课程设计说明书三维坐标精密工作台设计

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1、精密机械课程设计 Henan Polytechnic University课程设计说明书 设计题目： 三维坐标精密工作台设计 专业班级： 测控0802班 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 设计日期： 2011，6摘 要三坐标测量工作台是近 40 年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它广泛地应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业领域中。它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测。如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、形体等空间型面的测量。此外，还可以用于划线、定中心孔、光刻集成电路等，并可对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。三坐标精密工作台主要应用于工程光学实验。利用

2、各种附件的组合和适当的调整，以及配备观察和光学检测仪器，可进行几何光学和物理光学实验。关 键 词：三坐标 测量台 导轨 丝杠 三坐标工作台主视图一、 设计目的三坐标精密工作台课程设计是一个重要的实践性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：1.通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握三坐标工作台的基本组成及其工作原理，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。2.通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式。3.培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想。4.锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及

3、撰写科技论文的能力。二 总体设计思路（接受）设计任务（拟定）设计方案设计计算绘制装配图绘制零件图 设计过程中需注意以下内容：1）满足使用要求（功能、可靠性及精度要求）2）注意工艺性（结构合理、简单，经济性，外观要求）3）熟悉有关规范、标准、手册掌握正确的设计思想。 设计中涉及到的零件材料、结构等，均需按照有关标准选择；零件的尺寸、公差等亦应符合相关标准；制图也要符合一定的规范。因此在课程设计过程中要求同学学习、掌握查阅标准及使用手册的力。三、设计任务本次课程设计学生应完成微调工作台的设计，要求X/Y/Z三轴微调位移的精度为0.01mm。其它附件不设计。三坐标微调工作台X、Y、Z轴方向的导轨及传

4、动机构，负载重量G=10N，工作台面尺寸CBH145mm160mm12mm，X、Y、Z三轴的调节范围分别为70mm,70mm,20mm.画出其装配图、零件图，并写出设计说明书。四、设计主要步骤总体方案设计根据工作台的相关参数及测量精度要求选择导轨、螺旋传动副及其它零部件。工作台的尺寸是长度为160mm,宽度为145mm，高度为12mm。它的材料是密度为的灰铸铁HT200。工作台的最大负载重量G10N，测量精度要求达到0.01mm。并初步拟定选用密度为灰铸铁为导轨材料，密度为合金工具钢为丝杠材料。4.1导轨设计滑动导轨由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，以及各个方向行程比较短，故采用刚度较好

5、的滑动直线运动导轨，如图4-1所示，这种导轨结构简单，制造和维护均方便，所需费用在各类导轨中是最低的，抗振性好，承载能力大，能提高运动的稳定性。由于X、Y方向导轨所受静载荷不同而所选材料相同，故只考虑受载荷较大（Y方向）的导轨进行计算与校核，只要其导轨满足设计要求，则X方向导轨一定满足设计要求。4.1.1导轨类型的选择按运动形成导轨可分为直线运动导轨和回转运动导轨两种，由于设计要求导轨作往复直线运动，故选用直线运动导轨。按摩擦性质导轨可分为滑动导轨与滚动导轨两类。由于滑动导轨结构简单，制造和维护方便，所需费用低廉，抗振性好，且由于导轨行程较短，经综合考虑故选用滑动导轨。按导轨截面形状导轨有V形

6、、矩形、燕尾形、圆柱形、平面形、锥面环形等。由于V形导轨在各种截面中导向精度最高，且根据设计导轨行程较短，故采用V形导轨。4.1.2导轨材料的选择及热处理用于导轨的材料，应具有耐磨性好，摩擦因数小，并且具有良好的加工和热处理性质，本设计导轨材料应选用灰铸铁HT200，它有较好的耐磨性，灰铸铁密度为，硬度一般为180200HBW。为了提高导轨表面硬度，采用表面淬火工艺，可以是表面硬度达到55HRC，耐磨性可提高13倍。4.1.3倾覆力矩的校核计算的假设导轨所在部件的刚度很高,受力后导轨面不因部件变形而使变形；导轨面的宽度远小于其长度；沿导轨宽度方向比压无变化；沿导轨长度方向上的比压按线性分布；导

7、轨面上接触变形与比压成正比。受力分析导轨面上所受载荷可以简化成一个在中点的集中力P和一个倾覆力矩M。若有两条导轨，先将力按结构尺寸及着力点将力分到每条导轨上。然后分析沿长度方向受力情况。由力P引起的压强平均分布于整个长度上。 压强 由M引起的压强为导轨所受的最大、最小和平均比压为：图4-2-1 导轨受力分布图当外力通过中心，M=0时导轨的压强即压强按矩形分布。如上图4-2-1。若合力作用点与导轨中心点相距x时：若x=L/6,则M=PL/6则图4-2-2 比压分布图1比压在全长呈三角形分布,此时两端比压相差很大,但仍然保证了全长接触。如上图4-2-2所示。若0xL/6,将为负值,说明导轨将有一段

8、长度不接触。x越大,不接触长度越大。在导轨设计时应尽量保证0x0时有两种情况。当主导轨面上最大比压处的接触变形为,则主导轨面另一端就会出现间隙。当时辅助导轨面与压板不接触,只是主导轨面受力。许用比压导轨的比压是影响导轨磨损主要因素之一,要合理选择。接触变形的计算对位置精度要求高的设备,要考虑由导轨上受到压力所引起的接触变形,各处比压不同,其变形量也不同,会使运动件产生附加的位置变化。但仅校核计算运动形成未超过L/6最大行程为110/2=55mm，而导轨长度为340mm，故L/6=58mm即0x=55mmL/6=58mm，因此导轨在规定的行程范围内不会发生倾覆。4.1.4导轨额定载荷的预算 工作

9、台的重量: 负 载：F1=10NZ轴丝杠及导杆重量:其中导杆及丝杠长度为L60mm，导杆的直径R和丝杠的中径R中是R= =7.5mm，则X轴方向上侧动导轨面的重量:X轴方向静导轨重量: Y轴方向静导轨重量: 底座重量：工作台重量=19.488N，工作台最大载荷=10N，因此导轨额定静载荷为有Z轴承受载荷： =+=10+19.48829.5NX轴动导轨承受载荷：=+=29.5+2.31732NX轴静（Y轴动）导轨承受载荷：=+=32+27.216=59.216NY轴静导轨承受载荷：= +=59.216+142.8200N4.1.5导轨参数选择 表4-1 导轨参数（单位mm）H6810121620

10、253240506580100125H19121518243038486075100h7911131722273443536885105130b不大于1.21.622.5345681012162025b19001.21.622.534568101216202512001.622.534568101216202532b2不小于9000.811.21.622.534568101212001.622.53456810121620K不小于0.811.21.622.5345681012K1不小于11.21.622.53456810121620B=6006.939.2411.5513.8618.4823.

11、0928.87=900121620243240506480100130H1为推荐尺寸；B仅供参考，允许使用不同宽度的棱面。 由表4-1可选用 H=8 H1=12 h=9 b不大于1.6 =600 B=9.24mm导轨长度 L=260mm4.1.6滑动导轨的计算根据导轨的初步尺寸和形状，以及受力情况，求出导轨面上的压力分布，然后算出导轨面上的平均比压和最高比压，其值低于使用经验所推荐的许用比压值。为了使导轨磨损均匀及提高工作寿命，导轨上的压力应尽可能平均，从表中可得，许用最大比压约为许用平均比压的二倍，因此在实际设计实验中，通常只计算平均比压。计算平均比压() 垂直载荷（公斤）；G导轨面所承受的

12、总重量，包括工件和工作台的重量（公斤）；B导轨的水平投影宽度（厘米）；L与工作台接触的导轨面总长度（厘米），对于圆周运动导轨，为原型导轨的平均直径（厘米）；p许用平均比压()，P=(1.5+0.455/2)/(0.9245)=0.384()如下表4-2所示：铸铁导轨的许用比压 ()表4-2 导轨比压选择导轨种类直线运动导轨圆周运动导轨直径D中等机床重型机床磨床D300环状工作台单导轨双导轨主运动导轨平均比压45234321.5最大比压84进给运动导轨平均比压121550.250.40最大比压2530100.500.80注：以固定切削规范工作的专用机床，逊于比压应减小25%；钢对铸铁用表中允许值

13、，钢对钢的允许比压应增加2030%；聚四氯乙烯（P.T.F.E）为基材的塑料正常连续使用时平均比压小于3.5()；间断使用时允许达17.5()；短暂使用时，最大可达35()；锌合金ZnAl10-5导轨的平均比压可达2()。查表得=0.250.40 则导轨尺寸设计合理4.1.7导轨的间隙调整导轨结合面的配合松紧的机器的工作性能有很大的影响。配合过紧时，传动所需的功率加大，手动操作费力，磨损也会加大，运动的平稳性差。配合过松则影响导向的精度。因此在装配式要仔细调整导轨接触面间的间隙。使用一段时间后由于磨损要进行重新调整。所选用的V形导轨采用镶条和压板来实现磨损后的间隙自动调整。4.1.8导轨的润滑

14、保证导轨良好的润滑可以有效减小导轨摩擦和磨损，延长导轨寿命，而保证导轨良好的润滑的关键是选择合适的润滑油。选择润滑油的原则是载荷越大，速度越低，则油的粘度应越大，垂直导轨的润滑油粘度应比水平导轨润滑油的粘度大些。在工作温度变化时,润滑油的粘度变化要小,润滑油应具有良好的润滑性能和足够的油膜强度,不侵蚀机件,油中杂技应尽量少,因此,本设计应选用精密机床润滑油进行润滑。4.2、螺旋传动副的设计 .1螺旋传动副的选择该工作台主要用于空间定位，且要求精度较高，又由于采用的是手动调节，则在低速与微调时回程误差可控制，不需要考虑爬行，为了保证一定的精度及运动平稳性，综合考虑结构，加工工艺，性价比等方面的因

15、素，故采用滑动螺旋传动，这种传动在当螺纹升角小于摩擦角时，能实现自锁，提高运动的稳定性。4.2.2滑动丝杆副的结构选择本工作台由于精度的要求为0.01mm,所以X轴与Y轴都由千分尺螺旋传动机构驱动而Z轴采用细牙梯形螺纹。4.2.3滑动丝杠副尺寸的选择1、由于手动速度较低则可由下表选择螺杆和螺母都采用合金工具钢。表4-3 丝杠材料与速度选择螺杆材料螺母材料速度范围（m/min） 钢 钢青铜钢低速钢钢铸铁青铜2.45.611.21.523561015192815192811.222.4234588111518302432435385243243538522.44535678101212212530

16、344250366375851001251503663758510012515045903489101215193843506045561181321401704556118132140170141618677585200236265200236265901804681224364567711061322007110613220014161875901002362653002362653002022242811211813215033535540045033535540045018035681218507511215022433515022433520222412514015037542545

17、037542545032364044200224250280600670750850600670750850注：N中等旋合长度；L长旋合长度。根据上表4-6选用旋和长度为中等旋和长度N。螺纹公差带的选用表4-7 螺纹公差带选择内螺纹精度公差带位置G公差带位置HSNLSNL精密4H4H5H5H6H中等（5G）（6G）(7G)*5H*6H*7H粗糙（7G）7H外螺纹精度公差带位置E公差带位置f公差带位置g公差带位置hSNLSNLSNLSNL精密(3h4h)*4h(5h4h）中等*6e*6f(5g6g)*6g7g6g(5h6h)*6h(7h6h)粗糙8g（8h）由表4-7中选中等精度6级螺旋丝杠标号

18、为Tr101.5-5h6h-N4.2.5 丝杆的校核（1）耐磨性计算螺纹的许用压强满足式 式中: p螺纹工作表面实际平均压强：p许用压强；轴向载荷；螺纹中径；H螺母高度；h螺纹工作高度，梯形螺纹和矩形螺纹h=0.5P；三角形螺纹h=0.5413P。查螺纹许用压强表可得:p=68取螺旋角=300当量摩擦角：升角=20N由于故124N螺纹实际压强:显然满足(2)稳定性计算螺杆失稳时的临界轴向载荷根据工程力学螺杆失稳时的临界轴向载荷为：式中：L螺杆的最大工作长度，一般取为螺杆支承间的距离； 螺杆载面的惯性矩，在梯形螺纹的稳定性验算中，按螺纹中径的计算，即； E螺杆材料的弹性模量； 长度系数，与螺杆的

19、支承情况有关。为了方便计算，把式写为如下形式：式中：m螺杆支承系数, 其值见表4-8表4-8 稳定性选择螺杆支撑情况m/( Nmm-2)两端固定一端固定，一端不完全固定一端固定，一端铰支两端不完全固定两端铰支一端固定，一端自由40282018102.5注：“自由”是指径向与轴向均无约束；“铰支”是指支承处仅有径向约束，例如向心球轴承或宽径比B/D3的滑动轴承；“不完全固定”是指B/D=1.53的滑动轴承（B为支承宽度，D为支承孔直径）。由螺杆两端的支承情况故而 必满足要求（3）刚度校核:刚度（长度1m的螺纹上螺距累积变化量）（）:轴向载荷 ：中径（7.25mm）E：弹性模量：T：转矩 （为螺纹

20、升角，当量摩擦角）P：螺距G：常量：8 明显符合刚度要求（4）强度计算螺纹强度的计算包括螺杆螺纹及螺母螺纹强度计算，但由于螺杆强度比螺母材料强度高，因此只需验算螺母螺纹强度。剪切强度：弯曲强度：式中：D螺纹大径（mm）； b螺纹概况宽度（mm），对于梯形螺纹，b=0.65P； n旋合扣数，n=H/P=4查表得：铸铁 显然强度满足（5）校核重复精度行程中经过的螺距数=40mm/1.5mm27故允许最大误差为查表可知，可用公差等级IT3满足。故将螺纹改为Tr101.5-3g3h-NZ轴丝杠与导干的在工作台上的布局在不影响工作台的整体空间负载的情况下为使工作台的重量均匀的作用Z在轴丝杠的螺纹上，故做

21、以下布局，将工作台在长度方向外延伸40毫米。将工作台负载时的重心与两导杆构成一个等腰三角形，并将Z在轴丝杠布置在其重心位置。根据如下图形4-9计算：图4-9 工作台压力分布导杆距近边缘距离；工作台中心距边缘；现寻找Z轴丝杠位置：等腰三角形的高为根据重心性质即：重心距顶点与距底边的距离的两倍。故：重心距底边距离为加上到底边距离 5mm，中心到近边缘的距离为故满足要求。五、总结体会根据精密机械设计基础的要求进行课程设计，我选择了赵彦如老师指导的三坐标精密工作台的课程设计，赵老师给大家细心的讲解了课程设计的主要注意事项、设计要点，带领大家参观了机械学院的机床，对三坐标有了初步的了解，工作原理有了一定

22、的认识。在赵老师的悉心指导和关心下，经过近三周时间的努力，我的课程设计三坐标精密工作台现已顺利完成！在这期间我学会了很多东西，把以前课本上学到的东西很好的运用到了实践当中。漫漫回味这3周的心路历程，说实话，课程设计真的有点累然而，当我一着手清理自己的设计成果一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利， 通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱：有2次因为不小心我计算出错，只能毫不情意地重来高度负责，认真对待的良好习惯这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的练 短短三周是课程设计，使

23、我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，几年来的学习了那么多的课程，得到了很好的运用。是自己对理论和实践的结合有了跟好的认识，增强了对专业课的进一步认识，进一步的掌握了CAD制图，对专业有了更深刻的了解，对未来充满信心。 六、参考文献1 张国雄主编.三坐标测量机. 天津大学出版社出版社,19992 张广鹏主编.导轨特性分析 机械工程学报 期刊论文2002 第十期3 贾立德 机械工程学报 导轨直线度误差分析 2008第9期4 郑镁主编.机械设计中图样表达方法.西安：西安交通大学出版社,1999.55 吴宗泽主编.机械设计实用手册（第二版）.北京：化学工业出版社,2003.66 李春胜主编.机械工程材料手册（上册）.北京：电子工业出版社,19967 黄华梁，彭文生主编.机械设计基础（第四版）.北京：高等教育出版社，2007.58 机械传动装置选用手册编委会.机械传动装置选用手册.北京：机械工业出版社，1999.9 9 任金泉主编.机械化设计课程设计.西安：西安交通大学出版社，2002.1210机械设计手册联合编写组编.机械设计手册（中册第二版）.北京：化学工业出版社11 裘祖荣主编.精密机械设计基础.北京：机械工业出版社，2007.512 屈波 影响三坐标精度的因素 工具技术 期刊论文 2010 第三期25