机械设计文献综述最终版
1 课题的背景和意义
扫描式三维形貌检测系统即为三坐标测量机,是经过40多年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器,有着非常广泛的用途。
20世纪60年代以来,工业生产有了很大的发展,特别是机床、机械、汽车、航空航天和电子工业兴起后,各种复杂零件的研制和生产需要先进的检测技术与仪器,因而体现三维测量技术的三坐标测量机应运而生,并迅速发展和日趋完善。作为近40年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器,三坐标测量机已广泛地用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测,例如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量。此外,还可用于划线、定中心孔、光刻集成线路等,并可对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接,已成为一类大型精密仪器,故有“测量中心”之称。
三坐标测量机主要由四大部分组成:主机机械系统(X 、Y 、Z 三轴或其它)、测头系统、电气控制硬件系统、数据处理软件系统(测量软件)。
三坐标测量机的出现是标志计量仪器从古典的手动方式向现代化自动测试技术过渡的一个里程碑。三坐标测量机在下述方而对三维测量技术有重要作用:
(1)解决了复杂形状表面轮廓尺寸的测量,例如箱体零件的孔径与孔位、叶片与齿轮、汽车与飞机等的外廓尺寸检测;
(2)提高了三维测量的精度,目前高精度的坐标测量机的单轴精度,每米长度内可达1μm 以内,三维空间精度可达1μm 一2μm 。对于车间检测用的三坐标测量机,每米测量精度单轴也可达3μm 一4μm ;
(3)由于三坐标测量机可与数控机床和加工中心配套组成生产加工线或柔性制造系统,从而促进了自动化生产线的发展;
(4)随着三坐标测量机的精度不断提高,自动化程度不断发展,促进了三维测量技术的进步,大大地提高了测量效率。尤其是电子计算机的引入,不但便于数据处理,而且可以完成CNC 的控制功能,可缩短测量时间达95%以上。
2 本课题相关技术的国内外发展概况
2.1三坐标测量机的发展历程
三坐标测量机是集机械、光学、控制技术、计算机技术为一体的大型的精密测量仪器,由于它的通用性强,测量范围大、精度高、效率高、性能好,因此自1959年
世界上第一台三坐标测量机在英国制造出来,仅几十多年的历史,它就取得了飞速的发展,至今己经历了以下三个发展阶段:
(1)手动数显打印型:这种类型坐标测量机主要用于几何尺寸测量,采用数字显示,可打印测量结果,一般采用手动测量。带有电传打印系统的坐标测量机虽然解决了数据打印问题,但记录下来的数据仍需要人工进行运算。例如在测量机上测量孔距,实际上测得的是孔上各点的x 与 Y坐标,需要进行计算处理才能得出结果,人工计算工作量很大,所以这类测量机目前已被淘汰。
(2)手动型:带有小型电子计算机的测量机的数据系统由三部分组成 :即数据输入 部分、数据处理部分与数据输出部分。有了电子计算机可进行诸如工件安装倾斜的自动校正计算、坐标变换、孔心距计算、偏差值计算等工作。并且可以预先储备一定量的数据,通过计量软件存储所需测量件的数学模型,对曲线表面轮廓进行扫描测量。此类型的三坐标测量机采用手动或机动皆可。
(3)计算机数字控制型(CNC ):带有小型电子计算机数据处理的测量机虽解决了数据处理问题,但测量过程仍然是手动或机动的,对一些大型零件(如汽车外壳、叶片或航空工业与空间技术中的一些具有曲线表面的零件)和一些精度要求较高或对测力有一定要求的零件(如非金属材料或薄壁零件等)的测量,手工操作既费力,又不能保证检验精度,因此发展出计算机数字控制坐标测量机。这种测量机可按照编制好的程序自动进行测量。计算机将贮存在磁盘中的程序读入,经信息处理,通过数控伺服机构控制测量机按程序自动测量,并将测量的结果输入计算机,按测量要求进行数据处理并自动打印数据或磁盘等形式输出。
2.2三坐标测量机未来的发展趋势
先进制造技术、各种工程项目与科学实验的需要也对三坐标测量机不断提出新的、更高的要求。从目前国内外三坐标测量机发展情况和科技、生产对三坐标测量机提出的要求看,在今后一段时期内,它的主要发展趋势可以概括为以下几方面。
(1) 普及高速测量:质量与效率一直是衡量各种机器性能、生产过程优劣的两项主要指标。传统的概念是为了保证测量精度,测量速度不宜过高。随着生产节奏不断加快,用户在要求测量机保证测量精度的同时,会对CMM 的测量速度(Measuring Speed )提出越来越高的要求。
(2) 新材料和新技术的应用:为确保可靠高速的测量功能,国外十分重视研究机体原材料的选用,最近在传统的铸铁、铸钢基础上,增加了合金、石材、陶瓷等新材料。 Zeiss、 Sheffield、 LeiLz.、FerranLi (英国)、DEA 等世界上的主要三坐标测量机制造厂商,大都采用了重量轻、刚性好、导热性强的合金材料,来制造测量机上的运动机构部件。铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广泛的应用。
(3) 控制系统的改进:在现代制造系统中,测量的目的越来越不能仅仅局限于成品验收检验,而是向整个制造系统提供有关制造过程的信息,为控制提供依据。从这一要求出发,必须要求测量机具有开放式控制系统,具有更大的柔性。为此,要尽可能利用发展迅速的新的电子工业技术,尤其是计算机,设计新的高性价比系统。
(4) 测量机测头的发展:三坐标测量机除了机械本体外,测头是测量机达到高精度的关键,也是坐标测量机的核心。与其他各项技术指标相比,提高测头的性能指标难度最大。解决理想测头的途径必然带动“固体传感器”技术的发展,并且探测方式应由被动感知改为主动探测,此外,测量机测头的另一个重要趋势是,非接触测头将得到广泛的应用。
(5) 软件技术的革新:测量机的功能主要由软件决定。三坐标测量机的操作、使用的方便性,也首先取决于软件,测量机每一项新技术的发展,都必须有相应配套的软件技术跟上。可以说测量机软件是三坐标测量机中发展最为迅速的一项技术。软件的发展将使三坐标测量机向智能化的方向发展,它至少将包括能进行自动编程、按测量任务对测量机进行优化、故障自动诊断等方面的内容。
2.3 扫描式三维形貌检测系统Z 方向驱动设计
此次设计的主要内容是基于光电原理的三维形貌检测系统的驱动设计,包括三大部分:机械系统设计、检测系统设计和控制系统设计。其中驱动系统的机械系统设计部分是主要的内容,它包括了驱动系统总体设计、机械传动设计、机械支承设计、执行部件设计,由于驱动系统的Z 轴方向为竖直立式结构,所以还包括了制动系统设计;驱动系统的检测系统设计部分主要涉及到了基于光电原理的测头检测系统设计、控制Z 轴方向测头位置的位移检测系统设计以及限制行程起保护作用的接近开关检测系统设计;而驱动系统的控制系统设计主要是利用PLC 作为控制器,通过闭环反馈实现对驱动系统的精确控制。通过上述三部分所组成的驱动系统,实现了扫描式三维形貌检测系统在Z 轴方向的高精度驱动
此次设计的要求及主要的技术参数有:
A. 行程范围:0-500mm ;
B. 定位精度:±0.005mm ;
C. 驱动方式:伺服或步进驱动;
D. 控制方式:PLC 或计算机控制;
E. 系统性能可靠,结构简单,维修、维护方便。
2.3.1 机械系统设计
驱动系统的机械系统设计部分是主要的内容,它包括了驱动系统总体设计、机械传动设计、机械支承设计、执行部件设计以及制动系统设计。其中总体设计关系到驱动系统的结构布局,对后面零部件的设计选型有着决定性的影响,而最能影响总体设计方案选择的无疑就是驱动系统的传动方案选择,通过不同的传动方式功能特点和应用特性的比较,考虑到螺旋传动中的滚珠丝杠副传动有着传动效率高、定位精度高、刚度好、运动平稳、使用寿命长等众多优点,所以驱动系统采用了滚珠丝杠副进行传动,通过由计算所得出的丝杠必需的额定动载荷用CQ368T4滚珠丝杠,再通过对丝杠的接触刚度和拉压扭转刚度、丝杠稳定性以及丝杠寿命的计算校核,表明所采用的滚珠丝杠合格通过,可以选用;而介于丝杠和执行部件之间起传递转矩并有过载保持作
用的联接零件,根据实际需要采用了联轴器,又因凸缘联轴器与其他类型的联轴器相比有着结构简单、工作可靠、装拆方便、刚性好、传递转矩大等优点,所以采用了GB5843-86凸缘联轴器YLD3,再通过传递转矩和转速的校核确定了这类联轴器可以安全有效使用。机械支承设计主要包括轴承的选型、导轨的选型和机构支架的设计,考虑到较之滑动轴承,滚动轴承有着摩擦阻力小、启动及运转力矩小、启动灵敏、功率损耗小且轴承单位宽度承载能力较大、润滑安装及维修方便等优点,所以丝杠两端采用了滚动轴承承载,又因为轴承在既要承受径向载荷又要承受轴向载荷,且轴向载荷较大,所以采用了两单列角接触轴承面对面安装的组合轴承,最后通过滚动轴承的寿命计算校核通过了此类轴承的选择;由于滑动导轨结构简单、制造方便、接触刚度好、抗振性高、工艺性好,所以驱动系统采用了成本较低且安装方便的光轴直线滑动导轨;而机构支架设计主要是根据支架必须满足工作要求、有足够的承载能力、工艺性好和实际的形状结构需要进行设计,符合实用、经济、美观三项基本原则。执行部件设计先通过不同类型执行部件的优缺点比较,决定使用以电能作为动力的电动执行部件,即电动机,又通过步进电机和交流伺服电机在控制精度、速度响应性能、运行性能、过载能力、矩频特性、低频特性六个方面的比较,决定使用总体性能更优越的交流伺服电机进行驱动。由于驱动系统的Z 轴方向为竖直立式结构,所以驱动系统还包括了制动系统设计,在这里选择了利用制动器进行制动的设计方案,由于锥盘式摩擦制动器制动盘轴不受弯曲、构造紧凑、磨损比较均匀、制动转矩大小与旋转方向无关、摩擦面散热条件较好等优点符合驱动系统的需要,所以选择了操作方便反应快捷的电磁锥盘式制动器进行制动,防止由于滚珠丝杠副不能自锁而产生的电机停止时丝杠副逆转现象,起到了制动保护的作用。
图2.1 驱动系统总体结构
1.电磁制动器2. 滚动轴承3. 导轨副4. 滚珠丝杠5. 丝母6. 接近开关7. 光栅尺8. 联轴器9. 电机
2.3.2 检测系统设计
驱动系统的检测系统设计部分主要涉及到了基于光电原理的测头检测系统设计、
控制Z 轴方向测头位置的位移检测系统设计以及限制行程起保护作用的接近开关检测系统设计三个部分。其中基于光电原理的测头检测系统设计是对被测物进行三维形貌检测的直接检测系统,其核心元件为光电传感器,具有精度高、反应快、非接触、可测参数多、传感器的结构简单、形式灵活多样等优点。控制Z 轴方向测头位置的位移检测系统设计根据精度指标、效率指标和电气接口形式选择采用封闭式光栅尺HQ-200,其性能指标达到了驱动系统Z 轴方向测头位移测量定位的实际需要。而为限制行程起保护作用的接近开关检测系统设计,通过电感式接近开关、电容式接近开关、磁感式接近开关和光电式接近开关的性能比较,最终选择了综合性能较好的电容式接近开关,其技术指标达到了实际的需要。
在现代工业中, 通过传感器检测有关外部环境及自身状态的各种物理量(如力、温度、距离、变形、位移、速度、加速度等) 及其变化,并将这些信号检测出来,反馈给控制装置或进行显示,实现上述功能的传感器及其相应的信号检测电路,就构成了现代检测系统。
由于各行业中需要检测的量绝大部分是非电量,直接对这些非电量进行放大、运算、传输、记录、指示等腰三角形是相当困难的,如果将这些非电量转换为电量,则这一切就变得容易多了。因此,现代检测系统一般都是非电量检测系统,其构成图
5.1所示,包含两个环节:
图5.1 检测系统的组成
(1)把各种非电量信号转换为电信号,这就是传感器的功能。传感器是检测系统的信号获取部分,它将被测物理量转换成以电量为主要形式的信号,所以传感器又称为“一次仪表”。
(2)对传感器送出的电信号进行加工,使之成为合乎需要的、便于输送或显示和记录的、可作进一步后续处理的信号,这叫电信号处理系统,通常又称为“二次仪表”。
2.3.3控制系统概述
作为目前世界上最新型的控制系统,现场总线控制系统已成为目前自动化技术中的一个热点,正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。现场总线控制系统的出现,将给自动化领域带来又一次革命,其深度和广度将超过历史的任何一
次,从而开创自动化的新纪元。驱动系统的控制系统设计主要是利用PLC 作为控制器,通过闭环反馈实现对驱动系统的精确控制。通过上述三部分所组成的驱动系统,实现了扫描式三维形貌检测系统在Z 轴方向的高精度驱动。
现场总线控制系统具有代表意义的就有可编程序控制器(PLC )、分散控制系统(DCS )、现场总线控制系统(FCS )、监测监控及数据采集系统(SCADA )系统等等。不同的控制系统有其自己的功能特点和合适的应用场合。
(1)PLC 即可编程控制器:适用于工业现场的测量控制。它迅速发展和广泛应用的原因是现场测控功能强,性能稳定,可靠性高,技术成熟,使用广泛,价格合理。它具有继电接触器控制装置和通用计算机及其它控制系统所不具有的特点。
(2)DCS 即集散工控制系统:属90年代国际先进水平大规模控制系统。它适用于测控点数多、测控精度高、测控速度快的工业现场,其特点是分散控制和集中监视,具有组网通讯能力、测控功能强、运行可靠、易于扩展、组态方便、操作维护简便,但系统的价格昂贵。
(3)FCS 系统即现场总线控制系统:FCS 保留了DCS 的特点,或者说FCS 吸收了DCS 多年开发研究以及现场实践的经验。今后十年,传统的4~20mA模拟信号制将逐步被双向数字通信现场总线信号制所取代,模拟与数字的分散型控制系统DCS 将更新换代为全数字现场总线控制系统FCS 。归纳为一句话:FCS 将取代DCS ,DCS 从此将消亡。FCS 系统的核心是总线协议,即总线标准,基础是数字智能现场装置,本质是信息处理现场化。
(4)SCADA 系统即监测监控及数据采集系统:它的主要结构包括远程控制单元RTU (Remote Terminal Unit)、通讯网络及中心站,主要配置有CPU 模板、I/O(输入/输出)模板、通讯接口单元,以及通讯机(RADIO )、天线、电源、机箱等辅助设备。SCADA 系统集中屯现场测控功能强和组网通讯能力强这两大优点,其讯道既可配有线通讯系统又可配无线通讯系统,性能价格比高,而无线通讯系统尤其适合于地域广阔的应用环境。
可编程序控制器(PLC )是以微处理器为基础,综合了计算机技术与自动控制技术发展而来的新一代工业控制产品。广泛应用子各种生产机械的过程控制。现代的可编程序控制器(PLC )具有逻辑运算,数值运算,数据转换及数据通讯等功能,成为新一代工业控制机,在自动化控制领域内,占有明显的位量。其硬件结构如图8.1所示。
图8.1 PLC简化框图
PLC 的CPU 是按扫描方式工作的,包括读取输入、解读逻辑程序(用户程序)及输出提供服务。扫描是循环进行的,每扫猫一次用户程序就执行一次。若无子程序段,就将全部程序作为一个程序段处理。若有子程序段,CPU 在解读程序之前,先读取该程序的一个程序段的全部输入(已存入输入状态存贮器内),一个程序段的逻辑解读完后,CPU 对此程序段提供输入/输出服务,并开始解读下一个程序段的逻辑。
PLC 的特点有:运行稳定、可靠性高、抗干扰能力强,设计、使用和维修方便,编程语言直观、易学,与网络技术相结合,体积小、质量轻、能耗低。
3 结论
此次设计的主要内容是基于光电原理的三维形貌检测系统的驱动设计,包括三大部分:机械系统设计、检测系统设计和控制系统设计。主要设计参数及设计要求有:行程范围为0-500mm 、定位精度为±0.005mm 、采用伺服或步进驱动方式和PLC 或计算机控制方式,并要求系统性能可靠,结构简单,维修、维护方便。设计过程按照驱动系统三大组成部分分别进行设计选型。
通过以上机械系统设计、检测系统设计和控制系统设计,驱动系统在设计所要具备的技术参数上,实现了扫描式三维形貌检测系统在Z 轴方向的高精度驱动,达到了设计的要求和目的
4 参 考 文 献
[1]金涛,陈建良,童永光,逆向工程技术研究进展,中国机械工程,2002.
[2]许智钦,孙长库,3D 逆向工程技术,中国计量出版社,2002.
[3]赵梅芳、沈邦兴、吴晓明等,多目立体视觉在工业测量中的应用研究 计算机测量与控制 2003
[4]张宏伟,双目视觉形貌测头的研究,[博士学位论文],天津;天津大学,2002.
[5]http://www.tdv-tech.com/docc/scaner.htm
[6]http://www.chitai.com/products/develop/emonster/intro.htm
[7]管业鹏、童林夙,双目立体视觉测量方法研究,仪器仪表学报,2003
[8]吴斌,大型物体三维形貌数字化测量关键技术研究;[博士学位论文],天津;天
津大学,2002
[9]沙吉乐,基于液晶光栅技术的三维视觉测量系统研究;[博士学位论文],天
津;天津大学,2003
[10]张健新、段发阶,双目传感器结构优化设计,光电工程,1996
[11]许智钦,便携式彩色三维激光扫描系统的研究;[博士学位论文],天津,天津大学,2002
[12]苏显渝,张冠申,陈泽先,等。鞋楦三维而形光电自动测量系统,光电工程,1989
[13]丁汉,朱利民,熊振华,复杂曲面快速测量、建模及基于测量点云的RP 和NC 加工,机械工程学报,2003
[14]贾云得,机器视觉,北京;科学出版社,2000