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長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）紙
開題報(bào)告
1. 設(shè)計(jì)題目
單臂三維測量工作臺設(shè)計(jì)
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(jī)床的出現(xiàn)，產(chǎn)品質(zhì)量要求進(jìn)一步提高，復(fù)雜的立體形狀的加工等都要求有快速、可靠的測量設(shè)備與之配合；另一方面也是由于精密加工技術(shù)、電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為三維測量技術(shù)的出現(xiàn)提供了強(qiáng)大的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，三維測量已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于儀器制造、電子工業(yè)、機(jī)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(dòng)機(jī)零件、凸輪以及飛機(jī)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(jì)量儀器增加了一兩個(gè)坐標(biāo)，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(jī)床不可缺少的伴侶。例如他能成功地為數(shù)控機(jī)床制備數(shù)字穿孔帶，而且隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，這種工作愈加復(fù)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(shù)與儀器涉及所有物理量的測量，對于材料、工程科學(xué)、能源科學(xué)關(guān)系密切。目前的發(fā)展趨勢有以下幾點(diǎn)：
（1）高精度。目前半導(dǎo)體工藝的典型線寬為0.25um，并正向0.18um過渡，2009年預(yù)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(dá)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(yīng)的激光穩(wěn)頻精度應(yīng)該是10的-9次方數(shù)量級。
（2）高速度，目前加工機(jī)械的速度已經(jīng)提高到1m/sec以上，上世紀(jì)80年代以前開發(fā)研制的儀器已經(jīng)不適應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)是USB、IEEE1394和VXI?，F(xiàn)在，技術(shù)領(lǐng)先者設(shè)法控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，參與標(biāo)準(zhǔn)制訂是儀器開發(fā)的基礎(chǔ)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(xí)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(xué)研究和工程建設(shè)的需要。
（2）我國儀器科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域積累了大量科研成果，許多成果處于國際領(lǐng)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(xué)前沿
1）配合數(shù)控設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新（如主軸轉(zhuǎn)速，精度創(chuàng)成）。
2）運(yùn)行和制造過程的監(jiān)控和在線檢測技術(shù)。
3)配合信息產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)科學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新。
（2）優(yōu)先領(lǐng)域
在基礎(chǔ)研究的初期，對于能否有突破性進(jìn)展是很難預(yù)測的。但是，當(dāng)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展時(shí)，則需要有一個(gè)轉(zhuǎn)化機(jī)制以進(jìn)入市場。
1）納米溯源技術(shù)和系統(tǒng)。
2)介入安裝和制造的坐標(biāo)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(jì)算機(jī)輔助測量理論。
5）新器件，新材料。
6）半導(dǎo)體激光器計(jì)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(zhǔn)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(biāo)。工作臺工作面的平面度是指包容實(shí)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(gè)級別，稱為工作臺平面度準(zhǔn)確度。至于應(yīng)分成幾個(gè)級別，按什么規(guī)律分布公差數(shù)值，各國的評判標(biāo)準(zhǔn)都不一樣。目前，我國將工作臺標(biāo)準(zhǔn)分為6級，即000、00、0、1、2、3級，這個(gè)精度大致對應(yīng)于GB1184-80規(guī)定的平面度公差的1、2、3、5、7、9共6個(gè)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(zhǔn)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(shè)計(jì)內(nèi)容
本次設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)CCD三坐標(biāo)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(shè)計(jì)和主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和部分零件設(shè)計(jì)。
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(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。CCD測量鏡頭運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分來控制?？刂品绞讲捎脝纹瑱C(jī)控制。
4.2 總體方案擬定
4.2.1.工作臺
早期的三坐標(biāo)測量機(jī)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?yàn)榛◢弾r變形小、穩(wěn)定性好、耐磨損、不生銹，且價(jià)格低廉、易于加工。有些測量機(jī)裝有可升降的工作臺，以擴(kuò)大Z軸的測量范圍，還有些測量機(jī)備有旋轉(zhuǎn)工作臺，以擴(kuò)大測量功能。
4.2.2.初步設(shè)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(jìn)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(jī)械式、光學(xué)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(jī)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(yàn)和技能，因此測量精度差、效率低。目前除少數(shù)手動(dòng)測量機(jī)還采用此種測頭外，絕大多數(shù)數(shù)控機(jī)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(xué)測頭，大多數(shù)情況下與被測物體間沒有機(jī)械接觸，這種非接觸式測量具有一些突出的優(yōu)點(diǎn)。
（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(jìn)行快速掃描測量；
（3）多數(shù)光學(xué)測頭具有比較大的量程，這是一般接觸式測頭難以達(dá)到的；
（4）可以探測工件上一般機(jī)械測頭難以探測到的部位。近年來，光學(xué)測頭發(fā)展較快，目前在坐標(biāo)測量機(jī)上應(yīng)用的光學(xué)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(kuò)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(guān)鍵部件進(jìn)行選擇與計(jì)算
（1）導(dǎo)軌的選擇：在選擇導(dǎo)軌時(shí)我們應(yīng)該考慮到它的經(jīng)濟(jì)性、高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)性。標(biāo)準(zhǔn)性是對于導(dǎo)軌出問題時(shí)的維修或更換比較方便來說；由于動(dòng)，靜摩擦之間的微小差異，我們應(yīng)盡量使摩擦系數(shù)降低到1/50，從而可以響應(yīng)微量位移，實(shí)現(xiàn)精確定位；在生產(chǎn)成本和電力損耗時(shí)，摩擦系數(shù)小的話，可以使裝置小型化，并可提供高速移動(dòng)，從而提高測量速度，提高生產(chǎn)效率；除這些外，導(dǎo)軌還應(yīng)該能滿足減小滾動(dòng)摩擦，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、無損耗、高精度運(yùn)轉(zhuǎn)，安裝簡單，機(jī)械壽命較長等條件。此外，導(dǎo)軌的選擇還應(yīng)注意一下幾點(diǎn)：
1)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，工藝簡單，剛度大，結(jié)構(gòu)簡單。
2）注意接觸精度 、表面粗造度、導(dǎo)向精度、精度的保持性、運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和靈敏度。
3）導(dǎo)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(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,使愈來愈多的設(shè)備制造廠采用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實(shí)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(jìn)行計(jì)算、驗(yàn)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(jì)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。可選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。可選用球軸承。
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(jì)性
一般深溝球軸承價(jià)格最低，滾子軸承比球軸承的價(jià)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(dòng)端為一深溝球軸承，用以承受徑向力。
（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)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(dá)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(jìn)電機(jī)，就需要對四路信號分別進(jìn)行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時(shí)運(yùn)行起來會不穩(wěn)定，電路的制作也比較復(fù)雜。另一種方法是使用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，它能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，且價(jià)格不高。通過比較，我們初步選用高低壓驅(qū)動(dòng)電路。
4.2.4.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1）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)。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(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲器。、
3）接口。
（2）主控器CPU選擇
微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素：
1）時(shí)鐘頻率與字長（控制數(shù)據(jù)處理的速度）。
2）可擴(kuò)展存儲器（ROM/RAM）的容量。
3）指令系統(tǒng)功能是否強(qiáng)（即編程的靈活性）。
4）I/O口擴(kuò)展的能力（即對外設(shè)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(kuò)展
（1） 程序存儲器的擴(kuò)展
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲器芯片，其型號分別為：2716、2732、2764、27128、27256等。在選擇芯片時(shí)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。即芯片所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM所要求的時(shí)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(shí)，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(kuò)展
（1） 并行口的擴(kuò)展
（2） 鍵盤、顯示器接口電路
5. 畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度安排
03.06-3.24 調(diào)研、開題報(bào)告
03.27-04.07 總體方案設(shè)計(jì)
04.10-04.21 傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)、計(jì)算分析
04.24-05.12 裝配圖、部件圖設(shè)計(jì)
05.15-05.19 零件圖設(shè)計(jì)
05.22-05.26 撰寫設(shè)計(jì)說明書
05.27-05.31 提交設(shè)計(jì)說明書、設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)資料，修改圖紙
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