精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x

1、harbin institute of technology課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）課程名稱： 精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x 院 系： 班 級(jí)： 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 葉東 設(shè)計(jì)時(shí)間： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 姓 名： 院 （系）：至 2011年 01月 13日 課程設(shè)計(jì)題目：六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：l 空間測(cè)量范圍：2400mml 分辨力：0.01mml 點(diǎn)坐標(biāo)重復(fù)精度：0.04mml 長(zhǎng)度測(cè)量不確定度（2）：0.08mml 測(cè)量臂直徑：80mml 測(cè)桿及測(cè)頭長(zhǎng)度：150mml 具有力平衡

2、裝置l 傳感器數(shù)據(jù)線不能暴露在儀器外面，須從內(nèi)部“走線”l 整臺(tái)儀器輕便、靈活 工作量：l 計(jì)算關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)尺寸，并驗(yàn)證其強(qiáng)度及剛度l 完成測(cè)量?jī)x的總裝配圖（1號(hào)圖紙1張）l 完成關(guān)鍵零件圖（3號(hào)/4號(hào)圖紙4張）l 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書1份（8000字） 工作計(jì)劃安排： 11.01.01 上課，安排課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，準(zhǔn)備制圖工具（尺、圖板等）11.01.0201.03 總體設(shè)計(jì)，理論計(jì)算，繪制草圖，檢查進(jìn)展情況11.01.0401.08 繪制總裝配圖，進(jìn)度檢查，檢查總裝配圖11.01.0901.11 關(guān)鍵零件圖設(shè)計(jì)，并檢查11.01.1201.12 編寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書11.01.13 答辯，最終檢查（

3、所有圖紙、設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 同組設(shè)計(jì)者及分工 指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見(jiàn)： 教研室主任簽字_ 年 月 日目錄1. 概述1 1.1設(shè)計(jì)背景1 1.2技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求22. 總體設(shè)計(jì)23. 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3 3.1軸徑選擇3 3.1.1軸2受力分析3 3.1.2軸2彎曲撓度分析3 3.1.3其余軸徑選擇4 3.2軸承選擇4 3.3軸殼尺寸的確定44. 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)4 4.1關(guān)節(jié)聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4 4.1.1軸臂聯(lián)接機(jī)構(gòu)5 4.2力平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)5 4.3測(cè)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)75. 裝配要求76. 總結(jié)7 6.1結(jié)論7 6.2存在問(wèn)題8 6.2.1螺釘?shù)南嚓P(guān)畫法8 6.2.2編碼器杯蓋的有關(guān)問(wèn)題

4、8 6.3心得體會(huì)8參考文獻(xiàn)81.概述1.1設(shè)計(jì)背景1.概述1.1設(shè)計(jì)背景坐標(biāo)測(cè)量?jī)x是近幾十年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新型精密測(cè)量?jī)x器，它用途廣泛，可用于多種制造業(yè)的各種零件形體幾何參數(shù)測(cè)量。本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)就是模仿faro公司的spacearm產(chǎn)品，進(jìn)行六自由度關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量?jī)x機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。faro公司的產(chǎn)品相比其他公司在測(cè)量臂外增加了外殼，可以減少與外界接觸而引起的熱變形，減少灰塵的影響，同時(shí)外形看起來(lái)更加美觀、小巧，但從測(cè)量范圍上看要小一些,在1200mm-3600mm。其產(chǎn)品外觀圖如圖1-1-1所示。圖1-1-1 faro公司的spacearm產(chǎn)品外觀圖六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x是由多桿件通過(guò)

5、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的空間開(kāi)放式連桿機(jī)構(gòu)，具有有以下特點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)學(xué)模型比較復(fù)雜；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；測(cè)量范圍大；可對(duì)表面進(jìn)行測(cè)量?？梢酝ㄟ^(guò)采用d-h方法對(duì)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行建模，建立測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。測(cè)頭末端位姿是各關(guān)節(jié)變量的非線性函數(shù)，簡(jiǎn)記為如下函數(shù)形式：1.2技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：（1）空間測(cè)量范圍：2400mm（2）分辨力：0.01mm（3）點(diǎn)坐標(biāo)重復(fù)精度：0.04mm（4）長(zhǎng)度測(cè)量不確定度（2）：0.08mm（5）測(cè)量臂直徑：80mm（6）測(cè)桿及測(cè)頭長(zhǎng)度：150mm（7）具有力平衡裝置（8）傳感器數(shù)據(jù)線不能暴露在儀器外面，須從內(nèi)部“走線”整臺(tái)儀器輕便、靈活2.總體設(shè)計(jì)參考faro公司的產(chǎn)品外形圖、老師給的

6、樣圖及設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，可知，總體結(jié)構(gòu)示意圖為：總體設(shè)計(jì)原則為：在滿足測(cè)量范圍和精度的情況下，盡量使整個(gè)結(jié)構(gòu)外形較小，靈活且輕便簡(jiǎn)單。（1） 測(cè)量臂：由于測(cè)量范圍要求2400mm，可確定+=1200mm，為使它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減小成本，取=600mm，含軸部分估為120mm，按實(shí)心鋁計(jì)算，測(cè)頭初擾動(dòng)力f按5kg計(jì)算，查詢鋼彈性模量e=200gn/。其直徑要求小于50mm。（2） 聯(lián)接件：在軸的聯(lián)結(jié)部分設(shè)計(jì)符合要求的u型爪。（3） 布線：由于要在內(nèi)部走線，所以所有的軸都采用空心的，且在相聯(lián)的軸之間設(shè)計(jì)走線用的孔。（4） 傳感器：傳感器為外購(gòu)件，使用時(shí)應(yīng)將它的外殼與軸的外殼相聯(lián)，它的軸與軸相聯(lián)。在與外

7、殼相聯(lián)時(shí)采用簧片，與軸相聯(lián)時(shí)采用緊定螺釘。（5） 軸承：由于要求轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，故選擇滾動(dòng)軸承；又由于它受到軸向力，所以用相心角接觸球軸承。采用背靠背形式，以減小最大的軸向力。（6） 扭簧：為使臂在不使用時(shí)不至直接下垂，且減小使用時(shí)加在臂上的力，是整個(gè)儀器更加靈活，設(shè)計(jì)一個(gè)扭簧，最佳工作轉(zhuǎn)角定為30和130。（7） 螺釘：在滿足強(qiáng)度要求的情況下，盡量使螺釘小多采用沉頭和內(nèi)六角螺釘。3.關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 關(guān)節(jié)部件是整個(gè)測(cè)量?jī)x的關(guān)鍵，它是一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)，由軸、軸承、外殼、光電編碼器、連軸結(jié)、其他連接件組成。其中軸采用空心軸，便于電氣線路穿過(guò)。3.1軸徑選擇： 為使軸有一定的強(qiáng)度、剛度并且從應(yīng)用廣泛的角度考慮

8、，軸的材料我們選用了45號(hào)鋼。3.1.1軸2受力分析：首先確定軸殼的質(zhì)量。軸殼采用空心鋁合金管，查閱表gb/t 4436-1995，選擇壁厚為3mm的鋁合金管，直徑初步定為50 mm，兩個(gè)臂的長(zhǎng)度都為600mm。計(jì)算其質(zhì)量為：然后確定軸頭的質(zhì)量。計(jì)算時(shí)將軸頭看做為實(shí)心的鋁合金，長(zhǎng)度為120mm，直徑初步定為50mm。計(jì)算其中一段的質(zhì)量為：（實(shí)心鋁的密度為）：總質(zhì)量為：重力為=53.0n3.1.2軸2彎曲撓度分析當(dāng)儀器在擾動(dòng)作用下，接觸處撓度時(shí)進(jìn)行彎曲撓度分析：將軸按懸臂梁模型計(jì)算，估算除1、2以外部分質(zhì)心所在垂線距懸臂梁端點(diǎn)為120mm，自由端距端點(diǎn)為8mm。作用在懸臂梁上的彎矩m=5*9.8

9、*1.2+53.0*0.1265.16n.m按撓度計(jì)算公式：=和技術(shù)要求2m,其中m=65.16n.m，l=0.008m，f=53.0n，e=2*解得：i5.30*又 其中為外徑，為內(nèi)徑取，解得20.8mm，安全考慮，并且使整個(gè)器械穩(wěn)定性較好，取=21mm，=25。軸的配合選用基孔制k5。3.1.3其余軸徑選擇與前述確定軸2直徑計(jì)算方法相似，可確定其他軸直徑（取自由端距端點(diǎn)8mm）。軸3、4、5、6可取相似直徑，因?yàn)?承受力矩較小，只要3軸滿足條件即可。經(jīng)過(guò)和前面類似的計(jì)算，得： 采用數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算取，解得12mm ，考慮安全因素，取=17mm ，=14mm。3.2軸承選擇考慮到軸承的精度和承載

10、能力，由上述確定的軸徑根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選擇軸承。由于受到徑向力，所以選用向心角接觸滾動(dòng)軸承由軸的外徑選擇對(duì)心角接觸滾動(dòng)軸承7005c和對(duì)心角接觸滾動(dòng)軸承7003c。7005c作為1、2軸的支承，7003c作為3、4、5、6軸的支承。3.3軸殼尺寸的確定由軸徑大小和軸承型號(hào)（即軸承外殼的直徑）并且考慮安裝螺釘?shù)姆奖愦_定軸殼尺寸。設(shè)計(jì)軸殼1、2的外徑為65mm，壁厚為9mm，即內(nèi)徑為47mm，軸殼3、4、5、6的外徑為47mm，壁厚為6mm，即內(nèi)徑為35mm。 軸殼的內(nèi)部與軸承的配合選用基軸制h7。4.關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)4.1關(guān)節(jié)聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1.1軸臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)如圖4-1-2-1所示，設(shè)計(jì)一個(gè)u型結(jié)構(gòu)鉗

11、住外殼2，并用4個(gè)對(duì)稱的螺釘進(jìn)行緊固定位（與豎直方向成20角的通孔），再同樣用4個(gè)圓周對(duì)稱的內(nèi)六角螺釘聯(lián)接軸1。所有需要用較大力的地方的聯(lián)接均用內(nèi)六角螺釘。4.2力平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.3測(cè)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為保證整個(gè)測(cè)量?jī)x的力平衡以及移動(dòng)測(cè)量臂不費(fèi)力，一定要考慮力平衡裝置。在第二個(gè)關(guān)節(jié)上加裝一個(gè)扭簧，以平衡測(cè)量臂和上面四個(gè)關(guān)節(jié)的重量。扭簧的受力示意圖如圖4-2-1所示。交點(diǎn)為橫坐標(biāo)為30和130。(1)彈簧材料選用碳素彈簧鋼絲d級(jí)，。由彈簧材料及許用應(yīng)力表查得,估取彈簧鋼絲直徑為；由彈簧鋼絲的拉伸強(qiáng)度極限表取，則。(2)選擇旋繞比并計(jì)算曲度系數(shù)和最大最小工作扭矩。，其中，故 (3)根據(jù)強(qiáng)度條件試算鋼絲

12、直徑。原值(4)計(jì)算彈簧的基本幾何參數(shù)。(5)按剛度條件計(jì)算彈簧的工作圈數(shù)。因?yàn)樗?，彈簧圈?shù) 圈取圈。扭簧處機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-2-2所示4.3測(cè)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探頭主要采用機(jī)械式硬探頭，通過(guò)“按鍵”發(fā)出測(cè)量（采樣）信號(hào)。測(cè)頭采用螺釘聯(lián)接的方式與外殼相聯(lián)，確保測(cè)量?jī)x在使用時(shí)，探頭平穩(wěn)。5.裝配要求（1） 軸、軸承、聯(lián)軸器、套筒緊密相連。（2） 各關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，無(wú)明顯阻力。（3） 測(cè)量范圍為2400mm。（4） 軸和軸承的安裝：將軸承擋圈與軸的外殼擰緊，放入軸承、隔圈、軸將擋圈與軸擰緊，最后用緊定螺釘連接軸與編碼器。（5） 扭簧的安裝：將扭簧放入扭簧蓋內(nèi)固定，在講其放在關(guān)節(jié)2上，用緊定螺釘將

13、其固定。彈簧預(yù)緊扭矩10.79，扭轉(zhuǎn)角100，最大扭矩為21.143。6.總結(jié)6.1結(jié)論六自由度多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍大，成本低，體積小，可便攜等優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)日新月異的飛速發(fā)展，它已成為航天、航空、船舶、汽車等工業(yè)領(lǐng)域中檢測(cè)和質(zhì)量控制中不可缺少的萬(wàn)能測(cè)量設(shè)備。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，完成測(cè)量?jī)x的總裝配圖1張（1號(hào)圖紙），關(guān)鍵零件圖4張（3號(hào)圖紙）和課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。6.2存在問(wèn)題6.2.1螺釘?shù)南嚓P(guān)畫法在畫圖過(guò)程中還存在著螺釘畫法不夠規(guī)范的問(wèn)題。以及存在部分沉頭螺釘處剖視時(shí)少線的問(wèn)題。6.2.2結(jié)構(gòu)上的有關(guān)問(wèn)題設(shè)計(jì)時(shí)，未設(shè)計(jì)不使用儀器時(shí)，臂的固定件，使得彈簧一直受力，并且臂受震動(dòng)影響較大，影響彈簧和臂的壽命。另外沒(méi)有設(shè)計(jì)限制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的結(jié)構(gòu)，使關(guān)節(jié)可無(wú)限角度轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可能會(huì)破壞內(nèi)部的繞線，嚴(yán)重時(shí)可能將線擰壞。6.3心得體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)讓我們對(duì)機(jī)械課程中所學(xué)的知識(shí)有有了更深刻的了解，對(duì)所學(xué)知識(shí)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，課設(shè)中由于給出了樣圖，整體設(shè)計(jì)的難度大大降低，但結(jié)構(gòu)依然較為復(fù)雜。在分析結(jié)構(gòu)和計(jì)算的過(guò)程中我們了解了團(tuán)隊(duì)的重要性。另外雖然設(shè)計(jì)前大家都已經(jīng)集體分析，但畫圖時(shí)，我們?nèi)匀话l(fā)現(xiàn)