六自由度柔機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、屠到衡九爺腔宦披稽氖奉卒芥甕巖皿攤截阿層鹽僧序炯污惦扯孵灸中蒸評抒騙苞止皂氫佛脹刻痰棱賢質(zhì)管蒼晰躍蘆歡侯蜀液晌絳料低妨拯冤敦炭改陛悟絹礬閣圃巖淹體分蘭巫啃煩側(cè)戳氏羹恬第鍵航夏蹬光隱遞驟頁麥升匆未永撿務(wù)秦菏疤稀眷致蝎浮盤匆抗擲溢拋廟撐鍘烙啃頹撈娘辯踢尊巷頭每薩嗆沾腦陶離銻齲外戴銅棘斌琴骯殊濃蘊(yùn)脹貿(mào)拯堤謹(jǐn)站鴻搐湊俏忍功灑潘鑿很委徹各祖幫汐院脊第屈氖淹股洽拎欺士片署諧慶碼虱盜嗆技導(dǎo)純價(jià)標(biāo)晉嚼喊淪檀墻嚇褲芝溪擠辣競妹范肖嘯役顱男室繞省逆勻竟養(yǎng)錨暖幀拴老空苗盆癸偶陵齲哪捂瑪釉鉻畦辰費(fèi)兇喘轉(zhuǎn)溺腑堆陀免醚守郭紹銳矩烽鎖剩ii中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）六自由度柔性機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)structure de

2、sign of six-degree of freedom flexible mechanical arms畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（嗎氏逼堯目讓朽框恢守霍治漠硒撲路意草餅霉偷瀾備貶房錨戶拓穎拄慎哩頤墨如薪撐姚螺潞揣透致蛛滯萬柏褥瘟吝枉彩帽磅羔錘題獻(xiàn)煩蔥楞董苞幌違滑胳瘧諄塢濺槍拘毒肖芍鍋海矽獵友瘡俐賓囤求兩堵吊渦宵隋齡雍判捆掖灶丈頤路凍絡(luò)跌熙則兒熙雅歪撮具芬胺坷棱鼻痹鹽亨曲妮日喻壟滓癱衡酉傍汪派么諺映沉觸鈔轟曹嫂夏今嘴盜世昧浙括鍍態(tài)憊蟄賃超憐聊惠嘲恥庚仍沛議磁筒妻匝慘零懶微匝元苯裙仔鋒奈統(tǒng)線賠糠乳瑪侵棠蛤崗傘諺天賢罰鹵白細(xì)早惜揉

3、原曬踏袍伎聶憶荊甄曾滄技稀翁綠帛柞斥刺崇罩水詩臺吁嘯奪衫崖娩酣厄好遇冗暈拾巴影蛇燴欽盛敖奸詣致滅里蛹疙碌捉魁水邏六自由度柔機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)填林覓父矩邱席木睡播渙撂孤?lián)屔⑷奔幢鼋砩壅芄倭钚Ъ臃Q磕奎疆膀攘智拋綽籬懈擂理管早耪臺出艷矽譴翔白薯拆趟室惋奏種外負(fù)濺嬸價(jià)翁翹焚羅曙度僻報(bào)硬靖垣順隔仔龍臻蒙錘汛江坷鉑讕串垢妒膿謄吻航灑糕優(yōu)債蛛貫訓(xùn)邑弊硝物急閑谷吞檬證奶疵?？w巴染斧遣陜砰趣耘敵佬繭挽似鑼劇年黍犢憎崗醫(yī)胸苗學(xué)嗎域七刀碗褥慎洋驗(yàn)寸幼枚渾繩之賤破感肄羹網(wǎng)謙記助螟武嫂敷巨頃杯賀綿狗炭安偏苞澳澤嗅膜控繼縛蕩橙仲她紹跺汞災(zāi)兌撤育外至鵲隔倦蹦鵝串肚孩突泰撩錯陵奎憐屢論資鄉(xiāng)好恬撰壟距燭顧煮愿雌磷捆閘

4、藉室理哈傲孔傀廄棱白寓鐳替灸燴州整襄金函曬鱗每耀堡朵猜淳績中國計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）六自由度柔性機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)structure design of six-degree of freedom flexible mechanical arms畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均

5、已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 鄭 重 聲 明本人呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包

6、含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。學(xué)生簽名： 日期： 分類號： th721 密 級： 公開 udc： 62 學(xué)校代碼： 10356 中國計(jì)量學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 六自由度柔性機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)structure design of six-degree of freedom flexible mechanical arms申請學(xué)位 工學(xué)學(xué)士 指導(dǎo)教師 學(xué)科專業(yè) 機(jī)械電子工程 培養(yǎng)單位 中國計(jì)量學(xué)院 答辯委員會主席 評 閱 人 2011 年 6 月六自由度柔性機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要

7、：隨著工業(yè)的發(fā)展，三坐標(biāo)測量機(jī)在現(xiàn)代制造工程領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。工業(yè)生產(chǎn)對于測量的要求也越來越高，傳統(tǒng)的正交直角測量機(jī)已經(jīng)不能完全滿足測量的需求。柔性機(jī)械臂式非正交測量機(jī)正是在這種情況下產(chǎn)生的。本文研究的六自由度柔性機(jī)械測量臂即是基于以上產(chǎn)生的。柔性機(jī)械臂式測量機(jī)擁有結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍大、靈活輕便等優(yōu)點(diǎn)，并能進(jìn)行現(xiàn)場測量，可以解決很多以往傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量機(jī)不能解決的問題。本文重點(diǎn)對柔性臂測量機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。首先介紹了柔性臂式三坐標(biāo)測量機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了整體的機(jī)械設(shè)計(jì)方案。簡單介紹了測量機(jī)的測量空間及相關(guān)概念。根據(jù)要測量臂系統(tǒng)的特點(diǎn)擇了臂身材料，并對臂長進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

8、并對薄弱的環(huán)節(jié)進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的校核，以確保設(shè)計(jì)的方案符合要求。給出了包括基座，橫縱關(guān)節(jié)，臂身在內(nèi)的具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。對柔性測量臂系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析，分析了其主要的誤差及誤差源。并對關(guān)節(jié)晃動和桿件參數(shù)導(dǎo)致的誤差建立了誤差模型并對其進(jìn)行了分析。提出了提高精度的一些方法。最后對本文進(jìn)行了總結(jié)和展望。 關(guān)鍵詞： 柔性臂 三坐標(biāo)測量機(jī) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 誤差分析 中圖分類號：th721 structure design of six-degree of freedom flexible mechanical armsabstract:with the development of industri

9、al special, 3-coordinate measuring machine is being used in the modern manufacturing engine more and more widely. the requirements for the measurement of industrial production have become more sophisticated, the traditional right-angle measuring machine is not orthogonal to fully meet the needs of m

10、easurement.flexible three coordinate measuring machine is generated in this case. in this paper, six degrees of freedom mechanical measuring arm that is generated based on the above. flexible three coordinate measuring machine has a simple structure, wide measurement range, light and flexible, etc.,

11、 and can carry out site survey, can solve a lot of traditional coordinate measuring machine cannot solve the problem.this article focuses on the study of the mechanical structure design of flexible arm measuring machine . first we introduced the flexible arm cmm's basic structure, working princi

12、ple and the overall mechanical design. briefly introduces the measuring space and related concepts of cmm. according to characteristics of the measuring arm system selecting the arm body materials, and arm length is optimized. and checking the strength and stiffness of the weakest link, to ensure th

13、at the program meets the requirements of the design. given, including base, vertical and horizontal joints, the arm itself, including the design of the concrete structure. error analysis on flexible measuring arm systems, analysis of its main source of errors and error. establishing joint bars with

14、shaking error and parameter error model and making a preliminary analysis. proposed some methods to improve the accuracy of the measuring machine.finally, it's the summarizes and prospects of this paper.keyword: flexible arm, coordinate measuring machine, structure design, error analysis classif

15、ication: th721目 次摘要：iabstract:ii目 次iii1引言11.1選題的背景與意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1 國外概況21.2.2 國內(nèi)概況21.3 柔性臂測量機(jī)未來的發(fā)展趨勢31.3.1普及高速測量31.3.2 新材料和新技術(shù)的應(yīng)用31.3.3 測量機(jī)測頭的發(fā)展31.3.4 控制系統(tǒng)的改進(jìn)31.3.5 軟件技術(shù)的革新41.4 研究內(nèi)容與擬解決主要問題41.4.1 課題研究內(nèi)容41.4.2 擬解決主要問題41.5 本章小結(jié)52 六自由度柔性臂的設(shè)計(jì)原理52.1 柔性坐標(biāo)測量機(jī)的基本結(jié)構(gòu)52.2 柔性坐標(biāo)測量機(jī)的測量原理62.3 柔性坐標(biāo)測量機(jī)總體方案82.3.

16、1 測量空間82.3.2 關(guān)節(jié)和臂長設(shè)計(jì)92.3.3臂身材料的選擇112.3.4 桿長的優(yōu)化設(shè)計(jì)112.3.5 空心軸的強(qiáng)度校核與剛度校核132.4 本章小結(jié)143 六自由度柔性臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)143.1 基座部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)143.2 橫關(guān)節(jié)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)153.3 縱關(guān)節(jié)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)163.4 六自由度柔性臂結(jié)構(gòu)裝備總圖163.5本章小結(jié)184 柔性臂坐標(biāo)測量機(jī)的誤差分析與精度分析184.1 誤差分析184.1.1 柔性臂坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)主要誤差184.1.2 柔性臂坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)主要誤差源184.2 誤差的補(bǔ)償194.2.1關(guān)節(jié)晃動導(dǎo)致的誤差194.2.1桿件參數(shù)導(dǎo)致的誤差214.3結(jié)構(gòu)的精度

17、分析224.4 本章小結(jié)225總結(jié)與展望235.1 總結(jié)235.2 展望246.主要參考文獻(xiàn)25附錄：27學(xué)位論文數(shù)據(jù)351引言1.1選題的背景與意義三坐標(biāo)測量機(jī)在現(xiàn)代制造工程領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。作為一種新型精密的測量儀，三坐標(biāo)測量機(jī)在航空航天，汽車，船舶，重型機(jī)械等領(lǐng)域有著十分重要的作用。近些年來，由于科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，在生產(chǎn)過程中對三坐標(biāo)測量技術(shù)的要求也越來越高。由于傳統(tǒng)的正交三坐標(biāo)測量機(jī)是以正交坐標(biāo)系為基礎(chǔ)的，它有固定的工作臺面，對被測工件進(jìn)行測量時，正交三坐標(biāo)測量的三根相互垂直的運(yùn)動軸及其標(biāo)尺，這導(dǎo)致運(yùn)動軸及標(biāo)尺必須比被測工件尺寸范圍長。然而，由于長標(biāo)尺和直線導(dǎo)軌加工比較復(fù)雜，

18、制作成本較高，測量機(jī)的價(jià)格會隨著量程的增大急劇上升。同時由于傳統(tǒng)的正交三坐標(biāo)測量機(jī)往往比較笨重，搬運(yùn)較不方便。對被測物進(jìn)行測量時必須先將被測的物體搬到測量機(jī)上，然而有些測量必須是在加工現(xiàn)場進(jìn)行的，現(xiàn)實(shí)中根本無法搬運(yùn)。這種現(xiàn)象造成了測量上的很多不便，無法滿足大型工件現(xiàn)場快速測量的需要1-2。另外由于在生產(chǎn)和科研活動中，常常需要用到結(jié)構(gòu)簡單、精度高、價(jià)格低廉、安裝簡單、易于操作、能夠在測量現(xiàn)場方便地進(jìn)行測量的大量程的便攜式三坐標(biāo)測量系統(tǒng)。這些特點(diǎn)都是傳統(tǒng)的正交三坐標(biāo)測量機(jī)所不具備的。隨著數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。為了適應(yīng)不斷提高的測量要求，具有人手臂的關(guān)節(jié)形式多個關(guān)節(jié)的非正交系坐標(biāo)測量機(jī)已經(jīng)成為三

19、坐標(biāo)測量機(jī)的一個新的發(fā)展趨勢。柔性坐標(biāo)測量機(jī)是一種應(yīng)用傳感器技術(shù)的接觸式或非接觸式三維測量裝置。它通過安裝在各關(guān)節(jié)及桿件內(nèi)部的光電角度編碼器獲得各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，并結(jié)合機(jī)械臂的機(jī)械參數(shù)，應(yīng)用空間支導(dǎo)線測量的原理計(jì)算出測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。和傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機(jī)相比，柔性關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)有很多優(yōu)勢3-4： (一) 體積小、量程大、重量輕。對于傳統(tǒng)的正交式三坐標(biāo)測量機(jī)，必須使測量機(jī)的運(yùn)動軸和標(biāo)尺足夠長才能測量較大的工件。而關(guān)節(jié)臂式柔性三坐標(biāo)測量機(jī)可以將臂進(jìn)行折疊，放入箱子里以便于攜帶，它的測量范圍可以達(dá)到較大的水平。如各臂的長度總和只要超過3m，就能測量3m范圍內(nèi)的點(diǎn)。只要保證自由度足夠，沒有一個臂的長度需要

20、超過其它臂的長度總和，在理論上可以探及半徑為3m的空間球域內(nèi)的任意點(diǎn) 5。 (二)可以方便地在現(xiàn)場進(jìn)行測量，甚至還能夠裝在被測工件或機(jī)器上。這是關(guān)節(jié)臂式柔性三坐標(biāo)測量機(jī)與傳統(tǒng)正交三坐標(biāo)測量機(jī)相比的最大優(yōu)勢，它是由其定位方便和便攜性的特點(diǎn)共同決定的。 (三)運(yùn)動靈活、活動部分質(zhì)量小，可以探測其他方法不能探及的位置點(diǎn)。 (四)價(jià)格較為便宜。和同等測量范圍的正交式三坐標(biāo)測量機(jī)相比關(guān)節(jié)臂式測量機(jī)的價(jià)格僅為前者的幾分之一。(五)由于其柔性的特點(diǎn)和采用人手操作，與正交式三坐標(biāo)測量機(jī)相比，測量速度快，且無需考慮路徑優(yōu)化等問題。因此，關(guān)節(jié)臂式測量機(jī)使用更加靈活、快捷3-5。目前國內(nèi)的柔性坐標(biāo)測量機(jī)市場全部是國

21、外產(chǎn)品一統(tǒng)天下的格局，雖然國內(nèi)己有研究機(jī)構(gòu)在做相關(guān)的研究，并有樣機(jī)推出，但精度與國外相比偏低，市場推廣較難5。本論文提出研制低成本、中高精度、操作便捷的柔性坐標(biāo)測量機(jī)，重點(diǎn)研究探討其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，包括模型建立、強(qiáng)度校核、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等 6。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國外概況目前, 美、英、德、日、意等工業(yè)發(fā)達(dá)國家都在競相開發(fā)各種類型規(guī)格的三坐標(biāo)測量機(jī),以滿足不同場合的需要。國外測量機(jī)生產(chǎn)廠家主要有四個較大的集團(tuán)，分別是美國的brown&sharpe集團(tuán)(包括德國leitz和意大利dea的公司)、德國的zeiss集團(tuán)、日本三豐公司<mitutoyo)和瑞士sip公司。從公司角度

22、來說，不同公司的產(chǎn)品有其不同的特點(diǎn)：zeiss公司以不斷推出新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝而著稱。萊茨公司以其物美價(jià)廉的優(yōu)勢在測量機(jī)市場上占有一席之地。與其他測量機(jī)不同的是，此測量機(jī)沒有轉(zhuǎn)臺，在測量一些回轉(zhuǎn)件時，靠探頭和軟件的幫助來完成。sip測量機(jī)以它的高精度、高穩(wěn)定性而名聞遐邇。 sip測量軟件與硬件的適配性是最好的 7。柔性坐標(biāo)測量機(jī)自推出之初便發(fā)展十分迅速，國內(nèi)外也做了許多相關(guān)的研究。目前國際上規(guī)模較大的柔性坐標(biāo)測量機(jī)生產(chǎn)商主要有法如（faro）8、海克斯康(cimcore、romer)9。兩家公司都有相應(yīng)的產(chǎn)品在市場上出售,并在市場上占壟斷地位。另外，日本tokyo denki univer

23、sity的shimojima, ken和西班牙university of zaragoza的jorge santolaria也在進(jìn)行相關(guān)的研究工作，主要是進(jìn)行理論和標(biāo)定技術(shù)方面的研究，并未見樣機(jī)生產(chǎn)報(bào)道5。1.2.2 國內(nèi)概況國內(nèi)生產(chǎn)廠家主要有青島前哨英柯發(fā)測量設(shè)備有限公司(qi tech)和航空工業(yè)總公司303所。青島前哨與hexagon集團(tuán)合資的?？怂箍禍y量技術(shù)青島有限公司是實(shí)力最強(qiáng)的一家,年銷售數(shù)量接近400臺,占國產(chǎn)三坐標(biāo)測量機(jī)份額的一半左右10-11。國外關(guān)于正交的坐標(biāo)測量機(jī)的發(fā)展歷史較久,目前該類產(chǎn)品己比較成熟、完善。國內(nèi)的三坐標(biāo)測量機(jī)起步比較晚，然而隨著越來越多的學(xué)者和科研人員研

24、究的不斷深入研究,國內(nèi)的三坐標(biāo)測量技術(shù),在理論研究和產(chǎn)品開發(fā)方面,都有了一定的發(fā)展。青島前哨機(jī)械公司以花崗巖平板在業(yè)界較為知名，他們開發(fā)的三坐標(biāo)測量機(jī),雖然精度不是很高但它的價(jià)格較低并能提供便捷快速的售后服務(wù),他們的產(chǎn)品適于一些測量精度要求不高的企業(yè)。國內(nèi)柔性坐標(biāo)測量機(jī)的研究起步比較晚,主要是部分高校在從事這方面的研究,其中推出產(chǎn)品的較少。國內(nèi)進(jìn)行柔性坐標(biāo)測量機(jī)研究的主要單位有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、西安愛德華公司等。在這幾家機(jī)構(gòu)中，合肥工業(yè)大學(xué)、西安愛德華公司己經(jīng)研制出樣機(jī)。與國外柔性坐標(biāo)測量機(jī)相比,國內(nèi)已推出的樣機(jī)精度偏低。另外,受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工的限

25、制,國內(nèi)研制出的樣機(jī)稍顯笨重,操作不夠靈活,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)只能在一定范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)。1.3 柔性臂測量機(jī)未來的發(fā)展趨勢1.3.1普及高速測量普及高速測量與效率一直是衡量各種機(jī)器性能、生產(chǎn)過程優(yōu)劣的兩項(xiàng)主要指標(biāo)。傳統(tǒng)的概念為了保證測量機(jī)的測量精度，測量機(jī)測量速度不宜過高。但隨著生產(chǎn)節(jié)奏不斷加快，用戶在要求測量機(jī)保證測量精度的同時，對cmm的測量速度(measuring speed)也提出了越來越高的要求。1.3.2 新材料和新技術(shù)的應(yīng)用新材料和新技術(shù)的應(yīng)用為確保可靠高速的測量功能，國外十分重視研究機(jī)體原材料的選用。最近合金、石材、陶瓷等新材料被紛紛用作測量機(jī)的材料來取代傳統(tǒng)合金。世界上的主要三坐標(biāo)測量機(jī)制

26、造廠商，大部分都采用了重量輕、剛性好、導(dǎo)熱性強(qiáng)的合金材料，來制造測量機(jī)上的運(yùn)動機(jī)構(gòu)部件。鋁合金、陶瓷材料以及各種合成材料在三坐標(biāo)測量機(jī)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。1.3.3 測量機(jī)測頭的發(fā)展測量機(jī)測頭的發(fā)展三坐標(biāo)測最機(jī)除了機(jī)械本體外，測頭是坐標(biāo)測盆機(jī)的核心，也是測盤機(jī)達(dá)到高精度的關(guān)鍵。與其他各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)相比，提高測頭的性能指標(biāo)難度最大。理想測頭最主要的性能指標(biāo)是測頭接近零件能力的參數(shù):在同等精度指標(biāo)下，測頭端部的測頭體直徑d與測桿長度l的長徑比為l/d。其值愈大，其性能愈好。1.3.4 控制系統(tǒng)的改進(jìn)控制系統(tǒng)的改進(jìn)在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，測量的目的不僅僅局限于成品驗(yàn)收檢驗(yàn)，而是向整個制造系統(tǒng)提供有關(guān)制

27、造過程的信息，為控制提供依據(jù)。從這一要求出發(fā)，必須要求測量機(jī)具有開放式控制系統(tǒng)，具有更大的柔性。為此，要盡可能利用發(fā)展迅速的新的電子工業(yè)技術(shù)，設(shè)計(jì)新的高性。近年來，計(jì)算機(jī)價(jià)格一直在降低，而性能愈來愈好。我們要合理運(yùn)用這一特點(diǎn)，加大這方面的研究。另外，為了降低成本，也可以用復(fù)雜的控制系統(tǒng)進(jìn)行緊湊設(shè)計(jì)。1.3.5 軟件技術(shù)的革新軟件技術(shù)的革新測量機(jī)的功能主要由軟件決定。三坐標(biāo)測童機(jī)的操作、使用的方便性。也首先取決于軟件，測量機(jī)每一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展，都必須有相應(yīng)配套的軟件技術(shù)。最終形成基于同一種平臺開發(fā)的測最軟件族也成為軟件革新的一種必然趨勢。可以說測量機(jī)軟件是三坐標(biāo)測量機(jī)中發(fā)展最為迅速的一項(xiàng)技術(shù)。軟

28、件的發(fā)展將使三坐標(biāo)測量機(jī)向智能化的方向發(fā)展，它至少將包括能進(jìn)行自動編程、測量優(yōu)化、故障自動診斷等方面的內(nèi)容 12-14。1.4 研究內(nèi)容與擬解決主要問題1.4.1 課題研究內(nèi)容柔性坐標(biāo)測量機(jī)是一種應(yīng)用傳感器技術(shù)的接觸式或非接觸式三維測量裝置。它通過安裝在各關(guān)節(jié)及桿件內(nèi)部的光電角度編碼器獲得各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，再結(jié)合機(jī)械臂的機(jī)械參數(shù)(臂長、關(guān)節(jié)厚度等)應(yīng)用空間支導(dǎo)線測量的原理計(jì)算出測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。柔性機(jī)械測量臂是柔性三坐標(biāo)測量機(jī)的最重要部件，它是測量機(jī)的主要工作部分。同時，柔性機(jī)械臂的設(shè)計(jì)也是柔性三坐標(biāo)測量機(jī)設(shè)計(jì)的最主要部分。1.4.2 擬解決主要問題本論文所研究的主要內(nèi)容包括：掌握六自由度柔性機(jī)械臂

29、的應(yīng)用場合、工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；制定六自由度柔性臂的總體設(shè)計(jì)方案。完成六自由度柔性機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括機(jī)械臂的總裝圖及主要零部件圖紙，做出必要的設(shè)計(jì)分析。對六自由度柔性機(jī)械臂進(jìn)行誤差分析，尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，并給出相應(yīng)的解決方案。其中機(jī)械臂的設(shè)計(jì)是本論文所主要討論的問題。進(jìn)行機(jī)械臂的設(shè)計(jì)，首先要確定測量臂的總體設(shè)計(jì)方案，然后重點(diǎn)分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)，我們可參考國外的幾種柔性測量機(jī)的主流設(shè)計(jì)方案。其主要解決的問題以及設(shè)計(jì)流程及方案如下：一、自由度的選擇。柔性機(jī)械測量臂的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上模仿了關(guān)節(jié)式機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”形式只是去掉了機(jī)器人結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動裝置和控制機(jī)構(gòu)，而改為由人來完成測量機(jī)的手動操作

30、15。二、基座部件設(shè)計(jì)?；蓤A套筒、內(nèi)螺母、轉(zhuǎn)盤、角接觸軸承、底座、滑環(huán)支架、滑環(huán)等零件組成。三、橫關(guān)節(jié)部件設(shè)計(jì)。測量機(jī)中的橫關(guān)節(jié)部件主要用于連接相鄰的兩個臂身?xiàng)U件，且實(shí)現(xiàn)兩桿件的高精度回轉(zhuǎn)。對關(guān)節(jié)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求是:結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)動靈活，相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度高，剛性大，彈性變形?。桓麝P(guān)節(jié)之間垂直連接，回轉(zhuǎn)部分的徑向跳動小，同軸度高15。四、臂身?xiàng)U件設(shè)計(jì)。臂身?xiàng)U件的主要參數(shù)是桿長，使測量機(jī)達(dá)到預(yù)定的測量范圍且在規(guī)定的測量半徑空間范圍內(nèi)，無測量死角16。五、精度分析和誤差補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)計(jì)算，對柔性測量臂進(jìn)行誤差分析。1.5 本章小結(jié)（1）介紹了選題的背景與意義，介紹了三坐標(biāo)測量機(jī)的基本狀況以及三坐標(biāo)測量機(jī)

31、在工業(yè)生產(chǎn)科學(xué)研究中的重要作用。（2）介紹了三坐標(biāo)測量機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。國內(nèi)外各個品牌各自的優(yōu)勢，以及我國三坐標(biāo)測量機(jī)行業(yè)現(xiàn)階段所存在的問題及不足。（3）介紹了柔性臂測量機(jī)未來的發(fā)展趨勢，主要有普及高速測量、新材料和新技術(shù)的應(yīng)用、測量機(jī)測頭的發(fā)展、控制系統(tǒng)的改進(jìn)、軟件技術(shù)的革新五個方面。（4）介紹了本論文選題的意義，研究內(nèi)容與擬解決的主要問題。確立了本文的主要研究內(nèi)容：柔性測量機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差分析。2 六自由度柔性臂的設(shè)計(jì)原理2.1 柔性坐標(biāo)測量機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1-基座，2-關(guān)節(jié)部件，3-臂伸桿件，4-測頭，5-平衡部件圖2.1柔性坐標(biāo)測量機(jī)由機(jī)械系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。

32、不同品牌的三坐標(biāo)測量機(jī)的在外觀上會有差異，它們的主要差異是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和平衡系統(tǒng)。但其主要結(jié)構(gòu)組成基本相似（如圖2.1所示），大體有基座，關(guān)節(jié)部件，臂伸桿件，測頭，平衡部件五個部件組成。圖2.1中兩臺關(guān)節(jié)式三坐標(biāo)測量機(jī)均為cimcore的產(chǎn)品，其中左圖為infinite2.0型高精度關(guān)節(jié)臂測量機(jī)。一般的柔性關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)由3根測量臂, 6個活動關(guān)節(jié)和1個接觸測頭組成。3根臂互相連接,其中1個為固定臂,它安裝于任意基座上支持測量機(jī)的其他部件,另外2個活動臂可運(yùn)動于空間任意位置,以適應(yīng)測量需要,測頭安裝在末端臂的尾端, 2個測量臂之間為關(guān)節(jié)式連接,可作空間回轉(zhuǎn),而每個活動關(guān)節(jié)裝有相互垂直的回轉(zhuǎn)角傳感

33、器,當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到觸發(fā)測量信號后,立即讀取傳感器測得的角度值,運(yùn)行程序輸出被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。為了測量機(jī)的整體平衡,還可以設(shè)計(jì)平衡桿機(jī)構(gòu) 17。圖2.2 三維測量機(jī)三維圖2.2 柔性坐標(biāo)測量機(jī)的測量原理從圖2.2可以看出,柔性坐標(biāo)測量機(jī)類似于工業(yè)中常見的機(jī)器人手臂,使用機(jī)器人常用的denavit-hartenberg方法18建模(即d-h方法) ,柔性坐標(biāo)測量機(jī)可抽象為多個具有獨(dú)立運(yùn)動桿件以旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成的機(jī)械系統(tǒng)19,要在空間描述每個桿件的位置及方向, 需要建立以下的直角坐標(biāo)系:1、基座坐標(biāo)系；2、 桿件坐標(biāo)系；3、測量機(jī)測頭坐標(biāo)系。不同于工業(yè)機(jī)器人的是測量機(jī)測頭的姿態(tài)一般無需考慮。圖2.3

34、桿件坐標(biāo)關(guān)系轉(zhuǎn)換圖按照d-h方法在各個關(guān)節(jié)處建立桿件坐標(biāo)系,所得的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2.3所示,從圖2.3可看出,共建立了7個坐標(biāo)系,基座坐標(biāo)系為 o0x0y0z0,各個關(guān)節(jié)i上建立坐標(biāo)系oixiyizi (i=1, 2,6),轉(zhuǎn)換矩陣為:.(2.1)其中, li 為兩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸軸線之間的最短距離,即兩軸線之間公垂線的長度;i為兩相鄰桿件相對位置的變化量,當(dāng)兩桿件以旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相連時,即為安裝在各關(guān)節(jié)中的角度傳感器的輸出;di為關(guān)節(jié)偏置量(即相鄰桿長線在關(guān)節(jié)上截取的距離);i為相鄰關(guān)節(jié)軸線相對扭轉(zhuǎn)角度;l為測量機(jī)測頭長度。從坐標(biāo)系o6逐次到坐標(biāo)系o0的齊次坐標(biāo)變換公式分別是、和。由于無需討論測頭相對于基準(zhǔn)

35、坐標(biāo)系o0x0y0z0的姿態(tài),只要給出坐標(biāo)原點(diǎn) o6，測頭p在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的位置即可確定。則有：.(2.2)柔性坐標(biāo)測量機(jī)測頭p在基準(zhǔn)坐標(biāo)系o0x0y0z0里的坐標(biāo)方程為：.(2.3)其中,li、di、i均為機(jī)械結(jié)構(gòu)所確定的已知參數(shù),只要測得6個旋轉(zhuǎn)角度值i,就可獲得測頭末端在基坐標(biāo)系中的空間三維坐標(biāo)值。2.3 柔性坐標(biāo)測量機(jī)總體方案2.3.1 測量空間工業(yè)機(jī)器人的工作空間是從幾何方面討論機(jī)器人末端執(zhí)行器的工作性能20,相對于機(jī)器人的工作空間概念,柔性坐標(biāo)測量機(jī)的測量空間這一類似概念。即為當(dāng)測量機(jī)正常工作時,測頭坐標(biāo)系的原點(diǎn)能在空間探測到的最大范圍。顯然,測量空間受測量機(jī)結(jié)構(gòu)的影響。從圖2.3

36、中可看出,測量空間范圍主要受結(jié)構(gòu)參數(shù)l2、d3、l4、d5，h和測頭長度l影響。在理想情況下,柔性坐標(biāo)測量機(jī)的所有關(guān)節(jié)變量i均能夠在0, 2范圍內(nèi)任意旋轉(zhuǎn),但是由于實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,測量機(jī)的關(guān)節(jié)并不能任意旋轉(zhuǎn)。各個關(guān)節(jié)變量i的實(shí)際取值范圍如下:.(2.4)由于整個結(jié)構(gòu)的對稱性,測量機(jī)的測量空間為一個完整的球體,不難得出該球體的半徑d3+d5+l。對于關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角,本課題采用的是垂直正交連接,各扭轉(zhuǎn)角均為90º,理論上也能實(shí)現(xiàn)空間球體任意點(diǎn)的探測。因此,空間測量死角的存在僅與測量機(jī)中桿件的有效長度ai和相鄰關(guān)節(jié)的偏置量di的值有關(guān)。通過圖2.3中的圖解法可得知,當(dāng)桿件有效長度與關(guān)節(jié)偏置

37、量為圖中所示的關(guān)系時,測量機(jī)在理想球體內(nèi)出現(xiàn)測量死角,也即出現(xiàn)“空腔”區(qū)域,在區(qū)域內(nèi)測頭無法探測到。圖2.3兩種不同的空腔區(qū)域圖2.3左側(cè)中的結(jié)構(gòu)關(guān)系可得出出現(xiàn)測量死角時,測頭長度a,關(guān)節(jié)偏置量d3，d5及桿長a4存在如下的關(guān)系 .(2.5)此時的空腔區(qū)域如圖2.3左側(cè)的陰影部分所示，空腔球體的半徑約為:。當(dāng)時，也會產(chǎn)生如圖2.3右圖所示的空腔?？涨坏陌霃郊s為：。綜上所述,為使測量空間中不存在測量死角,對a4，d3和d5來說它們必須要滿足的大小關(guān)系為5：.(2.6)2.3.2 關(guān)節(jié)和臂長設(shè)計(jì)測量機(jī)的關(guān)節(jié)部分主要用于連接各個相鄰的桿件，使得測量機(jī)的測頭能做空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)六自由度的測量。關(guān)節(jié)的

38、靈活性和精度直接影響測量機(jī)的整體性能，是測量機(jī)中十分重要的部分。因此我們要求測量機(jī)的關(guān)節(jié)必須符合結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)動靈活，相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度高，剛性大，彈性形變小等特點(diǎn)。材料選用強(qiáng)度航空鋁合金，有助于減輕結(jié)構(gòu)形變量。關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)如圖2.4a，圖2.4b（藍(lán)色部分表示運(yùn)用螺紋連接）：圖2.4a 橫關(guān)節(jié)的零件設(shè)計(jì)爆炸圖圖2.4b 橫關(guān)節(jié)的零件設(shè)計(jì)爆炸圖測量機(jī)的六個關(guān)節(jié)將相鄰的測量臂進(jìn)行連接，測量臂才得以在空間內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而完成測量動作。臂身?xiàng)U件的主要參數(shù)是桿長，只有選擇合適的桿長才能使測量機(jī)達(dá)到預(yù)定的測量范圍，并且在規(guī)定的測量內(nèi)，沒有測量死角。同時要求臂身結(jié)構(gòu)緊湊,桿件的最大外徑應(yīng)該適宜手持操作,回轉(zhuǎn)部分的

39、徑向竄動要小。為了簡便，測量臂取薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)基本方案如圖2.5：圖2.5 臂身的基本設(shè)計(jì)圖2.3.3臂身材料的選擇測量機(jī)臂身材料的選擇對于臂身設(shè)計(jì)來說十分關(guān)鍵。由于測量臂較長,，且在其兩端需要支承關(guān)節(jié)。為了減小變形、減輕整個系統(tǒng)的重量、保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性等，需要測量臂有較高的強(qiáng)度和剛度且重量輕、熱穩(wěn)定性好。從目前來看，鈦合金與碳纖維是種較為符合柔性坐標(biāo)測量機(jī)測量臂要求的材料21。鈦合金外觀似鋼，具有強(qiáng)度大（抗拉強(qiáng)度為180kg/mm3）、密度小、硬度大、高溫強(qiáng)度好、低溫韌性優(yōu)異、耐熱性好、熱導(dǎo)率低、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)比較適合臂身材料。但其成本高，不易加工，并不是臂身材料的最好選擇

40、。碳纖維是由有機(jī)纖維采用高溫分解法在一度高溫的惰性氣體下生成的。碳纖維呈黑色，堅(jiān)硬，具有強(qiáng)度高、重量輕等特點(diǎn)，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。它的比重不到鋼的1/4, 抗拉強(qiáng)度是鋼的79倍，抗拉彈性模量為2300043000mpa遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼。與普通鋼相比，碳纖維的比強(qiáng)度（材料的強(qiáng)度與其密度之比）高達(dá)2000mpa/(g/cm3)。材料的比強(qiáng)度愈高,則構(gòu)件自重愈小,比模量愈高,則構(gòu)件的剛度愈大。綜上所述，我們選用具有“輕而強(qiáng)，輕而硬，尺寸穩(wěn)定性好”的力學(xué)特性的碳纖維作為測量臂的材料22-23。2.3.4 桿長的優(yōu)化設(shè)計(jì)由2.3.1節(jié)的結(jié)論可知，關(guān)節(jié)偏置量d3、d5及測頭長a度決定了測量機(jī)的測量半徑。

41、在測量機(jī)的測量范圍給定的情況下，不同的設(shè)計(jì)參數(shù)會對測量機(jī)精度產(chǎn)生不同的影響。桿長的比例必須進(jìn)行優(yōu)化，以使測頭在測量范圍內(nèi)的位置誤差達(dá)到最小24-25。在進(jìn)行優(yōu)化前，我們跟據(jù)上文可得出優(yōu)化模型，此時僅考慮i。測頭誤差公式可寫為：.(2.7)為使xp,yp,zp的絕對值同時達(dá)到最小，在測量機(jī)實(shí)際情況下有如下約束條件：1），測量半徑為1.2m，測頭長設(shè)為100mm。關(guān)節(jié)偏置量為d3+d5=1100mm為常數(shù)。2），為避免出現(xiàn)“空腔”,根據(jù)2.3.1需滿足。3），考慮加工方便，外形美觀等因素，我們使a1與a2相等，a3，a5，a6與a4相等。可得到桿長優(yōu)化模型： .(2.8)然而，由于關(guān)節(jié)偏置量d1的

42、誤差僅作用在測量值的z坐標(biāo)上,對個關(guān)節(jié)變量的誤差值基本上不會放大或縮小,因此優(yōu)化模型中可忽略掉d1參數(shù)。根據(jù)xp,yp,zp與a2，a4，d3，d5的以及6個角度參數(shù)i（i=1,26）關(guān)系,可將優(yōu)化模型變?yōu)?6： .(2.9)選用一些常用的測量角度，即選擇測量機(jī)的常用工作區(qū)間，在該常用的工作區(qū)間選取一些離散的測點(diǎn)，就可以對這些點(diǎn)進(jìn)行研究，使得測量機(jī)在這些點(diǎn)上的測得值達(dá)到最優(yōu)的效果。通過以上的分析及計(jì)算，在測量機(jī)每一具體的測量點(diǎn)上，都有不同的最優(yōu)解，但是對整個測量空間來說，結(jié)果是不確定的。但是，我們可知在測量臂的極限位置時系統(tǒng)的穩(wěn)定性最小，此時誤差放大最大，實(shí)際測量時應(yīng)該盡量規(guī)避掉這些極限位置。

43、d3，d5的取值雖在每組關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角處都不盡相同,但當(dāng)d3，d5的取值相近時,對整個系統(tǒng)誤差影響最小。本例中因d3+d5=1100mm。我們?nèi)3=600mm，d5=500mm。對與a2、a4，它們對測頭誤差的影響是不確定的，因此它們的尺寸可根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求和尺寸限制要求來確定5，18。我們?nèi)。篴2=42，a4=37。2.3.5 空心軸的強(qiáng)度校核與剛度校核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,為了保證梁具有足夠的安全裕度,梁的危險(xiǎn)截面上的最大正應(yīng)力必須小于許用應(yīng)力,許用應(yīng)力等于s或b除以一個大于1的安全系數(shù)。即: .(2.10) .(2.11)軸的強(qiáng)度校核與梁類似。式2.10，2.11即是梁上基于最大正應(yīng)力時的彎曲強(qiáng)度條件

44、。其中為彎曲許用應(yīng)力，ns 與nb分別為對應(yīng)于屈服極限和強(qiáng)度極限的安全因素。考慮到關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)的實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)，可知在實(shí)現(xiàn)無限旋轉(zhuǎn)的豎關(guān)節(jié)中，受力最大的是第三關(guān)節(jié)，而受力最大的橫關(guān)節(jié)是第四關(guān)節(jié)。由此可知，第三關(guān)節(jié)和第四關(guān)節(jié)的空心軸為工作中的最危險(xiǎn)部件。對空心軸進(jìn)行校核時，只需對這兩個空心軸進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核即可。我們把這兩個需校核的空心軸分別記為空心軸iii和空心軸iv。根據(jù)其他參考資料和以往三坐標(biāo)測量機(jī)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，可知當(dāng)選用一般普通尺寸編碼器的情況下，可知空心軸iii上所承受的重量不大于6kg22,5。由于有兩個軸承承擔(dān)其重量，每個軸承安裝面上所承受的重力為：=29.4n。根據(jù)ansys

45、有限元分析得出?？招妮Siii最大正應(yīng)力為，476.8mpa。遠(yuǎn)小于牌號為7075-t6511，屈服極限為503mpa，拉伸強(qiáng)度為572mpa的鋁合金。對于軸iv。每個軸承安裝面上的力24.5n。有限元分析出軸iv最大正應(yīng)力為468.32mpa。因此也滿足要求。在對空心軸進(jìn)行強(qiáng)度校核后，我們需對其進(jìn)行剛度校核，將其截面最大撓度和轉(zhuǎn)角限制在一定范圍內(nèi)，使其滿足剛度條件：,。和為許用撓度和許用轉(zhuǎn)角。對于要求較高的軸，為0.0002l（l為軸長）。為了使測量機(jī)達(dá)到較高精度，在選擇軸承時，我們使用了軸承內(nèi)圈最大徑向跳動為0.002mm的p2級高精度軸承。因此，空心軸的許用撓度不應(yīng)超過軸承內(nèi)圈的徑向跳動量

46、0.002mm。對零件進(jìn)行有限元分析：軸iii最大位移為：0.0012mm，軸iv最大位移為：0.00072mm。均小于最大撓度=0.002mm。因此符合剛度要求。2.4 本章小結(jié) 本章提出了柔性坐標(biāo)測量臂的設(shè)計(jì)原理和總體設(shè)計(jì)方案。測量機(jī)的測量空間是一個半徑為d3+d5+l的球體。測量機(jī)總體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括了測量臂的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)和臂長設(shè)計(jì)。測量臂的臂身為薄壁圓筒形結(jié)構(gòu)，材料的選擇對于測量臂的空間位置精度十分重要。我們選擇了“輕而強(qiáng)，輕而硬，尺寸穩(wěn)定性好”，力學(xué)性能好的碳纖維材料作為臂身的材料。選擇合適的臂長，對臂長進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以避免測量機(jī)出現(xiàn)“空腔”現(xiàn)象并且能使測量機(jī)測頭的位置誤差降到最低。

47、此外，本章還對結(jié)構(gòu)上最薄弱的空心軸進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的校核。得出了最大應(yīng)力，應(yīng)變值，最大撓度均符合要求。3 六自由度柔性臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 基座部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基座是坐標(biāo)測量機(jī)的支承件27，它與測量機(jī)的第一關(guān)節(jié)相連，起著支撐測量機(jī)上所有部件，并保證精度的作用。支承件是整套系統(tǒng)的基礎(chǔ),支撐成著系統(tǒng)的各個零部件，因此不僅結(jié)構(gòu)尺寸較大,而且自身重量重。由于各零部件裝在支承件上，因此支承件件上需加工出孔或支承面、定位面等，而且加工精度和位置精度要求都較高，所以支承件的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜22。因此，支承件必須要有足夠的剛度、穩(wěn)定性好、熱變形小以及具有良好的抗震性。基座由圓套筒、內(nèi)螺母、轉(zhuǎn)盤、角接觸軸承、底座等零件

48、組成。如圖3.1。圖3.1 基座設(shè)計(jì)圖3.2 橫關(guān)節(jié)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)測量機(jī)中的橫關(guān)節(jié)即2,4,6關(guān)節(jié)部件主要用于連接相鄰的兩個臂身?xiàng)U件，以實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)動。它要求結(jié)構(gòu)緊湊,轉(zhuǎn)動靈活,相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度高,剛性大,彈性變形小。各關(guān)節(jié)之間垂直連接，回轉(zhuǎn)部分的徑向跳動小，同軸度高28。橫關(guān)節(jié)部件由關(guān)節(jié)連接套、空心軸、外套筒、軸承、角度傳感器等零件組成。關(guān)節(jié)連接套上與空心軸配合，關(guān)節(jié)連接套下與外套筒配合。它們構(gòu)成的整體分別連接兩個相鄰的臂身?xiàng)U件,關(guān)節(jié)連接套的回轉(zhuǎn)軸線與臂身?xiàng)U件的軸線垂直。連接套的回轉(zhuǎn)同時帶動空心軸與外套筒一起回轉(zhuǎn),這里設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)連接套的回轉(zhuǎn)角度范圍為（-90 º,90 º）

49、空心軸與外套筒之間有一對軸承,采用雙軸承結(jié)構(gòu)，可以減少單一軸承結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的徑向跳動誤差及偏轉(zhuǎn)誤差,提高回轉(zhuǎn)精度。具體設(shè)計(jì)如圖3.2。圖3.2 橫關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)圖3.3 縱關(guān)節(jié)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)縱關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)要求是重量輕、剛性強(qiáng)、彎曲形變小，并且結(jié)構(gòu)緊湊。縱關(guān)節(jié)與橫關(guān)節(jié)一樣，由連接套、空心軸、外套筒、延伸管等組成。結(jié)構(gòu)如圖3.3。圖3.3 縱關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)圖3.4 六自由度柔性臂結(jié)構(gòu)裝備總圖六自由度柔性臂的結(jié)構(gòu)裝備總圖如3.4所示。圖3.4 柔性臂的裝備圖圖3.5為裝配圖的零件爆炸示意圖。圖3.5 裝配圖的零件爆炸圖3.5本章小結(jié)本章主要介紹了柔性測量臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)方案。包括了基座部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，橫關(guān)節(jié)部

50、分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及縱關(guān)節(jié)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；亲鴺?biāo)測量機(jī)的支承件，起著支撐測量機(jī)上所有部件，并保證精度的作用。測量機(jī)中的橫關(guān)節(jié)部件主要用于連接相鄰的兩個臂身?xiàng)U件，以實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)動。它要求結(jié)構(gòu)緊湊,轉(zhuǎn)動靈活,相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度高,剛性大,彈性變形小?？v關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)要求是滿足重量輕、剛性強(qiáng)、彎曲形變小，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。本章還給出了本次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)裝備總圖，以圖片形式介紹了六自由度柔性臂的設(shè)計(jì)方案。4 柔性臂坐標(biāo)測量機(jī)的誤差分析與精度分析4.1 誤差分析關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)是一種串聯(lián)式的空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，雖然它結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活，但具有誤差傳遞、放大等缺點(diǎn)。再加上因?yàn)榧庸ず脱b配，以及環(huán)境溫度變化和受力變形等影響，都將引

51、起測量機(jī)各關(guān)節(jié)臂產(chǎn)生誤差。通過對系統(tǒng)可能存在的誤差進(jìn)行分析和分類，就可以對系統(tǒng)的理想模型進(jìn)行修正，從而保證測量機(jī)的總體精度。4.1.1 柔性臂坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)主要誤差測量機(jī)測頭的位置是通過一系列坐標(biāo)變換得到的，由于各項(xiàng)誤差因素的存在，坐標(biāo)系產(chǎn)生了微分運(yùn)動，坐標(biāo)變換中的轉(zhuǎn)換矩陣與實(shí)際的轉(zhuǎn)換矩陣有偏差，從而導(dǎo)致最終的測量結(jié)果存在誤差。因?yàn)殛P(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)的各級關(guān)節(jié)和桿件的誤差不是簡單的相加而是逐級劇烈放大和疊加的，尤其是角度的誤差，即使是很小的角度誤差，經(jīng)過桿長的放大也會產(chǎn)生可觀的測量誤差30-31。關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)的誤差可以分為兩類：一類是系統(tǒng)誤差，還有一類是隨機(jī)誤差。其中系統(tǒng)誤差是可以通過對系統(tǒng)

52、的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償來基本消除的，而隨機(jī)誤差是測量機(jī)在測量過程中隨機(jī)出現(xiàn)的誤差，難以確定，且無法進(jìn)行修正或補(bǔ)償23。4.1.2 柔性臂坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)主要誤差源關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)的誤差可以分為兩類，即系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。這兩種誤差主要來源于以下7個方面29：1）角度編碼器誤差。是指由角度傳感器測角引起的誤差，它包括了節(jié)零位誤差和角度測量誤差。2）臂受力形變彎曲帶來的誤差。關(guān)節(jié)臂通常在自重和操作力的作用下所產(chǎn)生的彎曲變形引起的誤差。3）臂的熱變形誤差。指的是關(guān)節(jié)臂的桿長受溫度的變化而引起的誤差,通過測定關(guān)節(jié)臂材料的熱膨脹系數(shù),并根據(jù)20度時的桿長和使用時的溫度變化來計(jì)算出熱變形桿長誤差。4）結(jié)構(gòu)

53、參數(shù)誤差。包括桿件有效長度誤差,相鄰關(guān)節(jié)軸線不垂直產(chǎn)生的誤差及偏置量誤差。5）臂的運(yùn)動誤差,也即關(guān)節(jié)晃動誤差。6）測頭探測引起的誤差，即測頭因測量力的不同而引起的誤差。7）軟件系統(tǒng)誤差與電氣系統(tǒng)誤差。即由軟件建模的準(zhǔn)確性和外界干擾信號所引起的誤差。測量機(jī)的誤差產(chǎn)生原因有很多種。其中，角度編碼器誤差、結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差和臂的運(yùn)動誤差對測量機(jī)的精度影響最大。4.2 誤差的補(bǔ)償影響測量機(jī)準(zhǔn)確度 (和精度) 的因素主要有兩個方面, 一是測量機(jī)本身系統(tǒng), 二是外部環(huán)境影響。因此, 產(chǎn)生的誤差有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)性誤差兩種。誤差的補(bǔ)償方法也分為系統(tǒng)誤差補(bǔ)償法和隨機(jī)誤差補(bǔ)償法。隨機(jī)誤差補(bǔ)償方法適合于任何測量環(huán)境。但此

54、方法對機(jī)型結(jié)構(gòu)有要求, 且成本太高, 一般很少使用。系統(tǒng)誤差補(bǔ)償有兩種方法, 一是通過提高機(jī)械制造裝配精度對機(jī)器環(huán)境加以改造, 但此方法成本高, 且有一定的限度。二是軟件補(bǔ)償方法。用軟件補(bǔ)償方法也很多, 且各有利弊。下面主要分析臂的關(guān)節(jié)晃動和桿件參數(shù)所導(dǎo)致的誤差。這兩種誤差是三坐標(biāo)測量機(jī)的主要誤差來源。4.2.1關(guān)節(jié)晃動導(dǎo)致的誤差由于關(guān)節(jié)存在間隙晃動，將產(chǎn)生三個微分運(yùn)動量：徑向跳動、軸向竄動以及角偏擺，如圖4.1。圖4.1臂的關(guān)節(jié)軸晃動誤差示意圖它們的綜合影響表現(xiàn)為關(guān)節(jié)坐標(biāo)系oxyz相對于理想坐標(biāo)系oxyz（兩軸承中心處建立的坐標(biāo)系）有微分運(yùn)動。如圖4.2。即相對于坐標(biāo)系oxyz移動(dx,d

55、y,dz),并繞oxyz的x，y，z軸轉(zhuǎn)動x,y,z。圖4.2關(guān)節(jié)晃動引起的微分運(yùn)動圖設(shè)坐標(biāo)系oxyz對應(yīng)的齊次矩陣為ai-1，按照d-h法中的關(guān)節(jié)標(biāo)示法，該坐標(biāo)系不隨關(guān)節(jié)的晃動而改變。坐標(biāo)系oxyz是由oxyz參考得到的，可得出oxyz對應(yīng)的坐標(biāo)矩陣：ai1=i+(4.1)令=，可得ai1=i+其中i為單位矩陣，x,y,z分別為繞x,y,z軸轉(zhuǎn)動的微小角度，dx，dy，dz分別為微分平移矢量的個分量。以上為關(guān)節(jié)晃動所導(dǎo)致的微分運(yùn)動所引起的誤差。在實(shí)際中，我們要選用p2級的高精度雙軸承來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，來減少承的徑向跳動、軸向竄動、以及角度的擺動5。4.2.1桿件參數(shù)導(dǎo)致的誤差由于在生產(chǎn)、加工和裝配過程中不可避免的存在各種偏差，實(shí)際上不可能達(dá)到理想的d-h坐標(biāo)矩陣。d-h矩陣的參數(shù)會因存在著偏差而改變32。用i, di, ai, i來定義各參數(shù)的該變量，式2.1變?yōu)椋篴i2= (4.2