便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、河北工業(yè)大學(xué)2015屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書河 北 工 業(yè) 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 作 者： 田聚峰 學(xué) 號(hào)： 110436 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 系(專業(yè))： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 題 目： 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 張建輝 副教授 (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))評(píng)閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))2015年 5 月 29日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要： 工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械制造技術(shù)、傳動(dòng)技術(shù)、電氣驅(qū)動(dòng)技術(shù)、微電子技術(shù)、軟件技術(shù)和信息技術(shù)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，成為當(dāng)代最為典型的機(jī)電一體化裝備之一，廣泛應(yīng)用于汽車、食品、醫(yī)藥、電子等行業(yè)的自動(dòng)化流水線。工業(yè)

2、機(jī)器人按用途主要分為焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人等，近年來隨著用工成本的上升，工業(yè)機(jī)器人的綜合優(yōu)勢(shì)愈加明顯，在制造業(yè)中的應(yīng)用前景非常廣闊。 機(jī)器人的精度性能及保持能力是保障機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的重要指標(biāo)之一。眾所周知，由于大多數(shù)的工業(yè)機(jī)器人由于采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)形式，因此該類機(jī)器人的定位精度通常較差，而且長(zhǎng)時(shí)間工作或發(fā)生碰撞后，機(jī)器人的幾何參數(shù)(工具坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、機(jī)器人零點(diǎn)等)會(huì)發(fā)生改變，需要重新校準(zhǔn)，目前，機(jī)器人的校準(zhǔn)通常需要人工進(jìn)行非常復(fù)雜的手動(dòng)操作，其標(biāo)定精度不高且依賴于操作人員的技術(shù)水平，不僅耗時(shí)且可靠性較低。因此，在本產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，旨在開發(fā)一種低成本的、基于

3、拉繩式原理的便攜式測(cè)量裝置，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的快速標(biāo)定以及工業(yè)機(jī)器人精度的快速校準(zhǔn)。關(guān)鍵詞： 工業(yè)機(jī)器人 標(biāo)定與測(cè)量 拉繩式原理河北工業(yè)大學(xué)2015屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要title design of the portable robot accuracy measurement system abstractindustrial robot is a kind of sophisticated technological product combined with mechanical manufacturing technology, transmission tec

4、hnology, electronic motive technology, microelectronic technology, software technology and information technology. industrial robot is one of the most typical mechanotronics equipments, which is widely used in the field of auto cars, food process, medicine, electronics and so on. industrial robots i

5、nclude welding robot, plating robot, transport robot and assembling robot. in the recent years, the synthesize advantages of industrial robot become more and more clear with the increase of the labor cost. as a result, this technology has great potential application in the filed of manufacturing. th

6、e accuracy and maintainability of robot is one of the most important indexes to keep the stability of a long-period work. as we all know, most industrial robots consists of series mechanism and joints-driving mechanism, so that such kind of robot has a bad position accuracy. after a long-period work

7、 or an unexpected collision, the parameters of the robot will change, as a result need a calibration. recently, the calibration of a robot needs complex manual work by workers. the accuracy of such calibration is bad and depends the experience and ability of the operators, which may cause a waste of

8、 time and a low reliability. however, in the designing process of this product, the author aims to develop an auto calibration device with low cost, easily taken away, based on “l(fā)iner-extending” theory to achieve a quick calibration of a robot.keywords： industrial robots calibration and measurement

9、liner-extend -ing principle 目 錄1 引言 11.1 課題研究背景 11.2 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的國(guó)外研究現(xiàn)狀 21.3 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 21.4 課題研究的意義 31.5 課題研究的內(nèi)容與參數(shù)要求 42 總體方案確定 42.1 距離測(cè)量裝置方案的確定 52.2 末端適配器方案的確定 53 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 63.1 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 63.2 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的工作原理 73.3 低慣量密繞裝置的設(shè)計(jì) 93.4 彈簧張緊裝置的設(shè)計(jì)153.5 萬向輪的設(shè)計(jì)163.6 末端適配器的設(shè)計(jì)193

10、.7 裝置外殼的設(shè)計(jì)203.8 主要零部件的校核244 三維裝配模型渲染圖片與仿真動(dòng)畫254.1 三維裝配模型渲染圖片254.2 三維裝配模型的仿真動(dòng)畫265 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)采集接口軟件的開發(fā)285.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)285.2 數(shù)據(jù)采集接口軟件的開發(fā)29結(jié)論 34參考文獻(xiàn) 35致謝 373河北工業(yè)大學(xué)2015屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1 引言在21世紀(jì)科學(xué)與技術(shù)高速發(fā)展的今天，機(jī)器人技術(shù)已逐漸成為繼電氣時(shí)代、互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代之后的又一具有革命性意義的技術(shù)。工業(yè)界正在掀起一股強(qiáng)勁的“機(jī)器人革命”之風(fēng)。隨著機(jī)器人在各行業(yè)的的大規(guī)模使用，工業(yè)上對(duì)機(jī)器人加工精度要求越來越高，機(jī)器人離線編程技術(shù)隨之

11、產(chǎn)生。機(jī)器人離線編程是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果,建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型,通過對(duì)圖形的控制和操作,在不使用實(shí)際機(jī)器人的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃,進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)器人程序。離線編程系統(tǒng)中的仿真模型(理想模型)和實(shí)際機(jī)器人模型存在有誤差,產(chǎn)生誤差的因素主要有機(jī)器人本體、工作環(huán)境以及離線編程系統(tǒng)等因素。因此，如何減小機(jī)器人的誤差，成為一項(xiàng)很關(guān)鍵的技術(shù)。 隨著工業(yè)的發(fā)展和工業(yè)機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用,對(duì)機(jī)器人的位姿精度的要求也越來越高。目前,大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度在0.1毫米的數(shù)量級(jí),但實(shí)際上其絕對(duì)精度在厘米數(shù)量級(jí)。這樣的絕對(duì)精度難以滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。因此,提高工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)精度是目前機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)急需解決的問

12、題。通過對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行誤差標(biāo)定補(bǔ)償可以達(dá)到提高其絕對(duì)精度的目的。目前，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者都在進(jìn)行機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)和機(jī)器人精度測(cè)量方面的相關(guān)研究。11 課題研究背景隨著工業(yè)機(jī)器人使用程度的日益提高,尤其是在工業(yè)當(dāng)中要進(jìn)行重復(fù)位姿移動(dòng)的機(jī)器人來說，機(jī)器人的精度很大程度上決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。由于大多數(shù)的工業(yè)機(jī)器人由于采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)形式，因此該類機(jī)器人的定位精度通常較差，而且長(zhǎng)時(shí)間工作或發(fā)生碰撞后，機(jī)器人的幾何參數(shù)(工具坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、機(jī)器人零點(diǎn)等)會(huì)發(fā)生改變，需要重新校準(zhǔn)，目前，機(jī)器人的校準(zhǔn)通常需要人工進(jìn)行非常復(fù)雜的手動(dòng)操作，其標(biāo)定精度不高且依賴于操作人員的技術(shù)水平，不

13、僅耗時(shí)且可靠性較低。此外，一些高精度的測(cè)量?jī)x器（如激光跟蹤儀、三座標(biāo)機(jī)等），不僅價(jià)格昂貴不適用于中小型企業(yè)，更重要的是其體較大，不便攜帶，無法進(jìn)行隨時(shí)隨地現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定測(cè)量。1因此，急需開發(fā)一種低成本、便攜式的機(jī)器人標(biāo)定測(cè)量裝置用以滿足工業(yè)上的需求。12 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的國(guó)外研究現(xiàn)狀在機(jī)器人標(biāo)定的過程中，測(cè)量手段是一個(gè)極其重要的因素。 國(guó)外從80 年代就開始了在這方面的研究工作，形成了多種測(cè)量方法：(1)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型標(biāo)定法 按照機(jī)器人標(biāo)定過程,選擇合適的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和標(biāo)定測(cè)量方法是機(jī)器人標(biāo)定的前提,在此基礎(chǔ)上對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)誤差參數(shù)識(shí)別與校正是機(jī)器人標(biāo)定的目的。運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定步驟大致分為四個(gè)

14、步驟：建模測(cè)量參數(shù)辨識(shí)補(bǔ)償。(2)機(jī)器人自標(biāo)定法 所謂自標(biāo)定就是只借助于機(jī)器人內(nèi)部傳感器來對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行標(biāo)定的過程。由于自標(biāo)定幾乎都是針對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的,故把自標(biāo)定也列為運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定方法之一。（3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正標(biāo)定及逆標(biāo)定 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正標(biāo)定為了克服參數(shù)法的缺點(diǎn),許多學(xué)者提出了基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的位姿誤差正標(biāo)定法。該方法以關(guān)節(jié)角和其對(duì)應(yīng)誤差分別作為輸入輸出來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通過對(duì)關(guān)節(jié)角進(jìn)行補(bǔ)償來提高機(jī)器人的位姿精度,在很多工業(yè)場(chǎng)合得到了成功的應(yīng)用。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆標(biāo)定法所謂逆標(biāo)定法,就是通過一定的算法找出機(jī)器人關(guān)節(jié)角的誤差值,以修正后的關(guān)節(jié)角來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,使機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿誤差最小。該方法以關(guān)節(jié)角值

15、和其對(duì)應(yīng)誤差分別作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),得到在任意關(guān)節(jié)角時(shí)的誤差值,通過修正關(guān)節(jié)角來實(shí)現(xiàn)位姿誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。213 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)器人標(biāo)定的研究起步較晚,標(biāo)定手段較少,研究對(duì)象也主要集中于工業(yè)機(jī)器人,開展這方面研究的單位也很少,主要是哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和機(jī)器人研究所,他們的研究主要集中于對(duì)焊接機(jī)器人的標(biāo)定。此外,清華大學(xué)也在進(jìn)行類似的研究。 崔醒陽教授等以vol弧焊機(jī)器人為研究對(duì)象,介紹了機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析方法,利用機(jī)器人示教程序和三點(diǎn)定圓的方法,標(biāo)定了該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù),建立了各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系和變換矩陣;蔡鶴皋等利用修正的dh模型推

16、導(dǎo)了rma一i型機(jī)器人的實(shí)際幾何參數(shù)識(shí)別公式,該公式適用于任何串連機(jī)器人的幾何參數(shù)識(shí)別,標(biāo)定后機(jī)器人的精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。3然而，可以肯定的是，國(guó)外的機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)無論在標(biāo)定方法、標(biāo)定設(shè)備、標(biāo)定對(duì)象及補(bǔ)償方法等方面都比國(guó)內(nèi)研究深入很多。我國(guó)對(duì)機(jī)械設(shè)備如各類數(shù)控機(jī)床的誤差標(biāo)定進(jìn)行的比較好,但專門針對(duì)機(jī)器人的標(biāo)定才剛剛開始,研究對(duì)象和研究方法都比較單一,還沒有形成系統(tǒng)化的、實(shí)用的標(biāo)定方法,隨著各種工業(yè)機(jī)器人在我國(guó)各行業(yè)的使用越來越廣泛,我們需要大力加強(qiáng)這方面的研究工作。14 課題研究的意義在過去的十年當(dāng)中，對(duì)具有高精度和高重復(fù)執(zhí)行性的工業(yè)機(jī)器人的需求越來越大，尤其是在航空航天方面。如今，大多數(shù)的

17、工業(yè)機(jī)器人制造商和一些服務(wù)商（如美國(guó)的dynalog公司和nikon metrology公司）使用3d甚至6d的測(cè)量裝置來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行位置標(biāo)定。再有，大多數(shù)工業(yè)制造商把iso9283納入標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和十年之前的標(biāo)準(zhǔn)有所差異。然而，機(jī)器人位置標(biāo)定技術(shù)讓仍然是單一的測(cè)量方式，更具體的來說，大多數(shù)廠商是依據(jù)iso9283的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行位置標(biāo)定的，然而這種位置標(biāo)定的方法本身就有很大的局限性，所采集的信息無法保證標(biāo)定的機(jī)器人的絕對(duì)精度。 目前在市場(chǎng)上，用于機(jī)器人靜態(tài)精度標(biāo)定的測(cè)量系統(tǒng)包括雙經(jīng)緯儀位姿測(cè)量系統(tǒng)、三坐標(biāo)機(jī)及關(guān)節(jié)型多桿隨動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。 用于機(jī)器人動(dòng)態(tài)精度標(biāo)定的系統(tǒng)主要有激光跟蹤系統(tǒng)、ccd

18、交互測(cè)量系統(tǒng)、超聲波測(cè)量系統(tǒng)、位置測(cè)量系統(tǒng)和帶有接近傳感器的測(cè)量系統(tǒng)。這些測(cè)量設(shè)備成本高、測(cè)試方法繁瑣，而且用于機(jī)器人標(biāo)定需開發(fā)專用的軟件模塊，因此該類設(shè)備不適于現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量與校準(zhǔn)。 美國(guó)dynalog公司于上世紀(jì)90年代開發(fā)出compugauge機(jī)器人性能測(cè)試系統(tǒng)，主要通過角度編碼器計(jì)量4條拉繩的長(zhǎng)度，從而實(shí)時(shí)計(jì)算出機(jī)器人的末端位姿，測(cè)量精度較高，且操作簡(jiǎn)便，能夠在幾分鐘之內(nèi)完成自動(dòng)測(cè)量和標(biāo)定過程，該產(chǎn)品一經(jīng)問世就受到世界范圍內(nèi)機(jī)器人制造商的關(guān)注。近年來，dynalog公司基于相同原理開發(fā)出了操作方式更簡(jiǎn)單，更便于攜帶、可現(xiàn)場(chǎng)完成機(jī)器人精度測(cè)量和標(biāo)定的產(chǎn)品dynacal和dynacal-li

19、te，如今國(guó)內(nèi)外主要機(jī)器人制造廠商紛紛購(gòu)買該產(chǎn)品，用于機(jī)器人產(chǎn)品的出廠檢測(cè)和標(biāo)定。然而由于其價(jià)格昂貴(約60萬)，難以滿足終端用戶的機(jī)器人快速校準(zhǔn)需求。本課題結(jié)合機(jī)器人用戶對(duì)快速測(cè)量和標(biāo)定裝置的需求，擬設(shè)計(jì)一種低成本便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)，包括機(jī)器人末端適配裝置設(shè)計(jì)、拉繩式恒張力張緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，為機(jī)器人精度測(cè)量與標(biāo)定系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。15 課題研究?jī)?nèi)容與參數(shù)要求本課題結(jié)合工業(yè)機(jī)器人用戶對(duì)快速測(cè)量和標(biāo)定裝置的需求，主要研究的內(nèi)容如下：1. 掌握拉繩式測(cè)量裝置的工作原理，基于solidworks三維軟件完成測(cè)量裝置的概念設(shè)計(jì)。2. 借助cad軟件完成測(cè)量裝置的主要結(jié)構(gòu)

20、件設(shè)計(jì)，包括機(jī)器人末端萬向適配器、彈簧張緊系統(tǒng)、低慣量密繞裝置、萬向輪等主要部件的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)件選型。3. 完成所有零件圖和總裝圖繪制，并在三維軟件中建立虛擬樣機(jī)模型。4. 根據(jù)測(cè)量精度要求進(jìn)行角度編碼器及數(shù)采裝置的選型，開發(fā)數(shù)據(jù)采集接口軟件，實(shí)現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取和記錄。測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)按如下參數(shù)設(shè)計(jì)：1.測(cè)量系統(tǒng)精度：0.01mm2.有效測(cè)量長(zhǎng)度：3m3.采樣率：1khz4.質(zhì)量：小于3kg具體要求如下：1. 完成測(cè)量裝置虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，提交渲染圖片。2. 完成并提交一套測(cè)量裝置主要結(jié)構(gòu)件的零件圖和總裝圖，數(shù)采系統(tǒng)接線圖。3. 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)要求完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書工作。2 總體方案的確定便攜式

21、機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)主要包括兩大部分：距離測(cè)量裝置和末端適配機(jī)構(gòu)。距離測(cè)量裝置能夠測(cè)量并記錄基點(diǎn)到機(jī)械手末端的距離，末端適配器能夠靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)以適配機(jī)械手末端的各種運(yùn)動(dòng)。21 距離測(cè)量裝置的方案確定圖2.1 距離測(cè)量裝置方案簡(jiǎn)圖圖中各零件分別是：1（上殼體）、2（鋼絲繩）、3（滾動(dòng)軸承）、4（下殼體）、5（發(fā)條彈簧殼體）、6（發(fā)條彈簧）、7（光電編碼器）、8（主軸）、9（直線軸承）、10（鼓）、11（上殼螺紋結(jié)構(gòu)）本方案中，10（鼓）和8（主軸）在旋轉(zhuǎn)方向上是沒有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的。鼓的上部開孔并有內(nèi)螺紋，零件11（螺紋結(jié)構(gòu)）上有外螺紋與鼓上的螺紋孔相配合，使線軸上下平移。拉繩纏繞在10（鼓）上，而且螺紋

22、的螺距與拉線的直徑相等的或略大于拉繩的直徑d。這樣鼓旋轉(zhuǎn)一周的同時(shí)，垂直方向上移動(dòng)的距離正好為d，因此可以保證鋼絲繩在纏繞時(shí)會(huì)一圈一圈平鋪在鼓上，而不會(huì)發(fā)生層層重疊纏繞的情況。22 末端適配器的方案確定圖2.2 末端適配器三維方案圖圖2.3 末端適配器二維方案圖末端適配器的內(nèi)u型件和機(jī)械手末端固定環(huán)之間、外u型件與內(nèi)u型件之間都是通過銷釘相連接，并且安裝有軸承。本裝置采用虎克鉸鏈的結(jié)構(gòu)，外部和內(nèi)部?jī)蓚€(gè)鋁合金的u型件相互鉸接構(gòu)成虎克絞的結(jié)構(gòu)兩個(gè)u型件分別可以在水平和豎直兩個(gè)方向上靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以使拉繩適應(yīng)機(jī)器人任何運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。鋼絲繩的末端連接在外u型件的螺釘處，無論機(jī)械手怎么運(yùn)動(dòng)，螺釘始終會(huì)在一

23、個(gè)球面（半徑記為r）上運(yùn)動(dòng)，球心正好位于被測(cè)量機(jī)器人的末端上。3 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)31 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如下圖3.1所示，便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為：低慣量密繞裝置、彈簧張緊裝置、萬向輪、末端萬向適配器和外保護(hù)殼等。萬向輪便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)末端萬向適配器彈簧張緊裝置低慣量密繞系統(tǒng)外保護(hù)殼圖3.1 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)組成32 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的工作原理3.2.1 距離的測(cè)定鋼絲繩一圈挨一圈緊密纏繞與低慣量密繞系統(tǒng)的鼓上，光電編碼器與主軸連接在一起，隨著主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器會(huì)實(shí)時(shí)記錄主軸的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角乘以鼓

24、的周長(zhǎng)可以計(jì)算出鋼絲繩的伸長(zhǎng)量s。上式中n表示編碼器記錄的脈沖數(shù)；d表示鼓的直徑。設(shè)初始伸長(zhǎng)量為l0設(shè)測(cè)量裝置a到機(jī)械手末端p的距離為l：上式中r表示掛鉤螺釘運(yùn)動(dòng)時(shí)始終所在球面的半徑3.2.2 機(jī)械手末端坐標(biāo)的測(cè)定在距離測(cè)定的基礎(chǔ)上，本裝置可以測(cè)定機(jī)械手末端在空間中的坐標(biāo)，能夠用于機(jī)械手末端運(yùn)動(dòng)軌跡中離散點(diǎn)的標(biāo)定。圖3.2 便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)工作原理圖記p點(diǎn)坐標(biāo)（x,y,z），將測(cè)量裝置先后安裝到工件坐標(biāo)系0xyz中三個(gè)已知點(diǎn)a1、a2、a3上，可以測(cè)得其到p點(diǎn)的距離分別為l 1，l 2，l 3在支鏈o a1p根據(jù)機(jī)構(gòu)學(xué)中的封閉矢量法有：即兩邊同時(shí)取模方：得同理：即 （3-1）三個(gè)方程三

25、個(gè)未知數(shù)，由上式即可解出機(jī)器人末端點(diǎn)p的坐標(biāo)（x,y,z）。33 低慣量密繞裝置的設(shè)計(jì)3.3.1 低慣量密繞系統(tǒng)的工作原理及組成低慣量密繞裝置是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處，直接影響著測(cè)量系統(tǒng)的精度。拉繩是機(jī)器人精度的測(cè)量介質(zhì)，所采用拉繩的直徑為0.5mm。拉繩纏繞在密繞裝置上時(shí)要保證不能重疊纏繞，否則會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。本設(shè)計(jì)中采用了特殊螺距的螺紋結(jié)構(gòu)，使密繞裝置沿軸向上下運(yùn)動(dòng)。而且螺紋的螺距與拉線的直徑相等，這樣使得拉繩每纏繞一周，密繞裝置在豎直方向上向上或者向下移動(dòng)拉繩直徑那么大的距離即0.5mm,這樣便保證細(xì)繩平鋪纏繞在密繞裝置上。低慣量密繞系統(tǒng)主要包括以下幾部分：主軸、鼓、直線軸承與滾動(dòng)

26、軸承、導(dǎo)向軸和鋼質(zhì)螺紋套。3.3.2 主軸的設(shè)計(jì)主軸是系統(tǒng)中最主要的回轉(zhuǎn)部件，主軸首先要求較低的慣量，其次由于主軸是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)軸，也要求有一定的剛度，防止出現(xiàn)主軸彎曲而產(chǎn)生測(cè)量誤差的現(xiàn)象。綜合以上對(duì)主軸的性能要求，擬采用鋁合金材料制造主軸。查閱市面上相關(guān)的鋁合金牌照，經(jīng)過相關(guān)比較，選取2a2011鋁合金。圖3.3 主軸三維模型圖2a11鋁合金別稱標(biāo)準(zhǔn)硬鋁，具有中等強(qiáng)度，在退火、剛淬火和熱狀態(tài)下可塑性尚好，可熱處理強(qiáng)化，在淬火和自然時(shí)效狀態(tài)下使用，點(diǎn)焊焊接性良好，進(jìn)行氣焊及氬弧焊時(shí)有裂紋傾向；可切削在淬火時(shí)效狀態(tài)下尚好，在退火狀態(tài)時(shí)不良。如圖3-2是主軸的三維模型，主軸的上部和中部的階梯處安裝滾動(dòng)

27、軸承，主軸最下部開有寬度為0.5mm的窄槽，用來安裝發(fā)條彈簧。主軸所受力很小，僅僅受到發(fā)條彈簧施加在主軸上的恢復(fù)力，大小約為6、7n，因此在此選取主軸的軸徑小徑處為8mm,大徑處為12mm，主軸全長(zhǎng)123mm。軸徑8mm處與滾動(dòng)軸承配合，此處宜選擇過度配合，精度等級(jí)選擇js6級(jí)。主軸兩側(cè)設(shè)計(jì)有伸出端，形似兩只胳膊，在此將其稱之為主軸臂。主軸臂的總體厚度為4mm,中間部分加厚以防止主軸臂彎曲。主軸臂部末端有兩個(gè)小孔，小孔孔徑為3mm,與導(dǎo)向軸相配合。初步擬選擇過盈配合使導(dǎo)向軸固定在主軸上，但導(dǎo)向軸長(zhǎng)度為40mm,如果選擇過盈配合的話，很難保證裝配時(shí)導(dǎo)向軸的直線度。因此此處采用間隙配合，導(dǎo)向軸依靠

28、兩端的軸用彈性擋圈固定在主軸臂的小孔中。由于主軸的形狀不規(guī)則，若采用一體式的加工難度較大而且浪費(fèi)原材料。因此考慮使主軸和主軸臂分開加工，由于2a1 1鋁合金材質(zhì)具有良好的焊接性能，此處采取焊接的方式固定在一起形成整體的主軸。但是采取焊接的方式會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，使主軸臂發(fā)生變形，造成小孔垂直度誤差。此處采用的工序是:先進(jìn)行焊接，焊接完成后進(jìn)行時(shí)效處理，去除應(yīng)力，最后加工主軸臂上的小孔。這樣可以消除焊接帶來的變形造成的誤差。3.3.3 鋼絲繩與編碼器的選型 此機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)是以拉繩為介質(zhì)測(cè)量機(jī)器人末端的位置，因此對(duì)測(cè)量介質(zhì)即拉繩的要求較高，拉繩要滿足以下兩個(gè)條件：第一，拉繩具有較高的韌性，能夠很容易

29、地纏繞在鼓上。第二，拉繩要有較高的彈性模量，在發(fā)條施加一定恢復(fù)力的狀態(tài)下，其伸長(zhǎng)量可以忽略不計(jì)。經(jīng)過查閱相關(guān)資料，主要篩選出兩種線材可供考慮：尼龍繩和鋼絲繩。通過相關(guān)的比較，本裝置中最終選擇77股304不銹鋼鋼絲繩作為測(cè)量介質(zhì)，每根鋼絲繩由7股鋼絲捻成，每股鋼絲里又包含7股細(xì)絲。因?yàn)椴讳P鋼鋼絲繩材質(zhì)有更高的楊氏彈性模量，抵抗伸長(zhǎng)變形的能力更強(qiáng)。本設(shè)計(jì)中選取的鋼絲繩的主要參數(shù)如下：直徑 d=0.4mm 材質(zhì) 304不銹鋼楊氏彈性模量 e=200gpa長(zhǎng)度l 3m最大承重15kg圖3.4 光電編碼器圖便攜式的機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)是通過編碼器記錄的轉(zhuǎn)角來計(jì)算出鋼絲繩運(yùn)動(dòng)的距離，因此光電編碼器的精度與質(zhì)

30、量對(duì)最終的測(cè)量結(jié)果有著直接的影響。本設(shè)計(jì)中采用增量型光電編碼器即可?？紤]到精度的要求、編碼器的外形尺寸以及安裝方式這些因素，對(duì)比市面上能夠買到的多個(gè)廠家及多個(gè)型號(hào)的編碼器，最終選擇的編碼器參數(shù)如下：品牌：海德漢（heidenhain）安裝孔：通孔型8mm型號(hào)：ern430線數(shù):3600線系統(tǒng)精度：1/20光柵周期額定電壓：12v直流質(zhì)量：約0.3kg3.3.4 鼓的設(shè)計(jì)圖3.5 鼓三維模型圖 如上圖是鋼絲繩纏繞殼體的三維模型，由于其外觀形似一張鼓，以下稱其為“鼓”。鼓的形狀不規(guī)則，本身為薄金屬圓柱形殼體，內(nèi)側(cè)有兩個(gè)伸出端，由于其外形好像兩個(gè)耳朵，以下稱其為“耳”。鋼絲繩直接纏繞在鼓上，鼓是低慣

31、量密繞系統(tǒng)的主要組成部分，其慣量的大小直接決定著密繞系統(tǒng)慣量的大小。顯然，鼓的質(zhì)量必須較小，才能使鼓具有較小的慣量，運(yùn)動(dòng)起來才能輕便靈活，保證系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)的跟隨性好，響應(yīng)快。選擇鋁合金2a11材料制造，其密度為2.8g/cm3，質(zhì)量小，強(qiáng)度高，慣量小。鼓的主要參數(shù)如下：材料：2a11直徑: 60mm壁厚：3mm高度：30mm由于兩個(gè)耳的存在，鼓一體化加工難度較大。因此采用焊接的方式，將兩個(gè)耳焊接到鼓上。但是焊接存在較大的應(yīng)力和變形，容易造成上下直線軸承安裝孔之間不同軸。為解決這一問題，采用先焊接，經(jīng)過時(shí)效處理去除殘余應(yīng)力，再鉆孔的方法，以保正上下孔之間較高的同軸度。耳上和鼓上平面開有孔

32、，孔徑為7mm，4個(gè)孔與直線軸承外徑相配合。為了便于安裝，孔與直線軸承外徑采用間隙配合的方式，孔直徑6mm，公差等級(jí)h7。初步考慮在上端面設(shè)計(jì)有一個(gè)24mm的孔，孔中有m240.5的內(nèi)螺紋與上殼體上的螺紋相配合。然而，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)發(fā)現(xiàn)m24的螺紋其螺距有2mm、1.5mm、1mm。而本設(shè)計(jì)中鼓采用的是螺距0.5mm的非標(biāo)鋁制螺紋，由于其螺距較小而且鋁合金的強(qiáng)度較低，在使用過程中螺紋容易磨損磨損失效。為了解決這一問題，采用分體式設(shè)計(jì)，做成兩個(gè)零件，新設(shè)計(jì)一個(gè)鋼質(zhì)的螺紋套，螺紋套和鼓以螺釘相連接。這樣即使螺紋由于長(zhǎng)時(shí)間使用而發(fā)生磨損，只需更換一個(gè)新的鋼質(zhì)螺紋套即可。螺紋套的設(shè)計(jì)如下3.2.5所

33、述3.3.5 鋼螺紋套的設(shè)計(jì)圖3.6 鋼螺紋套三維模型圖如上圖是鋼螺紋套三維模型圖。材料選擇45鋼，調(diào)制處理，以達(dá)到較高硬度和強(qiáng)度，延長(zhǎng)螺紋的使用壽命。中間24mm的孔中有非標(biāo)內(nèi)螺紋m240.5，與上殼體伸出端的外螺紋相配合。兩端的耳部有沉孔，通過4個(gè)m2.5的螺釘與鼓相連接。當(dāng)達(dá)到一定的使用壽命，螺紋產(chǎn)生磨損或者失效時(shí)，可直接更換新的鋼螺紋套，減少了使用和維修的成本。3.3.6 導(dǎo)向軸和直線軸承的選型與設(shè)計(jì)圖3.7 直線軸承與導(dǎo)向軸 直線軸承沿著主軸在z軸方向上垂直移動(dòng)。直線軸承和導(dǎo)向軸都是可以直接購(gòu)買的，直線軸承和導(dǎo)向軸是相互配合的，有現(xiàn)成的參數(shù)，只需根據(jù)系統(tǒng)的相關(guān)要求選型即可。直線軸承如

34、上圖所示，為了減少重量，節(jié)省空間，本設(shè)計(jì)中直線軸承選用4個(gè)內(nèi)徑3mm微型兩面切割法蘭直線軸承，從米思米上采購(gòu)。直線軸承上帶有法蘭，圓法蘭兩側(cè)面已切割，因此可以減輕自身重量，節(jié)省其安裝所占用空間。法蘭上帶有雙安裝孔，通過m2mm的內(nèi)六角圓柱頭螺釘與鼓的上端面預(yù)留的螺紋孔連接。直線軸承的相關(guān)參數(shù)如下：型號(hào) 米思米lhfc3外徑 7mm長(zhǎng)度 10mm潤(rùn)滑 脂潤(rùn)滑基本額定動(dòng)負(fù)載 69n導(dǎo)向軸如上圖所示，軸徑3mm，長(zhǎng)度為40mm。其材質(zhì)為45鋼，表面鍍鉻，保證其有較高的剛度和較好的表面質(zhì)量，表面粗糙度為ra0.4，減小了導(dǎo)向軸與直線軸承間的摩擦力。同時(shí)導(dǎo)向軸公差等級(jí)g6，與直線軸承孔為間隙配合方式，因

35、此鼓在垂直方向上能夠快速低阻力地移動(dòng)。初步考慮采用過盈配合的方式將其安裝到主軸預(yù)留孔上，但是導(dǎo)向軸的較長(zhǎng)，過盈配合會(huì)給裝配帶來很大的困難。因此，最終采用軸用彈性墊圈（即卡簧）將導(dǎo)向軸固定到主軸的孔中 。采購(gòu)來的導(dǎo)向光軸要加工出兩個(gè)槽，用來安裝兩側(cè)的m3mm的軸用彈性墊圈。3.3.7 低慣量密繞裝置干涉的檢驗(yàn)本裝置是便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)，為突出其便攜性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的十分緊湊。但是因?yàn)樵O(shè)計(jì)中大量使用采購(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)件，比如直線軸承，其長(zhǎng)度為10mm，冗余的長(zhǎng)度要占據(jù)一定的空間。在設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要為鼓的垂直方向上的移動(dòng)距離預(yù)留出空間，還要為直線軸承的冗余長(zhǎng)度留出空間，防止鼓與與殼體發(fā)生干涉以及直線軸承

36、的末端與主軸的臂部發(fā)生干涉。以下是干涉情況的初步計(jì)算，在第 章中，會(huì)通過三維軟件的運(yùn)動(dòng)仿真來詳細(xì)實(shí)現(xiàn)低慣量密繞系統(tǒng)的干涉狀況檢驗(yàn)。鋼絲繩纏繞圈數(shù) （3-2）上式中，l=3m表示系統(tǒng)的量程；d=60mm表示鼓的直徑；為了保證一定的精度，還要在初始處預(yù)留出圈不參與測(cè)量的鋼絲繩，為了方便起見，此處取為4圈，即總的圈數(shù)為n=20圈。那么鼓在垂直方向上必要的移動(dòng)距離s=pn=0.520=10mm (3-3) 式3-4中，p=0.5mm表示非標(biāo)螺紋的螺距；上殼體腔體的總高度至少為 (3-4)設(shè)計(jì)中上殼體內(nèi)部空腔的高度為47mm，經(jīng)檢驗(yàn)不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。34 彈簧張緊裝置的設(shè)計(jì)彈簧張緊裝置主要有兩個(gè)作用：一

37、是提供低慣量密繞系統(tǒng)的回復(fù)力，二是保持鋼絲繩始終處于張緊拉直的狀態(tài)。彈簧裝置提供的回復(fù)力要適中，如果彈力太大，會(huì)使鋼絲繩產(chǎn)生額外的變形，影響測(cè)量的精度。如果彈力太小，鋼絲繩難以快速地伸縮以跟隨機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)，響應(yīng)速度會(huì)大打折扣。另外，張緊裝置提供的回復(fù)力在一定范圍內(nèi)可認(rèn)為是恒定的，在主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)不能變化太大，否則會(huì)使鋼絲繩在纏繞在鼓上時(shí)產(chǎn)生偏差。彈簧張緊裝置主要有兩種選擇:螺旋式的彈簧和渦卷式的發(fā)條。顯然，發(fā)條優(yōu)勢(shì)更大，發(fā)條和主軸更易于連接，安裝方便，而且發(fā)條提供的回復(fù)力更加平穩(wěn)，在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)范圍內(nèi)可以認(rèn)為是恒定的。3.4.1 渦卷發(fā)條的選型通過查閱多種發(fā)條的相關(guān)參數(shù)，最終選擇出回復(fù)力

38、較為合適的渦卷發(fā)條。其相關(guān)參數(shù)如下：厚度 0.2mm展開長(zhǎng)度 2m高度 6mm回復(fù)力 6n購(gòu)買來的一盤發(fā)條展開長(zhǎng)度近2m，并且隨著發(fā)條彎成的圓盤的直徑不同其回復(fù)力大小也不同。幾次實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)渦卷發(fā)條外徑為40mm時(shí)其回復(fù)力大小約為6n，大小比較合適。因此在卷簧殼的設(shè)計(jì)中為發(fā)條預(yù)留直徑40mm的圓孔。3.4.2 渦卷發(fā)條的定位 圖3.8 發(fā)條形狀及其定位圖發(fā)條彈簧的兩端要有相應(yīng)的定位，一端要與主軸末端固定，另一端要與卷簧殼相固定。借鑒卷尺中發(fā)條的定位，這里采取類似的簡(jiǎn)單可靠的定位方式。發(fā)條的一端彎成一個(gè)直角，將這一部分發(fā)條插入主軸端部為安裝發(fā)條預(yù)留出的寬度為0.5mm的窄槽中。而發(fā)條的另一端通過

39、外力將其塑造成直徑為6mm的渦卷圓形，這部分卷簧插入卷簧殼上預(yù)留的直徑為6mm，深度為8mm的圓孔中。這樣，發(fā)條的兩端便可靠固定，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)條會(huì)收緊或者放松，從而提供給低慣量密繞系統(tǒng)一個(gè)回復(fù)力，保證鋼絲繩始終有大小為6n左右的張力，一直處于張緊繃直的狀態(tài)。35 萬向輪的設(shè)計(jì)本裝置中的萬向輪工作原理類似于拉桿底端的萬向滑輪。其滑輪不僅可以繞自身的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而且滑輪連同滑輪座整體可以繞與之垂直的豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其具有兩個(gè)方向的自由度。當(dāng)機(jī)器人末端快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅鋼絲繩可以快速伸縮，而且萬向輪能夠靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣，測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，跟隨性能優(yōu)。3.5.1 滾動(dòng)軸承的選型此處所使用的軸承工作時(shí)

40、沒有軸向載荷，因此選用兩個(gè)深溝球軸承即可。而且軸承的徑向載荷也不大，這里選用內(nèi)徑為6mm的軸承，其主要參數(shù)如下：軸承代號(hào) 619/6外形尺寸 6155潤(rùn)滑方式 油潤(rùn)滑基本額定載荷 0.60 kn萬向轉(zhuǎn)軸與軸承內(nèi)圈采用過渡配合，公差等級(jí)js6，下殼體中15mm的孔與軸承外圈采用間隙配合，公差等級(jí)h7。3.5.2 軸承的定位和萬向轉(zhuǎn)軸的鎖緊要保證軸承的順利工作，除了正確選擇軸承的類型和尺寸外，還應(yīng)該正確地設(shè)計(jì)軸承的安裝、定位、緊固和調(diào)節(jié)等問題。軸承的定位和固定可采用的方式有軸肩、套筒、軸承端蓋和鎖緊螺母等等。下圖是本裝置中軸承的定位方案裝配圖：圖3.9 軸承的定位方案裝配圖1、萬向轉(zhuǎn)軸 2、鎖緊螺

41、母 3、壓板 4、墊圈 5、套筒 6、深溝球軸承 7、橡膠墊 8、軸承端蓋為展示方便，上圖中將豎直的圖紙水平放置，左端應(yīng)為圖紙的上端。由于空間較小，本方案采用了較為緊湊設(shè)計(jì)。上側(cè)軸承的外圈通過一個(gè)4mm厚的圓形壓板固定，軸承再上端有中間隔板阻礙，因此壓板下沉安裝到下殼體中，通過4個(gè)m2.512的十字沉頭螺釘與下殼體相固定。下側(cè)軸承的外圈通過軸承端蓋壓緊，同樣下沉設(shè)計(jì)，通過4個(gè)m2.512的十字沉頭螺釘與下殼體相固定。另外在端蓋與下殼體的連接處安裝有一個(gè)28mm，厚度為1mm的圓形橡膠墊圈，其具有一定的彈性可以為調(diào)節(jié)軸承的壓緊程度留出余量。壓板和軸承端蓋非標(biāo)準(zhǔn)件，應(yīng)單獨(dú)加工。兩個(gè)軸承的內(nèi)圈通過一

42、個(gè)軸套固定，軸套的厚度為1.5mm。萬向轉(zhuǎn)軸中間開有3mm直徑的通孔，下端通過兩個(gè)頂絲（即緊定螺釘）與換輪座固定，萬向轉(zhuǎn)軸在豎直方向上應(yīng)該鎖緊，避免豎直方向上的竄動(dòng)。萬向轉(zhuǎn)軸的下端設(shè)計(jì)有軸肩與軸承內(nèi)圈壓緊，上端用兩個(gè)m6的六角薄螺母鎖緊。因?yàn)槁菽篙^大，為了防止螺母壓倒軸承外圈，在螺母和軸承內(nèi)圈之間安裝一個(gè)厚度1mm的墊片，這一墊片尺寸非標(biāo)需自己加工。3.5.3 滑輪的定位方案設(shè)計(jì)滑輪裝置包括滑輪、銷軸、滑輪座等幾部分，其裝配圖如下：圖3.10 滑輪的定位方案裝配圖1、m3軸用彈性墊圈 2、滑輪 3、萬向轉(zhuǎn)軸 4、滑輪座 5、緊定螺釘 6、外圈帶法蘭深溝球軸承 7、銷軸為固定萬向轉(zhuǎn)軸與滑輪座，在

43、90度相互垂直的兩個(gè)方向上用2個(gè)m2.5的緊定螺釘將其可靠連接?；喼虚g開有寬1mm，深2mm的窄槽，鋼絲繩從萬向轉(zhuǎn)軸中間的通孔伸出后穿過滑輪槽。滑輪最厚處厚度5mm，中間的軸承孔為6mm，與銷軸之間裝有軸承。因?yàn)榘惭b空間非常小，這里選擇特殊的微型軸承，即外圈帶法蘭的深溝球軸承，外圈直接靠法蘭定位，這樣可以節(jié)省很大的空間，減小軸承裝置尺寸。內(nèi)圈用軸用彈性墊圈定位，銷軸兩側(cè)也采用軸用彈性墊圈與滑輪座定位。外圈帶法蘭深溝球軸承主要參數(shù)如下：型號(hào)bal683zz內(nèi)徑3mm外徑6mm厚度2mm法蘭外徑7.2mm法蘭厚度0.6mm基本額定負(fù)載242 n允許轉(zhuǎn)速 71000 rpm3.6 末端適配器的設(shè)計(jì)

44、3.6.1 u型結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì) 圖3.11 外u型件三維模型 圖3.12 內(nèi)u型件三維模型如上圖所示為末端適配器的內(nèi)外兩個(gè)u型結(jié)構(gòu)件。外u型件寬50mm，高40mm，厚度為4mm，下端中間處有m2.5mm螺紋孔，孔中安裝長(zhǎng)6mm的內(nèi)六角圓柱頭螺釘用來連接鋼絲繩掛鉤。內(nèi)u型件寬40mm，高26mm，厚度4mm，下端開有6mm小孔安裝外圈帶法蘭的微型軸承。外u型件和內(nèi)u 型件雙臂上開有通孔，孔中安裝有銷軸使得內(nèi)外u型件間相互鉸接，同樣內(nèi)u型件下端的孔中也通過銷軸與機(jī)器人末端固定環(huán)鉸接。通過鉸接內(nèi)外u型件之間可以靈活快速轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)u型結(jié)構(gòu)件都采用2a11鋁合金材料制造，質(zhì)量輕，慣量低，同時(shí)具有一定強(qiáng)度

45、。此類薄壁外輪廓不規(guī)則的零件很適合采用線切割慢走絲的公藝加工，這種加工方式無切削外力，u型件不會(huì)受力變形，可以得到孔之間較高的同軸度，同時(shí)工件也可以達(dá)到較高的表面質(zhì)量。3.6.2 鉸接方案的設(shè)計(jì)圖3.13 內(nèi)外u型件鉸接裝配圖1、階梯銷軸 2、鎖緊螺母 3、墊片 4、外u型件 5、外圈帶法蘭深溝球軸承 6、內(nèi)u型件如上圖內(nèi)外u型結(jié)構(gòu)件之間的鉸接裝配簡(jiǎn)圖。內(nèi)外u型件中只要有一個(gè)零件孔內(nèi)安裝軸承即可，這里選擇外u型件。右側(cè)軸承外圈靠法蘭定位內(nèi)圈依靠階梯軸的軸肩定位。左側(cè)軸承外圈依靠法蘭定位，內(nèi)圈用兩個(gè)m3鎖緊螺母鎖緊，同樣，由于鎖緊螺母較大，為避免鎖緊螺母壓到軸承外圈，中間加一個(gè)非標(biāo)的墊片。所選軸

46、承型號(hào)為bal683zz，其參數(shù)在3.3.2中已經(jīng)詳細(xì)列出，這里不再贅述。3.7 裝置外殼體的設(shè)計(jì)整個(gè)測(cè)量裝置外殼的的設(shè)計(jì)一共可以分為五個(gè)部分：上殼體、上殼體螺紋件、中間隔板、下殼體、卷簧殼。其中上殼體螺紋件采用的材料為45鋼，其它殼體零件的材料均采用2a11鋁。下面將分別對(duì)這五個(gè)部分的設(shè)計(jì)過程和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹： 3.7.1 上殼體的設(shè)計(jì) 該裝置的上殼體是一個(gè)典型的腔體類零件，其內(nèi)部空腔用來放置測(cè)量裝置的主要零配件（如鼓、轉(zhuǎn)軸、定滑輪等）。其在solidwroks軟件里的三維結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖3.14 上殼體三維模型圖 上殼體的頂部有一處沉孔、螺紋結(jié)構(gòu)，用于和上殼體螺紋件進(jìn)行裝配，其軸孔

47、采用過盈配合，采用四個(gè)m3螺釘進(jìn)行固定。對(duì)角有兩個(gè)m8的螺紋孔用于和中間板、下殼體固定。其二維工程圖如下所示：圖3.15 上殼體二維圖3.7.2 上殼螺紋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 為保證上殼體螺紋的強(qiáng)度以及其螺紋耐用性，采用45鋼作為材料，45鋼和2a11鋁的參數(shù)對(duì)比如下：45鋼參數(shù)：圖3.16 45鋼屬性表2a11鋁參數(shù)：圖3.17 2a11鋁屬性表該零件三維結(jié)構(gòu)圖如下：圖3.18 上殼螺紋結(jié)構(gòu)三維模型圖3.7.3 中間隔板的設(shè)計(jì) 中間隔板將機(jī)構(gòu)內(nèi)部分成了上下兩層：上面是鼓和繞線機(jī)構(gòu)，下面是角度編碼器。隔板上下均有直徑為80mm的凸緣，其目的是作為對(duì)心結(jié)構(gòu)，使得其與上下殼體配合時(shí)更加精確，避免出現(xiàn)上、下殼

48、體在使用螺釘裝配后錯(cuò)位的情況。其三維結(jié)構(gòu)圖如下：圖3.19 中間隔板三維模型圖3.7.4 下殼體的設(shè)計(jì) 下殼體作為一個(gè)腔體零件用于放置角度編碼器和導(dǎo)向滑輪結(jié)構(gòu)，其側(cè)面要安裝傳遞數(shù)據(jù)的串口接口。下殼體的三維結(jié)構(gòu)示意圖如下：圖3.20 下殼體三維模型圖3.7.5 卷簧殼殼體的設(shè)計(jì) 卷簧殼內(nèi)的空腔用來放置提供恒定張緊力的卷簧，側(cè)壁有一處m2.5的螺紋孔，和螺釘配合后的結(jié)構(gòu)用來放置掛線鉤。卷簧殼由三個(gè)m4的螺栓與下殼體相固定。其三維示意圖如下：圖3.21 卷簧殼三維模型圖3.8 主要零部件的校核3.8.1 拉繩伸長(zhǎng)量的校核拉繩變形量的校核：由胡克定律得鋼絲繩的變形量： (3-5)式3-2中e=200g

49、pa為鋼絲繩的彈性模量；l=3m為鋼絲繩長(zhǎng)度；f=6n為發(fā)條彈簧的恢復(fù)力鋼絲繩的截面面積： (3-6) 經(jīng)計(jì)算得=710-3m便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)分辨率為0.01mm，系統(tǒng)伸長(zhǎng)量=710-3m0.01mm所以拉繩伸長(zhǎng)量滿足設(shè)計(jì)要求。3.8.2 末端適配器銷軸強(qiáng)度的校核圖3.22 銷軸和銷釘三維模型圖如圖，滑輪銷軸最小直徑為2.8mm,末端適配器銷釘最小直徑為3mm,因此這里只需校核滑輪銷軸強(qiáng)度。其材質(zhì)為45鋼銷軸最小截面面積a：最小截面剪切應(yīng)力1：所以銷軸強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。3.8.3 末端適u形結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的校核外u形結(jié)構(gòu)件的截面為兩個(gè)矩形，尺寸4mm4mm,內(nèi)u型結(jié)構(gòu)件截面也是兩個(gè)矩形，尺

50、寸11mm4mm，材料都是2a11鋁。因?yàn)橥鈛形件的截面面積較小，所以只需校核外u型件。其截面剪切應(yīng)力為2：所以u(píng)型結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。4 三維裝配模型渲染圖片與仿真動(dòng)畫solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多，而且易學(xué)易用。因此solidworks 成為領(lǐng)先的、主流的三維cad解決方案。solidworks有著強(qiáng)大的渲染與仿真功能，能夠?yàn)楣こ處煶尸F(xiàn)更直觀的圖片與動(dòng)畫，減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。4.1 三維裝配模型的渲染圖片圖4.1 整體渲染圖片圖4.2 內(nèi)部渲染圖片4.2 三維實(shí)體模型的仿真動(dòng)畫圖4.3 鼓的旋轉(zhuǎn)與向上平移圖4.4 鼓的旋轉(zhuǎn)與向下平移圖4.5 末端適配器的旋

51、轉(zhuǎn)狀態(tài)1圖4.6末端適配器的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)25 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)采集接口軟件開發(fā)5.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換器的選型本設(shè)計(jì)中采用了開思rs232信號(hào)轉(zhuǎn)換器，圖片如下圖圖5.1 rs232信號(hào)轉(zhuǎn)換器脈沖編碼器轉(zhuǎn)rs232轉(zhuǎn)接器是濟(jì)南開思科技有限公司新推出的專用于將編碼器脈沖信號(hào)通過串口與電腦實(shí)現(xiàn)通信的裝置，可廣范應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。技術(shù)參數(shù)產(chǎn)品型號(hào)：ks303供電電壓：直流7v-24v輸入阻抗：10k脈沖頻率：500k脈沖電平：低電平：-50v0.5v 高電平：3.550v 安裝方式：9針接口環(huán)境溫度：-10505.1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接線圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路接線圖如下圖5.2 數(shù)

52、據(jù)采集系統(tǒng)電路接線圖5.2 數(shù)據(jù)采集接口軟件的開發(fā)本設(shè)計(jì)中采用labview語言編寫數(shù)據(jù)采集接口軟件，以實(shí)現(xiàn)編碼器輸出數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取與記錄。labview語言又稱“g”代碼，是一種圖形化的編程語言。labview由美國(guó)國(guó)家儀器公司研制開發(fā)，類似于c和basic開發(fā)環(huán)境，但是labview與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是:其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而labview使用的是圖形化編輯語言。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖和框圖，因此更加直觀、清晰。在進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并儀器系統(tǒng)時(shí)，使用labview可以大大提高工作效率。其工作流程圖如下：串口初始化設(shè)置刷新率查詢編碼器脈沖量計(jì)算位移量輸出位移量停止按鈕按下是否清零關(guān)閉是否圖5.3 數(shù)據(jù)采集軟件流程圖數(shù)據(jù)采集軟件程序框圖如下圖：圖5.4 數(shù)據(jù)采集軟件程序框圖其操作平臺(tái)界面設(shè)計(jì)如下圖：圖5.5 數(shù)據(jù)采集軟件操作平臺(tái)界面結(jié) 論通過查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)，以及參考國(guó)外類似的機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)或者機(jī)器人的標(biāo)定系統(tǒng)，本文較為詳細(xì)的闡述了便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。根據(jù)便攜式機(jī)器人精度測(cè)量系統(tǒng)的功能和特性，確定了其較為優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，也詳細(xì)說明了其主要結(jié)構(gòu)的造型和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)件的選型。本文還對(duì)其進(jìn)行了三維建模和運(yùn)