1、I毕业设计论文题目名称： 超精密三坐标测量仪整机机构设计院系名称： 机 电 学 院 班 级： 机 自 074 学 号： 200700384103 学生姓名： 张 朝 辉 指导老师： 赵 则 祥 2011 年 5 月超精密三坐标测量仪整机机构设计II指导教师：赵则祥学 生：张朝辉摘 要本文中，对三坐标测量仪的研究现状和精密测量的关键技术做了总结，对所设计的测量仪的总体布局、床身的选材、导轨的设计、进给方式的选择做了介绍，选用燕尾型气体静压导轨，同步齿形带和钢带传动，摩擦杆进行驱动。对移动桥和溜板进行了简单的 ANSYS 分析，计算了移动桥受力时最大的变形量和直线度；选用伺服电机作为动力源，并对其
2、进行了简单的功率计算，分析了测量仪的工作环境对其精度的影响和它的应用环境；定位采用开式光栅尺，对光栅尺的选型做了比较。最后针对测量仪整机进行精度分析，查找误差源和精度的综合分析。关键词：超精密、气静压、高精度、精密测量 IIIThree Coordinates Measuring Instrument Ultra-precision Machine Mechanism DesignTeacher : zexiangzhaoStudent : zhaohuizhangABSTRACTIn this paper, three coordinates measuring instrument for
3、 precision measurement, the research present situation and the key technology of summing up, the design of measuring instrument lathe bed of the general layout, the design of the selection of materials, guide rail, into to the choice of the ways of doing introduced, choose coattails “type aerostatic
4、 guide rail, synchronous cog belt and steel belt transmission, friction lever driven. Slip board of mobile bridge and the simple ANSYS analysis method, the largest mobile bridge when stress deformation and straightness; Choose servo motor as a power source, and analyses the simple power calculation,
5、 analyzes the working environment of measuring apparatus to the precision of the influence and its application environment; The positioning of grating open grating feet, comparison of the selection of the feet. Finally, according to the measuring apparatus for precision analysis, find the error sour
6、ces and precision of the comprehensive analysis. Keywords: The ultra precision, Gas static pressure, High accuracy, Precision measurement 中原工学院毕业设计（论文）说明书4目 录1 绪 论 .21.1 课题的来源 .21.2 课题的意义 .21.3 精密测量的研究现状 .21.4 精密测量的关键技术 .62 超精密三坐标测量仪整机机构介绍 .82.1 总体布局 .82.2 床身材料选用 .92.3 导轨的设计 .102.4 进给传动方式的选择 .142.5
7、测量仪整体结构设计 .162.6 测量仪的工作原理 .173 测量仪的主要零部件的设计 .183.1 移动桥的设计 .183.2 溜板的设计 .193.3 电机选型 .213.4 环境控制平台 .253.5 光栅尺的选型 .264 测量仪精度分析 .274.1 测量仪误差源 .274.2 测量仪精度分析 .295 结束语 .32参考文献 .33致 谢 .34中原工学院毕业设计（论文）说明书51 绪 论1.1 课题的来源为了响应教育部的号召，实施大学本科教改计划，北京微纳精密机械有限公司与中原工学院联合实施“卓越工程师”的培养计划。由该公司接收中原工学院大四学生来公司实习并完成毕业设计，为学生走
8、上工作岗位提供一个锻炼自己的平台。本课题来自北京微纳精密机械有限公司，在学校和公司的商讨后，确定了我的课题：超精密三坐标测量仪整机机构设计。1.2 课题的意义本课题研制的超精密三坐标测量仪具有重要意义：一方面将促进超精密光学、机械制造技术快速发展，填补我国相应领域的技术空白；另一方面将提高我国产品质量和市场竞争力以及我国测量仪器的性价比水平。1.3 精密测量的研究现状精密测量技术和装置是先进制造主要支撑技术之一，体现国家工业与科技水平。国民经济和先进制造的不断发展对精密测量提出了新的要求，因此，提高精密测量水平，对提升我国先进制造能力，促进国民经济发展具有重要意义。随着近 20 年科学技术的迅
9、速发展, 对仪器精度要求出现了数量级的变化。从精密测量(0.5m0.05m)，发展到超精密测量(0.05m0.005m), 近年来又提出纳米精度测量(5nm 0.05nm)的要求。据专家们的推测，随着精密工程技术、尖端科技和空间技术的迅猛发展，轮廓形状允差为 50nm5nm，尺度允差为 100nm10nm 的超精密零件将被广泛使用，所以超精密测量技术和仪器工程的研究与应用已成为科学技术发展的关键因素之一。当今世界上超精密三坐标测量仪在质量和性能方面首推德国 ZEISS 公司(即原西德 OPTON 公司)和 LEITZ 公司。到目前为止 ZEISS 已有多项专利技术，从而使ZEISS 公司在坐标
10、测量技术上远远领先于其它公司。其生产的三坐标测量仪既有桥式测量仪，也有龙门式、悬臂式测量仪，既有生产型测量仪，也有计量型测量仪。在国内 ZEISS 三坐标测量仪在航空、航天、汽车、电子、机械等多个行业中得到广泛地使用。图 1-1 是 ZEISS 最新的 DuraMax 三坐标测量仪系列，代表着当今测量仪行业的尖端技术。中原工学院毕业设计（论文）说明书6图 1-1 DuraMax 三坐标测量仪德国 LEITZ 公司凭借其在高精度测量领域积累的世界级测量技术以及丰富的应用理论知识，通过高性能，高精确度的 PMM-C 三坐标测量仪与功能强大的工业级计量软件 QUIND-OS 的结合，不断解决来自工业
11、各个领域的高精度和复杂几何形状的计量需求。LEITZ 主要从事研制、开发、制造超高精度坐标测量仪，包括在世界高精度三坐标测量仪的发展历史上具有里程碑意义的 PMM 机型。其动态指标分别为最大测量加速度 3000mm/s 或最大测量速度 400mm/s，平均触测频率 40 点/秒。图 1-2为 LEITZ 最新的三坐标系列reference 测量仪系列，和 ZEISS 的 DuraMax 三坐标测量仪系列一样，在全球三坐标行业中，隶属最尖端技术。表 1-1 为 reference测量仪系列的部分参数。中原工学院毕业设计（论文）说明书7图 1-2 reference 测量仪 表 1-1 refer
12、ence 测量仪系列参数机型（x.y.z）(100mm)E(m)P(m)THP(m)Vmax(mm/s)a max(mm/s2)Reference 10-7-6 0.9+L/350 1.0 1.9/45s 520 3300Reference 15-9-7 0.9+L/350 1.0 1.9/45s 520 3300Reference 20-10-7 0.9+L/350 1.0 1.9/45s 520 3300Reference 22-12-9 1.5+L/350 1.5 2.1/45s 520 3300Reference 30-12-9 1.7+L/350 1.5 2.1/45s 520 33
13、00Reference 45-12-9 1.7+L/350 1.5 2.1/45s 520 3300意大利 DEA 公司也是世界著名的三坐标测量仪的生产商之一。该公司生产的三坐标测量仪，主要使用对象大多数是与汽车产品相关的生产厂家。国内许多大型企业都订购了该公司的三坐标测量仪，目前，世界上为汽车行业车身检测提供专业检测方案的最知名厂家当属意大利 DEA 公司，并在推动汽车车身研究和“白车身”的尺寸检测方面作出了突出贡献。三丰公司也是著名的测量仪生产厂家，目前，己累计向世界提供了 33000 台三坐标测量仪，占世界测量仪市场份额的 35%，雄踞三坐标测量仪世界第一供应商的位置。经过不断改进和发展
14、，已开发出现在的高速高精度三坐标测量仪，如中原工学院毕业设计（论文）说明书8Crysta-Apex 系列和 MACH、LEGEX 等新型机种。其他世界上较有名的坐标测量仪制造厂商有 Brown-sharp 公司，英国的 ZX 公司、LK 公司等。我国坐标测量仪发展过程可分为三个阶段:第一阶段自上世纪 70 年代开始至80 年代初。由于该技术密集度高，特别受我国计算机技术落后的严重影响，致使研究和生产总是处于样机试制阶段，第二阶段自上世纪 80 年代开始至 80 年代末，随着改革开放的政策实施，我国三坐标测量仪的研制工作一改过去封闭状况，走上了引进国外先进技术，结合自身特点进行开发生产，加快我国
15、三坐标测量仪生产的步伐，初步形成了国产测量仪的生产能力。第三阶段为进入上世纪 90 年代至今。目前我国已具备了从生产精密型测量仪到生产型测量仪各种型号的三坐标测量仪的能力，开始占领国内市场。1982 年北京机床研究所研制出第一台 CLW63 型万能测量仪。同年国内率先研制出带气浮导轨的 CLZ864 型手动三坐标测量仪。北京航空精密机械研究所(原航空部第三 O 三研究所)从 1972 年开始研制三坐标测量仪，1978 年三坐标测量仪商品化是国内第一家生产测量仪的企业，至今己有十种不同系列品种的测量仪。如CIOTA 桥移动式测量仪、SZC 一 J866 桥固定式高精度测量仪、XB654 手动悬臂
16、式测量仪、TS654 手动式数控测量仪、LZ 立柱式测量仪、LM 龙门式测量仪、CENTURY 世纪型测量仪、ORIENT 东方型测量仪、PEARL 甩珍珠型测量仪、FUTURE 未来型测量仪等。近几年来，随着数据检测技术研究的深入，国内测量仪得到了进一步的发展。目前，在国内测量仪厂家中，海克斯康测量技术(青岛)有限公司拥有产品系列最多，测量精度较高。海克斯康测量技术(青岛)有限公司是世界级数控三坐标测量仪专业制造厂商，是瑞典高科技制造业集团 HEXAGON 与中国航空工业第二集团公司下属青岛前哨精密机械公司共同投资在中国组建的国际化合资公司。海克斯康公司的前身是青岛前哨精密测量技术有限公司（
17、Brown-shorpe 前哨)。其与享誉全球的坐标测量仪制造公司 Brown-shorpe 前哨公司、意大利 DEA 公司、德国 LEITZ 公司、瑞典CE JOHNASSAN 公司并列，同属 HEXAGON 集团计量产业的核心成员和五大测量仪制造基地之一。海克斯康所提供的测量仪产品在汽车工业、航空航天，机床工具、国防军工、电子和模具等领域得以广泛应用，产品系列包括: 活动桥式测量仪、固定桥式测量仪、龙门测量仪、水平臂式测量仪、悬劈式测量仪其中以 1997 年推出的Z003 系列活动桥式测量仪为典范。该种测量仪系中小型测量仪系列，属于高速度、高精度生产型测量仪，测量速度是固定桥式测量仪的两倍
18、。这种测量仪在生产在线测量应用最为广泛。该种测量仪的技术水平达到国际同类中小型测量仪的水平。与国外测量仪厂家的发展相比，国内的发展就显得很慢，远远不能适应国家重点行业中原工学院毕业设计（论文）说明书9技术改造和市场发展的需要，无论从技术实力还是市场开拓方面均大大落后于国外测量仪厂家。1.4 精密测量的关键技术致 谢本次毕设过程中，得到了很多人的帮助，在此我表示真挚的感谢，没有他们，我不可能顺利的完成我的毕业设计。首先我要感谢的就是我的导师赵则祥院长，在他的指导下，我解决了论文选题、研究方法、论文撰写等各个方面所遇到的难题。赵则祥院长学识渊博，思想深邃，态度严谨，不拘泥于形式的思维方式，敬业的态度，都深深地感动着我，影响着我，为我今后的学习、生活树立了榜样。同时也要感谢西安交通大学赵惠英教授，在我毕设期间，赵惠英教授在学术、思想、生活方面给予了无微不至的关怀、指导和教育，使我不仅在学术造诣上，而且在做人做事等方面都受益终生。在此对赵惠英教授表示最衷心的感谢和崇高的敬意！在课题进行过程中，也得到了北京微纳精密机械有限公司的刘金波师傅，西安交通大学博士生席建普、李彬、任东旭，中原工学院研究生娄云鸽等的有益指导和帮助，在此向他们表示衷心的感谢！最后，再此感谢我的导师赵则祥院长，感谢赵院长在我毕设期间给予我的所有帮助和指导。
