三坐标测量机单轴控制硬件设计

三坐标测量机单轴控制硬件设计摘要随着现代科学技术的不断进步，制造技术的不断发展，现代工业对测量技术提出越来越高的要求，三坐标测量机应运而生，并且逐渐的成为了生产过程中控制产品质量的关键设备。

三坐标测量机是一种通用性比较强、自动化程度较高、精度高的测量工具。

因此，研究、设计三坐标测量机运动控制器对增强三坐标测量机的性能，推广其运用范围，有着非常明显的理论价值以及实际应用价值。

运动控制系统作为三坐标测量机的运动控制部分，是三坐标测量机的核心部分，对三坐标测量机作用的发挥有着非常重要的作用。

为了保证三坐标测量机电机能够正常运行，需要有一个能够对多轴运动进行控制系统。

这个系统的主要作用是对各运行轴运动的控制，并且还能够处理一些突发性事件，确保三坐标测量机能安全正常运行。

对于单轴的控制，控制系统设计采用TI公司TMS320LF240x系列的DSP 芯片作为控制核心。

借助于DSP强大的处理能力和丰富的外设，整套系统省去了以往复杂的硬件电路。

此外，为了提高系统的调速性能，控制方法采用了转速、电流双闭环。

结果表明，电机起动快速、稳定，具有较宽的调速范围。

同时，该系统还具有结构简单、可靠性高等特点，具有广泛的应用前景。

关键词：三坐标测量机数控系统运动控制 DSP 伺服系统AbstractWith the continuous progress of modern science and technology, the continuous development of manufacturing technology, modern industrial measurement technology need more and more high requirements, coordinate measuring machine came into being, and gradually become the key equipment in the production process control of product quality .CMM is a universal high degree of automation, high precision measurement tools.Therefore, research, design of coordinate measuring machine motion controller to enhance the performance of coordinate measuring machine, to promote its scope of application, has a very clear theoretical value and practical value. Motion control system motion control part of the coordinate measuring machine, coordinate measuring machine has a very important role to play to the role of the coordinate measuring machine. In order to ensure that the coordinate measuring machine motor to normal operation, the need for a multi-axis motion control system. The main role of this system is operational axis motion control, and also be able to deal with unexpected events, to ensure the normal operation of the coordinate measuring function security.For single-axis control, control system design using the TI the company TMS320LF240x series DSP chip as the control core. With DSP processing power and rich peripherals, the entire system eliminates the need for the previous complex hardware circuits. In addition, in order to improve the speed performance of the system, the control method using the speed, the current double closed loop.The results show that the motor starter is fast, stable, with a wide speed range. At the same time, the system also has a simple structure, high reliability, broad application prospects.Key words: coordinate measuring machine CNC system motion control DSP servo system目录第一章绪论 (1)1.1 三坐标测量机发展概况 (1)1.2三坐标测量机的研究现状 (3)1.2.1国外现状 (3)1.2.2国内现状 (3)1.3三坐标测量机的发展趋势 (4)1.4数控系统发展历程及国内外现状 (5)1.4.1发展历程 (5)1.4.2国内外现状 (6)1.5本课题主要研究的内容 (7)第二章三坐标测量机的控制系统 (8)2.1手动型与机动型控制系统 (8)2.2CNC型控制系统 (9)2.2.1集中控制 (9)2.2.2分布式控制 (11)第三章伺服系统的分类及直流伺服电机 (14)3.1伺服系统的分类 (14)3.1.1开环伺服系统 (14)3.1.2闭环伺服系统 (14)3.1.3半闭环伺服系统 (14)3.2直流伺服电机 (15)3.2.1直流伺服电机的结构 (15)3.2.2直流伺服电机的运行特性 (17)3.2.3直流伺服电机的特点 (18)第四章基于DSP芯片TMS320LF2407为核心的伺服控制 (19)4.1控制系统硬件结构 (19)4.2 TMS320LF2407的结构与特点 (19)4.3 基于TMS320LF2407-A的全数字直流电动机伺服控制 (21)4.3.1 电流反馈 (22)4.3.2 速度和位置反馈 (23)4.3.3 PWM输出和功率驱动 (23)4.3.4 保护功能 (24)第五章总结 (26)参考文献 (27)致谢 (28)第一章绪论1.1 三坐标测量机的发展概况三坐标测量机是1958年才开始出现的一种高效的新型精密测量仪器。

三坐标测量仪设计三坐标测量仪是用于测量并确定三维物体形状和位置的仪器。

它由三个方向的坐标轴和一系列传感器组成，可以测量物体在三个方向上的位置和形状。

三坐标测量仪广泛应用于制造业中的精密加工、质量控制和逆向工程等领域。

在设计三坐标测量仪时，有几个重要的要素需要考虑。

首先是测量的精度和稳定性。

由于三坐标测量仪通常用于测量精度要求较高的物体，因此它的测量精度和稳定性至关重要。

设计时应选择高精度、高稳定性的传感器，并采取合适的补偿和校准方法，以确保测量结果准确可靠。

其次是机械结构的设计。

三坐标测量仪需要具有稳定可靠的机械结构，以确保测量过程中的稳定性和重复性。

机械结构应该能够承受物体的重量，并且具有足够的刚性和抗振性。

在设计过程中应该选择合适的材料和工艺，以确保机械结构的稳定性和耐用性。

另外，软件系统的设计也是三坐标测量仪的重要组成部分。

软件系统需要能够实时采集和处理传感器的信号，并进行数据处理和分析。

设计时应充分考虑软件系统的稳定性、实时性和易用性。

软件系统应该提供友好的用户界面，使操作人员能够方便地进行测量和分析，并提供相应的数据输出和报告生成功能。

在实际应用中，三坐标测量仪还需要考虑与其他设备和系统的兼容性。

例如，它可能需要与计算机、自动化设备或生产线集成使用，因此在设计时应该考虑与其他设备的接口和通信方式。

此外，三坐标测量仪还需要考虑尺寸、重量和移动性等因素，以便在不同的工作环境中灵活使用。

综上所述，设计一台高精度、高稳定性的三坐标测量仪需要综合考虑机械结构、传感器、软件系统以及其他因素。

通过合理的选择和匹配，可以设计出性能卓越、功能丰富的三坐标测量仪，以满足不同行业对精度和稳定性要求的测量需求。

1总体方案的确定1.1引言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。

在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

1.2、设计任务主要是设计一个具有X、Y、Z三个坐标轴的工作台，能够沿着X、Y、Z轴运动，用于加工机床时不仅可以对空间任意平面加工,而且能对空间曲面加工；还能用于测量装置，可以对工件的三维坐标进行测量。

设计包括其机械结构部分，控制系统部分的软、硬件系统，能够实现基本的运动功能和联动功能。

1.3机械传动部件的选择1.3.1导轨副的选用要设计的工作台，需要承受20kN的载荷，载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。

1.3.2丝杠螺母副的选用步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.005mm冲当量和01mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆.0副才能达到要求。

1.3.3减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。

1.3.4步进电动机的选用选定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此3000mm/min，故设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。

以降低成本，提高性价比。

1.3.5检测装置的选用为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。

三坐标测量机三坐标测量机，也称为CMM，是典型的现代化仪器设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。

涵盖了几乎所有的普通尺寸测量，数据处理，外形分析等现代测量任务。

三坐标测量机的测量过程是由测头通过三个坐标轴导轨在三个空间方向自由移动实现的，在测量范围内可到达任意一个测点。

三个轴的测量系统可以测出测点在X，Y，Z三个方向上的精确坐标位置。

根据被测几何型面上若干个测点的坐标值即可计算出待测的几何尺寸和形位误差。

另外，在测量工作台上，还可以配置绕Z 轴旋转的分度转台和绕X 轴旋转的带顶尖座的分度头，以方便螺纹、齿轮、凸轮等的测量。

1、三坐标测量机的工作原理三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。

它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学处理方法求出其尺寸和形位误差。

如图所示，要测量工件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面I内，触测内孔壁上三个点（点1、2、3），则根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标O1；如果在该截面内触测更多的点（点1，2，…，n，n为测点数），则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差；如果对多个垂直于孔轴线的截面圆（I，II，…，m，m为测量的截面圆数）进行测量，则根据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置；如果再在孔端面A上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。

由此可见，CMM的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。

从原理上说，它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。

2、三坐标测量机系统的硬件构成和功能三坐标测量机系统的硬件主要有三部分组成：⑴终端控制计算机和打印机：在三坐标测量机系统的硬件结构中，计算机是整个测量系统的管理者。

计算机实现与操作者对话、控制程序的执行和结果处理、与外设的通讯等功能。

第一章概论1.1三坐标测量机的发展现状三坐标测量机是近些年来发展起来的一种高效的新型精密测量仪器。

它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。

进入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。

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。

三坐标测量机在生产的各个方面对三维测量技术有着重要作用。

三坐标测量机作为现代大型精密仪器，已越来越显示出它的重要性和广阔的发展前景。

它可方便地进行空间三维尺寸的测量，可以实现在线检测及自动化测量。

它的优点是：①通用性强，可实现空间坐标点的测量，方便地测量出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度；②测量精确可靠；③可方便地进行数据处理与程序控制。

因而它可纳入自动化衙门和柔性加工线中，并成为一个重要的组成部分。

三坐标测量机基于坐标测量原理。

坐标测量机的发展与其它事物一样，是由简单到复杂逐步形成的。

早期出现的测长机可在一个坐标方向上进行工件长度的测量，即是单坐标测量机，仅完成一维测量。

后来出现的万能工具显微镜具有X与Y两个坐标方向移动的工作台，可测量平面上各测点的坐标位置。

因此，从理论上讲，三维测量可对空间任意处的点、线、面及相互位置进行测量。

随着现代科学技术的飞速发展和对测量方法的深入研究，在机电行业中人们对三维坐标测量技术的要求也越来越高。

三坐标测量仪的相关组成及应用介绍三坐标测量仪是一种高精度的测量设备，广泛应用于制造业中，主要用于测量工件的三维尺寸和形状。

它通过运用数学、物理学和计算机科学的原理，能够精确地测量工件的长度、宽度、高度以及曲率、直线度和平面度等形状信息。

1.测量结构：三坐标测量仪具有一个稳定的测量结构，通常由一个铸件或者机械组件构成。

该结构用来支撑测量工作台、Z轴及悬臂臂等主要测量部件，并以此为基准进行测量。

2.传感器：三坐标测量仪采用高精度的传感器用来测量工件的尺寸和形状。

常见的传感器包括光学传感器、激光传感器和触发式测头等。

这些传感器能够通过扫描或接触等方式获取工件的三维坐标信息。

3.测量工作台：测量工件需要放置在测量工作台上进行测量。

测量工作台通常具有三个坐标轴，可通过手动或自动控制来移动工件。

这样可以使测量仪在三个方向上进行移动和定位。

4.控制系统：三坐标测量仪的控制系统用来控制测量过程中的针对不同工件的测量程序和参数设置。

通过控制系统，用户可以选择不同的测量方法和测量精度，并进行数据处理和结果分析。

1.制造业：三坐标测量仪在制造业中广泛应用于产品的质量控制和尺寸验证。

它能够测量各种类型的工件，如零部件、模具和机械设备等，并为产品的装配和质量检验提供准确的数据支持。

2.航空航天：航空航天行业对产品的尺寸和形状要求非常严格。

三坐标测量仪可以测量复杂的航空零部件，如涡轮叶片、机翼和舱壁等。

它可以帮助检测产品的精度和质量，并为制造过程提供正确的数据指导。

3.汽车工业：汽车行业要求零部件的尺寸和形状具有高度的一致性和精度。

三坐标测量仪可以用来测量发动机零部件、车身和底盘等。

它能够检测小到微米级别的尺寸差异，并快速准确地定位和调整产品。

4.医疗设备：医疗器械需要满足高标准的质量和精度要求。

三坐标测量仪可以用于测量和检验各种医疗产品，如人工关节、牙科设备和假体等。

它可以确保医疗设备的尺寸准确，并最大程度地减少手术风险。

精密仪器课程设计三坐标一、教学目标本节课的学习目标主要包括知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。

知识目标要求学生掌握三坐标的定义、原理和应用；技能目标要求学生能够熟练操作三坐标测量仪器，并进行简单的数据处理；情感态度价值观目标则在于培养学生对精密仪器的兴趣和好奇心，提高他们的科学素养。

二、教学内容本节课的教学内容主要包括三坐标的基本概念、工作原理和应用。

首先，介绍三坐标测量仪器的结构和工作原理，通过实物展示和图解让学生直观地理解三坐标的概念。

然后，通过实例分析，让学生了解三坐标在工程制造和质量控制中的应用。

最后，结合实验，让学生亲自动手操作三坐标测量仪器，加深对三坐标的理解。

三、教学方法为了提高学生的学习兴趣和主动性，本节课将采用多种教学方法。

首先，通过讲授法，向学生传授三坐标的基本知识和原理。

其次，通过讨论法，让学生分组讨论三坐标在实际工程中的应用，激发学生的思考。

再次，通过案例分析法，分析具体实例，使学生更好地理解三坐标的使用。

最后，通过实验法，让学生亲身体验操作三坐标测量仪器的乐趣，提高他们的实践能力。

四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，我们将选择和准备以下教学资源。

首先，教材《精密仪器》相关章节，作为学生学习的基础资料。

其次，参考书和学术文章，为学生提供更多的学习资料。

再次，多媒体资料，如教学视频和图片，以直观的方式展示三坐标的工作原理和应用。

最后，实验设备，如三坐标测量仪器，为学生提供亲自动手操作的机会。

五、教学评估本节课的教学评估将采用多元化的评估方式，以全面、客观、公正地评价学生的学习成果。

评估主要包括平时表现、作业和考试三个部分。

平时表现主要考察学生的课堂参与度、提问回答和团队协作等方面；作业则通过布置相关的练习题和项目任务，检验学生对知识的掌握和运用能力；考试则是对学生综合运用知识的能力进行评估。

通过这些评估方式，可以全面反映学生的学习成果，激发他们的学习动力。

六、教学安排本节课的教学安排将分为两个阶段进行。

三坐标测量机的结构组成三坐标测量机是一种用于测量物体三维几何形状的精密测量设备。

它由许多不同的组成部件组成，每个部件都发挥着重要的作用。

下面将详细介绍三坐标测量机的结构组成。

1. 床身：床身是三坐标测量机的主要支撑结构，也是整个测量机的基础。

它通常由材料坚固且具有良好的稳定性，如铸铁等制成。

床身上通常会有精确的水平调节系统，以确保整个测量机的稳定性和测量精度。

2. 测量平台：测量平台是测量机的工作平台，用于放置待测物体。

它通常具有XY两个方向的移动装置，以便在平面内对物体进行移动和定位。

测量平台通常由石英或石英玻璃制成，具有良好的硬度和平整度。

3. 支撑结构：支撑结构用于支撑和定位测头和测量装置。

它通常由铸铁或钢制成，具有足够的刚度和稳定性。

支撑结构通常包括底座、横梁和立柱等部分，它们通过精确的连接装置进行组装和调整，以确保整个系统的稳定性和测量精度。

4. 测头系统：测头系统是三坐标测量机的测量装置，用于测量物体表面的几何形状和尺寸。

测头系统通常包括一个触发式测头和一个测量电子设备。

触发式测头通常采用机械式或光学式触发方式，能够对物体表面进行接触式或非接触式测量。

测量电子设备则负责接收和处理测量信号，并将其转换为数字信号进行数据处理和分析。

5. 控制系统：控制系统是三坐标测量机的核心部分，用于控制测量平台和测头系统的运动。

控制系统通常由一个或多个计算机和相关的控制软件组成。

计算机负责执行测量任务的计算和运行相应的软件程序，控制运动控制器实现测量平台和测头系统的精确运动控制。

控制软件提供友好的用户界面，允许用户进行测量参数设置、数据采集和测量结果分析等操作。

6. 精密导轨系统：精密导轨系统是三坐标测量机的关键组成部分，用于确保测量平台和测头系统的精确运动。

它通常由高精度的线性导轨和滚珠丝杠组成，能够提供平滑、稳定和精确的运动控制。

精密导轨系统通常具有高速度、高精度和高负载能力，以满足不同测量任务的需求。

三坐标测量仪设计
三坐标测量仪是一种用于测量物体几何形状和尺寸的高精度测量设备。

它利用三个坐标轴的运动，通过测量物体各点在三个坐标轴上的位置，计
算出物体的大小和形状。

设计一台三坐标测量仪需要考虑以下几个方面：
测量精度、测量速度、稳定性和易操作性。

首先，测量精度是设计三坐标测量仪的关键要素之一、该设备需要具
备高精度的测量功能，以确保测量结果的准确性。

为了提高测量精度，可
以使用高精度传感器，如干涉仪和编码器，以便测量物体各点在三个坐标
轴上的位置。

其次，测量速度也是设计该设备时需要考虑的因素之一、现代生产环
境通常需要快速进行大量的测量，因此三坐标测量仪需要能够在较短的时
间内完成多个点的测量。

为提高测量速度，可以优化机械结构和增加扫描
速度。

稳定性是设计三坐标测量仪时需要关注的一个重要因素。

测量仪使用
过程中，需要保持稳定的测量环境，避免外部振动和温度变化对测量结果
的影响。

为提高稳定性，可以采用抗震设计、加强结构刚度和使用稳定的
材料。

另外，易操作性也是设计该设备时需要考虑的一个方面。

实际使用中，操作人员应能够轻松使用该设备进行测量操作。

设计时可以考虑简化操作
步骤、增加人机交互界面和提供易于理解的测量结果显示。

综上所述，设计三坐标测量仪需要考虑测量精度、测量速度、稳定性
和易操作性等方面。

为了满足这些要求，可以合理选取传感器、优化结构
设计、增加扫描速度和采用稳定的材料等手段。

通过这些措施，可以设计一台高精度、高效、稳定且易于操作的三坐标测量仪。