一种能自动化较高的测量轴类零件径向跳动与平行度的测量装置.doc

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1、 摘要针对目前实验室手动测量平行度误差和径向跳动误差时自动化程度低的特点，提出了平行度和径向跳动误差的自动测量方法。主要工作如下：首先，提出并设计了径向跳动与平行度误差测量装置的总体框架。径向跳动与平行度误差测量装置包括位移工作台系统与回转主轴系统。位移工作台由滚珠丝杆机构、导轨、步进电机、传感器等组成。介绍了传动机构及各组件的选型计算。电机带动丝杆主轴转动，滚珠丝杆副将旋转运动转化为直线位移运动，从而带动工作台上的传感器运动。回转主轴系统由主轴组件、电机、三爪卡盘、顶针组成。其次，对测量装置中的回转主轴、支撑结构、工作台等机构进行了详细的参数分析和机械结构设计。第三，对影响测量装置的误差因素

2、进行了分析，结果表明：工作台的直线运动精度和主轴的回转精度是影响测量精度的关键因素。最后，开发了平行度与径向跳动误差评定算法，基于Matlab平台对评定算法进行了实现。关键词：径向跳动误差；平行度误差；评定算法IIAbstract In view of the characteristics of laboratory manual measuring parallelism error and radial runout error still in the low lever of automation, proposed measurement method of measuring t

3、he parallelism and the radial runout error automatic . The main work is as follows: First of all, a general framework is proposed and designed with parallelism error runout measuring device. Radial runout and parallelism error measuring device including displacement worktable system and rotary spind

4、le system. Displacement worktable by ball screw, guide rail, stepper motors, sensors and other components. Introduces the transmission mechanism and the selection of components. The motor driven screw spindle rotation, ball screw lieutenant rotation movement into linear movement, thereby giving impe

5、tus to the sensor of the worktable movement. Rotary spindle system consists of the main shaft components, motor, three jaw chuck, thimble. Secondly, carrying out a detailed analysis and mechanical design parameters for the measuring device rotating spindle support structure, workstations and other a

6、gencies . Third, the error factors affecting the measurement device is analyzed, the results showed that: precision linear motion precision rotary tables and spindle is a key factor affecting the measurement accuracy. Finally, developed of the parallelism error algorithms and runout error assessment

7、, to implement evaluation algorithm based on Matlab platform.Keywords: Runout error; Parallelism error; Evaluation目录摘要IAbstractII1 背景意义、国内外现状11.1 课题的意义与目的11.2 国内外现状11.3 本文主要研究内容22 系统原理及总体设计32.1 平行度及径向跳动测量原理32.2 测量方案42.3 仪器总体机构设计42.4 本章小结53 工作台传动系统63.1 导轨选型83.2传动机构设计63.3 电机选型123.4 传感器选型133.5 限位开关选型14

8、3.6 精度分析153.7 本章小结164 卡盘及主轴系统174.1 卡盘选型及安装17III4.2 顶针选型184.3 主轴组件194.4 主轴组件设计计算234.5 电机选择244.6 精度分析244.7 本章小结255. 算法评定265.1平行度算法评定265.2 径向跳动算法评定275.3 本章小结286 总结与展望296.1 总结296.2 展望29致谢30IV1 背景意义、国内外现状1.1 课题的意义与目的 零件在加工过程中,由于机床一夹具一刀具系统存在一定的几何误差,以及加工中出现的受力变形、热变形、振动和磨损等的影响,使被加工零件的几何要素不可避免地产生误差。这些误差包括尺寸偏

9、差、形状误差和位置误差。形状误差包括宏观几何形状误差、波度和表面粗糙度,本文涉及位置误差平行度与径向跳动。形状和位置误差(简称形位误差)对零件的使用功能有很大的影响。例如,光滑圆柱形工件,由于存在形状和位置误差,在间隙配合中,会使间隙分布不均,加快局部磨损,从而降低零件的工作寿命;而在过盈配合中,则会使过盈量各处不一,进而影响联结强度。总之,零件的形位误差对机器或仪器的工作精度、寿命等性能均有很大的影响。对精密、高速、重载、高温、高压下工作的机器或仪器的影响更为突出。因此,为了满足零件装配后的功能要求,以及保证零件的互换性和经济性,必须对零件的形位误差予以限制,即对零件的几何要素规定必要的形状

10、和位置公差。因此,形位误差的测量评定尤为必要。精确的形位误差评定,不但能准确判定出合格产品,而且能指导加工过程,生产出高质量的产品1。随着世界经济全球化，各行各业都要参与国际竞争。而产品想要在竞争中胜出，产品质量是关键。在机械制造产品中，产品质量与产品加工的精度有密切的关系，产品质量的好坏讲直接决定产品性能跟寿命1。 国外机械生产加工自动化程度高，多有主动测量装置，加工和测量精度高，其尺寸及形位参数在加工时就可以保证。我国是工业大国，然我国在机械生产加工方面跟国外相比，还相对比较落后，加工精度难以保证往往靠加工后的一些检测手段来控制产品质量。所以目前国内需要高效率、高精度的专用检测设备，实现对

11、机械加工零件的全面检测，以提高生产效率和产品质量23。目前测量径向跳动与平行度主要方法：V型块法和顶针法。测量工具主要是千分表测量。千分表测量需要人眼读数。人眼读数精度低，且测量人员劳动强度大。为了提高测量精度与效率，我们拟采用传感器代替千分表设计出具有较高自动化，精度高，稳定性好的测量装置45。1.2 国内外现状中国是工业大国，平行度及径向跳动检测仪器具有巨大市场，然而，国内目前的研究水平离这个需求还有一定的差距。研究开发具有自主知识产权的检测系统，对于摆脱对进口产品的依赖，推进我国仪器数字化改造，提高检测行业的水平很有必要。并且通过研制高速、高精度检测系统，还可以提高我国检测仪器的档次技术

12、水平，加快高档检测仪器国产化，抵制国外产品对我国仪器仪表市场的冲击，尤其是对开发圆柱度仪等同类产品都具有促进意义。通过研制径向跳动与平行度检测系统可以解决生产厂家对产品的监控能力，为质量管理者提供决策参考。这一检测系统可以实现零件径向跳动与平行度的自动检测，检测时间大大缩短，实现在线和非在线的产品检测的要求。通过实施本系统，能有效的提高产品的质量，保证稳定可靠的检测精度16。1.3 本文主要研究内容本文主要研究一种能自动化较高的测量轴类零件径向跳动与平行度的测量装置。装置利用卡盘与顶针对工件进行定位。对此装置系统的功能要求：a.实现自动进给，自动智能测量；b.实现对轴类零件平行度、径向跳动的精

13、密测量；c.实现半自动测量及数据处理自动化。系统的精度要求： a.径向回转精度：0.005mm；b.三爪卡盘中心与顶尖轴线在100mm范围内对导轨平行度：0.01mm。2 系统原理及总体设计2.1 平行度及径向跳动测量原理2.1.1径向跳动径向跳动是用来检测轴偏差的，检查轴是某点圆度和轴上该处相对于基准线偏差。跳动公差是关联实际要素绕基准轴线回转一周或连续回转时所允许的最大跳动量。跳动公差包括圆跳动和全跳动。圆跳动:圆跳动是被测实际要素绕基准轴线作无轴向移动、回转一周中，由位置固定的指示器在给定方向上测得的最大与最小读数之差。 全跳动:全跳动是被测实际要素绕基准轴线作无轴向移动的连续回转，同时

14、指示器沿理想素线连续移动，由指示器在给定方向上测得的最大与最小读数之差。 图2.1 圆跳动测量示意图 图2.2 全跳动测量示意图2.1.2 平行度平行度公差是一种定向公差，是被测要素相对基准在方向上允许的变动全量它影响加工工件的精确度，因此控制平行度误差在允许的范围内就显得更为重要。平行度分为面对面、面对线、线对线、线对面等形式。本课题主要研究的是轴类零件线对线的平行度误差测量。公差要求是测量孔的轴线相对于基准孔的轴线的平行度误差。需要用心轴模拟被测要素和基准要素。将两根心轴装于基准孔和被测孔内，形成稳定接触，如图2.3所示：测量前，要先找正基准要素，找正基准心轴上素线与平板工作面平行。用一对

15、等高支承基准心轴，就认为找正好了。也可以用一个固定支承和一个图2.3 平行度测量示意图可调支承基准心轴，双手推拉表架在平板上缓慢地作前后滑动，调整可调支承，当指示表在基准心轴上素线左右两端的读数相同时，就认为找正好了。在被测心轴上确定两个测点a、b，设二测点距离为12，指示表在二测点的读数分别为Ma、Mb，若被测要素长度为l1，那么，被测孔对基准平面的平行度误差可按比例折算得到。计算公式为： F/=|Ma-Mb|L1/L2由于千分表需要人眼读数，增加误差来源。这里我们用传感器代替千分表进行测量7。2.2 测量方案目前测量径向跳动与平行度主要方法：V型块法和顶针法。用V型块测量时，将工件放在V型

16、块上，以V型块的两个面来定位。转动工件或者移动测量头以测量工件的平行度和径向跳动。用顶针测量时，用顶针将工件固定，转动顶针带动工件转动，移动测量头。以测量工件的平行度和径向跳动。这里我们需要设计自动化较高的测量装置，使用V型块测量时，一般手动转动工件，使用其他零件带动工件转动时容易产生过定位。而顶针机构则不存在这个问题。所以这里我们采用顶针法测量。2.3 仪器总体机构设计如图2.4 所示，装置采用卡盘与顶针将工件固定并带动工件转动。以卡盘中心轴线与顶针顶尖轴线作为基准。传感器则通过位移工作台带动进行水平位移。图2.4 系统总体框图 系统机械结构可分成两个部分，带动工件转动的回转运动系统以及带动

17、传感器运动的位移工作台系统。回转运动系统由顶针、三爪卡盘、主轴组件、步进电机等组成。位移工作台系统由丝杆螺母机构、导轨副、工作台、传感器等组成。图2.5 装置三维示意图2.4 本章小结本章介绍了平行度、径向跳动公差的定义、测量方法。分析选择了测量方法，对测量装置进行了总体设计。将系统机械结构设计分成位移工作台系统与回转主轴系统两部分。对仪器的系统功能提出了要求。3 工作台传动系统本次设计测量仪采用工作台承载着传感器运动的方式，因此需要设计一个运行平稳的高精度一维直线运动工作台。设计要求行程达100mm，定位分辨率高于10um，运行速度达5mm/s。参考一般的精密运动工作台设计方案，我们知道，它

18、们一般都包括直线导轨副、传动机构、驱动源（一般为电动机）以及工作台面这样几个主要部分。 电动机经丝杠螺母传动机构后，旋转运动变为直线运动，驱动与螺母相连的工作台面运动；由于工作台面放置在直线导轨副的滑块部分上，因此可以平稳地在导轨座上运行。通过选用高精度的导轨，系统可以达到较高的机械精度。在工作台面下面安装有两个限位开关，防止工作台运行超出允许的范围。电机、联轴器、轴承、丝杆构成了本工作台的主轴系统，所以同时需要设计主轴的支承结构。由于丝杆副的螺杆较长，考虑到热胀冷缩效应我们把轴承设计成一端固定，一端游动的形式。为了使螺杆能够承受双向载荷，固定端采用两个角接触轴承。而游动端采用深沟球轴承。3.

19、1传动机构设计在这个直线运动工作台中，我们需要一个把电机的旋转运动转化为导轨的直线运动的传动机构。一般地，有齿轮齿条机构、皮带轮机构、丝杠螺母机构等可以选择。齿轮齿条机构：承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，2m/s，缺点：减速比小，若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。一般用于大版面钢板、玻璃数控切割机，建筑施工升降机可达30层楼高。皮带轮机构: 承载力较大，负载再大就要加宽皮带，传动精度较高，传动长度不可太大，否则需要考虑较大的弹性变形和振动，传动距离大尤其不适合精确定位、连续性运动控制，如大版面数控设备的XY轴，但是可用于伺服电机到传动齿轮或伺服

20、电机到丝杠的短距离传动。优点：短距离传动速度可以很高，噪音低一般用于小型数控设备、某些打印机8。丝杠 ：（1）普通梯形丝杠可以自锁，这是最大优点，但是传动效率低下，比上述二者低许多，所以不适合高速往返传动。缺点是时间久了传动间隙大，回程精度差，用在垂直传动较合适。（2）滚珠丝杠不能自锁，传动效率高，精度高，噪音低，适合高速往返传动，但是水平传动时跨距大了要考虑极限转速和自重下垂变形，所以传动长度不可太大，要么改用丝母旋转丝杠不动，但还是不能太长，要么就用齿轮齿条。典型用途：数控机床，小版面数控切割机综上考虑，由于齿轮齿条机构减速比小、消除间隙困难；皮带轮机构会有弹性滑动现象，且占用空间比较大，

21、而普通丝杆传动间隙大，回程精度差，它们都难以达到较高的定位精度，因此我们选择了最后一种丝杠螺母机构。通过在螺母与螺杆间配以滚珠，可以大大减小摩擦系数，不仅提高了传动效率，更可以消除背隙，从而达到较高的定位精度。同时，由于螺旋机构本身的减速作用，工作台的定位精度可以得到进一步的提高。 这里选用南京工艺装备制造厂生产的滚珠丝杆。丝杆外形如图3.1所示。图3.1 滚珠丝杆外形通过估算，选取丝杆直径为16mm较为合适，选取导程为2mm以提高减速比，并减小驱动力，通过与整体结构的协调，选取行程大致为200mm的螺杆副。选用丝杆型号为JF1602-4： 单牙螺杆，直径16mm，导程2mm，螺帽内珠卷数为3

22、，法兰形螺帽，单螺帽，滚珠内循环，螺杆螺纹部分长340mm，总长360mm。3.2 导轨选型导轨一般分为滑动导轨、滚动导轨、气浮或液压导轨。目前国内外基本使用如下三种类型导轨，其基本性能比较如图3.1：表3.1 导轨性能比较滑动导轨滚动直线导轨静压导轨摩擦系数F=0.040.6F=0.0015F=0.0050.001运行速度低速低速高速中速高速刚度高较高较低定位精度2m0.5m差寿命三者相近可靠性高较高较差将滑动导轨与滚动导轨相比较，虽然前者制造较为容易，成本较低，承载能力大，但其摩擦系数较大，需要较大的驱动力，且容易磨损，同时由于动静摩擦系数差别大因而不易达到较高的定位分辨率。相比之下，滚动

23、导轨更适合本设计的要求。采用直线滚动导轨的优点：（1）工作精度高 直线导轨的运动由滚动来实现，不仅摩擦系数降至滑动导轨的1/50，动、静摩擦阻力的差距亦变成很小，实现运动平稳，减少冲击和 振动，不易产生爬行现象，故能达到UM级进给和定位精度，有益于提高数控系数的响应速度和灵敏度 。（2）大幅度降低驱动率由于直线导轨运动时摩擦力非常小，只需较小的动力，便能使机台运动，明显大幅度机 台电力损耗量，且因摩擦产生的热量很少，是适用于高速，频繁启动和换向的运动部件。（3）润滑结构简单直线导轨在滑块上装有注油杯，可直接以注油注入油脂，亦可连接供油管以自动供油机 润滑，使其的磨耗降至更少，使机台能长时间保持

24、精主工。（4）防尘、密封能力强直线导轨防尘性能良好，滑块的两端装有密封端盖，底部可选用密封底片，同时滑轨固 定螺钉孔配有防尘螺孔盖，防止灰尘的积累，从而保证产品的寿命和性能。 （5）安装方便、互换容易由于采用精密的加工技术，滑轨直线度高，滑轨中的安装螺孔误差少，安装方便，直线 导轨具有互换性，可分别更换滑块或滑块甚至是直线导轨，即可使机台重新达到高精度。（6）承载能力大，刚度强直线导轨采用哥德式四点接触设计，合理比值的圆弧沟槽，不仅接触应力小，载荷能力 及刚度相对V型平面球点接触时亦大大提高。由于铜球受到对称四点束制,可同时载受四周各方向的负荷，且几乎无偏移现象发生，因此刚性更强能维持高精度9

25、。这里我们选用导轨型号为LM12AA，导轨外形如图3.3所示，其参数如表3.2所示。表3.2 LM12AA参数基本编号装配后组合尺寸滑块尺寸高度HEW2幅宽W滑块牙孔间隔BJ滑块长LL1J1P安装孔LM12AA1337.5253.564.51060240320370.导轨尺寸基本额定载荷重量导轨宽W1W3H孔距F安装螺栓孔dDhG最大长度（mm）动载荷C(kgf)静载荷Co(kgf)滑块（g）导轨（g/100mm）12-7.5253.564.5106002403203761图3.3 导轨外形3.3 电机选型 3.3.1 步进电机一般地，可以用来实现高精度控制的电动机有步进电机和伺服电机两种。相

26、对而言，步进电机结构简单，价格便宜，但由于缺少反馈环节，因而控制的精度及稳定性都不如伺服电机好，并且伺服电机具有过载能力。这里基于成本考虑选用步进电机。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，该角度称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100)的特点，广泛应用于各种开环控制。归纳起来，步进电机具有

27、以下特点： (1) 定子绕组的通电状态每改变一次，其转子便转过一定的角度，转子转过的总角度(角位移)严格与输入脉冲的数量成正比。 (2) 定子绕组通电状态改变速度越快，其转子旋转的速度就越快。即通电状态的变化频率越高，转子的转速就越高。 (3) 改变定子绕组的通电顺序，将导致其转子旋转方向的改变。 (4) 若维持定子绕组的通电状态，步进电机便停留在某一位置固定不动，即步进电机具有自锁能力，不需要机械制动。 (5) 步距角d与定子绕组相数m，转子齿数：，通电方式k(k=拍数相数，“拍数”是指步进电机旋转一圈，定子绕组的通电状态被切换的次数。“相数”是指步进电机每个通电状态下通电的相数)有关，可以

28、用下式表示： （3.1）3.3.2 选择步进电机的几个原则 对步进电机的初步选型，主要考虑三方面的问题：（1）步进电机的步距角要满足进给传动系统脉冲当量的要求；（2）步进电机的最大静力矩要满足进给传动系统的空载快速启动力矩要求；（3）步进电机的启动矩频特性和工作矩频特性必须满足进给传动系统对启动力矩与启动频率、工作运行力矩与运行频率的要求。总之，应遵循以下原则： (1)应使步距角和机械系统相匹配，以得到机床所需的脉冲当量。有时为了在机械传动过程中得到更小的脉冲当量，一是改变丝杠的导程，二是通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不能改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定的。 (

29、2)要正确计算机械系统的负载转矩，使电机的矩频特性能满足机械负载要求并有一定的余量，保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般来说，最大静力矩大的电机，其承受的负载力矩也大。 (3)应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。(4) 合理确定脉冲当量和传动链的传动比。脉冲当量应该根据进给传动系统的精度要求来确定。如果取得太大，无法满足系统精度要求；如果取得太小，要么机械系统难以实现，要么对系统的精度和动态特性提出的要求过高，使经济性降低。对于开环系统

30、来说，一般取00050.01mm为宜。传动链的传动比可按下式计算：式中：为步进电机的步距角，L0为滚珠丝杠的基本导程，p为移动部件的脉冲当量101112。这里电机通过联轴器与丝杆相连，取i=1。3.3.3步进电机负载转矩计算及选型 假设工作台承重60kg，导轨滚动摩擦系数取0.004,加速时间t=0.2s，运行速度0.3m/min。（1） 导轨摩擦力Ff： Ff=0.04600N=2.4N （3.2）（2） 配重及滑板的惯性力FG： FG=ma （3.3） m=60kg （3.4） （3.5） FG=600.025=1.5N （3.6）（3） 总牵引力：=3.9 （3.7）滚珠丝杆效率取=0.

31、95，丝杆扭矩为： =0.0013Nm （3.8）换算到电机上：=0.0013 （3.9）电机频率：=1000HZ （3.10）式中S0脉冲当量。表3.3 电机型号规格型号轴径(mm)机身长（mm）步距角（。）静转距相电流（A）相电阻（）相电感（mH）引线数转子惯量（G.cm2）重量（kg）56BYG3H3526.3540.51.20.455.20.2420.2231000.556BYG3H3566.3553.51.20.95.60.240.26732200.7556BYG3H358876.91.21.55.80.290.3933801.1 这里我们选用ADTECH公司上产的步进电机。查询电机

32、型号规格，如表3.3。这里我们选择电机型为56BYG3H352。3.4 传感器选型根据平行度与径向跳动测量输出小的特征，本系统选用互感式电感传感器。电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。如下图所示为电感传感器，是由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输

33、入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。图3.6 传感器外形表3.1 传感器参数型号测量范围（mm）总行程(mm)

34、前行程(mm)线性误差(m)重复性误差(m)测力(N)特征形式DGC-6PG/A0.311.50.350.550.5%0.050.120.18杠杆式这里我们选用中原量仪厂生产的DGC-6PG/A型号传感器，传感器外形如图3.6所示。传感器参数如表3.1所示。3.5 限位开关选型为了限制工作台运行范围，防止超量程行走，我们在工作台的两边各安装一个限位开关，用以将工作极限位置反馈给控制电路，保证电机能够及时地停止运转。一般地，我们可以选择行程开关，接近开关，机械接触开关等方式。由于行程开关多用于大中型机床，且工作电压较高，因此尺寸相应较大，不适合于本设计的小型仪器。接近开关工作时，不需要接触，距离

35、数毫米时即可发出信号，但需要配备相关驱动电路，不若机械接触开关简单。我们选择了欧姆龙（OMRON）公司的D5B5011型机械接触开关作为限位开关。其含义为：D5B型，筒径5mm，半球柱塞形，1m长输出软线。图3.7 机械接触开关3.6 精度分析本工作台的精度主要分为水平方向的传动精度及垂直方向的变动精度。前者主要影响工作台的定位精度，后者则直接影响测量头的测量误差。由于整体的精度分析较为复杂，且涉及到制造装配误差，因此这里仅给出工作台分辨率和台面受载变形的理论估算。（1） 丝杆刚性 丝杆刚性是指它带动工作台运动过程中抵抗直线度变化的能力。经查得，直径16mm导程的螺杆刚性约为，前面已计算得工作

36、台推进力约为2.4N，因此，螺杆刚性会导致变形： （2.4/9.8）/0.15=1.6m （3.11）装配时通过加以预压，可以消除滚珠丝杠的背隙，因此可以不考虑背隙引入的误差。（2）步进电机分辨率步进电机步距角为1.2度，360度细分为300份。经导程为2mm的螺杆转换，直线分辨率相当于：S=2mm/300=6.6m （3.12）（2）导轨平行度导轨横截面在全长方向上的平行度对测量精度会有直接影响。对于导轨的安装面及工作台底座的平面度以及粗糙度需要进行技术要求。3.7 本章小结本章介绍了工作台位移系统的设计过程。对工作台传动机构进行了分析选型。还对导轨、传感器、步进电机等组件进行了选型计算。并

37、对位移工作台系统做了粗略的精度分析。4 卡盘及主轴系统本系统由顶针、卡盘及带动卡盘转动的主轴及其组件组成。工作时利用三爪看盘与顶针将工件定位。三爪卡盘与主轴连接，步进电机带动主轴进行回转运动，进而带动卡盘及其定位的工件进行回转运动。4.1 卡盘选型及安装“卡盘”是机床上用来夹紧工件的机械装置。利用均布在卡盘体上的活动卡爪的径向移动，把工件夹紧和定位。卡盘一般由卡盘体、活动卡爪和卡爪驱动机构3部分组成。卡盘体直径最小为65毫米，最大可达1500毫米，中央有通孔，以便通过工件或棒料；背部有圆柱形或短锥形结构，直接或通过法兰盘与机床主轴端部相联接。从卡盘爪数上面可以分为：两爪卡盘，三爪卡盘，四爪卡盘

38、，六爪卡盘和特殊卡盘。这里我们选用三爪卡盘。三爪卡盘是由一个大锥齿轮，三个小锥齿轮，三个卡爪组成。三个小锥齿轮和大锥齿轮啮合，大锥齿轮的背面有平面螺纹结构，三个卡爪等分安装在平面螺纹上。当用扳手扳动小锥齿轮时，大锥齿轮便转动，它背面的平面螺纹就使三个卡爪同时向中心靠近或退出。表4.1 三爪卡盘规格规格D1D2D3HH1H2hZ-d最大输入扭矩极限转速净重KG80566616503.53-M64066001.9 图4.1 卡盘安装示意图由于测量装置较小，这里我们选用小型的三爪卡盘，卡盘直径为80。卡盘参数如下表4.1所示。 如图4.1所示，主轴前端为短锥法兰结构，以短锥和轴肩端面作为定位面，用四

39、个螺钉将卡盘固定在主轴上。由装在主轴轴肩断面上的端面键传递转矩。这种主轴轴端结构的定心精度高，连接刚度好，装卸卡盘也比较方便13。4.2 顶针选型顶针，机械加工中的机床部件，有固定顶尖和活动顶尖两种。固定顶尖可对端面复杂的零件和不允许打中心孔的零件进行支承。顶尖主要由顶针、夹紧装置、壳体、固定销、轴承和芯轴组成。顶尖的一端可顶中心孔或管料的内孔，另一端可顶端面是球形或锥形的零件，顶尖由夹紧装置固定。 固定顶尖的剐性好、定心准确，但中心孔与硬尖之间是滑动摩擦，易磨损和烧坏顶尖。 活动顶尖内部装有滚动轴承，顶尖和工件一起转动，能在高转速下正常工作。但活顶尖的刚性较差，有时还会产生跳动而降低加工精度

40、。所以，活顶尖只适用于精度要求不太高的工件。这里我们选用固定顶针。图4.2 顶针规格顶针规格如图4.2所示，这里我们选用顶针直径为07，顶针沉头规格为116。如图4.3所示，将顶针安装在套筒一端，套筒另一端为丝杆机构。丝杆机构可以调节套筒的伸缩量，带动套筒上的顶针进行轴向运动，从而将工件固定。套筒上需要挖一段长槽，通过销来限定套筒的位移，并且限制套筒不让其随丝杆进行旋转运动，保证旋转运动转化为位移运动。为了使套筒能伸缩运动并且为了保证顶针与卡盘轴心的同轴度，套筒与箱体之间为较为精密的间隙配合。1丝杆 2顶针套筒 3销 4凸轮 5顶针图4.3 顶针安装示意4.3 主轴组件4.3.1主轴组件设计要

41、求主轴组件由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件及紧固件、密封件等组成。主轴组件是测量机构的执行件，由它带动工件旋转以完成测量运动，并使工件与测量装置其他部件间保持正确的相对位置。因此主轴组件是装置中一个关键组件，它的工作性能直接影响装置的测量精度。设计时对轴系的关键零件应进行详细计算。设计主轴时，除了确定结构尺寸外还应定出合理的技术要求，主要内容为尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和热处理要求等。主轴和一般的传动轴都要在一定的转速下传递一定的转矩，保证传动件和支承的正常工作。主轴组件应满足以下基本要求。1、旋转精度主轴的旋转精度是指主轴在手动或低速、空转时，主轴前端定位面的径向跳动和轴向窜动值。

42、当主轴以工作转速旋转时，主轴回转轴线的漂移，即主轴的运动精度，对于精密的测量装置是不能忽略的。主轴组件的旋转精度取决于部件中各主要件（如主轴、轴承及支座孔等）的制造精度和装配、调整精度：运动精度还取决于主轴的转速、轴承的性能、润滑剂和主轴组件的动态特性。2、静刚度静刚度简称刚度，是指主轴组件在受外载时抵抗变形的能力。主轴组件的刚度与主轴结构尺寸，所选用的轴承类型和配置及预紧，支撑跨距和主轴前端悬伸量，传动件的布置方式，主轴件的制造和装配质量等有关。3、抗振性主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力。如果主轴组件的抗振性差，工作时容易产生振动，会影响测量的精度，降低主轴轴

43、承的使用寿命。4、耐磨性主轴组件的耐磨性是指长期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。为了提高耐磨性，要正确选择主轴和轴承的材料和热处理方法、润滑方式，合理调整轴承间隙，良好的润滑1415。4.3.2 主轴设计要求主轴主要尺寸参数包括主轴直径、悬伸长度和支承跨距。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。（1）主轴直径 主轴直径越大其刚度越高，但使得轴承和轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承直径越大，同等级精度轴承的公差值越大，要保证主轴的旋转精度就越困难，同时使极限转速下降。主轴前支撑轴颈的直径可根据主电机功率初步选择，轴承后端轴颈直径可以是前支承轴颈0

44、.70.8倍，实际尺寸要在主轴组件结构设计时确定。前、后轴颈的差值越小则主轴刚度越高，工艺性也越好。（2）前悬伸a 主轴前支承点到主轴前端的距离a称为主轴的前悬伸。主轴的前悬伸长度与主轴前端结构的形状尺寸、前轴承的类型、组合方式和轴承的润滑与密封有关。主轴的前悬伸长度对主轴的刚度影响很大。主轴前悬伸长度越短其刚度越高。因此在结构设计时，应尽量缩短悬伸量a。 （3）主轴的支承跨距l 主轴前支承点到主轴后支承点之间的距离称为跨距l，主轴组件的支承跨距对主轴本身刚度和对支承刚度有很大的影响。跨距l对综合刚度k的影响不是单向的。如l较大，则主轴变形较大;如果l较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。所以l有一个最佳值，太大或太小都会降低综合刚度。（4）主轴轴端结构 测量装置的主轴前端用于安装三爪卡盘。要求三爪卡盘在轴端定位精度高、定位刚度好、装卸方便，同时使主轴的悬伸长度短。短锥法兰结构有较高的定位精度，主轴悬伸长度短，大大提高主轴的刚度。本次设计的主轴前端结构为短锥法兰，以轴肩端面和短锥定位。通过四个螺钉对卡盘进行锁紧。 （5）主轴的材料和热处理