沿其移動來完成掃描測量，所以它也稱為掃描測頭。靜態(tài)測頭的主要特點是精度高，可作連續(xù)掃描，但制造技術難度大，采樣較慢，價格昂貴，適用于高精度測量機使用。目前大多數廠家生產的靜態(tài)測頭均采用電感式位移傳感器，從而我們也將靜態(tài)測頭稱為三向電感測頭。?
1.4.3 測頭附件
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，常需為測頭也需要配置各種附件，例如測端、探針、連接器、測頭回轉附件等，用來擴大。
1.5 三維測量工作臺的控制系統(tǒng)
1.5.1 控制系統(tǒng)的功能
三維測量工作臺的關鍵組成部分之一控制系統(tǒng)。其主要功能是：一是讀取空間坐標值，控制測量瞄準系統(tǒng)進行實時的響應和處理測頭信號，二是機械系統(tǒng)在其控制下完成測量所需的動作，從而達到隨時監(jiān)控測量工作臺的狀態(tài)來保證系統(tǒng)的可靠性和安全性的目的。
1.5.2 控制系統(tǒng)的結構
按自動化的程度可以有手動型、機動型以及CNC型。以前的測量工作臺的各點采樣都是經過操作者直接手動或者間接經過操縱桿完成的，然后再把經過手動型與機動型為主采樣的數據在計算機中進行換算處理。CNC型的控制系統(tǒng)隨著數控技術和計算機技術的日益發(fā)展而愈發(fā)普遍，程序控制著測量工作臺的數據采樣和自動進給的運動，同時數據處理將在計算機中完成。
(1) 手動型與機動型控制系統(tǒng)
這種控制系統(tǒng)在車間有較廣的應用，它不僅有簡單的結構，而且它的操作簡易，價格也便宜。這兩種系統(tǒng)的標尺系統(tǒng)通常采用光柵，而測頭通常采用觸發(fā)式的測頭。測頭在接觸工件的時候散出觸發(fā)信號從而經過控制接口向CPU發(fā)出一個中斷的信號，CPU在其指令下會執(zhí)行對應的中斷服務的稱序。對應的讀出在計數接口處的單元數值，采樣坐標值X、Y和Z將會在其計算出對應的空間距離后形成，并且將形成的X、Y和Z送入數據采樣的緩沖區(qū)，以方便后面的計算數據時用。
(2) CNC型控制系統(tǒng)
CNC型的控制系統(tǒng)通過計算機對測量進給進行控制。它能夠通過程序對測量機的各軸運動和運行的狀態(tài)進行控制和隨時監(jiān)測，達到自動測量的目的。另外，應用操縱桿，它也能夠進行手工測量。其中，集中控制和分布控制是從CNC型控制系統(tǒng)中分出的兩個小類。
1）集中控制
集中控制是利用一個主CPU就能夠完成監(jiān)測和采樣坐標值，從而完成接收計算機命令，解釋和執(zhí)行，往回送和顯示狀態(tài)信息和數據，鍵盤輸入控制命令和監(jiān)測安全等等任務。一個相當于獨立的計算機系統(tǒng)的相對獨立的模塊能夠完成監(jiān)測單軸的伺服控制以及三軸聯(lián)動和運動狀態(tài)監(jiān)測的目的。在功能上，CPU的實時性和測量進給的速度的大小和CPU運算量的大小和運算速度的大小有關。
2）分布式控制
分布式控制系統(tǒng)中運用多個CPU協(xié)調工作并完成特定的控制并一起完成測量的任務，由于它的高效率從而提升了控制系統(tǒng)中的實時性。另外，它的單元式、多CPU并行處理的特點使其擴充和維修更加的簡單。如在分布式控制的系統(tǒng)中增加一個由單軸控制的單元，再在總線上的地址和增加相應的軟件就可以增加一個轉臺了。
1.5.3 測量進給控制
在對伺服電動機速度的控制方面，主要是通過操縱桿抑或CNC程序，這里是除手動型之外的測量工作臺。通過這種辦法來讓控制測頭相對于測量工作臺按一定的軌跡運動，以此來完成測量工件的任務。測量工作臺在測量進給方面相對于數控機床在進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)運動以及更快的響應速度。測量工作臺分別有單軸控制和多軸聯(lián)動控制兩種運動控制方式。單軸的伺服控制相對比較簡單，各自的的運動由其各軸上的單軸伺服控制器單獨完成。三軸之間由一種特定的算法通過CPU控制來使得測頭和工件在空間中按一定的軌跡作相對運動，這種運動需要單軸的伺服和插補器共同完成。在測量工作臺控制系統(tǒng)中，CPU程序控制實現插補器插補。根據預定的軌跡，CPU連續(xù)地向三軸伺服控制系統(tǒng)發(fā)送坐標軸的位置命令，單軸伺服控制系統(tǒng)則連續(xù)跟隨，從而使測頭一步一步地從起始點運動到終點。
1.5.4 控制系統(tǒng)的通信
控制系統(tǒng)的通信有內通信與外通信兩種。命令、參數、狀態(tài)和數據等在控制系統(tǒng)和主計算機之間通過通信總線相互傳送的方式稱為內通信。當測量工作臺作為FMS系統(tǒng)或CIMS系統(tǒng)中的組成部分時，控制系統(tǒng)和其它的設備之間的通信稱為外通信?，F在，串行RS－232標準與并行IEEE－488標準是測量工作臺兩種主要的通信。
第2章 關鍵部件的選擇計算
2.1 導軌的選擇
此設計選用了SBC導軌，其優(yōu)點如下：
圖2-1 SBC導軌
（1） 價格低廉
SBC直線導軌在各方面都具有很好的經濟性,尤其是在簡單的設計,高結構強度和產品本地化等方面特別突出。
（2） 交貨迅捷
在中國大陸地區(qū)代理銷售SBC產品,所有標準型號全部現貨供應。
（3） 精確的位置精度
SBC導軌由于動、靜摩擦之間的微小差異從而使摩擦系數降到百分之五十一,因此可以實現精確定位，響應微量位移。
（4） 節(jié)約生產成本和電力損耗
由于SBC導軌摩擦系數小,可使驅動裝置小型化,并可提供高速運動.因此采用SBC導軌可生產出高性能機械同時減小電力損耗。
（5） 長時間保持高精度
減小了滾動摩擦,實現了長時間的、無損耗的、高精度的運轉.
（6） 安裝簡單
SBC導軌只需通過螺栓安裝就可保證較高的精度,并且使其在四個方向上承受等量負載.
（7） 提高機械的可靠性
通過往返的次數估算機械壽命,提高機械的可靠性
2.1.1 導軌選擇的基本理論
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，結構簡單。
聚四氟乙烯軟帶同導軌的聯(lián)接采用粘結的方法。采用此方法有以下優(yōu)點：
（1） 比螺釘固定簡單，而且克服了夾緊力不均勻的缺點。
（2） 粘結導軌對設備維修或改造都很方便。
粘結時要求粘膠非常均勻。
（1） 依據測量工作臺的使用要求，提出導軌要求達到的技術指標。
（2） 選擇導軌的類型。
（3） 選擇導軌的截面形狀。
（4） 確定導軌的數量和尺寸。
（5） 選擇導軌的材料，確定導軌與部件的關系(做成整體或鑲裝)。
（6） 計算。根據運動部件的重量和重心位置，外力作用的位置、方向以及大小，對導軌進行受力分析，分析導軌上受力的狀態(tài)。
（7） 結構設計。主要有：間隙(或預加負荷)裝置、鑲裝結構、潤滑溝槽、卸裁裝置、滾動組件選擇、節(jié)流器等等。
（8） 其它方面的設計。包括選擇潤滑方法、潤滑油、潤滑裝量、、和設計防護裝置等。
（9）確定技術條件。 對導軌的基本要求
2.1.2 導軌精度選擇
（1） 接觸精度
采用精刨的方法來加工導軌。對導軌的接觸精度用著色法檢查。由表32—22[2]查得接觸指標：全長上不少于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：支承導軌0.8，動導軌1.6。依據測量工作臺的使用要求，提出導軌要求達到的技術指標。
（3） 導向精度
運動部件沿著導軌運動的軌跡的準確性稱為導向精度。
影響導向精度的因素有
1） 導軌的結構和截面形狀。
2） 導軌的加工質量(幾何精度、和粗糙度)以及裝配調整質量。
3） 導軌和其支承件的剛度及熱變形。
4） 潤滑狀況。
（4） 精度的保持性
要在規(guī)定的期限內保持導軌的初始精度。
影響精度保持性的因素有：
1) 耐磨性。耐磨性與導軌的材料、硬度和摩擦表面的情況有關，還與導軌副的材料匹配有關。
2) 導軌的結構和截面形狀（磨損后能否自動補償且調整很方便)。
3) 潤滑狀況好壞。
4) 防護裝置的好壞。
（5） 運動的平穩(wěn)性和靈敏度
要保證在低速運動時微量運動時不產生爬行，能實現要求的定位精度。影響運動平穩(wěn)性和靈敏度的因素有：
1) 導軌面的磨擦特性(與導軌的材料，類型及潤滑狀態(tài)有關)。
2) 傳動系統(tǒng)的剛度。
3) 負載情況。
（6） 其它：
1) 結構簡單可靠。
2) 工藝性好。
3) 維修方便。
4) 價格合理。
CCD測量儀是是用于檢測微小零件表面質量情況的，因此對工作臺的移動距離沒有非常嚴格的限制，即對導軌的導向精度及精度的保持性要求不是高。如此，對導軌的摩擦特性、潤滑、表面加工質量的要求也隨之降低。
（7） 跨距的確定
跨距是指兩條導軌之間的距離。適當加大跨距可以提高剛度。導軌跨距的可用范圍是比較大的。一般應考慮其移動部件所采用傳動件安裝所須尺寸及導軌所受傾覆力矩等因素，再參考類似設備決定。本設計中，由于導軌橫向結構都是對稱結構，所以在延導軌橫向傾覆力矩較小。則導軌跨距可按測量工作臺的各傳動部件安裝尺寸來設計。
（8） 導軌截面尺寸的確定
根據比壓值來選定滑動導軌寬度。初選寬度15mm，后經過計算對其進行校核（計算過程見2.5.8）。如抗壓能力不足夠則將寬度值加大。其它尺寸由測量儀的結構尺寸而定。
（9） 導軌的長度
導軌的長度主要決定于移動部件長度、要求移動的距離和對剛度及維護的要求。動導軌的長度一般做成和移動部件的長度一樣。（支承導軌的長度根據不同情況而定）CCD測量儀承受的載荷不大，精度要求也不高，剛度可以低些，則支承導軌可做成移動導軌和移動距離之差的長度（式2—4）。此時導軌不會外露，防護好。
（10） 軌材料的選擇
導軌的常用材料有：鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料、耐磨涂料等。
導軌材料的選擇過程：長導軌（動導軌）采用淬硬的HT200作基體，表面粘貼聚四氟乙烯軟帶；短導軌（支承導軌）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，因此各種機械設備及儀器都用它來制造支承件和運動部件(如機座、機架、工作臺等)。
② 有良好的耐磨性，它所含的石墨細片能起潤滑作用。有比鋼還要好的抗振性，很適于做導軌。它易于鑄造和切削加工。
③ 將導軌和機座等做成一體，用同一材料，工藝簡單。
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，摩擦系數低，動靜摩擦系數差小，能在液體或無潤滑條件下工作。
② 有良好的對異物的嵌藏性，極細小的磨粒掉人能被埋人塑料內，可減小對金屬面的磨損。
③ 化學穩(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，動靜摩擦系數差很小，低速時無爬行。這種軟帶用粘結劑固定在導軌上，很方便。已用于多種設備。
2.2 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。滾珠絲杠軸承為適應各種用途，提供了標準化種類繁多的產品，廣泛應用于機床。循環(huán)導管式、循環(huán)器式、端蓋式是滾珠絲杠主要的循環(huán)方式。根據一定的用途選擇對應的預壓方式，其中預壓方式包括定位預壓（雙螺母方式、位預壓方式）、定壓預壓。絲杠一共有兩種，一種是精密滾珠絲杠（從CO-C7分為6個精度等級）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個精度等級）由高精度的冷軋加工而成。另外，為應付用戶急需交貨的情況，還有已對軸端部進行了加工的成品，可自由對軸端部進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準化了，可供用戶選擇使用。滾珠絲杠軸承以多年來所累積制品技術為基礎，從材料、熱外理、制造、檢查至出貨，都是以嚴謹的品保制度來加以管理，因此具有高信賴性。
本設計選用的是冷軋絲杠。采用冷加工工藝制作的稱為冷軋絲杠（如圖2-2所示為冷軋絲杠設備）。它具有耗材少，加工成本低，生產效率高，加工周期短，容易實現量產的特點。因此它比研磨的絲杠在價格方面更具有競爭力。尤其是絲杠的長徑比系數超過五十分之一時，其優(yōu)勢更加明顯。滾珠絲杠的精度指標有多項。其中同軸度與徑向跳動是兩個特別重要的參數。徑向跳動主要體現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，工作母機中使用滾珠絲杠時，保持由螺母預壓（預緊力）產生的可重復往返運動轉矩的容許誤差。而這個誤差只與滾道的圓柱度相關。螺母在運動中會因為過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。但是過去的冷軋設備及工藝水準很難實現這個目標值。因為舊式的冷軋設備只采用了一套可移動的軋絲模和一套固定的軋絲模（見圖A），在碾軋過程中，絲杠的中軸會隨著軋絲模的移動而偏移，從而造成絲杠中軸線偏差。如果單想靠提高機械性能來克服這一點，是很難實現的。在冷軋絲杠的圓柱度和滾道的直徑一致性問題上，歐洲在近十幾年來利用研發(fā) 的一類新型的冷軋設備很好的解決了這個問題。它使一套可移動的扎絲模的舊式的冷軋設備時代已經過去，使兩套扎絲模都可以移動從而提高了冷軋設備的機械性能，不僅如此，它還引入了CNC技術和傳感技術（見圖B），利用CNC控制著兩套可移動的軋絲模。每只軋絲模被精度達到微米級的交流驅動器控制，為了決定每只軋絲模的位置，CNC又控制每一個驅動器。在碾軋過程中，適時調整每只軋絲模的進給位置只需要通過傳感系統(tǒng)跟蹤絲杠中軸變量，從而使軋機能始終保持絲杠的中軸線。
圖2-2 冷軋絲杠設備
經測試，精密碾軋制程可以使絲杠一致地保持在以下公差范圍內：
▲300mm內可容許行程誤差介于0.008mm～0.013mm。
▲有效行程內的行程誤差在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
過去的人們認為，研磨的絲杠的精度是高于冷軋絲杠的。這樣的說法并不穩(wěn)妥。滾動部件行業(yè)在中國加入WTO后產品的標準逐步和國際ISO標準接軌后對判定滾珠絲杠精度等級的標準衡量這方面做的不錯。即使國家標準已經有三四十年沒有修訂過，但是各個企業(yè)的標準差不多都采用ISO標準。因此，在選擇滾珠絲杠的時侯，要精準地表達出使用的標準（精度等級）。值得注意的是，預壓是滾珠絲杠中和絲杠精度、電機功率、壽命、載荷、噪音、運動速度等參數都有關系的一個重要的指標，而我們的的工作實踐中，用戶經常會在訂貨的時候忘記在圖紙技術欄標注預壓參數，對此我們有必要提醒用戶。
（1）預壓（Fp）的計算公式：
1）當最大的軸向工作載荷Fmax確定時
Fp= 1/3 Fmax
2）當最大的軸向工作載荷未能確定時
Fp=ζCa （Ca表示額定動載荷，可在手冊中檢索）
表2-2 ζ值參數表
（2）基準扭矩的計算公式：
Tp 基準扭矩 (N.mm)
β 螺旋角度
Fao 預壓負荷 (N)
é 導程 (mm)
其次是螺母與絲杠的間隙。過去的人們在處理間隙時，一般采用雙螺母結構。它的優(yōu)點是依靠調整兩只螺母中間的墊片厚度將螺母推向兩側以消除間隙或螺母與絲杠配合的松緊度（見圖2-3中的圖A）。對于單螺母的調隙方法是：調整螺母體內鋼球直徑大小。這種換鋼球調隙量是很微小的。最大調整量是在±0.02mm。鋼球的大小會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導致運行不順暢或運動不柔順現象。除此之外，還可以采用變位導程的方法來進行消隙，變位導程消隙方式與雙螺母預緊片方式相似（見圖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 雙螺母調隙
圖B 變位導程消隙方式
圖2-3 絲杠的預緊方式
已知：平均工作載荷，絲杠工作長度L=200mm，平均轉速，最大轉速，使用壽命，左右絲杠材料CrWMn鋼，滾道硬度為58～62HRC，導程誤差，全行程。
（1）求計算載荷
根據已知條件，查表3—3[1]取=1.0（無沖擊平穩(wěn)運行），查表3—4[1]取，取2級精度，查表3—5[1]取。由式3—3[1]，得
（2）計算額定動載荷計算值
由式3—4[1]得
（3）根據選擇滾珠絲杠
選用南京工藝裝配廠的產品，按滾珠絲杠副的額定動載荷等于或略大于的原則，選以下規(guī)格：
規(guī)格：SFK1604，=998N
同時得絲杠副數據如下：
公稱直徑；
導程;
滾珠直徑；
絲杠內徑；
計算螺旋角。
（4）穩(wěn)定性驗算
1）本設計中絲杠的固定采用一端固定一端游動的方式。由于僅于一端固定的長絲杠在工作中可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數S，其值應大于絲杠傳動結構允許的安全系數[S]。
絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷，并按下式計算
式中：—— 絲杠材料的拉彈性模量，對于鋼，；
—— 絲杠的工作長度（）；
—— 絲杠危險截面的軸慣性矩，；
—— 長度系數，見表5—14[2]。
由已知1
取，則
由5-55[2]得
安全系數。對于傳導絲杠，，所以絲杠不會失穩(wěn)。
2） 由于絲杠的轉速不高，因此不必驗算其臨界轉速。
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） 剛度驗算
滾珠絲杠在工作負載和轉矩共同作用下,所引起每一導程的變形量為
式中： “＋”用于拉伸時，“-”用于壓縮時
—— 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；
—— 轉矩
式中：—— 摩擦角，其正切值為摩擦系數；
—— 平均工作負載；
本設計取摩擦系數為，則得。
按最不利的情況取，則
絲杠在內的彈性變形所引起的導程誤差為
在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為
所以該絲杠的剛度滿足要求。
6） 效率驗算
滾珠絲杠副的傳動效率為
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。可選用圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。
（2） 軸承的轉速
平均轉速較低，最大轉速為1000r/min，旋轉精度較高?？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） 軸承的調心能力
工作臺結構不需要有調心能力的軸承。
（5） 軸承的安裝和拆卸
工作臺的軸承一般情況不拆卸。不必選擇內外圈可分離的軸承。
（6） 軸承的經濟性
一般球軸承比滾子軸承的價格低，深溝球軸承價格最低?？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。且軸承及軸承座選擇HSK公司生產的EK—12（固定側）及EF—12（游動側）絲杠支撐座。
2.4 步進電機的單片機控制
（1） 電路的選擇
方法一：使用多個功率放大器件驅動電機
通過使用不同的參數器件和放大電路，就可以達到不同的放大要求，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電機，所以就需要對三路信號進行分別放大。但是由于電路制作起來比較復雜，點擊的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，所以放大電路很難做到完全一致。
方法二：高低壓驅動電路
圖2-4是一個L0繞組的高低壓驅動電路，脈沖變壓器Tp組成高壓控制電路。 無脈沖輸入時，T1,T2,T3,T4均截止，電機繞組La中無電流通過，電機不轉。
有脈沖輸入時，T1,T2,T3,T4飽和導通，電機繞組T2由截止到飽和導通期間，其集電極電流也就是脈沖變壓器的初級電流急速增加，在變壓器次級感生一個電壓，使T3導通，80V高電壓經高壓管T3加到繞組La上，使電流迅速上升，約經數百微秒，當T2進入穩(wěn)壓狀態(tài)后。Tp初級電流暫時穩(wěn)定，次級的感應電壓降到0，T3截止，這時12V低壓電流經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，儲存在La中的能量通過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間常數，改善電流波形后沿。
圖2-4 高低壓驅動電路
通過比較，使用高低壓驅動電路能穩(wěn)定地驅動步進電機，發(fā)揮其功能，而且價格適宜，故選用高低壓驅動電路。
（2） 數碼管顯示電路的設計
方案一：串行接法
設計中要顯示4位數字，用74LS164作為顯示驅動，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)送數據時容易控制。
方案二：并行接法
使用并行接法時要對每個數碼管用IO口單獨輸入數據，占用資源較多。
由于設計中用一塊單片機進行控制，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 步進電機控制原理
因為步進電機是給多少脈沖信號步進電動機就轉動多少角度的角位移的數字控制電機，所以它特別適用于單片機控制。步進電機又可以分為幾類，有簡稱VR的反應式步進電機、簡稱PM的永磁式步進電機以及簡稱HB的混合式步進電機。
步進電機是被輸入的脈沖信號控制，這是它與別的控制電機最大的不同之處，簡單解釋就是電機的轉過的總角度取決于輸入的脈沖數，而電機轉速的大小取決于脈沖信號的頻率。
步進電機中由單片機產生控制信號以此來驅動電路。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程。比如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-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分開掌控A,B,C,A相的接通和斷開。
(2)控制步進電機的轉向
如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。
(3)控制步進電機的速度
如果發(fā)給步進電機一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短1，步進電機就轉得越快。這樣我們就可以通過調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，從而達到對步進電動機轉速大小的改變。
2.5.1 理論設計
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）步進電機驅動電路
通過L298N構成步進電機的驅動電路,電路圖如圖2-6所示。
通過單片機SPCE061A的IOB8～IOB13對L298N的IN1～IN4口和ENA、ENB口發(fā)送方波脈沖信號，起止時序圖如圖2-7所示。
圖2-6 L298N芯片
圖2-7 時序圖
（2）數碼管顯示電路的設計
如2-8所示為數碼管的顯示驅動使用74LS164，通過SPCE061A的IOB0和IOB1口對DATA和CLK發(fā)送數據。
圖2-8 數碼管顯示電路
（3）4x4鍵盤電路
在設計中，使用了標準的4x4鍵盤，其電路圖如圖2-9所示。單片機的A口低8位為鍵盤的接口。盡管設計要求中只需要4個鍵對步進電機的狀態(tài)進行控制，但考慮到對控制功能的擴展，我們使用了4x4的鍵盤。
圖2-9 4x4鍵盤電路
2.5.2 程序設計
在進行程序設計的過程中，主要分為五個部分：雙機通訊、語音報數、數字顯示、步進電機驅動、鍵盤；其中雙機通訊的實現和語音報時比較有特點，將其流程簡要介紹如下，其他部分見附的程序。
（1） 雙機通訊
我們在實現雙機通訊的過程中使用了“三次握手”的方式，這是Intle網中已用的數據通訊確認協(xié)議，其流程圖如圖2-10所示
圖2-10 雙機通訊示意圖
(2)語音報數
程序設計中語音報數使用的是SACM－A2000，考慮到程序比較簡單，首先使用了自動報數方式，但發(fā)現不能進行連續(xù)報數，于是使用了非自動方式，流程圖如圖2-11所示。
圖2-11 語音報數流程圖
2.6 步進電機的設計計算
初選電機75BF003三相反應式步進電機最大靜轉矩為0.882Nm，轉子慣量為 ，步距角，采用六拍方式工作，絲桿直徑為18㎜，導程4㎜，長度200㎜，工作臺質量：X向10㎏，Y向5㎏，Z向5㎏，導軌摩擦系數為0.25，最大軸向負載100。
要求：系統(tǒng)脈沖當量0.005/脈沖，空載啟動時間不大于25，最大移動速度0.6。
（根據以上參數對系統(tǒng)進行設計并對電機負載能力進行校核）
確定傳動比：
由式2—69[4]得
式中:α－步進電動機的步距角（°）
－滾珠絲杠的基本導程（mm）
－執(zhí)行部件的脈沖當量（mm）
（齒輪的齒數，及模數見齒輪設計計算）
慣量匹配驗算：
由式2—63[4]計算齒輪及絲桿的轉動慣量
折算到電機軸上的當量負載慣量為
由2-67[4]得
滿足慣量匹配的要求。（）
對于Y向：
則
同樣滿足慣量匹配的要求。（）
對于Z向：
則
同樣滿足慣量匹配的要求（）。
步進電機負載能力校核
電機軸上的總的慣量為：
X向：
Y向：
Z向：
因為X，Y，Z向的步進電機型號相同，故取，,中最大者進行計算即可。
取
則
（為傳動鏈總效率）
（為預緊力，可取1/3最大軸向力；為絲桿預緊前的傳動效率，可取0.9）
則空載啟動時
連續(xù)運行時
所以
可見，，均滿足所選步進電機最大靜轉矩的要求，選擇的步進電機可以按要求工作。
第3章 計算機控制系統(tǒng)設計
數控系統(tǒng)基本硬件組成：任何一個數控系統(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控系統(tǒng)的性能指標。概括一下數控系統(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） 存儲器：包含只讀可編程存儲器和隨機讀寫數據存儲器。、
（3） 接口。
CPU是該系統(tǒng)的核心。其作用是發(fā)布命令以協(xié)調各部分電路正常工作，存儲器用于存放系統(tǒng)軟件以及運行過程中的各種數據，I/O接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁。
根據數控系統(tǒng)的要求配備一些外圍設備，和信號變換電路。三總線則是CPU與存儲器、接口以及其它各種轉換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU于各部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。
其余部分并非所有數控系統(tǒng)都具備。通常，CPU通過I/O接口可連接的人機交換外設是鍵盤、打印機、磁帶紀錄儀等通訊接口；信號變換是A/D轉換、D/A轉換、光電隔離、功率放大等，是實現微機和控制對象之間的信號匹配與轉換的中間電路。這兩部分可根據控制系統(tǒng)的要求選取。
3.1 主控制器CPU的選擇
微機應用系統(tǒng)中，選取CPU時應考慮以下幾個方面：
（1） 時鐘頻率與字長（控制且影響著數據處理的快慢）。
（2） 可擴展存儲器（ROM/RAM）的容量。
（3） 指令系統(tǒng)功能是否強（即編程靈活性）。
（4） I/O口擴展的能力（即對外設的控制能力）。
（5） 開發(fā)手段（包含開發(fā)軟件的基礎，即硬件電路）。
除此之外，還應該依據系統(tǒng)的應用場合、控制對象及對各種參數要求選擇CPU。16位機CPU芯片在目前的數控系統(tǒng)中我們常用的有8086、8088、80286、80386、以及8098、和8096等，8位機CPU芯片包含8080、Z80和8051、8051、8751等。但從性能價格比上，其中MCS-51系列單片機中的8051被我們初步采用作為主控制器。該系列產品是性價比很高的控制器，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，就可以構成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強，變成靈活性大，硬件資料也很豐富。三種型號的引腳完全相同，僅在內部結構上有少許差異。可以說8051是沒有ROM的8051，而8751又是用EPROM代替ROM的8051。目前，工業(yè)控制中應用最多的是8051單片機。下面介紹8051單片機的基本性能。
8051單片機的基本特性：
（1） 具有8位中央處理單元（CPU）
（2） 片內有時鐘發(fā)生電路（6MHz或12MHz），每執(zhí)行一條指令時間為2μs或1μs。
（3） 具有128字節(jié)RAM.
（4） 具有21個特殊功能寄存器。
（5） 可尋址64k字節(jié)的外部數據存儲器和64k字節(jié)的外部程序存儲器。
（6） 具有4個I/O端口、32根I/O線。
（7） 具有兩個16位定時器/計數器。
（8） 具有5個中斷源，配備兩個優(yōu)先級。
（9） 具有一個全雙功串行接口。
（10） 具有位尋址能力，適用邏輯運算。
從上述特性可知，一塊8051的功能幾乎相當于一塊Z80CPU、一塊RAM、一塊Z80、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微型計算機系統(tǒng)。
3.2 存儲器電路的擴展
3.2.1 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、2764、2764、27128、27256等，其容量分別位2k、4k、8k、16k、32k。在選擇芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配。即8051所能讀取的時間必須大于EPROM多要求的讀取時間。此外，還